JP4792949B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、実装基板に半導体チップがフリップチップ実装された半導体装置に関し、更に詳しくは、実装基板と半導体チップとの間に充填されるアンダーフィル材の流出防止用或いは堰き止め用のダムを備えた半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a mounting substrate, and more specifically, includes a dam for preventing an underfill material flowing out or damming between the mounting substrate and the semiconductor chip. The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device.
近年、電子機器の高機能化や軽薄短小化の要求に伴って電子部品の高密度集積化や高密度実装化が進み、フリップチップ実装を用いたMCM(マルチチップモジュール)又はSIP(システムインパッケージ)タイプの半導体装置が主流になりつつある。この種の半導体装置の中には、インターポーザと称される実装基板に半導体チップをフリップチップ実装した構成を採用したものがある(例えば下記特許文献1参照)。
In recent years, along with demands for higher functionality and lighter, thinner and smaller electronic devices, high-density integration and high-density mounting of electronic components have progressed, and MCM (multi-chip module) or SIP (system-in-package) using flip-chip mounting. ) Type semiconductor devices are becoming mainstream. Some semiconductor devices of this type employ a configuration in which a semiconductor chip is flip-chip mounted on a mounting substrate called an interposer (see, for example,
図6はこの種の従来の半導体装置の概略構成を示しており、図中Aは平面図、Bは断面図である。図示した半導体装置は、実装基板1と半導体チップ2とによって構成されている。実装基板1は、例えばシリコンインターポーザや半導体チップ2よりも大型の半導体チップによって構成されている。半導体チップ2は実装基板1の主面のほぼ中央部に複数のバンプ3を用いてフリップチップ実装されている。実装基板1の周縁部には、実際に半導体チップ2が実装される領域(以下「チップ実装領域」という。)を取り囲む状態で複数の電極パッド4が形成されている。
FIG. 6 shows a schematic configuration of this type of conventional semiconductor device, in which A is a plan view and B is a cross-sectional view. The illustrated semiconductor device includes a
また、実装基板1の主面上であってチップ実装領域と電極パッド4の形成領域との間にはダム5が設けられている。ダム5は、電極パッド4の形成領域よりも内側でチップ実装領域を取り囲むように平面視矩形状の枠型に形成されている。ダム5は、実装基板1の主面から突出する状態で形成されている。さらに、実装基板1の主面上では、当該実装基板1と半導体チップ2との間にアンダーフィル材6が充填されている。
A
アンダーフィル材6は、実装基板1に半導体チップ2をフリップチップ実装した後に充填される。その際、アンダーフィル材6は、図7に示すように、半導体チップ2の周縁部とダム5との間に配置されたノズル7から実装基板1の主面上へ滴下される。こうして滴下されたアンダーフィル材6は、実装基板1と半導体チップ2との間の微小な空間に毛細管現象によって引き込まれ、充填される。その際、ノズル7から滴下されたアンダーフィル材6が電極パッド4を汚染しないように、ダム5がアンダーフィル材6の流出を堰き止める。このアンダーフィル材6の流出防止機能を確保するために、図7に示したようにダム5が二重に形成される場合もある。なお、アンダーフィル材6は、実装基板1と半導体チップ2との間に充填された後、加熱硬化される。
The
ダム5は、従来より、実装基板1のチップ実装領域に形成されるバンプ3と同時に作製されている。すなわち、バンプ3がめっきバンプで構成される従来の半導体装置においては、ダム5もまためっき法で形成されている(例えば下記特許文献2参照)。以下、めっきバンプの形成方法の一例を図8〜図11を参照して説明する。
The
図8〜図11は実装基板1のめっきバンプ3A(及びダム5)の一形成方法を説明する要部の工程断面図である。まず、シリコンからなる実装基板1の主面上に絶縁膜10を介してバンプ下地層11をパターン形成する(図8A)。このバンプ下地層11は、例えば電極パッド4を構成するアルミニウム層で形成される。次に、実装基板1の主面上に例えばSiNからなる絶縁保護膜(パッシベーション膜)12を形成した後、フォトリソ技術を用いてバンプ下地層11の形成領域を一部開口する(図8B)。
8 to 11 are process cross-sectional views of the main part for explaining a method of forming the
次に、絶縁保護膜12の上からTiスパッタ膜13及びCuスパッタ膜14を順次積層してバリアメタル層を形成した後(図8C,D)、全面をフォトレジスト層15で被覆する(図9A)。フォトレジスト層15はマスク16を介しての露光処理(図9B)とその後の現像処理を経て、図9Cに示すようなレジスト開口部15aを形成し、電解めっきでNi膜17を選択成長させる(図9D)。そして、電解Ni膜17の上に例えばSnAg系のはんだめっき18を形成する(図10A)。
Next, after a Ti sputtered
続いて、フォトレジスト層15を除去した後(図10B)、はんだめっき18の形成領域以外の不要なCu膜14及びTi膜13をウェットエッチング法等で除去する(図10C,D)。そして、実装基板1の主面上にフラックス19を塗布し(図11A)、はんだめっき18をリフローさせることでバンプ3A(及びダム5)が形成され(図11B)、最後にフラックス19を洗浄除去してバンプ形成工程が終了する(図11C)。
Subsequently, after removing the photoresist layer 15 (FIG. 10B),
以上のような工程を経て、実装基板1のチップ実装領域にバンプ3Aが形成される。従来の半導体装置は、このバンプ3Aの形成工程と同時に、アンダーフィル材6の流出防止用のダム5がはんだめっきでパターン形成されていた。
Through the above steps,
近年における半導体装置の小型化の要求を受けて、図6に示した構成の半導体装置においては実装基板1の更なる小型化が検討されている。この場合、実装基板1の小型化によりアンダーフィル材6の滴下領域が狭くなるため、実装基板1上に供給したアンダーフィル材が半導体チップ2の上に這い上がったり、ダム5を乗り越えて電極パッド4へ流出するおそれが生じる。このような問題を回避するため、ダム5のパターン幅を更に狭くすることでアンダーフィル材6の滴下領域を確保する必要が生じる。
In response to the recent demand for miniaturization of semiconductor devices, further miniaturization of the
しかしながら、従来の半導体装置の製造方法においては、ダム5をはんだめっきで形成しているため、パターン幅を最小でも数十μmまでしか制御できず、微細ダムを安定して形成することが非常に難しいという問題がある。
However, in the conventional method for manufacturing a semiconductor device, since the
また、実装基板1の小型化に伴って電極パッド4とダム5の間の距離が益々短くなる。このため、はんだめっき法でダムを形成する従来の方法では、めっき形成用のシード層として形成されるTi膜13或いはCu膜14を電極パッド4上からエッチング除去することが困難になり、ワイヤーボンディング時にワイヤが電極パッド4から剥がれ易くなるという不具合が発生する。
Moreover, the distance between the
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、微細なダムを安定して形成することができ、実装基板の小型化に対応することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device that can stably form a fine dam and can cope with downsizing of a mounting substrate. To do.
以上の課題を解決するに当たり、本発明は、実装基板上のチップ実装領域の周囲に電極パッドを形成する工程と、チップ実装領域と電極パッドの形成領域との間に電極パッド側へのアンダーフィル材の流出を堰き止めるダムを形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、実装基板上に電極パッドを構成する導体層を形成する工程と、上記導体層をパターン加工して電極パッド層とダム層とを分離形成する工程とを有する。 In solving the above problems, the present invention provides an electrode pad forming step around a chip mounting area on a mounting substrate, and an underfill on the electrode pad side between the chip mounting area and the electrode pad forming area. A method of forming a dam for blocking outflow of a material, a step of forming a conductor layer constituting an electrode pad on a mounting substrate, and patterning the conductor layer to form an electrode pad layer. And a step of separately forming the dam layer.
本発明の半導体装置の製造方法は、アンダーフィル材の流出を堰き止めるダムの形成を電極パッドの形成工程と同時に行うことで、従来のはんだめっき法による場合よりも微細かつ高精度にダムを安定して形成するようにしている。 The semiconductor device manufacturing method of the present invention stabilizes the dam with a finer and higher accuracy than the conventional solder plating method by forming a dam that blocks outflow of the underfill material simultaneously with the electrode pad forming process. To form.
電極パッドは、実装基板の上に形成された導体層(例えばアルミニウム層)をフォトリソグラフィ技術によってパターンエッチングすることで形成される。このとき、同じ導体層をダム用にパターンエッチングすることで、電極パッドと同時にダムが形成される。フォトリソグラフィ技術を用いたパターン加工は、1μm以下(最小でも数十nm程度)の微細加工を高精度に制御可能であるため、はんだめっき法に比べて著しく微細なダムを安定して形成することが可能となる。 The electrode pad is formed by pattern-etching a conductor layer (for example, an aluminum layer) formed on the mounting substrate by a photolithography technique. At this time, a dam is formed at the same time as the electrode pad by pattern etching the same conductor layer for the dam. Pattern processing using photolithography technology enables highly precise control of fine processing of 1 μm or less (at least about several tens of nanometers), so that extremely fine dams can be stably formed compared to solder plating methods. Is possible.
導体層からなるダム層の形成後、実装基板上に形成された絶縁保護層(パッシベーション膜)を積層することで、所定高さのダムを完成させることができる。これにより、電極パッドの構成材料からなる第1のダム層と、この第1のダム層を被覆する第2のダム層とが形成される。 After the formation of the dam layer composed of the conductor layer, a dam having a predetermined height can be completed by laminating an insulating protective layer (passivation film) formed on the mounting substrate. Thereby, the 1st dam layer which consists of a constituent material of an electrode pad and the 2nd dam layer which coat | covers this 1st dam layer are formed.
なお、第1のダム層は、一層に限らず多層構造であってもよい。この第1のダム層を多層構造とする場合、下地層は上記電極パッドの構成材料でもよいし、他の材料(例えば絶縁膜)であってもよい。 The first dam layer is not limited to a single layer and may have a multilayer structure. When the first dam layer has a multilayer structure, the underlying layer may be a constituent material of the electrode pad or may be another material (for example, an insulating film).
以上述べたように、本発明によれば、アンダーフィル材の流出防止用ダムを微細かつ高精度に安定して製造することが可能となる。これにより、実装基板の低面積化を図ることができ、半導体装置の更なる小型化に充分に対応することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to stably manufacture a dam for preventing the underfill material from flowing out with high precision and accuracy. Thereby, the area of the mounting substrate can be reduced, and it becomes possible to sufficiently cope with further downsizing of the semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお勿論、本発明は以下の実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Of course, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made based on the technical idea of the present invention.
(第1の実施の形態)
図1及び図2は、本発明の第1の実施の形態による半導体装置20の概略構成を示している。ここで、図1Aは実装基板1に対する半導体チップ2の実装前の状態を示す側断面図、Bはその実装後の状態を示す側断面図、図2は半導体装置20の平面図及び実装基板1の要部拡大断面図である。
(First embodiment)
1 and 2 show a schematic configuration of the semiconductor device 20 according to the first embodiment of the present invention. Here, FIG. 1A is a side sectional view showing a state before the
本実施の形態の半導体装置20は、実装基板1と半導体チップ2とによって構成されている。実装基板1は、例えばシリコンインターポーザや半導体チップ2よりも大型の半導体チップによって構成されている。半導体チップ2は、実装基板1の主面のほぼ中央部に複数のバンプ3(3A,3B)を用いてフリップチップ実装される。実装基板1の周縁部には、実際に半導体チップ2が実装される領域(以下「チップ実装領域」という。)を取り囲む状態で複数の電極パッド4が形成されている。
The semiconductor device 20 according to the present embodiment is constituted by a mounting
実装基板1の主面上であって、チップ実装領域と電極パッド4の形成領域との間にはダム21が設けられている。ダム21は、電極パッド4の形成領域よりも内側でチップ実装領域を取り囲むように平面視矩形状の枠型に形成されている。ダム21は、実装基板1の主面から突出する状態で形成されている。さらに、実装基板1の主面上では、当該実装基板1と半導体チップ2との間にアンダーフィル材6が充填されて硬化されている。
A
アンダーフィル材6は、半導体チップ2が実装基板1上に実装された後、半導体チップ2の周縁とダム21との間の実装基板1上に滴下される。アンダーフィル材6は、毛細管現象を利用して半導体チップ2と実装基板1との間の狭い隙間に引き込まれるとともに、ダム21によって電極パッド4側への流出が堰き止められる。所定量のアンダーフィル材6が半導体チップ2の下面に行き渡ると、図1Bに示したように半導体チップ2の側周部からアンダーフィル材6が裾野状に広がり、その後の加熱処理で硬化することで実装基板1と半導体チップ2との間を機械的に強固に保持する。
The
さて、本実施の形態において、ダム21は、図2に示すように、ダム形成層22Aとこのダム形成層22A上に形成された絶縁保護膜(パッシベーション膜)12との積層構造で構成されている。ダム形成層22Aは、電極パッド4を構成する導体層(例えばアルミニウム層)からなり、パッシベーション膜12は、窒化シリコン(SiN)等の絶縁材料からなる。なお、ダム形成層22Aは本発明の「第1のダム層」或いは「ダム層」に対応し、ダム形成層22A上の絶縁保護膜12は本発明の「第2のダム層」に対応する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
ダム形成層22Aは、後述するように電極パッド4の形成工程と同時に形成されるため、電極パッド4を構成する導体層と同一高さに形成されている。勿論、ダム形成層22Aの高さは電極パッド4の形成厚に関係なく任意に設定することが可能であり、例えば後述するようにダム形成層を多層化して目的とする高さに形成することが可能である。
Since the
ダム21の高さは、ダム形成層22Aの層厚と絶縁保護膜12の膜厚の総計で決まり、実装基板1や半導体チップ2の大きさ、使用するアンダーフィル材6の種類、粘度等で適宜設定される。本実施の形態では、アンダーフィル材6として酸無水物系の樹脂材料が用いられ、ダム21の形成高さは例えば1μm以上5μm以下の範囲で設定される。
The height of the
図3はダム21の形成方法を示す工程断面図である。ダム21は、電極パッド4と同時に形成される。
FIG. 3 is a process sectional view showing a method for forming the
先ず、図3Aに示すように、シリコン製の実装基板1の上に酸化シリコン膜等の絶縁膜10を形成し、その上に電極パッド4の構成材料からなる導体層22を形成する。この導体層22は、フォトリソグラフィ技術を用いて所定形状にパターン加工されることで、図3Bに示すように電極パッド4とダム形成層22Aが分離形成される。なお、図示せずとも実装基板1のチップ実装領域では、この導体層がバンプ3Aの下地層として同様にパターン加工される。
First, as shown in FIG. 3A, an insulating
次に、図3Cに示すように、電極パッド4及びダム形成層22Aを含む実装基板1の主面全域に絶縁保護膜12を形成した後、電極パッド4の形成領域にあっては電極パッド4の上面を一部開口させる開口部12aをパターン加工する。これにより、電極パッド4が作製されると同時に、所定高さのダム21が完成する。
Next, as shown in FIG. 3C, after the insulating
なお、電極パッド4及びダム21の作製後は、チップ実装領域上のバンプ下地層の上にバンプ3Aを形成する工程が行われる。バンプ3Aは図8〜図11を参照して説明した工程を経て作製される。
After the
本実施の形態においては、アンダーフィル材6の流出を堰き止めるダム21の形成を電極パッド4の形成工程と同時に行うようにしているので、従来のはんだめっき法による場合よりも微細かつ高精度なダムを安定して形成することができる。すなわち、ダム21の本体となるダム形成層22が、電極パッド4を構成する導体層のフォトリソグラフィ技術を用いたパターンエッチングによって形成されるので、線幅が1μm以下(最小でも数十nm程度)の微細加工を高精度に制御することが可能となり、はんだめっき法(線幅数十μm)に比べて著しく微細なダムを安定して形成できるようになる。
In the present embodiment, the formation of the
また、従来のはんだめっき法を用いたダム形成方法では、矩形枠状の隅部の曲率や加工条件等に起因して「ダムだまり」と称される不良が発生することがあったが、本実施の形態ではこのような不良の発生を回避することができるので、ダム形状の設計自由度を高めることができる。 In addition, in the conventional dam formation method using the solder plating method, a defect called “dam accumulation” may occur due to the curvature of corners of the rectangular frame shape, processing conditions, etc. Since the occurrence of such a defect can be avoided in the embodiment, the degree of freedom in designing the dam shape can be increased.
以上のように、本実施の形態によれば、アンダーフィル材6の流出防止用ダム21を微細かつ高精度に安定して製造することが可能となる。これにより、実装基板1の低面積化を図ることができ、半導体装置20の更なる小型化に充分に対応することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the
また、ダム21の形成にめっき法を用いていないので、ダム21の近傍に位置する電極パッド4上のめっき形成用シード層のエッチング残りを防ぐことが可能となり、実装基板1の歩留まり向上を図ることができる。
Further, since the plating method is not used for forming the
なお、ダム21はチップ実装領域のまわりを1重に形成する場合に限らず、2重以上に形成してもよい。この場合、ダムの形成幅を従来よりも微細化できるので、ダム形成領域増大による影響を少なくできる。
The
(第2の実施の形態)
次に、図4及び図5を参照して本発明の第2の実施の形態によるアンダーフィル流出防止用ダム31の構成及びその形成方法について説明する。図4及び図5は当該ダムの一形成方法を示す工程断面図である。
(Second Embodiment)
Next, the configuration of the underfill
先ず、図4Aに示すように、実装基板1の上に絶縁膜10を形成し、その上にダム下地層32Aを構成する下地材料層32を形成する。この下地材料層32は導体層であってもよいし絶縁層であってもよく、本実施の形態ではアルミニウムで構成されている。
First, as shown in FIG. 4A, the insulating
次に、図4Bに示すように、下地材料層32上であってダム形成領域を被覆するレジストパターンRP1を形成し、このレジストパターンRP1をマスクとして下地材料層32をエッチング除去する。これにより、図4Cに示すようにダム形成領域にダム下地層32Aが形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist pattern RP1 that covers the dam formation region on the
続いて、図4Dに示すように、電極パッド4を構成する導体層(アルミニウム層)33を実装基板1の主面全面に形成した後、図5Aに示すようにダム形成位置及び電極パッド形成位置を被覆するレジストパターンRP2を形成する。そして、これらレジストパターンRP2をマスクとして導体層33を形成することで、図5Bに示すように電極パッド4及びダム形成層33Aが作製される。その後、図5Cに示すように、絶縁保護膜12を形成し電極パッド4上に開口部12aを形成することによって、電極パッド4及びダム31が完成する。
4D, a conductor layer (aluminum layer) 33 constituting the
以上のように構成されるダム31は、ダム下地層32Aとダム形成層33Aとその上の絶縁保護膜12との3層構造を有している。このように、ダム形成層33Aの下にダム下地層32Aを形成することによって、ダム31の全体の高さ調整をより容易に行うことができる。更に、電極パッド4よりも高く実装基板1上にダム31を形成することができ、アンダーフィル材の流出防止機能を更に高めることができる。
The
なお、ダム下地層32A及びダム形成層33Aは本発明の「第1のダム層」或いは「ダム層」に対応し、その上の絶縁保護膜12は本発明の「第2のダム層」に対応する。第1のダム層は上述の例のように2層構造に限らず更に多層化することも勿論可能である。
The
1…実装基板、2…半導体チップ、3,3A,3B…バンプ、4…電極パッド、6…アンダーフィル材、7…ノズル、12…絶縁保護膜、18…はんだめっき、20…半導体装置、21,31…ダム、22A,33A…ダム形成層、32A…ダム下地層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記下地材料層をパターンエッチングし、前記実装基板上のダム形成領域にダム下地層を形成する工程と、
前記ダム下地層を含む前記実装基板上に導体層を形成する工程と、
前記導体層をパターンエッチングすることで、前記実装基板上のチップ実装領域の周囲の電極パッドと、前記チップ実装領域と前記電極パッドの形成領域との間の前記ダム形成領域に前記電極パッド側へのアンダーフィル材の流出を堰き止めるダムとを分離形成する工程と、
前記電極パッド及び前記ダムを含む前記実装基板上に絶縁保護層を形成する工程と、
前記導体層をバンプ下地層として、前記チップ実装領域内にめっきバンプを形成する工程と、
前記チップ実装領域に半導体チップをフリップチップ実装した後、前記実装基板と前記半導体チップとの間に前記アンダーフィル材を充填する工程と
を有する半導体装置の製造方法。 Forming a base material layer on the mounting substrate;
Pattern etching the foundation material layer, and forming a dam foundation layer in the dam formation region on the mounting substrate;
Forming a conductor layer on the mounting substrate including the dam foundation layer;
By pattern-etching the conductor layer, the electrode pad is moved to the electrode pad around the chip mounting area on the mounting substrate and to the dam forming area between the chip mounting area and the electrode pad forming area. Separating and forming a dam that blocks the outflow of the underfill material;
Forming an insulating protective layer on the mounting substrate including the electrode pad and the dam;
Using the conductor layer as a bump underlayer, forming a plating bump in the chip mounting region;
A method of manufacturing a semiconductor device , comprising flip-chip mounting a semiconductor chip in the chip mounting region and then filling the underfill material between the mounting substrate and the semiconductor chip .
前記実装基板の前記チップ実装領域に複数のバンプを用いてフリップチップ実装された半導体チップと、
前記実装基板と前記半導体チップとの間に充填されたアンダーフィル材と
を具備する半導体装置。 An electrode pad having a first height formed around the chip mounting region; and formed between the chip mounting region and the electrode pad forming region; a dam foundation layer; and the first height A dam having a second height higher than the first height, the first dam layer made of a constituent material of the electrode pad, and a second dam layer made of an insulating material. A mounting board having
A semiconductor chip flip-chip mounted using a plurality of bumps in the chip mounting region of the mounting substrate;
An underfill material filled between the mounting substrate and the semiconductor chip;
A semiconductor device comprising:
請求項2に記載の半導体装置。 It said first dam layer semiconductor device according to claim 2 made of aluminum.
請求項2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2 , wherein the mounting substrate is a semiconductor chip.
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