JP4972280B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、ＷＬ−ＣＳＰ（ウエハレベルチップスケールパッケージ：Wafer Level-Chip Scale Package）の半導体装置に関する。

最近、半導体装置の小型化、高機能化および高性能化を可能にするＷＬ−ＣＳＰの実用化が進んでいる。ＷＬ−ＣＳＰでは、ウエハ状態でパッケージング工程が完了され、ダイシングによって切り出された個々のチップのサイズがパッケージサイズとなる。
ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置は、図５に示すように、半導体チップ１０１の表面がパッシベーション膜１０２で覆われている。このパッシベーション膜１０２には、半導体チップ１０１の表面に形成された内部配線の一部を電極パッド１０３として露出させるためのパッド開口１０４が形成されている。また、パッシベーション膜１０２上には、ポリイミド層１０５が積層されている。さらに、ポリイミド層１０５上には、再配線１０６が形成されており、この再配線１０６は、ポリイミド層１０５に貫通して形成された貫通孔１０７を介して電極パッド１０３に接続されている。そして、ポリイミド層１０５および再配線１０６上には、エポキシ樹脂からなる封止樹脂層１０８が積層され、再配線１０６は、その封止樹脂層１０８を貫通する円柱状のポスト１０９を介して、封止樹脂層１０８の表面に配設された半田ボール１１０に接続されている。ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置は、半田ボール１１０が実装基板上のパッドに接続されることによって、実装基板への実装（実装基板に対する電気的および機械的な接続）が達成される。

このような半導体装置の製造工程では、まず、複数の半導体チップが作り込まれたウエハが用意される。ウエハの表面は、パッシベーション膜１０２によって被覆されている。次いで、パッシベーション膜１０２上に、ポリイミド層１０５および再配線１０６が形成される。さらに、再配線１０６上の所定位置に、めっきなどの手法によってポスト１０９が形成された後、パッシベーション膜１０２上に、封止樹脂層１０８の材料であるエポキシ樹脂がポスト１０９を埋没させるように供給される。そして、そのエポキシ樹脂の硬化後に、エポキシ樹脂の表面がグラインダで研削されて、ポスト１０９の表面（先端面）がエポキシ樹脂から露出される。

ところが、ポスト１０９を形成する銅などの金属材料は、延性を有しているため、グラインダによるエポキシ樹脂の研削時に、そのグラインダにつられて、図５に仮想線で示すように、ポスト１０９の先端部が、封止樹脂層１０８（エポキシ樹脂）の表面上に延びて拡がる（だれる）。このようなポスト１０９のだれは、たとえば、複数のポスト１０９間での短絡などの問題を生じるおそれがある。

そこで、グラインダによるエポキシ樹脂の研削後には、封止樹脂層１０８の表面にアンモニア系のエッチング液が供給されて、封止樹脂層１０８の表面に延びて拡がった金属材料を除去するためのエッチング処理が行われる。このエッチング処理の後、ポスト１０９の先端面（表面）に半田ボール１１０が形成される。そして、ウエハ内の各半導体チップ間に設定されたダイシングラインに沿って、パッシベーション膜１０２および封止樹脂層１０８とともにウエハが切断（ダイシング）されることにより、図５に示すＷＬ−ＣＳＰの半導体装置が得られる。
特開２００３−３１７６８号公報

しかるに、エッチング処理後は、図５に示すように、ポスト１０９の先端面の位置が封止樹脂層１０８の表面の位置よりも一段低くなり、ポスト１０９の先端面は、封止樹脂層１０８のポスト１０９と接触する側面（ポスト１０９を貫通させる貫通孔の内面）に対して直角をなす平坦面となる。そのため、ポスト１０９の先端面上に形成される半田ボール１１０は、ポスト１０９の軸線方向に沿って切断したときの断面において、ポスト１０９側の端部（基端部）が、ポスト１０９の先端面および封止樹脂層１０８の側面に接する直角な角部１１１を有する形状となる。このような角部１１１には応力が集中しやすく、その応力によって、半田ボール１１０にクラックが入るなどの損傷を生じるおそれがあった。

そこで、この発明の目的は、ポスト上の外部接続端子の応力集中による損傷を防止することができる半導体装置を提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体チップ（１）と、この半導体チップの表面上に積層され、前記半導体チップの表面と直交する方向に貫通して形成された貫通孔（５１）を有する封止樹脂層（５）と、前記貫通孔内に設けられ、前記貫通孔の内面に接する円柱状部と、前記貫通孔の内面（５１１）との間に隙間を空けて設けられた先端部とを有する、金属製のポスト（６）と、このポストの先端部上に配置され、前記封止樹脂層の表面から突出する外部接続端子（７）とを含み、前記ポストの前記先端部が、平坦状の先端面（６１）を中央部に有し、前記貫通孔の内面に対して先端側ほど大きな隙間を生じるように傾斜して前記隙間を形成する傾斜面（６２〜６４）を周縁部に有することを特徴とする半導体装置である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この構成によれば、ポストの先端部と封止樹脂層に形成された貫通孔の内面との間に隙間が形成されているので、外部接続端子の基端部は、ポストの先端面および貫通孔の内面に接するような角部を有しない。そのため、外部接続端子の基端部への応力集中を防止することができ、応力集中による外部接続端子の損傷を防止することができる。

また、請求項２記載の発明は、前記外部接続端子は、前記ポスト側の基端部が、前記ポストの先端部の表面に沿って、前記ポストの先端部と前記貫通孔の内面との間の隙間に入り込んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置である。
この構成によれば、外部接続端子の基端部は、ポストの先端部の表面に沿って、ポストの先端部と貫通孔の内面との間の隙間に入り込み、角部を有していないので、外部接続端子の基端部への応力集中を一層防止することができ、応力集中による外部接続端子の損傷を効果的に防止することができる。

また、前記ポストは、前記封止樹脂層の表面とほぼ平行な平坦状の先端面（６１）と、前記貫通孔の内面に対して先端側ほど大きな隙間を生じるように傾斜する傾斜側面（６２）と、前記貫通孔の貫通方向に沿った断面形状が略円弧状を有し、前記先端面と前記傾斜側面とを連続する連続面（６３）とを備えていてもよい。

この構成によれば、外部接続端子の基端部を、断面略円弧状の連続面に沿って、その連続面と貫通孔の内面との間の隙間に確実に入り込ませることができ、さらには傾斜側面と貫通孔の内面との間の隙間にまで入り込ませることもできる。
また、前記ポストは、前記封止樹脂層の表面とほぼ平行な平坦状の先端面（６１）と、前記貫通孔の内面に対して先端側ほど大きな隙間を生じるように傾斜する傾斜側面（６２）と、前記貫通孔の内面に対して前記傾斜側面よりも大きな角度で傾斜し、前記先端面と前記傾斜側面とを連続する連続面（６４）とを備えていてもよい。

この構成によれば、外部接続端子の基端部を、傾斜側面よりも大きな角度で傾斜する連続面に沿って、その連続面と貫通孔の内面との間の隙間に確実に入り込ませることができ、さらには傾斜側面と貫通孔の内面との間の隙間にまで入り込ませることもできる。

請求項３記載の発明は、前記半導体チップは、パッシベーション膜（２）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置である。
請求項４記載の発明は、前記パッシベーション膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなり、前記半導体チップの表面全域を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置である。
請求項５記載の発明は、前記パッシベーション膜には、前記半導体チップの表面に形成された内部配線の一部を電極パッド（８）として露出させるためのパッド開口（２１）が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置である。
請求項６記載の発明は、前記パッシベーション膜上に積層された応力緩和層（３）を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項７記載の発明は、前記応力緩和層は、ポリイミドからなり、前記パッシベーション膜の表面全域を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置である。
請求項８記載の発明は、前記応力緩和層には、電極パッドと対向する位置にコンタクト孔（３１）が貫通して形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置である。
請求項９記載の発明は、前記応力緩和層上に再配線（４）が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項１０記載の発明は、前記再配線は金属材料を用いて形成され、前記応力緩和層の表面に沿って延びていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置である。
請求項１１記載の発明は、前記再配線は、前記応力緩和層のコンタクト孔を介して、電極パッドに接続されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体装置である。
請求項１２記載の発明は、前記封止樹脂層は、エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項１３記載の発明は、前記封止樹脂層には、前記再配線上において、円筒状の内面を有する前記貫通孔が、前記半導体チップの表面と直交する方向に貫通して形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項１４記載の発明は、前記封止樹脂層は、表面が平坦面に形成されるとともに、その側面が前記半導体チップの側面と面一に形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項１５記載の発明は、前記外部接続端子が前記ポストを介して再配線と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体装置である。
請求項１６記載の発明は、前記ポストは、前記封止樹脂層の表面よりも一段低いことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体装置である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、ＷＬ−ＣＳＰの半導体装置であり、半導体チップ１と、この半導体チップ１の表面（機能素子が形成されている側の面）を被覆するパッシベーション膜（表面保護膜）２と、このパッシベーション膜２上に積層された応力緩和層３と、この応力緩和層３上に形成された再配線４と、この再配線４上に積層された封止樹脂層５と、この封止樹脂層５を貫通して設けられたポスト６と、このポスト６の先端部上に配置された外部接続端子としての金属ボール７とを備えている。

半導体チップ１は、たとえば、平面視略矩形状に形成されている。
パッシベーション膜２は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなり、半導体チップ１の表面全域を被覆するように形成されている。このパッシベーション膜２には、半導体チップ１の表面に形成されたアルミニウムなどの金属からなる内部配線の一部を、電極パッド８として露出させるためのパッド開口２１が形成されている。

応力緩和層３は、たとえば、ポリイミドからなり、パッシベーション膜の表面全域を被覆するように形成されている。この応力緩和層３は、半導体装置に応力が加わったときに、その応力を吸収して緩和する機能を有している。また、応力緩和層３には、電極パッド８と対向する位置にコンタクト孔３１が貫通して形成されている。
再配線４は、たとえば、銅などの金属材料を用いて形成され、応力緩和層３の表面に沿って延びている。この再配線４は、応力緩和層３のコンタクト孔３１を介して、電極パッド８に接続されている。

封止樹脂層５は、たとえば、エポキシ樹脂からなり、パッシベーション膜２、応力緩和層３および再配線４の表面を覆うように形成されている。この封止樹脂層５には、再配線４上において、たとえば、円筒状の内面５１１を有する貫通孔５１が、半導体チップ１の表面と直交する方向に貫通して形成されている。また、封止樹脂層５は、表面が平坦面に形成されるとともに、その側面が半導体チップ１の側面と面一に形成されている。これによって、この半導体装置は、平面視におけるサイズが半導体チップ１のサイズと等しい略直方体形状を有している。

ポスト６は、たとえば、銅などの金属からなり、封止樹脂層５の貫通孔５１内において、封止樹脂層５の表面よりも一段低く、貫通孔５１の内面に接する円柱状部を有し、先端部と貫通孔５１の内面５１１との間に隙間を生じるような形状に形成されている。具体的には、図２に示すように、ポスト６は、封止樹脂層５の表面とほぼ平行な平坦状の先端面６１と、貫通孔５１の内面５１１に対して先端側（再配線４側と反対側）ほど大きな隙間を生じるように傾斜する傾斜側面６２と、貫通孔５１の貫通方向（半導体チップ１の表面と直交する方向）に沿った断面形状が略円弧状を有し、先端面６１と傾斜側面６２とを連続する連続面６３とを有する形状に形成されている。これにより、ポスト６の連続面６３と貫通孔５１の内面５１１との間には、ポスト６の傾斜側面６２と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間よりも大きな隙間が形成され、ポスト６の傾斜側面６２と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間は、再配線４に近づくにつれて徐々に間隔が狭まっている。

金属ボール７は、たとえば、半田などの金属材料を用いてボール状に形成されており、ポスト６を介して再配線４と電気的に接続されている。したがって、この金属ボール７が実装基板上のパッドに接続されることによって、この半導体装置の実装基板への実装（実装基板に対する電気的および機械的な接続）が達成される。また、金属ボール７の基端部は、その中央部が、ポスト６の先端面６１に接合されるとともに、中央部の周囲の周縁部が、ポスト６の連続面６３に沿って、その連続面６３と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間に入り込み、さらには傾斜側面６２と貫通孔５１の内面との間の隙間にまで入り込んでいる。

このような構成によれば、ポスト６の先端部と封止樹脂層５に形成された貫通孔５１の内面５１１との間に隙間が形成されているので、金属ボール７の基端部は、ポスト６の先端面６１および貫通孔５１の内面５１１に接するような角部を有しない。そのため、金属ボール７の基端部への応力集中を防止することができ、応力集中による金属ボール７の損傷を防止することができる。

また、この実施形態では、金属ボール７の基端部が、断面略円弧状の連続面６３に沿って、その連続面６３と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間に入り込み、さらには傾斜側面６２と貫通孔５１の内面との間の隙間にまで入り込んでおり、角部を有していないので、外部接続端子の基端部への応力集中を一層防止することができ、応力集中による外部接続端子の損傷を効果的に防止することができる。

図３は、この半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、複数の半導体チップ１が作り込まれたウエハＷの表面を被覆するパッシベーション膜２にパッド開口２１を形成した後、さらに、そのパッシベーション膜２上に応力緩和層３、再配線４およびポスト６を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、パッシベーション膜２上に、封止樹脂層５の材料である樹脂（たとえば、エポキシ樹脂）がポスト６を埋没させるように供給される。そして、その樹脂の硬化後に、樹脂（封止樹脂層５）の表面がグラインダで研削されて、図３（ｃ）に示すように、ポスト６の表面（先端面）が封止樹脂層５から露出される。このとき、ポスト６を形成する金属材料が、その延性のために、グラインダにつられて、封止樹脂層５の表面における貫通孔５１の周囲にだれる。

そこで、樹脂研削後、そのようなポスト６のだれた部分を除去するために、封止樹脂層５の表面に硫酸過水系のエッチング液（硫酸および過酸化水素水を含むエッチング液）が供給される。この硫酸過水系のエッチング液によって、ポスト６は、図３（ｄ）に示すように、その先端面が封止樹脂層５の表面よりも一段低い位置に先端面６１を有し、少なくとも先端部と貫通孔５１の内面５１１との間に隙間を生じるような形状にエッチングされる。

このような形状（具体的には、図２を参照して説明した形状）のポスト６は、封止樹脂層５上に適当なレジストパターンを形成した後、その封止樹脂層５上にアンモニア系のエッチング液を供給することによっても形成することができるが、硫酸過水系のエッチング液を用いることによって、レジストパターンの形成工程を省略することができ、より簡単にポスト６を形成することができる。

エッチング処理の後、図３（ｅ）に示すように、ポスト６の先端面に金属ボール７が形成される。そして、ウエハＷ内の各半導体チップ１間に設定されたダイシングラインに沿って、パッシベーション膜２および封止樹脂層５とともにウエハＷが切断（ダイシング）されることにより、図１に示す構成の半導体装置が得られる。
図４は、ポスト６の他の形状を示す断面図である。この図４において、図２に示された各部に対応する部分には、図２の場合と同一の参照符号を付して示す。

この図４に示すポスト６は、貫通孔５１の内面に接する円柱状部を有し、先端面６１と傾斜側面６２とを連続する連続面６４が、貫通孔５１の内面５１１に対して傾斜側面６２よりも大きな角度で傾斜しており、その先端部の形状が円錐台形状に形成されている。このような形状によっても、金属ボール７の基端部を、連続面６４に沿って、その連続面６４と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間に確実に入り込ませることができ、さらには傾斜側面６２と貫通孔５１の内面５１１との間の隙間にまで入り込ませることもできる。

以上、この発明の２つの実施形態を説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。たとえば、ポスト６は、封止樹脂層５の貫通孔５１内において、封止樹脂層５の表面よりも一段低く、先端部と貫通孔５１の内面５１１との間に隙間を生じるような形状に形成されていれば、図２および図４に示す形状とは異なる形状に形成されていてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

この発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す断面図である。 ポストの近傍を示す断面図である。 上記半導体装置の製造工程を工程順に示す断面図である。 ポストの他の形状を示す断面図である。 従来のＷＬ−ＣＳＰの半導体装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 半導体チップ
２ パッシベーション膜
５ 封止樹脂層
６ ポスト
７ 金属ボール
５１ 貫通孔
６１ 先端面
６２ 傾斜側面
６３ 連続面
６４ 連続面
５１１ 内面
Ｗ ウエハ

Claims (16)

1. 半導体チップと、
   この半導体チップの表面上に積層され、前記半導体チップの表面と直交する方向に貫通して形成された貫通孔を有する封止樹脂層と、
   前記貫通孔内に設けられ、前記貫通孔の内面に接する円柱状部と、前記貫通孔の内面との間に隙間を空けて設けられた先端部とを有する、金属製のポストと、
   このポストの先端部上に配置され、前記封止樹脂層の表面から突出する外部接続端子とを含み、
   前記ポストの前記先端部が、平坦状の先端面を中央部に有し、前記貫通孔の内面に対して先端側ほど大きな隙間を生じるように傾斜して前記隙間を形成する傾斜面を周縁部に有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記外部接続端子は、前記ポスト側の基端部が、前記ポストの先端部の表面に沿って、前記ポストの先端部と前記貫通孔の内面との間の隙間に入り込んでいることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記半導体チップは、パッシベーション膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 前記パッシベーション膜は、酸化シリコンまたは窒化シリコンからなり、前記半導体チップの表面全域を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記パッシベーション膜には、前記半導体チップの表面に形成された内部配線の一部を電極パッドとして露出させるためのパッド開口が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体装置。
6. 前記パッシベーション膜上に積層された応力緩和層を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記応力緩和層は、ポリイミドからなり、前記パッシベーション膜の表面全域を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記応力緩和層には、電極パッドと対向する位置にコンタクト孔が貫通して形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体装置。
9. 前記応力緩和層上に再配線が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の半導体装置。
10. 前記再配線は金属材料を用いて形成され、前記応力緩和層の表面に沿って延びていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
11. 前記再配線は、前記応力緩和層のコンタクト孔を介して、電極パッドに接続されていることを特徴とする請求項９または１０に記載の半導体装置。
12. 前記封止樹脂層は、エポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
13. 前記封止樹脂層には、前記再配線上において、円筒状の内面を有する前記貫通孔が、前記半導体チップの表面と直交する方向に貫通して形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
14. 前記封止樹脂層は、表面が平坦面に形成されるとともに、その側面が前記半導体チップの側面と面一に形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の半導体装置。
15. 前記外部接続端子が前記ポストを介して再配線と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
16. 前記ポストは、前記封止樹脂層の表面よりも一段低いことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の半導体装置。

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