JP5238929B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
従来より、CSPの一種としてBGA(Ball Grid Array)型の半導体装置が知られている。このBGA型の半導体装置は、半導体基板上に設けられたパッド電極と電気的に接続されたボール状のバンプ電極が複数設けられている。
そして、このBGA型の半導体装置を電子機器に組み込む際には、各バンプ電極をプリント基板上の配線パターンに実装することで、半導体チップとプリント基板上に搭載される外部回路とを電気的に接続している。
ここで、バンプ電極の形成方法としては、蒸着法やメッキ法やディスペンス法がある。しかし、蒸着法は大型設備が必要で製造コストが高く、生産性が低いという問題がある。また、メッキ法は、組成やバラツキや、バンプ電極の高さのバラツキ、製造コストが高い等の問題がある。また、ディスペンス法は時間がかかるため生産性の面で問題がある。そこで、製造コストや生産性の面からも印刷法が注目されている。
印刷法の手順の概略について図面を参照しながら簡単に説明する。第14図及び第15図はそれぞれ製造工程順に示した断面図である。
まず、第14図に示すように、表面上にパッド電極100が形成された半導体基板101を準備する。次に、バンプ電極を形成したい領域、すなわちパッド電極100が形成された領域上にのみ開口部102を有する印刷用マスク103を半導体基板101上に配置する。次に、バンプ電極の材料として例えばハンダ104を印刷用マスク103上に塗布し、金属製や樹脂製のスキージ(squeeze)105を矢印方向に移動させる。スキージ105の移動により、ハンダ104は各開口部102を介してパッド電極100上に塗布される。
次に、印刷用マスク103を取り除き、ハンダ104を加熱し、融解・再結晶化させることで、パッド電極100上に第15図に示すようなバンプ電極106が形成される。
上述した技術は、例えば日本特許公開公報2004−314601号、日本特許公表公報2002−512436号に記載されている。
このような構造で印刷用マスク103を配置した場合、印刷用マスク103と金属層114との間には、半導体基板110の厚さ程度の段差117が生じる。
この状態でハンダ104を塗ったとしても、段差117の影響によって、金属層114上にハンダ104が正確に塗布されにくい。また、塗布されるハンダ104の量の調節が難しい。その結果として、個々のバンプ電極の高さや大きさにばらつきが生じることが問題となる。
また、印刷法において、バンプ電極の材料は流動性を有する。そのため、隣接する別領域の材料と接触し、バンプ電極同士が接触してしまうことが問題となる。
そこで本発明は、段差で低くなった部分にバンプ電極を直接形成しようとする場合に、所望のバンプ電極を容易に形成することができる技術を提供することを主たる目的とする。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置の製造方法は、表面上にデバイス素子が形成された半導体基板を準備し、前記半導体基板の表面上に支持体を貼り合わせる工程と、前記半導体基板を選択的に除去して、バンプ電極形成領域を露出させる工程と、前記バンプ電極形成領域の側面側の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極形成領域をそれぞれ分離させる分離層を形成する工程と、前記バンプ電極形成領域のそれぞれにバンプ電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、表面上にデバイス素子が形成された半導体基板を準備し、前記半導体基板の表面上に支持体を貼り合わせる工程と、前記支持体を選択的に除去して、バンプ電極形成領域を露出させる工程と、前記バンプ電極形成領域の側面側の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極形成領域をそれぞれ分離させる分離層を形成する工程と、前記バンプ電極形成領域のそれぞれにバンプ電極を形成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、表面上にデバイス素子が形成された半導体基板と、前記デバイス素子と電気的に接続され、段差で低くなった部分に形成されたパッド電極と、前記パッド電極上に形成されたバンプ電極と、前記バンプ電極の側面の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極をそれぞれ分離させる分離層とを備えることを特徴とする。
本発明ではバンプ電極形成領域の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極形成領域をそれぞれ分離させる分離層を形成している。そのため、段差で低くなった部分にバンプ電極を形成しようとする場合でも、分離層が障壁となることでバンプ電極の材料の流動は抑えられ、バンプ電極間の接触を防止することができる。また、分離層の形成によって、印刷用マスクを用いずにバンプ電極を形成することが可能である。そのため、製造コストを抑えるとともに所望のバンプ電極を容易にかつ効率的に形成することができる。
まず、第1図に示すように、その表面にデバイス素子1(例えば、CCDやCMOSセンサーや赤外線センサー等の受光素子や発光素子またはその他の半導体素子)が形成されたシリコン(Si)等から成る半導体基板2を準備する。半導体基板2は、例えば300μm〜700μm程度の厚さになっている。そして、半導体基板2の表面に第1の絶縁膜3(例えば、熱酸化法やCVD法等によって形成されたシリコン酸化膜)を例えば2μmの膜厚に形成する。
次に、スパッタリング法やメッキ法、その他の成膜方法によりアルミニウム(Al)やアルミニウム合金や銅(Cu)等の金属層を形成し、その後不図示のレジスト層をマスクとして当該金属層をエッチングし、第1の絶縁膜3上にパッド電極4を例えば1μmの膜厚に形成する。パッド電極4は、デバイス素子1やその周辺素子と不図示の配線を介して電気的に接続された外部接続用の電極である。なお、第1図ではデバイス素子1の両側にパッド電極4が配置されているが、その位置に限定はなく、デバイス素子1上に配置することもできる。
次に、半導体基板2の表面にパッド電極4の一部上あるいは全部を被覆するパッシベーション膜5(例えば、CVD法により形成されたシリコン窒化膜)を形成する。第1図では、パッド電極4の一部上を被覆するようにしてパッシベーション膜5が形成されている。
次に、パッド電極4を含む半導体基板2の表面上に、エポキシ樹脂,ポリイミド(例えば感光性ポリイミド),レジスト,アクリル等の接着層6を介して支持体7を貼り合せる。
支持体7は、例えばフィルム状の保護テープでもよいし、ガラスや石英,セラミック,金属等の剛性の基板であってもよいし、樹脂から成るものでもよい。また、支持体7は剛性の基板であることが、薄型化される半導体基板2を強固に支え、人手によらない搬送の自動化を図る上で好ましい。支持体7は、半導体基板2を支持すると共にその素子表面を保護する機能を有するものである。なお、デバイス素子1が受光素子や発光素子である場合には、支持体7は透明もしくは半透明の材料から成り、光を透過させる性状を有するものである。
次に、半導体基板2の裏面に対して裏面研削装置(グラインダー)を用いてバックグラインドを行い、半導体基板2の厚さを所定の厚さ(例えば50〜200μm程度)に薄くする。なお、当該研削工程はエッチング処理でもよいし、グラインダーとエッチング処理の併用でもよい。なお、最終製品の用途や仕様,準備した半導体基板2の当初の厚みによっては、当該研削工程を行う必要がない場合もある。
次に、第2図に示すように、半導体基板2のうちパッド電極4に対応する所定の領域を、半導体基板2の裏面側から選択的にエッチングし、第1の絶縁膜3を一部露出させる。以下、この露出部分を開口部8とする。
当該半導体基板2の選択的なエッチングについて、第3図の(a),(b)を参照して説明する。第3図の(a),(b)は、下方(半導体基板2側)から見た概略平面図であり、第2図は第3図の(a),(b)のX−X線に沿った断面図に対応するものである。
第3図の(a)に示すように、半導体基板2を支持体7の幅よりも狭い、略長方形の形状にエッチングすることもできる。また、第3図の(b)に示すように、パッド電極4が形成された領域のみをエッチングすることで、半導体基板2の外周が凹凸状になるように構成することもできる。後者の方が、半導体基板2と支持体7の重畳する面積が大きく、支持体7の外周近くまで半導体基板2が残る。そのため、半導体基板2に対する支持体7の支持強度が向上する観点からは、後者の構成が好ましい。また、後者の構成によれば、半導体基板2と支持体7の熱膨張率の差異による支持体7の反りが防止できるため、半導体装置のクラックや剥離が防止できる。なお、第3図の(a),(b)で示した平面形状とは別の形状に半導体基板2をデザインすることも可能である。
また、本実施形態では半導体基板2の横幅が表面側に行くほど広がるように、半導体基板2の側壁が斜めにエッチングされているが、半導体基板2の幅が一定であり、その側壁が支持体7の主面に対して垂直となるようにエッチングすることもできる。
次に、第4図に示すように、半導体基板2をマスクとして第1の絶縁膜3を選択的にエッチングする。このエッチングにより、半導体基板2の端部から所定のダイシングラインに至る領域の第1の絶縁膜3が除去され、開口部8の底部においてパッド電極4の一方の面(半導体基板2側の面)が露出される。なお、当該エッチングはレジスト層を形成し、当該レジスト層をマスクとして用いることもできる。
次に、第5図に示すように、露出されたパッド電極4上に金属層9を形成する。金属層9は、例えばニッケル(Ni)層と金(Au)層を順に積層した層であり、レジスト層をマスクとしてこれらの金属を順次スパッタリングし、その後レジスト層を除去するというリフトオフ法や、メッキ法によって形成することができる。
なお、金属層9の材質は適宜変更することができる。つまり、ニッケル層と金層以外に、チタン(Ti)層,タングステン(W)層,銅(Cu)層,スズ(Sn)層等で構成されていてもよい。金属層9は、パッド電極4と後述するバンプ電極19との電気的な接続を介在し、パッド電極4を保護する機能を有するのであればその材質は特に限定されず、それらの単層あるいは積層であってもよい。積層構造の例としては、ニッケル層/金層,チタン層/ニッケル層/銅層,チタン層/ニッケルバナジウム層/銅層等である。
次に、パッド電極4及び金属層9に対応する位置に開口部を有する保護層10を、例えば10μmの厚みで形成する。当該開口部は、パッド電極4の主面のうち半導体基板2側の面上に形成される。
保護層10の形成は例えば以下のように行う。まず、塗布・コーティング法によりポリイミド系樹脂、ソルダーレジスト等の有機系材料を全面に塗布し、熱処理(プリベーク)を施す。次に、塗布された有機系材料を露光・現像して金属層9の表面を露出させる開口部を形成し、その後これに熱処理(ポストベーク)を施すことで、パッド電極4及び金属層9に対応する位置に開口部を有する保護層10を得る。
次に、個々のバンプ電極形成領域11をそれぞれ分離するための分離層12を形成する。分離層12は、例えば半導体基板2と同程度の高さを有するレジスト層やエポキシ樹脂層であり、材料の塗布及び露光・現像処理し、さらに熱処理を施すことで形成される。なお、分離層12の材料に特に限定はないが、露光・現像処理が可能な点から感光性樹脂から成ることが好ましい。また、保護層10と同一材料であってもよい。また、分離層12の形成法は、上記露光・現像処理に限定されない。例えば、分離層12の形成領域に沿って分離層12の材料を直接塗布するいわゆるディスペンス法を用いてもよい。
個々のバンプ電極形成領域11は、半導体基板2の側面を被覆する保護層10と、分離層12とで囲まれる。つまり、分離層12はバンプ電極形成領域11の側面側の少なくとも一部を囲んでいる。なお、個々のバンプ電極形成領域11のそれぞれを分離することができるのであれば、分離層12のデザイン(高さや幅、断面形状や平面形状など)に限定はない。例えば、第5図では分離層12の横幅が支持体7側に行くほど広がるように斜めに形成されているが、幅が一定であり、その側壁が支持体7の主面に対して垂直となるように形成することもできる。
また、第6図の(a)(b)に示すように、半導体基板2の平面形状や、バンプ電極形成領域11の配置に応じて分離層12の平面形状を変更することも可能である。また、第6図の(a),(b)においては、個々のバンプ電極形成領域11に対して分離層12が連続的に形成されている。しかし、上述したように分離層12のデザインに限定はなく、例えば個々のバンプ電極形成領域11に対して個別に分離層12を対応させることも可能である。第5図は第6図の(a),(b)のY−Y線に沿った断面図に対応するものであり、金属層9や保護層10についての図示は省略されている。また、保護層10の形成前に分離層12を形成することも可能である。
なお、半導体基板2及び分離層12によって囲まれた個々のバンプ電極形成領域11の立方形状及び容積が全て同等になることが好ましい。個々のバンプ電極形成領域11には、後にバンプ電極材料が塗布されるのであり、最終的に形成されるバンプ電極の大きさや高さのばらつきを抑えることができるからである。
次に、第7図に示すように、バンプ電極形成領域11の位置に対応した開口部15を有する印刷用マスク16を半導体基板2の上方に配置する。印刷用マスク16は、例えばステンレス等の金属製のものであり、50〜200μm程度の厚さである。なお、開口部15の形状は四角形状でも円状でもよく、特に限定されない。
次に、バンプ電極材料として例えばペースト状のハンダ17を印刷用マスク16上に塗布する。そして、金属製や樹脂製のスキージ(squeeze)18を印刷用マスク16の上面に接触させ、矢印方向に一定速度で移動させる。ハンダ17は、スキージ18によってそれぞれの開口部15に埋め込まれ、その後金属層9上に塗布される。なお、各開口部15に埋め込まれるハンダ17の量が均一になるように留意する。次に、印刷用マスク16を取り除く。
なお、第7図では印刷用マスク16を用いたが、本実施形態では分離層12によって個々のバンプ電極形成領域が既に分離されているため、印刷用マスク16を用いずにバンプ電極の材料を塗布することも可能である。例えば、第8図に示すように保護層10の上面にハンダ17を塗布し、スキージ18を最上層(本実施形態では保護層10や分離層12)に接触させて矢印方向に移動させることで、ハンダ17をそれぞれのバンプ電極形成領域11に直接塗布する。この場合には、印刷用マスクを用いないため製造コストを抑えるとともに生産性が向上する。なお、塗布する量を適切に調節する観点からは印刷用マスク16を用いることが好ましい。
また、印刷用マスク16やスキージ18を用いずに、それぞれのバンプ電極形成領域11に導電材料を直接塗布する、いわゆるディスペンス法でハンダ17を塗布することもできる。ディスペンス法を用いることで精度良くハンダ17が塗布される。
次に、塗布されたハンダ17を加熱して融解させ、その後再結晶化させる工程(リフロー工程)を経ることで、金属層9上に第9図に示すようなバンプ電極19が形成される。本実施形態では、バンプ電極19がパッド電極4及び金属層9の位置に対応し、支持体7の外周に沿って形成されている。
次に、所定のダイシングラインDLに沿って切断し、個々の半導体装置20に分割する。なお、個々の半導体装置20に分割する方法としては、ダイシング法,エッチング法,レーザーカット法等がある。なお、本実施形態では、分離層12の形成位置にダイシングラインDLが設定されている。
なお、支持体7を半導体基板2に貼り付けたままでもよいが、ダイシング工程の前後で支持体7を剥離させてもよい。
完成した半導体装置20は、外部電極がパターン形成された他の装置に実装される。
本構成では、個々のバンプ電極形成領域を囲む分離層12が形成されているため、供給されるバンプ電極の材料が他の部分へと流動することが抑えられる。従って、バンプ電極間の接触を防止することができる。また、分離層12の形成によって、印刷用マスクを用いずにバンプ電極を形成することが可能である。そのため、製造コストを抑えるとともに、所望のバンプ電極を容易に形成することができる。また、一度に多数のバンプ電極の形成が可能であるため生産性が高い。
また、バンプ電極19の周囲が分離層12や保護層10が形成された半導体基板2で囲まれている。つまり、バンプ電極19は、半導体装置20の裏面側(バンプ電極19の形成側)からは露出しているが、側面側からは露出していない。そのため、腐食物質の浸入や機械的ダメージ(例えば実装時の負荷)等が低減される。
次に、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、既に説明した構成と同様の構成については同一記号を付しており、その説明については省略するか簡略する。第10図乃至第13図は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を製造工程順に示した断面図である。
第1の実施形態では、半導体基板2を選択的に除去していた。これに対して第2の実施形態では、支持体7を選択的に除去している。
まず、第10図に示すように、その表面上にデバイス素子1が形成された半導体基板2を準備し、第1の絶縁膜3,パッド電極4,パッシベーション膜5をそれぞれ既に説明した製造工程で形成する。次に、パッド電極4を含む半導体基板2の表面上に接着層6を介して支持体7を貼り合せる。次に、必要に応じてバックグラインドを行い、半導体基板2の厚さを所定の厚さに薄くする。以上の工程は、既に説明した第1の実施形態と同様である。
次に、第10図に示すように、支持体7の表面にホトレジスト層30を選択的に形成する。ホトレジスト層30は、ダイシングラインDLを隔てて隣り合う2つのバンプ電極形成領域31とその間の連続した領域に対応した位置が開口して形成される。
次に、第11図に示すように、ホトレジスト層30をマスクとして支持体7の選択的なエッチングを行う。このエッチングにより、ダイシングラインDLを隔てて向き合う2つの導電端子形成領域31とその間の連続した領域が一つの単位として除去され、支持体7を貫通する開口部32が形成される。この選択的なエッチングは、例えばドライエッチングやフッ酸(HF)をエッチング溶液としたディップエッチングで行うことができる。
次に、開口部32の底部で露出する接着層6を選択的にエッチングすることで、パッド電極4の一部上が露出される。なお、支持体7のエッチングと接着層層6のエッチングは1度のエッチングにより行われてもよい。次に、開口部32の底部で露出されたパッド電極4上に金属層9を形成する。
次に、第12図に示すように、個々のバンプ電極形成領域31をそれぞれ分離するための分離層12を、第1の実施形態と同様の製法で形成する。本実施形態では、2つのバンプ電極形成領域間のパッシベーション膜5上に形成される。
分離層12の形成によって、個々のバンプ電極形成領域31は、支持体7の側面と、分離層12とで囲まれる。以後の工程は第1の実施形態と同様である。すなわち、印刷用マスクとスキージの併用でバンプ電極の材料を塗布するか、あるいは印刷用マスクを用いずにバンプ電極の材料を塗布する。もしくは、ディスペンス法を利用してバンプ電極の材料を塗布する。その後加熱し、融解・再結晶化させることで、金属層9上に第12図に示すようなバンプ電極19が形成される。バンプ電極19は、パッド電極4及び金属層9の位置に対応し、支持体7の外周に沿って形成されている。
次に、ダイシングラインDLに沿って切断し、第13図に示すような個々の半導体装置35に分割する。
このように、第1及び第2の実施形態のいずれにおいても、分離層12が形成されているため、供給されるバンプ電極の材料が他の部分へと流動することが抑えられる。従って、バンプ電極間の接触を防止することができ、その結果として半導体装置の信頼性が向上する。また、分離層12の形成によって、印刷用マスクを用いずにバンプ電極を形成することが可能である。そのため、製造コストを抑えるとともに所望のバンプ電極を容易にかつ効率的に形成することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能であることは言うまでも無い。例えば、ダイシングラインDLの位置は、分離層12の配置位置や目的の半導体装置の構造に応じて変更可能である。従って、分離層12と重畳しない部分にダイシングラインDLを設定し、ダイシング後の半導体装置の構造に分離層12が残らないようにすることも可能である。また、バンプ電極の形成後であって、ダイシング工程とは別に分離層12を除去する工程を入れ、半導体装置の構造に分離層12が残らないようにすることも可能である。
また、第7図で示した半導体基板の2の裏面上に配線層(例えばスパッタリング法によるアルミニウム層)が形成されている場合には、印刷用マスク16のうち当該配線層に対応する位置に新たな開口部を設け、半導体基板2の裏面上にバンプ電極を形成することも可能である。かかる方法では、高低差を有するそれぞれの領域において、所望のバンプ電極を一括で形成することが可能である。このように本発明は、様々なバンプ電極の形成に広く適用できるものである。
Claims (7)
- 表面上にデバイス素子が形成された半導体基板を準備し、
前記半導体基板の表面上に支持体を貼り合わせる工程と、
前記半導体基板を選択的に除去して、バンプ電極形成領域を露出させる工程と、
前記バンプ電極形成領域の側面側の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極形成領域をそれぞれ分離させる分離層を形成する工程と、
前記バンプ電極形成領域のそれぞれにバンプ電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 表面上にデバイス素子が形成された半導体基板を準備し、
前記半導体基板の表面上に支持体を貼り合わせる工程と、
前記支持体を選択的に除去して、バンプ電極形成領域を露出させる工程と、
前記バンプ電極形成領域の側面側の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極形成領域をそれぞれ分離させる分離層を形成する工程と、
前記バンプ電極形成領域のそれぞれにバンプ電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記分離層は樹脂層であり、露光処理及び現像処理、またはディスペンス法を利用して形成されることを特徴とする請求項1また2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バンプ電極を形成する工程に際して、
前記バンプ電極形成領域に対応する位置に開口部を有した印刷用マスクを用い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の製造方法。 - 前記バンプ電極を形成する工程は、
前記バンプ電極形成領域に導電性材料を塗布し、印刷用マスクを用いずにスキージを移動させる工程を含む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の製造方法。 - 前記バンプ電極を形成する工程は、
ディスペンス法で前記バンプ電極形成領域に導電性材料を塗布する工程を含む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の製造方法。 - 表面上にデバイス素子が形成された半導体基板と、
前記半導体基板の表面上に貼り合わされた支持体と、
前記デバイス素子と電気的に接続され、前記半導体基板又は前記支持体の有無により形成された段差で低くなった前記支持体又は前記半導体基板の部分に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極上に形成されたバンプ電極と、
前記半導体基板又は前記支持体の有無により形成された段差で低くなった前記支持体又は前記半導体基板の部分に形成され、前記バンプ電極の側面の少なくとも一部を囲むとともに、個々のバンプ電極をそれぞれ分離させる分離層とを備えることを特徴とする半導体装置。
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