JP6418625B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
近年、携帯電話等の携帯無線通信機器においては、内蔵する各種電子部品から発する電磁ノイズが無線システムへ干渉するのを回避することが大きな課題となっている。そこで、ノイズ源である電子部品そのものにシールド対策を施すことが検討され、その一つとして、樹脂封止した半導体パッケージの表面に金属膜を用いたシールド層を設けたものが開発されてきている。この際、シールド層には、樹脂封止面に対する良好な密着性が求められる。
米国特許出願公開第２０１２／０１９３７７０号明細書
樹脂封止面に対する良好な密着性を備えた半導体装置の製造方法を提供する。
複数の半導体素子を搭載された配線基板の半導体装置を搭載した面と、半導体素子とを、封止樹脂を用いて封止する。ブレードを用いて、水を封止された配線基板に供給して配線基板を切断して封止樹脂を粗化し、各々の半導体装置に分離し、分離後の半導体装置を水の沸点以上の温度、かつ、大気酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気中で加熱する。加熱後の半導体装置の封止樹脂表面と配線基板の切断面とに対し、金属スパッタによりシールド層を形成する。配線基板の切断面の一部は配線パターンであり、加熱後に配線パターンとシールド層間に形成される酸化膜の厚さは５０ｎｍ未満である。
一実施形態による半導体装置の構造を示す断面図。 一実施形態による半導体装置の製造工程を示すフローチャート。 一実施形態による半導体装置のベーク工程における酸化膜の成長を示す図。 一実施形態による半導体装置の構造を示す下面図。
以下、図面を参照して、実施形態を説明する。なお、実施の形態の説明と図面における上下左右等の方向を示す説明は、半導体装置の外部端子が設けられる面を下とした場合における相対的な方向を示し、重力加速度方向を下とした場合における方向と異なる場合がある。また、図面における縦横比は説明の都合上、実際の縦横比とは異なる縦横比にて図示する場合がある。
図１は、一実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
図１に示す半導体装置１０は、いわゆるエリアアレイ型の半導体装置である。複数の半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…が配線基板２上に多段に積層される。なお、図面の例では、半導体素子の積層数が８、つまり８段積層されているが、半導体素子の積層数は特に限定されるものではなく、例えば、１層（単一の半導体素子）、２層、５層、１６層、３２層等であってもよい。半導体素子には、例えばＮＡＮＤ型フラッシュメモリを用いる事が出来る。なお、図１には、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ１ａ、１ｂ、１ｃ、…１ｈおよび、ＮＡＮＤコントローラ（符号無）を図示しており、図１に示す半導体装置１０はＳＳＤ等の記憶装置としての機能を有する。
複数の半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…は、いずれもシリコン基板等の半導体基板が使用される。一方、配線基板２は、例えば樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板を基材として用いた多層配線基板が使用される。樹脂基板を適用した配線基板２としては、一般的な多層銅張積層板（多層プリント配線板）等が挙げられる。配線層の数は多層、すなわち２層以上（例えば２層、３層または４層）の配線層を備える多層銅張積層板を用いる事が出来る。なお、図１では３層の配線層を備える３層銅張積層板を用いる例を示している。配線基板２の下面側には、外部と接続するための電極パッドが設けられ、その上に、半田バンプ等の外部電極３が設けられる。
外部電極３は、配線基板２の下面側に格子（グリッドアレイ）状に配列されている。図１では半田バンプ等の突起電極を外部電極３として用いる例を示しているが、電極パッドに対しメッキ等を用いて形成された電極膜を外部電極３として用いることもできる。
また、配線基板２の上面側には、信号パターン及びグランドパターンを含む表面配線層２ａが設けられており、各半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…は、これらの信号パターン及びグランドパターンにそれぞれ信号線ワイヤ４及びグランドワイヤ５を介して接続されている。さらに、配線基板２の内部には、信号パターン及びグランドパターンを含む表面配線層２ａと外部電極３側の電極パッドに接続された内層配線層２ｂが設けられている。ここで、内層配線層２ｂのうち、シールド層と電気的に接続するパターン（例えばグランドパターン）を、配線基板２の側面に露出させる。もしくは、表面配線層２ａのうち、シールド層と電気的に接続するパターンを、配線基板２の側面に露出させる。
このように複数の半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…が搭載された配線基板２の上面には、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…や、配線基板２上面に設けられた表面配線層２ａ、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…と表面配線層２ａとを接続する信号線ワイヤ４及びグランドワイヤ５を包覆するようにモールド樹脂６がモールドされている。このモールド樹脂６は、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…や表面配線層２ａ、信号線ワイヤ４及びグランドワイヤ５等を封止して絶縁層を形成するもので、例えば、シリカ等のフィラーを含有するエポキシ樹脂等が使用される。
モールド樹脂６の上面には、レーザの照射により、製品番号、製造年週、製造工場等の製品情報が刻印される。ここで図１中、７は、レーザ照射による刻印によって形成されたマーキング部を示している。さらに、その刻印されたモールド樹脂６の表面全体、すなわち、上面および側面、さらに、モールド樹脂６の側面に続く配線基板２の側面に、金属スパッタを用いたシールド層８が形成される。シールド層８は、主として半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…が発する電磁ノイズをシールドするためのものである。したがって、配線基板２の内層配線層２ｂに設けられたパターン（例えばグランドパターン）の、配線基板２の側面に露出した部分に電気的に接続され、これによってシールド性が確保される。
シールド層８を形成する金属材料は、特に限定されるものではなく、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、ＣｒまたはＢ、ＣｏまたはＷを含有するＮｉ合金等が使用される。また、シールド層８は、単層であっても複数の層（例えばモールド樹脂６側からＣｕ／ＮｉやＣｕ／ＳＵＳ合金）を有する積層構造であってもよい。
さらに、その厚みは特に限定されるものではないが、半導体装置１０の小型化、薄型化のためには、できるだけ薄くすることが好ましい。シールド層８の厚みを薄くすることによって、マーキング部７の視認性を高めることができる。すなわち、シールド層８の厚みを厚くすると、レーザ照射による刻印の深さが小さくなり視認性が低下する。シールド層８の厚みを薄くすることによってかかる視認性の低下を防止することができる。但し、あまり薄いとシールド層８の機械的強度が低下し、場合によりその一部が剥離する等してシールド性が低下するおそれがある。このような観点から、シールド層８は０．１〜８μｍの範囲が好ましい。
本実施形態では、マーキング部７の刻印の深さが約３０μｍであり、シールド層８はモールド樹脂６面側から０．１〜６．０μｍ厚のＣｕ層と０．１〜１．５μｍのＳＵＳ層との２層構造を用いる。モールド樹脂６面側をＣｕ層とすることで、シールド層と電気的に接続するパターン断面との接続抵抗を抑制できる。このＣｕ層に対し、さらにＳＵＳ層を設ける事により、シールド層８の耐腐食性が向上すると共に、マーキング部７の視認性を高める事が出来る。
なお、レーザによるマーキングには、ＹＡＧレーザやＹＶＯ４（イットリウム・パナデート）レーザ等が、スポット径が小さく、約３０μｍ程度の深さの刻印を形成し得ることから好ましい。本実施形態では、スポット径０．１ｍｍのＹＡＧレーザを使用している。
本実施形態の半導体装置においては、レーザ照射によりマーキング部７が形成されたモールド樹脂６の表面に金属スパッタによるシールド層８が形成されているので、装置の大型化、高背化が抑制されるとともに、マーキング部７の優れた視認性と、信頼性の高いシールド性能を備えることができる。
次に、この実施形態による半導体装置１０の製造方法の一例を、図２に示すフローチャートを用いて説明する。
図２に示すように、工程は、主に、次の８工程：集合基板を製造する工程（１０１）、半導体素子を搭載する工程（１０２）、モールド樹脂により封止する工程（１０３）、個々の半導体装置に分離する工程（１０４）、レーザ照射によりマーキングを施す工程（１０５）、ベークする工程（１０６）、金属スパッタによりシールド層を形成する工程（１０７）、シールド層と電気的に接続するパターンとシールド層との抵抗値を確認する工程（１０８）とを備える。
まず、集合基板の製造工程（１０１）において、複数の配線基板２がマトリクス状に連設された構造の集合基板を作製する。
次いで、半導体素子搭載工程（１０２）において、上記各配線基板の上面に半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…を順に積層するとともに、配線基板２に設けられた信号パターン及びグランドパターンと各半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…とを信号線ワイヤ４及びグランドワイヤ５を介して接続する。
次いで、モールド樹脂による封止工程（１０３）において、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…を搭載した集合基板の上面側に、モールド樹脂６、例えばエポキシ樹脂を一括モールドし、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…を封止する。モールド樹脂６のモールドには、トランスファモールド法、コンプレッションモールド法、インジェクションモールド法等のモールド法を用いることができる。
次いで、分離工程（１０４）において、個々の半導体装置１０を作製すべく、モールド樹脂６を集合基板とともに切断して、複数の、半導体素子１ａ、１ｂ、１ｃ、…が搭載された配線基板２に分離する。切断には、ダイヤモンドブレード等のブレードを用いることができる。なお、切断時には、炭酸ガスを溶解させた純水を、ブレードとモールド樹脂６や集合基板との接触部分に供給する。ブレードとモールド樹脂６や集合基板を冷却する目的、もしくは切断時に発生するダストの飛散を抑制する目的、切断時に発生する帯電を軽減する目的である。
次いで、マーキング工程（１０５）において、ＹＡＧレーザ等を備えたレーザマーキング装置により、配線基板２上のモールド樹脂６の上面に、製品名、製品番号、製造年月日、製造工場等の製品情報を刻印する。刻印の深さは、良好な視認性及び作業性を得る観点から、２０〜４０μｍ程度が好ましく、２５〜３５μｍ程度がより好ましく、略３０μｍとすることがより一層好ましい。
次いで、ベーク工程（１０６）において、各々の半導体装置１０を加熱（ベーク）する。分離工程において、各々の半導体装置１０は純水にさらされているため、モールド樹脂６や配線基板２は吸湿した状態となっている場合がある。モールド樹脂６や配線基板２が吸湿した状態のまま金属スパッタを施した場合、金属スパッタ膜とモールド樹脂６間または金属スパッタ膜と配線基板２間のいずれかにおいて、剥離が生じる場合がある。この剥離を抑制するために、金属スパッタを施す前に、水の沸点以上の条件下において所定時間各々の半導体装置１０を放置し、モールド樹脂６や配線基板２の吸湿率を低下させる。
この時、配線基板２の側面には、分離工程（１０４）において切断されたシールド層と電気的に接続するパターン断面が露出している。ベーク工程（１０６）において、水の沸点以上の条件（例えば１気圧１００℃以上）に所定時間各々の半導体装置１０を放置すると、放置環境によってはパターン断面が酸化し、シールド層と電気的に接続するパターンとシールド層８との間の抵抗値が高くなってしまう場合がある。
このため、ベーク工程（１０６）は、パターン断面の酸化を抑制する目的で、大気酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気中において、各々の半導体装置１０を放置する。例えば、不活性ガス（Ｎ２やＣＯ２等）を用いて炉内をパージしながら加熱可能な恒温槽（Anaerobic Temperature Oven）を用い、各々の半導体装置１０を加熱放置する。
大気酸素濃度よりも低い酸素濃度は、具体的には炉内における酸素濃度を１．０％以下とすることが好ましい。シールド層８と電気的に接続するパターン断面の酸化膜厚さは、求められるシールド性能より５０ｎｍ未満に抑制する必要がある。
ここで、図３は一実施形態による半導体装置のベーク工程における酸化膜の成長を示す図である。横軸は目標温度２５０℃にセットされた恒温槽内に半導体装置１０を放置した時間、縦軸は銅の露出面における酸化膜の膜厚、各曲線はそれぞれの酸素濃度における酸化膜の成長を示している。図３に示す様に、炉内における酸素濃度を１．０％以下とすると、ベーク時間２００ｓｅｃを超えると酸化膜の成長がほとんど進まなくなる。よって、炉内における酸素濃度を１．０％以下とすることが好ましい。ここで、温度２５０℃を超える温度にてベークすると、モールド樹脂６にエポキシ樹脂やフェノール樹脂を含む事からモールド樹脂６のガラス転移点を超えてしまう。モールド樹脂６のガラス転移点温度を超える温度で吸水率を低下させる程長い時間ベークする事は現実的ではないため、ベークは２５０℃以下にて行う。
次いで、金属スパッタによるシールド層形成工程（１０７）において、レーザマーキングしたモールド樹脂６の表面全体、すなわち、上面及び側面全体に金属スパッタを施し、例えば３μｍ厚のシールド層８を形成する。これにより、図１に示すような半導体装置１０が作製される。
なお、金属スパッタを施す際には、シールド層８のモールド樹脂６に対する密着性を高めるため、予め、モールド樹脂６の表面、少なくとも上面を粗化しておくことが好ましい。本方法では、半導体装置を多数個取りのために、一括封止したモールド樹脂を切断している。したがって、モールド樹脂６の側面は切断によって既に粗化されているため、基本的に粗化する必要はないが、必要ならば、さらに粗化工程を追加するようにしてもよい。粗化の方法としては、逆スパッタを用いる事が出来る。逆スパッタを用いる事で、粗化のための装置を新たに用意する必要はない。また、金属スパッタと同一のチャンバ―を用いて連続的に処理することができるため、工程の簡素化、工程期間の短縮を図ることができることから好ましい。
その後、テスト工程（１０８）において、作成された半導体装置１０のシールド層８と電気的に接続するパターンとシールド層との抵抗値を測定する。テスト工程（１０８）では、シールド層８のシールド性能に問題が生じていないことを確認する。
図４に、半導体装置１０の下面図（外部電極３側からみた図）を示す。外部電極３は、測定用の外部電極３ａと通常の外部電極３ｂとを含む。測定用の外部電極３ａはシールド層８と電気的に接続するパターンに接続されている。また、通常の外部電極３ｂの一部もシールド層８と電気的に接続するパターンに接続されている。ただし、測定用の外部電極３ａと通常の外部電極３ｂとは、シールド層８と電気的に接続するパターンのみを経由して電気的に接続されてはおらず、シールド層８と電気的に接続するパターンとシールド層８の両方を経由して電気的に接続されている。
テスト工程（１０８）では、測定用の外部電極３ａとシールド層８と電気的に接続するパターンに接続された一部の通常の外部電極３ｂとの間の電気抵抗を測定する。
なお、本実施の形態においては、測定用の外部電極３ａには前述の電極膜を用い、通常の外部電極３ｂには突起電極を用いている。
以上説明した半導体装置の製造方法によれば、シールド層を金属スパッタにより形成しているので、厚さの非常に薄いシールド層を形成することができ、半導体装置を小型化・薄型化することができる。
しかも、個々の半導体パッケージに分離後、金属スパッタ前に半導体装置１０を加熱している。よって、金属スパッタの剥離を抑制することができ、歩留りよく半導体装置を製造することができる。ここで、金属スパッタ前における半導体装置１０の加熱は、大気酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気中にて行う。よって、シールド層８と電気的に接続するパターンの露出面の酸化を抑制できる。結果、シールド層８と電気的に接続するパターンと、シールド層８との間の電気抵抗を低く抑える事が出来る。
さらに、モールド樹脂の表面に製品情報等をレーザによりマーキングした後に、シールド層を形成している。よって、信頼性の高いシールド性能を有することができるとともに、十分な視認性を持ったマーキング部を形成することができる。すなわち、シールド層形成後にレーザマーキングを行った場合には、レーザによるシールド層の貫通が生じ、シールドが低下するおそれがある。また、貫通しない場合には、刻印が浅く十分な視認性が得られない。上記半導体装置の製造方法においては、レーザマーキング後にシールド層を形成しているので、シールド層が貫通するおそれはなく、十分な深さを持った刻印が可能である。したがって、信頼性の高いシールド性能を有することができ、かつ十分な視認性を持ったマーキング部を形成することができる。
さらに、金属スパッタ後にレーザマーキングを行う場合には、金属は一般にレーザ反射率が大きいため、レーザ出力を大きくしなければならず、レーザ材料の消耗が激しくなり、頻繁な交換が必要になるが、上記方法においては、レーザ光の吸収の良好なモールド樹脂に対しマーキングを行うので、レーザ出力は低くてよく、頻繁な交換を必要とせず、製造コストの低減、作業効率の向上を図ることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…半導体素子、２…配線基板、３…外部電極、４…信号線ワイヤ、５…グランドワイヤ、６…モールド樹脂、７…マーキング部、８…シールド層、１０…半導体装置

Claims (6)

  1. 複数の半導体素子が搭載された配線基板の前記半導体素子を搭載した面と、複数の前記半導体素子とを、封止樹脂を用いて封止し、
    ブレードを用いて、水を前記封止された配線基板に供給して前記封止された配線基板を切断することにより、前記封止樹脂を粗化して前記各々の半導体装置に分離し、
    分離後の前記半導体装置を水の沸点以上の温度、かつ、大気酸素濃度よりも低い酸素濃度の雰囲気中で加熱し、
    加熱後の前記半導体装置の前記封止樹脂表面と前記配線基板の切断面とに対し、金属スパッタによりシールド層を形成する半導体装置の製造方法であって、
    前記配線基板の切断面の一部は配線パターンであり、前記加熱後に前記配線パターンと前記シールド層間に形成される酸化膜の厚さは５０ｎｍ未満であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体装置の加熱は、不活性ガス中にて加熱する、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体装置の加熱は、酸素濃度が１％以下の雰囲気中にて加熱する、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記シールド層はＣｕを含む、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 各々の半導体装置に分離した後、前記シールド層を形成する前に、レーザを用いて前記封止樹脂表面にマークする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記シールド層を形成する前に、前記封止樹脂を逆スパッタする、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
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