JP3770007B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載した半導体装置の製造方法に関わり、中でも特に、チップサイズパッケージ(CSP)と呼称される半導体装置の製造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子装置の小型化により、電子装置に組み込まれる(実装される)半導体装置は高密度での実装が行われており、半導体装置には小型化の要求が高まっている。この要求に答える技術として、チップサイズパッケージ(Chip Size Package、以下CSPと記す)と呼称される技術が提案されている。
CSPは内部に組み込む半導体素子(ICチップ)と略同等のサイズとすることができ、半導体装置の小型化にとって有効な技術といえる。
CSPの構造、形態は種々のものが提案されているが、以下に、一般的なCSPの形態を模式的に示す図面に基づき、CSPの説明を行う。
【0003】
図7に示すように、CSP70内部に組み込まれる半導体素子72にはアルミ等からなる電極73(接続用パッド)が形成されている。なお、一般的な半導体素子72では、電極73を露出するパッシベーション膜74が形成されている。
ここで、CSP70とするにあたり、半導体素子72上に電極73を露出するよう絶縁性樹脂等からなる第一の絶縁層75が形成される。また、第一の絶縁層75上には電極73と接続するCu等の金属からなる配線パターン77(配線層)が形成されており、配線パターン77上に銅等からなるメタルポスト79を配設している。なお、図7の例では、配線パターン77の下部に半導体素子72側へのCu等の金属の流出を防止するため、メタルバリア層76を形成している。
次いで、配線パターン77および第一の絶縁層75上にはメタルポスト79の先端面を露出する第二の絶縁層78が形成されており、さらに、メタルポスト79の先端面を露出するよう封止樹脂80にて樹脂封止が行われ、CSP70となる。
【0004】
なお、半導体装置の熱放散性を向上させるため、半導体素子裏面(電極および半導体集積回路が形成された面と反対面側の半導体素子面)に冷却用のヒートシンク材82を貼り付ける場合もある。
【0005】
上述した構成を有するCSPの製造方法につき、以下に図面に基づき説明を行う。なお、以降に記す図面において、同一名称の部位には符号の記入を省略している。
図4(a)に示すシリコン(Si)ウェハー上には半導体素子72が複数個面付けして形成されている(図中の矢線が各々1個の半導体素子72領域を示す)。
各半導体素子72には外部との電気的接続を行う電極73(接続用パッド)が形成されている。また、各半導体素子72上には電極73を露出するパッシベーション膜74が予め形成されている。
【0006】
次いで、CSPの製造にあたり、フォトリソグラフィ法等を用い、電極73を露出するよう第一の絶縁層75を半導体素子72上に形成する(図4(b))。
次いで、シリコンウェハー上にメタルバリア層76および金属薄膜層87を積層成膜した後に(図4(c))、フォトエッチング法等によりメタルバリア層76および金属薄膜層87をパターニングし、所定のパターン形状とした配線層77を得る(図4(d))。
【0007】
次いで図4(d)とした後、絶縁性樹脂等を素材として用い、フォトリソグラフィ法等により所定の配線層77部位を露出したメッキマスクを形成する(図5(a))。次いで、電気メッキによりメッキマスクより露出した配線層77部位にメタルポスト79を形成した後メッキマスクを剥膜する(図5(b))。
次いで、フォトエッチング法等を用いて各半導体素子72間に形成された余分な配線層77部位を除去した後(図5(c))、フォトリソグラフィ法等により各半導体素子72にメタルポスト79の先端面を露出する第二の絶縁層78を形成する(図5(d))。
【0008】
次いで、シリコンウェハーにダイシングを行い、半導体素子72を個片化する(図5(e))。次いで図5(e)で得られた個片化した半導体素子72に各々、半導体素子72を形成した面と反対面側のシリコンウェハー面にヒートシンク材82を貼り付けた後、個片化した半導体素子72を金型を用いて各々封止樹脂樹80にて脂封止する(図6(a))。なお、樹脂封止にあたっては、ヒートシンク材82が露出するよう、また、メタルポスト79先端面が露出するよう樹脂封止が行われる。
次いで、外部接続用端子81を各メタルポスト79に設置し、図6(b)および図7に示す半導体装置(CSP70)を得る。
【0009】
上述した製造工程で得られた半導体装置(CSP70)では、外部(例えば実装基板)と電極73との電気的接続および、外部と半導体装置との固定は外部接続用端子81にて行われるもので、外部接続用端子81としては半田(ハンダ)ボール等が用いられる。また、電極73と接続する配線層77は第一の絶縁層75上に形成され、配線層77は電極73とメタルポスト79との電気的接続を行う。なお、第一の絶縁層75および第二の絶縁層78は電気的絶縁を行う他に、半導体装置を実装した後に半導体装置と実装基板との熱膨張率の差等により生じた応力が半導体装置にかかった際、この応力を緩和する機能をも有するものであり、この機能により半導体装置にクラック等が生じることを防止しようとするものである。
【0010】
また、通常は、半導体装置(CSP)の熱放散性を向上させるために半導体素子にヒートシンク材82が貼り付けられる。
【0011】
上述したように、半導体素子72が複数個面付して形成されたシリコン(Si)ウェハーに一括して第二の絶縁層78の形成まで行い、その後、ダイシングを行い個々の半導体素子72に個片化することで、CSP70は半導体素子72と略同等のサイズとすることができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述したCSPの製造方法では、以下の問題点が有るといえる。
まず、所定のパターンを有する配線層を形成した後に電気メッキでメタルポストを形成しているため、電気メッキのためのメッキ給電用配線が必要になりCSPの製造工程が煩雑になり不経済になるという問題である。なぜならば、電極とメタルポストとの電気的接続のための配線層に加えて、メタルポスト形成のためのメッキ給電用配線が別途必要となり、このメッキ給電用配線はメタルポスト形成後は不要になるため除去する必要が有るためである。すなわち、最終的な製品としては不要であるメッキ給電用配線を形成する分、製造工程が煩雑になり不経済になる。
【0013】
また、上記メッキ給電用配線を形成する領域が余分に必要となる分、配線層のパターン設計及びパターン配置に制約を受けることになる。
さらに、メタルポストの形成部位は複数箇所あるものでメッキ給電用配線は複数本必要となるが、引回しにより各メッキ給電用配線の長さは相違することになる。このため、長さの相違に起因する電気的抵抗の相違等で、電気メッキで形成されるメタルポストの高さはバラツキが生じやすい。さらには、メッキ給電用配線の断線によりメタルポストが形成されない(メッキが不着されない)等の不具合も生じる場合もあり、外部との電気的接続不良が生ずる等、半導体装置の電気的接続性の信頼が低下する要因ともなっていた。
【0014】
さらには、半導体素子を個片化する前に、ウェハー状態のまま樹脂封止した場合、半導体素子の保護層である封止樹脂は半導体素子上面に厚く、また、半導体素子側面には薄く形成されやすい。このため個片化し半導体装置とした後は、半導体装置の側面部から吸湿を生じやすく気密性が不十分といえ、パッケージの信頼性が低いものになるといえる。
ちなみに、本発明者らが、従来の半導体装置(CSP)を実装基板に実装後、実装基板に温度サイクル試験(−40℃から+125℃まで温度を変化させて1サイクルとし、この温度変化を複数回繰り返す試験)を行ったところ、200サイクル〜400サイクルの比較的早い時期にパッケージクラックが発生したものである。
【0015】
また、従来の半導体装置(CSP)の製造方法では、個片化した各半導体素子を金型を用いて一個ずつ樹脂封止するため製造に時間が掛かり、製造費用も掛かるものであった。
【0016】
本発明は上述した問題点に鑑みなされたもので、半導体装置(CSP)の製造にあたりメッキ給電用配線の形成を不要とし、また、樹脂封止に金型を不要とした半導体装置(CSP)の製造方法を提供し、それによりパッケージクラック、電気的接続不良の無い信頼性の高い半導体装置(CSP)を安価に提供することを目的としている。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を達成するために鋭意検討を行い本発明に至ったものである
。すなわち請求項1においては、電極を有する半導体素子が形成されたウェハー面上に前記電極を露出するよう第一の絶縁層を形成する工程と、前記第一の絶縁層の形成面側に前記電極と電気的に接続する金属薄膜層を一面に形成する工程と、前記金属薄膜層上にメッキマスク用のレジストパターンを形成する工程と、電気メッキにより前記メッキマスクより露出した金属薄膜層部位にメタルポストを形成する工程と、前記メッキマスク用のレジストパターンを剥離する工程と、前記金属薄膜層をパターニングし配線層とする工程と、配線層および第一の絶縁層を被覆し、かつ、前記メタルポスト先端面を露出する第二の絶縁層を形成する工程とを少なくとも有し、前記メタルポスト形成のための電気メッキの際、前記金属薄膜層をメッキ給電用の導体とし、第二の絶縁層を形成する工程において、スピンコート法を用いて感光性絶縁性樹脂を塗布後、フォトリソグラフィー法でメタルポスト先端面に残った絶縁性樹脂を除去することで、前記第二の絶縁層を、メタルポストの側面を被覆し、メタルポストの側面を被覆する部位を除く第二の絶縁層の高さをメタルポスト先端面の高さより低くするように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法としたものである。
【0019】
さらに請求項2においては、半導体素子が複数個面付けして形成されたウェハー上に前記請求項1に記載の製造方法にて第二の絶縁層の形成工程まで行った後、冷却用ヒートシンク材をウェハー裏面に貼り付ける工程と、第二の絶縁層形成面側よりウェハーとヒートシンク材との境界までダイシングを行い半導体素子を個片化する工程と、個片化された各半導体素子を覆うよう、かつ、メタルポスト先端面を露出するよう半導体素子を含めたウェハーに樹脂封止を行う工程と、半導体素子側面の封止樹脂を残すようヒートシンク材を含めてダイシングを行い個片化する工程とを少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造方法としたものである。
【0020】
さらにまた、請求項3においては、ヒートシンク材を含めてダイシングを行い個片化する前にメタルポスト先端面に応力緩和機能を持たせた外部接続用端子を配設することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法としたものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態につき図面に基づき説明する。
図2および図3は本発明の半導体装置の製造方法の実施形態の一例を工程順に示す図面である。図2(a)は、従来通りシリコン(Si)ウェハー上に複数個面付けして形成された半導体素子2を示す(図2(a)中の矢線が各半導体素子2の領域を示す)。各半導体素子2には電極3が形成されており、また、電極3を露出するようパッシベーション膜4が形成されている。
【0022】
本発明の半導体装置の製造方法においては、まず、図2(b)に示すように、電極3を有する半導体素子2が形成されたシリコンウェハー面上に前記電極3を露出するよう第一の絶縁層5を形成する。
【0023】
次いで、図2(c)に示すように、第一の絶縁層5の形成面側に半導体素子2に形成された電極3と電気的に接続する金属薄膜層17を一面に形成する。なお、金属薄膜層17は、Cu(銅)、Ag(銀)等の電気良導体金属の単層構成であっても良く、図2(c)に示すように、Cr、TiW、TiN等のメタルバリア層6上にCu(銅)、Ag(銀)等の電気良導体金属からなる金属薄膜層17を積層した多層構成としても構わない。また、金属薄膜層17の形成手段は、スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、ゾルゲル法、無電解メッキ法等があげられ、適宜選択して構わない。
【0024】
次いで、メタルポストを形成すべき金属薄膜層17部位を露出する、電気メッキの際にメッキマスクとなるレジストパターンを金属薄膜層17上に形成し、図2(d)を得る。
次いで、金属薄膜層17をメッキ給電用配線として電気メッキを行い、メッキマスクより露出した金属薄膜層17部位にメタルポスト9を形成した後にメッキマスクを剥膜し、図2(e)を得る。
【0025】
次いで、シリコンウェハー上に一面に形成された金属薄膜層17およびメタルバリア層6をフォトエッチング法等を用いパターニングし、所定のパターン形状とした配線層7とする(図2(f))。
すなわち、所定のパターン形状とした配線層7を得る前に、全面に一様に形成された金属薄膜層17をメッキ給電用の導体として利用するものである。
【0026】
これにより、従来の半導体装置の製造方法で必要とされた、最終的に不要となるメッキ給電用配線の形成および、メッキ給電用配線の除去を不要としたものであり、製造工程の簡略化が可能となる。
また、シリコンウェハー上全面に一様にメッキ給電用配線となる金属薄膜層17を形成しているためメッキ給電用配線の断線が生じにくく、メタルポスト9の不着やメタルポスト9の高さのバラツキを防止でき、信頼性の高い半導体装置を低コストで製造することが可能となる。
【0027】
次いで、本発明の半導体装置の製造方法では、図2(f)に示す所定のパターン形状とした配線層7を形成した後、配線層7および第一の絶縁層5を被覆し、かつ、前記メタルポスト9先端面を露出する第二の絶縁層8を形成し、図3(a)を得る。
【0028】
ここで、第二の絶縁層8は図1および図3(a)に示すように、第二の絶縁層8の表面をメタルポスト9先端面より低く形成し、かつ、メタルポスト9先端部近傍のメタルポスト9の側面を被覆するよう形成している。
すなわち、メタルポスト9先端より下部(シリコンウェハー方向)において第二の絶縁層8とメタルポスト9との密着性を優先させる構造としている。これにより、第二の絶縁層8とメタルポスト9との密着性が補強され、それにともない、メタルポスト9と配線パターン7との接続強度も向上しメタルポスト9と配線パターン7との断線が防止できる。
【0029】
また、後述するように半導体装置においては封止樹脂による樹脂封止が必要となるが、第二の絶縁層8の表面がメタルポスト9先端面の高さと同等もしくは高い場合、第二の絶縁層8上に形成される封止樹脂の表面の高さはメタルポスト9先端面より高いものとなる。このため、封止樹脂の開口部より露出したメタルポスト9先端面上に外部接続用端子(例えばハンダボール)を配設しようとしても封止樹脂で邪魔をされ、メタルポスト9先端面と外部接続端子との間に隙間が生じる等、メタルポスト9と外部接続端子との電気的接続不良が生じる。
【0030】
しかるに図3(a)に示すように、メタルポスト9の側面を被覆する部位を除く第二の絶縁層8の高さをメタルポスト9先端面の高さより低くすれば、封止樹脂表面とメタルポスト9先端面とを近くすることが出来、封止樹脂が邪魔をしないため、外部接続用端子を配設する際にメタルポスト9先端面と外部接続端子との間に隙間が生じず、メタルポスト9と外部接続端子との電気的接続不良を防止できる。また、第二の絶縁層8を薄く形成することで、比較的高価な材質を用いる第二の絶縁層8の使用量を減らすことが出来、半導体装置の製造コストを下げることが可能となる。
【0031】
また、メタルポスト9の先端部近傍の側面を除き第二の絶縁層8の高さをメタルポスト9先端面の高さより低い位置になるように形成するには、絶縁性樹脂を感光性のものとし、塗布、パターン露光、現像等を行い不要部の絶縁性樹脂の除去を行うフォトリソグラフィー法を用いることが望ましい。
【0032】
第2の絶縁層8とする絶縁性樹脂の塗布には、スピンコート法、カーテンコート法、スクリーン印刷法、スリットアンドスピンコート法等の公知の塗布手段を用いることで構わない。
しかし、メタルポスト9の先端部近傍の側面を除き第二の絶縁層8表面の高さをメタルポスト9先端面の高さより低い位置になるように形成することを考慮した場合、スピンコート法が望ましい。
すなわち、メタルポスト9の形成後にスピンコート法にて絶縁性樹脂の塗布を行えば、余分な絶縁性樹脂は半導体素子の外へ除去される。このため塗布条件を適宜設定することで、メタルポスト9の先端部近傍の側面部位を除いた領域ではメタルポスト9先端面の高さより薄い膜厚にて絶縁性樹脂を塗布でき、かつ、メタルポスト9の先端部近傍の側面にも絶縁性樹脂を塗布できることになる。なお、メタルポスト9先端面に残った絶縁性樹脂の除去は、前述したフォトリソグラフィー法の他に、レーザー、ドライエッチング、逆スパッタ等で選択的に除去することであっても構わない。
【0033】
次いで、図3(a)に示すように第二の絶縁層8を形成した後、本発明の半導体装置の製造方法においては、冷却用ヒートシンク材12を半導体素子を形成した面と反対面側のシリコンウェハー面に貼り付ける。なお、冷却用ヒートシンク材12の素材としては、Ag、Cu、Al等の金属、または、これらの合金等の熱導伝率の高いものが使用可能であり、その中でも特にCu、Cu合金がコスト的に安く、かつ、熱導伝率が高く好ましい。次いで、冷却用ヒートシンク材12を貼り付けた後にダイシングを行うことで、第二の絶縁層8の形成面側よりシリコンウェハーとヒートシンク材12との境界まで切れ目を入れ、半導体素子2を含めてシリコンウェハーを個片化し図3(b)を得る。このとき、個片化された各半導体素子2はダイシングの行われなかった冷却用ヒートシンク材12上に保持、固定される。
【0034】
次いで、個片化された各半導体素子2間(切れ目)を充填し、かつ、メタルポスト9先端面を露出するようシリコンウェハーウェハー上に一様に封止樹脂10にて樹脂封止を行い、図3(c)を得る。なお、樹脂封止はスピンコート法にてメタルポスト9先端面を含めシリコンウェハー上全面に一様に封止樹脂10を塗布した後、メタルポスト9先端面上の樹脂を除去することが簡便で望ましい。また、メタルポスト9先端面上の樹脂の除去は、封止樹脂10を感光性樹脂とし、塗布、パターン露光、現像等を行い不要部の除去を行うフォトリソグラフィー法を用いることが簡便で望ましい。
【0035】
次いで、メタルポスト9先端面に外部接続用端子11を配設し、図3(d)を得る。次いで、各半導体素子2側面の封止樹脂10を残すようヒートシンク材12を含めてダイシングを行うことで各半導体素子2を個片化し、図1および図3(e)に示す半導体装置(CSP1)を得る。
【0036】
CSP1に代表される半導体装置においては、パッケージの信頼性向上、機械的強度向上のため、半導体素子の外周に樹脂封止が必要である。
前述したように、従来の半導体装置(CSP)の製造方法では、半導体素子を個片化し完全に分離、独立させた後、各半導体素子72を金型を用いて1個ずつ樹脂封止を行っていた。
このため、半導体素子72の形状が変わる毎に、言い換えれば半導体装置の品種毎に新たな金型を必要としていた。金型の作成は非常にコストが掛かるものであり、半導体装置の品種毎に高価な金型を作ることは不経済といえる。
また、金型を用いた樹脂封止では、半導体素子72の上面には封止樹脂80が厚く、半導体素子72側面の封止樹脂80は薄く形成されやすく、半導体素子72側面の機械的強度が弱く、また、気密性にも欠け、信頼性が低いものであった。
【0037】
しかるに、本発明の半導体装置の製造方法では、樹脂封止に金型を用いない。
すなわち、図3(c)に示すように、冷却用ヒートシンク材12上に保持、固定された個片化された各半導体素子2の間(切れ目)を充填し、かつ、メタルポスト9先端面を露出するようシリコンウェハー上に一様に封止樹脂10にて樹脂封止を行うものである。さらに、半導体素子2の最終的な個片化は、各半導体素子2側面の封止樹脂10を残すよう冷却用ヒートシンク材12を含めたダイシングで行っている。
【0038】
すなわち、本発明の半導体装置の製造方法では、個片化された半導体素子を金型を用い1個ずつ樹脂封止を行うのではなく、冷却用ヒートシンク材12上で保持、固定された各半導体素子2に一括して樹脂封止を行い、しかる後、冷却用ヒートシンク材12を含めてダイシングを行い最終的に個片化するものである。これにより、樹脂封止の際の高価な金型の使用を不要とすることで製造コストの低減が可能となり、また、樹脂封止に要する時間の短縮も可能となる。
また、金型を用いることなく樹脂封止を行うため、半導体素子と封止樹脂との密着性も良くなり、半導体装置としての信頼性、機械的強度を向上できる。
【0039】
次いで、半導体装置には外部(例えば、実装用基板)との固定、電気的接続を行うために外部接続用端子11を配設するが、本発明の製造方法においては外部接続用端子11に応力緩和機能を持たせたことを特徴としている。
【0040】
この点につき説明を行う。
半導体装置を実装基板等に実装すると、シリコン等で形成される半導体素子(例えば、熱膨張率が約3ppm程度)と実装基板(例えば、エポキシ系樹脂からなるプリント基板:熱膨張率40〜200ppm程度、但しTg点以上では200ppmを超える)との熱膨張率の差で生じるストレス(応力)が半導体装置にかかる。このストレス(応力)により半導体装置にクラックや内部断線が発生し、半導体装置の信頼性を低下させていた。
【0041】
しかるに、本発明の半導体装置の製造方法では、メタルポスト上に配設する外部接続用端子11に応力緩和機能を持たたものであり、半導体装置と実装基板との熱膨張率の差で生じるストレス(応力)は応力緩和機能を有する外部接続用端子11で緩和され、半導体装置(CSP1)にクラックや断線が発生することを防止できる。
応力緩和機能を有する外部接続用端子11の例としては、図8もしくは図9に示すように、外部に開放された中空部を有する保持体15の表面に導電性材料16を配設したものがあげられる。なお、図8は応力緩和機能を有する外部接続端子11の一例を側面から見た図(すなわち外部接続用端子11を半導体装置に配設した際に半導体装置の側面より見た図)であり、図9は図2のA−A’線における断面を上方から見た(実装基板に実装した際に実装基板側から見た)図である。
【0042】
中空とした保持体15は柔構造のため、外部接続端子11と接続した実装基板が相当量の熱伸縮を繰り返しても、発生したストレス(応力)を吸収し応力を緩和することができる。これにより、絶縁層および封止樹脂と外部接続端子11との界面でのクラックの発生、および、クラックによる断線を防止できる。
保持体15の材質は、耐熱性を有するエンジニアプラスチックが好ましい。ここでエンジニアプラスチックとは、耐熱性が100℃以上、強度が49MPa以上、曲げ弾性率が2.4Gpa以上のプラスチックのことをいうものである。
上記条件を満たす材質として、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルニトリル、フッ素樹脂、ポリカーボネート、変成ポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルホン、およびポリアリレート等の樹脂が挙げられる。また、保持体15の材質は上記エンジニアプラスチックのポリマーアロイであっても構わない。
【0043】
次いで、導電性材料16は、外部と固定を行い、かつ、電気的接続が可能でなければならず、このような条件を満たす導電性材料16としては、
▲1▼グラファイト、カーボンもしくは金属微粒子分散体、
▲2▼金、銀、銅、アルミニウム、もしくはニッケルの単体、または前記金属を二種類以上含む合金、
▲3▼錫もしくは鉛を主成分とする低融点合金、が挙げられ、
上記▲1▼〜▲3▼のうちから選択することが望ましい。
【0044】
上記した低融点合金としては、水銀、ガリウム、またはインジウム等の金属を用いたものが挙げられるが、製造コスト等の観点から、錫もしくは鉛を主成分としたハンダ(半田)合金が好ましい。ハンダ合金としては、共晶ハンダや鉛の比率を高めた高融点ハンダが適用でき、また必要に応じてビスマス、カドミウム、アンチモン、亜鉛、マンガン、インジウム、錫、銀等を添加しても構わない。
また、図8および図9の例に示すように、保持体15と導電性材料16との接着性を向上させるために導電性材料16の配設に先立ち、保持体15の表面に接着層27を形成しても構わない。
【0045】
なお、保持体15の中空部を外部雰囲気に開放したものとし、外部雰囲気の空気(エアー)が自由に中空部に出入り可能な状態にしておけば、保持体15に含まれた水分が外部雰囲気に放出され樹脂の劣化が防止できる。また、保持体15の中空部が外部雰囲気に開放されていれば、実装時に加熱された際に、保持体15中の水分が蒸発した水蒸気や膨張した空気は外部雰囲気に放出され、保持体15に破裂が生じることを防止できる。さらに、実装後に半導体装置に熱が加わても、保持体15中の水分が外部雰囲気に放出されることになり、保持体15の破裂や劣化を防止できる。
【0046】
また、半導体装置(CSP1)の使用される環境が熱変化の少ないものであり、半導体装置と実装基板との間で生じる応力が小さいものであれば、保持体15の形状は中空部を有しない円筒状であっても構わない。
【0047】
【実施例】
以下に、本発明の実施例につき説明する。
<実施例>
図2(a)は、従来公知の手段により得られた半導体素子2である。半導体素子2はシリコンウェハーを基材とし、アルミからなる電極3が形成されており、また、半導体素子2上には電極3を露出するようパッシベーション膜4が形成されている。また、図2(a)では説明の都合上、一枚のシリコンウェハー上に複数個面付けして形成されたうちの2箇所の半導体素子2を図示している。
【0048】
次いで、シリコンウェハー上に感光性ポリイミド(旭化成工業(株)製、商品名「パイメル」)を塗布した後、パターン露光、現像等を行う公知のフォトリソグラフィー法を用い、各半導体素子2上に電極3を露出する膜厚約10μmの第一の絶縁層5を形成した(図2(b))。
次いで、第一の絶縁層5を形成した面側に、メタルバリア層6としてTiN層(膜厚200nm)を、次いで金属薄膜層17としてCu層(膜厚500nm)を、各々スパッタ法を用い一括して積層形成した(図2(c))。
【0049】
次いで、スピンコート法にて金属薄膜層17上に一括して膜厚20μmの感光性レジスト層を塗布、形成した後、公知のフォトリソグラフィ法を用い、メタルポストを形成する金属薄膜層17部位を露出したメッキマスクを形成した(図2(d))。次いで、電解メッキ法にてメッキマスクより露出した金属薄膜層17部位にCu(銅)からなるメタルポスト9を形成した後、メッキマスクを剥離した(図2(e))。なお、このとき金属薄膜層17をメッキ給電用の導体として用いた。
【0050】
次いで、スピンコート法にて膜厚1μmの感光性レジスト層を形成した後、公知のフォトエッチング法を用いて金属薄膜層17にパターニングを行い、所定のパターン形状とした配線層7を形成した(図2(f))。
次いで、図2(f)を得た後、配線層7を形成した面側に一括して感光性ポリイミド(旭化成工業(株)製、商品名「パイメル」)をスピンコート法にて塗布し、膜厚10μmの感光性ポリイミド層を形成した。次いで、公知のフォトリソグラフィー法にてメタルポスト9上の感光性ポリイミドを除去し第二の絶縁層8を得た(図3(a))。
【0051】
次いで、半導体素子2を形成した面とは反対面側であるシリコンウェハー裏面にシリコンウェハーと略同一サイズとした冷却用ヒートシンク材12を貼り付けた。なお、冷却用ヒートシンク材12の材質はCu(銅)を用いた。
次いで、各半導体素子2の境界にダイシングを行い切れ目を入れ、半導体素子2を個片化した。なお、ダイシングによる切れ目はシリコンウェハーに入れ、冷却用ヒートシンク材12には入れていない(図3(b))。
【0052】
次いで、スピンコート法にてダイシングで形成された切れ目にも充填するよう感光性を有する封止樹脂10をシリコンウェハー表面に塗布し樹脂封止を行った後、公知のフォトリソグラフィー法にてメタルポスト9先端上の封止樹脂10を除去した(図3(c))。
次いで、メタルポスト9上に外部接続端子11を載置した(図3(d))。
本実施例で用いた外部接続用端子11は応力緩和機能を持たせたもので、前述した図8および図9に示すように熱可塑性ポリイミドからなる中空の保持体15の表面に導電性材料16として共晶ハンダを形成しており、以下に記す工程で作成した。
すなわちまず、内径0.15mm、肉厚50μmの中空の熱可塑性ポリイミドチューブを長尺状で購入した。次いで、チューブ表面(外側面)に金属クロムと銅を順次積層成膜した。金属クロムおよび銅は導電性材料を積層する際に接着層27としての役目を持たせたもので、金属クロムの膜厚を0.2μm、銅の膜厚を0.4μmとなるようスパッタリングにより成膜した。接着層17を形成した後、導電性材料16として膜厚約20μmの共晶ハンダをメッキ形成した。
次いで、共晶ハンダの形成後、長尺状の熱可塑性ポリイミドチューブを各々長さ約0.3mmにカッティングし、図8および図9に示す、本実施例で用いた外部接続用端子11とした。
【0053】
次いで、図3(d)に示すように外部接続端子11を載置した後、半導体素子2の側面の封止樹脂を残すよう冷却用ヒートシンク材を含めたダイシングを行うことで最終的に個片化を行い、各々独立した半導体装置(CSP1)を得た(図3(e))。
【0054】
上記実施例で得られた半導体装置(CSP1)をプリント基板に実装後、プリント基板に熱サイクル試験(−45℃〜+125℃)を行ったが、1000回のサイクル試験後も半導体装置にはパッケージクラックや内部断線等の不具合は生じなかった。
【0055】
以上、本発明の一実施例につき説明したが、本発明の実施の形態は上述した図面および記述に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形を行っても構わないことはいうまでもない。
【0056】
例えば、使用する素材、形成する膜の膜厚等の製造条件は半導体装置の仕様に合わせ適宜設定して構わない。
また、応力緩和機能を有する外部接続用端子として、Pbの含有率の多い高融点半田、または、Cu等の延性を有する金属を核とした多層構成の半田ボールを用いても構わない。
【0057】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、樹脂封止の際に高価な金型の使用も不要としており、本発明の半導体装置の製造方法を用いることで、半導体装置の製造に要する費用を低減できる。
【0058】
また、メタルポスト上面を除いて封止樹脂が半導体素子の外周を保護できるため気密性、耐湿性に優れ、吸湿によるパッケージクラックが発生しにくくなる。さらに、外部接続用端子に応力緩和機能を持たせたことで、半導体装置と実装基板との熱膨張率の差で生じるストレス(応力)を応力緩和機能を有する外部接続用端子で緩和でき、半導体装置にクラックや断線等の不良が発生することを防止できる。
また、半導体素子裏面に冷却用ヒートシンク材を設けたことで、放熱性にも優れた半導体装置とすることができる。
【0059】
以上述べたように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、高信頼性の半導体装置(CSP)を安価に製造することが可能となる。
【0060】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法で得られ半導体装置の一例を模式的に示す断面説明図。
【図2】(a)〜(f)は本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を工程順に示す断面説明図。
【図3】(a)〜(e)は本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を工程順に示す断面説明図。
【図4】(a)〜(d)は従来の半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面説明図。
【図5】(a)〜(e)は従来の半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面説明図。
【図6】(a)〜(b)は従来の半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面説明図。
【図7】従来の半導体装置の製造方法で得られた半導体装置の一例を模式的に示す断面説明図。
【図8】本発明に係わる外部接続用端子の一例を示す側面説明図。
【図9】本発明に係わる外部接続用端子の一例を示す断面説明図。
【符号の説明】
1、70 CSP
2、72 半導体素子
3、73 電極
4、74 パッシベーション膜
5、75 第一の絶縁層
6、76 バリア層
7、77 配線層
8、78 第二の絶縁層
9、79 メタルポスト
10、80 封止樹脂
11、81 外部接続用端子
12、82 ヒートシンク材
15 保持体
16 導電性材料
17、87 金属薄膜層
27 接着層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device on which a semiconductor element is mounted, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device called a chip size package (CSP).
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, due to miniaturization of electronic devices, semiconductor devices incorporated (mounted) in electronic devices are mounted at high density, and there is an increasing demand for miniaturization of semiconductor devices. As a technique that meets this requirement, a technique called a chip size package (hereinafter referred to as CSP) has been proposed.
The CSP can be approximately the same size as a semiconductor element (IC chip) incorporated therein, and can be said to be an effective technique for downsizing a semiconductor device.
Various structures and forms of CSPs have been proposed. Hereinafter, the CSP will be described with reference to the drawings schematically showing general CSP forms.
[0003]
As shown in FIG. 7, an electrode 73 (connection pad) made of aluminum or the like is formed on the
Here, when the CSP 70 is formed, a first
Next, a second
[0004]
In order to improve heat dissipation of the semiconductor device, a
[0005]
A method for manufacturing a CSP having the above-described configuration will be described below with reference to the drawings. In the drawings described below, reference numerals are omitted for portions having the same name.
A plurality of
Each
[0006]
Next, in manufacturing the CSP, a first
Next, after the
[0007]
4D, an insulating resin or the like is used as a material, and a plating mask exposing a
Next, after removing the
[0008]
Next, dicing is performed on the silicon wafer to divide the
Next, the
[0009]
In the semiconductor device (CSP 70) obtained by the manufacturing process described above, the
[0010]
In general, a
[0011]
As described above, a silicon (Si) wafer in which a plurality of
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
Here, it can be said that the above-described CSP manufacturing method has the following problems.
First, since a metal post is formed by electroplating after forming a wiring layer having a predetermined pattern, a plating power supply wiring for electroplating is required, and the CSP manufacturing process becomes complicated and uneconomical. It is a problem. This is because, in addition to the wiring layer for electrical connection between the electrode and the metal post, a plating power supply wiring for forming the metal post is separately required, and this plating power supply wiring becomes unnecessary after the metal post is formed. This is because it needs to be removed. That is, the manufacturing process becomes complicated and uneconomical because the plating power supply wiring that is unnecessary as the final product is formed.
[0013]
Further, since an extra area for forming the plating power supply wiring is required, the pattern design and pattern arrangement of the wiring layer are restricted.
Further, there are a plurality of metal post forming portions, and a plurality of plating power supply wirings are required. However, the lengths of the plating power supply wirings differ depending on the routing. For this reason, the height of the metal post formed by electroplating is likely to vary due to a difference in electrical resistance caused by a difference in length. In addition, a failure such as a metal post not being formed (plating is not attached) due to disconnection of the plating power supply wiring may occur, resulting in a poor electrical connection with the outside. It was also a factor that decreased.
[0014]
Furthermore, when the semiconductor element is encapsulated in a wafer state before being separated into pieces, the encapsulating resin, which is a protective layer of the semiconductor element, is thick on the top surface of the semiconductor element and thin on the side surface of the semiconductor element. Cheap. Therefore, after the semiconductor device is singulated, moisture absorption is likely to occur from the side surface portion of the semiconductor device, and the airtightness is insufficient, so that the reliability of the package becomes low.
By the way, the present inventors mounted a conventional semiconductor device (CSP) on a mounting substrate, and then changed the temperature of the mounting substrate to one cycle by changing the temperature from −40 ° C. to + 125 ° C. When the test was repeated a number of times, package cracks occurred in a relatively early period of 200 to 400 cycles.
[0015]
Further, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device (CSP), since each individual semiconductor element is resin-sealed using a mold one by one, it takes time to manufacture and also costs manufacturing costs.
[0016]
The present invention has been made in view of the above-described problems. In the production of a semiconductor device (CSP), it is unnecessary to form a plating power supply wiring, and a semiconductor device (CSP) that does not require a mold for resin sealing. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method, thereby providing a highly reliable semiconductor device (CSP) free from package cracks and poor electrical connection.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have intensively studied to achieve the above-mentioned problems and have arrived at the present invention.
. That is, in
[0019]
Further claims 2 In the claim, the semiconductor element is formed on a wafer formed by imposing a plurality of surfaces. 1 After the process of forming the second insulating layer is performed by the manufacturing method described above, the process of attaching the heat sink material for cooling to the back surface of the wafer and dicing from the second insulating layer forming surface side to the boundary between the wafer and the heat sink material Performing steps of separating the semiconductor elements into individual pieces, sealing the wafer including the semiconductor elements with a resin post so as to cover each of the separated semiconductor elements and to expose the tip surface of the metal post, and the semiconductor The semiconductor device manufacturing method includes at least a step of dicing and dicing including a heat sink material so as to leave a sealing resin on the side surface of the element.
[0020]
Furthermore, the
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
2 and 3 are drawings showing an example of an embodiment of a semiconductor device manufacturing method according to the present invention in the order of steps. FIG. 2A shows a
[0022]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, first, as shown in FIG. 2B, first insulation is performed so that the
[0023]
Next, as shown in FIG. 2C, a metal
[0024]
Next, a resist pattern serving as a plating mask at the time of electroplating is formed on the metal
Next, electroplating is performed using the metal
[0025]
Next, the metal
Ie , Place Before obtaining the
[0026]
This eliminates the need for the formation of the plating power supply wiring and the removal of the plating power supply wiring, which are required in the conventional semiconductor device manufacturing method, and simplify the manufacturing process. It becomes possible.
In addition, since the metal
[0027]
Next, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after forming the
[0028]
Here, as shown in FIG. 1 and FIG. 3A, the second insulating
That is, the structure is such that the adhesion between the second insulating
[0029]
Further, as will be described later, in the semiconductor device, resin sealing with a sealing resin is required, but when the surface of the second insulating
[0030]
However, as shown in FIG. 3A, if the height of the second insulating
[0031]
Further, in order to form the second insulating
[0032]
The insulating resin used as the second insulating
However, when it is considered that the height of the surface of the second insulating
That is, if the insulating resin is applied by spin coating after the
[0033]
Next, after forming the second insulating
[0034]
Next, resin sealing with the sealing
[0035]
Next, the
[0036]
In a semiconductor device typified by CSP1, resin sealing is required on the outer periphery of a semiconductor element in order to improve package reliability and mechanical strength.
As described above, in the conventional method of manufacturing a semiconductor device (CSP), after semiconductor elements are separated into pieces and completely separated and made independent, each
For this reason, every time the shape of the
Further, in resin sealing using a mold, the sealing
[0037]
However, in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a mold is not used for resin sealing.
That is, as shown in FIG. 3C, the space between the
[0038]
That is, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, each semiconductor element held and fixed on the
In addition, since resin sealing is performed without using a mold, the adhesion between the semiconductor element and the sealing resin is improved, and the reliability and mechanical strength of the semiconductor device can be improved.
[0039]
Next, the
[0040]
This point will be described.
When a semiconductor device is mounted on a mounting board or the like, a semiconductor element formed of silicon or the like (for example, a thermal expansion coefficient of about 3 ppm) and a mounting board (for example, a printed circuit board made of epoxy resin: a thermal expansion coefficient of about 40 to 200 ppm). However, stress (stress) generated by the difference in thermal expansion coefficient from the Tg point or more and exceeding 200 ppm is applied to the semiconductor device. This stress (stress) causes cracks and internal disconnections in the semiconductor device, reducing the reliability of the semiconductor device.
[0041]
However, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the
As an example of the
[0042]
Since the hollow holding
The material of the holding
Materials satisfying the above conditions include polyimide, polyamideimide, polyetherimide, thermoplastic polyimide, polyamide, polyacetal, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polyether ketone, liquid crystal polymer, polyether Examples include resins such as nitrile, fluororesin, polycarbonate, modified polyphenylene ether, polysulfone, polyethersulfone, and polyarylate. The material of the
[0043]
Next, the
(1) Graphite, carbon or metal fine particle dispersion,
(2) Gold, silver, copper, aluminum, or nickel alone, or an alloy containing two or more of the above metals,
(3) Low melting point alloy mainly composed of tin or lead,
It is desirable to select from the above (1) to (3).
[0044]
Examples of the low melting point alloy include those using a metal such as mercury, gallium, or indium, but a solder (solder) alloy containing tin or lead as a main component is preferable from the viewpoint of manufacturing cost. As the solder alloy, eutectic solder or high melting point solder with an increased ratio of lead can be applied, and bismuth, cadmium, antimony, zinc, manganese, indium, tin, silver, etc. may be added as necessary. .
Also, as shown in the examples of FIGS. 8 and 9, an
[0045]
If the hollow portion of the holding
[0046]
In addition, if the environment in which the semiconductor device (CSP1) is used has little heat change, and the stress generated between the semiconductor device and the mounting substrate is small, the shape of the holding
[0047]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
<Example>
FIG. 2A shows a
[0048]
Next, after applying photosensitive polyimide (trade name “Paimel”, manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd.) on a silicon wafer, electrodes are formed on each
Next, a TiN layer (thickness: 200 nm) as the
[0049]
Next, a photosensitive resist layer having a thickness of 20 μm is applied and formed on the metal
[0050]
Next, after forming a photosensitive resist layer having a film thickness of 1 μm by spin coating, the metal
Next, after obtaining FIG. 2 (f), a photosensitive polyimide (manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name “Pimel”) is collectively applied to the surface side on which the
[0051]
Next, a cooling
Next, dicing was performed at the boundaries between the
[0052]
Next, a sealing
Next, the
The
That is, first, a hollow thermoplastic polyimide tube having an inner diameter of 0.15 mm and a wall thickness of 50 μm was purchased in a long shape. Next, metallic chromium and copper were sequentially laminated on the tube surface (outer surface). Metal chromium and copper are used as the
Next, after the eutectic solder was formed, each of the long thermoplastic polyimide tubes was cut to a length of about 0.3 mm to obtain the
[0053]
Next, as shown in FIG. 3D, after the
[0054]
After mounting the semiconductor device (CSP1) obtained in the above embodiment on a printed circuit board, a thermal cycle test (−45 ° C. to + 125 ° C.) was performed on the printed circuit board. There were no defects such as cracks or internal disconnection.
[0055]
Although one embodiment of the present invention has been described above, the embodiment of the present invention is not limited to the above-described drawings and description, and various modifications may be made based on the spirit of the present invention. Needless to say.
[0056]
For example, the manufacturing conditions such as the material to be used and the thickness of the film to be formed may be appropriately set according to the specifications of the semiconductor device.
Further, as the external connection terminal having a stress relaxation function, a high melting point solder having a high Pb content or a solder ball having a multilayer structure with a ductile metal such as Cu may be used.
[0057]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is not necessary to use an expensive metal mold for resin sealing. By using the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the cost required for manufacturing the semiconductor device can be reduced. Can be reduced.
[0058]
Further, since the sealing resin can protect the outer periphery of the semiconductor element except for the upper surface of the metal post, it is excellent in airtightness and moisture resistance, and package cracks due to moisture absorption are less likely to occur. Furthermore, by providing the external connection terminal with a stress relaxation function, the stress (stress) caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor device and the mounting substrate can be relaxed by the external connection terminal having the stress relaxation function. It is possible to prevent defects such as cracks and disconnections from occurring in the apparatus.
Further, by providing the cooling heat sink material on the back surface of the semiconductor element, a semiconductor device having excellent heat dissipation can be obtained.
[0059]
As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a highly reliable semiconductor device (CSP) can be manufactured at low cost.
[0060]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view schematically showing an example of a semiconductor device obtained by a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIGS. 2A to 2F are cross-sectional explanatory views showing an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps.
FIGS. 3A to 3E are cross-sectional explanatory views showing an embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention in the order of steps. FIGS.
4A to 4D are cross-sectional explanatory views showing an example of a conventional method of manufacturing a semiconductor device in the order of steps.
FIGS. 5A to 5E are cross-sectional explanatory views showing an example of a conventional method of manufacturing a semiconductor device in the order of steps. FIGS.
6A to 6B are cross-sectional explanatory views showing an example of a conventional method of manufacturing a semiconductor device in the order of steps.
FIG. 7 is a cross-sectional explanatory view schematically showing an example of a semiconductor device obtained by a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 8 is an explanatory side view showing an example of an external connection terminal according to the present invention.
FIG. 9 is an explanatory cross-sectional view showing an example of an external connection terminal according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,70 CSP
2,72 Semiconductor element
3, 73 electrodes
4, 74 Passivation film
5, 75 First insulation layer
6, 76 Barrier layer
7, 77 Wiring layer
8, 78 Second insulation layer
9, 79 Metal post
10, 80 Sealing resin
11, 81 Terminal for external connection
12, 82 Heat sink material
15 Holder
16 Conductive material
17, 87 Metal thin film layer
27 Adhesive layer
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