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JP4003780B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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JP4003780B2 JP2005100737A JP2005100737A JP4003780B2 JP 4003780 B2 JP4003780 B2 JP 4003780B2 JP 2005100737 A JP2005100737 A JP 2005100737A JP 2005100737 A JP2005100737 A JP 2005100737A JP 4003780 B2 JP4003780 B2 JP 4003780B2
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sealing
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Description

この発明は、柱状電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
従来の半導体装置には、塵埃、湿気、機械的破損等の環境に対する保護効果を増大するために、上面に集積回路及び該集積回路に接続された複数の接続パッドを有する半導体基板の下面を第１の封止膜で覆い、半導体基板の上面及び周側面を第２の封止膜で覆い、第２の封止膜の上面に配線を接続パッドに接続させて設け、配線の接続パッド部上に柱状電極を設け、柱状電極の周囲を第３の封止膜で覆ったものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、第１〜第３の封止膜は、エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等の有機材料によって形成されている。
特開２００１−３３２６４３号公報
ところで、上記従来の半導体装置では、半導体基板の上面及び周側面を覆う第２の封止膜の上面に配線を設け、配線の接続パッド部上に設けられた柱状電極の周囲を第３の封止膜で覆っているので、配線が第２、第３の封止膜と接触し、柱状電極が第３の封止膜と接触することになる。一方、第２、第３の封止膜の材料であるエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等の有機材料は、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの不純物を含むため、不純物濃度が高いと、配線や柱状電極の腐食あるいはそれらの間でのショートを引き起こす原因となる。このような不具合を防止するには、第２、第３の封止膜の材料であるエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等の有機材料中のＮａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度を１０ｐｐｍ以下とかなり低くする必要があり、封止材料費が高くなってしまう。
そこで、この発明は、封止材料費を低減することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
この発明は、柱状電極の周囲における半導体基板上を、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度が１０ｐｐｍ以下の第１の封止材料からなる第１の封止膜で覆い、半導体基板及び第１の封止膜の周側面を、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの合計不純物濃度が１００ｐｐｍ以上の第２の封止材料からなる第２の封止膜で覆うことを特徴とするものである。
この発明によれば、柱状電極の周囲における半導体基板上を、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度が１０ｐｐｍ以下の比較的高価な第１の封止材料からなる第１の封止膜で覆い、半導体基板及び第１の封止膜の周側面を、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの合計不純物濃度が１００ｐｐｍ以上の比較的安価な第２の封止材料からなる第２の封止膜で覆っているので、比較的高価な第１の封止材料のみを用いる場合と比較して、比較的安価な第２の封止材料を用いる分だけ、封止材料費を低減することができる。
図１はこの発明の一実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は、一般的にはＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるものであり、シリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、上面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド２が集積回路に接続されて設けられている。
接続パッド２の中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコンや窒化シリコン等からなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２の中央部は絶縁膜３に設けられた開口部４を介して露出されている。絶縁膜３の上面にはエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる保護膜（絶縁膜）５が設けられている。この場合、絶縁膜３の開口部４に対応する部分における保護膜５には開口部６が設けられている。
保護膜５の上面には銅等からなる下地金属層７が設けられている。下地金属層７の上面全体には銅からなる配線８が設けられている。下地金属層７を含む配線８の一端部は、絶縁膜３及び保護膜５の開口部４、６を介して接続パッド２に接続されている。配線８の接続パッド部上面には高さ８０〜１５０μｍの銅からなる柱状電極９が設けられている。
配線８を含む保護膜５の上面には、後述する第１の封止材料からなる第１の封止膜１０がその上面が柱状電極９の上面と面一となるように設けられている。柱状電極９の上面には半田ボール１１が設けられている。シリコン基板１、絶縁膜３、保護膜５及び第１の封止膜１０の周側面とシリコン基板１の下面には、後述する第２の封止材料からなる第２の封止膜１２が設けられている。
次に、第１、第２の封止膜１０、１２の材料について説明する。第１、第２の封止膜１０、１２の材料は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、ゴム系樹脂、ビスマレイミド系樹脂等の有機材料のいずれであってもよいが、第１、第２の封止膜１０、１２にそれぞれ要求される特性がやや異なるため、それに適した材料であることが望ましい。
すなわち、第１の封止膜１０は、塵埃、湿気、機械的破損等の環境に対する保護効果を増大するためのものであるが、配線８及び柱状電極９の腐食あるいはそれらの間でのショートが発生しないようにする必要がある。このため、第１の封止膜１０を形成するための第１の封止材料としては、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度を１０ｐｐｍ以下とかなり低くした比較的高価なものを用いる。また、半導体装置の製造において、半導体層や接続パッド２を含む導電層と共にクリーンルーム内で形成される絶縁膜３および保護膜５中のＮａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度は、１０ｐｐｍ以下である。
一方、第２の封止膜１２は、特に機械的破損に対する保護効果を増大するためのものであるが、下地金属層７を含む配線８及び柱状電極９の腐食あるいはそれらの間でのショートが発生しないようにする必要性はあまりない。このため、第２の封止膜１２を形成するための第２の封止材料としては、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの合計不純物濃度が多少高くてもよく、この合計不純物濃度を１００ｐｐｍ以上とある程度高くした比較的安価なものを用いる。
また、第１、第２の封止膜１０、１２とシリコン基板１との間の熱膨張係数差に起因する応力を緩和するために、第１、第２の封止材料中にシリカフィラー等を混入することが一般的に行なわれているが、この場合も、第１、第２の封止膜１０、１２にそれぞれ要求される特性がやや異なるため、それに適した混入量であることが望ましい。
すなわち、第１の封止膜１０は、配線８及び柱状電極９を含むシリコン基板１上を覆うものであるため、高い信頼性が要求され、シリコン基板１との熱膨張係数差が小さい方が望ましい。このため、第１の封止膜１０を形成するための第１の封止材料としては、シリカフィラー等の混入量を比較的多くして熱膨張係数をシリコン基板１の熱膨張係数（３．５ｐｐｍ／℃）に近づけ、熱膨張係数２０ｐｐｍ／℃未満としたものを用いる。
一方、第２の封止膜１２は、シリコン基板１、絶縁膜３、保護膜５及び第１の封止膜１０の周側面とシリコン基板１の下面を覆うものであるため、第１の封止膜１０ほどの高い信頼性を必要とせず、シリカフィラー等の混入により硬くなりすぎてクラックが発生しやすくなるのを避けるために、第１の封止膜１０よりもある程度軟らかいものの方が望ましい。このため、第２の封止膜１２を形成するための第２の封止材料としては、シリカフィラー等の混入量を比較的少なくし、熱膨張係数２０ｐｐｍ／℃以上としたものを用いる。
以上の結果、第１の封止膜１０は、イオン不純物濃度１０ｐｐｍ以下で熱膨張係数２０ｐｐｍ／℃未満の比較的高価な第１の封止材料によって形成されている。第２の封止膜１２は、イオン不純物濃度１００ｐｐｍ以上で熱膨張係数２０ｐｐｍ／℃以上の比較的安価な第２の封止材料によって形成されている。したがって、比較的高価な第１の封止材料のみを用いる場合と比較して、比較的安価な第２の封止材料を用いる分だけ、封止材料費を低減することができる。
（製造方法の第１の例）
次に、図１に示す半導体装置の製造方法の第１の例について説明する。まず、図２に示すように、ウエハ状態のシリコン基板１上にアルミニウム系金属等からなる接続パッド２、酸化シリコンや窒化シリコン等からなる絶縁膜３及びエポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等からなる保護膜５が設けられ、接続パッド２の中央部が絶縁膜３及び保護膜５に形成された開口部４、６を介して露出されたものを用意する。
上記において、ウエハ状態のシリコン基板１には、各半導体装置が形成される領域に所定の機能の集積回路が形成され、接続パッド２は、それぞれ、対応する領域に形成された集積回路に電気的に接続されている。なお、図２において、符号２１で示す領域は第１のダイシングストリートに対応する領域であり、符号２２で示す領域は第２のダイシングストリートに対応する領域である。この場合、第２のダイシングストリート２２は、第１のダイシングストリート２１の幅方向中央部に対応する領域となっている。
次に、図３に示すように、絶縁膜３及び保護膜５の開口部４、６を介して露出された接続パッド２の上面を含む保護膜５の上面全体に下地金属層７を形成する。この場合、下地金属層７は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタにより形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタにより形成されたチタン等の薄膜層上にスパッタにより銅層を形成したものであってもよい。
次に、下地金属層７の上面にメッキレジスト膜２３をパターン形成する。この場合、配線８形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２３には開口部２４が形成されている。次に、下地金属層７をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜２３の開口部２４内の下地金属層７の上面に配線８を形成する。次に、メッキレジスト膜２３を剥離する。
次に、図４に示すように、配線８を含む下地金属層７の上面にメッキレジスト膜２５をパターン形成する。この場合、柱状電極９形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２５には開口部２６が形成されている。次に、下地金属層７をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜２５の開口部２６内の配線８の接続パッド部上面に柱状電極９を形成する。次に、メッキレジスト膜２５を剥離し、次いで、配線８をマスクとして下地金属層７の不要な部分をエッチングして除去すると、図５に示すように、配線８下にのみ下地金属層７が残存される。
次に、図６に示すように、スクリーン印刷法、スピンコート法、ダイコート法等により、柱状電極９及び配線８を含む保護膜５の上面全体に第１の封止材料からなる第１の封止膜１０をその厚さが柱状電極９の高さよりも厚くなるように形成する。したがって、この状態では、柱状電極９の上面は第１の封止膜１０によって覆われている。
次に、第１の封止膜１０及び柱状電極９の上面側を適宜に研磨し、図７に示すように、柱状電極９の上面を露出させ、且つ、この露出された柱状電極９の上面を含む第１の封止膜１０の上面を平坦化する。ここで、柱状電極９の上面側を適宜に研磨するのは、電解メッキにより形成される柱状電極９の高さにばらつきがあるため、このばらつきを解消して、柱状電極９の高さを均一にするためである。
次に、図７に示すものの上下を反転し、図８に示すように、柱状電極９の下面を含む第１の封止膜１０の下面を第１のダイシングフィルム２７の上面に貼り付ける。次に、図９に示すように、第１のダイシングストリート２１に沿って、ダイシング法やレーザーカット法等により、シリコン基板１、絶縁膜３、保護膜５及び第１の封止膜１０をフルカットする。この場合、第１のダイシングフィルム２７の厚さ方向中間までカットする。すると、ウエハ状態のシリコン基板１は個々のチップに分離されるが、各チップが第１のダイシングフィルム２７に貼り付けられているので、第１のダイシングフィルム２７の上面を含む各チップ間つまり第１のダイシングストリート２１に対応する領域には溝２８が形成されている。
次に、図１０に示すように、スクリーン印刷法、スピンコート法、ダイコート法等により、溝２８内を含むシリコン基板１の上面全体に第２の封止材料からなる第２の封止膜１２をその上面が平坦となるように形成する。この状態では、シリコン基板１、絶縁膜３、保護膜５及び第１の封止膜１０の周側面は、溝２８内に形成された第２の封止膜１２によって覆われている。また、シリコン基板１は個々のチップに分離されているので、シリコン基板１が反りにくいようにすることができる。なお、第１のダイシングフィルム２７をその周囲方向に引っ張って拡張し、これにより溝２８の幅を広げ、この状態で溝２８内に第２の封止材料を塗布すると、溝２８内に第２の封止材料を充填しやすくすることができる。
次に、図１０に示すものの上下を反転し、次いで、第１のダイシングフィルム２７を剥離すると、図１１に示すようになる。この状態では、各チップ間及び各シリコン基板１の下面に第２の封止膜１２が形成されているので、各チップは一体化されている。また、符号１２ａで示すように、図１０に示す第１のダイシングフィルム２７に形成された溝２８内に形成された第２の封止膜１２が第１の封止膜１０の上面から突出されている。次に、この突出部１２ａを研磨して除去すると、図１２に示すようになる。
次に、図１３に示すように、柱状電極９の上面に半田ボール１１を形成する。次に、第２の封止膜１２の下面を第２のダイシングフィルム２９の上面に貼り付ける。次に、図１４に示すように、第２のダイシングストリート２２に沿って、ダイシング法やレーザーカット法等により、溝２８内に形成された第２の封止膜１２の幅方向中央部をフルカットする。次に、第１、第２の封止膜１２等を含むシリコン基板１を第２のダイシングフィルム２９から剥離すると、図１に示す半導体装置が複数個得られる。
（製造方法の第２の例）
次に、図１に示す半導体装置の製造方法の第２の例について説明する。この場合、図１０に示す工程後に、図１５に示すように、第２のダイシングストリート２２に沿って、ダイシング法やレーザーカット法等により、溝２８内に形成された第２の封止膜１２の幅方向中央部をフルカットし、溝３１を形成する。この状態では、第２の封止膜１２等を含むシリコン基板１は溝３１により個々のチップに分離されるが、第１のダイシングフィルム２７に貼り付けられているので、ばらばらとなることはない。
次に、図１６に示すように、第２の封止膜１２の上面にサポートフィルム３２を貼り付ける。次に、図１６に示すものの上下を反転し、次いで、第１のダイシングフィルム２７を剥離すると、図１７に示すようになる。この状態では、符号１２ｂで示すように、図１５に示す第１のダイシングフィルム２７に形成された溝２８内に形成された第２の封止膜１２が第１の封止膜１０の上面から突出されている。次に、この突出部１２ｂを研磨して除去すると、図１８に示すようになる。
次に、図１９に示すように、柱状電極９の上面に半田ボール１１を形成する。この状態では、第１、第２の封止膜１０、１２等を含むシリコン基板１は、サポートフィルム３２に貼り付けられているが、溝３１により個々のチップに分離されている。そこで、次に、第１、第２の封止膜１０、１２等を含むシリコン基板１をサポートフィルム３２から剥離すると、図１に示す半導体装置が複数個得られる。
（製造方法の第３の例）
次に、図１に示す半導体装置の製造方法の第３の例について説明する。この場合、図７に示す工程後に、図２０に示すように、シリコン基板１の下面を第１のダイシングフィルム４１の上面に貼り付ける。次に、図２１に示すように、第１のダイシングストリート２１に沿って、ダイシング法やレーザーカット法等により、第１の封止膜１０、保護膜５、絶縁膜３及びシリコン基板１をフルカットする。この場合も、ダイシングフィルム４１の厚さ方向中間までカットする。すると、ウエハ状態のシリコン基板１は個々のチップに分離されるが、各チップが第１のダイシングフィルム４１に貼り付けられているので、第１のダイシングフィルム４１の上面を含む各チップ間つまり第１のダイシングストリート２１に対応する領域には溝４２が形成されている。
次に、図２２に示すように、柱状電極９の上面を含む第１の封止膜１０の上面に第２のダイシングフィルム４３を貼り付ける。次に、図２２に示すものの上下を反転し、次いで、第１のダイシングフィルム４１を剥離すると、図２３に示すようになる。次に、図２４に示すように、スクリーン印刷法、スピンコート法、ダイコート法等により、溝４２内を含むシリコン基板１の上面全体に第２の封止材料からなる第２の封止膜１２をその上面が平坦となるように形成する。
この状態では、シリコン基板１、絶縁膜３、保護膜５及び第１の封止膜１０の周側面は、溝４２内に形成された第２の封止膜１２によって覆われている。また、シリコン基板１は個々のチップに分離されているので、シリコン基板１が反りにくいようにすることができる。なお、第２のダイシングフィルム４３をその周囲方向に引っ張って拡張し、これにより溝４２の幅を広げ、この状態で溝４２内に第２の封止材料を塗布すると、溝４２内に第２の封止材料を充填しやすくすることができる。
次に、図２５に示すように、第２のダイシングストリート２２に沿って、ダイシング法やレーザーカット法等により、溝４２内に形成された第２の封止膜１２の幅方向中央部をフルカットする。次に、図２５に示すものの上下を反転し、次いで、図２６に示すように、第２の封止膜１２の下面をサポートフィルム４４の上面に貼り付ける。次に、ダイシングフィルム４３を剥離すると、図１８に示す場合と同じとなる。以下の工程は、上記製造方法の第２の例の場合と同じであるので、その説明を省略する。ところで、この製造方法の場合には、例えば、図１７に示すような突出部１２ｂが形成されないため、このような突出部１２ｂを除去するための研磨工程は不要となる。
この発明の一実施形態としての半導体装置の断面図。 図１に示す半導体装置の製造方法の第１の例において、当初用意したものの断面図。 図２に続く工程の断面図。 図３に続く工程の断面図。 図４に続く工程の断面図。 図５に続く工程の断面図。 図６に続く工程の断面図。 図７に続く工程の断面図。 図８に続く工程の断面図。 図９に続く工程の断面図。 図１０に続く工程の断面図。 図１１に続く工程の断面図。 図１２に続く工程の断面図。 図１３に続く工程の断面図。 図１に示す半導体装置の製造方法の第２の例において、所定の工程の断面図。 図１５に続く工程の断面図。 図１６に続く工程の断面図。 図１７に続く工程の断面図。 図１８に続く工程の断面図。 図１に示す半導体装置の製造方法の第３の例において、所定の工程の断面図。 図２０に続く工程の断面図。 図２１に続く工程の断面図。 図２２に続く工程の断面図。 図２３に続く工程の断面図。 図２４に続く工程の断面図。 図２５に続く工程の断面図。
符号の説明
１ シリコン基板
２ 接続パッド
３ 絶縁膜
５ 保護膜
７ 下地金属層
８ 配線
９ 柱状電極
１０ 第１の封止膜
１１ 半田ボール
１２ 第２の封止膜
２１、２２ ダイシングストリート
２７、２９ ダイシングフィルム

Claims (8)

  1. 上面に柱状電極が設けられた半導体基板と、前記柱状電極の周囲における前記半導体基板上に設けられ、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度が１０ｐｐｍ以下の第１の封止材料からなる第１の封止膜と、前記半導体基板及び前記第１の封止膜の周側面に設けられ、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの合計不純物濃度が１００ｐｐｍ以上の第２の封止材料からなる第２の封止膜とを備えていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項１に記載の発明において、前記第１の封止膜の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃未満であり、前記第２の封止膜の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１に記載の発明において、前記第２の封止膜は前記半導体基板の下面をも覆うように設けられていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１に記載の発明において、前記柱状電極上に半田ボールが設けられていることを特徴とする半導体装置。
  5. ウエハ状態の半導体基板上に柱状電極を形成する工程と、前記柱状電極の周囲における前記ウエハ状態の半導体基板上に、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの各不純物濃度が１０ｐｐｍ以下の第１の封止材料からなる第１の封止膜を形成する工程と、前記第１の封止膜を含む前記ウエハ状態の半導体基板を切断して各半導体基板に分離するための溝を形成する工程と、前記溝内を含む前記各半導体基板の下面に、Ｎａイオン、Ｋイオン、ＣａイオンおよびＣｌイオンの合計不純物濃度が１００ｐｐｍ以上の第２の封止材料からなる第２の封止膜を形成する工程と、前記溝内に形成された前記第２の封止膜をその幅方向中央部において切断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。
  6. 請求項５に記載の発明において、前記第１の封止膜を含む前記ウエハ状態の半導体基板を切断して各半導体基板に分離するための溝を形成する工程は、前記第１の封止膜の表面をフィルムに貼り付けた状態で前記ウエハ状態の半導体基板側から切断して行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 請求項５に記載の発明において、前記第１の封止膜を含む前記ウエハ状態の半導体基板を切断して各半導体基板に分離するための溝を形成する工程は、前記ウエハ状態の半導体基板の下面をフィルムに貼り付けた状態で前記第１の封止膜側から切断して行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 請求項７に記載の発明において、前記溝形成工程後であって前記第２の封止膜形成工程前に、前記第１の封止膜の表面に別のフィルムを貼り付けてから前記フィルムを剥離する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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