JP2012256727A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 厚い絶縁樹脂層のウェハレベルＣＳＰで、第１電極(チップパッド)と外部電極(バンプ)との接続不良が発生しにくい半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】 次の各工程を含む半導体装置の製造方法、(１)絶縁樹脂層を半導体ウェハの上に形成し、(２)開口径が(D１)となるよう絶縁樹脂層の一部を除去し半導体ウェハ上の第１電極を露出し、(３)フィルム状レジストを半導体ウェハの全面に、第１電極とレジストとの間が中空構造となるよう貼付け、(４)レジストをパターニングし、再配線層を絶縁樹脂層の上に形成し、レジストパターンを除去し、めっきした部分以外のシード層を除去し、(５)再配線層の上に再配線保護層を形成し、(６)再配線保護層の開口径(D２)が、D２>D１となるように再配線保護層の一部を除去して第１電極と、第２電極を露出し、(７)第１電極及び第２電極の上にめっき層を形成し、(８)めっき層を溶融して外部電極を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ウェハレベルＣＳＰと称される半導体装置の製造方法に関する。

従来のウェハレベルＣＳＰには、応力を緩和する機能を有したものがある。ここで、ウェハレベルＣＳＰとは、ウェハ上で絶縁膜、再配線および端子などを形成した後、ダイシングすることによって個々の半導体装置が得られるＣＳＰ（チップサイズパッケージ）の総称である。個々に分割されたウェハレベルＣＳＰは、基板の上に直接、実装される。そのため、ウェハレベルＣＳＰの端子に熱応力が集中し易い。これは、ウェハと基板の線熱膨張係数がそれぞれ異なるためである。特に半導体装置のサイズが大きくなると、端子に大きな熱応力が発生し易い。そこで、ウェハと端子の間に応力緩和層を形成する方法が考案され、本発明者らは、外部電極の配置自由度が高い半導体装置の製造方法を提供した（参考文献１、２）。これによって、ウェハと基板との線熱膨張係数の差によって生じる熱応力を応力緩和層で吸収することができる。

特許第３９４７０４３号公報 特願２０１０−０９８７２９号

応力緩和層を設ける場合、図１８に示すように、チップ電極と外部電極を接続するための再配線を傾斜部５２にも形成する必要がある。そのため，外部電極の配置に制約が生じる問題があった。応力緩和層の傾斜部に外部電極を配置できないからである。また、傾斜部の傾斜角αを大きくすると、傾斜部に再配線を形成することが困難になる。

また、本発明者らが提案した特許文献２に示す工程で製造されるウェハレベルＣＳＰでは、図１９に示すように、半導体ウェハ１０の絶縁樹脂層２０の上に再配線層を形成するために、レジスト４２を形成する。絶縁樹脂層２０の膜厚が厚くなる（≧２０μｍ）と、レジスト４２をパターニングする際、絶縁樹脂層２０の開口部に埋め込まれたレジストを完全に除去できずレジスト４２ａが残存する場合がある。開口部にレジスト４２ａが残存すると、開口部に再配線を形成できず、半導体ウェハの第１電極（チップパッド）と外部電極（バンプ）との間で接続不良が発生する問題がある。

本発明は、膜厚の厚い絶縁樹脂層を有するウェハレベルＣＳＰにおいて、半導体ウェハの第１電極（チップパッド）と外部電極（バンプ）との接続不良が発生しにくい半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題は、下記の手段を講じることで解決できる。
すなわち、次の各工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
（１）絶縁樹脂層を第１電極（チップパッド）が形成された半導体ウェハの上に形成し、
（２）前記絶縁樹脂層の開口径が（Ｄ１）となるように前記絶縁樹脂層の一部を除去して前記半導体ウェハ上の第１電極を露出し、絶縁樹脂層の上にめっき用のシード層を形成し、
（３）フィルム状レジストを前記半導体ウェハの全面に、前記第１電極と前記フィルム状レジストとの間が中空構造となるように貼付け、
（４）外部電極と前記第１電極を接続するための再配線層を形成するためフィルム状レジストをパターニングし、再配線層を前記絶縁樹脂層の上に形成し、フィルム状レジストパターンを除去し、めっきした部分以外のシード層を除去し、
（５）前記再配線層の上に再配線保護層を形成し、
（６）前記再配線保護層の開口径（Ｄ２）が、Ｄ２＞Ｄ１となるように前記再配線保護層の一部を除去して前記第１電極を露出し、
（７）前記（６）の工程で、前記再配線層に前記外部電極を形成するための第２電極を露出し、
（８）前記第１電極及び前記第２電極の上にめっき層を形成し、
（９）前記めっき層を溶融することによって前記外部電極を形成する。
また、本発明は、フィルム状レジストの厚さを再配線層の厚さよりも厚くする上記の半導体装置の製造方法に関する。
また、本発明は、再配線保護層の開口部に、再配線層の一部を露出させ平坦域を形成する上記の半導体装置の製造方法に関する。

本発明では、絶縁樹脂層に傾斜部を設けることなく、チップパッドと外部電極を接続することができる。そのため、外部電極の配置の自由度が増す。これによって、外部電極数の増加に対応可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。また、絶縁樹脂層の一部を開口してチップパッドを露出させる際、開口部のアスペクトが高くても確実に導通を確保できる。そのため、歩留りが高い半導体装置の製造方法を提供することができる。さらに、膜厚の厚い絶縁樹脂層を有するウェハレベルＣＳＰにおいて、第１電極（チップパッド）と外部電極（バンプ）との接続不良が発生しにくい製造方法を提供することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法において、半導体ウェハ１０の部分断面図を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、半導体ウェハ１０の上に絶縁樹脂層２０を形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、絶縁樹脂層の一部を開口して、第１電極（チップパッド）を露出した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、絶縁樹脂層の上にめっき用のシード層１２を形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、シード層の上にめっき用のフィルム状レジストを貼り付け、第１電極とフィルム状レジストとの間が中空構造となるように貼付けた構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、シード層の上にめっき用のレジストパターンを形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、シード層の上にめっきした後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、めっき用のレジストを除去した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、めっきした部分以外のシード層を除去した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、再配線層の上に再配線保護層を形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、再配線保護層の一部を開口して、第１電極（チップパッド３０）及び第２電極（バンプパッド３３）を露出した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、再配線保護層の上にバリア層を形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、バリア層の上にめっき用のレジストを形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１電極（チップパッ３０）ド及び第２電極（バンプパッド３３）の上にめっき層を形成した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において，めっき用のレジストを除去した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、めっきした部分以外のバリア層を除去した後の構造を示す。 本発明に係る半導体装置の製造方法において、めっき層を溶融してバンプを形成した後の構造を示す。 従来の半導体装置において、絶縁樹脂層の傾斜部周辺の断面図を示す。 従来の半導体装置において、開口部にレジスト残渣が生じたときの断面図を示す。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１〜図１７は、本発明によるウェハレベルＣＳＰの製造方法である。特に図１７は、ウェハレベルＣＳＰの部分断面図である。

図１に、前工程が完了した半導体ウェハ１０の部分断面図を示す。半導体ウェハ１０には半導体集積回路（図示せず）があらかじめ形成されている。チップパッド３０は、半導体集積回路を外部と電気的に接続するための第１電極である。このチップパッド３０（第１電極）は、半導体ウェハ１０の上に複数個形成されている。パッシベーション層１１は、半導体集積回路を保護するための膜で、半導体ウェハ１０の全面に形成されている。チップパッド３０を介して外部と電気的接続を行うために、パッシベーション層の一部が開口されている。パッシベーション層１１は、ＳｉＮなどの無機膜で成膜されるが、これに限るものではない。例えば、ポリイミド樹脂やポリベンゾオキサゾール樹脂のような有機膜でもよい。また、無機膜の上に有機膜を形成した構造であってもよい。

図２に、半導体ウェハ１０の上に絶縁樹脂層２０を形成した後の構造を示す。絶縁樹脂層２０としては、感光性のポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂などが望ましい。スピンコーティング法、ラミネート法、ディスペンス法などによって半導体ウェハ１０の全面に塗布・乾燥して絶縁樹脂層２０を形成する。このようにして形成された絶縁樹脂層２０の厚さは２μｍ〜２００μｍであり、２０μｍ以上であると好ましい。この絶縁樹脂層２０が、ウェハレベルＣＳＰに加わる熱・機械的応力からウェハレベルＣＳＰを保護する。応力を緩和するためには、絶縁樹脂層２０が低弾性率であることが好ましい。

図３に、絶縁樹脂層２０の一部を開口して、チップパッド３０（第１電極）を露出した後の構造を示す。フォトリソグラフィ技術によって絶縁樹脂層２０をパターニングして，チップパッド３０の上に開口部３１を設ける。また，絶縁樹脂層２０のパターニングにはレーザ穴あけなどの方法を用いても良い。

図４に、絶縁樹脂層２０の上にめっき用のシード層１２を形成した後の構造を示す。蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法、無電解めっき法などによってシード層１２を形成する。シード層１２は、絶縁樹脂層２０と再配線層１３との密着性を確保するために密着層となる下層と、再配線層１３を形成するときに給電層となる上層とから構成されると好ましい。密着層としては、例えば、クロム、チタン、チタン−タングステン合金などの金属が用いられ、その厚さは１０〜３０００ｎｍ程度である。給電層としては、例えば、銅、クロム、チタン、チタン−タングステン合金などの金属が用いられ、その厚さは１００〜３０００ｎｍ程度である

図５にシード層１２の上にめっき用のフィルム状レジスト４０を貼り付けた後の構造を示す。このとき、第１電極（チップパッド３０）とフィルム状レジスト４０との間に中空構造が形成されるように、テント状にフィルム状レジスト４０を貼り付ける。

図６に、シード層１２の上にめっき用のフィルム状レジスト４０をパターン形成した後の構造を示す。フォトリソグラフィ技術によってフィルム状レジスト４０をパターニングする。このフィルム状レジスト４０の厚さを、次の工程で成長させるめっき（再配線層１３）の厚さよりも厚くすることが好ましい。

図７に、シード層１２の上に再配線層１３をめっきした後の構造を示す。めっきの方法としては、電解めっき及び無電解めっきの両方式を利用することができる。めっき金属としては銅、銅合金などが用いられる。再配線層１３の厚さは１μｍ〜１０μｍ程度である。

図８に、めっき用のフィルム状レジスト４０を除去した後の構造を示す。レジスト４０を溶解することができるはく離液でフィルム状レジスト４０を除去する。

図９に、めっきした部分以外のシード層１２を除去した後の構造を示す。不要な領域のシード層１２を除去するためには、エッチング液を用いる方法以外に、プラズマを用いる方法も利用できる。

図１０に、再配線層１３の上に再配線保護層２１を形成した後の構造を示す。再配線保護層２１としては、感光性のポリイミド樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂、エポキシ樹脂などが望ましい。スピンコーティング法、ラミネート法、ディスペンス法などによって半導体ウェハ１０の全面に塗布・乾燥して再配線保護層２１を形成する。このようにして形成された再配線保護層２１の厚さは２μｍ〜２０μｍである。

図１１に、再配線保護層２１の一部を開口して、第１電極（チップパッド３０）及び第２電極（バンプパッド３３）を露出した後の構造を示す。フォトリソグラフィ技術によって再配線保護層２１をパターニングして、第１電極（チップパッド３０）及び第２電極（バンプパッド３３）の上に開口部を設ける。第１電極（チップパッド３０）の上の再配線保護層２１の開口部３２の開口径Ｄ２は、第１電極（チップパッド３０）の上の絶縁樹脂層２０の開口部３１の開口径Ｄ１よりも大きい（Ｄ２＞Ｄ１）。すなわち、再配線保護層２１の開口部３２に、再配線層１３の一部が露出して、平坦域５１ができることが好ましい。
尚、絶縁樹脂層２０の開口部３１の開口径Ｄ１は、好ましくは１０〜２５０μｍであり、再配線保護層２１の開口部３２の開口径Ｄ２は、好ましくは１５〜３００μｍである。

図１２に、再配線保護層２１の上にバリア層１４を形成した後の構造を示す。蒸着法、スパッタリング法、化学気相成長法、無電解めっき法などによってバリア層１４を形成する。バリア層１４は、再配線層１３とバンプ１７との拡散を防ぐとともに、再配線層１３とバンプ１７との密着を強化する。また、バリア層１４は、再配線層１３と電極１８との拡散を防ぐとともに、再配線層１３と電極１８との密着を強化する。バリア層１４としては、例えば、チタン−銅、チタン−タングステン合金、クロム−銅などの金属が用いられる。バリア層１４の厚さは０．１μｍ〜１μｍ程度である。

図１３に、バリア層１４の上にめっき用レジスト４１を形成した後の構造を示す。フォトリソグラフィ技術によってレジスト４１をパターニングする。再配線保護層２１の開口部３２と、第２電極（バンプパッド３３）が露出するように、めっき用レジスト４１の一部を開口する。

図１４に、第１電極（チップパッド３０）及び第２電極（バンプパッド３３）の上に、それぞれ、めっき層１６及びめっき層１５を形成した後の構造を示す。めっき法によってめっき用レジスト４１が被覆されていない領域に、第１電極と電気的に接続しためっき層１６の電極１８、及び第２電極と電気的に接続しためっき層１５バンプ１７となるための金属、好ましくははんだ合金がめっきされる。

再配線保護層２１の開口部３２に平坦部５１があることによって、再配線１３と第１電極（チップパッド３０）の電気的接続が確実なものとなる。絶縁樹脂層２０の開口部３１の壁面５０に、シード層１２あるいは再配線層１３が十分に形成されない場合でも、平坦部５１を設けることで、電気的接続を確実に取れる特徴がある。開口部３２に形成されためっき層１６（あるいは電極１８）と平坦部５１を介して、第１電極（チップパッド３０）と再配線層１３とが電気的に接続されるからである。シード層１２あるいは再配線層１３が壁面５０に十分に形成されない場合としては、開口部３１のアスペクト比が高い場合に、シード層１２をスパッタ形成する工程において、スパッタ粒子が開口部３１の奥まで入り込まない可能性などが挙げられる。

図１５に、めっき用レジスト４１を除去した後の構造を示す。レジスト４１を溶解することができるはく離液でレジスト４１を除去する。

図１６に、めっきした部分以外のバリア層１４を除去した後の構造を示す。不要な領域のバリア層１４を除去するためには、エッチング液を用いる方法以外に、プラズマを用いる方法も利用できる。

図１７に、めっき層１５及びめっき層１６を溶融して、それぞれ、バンプ１７（外部電極）及び電極１８を形成した後の構造を示す。リフロー法によってめっき金属を溶融することで、溶融金属の表面張力によってボール形状のバンプができる。

最後に、図１〜図１７に図示した工程を経た半導体ウェハ１０を、切断することによってウェハレベルＣＳＰが製造される。

以下、本発明の好適な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。
（実施例１）
電子回路が形成された直径８インチ、厚さ６００μｍの半導体ウェハ表面に加熱乾燥後の厚さが５０μｍになるようにスクリーン印刷機（ニューロング精密工業株式会社製、アライメント装置付きＬＳ−３４ＧＸ）、メタルマスク（メッシュ工業株式会社製、厚み１００μｍ）を用いてポリイミド系耐熱性ペースト（日立化成工業株式会社製、ＧＨ−Ｐ５００、樹脂分濃度３０質量％）を印刷した。印刷位置は、半導体装置の外形と同等であり、ダイシングエリアを除く範囲である。これを、８０℃で５分間、１００℃で１０分間、１５０℃で１０分間、２００℃で１５分間、さらに２５０で６０分間加熱処理して厚み５０μｍの絶縁樹脂層２０を得た。

絶縁樹脂層２０の所望の位置に炭酸ガスレーザによりチップパッド３０（第１電極）が露出する状態まで、５０μｍ径（開口径；Ｄ１）の開口部を形成した。
絶縁樹脂層の上面にスパッタ装置を用いてシード層としてＴｉおよびＣｕのスパッタ金属膜をそれぞれ厚み０．１μｍ形成し、スパッタ金属膜表面に厚み１０μｍのめっきレジストフィルム（感光性フィルムＲＤ−１０１０、日立化成工業株式会社）をラミネートし、第１電極３０と前記フィルム状レジストとの間が中空構造となるように貼付け、Ｃｕめっき配線を形成したい部分を露光・現像処理にてめっきレジスト層を形成し、スパッタ金属膜が露出した部分に電解めっきでＣｕ配線を形成し、Ｃｕ配線が５μｍに達した後めっきレジストを剥離し、さらにスパッタ金属膜が露出している部分を除去して再配線層１３を形成した。

再配線層１３が形成された絶縁樹脂層表面に、前記ポリイミド系耐熱性ペーストを、加熱乾燥後の厚さが１０μｍになるようにスクリーン印刷機（ニューロング精密工業株式会社製、アライメント装置付きＬＳ−３４ＧＸ）、メタルマスク（メッシュ工業株式会社製、厚み４０μｍ）を用いて印刷した。印刷位置は、半導体装置の外形と同等であり、ダイシングエリアを除く範囲である。これを、８０℃で５分間、１００℃で１０分間、１５０℃で１０分間、２００℃で１５分間、さらに２５０で６０分間加熱処理して再配線層１３の再配線保護層２１を得た。

再配線保護層の所望の位置に炭酸ガスレーザによりチップパッド（第１電極）が露出する状態まで、１００μｍ径（開口径；Ｄ２）の開口部を形成し、約２５μｍの平坦域を形成した。また、再配線保護層の所望の位置に炭酸ガスレーザにより再配線層１３が露出する状態まで、３００μｍ径で加工して、外部電極を形成するための第２電極を得た。

めっき法によって、第１電極及び第２電極に、はんだ合金めっき層を形成した。さらに、リフロー条件２６０℃１分で、はんだ合金めっき層を溶融して、それぞれ、ボール形状のはんだバンプ（外部電極）及び電極を形成した。半導体ウェハをダイシングエリアで切断して、個別の半導体装置を作製した。
スパッタ金属膜表面に厚み２０μｍのめっきレジスト（ポジ型、ＰＭＥＲ Ｐ−ＬＡ９００ＰＭ、東京応化工業株式会社製）を塗布し、絶縁樹脂層に形成した開口部を埋めるように形成し、Ｃｕめっき配線を形成したい部分を露光・現像処理にてめっきレジスト層を形成し、スパッタ金属膜が露出した部分に電解めっきでＣｕ配線を形成した場合、現像処理の際に開口部に埋め込まれたレジストを完全に除去できずレジストが残存する場合が、ウェハ１枚あたりの開口部数の０．０６％あったが、本発明の製造方法では０．００％に改善され、歩留まりが向上した。

本発明は、半導体装置の製造方法について広く適用可能である。

１０ 半導体ウェハ
１１ パッシベーション層
１２ シード層
１３ 再配線層
１４ バリア層
１５ めっき層
１６ めっき層
１７ バンプ
１８ 電極
２０ 絶縁樹脂層
２１ 再配線保護層
３０ 第１電極（チップパッド）
３１ 開口部
３２ 再配線保護層の開口部
３３ 第２電極（バンプパッド）
４０ フィルム状レジスト
４１ めっき用レジスト
４２ レジスト
４２ａ レジスト残渣
５０ 壁面
５１ 平坦域

Claims (3)

1. 次の各工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法、
   （１）絶縁樹脂層を第１電極が形成された半導体ウェハの上に形成し、
   （２）前記絶縁樹脂層の開口径が（Ｄ１）となるように前記絶縁樹脂層の一部を除去して前記半導体ウェハ上の第１電極を露出し、絶縁樹脂層の上にめっき用のシード層を形成し、
   （３）フィルム状レジストを前記半導体ウェハの全面に、前記第１電極と前記フィルム状レジストとの間が中空構造となるように貼付け、
   （４）外部電極と前記第１電極を接続するための再配線層を形成するためフィルム状レジストをパターニングし、再配線層を前記絶縁樹脂層の上に形成し、フィルム状レジストパターンを除去し、めっきした部分以外のシード層を除去し、
   （５）前記再配線層の上に再配線保護層を形成し、
   （６）前記再配線保護層の開口径（Ｄ２）が、Ｄ２＞Ｄ１となるように前記再配線保護層の一部を除去して前記第１電極を露出し、
   （７）前記（６）の工程で、前記再配線層に前記外部電極を形成するための第２電極を露出し、
   （８）前記第１電極及び前記第２電極の上にめっき層を形成し、
   （９）前記めっき層を溶融することによって前記外部電極を形成する。
2. フィルム状レジストの厚さを再配線層の厚さよりも厚くする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 再配線保護層の開口部に、再配線層の一部を露出させ平坦域を形成する請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。

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