JP2014187337A - ウエハレベルパッケージ構造およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストの安いウエハレベルパッケージ製造方法を提供する。
【解決手段】基板の表面に、配線が形成される溝を含む絶縁性の第1の樹脂を形成する樹脂形成工程と、前記第1の樹脂の表面と前記溝に、前記配線の一部となる第1の金属膜を形成する第1の成膜工程と、前記第1の金属膜の表面に、前記配線の一部となる第2の金属膜を形成する第2の成膜工程と、前記第2の成膜工程の後に、前記第1の金属膜と前記第2の金属膜をエッチングするエッチング工程と、第1の樹脂の上面から下面の間の高さの範囲に切削刃を設置する設置工程と、前記切削刃を走査することにより、少なくとも前記第1の樹脂を切削する切削工程を含むことを特徴とするウエハレベルパッケージの製造方法。
【選択図】図23
【解決手段】基板の表面に、配線が形成される溝を含む絶縁性の第1の樹脂を形成する樹脂形成工程と、前記第1の樹脂の表面と前記溝に、前記配線の一部となる第1の金属膜を形成する第1の成膜工程と、前記第1の金属膜の表面に、前記配線の一部となる第2の金属膜を形成する第2の成膜工程と、前記第2の成膜工程の後に、前記第1の金属膜と前記第2の金属膜をエッチングするエッチング工程と、第1の樹脂の上面から下面の間の高さの範囲に切削刃を設置する設置工程と、前記切削刃を走査することにより、少なくとも前記第1の樹脂を切削する切削工程を含むことを特徴とするウエハレベルパッケージの製造方法。
【選択図】図23
Description
本発明はウエハレベルパッケージ構造およびその製造方法に関するものである。
近年、コンピュータや移動体通信機器など半導体チップを用いた回路システムに対しては、小型化の要求が非常に高まっている。このような要求を満たすため、半導体チップはそのチップサイズに近いチップサイズパッケージ(CSP)に実装されることがある。
CSPを実現する方法の一つとして、ウエハレベルパッケージ(WLP)と呼ばれるパッケージング方法が知られている(特許文献1,2参照)。WLPは、ダイシングにより個片化する前のシリコンウエハに対して外部端子電極などを形成する方法であり、ダイシングによる個片化は、WLPの後に行われる。WLPを用いれば、多数の半導体チップに対して外部端子電極などの形成を同時に行うことができるため、生産性を高めることができると期待されている。
しかしながら、WLPは、内部端子電極を有する基板を製造する前工程以後の工程であり、ボンディングワイヤを用いた一般的なパッケージング方法とは異なり、基板を含む最終製品に仕上げる後工程において一般的にフォトリソグラフィー工程(レジスト塗布、露光、現像、レジスト剥離)が含まれるため、製造コストが高いという問題があった。例えば、特許文献1の図9には、フォトリソグラフィー法によって配線層(12)をパターニングし、さらに、フォトリソグラフィー法によって絶縁層(21)をパターニングした後、外部端子電極(31)を形成する方法が記載されている。また、特許文献2の図3〜図4にも、フォトリソグラフィー法によって配線層(13)をパターニングし、さらに、フォトリソグラフィー法によって絶縁層(15)をパターニングした後、外部端子電極(16)を形成する方法が記載されている。
このような問題は半導体チップのWLPに限らず、微細な内部回路が形成された各種回路基板に外部端子電極を形成する他のケースにおいても生じる問題である。
このため、微細な内部回路が形成された回路基板、特にシリコンウエハにウエハレベルで外部端子電極を形成する、より安価な方法が求められている。
本発明にかかるウエハレベルパッケージ製造方法の代表的な構成は、基板の表面に、配線が形成される溝を含む絶縁性の第1の樹脂を形成する樹脂形成工程と、第1の樹脂の表面に、第1の金属配線層となる第1の金属膜を形成する第1の成膜工程と、第1の金属膜の表面に第2の金属膜を形成する第2の成膜工程と、前記第2の成膜工程の後に、前記第1の金属膜と前記第2の金属膜をエッチングするエッチング工程と、切削刃を設置する設置工程と、切削刃を走査することにより、少なくとも第1の樹脂を切削する切削工程と、を含む、ことを特徴とする。
なお、前記配線は、第1の金属膜と第2の金属膜で構成されている。
なお、前記配線は、第1の金属膜と第2の金属膜で構成されている。
上記の第1の樹脂は、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂またはユリア樹脂を主成分とするとよい。例えば、ダイヤモンド製のバイトなどの切削刃による切削は、切削時の局部発熱で塑性変形を起こさない熱硬化樹脂が望ましい。切削刃の切れ味を良くするためには、適度な弾性率を持ち、応力歪曲線における破断強度が比較的低い樹脂が良好と考えられるからである。例えば、応力に対する歪みは数%以下が好ましく、クレーズ(Craze)が生じにくい、切削刃の絡み付きの少ない材料とするべきだからである。上述の樹脂はいずれも、例えば弾性率が2〜4GPaを示す程度に固く伸びが少ないπ型環状基を含有している。
また、これらの樹脂は、固くて伸びが少ない特性を有することから、これらの樹脂が切削される際、一緒に切断される隣接する金属層との間に、隙間が生じにくい。そのため樹脂が歪むことにより配線を形成する金属層が歪むことが防止されるという顕著な効果を有する。
また、上記の第1の成膜工程は、物理気相成長法によって第1の金属膜を形成するのが好ましい。
さらに、上記の第2の成膜工程は、物理気相成長法によって第2の金属膜を形成するのが好ましい。
上記の基板は、回路及び回路へ信号を入出力する内部端子電極を含む半導体基板であり、溝に成膜された第1の金属配線層は、内部端子電極と、半導体基板のチップに相当する領域内にファンインとして設けられた外部端子電極と、を接続する配線層を形成してよい。
上記の基板は、回路及び回路へ信号を入出力する内部端子電極を含む半導体チップと、半導体チップの少なくとも側面を覆う絶縁性の第2の樹脂とを含み、溝に成膜された第1の金属配線層は、内部端子電極と、半導体チップの領域外の第2の樹脂にファンアウトとして設けられた外部端子電極と、を接続する配線層を形成してよい。
例えば、上記の基板は、ウエハをダイシングした複数のチップを第2の樹脂に再配列した、ファンアウトWLP用基板である。
本発明によれば、製造コストが安いウエハレベルパッケージの製造方法を提供可能である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態による回路基板(シリコンウエハを含む)の構造を示す模式的な断面図である。
図1に示すように、本実施形態によるシリコンウエハ10は、ウエハ本体である基板1と、基板1の表面に形成されたチップ取り出し電極(内部端子電極)2と、チップ取り出し電極2に電気的に接続された半田ボール(外部端子電極)9とを備えている。基板1は、その後個片化される複数の半導体チップからなる集合基板である。これら半導体チップに形成されている回路は互いに同一である。
基板1の表面は、チップ取り出し電極2が設けられた領域以外のほぼ全面が絶縁性のパッシベーション膜3で覆われている。特に限定されるものではないが、チップ取り出し電極2は例えばアルミニウム(Al)からなる。チップ取り出し電極2には、後述する配線層と接する表面にめっき(例えばNi+Au)があらかじめ施されていても構わない。尚、本明細書においては、「基板1」と言うときには、チップ取り出し電極2及びパッシベーション膜3を含むことがある。したがって、「基板1の表面」とは、チップ取り出し電極2の表面や、パッシベーション膜3の表面も指すことがある。
これら基板1、チップ取り出し電極2及びパッシベーション膜3からなる部分は、いわゆる前工程(拡散工程)にて作製される部分である。前工程においては、ステッパーなどを用いた極めて高精度なフォトリソグラフィー法によって、回路に関連する極微細な内部配線などが基板上に形成される。これら内部配線の端子となる部分がチップ取り出し電極2である。本実施形態によるシリコンウエハ10は、その表面にウエハレベルで加工を施すことにより、図1に示す配線層21,22及び半田ボール9などを形成するものである。尚、本発明において、外部端子電極は、半田ボール9には限られない。本願発明の特徴の一つである樹脂6は、第1の金属配線層21(第1の金属配線部)と金属配線層21(第1の金属配線に物理的に隣接する第2の金属配線部)との電気的な絶縁を確立する。
図2は、本発明により組立てられたパッケージの平面図である。図2においては、半田ボール9が形成された面を表面にして示している。
図3は、本発明により組立てられたパッケージの側面図である。図3においては、半田ボール9が形成された面を上面にして示している。
図1に示すように、基板1の表面には、チップ取り出し電極2とパッシベーション膜3が設けられている。上述の通り、パッシベーション膜3は、基板1の表面のうちチップ取り出し電極2が設けられた領域以外のほぼ全面を覆っている。取り出し電極2は、配線層21に接続されている。特に限定されるものではないが、配線層21の厚みとしては1μm〜25μm程度とすればよい。
なお、第1の金属配線層21は複数の金属膜が積層されている構造が好ましい。たとえは、図1の金属配線層21は、第1の金属膜21Aと第2の金属膜21Bの2つの金属膜が積層されている。
第1の金属配線層21の平面形状の一例は図4に示されており、特に限定されるものではないが、第1の金属配線層21の上面のうち、第2の金属配線層22によって覆われる部分22a以外は、全て保護絶縁膜11(図1)によって覆われている。本明細書においては、第1の金属配線層21,第2の金属配線層22の上面のうち、保護絶縁膜11によって覆われていない部分を「第1の部分」と呼び、保護絶縁膜11によって覆われた部分を「第2の部分」と呼ぶことがある。したがって、第1の金属配線層21は「第1の部分」を有していない。
さらに、図1に示すように、第1の金属配線層21の端部は、バリア金属配線7及び銅配線8が積層されてなる第2の金属配線層22に接続されている。特に限定されるものではないが、バリア金属配線7の厚みとしては0.3μm程度、銅配線8の厚みとしては10μm程度とすればよい。銅配線8は、アルミ配線であってもよい。第2の金属配線層22は、半田ボール9の下地となるポスト電極として機能する配線層であり、基板1の表面に対して垂直に設けられている。換言すれば、第1の金属配線層21のように基板1の表面に沿って延在する部分を有していない。
バリア金属配線7としては、Ti、Cr、Ta又はPdからなる単層膜、或いは、TiとNiの積層膜などを用いることができる。本発明においてバリア金属配線7を設けることは必須でない。
図1に示すように、基板1の表面のうち半田ボール9が形成される領域を除く全面は、保護絶縁膜11で覆われている。保護絶縁膜11の材料については特に限定されないが、電気的絶縁性無機物をPVD法で被膜したものや、液状の有機絶縁材料をキュアなどで固化した材料を用いることが好ましい。
かかる構造により、第1の金属配線層21の表面のうち、第2の金属配線層22によって覆われる部分以外は全て保護絶縁膜11によって覆われることになる。同様に、第2の金属配線層22の表面のうち、半田ボール9によって覆われる部分(第1の部分)以外は、全て保護絶縁膜11によって覆われることになる(第2の部分)。
次に、本実施形態によるウエハレベルパッケージの第1の実施形態の製造方法について説明する。
図5〜図16は、本実施形態によるウエハレベルパッケージの第1の実施形態の製造方法を説明するための工程図である。図5乃至図10は、図2における左側に示す複数のチップ取り出し電極2がY軸方向に展開されている場所の断面図に相当する。図11乃至図16は、図2における左側に示すいずれか一つのチップ取り出し電極2及び第1の金属配線層21並びに半田ボール(外部端子電極)9のX軸方向の断面図に相当する。
まず、前工程が完了した基板1を用意し、図5に示すように、その表面を絶縁性の優れた第1の樹脂6で覆う(樹脂塗布工程)。樹脂塗布膜の厚さはとくに限定するものではないが3μmから27μm程度がのぞましい。本願発明の特徴の一つである第1の樹脂6の材料については、後述する。
次に第1の金属配線層21(図1)を形成すべき領域の部分が図8に示す溝201となるように第1の樹脂6を除去する(溝形成工程)。第1の樹脂6の除去は、例えばフォトリソグラフィー法によって行われるため、溝幅(配線幅)は10μm以下の微細な加工が可能となる。工程としては図6に示すように、第1の樹脂6に溝を形成する部分を開口部203としたマスク200を第1の樹脂6の上方から被せ、図7に示すように開口部203を通して感光用の光202を照射し、溝201となる部分の第1の樹脂6を感光させた樹脂6aとする。
次にマスクを剥離し(リフトオフ工程)、キュアをかけた後、感光された樹脂6aを洗浄により除去する(現像工程)ことにより溝201を形成する(図8)。
なお、前記溝201を形成するフォトリソグラフィー工程はポジティブ法によって説明しているが、勿論ネガティブ法の工程であってもなんら問題はない。さらには溝201の形成法はエッチング法やレーザー加工法によって形成しても問題はない。
このようにして第1の金属配線層21を形成すべき領域の部分の溝201を形成し、次に図9(a)に示すように、物理気相成長によって第1の金属膜21Aを成膜する(第1の成膜工程)。次に、図9(b)に示すように、物理気相成長によって、第1の金属膜21Aの表面に第2の金属膜21Bを成膜し(第2の成膜工程)、第1の金属配線層21を形成する。
第1の配線層21を形成した後は、エッチング工程によって、第1の金属配線層21をエッチングする。
第1の金属配線層21は、物理気相成長による第1の成膜工程と第2の成膜工程の結果、第1の樹脂6の上面、第1の樹脂6の側面(第1の溝201の側面)、及び第1の樹脂6の溝201の底面に、第1の金属配線層21が形成されるが、物理気相成長の性質から、第1の樹脂6の側面に形成される第1の金属配線層21の厚さは、第1の樹脂6の上面と第1の樹脂の溝201の底面に形成される第1の金属配線層21に比較して薄くなる部分が存在する。(図9(b)参照)
上記の金属配線層21の厚さの違いから、金属配線層21全面をエッチングしていくと、第1の樹脂6の側面の一部が露出され、且つ第1の樹脂6の上面と第1の樹脂6の溝201の底面に形成される第1の金属配線層21が残存している第1の状態が存在する。前記第1の状態でエッチングを終了させる。前記エッチング工程の結果、図9(c)に示すように、金属配線層21は、第1の樹脂6の側面に、第1の樹脂6の露出部21Cが存在する状態となる。
第1の配線層21となる成膜を形成した後は、切削刃によって基板1の表面に対して平行に切削し、樹脂によって形成された溝201の内部にのみ第1の金属配線層21が残るよう、少なくとも第1の樹脂6上の第1の金属配線層21を除去する(研削工程)。これによって第1の金属配線層21が完成する(図10、図11参照)。なお、研削工程において第1の樹脂6の一部が切削されてもなんら問題はない。基板1の表面(または裏面)から切削刃までの位置(高さ)は、前記エッチング工程により形成された第1の樹脂の露出部21Cの範囲の高さが最も望ましい。これにより、切削刃が金属配線層21を切削する部分が存在しない、または少なくなる。したがって、エッチング工程により第1の樹脂6の露出部21Cを形成することによって、切削刃の寿命を延ばすことが可能である。
引き続き第2の配線層22を形成する。第2の配線層22の形成方法は、図12に示すように、配線層22の平面形状に対応する開口部301が設けられたメタルマスク300を用意し、基板1の表面(正確には第1の金属配線層21の表面)のうち、第2の配線層22を形成すべき領域が開口部301を介して露出するよう、メタルマスク300を被せる(マスク工程)。
次に、図13に示すようにメタルマスク300を被せた状態で、PVD法によってバリア金属材料7及び銅配線8をこの順に被着させる(第3の成膜工程)。これにより、メタルマスク300の開口部301を介して露出している基板1の表面(正確には第1の金属配線層21の表面)、及びメタルマスク300の上面に、バリア金属材料7及び銅8が堆積した状態となる。
そして、図14に示すように、メタルマスク300を前記基板1から剥離すれば(リフトオフ工程)、フォトリソグラフィー法を用いることなく、バリア金属配線7及び銅配線8からなる第2の配線層22が形成される。
次に、図15に示すように、半田ボール9を形成すべき部分を除く前記基板1の表面に、電気的な絶縁材料を選択的に被膜する(保護絶縁膜形成工程)。絶縁材料を選択的に供給すると、第1の金属配線層21の全面と第2の金属配線層22の側面22sが保護絶縁膜11によって覆われることになる。絶縁材料を供給する前の段階では、第2の金属配線層22が基板から最も突出していることから、第2の金属配線層22を避けるように絶縁材料を選択的に供給すれば、第2の金属配線層22の上面の全体が絶縁材料によって覆われることはない。なお、保護絶縁膜11の形成にはスクリーン印刷法を用い流動性を有する絶縁材料を選択的に供給し、キュアを行うことにより固化する方法でも良い。
その後は、第2の金属配線層22の露出部分に半田を供給しこれを溶融させれば、図16に示すように半田ボール9が形成される(電極形成工程)。以上により、一連のWLP工程が完了する。その後は、スクライブラインに沿って基板1をダイシングすれば、個々の半導体チップに個片化することができる(切断工程)。尚、基板1のダイシングは、保護絶縁膜11を形成した後、半田ボール9を形成する前に行っても構わない。更に、半田ボール9に代えて第2の金属配線層22のポスト電極を外部端子電極と見做すことも可能である。
以上説明したように、本実施形態によるシリコンウエハ10の製造方法によれば、溝201の周囲を形成する第1の樹脂6は従来のフォトリソグラフィー法によって製作されるWLPとは違い、除去することなくWLPを構成する一部分となる。第1の樹脂6を永久レジストと呼ぶことがある。このため、従来の一般的な方法を用いたWLPと比べて、工程数が1/2以下に減少する。しかも、マスク200とマスク300は安価に大量生産可能であるとともに、マスク200及びマスク300を繰り返し使用することが可能である。これらにより、生産性が高く低コストなシリコンウエハ10を提供することが可能となる。
(ウエハレベルパッケージ製造方法)
図17は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第2〜第3の実施形態に共通のプロセスフローを示すフローチャートである。尚、前述の第1の実施形態も、図17のプロセスフローに準じている。図18は、図17のフローチャートに沿って製造されるウエハレベルパッケージの変化の一例を示す概略図である。
図17は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第2〜第3の実施形態に共通のプロセスフローを示すフローチャートである。尚、前述の第1の実施形態も、図17のプロセスフローに準じている。図18は、図17のフローチャートに沿って製造されるウエハレベルパッケージの変化の一例を示す概略図である。
図18に示すように、本方法では、基板450を用い、基板450は例えば半導体基板(例えばシリコンウエハ)としてよい。基板450には内部端子電極(チップ取り出し電極)442と絶縁体のパッシベーション膜444とが配列されている(特に断らない限り、これらを総称して基板450と呼ぶ)。
本方法ではまず、かかる基板450の表面に凹凸形状の絶縁性の第1の樹脂452を形成する第1の樹脂形成工程400(図17)を行う。第1の樹脂形成工程400では、例えば図18(a)に示すように、基板450の表面に第1の樹脂452を塗布する。第1の樹脂452は、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂またはユリア樹脂を主成分としてよい。
次に図18(b)〜(c)に示すように、第1の樹脂452の一部(内部端子電極442の位置)をフォトリソグラフィー法によって除去して、残存する第1の樹脂452Aの間に溝454を形成する。溝454を形成する際には、フォトマスク(図示省略)を介して紫外線を照射することにより、露光された部分452と未露光の第1の樹脂452Aとが出来上がる(図18(b))。これを現像液に浸けて露光された部分452を除去すると、図18(c)に示すように、残存する第1の樹脂452Aの間に溝454が形成される。第1の樹脂452Aは「凸」に相当し、溝454は「凹」に相当する。基板450を視点とすれば、第1の樹脂452が有する「凹」は、溝であり孔でもある。これは、図2及び図4が示す配線層21を絶縁する材である樹脂6の形状から当然に理解できることである。尚、第1の樹脂452は、第1の樹脂6と同じである。
このように第1の樹脂形成工程400で形成される第1の樹脂452には、溝454による高低差すなわち凹凸があればよい。
本方法では図17に示すように、第1の樹脂形成工程400の後に、配線の一部となる第1の金属配線層21を形成する第1の成膜工程410および第2の成膜工程420を含む。
なお、第1の金属配線層21は、第1の金属膜21Aと第2の金属膜21Bで構成されている。第1の金属膜21Aを形成する工程が第1の成膜工程410であり、第2の金属膜21Bを形成する工程が第2の成膜工程420である。
第1の成膜工程410は、物理気相成長法で成膜する。物理気相成長法の例として、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法があげられる。
第1の成膜工程410の後、第2の成膜工程420を実施する。第1の金属膜21Aの表面に、第2の金属膜21Bを物理気相成長法で成膜する。物理気相成長法の例として、スパッタ法、イオンプレーティング法、真空蒸着法があげられる。
次に、前記第2の成膜工程の後に、前記第1の金属膜と前記第2の金属膜をエッチングするエッチング工程425を含む。
さらに本方法では、所定の位置に切削刃490を設置する設置工程430と、切削刃490によって第1の金属配線層21および第1の樹脂を切削して平坦化する切削工程440とを含む。これらの工程については、以下の本発明の各実施形態について説明する。
図19は、本発明の各実施形態に利用する第1の樹脂の各種樹脂の物性値を示す表である。図19は、第1の樹脂460(他の符号が付された「第1の樹脂」も同様)として用いることのできる素材の代表として、フェノール樹脂を含んでいる。尚、ポリイミド樹脂は、フェノール樹脂の比較例である。
切削刃490で切削する時、切削される材料が切削刃490に抵抗感を受け、よって切削刃490が磨耗する原因は、第1に、切削される材料の硬度があり、第2に、材料の粘り(すなわち弾性伸びの大きさ)、がある。切削刃490が粘りのある材料を切削すると、切削刃490は、切れていない材料を引きずってしまうためである。
また、フェノール樹脂はポリマー構成に必要な官能アルキル基、水酸基などのネットワーク形成基が一般に多く、ポリイミドのイミド基などのネットワーク形成基に比べて、密な三次元構造をとる。そのため、弾性率は比較的高く、硬度も高く、塑性変形(クレーズ変形)範囲が小さい。特にフェノール樹脂は環状構造が主体のため、切削刃に切削対象物が付着して加工性能が劣化するなどの問題が生じず、切削加工しやすい。
既に述べたように、第1の樹脂460は、フェノール樹脂のほか、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂またはユリア樹脂を主成分としてもよい。切削刃による切削は切削時の局部発熱で塑性変形を起こさない、熱硬化樹脂が望ましいからである。また、切削刃の切れ味を良くするためには、第1の樹脂460は、適度な弾性率を持ち、限界応力に対する歪みが小さく強度が比較的低い樹脂が良好と考えられるからである。
図20は、第1の樹脂460としては適さない樹脂(ポリイミド樹脂等)に生じるクレーズ(Craze)の例を示す模式図である。クレーズとは、2次元絡み合い原子鎖の2次元鎖が整列し、切れ難くなる状態を言う。図20に示すように、プラスチックの袋を開封しようとするときに力Fを加えると、有機物バルク部492と、伸びて白濁する部分がクレーズ494とに別れ、非常に強く抵抗する現象である。白濁して見えるクレーズ494は、微小繊維であるフィブリル(fibril)496と、空隙部分であるヴォイド(void)498とを含む。
図21は各種樹脂の応力−歪み曲線を示すグラフである。第1の樹脂460としては、応力に対する歪みが数%以下の樹脂が好ましく、かかる樹脂はクレーズが生じにくい、切削刃への絡み付きが少ない材料である。図21(b)に示すように、上述のフェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂またはユリア樹脂はいずれも、かかる条件を満たしている。固く伸びが少ないπ型環状基を含有しているからである。
一方、図21(a)に示すように、ポリイミド樹脂は、応力に対する歪みが数十%にも及ぶ強度の高い樹脂であり、図20に示したクレーズを発生し易い。したがって第1の樹脂460の素材としては、切削刃490による切削性能を低下させるおそれがあるため、ポリイミド樹脂は不適当である。
ここでフェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂またはユリア樹脂を「主成分とする」という文言の定義を説明する。
フェノール樹脂には、フェノールとホルムアルデヒドを混合し、酸触媒で縮合重合し、高分子化したノボラック型と呼ばれる樹脂と、アルカリ触媒で縮合重合したレゾール型と呼ばれる樹脂とがある。前者はそのままでは熱可塑性であり、低分子状態では液体である。これにヘキサメチレンテトラミンなどを1〜20重量%硬化剤として混合すると、縮合重合し熱硬化樹脂となる。後者はそれ自体が自己反応性活性基を有するため、加熱されることで熱硬化する。
電子部品用途に関しては、熱硬化重合反応が制御しやすいノボラック型が主に使われている。本願で永久レジストと呼んでいるものはノボラック型であり、フォトレジストとして加工される場合、ノボラック型フェノール樹脂は100%がこの成分で占められている。フォトレジスト以外の、例えば塗布材料として用いられる場合には、様々な強度が強いマクロモノマー、例えばセルローズなどの充填剤や顔料(特に黒色顔料など)やフィラー(シリカガラス微粒子)などが添加物総量で0.1〜50重量%程度混入されることもある。
フェノール樹脂は、図21(a)の応力ひずみ曲線からも分かるように伸びが少なく、強度もそれほど高くないため、電子材料としてはもろい。多少強度を上げたいなどの要求に応じてエポキシ変性フェノール樹脂(変性をした部分すなわち、混合%に応じてエポキシの性質が強くなる)にしたり、耐熱性に劣ることからポリビニルアセタール変性フェノール樹脂にしたりすることができる。また、熱サイクル信頼性を向上させるためニトリルゴム変性フェノール樹脂にしたり、印刷性を高めるためロジン変性フェノール樹脂にしたりするなど、さまざまな性質改善のために変性が行われている。その変性樹脂の混合比は1%から50重量%のレベルで行われている。したがって本文では「フェノール樹脂を主成分とする」とは、フェノール樹脂50重量%以上であることと定義する。
メラミン樹脂はメラミンとホルムアルデヒドの縮合反応で得られるメチロールメラミンを重合縮合反応させ合成するが、窒素環状基を作るため、尿素樹脂より衝撃強度が強い。一般にはメチロールメラミンを繊維などに含浸させて、強化プラスティックを作るが、電子部品としてはセルローズ添加剤が5〜40重量%加えられて使われる。もちろん100%樹脂としての使用にも耐える。エポキシやユリア樹脂との変性加工は合成時にエポキシモノマーや尿素を適量加えることで自由に行える。また、混合することで中間的性質をもつ樹脂ができる。本文では「メラミン樹脂を主成分とする」とは、50重量%以上であることをここでは定義する。
不飽和ポリエステル樹脂は無水マレイン酸、イソフタル酸系などの不飽和ポリエステルとエチレングリコールなどの多価アルコールの縮合重合で作られる熱硬化性の樹脂であり、無水マレイン酸もスチレンも環状基のため、機械的強度が強いことが特徴である。したがって100%樹脂も使用できる。特に繊維に含浸させる強化プラスチックとしての用途に優れている。各種のエステル化合物で無数の種類が作れるが、異種樹脂による変性樹脂として表面の平滑性を保つため、合成時ペンタジエンなどを混ぜた変性や、相溶性のあるアクリルウレタンなど混ぜ透明性や光による黄変防止の変性などが考えられている。一般的に合成時に混ぜて作る反応基としてフェノール、エポキシ、ウレタンがあり、自由な配合ができるが、本文では「不飽和ポリエステル樹脂を主成分とする」とは、50重量%以上であることと定義する。
ユリア樹脂(尿素樹脂)は尿素とホルムアルデヒドを縮合反応させ合成されるもので、環状化合物をもたない直鎖のネットワークのため、破壊靱性が落ちる。そのため、100%樹脂を使用することは少なく、破壊靱性を増すために環状化合物であるビスフェノールA骨格を持つグリシン化合物0.5〜30重量%を合成時に入れて変性することなどが考えられている。また充填剤としてセルローズがよく用いられ、5〜40重量%入れることで機械的性質を調整できる。メラミン樹脂やフェノール樹脂との整合性もよく、反応時にメラミンやフェノールを加えることで、お互いの性質の中間的な性質が生まれる。本文では「ユリア樹脂を主成分とする」とは、50重量%以上であることと定義する。
図22は、切削後の樹脂と第1の金属配線層21を断面から見た模式図である。図22(a)は第1の樹脂460(フェノール樹脂等)と、第1の金属配線層21とが交互に切削される場合を示している。一方図22(b)は、第1の樹脂460を仮にポリイミド樹脂461に変更した場合を示している。図22(a)の場合、切削は問題なく行われる。第1の樹脂460は、固くて伸びが少ない特性を有することから、切削される際、一緒に切断される隣接する第1の金属配線層21との間に空隙を生じにくい。また、基板450からも第1の樹脂460は剥離しにくい。そのため配線を形成する第1の金属配線層21の配線パターンが歪むことが防止されるという顕著な効果を有する。
しかし図22(b)のように、第1の樹脂460に代えてポリイミド樹脂461を使用すると、その強度の高さゆえに、切削刃に押されてポリイミド樹脂461が歪み、先行して切削される第1の金属配線層21(左側)との間に空隙463を生じてしまうし、基板450からの剥離467も生じてしまう。また、ポリイミド樹脂461が歪むと、その後続の切削対象である第1の金属配線層21(右側)をも歪ませてしまい、第1の金属配線層21の基板450からの剥離469も生じてしまう。
上記の空隙及び剥離が発生すると、配線・樹脂パターンが歪んでしまうおそれがある。すなわち、第1の金属配線層21の脱落、樹脂の脱落、内部ボイド等が発生しやすく、配線の断線、配線のショートが発生する可能性がある。特に配線密度の高い配線の場合、図22(a)のように切削しやすい第1の樹脂460を使用することが重要である。
(本発明によって切削性能が向上する理由:パッシベーション膜)
基板450は、少なくともその表面の一部にパッシベーション膜444を有し、パッシベーション膜444が第1の樹脂460と接している。パッシベーション膜444と第1の樹脂460とが接することによって第1の樹脂460の密着性(接着力)が向上し、切削性能がより向上する。
基板450は、少なくともその表面の一部にパッシベーション膜444を有し、パッシベーション膜444が第1の樹脂460と接している。パッシベーション膜444と第1の樹脂460とが接することによって第1の樹脂460の密着性(接着力)が向上し、切削性能がより向上する。
本実施形態のパッシベーション膜444は、ポリイミド樹脂を主成分としている。パッシベーション膜444に接する第1の樹脂460として用いられるフェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂のいずれかは、ポリイミド樹脂に接着する感光性樹脂であり、接着力が強く、切削しやすい性能を有する。これは、上記の第1の樹脂460の材料が、パッシベーション膜444の材料であるポリイミド樹脂の反応基である、カルボキシル基やイミド基と反応性のあるカルボキシル基、水酸基、イミド基を比較的多く含み、主鎖や副鎖にちりばめられているからである。
(第2の実施形態:第1の樹脂の断面が正テーパ形状)
図23は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第2の実施形態を示す図であり、図18(c)に示した第1の樹脂452Aに対して、第1の成膜工程410、第2の成膜工程420、エッチング工程425および設置工程430を施したものである。なお、図23(a)は、図18(c)に示した第1の樹脂452Aに対して第1の成膜工程410と第2の成膜工程420を施したものであり、図23(b)は前記第2の成膜工程420の後エッチング工程425をほどこしたものであり、図23(c)は、前記エッチング工程425の後設置工程430を施したものである。設置工程において、切削刃の設置高さH5は、第1の樹脂6の露出部21Cを含んでいる。
図23は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第2の実施形態を示す図であり、図18(c)に示した第1の樹脂452Aに対して、第1の成膜工程410、第2の成膜工程420、エッチング工程425および設置工程430を施したものである。なお、図23(a)は、図18(c)に示した第1の樹脂452Aに対して第1の成膜工程410と第2の成膜工程420を施したものであり、図23(b)は前記第2の成膜工程420の後エッチング工程425をほどこしたものであり、図23(c)は、前記エッチング工程425の後設置工程430を施したものである。設置工程において、切削刃の設置高さH5は、第1の樹脂6の露出部21Cを含んでいる。
図24は、前記設置工程430の後、切削工程440を施したものであり、図23においてウエハレベルパッケージ製造方法が完了した結果得られる、ウエハレベルパッケージの中間体を示す図である。
本実施形態では、図17の第1の樹脂形成工程400において、溝454に隣接する第1の樹脂452Aの断面を、正テーパ形状すなわち上底が下底より短い台形としている。
図23のような正テーパ形状の断面を有する第1の樹脂452Aを形成するには、一例として、図18(a)の第1の樹脂452としてポジ型のレジストを利用して第1の樹脂形成工程400を行えばよい。すなわちポジ型レジストは、露光した部分が現像でなくなるレジストである。ポジ型レジストは、露光部分のレジスト膜の上層部ほど現像液による溶解性が高くなり、得られるパターンが正テーパとなりやすいからである。
第1の樹脂452Aの断面は、上底が短く下底が長い台形である。したがって第1の樹脂452Aの側面は裾広がりの傾斜面となっている。かかる場合、第1の金属470の溝454の側面における成膜厚さは、長方形断面を有する第1の樹脂460(図9)に比較すると、厚くなる。
(第3の実施形態:ファンアウト用WLP基板)
図25は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第3の実施形態を示す図であり、本実施形態で用いる基板の平面図である。図26は図25の断面図である。図26(a)は図25のX−X断面図であり、図26(b)は図26(a)の領域C拡大図である。本実施形態では、第1〜第2の実施形態と異なり、単なる半導体基板450(シリコンウエハ)でなく、ファンアウト用WLP基板520に対して、図17に示したウエハレベルパッケージ製造方法を適用している。
図25は本発明によるウエハレベルパッケージ製造方法の第3の実施形態を示す図であり、本実施形態で用いる基板の平面図である。図26は図25の断面図である。図26(a)は図25のX−X断面図であり、図26(b)は図26(a)の領域C拡大図である。本実施形態では、第1〜第2の実施形態と異なり、単なる半導体基板450(シリコンウエハ)でなく、ファンアウト用WLP基板520に対して、図17に示したウエハレベルパッケージ製造方法を適用している。
図26(a)及び(b)に示すように、ファンアウト用WLP基板520は、回路(図示省略)及び回路へ信号を入出力する内部端子電極522、523を含む半導体チップ524と、半導体チップ524の少なくとも側面を覆う絶縁性の第2の樹脂526(封止樹脂)とを含む。内部端子電極522、523はアルミニウムパッドとしてよい。
半導体チップ524の表面には、内部端子電極522、523以外の領域にパッシベーション膜528が設けられていて、内部端子電極522、523は露出している。パッシベーション膜528は、ポリイミド樹脂、窒化シリコン、酸化シリコン等としてよい。
図27は図25のファンアウト用WLP基板520の製造工程を例示する図である。まず、図27(a)に示すように、表面に、内部端子電極とパッシベーション膜とが設けられた半導体ウエハ530から、砥石531を用いてチップをダイシングし、個片化する。
次に図27(b)に示すように、個片化した半導体チップ524の内部端子電極522、523の側を、他のチップとともに、チップ固定テープ532にフェースダウンとして配列する。チップ固定テープ532は、積層された基材534および接着層536から成り、接着層536によって半導体チップ524を固定する。
次に図27(c)に示すように、絶縁性の第2の樹脂526によって半導体チップ524を封止し、図27(d)に示すように、チップ固定テープ532を剥がす。これによって図25、図26に示すファンアウト用WLP基板520が完成する。
図28は、図25ファンアウト用WLP基板520に対して図17に示したウエハレベルパッケージ製造方法を適用して製造した、ウエハレベルパッケージの完成体の一部分を例示する図である。溝に成膜された第1の金属配線層21は、内部端子電極522、523と、半導体チップ524の領域外の第2の樹脂526にファンアウトとして設けられた外部端子電極(例えば半田ボール)540、550とを接続する配線層を形成している。外部端子電極540、550の周囲には、絶縁性のソルダレジスト560が成膜されている。
以上のように、本発明のすべての実施形態において「基板」とは、半導体基板に限られず、ガラス基板や他の素材(有機物、無機物)の基板も含む。一方、「半導体基板」とは、シリコンウエハの場合もあれば、第3の実施形態のように、ファンアウトWLP用基板の場合もある。
本発明は、例えば、ウエハレベルパッケージ製造方法に利用することができる。
1 基板
2 チップ取り出し電極(内部端子電極)
3 パッシベーション膜
4 バリア金属配線
4b 溝内部のバリア金属材料
4u 樹脂上面のバリア金属材料
5 アルミニュウム配線
5b 溝内部のアルミニュウム配線
5u 樹脂上面のアルミニュウム配線
6 配線層を形成する溝を作るための樹脂(第1の樹脂)
6a 感光された樹脂
7 バリア金属配線
8 銅配線
9 半田ボール
10 シリコンウエハ
11 保護絶縁膜
21 第1の金属配線層
21A 第1の金属膜
21B 第2の金属膜
21C 第1の樹脂の露出部
22 第2の金属配線層
22s 配線層の側面
200 マスク
201 溝
202 感光用の光
203 マスク開口部
300 マスク
301 マスク開口部
400…第1の樹脂形成工程
410…第1の成膜工程
420…第2の成膜工程
425…エッチング工程
430…設置工程
440…切削工程
442、522、523…内部端子電極
444、528…パッシベーション膜
450…基板
452、452A、460、465、500…第1の樹脂
461…ポリイミド樹脂
454、456、462、502…溝
470…第1の金属
480…第2の金属
490…切削刃(バイト)
492…有機物バルク部
494…クレーズ
496…フィブリル
498…ヴォイド
510…メタルマスク
512…開口部
520…ファンアウト用WLP基板
524…半導体チップ
526…第2の樹脂
530…半導体ウエハ
532…チップ固定テープ
540、550…外部端子電極
560…ソルダレジスト
2 チップ取り出し電極(内部端子電極)
3 パッシベーション膜
4 バリア金属配線
4b 溝内部のバリア金属材料
4u 樹脂上面のバリア金属材料
5 アルミニュウム配線
5b 溝内部のアルミニュウム配線
5u 樹脂上面のアルミニュウム配線
6 配線層を形成する溝を作るための樹脂(第1の樹脂)
6a 感光された樹脂
7 バリア金属配線
8 銅配線
9 半田ボール
10 シリコンウエハ
11 保護絶縁膜
21 第1の金属配線層
21A 第1の金属膜
21B 第2の金属膜
21C 第1の樹脂の露出部
22 第2の金属配線層
22s 配線層の側面
200 マスク
201 溝
202 感光用の光
203 マスク開口部
300 マスク
301 マスク開口部
400…第1の樹脂形成工程
410…第1の成膜工程
420…第2の成膜工程
425…エッチング工程
430…設置工程
440…切削工程
442、522、523…内部端子電極
444、528…パッシベーション膜
450…基板
452、452A、460、465、500…第1の樹脂
461…ポリイミド樹脂
454、456、462、502…溝
470…第1の金属
480…第2の金属
490…切削刃(バイト)
492…有機物バルク部
494…クレーズ
496…フィブリル
498…ヴォイド
510…メタルマスク
512…開口部
520…ファンアウト用WLP基板
524…半導体チップ
526…第2の樹脂
530…半導体ウエハ
532…チップ固定テープ
540、550…外部端子電極
560…ソルダレジスト
Claims (14)
- 基板の表面に、配線が形成される溝を含む絶縁性の第1の樹脂を形成する樹脂形成工程と、
前記第1の樹脂の表面と前記溝に、前記配線の一部となる第1の金属膜を形成する第1の成膜工程と、
前記第1の金属膜の表面に、前記配線の一部となる第2の金属膜を形成する第2の成膜工程と、
前記第2の成膜工程の後に、前記第1の金属膜と前記第2の金属膜をエッチングするエッチング工程と、
第1の樹脂の上面から下面の間の高さの範囲に切削刃を設置する設置工程と、
前記切削刃を走査することにより、少なくとも前記第1の樹脂を切削する切削工程と、
を含む、ことを特徴とするウエハレベルパッケージの製造方法。 - 前記設置工程は、前記エッチング工程にて第1の樹脂が露出した部分の高さに前記切削刃を設置し、且つ、前記切削工程は、前記エッチング工程にて第1の樹脂が露出した部分の高さで前記切削刃を走査する、ことを特徴とする請求項1に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第1の樹脂は、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、またはユリア樹脂を主成分とする、ことを特徴とする請求項1乃至2のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記基板は、少なくともその表面の一部にパッシベーション膜を有し、該パッシベーション膜が前記第1の樹脂と接する、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記パッシベーション膜は、ポリイミド樹脂を主成分とする、ことを特徴とする請求項4に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第1の金属膜を形成する第1の成膜工程は、物理気相成長法によって行うことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第2の金属膜を形成する第2の成膜工程は、物理気相成長法によって行うことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第1金属膜を形成する第1の成膜工程は、複数の金属を成膜する物理気相成長法によって行うことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第1金属膜を形成する前記複数の金属は、銅、アルミニウム、銀、半田、金、チタン、モリブデンの金属の内、複数の金属を使用することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記第2金属膜を形成する金属は、銅、アルミニウム、銀、半田、金、チタン、モリブデンの内、1つの金属または複数の金属を使用することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記樹脂形成工程では、前記溝に隣接する前記第1の樹脂の断面を、前記基板の表面を基準として長方形または正テーパに形成する、ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記樹脂形成工程では、前記溝に隣接する前記第1の樹脂の断面を、前記基板の表面を基準として逆テーパに形成する、ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
- 前記基板は、回路及び該回路へ信号を入出力する内部端子電極を含む半導体基板であり、
前記溝に成膜された前記第1の金属膜と第2の金属膜は、前記内部端子電極と、前記半導体基板のチップに相当する領域内にファンインとして設けられた外部端子電極と、を接続する配線層を形成する、ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。 - 前記基板は、回路及び該回路へ信号を入出力する内部端子電極を含む半導体チップと、
該半導体チップの少なくとも側面を覆う絶縁性の第2の樹脂と、を含み、前記溝に成膜された前記第1の金属膜と第2の金属膜は、前記内部端子電極と、前記半導体チップの領域外の第2の樹脂にファンアウトとして設けられた外部端子電極と、を接続する配線層を形成する、ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載のウエハレベルパッケージの製造方法。
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