JP2003197815A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多ピン化した場合にも配線ロスの増大に起因
する性能の劣化を生じにくい高周波対応の半導体装置を
提供する。 【解決手段】 半導体素子６と、第１のボンディングパ
ッド４の一部を除く主面２の全面に形成された第１の絶
縁膜７と、第１の絶縁膜７上に形成され、一端が第１の
ボンディングパッド４に接続された再配線８と、再配線
８の他端に形成され、第１の絶縁膜７上に配置された第
２のボンディングパッド９と、第２のボンディングパッ
ド９の一部を除く第１の絶縁膜７上の全面に形成された
第２の絶縁膜１０と、第２のボンディングパッド９に形
成されたバンプ電極１１とをもって半導体装置１を構成
する。再配線８の厚みを表皮の厚さの２倍以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、主面上に再配線が
施されたＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇ
ｅ）タイプの半導体装置に係り、特に、高周波対応のＣ
ＳＰタイプの半導体装置における再配線の構成に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】近年、電気機器の小型軽量化、高速化及
び高機能化の要求に対処するため、電気機器に実装する
半導体装置に対しても小型軽量化、高集積化及び実装の
容易化の要求が益々高まっている。 【０００３】従来より、これらの各要求に対応可能な半
導体装置として、主面に半導体素子領域が形成され、か
つ当該主面における前記半導体素子領域の外周部に第１
のボンディングパッドが配列された一般的な半導体素子
を用い、当該半導体素子の主面上に絶縁膜を介して一端
が前記第１のボンディングパッドに接続された再配線を
施し、当該再配線の他端に形成された第２のボンディン
グパッド上にバンプ電極を形成したウエハーレベルＣＳ
Ｐと呼ばれる半導体装置が提案されている（例えば、特
許文献１〜４参照。）。 【０００４】このＣＳＰタイプの半導体装置は、バンプ
電極を主面の全面に配置することができるので、半導体
素子領域の外周部に配列された第１のボンディングパッ
ド上に直接バンプ電極を形成する場合に比べて各バンプ
電極間の距離を大きくすることができ、半導体装置の多
端子化、ひいては高機能化と実装の容易化とを図ること
ができる。また、半導体素子を樹脂封止しないので、半
導体装置の小型軽量化を図ることができる。 【０００５】 【特許文献１】特開平４−１９８５５号公報 【０００６】 【特許文献２】特開平６−２３７６５３号公報 【０００７】 【特許文献３】米国特許第５６７９９７７号明細書 【０００８】 【特許文献４】米国特許第５８０１４４１号明細書 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＳＰタイ
プの半導体装置においては、より一層の高速化と高機能
化とを実現するため、より一層の多端子化が図られてい
る。 【００１０】然るに、ＣＳＰタイプの半導体装置を多端
子化すると、それに伴って再配線の厚み及び幅並びに再
配線間の距離が小さくなるため、配線ロスが増大し、半
導体装置の性能が劣化する。かかる不都合は、現在普及
しつつある高周波対応のＣＳＰタイプの半導体装置にお
いて特に顕著になる。 【００１１】従来のＣＳＰタイプの半導体装置において
は、高周波信号に対応するために好適な再配線の厚みが
考慮されておらず、配線ロスの増大に起因する性能の劣
化を生じやすいという問題がある。 【００１２】即ち、再配線の厚みが薄いと、配線ロスが
増大して再配線からの発熱が大きくなり、この熱によっ
て半導体素子領域が昇温されるため、ＣＳＰタイプの半
導体装置の信頼性が低下する。また、ＣＳＰタイプの半
導体装置は、再配線された面がフェースダウンの形で配
線基板に実装されるため、半導体装置の熱膨張係数と配
線基板の熱膨張係数との差に応じた熱ストレスがこれら
半導体装置と配線基板との接続部に直接的に作用し、か
つ、半導体回路の動作時と非動作時とにおける再配線に
流れる電流の変化に伴う熱ストレスの変化が前記接続部
に繰り返し作用するため、前記接続部における接続の信
頼性が低下する。これらの各不都合は、高周波対応のＣ
ＳＰタイプの半導体装置において特に顕著になる。 【００１３】本発明は、かかる従来技術の不備を解消す
るためになされたものであって、その目的は、多端子化
した場合にも配線ロスの増大に起因する性能の劣化を生
じにくい高周波対応の半導体装置を提供することにあ
る。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、第１に、主面に半導体素子領域が形成さ
れ、かつ当該主面における前記半導体素子領域の外周部
に第１のボンディングパッドが配列された半導体素子
と、前記第１のボンディングパッドの一部を除く前記主
面の全面に形成された第１の絶縁膜と、当該第１の絶縁
膜上に形成され、一端が前記第１のボンディングパッド
に接続された再配線と、当該再配線の他端に形成され、
前記第１の絶縁膜上に配置された第２のボンディングパ
ッドと、当該第２のボンディングパッドの一部を除く前
記第１の絶縁膜上の全面に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２のボンディングパッドに形成されたバンプ電極
とを有し、前記再配線に８００ＭＨｚ以上の信号を用
い、前記再配線の厚みをｈ、前記再配線を流れる電流の
角周波数をω、前記再配線の導電率をκ、前記再配線の
透磁率をμとしたとき、前記再配線の厚みｈを下記の式
（１）を満たす範囲に設定するという構成にした。 【００１５】 【数２】 導体に高周波電流を流した場合、誘磁界が発生する。こ
の誘磁界が時間的に変化すると、レンツの法則により誘
磁界を打ち消す方向にうず電流が発生する。このため、
導体内の電流分布は、図５に示すように、表面に近い領
域にのみ流れ、導体の中心部に向かって指数関数的に減
少する。この減少は、一般に表皮効果と呼ばれ、８００
ＭＨｚ以上の高周波信号を導体に流すことによって発生
する。導体表面の電流Ｉ_０に比べて電流密度の大きさが
１／ｅになる厚みは、表皮の厚さと呼ばれる。表皮の厚
さをｄとすると、表皮の厚さｄは、下記の式（２）で表
される。 【００１６】 【数３】 前記したように電流分布はほぼ指数関数的に変化するた
め、図５の斜線部分のように、表皮の厚さｄの範囲に電
流Ｉ_０が流れると近似できる。したがって、再配線の厚
みｈを表皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることによっ
て、配線ロスを増大することなく、８００ＭＨｚ以上の
高周波信号に対応することができる。 【００１７】従来の再配線を用いたウエハーレベルＣＳ
Ｐは、数ＭＨｚ程度の信号に対応するものであり、８０
０ＭＨｚ以上の高周波信号に対応する半導体装置をＣＳ
Ｐ化するといったことはなく、上記の表皮の厚さを考慮
して再配線層の厚さを設計するという設計思想は従来な
かったものである。また、高周波対応のＣＳＰタイプの
半導体装置を配線基板に実装したときに発生する上記熱
ストレスに起因する接続不良の問題も、本願発明者が新
規に見出したものである。 【００１８】 【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体装置の
実施形態例を、図１乃至図４に基づいて説明する。図１
は実施形態例に係る半導体装置の一部切断した斜視図、
図２は実施形態例に係る半導体装置の要部平面図、図３
は実施形態例に係る半導体装置の要部断面図、図４は実
施形態例に係る半導体装置の各部の寸法を示す説明図で
ある。 【００１９】図１乃至図３に示すように、本実施形態例
に係る半導体装置１は、主面（半導体回路の形成面）２
に半導体素子領域３が形成され、主面２における半導体
素子領域３の外周部に第１のボンディングパッド４が配
列され、前記半導体素子領域３の表面及び前記第１のボ
ンディングパッド４の周囲がパッシベーション膜５にて
被覆された半導体素子６と、第１のボンディングパッド
４の一部を除く主面２の全面に形成された第１の絶縁膜
７と、第１の絶縁膜７上に形成され、一端が第１のボン
ディングパッド４に接続された再配線８と、再配線８の
他端に形成され、第１の絶縁膜７上に配置された第２の
ボンディングパッド９と、第２のボンディングパッド９
の一部を除く第１の絶縁膜７上の全面に形成された第２
の絶縁膜１０と、第２のボンディングパッド９に形成さ
れたバンプ電極１１とからなる。 【００２０】前記第１のボンディングパッド４について
はアルミニウムをもって形成し、前記再配線８及び第２
のボンディングパッド９については銅をもって形成し
た。また、前記第１及び第２の絶縁膜７，１０について
はポリイミド樹脂をもって形成し、前記バンプ電極１１
については鉛フリーはんだをもって形成した。 【００２１】前記再配線８（前記第２のボンディングパ
ッド９を含む）の厚みｈは、配線ロスを増大することな
く、８００ＭＨｚ以上の高周波信号に対応できるように
するため、再配線８の厚みをｈ、再配線８を流れる電流
の角周波数をω、再配線８の導電率をκ、再配線８の透
磁率をμとしたとき、前出の式（１）を満たす範囲に設
定される。 【００２２】このようにすると、再配線８の厚みｈを表
皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることができるので、
配線ロスを増大することなく、８００ＭＨｚ以上の高周
波信号に対応することができる。また、再配線８の厚み
ｈを表皮の厚さｄの２倍以上の厚みにすることにより、
再配線８のロスを抑制できるので、再配線８からの発熱
を小さくすることができ、半導体装置に作用する熱スト
レスを減少することができて、配線基板との接続の信頼
性を高めることができる。さらに、再配線８の厚さを所
定の厚み以上にすることにより、再配線８の熱容量を向
上することができるので、再配線８からの発熱及び半導
体回路からの発熱を効率よく分散させることができ、Ｃ
ＳＰタイプの半導体装置に与える熱ストレスを抑制する
ことができる。 【００２３】図６に、再配線８の材質と再配線８の導電
率と再配線８を流れる電流の周波数と再配線８の最低厚
みとの関係を示す。なお、厚みｈの上限については特に
制限はないが、厚くするほどコスト高になって形状の精
度も劣化するので、１０μｍ以下とすることが好まし
い。 【００２４】以下、前記実施形態例に係る半導体装置の
製造方法の第１例を、図７乃至図９に基づいて説明す
る。図７は所定のプロセス処理を経て完成されたいわゆ
る完成ウエハの平面図、図８は再配線の形成手順の第１
例を示す工程図、図９は再配線が形成された完成ウエハ
の平面図である。 【００２５】図７に示すように、完成ウエハ２１には、
最外周部を除く内周部分に多数個の半導体チップ用の回
路２２が所定の間隔で形成されており、その主面２側に
は、所要のパッシベーション膜５（図１、図３及び図８
参照）が形成されている。 【００２６】本例の半導体装置の製造方法は、まず図８
（ａ）に示すように、完成ウエハ２１の主面に形成され
たパッシベーション膜５上に、アルミニウム又はアルミ
ニウム合金若しくは銅又は銅合金を用いて、金属スパッ
タ層又は金属蒸着層２３を均一に形成する。次いで、図
８（ｂ）に示すように、当該金属スパッタ層又は金属蒸
着層２３上にフォトレジスト層２４を均一に形成し、形
成されたフォトレジスト層２４に少なくともバンプ設定
用配線を含む所要の再配線パターンが形成されたマスク
２５を被せ、マスク２５の外側から所定波長の光２６を
照射してフォトレジスト層２４を露光する。しかる後に
露光されたフォトレジスト層２４の現像処理を行い、図
８（ｃ）に示すように、フォトレジスト層２４の露光部
分を除去して、前記金属スパッタ層又は金属蒸着層２３
の前記露光パターンと対応する部分を露出させる。金属
スパッタ層又は金属蒸着層２３の露出パターンには、図
９に示すように、リング状の電極部２７と、バンプ設定
用の再配線８と、これら電極部２７及びバンプ設定用の
再配線８とを連結するリード部２８とが含まれる。次い
で、前記電極部３７を一方の電極として、金属スパッタ
層又は金属蒸着層３４の露出部分に電気めっき又は精密
電鋳を施し、図８（ｄ）に示すように、金属スパッタ層
又は金属蒸着層２３の露出部分に金属めっき層２９を積
層する。次いで、完成ウエハ２１の表面に付着したフォ
トレジスト層２４をアッシング処理等によって除去し、
図８（ｅ）に示すように、均一な金属スパッタ層又は金
属蒸着層２３上に電極部２７とバンプ設定用の再配線８
とリード部２８とを有する金属めっき層２９が形成され
た完成ウエハ２１を得る。次いで、金属めっき層２９よ
り露出した金属スパッタ層又は金属蒸着層２３を選択的
にエッチングし、図８（ｆ）に示すように、金属めっき
層２９より露出した金属スパッタ層又は金属蒸着層２３
を除去する。これによって、金属スパッタ層又は金属蒸
着層２３と金属めっき層２９とが形成された完成ウエハ
２１が得られる。最後に、前記完成ウエハ２１をスクラ
イビングして、図１乃至図４に示す所要の半導体チップ
ＩＣ素子１を得る。 【００２７】なお、本例においては、金属めっき層２９
の形成手段として電気めっき法又は精密電鋳法を用いた
が、かかる構成に代えて、無電解めっき法を用いて前記
金属めっき層２９を形成することもできる。この場合に
は、金属めっき層２９の形成に電極を必要としないの
で、フォトレジスト層２４の露光に際して、電極部２７
の形成とリード部２８の形成が不要になる。 【００２８】無電解めっきは、化学めっきとも呼ばれ、
素地金属をめっき金属の金属塩溶液中に浸して金属イオ
ンを素地表面に析出させるもので、比較的簡単な設備で
密着力が強く均一で十分な厚みを有するめっき層が得ら
れるという特徴がある。前記金属塩は、めっきする金属
イオンの供給源となるものであり、銅をめっきする場合
には、硫酸銅、塩化第二銅、硝酸銅等の溶液がめっき液
として用いられる。銅などの金属イオンは、素地となる
金属スパッタ層又は金属蒸着層２３上にのみに析出し、
絶縁性のパッシベーション膜５上には析出しない。素地
材は、めっき金属イオンに対してイオン化傾向が小さ
く、かつ、めっき金属イオンの析出に対する触媒作用を
もつ必要がある。このため、アルミニウムからなる金属
スパッタ層又は金属蒸着層２３上に銅をめっきする場合
には、アルミニウム層の表面にニッケルを数μｍ以下の
厚さに形成し、硝酸亜鉛液に数秒間浸して亜鉛に置換す
る前処理を施すことが好ましい。 【００２９】一方、電気めっき法及び精密電鋳法は、め
っき金属のイオンを含むめっき浴中に金属スパッタ層又
は金属蒸着層２３が形成された完成ウエハ２１とめっき
金属からなる電極とを浸漬し、完成ウエハ２１に形成さ
れた金属スパッタ層又は金属蒸着層２３を陰極、めっき
浴中に浸漬された電極を陽極として電圧を印加し、めっ
き浴中の金属イオンを金属スパッタ層又は金属蒸着層２
３の表面に析出させる方法である。電気めっき法及び精
密電鋳法も、銅をめっきする場合には、硫酸銅、塩化第
二銅、硝酸銅等の溶液がめっき液として用いられる。 【００３０】本例の半導体装置の製造方法は、完成ウエ
ハ２１に所要のバンプ設定用の再配線８を含む所要の導
電パターンを形成し、しかる後に完成ウエハ２１をスク
ライビングして所要の半導体装置１を得るという構成に
したので、個々の半導体装置に所要の再配線８を形成す
る場合に比べてＣＳＰタイプの半導体装置を高能率に製
造でき、その製造コストを低減することができる。ま
た、完成ウエハ２１に形成された全ての半導体装置に対
して均一な厚みの再配線８を高精度に形成することがで
きるので、特性のばらつきを小さくすることができる。
さらに、個々の半導体装置１についてスパッタ法又は真
空蒸着法及びメッキ法を用いて再配線８を形成すると、
半導体装置１の外周部に不要の導体が付着して半導体装
置の絶縁性が問題になるが、完成ウエハ２１に再配線８
を含む所要の導電パターンを形成した場合には、スパッ
タ時等において完成ウエハ２１の外周部に不要の導体が
付着しても、該部は不要部分としてもともと処分される
べき部分であるので、個々の半導体装置１の絶縁性に悪
影響を与えることもない。加えて、本例の半導体装置の
製造方法は、フォトレジスト層２４がある状態で金属め
っき層２９の形成を行い、しかる後に金属スパッタ層又
は金属蒸着層２３の金属めっき層２９が積層されていな
い部分をエッチングによって除去するようにしたので、
図８（ｅ）に示すように、金属めっき層２９が金属スパ
ッタ層又は金属蒸着層２３の上面にのみ積層され、幅方
向に広がらないので、精密なバンプ設定用の再配線８を
形成することができ、狭い面積内に多数のバンプ設定用
の再配線８を形成することができる。 【００３１】次に、前記実施形態例に係る半導体装置の
製造方法の第２例を、図１０に基づいて説明する。図１
０は再配線の形成手順の第２例を示す工程図である。 【００３２】本例の半導体装置の製造方法は、図１０
（ａ）に示すように、完成ウエハ２１に形成されたパッ
シベーション膜５上にフォトレジスト層２４を均一に形
成し、形成されたフォトレジスト層２４にバンプ設定用
の配線を含む所要の再配線パターンが形成されたマスク
２５を被せ、マスク２５の外側から所定波長の光２６を
照射してフォトレジスト層２４を露光する。しかる後
に、露光されたフォトレジスト層２４の現像処理を行
い、図１０（ｂ）に示すように、フォトレジスト層２４
の露光部分を除去して、パッシベーション膜５の前記露
光パターンと対応する部分を露出させる。フォトレジス
ト層２４の露光パターンは、図９に示すように、電極部
２７とバンプ設定用の再配線８とリード部２８とを含む
形状にすることができる。次いで、現像処理後の完成ウ
エハ２１をスパッタ装置又は真空蒸着装置に装着し、図
１０（ｃ）に示すように、前記パッシベーション膜５の
露出部分に金属スパッタ層又は金属蒸着層２３を形成す
る。次いで、図１０（ｄ）に示すように、完成ウエハ２
１に付着したフォトレジスト層２４をアッシング処理等
によって除去した後、電極部２７を一方の電極として、
金属スパッタ層又は金属蒸着層２３に電気めっきを施
し、図１０（ｅ）に示すように、金属スパッタ層又は金
属蒸着層２３の露出部分に金属めっき層２９を積層す
る。最後に、前記完成ウエハ２１をスクライビングし
て、図１乃至図４に示す所要の半導体装置１を得る。 【００３３】なお、本例においても、金属めっき層２９
の形成手段として電気めっき法を用いたが、かかる構成
に代えて、無電解めっき法を用いて前記金属めっき層２
９を形成することもできる。この場合には、金属めっき
層２９の形成に電極を必要としないので、フォトレジス
ト層２４の露光に際して、電極部２７の形成とリード部
２８の形成が不要になる。 【００３４】本例の半導体装置の製造方法は、前記第１
例に係る半導体装置の製造方法と同様の効果を有するほ
か、完成ウエハ２１に導電パターンを形成するための工
程数を少なくできるので、ＣＳＰタイプの半導体チップ
をより高能率に製造することができる。 【００３５】 【発明の効果】以上説明したように、本発明の再配線を
有する半導体装置は、再配線の厚みを表皮効果が生じる
表皮の厚さの２倍以上としたので、配線ロスを増大する
ことなく、８００ＭＨｚ以上の高周波信号に対応するこ
とができる。また、再配線の厚みを表皮効果が生じる表
皮の厚さの２倍以上としたことから再配線からの発熱を
小さくすることができ、半導体装置に作用する熱ストレ
スを減少することができて、配線基板との接続の信頼性
を高めることができる。さらに、再配線の厚さを所定の
厚み以上にしたことにより再配線の熱容量を向上するこ
とができるので、再配線からの発熱及び半導体回路から
の発熱を効率よく分散させることができ、ＣＳＰタイプ
の半導体装置に与える熱ストレスを抑制することができ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】実施形態例に係る半導体装置の一部切断した斜
視図である。 【図２】実施形態例に係る半導体装置の要部平面図であ
る。 【図３】実施形態例に係る半導体装置の要部断面図であ
る。 【図４】実施形態例に係る半導体装置の各部の寸法を示
す説明図である。 【図５】表皮効果の説明図である。 【図６】再配線の材質と再配線の導電率と再配線を流れ
る電流の周波数と再配線の最低厚みとの関係を示す表図
である。 【図７】所定のプロセス処理を経て完成されたいわゆる
完成ウエハの平面図である。 【図８】再配線の形成手順の第１例を示す工程図であ
る。 【図９】再配線が形成された完成ウエハの平面図であ
る。 【図１０】再配線の形成手順の第２例を示す工程図であ
る。 【符号の説明】 １ 半導体装置 ２ 主面 ３ 半導体素子領域 ４ 第１のボンディングパッド ５ パッシベーション膜 ６ 半導体素子 ７ 第１の絶縁膜 ８ 再配線 ９ 第２のボンディングパッド １０ 第２の絶縁膜 １１ バンプ電極 ２１ 完成ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F033 HH08 HH09 HH11 HH12 MM05 PP15 PP19 PP27 PP28 PP33 QQ08 QQ41 RR22 VV07 WW00 XX00 XX10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 主面に半導体素子領域が形成され、かつ
   当該主面における前記半導体素子領域の外周部に第１の
   ボンディングパッドが配列された半導体素子と、前記第
   １のボンディングパッドの一部を除く前記主面の全面に
   形成された第１の絶縁膜と、当該第１の絶縁膜上に形成
   され、一端が前記第１のボンディングパッドに接続され
   た再配線と、当該再配線の他端に形成され、前記第１の
   絶縁膜上に配置された第２のボンディングパッドと、当
   該第２のボンディングパッドの一部を除く前記第１の絶
   縁膜上の全面に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の
   ボンディングパッドに形成されたバンプ電極とを有し、
   前記再配線に８００ＭＨｚ以上の信号を用い、前記再配
   線の厚みをｈ、前記再配線を流れる電流の角周波数を
   ω、前記再配線の導電率をκ、前記再配線の透磁率をμ
   としたとき、前記再配線の厚みｈを下記の不等式を満た
   す範囲に設定することを特徴とする半導体装置。 【数１】