JP4949719B2

JP4949719B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP4949719B2
Application number: JP2006106237A
Authority: JP
Inventors: 康雄田中
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: JP2007281236A; US7547624B2; US20070238289A1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法、特に、突起電極を備えた半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、軽簿短小のニーズから、配線ピッチ幅の縮小化の傾向にある。従来、半導体集積回路の配線工程において、研磨砥粒等の化学反応物質を含むスラリーを用いて、半導体基板面を研磨する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９３４８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、配線ピッチ幅の縮小化を実現するとしても、スラリーから起因する不純物（酸性）の影響により、金属部分が湿気に弱くなる。
そこで、配線ピッチ幅の縮小化を実現しつつ、湿気に強い半導体装置が望まれていた。

この発明の半導体装置の製造方法は、前述の課題を解決するために、半導体チップ上に突起電極を形成するステップと、突起電極および半導体チップを樹脂層で封止するステップとを含む。さらに、突起電極の上面が露出するまで樹脂層を第１研磨するステップと、露出した突起電極の上面の面粗度が３０ｎm以下になるように、前記露出した突起電極の上面及び前記樹脂層を第２研磨するステップと、第２研磨した突起電極の上面に半田端子を形成するステップとを含む。
この発明の半導体装置の製造方法は、スラリーを用いることなく、半導体チップ上に形成された突起電極の上面を第１研磨した後、その上面をさらに第２研磨する。

この発明によれば、半導体チップ上に形成された突起電極の上面を第１研磨および第２研磨により研磨したため、突起電極の上面が、スラリーを用いることなく平滑になり、配線ピッチ幅の縮小化を実現しつつ、湿気に強い半導体装置が得られる。

図１は本発明の実施の形態に係る半導体装置の一構成例を示す断面図である。ここでは、ＣＳＰ(Chip Size Package)の場合を例にして説明するが、これに限られない。図１には、半導体基板上の半導体チップ１を含む半導体装置の一部の断面が示されている。半導体基板として、例えば、厚さが５００μｍ程度のシリコン基板を用いる。
図１において、半導体装置１００は、半導体チップ１と、メタルパッド２と、ポスト（突起電極）３と、樹脂層（封止層）４と、半田端子５とを含んで構成されている。

具体的には、半導体チップ１の周囲には、複数のメタルパッド２が所定の間隔で形成されている。そして、半導体チップ１の主面（図１では上面）、つまり回路形成面には、配線６を介して、ポスト３が形成されている。
ポスト３は、配線６を介して、メタルパッド２と電気的に接続されている。ポスト３は、たとえば銅で柱状に形成されている。なお、ポスト３の面粗度は、３０ｎｍ以下になっているが、この点は後記する。
また、ポスト３の側面３１および半導体チップ１の主面は、樹脂層４で封止されている。樹脂層４は、たとえばエポキシ等で形成されている。

次に、実施の形態に係る半導体装置１００の製造方法について図２Ａないし図２Ｅに基づいて説明する。
まず、半導体基板上の半導体チップ１の上面に、たとえば電気メッキ等でポスト３を形成する（図２Ａ参照）。具体的には、このとき、半導体チップ１の上面には、論理回路が形成されており、半導体チップ１の周辺には、メタルパッド（不図示）が形成されている。そして、この半導体チップ１の主面（図２では上面）全体に対して、絶縁膜（不図示）を形成する。絶縁膜は、例えばフォトリソグラフィなどの処理により形成する。次に、メタルパッド２および上記絶縁膜の表面に対して、例えばスパッタ法などの処理により再配線（図１の配線６に相当）を形成する。その後、その再配線の所定の位置にポスト３を形成する。この形成は、例えば銅による金属メッキ法を用いるが、アルミニウム、金、銀または白金による金属メッキ法を適用してもよい。

続いて、半導体チップ１の主面およびポスト３を封止するために、樹脂を充填して樹脂層４を形成する（図２Ｂ参照）。樹脂の充填は、例えばトランスファーモールド法等を用いる。これにより、樹脂層４がポスト３の上面に積層される。なお、本実施の形態では、図２Ｂに示したように、上記形成された樹脂層４の上面から半導体チップ１の下面までの厚さを投入厚という。

次に、ポスト３の上面が露出するまで、研磨刃３０を用いて、樹脂層４の上面を研磨する（図２Ｃ参照：ここでの研磨を第１研磨という）。この場合の研磨条件の一例を表１に示す。なお、「ポスト３の上面が露出するまで」というのは、あらかじめ定められたポスト３の高さに達するまでという意味であり、詳細については後記する。

表１によると、１軸（＃３２５）条件および２軸（＃６００）条件という研磨条件の異なる２段階の研磨が行われる。具体的には、まず、１軸（＃３２５）条件下で、＃３２５の砥石粒子を用いた第１段階の研磨が行われ、次に、２軸（＃６００）条件下で、＃６００の砥石粒子を用いた第２段階の研磨が行われる。
ここで、第１段階の研磨について詳述する。第１段階の研磨においては、まず、＃３２５の砥石粒子を用いて、半導体チップ１の下面から樹脂層４の上面までの厚さが、｛投入厚−（仕上げ厚＋３０μｍ）｝になるまで研磨する（１軸条件の研削量１ｓｔの欄参照）。仕上げ厚とは、あらかじめ設定された、半導体チップ１の下面から樹脂層４の上面までの厚さを意味する（図２Ｄ参照）。この場合、たとえば、砥石回転数を２４００ｒｐｍ、ステージ回転数を２００ｒｐｍ、砥石降下速度を１２５μｍ／ｍｉｎとする。

続いて、＃３２５の砥石粒子を用いて、２０μm分の樹脂層４の樹脂を研磨する。この場合、砥石回転数を２４００ｒｐｍ、ステージ回転数を２００ｒｐｍ、砥石降下速度を５０μｍ／ｍｉｎとする（表１の１軸条件、１ｓｔの各欄参照）。

次に、第２段階の研磨について詳述する。第２段階の研磨においては、表１に示したように、＃６００の砥石粒子を用いて、まず、砥石回転数を３０００ｒｐｍ、ステージ回転数を１２０ｒｐｍ、砥石降下速度を３０μｍ／ｍｉｎとして、厚さが１０μm分（研削量）の樹脂層４の樹脂を研削する（２軸条件、１ｓｔの各欄参照）。
さらに、＃６００の砥石粒子を用いて、１０μm分（研削量）の樹脂層４の樹脂を研削する（表１の２軸条件の研削量２ｓｔの欄参照）。この場合、砥石回転数を３０００ｒｐｍ、ステージ回転数を１２０ｒｐｍ、砥石降下速度を１５μｍ／ｍｉｎとする（表１の２軸条件、２ｓｔの各欄参照）。これにより、ポスト３の高さがあらかじめ定められた高さ（本実施の形態では、表１に示した２軸条件下での研削後のポストの高さ）になる。また、ポスト３の上面がある程度の面粗さ（ここでは、例えば２２０μｍ）になる。

なお、表１に示した２段階の研磨では、＃３２５の砥石粒子および＃６００の砥石粒子を用いた場合で説明したが、＃３００〜＃１２００のうちのいずれかの砥石粒子を適用してもよい。

次に、例えば、単結晶ダイヤモンドのバイトを用いて、露出したポスト３上面の仕上げ面粗度を３０ｎｍ以下に研磨する（図２Ｄ参照）。この場合の研磨条件の一例を表２に示す。なお、単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド粒子が＃２０００のダイヤモンド砥粒を用いるが、例えば、＃２０００よりも細かいダイヤモンド砥粒を用いてもよい。

表２によると、バイト回転数を２０００ｒｐｍ、ワークピッチ送りを２０μｍ／rev、バイトのスクイ角を０°として、ポスト３の上面および樹脂層４の樹脂を研磨する。これにより、ポスト３上面の仕上げ面粗度を２２０ｎｍ未満、好ましくは３０nm以下に仕上げる。

次に、リフローを行い、半田端子５を形成する（図２Ｅ参照）。この場合、メタルパッド２の領域には、酸化膜が形成されているので、この酸化膜が、リフロー時に水蒸気や炭酸に還元される。その結果、半田端子５内にボイド８が発生することになる。

その後、ダイシングによりウエハを個片化して、半導体装置１００が完成する。なお、このとき、半導体基板１の裏面を樹脂で封止することも可能である。

その後、半導体装置１００を不図示の基板（たとえばマザーボード）に実装する。この場合、温度変化により、半導体装置１００と上記基板との間に熱応力が生じ、時間の経過に伴い各半田端子５の接続部から内部に向かってクラックが伸展する。この際、各半田端子５内にボイドがあると、クラックの伸展が加速される。
したがって、ボイド８が大きければ大きいほど、ボイド８が大きく変形し、半田端子５の接続部が断線しやすくなる。また、ボイド８が大きければ大きいほど、半田端子５内部の断面積が小さくなり、半田端子５自体の強度が弱くなる。よって、半田端子５がクラックしやすくなる。このことは、ボイド８の数が多い場合にも同様のことがいえる。
すなわち、ボイド８の数が多ければ多いほど、半田端子５の接続部が断線しやすくなる。また、半田端子５内部の断面積が小さくなり、半田端子５自体の強度も弱くなる。

このようにして基板が実装された半導体装置１００（つまり製品）に関し、ポスト３上面の面粗度の値を変化させて、基板接続（ここでは、半導体装置１００と基板との接続の意味）の寿命比を測定した。その測定結果を表３に示す。なお、ここでは、各面粗度ごとに、計４つの試験条件下で製品の寿命（加速）試験を順次行った。試験条件は、１２５℃で９分、２５℃で１分、−２５℃で９分、２５℃で１分の順序とした。

表３によると、面粗度が５８nmの場合は、面粗度が２２０nmの場合に比べて、基板接続の寿命比が１．２倍になった。また、面粗度が３２nm、１０nmの場合は、面粗度が２２０nmの場合に比べて、それぞれ順に、基板接続の寿命比が１．５倍、１．７倍になった。

次に、面粗度を０nm〜２２０nmの範囲で変化させた場合の上記基板接続の寿命比を示すグラフを図３に示す。図３から、面粗度が２２０nmよりも小さくなるにつれ、基板接続の寿命比が大きくなることがわかった。つまり、面粗度が小さくなればなるほど、半導体装置１００と基板との間の接続の信頼性が向上することがわかった。以上から、面粗度が３０nm以下の場合が好適であることがわかった。
これは、次のような理由による。すなわち、ポスト３上面の面粗度が小さくなれば、ポスト３上面の表面積が小さくなるので、上記リフロー時において（図２Ｅ参照）、ポスト３に形成される酸化膜の量が少なくなる。したがって、酸化膜に起因する水蒸気や炭酸ガスの発生量も少なくなり、水蒸気や炭酸ガス等で生じるボイド８も小さくなるからである。

以上のように、本実施の形態では、従来におけるスラリーを用いることなく半導体装置を製造するので、スラリーから起因する不純物（酸性）の影響により、金属部分が湿気に弱いという不都合もない。また、ポスト３の面粗度を好適な３０nm以下にするので、基板接続の寿命が比較的延び、基板接続の信頼性が向上する。よって、配線ピッチ幅の縮小化を実現しつつ、湿気に強い半導体装置１００を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、種々の変形が可能である。突起電極として、たとえば、ポスト３を用いた場合について説明したが、たとえば、バンプを用いてもよい。また、突起電極の形状も柱状に限られず、たとえば凸状にしてもよい。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の一例を示す断面図。図１の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。図１の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。図１の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。図１の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。図１の半導体装置の製造工程の一部を示す断面図。ポスト上面の面粗度と基板接続の寿命比との関係を示すグラフ。

符号の説明

１００半導体装置
１半導体チップ
２メタルパッド
３ポスト（突起電極）
４樹脂層（封止層）
５半田端子
６配線

Claims

半導体チップ上に突起電極を形成するステップと、
前記突起電極および前記半導体チップを樹脂層で封止するステップと、
前記突起電極の上面が露出するまで前記樹脂層を第１研磨するステップと、
前記露出した突起電極の上面の面粗度が３０ｎm以下になるように、前記露出した突起電極の上面及び前記樹脂層を第２研磨するステップと、
前記第２研磨した突起電極の上面に半田端子を形成するステップと、を含む、
半導体装置の製造方法。
前記第１研磨では、前記突起電極の上面の面粗度が２００ｎmになるまで研磨を行う、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１研磨では、回転砥石を用いて、研磨条件の異なる２段階の研磨を行う、
請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１研磨は、前記回転砥石の粒子が＃３００〜＃１２００の前記研磨条件で行う、
請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２研磨では、ダイヤモンド粒子が＃２０００以上細かいダイヤモンド砥粒を用いて研磨する、
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記突起電極は銅により形成されている、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置であって、
前記半導体チップ上に形成され、かつ上面の面粗度が３０ｎm以下の突起電極と、
前記突起電極の側面よび前記半導体チップの主面を封止する封止層と、
前記面粗度が３０ｎm以下の突起電極の上面に形成された半田端子と、を備えた半導体装置。
前記突起電極は銅により形成されている、請求項８に記載の半導体装置。