JP3750468B2 - Semiconductor wafer manufacturing method and semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度実装対応のウエーハレベルのCSP(チップサイズパッケージ)型の半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話や情報端末等の機器類の小型化に伴い、搭載部品の小型,軽量化が要求され、LSI等の半導体装置も、従来のウエーハ処理工程とパッケージ組み立て工程を一本化したウエーハレベルのCSPの供給が行われるようになった。ウエーハレベルのCSPの特徴は、従来の単チップから作られるCSPに比べ、インタポーザ等の部品点数や工程数の削減による製造コストを抑え、パッケージトータルの低コスト化を図るものである。この技術は、例えば1999年の日経マイクロデバイス2月号p38〜p67や電子材料9月号p21〜p85にその構造や工程概要が記載されている。
【0003】
これらの製造方法は、例えば図7及び図8に示す。
【0004】
まず、図7(A)に示すように、半導体素子が作り込まれたシリコン基板11のAl合金配線パッド12上のシリコン窒化膜等の保護絶縁層13及びポリイミド層14を開孔した後に、CrやTiW等の密着層15上にCuをそれぞれスパッタしてシード層16を形成後、更にフォトレジスト17をマスクにCuを選択メッキし、引き出し用の再配線層18を形成する。次に、図7(B)に示すように、新たなフォトレジスト19をマスクに100μm程度の厚いCu層と、バリア層31を選択メッキして、バリアが積層されたCuポスト30を形成する。次に、図8(A)に示すように、レジスト19を剥離した後、再配線層18をマスクにシード層16、密着層15をエッチング除去すると、各々分離した再配線が形成される。更に、図8(B)に示すように、シリコン基板11全体の少なくとも表面を封止樹脂21で密閉した後、該樹脂21を研削もしくは機械研磨によってCuポスト30表面のバリア層31を露出させる。更に自動移載機によって各ポスト30領域にハンダボールを搭載し、ハンダボールがポスト30に溶着するように熱処理を施し、外部端子22を形成する。その後電気特性がチェックされチップ毎にダイシングし、携帯機器類のマザーボード等に装着される。
【0005】
しかしこの技術においては、以下のような問題を有する。
【0006】
Cuポスト30をメッキで形成することで、100μmを超すような厚いレジストのパターニングや長時間のメッキ工程を必要とし、コストと流動工数が問題となる。更にCuポスト30は垂直に形成されるため縦方向の引っ張り応力には弱く、特にフレキシブルボードに搭載した場合は再配線層18との剥離が生ずる問題がある。一方、ポスト30にかかる圧縮応力をシリコン基板11表面の半導体素子に不具合を与えないように、厚み数十〜100μm前後のポリイミド層14を敷いて弾力を持たせているが、逆にこの結果ポストの上下微動に伴い、パッド開孔部と再配線との接触部に応力が集中し、樹脂封止や研削工程あるいはボードへの装着等の後工程で、パッド12領域周辺に断線やクラックが生じ易い。
【0007】
又この他、薄いバリア層31を再現良く残すように研削しなくてはならず、封止樹脂の厚み,研削量及びメッキ厚み等の管理項目が多く量産性も問題である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ウエーハレベルのCSP型の半導体装置において、工程の増加を伴うことなく、低コストで信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体ウエハーの製造方法は、
(a)パッド及び前記パッド部が開孔されている保護絶縁層を有する半導体ウエハーの前記保護絶縁層上に応力緩和層を形成する工程
(b)前記パッドから前記応力緩和層上に至るまで再配線層を施す工程
(c)前記再配線層に球状ポストとなるメタルボールを搭載する工程
(d)樹脂にて封止を行った後に、前記樹脂の所望量を除去し前記球状ポストの一部を露出させる工程
(e)露出した前記球状ポストの上に外部端子を形成する工程
を有し、前記工程(e)において、前記外部端子は前記球状ポストより融点の低い組成材料でなることを特徴とする。
【0010】
(a)最終配線パッドから電極引き出し用の再配線層を施す工程
(b)前記再配線層の所望領域に球状ポストとなるメタルボールを搭載する工程
(c)樹脂にて封止を行った後に、前記樹脂の所望量を除去し前記ポストの一部を露出させる工程、及び
(d)露出した前記球状ポストの上に外部端子を形成する工程。
【0011】
本発明の製造方法においては、LSI等の最終配線の外部取り出し用パッド、あるいはダミーパッド開孔部に再配線層を施し、その所望領域に第1のメタルボールを搭載し、溶着させ、これを封止樹脂で包み、研削もしくは機械研磨等によって一部を露出させた後、更に第2のメタルボールを搭載し溶着することで、外部端子が形成される。
【0012】
この製造方法によれば、側面が弓形をなし引っ張り応力にも強いポストが形成でき、従って工数を増加させることなく、簡易なプロセスによりコストの削減と量産性及び信頼性の向上が図れる。
【0014】
ここで、前記工程(b)において、再配線層を選択メッキで形成する際に、第1のメタルボールを搭載する領域にフォトレジストを残すことにより、再配線層の金属がメッキされないようなへこみ部を同一工程で形成し、このへこみ部が第1のメタルボールの搭載時のアライメント誤差を吸収し、配置精度を向上するためのガイドとしての役割をなす。このことによりメタルボールの位置ずれや、又メタルボールがハンダ材でなる場合は溶着温度がばらついてもハンダ流れを起こすことがなく、ばらつきの少ない安定した球状ポストを確保することができる。溶着条件のマージン拡大に加え、ポストの固定も確実に行われ接触不良等の低減が可能となる。
【0015】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、前記工程(d)において、前記樹脂の除去量は、上面から球状ポストの最大径に達するまでとすることを特徴とする。
【0017】
ここで、工程(c)及び(e)において、球状ポスト及び外部端子としてハンダでなるメタルボールを用いた場合は、熱処理によって再配線やポストに熱印可することで溶着させるが、ポストとなる第1のメタルボールの融点を、外部端子となる第2のメタルボールの融点より高い材料を用いることで、外部端子自身の溶着や、マザーボード等へ装着する際にポストの形状崩れに対して温度条件のマージンを広く設定することができ、歩留まりの良い組み立てが可能となる。
【0018】
さらには、本発明の半導体装置の製造方法は、前記工程(e)の後に、ダイシングを施してチップ毎に固片化する工程をさらに有することを特徴とする。
【0019】
前記チップ毎に固片化する工程は、前記工程(a)〜(e)を半導体ウエハーに対して行った場合に適用される工程であり、前記工程(a)〜(e)を固片チップに対して行った場合には適用されない。
【0020】
ここで、工程(c)及び(e)において、球状ポスト及び外部端子としてハンダでなるメタルボールを用いる場合に、内部にCuやNi等のハンダより融点の高い核を持ったボールを用いることで外部端子の高さや形状がばらつきが少なくなる。したがってボード搭載時の歩留まりが改善され、更に核の浮遊によってマザーボード等への装着時の応力緩和の役割も果たし、素子への特性影響と装着条件の制御が容易となる。
【0021】
また、本発明の半導体装置は、パッド及び前記パッド部が開孔されている保護絶縁層を有する基板の前記保護絶縁層上に形成された応力緩和層と、前記パッドから前記応力緩和層上に至るまで形成された再配線層と、前記再配線層の所望領域に封止樹脂で一部を囲まれたメタルボールでなる球状ポストと、前記球状ポストの上に形成された外部端子と、を有し、前記外部端子は、前記球状ポストより融点の低い組成材料でなることを特徴とする。
【0022】
この半導体装置によれば、樹脂で覆われるポスト側面の形状は、シリコン基板に対して少なくとも一部に垂直でない領域を持つことができ、ウエーハレベルのCSPとして、例えば携帯機器のマザーボード等に装着する場合の引っ張り応力に対して強度が確保され、歩留まりや信頼性の向上が図れる。更に、ポストが配置される領域の再配線層の少なくとも一部に、搭載するメタルボールの配置ガイドを設けることで、ポストの位置制御と密着強度の向上が図れる。
【0023】
本発明の半導体装置は半導体ウエハーであってもよい。
【0025】
さらには、本発明の半導体装置は、前記球状ポスト及び前記外部端子は、搭載メタルボールで形成されていることを特徴とする。
【0026】
あるいは、本発明の半導体装置は、前記球状ポスト及び前記外部端子を構成する搭載メタルボールは、ハンダ材で形成されていることを特徴とする。
【0027】
または、本発明の半導体装置は、最終配線パッドから電極引き出し用の再配線層において、ポストあるいは外部端子が搭載される領域の再配線層の膜厚の一部が、再配線層を主体的に形成する厚みより薄くなっていることを特徴とする。
【0029】
ここで、球状ポストや外部端子をハンダでなるメタルボールで形成する場合に、外部端子は、球状ポストより融点の低い組成材料とすることで、更には該ボール内部に、ハンダより融点の高い、例えばCuやNiあるいは合金等の核を保有させることで、外部端子の形状ばらつきを抑え、ボード等への装着時の溶着時に応力の緩和や装着条件マージンを広くとることが可能になり、歩留まりや信頼性の向上が図れる。
【0030】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の断面構造図である。第1の実施の形態に係る半導体装置の構造を簡単に説明する。シリコン基板11にはMOSトランジスタ等の半導体素子が形成され、これらが層間絶縁膜を介してAl合金等の金属で配線され、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等でなる最終保護絶縁層13で覆っている。外部電極取り出しのために例えば最終配線の外部への電極取り出し用のパッド12を設け、該保護絶縁層13の必要領域を開孔し、その上層に開孔部を除いて例えば数十〜100μm程度のポリイミド層14が、素子への応力緩和のため積層されている。パッド12からはTiWでなる密着層15とCuシード層16、更に数μm厚みのCuをメッキ成膜した再配線層18を有する。再配線層18上の所定領域には、第1のメタルボールを搭載し熱処理によって溶着した球状ポスト20が形成され、その周囲をエポキシ等の封止樹脂21で包み、表面はほぼ同一面で研削され、結果的にポスト20側面は弓形をなしている。露出した頭部に第2のメタルボールを搭載した外部端子22が、所望ポスト20上に溶着形成されている。内部素子からパッド12、再配線層18、球状ポスト20等を介して外部端子22に電気的接続がなされる。
【0031】
次に、第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図2及び図3は、これを工程順に説明するための概略断面図である。
【0032】
図2(A)に示すように、まず半導体素子等が形成されたシリコン基板11にパッド12を含むAl合金の最終配線と、プラズマCVDによってシリコン窒化膜等の保護絶縁層13を1000nm程度成膜し、所望領域の該絶縁層13を選択エッチングして開孔する。更に応力緩和のため厚みが数十〜100μm程度のポリイミド層14を成膜しパッド開孔部を選択除去する。保護絶縁層13とポリイミド層14は同一フォトマスクで選択開孔してもよいが、パッド12周辺の開孔段差形状をテーパー化し、後述する再配線工程での段切れを防ぐ為に、別工程で行なった。又、感光性ポリイミドを用いるとポリイミド層の開孔工程が簡略化される。次いで、数十〜100nm程度のTiW,100〜1000nm程度のCuを連続スパッタして密着層15及びシード層16を形成した後、フォトレジスト17をパターニングしここに数百〜数千nm程度の厚みのCuを選択電界メッキし、Cu表面の酸化を防ぐためのキャップメタルとして例えばNiを薄く連続メッキした再配線層18を形成する。密着層15は、Tiwの他にCr,Ni,Ti,TiCu,Pt等高融点金属やその合金を適用しても良い。またシード層16にはCuの他にNi、AgやAuもしくはこれらの合金も適用できる。更にキャップメタルとしてNiの他に、Au,Pt,Pd等やその合金も適用できる。
【0033】
次に、図2(B)に示すように、フォトレジスト17を剥離後、必要に応じフラックスを回転塗布してから、再配線層18の所望領域に直径が100〜150μm程度の第1のメタルボール200を自動移載機で搭載させる。ボール組成はPb85〜97wt%/Snの組成でなる高温ハンダ材を用いた。
【0034】
次に、図2(C)に示すように、180〜230℃程度の窒素雰囲気中で数〜10分ほどの熱処理をするとメタルボール200が多少フローされて再配線層18に溶着し球状ポスト20が形成される。
【0035】
その後、再配線層18をマスクにイオンミーリングを用いて不要領域のシード層16と密着層15を選択除去することで、再配線が各々分離される。この除去工程には、王水、硝酸第二セリウムアンモニウムや水酸化カリウムの水溶液等のウエットエッチでも良いが、再配線を構成する各金属層のサイドエッチや、厚み減少を考慮するとドライエッチャーやミーリング等によるエッチバックが好ましい。又、エッチバックの工程は、メタルボールの搭載前の工程で行なってもよいが、キャップメタルの減少等を考慮すると、球状ポスト20を溶着した後が好ましい。
【0036】
続いて、図3(A)に示すように、モールド装置でエポキシ等の封止樹脂21で球状ポスト20が充分覆うように封止し、更に、図3(B)に示すように、グラインダーで該ポスト20が露出するように研削する。この時の研削量の管理は、球状ポスト20の頂点から最大径に達するまでの距離の1/5〜4/5の範囲として、研削量のマージンは従来のCuポストを用いる場合より十分に大きくできる。ここではポスト20が封止樹脂21で上面から包まれるかたちをなすことがポイントである。尚、樹脂21の研削にはグラインダーを用いたがウエーハ状のシリコン基板全面を一括機械研磨する方式あるいは、酸素やCF4あるいはNF3もしくはこれらの混合ガスを用いたドライエッチャーによるエッチバックも応用可能である。
【0037】
次に、図3(C)に示すように、必要に応じフラックスを塗布し、Pb/Sn60〜70wt%の低温ハンダ材でなる第2のメタルボール220を自動移載機で必要な球状ポスト20上に配置し、170〜200℃程度の窒素雰囲気で熱処理させると、図1に示すように、球状ポスト20と溶着した外部端子22が形成される。第2のメタルボール220の大きさは、BGA(Boll Grid Array)用に150〜300μm径を用いたが、用途によって特に限定されない。外部端子22用の第2のメタルボール220は、球状ポスト20に用いる第1のメタルボール200より融点の低い材料を用いた方が、熱処理時にポストの変形が少ないので、外部端子形状のばらつきが少ない。又、外部端子としてメタルボール220を搭載する代わりに、印刷法、メッキ法やメタルジェット法による外部端子用のハンダ層の形成も考えられるが、工数やコスト、形状再現性はボール搭載法に劣る。
【0038】
第1の実施の形態によれば、ポスト20の側面は弓形を保って封止樹脂21で包み込まれるように固定されている。従って後工程で生ずる各方向からの応力に対しても、ポスト20の密着力が確保され、特に従来に比べ引っ張り方向の応力に対する密着力は大幅に改善され、歩留まりや信頼性の向上が図れた。又、ポスト20の形成においては、厚いCu層の為のメッキやフォト工程を必要とせず、スループットやコストの改善がなされる。更に外部端子22を構成する材料の融点をポスト20の構成材料のそれより低くし、外部端子22の形状安定化も含めマザーボード等へのCSP装着歩留まりと信頼性が確保される。
【0039】
(他の実施の形態)
第1のメタルボール200を再配線層18上に搭載して球状ポストを形成するが、搭載時のアライメント誤差や、熱処理時にボールが所定位置から外れてしまうことがまれにあった。従って、図4(A)に示すように、再配線層18を形成する為のフォト工程で、再配線層を形成する領域の更に内部にパターンレジスト170を同一工程で形成しておき、Cuメッキで再配線層18とNiのキャップ層を選択メッキしてからレジスト17,170を剥離すると、図4(B)に示すように、第1のメタルボール200を搭載する再配線層18領域に、へこみ部40を形成することができる。次にフラックスを回転塗布し、その上部にハンダ材でなる第1のメタルボール200を自動搭載する。続いて、図5(A)に示すように、熱処理をするとメタルボール200が多少フローされて再配線層18とへこみ部40に溶着した球状ポスト20が形成される。
【0040】
その後、再配線層18をマスクにイオンミーリング等を用いて不要領域のシード層16と密着層15を選択除去することで、再配線が各々分離される。
【0041】
次に、図5(B)に示すように、モールド装置でエポキシ等の封止樹脂21で球状ポスト20を充分覆うように封止した後、グラインダーで、該ポスト20を露出させ、且つポスト20が封止樹脂21で上面から包まれるかたちをなすように研削し、ハンダ材でなる第2のメタルボール220を自動移載機で必要な球状ポスト20上に配置し、170〜200℃程度のベルト炉を用いて熱処理させると、球状ポスト20と溶着した外部端子22が形成される。第1のメタルボール200の大きさは直径が100〜150μm,第2のメタルボール220の大きさは150〜300μm径を用いたが、用途によって特に限定されるものではない。
【0042】
このようにしてなる半導体装置は、第1のメタルボールの搭載アライメント誤差が数〜10μm位あっても、へこみ部40が第1のメタルボール200のガイドとなって、ポスト20の想定座標位置に落とし込み配列することができる。更にフラックスを塗布する場合は、へこみ部40がフラックス溜りとなるため、塗布厚みを従来の1/2以下にしても、密着性や形状等に問題は発生しなかった。
【0043】
又、へこみ部40の効果として、熱処理装置のばらつきで温度が高くなってしまった場合に再配線層18の表面をハンダが流れてしまうような現象がなくなり、更に再配線層18とポスト20との密着面積が増し強度も大きくなった。このように、工程を増加することなく、ポストの密着強度や形状の安定化と、フラックスコスト低減が可能となり、量産性の半導体装置を提供できた。更にポストを持たず、直接外部端子を再配線層から取り出すような構造を採る場合にも、このへこみ部40の形成は、フラックスの溜り,あるいはハンダ材の位置や形状安定化に有効であった。
【0044】
この他、実施の形態ではポストや外部端子となるメタルボールは、ハンダ材を用いたが、図6に示すように、内部に融点の高いNi核50を含み、外周が従来のハンダ材で覆われたボールを試作適用した結果、従来の場合に比べポスト20や外部端子22の形状の安定化が図れた。マザーボードへCSPを装着する工程においては、ハンダ溶着の際に核の浮遊運動によ、外部端子に高さがばらついても確実な接触と固定が確保され、その結果溶着圧力や温度制御マージンが広がり、組み立て歩留まりの向上が図れた。
【0045】
尚、これまで説明した実施の形態においては、半導体装置の配線がAl合金で構成された場合について説明したが、Cuや高融点金属材料もしくはそれらの積層や合金配線層で形成されたものでも可能で、さらに配線層の形成がダマシン法で行われる半導体装置にも適用できる。特にCuを用いたダマシン配線にCuやNiの再配線を形成する場合は、平坦性やパッド材との密着相性が良好である。
【0046】
又、実施例でのメタルボールは、Pb/Sn系ハンダのほかに、Pbを含まないハンダ材としてSnにAg、CuやBi等を含む組成のハンダの適用も可能であり、更にハンダ意外の材料として、Ni,Cu,Auやその他高融点金属、あるいは各種合金を素材とするボールの適用も可能である。
【0047】
更に、各メタルボールを溶着するにあたってはベルト炉を用いていたが、ボール自動移載機において、基板を加熱しながらボ−ル搭載と同時に加熱処理を行ない、続けて溶着することもできる。
【0048】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ウエーハレベルのCSPにおて、搭載されたメタルボールによって球状ポスト及び外部端子が形成され、更に該ポストを封止樹脂で包むかたちとして、再配線からポストおよび外部端子強度を大きくし信頼性の高い半導体装置を低コストで供給することができる。更にハンダ外部端子内部に、該ハンダ材より高い融点の金属核を保有させることや、球状ポスト直下の再配線層に、メタルボールの配列ガイドのためのへこみ部を形成すること等により、更に各構成部材の形状ばらつきを抑え、CSPをマザーボードへ装着する際の歩留まり向上や、半導体素子へ加わる応力緩和が図れ、信頼性が高く量産性に富んだ微細CSP型の半導体装置を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置の断面構造面である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
【図3】図2に示す工程に続いて行われる本発明の第1の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
【図4】本発明の他の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
【図5】図4に示す工程に続いて行われる本発明の他の実施の形態に係わる半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である
【図6】本発明の更に他の実施の形態に係わる半導体装置を示す断面構造図である。
【図7】従来の半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
【図8】図7に示す工程に続いて行われる従来の半導体装置の製造方法の一例を工程順に示す断面構造図である。
【符号の説明】
11 シリコン基板
12 パッド
13 保護絶縁層
14 ポリイミド層
15 密着層
16 シード層
17、19、170 レシスト
18 再配線層
20 球状ポスト
21 封止樹脂
22 外部端子
30 Cuポスト
31 バリア層
40 へこみ部
50 核
200 第1のメタルボール
220 第2のメタルボール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wafer level CSP (chip size package) type semiconductor device compatible with high-density mounting and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, along with the downsizing of devices such as mobile phones and information terminals, there has been a demand for smaller and lighter mounted components, and semiconductor devices such as LSIs have also been integrated into a conventional wafer processing process and a package assembly process. Level CSP is now supplied. The feature of the wafer level CSP is that the manufacturing cost is reduced by reducing the number of parts such as an interposer and the number of processes as compared with the conventional CSP made from a single chip, and the total cost of the package is reduced. The structure and process outline of this technology are described in, for example, the Nikkei Microdevice February issue p38 to p67 in 1999 and the electronic material September issue p21 to p85.
[0003]
These manufacturing methods are shown in FIGS. 7 and 8, for example.
[0004]
First, as shown in FIG. 7A, after opening a protective insulating layer 13 such as a silicon nitride film and a polyimide layer 14 on an Al alloy wiring pad 12 of a silicon substrate 11 in which a semiconductor element is formed, Cr is formed. Then, Cu is sputtered on the adhesion layer 15 such as TiW and TiW to form the seed layer 16, and then Cu is selectively plated using the photoresist 17 as a mask to form a rewiring layer 18 for extraction. Next, as shown in FIG. 7B, a Cu post 30 in which a barrier is stacked is formed by selectively plating a thick Cu layer of about 100 μm and a barrier layer 31 using a new photoresist 19 as a mask. Next, as shown in FIG. 8A, after the resist 19 is removed, the seed layer 16 and the adhesion layer 15 are removed by etching using the rewiring layer 18 as a mask, thereby forming separate rewirings. Further, as shown in FIG. 8B, after sealing at least the entire surface of the silicon substrate 11 with a sealing resin 21, the barrier layer 31 on the surface of the Cu post 30 is exposed by grinding or mechanical polishing the resin 21. Further, a solder ball is mounted on each post 30 region by an automatic transfer machine, and heat treatment is performed so that the solder ball is welded to the post 30 to form the external terminal 22. Thereafter, the electrical characteristics are checked, and each chip is diced and mounted on a mother board or the like of portable equipment.
[0005]
However, this technique has the following problems.
[0006]
By forming the Cu post 30 by plating, a thick resist pattern exceeding 100 μm and a long plating process are required, and costs and flow man-hours become problems. Further, since the Cu post 30 is formed vertically, the Cu post 30 is weak against a tensile stress in the vertical direction, and particularly when mounted on a flexible board, there is a problem that peeling from the rewiring layer 18 occurs. On the other hand, the polyimide layer 14 with a thickness of about several tens to 100 μm is laid to give elasticity so that the compressive stress applied to the post 30 does not give a problem to the semiconductor element on the surface of the silicon substrate 11. With the fine movement of the pad, stress concentrates on the contact area between the pad opening and the rewiring, and breaks and cracks occur around the pad 12 area in the post-process such as resin sealing, grinding process, or mounting on the board. easy.
[0007]
In addition, the thin barrier layer 31 must be ground in a reproducible manner, and there are many management items such as the thickness of the sealing resin, the grinding amount, and the plating thickness, and mass productivity is also a problem.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a low-cost and highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same without increasing the number of steps in a wafer-level CSP type semiconductor device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A method for producing a semiconductor wafer according to the present invention includes:
(A) A step of forming a stress relaxation layer on the protective insulating layer of the semiconductor wafer having a pad and a protective insulating layer in which the pad portion is opened. (B) Re-extending from the pad to the stress relaxing layer. (C) Step of mounting metal balls to be spherical posts on the rewiring layer (d) After sealing with resin, a desired amount of the resin is removed and a part of the spherical post (E) a step of forming an external terminal on the exposed spherical post, wherein in the step (e), the external terminal is made of a composition material having a melting point lower than that of the spherical post. And
[0010]
(A) Step of applying a rewiring layer for extracting an electrode from the final wiring pad (b) Step of mounting a metal ball to be a spherical post in a desired region of the rewiring layer (c) After sealing with resin Removing a desired amount of the resin to expose a part of the post; and (d) forming an external terminal on the exposed spherical post.
[0011]
In the manufacturing method of the present invention, a rewiring layer is applied to a pad for external extraction of a final wiring such as an LSI or a dummy pad opening, and a first metal ball is mounted in a desired region and welded. After being wrapped with a sealing resin and partially exposed by grinding or mechanical polishing, a second metal ball is further mounted and welded to form an external terminal.
[0012]
According to this manufacturing method, it is possible to form a post having a bow-shaped side surface and strong against a tensile stress, and therefore, the cost can be reduced and the mass productivity and the reliability can be improved by a simple process without increasing the number of steps.
[0014]
Here, in the step (b), when the rewiring layer is formed by selective plating, the metal in the rewiring layer is not plated by leaving the photoresist in the region where the first metal balls are mounted. The recess is formed in the same process, and the recess serves as a guide for absorbing the alignment error when the first metal ball is mounted and improving the placement accuracy. As a result, when the metal ball is misaligned, or when the metal ball is made of a solder material, solder flow does not occur even if the welding temperature varies, and a stable spherical post with little variation can be secured. In addition to expanding the margin of welding conditions, the post is also securely fixed, and contact failure and the like can be reduced.
[0015]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the step (d), the removal amount of the resin is from the upper surface until reaching the maximum diameter of the spherical post.
[0017]
Here, in the steps (c) and (e), when a metal ball made of solder is used as the spherical post and the external terminal, it is welded by applying heat to the rewiring or post by heat treatment. By using a material in which the melting point of the first metal ball is higher than the melting point of the second metal ball serving as the external terminal, the temperature condition against the welding of the external terminal itself or the collapse of the shape of the post when it is mounted on a motherboard or the like As a result, a wide margin can be set, and assembly with a high yield is possible.
[0018]
Furthermore, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is characterized by further comprising a step of dicing and chip-dividing each chip after the step (e).
[0019]
The step of solidifying for each chip is a step that is applied when the steps (a) to (e) are performed on a semiconductor wafer, and the steps (a) to (e) are performed as solid chips. Does not apply to
[0020]
Here, in the steps (c) and (e), when a metal ball made of solder is used as a spherical post and an external terminal, a ball having a nucleus having a melting point higher than that of solder such as Cu or Ni is used inside. Variations in height and shape of external terminals are reduced. Therefore, the yield at the time of mounting the board is improved, and also the role of stress relaxation at the time of mounting on the mother board or the like is played by the floating of the nucleus, and the control of the characteristic influence on the element and the mounting conditions becomes easy.
[0021]
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a stress relaxation layer formed on a protective insulating layer of a substrate having a pad and a protective insulating layer in which the pad portion is opened; and the stress relaxation layer from the pad. A rewiring layer formed up to, a spherical post made of a metal ball partially surrounded by a sealing resin in a desired region of the rewiring layer, and an external terminal formed on the spherical post, The external terminal is made of a composition material having a melting point lower than that of the spherical post.
[0022]
According to this semiconductor device, the shape of the side surface of the post covered with resin can have a region that is not at least partially perpendicular to the silicon substrate, and is mounted on a mother board of a portable device as a wafer level CSP, for example. In this case, the strength is secured against the tensile stress, and the yield and reliability can be improved. Furthermore, by providing a placement guide for the metal balls to be mounted on at least a part of the rewiring layer in the region where the posts are placed, post position control and adhesion strength can be improved.
[0023]
The semiconductor device of the present invention may be a semiconductor wafer.
[0025]
Furthermore, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the spherical post and the external terminal are formed of a mounted metal ball.
[0026]
Alternatively, the semiconductor device of the present invention is characterized in that the mounting metal balls constituting the spherical posts and the external terminals are made of a solder material.
[0027]
Alternatively, in the semiconductor device of the present invention, in the rewiring layer for extracting the electrode from the final wiring pad, a part of the thickness of the rewiring layer in the region where the post or the external terminal is mounted mainly It is characterized by being thinner than the thickness to be formed.
[0029]
Here, when the spherical post and the external terminal are formed of a metal ball made of solder, the external terminal is made of a composition material having a melting point lower than that of the spherical post, and further inside the ball, the melting point is higher than that of the solder. For example, by holding a core such as Cu, Ni, or an alloy, it is possible to suppress variation in the shape of the external terminal, relax stress during mounting when mounting on a board, etc., and widen a mounting condition margin. Reliability can be improved.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional structural view of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be briefly described. Semiconductor elements such as MOS transistors are formed on the silicon substrate 11 and these are wired with a metal such as an Al alloy via an interlayer insulating film and covered with a final protective insulating layer 13 made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like. Yes. For taking out the external electrode, for example, a pad 12 for taking out the electrode to the outside of the final wiring is provided, a necessary region of the protective insulating layer 13 is opened, and, for example, about several tens to 100 μm excluding the opening in the upper layer. The polyimide layer 14 is laminated to relieve stress on the element. The pad 12 includes an adhesion layer 15 made of TiW, a Cu seed layer 16, and a rewiring layer 18 on which Cu having a thickness of several μm is plated. A spherical post 20 mounted with a first metal ball and welded by heat treatment is formed in a predetermined region on the rewiring layer 18, and the periphery thereof is wrapped with a sealing resin 21 such as epoxy, and the surface is ground with substantially the same surface. As a result, the side surface of the post 20 has an arcuate shape. An external terminal 22 having a second metal ball mounted on the exposed head is formed on the desired post 20 by welding. Electrical connection is made from the internal element to the external terminal 22 via the pad 12, the rewiring layer 18, the spherical post 20, and the like.
[0031]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 2 and 3 are schematic cross-sectional views for explaining this in the order of steps.
[0032]
As shown in FIG. 2A, first, an Al alloy final wiring including pads 12 is formed on a silicon substrate 11 on which a semiconductor element or the like is formed and a protective insulating layer 13 such as a silicon nitride film is formed by plasma CVD to a thickness of about 1000 nm. Then, the insulating layer 13 in a desired region is selectively etched to form a hole. Further, a polyimide layer 14 having a thickness of about several tens to 100 μm is formed for stress relaxation, and the pad opening is selectively removed. The protective insulating layer 13 and the polyimide layer 14 may be selectively opened with the same photomask. However, in order to taper the opening step shape around the pad 12 and prevent disconnection in the rewiring process described later, separate steps are required. It was done in. Moreover, when photosensitive polyimide is used, the step of opening the polyimide layer is simplified. Subsequently, TiW of about several tens to 100 nm and Cu of about 100 to 1000 nm are continuously sputtered to form the adhesion layer 15 and the seed layer 16, and then a photoresist 17 is patterned to have a thickness of about several hundred to several thousand nm. Then, a re-wiring layer 18 is formed by continuously plating, for example, Ni thinly as a cap metal for preventing oxidation of the Cu surface. The adhesion layer 15 may be made of refractory metal such as Cr, Ni, Ti, TiCu, or Pt or an alloy thereof in addition to Tiw. In addition to Cu, Ni, Ag, Au, or an alloy thereof can be applied to the seed layer 16. Furthermore, Au, Pt, Pd, or an alloy thereof can be applied in addition to Ni as a cap metal.
[0033]
Next, as shown in FIG. 2B, after the photoresist 17 is peeled off, a flux is spin-coated as necessary, and then a first metal having a diameter of about 100 to 150 μm is formed in a desired region of the rewiring layer 18. The ball 200 is mounted by an automatic transfer machine. As the ball composition, a high-temperature solder material having a composition of Pb85 to 97 wt% / Sn was used.
[0034]
Next, as shown in FIG. 2C, when heat treatment is performed for several tens of minutes in a nitrogen atmosphere at about 180 to 230 ° C., the metal balls 200 are somewhat flowed and welded to the rewiring layer 18 to form spherical posts 20. Is formed.
[0035]
Thereafter, the rewiring is separated by selectively removing the seed layer 16 and the adhesion layer 15 in the unnecessary region using ion milling with the rewiring layer 18 as a mask. This removal process may be a wet etch such as aqua regia, an aqueous solution of ceric ammonium nitrate or potassium hydroxide. However, when considering the side etch of each metal layer constituting the rewiring and the thickness reduction, dry etcher or milling Etch back by such as is preferable. The etch back process may be performed before the metal ball is mounted, but it is preferable to weld the spherical post 20 in consideration of the reduction of the cap metal.
[0036]
Subsequently, as shown in FIG. 3 (A), sealing is performed so that the spherical post 20 is sufficiently covered with a sealing resin 21 such as epoxy in a molding apparatus, and further, as shown in FIG. 3 (B), with a grinder. Grind so that the post 20 is exposed. At this time, the amount of grinding is controlled within a range of 1/5 to 4/5 of the distance from the top of the spherical post 20 to the maximum diameter, and the margin of the amount of grinding is sufficiently larger than when using a conventional Cu post. it can. Here, the point is that the post 20 is encased by the sealing resin 21 from the upper surface. In addition, although the grinder was used for grinding the resin 21, a method of batch mechanical polishing of the entire surface of the wafer-like silicon substrate, or etch back using a dry etcher using oxygen, CF4, NF3, or a mixed gas thereof can be applied. .
[0037]
Next, as shown in FIG. 3C, a flux is applied if necessary, and the second metal ball 220 made of a low-temperature solder material of Pb / Sn 60 to 70 wt% is used for the spherical post 20 necessary for the automatic transfer machine. When placed above and heat-treated in a nitrogen atmosphere at about 170 to 200 ° C., the external terminals 22 welded to the spherical posts 20 are formed as shown in FIG. Although the size of the second metal ball 220 is 150 to 300 μm for BGA (Boll Grid Array), it is not particularly limited depending on the application. The second metal ball 220 for the external terminal 22 is made of a material having a lower melting point than the first metal ball 200 used for the spherical post 20, and the deformation of the external terminal varies because the deformation of the post is less during heat treatment. Few. Also, instead of mounting the metal ball 220 as the external terminal, it is possible to form a solder layer for the external terminal by a printing method, a plating method or a metal jet method, but the man-hours, cost, and shape reproducibility are inferior to the ball mounting method. .
[0038]
According to the first embodiment, the side surface of the post 20 is fixed so as to be wrapped with the sealing resin 21 while maintaining a bow shape. Therefore, the adhesion force of the post 20 can be secured against the stress from each direction generated in the post-process, and the adhesion force against the stress in the pulling direction is greatly improved as compared with the conventional method, and the yield and reliability can be improved. . In addition, the formation of the post 20 does not require plating or a photo process for the thick Cu layer, thereby improving throughput and cost. Further, the melting point of the material constituting the external terminal 22 is made lower than that of the constituent material of the post 20, and the CSP mounting yield and reliability to the mother board and the like including the stabilization of the shape of the external terminal 22 are ensured.
[0039]
(Other embodiments)
The first metal ball 200 is mounted on the rewiring layer 18 to form a spherical post. However, in rare cases, the alignment error during mounting or the ball may be out of the predetermined position during heat treatment. Therefore, as shown in FIG. 4A, in the photo process for forming the rewiring layer 18, a pattern resist 170 is formed in the same process in the region where the rewiring layer is formed, and Cu plating is performed. Then, after selectively plating the rewiring layer 18 and the Ni cap layer, the resists 17 and 170 are peeled off, as shown in FIG. 4B, in the rewiring layer 18 region on which the first metal balls 200 are mounted. A dent 40 can be formed. Next, a flux is spin-coated, and a first metal ball 200 made of a solder material is automatically mounted thereon. Subsequently, as shown in FIG. 5A, when the heat treatment is performed, the metal ball 200 is somewhat flowed to form the spherical post 20 welded to the rewiring layer 18 and the recessed portion 40.
[0040]
Thereafter, the rewiring is separated from each other by selectively removing the seed layer 16 and the adhesion layer 15 in the unnecessary region using ion milling or the like using the rewiring layer 18 as a mask.
[0041]
Next, as shown in FIG. 5B, the spherical post 20 is sufficiently covered with a sealing resin 21 such as epoxy with a molding apparatus, and then the post 20 is exposed with a grinder, and the post 20 Is ground from the upper surface with the sealing resin 21, and the second metal ball 220 made of solder material is placed on the spherical post 20 required by the automatic transfer machine, and is about 170 to 200 ° C. When heat treatment is performed using a belt furnace, the external terminals 22 welded to the spherical posts 20 are formed. Although the first metal ball 200 has a diameter of 100 to 150 μm and the second metal ball 220 has a diameter of 150 to 300 μm, it is not particularly limited depending on the application.
[0042]
In the semiconductor device thus configured, even if the mounting alignment error of the first metal ball is about several to 10 μm, the indented portion 40 serves as a guide for the first metal ball 200 and is positioned at the assumed coordinate position of the post 20. Can be dropped into the array. Further, when applying the flux, the dent portion 40 becomes a flux reservoir, so that no problem occurred in the adhesiveness, shape, etc. even if the application thickness was ½ or less of the conventional thickness.
[0043]
Further, as an effect of the dent portion 40, when the temperature becomes high due to variations in the heat treatment apparatus, the phenomenon that the solder flows on the surface of the rewiring layer 18 is eliminated, and further, the rewiring layer 18 and the post 20 The adhesion area increased and the strength increased. As described above, without increasing the number of steps, it is possible to stabilize the adhesion strength and shape of the post and reduce the flux cost, thereby providing a mass-productive semiconductor device. Further, even when a structure in which the external terminal is directly taken out from the rewiring layer without using the post is formed, the formation of the recessed portion 40 is effective for collecting flux or stabilizing the position and shape of the solder material. .
[0044]
In addition, in the embodiment, the metal balls used as posts and external terminals are made of solder material. However, as shown in FIG. 6, Ni cores 50 having a high melting point are included inside, and the outer periphery is covered with conventional solder material. As a result of trial application of the broken ball, the shape of the post 20 and the external terminal 22 can be stabilized as compared with the conventional case. In the process of attaching the CSP to the motherboard, reliable contact and fixation are ensured even if the height of the external terminals varies due to the floating movement of the core during solder welding, resulting in a wider welding pressure and temperature control margin. As a result, the assembly yield was improved.
[0045]
In the embodiments described so far, the case where the wiring of the semiconductor device is made of an Al alloy has been described. However, Cu, a refractory metal material, a laminate thereof, or an alloy wiring layer is also possible. Further, the present invention can be applied to a semiconductor device in which a wiring layer is formed by a damascene method. In particular, when Cu or Ni rewiring is formed on damascene wiring using Cu, the flatness and the compatibility with the pad material are good.
[0046]
In addition to the Pb / Sn solder, the metal ball in the embodiment can be applied to a solder material containing Sn, Ag, Cu, Bi, etc. as a solder material that does not contain Pb. As a material, a ball made of Ni, Cu, Au, other refractory metals, or various alloys can be used.
[0047]
Further, a belt furnace is used for welding each metal ball. However, in the automatic ball transfer machine, the heat treatment can be performed simultaneously with the mounting of the ball while heating the substrate, and the welding can be continued.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a spherical post and an external terminal are formed by a mounted metal ball in a wafer level CSP, and further, the post is rewrapped from the rewiring to the post as a form of wrapping with the sealing resin. In addition, a highly reliable semiconductor device can be supplied at low cost by increasing the external terminal strength. Further, by holding a metal core having a melting point higher than that of the solder material inside the solder external terminal, and forming a recess for a metal ball arrangement guide in the rewiring layer immediately below the spherical post, etc. It is possible to supply a fine CSP type semiconductor device with high reliability and high mass productivity by suppressing variation in the shape of the constituent members, improving the yield when the CSP is mounted on the motherboard, and reducing the stress applied to the semiconductor element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional structural view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional structure diagram showing an example of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
3 is a cross-sectional structure diagram showing an example of the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention performed subsequent to the process shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional structure diagram showing an example of a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention in the order of steps.
5 is a cross-sectional structure diagram showing an example of a method of manufacturing a semiconductor device according to another embodiment of the present invention, which is performed subsequent to the process shown in FIG. 4; FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram illustrating a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional structure diagram showing an example of a conventional method of manufacturing a semiconductor device in order of steps.
8 is a cross-sectional structure diagram showing an example of a conventional method of manufacturing a semiconductor device performed following the process shown in FIG. 7 in order of processes.
[Explanation of symbols]
11 Silicon substrate 12 Pad 13 Protective insulating layer 14 Polyimide layer 15 Adhesion layer 16 Seed layers 17, 19, 170 Resist 18 Rewiring layer 20 Spherical post 21 Sealing resin 22 External terminal 30 Cu post 31 Barrier layer 40 Recessed portion 50 Core 200 First metal ball 220 second metal ball

Claims (8)

(a)パッド及び前記パッド部が開孔されている保護絶縁層を有する半導体ウエハーの前記保護絶縁層上に応力緩和層を形成する工程
(b)前記パッドから前記応力緩和層上に至るまで再配線層を施す工程
(c)前記再配線層に球状ポストとなるメタルボールを搭載する工程
(d)樹脂にて封止を行った後に、前記樹脂の所望量を除去し前記球状ポストの一部を露出させる工程
(e)露出した前記球状ポストの上に外部端子を形成する工程
を有し、前記工程(e)において、前記外部端子は前記球状ポストより融点の低い組成材料でなることを特徴とする半導体ウエハーの製造方法。
(A) A step of forming a stress relaxation layer on the protective insulating layer of the semiconductor wafer having a pad and a protective insulating layer in which the pad portion is opened. Step of applying wiring layer (c) Step of mounting metal ball to be spherical post on the rewiring layer (d) After sealing with resin, a desired amount of the resin is removed and part of the spherical post (E) a step of forming an external terminal on the exposed spherical post, wherein in the step (e), the external terminal is made of a composition material having a melting point lower than that of the spherical post. A method for manufacturing a semiconductor wafer.
請求項1において、
前記工程(d)において、前記樹脂の除去量は、上面から球状ポストの最大径に達するまでとすることを特徴とする半導体ウエハーの製造方法。
In claim 1,
In the step (d), the amount of the resin removed is from the upper surface until reaching the maximum diameter of the spherical post.
請求項1において、
前記工程(e)の後に、ダイシングを施してチップ毎に固片化する工程をさらに有することを特徴とする半導体ウエハーの製造方法。
In claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor wafer, further comprising a step of dicing each chip after the step (e).
チップサイズパッケージ型の半導体装置であって、
パッド及び前記パッド部が開孔されている保護絶縁層を有する基板の前記保護絶縁層上に形成された応力緩和層と、
前記パッドから前記応力緩和層上に至るまで形成された再配線層と、
前記再配線層の所望領域に封止樹脂で一部を囲まれたメタルボールでなる球状ポストと、
前記球状ポストの上に形成された外部端子と、
を有し、
前記外部端子は、前記球状ポストより融点の低い組成材料でなることを特徴とする半導体装置。
A chip size package type semiconductor device,
A stress relaxation layer formed on the protective insulating layer of the substrate having a pad and a protective insulating layer in which the pad portion is opened; and
A rewiring layer formed from the pad to the stress relaxation layer;
A spherical post made of a metal ball partially surrounded by a sealing resin in a desired region of the rewiring layer;
An external terminal formed on the spherical post;
Have
The semiconductor device, wherein the external terminal is made of a composition material having a melting point lower than that of the spherical post.
請求項4において、
前記半導体装置は、半導体ウエハーであることを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
The semiconductor device is a semiconductor wafer.
請求項4において、
前記球状ポスト及び前記外部端子は、搭載メタルボールで形成されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
The spherical post and the external terminal are formed of a mounted metal ball.
請求項6において、
前記球状ポスト及び前記外部端子を構成する搭載メタルボールは、ハンダ材で形成されていることを特徴とする半導体装置。
In claim 6,
The mounting metal ball constituting the spherical post and the external terminal is formed of a solder material.
最終配線パッドから電極引き出し用の再配線層において、ポストあるいは外部端子が搭載される領域の再配線層の膜厚の一部が、再配線層を主体的に形成する厚みより薄くなっていることを特徴とする半導体装置。In the rewiring layer for extracting electrodes from the final wiring pad, a part of the rewiring layer thickness in the area where the post or external terminal is mounted is thinner than the thickness that mainly forms the rewiring layer. A semiconductor device characterized by the above.
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