半导体装置制造方法
半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明的实施方式提供通过抑制裂纹的发生来提高可靠性的半导体装置。实施方式的半导体装置具备：具有电极衬垫11的半导体芯片1；设置在半导体芯片1上，具有使电极衬垫11的至少一部分露出的开口部30的绝缘树脂层3；具有连接衬垫41，以与电极衬垫11电连接的方式设置在绝缘树脂层3上的布线层4；设置在绝缘树脂层3上及布线层4上，具有使连接衬垫41的一部分露出的开口部52和覆盖连接衬垫41的周缘的被覆部51的绝缘树脂层5；在开口部30与连接衬垫41电连接的外部连接端子6。被覆部51的宽度为连接衬垫41的直径的2.5%以上。
【专利说明】半导体装置
[0001] 相关申请
[0002] 本申请以日本专利申请2013-187776号（申请日：2013年9月10日）作为基础 申请，享受优先权。本申请通过参照该基础申请，包含该基础申请的全部内容。
【技术领域】
[0003] 本发明的实施方式涉及半导体装置。
【背景技术】
[0004] 作为半导体装置的封装构造之一，以晶片级形成封装构造的半导体封装（Wafer levelChipScalePackage:WLCSP)实用化。WLCSP构造的半导体装置的一例中，形成与半 导体芯片的电极衬垫（pad)电连接的再布线层，进行电极衬垫的再配置。具体地说，在半导 体芯片的电极衬垫上设置再布线层，在再布线层具有的连接衬垫上设置基底金属层（Under BumpMetal:UBM)，在其上设置焊接凸起（bump)。此时，在连接衬垫上设置具有开口部的绝 缘树脂层，该开口部中连接衬垫和基底金属层电连接。通过采用WLCSP构造，可以实现例如 小型化、高密度安装化、低成本化等。另外，通过采用将外部连接端子设置到半导体芯片的 平面区域的外侧的所谓扇出（fanout)型的WLCSP构造，也可以增加外部连接端子数。
[0005] WLCSP构造的半导体装置中，存在再布线层容易导致裂纹发生的问题。特别是热循 环试验（TCT)等的可靠性试验实施时，例如由于再布线层和绝缘树脂层的热膨胀系数的差 异，存在连接衬垫和绝缘树脂层的界面剥离、裂纹容易以界面的剥离为起点扩展的问题。裂 纹发生导致布线断裂等成为可靠性降低的要因，因此寻求抑制裂纹发生的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的课题是提供通过抑制裂纹的发生可以进一步提高可靠性的半导体 装直。
[0007] 实施方式的半导体装置具备：具有电极衬垫的半导体芯片；第1绝缘树脂层，其以 使半导体芯片的具有电极衬垫的面的至少一部分露出的方式，埋入有半导体芯片；第2绝 缘树脂层，其设置在半导体芯片及第1绝缘树脂层上，具有使电极衬垫的至少一部分露出 的第1开口部；布线层，其具有连接衬垫，以在第1开口部中与电极衬垫电连接的方式，设置 在第2绝缘树脂层上；第3绝缘树脂层，其设置在第2绝缘树脂层及布线层上，具有使连接 衬垫的一部分露出的第2开口部和覆盖连接衬垫的周缘的被覆部；以及外部连接端子，其 在第2开口部中与连接衬垫电连接。被覆部的宽度为连接衬垫的直径的2. 5%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图I(A)和⑶是表示第1实施方式的半导体装置的俯视图及截面图。
[0009] 图2是放大表示图I(B)所示半导体装置的一部分的截面图。
[0010] 图3是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0011] 图4是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0012] 图5是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0013] 图6是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0014] 图7是表示第2实施方式的半导体装置的俯视图及截面图。
[0015] 图8是表示图7所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0016] 图9是表示图7所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0017] 标号说明：
[0018] 1半导体芯片，2绝缘树脂层，3绝缘树脂层，4布线层，5绝缘树脂层，6外部连接端 子，7金属板，8绝缘树脂层，10半导体基板，11电极衬垫，12钝化膜，30开口部，41连接衬 垫，51被覆部，52开口部，61基底金属层，62凸起，70开口部，111支撑基板，112支撑基板， 113支撑基板
【具体实施方式】
[0019] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】实施方式的半导体装置。另外，各实施方式中，实质相同的构 成部位附上同一标号，说明省略。但是，附图是示意，厚度和平面尺寸的关系、各层的厚度的 比率等因现实而异。说明中表示上下等的方向用语在没有特别说明的情况下，指以后述半 导体基板的电路形成面侧为上时的相对方向，可能不同于以重力加速度方向为基准的现实 方向。
[0020] (第1实施方式）
[0021] 图1是第1实施方式的半导体装置的示图，图I(A)是俯视图，图I(B)是图I(A) 的线段A-B中的截面图。另外，图2是图I(B)所示半导体装置的一部分（区域20)的放大 截面图。图1及图2中，说明扇出型的半导体装置。
[0022] 〈半导体装置的构造例〉
[0023] 图I(A)及图I(B)所示半导体装置具备半导体芯片1、将半导体芯片1埋入的绝缘 树脂层2、设置在半导体芯片1及绝缘树脂层2上的绝缘树脂层3、设置在绝缘树脂层3上 的再布线层4、设置在绝缘树脂层3及再布线层4上的绝缘树脂层5、与布线层4电连接的 外部连接端子6。而且，如图I(B)所示，在绝缘树脂层2的没有设置半导体芯片1的面也可 以设置金属板7。通过设置金属板7,可以抑制半导体装置的翘曲。而且，在金属板7上也 可以设置绝缘树脂层。
[0024] 半导体芯片1具有在具有半导体元件的半导体基板10上设置的电极衬垫11。电 极衬垫11采用例如铝。而且，半导体芯片1具有设置在半导体基板10上的钝化膜12。钝 化膜12采用例如氮化硅膜。钝化膜12设置在电极衬垫11上，在钝化膜12形成开口部。另 夕卜，也可以在钝化膜12上设置聚酰亚胺等的有机膜。
[0025] 绝缘树脂层2设置成使半导体芯片1的电极衬垫11的设置面的至少一部分露出。 绝缘树脂层2的弹性模量（杨氏模量）优选在例如0. 03GPa以上且5GPa以下程度。弹性 模量不足〇.〇3GPa时，有热循环试验（TCT)容易产生裂纹，布线容易断线的情况。弹性模量 超过5GPa时，TCT使外部连接端子6的寿命变短。另外，有半导体装置的翘曲大的情况。而 且，为了增大弹性模量，不得不增加填入绝缘树脂层2的填料量，绝缘树脂层2的流动性降 低。
[0026] 绝缘树脂层2的热膨胀系数优选在例如25ppm以上且300ppm以下程度。热膨胀系 数不足25ppm时，TCT导致外部连接端子的寿命变短。另外，必须增加填入树脂的填料量，因 此有弹性模量变大，半导体装置的翘曲变大的情况。另外，热膨胀系数超过300ppm时，TCT 试验进行时容易在绝缘树脂层2产生裂纹，布线容易断线。
[0027] 绝缘树脂层2的厚度优选在例如100μm以上且Imm以下程度。厚度不足100μm 时，可能无法充分保护半导体芯片1。另外，厚度超过Imm时，有绝缘树脂层2的翘曲大的情 况。绝缘树脂层2可以采用例如环氧树脂、硅树脂、环氧树脂/硅树脂的混合树脂、丙烯酸 树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂或苯酚树脂等。另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也 可以采用薄膜状树脂和/或片状树脂（例如片状的堆积薄膜和/或片状的环氧树脂）等。
[0028] 绝缘树脂层3如图2所示，具有使半导体芯片1的电极衬垫11的至少一部分露出 的开口部30。开口部30的直径为例如50μm程度。绝缘树脂层3的厚度优选在例如2μm 以上且20μm以下程度。另外，绝缘树脂层3的弹性模量优选在例如0. 03GPa以上且5GPa 以下程度。弹性模量不足〇. 〇3GPa时，有TCT容易导致在绝缘树脂层3产生裂纹，布线容易 断线的情况。另外，弹性模量超过5GPa时，有树脂过硬，半导体装置的翘曲增大的情况。绝 缘树脂层3可以采用例如环氧树脂、硅树脂、环氧树脂/硅树脂的混合树脂、丙烯酸树脂、聚 酰亚胺树脂、聚酰胺树脂或苯酚树脂等。另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也可以采 用薄膜状树脂和/或片状树脂（例如片状的堆积薄膜和/或片状的环氧树脂）等。
[0029] 作为布线层4的具体例，有再配置电极衬垫11的再布线层。布线层4如图2所示， 与开口部30中的电极衬垫11电连接。而且，布线层4具有连接衬垫41。另外，图2中，也 图示了布线层4的顶面的一部分，顶面中，连接衬垫41为圆形，但是不限于此。布线层4的 热膨胀系数优选在例如4ppm以上且25ppm以下程度。为了用作布线层4而制作不足4ppm 的金属材料是困难的。超过25ppm的金属材料中，由于与树脂的热膨胀系数差，粘附性降 低。布线层4可以采用例如铜、钛、氮化钛、铬、镍、金或钯等的层。另外，也可以由上述材料 层的层叠构成布线层4。另外，布线层也可以设为2层以上。例如，设置2层的布线层时，在 第1层的布线层形成后，在第1层的布线层上设置具有开口部的绝缘树脂层，在绝缘树脂层 上设置第2层的布线层，在开口部中将第2层的布线层与第1层的布线层电连接。
[0030] 绝缘树脂层5如图2所示，具有覆盖连接衬垫41的周缘的被覆部51和使连接衬 垫41的一部分露出的开口部52。而且，被覆部51的宽度（Dl)优选在连接衬垫41的直径 (D2)的2. 5%以上（被覆率D1/D2彡2. 5%)。布线层4的热膨胀系数往往比绝缘树脂层5 等的绝缘树脂层的热膨胀系数小得多。因此，被覆部51的宽度（Dl)比2. 5%窄时，由于布 线层4和绝缘树脂层5的热膨胀系数差的影响，在布线层4和绝缘树脂层5的界面容易产 生剥离，裂纹容易以该剥离部分为起点而扩展。对此，通过使被覆部51的宽度（Dl)为2. 5% 以上，可以抑制布线层4和绝缘树脂层5的界面剥离，抑制裂纹的发生。因此，可以提高半 导体装置的可靠性。
[0031] 另外，连接衬垫41在与半导体芯片1垂直的方向中，优选在不与电极衬垫11重叠 的位置配置。设置了电极衬垫11的部分为台阶部，因此，在其上形成连接衬垫41时，产生台 阶。这样的台阶部中，TCT时，由于半导体基板10、绝缘树脂层3及布线层4的热膨胀系数 差，应力集中到台阶部，裂纹容易发生。特别地，台阶超过2.5μπι时，裂纹的发生显著。从 而，优选以不与台阶超过2μm的该台阶部重叠的方式，配置连接衬垫41。而且，由于在半导 体芯片1上设置有机膜而产生台阶部时，也优选以不与超过2μm的该台阶部重叠的方式， 配置连接衬垫41。从而，可以提高半导体装置的可靠性。
[0032] 绝缘树脂层5的弹性模量优选在例如0. 03GPa以上且5GPa以下程度。例如，弹性 模量不足〇. 〇3GPa时，由于TCT，容易产生裂纹，布线容易断线。另外，弹性模量超过5GPa 时，有绝缘树脂层5过硬，半导体装置的翘曲变大的情况。绝缘树脂层5可以采用适于绝缘 树脂层2的树脂。
[0033] 外部连接端子6在开口部52中与连接衬垫41电连接。外部连接端子6具有设置 在连接衬垫41上的基底金属层61和设置在基底金属层61上的金属凸起62。另外，不限于 此，也可以例如不设置基底金属层61，直接在连接衬垫41上设置金属凸起62。基底金属层 61可以采用例如铜、钛、氮化钛、铬、镍、金或钯等的层。另外，也可以通过上述材料层的层叠 构成基底金属层61。金属凸起62可以采用例如金凸起或焊接凸起,作为焊接凸起的一例， 可以采用锡-银系、锡-银-铜系、锡-铜系的无铅焊接。另外，外部连接端子6的构造不 限于采用金属凸起62的构造，也可以采用例如凸台（land)类型的外部连接端子等的其他 构造。
[0034] 而且，基底金属层61的直径（D3)优选比连接衬垫41的直径（D2)小。基底金属 层61的直径比连接衬垫的直径大时，由于半导体基板10和绝缘树脂层2、绝缘树脂层3及 绝缘树脂层5的热膨胀系数差，应力集中到基底金属层61的端部，裂纹容易发生。相对地， 通过使基底金属层61的直径（D3)比连接衬垫41的直径（D2)小，连接衬垫41成为支点， 可以抑制应力集中到基底金属层61的端部，可以抑制裂纹的发生。因此可以提高半导体装 置的可靠性。
[0035] 另外，设置图I(B)所示金属板7时，金属板7可以采用例如铜、镍、铬、铁或这些的 混合材料（例如42合金等）的金属板。金属板7的厚度优选在例如50μm以上且500μm 以下程度。厚度不足50μm时，半导体装置的翘曲大，厚度超过500μm时，半导体装置可能 过厚。
[0036]〈半导体装置的制造方法例〉
[0037] 接着，参照图3到图6说明第1实施方式中的半导体装置的制造方法例。图3到 图6是半导体装置的制造工序的截面图。
[0038] 首先如图3(A)所示，在支撑基板111上配置半导体芯片1。这里，准备12英寸的 半导体晶片，在半导体晶片，与半导体元件隔着100μm间距形成电极衬垫11。而且，切削半 导体晶片的背面直到半导体晶片的厚度为IOOym程度，通过划片，制作半导体芯片1。支撑 基板111可以采用例如硅基板、玻璃基板、蓝宝石基板、印刷基板或金属基板等。支撑基板 111的厚度优选在例如〇. 3mm以上且2mm以下程度。
[0039] 半导体芯片1的配置工序中，可以采用例如芯片装配器在支撑基板111配置半导 体芯片1。此时，优选在支撑基板111形成粘接层（未图示），在该粘接层上配置半导体芯片 1。粘接层可以采用例如热可塑性树脂、热硬化性树脂、聚对苯二甲酸乙二酯（PET)树脂、其 他通过热膨胀可剥离的树脂等，例如聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂等。 另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也可以采用薄膜状树脂和/或片状树脂。粘接层的 厚度优选在例如10μm以上且200μm以下程度。厚度不足10μm时，半导体芯片1的粘接 性降低，厚度超过200μm时，粘接层的平坦性降低。
[0040] 而且如图3(A)所示，以覆盖半导体芯片1的方式形成绝缘树脂层2,在绝缘树脂层 2贴合金属板7。例如，可以通过使用模具的模铸法或使用印刷掩模的印刷法等，形成绝缘 树脂层2。此时，调节材料、厚度等，以成为期望的弹性模量或热膨胀系数。而且，在形成金 属板7的场合，也可以例如在绝缘树脂层2为半硬化状态时通过按压并粘附金属板7来贴 合金属板7。
[0041] 接着，如图3(B)所示，剥离支撑基板111。例如，采用粘附性弱的粘接剂在支撑基 板111配置半导体芯片1等时，可以通过在支撑基板111和绝缘树脂层2之间插入刀具等 来剥离支撑基板111。另外，在采用热可塑性树脂或热膨胀可剥离的树脂作为粘接层时，通 过加热处理，可以剥离支撑基板111。另外，支撑基板111剥离后在半导体芯片1的表面残 留树脂时，优选通过溶剂等除去。
[0042]而且如图3(B)所示，在金属板7贴合支撑基板112。支撑基板112可以采用例如 硅基板、玻璃基板、蓝宝石基板、印刷基板或金属基板等。支撑基板112的厚度优选在例如 0.3mm以上且2mm以下程度。另外，也可以经由粘接层贴合支撑基板112。此时，粘接层可 以采用半导体芯片1配置时适用的粘接层。另外，在支撑基板111剥离的状态下刚性足够 高时，也可以不必贴合支撑基板112。
[0043] 接着，如图4(A)所示，在半导体芯片1上形成绝缘树脂层3,通过除去绝缘树脂层 3的一部分，形成开口部30。例如，用光刻技术在绝缘树脂层3上的一部分形成光致抗蚀剂， 通过以该光致抗蚀剂作为掩模的蚀刻，可以在绝缘树脂层3形成开口部30。为感光性绝缘 树脂层时，可通过光刻技术直接形成开口。此时，设定开口部30的位置，使电极衬垫11的 至少一部分露出。
[0044] 接着，如图4(B)所示，在绝缘树脂层3上形成作为再布线层的布线层4。布线层4 的形成工序中，首先在绝缘树脂层3上形成第1金属膜。例如，可以通过采用溅射法、蒸镀 法、电镀法等在布线层4形成可适用材料的金属膜，形成第1金属膜。这里，作为一例，形成 厚度0. 03μm以上且0. 5μm以下的钛膜,该钛膜上形成厚度0. 1μm以上且I. 0μm以下的 铜膜。上述第1金属膜起到种子层的功能。用光刻技术在第1金属膜上形成厚度10μm的 光致抗蚀剂，在光致抗蚀剂形成L/S(LineandSpace，线宽/间距）=50/50μm的开口部。
[0045] 然后，在上述光致抗蚀剂的开口部形成厚度1μm以上且15μm以下的第2金属 膜。这里，采用电镀法形成厚度5μπι的铜膜。然后，除去光致抗蚀剂，通过以第2金属膜为 掩模的蚀刻除去第1金属膜的一部分，形成布线层4。铜膜的蚀刻液可以采用例如硫酸和过 氧化氢的混合液。另外，钛膜的蚀刻液可以采用在例如氟化氢或过氧化氢的溶液中添加了 氢氧化钙的混合液。
[0046] 接着如图5 (A)所示，在布线层4上形成绝缘树脂层5,用光刻技术在绝缘树脂层5 上形成开口部52。此时，以布线层4的连接衬垫41的周缘以连接衬垫41的直径的2. 5%以 上的宽度被绝缘树脂层5覆盖，连接衬垫41的一部分露出且在与半导体芯片1垂直的方向 上与电极衬垫11不重叠的方式，设定开口部52的直径及位置。
[0047]接着如图5(B)所示，在布线层4的连接衬垫41上形成基底金属层61。基底金属 层61的形成工序中，在绝缘树脂层5上形成第3金属膜。例如，可以通过采用溅射法、蒸镀 法、电镀法等形成可适用于基底金属层61的材料的金属膜，来形成第3金属膜。这里，作为 一例，通过形成厚度〇. 03μm以上且0. 5μm以下的钛膜和厚度0. 1μm以上且1μm以下的 铜膜，形成第3金属膜。上述第3金属膜起到种子层的功能。而且，用光刻技术在第3金属 膜上形成厚度10μm的光致抗蚀剂，在该光致抗蚀剂形成直径400μm的开口部，在该光致 抗蚀剂的开口部形成第4金属膜。这里，通过采用电镀法顺序形成厚度3μm的铜膜和厚度 2μm的镍膜和厚度0. 3μm的金膜，形成第4金属膜。然后，除去光致抗蚀剂，通过以第4金 属膜为掩模的蚀刻除去第3金属膜的一部分，形成基底金属层61。
[0048] 如图6(A)所示，通过在基底金属层61上形成金属凸起62,形成外部连接端子6。 例如，在基底金属层61上涂敷助焊剂（flux)后，搭载焊接球，放入回流炉使焊接球溶融，与 基底金属层61接合。然后，通过溶剂和/或纯水清洗除去助焊剂。
[0049] 接着如图6 (B)所示，剥离支撑基板112。例如，用粘附性弱的粘接剂贴合支撑基板 112时，通过在支撑基板112和金属板7之间插入刀具等可以剥离支撑基板112。另外，在 采用热可塑性树脂或热膨胀可剥离的树脂作为粘接层时，通过加热处理可以剥离支撑基板 112。另外，支撑基板112剥离后在金属板7的表面残留树脂时，优选通过溶剂等除去。支 撑基板112剥离后，用切片机沿着划片线进行划片。通过以上的工序，可以制造第1实施方 式的半导体装置。
[0050] 上述工序制造的半导体装置在例如-55°C?150°C的TCT中，即使经过2000循环 后，也不发生布线层4的断线和/或绝缘树脂层2、绝缘树脂层3、绝缘树脂层5等的裂纹。 另外，安装后在_25°C?125°C的TCT中，即使经过1000循环后，也不发生金属凸起62的破 裂。
[0051] 而且，实际上，改变被覆部51的宽度（Dl)的多个半导体装置的样本中，在TCT时 的裂纹的抑制效果如表1所示。表1中，比较被覆部51的宽度（Dl)为连接衬垫41的直径 的1. 5%的情况和2. 4%的情况以及3. 0%的情况，表1所示叉符表示裂纹数相对多，三角符 表示裂纹数相对少，圆符表示无裂纹。如表1所示，可知通过使被覆部51的宽度（Dl)为连 接衬垫41的直径的2. 5%以上，可以抑制TCT导致的裂纹的发生。
[0052]表1
[0053]
【权利要求】
1. 一种半导体装置，其特征在于，具备： 具有电极衬垫的半导体芯片； 第1绝缘树脂层，其以使上述半导体芯片的具有上述电极衬垫的面的至少一部分露出 的方式，将上述半导体芯片埋入； 第2绝缘树脂层，其设置在上述半导体芯片及上述第1绝缘树脂层上，具有使上述电极 衬垫的至少一部分露出的第1开口部； 布线层，其具有连接衬垫，以在上述第1开口部中与上述电极衬垫电连接的方式，设置 在上述第2绝缘树脂层上； 第3绝缘树脂层，其设置在上述第2绝缘树脂层及上述布线层上，具有使上述连接衬垫 的一部分露出的第2开口部和覆盖上述连接衬垫的周缘的被覆部；以及 外部连接端子，其在上述第2开口部中与上述连接衬垫电连接； 上述被覆部的宽度为上述连接衬垫的直径的2. 5%以上。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 上述外部连接端子具有： 在上述第2开口部中在上述连接衬垫上设置的基底金属层；和 在上述基底金属层上设置的金属凸起， 上述基底金属层的直径比上述连接衬垫的直径小。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 在与上述半导体芯片垂直的方向上，上述连接衬垫与上述电极衬垫不重叠。
4. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 上述第3绝缘树脂层的热膨胀系数为25ppm以上且300ppm以下， 上述布线层的热膨胀系数为4ppm以上且25ppm以下。
5. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 上述第1绝缘树脂层、上述第2绝缘树脂层及上述第3绝缘树脂层的弹性模量为 0. 03GPa以上且5GPa以下。
【文档编号】H01L23/498GK104425432SQ201310726397
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】本间庄一, 志摩真也 申请人:株式会社东芝
【专利摘要】本发明的实施方式提供通过抑制裂纹的发生来提高可靠性的半导体装置。实施方式的半导体装置具备：具有电极衬垫11的半导体芯片1；设置在半导体芯片1上，具有使电极衬垫11的至少一部分露出的开口部30的绝缘树脂层3；具有连接衬垫41，以与电极衬垫11电连接的方式设置在绝缘树脂层3上的布线层4；设置在绝缘树脂层3上及布线层4上，具有使连接衬垫41的一部分露出的开口部52和覆盖连接衬垫41的周缘的被覆部51的绝缘树脂层5；在开口部30与连接衬垫41电连接的外部连接端子6。被覆部51的宽度为连接衬垫41的直径的2.5%以上。
【专利说明】半导体装置
[0001] 相关申请
[0002] 本申请以日本专利申请2013-187776号（申请日：2013年9月10日）作为基础 申请，享受优先权。本申请通过参照该基础申请，包含该基础申请的全部内容。
【技术领域】
[0003] 本发明的实施方式涉及半导体装置。
【背景技术】
[0004] 作为半导体装置的封装构造之一，以晶片级形成封装构造的半导体封装（Wafer levelChipScalePackage:WLCSP)实用化。WLCSP构造的半导体装置的一例中，形成与半 导体芯片的电极衬垫（pad)电连接的再布线层，进行电极衬垫的再配置。具体地说，在半导 体芯片的电极衬垫上设置再布线层，在再布线层具有的连接衬垫上设置基底金属层（Under BumpMetal:UBM)，在其上设置焊接凸起（bump)。此时，在连接衬垫上设置具有开口部的绝 缘树脂层，该开口部中连接衬垫和基底金属层电连接。通过采用WLCSP构造，可以实现例如 小型化、高密度安装化、低成本化等。另外，通过采用将外部连接端子设置到半导体芯片的 平面区域的外侧的所谓扇出（fanout)型的WLCSP构造，也可以增加外部连接端子数。
[0005] WLCSP构造的半导体装置中，存在再布线层容易导致裂纹发生的问题。特别是热循 环试验（TCT)等的可靠性试验实施时，例如由于再布线层和绝缘树脂层的热膨胀系数的差 异，存在连接衬垫和绝缘树脂层的界面剥离、裂纹容易以界面的剥离为起点扩展的问题。裂 纹发生导致布线断裂等成为可靠性降低的要因，因此寻求抑制裂纹发生的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的课题是提供通过抑制裂纹的发生可以进一步提高可靠性的半导体 装直。
[0007] 实施方式的半导体装置具备：具有电极衬垫的半导体芯片；第1绝缘树脂层，其以 使半导体芯片的具有电极衬垫的面的至少一部分露出的方式，埋入有半导体芯片；第2绝 缘树脂层，其设置在半导体芯片及第1绝缘树脂层上，具有使电极衬垫的至少一部分露出 的第1开口部；布线层，其具有连接衬垫，以在第1开口部中与电极衬垫电连接的方式，设置 在第2绝缘树脂层上；第3绝缘树脂层，其设置在第2绝缘树脂层及布线层上，具有使连接 衬垫的一部分露出的第2开口部和覆盖连接衬垫的周缘的被覆部；以及外部连接端子，其 在第2开口部中与连接衬垫电连接。被覆部的宽度为连接衬垫的直径的2. 5%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图I(A)和⑶是表示第1实施方式的半导体装置的俯视图及截面图。
[0009] 图2是放大表示图I(B)所示半导体装置的一部分的截面图。
[0010] 图3是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0011] 图4是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0012] 图5是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0013] 图6是表示图1所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0014] 图7是表示第2实施方式的半导体装置的俯视图及截面图。
[0015] 图8是表示图7所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0016] 图9是表示图7所示半导体装置的制造工序的截面图。
[0017] 标号说明：
[0018] 1半导体芯片，2绝缘树脂层，3绝缘树脂层，4布线层，5绝缘树脂层，6外部连接端 子，7金属板，8绝缘树脂层，10半导体基板，11电极衬垫，12钝化膜，30开口部，41连接衬 垫，51被覆部，52开口部，61基底金属层，62凸起，70开口部，111支撑基板，112支撑基板， 113支撑基板
【具体实施方式】
[0019] 以下，参照【专利附图】
【附图说明】实施方式的半导体装置。另外，各实施方式中，实质相同的构 成部位附上同一标号，说明省略。但是，附图是示意，厚度和平面尺寸的关系、各层的厚度的 比率等因现实而异。说明中表示上下等的方向用语在没有特别说明的情况下，指以后述半 导体基板的电路形成面侧为上时的相对方向，可能不同于以重力加速度方向为基准的现实 方向。
[0020] (第1实施方式）
[0021] 图1是第1实施方式的半导体装置的示图，图I(A)是俯视图，图I(B)是图I(A) 的线段A-B中的截面图。另外，图2是图I(B)所示半导体装置的一部分（区域20)的放大 截面图。图1及图2中，说明扇出型的半导体装置。
[0022] 〈半导体装置的构造例〉
[0023] 图I(A)及图I(B)所示半导体装置具备半导体芯片1、将半导体芯片1埋入的绝缘 树脂层2、设置在半导体芯片1及绝缘树脂层2上的绝缘树脂层3、设置在绝缘树脂层3上 的再布线层4、设置在绝缘树脂层3及再布线层4上的绝缘树脂层5、与布线层4电连接的 外部连接端子6。而且，如图I(B)所示，在绝缘树脂层2的没有设置半导体芯片1的面也可 以设置金属板7。通过设置金属板7,可以抑制半导体装置的翘曲。而且，在金属板7上也 可以设置绝缘树脂层。
[0024] 半导体芯片1具有在具有半导体元件的半导体基板10上设置的电极衬垫11。电 极衬垫11采用例如铝。而且，半导体芯片1具有设置在半导体基板10上的钝化膜12。钝 化膜12采用例如氮化硅膜。钝化膜12设置在电极衬垫11上，在钝化膜12形成开口部。另 夕卜，也可以在钝化膜12上设置聚酰亚胺等的有机膜。
[0025] 绝缘树脂层2设置成使半导体芯片1的电极衬垫11的设置面的至少一部分露出。 绝缘树脂层2的弹性模量（杨氏模量）优选在例如0. 03GPa以上且5GPa以下程度。弹性 模量不足〇.〇3GPa时，有热循环试验（TCT)容易产生裂纹，布线容易断线的情况。弹性模量 超过5GPa时，TCT使外部连接端子6的寿命变短。另外，有半导体装置的翘曲大的情况。而 且，为了增大弹性模量，不得不增加填入绝缘树脂层2的填料量，绝缘树脂层2的流动性降 低。
[0026] 绝缘树脂层2的热膨胀系数优选在例如25ppm以上且300ppm以下程度。热膨胀系 数不足25ppm时，TCT导致外部连接端子的寿命变短。另外，必须增加填入树脂的填料量，因 此有弹性模量变大，半导体装置的翘曲变大的情况。另外，热膨胀系数超过300ppm时，TCT 试验进行时容易在绝缘树脂层2产生裂纹，布线容易断线。
[0027] 绝缘树脂层2的厚度优选在例如100μm以上且Imm以下程度。厚度不足100μm 时，可能无法充分保护半导体芯片1。另外，厚度超过Imm时，有绝缘树脂层2的翘曲大的情 况。绝缘树脂层2可以采用例如环氧树脂、硅树脂、环氧树脂/硅树脂的混合树脂、丙烯酸 树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂或苯酚树脂等。另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也 可以采用薄膜状树脂和/或片状树脂（例如片状的堆积薄膜和/或片状的环氧树脂）等。
[0028] 绝缘树脂层3如图2所示，具有使半导体芯片1的电极衬垫11的至少一部分露出 的开口部30。开口部30的直径为例如50μm程度。绝缘树脂层3的厚度优选在例如2μm 以上且20μm以下程度。另外，绝缘树脂层3的弹性模量优选在例如0. 03GPa以上且5GPa 以下程度。弹性模量不足〇. 〇3GPa时，有TCT容易导致在绝缘树脂层3产生裂纹，布线容易 断线的情况。另外，弹性模量超过5GPa时，有树脂过硬，半导体装置的翘曲增大的情况。绝 缘树脂层3可以采用例如环氧树脂、硅树脂、环氧树脂/硅树脂的混合树脂、丙烯酸树脂、聚 酰亚胺树脂、聚酰胺树脂或苯酚树脂等。另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也可以采 用薄膜状树脂和/或片状树脂（例如片状的堆积薄膜和/或片状的环氧树脂）等。
[0029] 作为布线层4的具体例，有再配置电极衬垫11的再布线层。布线层4如图2所示， 与开口部30中的电极衬垫11电连接。而且，布线层4具有连接衬垫41。另外，图2中，也 图示了布线层4的顶面的一部分，顶面中，连接衬垫41为圆形，但是不限于此。布线层4的 热膨胀系数优选在例如4ppm以上且25ppm以下程度。为了用作布线层4而制作不足4ppm 的金属材料是困难的。超过25ppm的金属材料中，由于与树脂的热膨胀系数差，粘附性降 低。布线层4可以采用例如铜、钛、氮化钛、铬、镍、金或钯等的层。另外，也可以由上述材料 层的层叠构成布线层4。另外，布线层也可以设为2层以上。例如，设置2层的布线层时，在 第1层的布线层形成后，在第1层的布线层上设置具有开口部的绝缘树脂层，在绝缘树脂层 上设置第2层的布线层，在开口部中将第2层的布线层与第1层的布线层电连接。
[0030] 绝缘树脂层5如图2所示，具有覆盖连接衬垫41的周缘的被覆部51和使连接衬 垫41的一部分露出的开口部52。而且，被覆部51的宽度（Dl)优选在连接衬垫41的直径 (D2)的2. 5%以上（被覆率D1/D2彡2. 5%)。布线层4的热膨胀系数往往比绝缘树脂层5 等的绝缘树脂层的热膨胀系数小得多。因此，被覆部51的宽度（Dl)比2. 5%窄时，由于布 线层4和绝缘树脂层5的热膨胀系数差的影响，在布线层4和绝缘树脂层5的界面容易产 生剥离，裂纹容易以该剥离部分为起点而扩展。对此，通过使被覆部51的宽度（Dl)为2. 5% 以上，可以抑制布线层4和绝缘树脂层5的界面剥离，抑制裂纹的发生。因此，可以提高半 导体装置的可靠性。
[0031] 另外，连接衬垫41在与半导体芯片1垂直的方向中，优选在不与电极衬垫11重叠 的位置配置。设置了电极衬垫11的部分为台阶部，因此，在其上形成连接衬垫41时，产生台 阶。这样的台阶部中，TCT时，由于半导体基板10、绝缘树脂层3及布线层4的热膨胀系数 差，应力集中到台阶部，裂纹容易发生。特别地，台阶超过2.5μπι时，裂纹的发生显著。从 而，优选以不与台阶超过2μm的该台阶部重叠的方式，配置连接衬垫41。而且，由于在半导 体芯片1上设置有机膜而产生台阶部时，也优选以不与超过2μm的该台阶部重叠的方式， 配置连接衬垫41。从而，可以提高半导体装置的可靠性。
[0032] 绝缘树脂层5的弹性模量优选在例如0. 03GPa以上且5GPa以下程度。例如，弹性 模量不足〇. 〇3GPa时，由于TCT，容易产生裂纹，布线容易断线。另外，弹性模量超过5GPa 时，有绝缘树脂层5过硬，半导体装置的翘曲变大的情况。绝缘树脂层5可以采用适于绝缘 树脂层2的树脂。
[0033] 外部连接端子6在开口部52中与连接衬垫41电连接。外部连接端子6具有设置 在连接衬垫41上的基底金属层61和设置在基底金属层61上的金属凸起62。另外，不限于 此，也可以例如不设置基底金属层61，直接在连接衬垫41上设置金属凸起62。基底金属层 61可以采用例如铜、钛、氮化钛、铬、镍、金或钯等的层。另外，也可以通过上述材料层的层叠 构成基底金属层61。金属凸起62可以采用例如金凸起或焊接凸起,作为焊接凸起的一例， 可以采用锡-银系、锡-银-铜系、锡-铜系的无铅焊接。另外，外部连接端子6的构造不 限于采用金属凸起62的构造，也可以采用例如凸台（land)类型的外部连接端子等的其他 构造。
[0034] 而且，基底金属层61的直径（D3)优选比连接衬垫41的直径（D2)小。基底金属 层61的直径比连接衬垫的直径大时，由于半导体基板10和绝缘树脂层2、绝缘树脂层3及 绝缘树脂层5的热膨胀系数差，应力集中到基底金属层61的端部，裂纹容易发生。相对地， 通过使基底金属层61的直径（D3)比连接衬垫41的直径（D2)小，连接衬垫41成为支点， 可以抑制应力集中到基底金属层61的端部，可以抑制裂纹的发生。因此可以提高半导体装 置的可靠性。
[0035] 另外，设置图I(B)所示金属板7时，金属板7可以采用例如铜、镍、铬、铁或这些的 混合材料（例如42合金等）的金属板。金属板7的厚度优选在例如50μm以上且500μm 以下程度。厚度不足50μm时，半导体装置的翘曲大，厚度超过500μm时，半导体装置可能 过厚。
[0036]〈半导体装置的制造方法例〉
[0037] 接着，参照图3到图6说明第1实施方式中的半导体装置的制造方法例。图3到 图6是半导体装置的制造工序的截面图。
[0038] 首先如图3(A)所示，在支撑基板111上配置半导体芯片1。这里，准备12英寸的 半导体晶片，在半导体晶片，与半导体元件隔着100μm间距形成电极衬垫11。而且，切削半 导体晶片的背面直到半导体晶片的厚度为IOOym程度，通过划片，制作半导体芯片1。支撑 基板111可以采用例如硅基板、玻璃基板、蓝宝石基板、印刷基板或金属基板等。支撑基板 111的厚度优选在例如〇. 3mm以上且2mm以下程度。
[0039] 半导体芯片1的配置工序中，可以采用例如芯片装配器在支撑基板111配置半导 体芯片1。此时，优选在支撑基板111形成粘接层（未图示），在该粘接层上配置半导体芯片 1。粘接层可以采用例如热可塑性树脂、热硬化性树脂、聚对苯二甲酸乙二酯（PET)树脂、其 他通过热膨胀可剥离的树脂等，例如聚酰亚胺树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚酰胺树脂等。 另外，上述树脂不仅可以采用液状树脂，也可以采用薄膜状树脂和/或片状树脂。粘接层的 厚度优选在例如10μm以上且200μm以下程度。厚度不足10μm时，半导体芯片1的粘接 性降低，厚度超过200μm时，粘接层的平坦性降低。
[0040] 而且如图3(A)所示，以覆盖半导体芯片1的方式形成绝缘树脂层2,在绝缘树脂层 2贴合金属板7。例如，可以通过使用模具的模铸法或使用印刷掩模的印刷法等，形成绝缘 树脂层2。此时，调节材料、厚度等，以成为期望的弹性模量或热膨胀系数。而且，在形成金 属板7的场合，也可以例如在绝缘树脂层2为半硬化状态时通过按压并粘附金属板7来贴 合金属板7。
[0041] 接着，如图3(B)所示，剥离支撑基板111。例如，采用粘附性弱的粘接剂在支撑基 板111配置半导体芯片1等时，可以通过在支撑基板111和绝缘树脂层2之间插入刀具等 来剥离支撑基板111。另外，在采用热可塑性树脂或热膨胀可剥离的树脂作为粘接层时，通 过加热处理，可以剥离支撑基板111。另外，支撑基板111剥离后在半导体芯片1的表面残 留树脂时，优选通过溶剂等除去。
[0042]而且如图3(B)所示，在金属板7贴合支撑基板112。支撑基板112可以采用例如 硅基板、玻璃基板、蓝宝石基板、印刷基板或金属基板等。支撑基板112的厚度优选在例如 0.3mm以上且2mm以下程度。另外，也可以经由粘接层贴合支撑基板112。此时，粘接层可 以采用半导体芯片1配置时适用的粘接层。另外，在支撑基板111剥离的状态下刚性足够 高时，也可以不必贴合支撑基板112。
[0043] 接着，如图4(A)所示，在半导体芯片1上形成绝缘树脂层3,通过除去绝缘树脂层 3的一部分，形成开口部30。例如，用光刻技术在绝缘树脂层3上的一部分形成光致抗蚀剂， 通过以该光致抗蚀剂作为掩模的蚀刻，可以在绝缘树脂层3形成开口部30。为感光性绝缘 树脂层时，可通过光刻技术直接形成开口。此时，设定开口部30的位置，使电极衬垫11的 至少一部分露出。
[0044] 接着，如图4(B)所示，在绝缘树脂层3上形成作为再布线层的布线层4。布线层4 的形成工序中，首先在绝缘树脂层3上形成第1金属膜。例如，可以通过采用溅射法、蒸镀 法、电镀法等在布线层4形成可适用材料的金属膜，形成第1金属膜。这里，作为一例，形成 厚度0. 03μm以上且0. 5μm以下的钛膜,该钛膜上形成厚度0. 1μm以上且I. 0μm以下的 铜膜。上述第1金属膜起到种子层的功能。用光刻技术在第1金属膜上形成厚度10μm的 光致抗蚀剂，在光致抗蚀剂形成L/S(LineandSpace，线宽/间距）=50/50μm的开口部。
[0045] 然后，在上述光致抗蚀剂的开口部形成厚度1μm以上且15μm以下的第2金属 膜。这里，采用电镀法形成厚度5μπι的铜膜。然后，除去光致抗蚀剂，通过以第2金属膜为 掩模的蚀刻除去第1金属膜的一部分，形成布线层4。铜膜的蚀刻液可以采用例如硫酸和过 氧化氢的混合液。另外，钛膜的蚀刻液可以采用在例如氟化氢或过氧化氢的溶液中添加了 氢氧化钙的混合液。
[0046] 接着如图5 (A)所示，在布线层4上形成绝缘树脂层5,用光刻技术在绝缘树脂层5 上形成开口部52。此时，以布线层4的连接衬垫41的周缘以连接衬垫41的直径的2. 5%以 上的宽度被绝缘树脂层5覆盖，连接衬垫41的一部分露出且在与半导体芯片1垂直的方向 上与电极衬垫11不重叠的方式，设定开口部52的直径及位置。
[0047]接着如图5(B)所示，在布线层4的连接衬垫41上形成基底金属层61。基底金属 层61的形成工序中，在绝缘树脂层5上形成第3金属膜。例如，可以通过采用溅射法、蒸镀 法、电镀法等形成可适用于基底金属层61的材料的金属膜，来形成第3金属膜。这里，作为 一例，通过形成厚度〇. 03μm以上且0. 5μm以下的钛膜和厚度0. 1μm以上且1μm以下的 铜膜，形成第3金属膜。上述第3金属膜起到种子层的功能。而且，用光刻技术在第3金属 膜上形成厚度10μm的光致抗蚀剂，在该光致抗蚀剂形成直径400μm的开口部，在该光致 抗蚀剂的开口部形成第4金属膜。这里，通过采用电镀法顺序形成厚度3μm的铜膜和厚度 2μm的镍膜和厚度0. 3μm的金膜，形成第4金属膜。然后，除去光致抗蚀剂，通过以第4金 属膜为掩模的蚀刻除去第3金属膜的一部分，形成基底金属层61。
[0048] 如图6(A)所示，通过在基底金属层61上形成金属凸起62,形成外部连接端子6。 例如，在基底金属层61上涂敷助焊剂（flux)后，搭载焊接球，放入回流炉使焊接球溶融，与 基底金属层61接合。然后，通过溶剂和/或纯水清洗除去助焊剂。
[0049] 接着如图6 (B)所示，剥离支撑基板112。例如，用粘附性弱的粘接剂贴合支撑基板 112时，通过在支撑基板112和金属板7之间插入刀具等可以剥离支撑基板112。另外，在 采用热可塑性树脂或热膨胀可剥离的树脂作为粘接层时，通过加热处理可以剥离支撑基板 112。另外，支撑基板112剥离后在金属板7的表面残留树脂时，优选通过溶剂等除去。支 撑基板112剥离后，用切片机沿着划片线进行划片。通过以上的工序，可以制造第1实施方 式的半导体装置。
[0050] 上述工序制造的半导体装置在例如-55°C?150°C的TCT中，即使经过2000循环 后，也不发生布线层4的断线和/或绝缘树脂层2、绝缘树脂层3、绝缘树脂层5等的裂纹。 另外，安装后在_25°C?125°C的TCT中，即使经过1000循环后，也不发生金属凸起62的破 裂。
[0051] 而且，实际上，改变被覆部51的宽度（Dl)的多个半导体装置的样本中，在TCT时 的裂纹的抑制效果如表1所示。表1中，比较被覆部51的宽度（Dl)为连接衬垫41的直径 的1. 5%的情况和2. 4%的情况以及3. 0%的情况，表1所示叉符表示裂纹数相对多，三角符 表示裂纹数相对少，圆符表示无裂纹。如表1所示，可知通过使被覆部51的宽度（Dl)为连 接衬垫41的直径的2. 5%以上，可以抑制TCT导致的裂纹的发生。
[0052]表1
[0053]
【权利要求】
1. 一种半导体装置，其特征在于，具备： 具有电极衬垫的半导体芯片； 第1绝缘树脂层，其以使上述半导体芯片的具有上述电极衬垫的面的至少一部分露出 的方式，将上述半导体芯片埋入； 第2绝缘树脂层，其设置在上述半导体芯片及上述第1绝缘树脂层上，具有使上述电极 衬垫的至少一部分露出的第1开口部； 布线层，其具有连接衬垫，以在上述第1开口部中与上述电极衬垫电连接的方式，设置 在上述第2绝缘树脂层上； 第3绝缘树脂层，其设置在上述第2绝缘树脂层及上述布线层上，具有使上述连接衬垫 的一部分露出的第2开口部和覆盖上述连接衬垫的周缘的被覆部；以及 外部连接端子，其在上述第2开口部中与上述连接衬垫电连接； 上述被覆部的宽度为上述连接衬垫的直径的2. 5%以上。
2. 根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于， 上述外部连接端子具有： 在上述第2开口部中在上述连接衬垫上设置的基底金属层；和 在上述基底金属层上设置的金属凸起， 上述基底金属层的直径比上述连接衬垫的直径小。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 在与上述半导体芯片垂直的方向上，上述连接衬垫与上述电极衬垫不重叠。
4. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 上述第3绝缘树脂层的热膨胀系数为25ppm以上且300ppm以下， 上述布线层的热膨胀系数为4ppm以上且25ppm以下。
5. 根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于， 上述第1绝缘树脂层、上述第2绝缘树脂层及上述第3绝缘树脂层的弹性模量为 0. 03GPa以上且5GPa以下。
【文档编号】H01L23/498GK104425432SQ201310726397
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】本间庄一, 志摩真也 申请人:株式会社东芝
相关技术
网友询问留言
已有0条留言
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！
1