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JP3723364B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にチップサイズパッケージとその製造方法に関する。チップサイズパッケージ(Chip Size Package)は、CSPとも呼ばれ、チップサイズと同等か、わずかに大きいパッケージの総称であり、高密度実装を目的としたパッケージである。本発明は、CSPに採用されるメタルポスト頭部の露出に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この分野では、一般にBGA(Ball Grid Array)と呼ばれ、面状に配列された複数のハンダボールを持つ構造、ファインピッチBGAと呼ばれ、BGAのボールピッチをさらに狭ピッチにして外形がチップサイズに近くなった構造等が知られている。
【0003】
また、最近では、「日経マイクロデバイス」1998年8月号 44頁〜71頁に記載されたウエハーCSPがある。このウエハーCSPは、基本的には、チップのダイシング前に配線やアレイ状のパッドをウエハープロセス(前工程)で作り込むCSPである。この技術によって、ウエハープロセスとパッケージ・プロセス(後工程)が一体化され、パッケージ・コストが大幅に低減できるようになることが期待されている。
【0004】
ウエーハCSPの種類には、封止樹脂型と再配線型がある。封止樹脂型は、従来のパッケージと同様に表面を封止樹脂で覆った構造であり、チップ表面の配線層上にメタルポストを形成し、その周囲を封止樹脂で固める構造である。
【0005】
一般にパッケージをプリント基板に搭載すると、プリント基板との熱膨張差によって発生した応力がメタルポストに集中すると言われているが、樹脂封止型では、メタルポストが長くなるため、応力が分散されると考えられている。
【0006】
一方、再配線型は、図10に示すように、封止樹脂を使わず、再配線を形成した構造である。つまりチップ51の表面にAl電極52、配線層53、絶縁層54が積層され、配線層53上にはメタルポスト55が形成され、その上に半田ボール56が形成されている。配線層53は、半田ボール56をチップ上に所定のアレイ状に配置するための再配線として用いられる。
【0007】
封止樹脂型は、メタルポストを100μm程度と長くし、これを封止樹脂で補強することにより、高い信頼性が得られる。しかしながら、封止樹脂を形成するプロセスは、後工程において金型を用いて実施する必要があり、プロセスが複雑になる。
【0008】
一方、再配線型では、プロセスは比較的単純であり、しかも殆どの工程をウエーハプロセスで実施できる利点がある。しかし、なんらかの方法で応力を緩和し信頼性を高めることが必要とされている。
【0009】
また図11は、図10の配線層53を省略したものであり、Al電極52が露出した開口部を形成し、この開口部には、メタルポスト55とアルミ電極52との間にバリアメタル58を少なくとも一層形成し、このメタルポスト55の上に半田ボール56が形成されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし図10では、メタルポスト55を完全に覆うようにポリイミド樹脂を塗布し、硬化後にその上面を研磨して、前記メタルポストの頭部を露出させていた。しかしこの研磨工程は、その制御が非常に難しく、半田ボール56の半田付け性、半田ボールの高さの均一性が悪化する問題もあった。
【0011】
本発明は、前記問題点を解決するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題に鑑みてなされ、第1に、配線層を含むチップ表面を被覆し、前記メタルポストの周囲の主表面が熱硬化により発生する熱収縮により前記メタルポストの頭部より下端に位置する熱硬化型の樹脂から成る絶縁層を有することで解決するものである。
【0013】
一般に熱硬化型の樹脂は、硬化することにより収縮するが、本発明で採用する樹脂は、その収縮率が大幅に大きく、その膜厚が減少する。従って硬化のためのベークをすることで、図8に示すように、その表面をメタルポストの下端に位置させることができる。従って全てのメタルポストの露出が可能となり、全ての半田ボールを固着させることができる。
【0014】
第2に、その収縮率の大きい材料として、アミック酸を主材料とする樹脂を塗布、収縮させることで解決するものである。
【0015】
第3に、第1の絶縁層、前記配線層および前記メタルポストを含むチップ表面に熱硬化により熱収縮が生じる樹脂から成る絶縁層を被覆し、
前記絶縁層を熱処理して収縮させ、前記メタルポスト周囲の主表面を前記メタルポストの頭部より下降させ、
前記メタルポスト上に半田ボールを形成する事で解決するものである。
【0016】
第4に、塗布型またはフィルム型で、アミック酸より成る樹脂を採用することで解決するものである。
【0017】
第5に、フィルムの表面には、前記絶縁層と材料を異にするシートが設けられ、前記シートを剥がす事により前記メタルポストを露呈させることで解決するものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について説明する。
【0019】
図9に於いて、図番1は、通常のワイヤボンディングタイプのICチップに於いて、最上層のメタル(ボンディングパッドとしても機能する部分)の部分であり、このAl電極1のコンタクトホールCが形成される層間絶縁膜を図番2で示す。
【0020】
またこのコンタクトホールCの下層には、メタルが複数層で形成され、例えばトランジスタ(MOS型のトランジスタまたはBIP型のトランジスタ)、拡散領域、ポリSiゲートまたはポリSi等とコンタクトしている。
【0021】
ここで、本実施例は、MOS型で説明しているが、BIPでも実施できる事は言うまでもない。
【0022】
また本構造は、一般には一層メタル、2層メタル…と呼ばれるICである。
【0023】
更には、パッシベーション膜を図番3で示す。ここでパッシベーション膜3は、Si窒化膜、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等でなり、更にこの上には、絶縁樹脂層rが被覆されている。この絶縁樹脂層rは、後述するようにフラット性を実現し、半田ボールの高さを一定にしている。特にシート付きの収縮樹脂を採用する場合、硬化前のフィルムを板状の加圧装置で加圧した際、メタルポスト8の頭部が全てこの加圧部に当接できるため、精度の高いメタル露出が可能となる。詳細はプロセスにて説明する。
またAl電極1上には、窒化Ti膜5が形成されている。
【0024】
パッシベーション膜3と絶縁樹脂層rは、窒化Ti膜5を露出する開口部Kが形成され、ここには、配線層のメッキ電極(シード層)としてCuの薄膜層6が形成される。そしてこの上には、Cuメッキにより形成される配線層7が形成される。
【0025】
そして、配線層7を含むチップ全面には、樹脂から成る樹脂層Rが形成される。ただし、図面上では省略しているが、樹脂層Rと配線層7、樹脂層Rとメタルポスト8の界面にはSi3N4膜が設けられても良い。
【0026】
樹脂層Rは、熱硬化性、熱可塑性樹脂であれば実施可能であり、特に熱硬化性樹脂として、アミック酸フィルム、ポリイミド、エポキシ系の樹脂が好ましい。また熱可塑性樹脂であれば、熱可塑性ポリマー(日立化成:ハイマル)等が好ましい。またアミック酸フィルムは30〜50%の収縮率である。
ここで、 樹脂Rは、液状のアミック酸を主材料として用意され、ウェハ全面にスピンオンされ、厚さ20〜60μm程度で形成される。その後、この樹脂Rは、熱硬化反応により重合される。温度は、300°C以上である。しかし熱硬化前のアミック酸より成る樹脂は、前記温度の基で非常に活性に成り、Cuと反応し、その界面を悪化させる問題がある。しかし、配線層の表面にSi3N4膜を被覆する事により、このCuとの反応を防止することができる。ここでSi3N4膜の膜厚は、1000〜3000Å程度である。
【0027】
またSi3N4膜は、バリア性が優れた絶縁膜で良いが、SiO2膜は、バリア性に劣る。しかしSiO2膜を採用する場合は、Si3N4膜よりもその膜厚を厚くする必要がある。またSi3N4膜は、プラズマCVD法で形成できるので、そのステップカバレージも優れ、好ましい。更に、メタルポスト8を形成した後、樹脂層Rを被覆するので、前記Si3N4膜を形成するとCuから成る配線層7とアミック酸を主材料とする樹脂層の反応を防止するばかりでなく、Cuから成るメタルポスト8とアミック酸を主材料とする樹脂層Rの反応も防止できる。
【0028】
前記樹脂層Rは、本発明の特徴となる膜である。この樹脂Rは、図7の状態の樹脂層Rを硬化すると、硬化の際中に収縮し、図8の様に大幅にその膜厚が減少するものである。従って樹脂層Rの表面は、メタルポスト8の頭部よりも下端に位置し、メタルポスト8が露出されることになる。従って、樹脂層Rを削り、頭部を露出させる必要がない。またこの研磨工程で頭部を均一に露出させることは、非常に難しい制御を必要とするが、樹脂の収縮により簡単に露出させることができる。
【0029】
従って、配線層7の端部にメタルポスト8の頭部が顔を出し、メタルポスト8の頭部のNi10、Au11が露出されている。
【0030】
Cuから成るメタルポスト8の上に直接半田ボールが形成されると、酸化されたCuが原因で半田ボールとの接続強度が劣化する。また酸化防止のためにAuを直接形成すると、Auが拡散されるため、間にNiが挿入されている。NiはCuの酸化防止をし、またAuはNiの酸化防止をしている。従って半田ボールの劣化および強度の劣化は抑制される。
【0031】
ここでNi、Auは、電解メッキで形成されるが無電解メッキでも良い。
【0032】
最後には、メタルポスト8の頭部に、半田ボール12が形成される。
【0033】
ここで半田ボールと半田バンプの違いについて説明する。半田ボールは、予めボール状の半田が別途用意され、メタルポスト8に固着されるものであり、半田バンプは、配線層7、メタルポスト8を介して電解メッキで形成されるものである。半田バンプは、最初は厚みを有した膜として形成され、後熱処理により球状に形成されるものである。
【0034】
ここでは、図7でシード層が取り除かれるので、電解メッキでは形成できず、実際は半田ボールが用意される。
【0035】
続いて図9の構造について図1より簡単にその製造方法について説明する。
【0036】
まず、Al電極1を有するLSIが形成された半導体基板(ウエーハ)を準備する。ここでは、前述したように1層メタル、2層メタル・・のICで、例えばトランジスタのソース電極、ドレイン電極が一層目のメタルとして形成され、ドレイン電極とコンタクトしたAl電極1が2層目のメタルとして形成されている。
【0037】
ここではドレイン電極が露出する層間絶縁膜2の開口部Cを形成した後、ウェハ全面にAlを主材料とする電極材料、窒化Ti膜5を形成し、ホトレジストをマスクとして、Al電極1と窒化Ti膜5を所定の形状にドライエッチングしている。
【0038】
ここでは、パシベーション膜3を形成し、この後開口した開口部Cにバリアメタルを形成するのと違い、バリアメタルとしての窒化Ti膜も含めてホトレジストで一度に形成でき、工程数の簡略が可能となる。
【0039】
また窒化Ti膜5は、後に形成するCuの薄膜層6のバリアメタルとして機能している。しかも窒化Ti膜は、反射防止膜として有効であることにも着目している。つまりパターニングの際に使用されるレジストのハレーション防止としても有効である。ハレーション防止として最低1200Å〜1300Å程度必要であり、またこれにバリアメタルの機能を兼ね備えるためには、2000Å〜3000Å程度が好ましい。これ以上厚く形成されると、今度は窒化Ti膜が原因で発生するストレスが発生する。
【0040】
またAl電極1と窒化Ti膜5がパターニングされた後、全面にパッシベーション膜3が被覆される。パッシベーション膜として、ここではSi3N4膜が採用されているが、ポリイミド樹脂等も可能である。(以上図1参照)
続いて、パッシベーション膜3の表面に絶縁樹脂層rが被覆される。この絶縁樹脂層は、ここでは、ポジ型の感光性ポリイミド膜が採用され、約3〜5μm程度が被覆されている。そして開口部Kが形成される。
この感光性ポリイミド膜を採用することで、図2の開口部Kのパターニングに於いて、別途ホトレジストを形成して開口部Kを形成する必要が無くなり、メタルマスクの採用により工程の簡略化が実現できる。もちろんホトレジストでも可能である。しかもこのポリイミド膜は、平坦化の目的でも採用されている。つまり半田ボール12の高さが全ての領域において均一である為には、メタルポスト8の高さが全て於いて均一である必要があり、配線層7もフラットに精度良く形成される必要がある。その為にポリイミド樹脂を塗布し、ある粘度を有した流動性を有する樹脂である故、その表面をフラットにできる。
【0041】
ここでAl電極1はLSIの外部接続用のパッドも兼ね、半田ボール(半田バンプ)から成るチップサイズパッケージとして形成しない時は、ワイヤボンディングパッドとして機能する部分である。(以上図2参照)
続いて全面にCuの薄膜層6を形成する。このCuの薄膜層6は、後に配線層7のメッキ電極となり、例えばスパッタリングにより約1000〜2000Å程度の膜厚で形成される。
【0042】
続いて、全面に例えばホトレジスト層PR1を塗布し、配線層7に対応するホトレジストPR1を取り除く。(以上図3参照)
続いて、このホトレジストPR1の開口部に露出するCuの薄膜層6をメッキ電極とし、配線層7を形成する。この配線層7は機械的強度を確保するために2〜5μm程度に厚く形成する必要がある。ここでは、メッキ法を用いて形成したが、蒸着やスパッタリング等で形成しても良い。
【0043】
この後、ホトレジスト層PR2を除去する。(以上図4参照)
続いて、メタルポスト8が形成される領域を露出したホトレジストPR2が形成され、この露出部に電解メッキでCuのメタルポスト8が形成される。これもCuの薄膜層6がメッキ電極として活用される。
【0044】
このメタルポストは、30〜100μm程度の高さに形成され、更にNi10が電解メッキで約1μm、Au11が電解メッキで約5000Åで形成される。
【0045】
Cu8、Ni10、Au11が連続されて形成されるため、長時間放置されないため、Cuの酸化防止、Niの酸化防止が実現できる。ここでAuの代わりにPt,Pdが用いられても良い。(以上図5参照)
続いて、ホトレジストPR2を除去し、配線層7をマスクとしてCuの薄膜層6を除去する。
【0046】
次に示す工程は、図面では省略したが、配線層7、メタルポスト8も含めて全表面にプラズマCVD法でSi3N4膜SNを被着しても良い。
【0047】
これは、後の工程で形成される硬化前の樹脂RとCuが熱により反応する。そのためこの界面が劣化する問題を有している。従って配線層7、メタルポスト8は、全てこのSi3N4膜SNでカバーする必要がある。このSi3N4膜は、界面の劣化が発生しない場合は、もちろん省略が可能である。
【0048】
また、Ni10、Au11も含めたメタルポスト8を形成した後に、Si3N4膜を形成すれば、配線層7、メタルポスト8も含めてカバーすることができる。またパターニングされて露出している側面Mも一緒に保護する必要があるが、ここでは、両者をパターニングした後にSi3N4膜を被覆するので、側面Mも一緒に保護される。
【0049】
続いて樹脂層Rを全面に塗布する。(以上図7参照)
この樹脂も感光性樹脂で、熱硬化反応で硬化される。
【0050】
この感光性樹脂は、流動性があるためフラット性が実現し、また感光性であるため、別途ホトレジストを採用することなくメタルマスクで開口が実現でき、工程の簡略化が実現できる。
【0051】
また絶縁樹脂層R、rは、次のメリットもある。
一般に粘性のある樹脂をディスペンサで塗布すると、脱泡してあっても中に気泡を取り込んでしまう問題がある。気泡を取り込んだまま焼結すると、これからの工程やユーザー側での高温雰囲気使用で気泡が破裂する問題がある。
【0052】
本工程では、スピンオンで塗布し、一回のスピンで20〜30μm程度の膜厚に形成できるように調整してある。この結果、この膜厚よりも大きな気泡は、膜の厚みが薄い故に弾けて消える。またこの膜厚よりも小さい気泡は、スピンオンの遠心力で外部へ飛ばされる樹脂と一緒に外に飛ばされ、気泡無しの膜が形成できる。
【0053】
また絶縁樹脂層Rは、膜厚として100μm程度を必要とし、この場合、前述した原理を採用し、スピンオンで複数回に分けて塗布し、気泡を取り除きながら形成することができる。
【0054】
もちろんスピンオンを採用せずに、ディスペンサで塗布しても良い。
【0055】
更に、本絶縁樹脂層Rは、本発明の特徴とすべき点がある。それは、硬化の際に収縮することである。一般に樹脂は、硬化後に於いて、ある程度の収縮をしている。しかし本絶縁樹脂層Rは、矢印で示したように、ベークした後に大幅に収縮し、絶縁樹脂層Rのの表面がメタルポスト8の頭部よりも下端に位置される。従ってメタルポスト8の頭部が露出されるので、半田ボールの固着が可能となる。
【0056】
また半田ボールの強度を高めるためには、メタルポスト8の側面も含めて露出率を大きくする必要があるが、これも絶縁樹脂層Rの塗布量をコントロールすることで露出率をコントロールすることができる。
【0057】
また硬化した後、メタルポスト8の頭部に極薄い膜が残存する場合もあるが、この場合は、簡単にその表面を研磨すればよい。特に前述したようにメタルポストの高さが均一になっているので、フラット性のある研磨板を採用すれば、全ての頭部をクリーンにできる。
【0058】
また絶縁樹脂層Rを被覆した後、研磨できる程度に半硬化し、メタルポスト8の頭部近傍まで研磨してから、完全に硬化しても良い。この場合、メタルポスト8の頭部には極薄い膜しか残存しないので、絶縁樹脂層Rの収縮率が小さくても、絶縁樹脂層の収縮でメタルポストを露出させることができる。つまり樹脂の収縮率により、メタルポスト8の上に配置できる膜厚が決まるため、それに応じて研磨するか、しなくてすむか、またどの程度研磨するかを決定してメタルポストを露出させればよい。(以上図7参照)
また前記Si3N4膜が形成される場合は、メタルポストの頭部にSi3N4膜が形成されているので、この場合は、ウエットエッチング、ドライエッチングまたは研磨で取り除かれる。
【0059】
最後に、用意した半田ボール12を位置合わせして搭載し、リフローする。そして、半導体基板をダイシング工程により、スクライブラインに沿ってチップに分割し、チップサイズ・パッケージとして完成する。
【0060】
ここで半田を溶融するタイミングは、ダイシングの前である。
【0061】
絶縁樹脂層Rを硬化した後、ウェハ全面に保護シートを貼り付け、表面を保護しながらバックグラインドをする。
【0062】
半田ボールを形成した後に保護シートを貼ると、半田ボールと保護シートとで形成される隙間にバックグラインド時に流れる水が入り保護シールが剥がれてしまう問題があるからである。また高温度雰囲気にさらされると、バックグラインド時の熱歪みが原因で、傷を介して割れる恐れがある。そのため、できる限り後の工程、ここでは、硬化処理の熱処理が終わった後で、保護シートを貼り合わせてバックグラインドする。従って、水の侵入もなく、更には熱歪みによるクラック等の防止も実現できる。
【0063】
以上、本発明は、再配線型で説明してきたが、樹脂封止型でも実施できることは言うまでもない。
【0064】
また本願では、絶縁樹脂層Rとしてシート30付きのフィルムFを採用しても良い。
【0065】
以下簡単にその説明をする。図12は、メタルポスト8がウェハ全体にある様子を示し、図6の構成を模式的に示している。上層には、例えばテフロンシート30にアミック酸から成る絶縁樹脂層31が塗布されてフィルムFとなっている。図12に於いて太線がシート30である。
前記フィルムFをウェハ全面に配置し、上から平坦なプレス板を当接して押圧すると、絶縁樹脂層31は、硬化前なので柔らかいため、前記メタルポスト全てを前記絶縁樹脂層31で覆うことができる。(以上図13参照)
更に前記フィルムFを前記プレス板で押圧し、シート30がメタルポスト8に当接したら、その押圧をやめる。この状態では、メタルポストの頭部とシート30との間は、前記絶縁樹脂層31が押しのけられている。
【0066】
そして前実施例と同様に、熱を加えて硬化させる。この硬化により絶縁樹脂層31は収縮し、その表面がメタルポスト8の頭部よりも下端に位置することになる。ちょうど図8の状態にシート30が付いている状態である。(以上図14参照)
そして図15の様に、シート30を剥がせば、図8の構造が実現できる。
【0067】
ここでのポイントは、二つある。一つは、図12の状態の時、真空排気することである。つまりフィルムを貼り合わせるので、気泡が混入するからである。 二つ目は、前記プレス板で押圧するため、シート30とメタルポスト8の間の絶縁樹脂層31を排除できることである。従って硬化後シート30を剥がせば、メタルポスト8の頭部が露出できる。
【0068】
この場合でも、メタルポスト8の頭部に薄く絶縁樹脂層31が残存する可能性があるが、その量は微量であるため、簡単に研磨すれば完全に除去できる。しかも絶縁樹脂層r、Rを採用し、ウェハ全体がフラットでありメタルポスト8頭部の高さも均一であるため、前記研磨でウェハ全域に在るメタルポスト8の頭部を清浄にできる。
【0069】
【発明の効果】
本発明によれば、膜厚が大きく減少する絶縁樹脂を採用すると、
前記メタルポストの周囲の主表面が前記メタルポストの頭部より下端に位置できる。従ってメタルポストの頭部を露出でき、実質的に絶縁樹脂層の研磨をすることでの頭出しは不要となる。
【0070】
一般に熱硬化型の樹脂は、硬化することにより収縮するが、本発明で採用する樹脂は、その収縮率が大幅に大きく、その膜厚が大きく減少する。従って硬化のためのベークをすることで、図8、図14に示すように、その表面をメタルポストの下端に位置させることができる。従って全てのメタルポストの露出が可能となる。
【0071】
またフィルムの表面には、前記絶縁層と材料を異にするシートが設けられ、硬化の後にシートを剥がせば、やはりメタルポストの頭部を露出でき、精度の高い研磨作業が不要となる。
【0072】
また配線層とポリイミド樹脂層Rとの界面に、Si3N4膜が設けられてあるので、硬化前のイミド樹脂とCuとの反応を防止することができる。またメタルポスト、Cuの薄膜層の側面もSi3N4膜でカバーされ、前記反応を防止することができる。
【0073】
従って、Cuの配線層、Cuの薄膜層とポリイミド樹脂との界面は、反応もなく安定した状態で形成されるため、耐湿性、膨れ等を防止することができ、歩留まりの向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図2】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図3】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図4】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図5】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図6】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図7】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図8】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図9】 本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図10】 従来のチップサイズパッケージを説明する図である。
【図11】 従来のチップサイズパッケージを説明する図である。
【図12】 シート付きの絶縁樹脂層フィルムを採用した製造方法を説明する図である。
【図13】 シート付きの絶縁樹脂層フィルムを採用した製造方法を説明する図である。
【図14】 シート付きの絶縁樹脂層フィルムを採用した製造方法を説明する図である。
【図15】 シート付きの絶縁樹脂層フィルムを採用した製造方法を説明する図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a chip size package and a manufacturing method thereof. A chip size package (Chip Size Package) is also called a CSP, and is a generic name of packages that are equal to or slightly larger than the chip size, and is a package intended for high-density mounting. The present invention relates to exposure of a metal post head employed in a CSP.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in this field, generally called BGA (Ball Grid Array), a structure having a plurality of solder balls arranged in a plane, called fine pitch BGA, the outer shape of the BGA ball pitch is made narrower. A structure close to the chip size is known.
[0003]
Recently, there is a wafer CSP described in “Nikkei Microdevice”, August 1998, pages 44-71. This wafer CSP is basically a CSP in which wiring and array-like pads are formed by a wafer process (pre-process) before dicing a chip. With this technology, it is expected that the wafer process and the package process (post-process) are integrated, and the package cost can be greatly reduced.
[0004]
The types of wafer CSP include a sealing resin type and a rewiring type. The sealing resin mold has a structure in which the surface is covered with a sealing resin as in a conventional package, and a metal post is formed on the wiring layer on the chip surface and the periphery thereof is solidified with the sealing resin.
[0005]
In general, when a package is mounted on a printed circuit board, it is said that the stress generated by the difference in thermal expansion from the printed circuit board is concentrated on the metal post. However, in the resin-encapsulated type, the metal post becomes longer and the stress is dispersed. It is believed that.
[0006]
On the other hand, the rewiring type has a structure in which rewiring is formed without using sealing resin, as shown in FIG. That is, the Al electrode 52, the wiring layer 53, and the insulating layer 54 are laminated on the surface of the chip 51, the metal post 55 is formed on the wiring layer 53, and the solder ball 56 is formed thereon. The wiring layer 53 is used as rewiring for arranging the solder balls 56 in a predetermined array on the chip.
[0007]
In the sealing resin mold, the metal post is made as long as about 100 μm and is reinforced with the sealing resin, whereby high reliability can be obtained. However, the process of forming the sealing resin needs to be performed using a mold in a subsequent process, and the process becomes complicated.
[0008]
On the other hand, in the rewiring type, the process is relatively simple, and there is an advantage that most processes can be performed by a wafer process. However, it is necessary to relieve stress and improve reliability by some method.
[0009]
11 omits the wiring layer 53 of FIG. 10 and forms an opening through which the Al electrode 52 is exposed, and a barrier metal 58 is formed between the metal post 55 and the aluminum electrode 52 in the opening. At least one layer is formed, and a solder ball 56 is formed on the metal post 55.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in FIG. 10, a polyimide resin is applied so as to completely cover the metal post 55, and after curing, the upper surface is polished to expose the head of the metal post. However, this polishing process is very difficult to control, and there is a problem that the solderability of the solder balls 56 and the uniformity of the height of the solder balls deteriorate.
[0011]
The present invention solves the above problems.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and firstly, the chip surface including the wiring layer is covered, and the main surface around the metal post has a lower end lower than the head of the metal post by heat shrinkage generated by thermosetting. The problem is solved by having an insulating layer made of a thermosetting resin located in the area.
[0013]
In general, a thermosetting resin shrinks when cured, but the shrinkage rate of the resin employed in the present invention is significantly large, and the film thickness decreases. Therefore, by baking for hardening, as shown in FIG. 8, the surface can be located at the lower end of the metal post. Therefore, all the metal posts can be exposed, and all the solder balls can be fixed.
[0014]
Secondly, as a material having a large shrinkage rate, the problem is solved by applying and shrinking a resin mainly composed of amic acid.
[0015]
Third, an insulating layer made of a resin that undergoes thermal shrinkage due to thermosetting is coated on the chip surface including the first insulating layer, the wiring layer, and the metal post,
The insulating layer is heat treated to shrink, the main surface around the metal post is lowered from the head of the metal post,
This is solved by forming solder balls on the metal posts.
[0016]
Fourth, the problem is solved by adopting a resin made of amic acid in a coating type or a film type.
[0017]
Fifth, a sheet having a material different from that of the insulating layer is provided on the surface of the film, and the problem is solved by exposing the metal post by peeling the sheet.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described.
[0019]
In FIG. 9, reference numeral 1 is the uppermost metal (portion that also functions as a bonding pad) portion of a normal wire bonding type IC chip. An interlayer insulating film to be formed is indicated by reference numeral 2.
[0020]
In the lower layer of the contact hole C, a plurality of metals are formed, and are in contact with, for example, a transistor (a MOS type transistor or a BIP type transistor), a diffusion region, a poly-Si gate, or poly-Si.
[0021]
Here, although the present embodiment has been described in the MOS type, it goes without saying that the present embodiment can also be implemented by BIP.
[0022]
This structure is an IC generally called single layer metal, double layer metal,.
[0023]
Further, the passivation film is indicated by reference numeral 3. Here, the passivation film 3 is made of Si nitride film, epoxy resin, polyimide resin, or the like, and further, an insulating resin layer r is coated thereon. As will be described later, the insulating resin layer r realizes flatness and keeps the height of the solder balls constant. In particular, when shrink resin with a sheet is used, when the film before curing is pressed with a plate-shaped pressurizing device, all the heads of the metal posts 8 can come into contact with the pressurizing unit, so that a highly accurate metal Exposure is possible. Details will be explained in the process.
A Ti nitride film 5 is formed on the Al electrode 1.
[0024]
In the passivation film 3 and the insulating resin layer r, an opening K exposing the Ti nitride film 5 is formed, and a Cu thin film layer 6 is formed here as a plating electrode (seed layer) of the wiring layer. On this, a wiring layer 7 formed by Cu plating is formed.
[0025]
A resin layer R made of resin is formed on the entire surface of the chip including the wiring layer 7. However, although omitted in the drawing, a Si 3 N 4 film may be provided at the interface between the resin layer R and the wiring layer 7 and between the resin layer R and the metal post 8.
[0026]
The resin layer R can be implemented as long as it is a thermosetting or thermoplastic resin, and an amic acid film, a polyimide, or an epoxy resin is particularly preferable as the thermosetting resin. Moreover, if it is a thermoplastic resin, a thermoplastic polymer (Hitachi Chemical: Hymal) etc. are preferable. The amic acid film has a shrinkage rate of 30 to 50%.
Here, the resin R is prepared with a liquid amic acid as a main material, and is spun on the entire surface of the wafer to be formed with a thickness of about 20 to 60 μm. Thereafter, the resin R is polymerized by a thermosetting reaction. The temperature is 300 ° C or higher. However, a resin composed of an amic acid before thermosetting becomes very active under the above temperature, and has a problem of reacting with Cu and deteriorating its interface. However, the reaction with Cu can be prevented by coating the surface of the wiring layer with a Si3N4 film. Here, the film thickness of the Si3N4 film is about 1000 to 3000 mm.
[0027]
The Si3N4 film may be an insulating film having excellent barrier properties, but the SiO2 film is inferior in barrier properties. However, when the SiO2 film is used, it is necessary to make the film thickness thicker than the Si3N4 film. Further, since the Si3N4 film can be formed by the plasma CVD method, its step coverage is excellent and preferable. Further, since the resin layer R is coated after the metal post 8 is formed, the formation of the Si3N4 film not only prevents the reaction between the wiring layer 7 made of Cu and the resin layer mainly composed of amic acid, but also Cu The reaction between the metal post 8 made of the resin layer R and the resin layer R mainly composed of amic acid can also be prevented.
[0028]
The resin layer R is a film that characterizes the present invention. When the resin layer R in the state of FIG. 7 is cured, the resin R shrinks during the curing, and its film thickness is greatly reduced as shown in FIG. Therefore, the surface of the resin layer R is located at the lower end of the head of the metal post 8 and the metal post 8 is exposed. Therefore, it is not necessary to scrape the resin layer R and expose the head. Further, evenly exposing the head in this polishing step requires very difficult control, but it can be easily exposed by contraction of the resin.
[0029]
Therefore, the head of the metal post 8 is exposed at the end of the wiring layer 7, and Ni 10 and Au 11 on the head of the metal post 8 are exposed.
[0030]
When a solder ball is formed directly on the metal post 8 made of Cu, the connection strength with the solder ball deteriorates due to oxidized Cu. Further, when Au is formed directly to prevent oxidation, Au is diffused, so Ni is inserted therebetween. Ni prevents oxidation of Cu, and Au prevents oxidation of Ni. Therefore, deterioration of the solder ball and strength are suppressed.
[0031]
Here, Ni and Au are formed by electrolytic plating, but may be electroless plating.
[0032]
Finally, solder balls 12 are formed on the heads of the metal posts 8.
[0033]
Here, the difference between the solder ball and the solder bump will be described. As the solder balls, ball-shaped solder is prepared separately and fixed to the metal posts 8. The solder bumps are formed by electrolytic plating through the wiring layers 7 and the metal posts 8. The solder bump is initially formed as a film having a thickness, and is formed into a spherical shape by post heat treatment.
[0034]
Here, since the seed layer is removed in FIG. 7, it cannot be formed by electrolytic plating, and actually a solder ball is prepared.
[0035]
Next, the manufacturing method of the structure of FIG. 9 will be described more simply than FIG.
[0036]
First, a semiconductor substrate (wafer) on which an LSI having an Al electrode 1 is formed is prepared. Here, as described above, in the IC of the first layer metal, the second layer metal,..., For example, the source electrode and drain electrode of the transistor are formed as the first layer metal, and the Al electrode 1 in contact with the drain electrode is the second layer metal. It is formed as metal.
[0037]
Here, after forming the opening C of the interlayer insulating film 2 from which the drain electrode is exposed, an electrode material mainly made of Al and a Ti nitride film 5 are formed on the entire surface of the wafer, and the Al electrode 1 and the nitride are formed using a photoresist as a mask. The Ti film 5 is dry etched into a predetermined shape.
[0038]
Here, unlike the case where the passivation film 3 is formed and then the barrier metal is formed in the opening C that has been opened thereafter, it can be formed at once with the photoresist including the Ti nitride film as the barrier metal, and the number of processes can be simplified. It becomes.
[0039]
The Ti nitride film 5 functions as a barrier metal for a Cu thin film layer 6 to be formed later. Moreover, attention is paid to the fact that the Ti nitride film is effective as an antireflection film. That is, it is also effective for preventing halation of a resist used in patterning. In order to prevent halation, a minimum of about 1200 to 1300 mm is required, and in order to combine this with the function of a barrier metal, about 2000 to 3000 mm is preferable. If it is formed thicker than this, stress generated due to the Ti nitride film will occur.
[0040]
Further, after the Al electrode 1 and the Ti nitride film 5 are patterned, the entire surface is covered with the passivation film 3. Here, a Si3N4 film is employed as the passivation film, but a polyimide resin or the like is also possible. (See Figure 1 above)
Subsequently, the surface of the passivation film 3 is covered with an insulating resin layer r. Here, a positive type photosensitive polyimide film is employed as the insulating resin layer, and the insulating resin layer is covered with about 3 to 5 μm. Then, an opening K is formed.
By adopting this photosensitive polyimide film, it is not necessary to form a photoresist by separately forming a photoresist in the patterning of the opening K in FIG. 2, and the use of a metal mask simplifies the process. it can. Of course, photoresist is also possible. Moreover, this polyimide film is also used for the purpose of planarization. That is, in order for the height of the solder ball 12 to be uniform in all regions, the height of the metal post 8 needs to be uniform in all regions, and the wiring layer 7 also needs to be formed flat and with high accuracy. . For this purpose, a polyimide resin is applied, and since the resin has fluidity with a certain viscosity, the surface can be made flat.
[0041]
Here, the Al electrode 1 also serves as an external connection pad of the LSI, and is a portion that functions as a wire bonding pad when not formed as a chip size package composed of solder balls (solder bumps). (See Figure 2 above)
Subsequently, a Cu thin film layer 6 is formed on the entire surface. The Cu thin film layer 6 later becomes a plating electrode for the wiring layer 7 and is formed to a thickness of about 1000 to 2000 mm by sputtering, for example.
[0042]
Subsequently, for example, a photoresist layer PR1 is applied to the entire surface, and the photoresist PR1 corresponding to the wiring layer 7 is removed. (See Figure 3 above)
Subsequently, a wiring layer 7 is formed using the Cu thin film layer 6 exposed in the opening of the photoresist PR1 as a plating electrode. The wiring layer 7 needs to be formed as thick as about 2 to 5 μm in order to ensure mechanical strength. Although the plating method is used here, it may be formed by vapor deposition or sputtering.
[0043]
Thereafter, the photoresist layer PR2 is removed. (See Figure 4 above)
Subsequently, a photoresist PR2 exposing a region where the metal post 8 is to be formed is formed, and a Cu metal post 8 is formed on the exposed portion by electrolytic plating. This also uses the Cu thin film layer 6 as a plating electrode.
[0044]
This metal post is formed to a height of about 30 to 100 μm, and Ni10 is formed by electrolytic plating at about 1 μm, and Au11 is formed by electrolytic plating at about 5000 mm.
[0045]
Since Cu8, Ni10, and Au11 are formed continuously, they are not left for a long time, and therefore, Cu oxidation prevention and Ni oxidation prevention can be realized. Here, Pt and Pd may be used instead of Au. (See Figure 5 above)
Subsequently, the photoresist PR2 is removed, and the Cu thin film layer 6 is removed using the wiring layer 7 as a mask.
[0046]
Although the following steps are omitted in the drawing, the Si 3 N 4 film SN may be deposited on the entire surface including the wiring layer 7 and the metal post 8 by plasma CVD.
[0047]
This is because the uncured resin R and Cu formed in a later process react with heat. Therefore, there is a problem that this interface deteriorates. Therefore, it is necessary to cover the wiring layer 7 and the metal post 8 with this Si3N4 film SN. Of course, the Si3N4 film can be omitted if the interface does not deteriorate.
[0048]
If the Si 3 N 4 film is formed after forming the metal post 8 including Ni 10 and Au 11, the wiring layer 7 and the metal post 8 can be covered. Further, it is necessary to protect the side surface M exposed by patterning together, but here, since the Si3 N4 film is coated after patterning both, the side surface M is also protected together.
[0049]
Subsequently, the resin layer R is applied to the entire surface. (See Figure 7 above)
This resin is also a photosensitive resin and is cured by a thermosetting reaction.
[0050]
Since this photosensitive resin has fluidity, flatness is realized, and since it is photosensitive, an opening can be realized with a metal mask without employing a separate photoresist, and the process can be simplified.
[0051]
Further, the insulating resin layers R and r have the following merits.
In general, when a viscous resin is applied with a dispenser, there is a problem that bubbles are taken in even if defoaming occurs. If sintering is performed with air bubbles taken in, there is a problem that the air bubbles burst due to a future process or use of a high temperature atmosphere on the user side.
[0052]
In this step, application is performed by spin-on, and adjustment is performed so that the film can be formed to a thickness of about 20 to 30 μm by one spin. As a result, bubbles larger than this film thickness bounce off and disappear because the film thickness is thin. Bubbles smaller than this film thickness are blown out together with the resin blown to the outside by the spin-on centrifugal force, and a film without bubbles can be formed.
[0053]
Further, the insulating resin layer R needs to have a film thickness of about 100 μm. In this case, the above-described principle is adopted, and the insulating resin layer R can be formed while being applied in a plurality of times by spin-on and removing bubbles.
[0054]
Of course, you may apply | coat with a dispenser, without employ | adopting spin-on.
[0055]
Furthermore, the present insulating resin layer R has a feature that should be a feature of the present invention. That is, it shrinks during curing. Generally, the resin shrinks to some extent after being cured. However, as shown by the arrows, the present insulating resin layer R contracts significantly after baking, and the surface of the insulating resin layer R is positioned at the lower end than the head of the metal post 8. Therefore, since the head of the metal post 8 is exposed, the solder ball can be fixed.
[0056]
Further, in order to increase the strength of the solder ball, it is necessary to increase the exposure rate including the side surface of the metal post 8, but this can also be controlled by controlling the coating amount of the insulating resin layer R. it can.
[0057]
In addition, after curing, an extremely thin film may remain on the head of the metal post 8, but in this case, the surface may be simply polished. In particular, since the height of the metal posts is uniform as described above, all the heads can be cleaned by using a flat polishing plate.
[0058]
Alternatively, after the insulating resin layer R is coated, it may be semi-cured to such an extent that it can be polished, polished to the vicinity of the head of the metal post 8, and then completely cured. In this case, since only an extremely thin film remains on the head of the metal post 8, even if the shrinkage rate of the insulating resin layer R is small, the metal post can be exposed by the shrinkage of the insulating resin layer. In other words, since the film thickness that can be disposed on the metal post 8 is determined by the shrinkage rate of the resin, it is possible to expose the metal post by deciding whether or not to polish according to the film thickness and how much to polish. That's fine. (See Figure 7 above)
When the Si3N4 film is formed, the Si3N4 film is formed on the head of the metal post. In this case, the Si3N4 film is removed by wet etching, dry etching or polishing.
[0059]
Finally, the prepared solder balls 12 are aligned and mounted and reflowed. Then, the semiconductor substrate is divided into chips along a scribe line by a dicing process to complete a chip size package.
[0060]
Here, the timing for melting the solder is before dicing.
[0061]
After the insulating resin layer R is cured, a protective sheet is attached to the entire surface of the wafer, and back grinding is performed while protecting the surface.
[0062]
This is because if the protective sheet is pasted after the solder balls are formed, there is a problem that water flowing during back grinding enters a gap formed by the solder balls and the protective sheet and the protective seal is peeled off. When exposed to a high temperature atmosphere, there is a risk of cracking through scratches due to thermal distortion during back grinding. Therefore, after the heat treatment of the later step, here, the curing treatment is finished, the protective sheet is pasted and back-ground. Therefore, water can be prevented from entering, and cracks due to thermal distortion can be prevented.
[0063]
As described above, the present invention has been described with the rewiring type, but it goes without saying that the present invention can also be implemented with a resin sealing type.
[0064]
In the present application, the film F with the sheet 30 may be adopted as the insulating resin layer R.
[0065]
This will be briefly described below. FIG. 12 shows a state in which the metal post 8 is on the entire wafer, and schematically shows the configuration of FIG. As an upper layer, for example, an insulating resin layer 31 made of amic acid is applied to a Teflon sheet 30 to form a film F. In FIG. 12, the thick line is the sheet 30.
When the film F is arranged on the entire surface of the wafer and pressed against a flat press plate from above, since the insulating resin layer 31 is soft since it is not cured, all the metal posts can be covered with the insulating resin layer 31. . (See Fig. 13 above)
Further, when the film F is pressed by the press plate and the sheet 30 comes into contact with the metal post 8, the pressing is stopped. In this state, the insulating resin layer 31 is pushed between the head of the metal post and the sheet 30.
[0066]
Then, as in the previous example, heat is applied to cure. By this curing, the insulating resin layer 31 contracts, and the surface thereof is positioned at the lower end than the head of the metal post 8. In this state, the sheet 30 is attached to the state shown in FIG. (See Figure 14 above)
And if the sheet | seat 30 is peeled like FIG. 15, the structure of FIG. 8 is realizable.
[0067]
There are two points here. One is to evacuate in the state of FIG. That is, since the film is bonded, air bubbles are mixed. Second, since the pressing is performed by the press plate, the insulating resin layer 31 between the sheet 30 and the metal post 8 can be eliminated. Therefore, if the sheet 30 is peeled off after curing, the head of the metal post 8 can be exposed.
[0068]
Even in this case, there is a possibility that the insulating resin layer 31 remains thinly on the head of the metal post 8, but since the amount thereof is very small, it can be completely removed by simple polishing. In addition, since the insulating resin layers r and R are employed, the entire wafer is flat, and the height of the head of the metal post 8 is uniform, the head of the metal post 8 existing over the entire wafer can be cleaned by the polishing.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, when an insulating resin whose film thickness is greatly reduced is employed,
The main surface around the metal post can be positioned at the lower end from the head of the metal post. Therefore, the head of the metal post can be exposed, and cueing by substantially polishing the insulating resin layer becomes unnecessary.
[0070]
In general, a thermosetting resin shrinks when cured, but the shrinkage rate of the resin employed in the present invention is significantly large and the film thickness is greatly reduced. Therefore, by baking for curing, the surface can be positioned at the lower end of the metal post as shown in FIGS. Therefore, all metal posts can be exposed.
[0071]
Further, a sheet made of a material different from that of the insulating layer is provided on the surface of the film. If the sheet is peeled off after curing, the head portion of the metal post can be exposed, and a high-precision polishing operation becomes unnecessary.
[0072]
Further, since the Si3N4 film is provided at the interface between the wiring layer and the polyimide resin layer R, the reaction between the imide resin before curing and Cu can be prevented. Further, the side surfaces of the metal post and the Cu thin film layer are also covered with the Si3N4 film, thereby preventing the reaction.
[0073]
Accordingly, the interface between the Cu wiring layer, the Cu thin film layer, and the polyimide resin is formed in a stable state without reaction, so that moisture resistance, swelling, and the like can be prevented, and an improvement in yield can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating a conventional chip size package.
FIG. 11 is a diagram illustrating a conventional chip size package.
FIG. 12 is a diagram for explaining a production method employing an insulating resin layer film with a sheet.
FIG. 13 is a diagram for explaining a production method employing an insulating resin layer film with a sheet.
FIG. 14 is a diagram for explaining a production method employing an insulating resin layer film with a sheet.
FIG. 15 is a diagram for explaining a production method employing an insulating resin layer film with a sheet.

Claims (1)

金属材料からなる金属電極パッドの一部を露出する第1の開口部を有した第1の絶縁層を形成し、Forming a first insulating layer having a first opening exposing a part of a metal electrode pad made of a metal material;
前記第1の開口部から露出する前記金属電極パッドと接続され、チップ表面に延在するCuより成る配線層を形成し、  A wiring layer made of Cu connected to the metal electrode pad exposed from the first opening and extending to the chip surface;
前記配線層上にCuから成るメタルポストを形成し、  Forming a metal post made of Cu on the wiring layer;
前記第1の絶縁層、前記配線層および前記メタルポストを含むチップ表面を、熱硬化により熱収縮が生じるアミック酸よりなる樹脂層を該樹脂層と材料を異にするシートに設けたフィルムで被覆し、  The chip surface including the first insulating layer, the wiring layer, and the metal post is covered with a film provided with a resin layer made of amic acid that undergoes thermal shrinkage by thermosetting on a sheet made of a material different from the resin layer. And
前記樹脂層を熱処理して収縮させて絶縁層を形成し、前記メタルポスト周囲の主表面を前記メタルポストの頭部より下降させ、  The resin layer is heat treated to shrink to form an insulating layer, the main surface around the metal post is lowered from the head of the metal post,
前記シートを剥がす事により前記メタルポストを露呈させ、Exposing the metal post by peeling the sheet,
前記メタルポスト上に半田ボールを形成する事を特徴とする半導体装置の製造方法。  A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a solder ball is formed on the metal post.
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