(57)【要約】【課題】ＢＧＡ構造の半導体装置における熱負荷試験の効率化を向上する。【解決手段】Ｓｉウエハを準備し、鏡面処理を施す（Ｓ１０１）。外部端子を有する半導体素子を含む複数のチップを準備する（Ｓ２００）。ＷＰＰ技術を用いて、前記Ｓｉウエハ上に配線を形成する（Ｓ１０２、Ｓ１０３）。前記Ｓｉウエハ上に前記複数のチップを搭載し、前記端子と前記配線とを電気的に接続する（Ｓ１０４）。高温環境下において前記配線を介して前記半導体素子の電気的特性の試験を行う（Ｓ１０５）。その後、前記複数のチップそれぞれが個片化されるように、前記Ｓｉウエハをダイシングする（Ｓ１０８）。【選択図】図２
2008300604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の工程を含む半導体装置の製造方法：
（ａ）半導体または導電体からなる円盤板状の基材を準備し、前記基材に対して鏡面処理を施す工程、
（ｂ）半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された端子と、を含む複数のチップを準備する工程、
（ｃ）半導体プロセス技術を用いて、前記基材上に前記端子と接続される配線を形成する工程、
（ｄ）前記基材上に前記複数のチップを搭載し、前記端子と前記配線とを電気的に接続する工程、
（ｅ）前記工程（ｄ）の後、前記配線を介して前記半導体素子の電気的特性の試験を行う工程、
（ｆ）前記工程（ｅ）の後、前記複数のチップそれぞれが個片化されるように、前記基材をダイシングする工程。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｅ）の前記試験は、高温で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記複数のチップは、半導体ウエハをダイシングして、個片化されてなり、
前記工程（ｂ）は、
（ｂ１）前記半導体ウエハの状態で、前記半導体素子の電気的特性の試験を行う工程、を含み、
前記工程（ｂ１）の試験と前記工程（ｅ）の試験が、同一の製造装置を用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程（ｅ）と前記工程（ｆ）との間に、前記基材上に前記配線と電気的に接続するハンダボールを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体は、シリコンであり、
前記導電体は、アルミニウムまたは銅であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に、ＢＧＡ（Ball Grid Array）構造を有する半導体装置の製造に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ（以下、単にチップという）の小型化と共に、それをパッケージ化した半導体装置も小型化している。また、高集積化された多ピンパッケージとして、チップを搭載した基板に、複数個のボール（球）状の外部端子を設けたＢＧＡ構造の半導体装置が広用されている。このＢＧＡ構造の半導体装置は、半導体基板の上面又は下面に複数個のボール状の外部端子を熱的に接着して製造するため生産性が高く、なおかつ外部端子がボール状であるため外部からの衝撃に対しても容易に変形されないという長所がある。このようなＢＧＡ構造の半導体装置の一例として、高温環境下で用いられる自動車のエンジン制御用マイコンが挙げられる。
【０００３】
なお、本発明者らは、発明した結果に基づき、チップを搭載したＢＧＡ構造の半導体装置の観点、およびそのＢＧＡ構造半導体装置の高温環境下における熱負荷試験の観点で先行技術調査を行った。その結果、チップを搭載したＢＧＡ構造の半導体装置の観点では、特開２００２−１７０９１８号公報（特許文献１）が抽出された。特許文献１は、全体として小型でかつ高密度に実装し、電気的に最短な配線長で結線することを主題とするものであり、ＢＧＡ構造の半導体装置が記載されているが、高温環境下での熱負荷試験についての記載はない。
【特許文献１】特開２００２−１７０９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高性能、高機能を有する自動車のエンジン制御用マイコンにおいては、その搭載場所により、例えば１５０℃の高温環境下でも動作する信頼性が要求されている。このため、エンジン制御用マイコンは、パッケージの熱抵抗の関係から、１２５℃以下の環境で使用するものはインターポーザ（基材）としてガラスエポキシ基板を用いたＢＧＡ、１２５℃以上の環境で使用するものはインターポーザとしてセラミック基板を用いたＢＧＡ、あるいはＣＳＰ（Chip Size Package）で構成するように、使い分けが必要となってくる。
【０００５】
ところで、エンジン制御用マイコンがより高性能化、例えば高速動作する場合、エンジン制御用マイコンに搭載されるチップのセルサイズを小さくする必要がある。このためセルサイズを小さくした場合、チップサイズも小さくすることができ、製造コストを低減することもできる。しかしながら、高機能化のため入出力の外部端子数を例えば２５６ピンと同一とする場合、ＣＳＰで構成されたサイズの小さいチップに２５６ピンを配置しようとすると、ピンピッチを狭くする必要があるが、製造マージンの観点から小さいチップには配置することが困難である。また、ＣＳＰを実装基板に接続することが困難となる。
【０００６】
また、ＣＳＰよりピッチを広く取ることができるＢＧＡを用いることで、高速動作に対応したセルサイズの小さいチップを搭載することができる。しかしながら、インターポーザにガラスエポキシ基板を適用した場合、チップサイズが小さくなることにより熱抵抗が大きくなるため、ガラスエポキシ基板を多層にしなければならず、製造コストが増加してしまう。また、ガラスエポキシ基板では、例えば−４０℃〜１２５℃以上の環境で１０年以上の信頼性を確保することができない。
【０００７】
また、ＢＧＡのインターポーザに、高温環境でも使用することのできるセラミック基板を用いることができる。しかしながら、セラミック基板は表面が粗いため表面上に配線を形成するにはピッチマージンを広くする必要があり、前述したようにピンピッチの狭いチップを搭載することができない。またシリコンウエハのように２００φ、３００φのような大面積のセラミック基板を得ることができない。
【０００８】
本発明の目的は、高温環境下における高信頼性のＢＧＡ構造の半導体装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、ＢＧＡ構造の半導体装置における熱負荷試験の効率化を向上することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１２】
本発明の一実施の形態は、まず、（ａ）半導体または導電体からなる円盤板状の基材（インターポーザ）を準備し、前記基材に対して鏡面処理を施す。次いで、（ｂ）半導体基板と、前記半導体基板上に形成された半導体素子と、前記半導体素子と電気的に接続された端子と、を含む複数のチップを準備する。次いで、（ｃ）ＷＰＰ（Wafer Process Package）技術を用いて、前記基材上に前記端子と接続される配線を含む配線層を形成する。次いで、（ｄ）前記基材上に前記複数のチップを搭載し、前記端子と前記配線とを電気的に接続する。次いで、（ｅ）前記配線を介して前記半導体素子の電気的特性の試験を行う。次いで、（ｆ）前記複数のチップそれぞれが個片化されるように、前記基材をダイシングする。
【発明の効果】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１４】
この一実施の形態によれば、ＷＰＰ技術を用いて高温環境下に耐えるインターポーザ上に微細な配線を形成するものであり、高信頼性のＢＧＡ構造の半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１６】
本発明の実施の形態における半導体装置は、半導体プロセス技術のＷＰＰ技術を用いてインターポーザ（基材）上に配線を形成したＢＧＡ構造の半導体装置（以下、ＷＰＰ−ＢＧＡという）である。図１にＷＰＰ−ＢＧＡの断面を模式的に示す。また、図２にＷＰＰ−ＢＧＡのプロセスフローを示す。
【００１７】
図１に示すように、ＷＰＰ−ＢＧＡは、図１の上下方向において上面と下面を有するインターポーザ１の下面でチップ２がフリップチップ（ＦＣ）接続されている。インターポーザ１とチップ２との間には例えばポリイミド系のアンダーフィル３が埋め込まれ、チップ２の主面、すなわち半導体素子（半導体素子を含む回路）の形成面を保護している。チップ２には、半導体素子と電気的に接続された端子４が設けられており、インターポーザ１の下面側で形成された配線（図示しない）と電気的に接続されている。インターポーザ１には、ＷＰＰ−ＢＧＡの外部端子となるボール状のハンダバンプ５が設けられており、インターポーザ１の下面側で形成された配線（図示しない）と電気的に接続されている。したがって、ハンダバンプ５とチップ２の半導体素子とは電気的に接続されていることとなる。
【００１８】
図１に示すようなＷＰＰ−ＢＧＡの構造は、パッケージ熱伝導率がＢＧＡ基材を、ガラスエポキシ基板から半導体、または導電体にすることで２乃至３桁向上することができる。具体的に熱伝導率は、ガラスエポキシ基板が０．４Ｗ／ｍｋであるのに対し、Ｓｉ基板が１６８Ｗ／ｍｋ、Ａｌ（アルミニウム）基板が２３６Ｗ／ｍｋ、Ｃｕ（銅）基板が３９０Ｗ／ｍｋである。なお、パッケージ熱抵抗はＬ／（λＡ）として表せ、Ｌは伝熱方向距離、Ａは伝熱面積、λは熱伝導率である。
【００１９】
また、空気中への熱伝達は、ガラスエポキシ基板を用いた場合がチップのみからであるのに対し、半導体、導電体を用いることによって、パッケージ全面よりでき、パッケージ表面積分効率を向上することができる。また、パッケージから気体への熱伝達は熱伝達率の大きい固体の表面積に比例するので、ガラスエポキシ基板を用いたＢＧＡは下面のみに対し、ＷＰＰ−ＢＧＡは上面も加わり、２倍以上の放熱面積とすることができる。このように、本発明では高温環境下において高信頼性のＷＰＰ−ＢＧＡを提供することができる。
【００２０】
次に、ＷＰＰ−ＢＧＡの製造方法を図面を参照して説明する。図３乃至図８は、製造工程中のＷＰＰ−ＢＧＡを模式的に示す断面図であり、インターポーザ１の製造工程が示されている。まず、図３に示すように、インターポーザ１となる円盤板状の例えばｎ型のシリコン（Ｓｉ）、すなわちＳｉウエハ１Ｗを準備する（ステップＳ１０１）。Ｓｉウエハの直径は例えば２００ｍｍ、または３００ｍｍであり、一般に半導体プロセスで用いられている大きさである。また、インターポーザ１となるＳｉウエハ１Ｗ（Ｓｉ基板）の表面は、研磨などにより鏡面処理が施される。なお、前述したように、インターポーザ１には、Ｓｉ基板の他に、Ａｌ基板またはＣｕ基板であっても良い。
【００２１】
このように、インターポーザ１として、ガラスエポキシ基板ではなく、Ｓｉ基板を用いている。ガラスエポキシ基板の熱伝導率は０．４Ｗ／ｍｋであるのに対し、Ｓｉ基板の熱伝導率は１６８Ｗ／ｍｋである。このため、Ｓｉ基板を用いることで、ＷＰＰ−ＢＧＡが例えば１２５℃〜１６０℃の高温環境下で用いられても安定しており、ＷＰＰ−ＢＧＡを実装基板に接続した場合であっても１０年以上の信頼性を持たせることができる。
【００２２】
また、インターポーザ１としてのガラスエポキシ基板は、その表面が粗いため配線を微細加工で形成することが困難であるが、Ｓｉ基板は鏡面とすることができ、ＷＰＰ技術によっていわゆる最小加工寸法で配線を形成することができる。
【００２３】
また、インターポーザ１として、セラミック基板ではなく、Ｓｉ基板を用いている。このため、Ｓｉ基板を構成するＳｉウエハの大きさは２００ｍｍまたは３００ｍｍの直径とすることができるのに対し、セラミック基板はこれほど大きくすることはできないが、セラミック基板ではなくＳｉ基板を用いることで、多数のＷＰＰ−ＢＧＡを取得することができる。
【００２４】
続いて、Ｓｉウエハ１Ｗ上に、配線を形成する（ステップＳ１０２）。まず、スピンコートによって、Ｓｉウエハ１Ｗの全面に感光性ポリイミド膜６を形成した後、図４に示すように、スパッタリングによって、感光性ポリイミド膜６上にＣｒ（クロム）−Ｃｕ（銅）膜７を形成する。次いで、スパッタリングによって、Ｃｒ−Ｃｕ膜７上にＣｕ膜８を形成した後、メッキ法によって、Ｃｕ膜８上にＣｕ−Ｎｉ（ニッケル）膜９を形成する。これらＣｒ−Ｃｕ膜７、Ｃｕ膜８、Ｃｕ−Ｎｉ膜９から配線８Ｌが形成される。
【００２５】
続いて、図５に示すように、所定の領域でＣｕ−Ｎｉ膜９、Ｃｕ膜８、Ｃｒ−Ｃｕ膜７を感光性ポリイミド膜６が露出するまで除去する。
【００２６】
続いて、図６に示すように、スピンコートによって、Ｓｉウエハ１Ｗの全面、すなわちＣｒ−Ｃｕ膜７、Ｃｕ膜８、Ｃｕ−Ｎｉ膜９を覆うように感光性ポリイミド膜１０を形成した後、感光性ポリイミド膜１０に対して現像、ベークを行う。
【００２７】
続いて、図７に示すように、所定の領域でＣｕ−Ｎｉ膜９が露出するように、感光性ポリイミド膜１０に開口部１１を形成する。
【００２８】
続いて、図８に示すように、メッキ法によって、開口部１１内のＣｕ−Ｎｉ膜９上にＡｕ（金）膜１２を形成する。これにより、インターポーザ１が完成することになる（ステップＳ１０３）。
【００２９】
ここで、半導体基板と、その半導体基板上に形成された半導体素子と、その半導体素子と電気的に接続された端子と、を含む複数のチップ２を準備する（Ｓ２００）。
【００３０】
具体的に、チップ２の製造方法について説明する。図９にチップ２のプロセスフローを示す。例えばＳｉ（シリコン）からなる半導体ウエハ（半導体基板）の主面に半導体素子を形成した後、半導体素子上に多層配線を形成する（Ｓ２０１）。次いで、最上配線層にＣｕ配線パッドを形成する（Ｓ２０２）。この多層配線およびＣｕ配線パッドを形成する工程は、ＷＰＰ技術が用いられるＷＰＰラインである。
【００３１】
次いで、半導体ウエハの状態で、半導体素子の電気的特性試験を行う（Ｓ２０３）。この工程は、ウエハ状態で電気的特性試験が行われるＷＴラインである。
【００３２】
次いで、端子４となるハンダバンプを形成（Ｓ２０４）した後、半導体ウエハの裏面を研磨する（Ｓ２０５）。その後、半導体ウエハをダイシングする（Ｓ２０６）ことによって、チップ２が完成する（Ｓ２００）。これまでの工程は、ＷＰＰ技術が用いられるＷＰＰラインである。
【００３３】
次いで、アンダーフィル３を用いて複数のチップ２をＳｉウエハ１Ｗに搭載する（Ｓ１０４）。すなわち、図１に示すように、アンダーフィル３を用いてチップ２をインターポーザ１に搭載する。これにより、チップ２の半導体素子の端子と、Ｓｉウエハ１Ｗ上に形成された配線８Ｌとを電気的に接続する。ここまでの工程が、ＷＰＰ技術が用いられるＷＰＰラインである。
【００３４】
次いで、Ｓｉウエハ１Ｗの状態のまま、配線８Ｌを介して半導体素子の電気的特性の試験を行う（Ｓ１０５）。この工程は、ウエハ状態で電気的特性試験が行われるＷＴラインである。この電気的特性試験は、前述のチップ２の製造工程中の電気的特性試験と同一の製造装置を用いて行うことができる。このように、試験工程を統一することができるので、製造コストを低減することができる。特に、複数のウエハを高温炉に投入して行う熱負荷試験において、電気的特性試験の工程を統一することによって、ＷＰＰ−ＢＧＡの熱負荷試験の効率化を向上することができる。
【００３５】
次いで、Ｓｉウエハ１Ｗにハンダボールを搭載し、リフローすることによって、ハンダバンプ５を形成する（Ｓ１０６）。これにより、ＷＰＰ−ＢＧＡが完成する（Ｓ１０７）。次いで、ＷＰＰ−ＢＧＡを個片化するためにＳｉウエハ１Ｗをダイシングする（Ｓ１０８）。その後、外観検査がされた後、ＷＰＰ−ＢＧＡを出荷する（Ｓ１０９）。ここまでの工程が、ＷＰＰ技術が用いられるＷＰＰラインである。
【００３６】
例えば、ＷＰＰ−ＢＧＡがエンジン制御用マイコンの場合、エンジン制御用の実装基板２１にＷＰＰ−ＢＧＡを接続すると、図１０に示すような構造となる。実装基板２１には、基板配線２２、２３、配線層２４、ビア２５が形成されている。ＷＰＰ−ＢＧＡのチップ２の裏面と基板配線２２とを接触させ、またＷＰＰ−ＢＧＡの外部端子であるハンダバンプ５と基板配線２３とを接触させて、実装基板２１上にＷＰＰ−ＢＧＡを搭載する。チップ２の裏面を実装基板２１の基板配線２２と接続させることでチップ２の発熱を実装基板に効率良く放熱することができる。
【００３７】
また、ＷＰＰ−ＢＧＡのインターポーザ（基材）は、実装基板の線膨張係数により使い分けることで熱応力を軽減することができる。具体的には、実装基板２１がセラミック基板の場合、ＷＰＰ−ＢＧＡの基材をＳｉ基板とする。線熱膨張係数は、セラミック基板が３．５〜８×１０−６（１／℃）に対してＳｉ基板が３．５×１０−６（１／℃）と近似しているからである。また、実装基板がガラスエポキシ基板の場合、ＷＰＰ−ＢＧＡの基材をＡｌ基板またはＣｕ基板とする。線熱膨張係数は、ガラスエポキシ基板が１０〜２５×１０−６（１／℃）に対してＡｌ基板が２２×１０−６（１／℃）、Ｃｕ基板が１７×１０−６（１／℃）と近似しているからである。
【００３８】
このようにＷＰＰ−ＢＧＡのインターポーザ（基材）と実装基板の線熱膨張係数を合わせることによって熱応力を軽減することができる。
【００３９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４０】
例えば、前記実施の形態では、ＷＰＰ−ＢＧＡに搭載されるチップがＣＳＰから構成され、インターポーザとチップとの電気的接続をハンダバンプで行った場合について説明したが、ハンダバンプではなく、ワイヤボンディングパッドを有するようなチップにも適用することができる。すなわち、インターポーザとの電気的接続はボンディングワイヤ接続であっても良い。
【００４１】
また、例えば、前記実施の形態では、エンジン制御用マイコンにＷＰＰ−ＢＧＡを適用した場合について説明したが、携帯電話などに用いるシステムＬＳＩ製品にも適用することができる。具体的には、メモリとシステムＬＳＩ製品を組み合わせるＳＩＰ製品を、インターポーザのＳｉ基板にＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ、ＳＲＡＭなどのメモリを形成し、コントローラをＣＳＰのチップとしたＷＰＰ−ＢＧＡとすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、半導体装置、特に、ＢＧＡ構造の半導体装置の製造業に幅広く利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における半導体装置のプロセスフロー図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるインターポーザの製造工程中の要部断面図である。
【図４】図３に続くインターポーザの製造工程中における要部断面図である。
【図５】図４に続くインターポーザの製造工程中における要部断面図である。
【図６】図５に続くインターポーザの製造工程中における要部断面図である。
【図７】図６に続くインターポーザの製造工程中における要部断面図である。
【図８】図７に続くインターポーザの製造工程中における要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態における半導体装置に搭載される半導体チップのプロセスフロー図である。
【図１０】実装基板に接続した状態の本発明の実施の形態における半導体装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  インターポーザ
１Ｗ  Ｓｉウエハ
２  チップ
３  アンダーフィル
４  端子
５  ハンダバンプ
６  感光性ポリイミド膜
７  Ｃｒ−Ｃｕ膜
８  Ｃｕ膜
８Ｌ  配線
９  Ｃｕ−Ｎｉ膜
１０  感光性ポリイミド膜
１１  開口部
１２  Ａｕ膜
２１  実装基板
２２、２３  基板配線
２４  配線層
２５  ビア
３１  接着剤
【図１】
2008300604.tif 000003
【図２】
2008300604.tif 000004
【図３】
2008300604.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008300604.tif 000009
【図８】
2008300604.tif 000010
【図９】
2008300604.tif 000011
【図１０】
2008300604.tif 000012