兩面電極結構的半導體裝置及其製造方法

2023-06-10 02:41:56

專利名稱：兩面電極結構的半導體裝置及其製造方法
技術領域：
本發明涉及能夠在便攜電話、數位照相機等小型電子設備或小型機 器人、小型傳感器中使用的兩面電極結構的半導體裝置及其製造方法。
背景技術：
隨著LSI晶片的高集成化，也強烈要求封裝尺寸的縮小化，從而提 出各種安裝封裝結構。近年來，廣泛地進行在半導體棵晶片上形成貫通 電極並進行層疊的開發。另一方面，今後實際尺寸的兩面電極封裝也能 夠產品化的可能性較高。在任意的技術中，現有的兩面電極封裝需要貫 通電極結構(參照專利文獻1),但是，目前的貫通孔的絕緣方法在高 溫下進行處理，因此應用到半導體的安裝工藝是困難的。這樣，針對半 導體襯底的貫通孔的形成和該絕緣方法中還殘留技術問題，優選不需要 貫通電才及而進行布線。
專利文獻2中，在引線框型的兩面電極封裝中，以引線框使其上下 貫通，但是，下表面和上表面的電極配置相同，無上下連接的靈活性。
專利文獻3中，在BGA型的兩面電極封裝中，設置貫穿襯底的電 極，從而形成兩面電極結構。但是，上表面的電極配置部是貫通部本身， 在與上部連接IC的連接圖形中沒有靈活性。
專利文獻4中，在襯底上形成突起電極，公開了兩面電極結構，但 是，完全沒有該突起電極形成方法或連接方法等的具體公開。此外，還 公開了上表面的重新布線，但是，對於該方法來說，僅公開了以上表面 電鍍形成低電阻金屬膜並使用光刻法進行圖形形成的現有方法，可以說 在成本上具有很大的問題。
專利文獻l:特開2001-127243號公報
專利文獻2:特開2003-249604號公報
專利文獻3:特開2005-235824號公報
專利文獻4:特開20Q2-158312號公報
發明內容本發明目的在於，解決這樣的問題，能夠任意地在襯底上表面進行 重新布線，將容易地進行與上部IC的連接的兩面電極封裝變薄，並且 能夠以低成本製造。
此外，本發明的目的在於，不僅能夠簡單地將多個晶片內置在一個 襯底中，而且在襯底上部及下部的任意處取出任意數量的布線，使與上 部連接IC的連接圖形具有靈活性性。
本發明的兩面電極結構的半導體裝置中，在由進行多層布線的多層
有機襯底構成的封裝襯底上形成凹部，將LSI晶片收存到該凹部內。在 安裝於封裝襯底的凹部內並與多層布線連接的LSI晶片的周圍以及上面 注入樹脂並進行密封，直到與封裝襯底的最上面相同高度。在該封止後 的樹脂的上表面進行布線，並且，將該布線與在封裝襯底的正面連接到 多層布線的端子用布線、以及樹脂上表面的外部連接用的正面凸起電極 連接。在封裝襯底的背面側，形成與多層布線連接的外部連接用的背面 凸起電極。
在封裝襯底的凹部形成臺階差部，在該臺階差部形成與上述多層布 線連接的端子用布線，將該端子用布線作為接合線連接電極，與形成於 LSI晶片的上表面的電極連接。在封裝襯底的凹部底部的最上層，形成 與多層布線連接的金屬焊盤部，將該金屬焊盤部與朝下配置的LSI晶片 的上表面電極進行倒裝連接。在安裝在封裝襯底的凹部內的LSI晶片的 周圍及上表面，以樹脂密封面與封裝上表面成為同 一平面的方式注入樹 脂，直到與封裝襯底的最上面相同高度，由此，進行樹脂的封止。樹脂 上表面的布線通過使用了金屬粒子的噴墨方式或者絲網印刷來進行。作 為金屬粒子，可以使用銅粒子，在此情況下，實施使用了原子狀氫的還 原。
此外，在本發明的兩面電極結構的半導體裝置的製造方法中，在封 裝襯底上形成凹部，並且在該凹部內收存LSI晶片，該封裝襯底是在多 層有機襯底上進行多層布線、並且在該襯底的正面及背面分別將端子用 布線連接到所述多層布線而構成的。在安裝於所述封裝襯底的凹部內並 與所述多層布線連接的LSI晶片的周圍以及上表面注入樹脂進行密封， 直到與封裝襯底的最上面相同的高度。在所述樹脂的上表面，形成與所 述封裝襯底的正面的端子用布線連接的布線，並且，在該布線的前端形 成外部連接用的正面凸起電極。形成與所述封裝襯底的背面的所述端子用布線連接的外部連接用的背面凸起電極。
根據本發明，不是側面布線、也不是內部連接，而對封裝襯底進行 研究，也能夠容易地將高密度的兩面電極封裝較薄且低成本製造出來。
此外，根據用本發明，不僅能夠簡單地將多個晶片內置於一個襯底 中，而且能夠在襯底上部以及下部的任意處取出任意數量的布線，能夠 任意地對襯底上表面進行重新布線，能夠在與上部連接IC的連接中具 有靈活性。


圖1是對本發明的兩面電極結構的半導體裝置(有機襯底型兩面電 極封裝)進行例示的圖。
圖2是封裝襯底的剖面圖(A)以及立體圖(B)。
圖3是說明封裝村底的製造的一例的圖。
圖4是說明粘結LSI晶片的晶片焊接的圖。
圖5是說明多層有機襯底和LSI晶片的引線接合的圖。
圖6是以樹脂將腔部進行封止後的狀態的剖面圖(A )及立體圖(B )。
圖7是說明模型正面的重新布線的圖。
圖8是說明凸起電極的連接的圖。
圖9是對與圖1 (B)不同的布線圖形進行例示的平面圖。 圖IO是用作銅布線清洗裝置的處理裝置的剖面的概略圖。
具體實施例方式
以下，根據例示來說明本發明。圖1是將本發明的兩面電極結構的 半導體裝置(有機襯底型兩面電極封裝)進行例示的圖，(A)是示出 將LSI晶片收存到封裝襯底內並進行引線接合後的狀態的從上方觀察的 立體圖，(B)是在樹脂密封后進行重新布線並且形成外部連接用的凸 起而完成的狀態下所示的從上方觀察的立體圖。
由進行多層布線後的多層有機襯底構成的封裝襯底，如圖1 (A) 所示，形成有用於部分地收存LSI晶片的凹部以及凹部周圍的臺階差部。 除了背面側及正面側，在與凹部底面以及臺階差部分別相同的面上具備 多層有機襯底的布線層。在圖中，將正面側的布線層表示為端子用布線。 同樣地，也在多層有機襯底的背面側、凹部底面(倒裝連接用)以及臺階差部(引線接合用)上設置端子用布線。對於與多層有機襯底的布線 層連接的臺階差部上表面的金屬焊盤部(端子用布線)來說，作為接合
線連接電極，利用Au引線與形成在LSI晶片的上表面的電極連接。或 者，對於LSI晶片來說，將其向下配置的上表面電極與凹部底部的最上 層金屬焊盤部(端子用布線)進行倒裝連接。並且，在引線接合連接的 情況下，不一定需要凹部底部的布線層，但是，即使在晶片焊接部存在 布線，在其上塗敷絕緣層，或者使用絕緣性的晶片焊接材料，從而在芯 片焊接中沒有障礙。
如圖1 (B)所示，在引線接合後，為了不受來自外界的應力、汙 染的影響，利用環氧樹脂進行密封。在安裝在多層有機襯底的凹部內的 LSI晶片的周圍以及上表面(腔部)，以該樹脂密封面與封裝上表面變 得平坦(同一平面)的方式注入樹脂，直到與封裝襯底的最上面為相同 高度，由此，進行該樹脂密封。之後，在模型正面，進行連接到在封裝 襯底的最上面形成的端子用布線的布線(重新布線)。對於從封裝襯底 上表面延伸的該布線來說，利用使用了金屬納米粒子(特別是，銅納米 粒子)的噴墨方式或者絲網印刷，延長到樹脂面。在延長到該樹脂面的 布線的前端，形成作為外部連接用端子的凸起電極(連接突起)。該凸 起電極不僅形成在正面，也形成在背面。而且，如圖1 (B)所示，以 使凸起電極配置為等間隔的目的，不使重新布線延長到樹脂面，而在封 裝襯底內延長，在其延長端形成凸起電極。並且，為了保持上下連接強 度，設置不連接到任意處的多餘的凸起電極。
其次，參照圖2~圖8,進一步對上述兩面電極結構的半導體裝置 (有機襯底型兩面電極封裝)的製造工序的詳細情況進行說明。首先， 對在本發明的半導體裝置中所使用的封裝村底進行說明。圖2為封裝襯 底的剖面圖(A)以及立體圖(B)。封裝襯底由進行多層布線後的多層 有機襯底構成，形成有用於部分地收存LSI晶片的凹部、和該凹部周圍 的臺階差部。多層有機襯底具有如下等特徵用純的金屬(銅)導體形 成電路，所以，電阻較小，此外，用有機樹脂形成絕緣層，因此介電常 數較小，並且在輕量化上是優良的。除了在背面側及正面側，在分別與 凹部底面及臺階差部相同的面具備多層有機襯底的布線層(包括端子用 布線)。圖2 (B)的端子用布線表示正面側布線層。示例了矩形凹部 的內周四邊全部具備設置了用於與LSI晶片進行布線連接的端子用布線的臺階差部，但是，不一定需要在四邊全部設置。而且，圖示的有機襯 底型兩面電極封裝中，將收存半導體晶片的凹部形成側稱為正面，將其 相反側稱為背面。
對於多層有機襯底來說，在由多層構成的襯底的各層，分別形成布 線圖形，並且根據需要形成用於連接各層的布線圖形的通孔。在該通孔 的內部形成導體層，該導體層與在下表面側所形成的端面電極部即焊環 連接。並且，使焊料材料附著在該焊環上，形成外部連接用的凸起電極。
其次，參照圖3對上述封裝襯底的製造的一例進行說明。首先，在
圖3 (A)中，在由玻璃環氧樹脂形成的有機樹脂絕緣層(襯底)的上 下兩面形成銅箔，該銅箔用於形成金屬導體。例如，能夠以化學電鍍法 形成該銅箔。
在圖3 (B)中，使用雷射選擇性地進行開孔(通孔)加工，形成 應該進行絕緣層的三維連接的部分、即將在以後工序(D)中所形成的 上下兩面的布線圖形彼此連接的通孔部。
在圖3 (C)中，在進行通孔內的殘渣去除(去鑽汙)之後，利用 銅電鍍填充通孔內部。
在圖3 (D)中，對上下兩面的銅箔形成布線圖形。這是例如對絕 緣層上的銅箔塗敷光致抗蝕劑，以曝光來轉印圖形，並經過顯影、刻蝕、 抗蝕劑去除等工序而形成。
在圖3 (E)中，分別在上下對有機樹脂絕緣層(玻璃環氧樹脂)進 行層壓(層狀加工)，並在各自之上形成銅箔。
在圖3 (F)中，對新形成的有機樹脂絕緣層(玻璃環氧樹脂)的兩 層，進一步使用雷射進行成為通孔部的孔(通孔)的開孔。
在圖3 (G)中，在進行通孔內的殘渣去除(去鑽汙)之後，利用 銅電鍍填充通孔內部。並且，對上下兩層銅箔形成布線圖形，完成四層 (布線層)襯底。
其次，如圖4所示，粘結LSI晶片(晶片焊接)。LSI晶片利用絕 緣性的晶片焊接材料粘結到在多層有機襯底上所形成的凹部底面。例示 了一個LSI晶片，但是，如參照圖9 (B)後述的那樣，也能夠內置多個
樸)i
心0
其次，如圖5所示，對多層有機襯底和LSI晶片進行引線接合。在 多層有機襯底的凹部側壁部的臺階差部上表面，形成金屬焊盤部(端子用布線)，該金屬焊盤部與多層布線層連接。成為該接合線連接電極的
金屬焊盤部與形成在LSI晶片的上表面的電極由Au引線連接。此外， 該引線接合後的狀態相當於參照圖1 (A)如上所述的內容。
或者，也能夠利用各向異性導電性樹脂粘結等，與凹部底部的最上 層的金屬焊盤部進行倒裝連接。在倒裝連接的情況下，晶片焊接與電極 連接同時形成。在倒裝連接的情況下，使LSI形成面朝下進行連接，由 此，朝下LSI晶片的上表面電極通過包括多層有機襯底凹部底部的最上 層的金屬焊盤部的布線圖形進行連接。而且，在倒裝連接的情況下，不 一定需要封裝襯底的臺階差部以及設置在該臺階差部上的布線層。
圖6是以樹脂將腔部進行密封后的狀態的剖面圖(A )及立體圖(B )。 在引線接合後，為了不受來自外界的應力、汙染的影響，利用環氧樹脂 進行密封。在安裝於多層有機襯底的凹部內的LSI晶片的周圍及上表面 (腔部)，以該樹脂密封面與封裝上表面變得平坦(同一平面)的方式 注入(澆鑄)樹脂，直到與封裝襯底的最上面相同的高度，由此，進行 該樹脂密封。
其次，如圖7所示，在注入樹脂後的模型正面，進行連接到形成於 封裝襯底最上面的金屬焊盤部(端子用布線)的布線(重新布線)。從 封裝上表面延伸的該布線，利用使用了金屬納米粒子(特別是銅納米粒 子)的噴墨方式或絲網印刷，延長到樹脂面。以在印刷機中應用有機溶 劑中所含的納米銅金屬粒子的噴墨法描畫所希望的圖形後，進行使有機 溶劑蒸發的熱處理。或者，在絲網印刷法的情況下，以絲網印刷法將在 有機溶劑中含有納米銅金屬粒子的納米膏(nano-paste )塗敷在襯底上之 後，進行加熱燒結，由此，形成電路布線。以銅納米粒子實施上表面的 布線的情況下，實施使用了原子狀氫的還原，去除銅布線的由有機溶劑 所導致的汙染或氧化物，該詳細內容後述。
圖8是在連接了凸起電極的狀態下示出的圖。在延長到上述樹脂面 的布線的前端，形成作為外部連接用端子的凸起電極(連接突起)。該 凸起電極不僅形成在正面，也形成在背面。對正面的凸起電極的形成來 說，在重新布線後，塗敷(形成絕緣膜)阻焊劑，之後對凸起部進行開 口，也能夠在該位置形成。#>據以上的工序，作為有才;U於底型兩面電^L 封裝的製造完成。
圖9 ( A) (B)分別是對與圖l(B)不同的布線圖形進行例示的平面圖。圖9(A)表示將一個LSI晶片收存在一個封裝襯底內的例子，此外， 圖9 (B)表示將兩個LSI晶片收存在一個封裝襯底內的例子。
以上，將僅一個兩面電極封裝的製造進行了例示說明，但是，實際 上在縱橫地連接有多個的狀態下進行製造，如圖8所示，在表面背面凸 起電極形成工序後，為了進行單片化，對兩面電極封裝進行切斷。
如上所述，在以銅納米粒子實施上表面的布線的情況下，實施使用 了原子狀氫的還原，在室溫以上且200。C以下的低溫下去除銅布線的由 有機溶劑所導致的汙染或氧化物，以下對此進行說明。 (1 )用噴墨法形成銅布線。
在有機溶劑中含有納米銅金屬粒子，利用在印刷機中對其進行應用 的噴墨法描畫所希望的圖形。之後，進行使有機溶劑蒸發的熱處理。
本發明中，對這樣形成的銅布線去除由有機溶劑所導致的汙染或氧 化物。在進行使有機溶劑蒸發的熱處理的情況下，由於銅的表面氧化而 形成氧化銅，但是，這也能夠利用之後的原子狀氫處理去除。或者，本 發明也能夠應用於不進行使有機溶劑蒸發的熱處理的情況。在不進行熱 處理的情況下，成為含有有機溶劑的狀態，但是，利用之後進行的原子 狀氫處理，也能夠去除有機溶劑。
(2)其次，在銅布線清洗裝置中，以原子狀氫或氨分解種類 (ammonia-decomposed-species)去除銅氧4b物及有才幾溶劑汙染物。
圖10是用作銅布線清洗裝置的處理裝置的剖面的概略圖。作為原 子狀氫或氨分解種類的原料，將氫、氨、聯氨等包括氫的原料從反應室 的上表面的氣體流入口，通過清洗氣體供給機構而送入。
在反應室外的正下部設置加熱器等的襯底加熱才幾構，在該加熱才幾構 正上方的反應室內的樣品臺上，使覆蓋面朝上地設置樣品(襯底)。在 使來自氣體流入口的氣體擴散的噴頭和樣品的中間，設置例如由鎢線構 成的催化劑，利用催化劑加熱機構將該催化劑加熱到高溫，使所流入的 氣體分解。由此，利用由加熱催化所引起的接觸分解反應，產生原子狀 氫或氨分解種類。利用原子狀氫的還原去除銅布線的氧化物，利用原子 狀氫和碳的反應形成碳化氬(hydrocarbon)，由此，去除有機汙染物。
作為含有原子狀氫或氨分解種類的原料即上述氬的化合物，能夠使 用也包括氮的化合物、例如氨、聯氨。此時，使該化合物氣體與被加熱 後的催化劑接觸，由此，與原子狀氫同時產生原子狀氮，與由原子狀氬所導致的金屬表面氧化膜的還原以及/或者有機物的去除一起，能夠利用 原子狀氮進行金屬表面的氮化處理。
作為催化劑材料，除了上述的鴒以外，也能夠使用鉭、鉬、釩、錸、 鈿、釷、鋯、釔、鉿、釔、銥、釕、鐵、鎳、鉻、鋁、矽、碳的任意一 種材料、這些材料的單質的氧化物、這些材料的單質的氮化物、這些材 料(碳除外)的單質的碳化物、由從這些材料選擇的兩種以上構成的混 晶或化合物的氧化物、由從這些材料選擇的兩種以上構成的混晶或化合 物的氮化物、或者由從這些材料(碳除外)選擇的兩種以上構成的混晶 或化合物的碳化物的任意一種。此外，對於催化劑的溫度來說，例如，
在鴒催化劑的情況下，IOO(TC到2200。C的溫度範圍是合適的。
並且，對於圖10中的原料供給機構來說，根據需要，例如，用於
提供為了堆積SiN繫膜而使用的六甲基二矽胺烷(hexamethyldisilazane )
或矽烷等。此外，真空系統用於排出反應殘餘氣體。
使用這樣的銅布線清洗裝置，作為樣品(襯底)，在樣品臺上設置
形成有使用了納米銅金屬粒子的構圖布線的晶片(將多個封裝縱橫地連
接的狀態)或者進行單片化後的封裝襯底。並且，為了去除由使用了納
米銅金屬粒子的布線所導致的汙染，以流量為30sccm流入氬氣10分鐘，
通過該處理進行汙染的去除。
權利要求
1. 一種兩面電極結構的半導體裝置，其中，在由進行多層布線的多層有機襯底構成的封裝襯底上形成凹部，在該凹部內收存LSI晶片，在安裝於所述封裝襯底的凹部內並與所述多層布線連接的LSI晶片的周圍以及上表面，注入樹脂進行密封，直到與封裝襯底的最上面相同的高度，在該進行密封的樹脂的上表面進行布線，並且，使該布線與在所述封裝襯底的正面連接到所述多層布線的端子用布線、以及樹脂上表面的外部連接用的正面凸起電極連接，在所述封裝襯底的背面側，形成與所述多層布線連接的外部連接用的背面凸起電極。
2. 如權利要求1的兩面電極結構的半導體裝置，其特徵在於， 在所述封裝襯底的凹部形成臺階差部，在該臺階差部形成與所述多層布線連接的端子用布線，將該端子用布線作為接合線連接電極，與在 LSI晶片的上表面形成的電極連接。
3. 如權利要求1的兩面電極結構的半導體裝置，其特徵在於， 在所述封裝襯底的凹部底部的最上層，形成與所述多層布線連接的金屬焊盤部，將該金屬焊盤部與朝下配置的LSI晶片的上表面電極進行 倒裝連接。
4. 如權利要求1的兩面電極結構的半導體裝置，其特徵在於， 所述樹脂上表面的布線通過使用了在有機溶劑中含有的金屬粒子的噴墨方式或者絲網印刷來進行。
5. 如權利要求4的兩面電極結構的半導體裝置，其特徵在於， 所述金屬粒子是銅粒子，並且，實施使用了原子狀氫的還原。
6. —種兩面電極結構的半導體裝置的製造方法，具有如下步驟 在封裝襯底上形成凹部，並且在該凹部內收存LSI晶片，該封裝襯底是在多層有機襯底上進行多層布線、並且在該襯底的正面及背面分別 將端子用布線連接到所述多層布線而構成的，在安裝於所述封裝襯底的凹部內並與所述多層布線連接的LSI晶片 的周圍以及上表面，注入樹脂進行密封，直到與封裝襯底的最上面相同 的高度，在所述樹脂的上表面，形成與所述封裝襯底的正面的端子用布線連 接的布線，並且，在該布線的前端形成外部連接用的正面凸起電極，形成與所述封裝襯底的背面的所述端子用布線連接的外部連接用 的背面凸起電極。
7. 如權利要求6的兩面電極結構的半導體裝置的製造方法，其特徵 在於，在所述封裝襯底的凹部形成臺階差部，在該臺階差部形成與所述多 層布線連接的端子用布線，將該端子用布線作為接合線連接電極，與在 LSI晶片的上表面形成的電極連接。
8. 如權利要求6的兩面電極結構的半導體裝置的製造方法，其特徵 在於，在所述封裝襯底的凹部底部的最上層，形成與所述多層布線連接的 金屬焊盤部，將該金屬焊盤部與朝下配置的LSI晶片的上表面電極進行 倒裝連接。
9. 如權利要求6的兩面電極結構的半導體裝置的製造方法，其特徵 在於，所述樹脂上表面的布線通過使用了在有機溶劑中含有的金屬粒子 的噴墨方式或者絲網印刷來進行。
10. 如權利要求9的兩面電極結構的半導體裝置的製造方法，其特 徵在於，所述金屬粒子是銅粒子，並且，實施使用了原子狀氫的還原。
全文摘要
本發明涉及兩面電極結構的半導體裝置及其製造方法。在本發明中，在由進行多層布線的多層有機襯底構成的封裝襯底上形成凹部，將LSI晶片收存到該凹部內。在將與該多層布線連接的LSI晶片進行密封后的樹脂的上表面進行布線，將該布線與在封裝襯底的正面連接到多層布線的端子用布線、以及樹脂上表面的外部連接用的正面凸起電極連接。在封裝襯底的背面側形成與多層布線連接的外部連接用的背面凸起電極。
文檔編號H01L25/11GK101432870SQ20078001512
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月9日 優先權日2006年4月25日
發明者大岡文彥, 豬野好彥, 石原政道 申請人:衝電氣工業株式會社