JP2004079886A - 実装体の製造方法、半導体装置及び実装体 - Google Patents

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Toru Sugiyama
杉山 亨
Kohei Moritsuka
森塚 宏平
Masayuki Sugiura
杉浦 政幸
Yasuhiko Kuriyama
栗山 保彦
Yoshiichi Tanabe
田邊 芳一
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

【課題】実装体の接地インダクタンスを低減する製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板1の主面の複数の半導体チップ領域に半導体素子と、半導体素子のグランド配線のグランドパッド11を形成する工程と、複数の半導体チップ領域を分離する分離領域に物理的に分離溝32を形成する工程と、分離溝32に、半導体素子のグランドパッド11に接続されるようにグランドメタル層26を形成する工程と、半導体基板の裏面を分離溝の底部が露出するまで研磨して、分離溝32において複数の半導体チップ領域をそれぞれ独立した半導体チップ21に分離する工程と、実装基板の表面に設けられたグランド上に、導電性材料を形成する工程と、導電性材料上に、メタル層26とグランドが導電性材料により接続されるようにして半導体チップ21を搭載する工程とを含む。
【選択図】   図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実装体の製造方法、半導体装置及び実装体に関し、特に高周波回路の接地インダクタンスを低減する製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガリウム砒素(GaAs)等の化合物半導体は、シリコン(Si)と比べて高速動作が可能で、電力の変換効率がよいなどの優れた特徴を有している。このような化合物半導体の特徴を生かして高周波回路を集積回路構造にしたモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)が開発され、実用化されている。GaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)等を用いたパワーアンプモジュールもそのようなMMICの一つであり、携帯電話等の機器で広く用いられている。これらの機器は小型化されてきており、内蔵される半導体装置の小型化の要求も強くなり、この要求に応えるMMICが製作されている。半導体装置の小型化に伴い、グランド配線等の寄生インピーダンス成分が問題となる。高周波回路においては、半導体装置を接続する配線、特にグランド配線の寄生インピーダンスが高周波特性に影響を与える。例えば、図7に示すように、半導体装置が形成された半導体チップ121の信号線パッド112及びグランドパッド111と実装基板103の信号線107及びグランド105との接続は、それぞれボンディングワイヤ118で行われる。半導体チップ121上の半導体装置と実装基板103のグランド間の配線がボンディングワイヤ118で行われるため、接地インダクタンスが大きくなり、パワーアンプモジュールのパワーゲインが劣化する。こうした接地インダクタンスの問題を解決するため、半導体チップの主面に形成されたグランドパッドと実装基板のグランドとの接続に、半導体基板に形成したビアホールが用いられる。この方法では、半導体基板を薄層化した後、半導体基板裏面から表面に貫通するビアホールを形成し、半導体チップの裏面全体にAuメッキを施す。こうすることでワイヤを用いずに接地が可能となり、接地インダクタンスが大幅に低減される。但し、薄層化した半導体基板に対して、裏面へのフォトリソグラフィ工程、ビアホールを形成するためのエッチング工程、裏面にメッキする工程など煩雑な工程が必要なため、歩留まりが大幅に低下する。薄層の半導体基板にビアホールを形成するプロセスを回避する方法としては、半導体基板の主面にまずビアホールを形成し、ビアホール内にAuメッキ層を形成した後、半導体基板裏面から研磨し、Auメッキ層を露出させて、裏面全体に金属層を形成する方法が提案されている。しかし、この方法においても、半導体基板にビアホールを形成する工程が必要であり、また、その断面を、金属埋め込み工程に適した形状に制御する工程も必要となるため、煩雑さは解消されない。また、薄層の半導体基板の裏面に金属層を形成した後、チップ化するので、その過程で歩留まりが低下する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来のMMIC等の化合物半導体装置の実装においては、ボンディングワイヤによる接地インダクタンスが増大するという問題があった。接地インダクタンスを低減するために薄膜半導体基板にビアホールを形成する方法が提案されているが、通常の半導体装置の製造工程に加えて、煩雑なビアホール形成工程等が必要となるという問題があった。
【0004】
本発明は、このような課題を解決し、容易に接地インダクタンスを低減し、半導体チップ及び実装基板の面積の縮小が可能な実装体の製造方法、半導体装置及び実装体を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の特徴は、(イ)半導体基板の主面上で複数に区分された半導体チップ領域に半導体素子と、半導体素子のグランド配線のグランドパッドを形成する工程と、(ロ)複数の半導体チップ領域を分離する分離領域に物理的に分離溝を形成する工程と、(ハ)グランドパッドに接続されて、分離溝まで延在するメタル層を形成する工程と、(ニ)半導体基板の裏面を分離溝の底部が露出するまで研磨して、分離溝において複数の半導体チップ領域をそれぞれ独立した半導体チップに分離する工程と、(ホ)実装基板の表面に設けられたグランド上に、導電性材料を形成する工程と、(ヘ)導電性材料上に、メタル層とグランドが導電性材料により接続されるようにして半導体チップを搭載する工程とを含む実装体の製造方法であることを要旨とする。
【0006】
本発明の第1の特徴によれば、接地インダクタンスを低減し、半導体チップ及び実装基板の面積の縮小が可能な実装体の製造方法を提供することができる。
【0007】
本発明の第1の特徴において、分離溝の形成を、V字形状の刃先を有するブレードにより行うことが好ましい。グランドメタル層を半導体チップの側面に形成するには順メサ形状に分離溝を形成することが好ましいからである。また、分離した半導体チップのメタル層は、導電性材料により実装基板のグランドに接続されるため、ボンディングワイヤが不要となり、接地インダクタンスが低減できる。
【0008】
本発明の第2の特徴は、(イ)半導体チップの主面上に配置された半導体素子のグランド配線のグランドパッドと、(ロ)グランドパッドに接続されて、半導体チップの側壁まで延在するメタル層とを備える半導体装置であることを要旨とする。
【0009】
本発明の第2の特徴によれば、接地インダクタンスを低減し、半導体チップ及び実装基板の面積の縮小が可能な半導体装置を提供することができる。
【0010】
本発明の第3の特徴は、(イ)半導体チップの主面上に配置された半導体素子のグランド配線のグランドパッドと、(ロ)グランドパッドに接続されて、半導体チップの側壁まで延在するメタル層と、(ハ)実装基板の表面に配置されたグランドと、(ニ)グランド上で、メタル層とグランドを接続する導電性材料とを備える実装体であることを要旨とする。
【0011】
本発明の第3の特徴において、実装基板が、グランド上にマウントされた半導体チップの周囲に配置された突起を備えることが好ましい。また、実装基板が、半導体チップがマウントされるグランドを底部に有するリセスを備えることが好ましい。半導体チップがこのような突起やリセス側壁に囲まれてマウントされるため、半導体チップの側面のグランドメタル層と実装基板のグランドが導電性材料を介して確実に接続される。
【0012】
本発明の第1〜第3の特徴において、半導体基板が、(100)面を主面とし、分離溝が[010]及び[001]方向に形成されることが好ましい。化合物半導体の劈開方向と45度ずらしているため分離溝形成時の劈開が防止できる。更に、半導体素子が、GaAs系化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタを含み、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ領域が[011]及び[011バー]方向に平行な辺を有する矩形形状に形成されることが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【0014】
本発明の実施の形態に係る実装体の半導体チップは、図1に示すように、半導体基板1aの主面に配置されるグランドパッド11と、グランドパッド11に接続され、半導体チップ21の側面を覆って配置されるグランドメタル層26とを備えている。
【0015】
半導体チップ21の半導体基板1aの主面には、MMIC等の半導体素子(図示省略)と、金(Au)あるいはアルミニウム(Al)等のメタル膜よりなるグランドパッド11及び信号線パッド12が配置されている。グランドパッド11及び信号線パッド12はシリコン酸化膜(SiO)あるいはシリコン窒化膜(Si)等の絶縁膜13に設けられた開口部より電気的接続が取られる。グランドパッド11には金/チタン(Au/Ti)等のグランド下地層24aが絶縁膜13を介して半導体チップ21の側面を覆うようにして形成され、更にグランド下地層24a上にはAuメッキ層からなるグランドメタル層26が積層されている。半導体チップ21は、アルミナ基板等の絶縁基板よりなる実装基板3のAu等の金属膜よりなるグランド5上に搭載され、半導体チップ21のグランドパッド11と実装基板3のグランド5が、半導体チップ21の側面のグランドメタル層26を介して銀(Ag)ペースト等の導電性材料17により接続されている。また、半導体チップ21の信号線パッド12はAu線等のボンディングワイヤ18により実装基板3のAu等の金属膜よりなる信号線7に接続されている。本発明の実施の形態に係る実装体において、半導体チップ21のグランドパッド11は、グランドメタル層26を介して導電性材料17により実装基板3のグランド5に接続されるため、半導体チップ21と実装基板3間のグランド接続用のボンディングワイヤが不要となり接地インダクタンスを低減できる。更に、グランド配線用のボンディングパッドが不要になり、半導体チップ21及び実装基板3の面積を小さくできる。
【0016】
本発明の実施の形態に係る半導体チップの製造工程を、工程断面図を用いて説明する。
【0017】
(イ)半導体基板1の主面に、図2(a)に示すように、半導体素子プロセスを用いてHBTを含むMMIC(図示省略)と、Auメタル膜よりなるグランドパッド11及び信号線パッド12が形成される。その後、グランドパッド11及び信号線パッド12の表面の一部とダイシングライン領域31に開口部を有する絶縁膜13が半導体基板1の主面上に形成される。ダイシングライン領域31は、半導体素子を半導体チップ毎に分離する分離領域である。
【0018】
(ロ)その後、図2(b)に示すように、ダイシング装置のブレード100によって半導体基板1の主面側から、ダイシングライン領域31に、例えば100μmの深さで分離溝32が形成される。その際、刃先がV字型のブレード100を用いることで、分離溝32側壁の断面を順メサ形状にする。
【0019】
(ハ)図2(c)に示すように、半導体基板1の主面全面にAu/Tiを略100nmの厚さで蒸着した給電メタル層14が形成される。分離溝32の側面が傾斜しているため、十分な厚さの給電メタル層14が分離溝32の傾斜面に形成される。Tiメタル層はAuメタル層と絶縁膜13あるいは半導体基板1との付着力を改善するために挿入されるもので数nm〜数10nmの厚さである。
【0020】
(ニ)次に、図2(d)に示すように、半導体基板1主面に形成されたグランドパッド11と分離溝32を含む領域に露出開口部を有するフォトレジスト15が形成される。その後、電解メッキ液中で給電メタル層14より電流を供給してAu選択電解メッキが行われ、2μmの厚さのメッキ層16が形成される。ただし、分離溝32全体にAuメッキが埋め込まれないようにする。
【0021】
(ホ)フォトレジスト15を除去した後、イオンミリング法等により露出している給電メタル層14のAu/Tiを除去し、図2(e)に示すように、メッキ層16の下部にグランド下地層24が分離されて形成される。
【0022】
(ヘ)その後、半導体基板1の裏面研磨が行われる。研磨の過程で半導体基板1の厚さが100μm程度まで薄くなると、分離溝32の底部のグランド下地層24あるいはメッキ層16が露出してくる。更に研磨して半導体基板1aを50〜80μmの厚さとすることで、図2(f)に示すように、半導体チップ21が個片に分離される。半導体チップ21の側面はグランド下地膜24a及びグランドメタル層26で覆われている。
【0023】
その際、分離溝32内にレジストやワックス等の後工程で除去可能な材料を充填した後に裏面研磨することで、グランド下地膜24a及びグランドメタル層26がきれいに加工できる。きれいに加工できるとは、半導体チップ21からグランド下地膜24a及びグランドメタル層26が剥がれず、また半導体チップ21の底面部分で余分なグランド下地膜24a及びグランドメタル層26が残ることがなく研磨されるという意味である。
【0024】
作製された半導体チップ21のグランドパッド11に接続されたグランドメタル層26は、図3に示すように、信号線パッド12のある半導体素子領域40の周囲から、半導体チップ21の側面にまで延在するように形成されている。そして、半導体チップ21は、図1に示すように、Agペーストのような導電性材料17によって、実装基板3の表面に設けられたグランド5に搭載されて実装体に組み込まれる。その際、導電性材料17は、半導体チップ21側面のグランドメタル層26と実装基板3のグランド5とを接続するように形成される。
【0025】
本発明の実施の形態に係る実装体の製造方法においては、半導体素子領域40間に設けられたダイシングライン領域31に、ブレード100を用いて物理的に分離溝32を形成する。したがって、分離溝32を形成する工程が簡略化される。なお、ブレード100の刃先がV字型のブレードを用いることで、分離溝32の側面に順メサ形状の傾斜をつけている。使用するブレード100の刃先角度は出来るだけ鋭角が望ましい。ブレード100の刃先が鈍角の場合、ダイシングライン幅が広くなるため、無駄になるチップ面積が増加する。
【0026】
また、図4に示すように、半導体チップ21を搭載する領域を囲むように実装基板3a上に突起状のガラスコート4を配置してもよい。実装基板3aに半導体チップ21を搭載する際、導電性材料17が周辺に広がらないようにできる。ガラスコート4は、例えば、実装基板3aを加工して形成してもよく、また石英ガラス等の絶縁性材料を貼り付けて形成してもよい。導電性材料17は、半導体チップ21とガラスコート4の間隙を埋めるように充填される。充填された導電性材料17は、半導体チップ21側面において少なくともガラスコート4の突起の高さの位置まで盛り上がるように形成される。したがって、ガラスコート4によって、半導体チップ21の側面のAuメッキ層よりなるグランドメタル層26とグランド5が導電性材料17を介して確実にコンタクトできる。また、図5に示すように、実装基板3bのグランド5aを浅い掘り込みのリセス底部に形成し、半導体チップ21を搭載して、導電性材料17が周辺に広がらないようにすることができる。導電性材料17は、半導体チップ21とリセス側壁の間隙を埋めるように充填される。充填された導電性材料17は、半導体チップ21側面において少なくともリセス側壁の高さの位置まで盛り上がるように形成される。したがって、このようにグランド5a部をリセス底部に設けることにより、半導体チップ21の側面のAuメッキ層よりなるグランドメタル層26とグランド5aが導電性材料17を介して確実にコンタクトできる。
【0027】
本発明の実施の形態に係る実装体の製造方法によれば、容易に接地インダクタンスが低減でき、半導体チップ面積の縮小および実装基板の小型化が可能となる。
【0028】
グランドメタル層26は電解メッキ以外の方法でも形成可能である。例えば、真空蒸着装置やスパッタ装置等を用いてウエハ全面に2μmの厚さのAu/Ti層を形成した後、レジストマスクを形成して不要部分のAu/Ti層をエッチング除去する方法も用いられる。電解メッキの方法では、100μmの深さの分離溝32内のレジストを露光、現像の工程で除去する必要があるが、エッチングでAu/Ti層を除去する方法では、深い分離溝32内のレジストを除去する必要がなく工程が容易になる。
【0029】
(変形例)
本発明の実施に形態の変形例に係る実装体の製造方法は、半導体チップ21が[001]及び[010]方向に平行な端面で規定されていることに特徴があり、他は第1の実施の形態と同様であるので、重複した記載を省略する。
【0030】
本発明の実施の形態の変形例に係る実装体の半導体チップ21は、図6に示すように、面方位(100)を主面とする半導体基板1に形成されたHBTを含む半導体素子において、半導体チップ21が[001]及び[010]方向に平行な端面で規定され、HBTのエミッタ領域41が[011]および[011バー]方向に平行な矩形形状で規定されている。通常、GaAs等の化合物半導体素子製造工程においては、半導体チップ21端面が[011]および[011バー]方向に平行になるように、ダイシングラインの方向が規定される。GaAs等の化合物半導体においては、[011]および[011バー]方向は劈開方向である。したがって、ダイシングラインが劈開方向に合わされているため、ダイシングが容易に行える。しかし、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法においては、ダイシングライン方向に沿ってブレード100により分離溝が形成される。ダイシングラインが[011]および[011バー]劈開方向に合わされていると、分離溝32形成時に分離溝32に沿って劈開してしまう可能性が高い。そこで、本発明の実施の形態の変形例のように、劈開方向から45度傾けた[001]及び[010]方向にダイシングライン領域31を合わせることにより、分離溝32形成時の劈開が防止できる。化合物半導体の物理的及び化学的特性は面方位により異なる。例えば、HBTのエミッタ形成プロセスに使用する化学的エッチングには、エッチング速度の異方性があり、矩形形状のエッチングマスクの直交する辺でのサイドエッチング量は異なる。したがって、エミッタ領域41を残してエッチングする場合、異方性を有するサイドエッチングを考慮してエミッタ形成用のフォトマスクが設計され、エミッタ面積が設計値から変動するのを防止する。本発明の実施の形態の変形例においては、HBTのエミッタは、通常通り[011]および[011バー]方向に平行な矩形形状で規定されているので、通常のエミッタ形成プロセス条件がそのまま適用できる。また、ダイシングラインが各劈開方向から10度近く傾けられると、劈開は防止できる。したがって、半導体チップ21の端面を[011]および[011バー]劈開方向から10度以上傾けるように分離溝32を形成しても、同様の劈開防止の効果が得られる。
【0031】
本発明の実施の形態の変形例に係る実装体の製造方法によれば、分離溝形成工程における半導体基板の劈開を防止でき、また、容易に接地インダクタンスが低減でき、半導体チップ面積の縮小および実装基板の小型化が可能となる。
【0032】
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0033】
本発明の実施の形態においては、半導体素子としてHBTを用いたMMICについて示したが、例えば、金属半導体(MES)電界効果トランジスタ(FET)や、高電子移動度トランジスタ(HEMT)等を用いたMMICでも、同様の効果が得られることは、勿論である。また、ブレード100として、ダイシング装置のブレードを用いて説明したが、半導体基板スクライバ等のブレードを用いてもよいことは、勿論である。
【0034】
このように、本発明はここでは記載していないさまざまな実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に接地インダクタンスが低減でき、半導体チップ面積の縮小および実装基板の小型化が可能となる実装体の製造方法、半導体装置及び実装体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る実装体の半導体チップの実装状態を示す概略構成図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る半導体チップの製造工程を説明する断面工程図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る半導体チップの平面構成図である。
【図4】本発明の実施の形態に係る実装体の半導体チップの他の実装状態を示す概略構成図である。
【図5】本発明の実施の形態に係る実装体の半導体チップの、更に他の実装状態を示す概略構成図である。
【図6】本発明の実施の形態の変形例に係る半導体チップの平面構成図である。
【図7】従来の半導体チップの実装の概略構成図である。
【符号の説明】
1、1a 半導体基板
3、3a、3b、103 実装基板
4 ガラスコート
5、5a、105 グランド
7、107 信号線
11、111 グランドパッド
12、112 信号線パッド
13 絶縁膜
14 給電メタル層
15 フォトレジスト
16 メッキ層
17 導電性材料
18、118 ボンディングワイヤ
21、121 半導体チップ
24、24a グランド下地層
26 グランドメタル層
31 ダイシングライン領域
32 分離溝
40 半導体素子領域
41 エミッタ領域
100 ブレード

Claims (12)

  1. 半導体基板の主面上で複数に区分された半導体チップ領域に半導体素子と、前記半導体素子のグランド配線のグランドパッドを形成する工程と、
    前記複数の半導体チップ領域を分離する分離領域に物理的に分離溝を形成する工程と、
    前記グランドパッドに接続されて、前記分離溝まで延在するメタル層を形成する工程と、
    前記半導体基板の裏面を前記分離溝の底部が露出するまで研磨して、前記分離溝において前記複数の半導体チップ領域をそれぞれ独立した半導体チップに分離する工程と、
    実装基板の表面に設けられたグランド上に、導電性材料を形成する工程と、
    前記導電性材料上に、前記メタル層と前記グランドが前記導電性材料により接続されるようにして前記半導体チップを搭載する工程
    とを含むことを特徴とする実装体の製造方法。
  2. 前記分離溝の形成を、V字形状の刃先を有するブレードにより行うことを特徴とする請求項1に記載の実装体の製造方法。
  3. 前記半導体基板が、(100)面を主面とし、前記分離溝が[010]及び[001]方向に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の実装体の製造方法。
  4. 前記半導体素子が、GaAs系化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタであり、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ領域が[011]及び[011バー]方向に平行な辺を有する矩形形状に形成されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の実装体の製造方法。
  5. 半導体チップと、
    前記半導体チップの主面上に配置された半導体素子と、
    前記半導体チップの主面上に配置された、前記半導体素子のグランド配線のグランドパッドと、
    前記グランドパッドに接続されて、前記半導体チップの側壁まで延在するメタル層
    とを備えることを特徴とする半導体装置。
  6. 前記半導体チップが、(100)面を主面とし、前記半導体チップが直交する[010]及び[001]方向の側壁よりなることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
  7. 前記半導体素子が、GaAs系化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタであり、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ領域が矩形形状で、[011]及び[011バー]方向に平行な辺を有することを特徴とする請求項5又は6に記載の半導体装置。
  8. 半導体チップの主面上に配置された半導体素子のグランド配線のグランドパッドと、
    前記グランドパッドに接続されて、前記半導体チップの側壁まで延在するメタル層と、
    実装基板の表面に配置されたグランドと、
    前記グランド上で、前記メタル層と前記グランドを接続する導電性材料
    とを備えることを特徴とする実装体。
  9. 前記実装基板が、前記グランド上にマウントされた前記半導体チップの周囲に配置された突起を備えることを特徴とする請求項8に記載の実装体。
  10. 前記実装基板が、前記半導体チップがマウントされる前記グランドを底部に有するリセスを備えることを特徴とする請求項8に記載の実装体。
  11. 前記半導体チップが、(100)面を主面とし、前記半導体チップが直交する[010]及び[001]方向の側壁よりなることを特徴とする請求項8〜10のいずれか1項に記載の実装体。
  12. 前記半導体素子が、GaAs系化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタであり、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ領域が矩形形状で、[011]及び[011バー]方向に平行な辺を有することを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の実装体。
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