JP2006121109A - ウエハレベルパッケージの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 強固なガスケットによる気密封止環境を実現するウエハレベルパッケージの製造方法を提供する。
【解決手段】 第一のウエハ２０３及び第二のウエハ２０７を提供するステップと、第一のウエハ２０３の一部を除去することによりガスケット２０１を形成するステップと、第二のウエハ２０７にガスケット２０１と実質的に整合するパッド３０５を提供するステップと、ガスケット２０１とパッド３０５の間に接合材料３０１を配設するステップと、そして接合材料３０１によりガスケット２０１とパッド３０５を接合し第一のウエハ２０３及び第二のウエハ２０７の間に気密封止環境を形成するステップとを含む、ウエハレベルパッケージの製造方法を採用した。
【選択図】 図４

Description

本発明は半導体パッケージング技術に関するものであり、より具体的にはウエハレベルパッケージの製造方法に関する。

多くの半導体デバイスは汚染、湿気及びその他の同様の環境的要因に敏感なものである。デバイスを損傷から守る為には、デバイスを気密封止パッケージに封入しなければならない。過去においては、デバイスはパッケージングする前に、まず、ウエハから切断又は分割されていなければならなかった。ウエハレベルパッケージ処理においては、デバイスがウエハ上にあるうちにパッケージングが実施される。このように、数百或いは数千ものパッケージを同時に製造し、その後に切断部材や他の手段によって分割することが出来るようになった。

図１はウエハレベルパッケージ１０１の一例を描いたものである。第一のウエハ１０２は第二のウエハ１０７に接合されたガスケット１０３を含み、気密封止環境１０９が２枚のウエハ間に作られており、これによりデバイス１１１が保護されている。図においてはウエハ１０２及びウエハ１０７の一部分だけが示されているが、このようなウエハレベルパッケージは２枚のウエハ間に数百個或いは数千個という単位で同時に作ることが出来る。ガスケット１０３は、金属又はポリイミドなどの材料をウエハ１０２上に所望のガスケット形状に形成することにより作ることが出来る。その後２枚のウエハをガスケットにおいて接合する。この方法は気密封止環境１０９を作成する上では有効である。しかしながら、形成した材料はあまり硬いとは言えず、接合処理中に圧力が加えられると変形しやすい。加えられた圧力の多くはガスケットの変形により消費されてしまう為、実際にボンディング接合部自体にかかる圧力は非常に小さいものとなる。従って、接合を行う為にはより多くの圧力をより長い時間にわたって加圧しなければならないのである。更に、材料の形成処理において形成されるガスケット接合面は不規則となってしまう為、接合時に問題を生じる。最後に、形成材料は形成処理時に縮みやすい、或いは形状の変化を生じやすく、ガスケットの外形を精密に制御することは困難である。

記載した本発明の推奨される実施例によれば、ウエハレベルパッケージ用のガスケットは、ウエハ材料そのものから彫り出されるものである。ウエハは通常、シリコン製であることが多いが、ガラスや３−５化合物、セラミクス、プラスチック、或いは他の材料を使用することが出来る。シリコンは非常に硬く、従ってガスケット材料としては理想的である。接合中に圧力が加えられてもシリコンガスケットが変形することはなく、加圧力はボンディング接合部に集中することになる。この結果、ウエハレベルパッケージを接合する為に要する力及び／又は時間はより少なくて済むのである。更に、ウエハ表面はそもそも非常に平坦に製作されている。このガスケット面はもともとウエハ表面である為、ガスケットは非常に平坦な表面を持つことになり、均一な、しっかりとした接合の形成が容易なのである。

本発明は更に、所要の形状を彫り出す際に高度なエッチング深度及びガスケット幅制御を可能とする既存のシリコンエッチング技術を利用している。これにより、気密封止空洞部の寸法のより高度な制御が可能となっている。更に、シリコンの高い強度によりガスケットを以前よりも薄く作ることが可能である（通常は１０μｍ以下）。ガスケットの表面積は所定の接合力による接合の際にボンディング接合部にかけるべき圧力を決定するものである。より薄いガスケットは表面積も小さい為、ボンディング接合部へと加圧接合力が集中しやすく、強い封止を作ることが出来るのである。

本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の推奨される実施例の構造及び作用と共に、以下の詳細説明及び添付図に説明されている。図中、同一或いは機能的に類似した要素には同様の符号を付した。

図２Ａは本発明の教示に従った推奨される実施例の断面図を示す。キャップウエハ２０３上のガスケット２０１は、基部ウエハ２０７上に作成されたデバイス２０５を取り囲み、封止している。デバイス２０５はマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）構造或いは電子回路等、いずれのマイクロエレクトロニクスデバイスでも良い。通常、ウエハはシリコン製である。しかし、ウエハがガラス、セラミック或いは他の半導体材料であったとしても、本発明の範囲から離れるものではない。

図２Ｂは、図２Ａにおける線Ｂ−Ｂ’に沿って切断した場合の平面図である。図２Ｂにおいてより明らかにわかるように、ガスケット２０１は完全にデバイス２０５を囲み、封止している。ガスゲット２０１は長方形に描かれているが、正方形、円形、楕円形、長方形、或いはデバイス２０５を封止する他の如何なる形状でも良い。

ここで図２Ａに戻るが、ガスケット２０１はキャップウエハ２０３から彫り出され、即ちエッチングされており、ベースウエハ２０７へと接合材料２０９により接合されている。接合材料２０９は許容し得る接着性、封止力、密封性、及び外部環境からデバイス２０５がダメージを受けないことを保証する他の特性を提供する１つ以上の物質とすることが出来る。接合材料２０９は導電性でも非導電性でも良い。気密封止環境２１１はデバイス２０５を保護する為にキャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７の間に形成される。気密封止環境２１１は完全な真空であっても、不活性気体又は他の物質に満たされたものであっても良い。

図３Ａ〜図３Ｅは、ガスケットが導電性接合材料により接合されたウエハレベルパッケージの製造工程を示す図である。

図３Ａは、キャップウエハ２０３を示している。キャップウエハ２０３は通常、デバイス２０５（図示せず）とのＲＦ結合問題を回避する為に非常に高い抵抗を持つフローティングゾーンシリコンである。導電性接合材料３０１がキャップウエハ２０３の表面に供給される。使用可能な導電性接合材料としては、金、金−錫合金、パラジウム−錫合金、錫−鉛合金、及び他の金属である。

図３Ｂにおいては、導電性接合材料３０１はフォトレジスト３０３を用いてパターニングされ、その後従来のフォトリソグラフィー処理により露出・現像されて導電性接合材料３０１の選択部分を除去したものである。

図３Ｃにおいては、既存のフォトレジスト３０３をマスクとして使用し、キャップウエハ２０３をエッチングしている。キャップウエハ材料のうちの選択部分が除去され、ガスケット２０１が生成される。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又はディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）といった従来のエッチング処理法を採用することが出来る。ガスケット２０１はキャップウエハ２０３と同じ材料で形成することが出来る。通常、この材料は良好な硬度と密封性を持つシリコンである。実用的な実施形態においては、ガスケット２０１は３μｍから１２μｍの幅と４μｍから１０μｍの深さである。同じ目的の為に異なるガスケット幅及び深さを使用することも可能である。フォトレジスト３０３はガスケット２０１の形成後に除去される。

図４Ａはガスケット２０１とベースウエハ２０７上の対応パッド３０５とのアライメントを示す図である。対応パッド３０５は導電性接合材料３０１と接合するものであれば、いずれの材料から成るものでも良い。例えば、導電性接合材料３０１が金である場合、対応パッド３０５は金、金−錫合金、錫−鉛合金等とすることが出来る。

図４Ｂにおいては、キャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７は接合され、気密封止環境２１１が作られる。接合においてはシステムとガスケット領域に適正な力と温度が加えられる。実用的な実施形態においては、導電性接合材料３０１および対応パッド３０５はいずれも金であり、２０キロニュートンの力が３３０℃にて５〜１０分間加圧され、有効な接合が形成される。これらの値は例示目的に限って開示したものである。これらの値が異なっていても、同じ接合結果を得ることが出来ることは言うまでもない。たとえば、加圧力を８キロニュートンに減じた場合、有効な接合を得る為には３３０℃で２０〜４０分かかる。減圧環境下、或いは窒素等の不活性気体中で接合を実施した場合、最良の結果を得ることが出来る。接合されたウエハは、必要であれば従来の手段により薄く加工することが出来る。

図３Ａ〜図４Ｂに示したステップは、キャップウエハ２０３およびベースウエハ２０７を接合する前に導電性接合材料３０１をガスケット２０１上に溶着又は蒸着する場合を描いたものである。また、ガスケット２０１のかわりに導電性接合材料３０１を対応パッド３０５上、或いは対応パッド３０５およびガスケット２０１の両方に設けることにより、このウエハレベルパッケージに同様のボンドを作ることが出来る。

図５Ａ〜図６Ｂは、ガスケットを非導電性接合材料で接合したウエハレベルパッケージの製造を説明する図である。

図５Ａは、既にガスケットの形状にパターニングされた非導電性接合材料４０１を含むキャップウエハ２０３を示している。非導電性接合材料４０１を使用する場合の利点は、信号のリードを安全にガスケット下にルーティングすることが出来るという点である。非導電性材料として選択し得るのは、ポリイミド、Ｂ段階ビスベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）、他の重合体、又はガラスである。これらの材料は感光性であっても、非感光性であっても良い。非導電性接合材料４０１が感光性である場合、従来のフォトリソグラフィー技術により形成することが出来る。非導電性接合材料４０１が感光性ではない場合、非導電性接合材料４０１を所望のパターンに形成する為にはマスク処理が必要となる。

図５Ｂにおいては、上述したＲＩＥ又はＤＲＩＥ等の標準的なエッチング処理によりキャップウエハ２０３の一部が除去され、ガスケット２０１が作られている。既に存在する非導電性材料４０１が、ガスケット２０１のエッチングにマスクとして使用される。

図５Ｃは、非導電性接合材料４０１を設ける為の他の方法を示す図である。非導電性接合材料４０１をキャップウエハ２０３の表面全体に設ける前にガスケット２０１を最初に作ることが出来る。接合材料はガスケットの接合面と共に領域４０２にも存在するが、この材料は非導電性である為、これらの領域４０２はキャップウエハ２０３上に残しておくことが出来る。必要であればこの領域４０２における接合材料を除去する為に追加のマスク処理を実施しても良い。

図６Ａは、ベースウエハ２０７上の対応パッド４０３に対するガスケット２０１のアライメント処理を描いたものである。対応パッド４０３は非導電性接合材料４０１と接着することが出来るいずれの材料であっても良い。例えば、非導電性接合材料４０１がポリイミドの場合、対応パッド４０３は同じポリイミドとすることが出来る。接合を強化する為に、対応パッド４０３を炭化タンタリウム（ＴａＣ）又は炭化シリコン（ＳｉＣ）等の接着助触媒（promoter）を用いて処理しても良い。ＴａＣ及びＳｉＣは、いずれもシリコンへの優良な接着性を持っており、更にポリマーとは化学結合又は共有結合を形成するものである。接着助触媒は、化学蒸着法（ＣＶＤ）、スパタリング、あるいは同様の他の薄膜形成プロセスにより設けられ、その後フォトマスクの形成及びエッチング処理によりパターニングされる。かわりに、対応パッド４０３を用いずにガスケット２０１を直接的にベースウエハ２０７へと接合することも出来る。ここでも接着助触媒を用いて接合処理を強化することが出来る。

図６Bにおいては、キャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７が接合されて気密封止環境２１１が作られている。接合においては、システム及びガスケット領域に適正な力と温度が使用される。減圧環境、或いは窒素等の不活性気体中にて接合が実施された場合、最良の結果が得られる。接合されたウエハは、必要であれは従来の手段により薄く加工することが出来る。

図５Ａ〜図６Ｂに示したステップは、キャップウエハ２０３及びベースウエハ２０７を接合する前に非導電性接合材料４０１をガスケット２０１上に形成するものである。かわりに、非導電性接合材料４０１をガスケット２０１上ではなく、対応パッド４０３上に、或いは対応パッド４０３とガスケット２０１の両方に設け、ウエハレベルパッケージにおいて同様のボンドを作成することも出来る。或いは、対応パッド４０３を使用しない場合、非導電性接合材料４０１をベースウエハ２０７の接合域に直接設けることも出来る。

図７はウエハレベルパッケージ５０１における他のガスケット構成を示す図である。気密環境中にあるデバイス５０３を外部環境と接続しなければならない場合、複数レベルのガスケットを使用することが出来る。主要外部ガスケット５０５がキャップウエハ５０７とベースウエハ５０９との間に気密封止環境５０６を作っている。キャップウエハ５０７にある穴５１５が接触パッド５１３へのアクセスを可能としている。二次内部ガスケット５１１は気密封止環境５０６から穴５１５を封じており、デバイス５０３の保護を維持している。

本発明を特定の推奨される実施例に基づいて詳細にわたり説明してきたが、請求項の精神及び範囲から離れることなく、様々な変更や強化が可能であることは当業者には明らかである。例えば、デバイスをキャップウエハ自体に製作することも可能である。更に、複数のキャップ層を積み重ねることも可能である。

従来技術に基づくウエハレベルパッケージを示す断面図である。 Ａは、本発明のウエハレベルパッケージを示す断面図であり、ＢはＡにおける線Ｂ−Ｂ’断面図である。 Ａ〜Ｃは、ガスケットが導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハを示す断面図である。 Ａ及びＢは、ガスケットが導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハとベースウエハを示す断面図である。 Ａ〜Ｃは、ガスケットが非導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハを示す断面図である。 Ａ及びＢは、ガスケットが非導電性接合材料を用いて接合されるウエハレベルパッケージの製造工程におけるキャップウエハとベースウエハを示す断面図である。 ウエハレベルパッケージの他のガスケット構成を示す断面図である。

符号の説明

２０１ ガスケット
２０３ 第一のウエハ
２０７ 第二のウエハ
２０９ 接合材料
２１１ 気密封止環境
３０１ 導電性接合材料
３０５ パッド
４０１ 非導電性接合材料

Claims (11)

1. ウエハレベルパッケージを製造する方法であって、第一のウエハ及び第二のウエハを提供するステップと、前記第一のウエハの一部を除去することにより、ガスケットを形成するステップと、前記第二のウエハに、前記ガスケットと実質的に整合するパッドを提供するステップと、前記ガスケットと前記パッドの間に接合材料を配設するステップと、そして前記接合材料により前記ガスケットと前記パッドを接合し、前記第一及び第二のウエハ間に気密封止環境を形成するステップとを含む方法。
2. 前記第一のウエハがシリコンから成ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ガスケットの幅が、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ガスケットの幅が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記接合材料を配設するステップが、前記接合材料を前記ガスケット上に設けることを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 前記接合材料を挿入するステップが、前記接合材料を前記パッド上に設けることを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 前記接合材料が、導電性接合材料を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 前記導電性接合材料が、金、金−錫、錫−鉛、及びパラジウム−錫のグループから選択された金属であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記接合材料が、非導電性接合材料を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
10. 前記非導電性接合材料が、ポリイミド、Ｂ段階ビスベンゾサイクロブタン及びガラスのグループから選択された材料であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記接合材料を挿入するステップの後に、接着助触媒を前記ガスケットと前記パッドの間に挿入するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

Images