JP2008187203A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数の半導体チップを積層して搭載した半導体装置において、半導体チップ間の密着性を向上させる。
【解決手段】 層間絶縁膜405および銅からなる配線407からなる配線層が複数層積層し、最上層にソルダーレジスト層408を形成し、多層配線構造体を構成する。その表面に第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430と、回路素子440とを設ける。第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430を、接着層510を介して密着させる。第二の半導体チップ430の下面はプラズマ処理面とし、この面を覆う接着層510に第一の半導体チップ410を接着する。
【選択図】 図5

Description

本発明は、半導体チップを搭載した半導体装置の製造方法に関するものである。
携帯電話、PDA、DVC、DSCといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっており、その実現のために高集積のシステムLSIが求められている。一方、これらのエレクトロニクス機器に対しては、より使い易く便利なものが求められており、機器に使用されるLSIに対し、高機能化、高性能化が要求されている。このため、LSIチップの高集積化にともないそのI/O数が増大する一方でパッケージ自体の小型化要求も強く、これらを両立させるために、半導体部品の高密度な基板実装に適合した半導体パッケージの開発が強く求められている。
こうした高密度化の要請に対応するパッケージ技術として、半導体チップを積層する方法が知られている(特許文献1)。図1は、同文献に記載されたCSP(Chip Size Package)構造を示す図である。表面に配線層4を備える絶縁性基板3上に、回路形成面を上にして半導体チップ1が搭載されている。この半導体チップ1上に、熱圧着シート7を介して半導体チップ2が搭載されている。半導体チップ1及び2と配線層4の電極部とはワイヤ8により接続され、半導体チップ1、2及びワイヤ8が樹脂封止されている。
しかしながら、このように半導体チップを積層した場合、積層した半導体チップ間の密着性が充分に得られず、素子の信頼性や、素子の製造プロセスの歩留まり低下をもたらすことがあった。
特開平11−204720号公報
上記文献に記載されているように半導体チップを積層した場合、積層する半導体素子間の密着性を充分に高くすることが重要となる。この界面における密着性が不良であると、熱ストレスや水分の影響を受け、素子の信頼性が著しく低下する。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、半導体チップを積層して搭載した半導体装置において、基材と半導体チップの間または半導体チップ間の密着性を向上させることにある。
本発明によれば、基材と、該基材上に設けられた接着部材と、該接着部材上に設けられた半導体チップとからなる半導体装置であって、接着部材と半導体チップとが接しており、半導体チップの接着部材と接する側の面がプラズマ処理面であることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、基材と、該基材上に設けられた第一の半導体チップと、該第一の半導体チップ上に設けられた接着部材と、該接着部材上に設けられた第二の半導体チップとからなる半導体装置であって、接着部材と第二の半導体チップとが接しており、第二の半導体チップの接着部材と接する側の面がプラズマ処理面であることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本発明の半導体装置において、基材は剥離フィルムとすることができる。
本発明によれば、基材と、該基材上に設けられた接着部材と、該接着部材上に設けられた半導体チップとからなる半導体装置の製造方法であって、半導体チップの一方の面に対し、プラズマ処理を行う工程と、プラズマ処理された面に接着部材を設ける工程と、基材と半導体チップとを接着部材を介して接着させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、基材と、該基材上に設けられた第一の半導体チップと、該第一の半導体チップ上に設けられた接着部材と、該接着部材上に設けられた第二の半導体チップとからなる半導体装置の製造方法であって、第二の半導体チップの一方の面に対し、プラズマ処理を行う工程と、プラズマ処理された面に前記接着部材を設ける工程と、第二の半導体チップと第一の半導体チップとを接着部材を介して接着させる工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の半導体装置の製造方法において、基材は剥離フィルムとすることができる。
本発明によれば、半導体チップの下面がプラズマ処理面となっているため、その下に接着される基材との密着性が顕著に改善される。この結果、熱ストレスや水分の影響を受けず、素子の信頼性も向上する。
また、本発明によれば、半導体チップの素子形成面ではない面がプラズマ処理面となっているため、形成された素子はプラズマ処理の影響を受けず、素子の信頼性も向上する。
本発明によれば、プラズマ処理により清浄化された面に直接接着部材が接しているため、強固な接着力が得られる。
ここで、「基材」とは、基板だけではなく、半導体チップ、半導体ウエハなども含む。
ここで、「基材」の表面は、基材自体の表面であってもよいし、基材上に形成した樹脂膜等の面であってもよい。たとえば、基材自体の上面が半導体チップのプラズマ処理面と接触する構成でもよいし、基材最上層に設けられた保護膜の上面が、半導体チップのプラズマ処理面と接触する構成でもよい。
プラズマ処理は、不活性ガスを含むプラズマガスを用いて行うことが好ましい。こうすることにより、基材の性能劣化を抑制でき、また、優れた界面密着性を有する表面が得られる。
本発明によれば、基材と半導体チップの間または半導体チップ間の密着性に優れた、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
第一の実施の形態
図2および図3は、本実施形態に係る半導体チップの工程断面図である。図2(a)は半導体ウエハ500を示す図であり、上面が素子形成面501である。まず、図2(b)
のように素子形成面501上に素子層502を形成する。次に、図2(c)のように半導体ウエハの裏面を平坦化するために研磨し、さらに純水でリンス洗浄する。さらに、図2(d)のように裏面を研磨・洗浄した半導体ウエハ500の裏面をプラズマ処理する。プラズマ照射条件は、優れた界面密着性が発現する表面特性が得られるよう、用いる樹脂材料に応じて適宜設定する。たとえば、半導体ウエハ裏面に付着した有機物の除去効率が向上するように、プラズマガスにアルゴンなどの不活性ガスが含まれる条件とする。こうすることにより、半導体ウエハ裏面に付着した有機物の除去効率が向上する。また、アルゴンは窒素ガスや希ガス等の他の不活性ガスを用いてもよく、これらのガスに酸素などの酸化性ガスを混合して用いてもよい。
本実施形態では、以下の条件を採用した。
プラズマガス: アルゴン10〜20sccm、酸素0〜10sccm
バイアス: 無印加
RFパワー(W): 500
圧力(Pa): 20
処理時間(sec): 20
このプラズマ処理により、半導体ウエハ500の裏面に付着した有機物が除去されて清浄化されるとともに、密着性に優れる表面に改質される。この結果、その下に形成される半導体チップやソルダーレジスト層との接着性が向上する。
次に、図3(a)のように密着性に優れる表面に改質された半導体ウエハ500の裏面に接着層510を貼付する。さらに、図3(b)のように接着層510の下面にダイシングシート512を接着した後で、図3(c)のようにダイシングを行い、接着層510とダイシングシート512とを従える半導体チップ530を作製する。なお、本実施形態において、ダイシングシートを用いずに、例えば基板上でダイシングする形態も有効である。
図4は、半導体チップ製造工程の一部の平面図である。上面に素子を形成し、裏面を研磨・洗浄した後にプラズマ処理をした半導体ウエハ520を半導体チップ522の大きさにダイシングする。
図5は、接着層510を介して接着された第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430とが、ソルダーレジスト層408上に積層した断面構造を示す図である。この半導体装置は、層間絶縁膜405および銅からなる配線407からなる配線層が複数層積層し、最上層にソルダーレジスト層408が形成された多層配線構造体と、その表面に形成された第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430と、ワイヤ412と、回路素子440とにより構成されている。多層配線構造体の裏面には、半田ボール420が設けられている。第一の半導体チップ410と配線407との間は半田により接続され、第二の半導体チップ430と配線407との間はワイヤ412により接続されている。
第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430と、回路素子440とは、モールド樹脂415によりモールドされた構造となっている。半導体素子のモールドは、複数個のモジュールに対して、金型を用いて同時に行う。この工程は、トランスファーモールド、インジェクションモールド、ポッティングまたはディッピングにより実現できる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がトランスファーモールドまたはポッティングで実現でき、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂はインジェクションモールドで実現できる。
ここで、第一の半導体チップ410と、前記の工程でダイシングした半導体チップ530を用いた第二の半導体チップ430は、接着層510を介して接着されている。ここで、第二の半導体チップ430は前記の方法で作製された半導体チップ530に相当する。第二の半導体チップ430の下面はプラズマ処理が施された面であり、そのプラズマ処理が施された面が接着層510に覆われており、第一の半導体チップ410に接着する際にはダイシングシート512をはがして露出させた面を接着する。そのため、第二の半導体チップ430の下面は接着層510に覆われたまま接着層510と第一の半導体チップ410の上面が接着するため、第二の半導体チップ430の下面はプラズマ処理されたままの清浄な状態に保たれる。また、プラズマ処理される面は素子形成面ではないため、素子自体はプラズマの影響を受けない。それゆえ、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430の界面における密着性は良好な状態が保たれ、半導体装置の歩留まりおよび素子信頼性が向上する。
ソルダーレジスト層408、層間絶縁膜405およびモールド樹脂415を構成する材料は、それぞれ独立に樹脂材料を選択することができ、たとえば、BTレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、PPE樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。このうち、高周波特性に優れる液晶ポリマー、エポキシ樹脂、BTレジン等のメラミン誘導体が好適に用いられる。これらの樹脂とともに、適宜、SiOなどのフィラーや添加剤を添加してもよい。
接着層510は、ダイアタッチ用フィルムにより形成された接着層であってもよいし、ダイアタッチ用ペーストを塗布して形成された接着層であってもよい。接着層510として、ダイアタッチ用フィルムを用いる場合は、図3(a)において、半導体ウエハ500の裏面にダイアタッチ用フィルムを貼付することで接着層510を形成し、その後、ダイアタッチ用フィルムにダイシングシート512を貼付する。接着層510として、ダイアタッチ用ペーストを用いる場合には、図3(a)において、半導体ウエハ500の裏面にダイアタッチ用ペーストを塗布することで接着層510を形成し、その後、ダイアタッチ用ペーストにダイシングシート512を貼付する。
絶縁基材を構成する材料としては、エポキシ樹脂、BTレジン、液晶ポリマー等が好ましく用いられる。こうした樹脂を用いることにより高周波特性や製品信頼性に優れる半導体装置が得られる。
この半導体装置は、図2(d)の工程において、プラズマ処理により、第二の半導体チップ430の表面を改質し、接着層510との密着性に優れる表面に改質している。このため、第一の半導体チップ410とその上の第二の半導体チップ430との間の界面密着性が顕著に改善され、半導体装置の歩留まりおよび素子信頼性が向上する。
ここで、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430とを接着層510を介して接着する際に、第一の半導体チップ410が第二の半導体チップ430と接する側の面をプラズマ処理することも可能である。この処理により、第一の半導体チップ410の素子がプラズマ処理の影響を受けるが、第一の半導体チップ410の表面が接着層510との密着性に優れる表面に改質される。このため、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430との間の界面密着性が顕著に改善され、半導体装置の歩留まりが向上する。
第二の実施形態
図6は、接着層510を介して接着されている第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430とを、第一の半導体チップ410の下面を接着層510を介してソルダー
レジスト層408上に接着させた断面構造を示す図である。この半導体装置は、層間絶縁膜405および銅からなる配線407からなる配線層が複数層積層し、最上層にソルダーレジスト層408が形成された多層配線構造体と、その表面に形成された第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430と、ワイヤ412と、回路素子440とにより構成されている。多層配線構造体の裏面には、半田ボール420が設けられている。第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430との間、第一の半導体チップ410と配線407との間、および第二の半導体チップ430と配線407との間はワイヤ412により接続されている。
第一の半導体チップ410および第二の半導体チップ430と、回路素子440とは、モールド樹脂415によりモールドされた構造となっている。半導体素子のモールドは、複数個のモジュールに対して、金型を用いて同時に行う。この工程は、トランスファーモールド、インジェクションモールド、ポッティングまたはディッピングにより実現できる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がトランスファーモールドまたはポッティングで実現でき、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂はインジェクションモールドで実現できる。
ここで、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430とは、前述の方法で作製された半導体チップ530に相当する。第一の半導体チップ410の下面と第二の半導体チップ430の下面とはプラズマ処理が施された面であり、そのプラズマ処理が施された面が接着層510に覆われており、第二の半導体チップ430が第一の半導体チップ410に接着される際と、第一の半導体チップ410がソルダーレジスト層408上に接着される際とには、ダイシングシート512をはがして露出させた面を接着する。そのため、第二の半導体チップ430の下面は接着層510に覆われたまま、接着層510と第一の半導体チップ410の上面が接着されるため、第二の半導体チップ430の下面はプラズマ処理されたままの清浄な状態に保たれる。同様に、第一の半導体チップの下面は接着層510に覆われたまま、接着層510とソルダーレジスト層408が接着されるため、第一の半導体チップ410の下面はプラズマ処理されたままの清浄な状態に保たれる。また、プラズマ処理される面は素子形成面ではないため、素子自体はプラズマの影響を受けない。それゆえ、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430の界面における密着性と、第一の半導体チップ410とソルダーレジスト層408の界面における密着性とは、良好な状態が保たれ、半導体装置の歩留まりおよび素子信頼性が向上する。
ソルダーレジスト層408、層間絶縁膜405およびモールド樹脂415を構成する材料は、それぞれ独立に樹脂材料を選択することができ、たとえば、BTレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、エポキシ樹脂、PPE樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の熱硬化性樹脂が例示される。このうち、高周波特性に優れる液晶ポリマー、エポキシ樹脂、BTレジン等のメラミン誘導体が好適に用いられる。これらの樹脂とともに、適宜、SiOなどのフィラーや添加剤を添加してもよい。
接着層510は、ダイアタッチ用フィルムにより形成した接着層であってもよいし、ダイアタッチ用ペーストを塗布して形成した接着層であってもよい。接着層510として、ダイアタッチ用フィルムを用いる場合には、図3(a)において、半導体ウエハ500の裏面にダイアタッチ用フィルムを貼付することで接着層510を形成し、その後、ダイアタッチ用フィルムにダイシングシート512を貼付する。接着層510として、ダイアタッチ用ペーストを用いる場合には、図3(a)において、半導体ウエハ500の裏面にダイアタッチ用ペーストを塗布することで接着層510を形成し、その後、ダイアタッチ用ペーストにダイシングシート512を貼付する。
絶縁基材を構成する材料としては、エポキシ樹脂、BTレジン、液晶ポリマー等が好ましく用いられる。こうした樹脂を用いることにより高周波特性や製品信頼性に優れる半導体装置が得られる。
この半導体装置は、図2(d)の工程において、半導体チップ530に相当する第一の半導体チップ410と第二の半導体装置430とが、プラズマ処理により表面が改質され、接着層510との密着性に優れる表面に改質している。このため、ソルダーレジスト層408と第一の半導体チップ410との間の界面密着性と、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430との間の界面密着性が顕著に改善され、半導体装置の歩留まりおよび素子信頼性が向上する。
ここで、第一の実施形態と同様に、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430とを接着層510を介して接着する際に、第一の半導体チップ410が第二の半導体チップ430と接する側の面をプラズマ処理することも可能である。この処理により、第一の半導体チップの素子はプラズマ処理の影響を受けるが、第一の半導体チップ410の表面が接着層510との密着性に優れる表面に改質される。このため、第一の半導体チップ410と第二の半導体チップ430との間の界面密着性が顕著に改善され、半導体装置の歩留まりが向上する。
ここで、図7のように、接着層510を介しての接着の代わりに、第二の半導体チップ430の下面と第一の半導体チップ410の上面とを接触層511を介して接触させて、第一の半導体チップ410をソルダーレジスト層上に接着層510を介して接着させることも可能である。ここで、第一の半導体チップ410は上記の方法で作製された半導体チップ530に相当する。
また、第一の半導体チップ410を単独でソルダーレジスト層408上に接着層510を介して接着させることも可能である。ここで、第一の半導体チップ410は前記の方法で作製された半導体チップ530に相当する。第一の半導体チップ410の下面はプラズマ処理が施された面であり、そのプラズマ処理が施された面が接着層510に覆われており、ソルダーレジスト層408に接着される際には、ダイシングシート512をはがして露出させた面を接着する。そのため、第一の半導体チップ410の下面は接着層510に覆われたまま、接着層510とソルダーレジスト層408の上面が接着するため、第一の半導体チップ410の下面はプラズマ処理されたままの清浄な状態に保たれる。また、プラズマ処理される面は素子形成面ではないため、素子自体はプラズマの影響を受けない。それゆえ、第一の半導体チップ410とソルダーレジスト層408の界面における密着性は良好な状態が保たれ、半導体装置の歩留まりおよび素子信頼性が向上する。
実施例1
本実施例では、Arプラズマ処理が施されたウエハ裏面の炭素、酸素、窒素、ケイ素の付着量を、Quantera SXM(PHI社製)を用いたX線光電子分光法により測定した。ウエハとしてはシリコンを用い、研削、リンス洗浄した面にArプラズマ処理を施した。また、測定の正確性を期すために、2枚のウエハAとウエハBを準備し、それぞれについて同様の処理を施して測定した。
ここで、Arプラズマ処理の条件は、アルゴン10sccm、バイアスは無印加、RFパワー:500(W)、圧力:20(Pa)、処理時間:20(sec)とした。
測定条件は以下のとおりである。
励起X線:monochromatic AlKα1,2線(1486.6eV)
X線径:200μm
光電子検出角度:45°
データ処理は、中性炭素C1sのメインピーク位置を284.60eVに合わせた。このような条件で、Arプラズマ処理が施されたウエハ裏面の炭素、酸素、窒素、ケイ素の付着量を測定した。
実施例2
本実施例では、実施例1と同様の装置、同様の測定条件、同様のデータ処理により、Oプラズマ処理が施されたウエハ裏面の炭素、酸素、窒素、ケイ素の付着量を、Quantera SXM(PHI社製)を用いたX線光電子分光法により測定した。ウエハとしてはシリコンを用い、研削、リンス洗浄した面にOプラズマ処理を施した。
ここで、Oプラズマ処理の条件は、O:10sccm、バイアスは無印加、RFパワー:500(W)、圧力:20(Pa)、処理時間:20(sec)とした。
比較例1
本比較例では、実施例1と同様の装置、同様の測定条件、同様のデータ処理により、プラズマ処理が施されていないウエハ裏面の炭素、酸素、窒素、ケイ素の付着量を、Quantera SXM(PHI社製)を用いたX線光電子分光法により測定した。ウエハとしてはシリコンを用い、研削、リンス洗浄した。
図8および図9に、実施例1および実施例2、比較例1のウエハ裏面の炭素、酸素、窒素、ケイ素の付着量の測定結果を示す。
図8に示すように、実施例1および実施例2におけるウエハ裏面の炭素付着量は、比較例1のウエハ裏面の炭素付着量と比較して少なかった。また、同じ処理条件の2枚の間にはほとんど差異が見られなかった。このことにより、ウエハ裏面へのArプラズマ処理、Oプラズマ処理は、ともにウエハ裏面の炭素付着量を減少させる効果があることがわかり、ウエハ裏面の密着性改善に効果があることがわかる。
また、図9に示すように、実施例1および実施例2におけるCOO(CON)成分について、比較例1のウエハ裏面のCOO(CON)成分と比較して増加していた。また、同じ処理条件の2枚の間にはほとんど差異が見られなかった。このことにより、ウエハ裏面のArプラズマ処理、Oプラズマ処理は、ともにウエハ裏面のCOO(CON)成分を増加させる効果があることがわかり、ウエハ裏面の密着性改善に効果があることがわかる。
以上、発明の好適な実施の形態を説明した。しかし、本発明は上述の実施の形態に限定されず、当業者が本発明の範囲内で上述の実施の形態を変形可能なことはもちろんである。
たとえば、上記第一の実施形態及び第二の実施形態において、プラズマ処理に代えて紫外線処理を施してもよい。また、上記第一の実施形態および第二の実施形態において、半導体チップに代えて基板どうしの接着を実施したとしても、接着層510を介しての界面密着性について、同様の顕著な改善効果を得ることができる。
複数の半導体チップを積層したパッケージ構造を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の構造を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の構造を説明するための図である。 実施の形態に係る半導体装置の構造を説明するための図である。 実施例の測定結果を示すための図である。 実施例の測定結果を示すための図である。
符号の説明
405 層間絶縁膜、407 配線、408 ソルダーレジスト層、410 第一の半導体チップ、412 ワイヤ、415 モールド樹脂、420 半田ボール、430 第二の半導体チップ、440 回路素子、500 半導体ウエハ、501 素子形成面、502 素子層、510 接着層、511 接触層、512 ダイシングシート、520 半導体ウエハ、522 半導体チップ、530 半導体チップ。

Claims (4)

  1. 素子が形成された半導体ウエハの裏面を研磨した後、
    前記半導体ウエハの裏面をプラズマ処理して、前記半導体ウエハの裏面を改質し、
    その改質された前記半導体ウエハの裏面にダイアタッチ用フィルムを設け、前記ダイアタッチ用フィルムを介して前記半導体ウエハをダイシングシートに貼付けた後、前記半導体ウエハをダイシングして、前記ダイアタッチ用フィルムを貼付けた状態の複数の半導体チップに分離することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記ダイアタッチ用フィルムを貼付けた状態の各半導体チップは、前記ダイアタッチ用フィルムを介して基材と接着されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記ダイアタッチ用フィルムを貼付けた状態の各半導体チップは、前記ダイアタッチ用フィルムを介して接着されて積層されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記ダイアタッチ用フィルムを介して接着されて積層された複数の半導体チップは、貼付けられた前記ダイアタッチ用フィルムを介して前記基材に接着されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
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