JP2009010320A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
従来の半導体装置には、CSP(chip size package)と呼ばれる半導体構成体のシリコン基板を該半導体構成体よりもサイズの大きいベース板上に直接固着したものがある(例えば、特許文献1参照)。この場合、半導体構成体の周囲におけるベース板上には絶縁層が設けられている。半導体構成体および絶縁層上には上層絶縁膜が設けられている。上層絶縁膜上には上層配線が設けられている。上層配線の接続パッド部上には半田ボールが設けられている。 Some conventional semiconductor devices have a silicon substrate of a semiconductor structure called CSP (chip size package) directly fixed on a base plate having a size larger than that of the semiconductor structure (see, for example, Patent Document 1). In this case, an insulating layer is provided on the base plate around the semiconductor structure. An upper insulating film is provided on the semiconductor structure and the insulating layer. An upper wiring is provided on the upper insulating film. Solder balls are provided on the connection pad portions of the upper layer wiring.
上記従来の半導体装置の製造方法では、まず、プリプレグ材からなるベース板形成用シートを用意する。この場合、ベース板形成用シートを構成するプリプレグ材中のエポキシ系樹脂等からなる熱硬化性樹脂は半硬化状態となっている。そして、ベース板形成用シートの上面に半導体構成体のシリコン基板の下面を仮圧着(仮固着)する。 In the conventional method for manufacturing a semiconductor device, first, a base plate forming sheet made of a prepreg material is prepared. In this case, the thermosetting resin made of an epoxy resin or the like in the prepreg material constituting the base plate forming sheet is in a semi-cured state. Then, the lower surface of the silicon substrate of the semiconductor structure is temporarily bonded (temporarily fixed) to the upper surface of the base plate forming sheet.
次に、半導体構成体の周囲におけるベース板の上面に、スクリーン印刷法等により液状のエポキシ系樹脂等からなる熱硬化性樹脂を塗布することにより、絶縁層形成用層を形成する。次に、半導体構成体および絶縁層形成用層の上面にビルドアップ材からなる上層絶縁膜形成用シートを配置する。この場合、上層絶縁膜形成用シートを構成するビルドアップ材中のエポキシ系樹脂等からなる熱硬化性樹脂は半硬化状態となっている。 Next, an insulating layer forming layer is formed by applying a thermosetting resin made of a liquid epoxy resin or the like to the upper surface of the base plate around the semiconductor structure by a screen printing method or the like. Next, an upper insulating film forming sheet made of a build-up material is disposed on the upper surfaces of the semiconductor structure and the insulating layer forming layer. In this case, the thermosetting resin made of an epoxy resin or the like in the build-up material constituting the upper insulating film forming sheet is in a semi-cured state.
次に、一対の加熱加圧板を用いて上下からベース板形成用シート、絶縁層形成用層および上層絶縁膜形成用シートを熱硬化性樹脂の硬化温度以上の温度で加熱加圧する。すると、ベース板形成用シート中の熱硬化性樹脂が硬化することにより、ベース板が形成され、且つ、ベース板の上面に半導体構成体のシリコン基板の下面が直接固着される。また、半導体構成体の周囲におけるベース板の上面に絶縁層が形成され、半導体構成体および絶縁層の上面に上層絶縁膜が形成される。以下の工程は省略する。 Next, the base plate forming sheet, the insulating layer forming layer, and the upper insulating film forming sheet are heated and pressed from above and below using a pair of heating and pressing plates at a temperature equal to or higher than the curing temperature of the thermosetting resin. Then, the base plate is formed by curing the thermosetting resin in the base plate forming sheet, and the lower surface of the silicon substrate of the semiconductor structure is directly fixed to the upper surface of the base plate. An insulating layer is formed on the upper surface of the base plate around the semiconductor structure, and an upper insulating film is formed on the upper surfaces of the semiconductor structure and the insulating layer. The following steps are omitted.
しかしながら、上記従来の半導体装置では、半導体構成体のシリコン基板とベース板を構成するプリプレグ材との熱膨張係数(シリコン基板で3×10-5/℃、ガラス布基材エボキシ樹脂基板で3.0×10-6/℃)が約1桁異なるため、温度サイクル試験を行なうと、ベース板と半導体構成体のシリコン基板との界面の負荷が大きくなり、当該界面における接合の信頼性が低下するという問題があった。 However, in the above-described conventional semiconductor device, the coefficient of thermal expansion between the silicon substrate of the semiconductor structure and the prepreg material forming the base plate (3 × 10 −5 / ° C. for the silicon substrate, 3. 0 × 10 −6 / ° C.) differs by about an order of magnitude, so when a temperature cycle test is performed, the load on the interface between the base plate and the silicon substrate of the semiconductor structure increases, and the reliability of bonding at the interface decreases. There was a problem.
そこで、この発明は、ベース板と半導体構成体の半導体基板との接合の信頼性を向上することができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can improve the reliability of bonding between a base plate and a semiconductor substrate of a semiconductor structure, and a manufacturing method thereof.
請求項1に記載の発明に係る半導体装置は、半導体基板からなるベース板と、前記ベース板の上面に直接固着され、前記ベース板を構成する半導体基板と同一の材料からなる半導体基板および該半導体基板上に設けられた複数の外部接続用電極を有する半導体構成体と、前記半導体構成体の周囲における前記ベース板の上面に設けられた絶縁層と、前記半導体構成体および前記絶縁層上に設けられた上層絶縁膜と、前記上層絶縁膜上に前記半導体構成体の外部接続用電極に接続されて設けられた上層配線とを具備することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記半導体構成体の半導体基板は半導体基板からなる前記ベース板の上面に原子間接合により接合されていることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記ベース板および前記半導体構成体の半導体基板はシリコン基板であることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記絶縁層は、熱硬化性樹脂からなる方形枠状の第1の絶縁層と、前記第1の絶縁層の内面、下面および上面に設けられた熱可塑性樹脂からなる第2の絶縁層とからなることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記第1の絶縁層は熱硬化性ポリイミド系樹脂からなり、前記第2の絶縁層は熱可塑性ポリイミド系樹脂からなることを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記半導体構成体は、前記外部接続用電極としての柱状電極を有するものであることを特徴とするものである。
請求項7に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記上層配線の接続パッド部上に柱状電極が設けられていることを特徴とするものである。
請求項8に記載の発明に係る半導体装置は、請求項7に記載の発明において、前記柱状電極の周囲に封止膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項9に記載の発明に係る半導体装置は、請求項8に記載の発明において、前記柱状電極上に半田ボールが設けられていることを特徴とするものである。
請求項10に記載の発明に係る半導体装置は、請求項1に記載の発明において、前記上層配線の接続パッドを除く部分を覆うオーバーコート膜を有することを特徴とするものである。
請求項11に記載の発明に係る半導体装置は、請求項10に記載の発明において、前記上層配線の接続パッド上に半田ボールが設けられていることを特徴とするものである。
請求項12に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウエハの上面に、各々が前記半導体ウエハと同一の材料からなる半導体基板および該半導体基板上に設けられた封止膜および複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体の前記半導体基板の下面を室温の真空中で直接固着する工程と、前記半導体構成体の周囲における前記半導体ウエハの上面に絶縁層を形成する工程と、前記半導体構成体および前記絶縁層上に上層絶縁膜を形成する工程と、前記上層絶縁膜上に上層配線を前記半導体構成体の外部接続用電極に接続させて形成する工程と、前記半導体構成体間における前記半導体ウエハ、前記絶縁層および前記上層絶縁膜を切断して半導体装置を複数個得る工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項13に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウエハを準備する工程と、それぞれ、封止膜および複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体形成体が、前記半導体ウエハと同一の材料からなる一枚の半導体基板上に離間して形成された半導体構成体集合体を準備する工程と、前記半導体構成体集合体の前記半導体基板の下面を前記半導体ウエハの上面に原子間接合により固着する工程と、各前記半導体構成体形成体間の前記半導体基板を除去し、封止膜および複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体を得る工程と、前記半導体構成体の周囲における前記半導体ウエハの上面に絶縁層を形成する工程と、前記半導体構成体および前記絶縁層上に上層絶縁膜を形成する工程と、前記上層絶縁膜上に上層配線を前記半導体構成体の外部接続用電極に接続させて形成する工程と、前記半導体構成体間における前記半導体ウエハ、前記絶縁層および前記上層絶縁膜を切断して半導体装置を複数個得る工程と、を有することを特徴とするものである。
請求項14に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、半導体構成体集合体は、前記半導体構成体形成体の離間部に封止膜を有することを特徴とするものである。
請求項15に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項14に記載の発明において、前記半導体構成体形成体の離間部の前記封止膜を、前記半導体構成体集合体の前記半導体基板の下面を前記半導体ウエハの上面に固着した後、除去する工程を有することを特徴とするものである。
請求項16に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、前記半導体構成体集合体の前記半導体基板の下面を前記半導体ウエハの上面に固着する前における半導体構成体集合体は、離間部に封止膜を有していないことを特徴とするものである。
請求項17に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項13に記載の発明において、前記半導体ウエハと、前記半導体構成体集合体の前記半導体基板とは、サイズが同一であることを特徴とするものである。
請求項18に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項12または13に記載の発明において、前記半導体ウエハおよび前記半導体構成体の半導体基板はシリコン基板であることを特徴とするものである。
請求項19に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項18に記載の発明において、前記半導体ウエハの上面に前記半導体構成体のシリコン基板の下面を直接固着する工程は、室温の真空中において、前記半導体ウエハの上面および前記半導体構成体のシリコン基板の下面を、不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射することにより、スパッタエッチングし、次いで、前記半導体ウエハの上面に前記半導体構成体のシリコン基板の下面を重ね合わせて接合する工程であることを特徴とするものである。
請求項20に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項12または13に記載の発明において、前記絶縁層を形成する工程は、前記半導体構成体の周囲における前記ベース板の上面に、硬化状態の熱硬化性樹脂からなる格子状の第1の絶縁層および前記第1の絶縁層の下面および上面に設けられた熱可塑性樹脂からなる第2の絶縁層形成用層からなる格子状の絶縁層形成用シートを配置し、加熱加圧板を用いて加熱加圧することにより、前記半導体構成体の周囲における前記ベース板の上面に、格子状の第1の絶縁層の表面に熱可塑性樹脂からなる第2の絶縁層が形成された構造の絶縁層を形成する工程であることを特徴とするものである。
請求項21に記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、請求項20に記載の発明において、前記第1の絶縁層形成用層は熱硬化性ポリイミド系樹脂からなり、前記第2の絶縁層は熱可塑性ポリイミド系樹脂からなることを特徴とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a base plate made of a semiconductor substrate; a semiconductor substrate made of the same material as the semiconductor substrate that is directly fixed to the upper surface of the base plate and constitutes the base plate; A semiconductor structure having a plurality of external connection electrodes provided on a substrate, an insulating layer provided on an upper surface of the base plate around the semiconductor structure, and provided on the semiconductor structure and the insulating layer And an upper wiring line provided on the upper insulating film so as to be connected to the external connection electrode of the semiconductor structure.
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the semiconductor substrate of the semiconductor structure is bonded to the upper surface of the base plate made of a semiconductor substrate by interatomic bonding. It is a feature.
A semiconductor device according to a third aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the base plate and the semiconductor substrate of the semiconductor structure are silicon substrates.
A semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the insulating layer is a rectangular frame-shaped first insulating layer made of a thermosetting resin, and the first insulating layer. And a second insulating layer made of a thermoplastic resin provided on the inner surface, the lower surface, and the upper surface.
A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the first insulating layer is made of a thermosetting polyimide resin, and the second insulating layer is a thermoplastic polyimide resin. It is characterized by comprising.
A semiconductor device according to a sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein the semiconductor structure has a columnar electrode as the external connection electrode. .
A semiconductor device according to a seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, wherein a columnar electrode is provided on a connection pad portion of the upper wiring.
The semiconductor device according to an eighth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the seventh aspect, wherein a sealing film is provided around the columnar electrode.
A semiconductor device according to a ninth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the eighth aspect, wherein a solder ball is provided on the columnar electrode.
A semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the first aspect, further comprising an overcoat film that covers a portion of the upper wiring except for the connection pads.
A semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to the tenth aspect, wherein solder balls are provided on the connection pads of the upper wiring.
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising: a semiconductor substrate made of the same material as the semiconductor wafer; a sealing film provided on the semiconductor substrate; Directly fixing the lower surface of the semiconductor substrate of a plurality of semiconductor structures having external connection electrodes in a vacuum at room temperature; forming an insulating layer on the upper surface of the semiconductor wafer around the semiconductor structure; Forming an upper insulating film on the semiconductor structure and the insulating layer; forming an upper wiring on the upper insulating film by connecting to an external connection electrode of the semiconductor structure; and the semiconductor structure And a step of cutting the semiconductor wafer, the insulating layer and the upper insulating film between them to obtain a plurality of semiconductor devices.
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: a step of preparing a semiconductor wafer; and a plurality of semiconductor structure forming bodies each having a sealing film and a plurality of external connection electrodes. And a step of preparing a semiconductor structure assembly formed on a single semiconductor substrate made of the same material as that separated from each other, and the lower surface of the semiconductor substrate of the semiconductor structure assembly is attached to the upper surface of the semiconductor wafer. A step of fixing by inter-junction, a step of removing the semiconductor substrate between the semiconductor structure forming bodies to obtain a plurality of semiconductor structures having a sealing film and a plurality of external connection electrodes, and the semiconductor structure Forming an insulating layer on the upper surface of the semiconductor wafer around the substrate, forming an upper insulating film on the semiconductor structure and the insulating layer, and forming an upper wiring on the upper insulating film A step of forming the semiconductor structure by connecting to an external connection electrode; and a step of cutting the semiconductor wafer, the insulating layer, and the upper insulating film between the semiconductor structures to obtain a plurality of semiconductor devices. It is characterized by having.
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth aspect of the present invention, the semiconductor structure aggregate includes a sealing film at a separation portion of the semiconductor structure forming body. It is what.
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the fifteenth aspect of the present invention, the sealing film in the separation portion of the semiconductor structure forming body is used as the semiconductor of the semiconductor structure aggregate. The method includes a step of removing after fixing the lower surface of the substrate to the upper surface of the semiconductor wafer.
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth aspect of the present invention, wherein the semiconductor structure before the lower surface of the semiconductor substrate of the semiconductor structure assembly is fixed to the upper surface of the semiconductor wafer. The body assembly is characterized in that it does not have a sealing film in the separation portion.
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method according to the thirteenth aspect of the present invention, wherein the semiconductor wafer and the semiconductor substrate of the semiconductor assembly aggregate are the same size. It is a feature.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18 is characterized in that, in the invention according to
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the eighteenth aspect, the step of directly fixing the lower surface of the silicon substrate of the semiconductor structure to the upper surface of the semiconductor wafer is performed at room temperature. The upper surface of the semiconductor wafer and the lower surface of the silicon substrate of the semiconductor structure are sputter etched by irradiating with an inert gas ion beam or an inert gas fast atom beam, and then on the upper surface of the semiconductor wafer. It is a step of overlapping and bonding the lower surface of the silicon substrate of the semiconductor structure.
According to a twentieth aspect of the present invention, in the semiconductor device manufacturing method according to the twelfth or thirteenth aspect of the present invention, the step of forming the insulating layer is performed on the upper surface of the base plate around the semiconductor structure. A lattice-shaped first insulating layer made of a cured thermosetting resin and a second insulating layer forming layer made of a thermoplastic resin provided on the lower surface and the upper surface of the first insulating layer. An insulating layer forming sheet is placed and heated and pressed using a heating and pressing plate, so that the top surface of the base plate around the semiconductor structure is made of thermoplastic resin on the surface of the grid-like first insulating layer. This is a step of forming an insulating layer having a structure in which the second insulating layer is formed.
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the twenty-second aspect, the first insulating layer forming layer is made of a thermosetting polyimide resin, and the second insulating layer. Is made of a thermoplastic polyimide resin.
請求項1および請求項12に記載の発明によれば、半導体基板からなるベース板の上面に、ベース板を構成する半導体基板と同一の材料からなる半導体構成体の半導体基板の下面を直接固着しているので、ベース板と半導体構成体の半導体基板との熱膨張係数が同一であり、温度サイクル試験を行なっても、ベース板と半導体構成体の半導体基板との接合の信頼性を向上することができる。 According to the first and twelfth aspects of the present invention, the lower surface of the semiconductor substrate made of the same material as that of the semiconductor substrate constituting the base plate is directly fixed to the upper surface of the base plate made of the semiconductor substrate. Therefore, the coefficient of thermal expansion of the base plate and the semiconductor substrate of the semiconductor structure is the same, and the reliability of bonding between the base plate and the semiconductor substrate of the semiconductor structure is improved even if the temperature cycle test is performed. Can do.
(第1実施形態)
図1はこの発明の第1実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は平面方形状のシリコン基板(半導体基板)からなるベース板1を備えている。ベース板1の上面には、ベース板1のサイズよりもある程度小さいサイズの平面方形状の半導体構成体2の下面が直接固着されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device as a first embodiment of the present invention. This semiconductor device includes a
半導体構成体2は、一般的にはCSPと呼ばれるものであり、シリコン基板(半導体基板)3を備えている。シリコン基板3の下面はベース板1の上面に直接固着されている。シリコン基板3の上面には所定の機能の集積回路(図示せず)が設けられ、上面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド4が集積回路に接続されて設けられている。
The
接続パッド4の中央部を除くシリコン基板3の上面には酸化シリコン等からなる絶縁膜5が設けられ、接続パッド4の中央部は絶縁膜5に設けられた開口部6を介して露出されている。絶縁膜5の上面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜7が設けられている。絶縁膜5の開口部6に対応する部分における保護膜7には開口部8が設けられている。
An insulating
保護膜7の上面には配線9が設けられている。配線9は、保護膜7の上面に設けられた銅等からなる下地金属層10と、下地金属層10の上面に設けられた銅からなる上部金属層11との2層構造となっている。配線9の一端部は、絶縁膜5および保護膜7の開口部6、8を介して接続パッド4に接続されている。
A
配線9の接続パッド部上面には銅からなる柱状電極(外部接続用電極)12が設けられている。配線9を含む保護膜7の上面にはエポキシ系樹脂等からなる封止膜13がその上面が柱状電極12の上面と面一となるように設けられている。
A columnar electrode (external connection electrode) 12 made of copper is provided on the upper surface of the connection pad portion of the
半導体構成体2の周囲におけるベース板1の上面には方形枠状の絶縁層21が設けられている。絶縁層21は、方形枠状の第1の絶縁層22の内面、下面および上面に第2の絶縁層23が設けられた構造となっている。この場合、第1の絶縁層22は熱硬化性ポリイミド系樹脂からなっている。第2の絶縁層23は熱可塑性ポリイミド系樹脂からなっている。
A rectangular frame-shaped insulating
半導体構成体2および絶縁層21の上面にはポリイミド系樹脂やエポキシ系樹脂等からなる上層絶縁膜24が設けられている。半導体構成体2の柱状電極12の上面中央部に対応する部分における上層絶縁膜24には開口部25が設けられている。
An upper insulating
上層絶縁膜24の上面には上層配線26が設けられている。上層配線26は、上層絶縁膜24の上面に設けられた銅等からなる下地金属層27と、下地金属層27の上面に設けられた銅からなる上部金属層28との2層構造となっている。上層配線26の一端部は、上層絶縁膜24の開口部25を介して半導体構成体2の柱状電極12の上面に接続されている。
An
上層配線26の接続パッド部上面には銅からなる柱状電極29が設けられている。上層配線26を含む上層絶縁膜24の上面にはエポキシ系樹脂等からなる封止膜30がその上面が柱状電極29の上面と面一となるように設けられている。柱状電極29の上面には半田ボール31が設けられている。
A
(製造方法の第1の例)
次に、この半導体装置の製造方法の第1の例について説明する。まず、図2に示すように、ウエハ状態の単なるシリコン基板からなるベース板(以下、半導体ウエハ41という)を準備する。なお、図2において、符号42で示す領域は、個片化するための切断ラインに対応する領域である。
(First example of manufacturing method)
Next, a first example of this semiconductor device manufacturing method will be described. First, as shown in FIG. 2, a base plate made of a simple silicon substrate in a wafer state (hereinafter referred to as a semiconductor wafer 41) is prepared. In FIG. 2, an area indicated by
また、半導体構成体2を準備する。この半導体構成体2は、ウエハ状態のシリコン基板3上の各半導体構成体形成領域に集積回路(図示せず)、接続パッド4、絶縁膜5、保護膜7、下地金属層10および上部金属層11からなる2層構造の配線9、柱状電極12および封止膜13を形成した後に、ダイシングにより個片化することにより得られる。
Moreover, the
次に、半導体ウエハ41の上面の複数の半導体構成体配置領域に複数の半導体構成体2のシリコン基板3の下面を常温接合法と呼ばれる接合方法により直接固着する(特開平10−92702号公報参照)。すなわち、図示していないが、まず、室温の真空中(真空チャンバー内)において、半導体ウエハ41の上面および半導体構成体2のシリコン基板3の下面を、不活性ガスイオンビームまたは不活性ガス高速原子ビームを照射することにより、スパッタエッチングする。すると、半導体ウエハ41の上面および半導体構成体2のシリコン基板3の下面に存在する吸着ガスや自然酸化膜等が剥離される。
Next, the lower surface of the
次に、そのまま室温の真空中(真空チャンバー内)において、半導体ウエハ41の上面に半導体構成体2のシリコン基板3の下面を重ね合わせると、半導体ウエハ41の上面および半導体構成体2のシリコン基板3の下面が極めて平滑であることにより、無加熱、無加圧で、半導体ウエハ41の上面に半導体構成体2のシリコン基板3の下面が原子間接合により強固に接合される。
Next, when the lower surface of the
次に、図3に示すように、半導体構成体の周囲における半導体ウエハ41の上面に格子状の絶縁層形成用シート21aをピン等で位置決めしながら配置する。格子状の絶縁層形成用シート21aは、硬化状態の熱硬化性ポリイミド系樹脂シートからなる第1の絶縁層22の下面および上面に熱可塑性ポリイミド系樹脂からなる第2の絶縁層形成用層23a、23bが設けられ、パンチング等により、複数の方形状の開口部43が形成されたものからなっている。
Next, as shown in FIG. 3, a lattice-shaped insulating
この場合、絶縁層形成用シート21aの開口部43のサイズは半導体構成体2のサイズよりもやや大きくなっている。このため、絶縁層形成用シート21aと半導体構成体2との間には隙間44が形成されている。第1の絶縁層22および第2の絶縁層形成用層23a、23bの厚さおよび隙間44の寸法は、後述の如く、加熱加圧されたときに、第1の絶縁層22および第2の絶縁層形成用層23a、23bによって隙間44を十分に埋めることができる程度となっている。
In this case, the size of the
一例として、絶縁層形成用シート21aの厚さは半導体構成体2の厚さよりも5μm以上厚くなっている。隙間44の寸法は30μm以上となっている。第1の絶縁層22と第2の絶縁層形成用層23a、23bとの厚さの比は、第1の絶縁層22の厚さが90〜50%、第2の絶縁層形成用層23a、23bの合計厚さが10〜50%となっている。
As an example, the thickness of the insulating
次に、図4に示すように、一対の加熱加圧板45、46を用いて上下から絶縁層形成用シート21aを真空中で加熱加圧する。この場合、上側の加熱加圧板45の下面側および下側の加熱加圧板46の上面側には離型フィルム47、48が配置されている。加熱加圧条件は、一例として、圧力を9.8×10-4Pa以上とし、開始時点の温度を40℃とし、それから3〜5分で200℃に上昇させ、この温度を10分保持し、それから3〜10分で室温に戻す。
Next, as shown in FIG. 4, the insulating
この加熱加圧により、絶縁層形成用シート21a中の熱可塑性ポリイミド系樹脂からなる第2の絶縁層形成用層23a、23bが軟化して、図3に示す隙間44に充填され、その後の冷却により固化して、半導体構成体2の周囲における半導体ウエハ41の上面には方形枠状の絶縁層21が形成される。この状態では、絶縁層21は、格子状の第1の絶縁層22の表面に第2の絶縁層23が設けられた構造となっている。なお、第1の絶縁層22は、予め硬化された熱硬化性ポリイミド系樹脂によって形成されているため、加熱加圧されてもほとんど変形しない。
By this heat and pressure, the second insulating
ここで、何らかのトラブルが発生し、絶縁層21を剥離する必要が生じたとする。このような場合には、絶縁層21が格子状の第1の絶縁層22の表面に第2の絶縁層23が設けられた構造となっているので、200℃以上に加熱すると、第2の絶縁層23を構成する熱可塑性ポリイミド系樹脂が軟化し、専用の治具等を用いて絶縁層21を比較的容易に剥離することができる。したがって、その後に残った半導体ウエハ41および複数の半導体構成体2をそのまま再利用することができる。
Here, it is assumed that some trouble occurs and the insulating
さて、半導体構成体2の周囲における半導体ウエハ41の上面に方形枠状の絶縁層21を形成したら、次に、図5に示すように、半導体構成体2および絶縁層21の上面に、スクリーン印刷法やスピンコート法等により、ポリイミド系樹脂やエポキシ系樹脂等からなる上層絶縁膜24を形成する。次に、半導体構成体2の柱状電極12の上面中央部に対応する部分における上層絶縁膜24に、フォトリソグラフィ法あるいはレーザビームを照射するレーザ加工により、開口部25を形成する。
Now, after forming the rectangular frame-shaped insulating
次に、図6に示すように、上層絶縁膜24の開口部25を介して露出された半導体構成体2の柱状電極12の上面を含む上層絶縁膜24の上面全体に下地金属層27を形成する。この場合、下地金属層27は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタにより形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタにより形成されたチタン等の薄膜層上にスパッタにより銅層を形成したものであってもよい。
Next, as shown in FIG. 6, a
次に、下地金属層27の上面にメッキレジスト膜49をパターン形成する。この場合、上部金属層28形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜49には開口部50が形成されている。次に、下地金属層27をメッキ電流路とした銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜49の開口部50内の下地金属層27の上面に上部金属層28を形成する。次に、メッキレジスト膜49を剥離する。
Next, a plating resist
次に、図7に示すように、上部金属層28を含む下地金属層27の上面にメッキレジスト膜51をパターン形成する。この場合、上部金属層28の接続パッド部つまり柱状電極29形成領域に対応する部分におけるレジスト膜51には開口部52が形成されている。次に、下地金属層27をメッキ電流路とした銅の電解メッキを行うことにより、メッキレジスト膜51の開口部52内の上部金属層28の接続パッド部上面に柱状電極29を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a plating resist
次に、メッキレジスト膜51を剥離し、次いで、上部金属層28をマスクとして下地金属層27の不要な部分をエッチングして剥離すると、図8に示すように、上部金属層28下にのみ下地金属層27が残存される。この状態では、下地金属層27およびその上面に形成された上部金属層28により、上層配線26が形成されている。
Next, the plating resist
次に、図9に示すように、上層配線26および柱状電極29を含む上層絶縁膜24の上面に、スクリーン印刷法やスピンコート法等により、エポキシ系樹脂等からなる封止膜30をその厚さが柱状電極29の高さよりもやや厚くなるように形成する。したがって、この状態では、柱状電極29の上面は封止膜30によって覆われている。
Next, as shown in FIG. 9, a sealing
次に、封止膜30の上面側を適宜に研削して除去することにより、図10に示すように、柱状電極29の上面を露出させるとともに、この露出された柱状電極29の上面を含む封止膜30の上面を平坦化する。次に、図11に示すように、柱状電極29の上面に半田ボール31を形成する。次に、図12に示すように、切断ライン42に沿って、封止膜30、上層絶縁膜24、絶縁層21および半導体ウエハ41を切断すると、図1に示す半導体装置が複数個得られる。
Next, by appropriately grinding and removing the upper surface side of the sealing
このようにして得られた半導体装置では、シリコン基板からなるベース板1の上面に、ベース板1を構成するシリコン基板と同一の材料からなる半導体構成体2のシリコン基板3の下面を直接固着しているので、ベース板1と半導体構成体2のシリコン基板3との熱膨張係数が同一であり、温度サイクル試験を行なっても、ベース板1と半導体構成体2のシリコン基板3との接合の信頼性を向上することができる。
In the semiconductor device thus obtained, the lower surface of the
(製造方法の第2の例)
次に、図1に示す半導体装置の製造方法の第2の例について説明する。まず、図2に示すような当初の工程において、図13に示すように、半導体ウエハ41のほかに、半導体構成体集合体61を準備する。この場合も、図13において、符号42で示す領域は、個片化するための切断ラインに対応する領域である。
(Second example of manufacturing method)
Next, a second example of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described. First, in the initial step as shown in FIG. 2, a
半導体構成体集合体61は、ウエハ状態のシリコン基板3上の切断ライン42で囲まれた各半導体装置形成領域の中央部に集積回路(図示せず)、接続パッド4、絶縁膜5、保護膜7、下地金属層10および上部金属層11からなる2層構造の配線9、柱状電極12および封止膜13を形成したものである。この場合、半導体構成体集合体61のシリコン基板3サイズは半導体ウエハ41のサイズと同じである。
The
ここで、この半導体構成体集合体61について、図2に示す半導体構成体2を複数個得るためのダイシング前のウエハ状態のもの(以下、比較品という)と比較して説明する。比較品では、ウエハ状態のシリコン基板3上の各半導体構成体形成領域に接続パッド4等を形成し、各半導体構成体形成領域間においてダイシングすることにより、図2に示す半導体構成体2が複数個得られる。
Here, the
これに対し、半導体構成体集合体61では、ウエハ状態のシリコン基板3上の切断ライン42で囲まれた各半導体装置形成領域の中央部(つまり、実質的な半導体構成体形成領域)に接続パッド4等を形成しているため、図13において点線で示すように、ウエハ状態のシリコン基板3上の切断ライン42で囲まれた各半導体装置形成領域の中央部に対応する部分が封止膜13および複数の柱状電極12を有する半導体構成体形成体62となっている。この場合、各半導体構成体形成体62間の離間部におけるウエハ状態のシリコン基板3上には、下から順に、絶縁膜5、保護膜7および封止膜13が形成されている。
On the other hand, in the
さて、半導体ウエハ41および半導体構成体集合体61を準備したら、次に、上記常温接合法と呼ばれる接合方法により、室温の真空中(真空チャンバー内)において、無加熱、無加圧で、半導体ウエハ41の上面に半導体構成体集合体61のシリコン基板3の下面を原子間接合により強固に接合する。
Now that the
次に、図14に示すように、半導体構成体集合体61の半導体構成体形成体62の上面にレジスト膜63をパターン形成する。次に、レジスト膜63をマスクとしてArスパッタエッチングを行ない、レジスト膜63下の半導体構成体形成体62以外の領域における封止膜13、保護膜7、絶縁膜5およびシリコン基板3を除去すると、図15に示すようになる。
Next, as shown in FIG. 14, a resist
すなわち、レジスト膜63下の半導体構成体形成体62以外の領域における封止膜13、保護膜7、絶縁膜5およびシリコン基板3が除去されることにより、レジスト膜63下に半導体構成体形成体62およびシリコン基板3が残存され、この残存された半導体構成体形成体62およびシリコン基板3により半導体構成体2が構成されている。次に、レジスト膜63を剥離すると、図2に示す状態と同じとなる。以下、上記製造方法の第1の例の場合と同様の工程を経ると、図1に示す半導体装置が複数個得られる。
That is, by removing the sealing
以上のように、この半導体装置の製造方法では、半導体ウエハ41と同一サイズのシリコン基板3を有する半導体構成体集合体61を用いることで、複数の半導体構成体形成体62を同時に半導体ウエハ41上に常温接合することできるので、半導体構成体2を1個ずつ常温接合する場合と比較して、より短い時間で接合することができる。
As described above, in this method of manufacturing a semiconductor device, by using the
ところで、図14に示すように、ウエハ状態のシリコン基板からなる半導体ウエハ41の上面に半導体構成体集合体61のウエハ状態のシリコン基板3を接合しているので、レジスト膜63下の半導体構成体形成体62以外の領域におけるシリコン基板3をArスパッタエッチングするとき、エッチング選択性がないため、半導体ウエハ41の上面側もエッチングされるおそれがある。
By the way, as shown in FIG. 14, since the
そこで、この場合のエッチング時間をシリコン基板3の厚さに応じて制御すればよい。ただし、ジャストエッチングは困難であるので、シリコン基板3が若干残存されるようにしてもよく、あるいは半導体ウエハ41の上面側が若干エッチングされるようにしてもよく、いずれにしても別に支障はない。なお、Arスパッタエッチングの代わりに、CO2レーザの照射によるレーザ加工を行なうようにしてもよいが、この場合、レーザ照射時間をシリコン基板3の厚さに応じて制御すればよい。
Therefore, the etching time in this case may be controlled according to the thickness of the
(製造方法の第3の例)
次に、図1に示すの半導体装置の製造方法の第3の例に説明する。まず、図13に示すような当初の工程において、図16に示すように、半導体ウエハ41のほかに、半導体構成体集合体71を準備する。この場合も、図16において、符号42で示す領域は、個片化するための切断ラインに対応する領域である。
(Third example of manufacturing method)
Next, a third example of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described. First, in an initial step as shown in FIG. 13, a
半導体構成体集合体71において、図13に示す半導体構成体集合体61と異なる点は、半導体構成体形成体62間の離間部における封止膜13、保護膜7および絶縁膜5が予めエッチングにより除去されている点である。この場合も、半導体構成体形成体62は、封止膜13および複数の柱状電極12を有する構造となっている。
The
さて、半導体ウエハ41および半導体構成体集合体71を準備したら、次に、上記常温接合法と呼ばれる接合方法により、室温の真空中(真空チャンバー内)において、無加熱、無加圧で、半導体ウエハ41の上面に半導体構成体集合体61のシリコン基板3の下面を原子間接合により強固に接合する。
Now that the
次に、図17に示すように、半導体構成体集合体71の半導体構成体形成体62の上面にレジスト膜72をパターン形成する。次に、レジスト膜72をマスクとしてArスパッタエッチングを行ない、レジスト膜72下の半導体構成体形成体62以外の領域におけるシリコン基板3を除去すると、図18に示すようになる。
Next, as shown in FIG. 17, a resist
すなわち、レジスト膜72下の半導体構成体形成体62以外の領域におけるシリコン基板3が除去されることにより、レジスト膜72下の半導体構成体形成体62下にシリコン基板3が残存され、この残存されたシリコン基板3およびその上の半導体構成体形成体62により半導体構成体2が構成されている。次に、レジスト膜72を剥離すると、図2に示す状態と同じとなる。以下、上記製造方法の第1の例の場合と同様の工程を経ると、図1に示す半導体装置が複数個得られる。
That is, by removing the
以上のように、この半導体装置の製造方法でも、半導体ウエハ41と同一サイズのシリコン基板3を有する半導体構成体集合体61を用いることで、複数の半導体構成体形成体62を同時に半導体ウエハ41上に常温接合することできるので、半導体構成体2を1個ずつ常温接合する場合と比較して、より短い時間で接合することができる。
As described above, also in this method of manufacturing a semiconductor device, by using the
ところで、この場合も、シリコン基板3と半導体ウエハ41との間にエッチング選択性がないため、エッチング時間をシリコン基板3の厚さに応じて制御するようにすればよい。また、ジャストエッチングは困難であるので、シリコン基板3が若干残存されるようにしてもよく、あるいは半導体ウエハ41の上面側が若干エッチングされるようにしてもよく、いずれにしても別に支障はない。
In this case as well, since there is no etching selectivity between the
なお、Arスパッタエッチングの代わりに、CO2レーザの照射によるレーザ加工を行なうようにしてもよいが、この場合、レーザ照射時間をシリコン基板3の厚さに応じて制御すればよい。また、不要なシリコン基板3を除去するため、CF4ガスをプラズマ化してFラジカルでシリコン基板3をドライエッチングしてもよい。その場合も、エッチング時間をシリコン基板3の厚さに応じて制御するようにすればよい。
Note that laser processing by CO 2 laser irradiation may be performed instead of Ar sputter etching. In this case, the laser irradiation time may be controlled in accordance with the thickness of the
(第2実施形態)
図19はこの発明の第2実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置において、図1に示す半導体装置と異なる点は、柱状電極29および封止膜30を有せず、上層配線26を含む上層絶縁膜24の上面にソルダーレジスト等からなるオーバーコート膜32が設けられ、上層配線26の接続パッド部に対応する部分におけるオーバーコート膜32に設けられた開口部33内およびその上方に半田ボール31が上層配線26の接続パッド部に接続されて設けられた点である。
(Second Embodiment)
FIG. 19 is a sectional view of a semiconductor device as a second embodiment of the present invention. This semiconductor device is different from the semiconductor device shown in FIG. 1 in that the
(その他の実施形態)
上記各実施形態に示された半導体装置2は一例に過ぎず、本発明の半導体構成体は、半導体基板上の集積回路を外部に接続するための外部接続用電極を有する如何なる半導体構成体でも適用可能である。
(Other embodiments)
The
1 ベース板
2 半導体構成体
3 シリコン基板
4 接続パッド
5 絶縁膜
7 保護膜
9 配線
12 柱状電極
13 封止膜
21 絶縁層
22 第1の絶縁層
23 第2の絶縁層
24 上層絶縁膜
26 上層配線
29 柱状電極
30 封止膜
31 半田ボール
32 オーバーコート膜
41 半導体ウエハ
21a 絶縁層形成用シート
23a、23b 第2の絶縁層形成用層
61、71 半導体構成体集合体
62 半導体構成体形成体
DESCRIPTION OF
Claims (21)
前記半導体構成体の周囲における前記半導体ウエハの上面に絶縁層を形成する工程と、
前記半導体構成体および前記絶縁層上に上層絶縁膜を形成する工程と、
前記上層絶縁膜上に上層配線を前記半導体構成体の外部接続用電極に接続させて形成する工程と、
前記半導体構成体間における前記半導体ウエハ、前記絶縁層および前記上層絶縁膜を切断して半導体装置を複数個得る工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate having a plurality of semiconductor structures each including a semiconductor substrate made of the same material as the semiconductor wafer, a sealing film provided on the semiconductor substrate, and a plurality of external connection electrodes on an upper surface of the semiconductor wafer. Fixing the lower surface by interatomic bonding;
Forming an insulating layer on the upper surface of the semiconductor wafer around the semiconductor structure;
Forming an upper insulating film on the semiconductor structure and the insulating layer;
Forming an upper wiring on the upper insulating film by connecting to an external connection electrode of the semiconductor structure;
Cutting the semiconductor wafer, the insulating layer, and the upper insulating film between the semiconductor structures to obtain a plurality of semiconductor devices;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
それぞれ、封止膜および複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体形成体が、前記半導体ウエハと同一の材料からなる一枚の半導体基板上に離間して形成された半導体構成体集合体を準備する工程と、
前記半導体構成体集合体の前記半導体基板の下面を前記半導体ウエハの上面に原子間接合により固着する工程と、
各前記半導体構成体形成体間の前記半導体基板を除去し、封止膜および複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体を得る工程と、
前記半導体構成体の周囲における前記半導体ウエハの上面に絶縁層を形成する工程と、
前記半導体構成体および前記絶縁層上に上層絶縁膜を形成する工程と、
前記上層絶縁膜上に上層配線を前記半導体構成体の外部接続用電極に接続させて形成する工程と、
前記半導体構成体間における前記半導体ウエハ、前記絶縁層および前記上層絶縁膜を切断して半導体装置を複数個得る工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A step of preparing a semiconductor wafer;
A plurality of semiconductor structure forming bodies each having a sealing film and a plurality of external connection electrodes are formed on a single semiconductor substrate made of the same material as the semiconductor wafer and separated from each other. The process of preparing
Fixing the lower surface of the semiconductor substrate of the semiconductor structure assembly to the upper surface of the semiconductor wafer by interatomic bonding;
Removing the semiconductor substrate between the semiconductor structure forming bodies to obtain a plurality of semiconductor structures having a sealing film and a plurality of external connection electrodes;
Forming an insulating layer on the upper surface of the semiconductor wafer around the semiconductor structure;
Forming an upper insulating film on the semiconductor structure and the insulating layer;
Forming an upper wiring on the upper insulating film by connecting to an external connection electrode of the semiconductor structure;
Cutting the semiconductor wafer, the insulating layer, and the upper insulating film between the semiconductor structures to obtain a plurality of semiconductor devices;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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