JP2009176955A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機能素子が保護基板により封止されたパッケージを、簡便に製造することができ、かつ耐湿性に優れたものとなる半導体装置を提供する。
【解決手段】機能素子１２が形成された半導体基板１１と、機能素子部の上に第１の空間１３を有するように半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面上に接着層１４ａ，１４ｂを介して接合された保護基板１６を備える半導体装置１０であって、接着層１４ａ，１４ｂは、第１の空間１３を囲む第２の空間１５を有するものとする。接着層１４ａ，１４ｂは、接着樹脂層からなることが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体基板に形成された機能素子部の上に空間を有するように、半導体基板の機能素子が形成された側の面上に接着層を介して接合された保護基板を備える半導体装置およびその製造方法に関する。

特許文献１には、半導体ウェハー上に複数の半導体チップと、前記半導体チップの間にダイシング用のスクライブライン領域を備えた半導体装置において、半導体チップの領域では、第１の層間絶縁膜と、第１の層間絶縁膜より固い第２の層間絶縁膜がそれぞれ複数層積層され、スクライブライン領域では、第２の層間絶縁膜を形成せず、前記第１の層間絶縁膜が複数層積層されていることを特徴とする半導体装置が記載されている。
特許文献２には、素子が実装された素子側基板と、素子側基板の実装面に対向して配置された蓋側基板と、素子を囲むように素子側基板と蓋側基板との間に配設され、前記素子を気密封止する接合材と、接合材の外周側かつ素子側基板と蓋側基板との間に充填された充填材とを備えた、気密パッケージが記載されている。
特開２００５−２９４６７７号公報 特開２００６−３３９３６９号公報

半導体基板に機能素子が形成され、機能素子部の上に空間を有するように接着層を介して接合された保護基板を備える半導体装置においては、機能素子に対して外部雰囲気（例えば湿度）の悪影響を防ぐため、機能素子部の上に設けられた空間の密閉性が要求される。このため、特許文献２においては、両基板の間にメタル層を介して金属系の封止材からなる接合材を設けるようにしている（特許文献２の段落１２を参照）。しかしながら、金属系の封止材を用いて両基板を接合するためには、はんだの再溶融が必要（特許文献２の段落２０を参照）であり、製造プロセスの工数が多い。また、半導体基板や機能素子がはんだの溶融温度に耐えることが必要となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、機能素子が保護基板により封止されたパッケージを、簡便に製造することができ、かつ耐湿性に優れたものとなる半導体装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、機能素子が形成された半導体基板と、前記機能素子部の上に第１の空間を有するように前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に接着層を介して接合された保護基板を備える半導体装置であって、前記接着層は、前記第１の空間を囲む第２の空間を有することを特徴とする半導体装置を提供する。
前記接着層は、接着樹脂層からなることが好ましい。

また本発明は、機能素子が形成された半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に、前記機能素子部に第１の開口部と、前記第１の開口部を囲む第２の開口部を有する接着層を形成する工程と、前記第１の開口部および第２の開口部において前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面と前記保護基板との間に空隙を備えるように、前記接着層を介して保護基板を取り付け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を提供する。
また本発明は、機能素子が形成された半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に、予め前記機能素子部に対応した部分に第１の開口部を有する接着層を配置する工程と、前記接着層に、前記第１の開口部を囲むように第２の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部および第２の開口部において前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面と前記保護基板との間に空隙を備えるように、前記接着層を介して保護基板を取り付け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を提供する。

本発明によれば、半導体基板と保護基板との間を接合する接着層において、機能素子部の上に設けられた第１の空間を囲むように第２の空間を有するので、耐湿性に優れた半導体パッケージを提供することができる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の半導体装置の製造方法を説明する図面であり、第１の開口部および第２の開口部を有する接着層を備えた半導体基板の一例を示す断面図である。図２は、図１の半導体基板に保護基板を貼り合わせた状態を説明する図面であり、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う接着層の形状を示す図、図２（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。図３は、図２の貼り合わせ基板を切断した状態を説明する図面であり、図３（ａ）は図３（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う接着層の形状を示す図、図３（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。

図４は、本発明の半導体装置の一例を説明する図面であり、図４（ａ）は図４（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿う接着層の形状を示す図、（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。図５は、本発明の半導体装置の基板裏面側に入出力端子を設けたものの一例を示す断面図である。図６は、本発明の半導体装置の基板側部に入出力端子を設けたものの一例を示す断面図である。図７は、図６の半導体装置をワイヤーボンディングで実装した状態の一例を示す断面図である。

図４に示すように、本形態例の半導体装置１０は、機能素子１２が形成された半導体基板１１と、機能素子部の上に第１の空間１３を有するように半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面上に接着層１４ａ，１４ｂを介して接合された保護基板１６を備える半導体装置であって、接着層１４ａ，１４ｂは、第１の空間１３を囲む第２の空間１５を有することを特徴とする。これにより、接着層１４ａ，１４ｂは、第１の空間１３を囲む第２の空間１５の内側の接着層１４ａと、第２の空間１５の外側の接着層１４ｂとに分離される。

このように、本発明の半導体基板によれば、半導体基板１１と保護基板１６との間を接合する接着層１４ａ，１４ｂにおいて、機能素子１２を備えた部分の上に設けられた第１の空間１３を囲むように第２の空間１５を有するので、耐湿性に優れた半導体パッケージを提供することができる。

本発明を利用することが可能な半導体装置（デバイス）としては、イメージセンサやＭＥＭＳデバイスといった、基板表面に三次元構造を持つアクティブエリア（例えばイメージセンサにおけるマイクロレンズ等、ＭＥＭＳデバイスにおける可動電極等）を有するデバイスが挙げられる。本発明の半導体装置は、ウエハレベルパッケージ技術を用いた製造にも好適に用いることができる。

保護基板１６は、ガラス基板やシリコン基板など、半導体装置の用途によって選択することが可能である。イメージセンサなどの光学デバイスをパッケージングする場合は、ガラス基板などの透明な基板が一般的に使用される。

接着層は、接着樹脂を用いて形成されることが好ましく、これにより、製造プロセスの低温化が図れる。特に、温度耐性の低い（２００℃程度）素子、例えば固体撮像素子のパッケージ等に応用できる。また、接着層が接着樹脂からなる接着樹脂層である場合は、ウエハレベルパッケージ技術において、パッケージ後にダイシングを行うとき、メタルの接合体を用いた場合に比べて、その接着樹脂層をダイシングブレードで比較的容易に切断することができる。また、感光性接着樹脂等を用いれば、プロセスの簡略化を図ることができる。

接着層は、ワニス状やペースト状の接着剤をスピンコート法、印刷法、ディスペンス法などにより塗布したり、フィルム状の接着剤をラミネートにより貼り合わせたりすることによって形成することができる。接着樹脂としては、例えば紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂などの感光性接着剤、あるいは熱硬化性接着剤などを用いることができる。接着樹脂の具体例としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂が挙げられる。

半導体基板１１と保護基板１６との間に配される接着層１４ａ，１４ｂが、上述の第１の空間１３および第２の空間１５を有する方法としては、まず、半導体基板１１または保護基板１６のいずれか一方の基板の上に、第１の空間１３および第２の空間１５に対応する位置に開口部（すなわち図１に示すような第１の開口部１３Ａおよび第２の開口部１５Ａ）を有する接着層１４ａ，１４ｂを形成した後、その接着層１４ａ，１４ｂの上に、前記一方の基板に対向して配される他方の基板を接合する方法が挙げられる。

本発明においては、半導体基板１１の上に第１の開口部１３Ａおよび第２の開口部１５Ａを有する接着層１４ａ，１４ｂを形成した後にその接着層１４ａ，１４ｂの上に保護基板１６を接合する方法でもよく、保護基板１６の上に第１の開口部１３Ａおよび第２の開口部１５Ａを有する接着層１４ａ，１４ｂを形成した後にその接着層１４ａ，１４ｂの上に半導体基板１１を接合する方法によることも可能である。前者の半導体基板１１の上に接着層１４ａ，１４ｂを形成した後に保護基板１６を接合する方法であれば、機能素子１２と第１の開口部１３Ａとの位置合わせが容易であるので好ましい。

例えば、図１に示すように、機能素子１２が形成された半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面上に、機能素子部に第１の開口部１３Ａと、第１の開口部１３Ａを囲む第２の開口部１５Ａを有する接着層１４ａ，１４ｂを形成した後、図２に示すように、第１の開口部１３Ａおよび第２の開口部１５Ａにおいて半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面と保護基板１６との間に空隙を備えるように、接着層１４ａ，１４ｂを介して保護基板１６を取り付けることで、接着層１４ａ，１４ｂに第１の空間１３および第２の空間１５を有する半導体装置を製造することができる。

別の方法としては、機能素子１２が形成された半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面上に、予め機能素子部に対応した部分に第１の開口部１３Ａを有する接着層を配置した後、半導体基板１１上に配置した接着層に対して、第１の開口部１３Ａを囲むように第２の開口部１５Ａを形成する方法が挙げられる。そして、第１の開口部１３Ａおよび第２の開口部１５Ａにおいて半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面と保護基板１６との間に空隙を備えるように、接着層１４ａ，１４ｂを介して保護基板１６を取り付けることで、接着層１４ａ，１４ｂに第１の空間１３および第２の空間１５を有する半導体装置を製造することができる。

半導体基板１１に対して接着層１４ａ，１４ｂを介して保護基板１６を取り付けるときの接合方法としては、例えば熱圧着法が挙げられる。この方法では、真空チャンバ内で加熱プレスし、その最中またはプレス後に、所定の硬化温度で接着剤を熱硬化させる。硬化温度は、材料により異なるが、１５０〜２５０℃程度が一般的である。また、接着剤がＵＶ硬化型接着剤であれば、基板を重ね合わせた後にＵＶ硬化させる方法も可能であり、この場合は常温で接合が可能であるという利点がある。

本発明をウエハレベルパッケージに適用する場合は、接着層を形成する際の半導体基板として半導体ウエハを用い、接着層１４ａ，１４ｂを介して保護基板１６を取り付ける。このときの接着層１４ａ，１４ｂは、図２に示すように、ダイシングライン１７で囲まれた領域の内側において、機能素子部の上の第１の空間１３と、第１の空間１３を囲む第２の空間１５とを設けるようにすればよい。また、その他必要な加工工程を経た後で、ダイシングライン１７に沿ってブレードを用いてダイシングして、図３に示すように半導体装置をチップ化する。図３において、符号１８は、チップ化後の半導体装置同士の間隙である。

ダイシング方法としては、半導体基板１１と保護基板１６を同じブレードを用いて一括で切断する方法でもよく、あるいは、半導体基板１１と保護基板１６をそれぞれ別のブレードで個別に切断する方法でもよい。いずれの場合においても、本形態例によれば、ダイシングライン１７と第１の空間１３との間に第２の空間１５が設けられ、第２の空間１５の内側の接着層１４ａ（すなわち第１の空間１３と第２の空間１５の間に存在する接着層）が、第２の空間１５の外側の接着層１４ｂと分離されており、かつ、ダイシングライン１７には、第２の空間１５の外側の接着層１４ｂが存在する構造となる。

よって、ダイシングブレードの刃が当たる第２の空間１５の外側の接着層１４ｂと、ダイシングブレードの刃が全く当たらない第２の空間１５の内側の接着層１４ａとを持つことになる。ダイシングライン１７上に接着層１４ｂが存在することにより、半導体基板１１および保護基板１６のチッピングを抑制することができる。しかし、ダイシングブレードの刃が当たった第２の空間１５の外側の接着層１４ｂは、ダイシングによるダメージのため、吸湿リフロー試験やプレッシャークッカ試験（ＰＣＴ）、温度サイクル試験、恒温恒湿試験等の信頼性が低下してしまう。そのため、ダイシングブレードの刃が当たる外側の接着層１４ｂと、機能素子部の上の第１の空間１３を囲む内側の接着層１４ａとの間に、第２の空間１５を設けることにより、長期信頼性を保ちつつ、機能素子部を保護することが可能になる。また、外側の接着層１４ｂと内側の接着層１４ａとを完全に分離するため、第２の空間１５は、第１の空間１３を囲むように設けられる。このため、外側の接着層１４ｂがダメージ等のため剥離した場合でも、内側の接着層１４ａが剥離することを防止することができる。

機能素子１２をパッケージの外側に露出される入出力端子と接続する方法としては、図５に示すように、入出力端子２５を半導体基板１１の裏面（機能素子１２が形成された側とは反対側の面）に設けた場合は、半導体基板１１を貫通するビア（貫通穴）２２を通じ配線２３で接続する形成する方法や、図６に示すように、入出力端子３３を半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の外周部３２に設けた場合は、入出力端子３３が外部に露出されるように、保護基板１６の側面３１の位置を半導体基板１１の外周部３２より内側にしておく方法が挙げられる。

図５に示す構造を作製するには、例えば、半導体基板１１の機能素子１２が形成された側の面において第１の空間１３より外側の位置に、機能素子１２と電気的に接続された端子２１を形成し、この端子２１を露呈するようにドライエッチング法等により半導体基板１１を貫通するビア２２を形成し、ビア２２の側壁に対してＰＥ−ＣＶＤ法等によりＳｉＯ_２などの絶縁層２２ａを形成して絶縁した後、Ｃｕ電解メッキなどによりビア２２を通る配線２３を形成する方法を用いることができる。また、プリント基板への実装のため、半導体基板１１の裏面には、配線２３の一部を露呈する開口部２４ａを有する保護樹脂層２４を形成するとともに、保護樹脂層２４の開口部２４ａにペースト印刷法やボール搭載法などにより入出力端子２５としてはんだバンプを形成する手法を例示することができる。端子２１、ビア２２、絶縁層２２ａ、配線２３、保護樹脂層２４、はんだバンプ２５を形成する工程はウエハの段階で行うことができ、これらの形成後にダイシングを行うことにより、図５に示すように、最終形態であるチップ化された半導体装置を得ることができる。

また、図６に示す半導体装置３０を作製するには、例えば、ウエハサイズの半導体基板１１とウエハサイズの保護基板１６を接着層１４ａ，１４ｂにより接合した後、先に保護基板１６のみ側面３１の位置でダイシングして入出力端子３３を露出させ、その後、半導体基板１１をダイシングすることでチップ化するようにすると、ウエハの状態で半導体基板１１を保持して安定的に保護基板１６のダイシングを行うことができるので、好ましい。なお、工数は掛かるが、チップサイズの保護基板１６を必要な個数用意して、個別に半導体基板１１に接合し、機能素子１２を封止する方法もある。

図６に示す半導体装置３０を実装基板３５に実装するには、図７に示すように、チップ化された半導体装置３０の入出力端子３３と実装基板３５上の端子３６との間にワイヤー３４を配して、ワイヤーボンディングで接続する方法を取ることができる。

本発明は、半導体基板に形成された機能素子部の上に空間を有するように、半導体基板の機能素子が形成された側の面上に接着層を介して接合された保護基板を備える半導体装置およびその製造に利用することが可能であり、例えば、イメージセンサやＭＥＭＳデバイスといった、基板表面に三次元構造を持つアクティブエリア（例えばイメージセンサにおけるマイクロレンズ等、ＭＥＭＳデバイスにおける可動電極等）を有するデバイスが挙げられる。

本発明の半導体装置の製造方法を説明する図面であり、第１の開口部および第２の開口部を有する接着層を備えた半導体基板の一例を示す断面図である。 図１の半導体基板に保護基板を貼り合わせた状態を説明する図面であり、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う接着層の形状を示す図、（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。 図２の貼り合わせ基板を切断した状態を説明する図面であり、（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う接着層の形状を示す図、（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。 本発明の半導体装置の一例を説明する図面であり、（ａ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿う接着層の形状を示す図、（ｂ）は厚さ方向に沿う断面図である。 本発明の半導体装置の基板裏面側に入出力端子を設けたものの一例を示す断面図である。 本発明の半導体装置の基板側部に入出力端子を設けたものの一例を示す断面図である。 図６の半導体装置をワイヤーボンディングで実装した状態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０…半導体装置、１１…半導体基板、１２…機能素子、１３…第１の空間、１３Ａ…第１の開口部、１４ａ，１４ｂ…接着層、１５…第２の空間、１５Ａ…第２の開口部、１６…保護基板。

Claims (4)

1. 機能素子が形成された半導体基板と、前記機能素子部の上に第１の空間を有するように前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に接着層を介して接合された保護基板を備える半導体装置であって、
   前記接着層は、前記第１の空間を囲む第２の空間を有することを特徴とする半導体装置。
2. 前記接着層は、接着樹脂層からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 機能素子が形成された半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に、前記機能素子部に第１の開口部と、前記第１の開口部を囲む第２の開口部を有する接着層を形成する工程と、
   前記第１の開口部および第２の開口部において前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面と前記保護基板との間に空隙を備えるように、前記接着層を介して保護基板を取り付け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。
4. 機能素子が形成された半導体基板の前記機能素子が形成された側の面上に、予め前記機能素子部に対応した部分に第１の開口部を有する接着層を配置する工程と、
   前記接着層に、前記第１の開口部を囲むように第２の開口部を形成する工程と、
   前記第１の開口部および第２の開口部において前記半導体基板の前記機能素子が形成された側の面と前記保護基板との間に空隙を備えるように、前記接着層を介して保護基板を取り付け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。

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