JP2009238905A - Mounting structure and mounting method for semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子の実装構造および半導体素子の実装方法に関し、特に、高周波帯域に使用される半導体素子の実装構造および半導体素子の実装方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element mounting structure and a semiconductor element mounting method, and more particularly to a semiconductor element mounting structure and a semiconductor element mounting method used in a high frequency band.
ウエハレベルパッケージ(WLP:Wafer Level Package)技術は、半導体素子パッケージの小型化・高性能化、経済化に大変有効な手段である。従来技術の多くは、気密封止が必須である半導体マイクロマシン(MEMS:Micro-Electro-Mechanical Systems)を実装対象とし、かつ、半導体マイクロマシンのほとんどは、Si(Silicon:シリコン)で作製されているため、従来のウエハレベルパッケージ技術のほとんどは、Siプロセス技術との互換性のみを考慮したものであった。 Wafer level package (WLP) technology is a very effective means for miniaturization, high performance and economy of semiconductor device packages. Many of the conventional technologies are intended to be mounted on micro-electro-mechanical systems (MEMS) that require hermetic sealing, and most of the semiconductor micromachines are made of silicon (Si). Most of the conventional wafer level package technologies only consider compatibility with the Si process technology.
例えば、図6は、半導体素子実装構造の従来例の断面構造を示す模式図である。図6(a)は、Si基板41を穿設して、キャビティ構造を作製し、該キャビティの中に、機能回路(IC)42を搭載し、機能回路(IC)42上を覆うキャップ基板43を、機能回路(IC)42を囲むようにSi基板41の外周部に形成されたSi基板凸部44に接合して気密封止構造としている。
For example, FIG. 6 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a conventional example of a semiconductor element mounting structure. In FIG. 6A, a
また、図6(b)は、Si基板41上に機能回路(IC)42を搭載し、キャップ基板43の外周部にキャップ凸部45を形成した凸構造のキャップ基板43として作製して、機能回路42を気密封止するためのキャビティ構造としている。通常、キャップ基板43の材料は、Siまたはガラスが用いられることが多い。
FIG. 6B shows a
ここで、Si同士の接合には、Si融着接合(Silicon Fusion Bonding)が汎用されるが、100℃以上の高温処理を必要とする。また、Siとガラスとの接合には、非特許文献1のA.V.Chavan et al.;“Batch−Processed Vacuum−Sealed Capacitive Pressure Sensors”,IEEE JMEMS,10,580(2001)に記載されているような陽極接合(Anodic Bonding)が汎用されるが、ガラス中のナトリウム(Na)の移動を促して接合するために、温度180〜500℃、電圧200〜1,000Vという過酷なプロセスが必要となる。このため、機能回路42として熱や電圧に敏感な回路素子が搭載される半導体素子基板には適用することができず、用途が限定されてしまう。
Here, Si fusion bonding (Silicon Fusion Bonding) is generally used for bonding between Si, but high temperature treatment of 100 ° C. or higher is required. Further, for joining Si and glass, as described in AVChavan et al .; “Batch-Processed Vacuum-Sealed Capacitive Pressure Sensors” of
図6(c)は、Si基板41上に機能回路(IC)42を搭載し、該Si基板41の外周部には、キャップ基板43との接続部として、金属など、Si基板41以外の材料で、凸型パタン46を形成することによってシーリング構造を作製して、機能回路42搭載用のキャビティ構造を作製するものである。金属などを利用したシーリング構造の凸型パタン46とSi基板41との接合には、共晶合金接合(Eutectic Alloy Bonding)、半田接合(Solder Bonding)、Auの熱圧着ボンディング(Gold Thermo−Compression Bonding)が用いられる。
In FIG. 6C, a functional circuit (IC) 42 is mounted on the
半田接合は、例えば、非特許文献2のChaio et al.;“Hermetic wafer bonding based on rapid thermal processing”,Sensors and Actuators,A91,398(2001)に記載されているような技術であり、Auの熱圧着ボンディングは、例えば、非特許文献3のB−W Min et al.;“A low−loss silicon−on−silicon DC−110−GHz resonance−free package”,IEEE MTT,54,710(2006)に記載されているような技術である。
Solder bonding is a technique described in, for example, Chaio et al .; “Hermetic wafer bonding based on rapid thermal processing” of
しかし、GaAs,InPなど化合物半導体に代表されるような半導体素子の場合は、特に熱処理に敏感であり、後工程で、300℃以上の熱処理を実施することができないため、凸型パタン46としてシーリング構造に適用することが可能な有効な金属材料の報告はほとんどない。また、金属材料ではなく、非特許文献4のZ−H.Liang et al.;“A wafer−level hermetic encapsulation for MEMS manufacture application”,IEEE Trans.ADVP,29,513(2006)に記載されているような有機材料による接着接合(Adhesive Bonding)を用いている事例も存在しているが、有機材料による接着接合では、接合強度が弱く、蒸気圧が高く、経年劣化があり、良好な気密封止をすることはできない。 However, in the case of a semiconductor element typified by a compound semiconductor such as GaAs or InP, it is particularly sensitive to heat treatment, and heat treatment at 300 ° C. or higher cannot be performed in a later process. There are few reports of effective metallic materials that can be applied to structures. In addition, ZH. Liang et al .; “A wafer-level hermetic encapsulation for MEMS manufacture application”, IEEE Trans. There are cases of using adhesive bonding with organic materials as described in ADVP, 29, 513 (2006), but bonding strength with organic materials has weak bonding strength and vapor pressure. Is high, has aged deterioration, and cannot be hermetically sealed.
唯一、化合物半導体上の機能回路の気密封止を目的にしたウエハレベルパッケージ技術の報告が、非特許文献5のP.C−Chien et al.;“MMIC Compatible Wafer−Level Packaging Technology”,IPRM,14(2007)に記載されているものであり、その構造は、図6(d)に示すものである。該非特許文献5に記載の半導体素子の実装構造は、図6(d)に示すように、半導体素子基板41上に機能回路(IC)42を搭載し、該半導体素子基板41の外周部、および、キャップ基板43の外周部のそれぞれには、互いの接続部として、凸型パタン47および凸型パタン48を形成してシーリング構造を作製している。
The only report of wafer level packaging technology for the purpose of hermetic sealing of functional circuits on compound semiconductors is PC-Chien et al .; "MMIC Compatible Wafer-Level Packaging Technology", IPRM, 14 ( 2007), and its structure is shown in FIG. 6 (d). As shown in FIG. 6D, the semiconductor element mounting structure described in Non-Patent
ただし、該非特許文献5に、凸型パタン47と凸型パタン48との接合に共晶合金を用いる旨の記載があるものの、共晶合金の材料成分や組成に関しては、一切報告されていない。また、単層の配線層を用いたシーリング構造が、機能素子42を搭載した半導体素子基板41およびキャップ基板43の両方に作製されているが、それぞれのキャビティの深さは高々8μmである。一般に、キャビティの深さが浅く、キャップ基板43が、機能回路42を搭載した半導体素子基板41の近くに存在する場合は、半導体素子基板41上に機能回路(IC)42の構成素子として搭載された高周波素子の電磁界分布に、キャップ基板43が大きく影響を与えてしまう。この影響は、取り扱う信号周波数が高くなるほど深刻である。さらに、キャップ基板43の実装前後で、動作特性が変化してしまうため、機能回路(IC)42の設計性が良くないという問題もある。
以上のように、従来の半導体素子の実装技術においては、次のような欠点があった。 As described above, the conventional semiconductor element mounting technology has the following drawbacks.
(1)Si基板上に搭載される機能回路を対象としているために、ウエハレベルのパッケージ技術による実装工程(プロセス工程)の処理温度が高く、そのままでは、温度に敏感な化合物半導体素子の実装構造として適用することができない。 (1) Since the target is a functional circuit mounted on a Si substrate, the processing temperature of the mounting process (process process) by wafer level package technology is high, and the temperature-sensitive compound semiconductor device mounting structure Cannot be applied as.
(2)単層の配線層を用いた凸構造を利用してシーリング構造を作製している従来例が存在しているが、半導体素子基板を収納するための空間となるキャビティの深さが浅く、キャップ基板が、半導体素子基板上に搭載された機能回路に接近した状態で配置される構造となってしまうため、機能回路の高周波特性に対してキャップ基板が大きな影響を与えてしまう構造となっている。 (2) Although there is a conventional example in which a sealing structure is produced using a convex structure using a single wiring layer, the depth of a cavity serving as a space for housing a semiconductor element substrate is shallow Since the cap substrate is arranged close to the functional circuit mounted on the semiconductor element substrate, the cap substrate greatly influences the high frequency characteristics of the functional circuit. ing.
本発明は、かかる従来技術の欠点ならびに問題点を解決するためになされたものであり、化合物半導体に適用することが可能で、かつ、機能回路の電気的な動作特性に対する影響を防止可能な気密封止型のシーリング構造を有する半導体素子の実装構造および半導体素子の実装方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the disadvantages and problems of the prior art, and can be applied to compound semiconductors and can prevent the influence on the electrical operating characteristics of functional circuits. An object of the present invention is to provide a semiconductor element mounting structure having a hermetically sealed sealing structure and a semiconductor element mounting method.
本発明は、前述の課題を解決するために、以下のような実装構造および実装方法を主に採用している。 In order to solve the above-described problems, the present invention mainly employs the following mounting structure and mounting method.
(1)半導体素子基板の外周部に、機能回路に用いる配線金属を利用したシーリング構造を設け、また、同様の形状のシーリング構造を外周部に設けたキャップ基板を用意し、相互のシーリング構造同士を接合することによって、半導体素子基板上の機能回路に対する気密封止を実現する。 (1) A sealing structure using a wiring metal used for a functional circuit is provided on the outer peripheral portion of the semiconductor element substrate, and a cap substrate having a similar shaped sealing structure provided on the outer peripheral portion is prepared. By bonding, the hermetic sealing for the functional circuit on the semiconductor element substrate is realized.
(2)機能回路を搭載した半導体素子基板とキャップ基板とは、共晶温度が300℃以下の共晶合金による接合あるいは直接接続する表面活性接合を採用する。 (2) The semiconductor element substrate on which the functional circuit is mounted and the cap substrate employ a eutectic alloy having a eutectic temperature of 300 ° C. or less or surface active bonding for direct connection.
(3)機能回路に用いる多層の配線層を利用し、かつ、幅が狭いトレンチ構造の配線間絶縁膜ビアにより多層に積層した金属配線を接続したシーリング構造を形成する。 (3) Using a multilayer wiring layer used for the functional circuit, a sealing structure is formed in which metal wirings laminated in multiple layers are connected by an inter-wiring insulating film via having a narrow trench structure.
より具体的には、以下のごとき各技術手段から構成されている。 More specifically, it comprises the following technical means.
第1の技術手段は、表面に搭載された機能回路の配線が、配線層間絶縁膜を介在させた2層以上の配線層によってなされ、該配線層を利用して、表面の外周部に、少なくとも前記機能回路を囲うシーリング構造が作製された半導体素子基板を有し、かつ、前記半導体素子基板のシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造が形成されたキャップ基板を有する半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とを、共晶合金を用いて接合するか、あるいは、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記実装基板のシーリング構造とを表面活性化接合により直接接合することを特徴とする。 The first technical means is that the wiring of the functional circuit mounted on the surface is formed by two or more wiring layers with a wiring interlayer insulating film interposed therebetween, and at least the outer peripheral portion of the surface is used by using the wiring layer. In a semiconductor element mounting structure having a semiconductor element substrate in which a sealing structure surrounding the functional circuit is fabricated and having a cap substrate in which a sealing structure having a mirror image symmetry with the sealing structure of the semiconductor element substrate is formed. The sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the cap substrate are bonded using a eutectic alloy, or the sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the mounting substrate are bonded by surface activation bonding. It is characterized by direct bonding.
第2の技術手段は、前記第1の技術手段に記載の半導体素子の実装構造において、前記キャップ基板は、半導体、セラミック、ガラス、ガラスセラミックス、テフロン(登録商標)のいずれかからなることを特徴とする。 According to a second technical means, in the semiconductor element mounting structure according to the first technical means, the cap substrate is made of any one of a semiconductor, ceramic, glass, glass ceramic, and Teflon (registered trademark). And
第3の技術手段は、前記第2の技術手段に記載の半導体素子の実装構造において、前記キャップ基板を形成する半導体の材料が、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶からなることを特徴とする。 According to a third technical means, in the semiconductor element mounting structure according to the second technical means, the semiconductor material forming the cap substrate is any one of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge, or , GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge.
第4の技術手段は、前記第1ないし第3の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板は、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶からなることを特徴とする。 According to a fourth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to third technical means, the semiconductor element substrate is any one of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge, Alternatively, it is made of a mixed crystal containing any of GaAs, InP, InAs, InSb, Si, and Ge.
第5の技術手段は、前記第1ないし第4の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板の配線層間絶縁膜が、ポリイミド、BCB(benzcyclobutene)、ポリシロキサン、パレリン(Parylene)、エポキシ樹脂のいずれかからなることを特徴とする。 According to a fifth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to fourth technical means, the wiring interlayer insulating film of the semiconductor element substrate is made of polyimide, BCB (benzcyclobutene), polysiloxane, It consists of either a parylene or an epoxy resin.
第6の技術手段は、前記第1ないし第5の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記実装基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とを共晶合金により接合する場合、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかのうち、または、InSn、SnBi、SnZn、SnAu、SnCuのいずれかを含む共晶合金のうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金により接合することを特徴とする。 According to a sixth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to fifth technical means, the sealing structure of the mounting substrate and the sealing structure of the cap substrate are joined by a eutectic alloy. A eutectic alloy having a eutectic temperature of 300 ° C. or less among any one of InSn, SnBi, SnZn, SnAu, SnCu, or a eutectic alloy containing any of InSn, SnBi, SnZn, SnAu, SnCu. It is characterized by joining.
第7の技術手段は、前記第1ないし第6の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、前記半導体素子基板のシーリング構造として、上層の配線層と下層の配線層との接続に用いる配線層間絶縁膜ビアがトレンチ構造であり、該配線層間絶縁膜ビアの幅が、前記上層の配線層の厚さの5倍以内であることを特徴とする。 According to a seventh technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to sixth technical means, a connection between an upper wiring layer and a lower wiring layer is used as a sealing structure of the semiconductor element substrate. The wiring interlayer insulating film via used in the above has a trench structure, and the width of the wiring interlayer insulating film via is within 5 times the thickness of the upper wiring layer.
第8の技術手段は、前記第7の技術手段に記載の半導体素子の実装構造において、前記配線層間絶縁膜ビアのパタンが、上層側から見て、複数本の平行な線路構造、または、格子状のメッシュ構造、または、千鳥構造、の少なくともいずれかを含むパタンであることを特徴とする。 According to an eighth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to the seventh technical means, the wiring interlayer insulating film via pattern has a plurality of parallel line structures or lattices as viewed from the upper layer side. It is a pattern including at least one of a mesh-like mesh structure or a staggered structure.
第9の技術手段は、前記第1ないし第8の技術手段のいずれかに記載の半導体素子の実装構造において、複数の前記配線層のうち、最上層の配線層を酸化しにくい金属によって被覆することを特徴とする。 According to a ninth technical means, in the semiconductor element mounting structure according to any one of the first to eighth technical means, the uppermost wiring layer of the plurality of wiring layers is covered with a metal that is difficult to oxidize. It is characterized by that.
第10の技術手段は、半導体素子基板上に形成された機能回路の第1の配線層を利用して、前記半導体素子基板の外周部に、前記機能回路を囲むシーリング構造を作製する工程と、前記第1の配線層の上に、配線間絶縁膜を積層し、前記配線間絶縁膜の外周部にトレンチ構造の配線層間絶縁膜ビアホールを形成した後、前記配線間絶縁膜の上に配線金属を積層することにより、第2の配線層を形成するとともに、前記層間絶縁膜ビアホールに該配線金属を充填して、前記第1の配線層と前記第2の配線層とを接続する第1−第2の配線層間絶縁膜ビアを形成して、前記第2の配線層を利用したシーリング構造を作製するシーリング構造作製工程と、該シーリング構造作製工程を、必要とする配線層数分、繰り返すことにより、前記半導体素子基板上にシーリング構造を多層に作製する工程と、キャップ基板を用意して、前記半導体素子基板上に作製されたシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造を前記キャップ基板の外周部に作製する工程と、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とを共晶合金を用いて接合するか、または、表面活性化接合により直接接合する工程とを、少なくとも含む半導体素子の実装方法とすることを特徴とする。 The tenth technical means uses the first wiring layer of the functional circuit formed on the semiconductor element substrate to produce a sealing structure surrounding the functional circuit on the outer periphery of the semiconductor element substrate; An inter-wiring insulating film is laminated on the first wiring layer, and a wiring interlayer insulating film via hole having a trench structure is formed on the outer periphery of the inter-wiring insulating film, and then a wiring metal is formed on the inter-wiring insulating film. To form a second wiring layer and fill the interlayer insulating film via hole with the wiring metal to connect the first wiring layer and the second wiring layer. Forming a second wiring interlayer insulating film via to form a sealing structure using the second wiring layer and repeating the sealing structure manufacturing process for the required number of wiring layers By the semiconductor element A step of producing a sealing structure in a multilayer on a plate, and a step of preparing a cap substrate and producing a sealing structure having a mirror image symmetry with the sealing structure produced on the semiconductor element substrate on the outer periphery of the cap substrate And a semiconductor element mounting method including at least a step of bonding the sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the cap substrate using a eutectic alloy, or directly bonding by surface activated bonding, It is characterized by doing.
第11の技術手段は、前記第10の技術手段に記載の半導体素子の実装方法において、前記半導体素子基板の裏面から表面の前記第1の配線層に貫通する基板貫通ビアホールを作製した後、配線金属を、裏面側から該基板貫通ビアホールに充填して基板貫通ビアを形成し、前記半導体素子基板の裏面に電極を作製する工程を、さらに有していることを特徴とする。 According to an eleventh technical means, in the semiconductor element mounting method according to the tenth technical means, a through-substrate via hole penetrating from the back surface of the semiconductor element substrate to the first wiring layer on the front surface is formed. The method further includes the step of filling the through-substrate via hole from the back side to form a through-substrate via and forming an electrode on the back surface of the semiconductor element substrate.
第12の技術手段は、前記第10の技術手段に記載の半導体素子の実装方法において、前記キャップ基板の表面の配線層から裏面側に貫通するキャップ基板貫通ビアホールを作製した後、配線金属を、表面側から該キャップ基板貫通ビアホールに充填してキャップ基板貫通ビアを形成し、前記キャップ基板の裏面に電極を作製する工程を、さらに有していることを特徴とする。 According to a twelfth technical means, in the semiconductor element mounting method according to the tenth technical means, after forming a cap substrate through via hole penetrating from the wiring layer on the front surface of the cap substrate to the back surface side, The method further includes the step of filling the cap substrate through via hole from the front surface side to form a cap substrate through via and forming an electrode on the back surface of the cap substrate.
第13の技術手段は、前記第10ないし第12のいずれかに技術手段に記載の半導体素子の実装方法において、前記半導体素子基板のシーリング構造と前記キャップ基板のシーリング構造とを共晶合金を用いて接合する場合、前記半導体素子基板のシーリング構造または前記キャップ基板のシーリング構造に堆積される前記共晶合金を球体状のボールバンプとして成形する工程を、さらに有していることを特徴とする。 A thirteenth technical means uses a eutectic alloy between the sealing structure of the semiconductor element substrate and the sealing structure of the cap substrate in the semiconductor element mounting method according to any one of the tenth to twelfth technical means. In the case of bonding, the semiconductor device substrate further includes a step of forming the eutectic alloy deposited on the sealing structure of the semiconductor element substrate or the sealing structure of the cap substrate as a spherical ball bump.
本発明の半導体素子の実装構造および半導体素子の実装方法によれば、次のような効果を奏することができる。 According to the semiconductor element mounting structure and the semiconductor element mounting method of the present invention, the following effects can be obtained.
(1)気密封止を行う接合方法として300℃以下の共晶合金接合または表面活性化接合を用いることにより、半導体素子の実装時におけるプロセス温度を300℃以下の低い温度に抑えることができるので、化合物半導体を実装する場合であっても、化合物半導体を用いた機能素子の電気的な特性を損なうことなく、実装することが可能となる。 (1) By using eutectic alloy bonding or surface activated bonding at 300 ° C. or lower as a bonding method for hermetic sealing, the process temperature at the time of mounting a semiconductor element can be suppressed to a low temperature of 300 ° C. or lower. Even when a compound semiconductor is mounted, it can be mounted without impairing the electrical characteristics of the functional element using the compound semiconductor.
(2)半導体素子基板上の機能回路の配線用に用いる配線層と同一の配線層を利用して、半導体素子基板の外周部に金属のシーリング構造を作製することによって、プロセス工程を増加させることなしに、機能回路を少なくとも囲むシーリング構造を作製することができる。 (2) To increase the number of process steps by creating a metal sealing structure on the outer periphery of the semiconductor element substrate using the same wiring layer as that used for wiring of the functional circuit on the semiconductor element substrate. Without, a sealing structure that at least surrounds the functional circuit can be produced.
(3)機能回路の配線層として用いられる多層の配線層を利用して、シーリング構造を多層に積層することによって、半導体素子基板を収納する空間として深いキャビティ構造を作製することができる。このため、半導体素子基板上に形成される機能回路としてキャップ基板に影響されない配線構造を作製することができ、機能回路の設計性を格段に向上させることができる。したがって、準ミリ波帯・ミリ波帯さらにはそれ以上の高周波特性を有する半導体素子を実装した場合であっても、十分にその性能が引き出すことが可能である。 (3) By using a multilayer wiring layer used as a wiring layer of a functional circuit and stacking a sealing structure in multiple layers, a deep cavity structure can be produced as a space for housing a semiconductor element substrate. Therefore, a wiring structure that is not affected by the cap substrate can be manufactured as a functional circuit formed on the semiconductor element substrate, and the design of the functional circuit can be significantly improved. Therefore, even when a semiconductor element having a high frequency characteristic of a quasi-millimeter wave band / millimeter wave band or higher is mounted, the performance can be sufficiently obtained.
(4)外周部に形成するシーリング構造として、幅が狭いトレンチ構造の配線層間絶縁膜ビアを用いることによって、シーリング構造を、該配線層間絶縁膜ビアにおいて半導体素子基板上の機能回路などの他の部分よりも窪むことなく、平坦に作製することができ、接続信頼性の向上を図ることができる。 (4) By using a wiring interlayer insulating film via having a narrow trench structure as a sealing structure formed in the outer peripheral portion, the sealing structure can be used as a functional circuit on a semiconductor element substrate in the wiring interlayer insulating film via. It can be made flat without being recessed from the portion, and the connection reliability can be improved.
(5)シーリング構造を形成する配線層間絶縁膜ビアヘの金属埋込み工程を、独立して設けることなく、上層の配線層の作製工程と一括して行うことにより、プロセス工程数を大幅に低減することができる。 (5) The number of process steps can be greatly reduced by performing the metal burying step in the wiring interlayer insulating film via forming the sealing structure together with the manufacturing step of the upper wiring layer without providing it independently. Can do.
以下に、本発明に係る半導体素子の実装構造および半導体素子の実装方法の最良の実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, an example of a semiconductor device mounting structure and a semiconductor device mounting method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(本発明の特徴)
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてまずその概要を説明する。本発明は、化合物半導体の気密封止ウエハレベルパッケージ技術として好適に適用可能な半導体素子の実装構造およびその実装方法に関するものである。2層以上の多層の配線層を用いて機能回路が形成された半導体素子基板の外周部に、該多層の配線層を利用して、該機能回路を少なくとも囲う金属シーリング構造を設け、かつ、前記半導体素子基板上のシーリング構造と鏡像対称な形状のシーリング構造を備えたキャップ基板を対向させて、シーリング構造同士を、共晶温度が低い共晶合金を用いて接合するか、あるいは、表面活性化接合により直接接合するか、のいずれかを用いて封止することにより、化合物半導体素子を実装する場合であっても好適に適用可能な、気密封止型の実装構造を実現することを特徴としている。
(Features of the present invention)
Prior to the description of the embodiments of the present invention, the features of the present invention will be first outlined. The present invention relates to a semiconductor element mounting structure and a mounting method thereof that can be suitably applied as a compound semiconductor hermetic sealing wafer level package technology. A metal sealing structure that at least surrounds the functional circuit is provided on the outer peripheral portion of the semiconductor element substrate on which the functional circuit is formed using the multilayer wiring layer of two or more layers, and the functional circuit is provided, and The sealing structure on the semiconductor element substrate and the cap substrate having a mirror-symmetrical sealing structure are opposed to each other, and the sealing structures are bonded to each other using a eutectic alloy having a low eutectic temperature or surface activated. It is characterized by realizing a hermetic sealing type mounting structure that can be suitably applied even when a compound semiconductor element is mounted by sealing by using either direct bonding or bonding. Yes.
つまり、本発明の大きな特徴として、以下の3点がある。 That is, there are the following three points as the major features of the present invention.
(1)気密封止のために、半導体素子基板の外周部に金属のシーリング構造を有している。該シーリング構造は、半導体素子基板上に搭載される機能回路の配線用として用いられる多層の配線層を流用することによって、追加プロセスを付加することなく、キャビティが深い実装構造を作製することを可能としている。 (1) A metal sealing structure is provided on the outer periphery of the semiconductor element substrate for hermetic sealing. The sealing structure can create a mounting structure with deep cavities without adding an additional process by diverting a multilayer wiring layer used for wiring of a functional circuit mounted on a semiconductor element substrate. It is said.
(2)半導体素子基板の外周部に、多層の配線層を利用して形成される金属シーリング構造を、接続の信頼性を向上させるべく、半導体素子基板上の他の部分よりも窪むことなく平坦に作製するために、幅が狭いトレンチ構造の配線層間絶縁膜ビアにより上下の配線層間を接続した構造とする。トレンチ構造の幅は、上層の配線層の厚さの5倍程度以内とし、望ましくは2倍程度とする。また、プロセス工数を低減するために、半導体素子基板の外周部にシーリング構造を形成するための配線層間絶縁膜ビアホールヘの金属埋込み工程は、上層の配線層の作製工程と一括して行うこととし、独立には設けない。 (2) A metal sealing structure formed on the outer peripheral portion of the semiconductor element substrate using a multilayer wiring layer is not depressed more than other portions on the semiconductor element substrate in order to improve connection reliability. In order to make it flat, the upper and lower wiring layers are connected by wiring interlayer insulating film vias having a narrow trench structure. The width of the trench structure is within about 5 times the thickness of the upper wiring layer, preferably about twice. In addition, in order to reduce the number of process steps, the metal embedding process in the wiring interlayer insulating film via hole for forming the sealing structure on the outer peripheral portion of the semiconductor element substrate is performed together with the manufacturing process of the upper wiring layer. It is not provided independently.
(3)実装組立段階におけるプロセス温度を低く抑えるために、多層の配線層により配線された機能回路を搭載した半導体素子基板と上部のキャップ基板との接合には、共晶合金接合または表面活性化接合(SAB:Surface Activated Bonding)を用いる。共晶合金接合の材料としては、共晶温度が300℃以下の共晶合金を用い、SnAu(Sn95%、Au5%、共晶温度217℃)が最適である。
(3) Eutectic alloy bonding or surface activation is used for bonding the semiconductor element substrate mounted with the functional circuit wired by the multilayer wiring layer and the upper cap substrate in order to keep the process temperature low in the mounting assembly stage. Bonding (SAB: Surface Activated Bonding) is used. As a material for eutectic alloy bonding, a eutectic alloy having a eutectic temperature of 300 ° C. or lower is used, and SnAu (Sn 95%,
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る半導体素子の実装構造に関する第1の実施形態を例示する模式図である。図2は、本発明に係る半導体素子の実装構造の第1の実施形態で例示する半導体実装素子の鳥瞰図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view illustrating a first embodiment relating to a semiconductor element mounting structure according to the present invention. FIG. 2 is a bird's eye view of the semiconductor mounting element exemplified in the first embodiment of the semiconductor element mounting structure according to the present invention.
図1において、半導体素子基板1は、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などの半導体材料からなり、半導体素子基板1上には、図2(a)に示すように、トランジスタ、ダイオードなどの能動回路やキャパシタ、抵抗、インダクタなどの受動素子を用いて機能回路が形成されている。半導体素子基板1には、基板貫通ビア4を通して半導体素子基板1の裏面に信号線電極3が基板裏面電極として配置されている。この信号線電極3を通して、外部からの高周波信号の送受信や、直流バイアスの印加や、グランド電位の共通化などを行う。なお、本実施形態においては、半導体素子基板1の裏面に信号線電極3を基板裏面電極として作製しているが、信号線電極をキャップ基板2側に作成しても構わない。
In FIG. 1, a
半導体素子基板1上に機能回路が形成されている表面側には、該機能回路の配線用に用いられる多層の配線層が作製される。図1の場合、4層の配線層の例を示している。第1の配線層5、第2の配線層8、第3の配線層11、第4の配線層14などの各配線層および第1−第2の配線層間絶縁膜ビア6、第2−第3の配線層間絶縁膜ビア9、第3−第4の配線層間絶縁膜ビア12の各配線層間絶縁膜ビアは、Au,Cu,Al,Wのいずれか、または、Au,Cu,Al,Wのいずれかを含む合金などの金属材料からなり、第1−第2の配線層間絶縁膜7、第2−第3の配線層間絶縁膜10、第3−第4の配線層間絶縁膜13は、厚膜化が容易な有機系材料であるポリイミド、BCB(benzcyclobutene)、ポリシロキサン、パレリン(Parylene、パラキシレン系樹脂)、エポキシ樹脂などのいずれかの有機系材料からなっている。
On the surface side where the functional circuit is formed on the
第1、第2、第3、第4の配線層5,8,11,14を用いて、気密封止のためのシーリング構造21を半導体素子基板1の外周部に作製する。シーリング構造21は、半導体素子基板1上の機能回路を囲むように、図2に示すごとき、矩形枠などの形状にて作製し、シーリング構造21の幅は、10〜200μm程度である。
Using the first, second, third, and fourth wiring layers 5, 8, 11, and 14, a sealing
半導体素子(チップ)内の全領域での平滑性を確保するために、シーリング構造21の部分に用いる第1−第2、第2−第3、第3−第4の配線層間絶縁膜ビア6,9,12は、下層側の配線層の配線幅よりも細いトレンチ構造を用いるものとし、トレンチ構造の幅は、上層側の配線層の配線厚さの5倍以内とし、望ましくは2倍程度とする。配線層間絶縁膜ビアのパタンには様々なものが考えられ、図3にその一例を示す。
In order to ensure smoothness in the entire region in the semiconductor element (chip), the first, second, second, third and third wiring interlayer insulating
図3は、図1の第2の配線層8と第3の配線層11との接続に用いる配線層間絶縁膜ビアホールの構造の模式図であり、図3の左側の(L)列には、上層の第3の配線層11から眺めた上面図を、図3の右側の(R)列には、横方向から眺めた断面図を示している。図3には、一例として、第2−第3の配線層間絶縁膜ビア9の金属材料を充填する前の第2−第3の配線層間絶縁膜ビアホール20を用いて、上層側から見た場合のパタンについて、図3(a)の複数本の平行な細い線路構造、図3(b)の格子状のメッシュ構造、図3(c)の千鳥構造の例を示しており、各配線層間絶縁膜ビアは、少なくともこれらのいずれかを含むパタンであることが望ましい。図3に示すパタンは、いずれも、細い線路のトレンチ構造となっており、また、気密封止を実現するために、第2−第3の配線層間絶縁膜ビアホール20に金属材料が充填されて形成される第2−第3の配線層間絶縁膜ビア9が切れ目のない構造となっている。
FIG. 3 is a schematic diagram of the structure of a wiring interlayer insulating film via hole used for connection between the
なお、最上層を形成する配線層(図1の場合には、第4の配線層14)は、配線層の金属が露出しているので、必要であれば、配線層表面の酸化等を防ぐために、Auなど酸化しにくい金属によって被覆しても良い。また、キャップ基板2(上部基板)との接続強化の目的で、図1に示すように、最上層を形成する配線層(図1の場合には、第4の配線層14)を利用して、シーリング構造21以外の場所に、キャップ基板2との接続用の接続強化用配線層17を配置しても構わない。
Note that the wiring layer forming the uppermost layer (
キャップ基板2は、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかの半導体、または、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれかを含む混晶などの半導体、あるいは、セラミック、ガラス、ガラスセラミックス、テフロン(登録商標)などのいずれかの気密性の良い基板からなり、図1に示すように、キャップ基板2の外周部には、半導体素子基板1と鏡像対称な形状のシーリング構造22が、Au,Cu,Al,Wのいずれか、または、Au,Cu,Al,Wのいずれかを含む合金などの金属材料を用いたキャップ基板配線層15として形成されている。
The
また、キャップ基板2の外周部のシーリング構造22上には、InSn(共晶温度117℃)、SnBi(共晶温度139℃)、SnZn(共晶温度198℃)、SnAu(共晶温度217℃、280℃)、SnCu(共晶温度227℃)などのいずれかのうち、または、これらのいずれかを含む共晶の合金などのうち、共晶温度が300℃以下の共晶合金が接合金属16として堆積されており、共晶合金接合により、キャップ基板2の外周部のシーリング構造22と、半導体素子基板1の第4の配線層14を利用して形成されているシーリング構造21と、を接合金属16を介して接合することによって、半導体素子基板1に搭載した機能回路の気密性を確保している。さらに、半導体素子基板1の接続強化用配線層17と鏡像対称な位置にも、キャップ基板配線層15、接合金属16が形成されており、半導体素子基板1の接続強化用配線層17と接続することにより、半導体素子基板1とキャップ基板2との接合を強化している。
Further, on the sealing
なお、キャップ基板2のシーリング構造22と、半導体素子基板1のシーリング構造21との接合、半導体素子基板1の接続強化用配線層17とキャップ基板配線層15との接合として、前述のような接合金属16の共晶合金を介した共晶合金接合を用いる代わりに、それぞれのシーリング構造を形成している配線金属同士を直接接続する表面活性化接合を用いて接合するようにしても良い。表面活性化接合を用いる場合、キャップ基板2のシーリング構造22やキャップ基板配線層15の上に、接合金属16として、共晶合金を堆積する必要はない。
As described above, the bonding between the sealing
また、本実施形態においては、半導体素子基板1の裏面側に信号線電極3(基板裏面電極)を作製する例を示したが、外部からの高周波信号の送受、直流バイアスの印加や、グランド電位の共通化などのために信号線用の電極を、半導体素子基板1側ではなく、キャップ基板2の裏面側に作製するようにしても良い。キャップ基板2の裏面側に信号線用の電極を作成する場合、前述の半導体素子基板1に信号線電極3を作製する工程の代わりに、シーリング構造22を形成するために利用されるキャップ基板2の表面の配線層から裏面側に貫通するキャップ基板貫通ビアホールを作製した後、配線金属を、表面側から該キャップ基板貫通ビアホールに充填してキャップ基板貫通ビアを形成し、前記キャップ基板の裏面に電極を作製する工程とすれば良い。
In the present embodiment, an example in which the signal line electrode 3 (substrate back electrode) is formed on the back surface side of the
(第2の実施形態)
次に、本発明に係る半導体素子の実装方法について、図1に示す半導体素子の実装構造を製造する製造方法の一例を説明する。図4は、本発明に係る半導体素子の実装方法に関する製造工程の一例を説明するための模式図であり、第1の実施形態における図1の半導体素子の実装構造を製造する場合を例にとって示している。
(Second Embodiment)
Next, an example of a manufacturing method for manufacturing the semiconductor element mounting structure shown in FIG. 1 will be described with respect to the semiconductor element mounting method according to the present invention. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining an example of a manufacturing process related to a semiconductor element mounting method according to the present invention, and shows an example of manufacturing the semiconductor element mounting structure of FIG. 1 in the first embodiment. ing.
まず、GaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、これらのいずれかを含む混晶などの半導体材料からなる半導体素子基板1を用意し、デジタル回路、アナログ回路、マイクロ波回路などの能動回路やキャパシタ、抵抗、インダクタなどからなる受動回路などの機能回路を作製する。同時に、機能回路を作製する本工程で、機能回路用の配線層を用いて、キャップ基板2側と接合するためのシーリング構造21を半導体素子基板1の外周側に作製する。該配線層に用いる配線金属や配線層間絶縁膜は、機能回路で用いるものと同一の材料である。
First, a
例えば、配線金属がAu、配線層間絶縁膜がBCB(benzcyclobutene)の場合、図4(a)の第1の工程つまり機能回路作製工程に示すように、Auの第1の配線層5は、厚膜化が容易な電界メッキを用いて、例えば、厚さ1〜5μmで作製する。シーリング構造21も、第1の配線層5を用いて、半導体素子基板1の外周部に、例えば、厚さ1〜5μm、幅100μmで形成する。さらに、ビアホール作製工程として、BCBを用いた第1−第2の配線層間絶縁膜7を、第1の配線層5上に、例えば1〜10μmの厚さで、スピンコーティングした後、フッ素系の反応性イオンエッチングによって第1−第2の配線層間絶縁膜ビアホール23を作製する。
For example, when the wiring metal is Au and the wiring interlayer insulating film is BCB (benzcyclobutene), the
次に、図4(b)の第2の工程つまり配線作製工程に示すように、製作工程簡易化の観点から、第1−第2の配線層間絶縁膜ビアホール23へ個別に金属を充填する(埋め込む)ことはしないで、第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23への金属充填つまり第1−2の配線層間絶縁膜ビア6の形成は、上層の配線層である第2の配線層8の形成と一括して行う。
Next, as shown in the second step of FIG. 4B, that is, the wiring manufacturing process, the first to second wiring interlayer insulating film via
ここで、第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23すなわち第1−2の配線層間絶縁膜ビア6の幅が大き過ぎると、第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23上の第2の配線層8が窪んでしまう。そこで、シーリング構造21上の第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23については、幅が細いトレンチ構造を用いることによって、第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23上の第2の配線層8の窪みを回避し、シーリング構造21の平坦性を確保する。つまり、幅が狭いトレンチ構造の配線層間絶縁膜ビア6を形成することによって、シーリング構造21を、配線層間絶縁膜ビア6において半導体素子基板1上の機能回路などの他の部分よりも窪むことなく、平坦に作製することができ、接続信頼性の向上を図ることができる。
Here, if the width of the first-second wiring interlayer insulating film via
第1−2の配線層間絶縁膜ビアホール23すなわち第1−第2の配線層間絶縁膜ビア6を用いたトレンチ構造の幅は、上層の配線層である第2の配線層8の配線厚さの5倍以内とし、望ましくは2倍程度とする。例えば、第2の配線層8の厚さが2μmの場合には、トレンチ構造の幅は、第2の配線層8の厚さの2倍の4μm前後が良い。
The width of the trench structure using the first-second wiring interlayer insulating film via
しかる後、図4(c)の第3の工程に示すように、必要な配線層数分だけ、前述したビアホール作製工程および図4(b)の第2の工程つまり配線作製工程をシーリング構造作製工程として繰り返す。図4の例においては、図1の半導体素子の実装構造を製造する場合であり、4層の場合を示している。本第3の工程において、半導体素子基板1上に搭載した機能回路の配線に必要な複数の層からなる配線層、例えば、図4の場合、第1の配線層5、第2の配線層8、第3の配線層11、第4の配線層14の4層の配線層を形成するとともに、第1−第2の配線層間絶縁膜ビア6、第2−第3の配線層間絶縁膜ビア9、第3−第4の配線層間絶縁膜ビア12を形成することによって、多層の配線層を利用したシーリング構造21が、半導体素子基板1の外周部に、機能回路および該機能回路の配線を囲うように、作製される。
Thereafter, as shown in the third process of FIG. 4C, the above-described via hole manufacturing process and the second process, that is, the wiring manufacturing process of FIG. Repeat as a process. In the example of FIG. 4, the semiconductor element mounting structure of FIG. 1 is manufactured, and a case of four layers is shown. In the third step, a wiring layer composed of a plurality of layers necessary for wiring of the functional circuit mounted on the
なお、本第3の工程において、最上層の第4の配線層14を利用して、キャップ基板2との接合を強化するための接続強化用配線層17を形成するようにしても良い。
In the third step, the uppermost
次に、半導体素子基板1の裏面から、当該半導体素子基板1を貫通するように、基板貫通ビアホールを作製する。例えば、半導体素子基板1がGaAs,InP,InAs,InSb,Si,Geのいずれか、または、これらのいずれかを含む混晶などの半導体材料の場合には、塩素系の反応性イオンエッチングを用いて、半導体素子基板1の表面の第1の配線層5まで貫通する基板貫通ビアホールを作製する。その後、図4(d)の第4の工程つまり裏面電極作製工程に示すように、Auなどの金属を、半導体素子基板1の裏面側から基板貫通ビアホールに充填して第1の配線層5と接続された基板貫通ビア4を形成するとともに、基板裏面電極3つまり信号線電極3を作製する。
Next, a through-substrate via hole is formed from the back surface of the
ここで、基板貫通ビア4は、図4(a)〜図4(c)のような、多層配線を形成する工程を行う前に作製しておいても良い。この場合には、基板貫通ビア4は、半導体素子基板1の裏面側には貫通させずに、半導体素子基板1の表面側から基板貫通ビアホール内に金属充填だけ行っておき、図4(a)〜図4(c)の工程を経た多層配線の完成後に、半導体素子基板1を裏面から研磨して基板貫通ビア4として充填された金属の先端を露出させて、しかる後、基板裏面電極3つまり信号線電極3を作製する。
Here, the through-substrate via 4 may be formed before the step of forming a multilayer wiring as shown in FIGS. 4A to 4C. In this case, the through-substrate via 4 is not penetrated into the back surface side of the
一方、キャップ基板2側の作製は、図4(e)の第5の工程つまりキャップ基板作製工程に示すように、キャップ基板2上に、半導体素子基板1のシーリング構造21と鏡像対称な形状のシーリング構造22を、Auなどの金属によるキャップ基板配線層15によって作製し、さらに、キャップ基板配線層15の上に、共晶合金を、接合金属16として堆積する。
On the other hand, as shown in the fifth step of FIG. 4E, that is, the cap substrate manufacturing step, the
接合金属16の共晶合金として、例えば、特許文献の特許第3640017号公報「鉛フリーはんだバンプとその形成法」(石井他)に記載されているように、6.2μm厚さのSnAu(Au5%、共晶温度217℃)を用いる場合、電子ビーム蒸着装置を用いて、600nmのSnと20nmのAuを交互に10層積層して形成する。
As a eutectic alloy of the
ここで、接合金属16は、キャップ基板2のキャップ基板配線層15側ではなく、半導体素子基板1の第4の配線層14、接続強化用配線層17側に形成しても構わない。
Here, the
最後に、半導体素子基板1のシーリング構造21とキャップ基板2のシーリング構造22とを対向させて接触させ、接合金属16として、キャップ基板2のシーリング構造22上に堆積した共晶合金の共晶温度以上の温度を用いて、例えば、SnAu(Au5%、共晶温度217℃)の場合、SnAu(Au5%)の共晶温度217℃以上の例えば220℃を用いて、互いに接合させることによって、半導体素子実装構造が完成する。
Finally, the sealing
ここで、半導体素子基板1とキャップ基板2との接合については、前述のような、共晶合金による接合を用いずに、「表面活性化による低エネルギー接合」(須賀 唯知、まてりあ、35(5)、476(1996))に記載されているような表面活性化接合(SAB:Surface Activated Bonding)を用いることも可能である。表面活性化接合の場合には、接合する2つの基板の互いに接合させる面に、真空中で、Arイオンビームなどを照射してエッチングした後、活性化した金属同士を直接接合させる。表面活性化接合を用いる場合には、前述のように、キャップ基板2のシーリング構造22の上には、接合金属16として、共晶合金を堆積する必要はない。
Here, the bonding of the
(第3の実施形態)
次に、本発明に係る半導体素子の実装方法について、第2の実施形態で説明した製造方法とは異なる例を説明する。図5は、本発明に係る半導体素子の実装方法に関する製造工程の図4とは異なる例を説明するための模式図であり、半導体素子基盤1とキャップ基板2とのシーリング構造同士を共晶合金接合によって接合する場合、半導体素子基板1とキャップ基板2との接合面にバンプ用絶縁膜を形成した後、共晶合金を球体状のボールバンプとして成形する工程を有している場合について示している。
(Third embodiment)
Next, an example of the semiconductor element mounting method according to the present invention, which is different from the manufacturing method described in the second embodiment, will be described. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining an example different from FIG. 4 of the manufacturing process relating to the semiconductor element mounting method according to the present invention, in which the sealing structures of the
図5において、図5(a)の第1の工程つまり機能回路作製工程から、図5(b)の第2の工程つまり配線作製工程を経て、必要な配線層数分だけ、前述したビアホール作製工程と図5(b)の第2の工程つまり配線作製工程とを繰り返す図5(c)の第3の工程までは、第2の実施形態として前述した図4(a)の第1の工程から図4(c)の第3の工程までと全く同一であり、ここでの詳細な説明は省略する。 In FIG. 5, the above-described via hole fabrication is performed for the required number of wiring layers from the first step, that is, the functional circuit fabrication step in FIG. 5A, to the second step, that is, the wiring fabrication step in FIG. 5B. The first process of FIG. 4A described above as the second embodiment is repeated until the third process of FIG. 5C in which the process and the second process of FIG. 5B, that is, the wiring manufacturing process are repeated. To the third step of FIG. 4C are the same, and a detailed description thereof is omitted here.
しかる後、第2の実施形態の場合とは異なり、図5(d)の第4の工程つまり絶縁膜作製工程として、第3−第4の配線層間絶縁膜13、第4の配線層14、接続強化用配線層17の上に、BCB、ポリイミドなどの有機系材料からなるバンプ用絶縁膜18を堆積する。さらに、堆積したバンプ用絶縁膜18を化学機械研磨法(CMP:Chemical-Mechanical Polishing)によって研磨して、または、ビアホールを穿孔するなどの方法によって、キャップ基板2側と接合するシーリング構造21の第4の配線層14、接続強化用配線層17の上面を露出させる。
Thereafter, unlike the case of the second embodiment, as the fourth step of FIG. 5D, that is, the insulating film manufacturing step, the third to fourth wiring
しかる後、第2の実施形態の図4(d)の第4の工程つまり裏面電極作製工程と同様に、半導体素子基板1の裏面から、当該半導体素子基板1の第1の配線層まで貫通するように、基板貫通ビアホールを作製した後、Auなどの金属を、半導体素子基板1の裏面側から基板貫通ビアホールに充填して基板貫通ビア4を形成するとともに、基板裏面電極3つまり信号線電極3を作製する。
Thereafter, as in the fourth step of FIG. 4D of the second embodiment, that is, the back surface electrode manufacturing step, the
一方、キャップ基板2側の作製は、図5(e)の第5の工程つまりキャップ基板作製工程に示すように、キャップ基板2上に、半導体素子基板1のシーリング構造21と鏡像対称な形状のシーリング構造22を、Auなどの金属によるキャップ基板配線層15によって作製するまでは、第2の実施形態の場合と同様である。
On the other hand, as shown in the fifth step of FIG. 5E, that is, the cap substrate manufacturing step, the
しかる後、図5(e)の第5の工程に示すように、キャップ基板2、キャップ基板配線層15の上に、BCB、ポリイミドなどの有機系材料からなるキャップ基板側バンプ用絶縁膜19を堆積する。さらに、堆積したキャップ基板側バンプ用絶縁膜19を化学機械研磨法(CMP)によって研磨して、または、堆積したキャップ基板側バンプ用絶縁膜19にビアホールを穿孔するなどの方法によって、半導体素子基板1側と接合するキャップ基板配線層15(シーリング構造22および接続強化用の配線層)の上面を露出させる。さらに、露出したキャップ基板配線層15の上に、半導体素子基板1側と接合させるための共晶合金を接合金属16として堆積する。
Thereafter, as shown in the fifth step of FIG. 5E, a cap substrate-side
接合金属16の共晶合金として、例えば、6.2μm厚さのSnAu(Au5%、共晶温度217℃)を用いる場合、電子ビーム蒸着装置を用いて、600nmのSnと20nmのAuとを交互に10層積層して形成する。
For example, when SnAu (
次に、SnAu(Au5%)の共晶温度217℃以上の温度、例えば220℃の温度で、キャップ基板2を熱して、接合金属16の共晶合金をボーリングして、球体状のボールバンプとして成形する。
Next, the
ここで、接合金属16のボールバンプは、キャップ基板2のキャップ基板配線層15側ではなく、半導体素子基板1の第4の配線層14、接続強化用配線層17側に形成しても構わない。
Here, the ball bumps of the
最後に、半導体素子基板1のシーリング構造21とキャップ基板2のシーリング構造22とを対向させて接触させ、接合金属16のボールバンプが例えばSnAu(Au5%)の場合、SnAu(Au5%)の共晶温度217℃以上の温度を用いて、互いに接合させることによって、半導体素子の実装構造が完成する。
Finally, the sealing
(本発明の作用効果)
以上に詳細に説明したように、本発明の半導体素子の実装構造およびその実装方法によれば、次のような作用効果が得られる。
(Operational effect of the present invention)
As described in detail above, according to the semiconductor element mounting structure and the mounting method of the present invention, the following operational effects can be obtained.
(1)気密封止を行う接合方法として、共晶合金接合または表面活性化接合を用い、かつ、共晶合金接合を用いる場合には、接合金属16として、共晶温度が300℃以下の共晶合金を採用しているので、半導体素子の実装時におけるプロセス温度を300℃以下の低い温度に抑えることができ、化合物半導体を実装する場合であっても、化合物半導体を用いた機能素子の電気的な特性を損なうことなく、実装することが可能となる。
(1) When eutectic alloy bonding or surface activation bonding is used as a bonding method for performing hermetic sealing, and eutectic alloy bonding is used, the
(2)半導体素子基板1上の機能回路の配線に用いる配線層と同一の配線層を利用して作製することによって、プロセス工程を増加させることなしに、シーリング構造21を作製することができる。
(2) By using the same wiring layer as that used for wiring of the functional circuit on the
(3)機能回路の配線層として用いられる第1、第2、第3、第4の配線層5,8,11,14などのように、多層の配線層を利用してシーリング構造21を多層に積層することによって、半導体素子基板1を収納する空間として深いキャビティ構造を作製することができる。このため、半導体素子基板1上に形成される機能回路としてキャップ基板2に影響されない配線構造を作製することができ、機能回路の設計性を格段に向上することができる。したがって、準ミリ波帯・ミリ波帯さらにはそれ以上の高周波特性を有する半導体素子を実装した場合であっても、十分にその性能が引き出すことが可能である。
(3) The first and second, third, and fourth wiring layers 5, 8, 11, and 14 that are used as the wiring layers of the functional circuit are used to form the sealing
(4)外周部に形成するシーリング構造21として、幅が狭いトレンチ構造の第1−第2、第2−第3、第3−第4の配線層間絶縁膜ビア6,9,12を用いることによって、シーリング構造21を、半導体素子基板1上の機能回路などの他の部分よりも窪むことなく、平坦に作製することができ、接続信頼性の向上を図ることができる。
(4) The first, second, second, third, and third to fourth wiring interlayer insulating
(5)シーリング構造1を形成する第1−第2、第2−第3、第3−第4の配線層間絶縁膜ビア6,9,12を形成するための工程を上層の配線層の形成を行う工程と統合することによって、第1−第2、第2−第3、第3−第4の配線層間絶縁膜ビアホールヘの金属埋込み工程を独立して設けないので、プロセス工程数が大幅に低減する。
(5) Steps for forming the first, second, second, third and third wiring interlayer insulating
1…半導体素子基板、2…キャップ基板、3…信号線電極(基板裏面電極)、4…基板貫通ビア、5…第1の配線層、6…第1−第2の配線層間絶縁膜ビア、7…第1−第2の配線層間絶縁膜、8…第2の配線層、9…第2−第3の配線層間絶縁膜ビア、10…第2−第3の配線層間絶縁膜、11…第3の配線層、12…第3−第4の配線層間絶縁膜ビア、13…第3−第4の配線層間絶縁膜、14…第4の配線層、15…キャップ基板配線層、16…接合金属、17…第4の配線層(接続強化用配線層)、18…バンプ用絶縁膜、19…キャップ基板側バンプ用絶縁膜、20…第2−第3の配線層間絶縁膜ビアホール(金属充填前)、21…シーリング構造、22…シーリング構造、23…第1−第2の配線層間絶縁膜ビアホール、41…Si基板(半導体素子基板、機能回路搭載基板)、42…機能素子(機能回路:IC)、43…キャップ(キャップ用基板)、44…Si基板凸部(キャップとの接続部)、45…キャップ凸部(基板との接続部)、46…凸型パタン(キャップとの接続部)、47…凸型パタン(キャップとの接続部)、48…凸型パタン(基板との接続部)。
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