JP2009239106A - 半導体装置及び同半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び同半導体装置の製造方法 Download PDF

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Koji Miyata
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誠二 深江
Kenji Yamauchi
健二 山内
Yoichi Goto
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Abstract

【課題】フォトダイオードの光感度を向上させることができると共に、歩留まりを向上させることができる半導体装置及び同半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】
フォトダイオードが形成された基板の上面に樹脂層を形成した後、フォトダイオード上における樹脂層を除去して、フォトダイオードの受光領域の表面を露出させ、その後、受光領域の表面を露出させたフォトダイオードを型に装填し、その型内にフォトダイオードの端縁下部側からモールド樹脂を充填して半導体装置を製造する際に、受光領域を露出させる工程では、受光領域の外周上の樹脂層を除去して、樹脂層に受光領域の外周を包囲する包囲溝を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置及び同半導体装置の製造方法に関するものであり、詳細には、フォトダイオードを有し、当該フォトダイオードをその受光領域を除いてモールド樹脂によりモールド封止した半導体装置、及び同半導体装置の製造方法に関するものである。
従来より、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc Recordable）やＤＶＤ−Ｒ（Digital Versatile Disk Recordable）等の光ディスクに記録されたデータを再生する光ディスク再生装置が広く知られている。
この光ディスク再生装置は、光ディスクのデータ記録面にデータ読出し用のレーザ光（以下、単に「光」という。）を照射する光照射部と、この光照射部から出射した光が光ディスクのデータ記録面に反射した反射光を受光して、当該受光した光のレベルに応じたデータ信号を出力する光ピックアップと、この光ピックアップから出力されるデータ信号に対して所定の信号処理を施すことにより、データ信号をディスプレイ装置等で再生可能な信号に加工する信号処理回路とを備えている。
光ピックアップの受光部には、受光した光を電気信号に変換する光電変換素子として、フォトダイオードを有するＰＤＩＣ（Photo Detector Integrated Circuit）が配設されている。
このＰＤＩＣは、外部からの衝撃や、塵、外界の湿気等から内部の半導体素子を保護することを目的として、フォトダイオードの受光領域を除く部分をエポキシ樹脂等によって封止するパッケージ処理が施されている（たとえば、特許文献１参照。）。
このようにパッケージ処理を施したＰＤＩＣ等の半導体装置を製造する際には、フォトダイオード等の半導体素子が形成された基板を、基台となるリードフレームに接着載置した後、ＰＤＩＣの各接続端子とリードフレーム上の各端子とを金属線により接続するワイヤーボンディングを行い、その後、ＰＤＩＣを載置したリードフレームを所定形状に成型された金型に装填して、金型内に加熱して液状化させた封止用の樹脂を充填して製造していた。
特開２００３−０１７７１５号公報
ところが、上記従来の製造方法によりフォトダイオードを備えた半導体装置を製造した場合、金型内に封止用の樹脂を充填するときに、フォトダイオードの形状のバラツキ等に起因して、封止用の樹脂がフォトダイオードの受光領域へ漏れ出すおそれがあった。
このように、封止用の樹脂がフォトダイオードの受光領域へ漏れ出した場合、フォトダイオードの受光領域が狭くなり、受光感度が低下するおそれがあった。
また、上記従来の製造方法では、フォトダイオード等の半導体素子に、加熱した封止用の樹脂を直接接触させていたため、このとき加わる熱によって、受光領域以外の部分において半導体素子の形状や特性が変化し、半導体素子の特性が劣化して歩留まりが低下するおそれがあった。
そこで、請求項１に係る本発明では、フォトダイオードが形成された基板における前記フォトダイオードの受光領域を除く上面に樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層に、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を形成する工程と、前記包囲溝を形成した前記樹脂層を有する前記基板を型に装填し、前記型内にモールド樹脂を充填して、前記フォトダイオードをモールド封止する工程とを有する半導体装置の製造方法とした。
また、請求項２に係る本発明では、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、前記包囲溝を形成する工程では、径の異なる同心円状の前記包囲溝を複数形成することとした。
また、請求項３に係る本発明では、請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法において、前記モールド樹脂を充填する前に、前記受光領域と前記包囲溝との上面を樹脂フィルムで被覆することとした。
また、請求項４に係る本発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、前記包囲溝を形成する工程では、前記包囲溝の周囲における前記基板の上面に、前記樹脂層を残存させることとした。
また、請求項５に係る本発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、前記樹脂層の材料としてポリイミド系樹脂を用いることとした。
また、請求項６に係る本発明では、フォトダイオードが形成された基板と、前記フォトダイオードの受光領域を除く前記基板の上面に設けられた樹脂層と、上面に前記樹脂層が設けられた前記フォトダイオードを、前記受光領域を除いてモールド封止するモールド樹脂とを有し、前記樹脂層は、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を有する半導体装置とした。
また、請求項７に係る本発明では、フォトダイオードを含む複数の半導体素子が形成された基板と、前記フォトダイオードの受光領域を除く前記基板の上面に設けられた樹脂層と、上面に前記樹脂層が設けられた前記半導体装置と前記フォトダイオードとを、前記受光領域を除いてモールド封止するモールド樹脂とを有し、前記樹脂層は、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を有する半導体装置とした。
本発明によれば、フォトダイオードの受光感度を向上させることができると共に、歩留まりを向上させることができる半導体装置及び同半導体装置の製造方法を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法、及び、同方法により製造した半導体装置について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。
ここでは、同一の半導体基板上にフォトダイオードを含む複数種類の半導体素子が形成されたＰＤＩＣ（Photo Detector Integrated Circuit）を封止用の樹脂を用いてパッケージ処理する製造工程に対して本発明を適用した場合を例に挙げて説明するが、本発明は、これに限定するものではなく、受光領域を有する半導体素子単体を、その受光領域を除いて樹脂等により封止するパッケージ処理工程等、部分的に樹脂等による封止を行わない領域を有する任意の半導体素子のパッケージ処理工程に対して適用することができる。
また、ここでは、ＰＤＩＣを樹脂により封止するパッケージ処理工程について説明することとし、このパッケージ処理工程の前に行うＰＤＩＣの形成工程に関しては、既知の製造工程を適用することができるので、その説明については省略することとする。
図１（ａ）、（ｃ）、図２（ａ）、（ｃ）、図３、図４、図５（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面視による説明図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の平面視、図１（ｄ）は、図１（ｃ）の平面視、図２（ｂ）は、図２（ａ）の平面視、図２（ｄ）は、図２（ｃ）の平面視による説明図であり、図５（ｃ）は、本実施形態に係る製造方法により製造した半導体装置を示す斜視による説明図である。
図５（ｃ）に示す半導体装置（以下、「ＰＤＩＣ」という。）を製造する際には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、まず、同一の半導体基板３上に、既知の製造工程により形成されたフォトダイオード２と、図示しないトランジスタ、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）容量、ポリシリコン抵抗等の他の半導体素子とが配設された構造体（以下、「チップ１」という。）を用意する。なお、図１（ａ）、（ｂ）における符号６は、フォトダイオード２のアノード電極及びカソード電極となる電極パッドである。
図１（ａ）に示すように、このチップ１の表面側略中央位置には、フォトダイオード２の受光領域５が形成されており、この受光領域５は、図１（ｂ）に示すように、平面視円形状をしている。
また、この受光領域５の周囲には、チップ１に設けられた複数の半導体素子同士をそれぞれ設計に従って接続した多層配線層４が形成されている。
次に、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、フォトダイオード２が形成された半導体基板３の上面全体にポリイミド系の樹脂からなる樹脂層７を形成する。
この樹脂層７を形成する工程では、まず、チップ１を所定の回転速度で回転させながら、フォトダイオード２の受光領域５に上方から前処理剤を滴下することによって、チップ１の上面全体に前処理剤をスピンコートする。
次に、前処理剤がスピンコートされたチップ１を、同じく所定の回転速度で回転させながら、チップ１の上方からポリイミド系の樹脂を滴下することにより、前処理剤上の面にポリイミド系の樹脂をスピンコートして、樹脂層７を形成する。このとき、樹脂層７は、その厚さが５〜１５（μｍ）となるように形成する。
本実施形態では、この樹脂層７の形成に用いる樹脂として、固化したときに遮光性を有するポリイミド系の樹脂を用いるようにしている。
次に、樹脂層７の表面に、フォトレジストを塗布した後、フォトリソグラフィー技術を用いて、フォトレジストに所定のパターニングを施すことにより、レジストマスク（図示略）を形成する。
その後、このレジストマスクを用いたウエットエッチングを行って、レジストマスクに被覆されていない部分の樹脂層７を選択的に除去することにより、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、受光領域５の表面を露出させる開口を形成すると共に、樹脂層に、受光領域５の外周を包囲する包囲溝８を形成する。
ここでは、レジストマスクを用いたウエットエッチングにより、受光領域５表面を露出させるための開口と包囲溝８とを形成しているが、樹脂層７を形成するポリイミド系の樹脂に、予め感光剤を添加して感光性を持たせておき、この感光性のある樹脂により樹脂層７を形成した後、この樹脂層７に所定のパターン露光処理を施して、レジストマスクを用いずに、上記開口や包囲溝８等を形成してもよい。
特に、この包囲溝８を形成する工程においては、図２（ａ）に示すように、受光領域５の外側に５本の包囲溝をそれぞれクローズドループとなるように形成する。なお、本実施形態では、形成する包囲溝８の本数を５本としているが、包囲溝の本数はこれに限定するものではなく、少なくとも１本、好適には、５本以上形成することが望ましい。
また、包囲溝８を形成する際には、その幅が略２０（μｍ）となるように形成しており、各包囲溝８同士の間隔が略２０（μｍ）となるように形成している。
ここで形成する包囲溝８は、後に詳述するが、ＰＤＩＣをモールド封止する際に使用する封止用の樹脂がフォトダイオード２の受光領域５側へ侵入することを防止するダムとして機能するものである。
また、ここで形成する各包囲溝８の平面視による形状は、図２（ｂ）に示すように、フォトダイオード２の受光領域５の中央部を中心とした径の異なる同心円状となるように形成している。
このように、包囲溝８を平面視円形状に形成することによって、後のモールド封止工程において、受光領域５の周囲のあらゆる方向から侵入しようとする樹脂を、その侵入方向にかかわらず良好に塞き止めることができる。
なお、ここでは、包囲溝８を平面視円形状となるように形成しているが、包囲溝８の形状は、平面視矩形状や多角形状等、クローズドループの形状であれば、任意の形状とすることができる。
包囲溝８を平面視多角形状に形成する場合には、樹脂層７上に形成するレジストマスクのパターンを簡略化することができる。
さらに、この包囲溝８を形成する工程においては、フォトダイオード２の受光領域５の上部、包囲溝８を形成する部分、チップ１上の電極パッド６上部における樹脂層７だけを除去し、それ以外の部分における樹脂層７を多層配線層４上に残存させるようにしている。
すなわち、本実施形態では、フォトダイオード２以外の他の半導体素子の上部に、樹脂層７を形成するようにしている。
この樹脂層７は、上記のように遮光性を備えているので、当該樹脂層７でフォトダイオード２以外の半導体装置の上面を被覆することによって、受光領域５以外の領域から受光領域５へ不必要な光が侵入することを防止することができるので、フォトダイオード２の受光感度を向上させることができる。
その後、このチップ１に対して、３５０（℃）程度の温度条件のもとで、約２時間のキュア処理を施して、樹脂層７の機械的強度特性、耐熱特性、耐薬品特性等を向上させる。
次に、このチップ１に対して、樹脂層７形成時の残渣を除去するためのアッシング処理を行った後、半導体基板３の厚さ調整を行うために、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、チップ１の裏面側を研磨する（図示略）。
次に、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、包囲溝８が形成された樹脂層７を有するチップ１を、接着剤１１を介してリードフレーム１０上に載置固定するダイボンドを行い、その後、チップ１上の各電極パッド６と、リードフレーム１０上の各電極パッド１２とを金属線１３により接続するワイヤーボンディングを行う。
次に、図３（ａ）に示すように、チップ１をモールド封止するための金型２１の内部上面に、所定の弾力性を有する樹脂フィルム２２貼着する。図３（ａ）中の符号２０は、モールド封止の際にチップ１を載置する載置台である。
次に、図３（ｂ）に示すように、リードフレーム１０上に載置固定されたチップ１を載置台２０に載置して装填し、その後、金型２１を降下させ、樹脂フィルム２２を介して、金型２１の内周面中央に形成された凸部をフォトダイオード２の受光領域５、及び、その周囲に形成した包囲溝８部分に押圧して当接させる。
こうして、モールド樹脂２３を充填する前に、受光領域５と包囲溝８との上面を、樹脂フィルム２２で被覆するようにしている。
このとき、金型２１の内周面中央の凸部によりチップ１の上面が押圧されるが、本実施形態では、予め金型２１の内周面に所定の弾力性を有する樹脂フィルム２２を貼着しているため、この樹脂フィルム２２が緩衝材として機能して、受光領域５が金型２１の内周面中央の凸部と直接接触して破損することを防止することができる。
次に、図３（ｂ）に示すように、この金型２１の内周面とチップ１の外周面との間の空隙に、チップ１外側面下方側から、加熱して液状化させたモールド樹脂２３（ここでは、エポキシ樹脂）を充填することによって、受光領域５を除くチップ１の外周をモールド封止する。
図４は、このモールド封止工程における受光領域５及び包囲溝８の形成部分を拡大した説明図である。
このモールド封止工程では、図４に示すように、金型２１内にモールド樹脂２３を充填する際、モールド樹脂２３に加えられる圧力によって、モールド樹脂２３の一部が樹脂層７と樹脂フィルム２２との間から受光領域５側へ侵入してくる場合がある。
このモールド樹脂２３が受光領域５まで到達すると、受光領域５の面積が減少してフォトダイオード２の受光感度が低下するおそれがあるが、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、上記のように、チップ１の多層配線層上に設けた樹脂層７に、受光領域５の外周を包囲するように複数の包囲溝８を形成しているため、受光領域５側へ侵入するモールド樹脂２３が、受光領域５にまで到達することを良好に防止することができる。
すなわち、金型２１内に充填するモールド樹脂２３に圧力を加えた場合、モールド樹脂２３は、包囲溝８が形成されている領域の外側から内側へ向けて侵入してくることとなるが、このとき、各包囲溝８がそれぞれ受光領域５側へ向けて侵入してくるモールド樹脂２３を貯留するダムとして機能し、各包囲溝８同士間の樹脂層７が、モールド樹脂２３の侵入を防ぐ防壁として機能するので、モールド樹脂２３が受光領域５にまで到達することを良好に防止することができる。
しかも、モールド樹脂２３を充填する際に、包囲溝８と金型２１の内面中央に形成された凸部との間には、所定の弾力性を有する樹脂フィルム２２を介在させているため、この樹脂フィルム２２の弾力性により、モールド樹脂２３に加えられた圧力の一部を吸収することができ、これによっても、モールド樹脂２３が受光領域５へ侵入することを抑制することができる。
また、モールド樹脂２３を充填する際、液状化するために加熱されたモールド樹脂２３の熱がチップ１側へ伝わるが、本実施形態では、フォトダイオード２の受光領域と、包囲溝８の形成領域、電極パッド６の形成領域を除くチップ１の多層配線層４上全面に、耐熱性に優れたポリイミド系の樹脂からなる樹脂層７を残存させているので、モールド樹脂２３の熱から多層配線層４や、その下層に形成された各種半導体素子を保護することができ、製品の歩留まりを向上させることができる。
さらに、このポリイミド系の樹脂からなる樹脂層７は、その膨張係数が非常に低く金属に近いので、加熱されたモールド樹脂と接触しても膨張や変形が起こりにくい。
そのため、高温のモールド樹脂２３を充填しても、樹脂層７が熱膨張を起こして、下層の多層配線層４内の配線が断線する等といった樹脂層７の変形による不具合が発生することがなく、歩留まりの低下を防止することができる。
次に、図５（ａ）に示すように、モールド封止を行ったチップ１を金型２１から取出して、このチップ１を各ＰＤＩＣ毎に切り分けるダイシングを行う。
最後に、図５（ｂ）に示すように、ダイシングを行ったＰＤＩＣの上面に、運搬時や実装時にフォトダイオード２の受光領域５へ塵などが付着することを防止するための保護フィルム２５を貼着して、図５（ｃ）に示すようなＰＤＩＣが完成する。
このように、本実施形態では、フォトダイオードが形成された基板における前記フォトダイオードの受光領域を除く上面に樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層に、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を形成する工程と、前記包囲溝を形成した前記樹脂層を有する前記基板を型に装填し、前記型内にモールド樹脂を充填して、前記フォトダイオードをモールド封止する工程とを有する半導体装置の製造方法によってＰＤＩＣを製造するため、モールド封止工程において金型内に充填するモールド樹脂が、フォトダイオードの受光領域へ侵入することを防止することができる。
これにより、モールド樹脂の受光領域への侵入によるＰＤＩＣの受光感度低下を防止できるので、製品の歩留まりを向上させることができる。
さらに、本実施形態では、前記包囲溝を形成する工程において、径の異なる同心円状の前記包囲溝を複数形成するため、仮に外側に形成した包囲溝でモールド樹脂を塞き止めることができない事態が生じても、その内側に形成した包囲溝によって、モールド樹脂の侵入を塞き止めることができる。
また、本実施形態では、前記モールド樹脂を充填する前に、前記受光領域と前記包囲溝との上面を樹脂フィルムで被覆するため、モールド封止工程において、金型とＰＤＩＣとが直接接触して破損することを防止することができる。
また、本実施形態では、前記包囲溝を形成する工程において、前記包囲溝の周囲における前記基板の上面に、前記樹脂層を残存させるため、この樹脂層により、加熱されたモールド樹脂の熱からＰＤＩＣを保護することができる。
これにより、モールド樹脂の熱によるＰＤＩＣの特性劣化を防止することができるので、製品の歩留まりを向上させることができる。
しかも、本実施形態では、樹脂層の材料として、熱膨張率が極めて低く、硬化した後に、高い機械的強度特性、耐熱特性、耐薬品特性を有し、遮光性を持たせたポリイミド系樹脂を用いるので、製造工程においてＰＤＩＣにかかる様々なストレスからＰＤＩＣを保護することができるので、これにより更に歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、フォトダイオードを含む複数の半導体素子が形成された基板と、前記フォトダイオードの受光領域を除く前記基板の上面に設けられた樹脂層と、上面に前記樹脂層が設けられた前記半導体装置と前記フォトダイオードとを、前記受光領域を除いてモールド封止するモールド樹脂とを有し前記樹脂層は、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を有するＰＤＩＣを製造することができる。
このＰＤＩＣは、モールド封止の際に用いるモールド樹脂がフォトダイオードの受光領域に付着して受光領域の面積を狭めることがないので、高い受光感度を実現することができ、しかも、製品による受光感度のバラツキが少ないので、製品の歩留まりを向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す説明図である。
符号の説明
１ チップ
２ フォトダイオード
３ 半導体基板
４ 多層配線層
５ 受光領域
６ 電極パッド
７ 樹脂層
８ 包囲溝
１０ リードフレーム
１１ 接着剤
１２ 電極パッド
１３ 金属線
２０ 載置台
２１ 金型
２２ 樹脂フィルム
２３ モールド樹脂

Claims (7)

  1. フォトダイオードが形成された基板における前記フォトダイオードの受光領域を除く上面に樹脂層を形成する工程と、
    前記樹脂層に、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を形成する工程と、
    前記包囲溝を形成した前記樹脂層を有する前記基板を型に装填し、前記型内にモールド樹脂を充填して、前記フォトダイオードをモールド封止する工程と、
    を有する半導体装置の製造方法。
  2. 前記包囲溝を形成する工程では、
    径の異なる同心円状の前記包囲溝を複数形成する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記モールド樹脂を充填する前に、前記受光領域と前記包囲溝との上面を樹脂フィルムで被覆する請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記包囲溝を形成する工程では、
    前記包囲溝の周囲における前記基板の上面に、前記樹脂層を残存させる請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記樹脂層の材料としてポリイミド系樹脂を用いる請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. フォトダイオードが形成された基板と、
    前記フォトダイオードの受光領域を除く前記基板の上面に設けられた樹脂層と、
    上面に前記樹脂層が設けられた前記フォトダイオードを、前記受光領域を除いてモールド封止するモールド樹脂とを有し、
    前記樹脂層は、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を有する半導体装置。
  7. フォトダイオードを含む複数の半導体素子が形成された基板と、
    前記フォトダイオードの受光領域を除く前記基板の上面に設けられた樹脂層と、
    上面に前記樹脂層が設けられた前記半導体装置と前記フォトダイオードとを、前記受光領域を除いてモールド封止するモールド樹脂とを有し、
    前記樹脂層は、前記受光領域の外周を包囲する包囲溝を有する半導体装置。
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