JP2009246258A

JP2009246258A - 半導体装置および製造方法

Info

Publication number: JP2009246258A
Application number: JP2008093459A
Authority: JP
Inventors: Isao Sugaya; 功菅谷; Yusuke Taki; 優介瀧; Giichi Aoki; 義一青木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】放熱特性に優れた積層型の半導体装置。
【解決手段】電気的なを入出力を行うための端子を表面に有する複数の基板と、基板を相互に接着する樹脂母材および樹脂母材よりも高い熱伝導性を有する熱伝導材料を含む層間シートと、を厚さ方向に積層してなる。層間シートは、樹脂母材よりも熱伝導性が高い熱伝導材料を、基板に接触させることなく埋設された熱伝導領域を含んでもよい。また、高熱伝導材料は、金属またはカーボンナノチューブを含んでもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置および製造方法に関する。より詳細には、ウエハ等の基板を積層して形成された立体的な構造を有する積層型の半導体装置と、当該半導体装置を製造する製造方法とに関する。

各々に素子および回路が形成された基板を複数積層した積層型の半導体装置がある（特許文献１参照）積層型の半導体装置は、立体的な構造を採ることにより、実装面積を拡大することなく実効的な実装密度を向上させることができる。また、積層された基板相互の配線を短縮できるので、動作速度の向上にも寄与するといわれている。
特開平１１−２６１０００号公報

しかしながら、立体的な実装密度が高くなった場合、発熱源としての回路または素子の密度も高くなる。このため、積層構造の内部には熱分布が生じやすくなり、動作の安定性にも分布が生じがちになる。即ち、積層型半導体装置の安定した動作には、効率の高い放熱構造が求められる。

そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、電気的な入出力を行うための端子を表面に有する複数の基板と、基板を相互に接着する樹脂母材および樹脂母材よりも高い熱伝導性を有する熱伝導材料を含む層間シートと、を厚さ方向に積層してなる半導体装置が提供される。

また、本発明の第２の形態として、電気的な入出力を行うための端子を表面に有する複数の基板を用意する段階と、樹脂母材および樹脂母材よりも高い熱伝導性を有する熱伝導材料を各々が含む複数の層間シートを用意する段階と、基板および層間シートを交互に積層する段階と、層間シートの表面を複数の基板のいずれかに接着する段階とを含む半導体装置の製造方法が提供される。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決に必須であるとは限らない。

図１は、積層型半導体装置１００の構造を模式的に示す分解斜視図である。図示のように、積層型半導体装置１００は、交互に積層されたダイ１１０および層間シート１２０を有する。

ダイ１１０は、基板１１２およびその表面に形成された複数のパッド１１４を有する。基板１１２の表面には、パッド１１４の他に、素子、配線等を含む回路が形成されるが、その表面は絶縁される。従って、ダイ１１０は、パッド１１４を介して外部に電気的に接続され、電気信号、電力、接地等が入出力される。なお、パッド１１４は、基板１１２を表裏にわたって貫通して形成されたビアの端面である場合もある。

一方、層間シート１２０は、樹脂層１２２と、樹脂層１２２の一部に形成された導電領域１２４とを有する。樹脂層１２２は、非導電性の樹脂により形成される。導電領域１２４は、樹脂層１２２の材料に、金属等の導電材料を高濃度に分散して形成され、層間シート１２０の表裏にわたって形成される。

なお、樹脂層１２２を形成する材料としては、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用できる。また、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等を使用することもできる。更に、メチルメタアクリレート等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。

このように、層間シート１２０は、パッド１１４に対応する位置に導電領域１２４を有してよい。これにより、例えば互いに隣接して配置された二つのダイ１１０のうち一方のダイ１１０の各パッド１１４から他方のダイ１１０の各パッド１１４に電気信号を入力する場合、ダイ１１０相互のパッド１１４間に最短距離で信号経路を形成できるので、積層型半導体装置１００の動作速度を向上させることができる。

なお、図示の例では、パッド１１４および導電領域１２４が規則的なマトリックス状に配されているが、パッド１１４および導電領域１２４はこれに限定されるものではない。ただし、互いに隣接するダイ１１０および層間シート１２０の間では、パッド１１４および導電領域１２４は互いに対応する位置に配される。これにより、ダイ１１０および層間シート１２０を積層した場合に、パッド１１４および導電領域１２４は相互に接して、電気的に導通する。

このように、導電領域１２４は、層間シート１２０に設けた導電材料含む領域であってもよい。これにより、ダイ１１０上に形成された多数のパッド１１４を一括して接続できる。また、層間シート１２０により層間の電気的接続が形成されるので、パッド１１４を含む個々のダイ１１０の表面を平坦することができる。

図２は、積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。同図に示すように、積層型半導体装置１００は、交互に積層されたダイ１１０および層間シート１２０を含み、実装基板１３０の表面に実装される。

ダイ１１０は、パッド１１４が形成された領域に、基板１１２を表裏にわたって貫通して形成されたビアを有する。また、層間シート１２０に形成された導電領域１２４は、パッド１１４と同じ位置に配され、パッド１１４に接している。

これにより、パッド１１４および導電領域１２４が連結されて、全体の最上面から最下面まで電気的な経路が形成される。これにより、積層型半導体装置１００は、全体として大規模な半導体回路を形成する。

更に、層間シート１２０の各々は、樹脂層１２２の内部に埋設された、熱伝導領域１２６を有する。熱伝導領域１２６は、樹脂層１２２の材料に、当該樹脂層１２２を形成する樹脂よりも熱伝導性の高い金属、カーボンナノチューブ等を分散させて形成される。

これにより、熱伝導領域１２６は、樹脂層１２２を形成する樹脂よりも高い熱伝導性を有する。また、熱伝導領域１２６を含む層間シート１２０全体も、樹脂層１２２よりも高い熱伝導性を有するので、ダイ１１０の各々で発生した熱を効率よく伝播させる。このように、高熱伝導材料は、樹脂と、樹脂に分散された金属またはカーボンナノチューブとを含んでもよい。これにより、樹脂シートの熱伝導性を向上させることができる。

なお、熱伝導領域１２６は、厚さ方向について、層間シート１２０の樹脂層１２２の内部に埋設されている。従って、熱伝導領域１２６は、層間シート１２０の表面に露出しない。これにより、金属等の導電性材料を高密度に分散させて熱伝導領域１２６を形成した場合も、ダイ１１０の各々の回路を短絡させることが防止される。一方、相互に連続しない程度の密度であれば、金属等の導電性材料であっても、層間シート１２０全体に分散させることができる。これにより、層間シート１２０全体としての熱伝導性を向上される。

また、層間シート１２０の各々の外周部において、熱伝導領域１２６は、層間シート１２０の側面まで延在して露出する。これにより、熱伝導領域１２６に伝播した熱は、積層型半導体装置１００の側面から効率よく放散される。

このように、層間シート１２０は、樹脂層１２２よりも熱伝導性が高い熱伝導材料を、ダイ１１０に接触させることなく埋設された熱伝導領域１２６を含んでもよい。これにより、層間シート１２０の絶縁性を低下させることなく、層間シート１２０全体の熱伝導性を向上させることができる。

同様の理由で、熱伝導領域１２６は、層間シート１２０の面方向についても、導電領域１２４から離間して形成される。これにより金属等の導電性材料を用いて熱伝導領域１２６を形成した場合も、導電領域１２４を相互に短絡させることがない。

こうして、電気的な入出力を行うためのパッド１１４を表面に有する複数のダイ１１０と、熱伝導性が樹脂層１２２よりも高い熱伝導領域１２６を有して、表面および裏面を複数のダイ１１０のいずれかに接着された層間シート１２０とを厚さ方向に積層してなる積層型半導体装置１００が形成される。これにより、ダイ１１０相互の間が熱伝導性の高い層間シート１２０により結合されるので、積層型半導体装置１００全体の熱伝導性が高くなる。従って、積層型半導体装置１００の内部における熱分布が迅速に緩和されると共に、外部への放熱性も高くなる。

図３は、層間シート１２０の構造と製造方法を示す分解斜視図である。同図に示すように、層間シート１２０は、３層の樹脂フィルム１２１、１２３、１２５を積層して形成される。

上層および下層の樹脂フィルム１２１、１２５は、それぞれ、ダイ１１０のパッド１１４に対応する位置に導電領域１２４を有する。導電領域１２４は、樹脂フィルム１２１、１２５の表裏にわたって電気信号の導通が可能である。

内層の樹脂フィルム１２３は、導電領域１２４および熱伝導領域１２６を含む。導電領域１２４は、ダイ１１０のパッド１１４に対応する位置に配置され、樹脂フィルム１２１、１２５の表裏にわたって電気信号の導通が可能である。熱伝導領域１２６は、導電領域１２４から離間しつつ、樹脂フィルム１２３の全面に分布する。

上記のような樹脂フィルム１２１、１２３、１２５を積層することにより、図２に示した層構造を有する層間シート１２０が形成される。ただし、層間シート１２０の構造および製造方法が上記のようなラミネート構造に限定されるわけではない。

図４は、積層型半導体装置１００の製造方法のひとつを説明する図である。同図に示すように、複数のダイ１１０および層間シート１２０が個別に用意される。ダイ１１０は、例えばウェハプロセスにより製造された半導体チップであり得る。層間シート１２０は、ダイ１１０におけるパッド１１４の配置に応じて調製される。

積層型半導体装置１００は、ダイ１１０および層間シート１２０を交互に積み重ねた後に、例えば、加熱しつつ加圧するホットプレスにより相互に接着される。こうして、図２に示した層構造を有する積層型半導体装置１００が完成する。

なお、ダイ１１０および層間シート１２０の接着は、層間シート１２０自体の樹脂層１２２を、加熱あるいは溶剤の塗布により溶融あるいは軟化させる方法の他、いずれかの表面に接着剤を塗布する方法によってもよい。

こうして、電気的な入出力を行うためのパッド１１４を表面に有する複数のダイ１１０を用意する段階と、樹脂層１２２よりも高い熱伝導性を有する複数の層間シート１２０を用意する段階と、ダイ１１０および層間シート１２０を交互に積層する段階と、層間シート１２０の表面および裏面を複数のダイ１１０のいずれかに接着する段階とを含む積層型半導体装置１００の製造方法が実行される。これにより、均熱性および放熱性に優れた積層型半導体装置１００を製造できる。また、接着材を塗布または注入する場合と異なり、厚さが管理された層間シート１２０を用いてダイ１１０を接合するので、積層型半導体装置１００の内部に気泡、空房等が発生することが防止される。

図５は、層間シート１２０の他の形態を示す断面図である。なお、以下に説明する部分を除くと、この層間シート１２０は、図４までに示した層間シート１２０と共通の構造を有する。そこで、同じ構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

この層間シート１２０において、導電領域１２４は、その上面および下面において、樹脂層１２２の表面から隆起する。このように、導電領域１２４の厚さが、層間シート１２０における他の領域の厚さよりも厚い形状により、層間シート１２０をダイ１１０と積層した場合に、ダイ１１０のパッド１１４と導電領域１２４が強く押しつけられ、接触抵抗が低下する。

なお、このような用途に鑑みて、導電領域１２４に弾性を有する材料を用いてもよい。これにより、導電領域およびパッド１１４が良好に接触すると共に、厚い導電領域がダイ１１０および層間シート１２０の密着を妨げることがない。

このように、導電領域１２４は、層間シート１２０における他の領域によりも厚くてもよい。これにより、ダイ１１０のパッド１１４に対して導電領域１２４が強く押しつけられ、良好な電気的接続が形成される。

図６は、積層型半導体装置１００の他の製造方法における中間段階を示す図である。この図においても、他の図と同じ構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図示のように、この製造方法においては、ダイ１１０および層間シート１２０を積み重ねる段階に先立って、各々ひとつのダイ１１０および層間シート１２０を接着してダイシート複合体１４０を形成する段階が設けられる。ダイシート複合体１４０は、各々が、導電領域１２４および熱伝導領域１２６を有すると共に、接着材となる樹脂層１２２も有する。従って、所要枚数のダイシート複合体１４０を積層することにより、求められた仕様に応じた積層型半導体装置１００を製造できる。

このように、ダイ１１０および層間シート１２０を交互に積層する段階は、ダイ１１０のひとつに層間シート１２０のひとつを積層して、ダイシート複合体１４０を形成する手順と、ダイシート複合体１４０を積層する手順とを含んでもよい。これにより、薄い層間シート１２０をダイ１１０と共に取り扱うことができるので、ダイシート複合体１４０を積層する場合の位置合わせ等の作業が容易になる。

図７は、積層型半導体装置１００の他の構造を模式的に示す分解斜視図である。図示のように、積層型半導体装置１００は、交互に積層されたダイ１１０および層間シート１２０を有する。

ダイ１１０は、基板１１２およびその表面に形成された複数のパッド１１４を有する。基板１１２の表面には、パッド１１４の他に、素子、配線等を含む回路が形成されるが、その表面は絶縁される。従って、ダイ１１０は、パッド１１４を介して外部に電気的に接続される。また、パッド１１４は、基板１１２の表面から突出して形成される。

一方、層間シート１２０は、樹脂層１２２と、樹脂層１２２の一部に形成された貫通穴１２８とを有する。即ち、この層間シート１２０には、導電領域１２４は設けられていない。

図８は、図７に示した積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。同図に示すように、積層型半導体装置１００は、交互に積層されたダイ１１０および層間シート１２０を含む。

ダイ１１０は、パッド１１４が形成された領域に、基板１１２を表裏にわたって貫通して形成されたビアを有する。パッド１１４のうち、基板１１２から突出した部分は、層間シート１２０の貫通穴１２８に入り込んで、層間シート１２０に隣接するダイ１１０のパッド１１４に当接する。

これにより、ダイ１１０のパッド１１４が相互に連結されて、積層型半導体装置１００全体を貫通する電気的経路が形成される。パッド１１４を、例えば金属により形成することにより、電気的経路は良好な特性を有する。

このように、パッド１１４は、ダイ１１０から突出して形成され、層間シート１２０は、隣接するダイ１１０から突出した一対のパッド１１４を相互に当接させる貫通穴１２８を有してもよい。これにより、ダイ１１０相互のパッド１１４を直接に接合できるので、良好な電気的接続が得られる。

図９は、更に他の構造を有する積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。同図に示すように、積層型半導体装置１００は、交互に積層されたダイ１１０、１１１および層間シート１２０を含む。

ダイ１１０は、パッド１１４が形成された領域に、基板１１２を表裏にわたって貫通して形成されたビアを有する。ダイ１１１は、少なくとも上面に、ダイ１１１と同じ配置のパッド１１４を有する。また、ダイ１１０、１１１は、パッド１１４とは別の領域に、基板１１２を表裏にわたって貫通するサーマルビア１１９を有する。

層間シート１２０は、パッド１１４と同じ位置に配されて、パッド１１４に接した導電領域１２４を有する。また、層間シート１２０は、サーマルビア１１９と同じ位置に配されて、樹脂層１２２を表裏に貫通する熱伝導領域１２９を有する。熱伝導領域１２９は、層間シート１２０に埋設された熱伝導領域１２６と連続している。

これにより、パッド１１４および導電領域１２４により形成された電気的経路と、サーマルビア１１９および熱伝導領域１２６、１２９により形成された熱的経路とが、積層型半導体装置１００全体を貫通して形成される。従って、内部の熱を効率よく伝播させて、積層型半導体装置１００に形成される熱分布を効率よく緩和できる。

積層型半導体装置１００は、実装基板１３０に実装した場合に、ヒートシンク１５０を積装着してもよい。ヒートシンク１５０は、上面の他、側面まで回り込んで積層型半導体装置１００に対する接触面積を広げてもよい。また、サーマルビア１１９または熱伝導領域１２６、１２９をヒートシンク１５０の底面に密着させることにより、積層型半導体装置１００の内部で発生した熱を効率よく外部に放散させることができる。

なお、ダイ１１１は、例えばＭＰＵ、ＣＰＵ等と呼ばれるプロセッサであり、多くの場合、実装基板１３０の直近に実装される。この種のダイ１１１は、大きな熱源のひとつでもある。一方、ダイ１１０は、例えば記憶装置であり得、複数のダイ１１０により３Ｄ−ＤＲＡＭを形成して外部キャッシュ、共通キャッシュ等として使用できる。このように、積層型半導体装置１００は、互いに種類の異なるダイ１１０、１１１を混在させて形成することもできる。

図１０は、また更に他の構造を有する積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。同図に示すように、この積層型半導体装置１００は、図２に示した構造に加えて、積層型半導体装置１００全体を縦に貫通するサーマルビア１６０を有する。サーマルビア１６０は、ダイ１１０および層間シート１２０を積層して接着した後、積層型半導体装置１００全体を貫通して形成された貫通穴を金属等により埋めて形成される。

サーマルビア１６０は、ダイ１１０に形成された回路および層間シート１２０の導電領域１２４には接していない。しかしながら、サーマルビア１６０は、層間シート１２０の熱伝導領域１２６に接している。このような構造により、積層型半導体装置１００の内部で発生した熱を、熱伝導領域１２６およびサーマルビア１６０を介して効率よく拡散させることができる。

更に、積層型半導体装置１００を実装基板１３０に実装した場合に、実装基板１３０と反対の側にヒートシンク１５０を設けてもよい。サーマルビアの一端をヒートシンク１５０に当接させることにより、積層型半導体装置１００で発生した熱を効率よく外部に放散させることができる。

このように、ダイ１１０および層間シート１２０を厚さ方向に貫通した、樹脂層１２２よりも熱伝導性の高いサーマルビア１６０と、サーマルビア１６０に接触し且つ前記ダイ１１０に接することなく層間シート１２０に埋設された樹脂層１２２よりも熱伝導性が高い熱伝導材料を含む熱伝導領域１２６を有してもよい。これにより、サーマルビア１６０を介して、積層型半導体装置１００内部の熱を更に効率よく拡散させ、且つ、放熱することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

積層型半導体装置１００の構造を模式的に示す分解斜視図である。積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。層間シート１２０の製造方法を説明する分解斜視図である。積層型半導体装置１００の製造方法を説明する図である。層間シート１２０の他の形態を示す断面図である。積層型半導体装置１００の他の製造方法における中間段階を示す図である。積層型半導体装置１００の他の構造を模式的に示す分解斜視図である。他の構造を有する積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。更に他の構造を有する積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。また更に他の構造を有する積層型半導体装置１００の構造を示す断面図である。

符号の説明

１００積層型半導体装置、１１０、１１１ダイ、１１２基板、１１４パッド、１１９、１６０サーマルビア、１２０層間シート、１２１、１２３、１２５樹脂フィルム、１２２樹脂層、１２４導電領域、１２６、１２９熱伝導領域、１２８貫通穴、１３０実装基板、１４０ダイシート複合体、１５０ヒートシンク

Claims

電気的な入出力を行うための端子を表面に有する複数の基板と、
前記基板を相互に接着する樹脂母材および前記樹脂母材よりも高い熱伝導性を有する熱伝導材料を含む層間シートと、
を厚さ方向に積層してなる半導体装置。
前記熱伝導材料は、前記基板に接触することなく前記樹脂母材に埋設される請求項１に記載の半導体装置。
前記熱伝導材料は、金属またはカーボンナノチューブを含む請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記層間シートは、前記端子に対応する位置に導電領域を有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記導電領域は、前記層間シートに設けた導電材料を含む領域である請求項４に記載の半導体装置。
前記導電領域の厚さは、前記層間シートにおける他の領域の厚さよりも厚い請求項５に記載の半導体装置。
前記端子は、前記基板から突出して形成され、
前記層間シートは、隣接する基板から突出した一対の前記端子を相互に当接させる貫通穴を有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の半導体装置。
前記基板および前記層間シートを厚さ方向に貫通した、前記樹脂母材よりも熱伝導性の高いサーマルビアと、
前記サーマルビアに接触し且つ前記基板に接することなく、前記層間シートに埋設された前記樹脂母材よりも熱伝導性が高い熱伝導材料を含む熱伝導領域を有する
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の半導体装置。
電気的な入出力を行うための端子を表面に有する複数の基板を用意する段階と、
樹脂母材および前記樹脂母材よりも高い熱伝導性を有する熱伝導材料を各々が含む複数の層間シートを用意する段階と、
前記基板および前記層間シートを交互に積層する段階と、
前記層間シートの表面を前記複数の基板のいずれかに接着する段階と
を含む半導体装置の製造方法。
前記基板および前記層間シートを交互に積層する段階は、
前記基板のひとつに前記層間シートのひとつを積層して、基板シート複合体を形成する手順と、
前記基板シート複合体を積層する手順と
を含む請求項９に記載の製造方法。