JP2010080816A - 半導体素子および半導体素子の製造方法 - Google Patents

半導体素子および半導体素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削した場合に生じる基板の反りを防止でき、容易にダイシング処理を行うことができ、高集積でパッケージングされる半導体素子として好適な厚みの薄い半導体素子を提供する。
【解決手段】基板1表面上に形成された半導体素子構造と、前記半導体素子構造内に形成され、基板1を裏面側から研削することにより発生する前記基板1を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜6とを備えている半導体素子とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体素子および半導体素子の製造方法に関し、特に、基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削した場合に生じる基板の反りを防止できる半導体素子および半導体素子の製造方法に関する。
一般に、半導体素子を形成する場合には、基板上に種々なストレス(応力)を有する膜を積層することにより製造工程が進展する。しかし、半導体素子を形成する工程において、基板上に形成された膜のストレスなどに起因する基板の反りが大きい場合、基板を搬送する装置による搬送エラーが生じたり、露光時の寸法バラツキが大きくなったりするという問題が生じる。このような問題を解決する方法として、基板の裏面側に基板の反りを制御するための膜を形成しておき、この膜を除去するタイミングを選択したり、反りを制御するための膜の構造を最適化したりすることで、半導体素子を形成する各工程における基板の反り量をコントロールする方法がある。
また、最近、半導体素子を高集積でパッケージングするために、半導体素子の厚みを薄くすることが要求されている。この要求に対応する方法として、基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くする方法が挙げられる。
しかしながら、基板を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くした場合、研削後の基板が反ってしまって、研削後の基板を分割して複数のチップを形成するためのダイシング処理ができなくなり、パッケージングできなくなる場合があった。
ここで、基板を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くした場合に生じる基板の反りについて、例を挙げて説明する。図4は、従来の半導体素子の一例を示した図であり、図4(a)は、基板を裏面側から研削した後の半導体素子の全体の状態を示した斜視図であり、図4(b)は、図4(a)に示す半導体素子の一部のみを拡大して示した概略断面図である。
図4に示す半導体素子は、基板1上に、トランジスタ(図示略)、キャパシタ(図示略)、複数の配線(最上層の配線以外は図示略)などを含む半導体素子構造が形成されてなるものである。図4に示す半導体素子においては、図4(b)に示すように、半導体素子構造に含まれる最上層の配線2上に、酸化膜3とパッシベーション膜4と保護膜5とが下から順に積層されている。また、図4に示す半導体素子は、基板1の表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板1の裏面側が研削されることによって、厚みを薄くされたものである。
図4に示す半導体素子は、基板1の表面上に半導体素子構造を形成した後、基板1を裏面側から研削する方法によって製造される。ここで、図5を用いて、図4に示す半導体素子の反りについて説明する。図5(a)は、図4に示す半導体素子の製造工程において、基板の表面上に半導体素子構造を形成した段階の反りの状態を説明するための模式断面図であり、図5(b)は、基板を研削した後の半導体素子の反りの状態を説明するための模式断面図である。
図5(a)に示すように、図4に示す半導体素子の製造工程において基板1の表面上に半導体素子構造を形成し終えた段階では、基板1の反りは生じていない。しかし、図5(b)に示すように、基板1を研削した後の半導体素子は、基板1を裏面側から研削することにより発生した基板1を反らせるストレスにより、基板1の表面側が収縮したため、図4(a)に示すように、基板1の表面側を上として凹形状に大きく反っている。
特に、半導体素子を構成する基板1のストレスが大きい場合や、基板1を裏面側から研削することにより、基板1の反りを制御していた大きなストレスを有する膜を、基板1の一部とともに基板1の裏面から除去した場合には、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレスが大きくなりやすく、基板1の研削後に反りが発生しやすい。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削した場合に生じる基板の反りを防止でき、容易にダイシング処理を行うことができ、高集積でパッケージングされる半導体素子として好適な厚みの薄い半導体素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くしても、基板の反りが生じにくく、容易にダイシング処理を行うことができる厚みの薄い半導体素子を容易に製造できる半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記問題を解決するために鋭意検討を重ね、本発明を完成した。
本発明の半導体素子は、基板表面上に形成された半導体素子構造と、前記半導体素子構造内に形成され、前記基板を裏面側から研削することにより発生する前記基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜とを備えていることを特徴とする。
上記の半導体素子は、前記補償ストレス膜のストレスが、−200MPa〜−350MPaの範囲であるものとすることができる。
また、上記の半導体素子は、前記補償ストレス膜が、1.0μm〜2.0μmの厚みを有するものとすることができる。
また、上記の半導体素子においては、前記補償ストレス膜が、酸化膜を含むものとすることができる。
また、上記の半導体素子においては、前記半導体素子構造が、複数の配線を含むものであり、前記複数の配線のうち最上層の配線上に、パッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に設けられた保護膜とが配置され、前記補償ストレス膜が、前記最上層の配線と前記パッシベーション膜との間、または前記パッシベーション膜と前記保護膜との間に配置されているものとすることができる。
本発明の半導体素子の製造方法は、基板表面上に半導体素子構造を形成する工程と、前記基板を裏面側から研削する工程とを備え、前記半導体素子構造を形成する工程が、前記基板を前記裏面側から研削することにより発生する前記基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
上記の半導体素子の製造方法は、ストレスが−200MPa〜−350MPaの範囲となるように前記補償ストレス膜を形成することを特徴とする方法とすることができる。
また、上記の半導体素子の製造方法は、前記補償ストレス膜を、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成する方法とすることができる。
本発明の半導体素子は、前記半導体素子構造内に形成され、前記基板を裏面側から研削することにより発生する前記基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜を備えているので、基板を裏面側から研削することにより発生した基板を反らせるストレスが、補償ストレス膜の応力よって相殺されるものとなり、基板を裏面側から研削した場合に生じる基板の反りを防止できる。したがって、本発明の半導体素子は、容易にダイシング処理を行うことができ、高集積でパッケージングされる厚みの薄い好適な半導体素子となる。
また、本発明の半導体素子の製造方法は、半導体素子構造を形成する工程が、基板を裏面側から研削することにより発生する基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜を形成する工程を含む方法であるので、基板を裏面側から研削することにより発生する基板を反らせるストレスを、補償ストレス膜の応力よって相殺することができる。よって、本発明の半導体素子の製造方法によれば、基板表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くした場合に発生する基板の反りが生じにくく、容易にダイシング処理を行うことができる厚みの薄い半導体素子を容易に製造できる。
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の半導体素子の一例を示した図であり、図1(a)は、基板を裏面側から研削した後の半導体素子の全体の状態を示した斜視図であり、図1(b)は、図1(a)に示す半導体素子の一部のみを拡大して示した概略断面図である。
図1に示す半導体素子は、基板1の表面上に、トランジスタ(図示略)、キャパシタ(図示略)、複数の配線(最上層の配線以外は図示略)など半導体素子としての必要な部材を含む半導体素子構造が形成されているものである。また、図1に示す半導体素子を構成する半導体素子構造内には、図1(b)に示すように、補償ストレス膜6が形成されている。
図1に示す半導体素子は、基板1の表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板1の裏面側を研削することによって、厚みを薄くされたものである。また、図1に示す半導体素子は、図1(b)に示す補償ストレス膜6が設けられていない場合には、基板1を裏面側から研削することにより発生した基板1を反らせるストレス(引張応力)により、基板1の表面側が収縮して、基板1の表面側を上として凹形状に大きく反るものである。
本実施形態においては、図1(b)に示すように、半導体素子構造に含まれる複数の配線のうち最上層の配線2上に、酸化膜3と補償ストレス膜6とパッシベーション膜4と保護膜5とが下から順に積層されており、補償ストレス膜6が、最上層の配線2とパッシベーション膜4との間に配置されている。なお、補償ストレス膜6は、半導体素子構造内に形成されていればよく、補償ストレス膜6の配置は、最上層の配線2とパッシベーション膜4との間に限定されるものではなく、例えば、パッシベーション膜4と保護膜5との間に配置されていてもよい。
補償ストレス膜6は、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレス(引張応力)を補償するものである。補償ストレス膜6のストレスは、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレスに対応するように決定されるものであり、基板1の材質や厚み、半導体素子構造を構成する各部材の材質や厚みなどに応じて適宜変更される。本実施形態においては、補償ストレス膜6のストレスは、−200MPa〜−350MPaの範囲であることが好ましい。なお、本発明において、マイナス(−)のストレス(応力)とは、圧縮応力を意味している。
また、補償ストレス膜6は、1.0μm〜2.0μmの厚みを有するものであることが好ましい。補償ストレス膜6の厚みが上記範囲未満である場合、補償ストレス膜6による基板1を反らせるストレスを相殺する効果が十分に得られなくなる恐れがある。また、補償ストレス膜6の厚みが上記範囲を超える場合、半導体素子全体の厚みが厚くなり、高集積でパッケージングされる半導体素子として好適な厚みの薄い半導体素子になりにくくなる恐れがある。
また、補償ストレス膜6は、1層からなるものであってもよいが、2層以上積層されてなる多層構造であってもよい。本実施形態においては、補償ストレス膜6は、1層からなるものとされているが、酸化膜3および/またはパッシベーション膜4が補償ストレス膜6して機能するものとされている場合には、多層構造の補償ストレス膜を有するものとみなすことができる。補償ストレス膜6が、多層構造を有するものである場合、補償ストレス膜6が1層からなるものである場合と比較して、補償ストレス膜6を設けることによるストレスが分散されるので、補償ストレス膜6を設けることによるストレスが最上層の配線2に与える影響を小さくすることができるし、補償ストレス膜6のストレス量を、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレスに対応する量となるように高精度で制御できるため、基板1を裏面側から研削した場合に生じる基板1の反りをより効果的に防止できる。
また、補償ストレス膜6は、酸化膜を含むものであることが好ましく、具体的には、TEOS(テトラエトキシシラン)酸化膜、SiH酸化膜、HDP(高密度プラズマ)酸化膜、SiO膜から選ばれる1種または2種以上の酸化膜を含むものであることが好ましい。また、補償ストレス膜6は、プラズマCVD法によって形成された膜であることが好ましく、特に、プラズマCVD法によって形成されたTEOS酸化膜、SiH酸化膜、HDP酸化膜、SiO膜から選ばれる1種または2種以上の酸化膜を含むものであることが好ましい。
酸化膜3としては、特に限定されないが、例えば、SiO膜などからなるものとすることができ、プラズマCVD法によって形成された膜であることが好ましい。
また、酸化膜3の厚みは、80nm以下であることが好ましく、50nm以下であることがより好ましい。
また、酸化膜3は、補償ストレス膜6と同様に、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレス(例えば引張応力)を補償するストレス(例えば圧縮応力)を有するものとすることができる。この場合、酸化膜3を補償ストレス膜6とともに補償ストレス膜を構成する膜として機能させることができ、好ましい。本実施形態においては、酸化膜3のストレスをマイナス(−)にすることで、酸化膜3を補償ストレス膜として機能させることができ、酸化膜3のストレスを−100MPa程度とすることが好ましい。
パッシベーション膜4としては、特に限定されないが、SiON膜やSiN膜などからなるものとすることができ、プラズマCVD法によって形成された膜であることが好ましい。パッシベーション膜4が、プラズマCVD法によって形成されたSiON膜および/またはプラズマCVD法によって形成されたSiN膜を含むものである場合、補償ストレス膜6と同様に、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレス(例えば引張応力)を補償するストレス(例えば圧縮応力)を有するものとすることができる。この場合、パッシベーション膜4を補償ストレス膜6とともに補償ストレス膜を構成する膜として機能させることができ、好ましい。本実施形態においては、パッシベーション膜4のストレスをマイナス(−)にすることで、酸化膜3を補償ストレス膜として機能させることができる。
基板1としては、特に限定されないが、例えば、シリコン基板を用いることができる。
配線2としては、特に限定されないが、Alを含むものであることが好ましい。
保護膜5としては、特に限定されないが、例えば、厚み4〜9μmのポリイミド膜などを用いることができる。
図1に示す半導体素子を製造するには、まず、基板1の表面上に、トランジスタ(図示略)、キャパシタ(図示略)、複数の配線(最上層の配線以外は図示略)など半導体素子としての必要な部材と、補償ストレス膜6とを含む半導体素子構造を形成する。より詳細には、図3(a)に示すように、半導体素子構造に含まれる複数の配線のうち最上層の配線2までの各部材を形成した後、最上層の配線2上に、図3(b)に示すように、酸化膜3と補償ストレス膜6とを下から順に形成し、図1(b)に示すように、補償ストレス膜6上に、パッシベーション膜4と保護膜5とを下から順に形成する。
酸化膜3、補償ストレス膜6、パッシベーション膜4は、プラズマCVD法によって形成することが好ましい。酸化膜3、補償ストレス膜6、パッシベーション膜4をプラズマCVD法によって形成する場合、プラズマCVD法における高周波バイアス条件と低周波バイアス条件とを調整することによって、これらの膜のストレス量を任意にコントロールすることができる。本実施形態においては、プラズマCVD法によって、酸化膜3およびパッシベーション膜4がマイナスのストレスとなるように形成するとともに、補償ストレス膜6のストレスが−200MPa〜−350MPaの範囲となるように形成することが好ましい。
また、保護膜5は、ポリイミドを塗布する方法などにより形成される。
このようにして基板1の表面上に半導体素子構造を形成した後、基板1を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くすることにより、図1に示す半導体素子が得られる。このようにして得られた図1に示す半導体素子は、ダイシング処理されて、高集積でパッケージングされる。
ここで、図2を用いて、図1に示す半導体素子の反りについて説明する。図2(a)は、図1に示す半導体素子の製造工程において、基板の表面上に半導体素子構造を形成した段階の反りの状態を説明するための模式断面図であり、図2(b)は、基板を研削した後の半導体素子の反りの状態を説明するための模式断面図である。
ここで、図1に示す半導体素子の製造工程では、基板1の表面上に半導体素子構造を形成し終えた段階では、図2(a)に示すように、基板1の表面側を上として凸形状に反っている。図1に示す半導体素子は、補償ストレス膜6が設けられていない場合には、基板1を裏面側から研削することにより基板1の表面側を上として凹形状に反るものであるため、基板1を裏面側から研削する前の段階では、補償ストレス膜6のストレス(例えば圧縮応力)によって逆向きの反りが生じるようにされている。
そして、基板1を研削した後の半導体素子では、基板1を裏面側から研削することにより発生した基板1を反らせるストレス(例えば引張応力)により、基板1の表面側が収縮して補償ストレス膜6のストレス(例えば圧縮応力)が相殺され、図1(a)および図2(b)に示すように、基板1の表面側を上として凹形状に容易にダイシング処理できる程度にわずかに反っている。
本実施形態の半導体素子は、基板1の表面上に形成された半導体素子構造と、半導体素子構造内に形成され、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板1を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜6とを備えているので、基板1を裏面側から研削することにより発生した基板1を反らせるストレス(例えば引張応力)が、補償ストレス膜6のストレス(例えば圧縮応力)によって相殺される。したがって、本実施形態によれば、基板1を裏面側から研削した場合に生じる基板の反りを防止でき、容易にダイシング処理を行うことができ、高集積でパッケージングできる半導体素子を実現できる。
また、本実施形態の半導体素子において、補償ストレス膜6を1.0μm〜2.0μmの厚みを有するものとした場合には、補償ストレス膜6による基板1を反らせるストレスを相殺する効果が十分に得られ、なおかつ、高集積でパッケージングされる半導体素子として好適な厚みの薄い半導体素子となる。
また、本実施形態の半導体素子においては、半導体素子構造が、複数の配線を含むものであり、複数の配線のうち最上層の配線2上に、パッシベーション膜4と、パッシベーション膜4上に設けられた保護膜5とが配置され、補償ストレス膜6が、最上層の配線2とパッシベーション膜4との間に配置されているので、補償ストレス膜6によって半導体素子に付与されるストレスが、補償ストレス膜6を形成する工程までに行われるトランジスタやキャパシタを形成するための各工程に支障をきたす恐れがなく、好ましい。
また、本実施形態の半導体素子の製造方法は、基板1の表面上に半導体素子構造を形成する工程と、基板1を裏面側から研削する工程とを備え、半導体素子構造を形成する工程が、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜6を形成する工程を含む方法であるので、基板1を裏面側から研削することにより発生する基板を反らせるストレスを、補償ストレス膜6の応力よって相殺することができる。したがって、本実施形態の製造方法によれば、基板1表面上に半導体素子構造を形成した後に、基板1を裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くした場合に発生する基板1の反りが生じにくく、容易にダイシング処理を行うことができる厚みの薄い半導体素子を容易に製造できる。
なお、本実施形態においては、補償ストレス膜6が設けられていない場合に基板1の表面側を上として凹形状に反るものを例に挙げて説明したが、本発明は、補償ストレス膜6が設けられていない場合に基板の表面側を上として凸形状に反るものにおいても、補償ストレス膜のストレスを適宜変更することにより適用できる。
以下、実施例および比較例を示し、本発明を具体的に説明する。
「実施例1」
本発明の実施例である図1に示す半導体素子を、以下に示す製造方法により得た。
まず、直径300mm、厚さ750μmのシリコン基板からなる基板1を用意し、基板1の表面上に、トランジスタ、キャパシタ、複数の配線など半導体素子としての必要な部材と補償ストレス膜6とを含む半導体素子構造を形成した。
なお、半導体素子構造に含まれる複数の配線のうち最上層の配線2として、厚さ1.1μmのAl配線を形成し、最上層の配線2上に、酸化膜3として、低周波バイアスのパワーなどの成膜条件を調整したプラズマCVD法により、厚さ80nm、ストレスが−100MPaの補償ストレス膜として機能するSiO膜を成膜した。また、酸化膜3上に、補償ストレス膜6として、高周波バイアスを250Wとし、低周波バイアスを870WとしたプラズマCVD法により、厚さ1.5μm、ストレスが−250MPaのTEOS酸化膜を成膜し、補償ストレス膜6上にパッシベーション膜4として、プラズマCVD法により、厚さ500nmのSiN膜を成膜した。その後、パッシベーション膜4上にポリイミドを塗布することにより保護膜5を形成した。
ここで、基板1の表面上に半導体素子構造を形成し終えた段階の実施例1の半導体素子の反りを調べた。その結果、実施例1の半導体素子の反りは、基板1の表面側を上として凸形状に200μmであった。
続いて、表面上に半導体素子構造の形成された基板1を、基板1の厚さが50μmになるまで裏面側から研削して半導体素子の厚みを薄くした。
そして、基板1を研削した後に得られた実施例1の半導体素子の反り(図2(b)において符号hで示される寸法)を調べた。その結果、実施例1の半導体素子の反りは、基板1の表面側を上として凹形状に1cm程度であった。また、実施例1の半導体素子は、容易にダイシング処理を行うことができた。
「比較例1」
図4に示す従来の半導体素子を、以下に示す製造方法により得た。
すなわち、補償ストレス膜6を設けないこと以外は実施例1と同様にして比較例1の半導体素子を得た。
なお、比較例1では、基板1の表面上に半導体素子構造を形成し終えた段階の半導体素子に反りはなかった。
しかし、基板1を研削した後に得られた比較例1の半導体素子では、基板1の表面側を上として凹形状に4cm〜5cmの反り(図5(b)において符号hで示される寸法)が生じていた。そして、比較例1の半導体素子では、反りが大きいためにダイシング処理を行うことができなかった。
図1は、本発明の半導体素子の一例を示した図であり、図1(a)は、基板を裏面側から研削した後の半導体素子の全体の状態を示した斜視図であり、図1(b)は、図1(a)に示す半導体素子の一部のみを拡大して示した概略断面図である。 図2(a)は、図1に示す半導体素子の製造工程において、基板の表面上に半導体素子構造を形成した段階の反りの状態を説明するための模式断面図であり、図2(b)は、基板を研削した後の半導体素子の反りの状態を説明するための模式断面図である。 図3は、図1に示す半導体素子の製造工程を説明するための工程図である。 図4は、従来の半導体素子の一例を示した図であり、図4(a)は、基板を裏面側から研削した後の半導体素子の全体の状態を示した斜視図であり、図4(b)は、図4(a)に示す半導体素子の一部のみを拡大して示した概略断面図である。 図5(a)は、図4に示す半導体素子の製造工程において、基板の表面上に半導体素子構造を形成した段階の反りの状態を説明するための模式断面図であり、図5(b)は、基板を研削した後の半導体素子の反りの状態を説明するための模式断面図である。
符号の説明
1 基板
2 最上層の配線
3 酸化膜
4 パッシベーション膜
5 保護膜
6 補償ストレス膜

Claims (8)

  1. 基板表面上に形成された半導体素子構造と、
    前記半導体素子構造内に形成され、前記基板を裏面側から研削することにより発生する前記基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜とを備えていることを特徴とする半導体素子。
  2. 前記補償ストレス膜のストレスが、−200MPa〜−350MPaの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
  3. 前記補償ストレス膜が、1.0μm〜2.0μmの厚みを有するものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子。
  4. 前記補償ストレス膜が、酸化膜を含むものであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の半導体素子。
  5. 前記半導体素子構造が、複数の配線を含むものであり、前記複数の配線のうち最上層の配線上に、パッシベーション膜と、前記パッシベーション膜上に設けられた保護膜とが配置され、
    前記補償ストレス膜が、前記最上層の配線と前記パッシベーション膜との間、または前記パッシベーション膜と前記保護膜との間に配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の半導体素子。
  6. 基板表面上に半導体素子構造を形成する工程と、
    前記基板を裏面側から研削する工程とを備え、
    前記半導体素子構造を形成する工程が、前記基板を前記裏面側から研削することにより発生する前記基板を反らせるストレスを補償する補償ストレス膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  7. ストレスが−200MPa〜−350MPaの範囲となるように前記補償ストレス膜を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記補償ストレス膜を、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成することを特徴とする請求項6または請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
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