JP2010153756A

JP2010153756A - 半導体装置

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Publication number: JP2010153756A
Application number: JP2008333133A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Nakano; 高宏中野; Katsuki Uchiumi; 勝喜内海; Hikari Sano; 光佐野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP5146307B2

Abstract

【課題】応力集中に対して内部電極の断線、剥離および貫通電極の脱落が起こりにくい半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板１１を厚み方向に貫通して設けられた貫通電極１７と、半導体基板１１の第一の主面の貫通電極１７が到達する部分に設けられ、貫通電極１７と電気的に接続された内部電極１２と、内部電極１２の一部を除外して内部電極１２および前記第一の主面を覆う保護膜１３と、半導体基板１１の前記第一の主面とは反対側の第二の主面に設けられ、貫通電極１７と電気的に接続された金属配線１８とを備え、内部電極１２上において保護膜１３に複数の開口１４が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関するものである。

近年の電子機器では、電子機器の小型、薄型、軽量化、および高密度実装化を実現するため、ウェハ状態での組立加工プロセスであるウェハレベルＣＳＰ（チップサイズパッケージ）技術を用いた半導体装置が多く用いられてきている。

例えば、光学デバイスの中で代表的な固体撮像装置は、デジタルスチルカメラや携帯電話用カメラ、デジタルビデオカメラ等のデジタル映像機器の受光センサーとして用いられている。近年の映像機器の小型、薄型、軽量化、および高密度実装化を実現するために、この固体撮像装置には、ダイボンディングとワイヤーボンディングとによって装置内外の電気的接続を確保するセラミックタイプやプラスチックタイプのパッケージではなく、個片化前のウェハに対する組立加工において、貫通電極と再配線を形成することによって装置内外の電気的接続を確保するウェハレベルＣＳＰ技術が採用されてきている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照）。

図５は、従来のウェハレベルＣＳＰ構造を有する固体撮像装置の断面図である。
図５に示すように、従来の固体撮像装置１００Ａは、半導体基板１０１に形成され、半導体基板１０１の受光側表面である主面に複数のマイクロレンズ１０３が設けられた撮像領域１０２と、前記主面における撮像領域１０２の外周領域に形成された周辺回路領域１０４Ａと、周辺回路領域１０４Ａと接続された複数の電極部１０４Ｂとを含む固体撮像素子１００を備えている。

また、半導体基板１０１の主面側には、樹脂よりなる接着部材１０５を介して、例えば光学ガラス等よりなる透明基板１０６が形成されている。さらに、半導体基板１０１の内部には、半導体基板１０１を厚み方向に貫通する貫通電極１０７が設けられている。

半導体基板１０１の主面と対向する裏面には、貫通電極１０７を介して、周辺回路領域１０４Ａの複数の電極部１０４Ｂと接続する金属配線１０８が形成されており、金属配線１０８の一部を覆うと共に他の一部を露出する開口１１０を有する絶縁樹脂層１０９が形成されている。開口１１０には、例えば半田材料よりなる外部電極１１１が形成されている。

なお、固体撮像素子１００は、図示していない絶縁層によって、貫通電極１０７および金属配線１０８と電気的に絶縁されている。

以上説明したように、従来の固体撮像装置１００Ａでは、複数の電極部１０４Ｂが、貫通電極１０７を介して金属配線１０８と電気的に接続されており、さらに、金属配線１０８を介して外部電極１１１と電気的に接続されており、受光信号の取り出しが可能となる。

上記従来の固体撮像装置１００Ａは、例えば次のような工程により製造される。

（工程１）まず、上述の構造を有する固体撮像素子１００を複数個、公知の方法でウェハに形成する。複数の固体撮像素子１００が形成されたウェハに、樹脂層よりなる接着部材１０５を介して、例えば光学ガラス等よりなるウェハと同形状の透明基板１０６を貼付ける。

（工程２）次に、ドライエッチングやウェットエッチング等を用いて、裏面側から半導体基板１０１を貫通して周辺回路領域１０４Ａの複数の電極部１０４Ｂを露出させる貫通孔を形成する。その後、該貫通孔に導電材料を埋め込むことで、受光信号の取り出しを行う複数の電極部１０４Ｂと接続する貫通電極１０７を形成する。

（工程３）次に、電解めっき法により、固体撮像素子１００の裏面上に、貫通電極１０７と電気的に接続する金属配線１０８を形成する。

（工程４）次に、固体撮像素子１００の裏面上に、金属配線１０８を覆うように絶縁樹脂層１０９を形成する。一般的には、絶縁樹脂層１０９として感光性樹脂を用い、スピンコート又はドライフィルム貼付けによって絶縁樹脂層１０９を形成する。

（工程５）続いて、フォトリソグラフィ技術（露光および現像）を用いて、絶縁樹脂層１０９を選択的に除去することにより、金属配線１０８の一部を露出する開口１１０を形成する。

（工程６）続いて、開口１１０に、フラックスを用いた半田ボール搭載法又は半田ペースト印刷法により、金属配線１０８と電気的に接続する例えば半田材料よりなる外部電極１１１を形成する。

（工程７）最後に、例えばダイシングソー等の切削工具を用いて、固体撮像素子１００、接着部材１０５、透明基板１０６、および絶縁樹脂層１０９を一括して切断することにより、ウェハを複数の図５に示す固体撮像装置１００Ａへ個片化する。

上述の固体撮像装置は、ウェハレベルＣＳＰ技術によって、電子機器の小型、薄型、軽量化、および高密度実装化に貢献できる反面、貫通電極１０７が形成された後の工程でかかる熱ストレスや、固体撮像装置の実際の使用環境でかかる熱等の環境負荷ストレスによって、貫通電極１０７から電極部１０４Ｂに対して応力集中が発生し、電極部１０４Ｂの断線、剥離による接続不良発生および信頼性低下、また貫通電極の脱落（抜け落ち）が発生しやすいという課題を有している。

具体的には、貫通電極１０７と電極部１０４Ｂとの熱膨張率の違いから、温度変化に応じて電極部１０４Ｂと貫通電極１０７との接続面の端部（円周部）に特に大きな応力（熱ストレス）が集中し、電極部１０４Ｂの破断、剥離が発生することがある。

そこで、このような集中応力に対する対策を講じた別の固体撮像装置が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。

この固体撮像装置では、図５に示す貫通電極１０７と接続された電極部１０４Ｂの表面全体を覆うように、無機系の絶縁材料からなる保護膜（図示せず）を形成することによって、温度変化時に発生する貫通電極１０７から電極部１０４Ｂへの応力集中による電極部１０４Ｂの断線、剥離等の接続不良の発生の防止を図っている。
特開２００４−２０７４６１号公報特開２００７−１２３９０９号公報特開２００８−１４０８１９号公報

しかしながら、前述のようにして電極部１０４Ｂの耐性の強化を図った固体撮像装置においても、依然として電極部１０４Ｂの破断、剥離が発生することがある。

具体的には、前述の構成において保護膜として用いる無機系の絶縁材料自体が比較的硬いため、そのような保護膜で電極部１０４Ｂの表面上を全て覆った構成では、電極部１０４Ｂへの応力集中の発生時に、保護膜もろとも電極部１０４Ｂが破断、剥離することがあり、集中応力に対する対策としては必ずしも十分ではない。

そこで本発明は、貫通電極１０７から電極部１０４Ｂへの応力集中に対する電極部１０４Ｂの破断、剥離耐性をさらに強化し、接続不良発生および信頼性低下を防止するとともに、貫通電極の脱落（抜け落ち）を防止する半導体装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板を厚み方向に貫通して設けられた貫通電極と、前記半導体基板の第一の主面の前記貫通電極が到達する部分に設けられ、前記貫通電極と電気的に接続された内部電極と、前記内部電極の一部を除外して前記内部電極および前記第一の主面を覆う保護膜と、前記半導体基板の前記第一の主面とは反対側の第二の主面に設けられ、前記貫通電極と電気的に接続された金属配線とを備え、前記内部電極上において前記保護膜に複数の開口が設けられている。

また、前記複数の開口は、前記貫通電極が前記内部電極に接する領域よりも外側に設けられていてもよい。

また、前記複数の開口の形状は円形であってもよい。また、前記複数の開口の形状は多角形であってもよく、前記多角形のコーナー部は曲線形状を有してもよい。また、前記複数の開口は円弧状の輪郭を有してもよい。

また、１つの内部電極上において、前記保護膜の前記開口は少なくとも２箇所以上あってもよい。

さらに、前記内部電極上において、前記保護膜上にもう１つの保護膜が設けられていてもよく、前記もう１つの保護膜は、前記開口を介して前記内部電極と接していてもよい。前記もう１つの保護膜は、有機材料からなってもよく、また無機材料からなってもよい。

前記半導体装置は、さらに、前記金属配線の一部を除外して前記第二の主面を覆う絶縁層を備えてもよく、また、さらに、前記金属配線の前記絶縁層で覆われていない部分に設けられ、前記金属配線と電気的に接続された外部電極を備えてもよい。

本発明は、このような半導体装置として実現できるだけでなく、このような半導体装置の金属配線または外部電極を、配線基板の表面に設けられた配線に電気的に接続してなる電子機器として実現することもできる。

本発明によると、貫通電極形成後の後工程でかかる熱ストレスや、半導体装置の実際の使用環境でかかる熱等の環境負荷ストレスによって、貫通電極から電極部に対して応力集中が発生した場合において、電極部の断線、剥離による接続不良発生を防止するとともに、貫通電極への応力集中発生時においても、貫通電極の脱落（抜け落ち）を防止し、高い接続信頼性を確保することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置について説明する。

（半導体装置の構造）
まず、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構造を示す断面図である。
本発明の一実施形態に係る半導体装置１０は、図１に示すように、半導体基板１１の図面上方の主面（以下、表面と言う）に設けられた、ＡｌまたはＣｕ等の金属を主材料として形成された内部電極１２と、内部電極１２上の一部を除外して半導体基板１１の表面を覆う保護膜１３とを備える。ここで、保護膜１３は、一般的にパッシベーションと呼ばれ、ＳｉＮ等の無機材料から成る。

また、半導体装置１０は、半導体基板１１を厚み方向に貫通して内部電極１２の裏面に到達し、内部電極１２と電気的に接続された貫通電極１７と、半導体基板１１の図面下方の主面（以下、裏面と言う）に設けられ、貫通電極１７と電気的に接続された金属配線１８と、前記半導体基板の図面下方の主面（以下、裏面と言う）に設けられ、貫通電極１７と電気的に接続された金属配線１８と、金属配線１８の一部を除外して半導体基板１１の裏面を覆う絶縁層１９とを備える。

貫通電極１７は、半導体基板１１に予め設けられる図示しない貫通孔の内壁（すなわち、半導体基板１１および内部電極１２の、貫通孔内へ向かう面）を、例えばＣｕまたはＣｕを主体とする金属材料でめっきするか、または、貫通孔に導電性ペーストを充填することによって形成される。貫通孔の深さは、一般的な例として１０μｍ〜３００μｍである。貫通電極１７は、貫通孔を充填するように形成されてもよく、また、貫通孔の内壁をほぼ一定の厚みで這う膜状に形成されてもよい。

金属配線１８は、半導体基板１１の裏面を、例えばＣｕまたはＣｕを主体とする金属材料でめっきすることによって形成される。金属配線１８の厚みは、５μｍ〜２０μｍが望ましい。

金属配線１８の絶縁層１９で覆われていない部分には、金属配線１８と電気的に接続するように、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ組成の鉛フリー半田材料よりなる外部電極２０が形成されている。

さらに、半導体基板１１の表面上には保護膜１３および接着層２１を介して、例えば光学ガラスやサポートガラス等よりなる透明基板２２が形成されている。

ここで、接着層２１は、図１に示す半導体装置１０のように、半導体基板１１、保護膜１３の表面上を覆うように形成されてもよいし、透明基板２２との間に中空を有するキャビティ構造であってもよい。

接着層２１および透明基板２２の構造および材料は、半導体基板１１の電気特性向上または半導体基板１１の強度補強等の目的に応じて適宜選択される。

なお、透明基板２２は、主に本発明の半導体装置を光学デバイスに適用する場合、および、半導体基板１１の強度補強を目的とした補強板として適用する場合に特に有効であるが、最終構造として必須の構成要素ではなく、用途によっては無くてもかまわない。

このように、内部電極１２と外部電極２０とが、貫通電極１７および金属配線１８を介して電気的に接続されているために、内部電極１２、貫通電極１７、金属配線１８、および外部電極２０を介して、半導体装置１０の内外での電気信号のやり取りが可能となる。なお、半導体基板１１は、図示していないＳｉＯ₂等の絶縁膜によって、貫通電極１７および金属配線１８と電気的に絶縁されている。
（主要部の詳細な構造）
次に、図２〜図４を用いて、半導体装置１０の主要部である保護膜１３の具体的な形状について説明する。説明の便宜上、以下では、内部電極１２上の一部において保護膜１３が設けられない部分を開口１４と呼ぶ。

図２は、開口１４の具体的な形状の一例を示す上面図および側面図である。
図２では、４個の開口１４が、貫通電極１７が内部電極１２の裏面に接する領域である接続領域２４よりも外側に（つまり、上面視で接続領域２４を取り囲む位置に）設けられ、開口１４はそれぞれ長方形の形状を有している。なお、図２の上面図では、見易さのため、接着層２１の図示を省略している。

この構造により、本実施形態に係る半導体装置１０において、貫通電極１７形成後の工程でかかる熱ストレスや、半導体装置１０の実際の使用環境でかかる熱や外部応力等の環境負荷ストレスによって、接続領域２４に応力集中が発生した場合でも、内部電極１２の変形を抑え、内部電極１２の断線、クラック、剥離等の発生を防止することできる。

具体的には、接続領域２４の外周部分に最も大きな応力集中が発生するため、この部分は必ず覆うように保護膜１３を形成することによって、内部電極１２を補強する。そして、保護膜１３に開口１４を設けることによって、開口１４で内部電極１２に対する応力集中の緩和、および内部電極１２の変形による発生応力の緩和を可能とし、より確実に内部電極１２の断線、クラック、剥離等の発生を防止する。

さらには、半導体装置１０の実際の使用環境でかかる熱や外部応力等の環境負荷ストレスによって、貫通電極１７や金属配線１８等に、貫通電極１７を半導体基板１１の裏面方向へ引き抜く応力が発生した場合でも、開口１４以外の領域において保護膜１３と内部電極１２とを密着させているため、貫通電極１７の脱落（抜け落ち）を防止し、高い接続信頼性を確保することが可能となる。

図３（Ａ）〜図３（Ｄ）は、開口１４の具体的な形状の他の例を示す上面図である。
図３（Ａ）に示す開口１４では、図２に示す開口１４の形状である長方形のコーナー部を曲線形状に変更することで、開口１４のコーナー部にかかる応力集中をより緩和した形状としている。

図３（Ｂ）では、図３（Ａ）よりも開口１４の一つのサイズを小さく分割し、開口１４の合計面積と、開口１４間に存在する保護膜１３の合計面積の比率を１に近づけることによって、応力緩和に対する効果と、保護膜１３としての補強の効果（貫通電極１７の脱落防止）のバランス確保を図っている。

なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示される開口１４の形状を楕円形や円形としてもよい。その場合も、コーナー部を曲線形状に変更した長方形と同等の効果を得ることができる。

図３（Ｃ）では、開口１４の輪郭の一部を、貫通電極１７に沿うような円弧状としている。これにより、最も応力が集中する接続領域２４の外周部分において、より効果的な応力緩和効果を発揮することができる。

図３（Ｄ）では、図３（Ｃ）よりも開口１４の一つのサイズを小さく分割し、開口１４の合計面積と、開口１４間に存在する保護膜１３の合計面積の比率を１に近づけることによって、応力緩和に対する効果と、保護膜１３としての補強の効果（貫通電極１７の脱落防止）のバランス確保を図っている。

以下では、変形例として、前述の半導体装置１０とは主要部の構成が異なる半導体装置について説明する。

図４は、半導体装置１０の変形例に係る主要部の構造を示す断面図である。図４の半導体装置では、内部電極１２上に、保護膜１３を介してもう１つの保護膜２３が形成されており、内部電極１２と保護膜２３とは開口１４において直接的に接続されている。

このため、図４の半導体装置では、図２および図３に示す構造よりも補強効果を高めることができる。また、保護膜２３には、有機材料および無機材料のいずれを用いることもできる。保護膜２３に、有機材料として低弾性樹脂等を用いた場合には、補強効果および応力緩和効果をより高めることができる。

以上のように、図１〜図４に示した半導体装置１０において、開口１４を持った保護膜１３を形成し、さらには保護膜１３とは異なる保護膜２３も形成する。これにより、貫通電極１７形成後の工程でかかる熱ストレスや、半導体装置１０の実際の使用環境でかかる熱や外部応力等の環境負荷ストレスによって、貫通電極１７と内部電極１２との接続部分に応力集中が発生した場合でも、内部電極１２の変形を抑え、内部電極１２の断線、クラック、剥離等の発生を防止する。また、貫通電極１７や金属配線１８等に、貫通電極１７を半導体基板１１の裏面方向へ引き抜く応力が発生した場合でも、貫通電極１７の脱落（抜け落ち）を防止し、高い接続信頼性を確保することが可能となる。

すなわち、本発明の半導体装置によれば、内部電極に設けられる保護膜の特徴的な形状によって、ウェハレベルＣＳＰで、かつ応力集中に対する耐性強度が高い半導体装置が実現されるので、各種電子機器の小型、薄型、軽量化および性能向上に貢献できる。

本発明の半導体装置は、光学デバイス（固体撮像素子をはじめ、フォトダイオード、レーザーモジュール等の各種半導体装置や各種モジュール）に特に好適であり、さらに、他のＬＳＩ、メモリ、縦型デバイス（ダイオード、トランジスタ等）、インターポーザ等のあらゆる半導体装置にも好適である。

本発明の一実施形態にかかる半導体装置の構造の一例を示す断面図である。半導体装置の主要部の構造の一例を示す上面図および断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）半導体装置の保護膜の形状の一例を示す上面図である。半導体装置の主要部の構造の他の一例を示す断面図である。従来の固体撮像装置の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０半導体装置
１１半導体基板
１２内部電極
１３保護膜
１４開口
１７貫通電極
１８金属配線
１９絶縁層
２０外部電極
２１接着層
２２透明基板
２３保護膜
２４接続領域
１００固体撮像素子
１００Ａ固体撮像装置
１０１半導体基板
１０２撮像領域
１０３マイクロレンズ
１０４Ａ周辺回路領域
１０４Ｂ電極部
１０５接着部材
１０６透明基板
１０７貫通電極
１０８金属配線
１０９絶縁樹脂層
１１０開口
１１１外部電極

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板を厚み方向に貫通して設けられた貫通電極と、
前記半導体基板の第一の主面の前記貫通電極が到達する部分に設けられ、前記貫通電極と電気的に接続された内部電極と、
前記内部電極の一部を除外して前記内部電極および前記第一の主面を覆う保護膜と、
前記半導体基板の前記第一の主面とは反対側の第二の主面に設けられ、前記貫通電極と電気的に接続された金属配線と
を備え、
前記内部電極上において前記保護膜に複数の開口が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。
前記複数の開口は、前記貫通電極が前記内部電極に接する領域よりも外側に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記複数の開口の形状は円形である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記複数の開口の形状は多角形である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記多角形のコーナー部は曲線形状を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記複数の開口は円弧状の輪郭を有する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体装置。
１つの前記内部電極上において、前記保護膜の前記開口は少なくとも２箇所以上ある
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体装置。
さらに、前記内部電極上において、前記保護膜上にもう１つの保護膜が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体装置。
前記もう１つの保護膜は、前記開口を介して前記内部電極と接している
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記もう１つの保護膜は有機材料からなる
ことを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置。
前記もう１つの保護膜は無機材料からなる
ことを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置。
さらに、前記金属配線の一部を除外して前記第二の主面を覆う絶縁層を備える
ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の半導体装置。
さらに、前記金属配線の前記絶縁層で覆われていない部分に設けられ、前記金属配線と電気的に接続された外部電極を備える
ことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置の前記金属配線または前記外部電極を、配線基板の表面に設けられた配線に電気的に接続してなる電子機器。