JP2012004329A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 デバイスを破壊するおそれなしにアンダーフィル材の充填を容易にする。
【解決手段】 半導体装置の製造方法は、第１の基体１１と第２の基体１２の間に充填される充填材１６に対して親和性を示す被覆層１５を、第１の基体及び第２の基体の互いに対向する面の少なくとも一方の面上に形成し、その後、第１の基体と第２の基体との間に充填材を充填する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、アンダーフィル充填工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
実装基板上に半導体チップを搭載した半導体装置、あるいは複数の半導体チップを積層した半導体装置では、バンプ保護、接続強度向上及び耐湿性向上等を目的として、基板と半導体チップとの間あるいは半導体チップ同士の間に、アンダーフィルと呼ばれる樹脂材料が充填され、硬化されている。
一般に、アンダーフィル材（充填材）の充填には、毛細管現象を利用するサイドフィル法が用いられる。しかし、半導体装置の高集積化とともに、基板と半導体チップとの間あるいは半導体チップ同士の間の隙間は狭くなり、それに伴って、充填に時間が掛かる、充填された樹脂中にボイドが発生する、充填が途中で停止するなどの問題が生じるようになってきた。
これらの問題を解決する方法として、特許文献１には、実装基板と半導体チップとの間にアンダーフィル材を充填する前に、半導体チップもしくは実装基板の少なくとも一つの表面をＮ２ガスでプラズマ処理することが記載されている。この方法によれば、エポキシ系アンダーフィル材とパッシベーション膜との接触角が小さくなり、即ち、アンダーフィル材のパッシベーション膜に対する濡れ性がよくなり、その結果、アンダーフィル材の充填特性がよくなるとされている。
特開２００７−５９４４１号公報
しかしながら、特許文献１に記載されているようなプラズマ処理は、半導体チップ内のデバイスを破壊するおそれがあるという問題点がある。
詳述すると、半導体チップの表面には、内部の貫通電極に接続される導電性のバンプが多数形成されている。これらのバンプは、プラズマに曝されるとアンテナの役目を果たし、プラズマ中の電荷を収集する。バンプにより収集された電荷は、バンプに接続された貫通電極を通して半導体チップ内のデバイスに流れ込む。大量の電荷がデバイスに流れ込むと、そのデバイスは破壊に至る。このように、半導体チップに対するプラズマ処理は、半導体チップ内のデバイスを破壊するおそれがあるという問題点がある。
本発明の一実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、第１の基体と第２の基体の間に充填される充填材に対して親和性を示す被覆層を、前記第１の基体及び前記第２の基体の互いに対向する面の少なくとも一方の面上に形成し、その後、前記第１の基体と前記第２の基体との間に前記充填材を充填する、ことを特徴とする。
本発明によれば、第１の基体及び第２の基体の互いに対向する面の少なくとも一方の面上に、これら基体間に充填される充填材に対して親和性を示す被覆層を予め形成するようにしたことで、半導体チップを破壊するおそれなしに、第１の基体及び第２の基体の表面の少なくとも一方の樹脂材料に対する濡れ性を向上させることができる。
（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法により形成される被覆層のモデルを示す図である。 被覆層の形成に用いることができるＣＶＤ装置の概略構成を示す図である。 被覆層の形成に用いることができる超臨界成膜装置の概略構成を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置のアンダーフィル充填前の状態を示す図、（ｂ）は、同半導体装置のアンダーフィルが充填された状態を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の原理について説明する。
アンダーフィルの充填に用いられるサイドフィル法は、毛細管現象を利用する。毛細管現象は、下記の一般式で表されるように、毛細管に浸み込む液体の表面張力と同液体に対する壁面のぬれ性を起動力として起こる（管状物体の内側の液体が上昇する場合）。
ｈ＝２Ｔcosθ／ρｇｒ
ｈ：液面の上昇高さ、Ｔ：表面張力、θ：接触角（ぬれ性のパラメータ）、ρ：液体の密度、ｇ：重力加速度、ｒ：管の内径。
上記式から明らかなように、ぬれ性のパラメータである接触角を小さくすることにより、毛細管現象によって生じる液面の上昇高さｈを大きくすることができる。つまり、アンダーフィルに用いられる樹脂材料に対する半導体チップや実装基板の表面のぬれ性を改善することにより、アンダーフィル材（充填材）の充填を容易にすることができる。そこで、本発明では、アンダーフィル材を充填する前に、半導体チップや実装基板の表面に、アンダーフィル材に対して親和性を示す部位を持つ被腹膜を形成しておくことで、ぬれ性を向上させる。
次に、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、第１の基体１１の上に第２の基体１２を設置する。第１の基体１１と第２の基体１２との間には、アンダーフィル材を充填する空間１３が形成される。ここで、第１の基体１１は、例えば実装基板、第２の基体１２は、例えば、実装基板上に搭載される半導体チップである。実装基板と半導体チップとの間には、これらの間を電気的に接続する複数のバンプ１４が存在する。バンプ１４の存在により、実装基板と半導体チップとの間には、アンダーフィル材を充填すべき空間１３が形成される。
次に、図１（ｂ）に示すように、空間１３に露出する面にアンダーフィル材に対して親和性を示す部位を持つ被覆層１５を形成（コーティング）する。被覆層１５は、分子層または薄膜であってよい。被覆層１５の形成は、蒸着法、ＣＶＤ法、超臨界成膜法など、種々の形成方法を用いることができる。
図２に、被覆層１５を構成する分子層のモデル図を示す。図示のように、形成される被覆層１５は、第１の基体１１または第２の基体１２の表面に対して親和性を持つあるいは結合する部位２１とアンダーフィル材に対して親和性を持つあるいは結合する部位２２を有していることが望ましい。
次に、図１（ｃ）及び（ｄ）に示すように、第１の基体１１と第２の基体１２との間の空間１３に、サイドフィル法によりアンダーフィル材（樹脂材料）１６を充填する。
空間１３に露出する表面には、アンダーフィル材１６に対して親和性を持つ被覆層１５が形成されているので、アンダーフィル材１６は、速やかにあるいは容易に空間１３内に浸み込んでいく。つまり、被覆層１５が設けられていない場合にアンダーフィル材１６の浸み込みが困難となる程度に、第１の基体１１と第２の基体１２の隙間が狭い場合であっても、本実施例では容易にアンダーフィル材１６が浸み込んでいく。また、第１の基体１１または第２の基体１２の表面がアンダーフィル材１６と相性の悪い（ぬれ性の低い）材質の場合であっても、ボイドの発生が防止または抑制される。
最後に、アンダーフィル材１６を加熱して固化させる。
以上のようにして、第１の基体１１上に第２の基体１２が搭載され、それらの間にアンダーフィルが充填された半導体装置が得られる。なお、アンダーフィル材としては、硬化剤を混合したエポキシ樹脂を用いることができる。また、被覆層１５としては、硬化剤が混合されていないエポキシ樹脂の他、ポリイミドを用いることができる。被覆層１５の成分は、第１の基体及び第２の基体の表面の材質と、アンダーフィル材の組成を考慮して決定される。被覆層１５の材料として、第１の基体及び第２の基体に対して親和性を持つ部位と、アンダーフィル材に対して親和性を持つ部位とを備えるものが選択される。
次に、図３を参照して、被覆層１５の形成についてさらに詳細に説明する。ここでは、ＣＶＤ法を用い、被覆層１５としてポリイミド膜を形成する場合について説明する。
図３に示すように、ＣＶＤ装置は、真空チャンバー３１、ロードロック系３２、排気系３３、及びヒーター３４を備えている。また、真空チャンバー３１内に、それぞれがヒーターを備える試料保持部３５及び原料気化部３６を備えている。
ロードロック系３２を通じて処理対象となる基体３７を真空チャンバー３１内に導入し、試料保持部３５に保持させる。ここでいう基体３７は、第１の基体１１または第２の基体１２、あるいは第１の基体１１上に第２の基体１２を搭載した構造体であってよい。即ち、被覆層１５の形成は、第１の基体１１の上に第２の基体１２を搭載する前後のいずれにおいて行ってもよい。また、必ずしも第１の基体１１と第２の基体の互いに対向する面の両方に被覆層１５を形成する必要はなく、アンダーフィル材との相性（ぬれ性）が悪い方の面に対して行うようにしてもよい。
また、被覆層１５の原料となるＰＭＤＡ（ピロメリット酸二無水和物：Pyromellitic Dianhydride）及びＯＤＡ（４，４’−ジアミノジフェニルエーテル：4,4'-oxydianiline）を２つの原料気化部３６にそれぞれセットする。
次に、真空チャンバー３１内の圧力が１×１０−４〜１×１０−３Ｐａ程度、例えば、２×１０−４Ｐａになるように排気系３３により排気する。また、試料保持部３５が備えるヒーターにより、基体３７を任意の温度に加熱する。基体３７の温度は、室温から１８０℃程度の間であってよく、好ましくは１６０〜１８０℃である。
次に、原料気化部３６が備えるヒーターにより、ＰＭＤＡ及びＯＤＡを、それぞれ、例えば１６０〜１８０℃に加熱し気化させる。気化したＰＭＤＡ及びＯＤＡは、基体３７の表面上で互いに反応し、ＰＭＤＡ＋ＯＤＡ→ＰＡＡ（ポリアミド酸：Polyamic acid）となる。この状態を数分間継続することにより、基体３７の表面上には厚さ数〜数十ｎｍのＰＡＡ膜が形成される。
基体３７が第１の基体１１上に第２の基体１２を搭載した構造体である場合、気化したＰＭＤＡ及びＯＤＡは、第１の基体１１と第２の基体１２の間の隙間（即ち、空間１３）にも進入し、それらの表面にＰＡＡ膜を形成する。
以上のようにして形成されたＰＡＡ膜を３００℃程度に加熱する（イミド化熱を加える）ことにより、ＰＡＡ膜はＰＩ（ポリイミド）に変化する。ＰＡＡ膜の加熱は、真空中のみならず、空気雰囲気中や窒素雰囲気中で行ってもよい。こうして、ポリイミドからなる被膜層１５が形成される。
なお、上記説明では、ＰＭＤＡとＯＤＡを化学反応させる例について説明したが、化学反応を用いることなく被覆層１５を形成してもよい。例えば、上記と同様の方法によってＰＭＤＡを気化させて、ＰＭＤＡの層を基体３７表面に形成するようにしてもよい。同様に、他の有機系の材料、例えば、エポキシ樹脂を気化させてその分子層あるいは薄膜を基体３７表面に形成するようにしてもよい。いずれの場合も、基体３７が第１の基体１１と第２の基体１２からなる構造体である場合、気化させた被覆層１５の材料は、それらの間の隙間にまで進入し、露出面に被覆層１５を形成する。
また、超臨界成膜法を用いて被覆層１５を形成してもよい。以下、図４を参照して超臨界成膜法により被覆層１５を形成する方法について説明する。
図４に示すように、超臨界成膜装置は、成膜チャンバー４１、ヒーター４２、背圧調整器４３、送液ポンプ４４，４５，４６及び熱交換器４７を備えている。成膜チャンバー４１は、基体４８を導入した後、超臨界ＣＯ２で満たされる。
成膜チャンバー４１内のＣＯ２を超臨界状態に維持するため、ヒーター４２、背圧調整器４３、送液ポンプ４６及び熱交換器４７が用いられる。
送液ポンプ４６は、例えば室温、６Ｐａの液体ＣＯ２を、室温、２０ＭＰａの状態にして送出する。熱交換器４７は、送液ポンプ４６からの室温、２０ＭＰａのＣＯ２を例えば８０℃、２０ＭＰａの超臨界状態に変化させ、成膜チャンバー４１へ送り出す。ヒーター４２は、成膜チャンバー４１内の超臨界ＣＯ２の温度を、背圧調整器４３は、成膜チャンバー４１内の圧力をそれぞれ維持するよう調節する。これにより、成膜チャンバー４１内の超臨界ＣＯ２は、例えば、２０ＭＰａ，８０℃の状態に維持される。
被覆層１５としてポリイミドを成膜する場合、原料であるＰＭＤＡとＯＤＡをそれぞれ任意の溶媒、例えばＤＭＦ（ジメチルホルムアミド：N,N-Dimethyl formamide）に溶解させ、送液ポンプ４４，４５により成膜チャンバー４１内に送り込む。ＰＭＤＡ溶液とＯＤＡ溶液は、成膜チャンバー４１内で、超臨界ＣＯ２と混合される。
一方、基体４８は、成膜チャンバー４１内においてこの基体４８を保持する試料保持部が備えるヒーターにより、反応温度、例えば３００℃に加熱されている。そして、成膜チャンバー４１内に導入されたＰＭＤＡ及びＯＤＡは、加熱された基体４８の表面で互いに反応する。基体温度がイミド化温度を超えていることから、ＰＭＤＡ及びＯＤＡは互いに反応してポリイミド膜となる。
以上のようにして、被覆膜１５は、超臨界成膜法によっても形成することができる。この方法によれば、第１の基体と第２の基体との間の隙間において、その露出面に、より均一な膜を形成することができる。
次に、図５（ａ）及び（ｂ）を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図５（ａ）は、積層ＬＳＩデバイス、例えば、積層ＤＲＡＭ、の製造途中の状態を示している。実装基板５１上に積層されている複数のＤＲＡＭチップ５２間の距離は５〜１０μｍである。この距離は、通常サイドフィル法によるアンダーフィルの充填に時間を要するあるいは充填困難な距離である。
各ＤＲＡＭチップ５２は、複数の貫通電極（ＴＳＶ：Through Silicon Via）を備えており、それらの貫通電極はバンプ５３を介して上下いずれかまたは両方に位置する他のＤＲＡＭチップ５２の貫通電極に接続されている。
図５（ａ）に示す状態の積層ＤＲＡＭは、機械的に非常に弱い状態にある。それゆえ、接合部（バンプ５３）を保護するとともに、機械的強度（信頼性）を向上させるため、アンダーフィルの充填が不可欠である。
図５（ａ）の状態の積層ＤＲＡＭを、第１の実施の形態の場合と同様に、ＣＶＤチャンバーに導入する。そして、減圧雰囲気下（若しくは真空中）で、アンダーフィル材に対して親和性を示す部位を持つ被覆膜の原料として、（硬化剤が混合されていない）エポキシ樹脂原料を気化させる。気化させたエポキシ樹脂は、ＣＶＤチャンバー内で拡散し、積層ＤＲＡＭの露出面全面に付着堆積し、被覆層（被膜）を形成する。膜厚が数〜数百ｎｍとなるように、被覆層を形成する。被覆膜の形成を抑制したい領域（例えば、積層ＤＲＡＭの最上層の表面など）がある場合には、予めマスキングを行っておくとよい。
次に、図５（ｂ）に示すように、アンダーフィル材５４としての（硬化剤が混合されている）エポキシ樹脂を、サイドフィル法により、実装基板５１とＤＲＡＭチップ５２との間及びＤＲＡＭチップ５２間に充填する。積層ＤＲＡＭの露出面にはエポキシ樹脂の被覆層が形成されているので、アンダーフィル材５４とのぬれ性がよく、アンダーフィル材５４は、その狭さにもかかわらず、速やかにＤＲＡＭチップ５２間に浸み込んでいく。また、ボイドの発生も防止または抑制される。その後、アンダーフィル材５４を加熱、硬化させて積層ＤＲＡＭが完成する。
以上のように、本実施の形態においても、狭いＤＲＡＭチップ間隔にもかかわらず、アンダーフィル材の充填を容易に行うことができ、ボイドの発生の抑制または防止される。これにより、ＤＲＡＭチップ間に接合不良の無い、信頼性の高い積層ＤＲＡＭを提供することができる。
なお、上記説明では、複数のＤＲＡＭチップを実装基板上に積層した後、アンダーフィルに対して親和性を有する被覆膜を形成することとしたが、被覆膜の形成はＤＲＡＭチップを積層する前に行ってもよい。このとき、各ＤＲＡＭチップへの被覆膜の形成は、例えば、図３に示すＣＶＤ装置を用いると、片面ずつ行われることになる。その場合、各ＤＲＡＭの一方の面と他方の面との材質が異なるならば、アンダーフィルとの相性が悪い方の面にのみ行うようにしてもよい。例えば、ＤＲＡＭチップの一方の面がポリイミドで覆われ、他方の面がシリコン窒化（ＳｉＮ）膜で覆われているような場合、ＳｉＮ膜で覆われている面に対してのみ、被覆膜を形成するようにしてよい。もちろん、ＤＲＡＭチップの両面に被覆膜を形成するようにしてもよい。被覆膜としては、ＳｉＮ膜に対して親和性のある部位、例えば水酸基を有するとともに、アンダーフィル材（例えば、エポキシ樹脂）に対して親和性（親油性）のある部位を持つ材料を用いることができる。
被覆膜が一面または両面に形成されたＤＲＡＭチップを実装基板上に積層し、それらの間にアンダーフィル材を充填することで、図５（ｂ）の積層ＤＲＡＭと同様の積層ＤＲＡＭが得られる。
以上、本発明について、いくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨から逸脱することなく、種々の変更・変形が可能である。例えば、被覆膜の材料としては、エポキシ樹脂やポリイミドに限定されず、第１及び第２の基体の表面材質、封止材の組成に応じて他の有機系の分子を選択使用することができる。
１１ 第１の基体
１２ 第２の基体
１３ 空間
１４ バンプ
１５ 被覆層
１６ アンダーフィル材
２１ 第１または第２の基体の表面に対して親和性を持つ部位
２２ アンダーフィル材に対して親和性を持つ部位
３１ 真空チャンバー
３２ ロードロック系
３３ 排気系
３４ ヒーター
３５ 試料保持部
３６ 原料気化部
３７ 基体
４１ 成膜チャンバー
４２ ヒーター
４３ 背圧調整器
４４，４５，４６ 送液ポンプ
４７ 熱交換器
４８ 試料

Claims (13)

  1. 第１の基体と第２の基体の間に充填される充填材に対して親和性を示す被覆層を、前記第１の基体及び前記第２の基体の互いに対向する面の少なくとも一方の面上に形成し、
    その後、前記第１の基体と前記第２の基体との間に前記充填材を充填する、
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記被覆層の形成は、前記被覆層の材料を気化させて行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記被覆層の形成は、前記第１の基体及び前記第２の基体の少なくとも一方を減圧雰囲気下に置いて行われることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記充填材は硬化剤と混合されたエポキシ樹脂であり、前記被覆層の材料は硬化剤と混合されていないエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１，２または３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記被覆層はポリイミドであることを特徴とする請求項１，２または３に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記充填材の充填は、毛細管現象を利用して行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記被覆層の形成は、前記第１の基体の上に前記第２の基体を設置した後に行われることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記被覆層の形成は、前記第１の基体の上に前記第２の基体を設置する前に、前記第１の基体及び前記第２の基体の少なくとも一方に対して行われることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第１の基体及び前記第２の基体はともに半導体チップであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記第１の基体は実装基板であり、前記第２の基体は半導体チップであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 第１の基体と、
    該第１の基体の上に設置された第２の基体と、
    前記第１の基体と前記第２の基体の互いに対向する面の少なくとも一方の面上に形成され、前記第１の基体と前記第２の基体の間に注入される充填材に対して親和性を示す被覆層と、
    前記充填材と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  12. 前記第１の基体及び前記第２の基体はともに半導体チップであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 前記第１の基体は実装基板であり、前記第２の基体は半導体チップであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
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