JP2013008861A - 半導体装置、その製造方法及び製造装置 - Google Patents

半導体装置、その製造方法及び製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】チップ積層モールド封止型半導体装置のモールド樹脂内に含まれるフィラーによる半導体チップ表面の損傷を防止する。
【解決手段】実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の半導体チップ2上に接着剤層5を介して第2の半導体チップ3を積層し接着する工程(a)と、次式(1)のyの値が70以下となるように、接着剤層の弾性率、そのヒケ量、保護膜の厚さ、その弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整する工程(b)と、工程(b)の後に、第1及び第2の半導体チップをフィラー10a入りモールド樹脂10で封止する工程(c)とを含む。y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4…(1)(a1は接着剤層の弾性率[MPa]の対数、a2は接着剤層のヒケ量[mm]、a3は第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、a4は第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数を示す。)
【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、半導体装置、並びに、その製造方法及び製造装置に関する。
従来、複数の半導体チップを積層しモールド樹脂で封止したチップ積層モールド封止型半導体装置においては、その製造過程で、モールド樹脂内に含まれるフィラーが、下段の半導体チップと上段の半導体チップの間、これらを接着する接着剤層の周囲の隙間に押し込まれ、下段の半導体チップ、特にその表面の保護膜下のパッシベーション膜を損傷させる、いわゆるフィラーアタックが発生することがあった。
すなわち、上記半導体装置は、一般に、半導体ウエハの裏面に液状樹脂やダイアタッチメントフィルム(DAF)等により接着剤層を形成した後、半導体チップに個片化し、得られた接着剤層付きの半導体チップを基板あるいは半導体チップ上に積層し、その後、モールド樹脂で封止することにより製造されている。このような方法では、半導体ウエハを半導体チップに個片化する際、裏面に形成した接着剤層の外縁部が機械的に破損する等して半導体チップの側壁より内側に退ける「ヒケ」を生ずることがある。この「ヒケ」が半導体チップ上に積層した際、上記フィラーが押し込まれる隙間となり、フィラーアタックが発生する要因となっていた。
特開2010−118669号公報
本発明の目的は、接着剤層に「ヒケ」のある半導体チップを用いて製造されるチップ積層モールド封止型半導体装置において、モールド樹脂内に含まれるフィラーによる半導体チップ表面の損傷を容易に防止することができ、製品の品質及び製造歩留まりを向上させることができる半導体装置、その製造方法、及び製造装置を提供することにある。
実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の半導体チップ上に接着剤層を介して第2の半導体チップを積層し接着する工程(a)と、次式(1)で求められるyの値が70以下となるように、前記接着剤層の弾性率[MPa]、前記接着剤層のヒケ量[mm]、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、及び前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記第1及び第2の半導体チップをフィラー入りモールド樹脂で封止する工程(c)とを含む。
y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
…(1)
(ここで、
a1は、前記接着剤層の弾性率[MPa]の対数、
a2は、前記接着剤層のヒケ量[mm]、
a3は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、
a4は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
を示す。)
実施形態の半導体装置の製造装置は、第1の半導体チップと、前記第1の半導体チップ上に接着剤層を介して積層された第2の半導体チップと、前記第1及び第2の半導体チップを封止するフィラー入りモールド樹脂とを備えた半導体装置の製造装置であって、次式(1)で求められるyの値が70以下となるように、前記接着剤層の弾性率[MPa]、前記接着剤層のヒケ量[mm]、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、及び前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整する調整部を備える。
実施形態の半導体装置は、第1の半導体チップと、前記第1の半導体チップ上に接着剤層を介して積層された第2の半導体チップと、前記第1及び第2の半導体チップを封止するフィラー入りモールド樹脂とを備え、次式(1)で求められるyの値が70以下である。
y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
…(1)
(ここで、
a1は、前記接着剤層の弾性率[MPa]の対数、
a2は、前記接着剤層のヒケ量[mm]、
a3は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、
a4は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
を示す。)
実施形態による半導体装置の製造過程を示す概略断面図である。 実施形態におけるシミュレーションモデルを示す断面図である。 図2に示すシミュレーションモデルにおけるフィラー近傍の応力分布の一例を示す図である。 実施例1におけるy(フィラー直下の半導体チップの表面応力)の等高線図である。 実施例2におけるy(フィラー直下の半導体チップの表面応力)の等高線図である。
以下、図面を参照して、実施形態を説明する。なお、以下の図面の記載において、同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を付しており、重複する説明を省略する。
図1は、一実施形態の半導体装置の製造方法により製造される過程にある半導体装置を示す断面図である。なお、本実施形態においては、チップ積層モールド封止型半導体装置として、半導体チップが2段積層される2段積層型半導体装置を形成する場合を説明するが、積層する半導体チップの数は特に限定されるものではない。
本実施形態においては、まず、基板1上に第1の半導体チップ2及び第2の半導体チップ3を順に積層する。第1の半導体チップ2及び第2の半導体チップ3には半導体素子が形成され、その表面には保護膜が形成されている。また、第1の半導体チップ2及び第2の半導体チップ3の各裏面にはそれぞれ接着剤層4、5が予め形成されており、基板1と第1の半導体チップ2は接着剤層4を介して接合され、第1の半導体チップ2と第2の半導体チップ3は接着剤層5を介して接合される。各接着剤層4、5には、半導体ウエハから半導体チップ2、3を個片化した過程で「ヒケ」が生じており、したがって、各接着剤4、5の周囲には隙間6、7が生じている。
次いで、基板1上の電極と第1の半導体チップ2上の電極、第1の半導体チップ2の電極と第2の半導体チップ3の電極をボンディングワイヤ8によって電気的に接続する。この後、これらをモールド用金型9に収容し、金型7内にモールド樹脂10として、フィラー10a入りのエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を注入して、金型9内を一定の圧力で保圧しながら加熱し、モールド樹脂10を硬化させる。
従来は、このモールド樹脂10を注入し硬化させる過程で、第1の半導体チップ2と第2の半導体チップ3の間に介在する接着剤層5の周囲に生じた隙間7にモールド樹脂10内のフィラー10aが押し込まれて、第1の半導体チップ2表面の保護膜下パッシベーション膜を損傷させるフィラーアタックが生じることがあった。
しかし、本実施形態においては、モールド樹脂8の注入に先立って、次式(1)で求められるyの値が70以下となるように、接着剤層5の弾性率[MPa]、接着剤層5のヒケ量[mm]、第1の半導体チップ2表面の保護膜の厚さ[mm]、及び第1の半導体チップ2表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つが調整されているため、従来のようにフィラーアタックが生じることはない。
y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
…(1)
(ここで、
a1は、接着剤層5の弾性率[MPa]の対数、
a2は、接着剤層5のヒケ量[mm]、
a3は、第1の半導体チップ表面2の保護膜の厚さ[mm]、
a4は、第1の半導体チップ2表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
を示す。)
なお、ここで、接着剤層5のヒケ量a2は、第2の半導体チップ3の側壁面から接着剤層5の端部までの距離の最大値をいう。
本実施形態において、上記式(1)で求められるyの値が70以下となるように、接着剤層5の弾性率[MPa]、接着剤層5のヒケ量[mm]、第1の半導体チップ2表面の保護膜の厚さ[mm]、及び第1の半導体チップ2表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整することにより、フィラーアタックを防止することができるのは、本発明者らが行った実験等により導かれたものである。以下、詳細に説明する。
上記チップ積層モールド封止型半導体装置の製造過程で、モールド樹脂10内のフィラー10aにより第1の半導体チップ2の表面の保護膜下パッシベーション膜に損傷が生じる、すなわちフィラーアタックが発生するのは、モールド樹脂10による封止時、フィラー10a直下の保護膜下パッシベーション膜にかかる応力が、しきい値を超えて保護膜を損傷させるからである。したがって、フィラー10a直下の保護膜下パッシベーション膜にかかる応力と、半導体装置の設計因子(寸法、構成材料の物性値等)の関係がわかれば、適切な設計や製造を行うことで、フィラーアタックの発生を抑え、高い歩留まりで半導体装置の製造が可能になるはずである。
そこで、フィラー10直下の保護膜下パッシベーション膜にかかる応力と、半導体装置の設計因子の関係を明確にするため、有限要素法による応力解析を行った。
図2に、シミュレーションモデルを示す。モデルは、第1(1段目)の半導体チップ2(厚さ80μm、弾性率166.7GPa)、第2(2段目)の半導体チップ3(厚さ50μm、弾性率166.7GPa)、接着剤層5(厚さ10μm、ヒケ20μm、弾性率10MPa)、及び球状フィラー10a(直径10μm)からなり、球状フィラー10aは接着剤層5のヒケの端部から10μmに位置する。また、1段目半導体チップ2の表面の保護膜2aは、弾性率3GPa、厚さ3μmである。このようなモデルに対し、図2の矢印に示すように一様に圧力10MPaをかけ、1段目半導体チップ2のフィラー10a直下の保護膜2a下の半導体チップ2表面にかかる応力を算出した。図3に、解析結果の一例(保圧時のフィラー近傍の応力分布)を示す。
なお、実際に起こっている不良はパッシベーション膜の破壊であるが、パッシベーション膜は非常に薄い。したがって、本モデルでは簡略化のためにパッシベーション膜を省略した。本実験では、フィラー10a直下の1段目半導体チップ2の表面にかかる応力によって、フィラーアタック、すなわちパッシベーション膜破壊に至るしきい値を判断した。
次に、評価因子を(i)接着剤層弾性率、(ii)接着剤層ヒケ量、(iii)2段目半導体チップの厚さ、及び(iv)1段目半導体チップの厚さの4因子とし、各3水準、L81直交表に基づく要因実験を実施した。結果は表1に示した通りで、分散分析の結果、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力の低減には、(i)接着剤層弾性率は高い方が有利であり、(ii)接着剤層ヒケ量が小さい方が有利であり、(iii)2段目半導体チップの厚さは薄い方が有利であり、(iv)1段目半導体チップの厚さによる有意差はないことがわかった。
Figure 2013008861
次に、評価因子を(v)保護膜の厚さ、(vi)保護膜の弾性率、及び(vii)上記(i)〜(iv)因子の実験結果に基づく半導体装置の設計条件の3因子とし、(v)2水準、(vi)及び(vii)各3水準によるL18直交表に基づく要因実験を実施した。(vii)の3水準は、Best(表1のNo.57)、Medium(表1のNo.41)、Worst(表1のNo.25)である。結果は表2に示した通りで、分散分析の結果、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力の低減には、(v)保護膜の厚さは厚い方が有利であり、(vi)保護膜の弾性率は小さい方が有利であり、また、(vii)の因子はWorstであるほど(v)及び(vi)の効果が大きいことがわかった。
Figure 2013008861
以上の実験結果に基づき、(iii)2段目半導体チップの厚さを100μm、(iv)1段目半導体チップの厚さを80μmに固定し、上記(i)、(ii)、(v)及び(vi)を評価因子とし、各3水準によるL81直交表に基づく要因実験を実施した。各因子の3水準は下記の通りである。
(i)接着剤層弾性率:10,50,300[MPa]
(ii)接着剤層ヒケ量:0.02,0.1,0.2[mm]
(v)保護膜の厚さ:0.005,0.0065,0.01[mm]
(vi)保護膜の弾性率:500,1000,3000[MPa]
結果は表3に示した通りで、分散分析の結果、各因子について先の実験結果と同様の効果を示した。
Figure 2013008861
また、結果を回帰分析することにより、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力y[MPa]は、関数:
y=f(a1,a2,a3,a4)
で表わすことができる。ここで、a1は、接着剤層の弾性率[MPa]の対数、a2は、接着剤層のヒケ量[mm]、a3は、1番目の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、a4は、1段目の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数である。
重回帰による回帰分析の結果を下記に示す。
y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
…(1)
このRは89.4%である。また、a1、a2、a3及びa4は、それぞれ1.00≦a1≦2.48、0.02≦a1≦0.2、0.005≦a1≦0.01、及び2.70≦a1≦3.48である。
次に、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力のフィラーアタックが起こるしきい値を求める実験を行った。
実験は、1段目の半導体チップ上に2段目の半導体チップを積層する際の接着剤層の硬化時間を変えることによって、接着剤層の弾性率の異なる5種の半導体装置(例1〜例5)を作製し、フィラーアタックの発生を調べた。
なお、1段目の半導体チップとして、表面にポリイミド樹脂からなる厚さ5μm、弾性率3GPaの保護膜を備えた厚さ70μmの半導体チップを用い、2段目の半導体チップとして厚さ55μmの半導体チップを用いた。また、接着剤層は、液状熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂をスクリーン印刷により厚さ10μmに塗布し乾燥させて形成した。接着剤層のヒケ(最大値)はいずれも65μmであった。さらに、モールド樹脂には封止用エポキシ樹脂を用い、保圧条件8MPaで加熱硬化させた。結果は表4に示した通りで、接着剤層の弾性率が92MPa以上あればフィラーアタックが発生しないことがわかる。なお、接着剤層の弾性率が20MPaでフィラーアタックが発生していないが、これは硬化が不完全なために接着剤層端部にフィレットが形成され、ヒケがなくなったことによるものである。また、接着剤層の弾性率が238MPaでフィラーアタックが発生しているが、これは1段目の半導体チップ裏面の接着剤層と基板間に4.7μm高さの非密着部(隙間)があり、この隙間で半導体チップが変形した結果、フィラーが1段目の半導体チップ表面を損傷させたものと考えられる。
Figure 2013008861
上記実験結果に基づき、上記実験条件をシミュレーションモデルで再現し、有限要素法による応力解析を行った。すなわち、シミュレーションモデルは、1段目半導体チップ(厚さ70μm、弾性率166.7GPa)、2段目半導体チップ3(厚さ55μm、弾性率166.7GPa)、接着剤層(厚さ10μm、ヒケ65μm、弾性率92MPa)、球状フィラー(直径10μm)である。また、球状フィラーは接着剤層のヒケの端部から10μmに位置し、1段目半導体チップ表面の保護膜は弾性率3GPa、厚さ5μmである。さらに、保圧条件は8MPaである。
解析の結果、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力は70MPaであった。
以上の結果から、上記式(1)のyの値が70以上であれば、フィラーアタックの発生を防止することができるということができる。
すなわち、第1の半導体チップ上に接着剤層を介して第2の半導体チップを積層し、これらの半導体チップをフィラー入りモールド樹脂で封止した構造のチップ積層モールド封止型半導体装置において、フィラー直下の半導体チップ表面にかかる応力y[MPa]は、接着剤層の弾性率[MPa]の対数a1、接着剤層5のヒケ量[mm]a2、第1の半導体チップ表面2の保護膜の厚さ[mm]a3、及び第1の半導体チップ2表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数a4の関数として表すことができ(但し、a1、a2、a3及びa4は、それぞれ、1.00≦a1≦2.48、0.02≦a1≦0.2、0.005≦a1≦0.01、及び2.70≦a1≦3.48である。)、かつ、y≦70であればフィラーアタックが発生することがない。
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、前述した式(1)に基づいて、フィラーアタックの生じない条件に調整して製造するので、接着剤層に「ヒケ」のある半導体チップを用いて製造されるチップ積層モールド封止型半導体装置において、フィラーアタックの発生を確実に防止することができる。しかも、調整は、接着剤層の弾性率、半導体チップの保護膜の厚さ及び弾性率で行うことができるので、高価な特殊な材料を用いたり、複雑な製造工程を用いたりする必要はなく、容易にかつ経済的に実施可能である。
また、接着剤層や保護膜の材料が変更されても容易に対応でき、フィラーアタックのない高品質の半導体装置を歩留まり良く、かつ安価に製造することができる。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
次に本発明の実施例を説明する。
実施例1
1段目の半導体チップとして、表面に厚さ0.005mm、弾性率3000(=103.48)MPaのポリイミド樹脂からなる保護膜が形成された半導体チップを用いて、図1に示したような、2段積層型の半導体装置を製造した。
製造にあたって、前述した式(1)に基づいて、図4に示す、a3=0.005,a4=3.48のときのyの等高線図(X軸:a1(接着剤層弾性率の対数)、Y軸:a2(接着剤層ヒケ量))を作成した。等高線図の黒点線で囲った範囲がy≦70の範囲である。
2段目の半導体チップとして用いる半導体チップの裏面に形成された接着剤層のヒケ量が0.05mmであったことから、黒点線で囲った範囲内で接着剤層のヒケ量が0.05mmであるa1の範囲を求め、接着剤層の弾性率の対数がその範囲、具体的には2.48(弾性率300MPa)(図4中、点A)になるように硬化条件を調整して、半導体装置を製造した。
製造された半導体装置にフィラーアタックはなく、良好な特性を有していた。この半導体装置におけるy及びa1〜a4の値は次の通りである。
a1=2.48(接着剤の弾性率300MPa)
a2=0.05(接着剤のヒケ量0.05mm)
a1=0.005(保護膜の厚さ0.005mm)
a2=3.48(保護膜の弾性率3000MPa)
y=62.9(フィラー直下の半導体チップの表面応力)
実施例2
1段目の半導体ウエハとして、表面に厚さ0.01mm、弾性率3000(=103.48)MPaのポリイミド樹脂からなる保護膜が形成された半導体チップを用いて、図1に示したような、2段積層型の半導体装置を製造した。
製造にあたって、前述した式(1)に基づいて、図5に示す、a3=0.01,a4=3.48のときのyの等高線図(X軸:a1(接着剤層弾性率の対数)、Y軸:a2(接着剤層ヒケ量))を作成した。等高線図の黒点線で囲った範囲がy≦70の範囲である。
2段目の半導体チップとして用いる半導体チップの裏面に形成された接着剤層のヒケ量が0.1mmであったことから、黒点線で囲った範囲内で接着剤層のヒケ量が0.1mmであるa1の範囲を求め、接着剤層の弾性率の対数がその範囲、具体的には2.00(弾性率200MPa)(図5中、点B)になるように硬化条件を調整して、半導体装置を製造した。
製造された半導体装置にフィラーアタックは認められなかった。この半導体装置におけるy及びa1〜a4の値は次の通りである。
a1=2.00(接着剤の弾性率100MPa)
a2=0.1(接着剤のヒケ量0.1mm)
a1=0.01(保護膜の厚さ0.01mm)
a2=3.48(保護膜の弾性率3000MPa)
y=66.6(フィラー直下の半導体チップの表面応力)
1…基板、2…第1(1段目)の半導体チップ、3…第2(2段目)の半導体チップ、4、5…接着剤層、9…モールド用金型、10…モールド樹脂、10a…フィラー。

Claims (5)

  1. 第1の半導体チップ上に接着剤層を介して第2の半導体チップを積層し接着する工程(a)と、
    次式(1)で求められるyの値が70以下となるように、前記接着剤層の弾性率[MPa]、前記接着剤層のヒケ量[mm]、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、及び前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整する工程(b)と、
    前記工程(b)の後に、前記第1及び第2の半導体チップをフィラー入りモールド樹脂で封止する工程(c)と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
    y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
    …(1)
    (ここで、
    a1は、前記接着剤層の弾性率[MPa]の対数、
    a2は、前記接着剤層のヒケ量[mm]、
    a3は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、
    a4は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
    を示す。)
  2. 前記a1、a2、a3及びa4が、それぞれ、1.00≦a1≦2.48、0.02≦a2≦0.2、0.005≦a3≦0.01、及び2.70≦a4≦3.48であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記工程(b)は、前記接着剤層の弾性率[MPa]を調整することを含む請求項1または2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 第1の半導体チップと、前記第1の半導体チップ上に接着剤層を介して積層された第2の半導体チップと、前記第1及び第2の半導体チップを封止するフィラー入りモールド樹脂とを備えた半導体装置の製造装置であって、
    次式(1)で求められるyの値が70以下となるように、前記接着剤層の弾性率[MPa]、前記接着剤層のヒケ量[mm]、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、及び前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の少なくとも1つを調整する調整部を備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
    y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
    …(1)
    (ここで、
    a1は、前記接着剤層の弾性率[MPa]の対数、
    a2は、前記接着剤層のヒケ量[mm]、
    a3は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、
    a4は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
    を示す。)
  5. 第1の半導体チップと、前記第1の半導体チップ上に接着剤層を介して積層された第2の半導体チップと、前記第1及び第2の半導体チップを封止するフィラー入りモールド樹脂とを備える半導体装置であって、
    次式(1)で求められるyの値が70以下であることを特徴とする半導体装置。
    y=74.7−82.7a1+273.2a2−9882a3+65.8a4
    …(1)
    (ここで、
    a1は、前記接着剤層の弾性率[MPa]の対数、
    a2は、前記接着剤層のヒケ量[mm]、
    a3は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の厚さ[mm]、
    a4は、前記第1の半導体チップ表面の保護膜の弾性率[MPa]の対数
    を示す。)
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