JP2014229780A - 積層半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した特性を得ることができる積層半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】積層半導体装置の一態様には、チップ１１と、チップ１１上に設けられたチップ２１と、チップ２１の周囲に設けられた充填樹脂層３４と、が設けられている。更に、一部が充填樹脂層３４を貫通し、チップ１１とチップ２１とを接続する再配線３１と、チップ２１と充填樹脂層３４との間に設けられた緩衝層３３と、が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、積層半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体装置のパッケージング技術の一つとして、複数の半導体装置が形成された半導体ウェハ上にバンプ等を介して、予め個片化してある複数の半導体装置を実装し、この半導体ウェハをダイシングするという技術が知られている。この技術は、ＣＯＷ（chip on wafer）技術とよばれることがある。ＣＯＷ技術の一つに、個片化した複数の半導体装置を仮基板に仮接着し、これら複数の半導体装置の周囲に充填樹脂層を設け、これを複数の半導体装置が設けられた半導体ウェハに貼り合わせ、仮基板を取り外すというものがある。このＣＯＷ技術では、複数の半導体装置が仮基板を用いて半導体ウェハに一括して実装される。このＣＯＷ技術によれば、個片化した半導体装置の研磨による薄化を仮基板に固定した後に行うことができるため、複数の半導体装置を個々に実装する方法と比較して、歩留まりの向上等が見込まれる。

しかしながら、一括した実装を採用するＣＯＷ技術には、製造された積層半導体装置の特性が安定しにくいという問題がある。

特開２０１２−１３４２３１号公報 特開２００９−１８８３９２号公報

本発明の目的は、安定した特性を得ることができる積層半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

積層半導体装置の一態様には、第１の半導体装置と、前記第１の半導体装置上に設けられた第２の半導体装置と、前記第２の半導体装置の周囲に設けられた樹脂層と、が設けられている。更に、一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線と、前記第２の半導体装置と前記樹脂層との間に設けられた緩衝層と、が設けられている。

積層半導体装置の製造方法の製造方法の一態様では、サポート基板上に複数の第２の半導体装置を設け、少なくとも複数の前記第２の半導体装置の側面を覆う緩衝層を形成し、前記サポート基板上における前記複数の第２の半導体装置間の隙間を埋める樹脂層を形成する。更に、複数の第１の半導体装置を含むウェハに前記複数の第２の半導体装置を接着し、前記サポート基板を前記複数の第２の半導体装置から取り外し、一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線を形成する。

上記の積層半導体装置等によれば、樹脂層からの第２の半導体装置への作用を緩衝層により緩和して、安定した特性を得ることができる。

第１の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。 第１の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図２Ａに引き続き、積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 図２Ｂに引き続き、積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 第２の実施形態に係る積層半導体装置の構造及び第３の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。 第４の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。 第４の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

本願発明者は、一括した実装を採用するＣＯＷ技術によって製造された半導体装置の特性が安定しにくい原因について検討を行った。この結果、このＣＯＷ技術では、実装された半導体装置の周囲に存在する充填樹脂層が一因となっていることが判明した。半導体装置と充填樹脂層との間に熱膨張係数の大きな相違が存在し、この熱膨張係数の大きな相違により、半導体装置に予期しない応力が作用することがある。また、半導体装置と充填樹脂層との密着性が不足して、故障が生じる懸念もある。これは、特に充填樹脂層の弾性率が高く、半導体装置と充填樹脂層との間に弾性率の大きな相違が存在する場合に顕著となりやすい。本願発明者は、これらの知見に基づいて、実装される半導体装置と充填樹脂層との間に緩衝層を設けることに想到した。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。各実施形態に係る積層半導体装置は電子部品でもある。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。

第１の実施形態では、図１に示すように、チップ１１上にチップ２１が設けられている。チップ１１には、基部１２及び活性部１３が含まれている。基部１２には、シリコン基板、化合物半導体基板等の基板が含まれる。活性部１３には、トランジスタ、キャパシタ、抵抗体、多層配線、層間絶縁膜等が含まれる。基板に不純物拡散層が形成されていることもあり、基部１２及び活性部１３を明確に区別する必要はない。チップ２１には、基部２２及び活性部２３が含まれている。基部２２には、シリコン基板、化合物半導体基板等の基板が含まれる。活性部２３には、トランジスタ、キャパシタ、抵抗体、多層配線、層間絶縁膜等が含まれる。基板に不純物拡散層が形成されていることもあり、基部２２及び活性部２３を明確に区別する必要はない。チップ１１は第１の半導体装置の一例であり、チップ２１は第２の半導体装置の一例である。

チップ１１とチップ２１との間に接着層３２及び緩衝層３３が設けられている。緩衝層３３はチップ２１の下面（裏面）を覆っており、チップ２１の側面も覆っている。平面視で、チップ２１はチップ１１よりも小さく、チップ２１の周囲に充填樹脂層３４が設けられている。つまり、緩衝層３３のチップ２１の側面も覆っている部分はチップ２１と充填樹脂層３４との間に位置している。充填樹脂層３４は接着層３２上に設けられており、緩衝層３３は充填樹脂層３４の上面も覆っている。例えば、チップ２１の厚さ方向に関し、互いに積層されたチップ２１及び緩衝層３３の総厚は、互いに積層された充填樹脂層３４及び緩衝層３３の総厚と実質的に一致している。チップ２１の上面を覆う充填樹脂層３５が設けられている。充填樹脂層３５は、緩衝層３３の充填樹脂層３４上の部分の上面も覆っている。充填樹脂層３５に活性部２３まで達するビアホール５１が形成されており、充填樹脂層３５、緩衝層３３、充填樹脂層３４及び接着層３２に活性部１３まで達するビアホール５２が形成されている。そして、ビアホール５１及び５２を介してチップ１１とチップ２１とを接続する再配線３１が設けられている。つまり、再配線３１の一部が充填樹脂層３４を貫通している。

次に、第１の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法について説明する。図２Ａ乃至図２Ｃは、第１の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図２Ａ（ａ）に示すように、サポート基板４１上に仮接着層４２を設けて、その上に複数のチップ２１を活性部２３が仮接着層４２と接するようにして接着する。サポート基板４１としては、例えばガラス基板を用いる。この時点でのチップ２１の厚さは、積層半導体装置（完成品）に含まれるチップ２１の厚さよりも厚い。

次いで、図２Ａ（ｂ）に示すように、サポート基板４１に固定された複数のチップ２１の基部２２側の面を一括して研磨して、チップ２１を薄化する。

その後、図２Ａ（ｃ）に示すように、チップ２１の露出している面及び仮接着層４２の露出している面を覆う緩衝層３３を形成する。緩衝層３３を形成する方法は特に限定されないが、良好な厚さの均一性を得るために化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）法により緩衝層３３を形成することが好ましい。

続いて、図２Ａ（ｄ）に示すように、緩衝層３３上に充填樹脂層３４を、隣り合うチップ２１間の隙間を埋めるようにして形成する。

次いで、図２Ｂ（ｅ）に示すように、緩衝層３３が露出するまで充填樹脂層３４を薄化する。この結果、チップ２１の厚さ方向に関し、互いに積層されたチップ２１及び緩衝層３３の総厚は、互いに積層された充填樹脂層３４及び緩衝層３３の総厚と実質的に一致する。

その後、図２Ｂ（ｆ）に示すように、基部１２ａ及び活性部１３ａを含むウェハ１１ａ上に接着層３２を設け、サポート基板４１に固定された複数のチップ２１を、緩衝層３３を介して接着層３２に接着する。基部１２ａは、複数のチップ１１の各基部１２を含み、活性部１３ａは、複数のチップ１１の各活性部１３を含む。つまり、ウェハ１１ａには、複数のチップ１１が含まれている。そして、複数のチップ２１は、ウェハ１１ａに含まれる複数のチップ１１と平面視で重なるようにして接着層３２に接着される。

次いで、図２Ｂ（ｇ）に示すように、サポート基板４１を仮接着層４２と共にチップ２１等から取り外す。

その後、図２Ｂ（ｈ）に示すように、チップ２１の上面及び緩衝層３３の充填樹脂層３４上の部分の上面を覆う充填樹脂層３５を形成する。

続いて、図２Ｃ（ｉ）に示すように、ビアホール５１用の開口部及びビアホール５２用の開口部を有するレジストパターン４３を充填樹脂層３５上に形成する。

次いで、図２Ｃ（ｊ）に示すように、レジストパターン４３をエッチングマスクとしたエッチングを行って、ビアホール５１及びビアホール５２を形成する。

その後、図２Ｃ（ｋ）に示すように、各チップ２１に再配線３１を形成する。再配線３１としては、例えば銅を主材料とする配線を形成する。

続いて、図２Ｃ（ｌ）に示すように、ウェハ１１ａの個片化を行って、チップ１１及びチップ２１を含む複数の積層半導体装置を得る。

第１の実施形態によれば、サポート基板４１を用いて複数のチップ２１を一括してウェハ１１ａ上に接着しているため、チップ２１を個々にウェハ１１ａ上に接着する方法と比較して歩留まりの向上等が見込まれる。また、チップ２１と充填樹脂層３４との間に緩衝層３３が設けられているため、充填樹脂層３４の弾性率及び／又は熱膨張係数がチップ２１のそれ又はそれらと相違する場合であっても、充填樹脂層３４の影響を緩和することができる。更に、緩衝層３３の介在によってチップ２１と充填樹脂層３４との間の密着性の向上も見込まれる。

充填樹脂層３４及び３５の材料としては、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）系樹脂及びエポキシ系樹脂が挙げられる。緩衝層３３の材料としては、チップ２１の弾性率と充填樹脂層３４の弾性率との間の弾性率を有するもの、又は、チップ２１の熱膨張係数と充填樹脂層３４の熱膨張係数との間の熱膨張係数を有するもの等を用いることができる。例えば、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、炭素添加シリコン酸化物等が挙げられる。チップ２１の主材料の例であるシリコン、充填樹脂層３４の材料の例であるＢＣＢ系樹脂及びエポキシ系樹脂、並びに緩衝層３３の材料の例であるシリコン酸窒化物の各弾性率及び各熱膨張係数を表１に示す。

表１に示すように、シリコン酸窒化物はシリコンとＢＣＢ系樹脂又はエポキシ系樹脂との間の物性値（弾性率、熱膨張係数）を有している。シリコン酸化物及び炭素添加シリコン酸化物も同様である。また、表１に示すシリコン酸窒化物の物性値は、ＣＶＤ法によりある条件下で形成された場合の値であり、条件が異なれば物性値も変化し得る。従って、成長温度及び雰囲気ガス等の条件を調整することにより、緩衝層の物性値を変化させることができる。緩衝層の厚さは特に限定されず、緩衝層自身の材料並びに樹脂層の厚さ及び材料等に応じて調整することが好ましい。緩衝層の厚さの一例は、１０ｎｍ程度〜５００ｎｍ程度である。

（第２の実施形態及び第３の実施形態）
次に、第２の実施形態及び第３の実施形態について説明する。図３（ａ）は、第２の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第３の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。

第２の実施形態では、図３（ａ）に示すように、緩衝層３３のチップ２１の下面を覆う部分と接着層３２との間にも充填樹脂層３４が設けられている。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態では、図３（ｂ）に示すように、緩衝層３３にチップ２１の下面（裏面）を覆う部分が設けられておらず、チップ２１の基部２２側の面が接着層３２に接している。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態及び第３の実施形態のいずれによっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

第２の実施形態の積層半導体装置を製造するには、例えば、充填樹脂層３４の形成（図２Ａ（ｄ））後に行う充填樹脂層３４の薄化を、緩衝層３３が露出する前に停止すればよい。また、第３の実施形態の積層半導体装置を製造するには、例えば、充填樹脂層３４の形成（図２Ａ（ｄ））後に行う充填樹脂層３４の薄化を、基部２２が露出するまで行えばよい。この処理によって、チップ２１の裏面を覆う部分を除去することができる。また、第３の実施形態の積層半導体装置を製造する場合には、緩衝層３３の形成（図２Ａ（ｃ））前のチップ２１の薄化（図２Ａ（ｂ））を省略し、充填樹脂層３４の薄化と共にチップ２１の薄化を行ってもよい。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図４は、第４の実施形態に係る積層半導体装置の構造を示す断面図である。

第４の実施形態では、図４に示すように、緩衝層３３に充填樹脂層３４の上面を覆う部分が設けられておらず、その分だけ充填樹脂層３５が厚く形成されており、充填樹脂層３５が充填樹脂層３４に接している。他の構成は第１の実施形態と同様である。

第４の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に、第４の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法について説明する。図５は、第４の実施形態に係る積層半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図５（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、サポート基板４１のチップ２１等からの取り外し（図２Ｂ（ｇ））までの処理を行う。

次いで、図５（ｂ）に示すように、緩衝層３３の充填樹脂層３４の上面を覆う部分を除去する。この処理では、例えば、チップ２１及び緩衝層３３の残存させる部分をレジストパターン等のエッチングマスクで覆い、緩衝層３３のこのエッチングマスクから露出している部分をエッチングする。

その後、図５（ｃ）に示すように、チップ２１の上面、充填樹脂層３４の上面、及び緩衝層３３の露出している面を覆う充填樹脂層３５を形成する。

続いて、図５（ｄ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、ビアホール５１及び５２を形成し、再配線３１を形成する。そして、第１の実施形態と同様にして、ウェハ１１ａの個片化を行って、チップ１１及びチップ２１を含む複数の積層半導体装置を得る。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
第１の半導体装置と、
前記第１の半導体装置上に設けられた第２の半導体装置と、
前記第２の半導体装置の周囲に設けられた樹脂層と、
一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線と、
前記第２の半導体装置と前記樹脂層との間に設けられた緩衝層と、
を有することを特徴とする積層半導体装置。

（付記２）
前記緩衝層は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物及び炭素添加シリコン酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする付記１に記載の積層半導体装置。

（付記３）
前記緩衝層の熱膨張係数は、前記第２の半導体装置の熱膨張係数と前記樹脂層の熱膨張係数との間の値を示すことを特徴とする付記１又は２に記載の積層半導体装置。

（付記４）
前記緩衝層の弾性率は、前記第２の半導体装置の弾性率と前記樹脂層の弾性率との間の値を示すことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の積層半導体装置。

（付記５）
サポート基板上に複数の第２の半導体装置を設ける工程と、
少なくとも複数の前記第２の半導体装置の側面を覆う緩衝層を形成する工程と、
前記サポート基板上における前記複数の第２の半導体装置間の隙間を埋める樹脂層を形成する工程と、
複数の第１の半導体装置を含むウェハに前記複数の第２の半導体装置を接着する工程と、
前記サポート基板を前記複数の第２の半導体装置から取り外す工程と、
一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線を形成する工程と、
を有することを特徴とする積層半導体装置の製造方法。

（付記６）
前記緩衝層は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物及び炭素添加シリコン酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする付記５に記載の積層半導体装置の製造方法。

（付記７）
前記緩衝層の熱膨張係数は、前記第２の半導体装置の熱膨張係数と前記樹脂層の熱膨張係数との間の値を示すことを特徴とする付記５又は６に記載の積層半導体装置の製造方法。

（付記８）
前記緩衝層の弾性率は、前記第２の半導体装置の弾性率と前記樹脂層の弾性率との間の値を示すことを特徴とする付記５乃至７のいずれか１項に記載の積層半導体装置の製造方法。

（付記９）
前記緩衝層を化学気相成長法により形成することを特徴とする付記５乃至８のいずれか１項に記載の積層半導体装置の製造方法。

（付記１０）
前記樹脂層を形成する工程と前記複数の第２の半導体装置を接着する工程との間に、前記緩衝層の前記第２の半導体装置の裏面を覆う部分を除去する工程を有することを特徴とする付記５乃至９のいずれか１項に記載の積層半導体装置の製造方法。

１１、２１：チップ
３１：再配線
３３：緩衝層
３４、３５：充填樹脂層

Claims (8)

1. 第１の半導体装置と、
   前記第１の半導体装置上に設けられた第２の半導体装置と、
   前記第２の半導体装置の周囲に設けられた樹脂層と、
   一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線と、
   前記第２の半導体装置と前記樹脂層との間に設けられた緩衝層と、
   を有することを特徴とする積層半導体装置。
2. 前記緩衝層は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物及び炭素添加シリコン酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１に記載の積層半導体装置。
3. 前記緩衝層の熱膨張係数は、前記第２の半導体装置の熱膨張係数と前記樹脂層の熱膨張係数との間の値を示すことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層半導体装置。
4. 前記緩衝層の弾性率は、前記第２の半導体装置の弾性率と前記樹脂層の弾性率との間の値を示すことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の積層半導体装置。
5. サポート基板上に複数の第２の半導体装置を設ける工程と、
   少なくとも複数の前記第２の半導体装置の側面を覆う緩衝層を形成する工程と、
   前記サポート基板上における前記複数の第２の半導体装置間の隙間を埋める樹脂層を形成する工程と、
   複数の第１の半導体装置を含むウェハに前記複数の第２の半導体装置を接着する工程と、
   前記サポート基板を前記複数の第２の半導体装置から取り外す工程と、
   一部が前記樹脂層を貫通し、前記第１の半導体装置と前記第２の半導体装置とを接続する再配線を形成する工程と、
   を有することを特徴とする積層半導体装置の製造方法。
6. 前記緩衝層は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物及び炭素添加シリコン酸化物からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項５に記載の積層半導体装置の製造方法。
7. 前記緩衝層の熱膨張係数は、前記第２の半導体装置の熱膨張係数と前記樹脂層の熱膨張係数との間の値を示すことを特徴とする請求項５又は６に記載の積層半導体装置の製造方法。
8. 前記緩衝層の弾性率は、前記第２の半導体装置の弾性率と前記樹脂層の弾性率との間の値を示すことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の積層半導体装置の製造方法。

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