JP2015185754A - 半導体装置 - Google Patents

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bump
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小野塚 豊
Yutaka Onozuka
豊 小野塚
山田 浩
Hiroshi Yamada
浩 山田
暢人 真名垣
Nobuto Managaki
暢人 真名垣
忠寛 佐々木
Tadahiro Sasaki
忠寛 佐々木
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Abstract

【課題】キャップとバンプ電極の接着性を強い半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに対向して配置され、貫通孔内に配置された貫通電極を有するキャップと、前記半導体チップと前記キャップとの間に設置され、前記半導体チップと前記貫通電極とを接続する凸状のバンプ電極と、を有し、前記バンプ電極は、少なくともその一部が、前記貫通電極に含まれおり、かつ電気的に接続されていることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
ユビキタス社会の到来に向けて、携帯電話やPDAなどの携帯情報端末に代表される無線通信機能を有する小型電子機器に対する期待が高まっている。そのため、より小型・軽量な電子機器の開発が行われているが、今後はさらに多様なニーズに応えるため、その多機能化、高性能化に対する要求がさらに高まってくると予想される。とりわけ、無線通信機器においては、高周波デバイスの集積が必須となる。
ここで、従来の高周波デバイスの集積を目的とした半導体装置では、キャップとバンプ電極の接着性が弱く、バリアメタルとパッド電極の接合面で剥離するという問題があった。
特開2013−4754号公報
本発明が解決しようとする課題は、キャップとバンプ電極の接着性を強い半導体装置を提供することである。
実施形態の半導体装置は、半導体チップと、前記半導体チップに対向して配置され、貫通孔内に配置された貫通電極を有するキャップと、前記半導体チップと前記キャップとの間に設置され、前記半導体チップと前記貫通電極とを接続する凸状のバンプ電極と、を有し、前記バンプ電極は、少なくともその一部が、前記貫通電極に含まれおり、かつ電気的に接続されていることを特徴とする。
第1の実施形態の半導体装置の断面図。 第1の実施形態の半導体装置の一部拡大断面図。 第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図。 第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極の圧入による接合工程の実験結果を示す図。 第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図。 第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極と貫通電極の間の接合強度とバンプ電極の圧入深さの関係を示すグラフ。 第2の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図。 第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図。 第3の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図。 第4の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図。
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態の半導体装置について、図面を用いて説明する。
まずは、第1の実施形態の半導体装置の構成について、図1を用いて説明する。図1は、第1の実施形態の半導体装置の断面図である。
図1に示すように、第1実施形態の半導体装置は、複数の高周波素子1を有し、それぞれはバンプ電極3を介して、キャップ2によって中空封止されている。それぞれの高周波素子1は、GaAs等の化合物基板6上に形成され、Au等からなる少なくとも一対のパッド電極7を有している。
一方、キャップ2は、高抵抗シリコン等からなり、パット電極7に対する位置にはCu等が充填された少なくとも一対の貫通電極8を有している。各対の高周波素子1とキャップ2は、50〜100μm程度の間隔となるように、AuSnはんだ、Au Stud Bump等からなるバンプ電極3を介してパッド電極7と貫通電極8とが接合され、この高周波素子1は中空封止される。
この中空封止された複数の高周波素子1は、所定の距離を隔てて一列に再配置された後、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂4で封止され、再構築ウエハとして構成される。この再構築ウエハ上にポリイミド等からなる層間絶縁膜9とAl/Ti薄膜等からなる再配線層10が交互に形成され、多層配線層5が形成される。
このようにキャップ2により中空封止され、さらにモールド樹脂4中に封止され、さらに多層配線層5が形成された高周波素子1の信号は、パッド電極7、バンプ電極3、貫通電極8、再配線層10を通じて外部から制御される。
次に、第1の実施形態の半導体装置の概要について、図2を用いて説明する。図2(a)は、第1の実施形態の半導体装置の一部拡大図である。図2(b)は、図2(a)を90度回転させた方向からみた図である。
図2(a)、(b)に示すように、パッド電極7上に設けられた金属製の凸状のバンプ電極3は、突起した先端部と、この先端部より幅の広い底部を有している。この先端部を、キャップ2の貫通電極8に圧入して、貫通電極8を変形させ、キャップ2と貫通電極8とを接合させている。
次に、第1の実施形態の半導体装置の製造方法について、図3を用いて説明する。図3は、第1の実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。
まず、図3(a)に示すように、高抵抗シリコンを有するキャップ2(基板の厚さが約400μm)にリアクティブイオンエッチング法(RIE)にて、200μm程度の深さのトレンチ構造を形成した。
次に、図3(b)に示すように、1100℃程度の高温下で、トレンチ構造を含むキャップ2表面を酸化して、酸化シリコン膜11を1nm程度形成した。
さらに、図3(c)に示すように、電解めっき法により、硫酸銅と硫酸と添加剤を混合した液体の中で、トレンチ構造部分に貫通電極8(約50μm)を形成した。
また、図3(d)に示すように、研磨装置を用いて、キャップ2の表面に堆積した貫通電極8(約50μm)を除去した。研磨は、初めに粗さが#600程度の研磨面が240rpmで回転する研磨盤上にキャップ2を押し付けて行った後、アルミナ微粒子を含む研磨液中にて、#1000の粗さの研磨盤にて実施した。さらに、研削装置を用いて、粗さが#230の砥石でキャップ2の裏面のシリコンを約300μm研削して、貫通電極8を露出した後、研磨装置を用いて、粗さ#600の砥石で表面研磨を実施した。
また、図3(e)に示すように、フォトリソグラフィー法により、レジストパターン(厚さ約2μm)を形成した。次に、スパッタリング装置を用いて、このレジストパターン上にバリアメタル層(Au/Ni/Ti:0.2μm/0.3μm/0.1μm)を形成した。さらに、アセトン超音波処理で、レジストパターン上のバリアメタル層を、いわゆるリフトオフ法により剥離して、バリアメタル13を貫通電極8上に形成した。このバリアメタル13は、貫通電極8のCuの表面酸化を防止するために形成されている。
また、図3(f)に示すように、半導体チップ12(GaAsチップ)には、ワイヤーボンディング装置により、所定のパッド電極7上に、バンプ電極3を搭載温度200℃、超音波電流50mA〜80mAにて形成した。このバンプ電極3が形成された半導体チップ12を、このバリアメタル13が形成されたキャップ2に、ステージ温度200℃、ツール温度300℃、ツール圧力1N/バンプ、熱圧着時間20秒の条件で熱圧着してバンプ電極3とキャップ2の貫通電極8とを接合した。
なお、第1の実施形態の半導体装置において、図3(b)にて、バリアメタル13を形成しない場合、貫通電極8の表面にCuの酸化膜層が薄く形成されるが、このような場合であっても、バンプ電極3が、この酸化膜層を突き破り、貫通電極8内に圧入する。
さらに、第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極の圧入による接合工程の実験結果について、図4を参照して示す。図4は、第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極の圧入による接合工程の実験結果を示す図である。
図4(a)に示すように、半導体チップ12(GaAsチップ)には、ワイヤーボンディング装置により、所定のパッド電極7上に、搭載温度200℃、超音波電流50mA〜80mAにて、凸状電極であるバンプ電極3を形成した。このバンプ電極3は、硬度向上のため、Pdを0.5〜5%程度含んだAuから構成されている。
キャップ2は、貫通電極8と酸化シリコン膜11とバリアメタル12を有している。貫通電極8は、Cuが充填されており、その側面に酸化シリコン膜11が形成されている。ここで、酸化シリコン膜11は、貫通電極8間の絶縁性を保持するために形成されている。さらに、貫通電極8上にバリアメタル13が形成されている。ここで、バリアメタル13は、貫通電極8にCuを充填した後に、Cu表面が酸化することを防止するために形成される。
ここで、図4(b)に示すように、バンプ電極3とキャップ2の貫通電極8を熱圧着して接合した。この熱圧着は、フリップチップボンダーを用いて、圧力=1N/バンプ、熱圧着時間を20秒、ツール温度を250℃、ステージ温度を200℃として実施した。図3(b)を観察すると、凸状の電極であるバンプ電極3の凸部が、貫通電極8内に、30μm〜50μm程度の深さで圧入されていることが確認できる。
図5は、第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図である。
図5に示すように、凸状電極であるバンプ電極3は、Cuが充填された貫通電極8内に、バリアメタル13を突き抜けて圧入されている。バリアメタル13は、Cuが充填された貫通電極8の表面酸化防止を目的としているので、バンプ電極3がバリアメタル13を貫通して貫通電極8内に圧入する際に、バリアメタル13が破壊されても問題はない。
なお、バンプ電極3が貫通電極8内に埋め込まれる現象は、バンプ電極3が貫通電極8の硬度よりも硬いことに起因している。具体的には、Pdを5%以下含むAuからなるバンプ電極3のビッカーズ硬度が80Hvであるのに対し、貫通電極8内に充填されているCuのビッカーズ硬度は70Hv程度である。
さらに、第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極と貫通電極の間の接合強度とバンプ電極の圧入深さの関係について、図6を参照して示す。図6は、第1の実施形態の半導体装置のバンプ電極と貫通電極の間の接合強度とバンプ電極の圧入深さの関係を示すグラフである。
図6(a)、(b)に示すように、圧入深さ0μmの場合に比較して、圧入深さ50μmの場合には、2.3倍程度の接合強度が得られている。これは、バンプ電極3と貫通電極8の接触面積の増加と圧入によるアンカリング効果によってもたらされるものである。このバンプ電極3の先端部の貫通電極8内への圧入によるアンカリング効果により、シェア強度が向上し、キャップ2とバンプ電極3との間の接合部での剥離不良が防止され、高い信頼性を有する接続構造が実現される。
このように、第1の実施形態の半導体装置では、複数の高周波素子1を近接して再配置して、さらに微細な再配線層10でこれらを接続することにより、複数の高周波素子1を高密度で集積することが可能となる。よって、第1の実施形態の半導体装置では、1枚の再構築ウエハ上に、これら複数の高周波素子1をより多数にて配置できることから、製造コストを低減することができる。さらに、第1の実施形態の半導体装置では、高周波素子1は、高抵抗シリコン等からなるキャップ2と間隔を有しているため、高周波素子1とキャップ2の間の干渉が低減し、低損失での信号伝達が可能になることから、複数の高性能な高周波素子1を有する高性能な半導体モジュールを製造することができる。
(第2の実施の形態)
以下、第2の実施形態の半導体装置について、図7を用いて説明する。第2の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、貫通電極14のみが異なっている点であり、この貫通電極14の表記以外は第1の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。図7は、第2の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図である。
図7に示すように、貫通電極8の構造は、通常密度のCuが充填された第1貫通電極14と低密度のポーラスCuが充填された第2貫通電極15の2層構造となっている。ここで、ポーラスCuが充填された第2貫通電極15の中に、バンプ電極3を圧入すると、ポーラスCuが充填された第2貫通電極15は、第1貫通電極14よりも大きく変形するため、バンプ電極3が貫通電極8により深く入り込む。
次に、第2の実施形態の半導体装置の製造方法について、図8を用いて説明する。図8は、第2の実施形態の半導体装置の製造方法を示す工程図である。
図8(a)に示すように、高抵抗シリコンを有するキャップ2(基板の厚さが約400μm)にリアクティブイオンエッチング法(RIE)にて、200μm程度の深さのトレンチ構造を形成した。
次に、図8(b)に示すように、1100℃程度の高温下で、トレンチ構造を含むキャップ2表面を酸化して、酸化シリコン膜11を1nm程度形成した。
さらに、図8(c)に示すように、スパッタリング装置を用いて、キャップ2の表面に第2貫通電極15(Cu/Tiで約3μm/0.1μm)を形成した。
また、図8(d)に示すように、電解めっき法により、硫酸銅と硫酸と添加剤を混合した液体の中で、トレンチ構造部分に、金属膜(Cu:約50μm)を形成した。さらに、この電解めっき法で形成した第2貫通電極15上に、無電解めっき法を用いて、硫酸銅と次亜リン酸ナトリウムとほう酸と硫酸ニッケルと添加剤の混合液中にて、ポーラスな第1貫通電極14(約1μm)を形成した。その後、電解めっき法により、硫酸銅と硫酸と添加剤を混合した液体の中で、金属膜(Cu:約50μm)を形成した。この結果、下地のポーラスな第1貫通電極14を51μmまで厚膜化できた。
また、図8(e)に示すように、研磨装置を用いて、キャップ2の表面に堆積した第1貫通電極14及び第2貫通電極15(約50μm)を除去した。研磨は、初めに粗さが#600程度の研磨面が240rpmで回転する研磨盤上にキャップ2を押し付けて行った後、アルミナ微粒子を含む研磨液中にて、#1000の粗さの研磨盤にて実施した。さらに、研削装置を用いて、粗さが#230の砥石でキャップ2の裏面のシリコンを約300μm研削して、貫通電極8を露出した後、研磨装置を用いて、粗さ#600の砥石で表面研磨を実施した。
また、図8(f)に示すように、フォトリソグラフィー法により、レジストパターン(厚さ約2μm)を形成した。次に、スパッタリング装置を用いて、このレジストパターン上にバリアメタル層(Au/Ni/Ti:0.2μm/0.3μm/0.1μm)を形成した。さらに、アセトン超音波処理で、レジストパターン上のバリアメタル層を、いわゆるリフトオフ法により剥離して、バリアメタル13を貫通電極8上に形成した。このバリアメタル13は、貫通電極8のCuの表面酸化を防止するために形成されている。
また、図8(g)に示すように、半導体チップ12(GaAsチップ)には、ワイヤーボンディング装置により、所定のパッド電極7上に、バンプ電極3を搭載温度200℃、超音波電流50mA〜80mAにて形成した。このバンプ電極3が形成された半導体チップ12を、このバリアメタル13が形成されたキャップ2に、ステージ温度200℃、ツール温度300℃、ツール圧力1N/バンプ、熱圧着時間20秒の条件で熱圧着してバンプ電極3とキャップ2の貫通電極8とを接合した。
上述した第2の実施形態の半導体装置について、発明者らは、バンプ電極3とキャップ2を接合した後、バンプ電極3の先端部がバリアメタル13を突き破り、貫通電極8内に挿入されていることを確認した。なお、バリアメタル13を形成しない場合、貫通電極8の表面にCuの酸化膜層が薄く形成されるが、バンプ電極3は、この酸化膜層を突き破り、貫通電極8内に圧入する。
このように、第2の実施形態の半導体装置では、第1の実施形態と同様に、複数の高周波素子1を近接して再配置して、さらに微細な再配線層10でこれらを接続することにより、複数の高周波素子1を高密度で集積することが可能となる。よって、第1の実施形態の半導体装置では、1枚の再構築ウエハ上に、これら複数の高周波素子1をより多数にて配置できることから、製造コストを低減することができる。さらに、第1の実施形態の半導体装置では、高周波素子1は、高抵抗シリコン等からなるキャップ2と間隔を有しているため、高周波素子1とキャップ2の間の干渉が低減し、低損失での信号伝達が可能になることから、複数の高性能な高周波素子1を有する高性能な半導体モジュールを製造することができる。
さらに、第2の実施形態の半導体装置では、第1の実施形態と比べて、アンカリング効果が増大し、バンプ電極3とキャップ2の接合が、より強く実現される。
(第3の実施の形態)
以下、第3の実施形態の半導体装置について、図9を用いて説明する。第3の実施形態が第1の実施形態と異なる点は、凹部16のみが異なっている点であり、この凹部16の表記以外は第1の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。図9は、第3の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図である。
図9に示すように、第3の実施形態の半導体装置は、酸化シリコン膜11(膜厚約1nm)と、高抵抗シリコンを有するキャップ2(基板厚300μm)と、Cuが充填された貫通電極8と、バリアメタル13(Au/Ni/Ti:0.2μm/0.3μm/0.1μm)を有しており、キャップ2の一部に、キャップ2の半導体チップ12に対抗する面には深さが約100μm程度の凹部16(第1中空部)が形成されている。また、第3の実施形態の半導体装置は、バンプ電極3(高さ80μm)が半導体チップ12上に形成され、バンプ電極3全体を貫通電極8内に圧入することで、キャップ2とバンプ電極3が接合した構成となっている。この貫通電極8内へのバンプ電極3の圧入は、フリップチップボンダーを用いて、ツール圧力5N/バンプ、熱圧着時間20秒、ツール温度350℃、ステージ温度300℃で熱圧着している。
上述した第3の実施形態の半導体装置について、発明者らは、バンプ電極3とキャップ2を接合した後、バンプ電極3全体が貫通電極8内に圧入されたことを確認した。さらに、発明者らは、ダイシェア強度評価から、バンプ電極3の凸状の先端部のみを圧入した場合と比較して、ダイシェア強度は、2倍以上増加したことを確認した。
このように、第3の実施形態の半導体装置では、第1の実施形態と同様に、複数の高周波素子1を近接して再配置して、さらに微細な再配線層10でこれらを接続することにより、複数の高周波素子1を高密度で集積することが可能となる。よって、第1の実施形態の半導体装置では、1枚の再構築ウエハ上に、これら複数の高周波素子1をより多数にて配置できることから、製造コストを低減することができる。さらに、第1の実施形態の半導体装置では、高周波素子1は、高抵抗シリコン等からなるキャップ2と間隔を有しているため、高周波素子1とキャップ2の間の干渉が低減し、低損失での信号伝達が可能になることから、複数の高性能な高周波素子1を有する高性能な半導体モジュールを製造することができる。
さらに、第3の実施形態の半導体装置では、第1の実施形態及び第2の実施形態と比べて、アンカリング効果が増大し、バンプ電極3とキャップ2の接合が、より強く実現される。
(第4の実施の形態)
以下、第4の実施形態の半導体装置について、図10を用いて説明する。第4の実施形態が第3の実施形態と異なる点は、第2凹部17(第2中空部)、はんだ18のみが異なっている点であり、この第2凹部17、はんだ18の表記以外は第3の実施形態と同じであるので、同一部分には、同一符号を付して詳細な説明は省略する。図10は、第4の実施形態の半導体装置のバンプ電極とキャップとの接合後の構成図である。
図10に示すように、第4の実施形態の半導体装置は、高抵抗シリコンを有するキャップ2内に、凹部16に、第2凹部17を加えた2段構造とした。ここで、第2凹部は、半導体チップ12の側面の周囲に設けられている。さらに、第4の実施形態の半導体装置は、半導体チップ12の側面とキャップ2の第2凹部17の側面の間に、はんだ18を形成した。
ここで、第4の実施形態の半導体装置では、貫通電極8内へのバンプ電極3の圧入については、フリップチップボンダーを用いて、圧力5N/バンプ、熱圧着時間20秒、温度350℃、ステージ温度300℃で熱圧着した。さらに、ディスペンサーを用いて、バンプ電極3の側面部に、熱硬化型のエポキシ樹脂を注入した後、加熱温度150℃、加熱時間5分で硬化させて側面封止した。さらに、第4の実施形態の半導体装置では、はんだ18による側面封止を行った。ここで、はんだ18による側面封止は、第3の実施形態の半導体装置と比べて、気密性が格段に向上する。さらに、はんだ18に、高融点はんだ(SnAgCu、AuSn、SnCuなど)を用いると、耐熱性も向上する。また、はんだ18による側面封止は、接合強度が強いため、耐衝撃性も向上する。
このように、第4の実施形態の半導体装置では、第1の実施形態と同様に、複数の高周波素子1を近接して再配置して、さらに微細な再配線層10でこれらを接続することにより、複数の高周波素子1を高密度で集積することが可能となる。よって、第1の実施形態の半導体装置では、1枚の再構築ウエハ上に、これら複数の高周波素子1をより多数にて配置できることから、製造コストを低減することができる。さらに、第1の実施形態の半導体装置では、高周波素子1は、高抵抗シリコン等からなるキャップ2と間隔を有しているため、高周波素子1とキャップ2の間の干渉が低減し、低損失での信号伝達が可能になることから、複数の高性能な高周波素子1を有する高性能な半導体モジュールを製造することができる。
さらに、第4の実施形態の半導体装置では、はんだ18による側面封止を行っているため、第3の実施形態の半導体装置と比較して、気密性が格段に向上し、耐衝撃性も向上する。
以上説明した少なくとも一つの実施形態の半導体装置によれば、高抵抗シリコンを有するキャップ2と貫通電極8に、半導体チップ12上に設けられた凸状のバンプ電極3の先端部を圧入して、貫通電極8を変形させてキャップ2と接合することにより、アンカリング効果によって、シェア強度が向上し、バンプ電極3とキャップ2の接合部での剥離不良が防止され、高い信頼性を有する接続構造が実現される。
なお、本発明は、上記した各実施の形態には限定されず、種々変形して実施できることは言うまでもない。
要するに、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…高周波素子
2…キャップ
3…バンプ電極
4…モールド樹脂
5…多層配線層
6…化合物基板
7…パッド電極
8…貫通電極
9…層間絶縁膜
10…再配線層
11…酸化シリコン膜
12…半導体チップ
13…バリアメタル
14…第1貫通電極
15…第2貫通電極
16…凹部
17…第2凹部
18…はんだ

Claims (9)

  1. 半導体チップと、
    前記半導体チップに対向して配置され、貫通孔内に配置された貫通電極を有するキャップと、
    前記半導体チップと前記キャップとの間に設置され、前記半導体チップと前記貫通電極とを接続する凸状のバンプ電極と、を備え、
    前記バンプ電極は、少なくともその一部が、前記貫通電極に含まれおり、かつ電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記バンプ電極のビッカーズ硬度が、前記貫通電極のビッカーズ硬度よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記半導体チップと前記キャップの間に、第1中空部を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 前記半導体チップの側面の周囲には、第2中空部をさらに有することを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記第2中空部に、はんだを設けたことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記バンプ電極の材料はAuを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記貫通電極の材料はCuを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項5に記載の半導体装置。
  8. 前記バンプ電極と前記貫通電極の間の少なくとも一部に、バリアメタルが含まれることを特徴とする請求項1乃至請求項5記載の半導体装置。
  9. 前記貫通電極の側面に酸化シリコン膜が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5記載の半導体装置。
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