JP2017098284A

JP2017098284A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2017098284A
Application number: JP2015225443A
Authority: JP
Inventors: 圭佑奥村; Keisuke Okumura; 哲士本田; Tetsuji Honda
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: JP6644522B2

Abstract

【課題】半導体素子の一端および第１電極をはんだで接合する工程と、半導体素子の他端および第２電極をはんだで接合する工程とを個別におこなう方法とくらべて工数を減らすことができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、第１キャリア上に配置された第１電極に半導体素子の第１端を第１接合部材で固定する工程と、第２キャリア上に配置された第２電極に半導体素子の第２端を第２接合部材で固定する工程と、第１接合部材および第２接合部材の焼結をおこなう工程とを含む半導体装置の製造方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換装置などの半導体装置を製造するための方法に関する。

フルスケルトンタイプの熱電変換装置およびハーフスケルトンタイプの熱電変換装置が知られている。両タイプの熱電変換装置は、サンドウィッチタイプの熱電変換装置とくらべて信頼性に優れる。サンドウィッチタイプは、一対の基板の線膨張差により破損が起こるおそれがあるが、フルスケルトンタイプは基板を有さず、ハーフスケルトンタイプは基板を一枚だけ有するからである。

ところで、半導体素子の一端および第１電極をリフローで接合する工程（以下、「第１接合工程」という。）と、半導体素子の他端および第２電極をリフローで接合する工程（以下、「第２接合工程」という。）とを個別におこなう方法により熱電変換装置を得る方法がある。

特開平１１−３０７８２５号公報

しかしながら、第１接合工程と第２接合工程とを個別におこなう方法は工数がかかる。第１接合工程と第２接合工程とを個別におこなう方法とくらべて工数を減らすことができる半導体装置の製造方法を提供することが本発明の目的である。

本発明は、第１キャリア上に配置された第１電極に半導体素子の第１端を第１接合部材で固定する工程と、第２キャリア上に配置された第２電極に半導体素子の第２端を第２接合部材で固定する工程と、第１接合部材および第２接合部材の焼結をおこなう工程とを含む半導体装置の製造方法に関する。本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１接合工程と第２接合工程とを個別におこなう方法とくらべて、工数を減らすことができる。焼結をおこなう工程で第１キャリアおよび第２キャリアの少なくともどちらかが消失することが好ましい。焼結をおこなう工程でスケルトン構造―フルスケルトンまたはハーフスケルトン―の形成が可能となるからである。

実施形態１に係る方法における焼結工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１電極搭載支持体の製造工程の概略断面図である。第１キャリア固定後における第１電極搭載支持体の概略断面図である。第１電極搭載キャリアの概略断面図である。第２電極搭載キャリアの概略断面図である。第１チップの製造工程の概略断面図である。第１チップの製造工程の概略断面図である。第２チップの製造工程の概略断面図である。第２チップの製造工程の概略断面図である。合同体の製造工程の概略断面図である。合同体の製造工程の概略断面図である。焼結工程の概略断面図である。半導体装置の概略断面図である。変形例３における第１チップの製造工程の概略断面図である。変形例４における第２チップの製造工程の概略断面図である。

以下に実施形態を掲げ、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されるものではない。

［実施形態１］
図１に示すように、実施形態１に係る半導体装置の製造方法は、第１キャリア１１３上に配置された第１電極１１２ａに半導体素子１５１の第１端を第１接合部材１５２で固定する工程と、第２キャリア１２３上に配置された第２電極１２２ａに半導体素子１５１の第２端を第２接合部材１５３で固定する工程と、第１接合部材１５２および第２接合部材１５３の焼結をおこなう工程とを含む。実施形態１に係る半導体装置の製造方法は、第１接合工程と第２接合工程とを個別におこなう方法とくらべて、工数を減らすことができる。実施形態１に係る半導体装置の製造方法は、焼結をおこなう工程でフルスケルトン構造の形成が可能でもある。焼結をおこなう工程で第１キャリア１１３および第２キャリア１２３が消失するからである。

図２に示すように、第１電極搭載支持体１１０を準備する。第１電極搭載支持体１１０は、第１支持体１１１および第１支持体１１１上に設けられた第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ（以下、「第１電極１１２」と総称することがある。）を含む。第１支持体１１１はたとえばステンレス鋼（ＳＵＳ）板などの金属板である。ＳＵＳ板が第１電極１１２からはがれやすいため好ましい。第１支持体１１１の両面は第１面と第１面に対向した第２面で定義できる。第１電極１１２は、たとえば銅などの金属などからなる。第１電極搭載支持体１１０を得るために、図３Ａに示すようにフィルム１１４を準備し、図３Ｂに示すようにトムソン刃、レーザーなどでフィルム１１４に開口部を形成し、図３Ｃに示すようにフィルム１１４を第１支持体１１１の第１面上に配置し、図３Ｄに示すように第１支持体１１１の第２面上にフィルム１１５を必要に応じて配置し、図３Ｅに示すように電気めっき法で第１支持体１１１の第１面に第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを形成する手順を採用できる。いっぽう、第１電極搭載支持体１１０を得るために、図４Ａに示すように第１支持体１１１の第１面上に感光性樹脂フィルム１１７を配置し、第１支持体１１１の第２面上にフィルム１１８を必要に応じて配置し、図４Ｂに示すように感光性樹脂フィルム１１７に選択的に光をあて現像し、図４Ｃに示すように電気めっき法で第１支持体１１１の第１面に第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを形成する手順を採用することもできる。

図５に示すように、第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃに第１キャリア１１３を固定する。第１キャリア１１３は、熱で分解する性質を有する。すなわち、焼結の熱で消失する性質を第１キャリア１１３は有する。第１キャリア１１３は熱分解を起こす樹脂などからなる。たとえばアクリル樹脂やポリカーボネートである。第１キャリア１１３はたとえば板状、シート状、フィルム状をなすことができる。

図６に示すように、第１支持体１１１を第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃからはがし、第１電極搭載キャリア１１を得る。第１電極搭載キャリア１１は、第１キャリア１１３および第１キャリア１１３上に配置された第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを含む。

図７に示すように、第２電極搭載キャリア１２を準備する。第２電極搭載キャリア１２は、第２キャリア１２３および第２キャリア１２３上に配置された第２電極１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ（以下、「第２電極１２２」と総称することがある。）を含む。第２キャリア１２３の組成の説明は省略する。第２キャリア１２３の組成は第１キャリア１１３の組成と同様だからである。第２電極１２２は、たとえば銅などの金属などからなる。第２電極搭載キャリア１２は、第１電極搭載キャリア１１の作製方法と同様の方法で作製できる。

図８に示すように、プレス前積層体１４を準備する。プレス前積層体１４は、第１半導体ウエハ１４１、第１ダイシング前接合部材１４２および第２ダイシング前接合部材１４３を含む。第１半導体ウエハ１４１の両面は、第１主面と第１主面に対向した第２主面とで定義される。第１半導体ウエハ１４１の第１主面上に第１ダイシング前接合部材１４２は位置する。第１ダイシング前接合部材１４２は、加熱により焼結体となる性質を有する。第１ダイシング前接合部材１４２はシート状をなす。第１半導体ウエハ１４１の第２主面上に第２ダイシング前接合部材１４３は位置する。第２ダイシング前接合部材１４３は、加熱により焼結体となる性質を有する。第２ダイシング前接合部材１４３はシート状をなす。プレス前積層体１４をプレスすることにより積層体を得る。具体的には、実質的に平行な一対の平板９１１、９１２でプレス前積層体１４に力を加えながらプレス前積層体１４を加熱することにより積層体を得る。温度はたとえば２３℃〜１５０℃、好ましくは４０℃〜９０℃である。積層体は、第１半導体ウエハ１４１と、第１半導体ウエハ１４１の第１主面に固定された第１ダイシング前接合部材１４２と、第１半導体ウエハ１４１の第２主面に固定された第２ダイシング前接合部材１４３とを含む。

図９に示すように、積層体をダイシングすることにより第１チップ１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ（以下、「第１チップ１５」と総称することがある。）を形成する。具体的には、積層体をダイシングシートに固定し、積層体をダイシングブレードなどで切断する。各第１チップ１５は、第１半導体素子１５１、第１接合部材１５２および第２接合部材１５３を含む。第１半導体素子１５１は第１導電型の熱電変換素子である。たとえばＢｉ_２Ｔｅ_３系、酸化物半導体系、シリサイド系、スクッテルダイト系、ホイスラー系、炭素・高分子材料系などの半導体素子を使用できる。第１半導体素子１５１の両端は、第１端と第１端に対向した第２端とで定義される。第１半導体素子１５１の第１端に第１接合部材１５２は固定されている。第１半導体素子１５１の第２端に第２接合部材１５３は固定されている。

図１０に示すように、プレス前積層体１６を準備する。プレス前積層体１６は、第２半導体ウエハ１６１、第１ダイシング前接合部材１６２および第２ダイシング前接合部材１６３を含む。第２半導体ウエハ１６１の両面は、第１主面と第１主面に対向した第２主面とで定義される。第２半導体ウエハ１６１の第１主面上に第１ダイシング前接合部材１６２は位置する。第１ダイシング前接合部材１６２は、加熱により焼結体となる性質を有する。第１ダイシング前接合部材１６２はシート状をなす。第２半導体ウエハ１６１の第２主面上に第２ダイシング前接合部材１６３は位置する。第２ダイシング前接合部材１６３は、加熱により焼結体となる性質を有する。第２ダイシング前接合部材１６３はシート状をなす。プレス前積層体１６をプレスすることにより積層体を得る。具体的には、実質的に平行な一対の平板９１１、９１２でプレス前積層体１６に力を加えながらプレス前積層体１６を加熱することにより積層体を得る。温度はたとえば２３℃〜１５０℃、好ましくは４０℃〜９０℃である。積層体は、第２半導体ウエハ１６１と、第２半導体ウエハ１６１の第１主面に固定された第１ダイシング前接合部材１６２と、第２半導体ウエハ１６１の第２主面に固定された第２ダイシング前接合部材１６３とを含む。

図１１に示すように、積層体をダイシングすることにより第２チップ１７ａ、１７ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ（以下、「第２チップ１７」と総称することがある。）を形成する。具体的には、積層体をダイシングシートに固定し、積層体をダイシングブレードなどで切断する。各第２チップ１７は、第２半導体素子１７１、第１接合部材１７２および第２接合部材１７３を含む。第２半導体素子１７１は第２導電型の熱電変換素子である。たとえばＢｉ_２Ｔｅ_３系、酸化物半導体系、シリサイド系、スクッテルダイト系、ホイスラー系、炭素・高分子材料系などの半導体素子を使用できる。第２半導体素子１７１の両端は、第１端と第１端に対向した第２端とで定義される。第２半導体素子１７１の第１端に第１接合部材１７２は固定されている。第２半導体素子１７１の第２端に第２接合部材１７３は固定されている。

図１２に示すように、第１電極１１２ａの第１領域に第１チップ１５ａを圧着する。すなわち、第１電極１１２ａの第１領域に第１半導体素子１５１の第１端を第１接合部材１５２で固定する。圧着は、たとえば２３℃〜１５０℃、好ましくは４０℃〜９０℃でおこなう。この後に、第１電極１１２ｂの第１領域に第１チップ１５ｂを圧着し、第１電極１１２ｃの第１領域に第１チップ１５ｃを圧着する。第１チップ１５は第１電極１１２に固定されているので、位置ずれを起こしにくい。

第１電極１１２ａの第２領域に第２チップ１７ａを圧着する。すなわち、第１電極１１２ａの第２領域に第２半導体素子１７１の第１端を第１接合部材１７２で固定する。圧着は、たとえば２３℃〜１５０℃、好ましくは４０℃〜９０℃でおこなう。この後に、第１電極１１２ｂの第２領域に第２チップ１７ｂを圧着する。第２チップ１７は第１電極１１２に固定されているので、位置ずれを起こしにくい。

図１３に示すように、第１電極搭載キャリア１１と複数の第１チップ１５と複数の第２チップ１７とからなる集合物に第２電極搭載キャリア１２を圧着する。圧着は、たとえば２３℃〜１５０℃、好ましくは４０℃〜９０℃でおこなう。圧着により得られた合同体１９は、第１キャリア１１３と、第２キャリア１２３と、第１チップ１５ａと、第２チップ１５ｂと、第１電極１１２ａと、第２電極１２２ａ、１２２ｂとを含む。第１チップ１５ａは、第１電極１１２ａの第１領域と第２電極１２２ａとを接続している。第２チップ１７ａは、第１電極１１２ａの第２領域と第２電極１２２ｂとを接続している。

図１４に示すように、第１接合部材１５２、１７２および第２接合部材１５３、１７３の焼結をおこなう。具体的には、実質的に平行な一対の平板９２１、９２２で合同体１９に力を加えながら合同体１９を加熱する。焼結温度の下限はたとえば１８０℃、２００℃である。焼結温度の上限はたとえば３５０℃、４００℃である。焼結をおこなう工程において、第１キャリア１１３および第２キャリア１２３の分解が起き、第１キャリア１１３および第２キャリア１２３は消失する。

図１５に示すように、以上の方法により得られた半導体装置は、第１電極１１２ａ、第２電極１２２ａおよび第１半導体素子１５１を含む。半導体装置は、第１焼結後接合部材１５６および第２焼結後接合部材１５７をさらに含む。第１焼結後接合部材１５６が、第１半導体素子１５１の第１端と第１電極１１２ａの第１領域とを接続している。第２焼結後接合部材１５７が、第１半導体素子１５１の第２端と第２電極１２２ａとを接続している。半導体装置は、第２半導体素子１７１および第２電極１２２ｂをさらに含む。半導体装置は、第１焼結後接合部材１７６および第２焼結後接合部材１７７をさらに含む。第１焼結後接合部材１７６が、第２半導体素子１７１の第１端と第１電極１１２ａの第２領域とを接続している。第２焼結後接合部材１７７が、第２半導体素子１７１の第２端と第２電極１２２ｂとを接続している。半導体装置はたとえば熱電変換装置として使用できる。具体的にはスケルトンタイプの熱電変換装置である。なお、第１半導体素子１５１がｐ型半導体素子であるときは第２半導体素子１７１がｎ型である。第１半導体素子１５１がｎ型であるときは第２半導体素子１７１がｐ型である。

以下では、第１接合部材１５２、１７２および第２接合部材１５３、１７３を「接合部材」と総称する。接合部材は、加熱により焼結体となる性質を有する。接合部材は、焼結で熱分解する性質を有するバインダー（以下、「熱分解性バインダー」という。）と、金属系化合物の粒子とを含む。接合部材は、１００℃〜３５０℃の沸点を有するバインダー（以下、「低沸点バインダー」という。）をさらに含む。

熱分解性バインダーはたとえば、大気雰囲気下において昇温速度１０℃／ｍｉｎで２３℃から４００℃まで昇温した後の炭素濃度が１５重量％以下を示す―という性質を有する。炭素濃度は、エネルギー分散型Ｘ線分析により測定できる。熱分解性バインダーは、好ましくは２３℃で固形をなす。２３℃で固形をなすと、接合部材の成形が容易である。熱分解性バインダーはたとえばポリカーボネート、アクリルポリマー、エチルセルロース、ポリビニルアルコールなどである。１種または２種以上の熱分解性バインダーを接合部材は含むことができる。

金属系化合物の粒子の平均粒子径の下限はたとえば０．０５ｎｍ、０．１ｎｍ、１ｎｍである。金属系化合物の粒子の平均粒子径の上限はたとえば１０００ｎｍ、１００ｎｍである。粒度分布測定装置(日機装製のマイクロトラックＨＲＡ)を用い標準モードで測定することにより求められるＤ５０データを平均粒子径とする。金属系化合物は、たとえば銀、銅、酸化銀、酸化銅などである。これらは有機化合物などで覆われていることがある。１種または２種以上の金属粒子を接合部材は含むことができる。

低沸点バインダーは、好ましくは２３℃で液状をなす。低沸点バインダーはたとえば、ペンタノール、ヘキサノール、ヘプタノール、オクタノール、１−デカノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、α−テルピネオール、1,6-ヘキサンジオール、イソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）などの一価及び多価アルコール類、エチレングリコールブチルエーテル、エチレングリコールフェニルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジエチレングリコールブチルエーテル、ジエチレングリコールイソブチルエーテル、ジエチレングリコールヘキシルエーテル、トリエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールブチルメチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテルなどのエーテル類、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、エチレングリコールブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールブチエーテルアセテート、ジプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＤＰＭＡ）などである。１種または２種以上の低沸点バインダーを接合部材は含むことができる。

（変形例１）
変形例１において、焼結をおこなう工程で第１キャリア１１３は消失しない。変形例１では、焼結をおこなう工程の後に必要に応じて第１キャリア１１３を第１電極１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃからはく離する。

（変形例２）
変形例２において、焼結をおこなう工程で第２キャリア１２３は消失しない。変形例２では、焼結をおこなう工程の後に必要に応じて第２キャリア１２３を第２電極１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃからはく離する。

（変形例３）
図１６に示すように、変形例３では、プレス前積層体１４は、第１はく離ライナー１４６および第２はく離ライナー１４７をさらに含む。第１はく離ライナー１４６と第２はく離ライナー１４７との間に第１半導体ウエハ１４１、第１ダイシング前接合部材１４２および第２ダイシング前接合部材１４３が位置する。第１ダイシング前接合部材１４２が平板９１１に付着することを第１はく離ライナー１４６は防止している。第２ダイシング前接合部材１４３が平板９１２に付着することを第２はく離ライナー１４７は防止している。

（変形例４）
図１７に示すように、変形例４では、プレス前積層体１６は、第１はく離ライナ１６６ーおよび第２はく離ライナー１６７をさらに含む。第１はく離ライナー１６６と第２はく離ライナー１６７との間に第２半導体ウエハ１６１、第１ダイシング前接合部材１６２および第２ダイシング前接合部材１６３が位置する。

（変形例５）
変形例５において、第２接合部材１５３、１７３は、加熱により焼結体となる性質を有さない。

（そのほかの変形例）
変形例１〜変形例５などは、任意に組み合わせることができる。

１１第１電極搭載キャリア
１１２第１電極
１１３第１キャリア
１２第２電極搭載キャリア
１２２第２電極
１２３第２キャリア
１５第１チップ
１５１第１半導体素子
１５２第１接合部材
１５３第２接合部材
１５６第１焼結後接合部材
１５７第２焼結後接合部材
１７第２チップ
１７１第２半導体素子
１７２第１接合部材
１７３第２接合部材
１７６第１焼結後接合部材
１７７第２焼結後接合部材

Claims

第１キャリア上に配置された第１電極に半導体素子の第１端を第１接合部材で固定する工程と、
第２キャリア上に配置された第２電極に前記半導体素子の第２端を第２接合部材で固定する工程と、
前記第１接合部材および前記第２接合部材の焼結をおこなう工程とを含む半導体装置の製造方法。
前記焼結をおこなう工程で前記第１キャリアおよび前記第２キャリアの少なくともどちらかが消失する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体素子、前記半導体素子の前記第１端に固定された前記第１接合部材および前記半導体素子の前記第２端に固定された前記第２接合部材を含むチップを形成する工程をさらに含む請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記チップを形成する工程は、第１主面および第２主面で両面が定義される半導体ウエハ、前記第１主面に固定された第１ダイシング前接合部材ならびに前記第２主面に固定された第２ダイシング前接合部材を含む積層体をダイシングするステップを含む請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１および前記第２ダイシング前接合部材はシート状をなす請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１および前記第２接合部材は金属系化合物の粒子を含む請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体素子は熱電変換素子である請求項１〜６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。