JP2018056539A

JP2018056539A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2018056539A
Application number: JP2017031219A
Authority: JP
Inventors: 泰造野村; Taizo Nomura
Original assignee: Toshiba Memory Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2018-04-05
Also published as: TW201830593A; TWI667742B

Abstract

【課題】安定した刻印を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体装置は、配線を含む配線基板と、刻印を有する封止樹脂と、第１半導体素子と、第１電極と、ワイヤと、第１絶縁層と、第２絶縁層と、を含む。第１半導体素子は、配線基板と封止樹脂との間に設けられる。第１電極は、第１半導体素子の一部と封止樹脂の一部との間に設けられる。ワイヤは、配線と第１電極とを電気的に接続する。第１絶縁層の少なくとも一部は配線基板から封止樹脂に向かう第１方向においてワイヤの一部と第１半導体素子との間に設けられる。第１絶縁層は、第１厚さを有する。第２絶縁層は、第１半導体素子と封止樹脂との間に設けられ、ポリイミドを含む。第２絶縁層の少なくとも一部は、第１方向において刻印と重なり、第１厚さよりも厚い第２厚さを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体素子を封止する封止樹脂にレーザ光などを照射してマーク（刻印）を形成する方法がある。半導体素子に悪影響を与えないで安定して刻印を形成することが望まれる。

特開２０１４−２３６０３９号公報

本発明の実施形態は、安定した刻印を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、半導体装置は、配線を含む配線基板と、刻印を有する封止樹脂と、第１半導体素子と、第１電極と、第１ワイヤと、第１絶縁層と、第２絶縁層と、を含む。前記第１半導体素子は、前記配線基板と前記封止樹脂との間に設けられる。前記第１電極は、前記第１半導体素子の一部と前記封止樹脂の一部との間に設けられる。前記第１ワイヤは、前記配線と前記第１電極とを電気的に接続する。前記第１絶縁層の少なくとも一部は前記配線基板から前記封止樹脂に向かう第１方向において前記第１ワイヤの一部と前記第１半導体素子との間に設けられる。前記第１絶縁層は、第１厚さを有する。前記第２絶縁層は、前記第１半導体素子と前記封止樹脂との間に設けられ、ポリイミドを含む。前記第２絶縁層の少なくとも一部は、前記第１方向において前記刻印と重なり、前記第１厚さよりも厚い第２厚さを有する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る別の半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。図４は、レーザ光の波長毎における、実施形態に係る半導体装置の第２絶縁層に用いるポリイミドの厚さと透過率との関係示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置を例示する模式図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す矢印ＡＡから見た平面図である。

図１（ａ）に示すように、実施形態に係る半導体装置１１０は、配線基板４０と、封止樹脂３０と、第１半導体素子１０と、第１電極１０ｅと、第１ワイヤ５１と、第１絶縁層１１と、第２絶縁層１２と、を含む。後述するように、第３絶縁層２３がさらに設けられても良い。

配線基板４０は、配線（この例では、第１配線４１及び第２配線４２）を含む。これらの配線は、配線基板４０の上面４０ａに設けられている。配線基板４０の上面には、第４絶縁層４４が設けられている。第４絶縁層４４は、例えば、エポキシまたはポリイミドなどを含むソルダーレジストである。第４絶縁層４４は、第１配線４１及び第２配線４２のそれぞれの一部を覆う。第４絶縁層４４の開口部から、これらの配線のそれぞれの一部が露出する。

例えば、配線基板４０の上に封止樹脂３０が設けられる。配線基板４０から封止樹脂３０に向かう方向を第１方向とする。第１方向は、上方向である。

第１方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。

封止樹脂３０は、刻印３５を有する。刻印３５は、封止樹脂３０の上面３０ａに設けられる。後述するように、刻印３５は、レーザ光の照射により形成される。刻印３５は、凹状である。

図１（ｂ）に示すように、刻印３５により、情報（この例では、「Ｂ、Ｃ、１２３４５、ＸＹＺ］の文字情報）が表示される。刻印３５は、例えば、半導体装置１１０を識別するマークである。図１（ａ）に示すように、封止樹脂３０は、刻印３５の周りの領域３６を有している。刻印３５は、この領域３６から後退している。

例えば、封止樹脂３０は、複数のフィラー３１と、樹脂３２と、を含む。樹脂３２は、複数のフィラー３１の周りに設けられる。樹脂３２は、例えば、エポキシ系樹脂を含む。複数のフィラー３１は、例えば、酸化シリコンを含む。フィラー３１は、例えばシリカ球である。フィラー３１を用いることで、例えば、封止樹脂３０の硬化時の収縮が抑制され、半導体装置１１０の反りなどが抑制される。フィラー３１を用いることで、例えば、線膨張係数が小さくでき、半導体装置１１０の製造過程及び使用時の反りが抑制できる。高い信頼性が得られる。

第１半導体素子１０は、配線基板４０と封止樹脂３０との間に設けられる。第１半導体素子１０は、例えば半導体チップである。第１半導体素子１０は、例えば、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる板状である。この例では、第１半導体素子１０と、配線基板４０（具体的には第４絶縁層４４）と、の間に、第５絶縁層６５が設けられている。第５絶縁層６５は、例えば、ダイアタッチフィルム（die attach film：ＤＡＦ）などである。第５絶縁層６５は、例えば、アクリルまたはポリイミドなどを含む。

第１電極１０ｅは、第１半導体素子１０の一部と、封止樹脂３０の一部と、の間に設けられる。第１電極１０ｅは、例えば、第１半導体素子１０の上面１０ａの一部の上に設けられる。第１電極１０ｅは、第１半導体素子１０に設けられる回路（図示しない）と、電気的に接続されている。

第１ワイヤ５１は、配線（この例では、第１配線４１）と、第１電極１０ｅと、を電気的に接続する。

第１絶縁層１１の少なくとも一部は、第１方向（配線基板４０から封止樹脂３０に向かうＺ軸方向）において、第１ワイヤ５１の一部と、第１半導体素子１０と、の間に設けられる。第１絶縁層１１は、第１厚さｔ１を有する、第１厚さｔ１は、Ｚ軸方向に沿った長さである。

第１絶縁層１１は、ポリイミド膜を含んでも良い。第１絶縁層１１は、無機膜を含んでも良い。第１絶縁層１１の構成の例については、後述する。

第２絶縁層１２は、第１半導体素子１０と封止樹脂３０との間に設けられる。第２絶縁層１２は、ポリイミドを含む。第２絶縁層１２の少なくとも一部は、第１方向（Ｚ軸方向）において、刻印３５と重なる。第２絶縁層１２は、第２厚さｔ２を有する。第２厚さｔ２は、Ｚ軸方向に沿った長さである。第２厚さｔ２は、第１厚さｔ１よりも厚い。

第２絶縁層１２は、例えば、第１半導体素子１０の中央部分（例えば、半導体装置１１０の中央部分）に設けられる。第１絶縁層１１は、例えば、第１半導体素子１０の外縁部分（コンタクトのための第１電極１０ｅが設けられる部分）に設けられる。

図１（ｂ）に示すように、刻印３５は、例えば、半導体装置１１０の中央部分に設けられる。見易い刻印３５が形成できる。実施形態においては、中央部分に位置する第２絶縁層１２の第２厚さｔ２を、外縁部分に位置する第１絶縁層１１の第１厚さｔ１よりも厚くする。これにより、刻印３５を形成するためのレーザ光などを照射した場合に、レーザ光は、第２絶縁層１２で減衰する。第１半導体素子１０に届くレーザ光の強度は弱い。例えば、用いるレーザ光の強度を、安定した刻印が形成できる程度に強くした場合においても、そのレーザ光は、第２絶縁層１２で減衰する。例えば、強い強度のレーザ光を用いることができる。第１半導体素子１０への悪影響を抑制しつつ、安定した刻印を形成することができる。実施形態によれば、安定した刻印を有する半導体装置が提供できる。

特に、封止樹脂３０がフィラー３１（例えば酸化シリコン）を含む場合、レーザ光は、フィラー３１を通過し易い。このため、封止樹脂３０におけるレーザ光の減衰の程度は低い。封止樹脂３０を通過したレーザ光を、厚い第２絶縁層１２で吸収することで、第１半導体素子１０に到達するレーザ光の強度を十分に低くできる。強い強度のレーザ光が第１半導体素子１０に照射されることが抑制できる。

この例では、第２半導体素子２０と、第２電極２０ｅと、第２ワイヤ５２と、第３絶縁層２３と、がさらに設けられている。半導体装置１１０においては、複数の半導体素子が積層されている。

この例では、第２半導体素子２０と、配線基板４０（具体的には第４絶縁層４４）と、の間に、第６絶縁層６６が設けられている。第６絶縁層６６は、例えば、ダイアタッチフィルムなどである。第６絶縁層６６は、例えば、アクリルまたはポリイミドなどを含む。

第２半導体素子２０は、配線基板４０と第１半導体素子１０との間に設けられる。第２電極２０ｅは、第２半導体素子２０の一部と封止樹脂３０の一部との間に設けられる。第２ワイヤ５２は、配線（第２配線４２）と第２電極２０ｅとを電気的に接続する。第３絶縁層２３は、第２半導体素子２０と第１半導体素子１０との間に設けられる。

上記のように、刻印３５は、複数の半導体素子の最上層の側から照射される。このため、下層の半導体素子においては、レーザ光の照射の影響を考慮しなくて良い。このため、第２半導体素子２０と第１半導体素子１０との間に設けられる第３絶縁層２３の第３厚さｔ３は、薄くて良い。第３厚さｔ３は、第２厚さｔ２よりも薄い。

第３厚さｔ３が薄いことで、例えば、第２半導体素子２０と第１半導体素子１０との間の、熱伝導性が高まる。これにより、安定した動作が得やすくなる。例えば、信頼性が向上できる。

一方、第１半導体素子１０は、複数の半導体素子のうちで、刻印３５に最も近い。例えば、第１半導体素子１０の上に設けられる第２絶縁層１２の面１２ａ（例えば上面）の少なくとも一部は、封止樹脂３０と接する。この面１２ａ（例えば上面）は、第１半導体素子１０に沿って広がる面（Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる面）である。

後述するように、刻印３５の形成には、緑色光（緑色レーザ光）が用いられる。レーザ光の波長は、約５２３ナノメートルである。例えば、第２絶縁層１２の緑色光に対する吸光度は、フィラー３１の吸光度よりも高い。これにより、第２絶縁層１２において、緑色光を効率的に減衰できる。

第２絶縁層１２の第２厚さｔ２は、例えば、２０マイクロメートル以上８０マイクロメートル以下であることが好ましい。これにより、緑色光を十分に減衰できる。

第１絶縁層１１の第１厚さｔ１は、１マイクロメートル以上１０マイクロメートル以下であることが好ましい。第１厚さｔ１が過度に厚いと、ワイヤ（第１ワイヤ５１）の高さが高くなり、半導体装置１１０の全体の厚さが過度に厚くなる。第１厚さｔ１が１マイクロメートル未満になると、第２絶縁層１２に覆われずに第１絶縁層１１が封止樹脂３０と直接接触している部分において、第１半導体素子１０と封止樹脂３０との間の熱応力を緩和する効果が不足する場合がある。第１厚さｔ１を１マイクロメートル以上１０マイクロメートル以下とすることで、第１半導体素子１０と封止樹脂３０との間の熱応力に対する緩和効果が十分に得られる。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係る別の半導体装置の一部を例示する模式的断面図である。

これらの図は、実施形態に係る別の半導体素子における、第１絶縁層１１及び第２絶縁層１２の構成の例を示している。これらの図において、他の部分は省略されている。

図２（ａ）に示すように、半導体装置１１１において、第２絶縁層１２と第１半導体素子１０との間の一部は、第１絶縁層１１を介さずに直接接触している。例えば、第２絶縁層１２はポリイミド膜である。一方、第１絶縁層１１は、ポリイミドの膜でも良い。第２絶縁層１２のポリイミド膜の厚さ（第２厚さｔ２）は、第１絶縁層１１のポリイミド膜の厚さ（第１厚さｔ１）よりも厚い。

図２（ｂ）に示すように、半導体装置１１２において、第１絶縁層１１が、積層膜の構成を有しても良い。第１絶縁層１１は、第１膜１１ａと、第２膜１１ｂと、を含む。第１膜１１ａの少なくとも一部は、第２膜１１ｂと第１電極１０ｅとの間に設けられる。第１膜１１ａは、例えば、無機膜（例えばシリコン窒化膜など）である。第２膜１１ｂは、例えば、有機膜（例えば、ポリイミド膜）である。

以下、実施形態に係る半導体装置の製造方法の例について説明する。以下は、半導体装置１１０の場合が、図示される。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

図３（ａ）に示すように、配線基板４０の上に、第１半導体素子１０を配置する。この例では、第４絶縁層４４（例えば、ソルダーレジスト）の上に、第６絶縁層６６（例えばＤＡＦ）を介して、第２半導体素子２０が配置される。さらに、この上に、第３絶縁層２３及び第５絶縁層６５（例えばＤＡＦ）を介して、第１半導体素子１０が配置される。第１半導体素子１０の上には、第１電極１０ｅ、第１絶縁層１１及び第２絶縁層１２が設けられている。ワイヤ（第１ワイヤ５１及び第２ワイヤ５２）を接続する。

図３（ｂ）に示すように、配線基板４０、第２半導体素子２０、第１半導体素子１０、第１電極１０ｅ、第１絶縁層１１、第２絶縁層１２、及び、ワイヤ（第１ワイヤ５１及び第２ワイヤ５２）の上に、封止樹脂３０を形成する。これにより、加工体１１０ｘが形成される。

加工体１１０ｘは、配線（第１配線４１など）を含む配線基板４０の上に設けられる。加工体１１０ｘは、封止樹脂３０と、配線基板４０と封止樹脂３０との間に設けられた第１半導体素子１０と、第１半導体素子１０の一部ｐ１（図３（ｂ）参照）と封止樹脂３０の一部ｑ１（図３（ｂ）参照）との間に設けられた第１電極１０ｅと、上記の配線と第１電極１０ｅとを電気的に接続する第１ワイヤ５１と、第１絶縁層１１と、第２絶縁層１２と、を含む。第１絶縁層１１は、第１厚さｔ１を有する。第１絶縁層１１の少なくとも一部は、第１方向（配線基板４０から封止樹脂３０に向かうＸ軸方向）において、第１ワイヤ５１の一部と第１半導体素子１０との間に設けられる。第２絶縁層１２は、第１半導体素子１０の他部ｐ２（図３（ｂ）参照）と封止樹脂３０との間に設けられる。第２絶縁層１２は、ポリイミドを含む。第２絶縁層１２は、第１厚さｔ１よりも厚い第２厚さｔ２を有する。

図３（ｃ）に示すように、本製造方法は、このような加工体１１０ｘの封止樹脂３０の他部ｑ２に緑色光ＬＬを照射して、封止樹脂３０の他部ｑ２に刻印３５を形成する工程を含む。緑色光ＬＬは、例えば、ＳＨＧ（second harmonic generation）レーザ光である。

封止樹脂３０の他部ｑ２は、第１方向において、第２絶縁層１２と重なる。例えば、緑色光ＬＬをＸ−Ｙ平面内でスキャンする。緑色光ＬＬは、例えば、配線基板４０の上面４０ａに対して平行にスキャンされる。緑色光ＬＬの強度を変調することで、所望の刻印３５が形成できる。

実施形態によれば、安定した刻印を有する半導体装置の製造方法を提供できる。

例えば、封止樹脂の表面上に１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光を照射して、レーザマークを形成する参考例の方法がある。このとき、第２絶縁層１２が薄い場合（例えば、第２厚さｔ２が第１厚さｔ１と同じ場合）、レーザ光は、封止樹脂で十分に減衰されない。例えば、封止樹脂がシリカなどのフィラーを含む場合は、封止樹脂におけるレーザ光の透過率は、高い。封止樹脂におけるフィラーの含有率は、例えば、約８７重量パーセントである。このため、このレーザ光に対する封止樹脂の透過率は、９５％程度となる。波長が１０６４ｎｍのレーザ光を用いる場合には、封止樹脂と、第２絶縁層１２と、をレーザ光が透過する。このため、レーザ光は、半導体素子に照射され、半導体素子に含まれる配線回路を溶融してしまう。例えば、回路配線が溶融しない場合でも、半導体素子に含まれる不純物の濃度プロファイルが変化し、半導体素子の電気的特性が劣化してしまうことがある。

半導体素子において不具合が生じる。

実施形態においては、刻印３５が設けられる位置に対応する第２絶縁層１２の厚さを厚くする。第２絶縁層１２は、ポリイミドを含む。ポリイミドは、緑色光ＬＬを吸収する。厚い第２絶縁層１２と、緑色光ＬＬと、を組み合わせることで、第２絶縁層１２において緑色光ＬＬを十分に減衰できる。これにより、半導体素子における損傷を抑制できる。

実施形態によれば、安定した刻印を有する半導体装置及びその製造方法を提供できる。

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、上記の説明では、刻印３５の形成には、ＳＨＧレーザ光（緑色レーザ光）を用いる例について説明した。しかしながら、本発明の実施の形態は、第２絶縁層１２で十分に減衰できればＳＨＧレーザ光以外のレーザ光を用いてもかまわない。図４は、レーザ光の波長毎における、第２絶縁層１２に用いるポリイミドの厚さと透過率との関係を示す図である。

図４に示すとおり、ＳＨＧレーザ光より、波長の短いＴＨＧレーザ光（ＵＶレーザ光）の方が、どの第２絶縁層１２の厚さにおいても透過率が低い。すなわち、刻印３５の形成には、ＳＨＧレーザ光よりも波長が短いレーザ光を用いることができる。

また、半導体装置に含まれる配線基板、封止樹脂、半導体素子、電極、ワイヤ及び絶縁層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体装置及びその製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体装置及びその製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。

１０…第１半導体素子、１０ａ…上面、１０ｅ…第１電極、１１…第１絶縁層、１１ａ…第１膜、１１ｂ…第２膜、１２…第２絶縁層、１２ａ…面、２０…第２半導体素子、２０ｅ…第２電極、２３…第３絶縁層、３０…封止樹脂、３０ａ …上面、３１…フィラー、３２…樹脂、３５…刻印、３６…領域、４０…配線基板、４０ａ…上面、４１、４２…第１、第２配線、４４…第４絶縁層、５１、５２…第１、第２ワイヤ、６５、６６…第５、第６絶縁層、１１０、１１１、１１２…半導体装置、１１０ｘ…加工体、ＡＡ…矢印、ＬＬ…緑色光、ｐ１、ｑ１…一部、ｐ２、ｑ２…他部、ｔ１〜ｔ３…第１〜第３厚さ

Claims

配線を含む配線基板と、
刻印を有する封止樹脂と、
前記配線基板と前記封止樹脂との間に設けられた第１半導体素子と、
前記第１半導体素子の一部と前記封止樹脂の一部との間に設けられた第１電極と、
前記配線と前記第１電極とを電気的に接続する第１ワイヤと、
第１絶縁層であって、前記第１絶縁層の少なくとも一部は前記配線基板から前記封止樹脂に向かう第１方向において前記第１ワイヤの一部と前記第１半導体素子との間に設けられ、前記第１絶縁層は第１厚さを有する、前記第１絶縁層と、
前記第１半導体素子と前記封止樹脂との間に設けられポリイミドを含む第２絶縁層であって、前記第２絶縁層の少なくとも一部は前記第１方向において前記刻印と重なり、前記第１厚さよりも厚い第２厚さを有する前記第２絶縁層と、
を備えた半導体装置。
前記配線基板と前記第１半導体素子との間に設けられた第２半導体素子と、
前記第２半導体素子と前記第１半導体素子との間に設けられ前記第２厚さよりも薄い第３絶縁層と、
をさらに備えた請求項１記載の半導体装置。
前記封止樹脂は、複数のフィラーと、前記複数のフィラーの周りに設けられた樹脂と、を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第２絶縁層の緑色光に対する吸光度は、前記フィラーの吸光度よりも高い、請求項３記載の半導体装置。
前記第２厚さは、２０マイクロメートル以上８０マイクロメートル以下である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
配線を含む配線基板上に、封止樹脂と、前記配線基板と前記封止樹脂との間に設けられた第１半導体素子と、前記第１半導体素子の一部と前記封止樹脂の一部との間に設けられた第１電極と、前記配線と前記第１電極とを電気的に接続する第１ワイヤと、第１厚さを有する第１絶縁層であって、前記第１絶縁層の少なくとも一部は前記配線基板から前記封止樹脂に向かう第１方向において前記第１ワイヤの一部と前記第１半導体素子との間に設けられた、前記第１絶縁層と、前記第１半導体素子の他部と前記封止樹脂との間に設けられポリイミドを含み前記第１厚さよりも厚い第２厚さを有する第２絶縁層と、を設け、
前記封止樹脂の他部にＳＨＧレーザ光またはＴＨＧレーザ光を照射して前記封止樹脂の前記他部に刻印を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法。