JP3676015B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板と支持基板とがバンプボンディングにより接続されてなる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体基板を支持基板上にバンプボンディングして構成される半導体装置が知られている。例えば、半導体装置の１つである裏面照射型ＣＣＤは、図７に示した断面図のように、ＣＣＤチップ１の裏面（堆積層や配線層が形成されていない面）がエッチングや研磨等されて、厚みが１５μｍ乃至２０μｍ程度とされたものであって、裏面から入射した光を高感度に検出できるものである。特に、ＣＣＤチップ１の厚みを薄くしたことで、ＣＣＤチップ１による吸収が大きい紫外光をも高感度に検出することができる。
【０００３】
しかし、一方で、ＣＣＤチップ１の厚みが極めて薄いことから、機械的な強度が非常に弱いという問題がある。そこで、裏面照射型ＣＣＤは、入射面であるＣＣＤチップ１の裏面を外側に向け、ＣＣＤチップ１の表面（堆積層や配線層等が形成されている面）を固く平坦な支持基板３上に貼り付けることで機械的強度を確保している。また、ＣＣＤチップ１と支持基板３との間の空隙には、エポキシ樹脂等の非導電性樹脂６が充填されており、この非導電性樹脂６によっても機械的強度が与えられている。
【０００４】
このようなＣＣＤチップ１が支持基板３に貼り付けられて構成される裏面照射型ＣＣＤでは、配線は以下のように取り出されている。すなわち、支持基板３上には予め所定のパターンで形成された金属配線層４とＣＣＤチップ１表面上の金属配線層２とは、金や半田等の金属または導電性樹脂からなるバンプ５により電気的に接続されており、ＣＣＤチップ１上の配線層は、バンプ５および支持基板３上の金属配線層４を介して外部に取り出されている。このような接続は、ＣＣＤチップ１がひっくり返されて支持基板３に接続されることからフリップチップボンディングと呼ばれ、また、バンプを介して接続されることからバンプボンディングと呼ばれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例におけるバンプボンディングによる電極の接続では以下のような問題点がある。
【０００６】
例えば、同種材料（例えば共にシリコン材料）からなる半導体基板および支持基板がバンプボンディングして構成される半導体装置の場合には、両者の熱膨張係数は一致しており、したがって、バンプボンディング終了後に室温まで冷却される工程において半導体基板および支持基板それぞれが収縮する率が同一であると考えられることから、バンプには応力が加わらず剥がれ難いと考えられていた。ところが実際には、温度変化に伴う膨張・収縮以外に、半導体基板または支持基板の反りが時間経過に伴って変化し、これがバンプによる電気接続を非常に不安定にしている。なお、バンプボンディングが行われる温度は、バンプ材料に依って異なるが、１００℃〜３５０℃程度の範囲の温度である。
【０００７】
以下に、図８を参照しながらバンプボンディングにおける反りの問題について説明する。この図８は、共にシリコン材料からなるＣＣＤチップ（半導体基板）１および支持基板３のバンプボンディングにおける反りに関する問題を説明するための断面図である。
【０００８】
バンプボンディング作業直前の様子を図８（ａ）に示す。ＣＣＤチップ１は、例えば３０ｍｍ×７ｍｍのサイズであり、その表面の一部領域にＡｌ配線層２が施され、そのＡｌ配線層２表面にワイヤボンディング法により金バンプ５が形成されている。この図に示すように、ＣＣＤチップ１は、堆積層や配線層の形成された表面が支持基板３に対向し、一般に室温においてはその表面を凸にして反っている。チップサイズが３０ｍｍ×７ｍｍである場合、その反り量は数μｍにもなる。
【０００９】
一方、支持基板３は、その表面の一部領域にＡｌ配線層４が施され、そのＡｌ配線層４表面にリフトオフ法によりＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７が形成されている。この支持基板３は、ＣＣＤチップ１とは異なり、反りを無くすることが可能である。また、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７は、金バンプ５との間で良好な導通を得るためのものである。
【００１０】
このようなＣＣＤチップ１と支持基板３とをバンプボンディングするに際しては、図８（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ１および支持基板３それぞれを真空チャック８ａおよび８ｂそれぞれにより吸着し、２８０℃に加熱しながら１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えてボンディングする。このときには、ＣＣＤチップ１は、真空チャック８ａに強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００１１】
そして、ＣＣＤチップ１および支持基板３は、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック８ａおよび８ｂから外された状態では、図８（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ１は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ５を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ５を引き剥がす方向である。もし、ＣＣＤチップ１の周辺部分において、金バンプ５とＡｌ配線層２との接着強度あるいは金バンプ５と多層金属電極層７との接着強度よりも、１つの金バンプ当たりに加わる応力が大きい場合には、金バンプ５は、Ａｌ配線層２または多層金属電極層７から剥がれてしまう。この図８（ｃ）は、両端の金バンプ５それぞれが多層金属電極層７から剥がれた様子を示している。
【００１２】
また、バンプボンディングされるべき２枚の基板が互いに異種の材料である場合には、更に他の問題がある。例えば、チップサイズ９ｍｍ×７ｍｍのＩｎＳｂからなるフォトディテクタ・アレイ・チップを、シリコンからなるＣＭＯＳアンプ・アレイ・チップに異種接合して構成される半導体装置の場合、ＩｎＳｂの熱膨張係数は５．０４×１０-6／℃であり、シリコンの熱膨張係数は２．６０×１０-6／℃であるので、両者間の対角長のずれは０．０２７μｍ／℃になる。Ｉｎバンプを用いて室温付近で両者をバンプボンディングし、室温において対角長が一致していたとしても、この半導体装置は絶対温度８０Ｋ程度の低温の環境下で使用されるため、絶対温度８０Ｋにおいては両者間の対角長は５．４μｍもずれる。したがって、異種接合の場合には、半導体基板および支持基板の双方または一方の反りに起因するだけでなく、熱膨張係数の差にも起因して、バンプ剥がれが発生することになる。さらに、半導体基板および支持基板の双方または何れか一方の捻れに起因しても、バンプ剥がれが生じうる。
【００１３】
このように、バンプボンディングされるべき２枚の基板の双方または一方の反りや捻れ、または熱膨張係数の差があると、これに起因してバンプ剥がれが発生し、ひいては電気的な導通が損なわれるので、その半導体装置は使用できなくなる。
【００１４】
なお、熱膨張係数の差に起因するバンプ剥がれを防止すべく、従来より、バンプ高を高くしたり、或いは、バンプ材として柔らかいものを用いたりすることが行われている。これらは何れも、高い或いは柔らかいバンプ材により、熱膨張係数の差による歪みを吸収しようとするものである。しかし、バンプボンディングすべき基板が大きい場合、例えば長手方向で数ｃｍもあるような場合では、熱膨張の違いを吸収しきれず、バンプ剥がれが生じていた。
【００１５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、バンプボンディングされるべき半導体基板および支持基板の双方または一方に反りや捻れが生じて、或いは熱膨張係数の差があって、バンプ剥がれが生じても、バンプ剥がれによる電気的な導通不良が生じない半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上の配線層および支持基板上の配線層が互いにバンプボンディングにより接続されてなる半導体装置であって、支持基板上の一部領域に絶縁層が形成され、支持基板上の配線層は支持基板の表面から絶縁層の表面にわたって形成され、半導体基板の配線層および支持基板の配線層は絶縁層が形成されている領域上において互いにバンプボンディングされており、絶縁層と支持基板との間の接着強度および絶縁層と絶縁層上の配線層との間の接着強度の一方はバンプボンディングの接着強度よりも弱く、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に結合され、周辺部分において前記バンプボンディングがなされている、ことを特徴とする。
【００１７】
この半導体装置によれば、半導体基板および支持基板の双方または一方が反ったり捻れたりした場合であっても、絶縁層と支持基板との間または絶縁層と絶縁層上の配線層との間の何れかが優先して剥がれ、バンプボンディングは剥がれることはない。したがって、支持基板の配線層と半導体基板の配線層との間で電源電圧や電気信号について電気的な導通が良好に維持される。なお、ここで、半導体基板および支持基板それぞれの上の配線層は、その配線層の上にバリヤメタルを含む多層金属電極層が形成されている場合には、これをも含むものとする。
【００１８】
さらに、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に結続され、周辺部分においてバンプボンディングがなされていることにより、中央領域ほど間隔が狭くなるように反ると、周辺領域のバンプボンディング部分における絶縁層が支持基板またはその上の配線層と剥がれるものの良好な電気的導通が維持され、且つ、中央領域のダミーバンプにより機械的強度が確保される。
【００１９】
また、半導体基板と支持基板との間の空隙に絶縁性樹脂が注入され硬化されていることを特徴とする。この場合、半導体基板と支持基板とは絶縁性樹脂により更に強固に接続されて機械的強度が確保される。
【００２０】
また、絶縁層がポリイミド層である場合には、支持基板との接着強度および支持基板上の配線層との接着強度それぞれを適切に設定し得るので好適である。たとえば、絶縁層が密着材の塗布された支持基板上に形成されることにより、絶縁層が支持基板上に直接に形成されることにより、または、絶縁層の表面が酸素プラズマ処理されることにより、絶縁層と支持基板との接着強度および絶縁層と支持基板上の配線層との接着強度それぞれは適切に設定される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
（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の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ（半導体基板）１０と支持基板２０とがバンプボンディングして構成される半導体装置を示すものであり、図１（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、図１（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、図１（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【００２３】
ＣＣＤチップ１０の表面（堆積層や配線層が形成される面）の一部領域には、所定パターンのＡｌ配線層１１が施されており、この接着強度は強い。更にＡｌ配線層１１上の離散的な各位置（この図では５箇所）に超音波ワイヤボンダを使用して金バンプ１２が形成されている。この金バンプ１２それぞれは、ＣＣＤチップ１０表面に平行な方向の直径が７０μｍ乃至１００μｍ程度であり、高さが５０μｍ乃至６０μｍ程度である。
【００２４】
一方、支持基板２０表面の離散的な領域（この図では５つの領域）には、絶縁層としてのポリイミド層２１が形成されている。このポリイミド層２１が形成される領域は、支持基板２０とＣＣＤチップ１０とが張り合わされたときに、ＣＣＤチップ１０の上に金バンプ１２が形成された位置に対応する支持基板１０上の領域である。ポリイミド層２１は、支持基板２０表面を覆っている絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）との接着強度が弱いので、支持基板２０表面に密着材（例えばアルミニウムキレート）を塗布して熱処理（例えば、３００℃、酸素雰囲気中、６０分）し、その後に表面上にポリイミド層２１を形成する。
【００２５】
また更に、支持基板２０の上には、Ａｌ配線層２２が施されている。このＡｌ配線層２２は、一部領域がポリイミド層２１表面に形成され、その他の領域が支持基板２０表面に直接に形成されている。このＡｌ配線層２２と支持基板２０とが直接に接触している部分では強く接着している。そして、このＡｌ配線層２２表面であってポリイミド層２１の上方には、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層２３がリフトオフ法により形成されている。支持基板２０とＡｌ配線層２２との接着強度、および、Ａｌ配線層２２と多層金属電極層２３との接着強度は強い。
【００２６】
ここで、Ａｌ配線層２２、支持基板２０およびポリイミド層２１の３者間の密着性について述べる。一般にシリコン・チップにおける配線層の材料としてＡｌが用いられている。その理由は、第１に、デポジション（堆積）工程からエッチング工程に到るまで加工が容易である点、第２に、コンタクト・ホールにできた自然酸化膜（ＳｉＯ2 ）がＡｌにより還元され易いのでオーミック・コンタクトが容易にとれる点、第３に、ＡｌはシリコンだけでなくＳｉＯ2 、ＰＳＧおよびＢＰＳＧ等との密着性が良いので非常に細い配線層であっても基板との密着性が優れている点にある。これらのうち第２および第３の事項は、Ａｌ中におけるシリコンの拡散係数が大きい故に、適当な熱処理を施すことによりＡｌ中にシリコンを容易に拡散することができことに因るものである。したがって、このような拡散作用に因ってＡｌ配線層２２と支持基板２０との境界面が化学的に混じり合うために、両者の間の接着強度は強くなる。同様に、ＣＣＤチップ１０とＡｌ配線層１１との間の接着強度も強い。
【００２７】
これに対して、Ａｌとポリイミドとの間では拡散作用がなく化学的に混じり合うことはなく、両者の間の接着強度は弱い。特に、Ａｌ配線層２２を低抵抗加熱真空蒸着法により形成すると、ポリイミド層２１との接着強度は弱い。ただし、ポリイミド層２１表面を酸素プラズマで軽くアッシング処理すると、その酸素プラズマのパワーおよび処理時間に依存した凹凸がポリイミド層２１表面に形成されるので、ポリイミド層２１表面の凹凸にＡｌ配線層２２が食い込むようになって、物理的に或程度の接着強度が保持される。また、ポリイミド層２１上のＡｌ配線層２２の接着強度の制御方法として、スパッタ法を用いてＡｌ配線層２２の層を堆積する方法もある。この場合には、堆積が始まる瞬間にスパッタエネルギでポリイミド層２１表面を叩くので、その表面に同様の凹凸が形成されて或程度の接着強度が保持される。
【００２８】
以上のような支持基板２０は、何れの面にも素子が形成されるものではないので、その両面に同一厚さのＰＳＧ膜を形成することで、反りや捻れが生じないようすることができる。しかし、ＣＣＤチップ１０は、一方の表面にのみ熱酸化膜やＰＳＧ膜が数μｍ厚も堆積されていて、これに起因する反りや捻れが生じる。また、シリコン・インゴットからシリコン・ウェーハをスライスする際に既に反りや捻れが生じていることもある。さらに、その反りや捻れの方向や程度はチップ毎に異なる。一般には、図１（ａ）に示すように、ＣＣＤチップ１０と支持基板２０とは互いに平行とはならず、ＣＣＤチップ１０表面が凸になるように反るため、両者の間隔は、中央部分ほど狭く、周辺部分ほど広い。
【００２９】
バンプボンディングに際しては、図１（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ１０および支持基板２０それぞれは、真空チャック３１および３２それぞれにより吸着され、２８０℃に加熱され１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えられてボンディングされる。このときには、ＣＣＤチップ１０は、真空チャック３１に強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００３０】
そして、ＣＣＤチップ１０および支持基板２０それぞれは、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック３１および３２それぞれから外された状態では、図１（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ１０は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ１２を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ１２を引き剥がす方向である。
【００３１】
しかし、本実施形態に係る半導体装置の場合には、前述した従来技術とは異なり、何れの金バンプ１２も、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と剥がれることはなく、且つ、支持基板２０上の多層金属電極層２３とも剥がれることはない。その替わり、周辺部分においてＡｌ配線層２２とポリイミド層２１とが剥がれる。これは、Ａｌ配線層２２とポリイミド層２１との接着強度が、他の接続面における接着強度よりも弱いからである。
【００３２】
図２は、支持基板２０上のＡｌ配線層２２とポリイミド層２１とが剥がれている様子の拡大断面図である。この図に示すように、バンプボンディングが終了して室温にまで冷却されると、ＣＣＤチップ１０に反りが生じて、ＣＣＤチップ１０周辺部分において、Ａｌ配線層２２とポリイミド層２１とは剥がれる。しかし、ＣＣＤチップ１０とＡｌ配線層１１との間、Ａｌ配線層１１と金バンプ１２との間、金バンプ１２と多層金属電極層２３との間、多層金属電極層２３とＡｌ配線層２２との間、Ａｌ配線層２２と支持基板層２０との間、および、ポリイミド層２１と支持基板層２０との間は、それぞれ強固に接着しているので剥がれることはない。
【００３３】
発明者による実験によれば、バンプボンディングの条件を温度２８０℃および荷重４０ｇ／バンプとした場合、多層金属電極層２３と金バンプ１２との間の接着強度は１５ｇ程度であり、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と金バンプ１２との間の接着強度も同程度であった。また、ポリイミド層２１表面への酸素プラズマによるアッシング処理の条件を、酸素流量１００ｓｃｃｍ、圧力１０Ｐａ、Ｒｆパワー１５０Ｗおよび処理時間３０秒とした場合、Ａｌ配線層２２は、ドライエッチングによりパターニングできる程度にポリイミド層２１との接着強度を有し、且つ、バンプボンディング終了時にはポリイミド層２１が剥がれ、一方、何れの金バンプ１２も、Ａｌ配線層１１または多層金属電極層２３と剥がれることはなかった。さらに、Ａｌ配線層２２は、支持基板２０と強固に接着し、また、大きな延性を有しているので、ポリイミド層２１と剥がれるに際して切断されることはなかった。したがって、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と支持基板２０上のＡｌ配線層２２との間で良好な電気的導通が得られた。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ４０と支持基板５０とのバンプボンディング終了後における長手方向の断面図を示すものである。この図に示す半導体装置は、バンプボンディングがほぼ等間隔になされていた図１に示す半導体装置と異なり、長手方向において、両端の周辺部分それぞれの３箇所に等間隔にバンプボンディングＡがなされ、中央部分の４箇所に等間隔にバンプボンディング（ダミーバンプ）Ｂがなされ、このバンプボンディングＡとバンプボンディングＢとの間の間隔は、隣接するバンプボンディングＡ同士またはＢ同士の間の間隔よりも大きい。
【００３５】
また、両端の周辺部分それぞれの３箇所のバンプボンディングＡは、図１および図２に示したバンプボンディングであって、支持基板５０とＡｌ配線層との間の一部領域にポリイミド層が形成されている。しかし、中央部分の４箇所のバンプボンディングＢは、図８に示した従来のバンプボンディングであって、支持基板５０とその上のＡｌ配線層との間にポリイミド層はない。
【００３６】
このような半導体装置の場合に、ＣＣＤチップ４０の表面（支持基板５０に対向する面）が凸となるような反りが生じると、中央部分のバンプボンディングＢに対しては押さえつけようとする応力が働き、一方、周辺部分のバンプボンディングＡに対しては引き剥がそうとする力が働く。このような応力が働くことにより、バンプボンディングＡのうちの接着強度が最も弱いＡｌ配線層とポリイミド層との間においてのみ剥がれが生じ、バンプボンディングＡのその他の接続面で剥がれることはなく、また、バンプボンディングＢでは全く剥がれることはない。したがって、このような半導体装置の場合にも、反りが生じたとしても、何れのＡｌ配線層も切断されることはなく良好な電気的導通が維持され、且つ、バンプボンディングＢによりＣＣＤチップ４０および支持基板５０は互いに強固に接続される。
【００３７】
次に、この図３の断面図に示した半導体装置を更に具体的に説明する。図４は、図３に示した半導体装置のより具体的な説明図であり、ここでは、ＣＣＤチップ４０について裏面中央の薄型化部分４０Ａについても図示している。図４（ａ）は、この半導体装置の平面図である。ただし、破線の枠それぞれは、バンプボンディングがなされる領域を示すものである。また、図４（ｂ）および（ｃ）それぞれは、図４（ａ）におけるＸ−Ｘ切断面およびＹ−Ｙ切断面それぞれにおける断面図である。この図４（ｂ）に示す断面図が、図３に示す断面図と同等のものである。
【００３８】
この図４中の破線枠で示したように、バンプボンディングがなされる領域は、ＣＣＤチップ４０の周囲の６箇所に分散されている。そのうちの４隅の領域ＡＡでなされるバンプボンディングＡは、図１および図２に示したバンプボンディングであって、支持基板５０とＡｌ配線層との間の一部領域にポリイミド層が形成されている。しかし、ＣＣＤチップ４０の長辺の中央付近の領域ＢＢでなされるバンプボンディングＢは、図８に示した従来のバンプボンディングであって、支持基板５０とその上のＡｌ配線層との間にポリイミド層はない。
【００３９】
ＣＣＤにおいては、高速駆動を図るべく配線層長を最短にするために、電源電圧や電気信号について電気的な導通をＣＣＤチップ４０の４隅でとるのが好適である。すなわち、４隅の領域ＡＡでなされるバンプボンディングＡは、電気的な導通をとるためのものである。一方、領域ＢＢでなされるバンプボンディングＢは、必ずしも電気的な導通をとるために用いられるものではなく、単に機械的に接続するためのものであってもよい。
【００４０】
このような半導体装置では、ＣＣＤチップ４０の裏面中央に薄型化部分４０Ａが形成されているため反りだけでなく捻れも生じ得る。しかし、その場合であっても、領域ＡＡのバンプボンディングＡのうちの接着強度が最も弱い支持基板５０上のＡｌ配線層とポリイミド層との間においてのみ剥がれが生じ、バンプボンディングＡのその他の接続面で剥がれることはなく、また、領域ＢＢのバンプボンディングＢでは全く剥がれることはない。したがって、何れのＡｌ配線層も切断されることはなく、良好な電気的導通が維持され、かつ、充分な機械的強度が確保される。
【００４１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ（半導体基板）６０と支持基板７０とがバンプボンディングして構成される半導体装置を示すものであり、図５（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、図５（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、図５（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【００４２】
ＣＣＤチップ６０は、第１の実施形態におけるＣＣＤチップ１０と同様に、その表面の一部領域に、所定パターンのＡｌ配線層６１が施されており、更にＡｌ配線層６１上の離散的な各位置（この図でも５箇所）に超音波ワイヤボンダを使用して金バンプ６２が形成されている。
【００４３】
一方、支持基板７０表面の離散的な領域（この図でも５つの領域）に、絶縁層としてのポリイミド層７１が形成されている。更に、支持基板７０の上に施されているＡｌ配線層７２は、一部領域がポリイミド層７１表面に形成され、その他の領域が支持基板７０表面に直接に形成されている。このＡｌ配線層７２と支持基板７０とが直接に接触している部分では強く接着している。そして、このＡｌ配線層７２表面であってポリイミド層７１の上方には、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７３がリフトオフ法により形成されている。
【００４４】
本実施形態において、支持基板７０、ポリイミド層７１、Ａｌ配線層７２および多層金属電極層７３は、第１の実施形態と略同様に形成されているが、以下の点で第１の実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態では、支持基板７０表面に密着材を塗布することなく、支持基板７０表面上に直接にポリイミド層７１を形成して、支持基板７０表面の絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）とポリイミド層７１との接着強度を弱いままにしておく。一方、ポリイミド層７１表面を、酸素プラズマでアッシング処理して凹凸を形成し、ポリイミド層７１とＡｌ配線層７２との接着強度を強くする。
【００４５】
本実施形態でも、支持基板７０は、反りが生じさせないようすることができる一方、ＣＣＤチップ６０は、一方の表面にのみ堆積された熱酸化膜やＰＳＧ膜に起因して反りが生じ、その反りの方向や程度はチップ毎に異なる。図５（ａ）に示すように、ＣＣＤチップ６０と支持基板７０とは互いには平行とはならず、一般には、ＣＣＤチップ６０の表面（支持基板７０に対向する面）が凸になるように反るため、両者の間隔は、中央部分ほど狭く、周辺部分ほど広い。
【００４６】
バンプボンディングに際しては、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ６０および支持基板７０それぞれは、真空チャック３１および３２それぞれにより吸着され、２８０℃に加熱され１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えられてボンディングされる。このときには、ＣＣＤチップ６０は、真空チャック３１に強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００４７】
そして、ＣＣＤチップ６０および支持基板７０それぞれは、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック３１および３２それぞれから外された状態では、図５（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ６０は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ６２を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ６２を引き剥がす方向である。
【００４８】
しかし、本実施形態に係る半導体装置の場合も、第１の実施形態の場合と同様に、何れの金バンプ６２も、ＣＣＤチップ６０上のＡｌ配線層６１と剥がれることはなく、且つ、支持基板７０上の多層金属電極層７３とも剥がれることはない。ただし、第１の実施形態の場合と異なり、本実施形態では、周辺部分において支持基板７０とポリイミド層７１とが剥がれる。これは、支持基板７０とポリイミド層７１との接着強度が、他の接続面における接着強度よりも弱いからである。
【００４９】
図６は、ポリイミド層７１が支持基板７０から剥がれている様子の拡大断面図である。この図に示すように、バンプボンディングが終了して室温にまで冷却されると、ＣＣＤチップ６０に反りが生じて、ＣＣＤチップ６０周辺部分において、支持基板７０とポリイミド層７１とは剥がれる。しかし、ＣＣＤチップ６０とＡｌ配線層６１との間、Ａｌ配線層６１と金バンプ６２との間、金バンプ６２と多層金属電極層７３との間、多層金属電極層７３とＡｌ配線層７２との間、Ａｌ配線層７２と支持基板層７０との間、および、Ａｌ配線層７２とポリイミド層７１との間は、それぞれ強固に接着しているので剥がれることはない。
【００５０】
本実施形態に係る半導体装置でも、第１の実施形態の場合と同様に、何れの金バンプ６２も、Ａｌ配線層６１または多層金属電極層７３と剥がれることはなく、また、Ａｌ配線層７２は、支持基板７０と強固に接続して切断されることはなく、したがって、ＣＣＤチップ６０上のＡｌ配線層６１と支持基板７０上のＡｌ配線層７２との間で良好な電気的導通が得られる。さらに、本実施形態の場合には、Ａｌ配線層７２には常にポリイミド層７１が接着しているので、Ａｌ配線層７２は、ポリイミド層７１に保護され、信頼性が高い。
【００５１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、第３の実施形態に係る半導体装置の変形例として、第２の実施形態（図３、図４）のような構成としてもよい。
【００５２】
また、ＣＣＤチップと支持基板との間の空隙に樹脂を注入して硬化させることで両者を固定すれば、半導体装置全体として更に機械的強度が強くなるので好適である。
【００５３】
また、上記何れの実施形態の説明においても、支持基板側にポリイミド層を設けたが、ＣＣＤチップ側に設けてもよいし、支持基板側およびＣＣＤチップ側の双方に設けてもよい。ただし、上記実施形態のように、支持基板側にポリイミド層を設けた方が、ＣＣＤチップについては従来通りの工程で製造できるので好適である。
【００５４】
また、このポリイミド層に替えて、上述した作用を奏する他の材料からなる絶縁層であってもよい。また、半導体装置は、共にシリコン材料であるＣＣＤチップと支持基板とからなる裏面照射型ＣＣＤとして説明したが、両基板は、シリコンに限られるものではなく、例えば、他の半導体材料からなる基板であってもよいし、また、支持基板はセラミック基板であってもよい。半導体装置は、２枚の基板が互いに異種の材料からなるものであってもよいし、また、ＣＣＤに限られるものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、支持基板上の一部領域に絶縁層が形成され、支持基板上の配線層は支持基板の表面から絶縁層の表面にわたって形成され、半導体基板の配線層および支持基板の配線層は絶縁層が形成されている領域上において互いにバンプボンディングされており、絶縁層と支持基板との間の接着強度および絶縁層と支持基板上の配線層との間の接着強度の一方はバンプボンディングの接着強度よりも弱い。このような構成とすることにより、半導体基板および支持基板の双方または一方が反ったり捻れたりした場合であっても、絶縁層と支持基板との間または絶縁層と支持基板上の配線層との間の何れかが優先して剥がれ、バンプボンディングは剥がれることはない。したがって、支持基板の配線層と半導体基板の配線層との間で電源電圧や電気信号について電気的な導通が良好に維持される。
【００５６】
また、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に接続され、周辺部分においてバンプボンディングがなされている場合には、中央領域ほど間隔が狭くなるように反ると、周辺領域のバンプボンディング部分における絶縁層が支持基板またはその上の配線層と剥がれるものの良好な電気的導通が維持され、且つ、中央領域のダミーバンプにより機械的強度が確保される。また、半導体基板と支持基板との間の空隙に絶縁性樹脂が注入され硬化されている場合には、半導体基板と支持基板とは絶縁性樹脂により更に強固に接続されて機械的強度が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の支持基板上のＡｌ配線層とポリイミド層とが剥がれている様子の拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置のより具体的な説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）それぞれは互いに異なる切断面における断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体装置の支持基板上のＡｌ配線層とポリイミド層とが剥がれている様子の拡大断面図である。
【図７】ＣＣＤチップと支持基板とがバンプボンディングされてなる従来の裏面照射型ＣＣＤの断面図である。
【図８】バンプボンディングにおける反りに関する問題を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０…ＣＣＤチップ、１１…Ａｌ配線層、１２…金バンプ、２０…支持基板、２１…ポリイミド層、２２…Ａｌ配線層、２３…多層金属電極層、３１，３２…真空チャック、４０…ＣＣＤチップ、５０…支持基板、６０…ＣＣＤチップ、６１…Ａｌ配線層、６２…金バンプ、７０…支持基板、７１…ポリイミド層、７２…Ａｌ配線層、７３…多層金属電極層。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板と支持基板とがバンプボンディングにより接続されてなる半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体基板を支持基板上にバンプボンディングして構成される半導体装置が知られている。例えば、半導体装置の１つである裏面照射型ＣＣＤは、図７に示した断面図のように、ＣＣＤチップ１の裏面（堆積層や配線層が形成されていない面）がエッチングや研磨等されて、厚みが１５μｍ乃至２０μｍ程度とされたものであって、裏面から入射した光を高感度に検出できるものである。特に、ＣＣＤチップ１の厚みを薄くしたことで、ＣＣＤチップ１による吸収が大きい紫外光をも高感度に検出することができる。
【０００３】
しかし、一方で、ＣＣＤチップ１の厚みが極めて薄いことから、機械的な強度が非常に弱いという問題がある。そこで、裏面照射型ＣＣＤは、入射面であるＣＣＤチップ１の裏面を外側に向け、ＣＣＤチップ１の表面（堆積層や配線層等が形成されている面）を固く平坦な支持基板３上に貼り付けることで機械的強度を確保している。また、ＣＣＤチップ１と支持基板３との間の空隙には、エポキシ樹脂等の非導電性樹脂６が充填されており、この非導電性樹脂６によっても機械的強度が与えられている。
【０００４】
このようなＣＣＤチップ１が支持基板３に貼り付けられて構成される裏面照射型ＣＣＤでは、配線は以下のように取り出されている。すなわち、支持基板３上には予め所定のパターンで形成された金属配線層４とＣＣＤチップ１表面上の金属配線層２とは、金や半田等の金属または導電性樹脂からなるバンプ５により電気的に接続されており、ＣＣＤチップ１上の配線層は、バンプ５および支持基板３上の金属配線層４を介して外部に取り出されている。このような接続は、ＣＣＤチップ１がひっくり返されて支持基板３に接続されることからフリップチップボンディングと呼ばれ、また、バンプを介して接続されることからバンプボンディングと呼ばれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例におけるバンプボンディングによる電極の接続では以下のような問題点がある。
【０００６】
例えば、同種材料（例えば共にシリコン材料）からなる半導体基板および支持基板がバンプボンディングして構成される半導体装置の場合には、両者の熱膨張係数は一致しており、したがって、バンプボンディング終了後に室温まで冷却される工程において半導体基板および支持基板それぞれが収縮する率が同一であると考えられることから、バンプには応力が加わらず剥がれ難いと考えられていた。ところが実際には、温度変化に伴う膨張・収縮以外に、半導体基板または支持基板の反りが時間経過に伴って変化し、これがバンプによる電気接続を非常に不安定にしている。なお、バンプボンディングが行われる温度は、バンプ材料に依って異なるが、１００℃〜３５０℃程度の範囲の温度である。
【０００７】
以下に、図８を参照しながらバンプボンディングにおける反りの問題について説明する。この図８は、共にシリコン材料からなるＣＣＤチップ（半導体基板）１および支持基板３のバンプボンディングにおける反りに関する問題を説明するための断面図である。
【０００８】
バンプボンディング作業直前の様子を図８（ａ）に示す。ＣＣＤチップ１は、例えば３０ｍｍ×７ｍｍのサイズであり、その表面の一部領域にＡｌ配線層２が施され、そのＡｌ配線層２表面にワイヤボンディング法により金バンプ５が形成されている。この図に示すように、ＣＣＤチップ１は、堆積層や配線層の形成された表面が支持基板３に対向し、一般に室温においてはその表面を凸にして反っている。チップサイズが３０ｍｍ×７ｍｍである場合、その反り量は数μｍにもなる。
【０００９】
一方、支持基板３は、その表面の一部領域にＡｌ配線層４が施され、そのＡｌ配線層４表面にリフトオフ法によりＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７が形成されている。この支持基板３は、ＣＣＤチップ１とは異なり、反りを無くすることが可能である。また、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７は、金バンプ５との間で良好な導通を得るためのものである。
【００１０】
このようなＣＣＤチップ１と支持基板３とをバンプボンディングするに際しては、図８（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ１および支持基板３それぞれを真空チャック８ａおよび８ｂそれぞれにより吸着し、２８０℃に加熱しながら１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えてボンディングする。このときには、ＣＣＤチップ１は、真空チャック８ａに強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００１１】
そして、ＣＣＤチップ１および支持基板３は、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック８ａおよび８ｂから外された状態では、図８（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ１は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ５を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ５を引き剥がす方向である。もし、ＣＣＤチップ１の周辺部分において、金バンプ５とＡｌ配線層２との接着強度あるいは金バンプ５と多層金属電極層７との接着強度よりも、１つの金バンプ当たりに加わる応力が大きい場合には、金バンプ５は、Ａｌ配線層２または多層金属電極層７から剥がれてしまう。この図８（ｃ）は、両端の金バンプ５それぞれが多層金属電極層７から剥がれた様子を示している。
【００１２】
また、バンプボンディングされるべき２枚の基板が互いに異種の材料である場合には、更に他の問題がある。例えば、チップサイズ９ｍｍ×７ｍｍのＩｎＳｂからなるフォトディテクタ・アレイ・チップを、シリコンからなるＣＭＯＳアンプ・アレイ・チップに異種接合して構成される半導体装置の場合、ＩｎＳｂの熱膨張係数は５．０４×１０-6／℃であり、シリコンの熱膨張係数は２．６０×１０-6／℃であるので、両者間の対角長のずれは０．０２７μｍ／℃になる。Ｉｎバンプを用いて室温付近で両者をバンプボンディングし、室温において対角長が一致していたとしても、この半導体装置は絶対温度８０Ｋ程度の低温の環境下で使用されるため、絶対温度８０Ｋにおいては両者間の対角長は５．４μｍもずれる。したがって、異種接合の場合には、半導体基板および支持基板の双方または一方の反りに起因するだけでなく、熱膨張係数の差にも起因して、バンプ剥がれが発生することになる。さらに、半導体基板および支持基板の双方または何れか一方の捻れに起因しても、バンプ剥がれが生じうる。
【００１３】
このように、バンプボンディングされるべき２枚の基板の双方または一方の反りや捻れ、または熱膨張係数の差があると、これに起因してバンプ剥がれが発生し、ひいては電気的な導通が損なわれるので、その半導体装置は使用できなくなる。
【００１４】
なお、熱膨張係数の差に起因するバンプ剥がれを防止すべく、従来より、バンプ高を高くしたり、或いは、バンプ材として柔らかいものを用いたりすることが行われている。これらは何れも、高い或いは柔らかいバンプ材により、熱膨張係数の差による歪みを吸収しようとするものである。しかし、バンプボンディングすべき基板が大きい場合、例えば長手方向で数ｃｍもあるような場合では、熱膨張の違いを吸収しきれず、バンプ剥がれが生じていた。
【００１５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、バンプボンディングされるべき半導体基板および支持基板の双方または一方に反りや捻れが生じて、或いは熱膨張係数の差があって、バンプ剥がれが生じても、バンプ剥がれによる電気的な導通不良が生じない半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上の配線層および支持基板上の配線層が互いにバンプボンディングにより接続されてなる半導体装置であって、支持基板上の一部領域に絶縁層が形成され、支持基板上の配線層は支持基板の表面から絶縁層の表面にわたって形成され、半導体基板の配線層および支持基板の配線層は絶縁層が形成されている領域上において互いにバンプボンディングされており、絶縁層と支持基板との間の接着強度および絶縁層と絶縁層上の配線層との間の接着強度の一方はバンプボンディングの接着強度よりも弱く、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に結合され、周辺部分において前記バンプボンディングがなされている、ことを特徴とする。
【００１７】
この半導体装置によれば、半導体基板および支持基板の双方または一方が反ったり捻れたりした場合であっても、絶縁層と支持基板との間または絶縁層と絶縁層上の配線層との間の何れかが優先して剥がれ、バンプボンディングは剥がれることはない。したがって、支持基板の配線層と半導体基板の配線層との間で電源電圧や電気信号について電気的な導通が良好に維持される。なお、ここで、半導体基板および支持基板それぞれの上の配線層は、その配線層の上にバリヤメタルを含む多層金属電極層が形成されている場合には、これをも含むものとする。
【００１８】
さらに、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に結続され、周辺部分においてバンプボンディングがなされていることにより、中央領域ほど間隔が狭くなるように反ると、周辺領域のバンプボンディング部分における絶縁層が支持基板またはその上の配線層と剥がれるものの良好な電気的導通が維持され、且つ、中央領域のダミーバンプにより機械的強度が確保される。
【００１９】
また、半導体基板と支持基板との間の空隙に絶縁性樹脂が注入され硬化されていることを特徴とする。この場合、半導体基板と支持基板とは絶縁性樹脂により更に強固に接続されて機械的強度が確保される。
【００２０】
また、絶縁層がポリイミド層である場合には、支持基板との接着強度および支持基板上の配線層との接着強度それぞれを適切に設定し得るので好適である。たとえば、絶縁層が密着材の塗布された支持基板上に形成されることにより、絶縁層が支持基板上に直接に形成されることにより、または、絶縁層の表面が酸素プラズマ処理されることにより、絶縁層と支持基板との接着強度および絶縁層と支持基板上の配線層との接着強度それぞれは適切に設定される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
（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の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ（半導体基板）１０と支持基板２０とがバンプボンディングして構成される半導体装置を示すものであり、図１（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、図１（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、図１（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【００２３】
ＣＣＤチップ１０の表面（堆積層や配線層が形成される面）の一部領域には、所定パターンのＡｌ配線層１１が施されており、この接着強度は強い。更にＡｌ配線層１１上の離散的な各位置（この図では５箇所）に超音波ワイヤボンダを使用して金バンプ１２が形成されている。この金バンプ１２それぞれは、ＣＣＤチップ１０表面に平行な方向の直径が７０μｍ乃至１００μｍ程度であり、高さが５０μｍ乃至６０μｍ程度である。
【００２４】
一方、支持基板２０表面の離散的な領域（この図では５つの領域）には、絶縁層としてのポリイミド層２１が形成されている。このポリイミド層２１が形成される領域は、支持基板２０とＣＣＤチップ１０とが張り合わされたときに、ＣＣＤチップ１０の上に金バンプ１２が形成された位置に対応する支持基板１０上の領域である。ポリイミド層２１は、支持基板２０表面を覆っている絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）との接着強度が弱いので、支持基板２０表面に密着材（例えばアルミニウムキレート）を塗布して熱処理（例えば、３００℃、酸素雰囲気中、６０分）し、その後に表面上にポリイミド層２１を形成する。
【００２５】
また更に、支持基板２０の上には、Ａｌ配線層２２が施されている。このＡｌ配線層２２は、一部領域がポリイミド層２１表面に形成され、その他の領域が支持基板２０表面に直接に形成されている。このＡｌ配線層２２と支持基板２０とが直接に接触している部分では強く接着している。そして、このＡｌ配線層２２表面であってポリイミド層２１の上方には、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層２３がリフトオフ法により形成されている。支持基板２０とＡｌ配線層２２との接着強度、および、Ａｌ配線層２２と多層金属電極層２３との接着強度は強い。
【００２６】
ここで、Ａｌ配線層２２、支持基板２０およびポリイミド層２１の３者間の密着性について述べる。一般にシリコン・チップにおける配線層の材料としてＡｌが用いられている。その理由は、第１に、デポジション（堆積）工程からエッチング工程に到るまで加工が容易である点、第２に、コンタクト・ホールにできた自然酸化膜（ＳｉＯ2 ）がＡｌにより還元され易いのでオーミック・コンタクトが容易にとれる点、第３に、ＡｌはシリコンだけでなくＳｉＯ2 、ＰＳＧおよびＢＰＳＧ等との密着性が良いので非常に細い配線層であっても基板との密着性が優れている点にある。これらのうち第２および第３の事項は、Ａｌ中におけるシリコンの拡散係数が大きい故に、適当な熱処理を施すことによりＡｌ中にシリコンを容易に拡散することができことに因るものである。したがって、このような拡散作用に因ってＡｌ配線層２２と支持基板２０との境界面が化学的に混じり合うために、両者の間の接着強度は強くなる。同様に、ＣＣＤチップ１０とＡｌ配線層１１との間の接着強度も強い。
【００２７】
これに対して、Ａｌとポリイミドとの間では拡散作用がなく化学的に混じり合うことはなく、両者の間の接着強度は弱い。特に、Ａｌ配線層２２を低抵抗加熱真空蒸着法により形成すると、ポリイミド層２１との接着強度は弱い。ただし、ポリイミド層２１表面を酸素プラズマで軽くアッシング処理すると、その酸素プラズマのパワーおよび処理時間に依存した凹凸がポリイミド層２１表面に形成されるので、ポリイミド層２１表面の凹凸にＡｌ配線層２２が食い込むようになって、物理的に或程度の接着強度が保持される。また、ポリイミド層２１上のＡｌ配線層２２の接着強度の制御方法として、スパッタ法を用いてＡｌ配線層２２の層を堆積する方法もある。この場合には、堆積が始まる瞬間にスパッタエネルギでポリイミド層２１表面を叩くので、その表面に同様の凹凸が形成されて或程度の接着強度が保持される。
【００２８】
以上のような支持基板２０は、何れの面にも素子が形成されるものではないので、その両面に同一厚さのＰＳＧ膜を形成することで、反りや捻れが生じないようすることができる。しかし、ＣＣＤチップ１０は、一方の表面にのみ熱酸化膜やＰＳＧ膜が数μｍ厚も堆積されていて、これに起因する反りや捻れが生じる。また、シリコン・インゴットからシリコン・ウェーハをスライスする際に既に反りや捻れが生じていることもある。さらに、その反りや捻れの方向や程度はチップ毎に異なる。一般には、図１（ａ）に示すように、ＣＣＤチップ１０と支持基板２０とは互いに平行とはならず、ＣＣＤチップ１０表面が凸になるように反るため、両者の間隔は、中央部分ほど狭く、周辺部分ほど広い。
【００２９】
バンプボンディングに際しては、図１（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ１０および支持基板２０それぞれは、真空チャック３１および３２それぞれにより吸着され、２８０℃に加熱され１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えられてボンディングされる。このときには、ＣＣＤチップ１０は、真空チャック３１に強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００３０】
そして、ＣＣＤチップ１０および支持基板２０それぞれは、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック３１および３２それぞれから外された状態では、図１（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ１０は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ１２を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ１２を引き剥がす方向である。
【００３１】
しかし、本実施形態に係る半導体装置の場合には、前述した従来技術とは異なり、何れの金バンプ１２も、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と剥がれることはなく、且つ、支持基板２０上の多層金属電極層２３とも剥がれることはない。その替わり、周辺部分においてＡｌ配線層２２とポリイミド層２１とが剥がれる。これは、Ａｌ配線層２２とポリイミド層２１との接着強度が、他の接続面における接着強度よりも弱いからである。
【００３２】
図２は、支持基板２０上のＡｌ配線層２２とポリイミド層２１とが剥がれている様子の拡大断面図である。この図に示すように、バンプボンディングが終了して室温にまで冷却されると、ＣＣＤチップ１０に反りが生じて、ＣＣＤチップ１０周辺部分において、Ａｌ配線層２２とポリイミド層２１とは剥がれる。しかし、ＣＣＤチップ１０とＡｌ配線層１１との間、Ａｌ配線層１１と金バンプ１２との間、金バンプ１２と多層金属電極層２３との間、多層金属電極層２３とＡｌ配線層２２との間、Ａｌ配線層２２と支持基板層２０との間、および、ポリイミド層２１と支持基板層２０との間は、それぞれ強固に接着しているので剥がれることはない。
【００３３】
発明者による実験によれば、バンプボンディングの条件を温度２８０℃および荷重４０ｇ／バンプとした場合、多層金属電極層２３と金バンプ１２との間の接着強度は１５ｇ程度であり、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と金バンプ１２との間の接着強度も同程度であった。また、ポリイミド層２１表面への酸素プラズマによるアッシング処理の条件を、酸素流量１００ｓｃｃｍ、圧力１０Ｐａ、Ｒｆパワー１５０Ｗおよび処理時間３０秒とした場合、Ａｌ配線層２２は、ドライエッチングによりパターニングできる程度にポリイミド層２１との接着強度を有し、且つ、バンプボンディング終了時にはポリイミド層２１が剥がれ、一方、何れの金バンプ１２も、Ａｌ配線層１１または多層金属電極層２３と剥がれることはなかった。さらに、Ａｌ配線層２２は、支持基板２０と強固に接着し、また、大きな延性を有しているので、ポリイミド層２１と剥がれるに際して切断されることはなかった。したがって、ＣＣＤチップ１０上のＡｌ配線層１１と支持基板２０上のＡｌ配線層２２との間で良好な電気的導通が得られた。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ４０と支持基板５０とのバンプボンディング終了後における長手方向の断面図を示すものである。この図に示す半導体装置は、バンプボンディングがほぼ等間隔になされていた図１に示す半導体装置と異なり、長手方向において、両端の周辺部分それぞれの３箇所に等間隔にバンプボンディングＡがなされ、中央部分の４箇所に等間隔にバンプボンディング（ダミーバンプ）Ｂがなされ、このバンプボンディングＡとバンプボンディングＢとの間の間隔は、隣接するバンプボンディングＡ同士またはＢ同士の間の間隔よりも大きい。
【００３５】
また、両端の周辺部分それぞれの３箇所のバンプボンディングＡは、図１および図２に示したバンプボンディングであって、支持基板５０とＡｌ配線層との間の一部領域にポリイミド層が形成されている。しかし、中央部分の４箇所のバンプボンディングＢは、図８に示した従来のバンプボンディングであって、支持基板５０とその上のＡｌ配線層との間にポリイミド層はない。
【００３６】
このような半導体装置の場合に、ＣＣＤチップ４０の表面（支持基板５０に対向する面）が凸となるような反りが生じると、中央部分のバンプボンディングＢに対しては押さえつけようとする応力が働き、一方、周辺部分のバンプボンディングＡに対しては引き剥がそうとする力が働く。このような応力が働くことにより、バンプボンディングＡのうちの接着強度が最も弱いＡｌ配線層とポリイミド層との間においてのみ剥がれが生じ、バンプボンディングＡのその他の接続面で剥がれることはなく、また、バンプボンディングＢでは全く剥がれることはない。したがって、このような半導体装置の場合にも、反りが生じたとしても、何れのＡｌ配線層も切断されることはなく良好な電気的導通が維持され、且つ、バンプボンディングＢによりＣＣＤチップ４０および支持基板５０は互いに強固に接続される。
【００３７】
次に、この図３の断面図に示した半導体装置を更に具体的に説明する。図４は、図３に示した半導体装置のより具体的な説明図であり、ここでは、ＣＣＤチップ４０について裏面中央の薄型化部分４０Ａについても図示している。図４（ａ）は、この半導体装置の平面図である。ただし、破線の枠それぞれは、バンプボンディングがなされる領域を示すものである。また、図４（ｂ）および（ｃ）それぞれは、図４（ａ）におけるＸ−Ｘ切断面およびＹ−Ｙ切断面それぞれにおける断面図である。この図４（ｂ）に示す断面図が、図３に示す断面図と同等のものである。
【００３８】
この図４中の破線枠で示したように、バンプボンディングがなされる領域は、ＣＣＤチップ４０の周囲の６箇所に分散されている。そのうちの４隅の領域ＡＡでなされるバンプボンディングＡは、図１および図２に示したバンプボンディングであって、支持基板５０とＡｌ配線層との間の一部領域にポリイミド層が形成されている。しかし、ＣＣＤチップ４０の長辺の中央付近の領域ＢＢでなされるバンプボンディングＢは、図８に示した従来のバンプボンディングであって、支持基板５０とその上のＡｌ配線層との間にポリイミド層はない。
【００３９】
ＣＣＤにおいては、高速駆動を図るべく配線層長を最短にするために、電源電圧や電気信号について電気的な導通をＣＣＤチップ４０の４隅でとるのが好適である。すなわち、４隅の領域ＡＡでなされるバンプボンディングＡは、電気的な導通をとるためのものである。一方、領域ＢＢでなされるバンプボンディングＢは、必ずしも電気的な導通をとるために用いられるものではなく、単に機械的に接続するためのものであってもよい。
【００４０】
このような半導体装置では、ＣＣＤチップ４０の裏面中央に薄型化部分４０Ａが形成されているため反りだけでなく捻れも生じ得る。しかし、その場合であっても、領域ＡＡのバンプボンディングＡのうちの接着強度が最も弱い支持基板５０上のＡｌ配線層とポリイミド層との間においてのみ剥がれが生じ、バンプボンディングＡのその他の接続面で剥がれることはなく、また、領域ＢＢのバンプボンディングＢでは全く剥がれることはない。したがって、何れのＡｌ配線層も切断されることはなく、良好な電気的導通が維持され、かつ、充分な機械的強度が確保される。
【００４１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る半導体装置の断面図である。この図は、ＣＣＤチップ（半導体基板）６０と支持基板７０とがバンプボンディングして構成される半導体装置を示すものであり、図５（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、図５（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、図５（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【００４２】
ＣＣＤチップ６０は、第１の実施形態におけるＣＣＤチップ１０と同様に、その表面の一部領域に、所定パターンのＡｌ配線層６１が施されており、更にＡｌ配線層６１上の離散的な各位置（この図でも５箇所）に超音波ワイヤボンダを使用して金バンプ６２が形成されている。
【００４３】
一方、支持基板７０表面の離散的な領域（この図でも５つの領域）に、絶縁層としてのポリイミド層７１が形成されている。更に、支持基板７０の上に施されているＡｌ配線層７２は、一部領域がポリイミド層７１表面に形成され、その他の領域が支持基板７０表面に直接に形成されている。このＡｌ配線層７２と支持基板７０とが直接に接触している部分では強く接着している。そして、このＡｌ配線層７２表面であってポリイミド層７１の上方には、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなる多層金属電極層７３がリフトオフ法により形成されている。
【００４４】
本実施形態において、支持基板７０、ポリイミド層７１、Ａｌ配線層７２および多層金属電極層７３は、第１の実施形態と略同様に形成されているが、以下の点で第１の実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態では、支持基板７０表面に密着材を塗布することなく、支持基板７０表面上に直接にポリイミド層７１を形成して、支持基板７０表面の絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）とポリイミド層７１との接着強度を弱いままにしておく。一方、ポリイミド層７１表面を、酸素プラズマでアッシング処理して凹凸を形成し、ポリイミド層７１とＡｌ配線層７２との接着強度を強くする。
【００４５】
本実施形態でも、支持基板７０は、反りが生じさせないようすることができる一方、ＣＣＤチップ６０は、一方の表面にのみ堆積された熱酸化膜やＰＳＧ膜に起因して反りが生じ、その反りの方向や程度はチップ毎に異なる。図５（ａ）に示すように、ＣＣＤチップ６０と支持基板７０とは互いには平行とはならず、一般には、ＣＣＤチップ６０の表面（支持基板７０に対向する面）が凸になるように反るため、両者の間隔は、中央部分ほど狭く、周辺部分ほど広い。
【００４６】
バンプボンディングに際しては、図５（ｂ）に示すように、ＣＣＤチップ６０および支持基板７０それぞれは、真空チャック３１および３２それぞれにより吸着され、２８０℃に加熱され１バンプ当たり３０〜４０ｇ程度の荷重を数十秒間加えられてボンディングされる。このときには、ＣＣＤチップ６０は、真空チャック３１に強く吸着されているので、反りが矯正され平坦になっている。
【００４７】
そして、ＣＣＤチップ６０および支持基板７０それぞれは、バンプボンディングが終了し室温まで冷却され真空チャック３１および３２それぞれから外された状態では、図５（ｃ）に示すようなものとなる。すなわち、ＣＣＤチップ６０は、再び元のように反ろうとする応力が働く。その応力は、中央部分では金バンプ６２を押し付ける方向であり、周辺部分では金バンプ６２を引き剥がす方向である。
【００４８】
しかし、本実施形態に係る半導体装置の場合も、第１の実施形態の場合と同様に、何れの金バンプ６２も、ＣＣＤチップ６０上のＡｌ配線層６１と剥がれることはなく、且つ、支持基板７０上の多層金属電極層７３とも剥がれることはない。ただし、第１の実施形態の場合と異なり、本実施形態では、周辺部分において支持基板７０とポリイミド層７１とが剥がれる。これは、支持基板７０とポリイミド層７１との接着強度が、他の接続面における接着強度よりも弱いからである。
【００４９】
図６は、ポリイミド層７１が支持基板７０から剥がれている様子の拡大断面図である。この図に示すように、バンプボンディングが終了して室温にまで冷却されると、ＣＣＤチップ６０に反りが生じて、ＣＣＤチップ６０周辺部分において、支持基板７０とポリイミド層７１とは剥がれる。しかし、ＣＣＤチップ６０とＡｌ配線層６１との間、Ａｌ配線層６１と金バンプ６２との間、金バンプ６２と多層金属電極層７３との間、多層金属電極層７３とＡｌ配線層７２との間、Ａｌ配線層７２と支持基板層７０との間、および、Ａｌ配線層７２とポリイミド層７１との間は、それぞれ強固に接着しているので剥がれることはない。
【００５０】
本実施形態に係る半導体装置でも、第１の実施形態の場合と同様に、何れの金バンプ６２も、Ａｌ配線層６１または多層金属電極層７３と剥がれることはなく、また、Ａｌ配線層７２は、支持基板７０と強固に接続して切断されることはなく、したがって、ＣＣＤチップ６０上のＡｌ配線層６１と支持基板７０上のＡｌ配線層７２との間で良好な電気的導通が得られる。さらに、本実施形態の場合には、Ａｌ配線層７２には常にポリイミド層７１が接着しているので、Ａｌ配線層７２は、ポリイミド層７１に保護され、信頼性が高い。
【００５１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、第３の実施形態に係る半導体装置の変形例として、第２の実施形態（図３、図４）のような構成としてもよい。
【００５２】
また、ＣＣＤチップと支持基板との間の空隙に樹脂を注入して硬化させることで両者を固定すれば、半導体装置全体として更に機械的強度が強くなるので好適である。
【００５３】
また、上記何れの実施形態の説明においても、支持基板側にポリイミド層を設けたが、ＣＣＤチップ側に設けてもよいし、支持基板側およびＣＣＤチップ側の双方に設けてもよい。ただし、上記実施形態のように、支持基板側にポリイミド層を設けた方が、ＣＣＤチップについては従来通りの工程で製造できるので好適である。
【００５４】
また、このポリイミド層に替えて、上述した作用を奏する他の材料からなる絶縁層であってもよい。また、半導体装置は、共にシリコン材料であるＣＣＤチップと支持基板とからなる裏面照射型ＣＣＤとして説明したが、両基板は、シリコンに限られるものではなく、例えば、他の半導体材料からなる基板であってもよいし、また、支持基板はセラミック基板であってもよい。半導体装置は、２枚の基板が互いに異種の材料からなるものであってもよいし、また、ＣＣＤに限られるものではない。
【００５５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり本発明によれば、支持基板上の一部領域に絶縁層が形成され、支持基板上の配線層は支持基板の表面から絶縁層の表面にわたって形成され、半導体基板の配線層および支持基板の配線層は絶縁層が形成されている領域上において互いにバンプボンディングされており、絶縁層と支持基板との間の接着強度および絶縁層と支持基板上の配線層との間の接着強度の一方はバンプボンディングの接着強度よりも弱い。このような構成とすることにより、半導体基板および支持基板の双方または一方が反ったり捻れたりした場合であっても、絶縁層と支持基板との間または絶縁層と支持基板上の配線層との間の何れかが優先して剥がれ、バンプボンディングは剥がれることはない。したがって、支持基板の配線層と半導体基板の配線層との間で電源電圧や電気信号について電気的な導通が良好に維持される。
【００５６】
また、半導体基板および支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に接続され、周辺部分においてバンプボンディングがなされている場合には、中央領域ほど間隔が狭くなるように反ると、周辺領域のバンプボンディング部分における絶縁層が支持基板またはその上の配線層と剥がれるものの良好な電気的導通が維持され、且つ、中央領域のダミーバンプにより機械的強度が確保される。また、半導体基板と支持基板との間の空隙に絶縁性樹脂が注入され硬化されている場合には、半導体基板と支持基板とは絶縁性樹脂により更に強固に接続されて機械的強度が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の支持基板上のＡｌ配線層とポリイミド層とが剥がれている様子の拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置のより具体的な説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）それぞれは互いに異なる切断面における断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ａ）はバンプボンディング直前における断面図、（ｂ）はバンプボンディング中における断面図、（ｃ）はバンプボンディング終了後における断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体装置の支持基板上のＡｌ配線層とポリイミド層とが剥がれている様子の拡大断面図である。
【図７】ＣＣＤチップと支持基板とがバンプボンディングされてなる従来の裏面照射型ＣＣＤの断面図である。
【図８】バンプボンディングにおける反りに関する問題を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１０…ＣＣＤチップ、１１…Ａｌ配線層、１２…金バンプ、２０…支持基板、２１…ポリイミド層、２２…Ａｌ配線層、２３…多層金属電極層、３１，３２…真空チャック、４０…ＣＣＤチップ、５０…支持基板、６０…ＣＣＤチップ、６１…Ａｌ配線層、６２…金バンプ、７０…支持基板、７１…ポリイミド層、７２…Ａｌ配線層、７３…多層金属電極層。
Claims (6)
- 半導体基板上の配線層および支持基板上の配線層が互いにバンプボンディングにより接続されてなる半導体装置であって、
前記支持基板上の一部領域に絶縁層が形成され、
前記支持基板上の配線層は前記支持基板の表面から前記絶縁層の表面にわたって形成され、
前記半導体基板の配線層および前記支持基板の配線層は前記絶縁層が形成されている領域上において互いにバンプボンディングされており、
前記絶縁層と前記支持基板との間の接着強度および前記絶縁層と前記絶縁層上の配線層との間の接着強度の一方は前記バンプボンディングの接着強度よりも弱く、
前記半導体基板および前記支持基板が互いに重なる領域のうちの中央領域においてダミーバンプにより機械的に結合され、周辺部分において前記バンプボンディングがなされている、
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記半導体基板と前記支持基板との間の空隙に絶縁性樹脂が注入され硬化されている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記絶縁層はポリイミド層である、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記絶縁層は密着材が塗布された前記支持基板上に形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記絶縁層は前記支持基板上に直接に形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
- 前記絶縁層は表面に酸素プラズマ処理がなされている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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