JP4976284B2 - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及び半導体装置 Download PDF

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Description

本発明は、複数個の半導体素子を積層させ搭載することにより実装密度を高めたパッケージ構造を有する半導体装置（以下、これをスタックドパッケージと呼ぶことがある。）の製造方法及び半導体装置に関するものである。
近年、単一パッケージ内に複数個の半導体素子を搭載することにより、半導体装置の小型化、高性能化が図られている。例えば、信号の高速処理機能を持った素子をメモリ機能を持つ素子と組み合わせることで携帯電子機器等に搭載されるメモリへ付加価値を付与したり、あるいはメモリ容量を増大させたりすることを狙って、複数個の半導体素子を積層して搭載するスタックドパッケージ等がある。
半導体装置は半導体素子と基板とを何らかの手法で電気的に接続する必要がある。現在では、ワイヤボンディング方式により、ワイヤで両者を接続することが主流となっている。
この場合、上側に積層される半導体素子（第２の半導体素子という）が既に基板上に搭載されている半導体素子（第１の半導体素子という）よりも小さいときには、第１の半導体素子のワイヤ部分が積層により損なわれることはないが、同程度又はそれ以上に大きいときには、このワイヤ部分が積層により損なわれる問題がある。
この問題を解決するために、半導体素子の積層に関わる構造及びその製造方法として様々なものが提案され、実現されている。
例えば、スペーサー構造を採用した半導体装置がある。第２の半導体素子と第１の半導体素子の間に厚みの大きなスペーサーを挟むことで、第２の半導体素子と第１の半導体素子の間に一定の間隔が確保され、第２の半導体素子の形状及び大きさに関わらず、第１の半導体素子のワイヤ部分が損なわれることなく第２の半導体素子を積層することができる。しかし、その間隔を確保するために、十分な厚みを有するスペーサーを用いる必要があり、パッケージの薄型化には不向きであった。
このパッケージの薄型化という問題に対して、スペーサーレスのスタックドパッケージが実現されている。特許文献１に示される半導体装置は、第１の半導体素子の素子形成面の縁部がベベルカットによりテーパ状に形成されている。この半導体装置はスペーサーを使用せず、上側半導体素子の接着層が下側半導体素子の配線面上のセンターパッド及びワイヤの一部を被覆し固定化した構造を有しており、スペーサー構造に比べ薄型化が実現されている。
また、上側半導体素子の樹脂層を多層化することで、半導体素子とワイヤの接触を回避する工夫がなされた例がある。例えば、上側半導体素子と下側半導体素子間に介挿される樹脂層が接着層と絶縁層の２層からなる半導体装置がある（特許文献２参照。）。絶縁層として15〜30μｍの厚みのポリイミドが用いられる。この２層構造の樹脂層により、上側半導体素子と下側半導体素子のワイヤ部分との接触を回避している。
同様な例として、樹脂層が３層からなる半導体装置もあり、中間層に一定の硬度を持ったポリイミドを介挿させ、保護材として機能させている（特許文献３参照。）。
上記のいずれの例においても、従来のスタックドパッケージの製造工程が簡略化され、低コスト化が実現されている。
特開２００４−２８２０５６号公報 特開２００２−２２２９１３号公報 特開２００４−７２００９号公報
しかしながら、上記ベベルカット手法により半導体素子端部をテーパ状に形成する場合は、通常の工程に加え、１）ベベルカット手法により第１の半導体素子端部を研削する工程、及び２）接着層の一部を除去する工程が増加し、コストアップが問題となる。また、半導体素子を研削することは、半導体装置の機能低下を招くことに繋がる。
他方、ポリイミドのような硬度の大きなフィルム（絶縁層）を第２の半導体素子と第１の半導体素子の間に介挿させる場合においても、フィルムを接着層と貼り合せ、多層化する工程が必要となり、また、フィルムと接着層を空隙なく貼り合せる技術が求められる。フィルムと接着層の間に発生する空隙は、信頼性試験の吸湿リフロー時に界面剥離、クラック等を生じる原因となる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、工程が簡略でかつ低コストのスペーサーレススタックドパッケージタイプの半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、ワイヤボンディング方式により基板と接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子上に、第２の半導体素子を積層し、ワイヤボンディングによって第２の半導体素子を基板と接続して基板上に少なくとも２つの積層された半導体素子を構成部品として有する半導体装置の製造方法において、
該第１の半導体素子上に該第２の半導体素子を積層するに際し、シリカ含有量が５０〜８０質量％であるエポキシ樹脂組成物を、粘度が１〜６０Ｐａ・ｓの範囲にある半溶融状態で、５０〜２００μｍの厚み範囲で該第１の半導体素子と該第２の半導体素子の間に介在させて接着層となし、該接着層により、該第１の半導体素子と該第２の半導体素子とを結合させるとともに、該第１の半導体素子に接続されるワイヤーの一部を被覆し、その後、該接着層を加熱により硬化させること、第２の半導体素子の幅が第１の半導体素子の幅の９０〜３００％であること、基板と第１の半導体素子、及び第１の半導体素子と第２の半導体素子を、それぞれ同一組成のエポキシ樹脂組成物の接着層により結合させること、及び基板と第１の半導体素子を接着層により仮圧着し、ついで該接着層を熱により硬化させることを特徴とする。
ここで、第１の半導体素子が絶縁被覆されたワイヤにより基板と接続されることが好ましい。また、第２の半導体素子の幅が第１の半導体素子の幅の９０〜３００％であることが好ましい。
この半導体装置の製造方法において、基板と第1の半導体素子を接着層により仮圧着し、ついで該接着層を熱により硬化させることが好ましい。また、基板及び第１の半導体素子、ならびに前記第１の半導体素子及び前記第２の半導体素子を、それぞれ実質的に同一組成の接着層により結合させることが好ましい。
また、本発明に係る半導体装置は、ワイヤボンディング方式により基板と接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子上に、第２の半導体素子を積層し、基板上に少なくとも２つ以上の積層された半導体素子を構成部品として有する半導体装置において、該第１の半導体素子と該第２の半導体素子の間に、シリカ、エポキシ樹脂を必須成分とし、シリカ含有量が５０〜８０質量％であるエポキシ樹脂組成物が硬化された接着層を１０〜３００μｍの厚み範囲で形成してなることを特徴とする。
前記特許文献１に記載の半導体装置は、図２に示すように接着層1aを介してインターポーザー2に搭載された第１の半導体素子3aの素子形成面の縁部がベベルカットによりテーパ状aに形成されている。この構成により、第１の半導体素子3aのセンターパッド4からインターポーザー2上に延在するボンディングワイヤ5が第１の半導体素子3aの縁部により損傷を受けるおそれを低減することができるとされている。また、この半導体装置は、第２の半導体素子3bと第１の半導体素子3aの間に設けられる接着層1bが第１の半導体素子3aよりも小さく形成され、これにより、第１の半導体素子3aと第２の半導体素子3bとの間に隙間ができるため、ボンディングワイヤ5と第２の半導体素子3bとの干渉を防ぐことができるとされている。
本発明の半導体装置の一例を、その断面図を示す図１により説明する。
半導体装置10は、基板（配線基板）12上に接着層14を介して搭載され、ワイヤボンディング方式によりワイヤ16で基板12と接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子18上に、接着層20を介して第２の半導体素子22を積層した構造を有する。ここで、接着層20は、シリカ、エポキシ樹脂を必須成分とし、シリカ含有量が５０〜８０質量％であるエポキシ樹脂組成物からなる。このエポキシ樹脂組成物は熱硬化されることによって、硬化された接着層となる。この接着層の厚みは、１０〜３００μｍの範囲である。
本発明に係る半導体装置は、第１の半導体素子と第２の半導体素子の間に比較的厚い熱硬化性の接着層を介在させることで、第１の半導体素子と第２の半導体素子間に、第１の半導体素子に接続されるワイヤが第２の半導体素子の裏面に接触しない程の十分な距離を設けることができる。第１の半導体素子と第２の半導体素子の間に設けられる接着層は1層からなり、従来技術のように硬度の高い絶縁層を設ける必要がなくなり、工程の簡略化が実現される。
本発明の半導体装置の製造方法の一例を図３、４及び５を参照して説明する。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ワイヤボンディング方式により基板12と電気的に接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子18上に、第２の半導体素子22を積層し、基板上に少なくとも２つの積層された半導体素子を構成部品として有する半導体装置が得られる。
ここで、ワイヤボンディングに用いるワイヤ16は、特に限定するものではないが、好適には、金線である。また、半導体素子を搭載する基板12は、特に限定するものではなく、積層基板であってもよく、また、単一層からなる基板であってもよい。また、半導体素子18、22は、特に限定するものではなく、ダイオード、トランジスタ、ＩＣ等である。
第１の半導体素子上に積層される半導体素子は、第２の半導体素子だけに限らず、更に第２の半導体素子の上に第３の半導体素子を積層してもよく、更に第４以降の半導体素子を積層してもよい。これらの半導体素子は、第１の半導体素子の場合と同様にワイヤボンディングにより基板と電気的に接続される構造のものとすることができる。
第１の半導体素子上に第２の半導体素子を積層するに際し、第１の半導体素子と第２の半導体素子の間に介在する接着層20を設ける。この接着層20は、シリカ、エポキシ樹脂を必須成分とし、シリカ含有量が５０〜８０質量％であるエポキシ樹脂組成物を、粘度が１〜６０Pa・sの範囲にある半溶融状態で、１０〜３００μｍの厚み範囲で第１の半導体素子に接着等して形成する。このエポキシ樹脂組成物は、５０℃以上、好ましくは６０〜１２０℃で溶融又は半溶融し、上記粘度を示すことがよい。そして、１２０℃以上、好ましくは１５０〜２００℃で０．５〜３hr加熱することで硬化することがよい。
ここで、接着層20は、搭載後の半導体素子の平坦性を示す BLT (Bond line Thickness) の安定を確保するため、フィルム状エポキシ樹脂組成物からなるフィルム状接着剤が好ましい。なお、フィルム状接着剤は、エポキシ樹脂成分の他に、硬化剤を含有することが好ましく、このような熱硬化性のフィルム状接着剤は、硬化後に安定した寸法安定性と耐熱性を有する。具体的には、硬化後の接着層20の線膨張係数は１０〜５０ppm/K、ガラス転移温度は、１５０〜１７０℃、弾性率は７０００〜１７０００ＭＰａの範囲にあることが好ましい。接着層20の厚みは、１０〜３００μｍの範囲であるが、５０〜２００μｍの範囲が好ましい。
このとき、接着層20を、第１の半導体素子に接続されるワイヤ16の一部、言い換えれば第１の半導体素子上に配置されるワイヤの部分を被覆するように設ける。そして、接着層を加熱により硬化させる。更に、ワイヤボンディングによって第２の半導体素子を基板と電気的に接続する。第２の半導体素子上に更に半導体素子を積層する場合は、以下、同様の工程が繰り返される。
この接着層20は、シリカ高充填でありながら、溶融粘度が低いため、高温の半溶融状態で第１の半導体素子に接着することでワイヤに負荷がかかることなくワイヤの一部を被覆することができる。このように容易に半導体装置の絶縁性を確保できるため、複数個の半導体素子からなるスタックドパッケージの製造も容易となる。
本発明に係る半導体装置の製造方法において、第１の半導体素子が少なくとも一部が絶縁被覆されたワイヤにより基板と接続されることが好ましい。なお、第２の半導体素子をはじめとする第３以降の半導体素子に接続されるワイヤについて同様の構成とすることが好ましい。
ここで、絶縁被覆は、第１の半導体素子に接続されるワイヤの一部、言い換えれば第１の半導体素子上に配置されるワイヤ部分のみに設けてもよいが、第１の半導体素子と基板とを接続するワイヤ全体に設けると、より好適である。
絶縁被覆材料は、例えば、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、エステルアミド樹脂、エステルイミド樹脂、エポキシ樹脂などのような絶縁性樹脂を好適に用いることができるが、これに限定するものではない。絶縁被覆の厚みは、ワイヤの条件にもよるが、例えば、５〜４０μｍ程度とする。
これにより、ワイヤと第２の半導体素子間の接触を回避することができ、第1の半導体素子と第２の半導体素子の間に介在される接着層の厚みも更に薄くでき、半導体装置の薄型化を実現することができる。
そして、第２の半導体素子の幅が前記第１の半導体素子の幅の９０〜３００％であることが好ましい。半導体素子は、通常ある厚みを有する四辺形状であるが、この場合の幅とは縦又は横の長さをいう。ここで、縦及び横の幅のいずれか一方、好ましくは両方が上記数値を満足することがよい。これにより、配線面の大きさの自由度が拡大し、特に広範囲に確保され、半導体装置の高機能化にも繋がる。
半導体装置の製造方法において、基板と第1の半導体素子を接着層14により仮圧着し、ついで、別工程で接着層を熱により硬化させることが好ましい。これにより、接着層を仮圧着（ダイマウント工程）で基板に対しボイドなく搭載し、その後キュア工程を経ることで、接着層の高弾性率が達成され、積層される第１の半導体素子は強固な土台となり、第２の半導体素子を積層する際に必要な所定の荷重にも耐えることができる。
基板と第1の半導体素子を結合させる接着層14に使用される接着剤は、接着層2 0に使用されるエポキシ樹脂組成物からなる接着剤と実質的に同一組成であることがよい。この場合も、フィルム状とされた接着剤を使用することがよいが、厚みは接着層20に使用されるフィルム状接着剤により薄くすることがよい。好ましくはその１０〜７０％の厚みとする。エポキシ樹脂組成物からなる接着剤は、硬化前は粘着性を示すため、仮圧着が可能であるが、熱硬化後は固着する。これにより、ウエハから第１の半導体素子及び第２の半導体素子を作製する工程を簡略化できる。
本発明の半導体装置の断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法の各工程を説明するための図である。 本発明の半導体装置の製造方法の各工程を説明するための図である。 本発明の半導体装置の製造方法の各工程を説明するための図である。 本発明の他の一例を示す半導体装置の断面図である。
符号の説明
10、10a；半導体装置： 12；基板： 14、20、20a；接着層： 16、16a；ワイヤ： 18；第１の半導体素子： 22；第２の半導体素子： 24；ワイヤボンディング電極パターン
実施例を挙げて、本発明を更に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。
本発明の半導体装置の製造方法により製造される半導体装置の断面図を図１に示す。
半導体装置10は、基板（配線基板）12上に接着層（熱硬化性接着層）14を介して搭載され、ワイヤボンディング方式により金線16で基板12と接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子18上に、接着層（熱硬化性接着層）20を介して第２の半導体素子22を積層した構造を有する。図１中、参照符号24は、基板12等の表面に形成されるワイヤボンディング電極パターンを示す。
接着層20は、エポキシ樹脂、シリカフィラーを主成分とし、シリカフィラーが高充填された熱硬化性フィルム状接着剤である。なお、接着層14は、接着層20と同様の構成であってもよく、また、他の構成としてもよい。本実施例では、シリカフィラーを７０質量％含有するエポキシ樹脂組成物を厚さ９０μｍの熱硬化性フィルム状接着剤として使用した。なお、この熱硬化性フィルム状接着剤は、硬化後、線膨張係数が２０ppm/K、ガラス転移温度が１７０℃、弾性率が１６０００MPaであった。接着層２０の厚みは、用いたワイヤループの高さにより異なるが、ここでは、９０μｍとした。
半導体装置10の製造方法について、図３〜図５を参照して説明する。
まず、周知の方法により、ウエハに接着層14を貼付け、これをダイシングテープ へ貼付けた後、 ダイシングし個片化により第1の半導体素子18を作製した。
裏面に接着層14を貼付けた第1の半導体素子18は、図３に示すように、基板12にダイマウントにより仮圧着し、１５０℃〜１８０℃で１時間、接着層14を硬化させた。
この際、接着層14の厚みは半導体パッケージの薄型化のために、できる限り薄くすることが望ましい。
ついで、図４に示すように、第１の半導体素子18の配線面上のワイヤボンディング電極パターン24bと基板12の表面のワイヤボンディング電極パターン24aをワイヤボンディングにより金線16で接続した。
ついで、図５に示すように、第1の半導体素子18と同様の方法で作製した裏面に接着層20を貼付けた第２の半導体素子22を、８０℃〜２００℃で１０秒程度熱処理し、接着層の粘度が１〜６００Pa・sの範囲にある状態で第１の半導体素子18に仮圧着し、硬化させた。高温状態で接着層20は液状化し、第1の半導体素子の配線面上の金線に負荷をかけることなく被覆することができる。仮圧着後、１５０℃〜１８０℃で１時間、接着層20を硬化させる。
最後に、第２の半導体素子22の表面に形成されているワイヤボンディング電極パターン24と基板12の表面のワイヤボンディング電極パターン24をワイヤボンディングにより金線16で接続することにより、図１に示した半導体装置10を得た。なお、半導体装置10は、必要に応じて、更に樹脂封止等が行われ、各半導体素子が保護される。
上記の工程中、接着層14及び接着層20とされるエポキシ熱硬化性フィルム状接着剤はエポキシ樹脂、シリカフィラーを主成分とし、例えば特開2001-49220号公報に示しているように3本ロールでシリカフィラーを高分散化させ製造する。この際、シリカ含有量が５０質量%未満では、フィルムのタック性、線膨張係数の増大が問題となり好ましくない。また、８０質量%を超えるとバインダーとして働く樹脂成分が不足するため組成物の粘度上昇が観察され、脆いフィルムとなってしまう。そのため、含有するシリカフィラーは５０質量%〜８０質量%であることが望ましい。また、シリカフィラーの含有率、エポキシ配合量により溶融粘度も調整することができる。
本発明に係る別の構造の半導体装置を、その断面図を示す図６により説明する。
半導体装置10aは、ワイヤボンディングに用いる金線16、16aが例えば絶縁性のポリウレタン樹脂からなる絶縁被覆層26で被覆されたものである。半導体装置10aは、半導体素子22と金線16aとの接触を懸念する必要がないため、接着層20aの厚みは、より薄くでき、例えば100μｍ以下とすることができる。
 産業上の利用の可能性
本発明の半導体装置の製造方法及び本発明の半導体装置は、接着層を第１の半導体素子と第２の半導体素子の間に介在させるため、第１の半導体素子に接続されるワイヤが第２の半導体素子の裏面に接触しないだけの十分な距離を設けることができる。これにより、半導体装置の製造工程が簡略化され、低コスト化を実現することができる。また、本発明の半導体装置の製造方法は、接着層を半溶融状態で第１の半導体素子上に積層するため、ワイヤに加わる負荷を軽減することができる。

Claims (2)

  1. ワイヤボンディング方式により基板と接続されたフェイスアップ状態の第１の半導体素子上に、第２の半導体素子を積層し、ワイヤボンディングによって第２の半導体素子を基板と接続して基板上に少なくとも２つの積層された半導体素子を構成部品として有する半導体装置の製造方法において、
    該第１の半導体素子上に該第２の半導体素子を積層するに際し、シリカ含有量が５０〜８０質量％であるエポキシ樹脂組成物を、粘度が１〜６０Ｐａ・ｓの範囲にある半溶融状態で、５０〜２００μｍの厚み範囲で該第１の半導体素子と該第２の半導体素子の間に介在させて接着層となし、該接着層により、該第１の半導体素子と該第２の半導体素子とを結合させるとともに、該第１の半導体素子に接続されるワイヤーの一部を被覆し、その後、該接着層を加熱により硬化させること、第２の半導体素子の幅が第１の半導体素子の幅の９０〜３００％であること、基板と第１の半導体素子、及び第１の半導体素子と第２の半導体素子を、それぞれ同一組成のエポキシ樹脂組成物の接着層により結合させること、及び基板と第１の半導体素子を接着層により仮圧着し、ついで該接着層を熱により硬化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 第１の半導体素子が、絶縁被覆されたワイヤにより基板と接続される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
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