JP5748198B2 - 積層デバイスの製造方法及び積層デバイス - Google Patents

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本発明は、複数の半導体デバイスが積層された積層デバイスの製造方法及び該製造方法により製造された積層デバイスに関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体ウエーハの表面にストリートと呼ばれる分割予定ラインによって区画された各領域にICやLSI等のデバイスが形成される。そして、分割予定ラインに沿って半導体ウエーハをチップに分割することで、個々の半導体デバイスが製造される。このようにして製造された半導体デバイスは各種電気機器に広く利用されている。
近年、電気機器の小型化・薄型化に伴い半導体デバイスパッケージも小型化・薄型化が要求され、実装の高密度化が要求されている。複数の半導体デバイスを一つのパッケージに集積する手法の一つに複数の半導体デバイスチップを縦方向に積層して実装する三次元実装がある。
従来の三次元実装では、ワイヤボンディングを用いて半導体デバイスチップ間、或いは半導体デバイスチップとインターポーザとを接続していた。ワイヤボンディングによる接続では、その配線長分インダクタンス等が大きくなるので高速での信号のやり取りには向かないという問題があるとともに、ワイヤが半導体デバイスチップ等に触れないようにチップを積層する必要があるため小型化が難しい等の問題がある。
近年、新たな三次元実装技術として、ワイヤの代わりにSi貫通電極(Through−Silicon Via:TSV)を用いた実装技術が注目されている。TSV技術を用いると、配線長がワイヤより短いため配線抵抗やインダクタンスが大幅に低減でき、消費電力も大幅に低減できるというメリットがある。
一方、半導体デバイスチップの積層方法としては次のような積層技術が開発されつつある。第1の積層方法は、複数の半導体ウエーハ同士を積層し、積層した半導体ウエーハを貫く貫通電極を形成してウエーハ同士を接続する積層方法である(Wafer on Wafer:WOW)。
第2の積層方法は、個片化した半導体デバイスチップを半導体ウエーハ上にバンプ等を介してマウントする方法である(Chip on Wafer:COW)。これらの積層方法で積層したウエーハを分割することで、個々の積層デバイスチップが製造される。
特開2002−261232号公報
殆どの半導体ウエーハには、良品デバイスと幾つかの不良デバイスが混在しているため、複数の半導体ウエーハ同士を積層し、積層した半導体ウエーハを貫く貫通電極を形成して半導体ウエーハ同士を接続するWOW技術では歩留まりが悪いという問題がある。
一方、COW等でバンプを介して接続された積層チップは、強度を上げる目的や湿度や温度に対する耐性を向上させる目的で液状硬化樹脂(アンダーフィル)で封止される。ところが、液状硬化樹脂による封止には、液状硬化樹脂をバンプ間に充填するのが難しいという問題がある。
特に、近年では半導体デバイスの小型化からバンプ数が増す傾向にあるとともに、バンプ間の間隙距離は狭くなる傾向にあるため、より一層バンプ間に液状硬化樹脂を充填するのが困難になってきている。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、歩留まりを悪化させることなく、液状硬化樹脂の充填に関する上記問題点を解決可能な積層デバイスの製造方法を提供することである。
本発明によると、複数の半導体デバイスが積層された積層デバイスチップの製造方法であって、表面に設定された交差する複数の分割予定ラインで区画される各領域に第1半導体デバイスが形成された半導体デバイスウエーハを準備する半導体デバイスウエーハ準備ステップと、表面に第2半導体デバイスが形成された複数の半導体デバイスチップの裏面側を該半導体デバイスウエーハの該各第1半導体デバイスに対応させて該複数の半導体デバイスチップを該半導体デバイスウエーハの該表面に接着して、積層ウエーハを形成する積層ウエーハ形成ステップと、該積層ウエーハ形成ステップを実施した後、該積層ウエーハの該複数の半導体デバイスチップを封止材で封止する封止ステップと、該封止ステップを実施した後、該封止材で封止された該積層ウエーハの該半導体デバイスチップの該第2半導体デバイスと該半導体デバイスウエーハの該第1半導体デバイスとを接続する貫通電極を形成する貫通電極形成ステップと、該貫通電極形成ステップを実施した後、該積層ウエーハを該分割予定ラインに沿って個々の積層デバイスへと分割する分割ステップと、を具備したことを特徴とする積層デバイスの製造方法が提供される。
好ましくは、積層デバイスの製造方法は、上述した封止ステップを実施した後、封止材を研削して平坦化する平坦化ステップを更に具備している。また、上述した封止ステップでは、封止材となる封止樹脂と同一材料で、半導体デバイスウエーハの外周縁に半導体デバイスチップを囲繞する環状ダムを形成した後、半導体デバイスウエーハ上に封止樹脂を供給するのが好ましい。
本発明の積層デバイスの製造方法によると、良品の半導体デバイスチップのみを選択して積層できるので、歩留まりを悪化させることがない。更に、バンプを介して半導体デバイス同士を接続しないため、バンプ間への液状硬化樹脂の充填問題を解消することができる。
半導体デバイスウエーハの表面側斜視図である。 半導体デバイスウエーハの各半導体デバイスに対応して半導体デバイスチップを搭載して積層ウエーハを形成する様子を示す側面図である。 封止材で各半導体デバイスチップを封止した状態の一部断面側面図である。 半導体デバイスウエーハの各半導体デバイスに対応して2個の半導体デバイスチップを搭載して積層ウエーハを形成した状態の側面図である。 封止材で図4に示した半導体デバイスチップを封止した状態の一部断面側面図である。 図6(A)は半導体デバイスウエーハ上に環状の第1ダムを形成するダム形成ステップの説明図、図6(B)は半導体デバイスウエーハ上に第2ダムを形成するダム形成ステップの説明図である。 平坦化ステップを実施している研削装置の要部斜視図である。 平坦化ステップが実施された積層ウエーハ上にレジストを塗布した状態の一部断面側面図である。 積層ウエーハの各半導体デバイスチップにスルーホールを形成した状態の一部断面側面図である。 図10(A)はレジストを除去した後各スルーホール内に銅を充填した状態の一部断面側面図、図10(B)は表面上の銅を研磨により除去した状態の一部断面側面図である。 半導体デバイスウエーハの裏面研削工程実施後の積層ウエーハの断面図である。 積層ウエーハ分割ステップを示す断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図1を参照すると、シリコンウエーハから形成された半導体デバイスウエーハ2の表面側斜視図が示されている。半導体デバイスウエーハ2の表面2aには、格子状に形成された複数の分割予定ライン(ストリート)4によって区画された各領域にIC、LSI等の半導体デバイス6(第1半導体デバイス)が形成されている。2bは半導体デバイスウエーハ2の裏面、8はシリコンウエーハの結晶方位を示すマークとしてのノッチである。
図1に示す半導体デバイスウエーハ2を準備した後、本発明の積層デバイスチップの製造方法では、まず半導体デバイスウエーハ2上に複数の半導体デバイスチップを搭載して積層ウエーハを形成する積層ウエーハ形成ステップを実施する。
この積層ウエーハ形成ステップでは、図2に示すように、表面に半導体デバイス12(第2半導体デバイス)が形成された複数の半導体デバイスチップ10の裏面10b側を、半導体デバイスウエーハ2の各半導体デバイス6上に配設して接着剤で接着し、積層ウエーハ16を形成する。
半導体デバイスチップ10はその表面10aに半導体デバイス12が形成されており、裏面10bが研削されてその厚みが約100μm程度に薄化されている。ここで使用する半導体デバイスチップ10は、予めその電気的特性等が検査されて合格した全て良品の半導体デバイスチップである。
積層ウエーハ16を形成した後、図3に示すように、半導体デバイスウエーハ2上に搭載された全ての半導体デバイスチップ10をエポキシ樹脂等の封止樹脂14で封止する封止ステップを実施する。
封止材として液状樹脂を使用し、その流動性が高い場合には、半導体デバイスウエーハ2の外周縁に半導体デバイスチップ10を囲繞する図6(A)に示すような環状ダム22、又は図6(B)に示すようなダム24を形成してから、半導体デバイスウエーハ2上に液状樹脂を供給するのが好ましい。好ましくは、ダム22,24は封止材となる封止樹脂14と同一材料で形成する。
図4に示すように、本発明の積層デバイスチップの製造方法では、半導体デバイスウエーハ2の各半導体デバイス6上にそれぞれ表面に半導体デバイス20(第2半導体デバイス)を有する2個の半導体デバイスチップ18の裏面側を接着して、積層ウエーハ16Aを形成するようにしてもよい。
他の実施形態として、各半導体デバイス6上にサイズや種類の異なる半導体デバイスチップを搭載してもよいし、或いは3個以上の半導体デバイスチップを搭載して積層デバイスウエーハを構成するようにしてもよい。積層ウエーハ16Aは、図5に示すように、エポキシ樹脂等の封止樹脂14で封止される。
図3に示すように積層ウエーハ16を封止樹脂14で封止する封止ステップを実施した後、封止樹脂14を研削して平坦化する平坦化ステップを実施する。この平坦化ステップについて、図7を参照して更に詳細に説明する。
図7に示すように、積層ウエーハ16の半導体デバイスウエーハ2側を研削装置のチャックテーブル30で吸引保持し、封止樹脂14を露出させる。研削装置の研削ユニット32は、図示しないモータにより回転駆動されるスピンドル34を有しており、スピンドル34の先端にはホイールマウント36が固定されている。
このホイールマウント36には、環状基台38の自由端部にダイアモンド砥粒をビトリファイドボンド等で固めた複数の研削砥石40が固着されて構成されている研削ホイール42が、ねじ44で着脱可能に装着されている。
封止樹脂14の平坦化ステップでは、チャックテーブル30を矢印a方向に例えば300rpmで回転しつつ、研削ホイール42をチャックテーブル30と同一方向に、即ち矢印b方向に例えば6000rpmで回転させるとともに、図示しない研削ユニット送り機構を駆動して研削砥石40を積層ウエーハ16の封止樹脂14に接触させる。
そして、研削ホイール42を所定の研削送り速度で下方に所定量研削送りして、積層ウエーハ16の封止樹脂14の研削を実施する。図示しない接触式又は非接触式の厚み測定ゲージにより積層ウエーハ16の厚みを測定しながら封止樹脂14を所望の厚みに仕上げる。
封止樹脂平坦化ステップ実施後、図8に示すように、封止樹脂14上にスピンコート法でレジスト48を塗布する。レジスト48を塗布後、レジスト48をパターンに従って露光して貫通電極形成用マスクを形成する。
この貫通電極形成用マスクを介してドライエッチングを施すと、図9に示すように、封止樹脂14の表面側から各半導体デバイスチップ10を貫通する複数のスルーホール50が形成される。
ドライエッチングに代わり、レーザビームの照射により各半導体デバイスチップ10を貫通するスルーホール50を形成するようにしてもよい。次いで、各スルーホール50内に図示しない絶縁膜とバリアメタルを形成する。
次いで、レジスト48を除去してから、図10(A)に示すように、各スルーホール50内に銅52を充填する。次いで、化学的機械研磨(CMP)で銅52を研磨して平坦化すると、図10(B)に示すように、半導体デバイスチップ10の半導体デバイス12と半導体デバイスウエーハ2の半導体デバイス6とを接続する貫通電極54が形成される。
貫通電極54を形成後、半導体デバイスウエーハ2の裏面2bを研削する裏面研削ステップを実施するのが好ましいが、この裏面研削ステップは必ずしも必須ではない。裏面研削ステップを実施する場合には、研削に続いて半導体デバイスウエーハ2の裏面2bの研磨を行い研削歪を除去するのが好ましい。
この裏面研削ステップを実施するには、図11に示すように、積層ウエーハ16の封止樹脂14側に半導体デバイスチップ10の半導体デバイス12を保護するための保護テープ56を貼着するのが好ましい。しかし、図11に示す実施形態のように、半導体デバイス12が封止樹脂14により封止されて露出してない場合には、保護テープ56の貼着は必ずしも必要ではない。
次いで、図12に示すように、裏面研削された保護テープ付き積層ウエーハ16をダイシングテープTに貼着し、ダイシングテープTの外周部を環状フレームFに貼着する。これにより、積層ウエーハ16はダイシングテープTを介して環状フレームFに支持された状態となり、保護テープ56を剥離してから切削装置に投入される。
切削装置では、よく知られた切削すべきストリート4を検出するアライメントを実施後、切削ブレード58で第1の方向に伸長するストリート4を順々に切削し、次いで切削装置のチャックテーブルを90度回転してから、第1の方向に直交する第2の方向に伸長するストリート4を順々に切削して、積層ウエーハ16を個々の積層デバイス60に分割する。
この分割ステップは、切削ブレード58による切削に限定されるものではなく、従来公知のレーザビームを照射するアブレーション加工によるフルカット、又はアブレーション加工によるハーフカット後ブレーキング装置を使用する割断、或いは積層ウエーハ16の半導体デバイスウエーハ2内に改質層を形成した後、ブレーキング装置を使用する割断等で積層ウエーハ16を個々の積層デバイス60に分割するようにしてもよい。
3個以上の半導体デバイスが縦方向に積層された積層デバイスを形成するには、図10に示す貫通電極形成後積層ウエーハを個々の積層デバイスに分割する前に、積層ウエーハの半導体デバイスチップ上に新たな半導体デバイスチップを積層する。
次いで、積層した新たな半導体デバイスチップを封止材で封止して、図10に示す工程で貫通電極を形成する。これを繰り返すことで、3個以上の半導体デバイスが縦方向に積層された積層ウエーハを形成した後、積層ウエーハを分割して個々の積層デバイスを製造することができる。
2 半導体デバイスウエーハ
4 ストリート(分割予定ライン)
6 半導体デバイス
10 半導体デバイスチップ
12 半導体デバイス
14 封止樹脂
16,16A,16B 積層ウエーハ
20 半導体デバイスチップ
22,24 ダム
48 レジスト
50 スルーホール
54 貫通電極
58 切削ブレード
60 積層デバイス

Claims (3)

  1. 複数の半導体デバイスが積層された積層デバイスの製造方法であって、
    表面に設定された交差する複数の分割予定ラインで区画される各領域に第1半導体デバイスが形成された半導体デバイスウエーハを準備する半導体デバイスウエーハ準備ステップと、
    表面に第2半導体デバイスが形成された複数の半導体デバイスチップの裏面側を該半導体デバイスウエーハの該各第1半導体デバイスに対応させて該複数の半導体デバイスチップを該半導体デバイスウエーハの該表面に接着して、積層ウエーハを形成する積層ウエーハ形成ステップと、
    該積層ウエーハ形成ステップを実施した後、該積層ウエーハの該複数の半導体デバイスチップを封止材で封止する封止ステップと、
    該封止ステップを実施した後、該封止材で封止された該積層ウエーハの該半導体デバイスチップの該第2半導体デバイスと該半導体デバイスウエーハの該第1半導体デバイスとを接続する貫通電極を形成する貫通電極形成ステップと、
    該貫通電極形成ステップを実施した後、該積層ウエーハを該分割予定ラインに沿って個々の積層デバイスへと分割する分割ステップと、
    を具備したことを特徴とする積層デバイスの製造方法。
  2. 封止ステップを実施した後、該封止材を研削して平坦化する平坦化ステップを更に具備した請求項1記載の積層デバイスの製造方法。
  3. 該封止ステップでは、該封止材となる封止樹脂と同一材料で、該半導体デバイスウエーハの外周縁に該半導体デバイスチップを囲繞する環状ダムを形成した後、該半導体デバイスウエーハ上に該封止樹脂を供給する請求項1又は請求項2に記載の積層デバイスの製造方法。
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