JP6987034B2

JP6987034B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6987034B2
Application number: JP2018169281A
Authority: JP
Inventors: 俊一渡部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: US20200083181A1; US10811368B2; JP2020043216A; CN110890281A; DE102019213504B4; DE102019213504A1; CN110890281B

Description

この発明は、半導体ウエハの研削に関する。

メモリまたはマイクロプロセッサなどの半導体装置は、３次元実装等によりパッケージ内に高密度に配置される。従って、半導体ウエハの厚みを薄くすることが求められている。また、産業用または自動車用のモータ駆動に使われるインバータ回路もしくは無停電電源装置などに搭載されるＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、またはＤｉｏｄｅなどの電力用半導体装置においても、オン特性などの通電性能を改善するため、半導体ウエハの薄化加工が行われている。現在、半導体ウエハの薄化は数十μｍまで進んでいる。

半導体装置は、以下の手順で作成される。まず、半導体ウエハの表面に、電極と絶縁保護膜とを含む素子構造部を形成する。その後、半導体ウエハの裏面に薄化加工、化学処理、熱処理および電極形成などを行う。そして、半導体ウエハをダイシングにより個片化する。

半導体ウエハの薄化加工は、機械的な研削により行われる。研削ステージに半導体ウエハの表面を固定し、砥石と研削ステージを回転させながら砥石を半導体ウエハに向かって下降させ、半導体ウエハの裏面を研削加工する。一般に、研削加工中に素子構造部が損傷したり、研削屑または研削水等により汚染したりすることを防ぐため、半導体ウエハの表面を保護する必要がある。

半導体ウエハの表面には、素子構造部の凹凸が存在する。近年、半導体ウエハが数十μｍ程度まで薄くなったことにより、表面の凹凸が相対的に大きくなった。そのため、研削加工時に表面の凹凸に起因して半導体ウエハが割れ易いという問題がある。この半導体ウエハの割れを抑制するため、半導体ウエハの表面に保護シートを貼り付けたうえで研削加工を行う方法が特許文献１，２で提案されている。特許文献１は、厚い粘着層を有する保護シートを用いて素子構造部の凹凸を緩和する方法を提案している。また、特許文献２は、特定の弾性率を有する中間層を設けた積層シートを用いて素子構造部の凹凸を緩和する方法を提案している。

特開２００６−１９６７１０号公報特開２００１−２０３２５５号公報

半導体ウエハの表面の凹凸に追従して段差を緩和するため、特許文献１の中間層または特許文献２の粘着層には、弾性率の小さい、比較的柔らかい部材を使用する必要がある。そのため、研削加工時の砥石の負荷により保護シートが変形し、ウエハが薄く加工された時に、ウエハも変形し、割れが発生するという問題があった。特に、炭化ケイ素基板またはサファイア基板等の難研削材を薄化加工する際には、半導体ウエハへの負荷が大きくなるため、保護シートに大きな負荷がかかって変形し、回転モータ負荷の不安定、砥石摩耗率の増大、ウエハ割れの発生などの問題が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、半導体ウエハの研削加工において割れの抑制を目的とする。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ウエハの素子構造が形成された第１主面に弾性率が２ＧＰａ以上の表面保護膜を、表面保護膜の端部が波状となるように形成し、半導体ウエハの第１主面側をステージに載置して、半導体ウエハの第１主面と反対の面である第２主面を研削する。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体ウエハの第１主面に弾性率が２ＧＰａ以上の表面保護膜を形成するため、半導体ウエハの研削加工時に砥石からの負荷による表面保護膜の変形が抑制される。従って、半導体ウエハの割れが抑制される。また、表面保護膜の端部が波状に形成されるため、薄化加工時に半導体ウエハが砥石から受ける負荷の半径方向の変化が緩和され、半導体ウエハの端部での割れが抑制される。

半導体ウエハの第１主面上に表面保護膜を形成した状態の断面図である。表面保護膜の形成後の半導体ウエハの端部を示す上面図である。比較例の半導体ウエハの研削加工を示す図である。比較例の半導体ウエハの研削加工を示す図である。実施の形態１の半導体ウエハの研削加工を示す図である。比較例の半導体ウエハのウエハ保護率を示す図である。実施の形態１の半導体ウエハのウエハ保護率を示す図である。保護シートＡ、保護シートＢおよび樹脂部材Ｃをそれぞれ第１主面に形成した半導体ウエハにおけるウエハ割れの発生率を示す図である。

＜Ａ．実施の形態１＞
図１は、半導体ウエハ１の第１主面１Ａ上に表面保護膜８を形成した状態を示す断面図である。半導体ウエハ１は、第１主面１Ａと、第１主面１Ａと反対側の主面である第２主面１Ｂとを有している。半導体ウエハ１の第１主面１Ａには素子構造が形成され、素子構造による凹凸パターン９が形成されている。表面保護膜８は、半導体ウエハ１の第１主面１Ａ上に形成される。表面保護膜８が第１主面１Ａ上に形成されると、その表面には凹凸パターン９に起因する凹凸が生じている。しかし、その後、熱処理により表面保護膜８の表面の凹凸が緩和される。表面保護膜８は、凹凸パターン９の段差を覆うことができるだけの厚みがあれば良い。例えば、凹凸パターン９の段差を１０μｍとすると、表面保護膜９は、２０μｍ程度の厚みで第１主面１Ａに塗布される。表面保護膜８に弾性率が約３ＧＰａのポリイミド樹脂が用いられる場合、２００℃程度の熱処理によって図１に示す構造が得られる。なお、表面保護膜８は、弾性率が２ＧＰａ以上の樹脂部材であれば良く、積層構造であっても良い。

図２は、表面保護膜８の形成後の半導体ウエハ１の端部を示す上面図である。表面保護膜８は、半導体ウエハ１の全面に形成されるわけではなく、半導体ウエハ１の端部を避けて形成される。また、表面保護膜８の端部は波状である。従って、半導体ウエハ１の端部から表面保護膜８の端部までの距離は、半導体ウエハ１の円周方向の位置によって異なり、その最小値をａ、最大値をｂとする。

例えば以下のような方法で、表面保護膜８の端部を波状にすることができる。第１の方法は、樹脂を半導体ウエハ１の第１主面１Ａの全面に回転塗布し、表面保護膜８を形成する。その後、半導体ウエハ１を回転させながらその外周部に除去液を吐出し、表面保護膜８を波状に溶解させる。第２の方法は、第１の方法と同様に半導体ウエハ１の第１主面１Ａの全面に表面保護膜８を形成した後、半導体ウエハ１を回転させながらその第２主面１Ｂに除去液を吐出する。そして、半導体ウエハ１の第１主面１Ａの外周部に回り込んだ除去液により、表面保護膜８を波状に溶解させる。第３の方法は、樹脂を半導体ウエハ１の第１主面１Ａにディスペンサで塗布することにより、その端部を波状にする。

半導体ウエハ１の端部から表面保護膜８の端部までの距離の最小値ａは０．１ｍｍ以上、最大値ｂは１．３ｍｍ以下である。上述した表面保護膜８の熱処理は、表面保護膜８を形成した後、その端部を波状にする前に実施されても良いし、後に実施されても良い。

次に、半導体ウエハ１の薄化加工について説明する。薄化加工は、表面保護膜８の形成後に行われる。まず、半導体ウエハ１の第１主面１Ａ側を研削ステージ７に固定する。そして、研削ステージ７を回転すると共に、砥石５が取り付けられたホイール６を回転しながら下降させ、半導体ウエハ１の第２主面１Ｂを砥石５で研削する。

図３は、比較例として、第１主面１Ａに保護シート２が形成された半導体ウエハ１の研削加工を示している。保護シート２は、一般的に、基材シート３と粘着層４の積層構造である。基材シート３には、ポリエステル、ポリオレフィン系樹脂、またはポリイミドなどの、弾性率が１ＧＰａ以上と比較的高い材料、もしくは弾性率が１ＧＰａ以下の比較的柔らかいエチレン酢酸ビニル共重合樹脂が用いられる。粘着層４には、弾性率が１ＭＰａ程度のアクリル系樹脂が用いられる。

第２主面１Ｂが研削されて半導体ウエハ１が薄くなると、図４に示すように、砥石５からの負荷によって保護シート２が変形し、半導体ウエハ１も変形して割れが発生しやすくなる。基材シート３には、凹凸パターン９の段差を吸収するため中間層を有するものがあり、その場合、中間層の弾性率は１ＭＰａ程度である。この場合、半導体ウエハ１の変形または割れはさらに発生しやすい。また、研削加工中の砥石５からの負荷が半導体ウエハ１に直接伝わらないため、ホイール６の回転モータの負荷が不安定になったり、砥石５の摩耗率がばらついたりするといった問題が発生する。

一方、実施の形態１の構成では、半導体ウエハ１の第１主面１Ａに保護シート２ではなく表面保護膜８を形成する。表面保護膜８は弾性率が２ＧＰａ以上の高い剛性を有するため、図５に示すように、研削加工時に砥石５からの負荷によって表面保護膜８が変形することを抑制することができる。従って、比較例において生じ得る問題が解決される。

次に、表面保護膜８によるウエハ保護率について説明する。図６は、比較例の半導体ウエハ１のウエハ保護率を示している。この比較例では、表面保護膜８の端部が波状ではなく、半導体ウエハ１の端部との距離が一定である。図６のグラフの横軸は半導体ウエハ１の半径方向の位置を示し、縦軸はウエハ保護率を示している。なお、ウエハ保護率とは、半導体ウエハ１の第１主面上をその中心との距離を一定に保って一周したときの各点において、半導体ウエハ１が表面保護膜８により保護される割合を表している。比較例では、ウエハ保護率が半導体ウエハ１の半径方向に非連続的に変化するため、半導体ウエハ１の端部で割れが発生しやすい。

一方、図７に示すように、実施の形態１の半導体ウエハ１では、表面保護膜８の端部が波状に形成されるため、ウエハ保護率は半導体ウエハ１の半径方向に連続的に変化する。従って、薄化加工時に半導体ウエハ１が砥石５から受ける負荷の半径方向の変化が緩和され、半導体ウエハ１の端部での割れを抑制することができる。

また、半導体ウエハ１の端部から表面保護膜８の端部までの距離の最小値ａを０．１ｍｍとすることにより、ウエハ薄化後の工程で表面保護膜８に起因する異物の発生が抑制される。また、半導体ウエハ１の端部から表面保護膜８の端部までの距離の最大値ｂを１．３ｍｍとすることにより、半導体ウエハ１の端部での割れが抑制される。

特に、炭化ケイ素基板またはサファイア基板等の難研削材を半導体ウエハ１として用いる場合、研削加工時の半導体ウエハ１に対する負荷が大きいため、上記のウエハ保護率による効果が大きい。図８は、炭化ケイ素基板を保護シートＡ、保護シートＢ、実施の形態１の表面保護膜８に該当する樹脂部材Ｃで保護し、１００μｍ以下に研削加工したときのウエハ割れの発生率を示している。なお、図８の縦軸は、ウエハ割れの発生率を示しているが、これは保護シートＡにおける値を１として正規化した値である。

保護シートＡは、基材、中間層、粘着層の積層構造であり、基材を約１５０μｍ、中間層と粘着層の合計を約８０μｍとしたものである。保護シートＢは、基材と粘着層の積層構造であり、基材を約１２０μｍ、粘着層を約２０μｍとしたものである。保護シートＡは、弾性率の低い中間層と粘着層が厚いため、砥石５の負荷による保護シートの変形が大きく、ウエハ割れ率が大きくなったものと考えられる。保護シートＢは、粘着層が薄いため保護シートＡに比べてウエハ割れ率が改善されている。また、中間層と粘着層がない樹脂部材Ｃは、最も変形が少なく、さらに表面保護膜８の半径方向での負荷変化を緩和するため、半導体ウエハ１の端部における割れも抑制していると考えられる。

実施の形態１の半導体装置の製造方法では、半導体ウエハ１の素子構造が形成された第１主面１Ａに弾性率が２ＧＰａ以上の表面保護膜８を形成し、半導体ウエハ１の第１主面１Ａ側をステージ７に載置して、半導体ウエハ１の第１主面１Ａと反対の面である第２主面１Ｂを研削する。表面保護膜８の弾性率が２ＧＰａ以上であるため、半導体ウエハ１の研削加工時に砥石５からの負荷による表面保護膜８の変形が抑制される。従って、半導体ウエハ１の変形または割れが抑制される。また、ホイール６の回転モータの負荷が安定化され、砥石５の摩耗率のばらつきが抑制される。

また、表面保護膜８にポリイミドを用いることが可能である。ポリイミドは弾性率が約３ＧＰａであるため、上述の効果が得られる。

また、表面保護膜８の端部を、半導体ウエハ１の第１主面１Ａの端部よりも内側に形成することによって、表面保護膜８に起因する異物が半導体ウエハ１内に発生することを抑制できる。

また、表面保護膜８の端部を波状とすることにより、半導体ウエハ１の表面保護膜８による保護率を半導体ウエハ１の半径方向に対して連続的に変化させることができる。従って、薄化加工時に半導体ウエハ１が砥石５から受ける負荷の半径方向の変化が緩和され、半導体ウエハ１の端部での割れが抑制される。

また、表面保護膜８の端部と半導体ウエハ１の第１主面１Ａの端部との距離の最小値が０．１ｍｍ以上となるように、表面保護膜８を形成することにより、表面保護膜８に起因する異物が半導体ウエハ１内に発生することを抑制できる。

また、表面保護膜８の端部と半導体ウエハ１の第１主面１Ａの端部との距離の最大値が１．３ｍｍ以下となるように、表面保護膜８を形成することにより、半導体ウエハ１の端部での割れを抑制できる。

表面保護膜８の厚みは、半導体ウエハの第１主面に形成された素子構造によるパターンの厚み以上とする。これにより、表面保護膜８によって素子構造の凹凸パターン９の段差を覆うことができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１半導体ウエハ、１Ａ第１主面、１Ｂ第２主面、５砥石、６ホイール、７ステージ、８表面保護膜。

Claims

半導体ウエハの素子構造が形成された第１主面に弾性率が２ＧＰａ以上の表面保護膜を、前記表面保護膜の端部が波状となるように形成し、
前記半導体ウエハの前記第１主面側をステージに載置して、前記半導体ウエハの前記第１主面と反対の面である第２主面を研削する、
半導体装置の製造方法。
前記表面保護膜は、ポリイミドからなる、
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記表面保護膜の形成は、前記表面保護膜の端部が前記半導体ウエハの前記第１主面の端部よりも内側に位置するように、前記表面保護膜を形成することである、
請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記表面保護膜の形成は、前記表面保護膜の端部と前記半導体ウエハの前記第１主面の端部との距離の最小値が０．１ｍｍ以上となるように、前記表面保護膜を形成することである、
請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記表面保護膜の形成は、前記表面保護膜の端部と前記半導体ウエハの前記第１主面の端部との距離の最大値が１．３ｍｍ以下となるように、前記表面保護膜を形成することである、
請求項３または請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記表面保護膜の厚みは、前記半導体ウエハの前記第１主面に形成された前記素子構造によるパターンの厚み以上である、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。