JP7044653B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の半導体装置の製造方法は、配線層を形成すること、前記配線層に垂直な方向に延びる複数の導電ポストを形成すること、第1半導体チップを用意し、前記第1半導体チップの主面を第1接続部を介して前記配線層に接合すること、前記第1半導体チップ、前記配線層、および前記導電ポストをエポキシベースの樹脂により樹脂封止すること、前記樹脂封止により形成した封止樹脂を、前記第1半導体チップの前記主面とは反対側の裏面および前記導電ポストの前記配線層とは反対側の端面の高さまで研磨すること、前記第1半導体チップの前記裏面、封止樹脂の表面および前記導電ポストの前記端面に対して、銅またはチタンを含む金属をスパッタにより成膜し、前記第1半導体チップの前記裏面と、前記複数の導電ポストのうちの少なくとも1つとを接続する熱伝導部材を形成すること、前記導電ポストの前記端面に、第2接続部を介して第2半導体チップを接続すること、を備える。
図1から図5は、本発明の一実施の形態による半導体装置80の製造方法を説明するための図である。なお、図1から図5は、後述する半導体装置80の1個分の製造工程を示す図を表しているが、支持基板10は半導体装置80よりも大きな基板であり、支持基板10上には、多数の半導体装置80(より厳密には、後述する中間生成体50)が並んで形成されていても良い。
図1(a)は、半導体装置80を製造するための支持基板10の断面を示す図であり、支持基板10の上面には、支持基板10側から順に剥離層11および薄銅層12が形成されている。支持基板10は例えばガラスから成り、支持基板10の厚さは100~2000μm程度が好ましい。
図1(a)および以降の各図においては、理解を容易にするために、支持基板10の面内方向(図中の左右方向)に対して、支持基板10の表面に垂直な方向(図中の上下方向)の長さを拡大して描いている。
なお、図1(b)以降の各図においては、支持基板10の厚さを一部省略して示している。
薄銅層12は、厚さが50~2000nm程度の銅を主成分とする層である。
上記の条件に適した、剥離層11等の形成された支持基板10が販売されていれば、それを購入して使用することができる。
図1(b)は、支持基板10上の最上層である薄銅層12の上に、下段パッド14および下層配線15を形成した状態を示している。下段パッド14および下層配線15の形成に際しては、始めに薄銅層12上の全面にフォトレジスト13を形成し、このフォトレジスト層に下段パッド14および下層配線15の形状に対応する所望の開口部を形成する。そして、支持基板10をめっき液に浸し電解銅めっきを行うことで、薄銅層12が露出する部分(すなわちフォトレジスト13の開口部)に銅がめっきされ、下段パッド14および下層配線15が形成される。下層配線15は、複数の下段パッド14を相互に接続する配線である。その後、フォトレジスト13を除去する。
層間絶縁膜16の材料としては感光性のポリイミド等を使用し、ビアホール16aは層間絶縁膜16の所定の箇所にレーザ光等の整形された光を照射して感光させ、これを現像してポリイミドを除去することにより形成する。
めっきシード層18は、図1(c)に示した支持基板10に対して、無電解めっき、またはスパッタ等のドライ成膜により銅等の金属を成膜することにより形成する。めっきシード層18の厚さは50~200nm程度とする。
この状態の支持基板10をめっき液に浸し電解銅めっきを行うことで、めっきシード層18が露出する部分19a(すなわちフォトレジスト19が除去されている部分)に銅がめっきされる。図1(c)に示したビアホール16aの内部にも、めっきシード層18として、および電解銅めっきにより銅が充填され、層間配線17が形成される。
その後、フォトレジスト19を除去する。
ここで、上段パッド20aは、後述する第1半導体チップ25または導電ポスト24と接続されるパッドであり、さらに層間配線17を介して下段パッド14に接続されていても良い。上段パッド20bは、層間配線17を介して下段パッド14に接続されている。上層配線21は、複数の上段パッド20a、20bを相互に接続する配線である。
なお、本明細書では、下段パッド14、下層配線15、上段パッド20a、20b、上層配線21、および層間配線17を、総称してまたは個々に、配線層22とも呼ぶ。
図1(e)に示した状態の支持基板10に対して、上段パッド20a、20b、上層配線21およびめっきシード層18の上に、ドライフィルム23を形成し、ドライフィルム23の所定箇所に開口23aを形成する。
図2(a)は、ドライフィルム23および開口23aが形成された状態を示す。
ドライフィルム23は、上段パッド20a等の形成されている支持基板10にドライフィルムシートを接合して形成する。開口23aは、ドライフィルム23上の所定の場所にレーザ光等の整形された光を照射してドライフィルム23を感光させ、これを現像してドライフィルム23を部分的に除去することにより形成する。開口23aの側面は、ドライフィルム23の表面に対してほぼ垂直に形成されている。
導電ポスト24の形成は、図2(a)に示した状態の支持基板10をめっき液に浸し、めっきシード層18を電極として電解めっきを行うことで、めっきシード層18に接続されている上段パッド20aの上に、銅等の低抵抗金属をめっきすることにより行う。
導電ポスト24の長さ(図中の上下方向の長さ)は、一例として150μmから500μm程度である。
導電ポスト24は、支持基板10の上面に沿って形成された配線層22(上段パッド20a、20b等)に接続され、かつ配線層22に対して垂直な方向(図中の上方)に延びて形成されている。
なお、上述のように支持基板10が後述する半導体装置80よりも大きな基板であり、支持基板10上に多数の半導体装置80を並べて形成する場合には、支持基板10上に、図2(c)に示す導電ポスト24や、配線層(上段パッド20a、20b等)の構造物を、形成する半導体装置80の個数に対応する数だけ多数配列して形成する。
図3(a)は、第1半導体チップ25aが接合され、封止樹脂29により封止された状態の支持基板10を示す。
第1半導体チップ25aは、CPU等のロジック回路ICや、DRAM等のメモリーIC等の、シリコンウエハから切断された1つの半導体集積回路チップである。
また、必要に応じて、接続ポスト26とはんだ27の間にバリアメタル層を形成しておいても良い。
なお、場合によっては、接続ポスト26を省略し、上段パッド20aと第1半導体チップ25aの主面に形成されているボンディングパッドとを、はんだ27により接合しても良い。
本明細書では、接続ポスト26、はんだ27、さらには必要に応じて追加するバリアメタル層を、それぞれ、または併せて第1接続部28と呼ぶ。
第1半導体チップ25aは、主面を下向きにして、接続ポスト26およびはんだ27が所定の上段パッド20aに対向するように位置合せされ、加熱処理されて接合される。第1半導体チップ25aの接合は、各種のフリップチップボンダーを用いて行うことができる。
支持基板10上に形成されている配線層22の上面、第1半導体チップ25a、および導電ポスト24の側面および端面が、封止樹脂29により封止される。
上記で形成した封止樹脂29の表面および第1半導体チップの裏面(主面とは反対側の面)を研磨する。研磨は、機械的な研磨または機械化学的な研磨により、導電ポスト24の配線層22とは反対側(図3(a)中の上端側)の端面が、封止樹脂29から露出するまで研磨する。
研磨前の第1半導体チップ25aの厚さは、600~800μm程度であるが、研磨された第1半導体チップ25の厚さは、100~200μm程度である。
なお、厚さ600~800μmの第1半導体チップ25aを支持基板10上への接合後に研磨する代わりに、接合前に100~200μm程度に研磨済みの第1半導体チップ25を支持基板10に接合しても良い。この場合には、支持基板10上での第1半導体チップ25aの研磨を大幅に削減できると共に、封止樹脂29の厚さも低減でき、封止樹脂29の研磨に要する時間も削減できる。
図4(a)は、熱伝導部材30が形成された支持基板10の断面図を示し、図4(b)は、その上面図を示す。
熱伝導部材30は、第1半導体チップ25の裏面(断面図の中の上側の面)と、上面視で第1半導体チップ25の周囲に複数形成されている導電ポスト24の少なくとも1つとに接続されて形成されている。
本明細書では、上面視とは、第1半導体チップ25を、その主面に垂直であって、配線層22と反対側の上方遠方から見た状態を言う。
なお、放熱の観点からは、熱伝導部材30は、第1半導体チップ25の裏面の全てを覆う必要はなく、ある程度の部分を覆えば十分である。ただし、第1半導体チップ25の封止の観点からは、第1半導体チップ25の裏面の全てを覆った方が好ましい。
以下では、封止樹脂29によって一体的に封止(保持)される、第1半導体チップ25、導電ポスト24、配線層22(14、20a等)、層間絶縁膜16、および封止樹脂29自体と熱伝導部材30とを、併せて中間生成体50と呼ぶ。
封止樹脂29により封止された中間生成体50から、支持基板10を剥離する。支持基板10の剥離は、まず支持基板10の周辺部を切断し、または支持基板10の周辺部の封止樹脂29側に掘り込みを入れて、切断部または掘り込み部の断面に剥離層11を露出させる。そして、上記の断面に露出する剥離層11にナイフエッジを有する金属製のブレードを押し当て、剥離層11に亀裂を発生させつつブレードを支持基板10の面内方向に移動させて、中間生成体50から支持基板10を剥離する。
剥離層11および薄銅層12のエッチングに際し、上述の研磨に際して導電ポスト24の端部に形成されている可能性のあるバリについても、同時に除去しても良い。
すなわち、支持基板10の外形形状が四角形であり、その四角形の中に概ね四角形を外形として複数の第1半導体チップ25等が配列される場合には、上記の切断部または掘り込み部の上面視での形状を四角形とすることが望ましい。
一方、支持基板10の外形形状が円形であり、その円形の中に概ね円形を外形として複数の第1半導体チップ25等が配列される場合には、上記の切断部または掘り込み部の上面視での形状を円形とすることが望ましい。
図5(a)に示すように、層間絶縁膜16および下段パッド14の下面にソルダーレジスト31を形成する。そして、ソルダーレジスト31の下段パッド14に対応する位置にレーザ光等の整形された光を照射してソルダーレジスト31を感光させ、これを現像してソルダーレジスト31を部分的に除去して開口部を形成し、開口部において下段パッド14を露出させる。
続いて、はんだボール32をソルダーレジスト31の開口部から露出した下段パッド14に搭載し、加熱リフローを行うことで、はんだボール32の少なくとも一部を溶融させて、はんだボール32を下段パッド14に固定する。
これにより、第1の半導体パッケージ60が完成する。
なお、製造する半導体装置80の用途によっては、上述のはんだボールの形成工程を省略してもよい。この場合には、中間生成体50が第1の半導体パッケージ60となる。
図5(b)は、図5(a)に示した第1の半導体パッケージ60に、第2の半導体パッケージ70を接合した、完成品の半導体装置80を示す図である。
第2の半導体パッケージ70は、上述の第1の半導体パッケージ60と同様に、第2半導体チップ125、接続ポスト126、はんだ127、第2の配線層122、封止樹脂129、ソルダーレジスト131、および、はんだボール132等を有している。第2半導体チップ125は、CPU等のロジック回路ICや、DRAM等のメモリーIC等の、シリコンウエハから切断された1つの半導体集積回路チップである。第2の配線層122は、上述の第1の半導体パッケージ60の配線層22と同様に、下段パッド114、下層配線115、上段パッド120a、120b、上層配線121、および層間配線117を有している。
本願明細書では、第2半導体チップ125と導電ポスト24とを電気的に接続する部分、すなわち、接続ポスト126、はんだ127、第2の配線層122、および、はんだボール132を、併せて第2接続部71と呼ぶ。
一方、熱伝導部材30が非導電性の材料から成る場合には、熱伝導部材30を導電ポスト24Gの側面(端面以外)に接続しておき、はんだボール132を、導電ポスト24の端部に接続すればよい。
熱伝導部材30が非導電性の材料から成る場合には、熱伝導のための導電ポスト24Gを設け、これに非導電性の熱伝導部材30を接続させても良い。
この場合には、導電ポスト24Gの電位は一定値に保たれるため、第1半導体チップ25の裏面の電位も一定のグランド電位に保たれ、第1半導体チップ25に不要な電気ノイズを与えることを防止できる。
なお、導電ポスト24は、ドライフィルム23に形成された開口23aの内部形状に倣って形成されている。よって、導電ポスト24の断面形状を長方形とする場合であっても、その四隅部は、通常、開口23aを形成するリソグラフィ(露光およびエッチング)の解像限界程度の曲率半径で丸くなる。従って、導電ポスト24の断面形状が長方形とは、その断面形状が略長方形であって、四隅部がリソグラフィ(露光およびエッチング)の解像限界程度の曲率半径を有する形状も含むものである。
断面形状が長方形であると、導電ポスト24と第2の半導体パッケージ70のはんだボール132との位置合せに誤差があり相互に位置ずれが生じている場合でも、断面形状が円形の場合に比べて、接合部の面積を大きくすることができ、接合の信頼性が増す。また、導電ポスト24の断面積が増えることにより、導電ポスト24の電気抵抗の値を下げることができる。
(1)以上の一実施の形態の半導体装置80は、配線層22と、主面が第1接続部28を介して配線層22に接続されている第1半導体チップ25と、上面視で第1半導体チップ25の外側に配置されるとともに、配線層22に垂直な方向に延びる複数の導電ポスト24と、第1半導体チップ25の主面とは反対側の裏面と、複数の導電ポスト24のうちの少なくとも1つ(24G)とに接続されている熱伝導部材30と、第1半導体チップ25の裏面以外の面、配線層22、および導電ポスト24の側面に接する封止樹脂29と、導電ポスト24の配線層22の反対側の端部に第2接続部71を介して接続されている第2半導体チップ125と、を有している。
この構成により、封止され周囲への放熱が難しい第1半導体チップ25で発生した熱を、熱伝導部材30、導電ポスト24、配線層22、およびはんだボール32を介して、半導体装置80が装着される回路基板に伝導させ、効率良く放熱(冷却)することができる。これにより、第1半導体チップ25を熱的に安定な状態で動作させることができる。
(3)(1)または(2)において、熱伝導部材30を銅またはチタンを含む金属とすることで、熱伝導性を向上し、耐久性を向上することができる。
(4)(1)または(2)において、熱伝導部材30を熱伝導シートとすることで、低コストで熱伝導部材30を形成することができる。
(6)(1)から(5)までのいずれか1つにおいて、導電ポスト24の断面形状を長方形とすることで、導電ポスト24と第2の半導体パッケージ70のはんだボール132との位置合せに誤差があり相互に位置ずれが生じた場合でも、断面形状が円形の場合に比べて接合部の面積を大きくすることができ、接合の信頼性を向上させることができる。
この構成により、封止され周囲への放熱が難しい第1半導体チップ25で発生した熱を、熱伝導部材30、導電ポスト24、配線層22、およびはんだボール32を介して、半導体装置80が装着される回路基板に伝導させ、効率良く放熱(冷却)する半導体装置を製造することができる。すなわち、第1半導体チップ25を熱的に安定な状態で動作させる半導体装置を製造することができる。
(9)(7)または(8)において、熱伝導部材30の形成は、銅またはチタンを含む金属を、第1半導体チップ25の裏面、封止樹脂29の表面および導電ポスト24の端面に対してドライ成膜することにより行うこともできる。第1半導体チップ25の裏面に直接成膜することで、その密着性の高さにより、高い放熱性能と、発熱時の耐熱密着性の向上を図ることが出来る。
(11)(7)から(10)までのいずれか1つにおいて、熱伝導部材30を、複数の導電ポスト24のうちのグランド電位を伝達するポスト(導電ポスト24G)に接続することで、第1半導体チップ25の裏面の電位を一定に保つことができ、第1半導体チップ25への不要なノイズの混入が防止された半導体装置を製造することができる。
一方、半導体装置80の横幅(図4(c)中の左右方向の長さ)は、5mmから20mm程度である。従って、配線層22は全体として、半導体装置80に比べて薄い平板上の構成物と考えることができ、導電ポスト24は、配線層22に対して垂直な方向に延びていると考えて差し支えない。
Claims (9)
- 配線層と、
主面が第1接続部を介して前記配線層に接続されている第1半導体チップと、
上面視で前記第1半導体チップの外側に配置されるとともに、前記配線層に垂直な方向に延びる複数の導電ポストと、
前記第1半導体チップの前記主面とは反対側の裏面以外の面、前記配線層、および前記導電ポストの側面に接するエポキシベースの封止樹脂と、
前記第1半導体チップの前記裏面と、前記複数の導電ポストのうちの少なくとも1つとに接続され、前記封止樹脂に接している、スパッタにより成膜された銅またはチタンを含む金属である熱伝導部材と、
前記導電ポストの前記配線層とは反対側の端部に第2接続部を介して接続されている第2半導体チップと、
を備える、半導体装置。 - 請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1半導体チップの前記裏面と、前記導電ポストの前記配線層とは反対側の面、および前記封止樹脂の表面とは、同一平面上にあり、
前記熱伝導部材は、前記同一平面上に形成されている、半導体装置。 - 請求項1または請求項2に記載の半導体装置において、
前記熱伝導部材が接続されている前記導電ポストは、グランド電位を伝達する導電ポストである、半導体装置。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記導電ポストは、断面形状が長方形である、半導体装置。 - 配線層を形成すること、
前記配線層に垂直な方向に延びる複数の導電ポストを形成すること、
第1半導体チップを用意し、前記第1半導体チップの主面を第1接続部を介して前記配線層に接合すること、
前記第1半導体チップ、前記配線層、および前記導電ポストをエポキシベースの樹脂により樹脂封止すること、
前記樹脂封止により形成した封止樹脂を、前記第1半導体チップの前記主面とは反対側の裏面および前記導電ポストの前記配線層とは反対側の端面の高さまで研磨すること、
前記第1半導体チップの前記裏面、封止樹脂の表面および前記導電ポストの前記端面に対して、銅またはチタンを含む金属をスパッタにより成膜し、前記第1半導体チップの前記裏面と、前記複数の導電ポストのうちの少なくとも1つとを接続する熱伝導部材を形成すること、
前記導電ポストの前記端面に、第2接続部を介して第2半導体チップを接続すること、
を備える、半導体装置の製造方法。 - 請求項5に記載の半導体装置の製造方法において、
前記研磨において、さらに前記第1半導体チップの前記裏面を研磨する、半導体装置の製造方法。 - 請求項5または請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱伝導部材を、前記複数の導電ポストのうちのグランド電位を伝達するポストに接続する、半導体装置の製造方法。 - 請求項5から請求項7までのいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記配線層を支持基板上に形成し、
前記第1半導体チップの前記裏面、封止樹脂の表面および前記導電ポストの前記端面に対して、銅またはチタンを含む金属をスパッタにより成膜した後に、前記支持基板を前記配線層から剥離する、半導体装置の製造方法。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記配線層は、少なくとも2層の配線を含む配線層である、半導体装置。
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