JPH0595058A - 半導体デバイス - Google Patents

半導体デバイス

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JPH0595058A
JPH0595058A JP3623992A JP3623992A JPH0595058A JP H0595058 A JPH0595058 A JP H0595058A JP 3623992 A JP3623992 A JP 3623992A JP 3623992 A JP3623992 A JP 3623992A JP H0595058 A JPH0595058 A JP H0595058A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 封止用合成樹脂16と不活性薄膜20との間にポ
リイミド薄膜21が設けられている半導体デバイス。ポリ
イミドとして弾性係数（Ｅ）≧ 1.0×1010Ｐa である高
硬度のものを使用し、厚さ１〜10μm のポリイミド薄膜
21をアミノシラン化合物によって不活性層に結合させ
る。 【効果】 温度の変動によって不活性薄膜に生じる亀裂
のような欠陥の数が著しく減少し、半導体チップの信頼
性及び予想寿命が改善される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、合成樹脂中に封止され
た半導体チップを具え、該チップには不活性薄膜及びポ
リイミド薄膜が設けられ、該ポリイミド薄膜は前記不活
性薄膜と前記合成樹脂との間に設けられている半導体デ
バイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】現在、大部分の半導体チップ又はＩＣは
合成樹脂で包囲された構造をしており、この合成樹脂は
封止用合成樹脂と呼ばれている。この構造において、半
導体チップは合成樹脂中に完全に埋設されている。合成
樹脂とケイ素とでは熱膨脹係数（ＴＥＣ）が異なるため
に、温度の変動によって半導体デバイスに大きい機械的
応力が生じることがあり、特に半導体チップの大きさが
LSI（大規模集積回路）及び VLSI(超大規模集積回路)
の場合のように比較的大きい場合にそうである。普通、
封止用合成樹脂は石英粉末又はガラス粉末が充填されて
いるエポキシ樹脂からなる。
【０００３】ケイ素チップには電子回路側に不活性薄膜
を設けて、以後の処理の間及びその寿命サイクルの間に
回路が損傷を受けたり、汚染したりすることのないよう
にする。このような不活性薄膜は、例えば、１個以上の
ケイ酸リンガラス（PSG)又は窒化ケイ素の薄膜からな
る。TEC の差異及びその結果として生じる応力のため
に、前記不活性薄膜に微小亀裂が形成することがある。
また、前記応力及び微小亀裂は半導体チップの電子回路
に損傷をもたらし、これにより機能上の欠陥が生じ、半
導体チップが役に立たなくなることさえある。周囲の湿
分が微小亀裂から半導体チップに達し、腐食を起こすこ
とがある。不活性薄膜にいわゆる応力除去用薄膜を被着
させることによって、前記欠陥を減らすのが普通であ
る。応力除去用薄膜としてはポリイミド及びケイ素樹脂
のような合成樹脂が使用されている。
【０００４】冒頭に記載した種類の半導体デバイスは欧
州特許 EP-A-0349001 号から既知である。特定されてい
ないポリイミド薄膜が応力除去用薄膜として挙げらてれ
る。通常のポリイミドの欠点は、半導体デバイスを熱サ
イクル試験した後に、不活性薄膜に多数の亀裂が存在す
ることである。熱サイクル試験は作動条件下における半
導体デバイスの信頼性を示すものである。亀裂の存在は
半導体チップを機能上役に立たなくすることがある。通
常の熱サイクル試験では、200 個の半導体デバイスにつ
いて、−65℃に30分間維持し、次いで 150℃まで迅速に
加熱し、150 ℃に30分間維持し、さらに、その逆を行う
サイクルを、多数回、例えば 100回行う。この試験の後
に、機能上役に立たなくなった半導体デバイスの百分率
を求める。そのほか、平行試験として、１個の半導体チ
ップ当りの不活性薄膜の亀裂数を所定サイクル後に求め
る。
【０００５】温度が変動する場合には、５種類の材料及
び４個所の界面、即ちケイ素チップと金属リードフレー
ムとの界面；合成樹脂包囲体と金属リードフレームとの
界面；不活性薄膜とポリイミド薄膜との界面；及びポリ
イミド薄膜と封止用合成樹脂との界面が重要である。薄
膜内及び界面に沿って生じる応力は、関連するＴＥＣ値
及び弾性係数（Ｅ）によって左右される。そのほか、電
子回路の金属トラックの位置において、第６番目の材料
が役割を演ずる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、なか
んずく、不活性薄膜における亀裂の形成が著しく減少
し、従って半導体チップの信頼性及び予想寿命が改善さ
れている半導体デバイスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明においては、冒頭
に記載した半導体デバイスにおいて、ポリイミド薄膜が
1.0×1010Ｐa 以上の弾性係数（Ｅ）を有することを特
徴とすることによって、上述の目的を達成する。
【０００８】このようなポリイミドは、約109 Ｐa の弾
性係数を有する通常のポリイミドと比べて極めて硬い。
本発明においては、驚くべきことには、このような硬い
ポリイミドを使用すると、熱サイクル試験中に不活性薄
膜に形成する亀裂の数が著しく減少することを見い出し
た。その上、半導体チップの機能上の欠陥が生じない。
ポリイミド薄膜は、相当するポリアミド酸の溶液をスピ
ンコーティングすることにより、不活性薄膜に簡単に被
着させることができる。溶媒を蒸発させ、ベーキング処
理を行った後に、ポリアミド酸はポリイミドに転化す
る。これはイミド化(imidization) と呼ばれる。フォト
リソグラフィー処理では、半導体チップのボンディング
パッドの位置で、ポリイミド薄膜の周囲に沿って多数の
開口が形成する。前記ボンディングパッドは主としてア
ルミニウムからできている。このボンディングパッドは
金属ワイヤによってリードフレームに電気的に接続す
る。他の例では、ポリアミド酸薄膜をリソグラフィー処
理によってパターン化し、次いでポリアミド酸をベーキ
ング操作でポリイミドに転化する。
【０００９】Ｅ≧ 1.0×1010Ｐa であるこのような硬い
ポリイミドは、例えば、PIQ-L100 (日立化成) 、PI-261
0(デュポン) 及び PI-2611 (デュポン) という商品名
で、商業的に入手することができる。このような硬いポ
リアミドを使用することは自明のことではない。その理
由は、温度の変動によってポリイミド薄膜に生じる内部
応力は、前記薄膜のＥ値が増大するにつれて、増大する
からである。このことは、薄膜に生じる応力が、前記薄
膜のＥ値と、前記薄膜とこれに隣接する薄膜との間のTE
C 値の差との積に比例することを意味する。不活性薄膜
における亀裂数の減少に関する考えられる説明は、せん
断応力の結果として、硬いポリイミド薄膜(高いＥ値）
においてもせん断作用による変形が小さくなる、という
ことである。
【００１０】このように変形が小さくなるので、下側の
不活性層及び電子回路の変形も小さくなる。その結果、
不活性層に亀裂が形成する危険及び電子回路に損傷が生
じる危険が小さくなる。せん断応力は、封止用合成樹脂
のＴＥＣ値（〜1.3 ×10-5Ｋ-1) とケイ素のＴＥＣ値
（〜 2.3×10-6Ｋ-1) との間の大きな差によって生じ
る。軟いポリイミド薄膜 (低いＥ値）を使用した場合に
は、この薄膜に生じる応力は僅かに小さくなるが、せん
断応力によって生じる変形は大きくなる。また、この結
果、下側の不活性薄膜及び電子回路の変形が大きくなる
ので、損傷の危険が増大する。
【００１１】硬いポリイミド薄膜 (Ｅ≧ 1.0×1010Ｐa
）を使用すると、半導体デバイスを熱サイクル試験し
た後に、不活性薄膜の亀裂数が著しく減少することは、
実施例から明らかである。
【００１２】本発明の半導体デバイスの好適例では、ポ
リイミド薄膜の厚さは１〜10μm である。このような薄
膜はポリアミド酸溶液をスピンコーティングすることに
より被着させるのであるから、最後の薄膜厚さは、回転
速度、スピンコーティング処理時間及び溶液粘度のよう
ないくつかの因子によって支配される。ポリイミドPIQ-
100 ( 商品名) を使用した場合には、スピンコーティン
グを 2000rpmで45秒間行った際に、最後の薄膜厚さは３
μm になる。厚さがこれにより薄い薄膜は、より速い回
転速度及びより長いスピンコーティング処理時間の一方
又は両方を必要とする。薄膜厚さの実用上の下限は２μ
m である。薄膜厚さが５μm より厚い場合には、ポリイ
ミド薄膜における応力が増大し、上述の欠陥をもたらす
ことがある。
【００１３】本発明の半導体デバイスの一例は、ポリイ
ミド薄膜がアミノシラン化合物によって不活性薄膜に結
合されていることを特徴とする。ポリイミド薄膜を不活
性薄膜に被着させる前に、この不活性薄膜をアミノシラ
ンで処理する。シリル基が不活性薄膜の表面と反応する
と共に、イミノ化反応中にアミノ基がポリアミド酸と反
応する。適当なアミノシランは、例えば、パラ−アミノ
フェニル トリメトキシシラン（APTM) 及びＮ−（２−
アミノエチル）−３−アミノプロピルトリメトキシシラ
ン（AAPS) である。APTMはスピンコーティングによって
水溶液として被着させ、他方 AAPS は気相で被着させる
ことができる。これらのいづれのシランも、ポリイミド
と、不活性薄膜、例えば、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ
素、酸化ケイ素及びケイ酸リンガラス (PSG)とを、満足
に接着する。
【００１４】
【実施例】次に、本発明を図面を参照して実施例につい
て説明する。実施例 図１は、本発明の半導体デバイスの一例の断面図であ
る。ケイ素からなる半導体チップ10を、ボンディング薄
膜13 (例えば、銀ペースト) により、リードフレーム14
に接続する。普通、リードフレーム14はFeNi合金又はCu
Fe合金からなる。半導体チップ10をリードフレーム14に
金属ワイヤ15によって接続し、ポリイミド薄膜21で被覆
する。半導体チップとポリイミド薄膜との間には、不活
性薄膜 (図示せず) を設ける。この薄膜は普通窒化ケイ
素からなる。この組立体を合成樹脂16中に封止する。合
成樹脂16は主として石英粉末又はガラス粉末が充填され
ているエポキシ樹脂からなる。
【００１５】図２は図１の半導体デバイスの要部の拡大
断面図である。酸化ケイ素薄膜17を半導体チップ10上に
設ける。アルミニウムボンディングパッド18を酸化ケイ
素薄膜17上に設ける。ボンディングパッド18の位置に開
口を有する窒化ケイ素からなる不活性薄膜20を、半導体
チップ上の全回路に被着させる。窒化ケイ素からなるこ
の薄膜の厚さは約１μmである。窒化ケイ素薄膜はPECVD
( プラズマ強化化学的気相蒸着）法によって被着させ
る。
【００１６】ポリイミド薄膜21の被着前に、窒化ケイ素
薄膜20を有する多数の半導体チップ10を具えるケイ素ウ
エハを、発煙硝酸で清浄にする。次いで、筒形 (barre
l) エッチング装置内でこのケイ素ウエハに０2 プラズ
マを作用させる。次に、Ｎ−（２−アミノエチル）−３
−アミノプロピルトリメトキシシラン（Ａ−1120として
知られている) を使用して、窒化ケイ素表面のシラン化
（silanation) を行う。この操作を、0.013 ミリバール
の圧力及び 140℃の温度において、気相から４時間行
う。次いで、ポリイミド「前駆物質」PIQ −Ｌ100 ( 商
品名、日立化成) の薄膜を、シラン化された窒化ケイ素
薄膜20上にスピンコーティングする。スピンコーティン
グ処理を 2000rpmで45秒間行う。供給者によれば、ポリ
イミド「前駆物質」PIQ −Ｌ100 ( 商品名、ポリアミド
酸溶液) は、下記の化１の式Ａで表わされる構造を有す
る。下記の化１の式Ａ,Ｂ及びＣにおいて、Ｒ1 は１，
３，４−フェニル基を示し、Ｒ2 は３，３1 ，４，４1
−ビフェニル基を示す。ｍは、重量平均分子量が 60,00
0 〜80,000になる数を示す。90℃で２分間の加熱工程に
よって溶媒を蒸発させる。135 ℃で15分間の次の加熱工
程では、部分イミド化が起きて下記の化１の式Ｂで表わ
される構造を有する部分イミド化 PIQ−Ｌ100 が生成す
る。
【００１７】
【化１】
【００１８】部分イミド化 PIQ−Ｌ100 は自由なカルボ
ン酸残基を有し、従ってアルカリ性溶液によってエッチ
ングされる。ボンディングパッド18の位置でポリイミド
薄膜に開口を設けるには、ポジのホトレジスト薄膜、例
えば、ノボラック／ジアゾナフトキノンを生成分とする
ホトレジスト薄膜をポリイミド薄膜に被着させ、次いで
このホトレジスト薄膜をパターンに従って露光させ、テ
トラメチルアンモニウムヒドロキシドTMA の水溶液 (水
中に2.5 ％のTMA)で現像する。この処理中に、下側のポ
リイミドもボンディングパッド18の位置でエッチングさ
れる。次いで、ホトレジスト薄膜をアセトン−水（重量
比４：１）混合物中に溶解する。次に、ポリイミド薄膜
を窒素雰囲気中で 230℃の温度において30分間後硬化さ
せる。この処理中に、ポリイミドは上述の化１の式Ｃで
表わされる構造になる。ポリイミド薄膜21の最終厚さは
３μm になる。次に、このウエハをチップ10に分割 (ダ
イシング) し、チップ10をリードフレーム14上に取り付
ける。ワイヤ15をリードフレーム14及びボンディングパ
ッド18に接続した後に、この組立体をエポキシ樹脂16中
に封止する。このために、通常の充填材入りエポキシ樹
脂、例えば、EME-6210（商品名、供給者：住友化学）を
使用することができる。
【００１９】ポリイミドのＥ値は既知の DMA法 (ダイナ
ミック・メカニカル解析法) によって求める。200 個の
半導体デバイスを熱サイクル試験する。この試験では、
上述の生成物を交互に、−65℃の温度に30分間維持し、
次いで迅速に 150℃の温度に加熱してこの温度に30分間
維持し、さらにこの逆の操作を行う。このサイクルを10
00回又は2000回繰り返す。2000回後に、機能上役に立た
なくなった半導体デバイスの百分率を求める。平行試験
では、所定のサイクル数の後に、窒化ケイ素薄膜20の亀
裂数を測定する。比較例として半導体デバイスに通常の
軟いポリイミド、即ちプロビミド（Probimide) 308（商
品名) 及び HTR3-100(商品名）（いずれも供給者：チバ
ガイギー）を設ける。本発明に従って使用したポリイミ
ド（PIQ −Ｌ100, 商品名）のＥ値は０℃において約 1.
3×1010Ｐa であり、他方他の２種のポリアミドのＥ値
は約 0.3×1010Ｐa であった。実験結果を次の表１に示
す。
【００２０】
【表１】
【００２１】第２欄はポリイミド薄膜を省略した影響、
即ち不良率が受け入れることができない程大きいことを
示す。また、この表は、Ｅ値≧ 1.0×1010Ｐa であるポ
リイミドを使用すると、窒化ケイ素薄膜 (不活性薄膜)2
0 の亀裂数が著しく減少することを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体デバイスの一例の断面図であ
る。
【図２】図１の半導体デバイスの要部の拡大断面図であ
る。
【符号の説明】
10 半導体チップ (ケイ素チップ) 13 ボンディング薄膜 14 リードフレーム 15 ワイヤ 16 合成樹脂 (エポキシ樹脂) 17 酸化ケイ素フィルム 18 ボンディングパッド 20 不活性薄膜 (窒化ケイ素薄膜) 21 ポリイミド薄膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウイルヘルムス フランシスクス マリー ホツツエン オランダ国 5621 ベーアー アインドー フエンフルーネバウツウエツハ １

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 合成樹脂中に封止された半導体チップを
    具え、該チップには不活性薄膜及びポリイミド薄膜が設
    けられ、該ポリイミド薄膜は前記不活性薄膜と前記合成
    樹脂との間に設けられている半導体デバイスにおいて、 前記ポリイミド薄膜が 1.0×1010Ｐa 以上の弾性係数を
    有することを特徴とする半導体デバイス。
  2. 【請求項２】 前記ポリイミド薄膜は１〜10μm の厚さ
    を有することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイ
    ス。
  3. 【請求項３】 前記ポリイミド薄膜はアミノシラン化合
    物によって前記不活性薄膜に結合されていることを特徴
    とする請求項１又は２記載の半導体デバイス。
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