JPH0945726A - 半導体装置の構造及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置の構造及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置における素子のオン抵抗を減少さ
せるため、ウエハの厚さを薄くし歩留りの向上を図る。 【解決手段】 パッド電極５を形成した半導体ウエハ１
と、熱抵抗小、絶縁抵抗大なる強度保持板７を複数の貫
通穴１０、配線層８、９を介して第１の半田１１により
接着し、半導体チップ２の裏面金属層６を介してリード
フレーム電極１２と、また強度保持板７と配線層８、９
を経てリードフレームの他の電極１４と第２の半田１
３、第３の半田１５により接続してなる半導体装置の構
造。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係り、
半導体ウエハの表裏の双方を電極として利用する大電力
の制御に用いられ、特に、低消費電力を要求される半導
体装置の構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】上記の半導体装置として、バイポーラトラ
ンジスタやサイリスタ、ＤＭＯＳ、ＩＧＢＴ等がある
が、何れも半導体装置の動作抵抗、いわゆる、オン抵抗
の低減による消費電力の低減化が要求されている。半導
体装置において、その実装後の断面模式図を図１７に示
す。同図において、 Ｒｗ：ボンディングワイヤー１００の抵抗 ＲＭ：半導体装置表面のパッド配線５部分の抵抗 Ｒａ：半導体装置の能動領域部分４の抵抗 ＲＳｉ：ウエハ内の基板領域３の抵抗 ＲＭ’：裏面金属電極６の抵抗 ＲＳ：半田１１の抵抗 ＲＦ：リードフレーム１２の抵抗である。 実装後の半導体装置のオン抵抗値は、上記の各成分抵抗
値の合計であるが、ＲａとＲＳｉ以外は全て金属であり
また構造上必須のものであり、またＲａが半導体装置の
動作のために当然存在するものであるのに対して、基板
領域３は寄生的に抵抗成分ＲＳｉとして素子の電流経路
に存在していることが分かる。特に電力用半導体装置で
は基板領域３が低抵抗のウエハを用いるが、金属と比較
すれば桁違いに高抵抗でありかつ熱伝導率も劣る。従っ
てオン抵抗の低減化ひいては低消費電力化を図るために
は、基板領域を可能なかぎり薄くしてＲＳｉ成分を減少
することが残された方策である。従来半導体装置を実装
する方法としては広く一般的に用いられている半導体ウ
エハの裏面を研削加工し、チップに分割してリードフレ
ームに接着した後、チップ表面のパッドとリードフレー
ム上の端子との電気的接続をワイヤボンディングにより
行なう方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、研
削加工により、極力薄く形成したウエハを取扱うことに
なるため、近年のウエハサイズの増大に伴いウエハの厚
さが薄くなると、図１８に示すように歩留まりの低下が
著しい。さらに、電力用半導体装置は近年取扱い電力を
増大させるために、１チップ当たりの面積が増加する傾
向にあり、チップでの破損が問題となっている。しかし
ながら、上述のようにオン抵抗の低減のため、従来にも
増してチップ厚の減少化が求められているにも関わら
ず、チップ破損防止の見地からは、ウエハ厚さは大きい
方が取扱いに有利であり、基板の抵抗成分ＲＳｉと厚さ
は、いわば、二律背反の関係となっているのが実情であ
った。本発明は、半導体装置における素子のオン抵抗を
減少させるため、ウエハの厚さを薄くし歩留りの向上を
図るに好適な半導体装置の構造及びその製造方法を提供
することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの手段は、表裏に電流を流す構造を有しかつ表面の大
半の部分を能動領域とし、この能動領域面に、機能の異
なる複数のパッド電極を有する半導体チップが一主面上
に形成された半導体ウエハの構造及びチップの実装を含
む製造方法に関する技術である。第１は、表裏に電流を
流す構造を有しかつ表面の大半の部分を能動領域とし、
前記能動領域のある表面に機能の異なる複数のパッド電
極を有する半導体チップが１主面上に形成された半導体
チップの構造であって、低熱抵抗でありかつ高絶縁抵抗
を有する強度保持板上に前記半導体チップ上のパッド電
極に対応した数量の貫通孔が一つ若しくは複数形成さ
れ、前記記強度保持板の下面に半導体チップのパッド電
極に対応した形状及び数量の低電気抵抗の金属材料から
なる配線層が形成され、前記強度保持板の上面に、前記
強度保持板の貫通孔に対応した形状及び数量の低電気抵
抗の金属材料からなる配線層が形成され、前記強度保持
板の貫通孔内に低電気抵抗の金属材料が充填されて表裏
のそれぞれ対応した前記配線層が電気的に接続される。
【０００５】薄く研削され、裏面に半導体と良好なオー
ミック接触性を示しかつ半田と濡れ性を示す金属層を有
する前記半導体チップのパッド電極と、前記強度保持板
上の下面の配線層とを対向させ、両者が物理的かつ電気
的に半田を用いて接着され、前記半導体チップの裏面の
金属層と半導体素子の実装に用いるリードフレームの１
つの電極とが半田を用いて接着され、前記強度保持板の
上面の各配線層にリボンワイヤが半田を用いて接続さ
れ、前記リードフレームの他の電極に前記リードワイヤ
がそれぞれ接続されてなる構造である。
【０００６】第２に、前記半導体装置の構造の製造方法
は、前記半導体チップが形成された半導体ウエハと同一
形状若しくはそれ以上の面積を有し、比較的に低熱抵
抗、高絶縁抵抗を有する強度保持板上に前記半導体ウエ
ハ上の各チップ及び電極に対応する微細な貫通孔を複数
形成する工程と、前記強度保持板の半導体ウエハ接着面
側に半導体ウエハ上のチップ及び電極に対応した形状及
び数量の低電気抵抗材料からなる配線層を形成する工程
と、前記強度保持板の直上の反対面に低電気抵抗材料か
らなる配線用金属層を形成する工程と、前記強度保持板
の貫通孔内に第１の半田を充填することにより表裏の配
線層の接続を改善する工程と、前記半導体ウエハ上のチ
ップのパッド電極と前記強度保持板上の配線層とを対向
させて両者を物理的かつ電気的に第１の半田を用いて接
着する工程と、前記半導体ウエハを露出している裏面か
ら研削する工程と、前記半導体ウエハ裏面の研削面に裏
面電極用の金属層を形成する工程と、前記強度保持板の
半導体ウエハ接着面の反対面の前記配線金属層を半導体
ウエハ上の各チップの電極に対応するようパターニング
を施して電気的に分離した配線層とする工程と、前記半
導体ウエハ及び強度保持板をダイシングによりチップ単
位のダイスに分割する工程と、前記半導体チップの裏面
の金属層と半導体素子の実装に用いるリードフレームの
電極内の１つの電極を第１の半田の凝固点より融点の低
い第２の半田を用いて接着する工程と、前記強度保持板
の上面に露出する各配線層と前記リードフレームの他の
電極とをそれぞれ電気的に接続する工程を有する製造方
法である。
【０００７】第３は、前記製造方法における半導体装置
の高品質化を図るものであって、前記半導体ウエハ若し
くは半導体チップを前記強度保持板上の配線層と接着す
る工程以前に、研削後のウエハ厚さと同一の深さに、半
導体基体の材料とは異なる物質を埋め込んでおく工程を
付加し、前記半導体ウエハ若しくは半導体チップを前記
強度保持板上の配線層と接着する工程の後、前記半導体
ウエハ若しくは半導体チップの裏面研削工程をケミカル
メカニカルポリシュを施す工程を有する製造方法であ
る。
【０００８】第４は、前記半導体ウエハ上のチップ表面
の電極及び前強度保持板上の配線層との接着後、前記電
極間及び配線層間により形成される空洞に、ナフタレン
若しくは樟脳からなる昇華性物質を充填した後、チップ
裏面に研削加工を施し、裏面金属形成前に前記物質を除
去する製造方法である。
【０００９】第５は、前記強度保持板上の複数の配線層
がそれぞれ面内で少なくとも隣接する領域に、前記配線
層領域内に配線層材料を取り除いたスリットを設ける
か、若しくは前記配線層領域内の強度保持板に凹溝を設
けるか、若しくは前記強度保持板上の配線層形成後に、
前記配線層が相対する強度保持板上の間隙に、第１の半
田と塗れ性が低く、半田の融点により変性しない材料を
形成するか、若しくは前記ウエハ上のパッド電極の周辺
若しくは強度保持板上のパッド電極の周辺に相当する位
置に第１の半田との塗れ性が低く、第１の半田の融点に
変性しない材料を均一な厚さにパッド電極を全面被覆し
ない幅の帯状に形成され、前記チップ表面の電極及び前
記強度保持板上の配線層とが第１の半田を用いて接着さ
れてなる構造である。
【００１０】第６は、前記半田の融点により変性しない
材料がシリコン樹脂で、スクリーン印刷により形成する
半導体装置の構造または製造方法である。
【００１１】第７は、前記半田の融点において、変性し
ない材料がポリイミド樹脂であり、前記の形成法を用い
るか、若しくはウエハあるいは強度保持板上に前記ポリ
イミド樹脂をスピンコートにより形成しさらにノボラッ
ク系ポジフォトレジストを塗布してからマスクを用いて
パターンを露光転写する工程と、ポジフォトレジストの
現像液を用いて前記ポジフォトレジストの現像と同時に
不要ポリイミド樹脂を除去した後に、前記ポジフォトレ
ジストを除去する工程を順次実行するか、若しくは前記
記材料が感光性ポリイミド樹脂であり、ウエハまたは強
度保持板上に前記ポリイミド樹脂をスピンコートにより
形成し、マスクを用いてパターンを露光転写した後、現
像液を用いて前記ポリイミド樹脂の不要部分を除去する
工程を順次実行する製造方法である。
【００１２】第８は、前記半田材料の融点および凝固点
が、本発明に係る半導体装置が接続される外部回路の組
立に用いられる第４の半田と比較して、第１の半田の融
点≧第１の半田の凝固点＞第２の半田の融点≧第２の半
田の凝固点＞第３の半田の融点≧第３の半田の凝固点＞
第４の半田の融点となる関係を満足するものとする製造
方法である。
【００１３】第９は、前記強度保持板上の全ての金属
層、及び半導体チップ上の電極及び金属層が、少なくと
も、半田が拡散する位置にニッケル膜層を有するように
構成した製造方法である。
【００１４】上記の構成によれば、リードフレームの電
極上に接着されたチップは、その上の強度保持板上の接
着面を兼ねる配線層に接着され保持されているので、チ
ップの強度を考慮することなく、極限までその厚さを薄
くすることができ、これまで寄生部分として存在してい
た半導体部分が除去されて半導体装置のオン抵抗を大き
く低減することができ、同時に熱容量も低減できるので
放熱性も大きく向上する。また、強度保持板には貫通孔
を設け低電気抵抗の金属材料若しくは半田で埋め込む構
造とし、表裏に設けた配線層を電気的に接続しているの
で、半導体チップの表面を強度保持板に接着しても、半
導体チップ上のパッド電極との電気的接続を強度保持板
上の配線層を介して電気抵抗の低下を図ることができ
る。加えて強度保持板上の配線層表面にニッケル層を形
成しているので、従来のワイヤボンディングも可能であ
るほか、半田との濡れ性が良好であることから、電力用
素子の電気的接続に好適な低抵抗のリボンワイヤやビー
ムリード状の断面積の大きな接続材料の接続に半田を用
いることができ、接続工程が容易となる。さらに強度保
持板に貫通孔を設けて電気的接続を行なう構成であるか
ら、チップ裏面の研削をウエハ単位で行なうことがで
き、大量の同時処理が可能であり、実装チップ厚の減少
について、チップ単位で研削を行なう場合と比較してチ
ップの角隅部が露出しないから、チップの破損を防止す
ることができ歩留りが向上する。
【００１５】さらに、前記半導体ウエハ若しくは半導体
チップを前記強度保持板上の配線層と接着する工程以前
に、研削後のウエハ厚さと同一の深さに半導体基体の材
料とは異なる物質を埋め込んで、裏面研削加工をケミカ
ルメカニカルポリシュにより実施するようにしたので、
研削加工量の目安を、前記物質の部分までとすることが
できるため、研削後のウエハ厚を前記物質の埋込深さの
寸法に決定することができ、正確かつ均一な研削厚が得
られ、チップ厚さのバラツキに起因する素子特性の変動
を防止することができる。また、前記半導体ウエハ上の
チップ表面の電極及び前記強度保持板上の配線層との接
着後、前記電極間及び配線層間により形成される空洞
に、ナフタレン若しくは樟脳からなる昇華性物質を充填
した後チップ裏面の研削工程を施し、裏面金属形成前に
この物質を除去するようにしたので、空洞を昇華性物質
が支えるため研削時の圧力による空洞部でのウエハの破
損を防止でき、加熱により容易に除去できるため後工程
に悪影響を与えることはない。
【００１６】さらに前記強度保持板上の複数の配線層
が、それぞれ面内で少なくとも隣接する前記配線層領域
内に、この配線層材料を除去したスリットを設けるか、
若しくは前記配線層領域内の強度保持板に凹溝を設ける
か、若しくは前記強度保持板上の配線層形成後に、前記
配線層が相対する強度保持板上の間隙に、第１の半田と
塗れ性が低く、半田の融点により変性しない材料を形成
するか、若しくは前記ウエハ上のパッド電極の周辺、若
しくは強度保持板上のパッド電極の周辺に相当する位置
に第１の半田と濡れ性が低く、均一な厚さを有し、第１
の半田の融点により変性しないパッド電極を、全面的に
は被覆しない幅をもって形成され、ウエハと強度保持板
との接着時に界面の半田が不均一に存在した場合に、半
田のはみ出しにより、電極間が短絡するのを防止するこ
とができる。さらに半田と塗れ性が悪くかつ半田の融点
に変性しない材料の形成位置はチップのパッドレベルの
合わせ程度の寸法精度でよいので、シリコン樹脂であれ
ばスクリーン印刷により、均一な塗布処理を容易に行な
うことができ、原価低減に好適である。また半田と濡れ
性が低く、半田の融点により変性しない前記材料がポリ
イミド樹脂であるならば前記の形成法の他、ウエハ１若
しくは強度保持板７にスピンコートにより形成した後、
ネガフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーによ
り精密なパターンが容易に形成できる。
【００１７】さらに前記の各半田材料の融点および凝固
点が、本発明に係る半導体装置を接続する外部の回路の
組立に用いる第４の半田と比較して、第１の半田の融点
≧第１の半田の凝固点＞第２の半田の融点≧第２の半田
の凝固点＞第３の半田の融点≧第３の半田の凝固点＞第
４の半田の融点、となるよう半田を選択することによ
り、前工程で形成した構造を後工程で破損することがな
い。さらにまた、前記強度保持板上の全ての金属層、お
よび半導体チップ上の電極及び金属層が、少なくとも半
田が付着する位置にニッケル膜層を形成しておくように
したので、半田との濡れ性を確保しながら半田の拡散を
防ぐことができ、工程の容易化と半田の拡散による素子
の劣化を防止することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉以下本発明を図面を用いて詳細に説明
する。なお、実施の形態１として示す図は、実施工程の
説明を容易にするために縦及び横の寸法をデフォルメし
ており、実際の寸法比と必ずしも一致するものではな
い。また発明の実施の形態において用いる膜厚等の数値
は実施上の一例を示すものであって、下記の数値に限定
されるものではない。
【００１９】図１６は、本発明が適用される半導体装置
を示す斜視図である。実施の形態１は、半導体装置とし
てチップの表面側にゲートとソースの２つの電極を有
し、裏面側にドレイン電極１つを有する電力用縦型ＭＯ
Ｓ電界効果トランジスタを例示する。シリコンウエハ１
の一主面上に、要求される仕様に従って形成された能動
領域４の上に、ウエハ１の１チップ分を拡大した素子上
の配線を兼ねるパッド電極５を形成したものである。以
下の実施の形態においては、ウエハ１上の能動領域４と
パッド電極５が形成されたゲート・ソース電極面を表面
と呼称し、反対側のドレイン電極面を裏面と呼称する。
表面の配線パッドのうち、小なる部分がゲート電極５ａ
であり、大なる部分がチップ上の多くを占有するソース
電極５ｂである。ウエハ１の能動領域４の下部は半導体
のバルク領域３であり、通常、ウエハ１の裏面研削を行
なうのはこの部分である。ただし、本発明の適用は、上
記の半導体装置のみに限定されるものではない。
【００２０】図１は本発明に係る実施の形態１の構造を
示す断面図である。図１において、強度保持板７にウエ
ハ１のチップ２のパッド電極５に対応した貫通穴１０が
１若しくは複数個形成され、強度保持板７の下面にチッ
プ２のパッド電極５に対応した形状及び数量を備える低
抵抗の金属材料からなる配線層８が形成され、強度保持
板７の上面に強度保持板７の貫通穴１０に対応した形状
及び数量の低抵抗の金属材料からなる配線層９が形成さ
れ、強度保持板７の貫通穴１０内部に第１の半田１１が
充填され、表裏のそれぞれ対応した配線層８、９が電気
的に接続され、チップ２の裏面には半導体と良好なオー
ミック接触性を示し、かつ半田と良好な濡れ性をもつ裏
面金属層６を有し、チップ２のパッド電極５と強度保持
板７の下面の配線層８とを対向させ、パッド電極５と配
線層８が物理的、かつ電気的に第１の半田１１を用いて
接着され、チップ２の裏面金属層６と半導体素子の実装
に用いるリードフレームの１つの電極１２とが半田第２
の１３を用いて接着され、一方、強度保持板７の上面の
配線層９上には第３の半田１５の層が形成され、この半
田１５にリボンワイヤ１６の一端が接続され、リボンワ
イヤ１６の他端は、リードフレーム１２の他の電極１４
に対し第３の半田１３を用いてそれぞれ接続されてい
る。
【００２１】本発明の実施の形態１の機能及び作用に関
しては、以下、製造方法の説明と共に図面を用いて説明
する。以下の図には、１個のチップ２に対応する部分を
抽出して示されている。実施の形態１に用いるウエハ１
については、図１６に示すように、素子として動作する
能動領域４と接続されるパッド電極５は、以後の接着作
業において半田との合金化が可能な材料である必要か
ら、アルミニウムを主成分とする厚さ４μｍの合金膜上
に厚さ０．５μｍのニッケル膜及び厚さ１μｍの銀膜を
順次に形成するか、若しくは、前記アルミニウム合金膜
の代わりに、０．１μｍのチタン膜か、クロム膜を形成
しておくことが好ましい。次に半導体ウエハ１と同一形
状で、かつ良好な絶縁性及び熱伝導性を有する厚さ６０
０μｍの酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化マ
グネシウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、窒化シ
リコンのうち、少なくとも１、または、２以上からなる
混合物、若しくは、雲母により代表されるグラファイ
ト、ベリリア磁器、イットリウム及びバリウム及び銅か
らなる酸化物超伝導材料、ダイヤモンドなどの各材料う
ち、何れか１または２つ以上の組合わせからなる材料を
用いて強度保持板７を構成する。
【００２２】次に図２に示すように、強度保持板７に、
半導体ウエハ１上のチップ２及びパッド電極５に対応し
て微細な貫通穴１０を複数個所形成するか、若しくは、
貫通穴１０が形成された金属板、または、シリコン板の
表面を酸化するか、または、前記のような絶縁性材料の
表面に貫通穴１０を形成する。貫通穴１０は表裏を貫通
する微細な穴で、機械ドリルや超音波ドリル、若しく
は、放電加工により形成することができ、また、強度保
持板７が燒結材料である場合には、成形型を用いて成形
することも可能であるが、接着するウエハ１上のパッド
電極５の領域内の位置に穿設する必要があり、貫通穴１
０は、半田１１の充填により閉塞可能である必要性か
ら、概ね直径１ｍｍを超えない寸法であることが好まし
く、数量には制限はないが、強度保持板７の強度を低下
させない範囲内とする。
【００２３】続いて、図３に示すように、強度保持板７
の片面に、半導体ウエハ１上の各チップ２及びパッド電
極５に対応した形状と数量を有する低抵抗の１０μｍ厚
の銅の配線層８を蒸着、若しくは無電解メッキ、若しく
は銅箔の貼付により形成し、この銅の薄層にマスキング
して塩化第２鉄等のエッチング液で、パターニングする
か、若しくは、パターンを形成した銅箔を貼付するか、
若しくは、物理的なマスクを通して蒸着する方法、若し
くは、このマスクをフォトレジスト等で形成したリフト
オフ法により選択的に蒸着する方法、若しくは、金属ペ
ーストを印刷焼成する方法、若しくは、同様にマスキン
グにより選択的にメッキする方法、のうち何れか１若し
くは２つ以上の組合わせを用いることにより、パッド電
極５の形状に対応させ、図３の状態を形成する。
【００２４】次に、図４に示すように、配線層８を形成
した面を半導体ウエハ１との接着面側とし、さらに、強
度保持板７上の配線層８と反対面に、低抵抗の１０μｍ
厚の銅の配線層１８を、蒸着、若しくは無電解メッキ、
若しくは銅箔の貼付、若しくは銅ペーストを印刷焼成す
ることにより形成する。次に、配線層８の表面に厚さ５
００ｎｍのニッケル層及び厚さ２μｍの銀層を、メッ
キ、若しくは蒸着により形成し（図示せず）、配線層８
の酸化を防止すると共に半田との濡れ性を改善する。ま
た、強度保持板７の貫通孔１０内に、後の工程にて用い
る半田よりも高温の融点を有する第１の半田１１を充填
して配線層８と配線層１８の接続を行なうと共に、図５
に示すように、半導体ウエハ１上のパッド電極５と強度
保持板７上の配線層８とを対向させたのち、第１の半田
１１を用いてパッド電極５と配線層８を物理的かつ電気
的に接着する。
【００２５】強度保持板７とウエハ１は、少なくとも同
一形状、または同一面積を有するから、パッド電極５と
配線層８の位置合わせは、強度保持板７とウエハ１の端
部を揃えるだけでよいが、強度保持板７をウエハ１より
も大きくした場合には、強度保持板７上にウエハ１の形
状を示す合せマークを予め形成しておくとよい。半田１
１はクリーム半田、若しくは蒸着により供給し、クリー
ム半田を用いた場合には、接着空間の容積に相当する半
田供給量を設定することにより、接着時に半田のはみ出
しによる電極間短絡を防止することができる。
【００２６】上記のように、パッド電極５と配線層８の
電気的接続は、ウエハ１の接着面と反対面から強度保持
板７を貫通して充填することによりなされ、これによ
り、下記のように、ウエハ１の裏面研削を従来と同様に
ウエハ単位で実施することができる。配線層８、配線層
１８を有する強度保持板７の形成について、上記のほ
か、強度保持板７を燒結金属、例えば、酸化アルミニウ
ムや窒化アルミニウム等の材料を用いて形成する場合に
は、配線層８及び貫通穴１０内の充填金属部分を絶縁材
料の燒結と同時に燒結形成することも有用であるが、こ
の場合にも、強度保持板７の配線層８とウエハ１上のパ
ッド電極５との接着は第１の半田１１を用いて行なう。
【００２７】さらに、図５に示すようにパッド電極５と
パッド電極５の間の隙間に、アルコールに溶解させたナ
フタレン１７を流し込んだのち乾燥固化させると、以下
に述べる研削加工時に、パッド電極５間の上記隙間に発
生するウエハ１のクラックを防止することが可能となる
から歩留りが向上する。
【００２８】次に、強度保持板７を研削装置に固定し、
図６に示すように半導体ウエハ１を機械研削、若しく
は、ケミカルメカニカルポリッシュ等により、裏面から
研削するが、本実施の形態１では、デバイスの能動領域
４の厚さが５０μｍであったので、ウエハ１の表面から
６０μｍの厚さまで研削してバルク領域３を除去した。
ウエハ１は強度保持板７に接着されているので、ウエハ
１の機械的強度は、厚さの減少より低下するおそれはな
く、上記のようにウエハ１の表面側の能動領域４のみを
残してバルク領域３を除去することが可能となり、従
来、最小でも２００μｍ程度あったウエハ１の厚さをさ
らに薄くすることができる。これにより、半導体素子の
オン抵抗の低減のみならず、シリコンの体積減少に伴う
熱容量の低減をもたらし、放熱性も著しく改善される。
【００２９】チップを何らかの基板に接着した後、薄く
研削する工程として特開平２−３１４３７号公報に開示
された技術が実用化されている。これは、図１９に示す
ように、チップ２上の電気回路と外部電気回路との接続
を行なうための配線パターン１０１を形成した絶縁基板
１０２上に、半田バンプ１０３を用いて半導体チップ２
と配線パターン１０１とをフェースダウンして電気的接
続を行ない、さらに半田バンプ１０３を用いたことによ
り形成されるチップ２と絶縁基板１０２との隙間及びチ
ップ２の周囲をエポキシ樹脂１０４により固定した後、
チップ２の裏面をダイヤモンドホイール１０５を用いて
研削する方法であるが、ウエハ１をチップ２状に分割し
た後でなければならないほか、チップ２の状態で研削す
るためチップ２のエッジが欠けやすいなどの問題点が発
生する。本発明の実施の形態１によれば、これらの問題
点も克服することが可能となる。
【００３０】図７に示すように、上記手法による研削工
程の後、昇温してナフタレン１７を昇華させて除去し、
半導体ウエハ１の裏面の研削面に真空蒸着、若しくはス
パッタ蒸着により、蒸着温度３５０℃程度で厚さ０．１
μｍのチタン及び０．５μｍのニッケルさらに１μｍの
銀の順で裏面電極６用金属を形成し、強度保持板７の半
導体ウエハ１の接着面と反対面に形成した配線金属層１
８を、半導体ウエハ１上のパッド電極５及び貫通孔１０
に対応するようパターニングすることにより、配線金属
層１８は電気的に分離されて配線層９が形成される。
【００３１】その後半導体ウエハ１及び強度保持板７を
ダイシングにより、チップ単位に分割して図１に示した
ように、チップ２の裏面金属層６と半導体素子の実装に
用いるリードフレームの電極１２とを第１の半田１１の
凝固点より融点の低い第２の半田１３を用いて接着し、
さらに、強度保持板７の上面の配線層９とリードフレー
ムの他の電極１４とを電気的にそれぞれ接続して実施の
形態１の半導体装置の構造が完成する。
【００３２】強度保持板７の上面の配線層９とリードフ
レームの他の電極１４との接続につては、配線層９上に
ボンディングワイヤを用いることもできるが、配線層９
上に第３の半田層１５を形成して接続すれば、配線層９
の低抵抗化と同時に、ボンディングワイヤよりも断面積
が大きく抵抗の小さいリボンワイヤやビームリード状の
配線金属板１６との接続を簡単に行なうことができ非常
に有利である。このとき第３の半田層１５には、第２の
半田１３の凝固点より融点の低い半田材料を用いること
により、この工程を実施するために、既に加工を終了し
た構造を破壊するおそれがなくなる。また上記工程で
は、ウエハ１をチップ２に分割した後、リードフレーム
１２上に接着するようにしたが、これはモジュールパッ
ケージにおける金属ベースの絶縁シート表面の配線板上
に接着する場合も同様であり、ウエハ１は強度保持板７
によって保護される形となっているから、配線層９と外
部との接続は、ネジの締結による圧着圧力を強度保持板
７が受け止めるため、上記のようにチップ２に分割せず
にウエハ単位で素子が形成されることの多い大電力のサ
イリスタ等の素子の圧接実装にも適用可能となる。
【００３３】〈実施の形態２〉本発明に係る半導体装置
の構造と製造工程は、ウエハ１を薄く研削し研削時の破
壊防止及び電極間の短絡防止を図る上で、性能上のキー
ポイントとなる部分である。そこで半導体装置の一層の
品質向上のため、実施の形態２について説明する。実施
の形態２はウエハ１内に研削加工の目安となるストッパ
ーを形成することにより、ウェハ１の仕上り厚さを設計
値に対し無調整で実現するものである。図８に示すよう
に、ウエハ１上に半導体装置の形成工程の適切なタイミ
ング時期に、ウエハ１のスクライブライン１９に、ウエ
ハ１の研削後の厚さと同一の深さにトレンチ２０を形成
する。次に、図９に示すように、トレンチ２０を酸化シ
リコン、若しくは窒化シリコンを主成分とする誘電体２
１を用いて埋め戻しを行なう。次に、実施の形態１と同
様の手順により、ウエハ１と強度保持板７とを接着す
る。次にウエハ１の裏面を研削するが、第１段階として
ダイアモンドブレードを用いた研削工具を用いて１００
μｍ程度を残して研削し、第２段階として水酸化カリウ
ムを研磨液、シリカ粒子等を研磨剤とするケミカルメカ
ニカルポリッシュ（ＣＭＰ）法によりウエハ１の裏面を
研削加工する。上記ＣＭＰ法を用いて研磨した場合、図
８のように形成したトレンチ２０に埋め込んだ誘電体２
１は研削されないため、図１０に示すように、誘電体２
１の下端はエッチング停止となってトレンチ２０の深さ
に相当する厚さまで研削加工が終了した形状が得られ
る。
【００３４】その後誘電体２１部分をダイシングしてチ
ップ２に分割し、実施の形態１と同様にリードフレーム
若しくはモジュール基板上に固定及び電気的接続を行な
い工程が完了する。エッチング停止は、トレンチ２０に
よりウエハ１の表面から設定するようにしたが、図１１
に示すように、ウエハ１の形成時に、ウエハ１の張り合
わせ及びラッピングによりウエハ１内部に誘電体層２
２、若しくは高融点金属シリサイド層２３等の半導体基
体とは異なる物質を埋め込んでも、ＣＭＰ法により自動
停止させてもポリッシャーの研削トルクの変化を検出す
る手段を用いて停止させてもよい。上記の手段により、
研削後のウエハ厚がストッパの位置で決定され、一般的
に厚さ制御が難しいとされるウエハ１の研削加工におい
て、正確かつ均一でウエハ１内でのチップ２の厚さのバ
ラ付きを低減し、オン抵抗の均一化を図ることができ
る。
【００３５】〈実施の形態３〉実施の形態３は、第１の
半田１１を用いて強度保持板５上の配線層８にパッド電
極５を接着する際に、第１の半田１１の供給量が部分的
に偏ったとき、第１の半田１１が所定の領域からはみ出
して配線層８間が短絡し易くなるのを防止しようとする
ものである。図１２のように、強度保持板５上の複数の
配線層８が、少なくとも互いに隣接する面領域内に、そ
れぞれスリット２４を設けて配線層材料を除去し、スリ
ット２４を半田溜まりとして余剰の第１の半田１１を吸
収させる。または図１３のように、配線層８の前記領域
と対向する強度保持板７上に凹溝２５を設けて同様に半
田を吸収させる。または図１４のように、強度保持板７
上の配線層８を形成した後、配線層８と配線層８とが隣
接する間隙２６と対向する強度保持板７上に、必要に応
じて窪み２７を設けて、第１の半田１１と濡れ性が低
く、第１の半田１１の融点温度に変性しない材料による
バリア２８を形成して遮蔽機能を持たせる。
【００３６】若しくは図１５のように、強度保持板７上
のパッド電極５の周辺に相当する位置か、ウエハ１上の
パッド電極５の周辺に、均一厚さでパッド電極５が全面
的に被覆されないような寸法幅を有するバリア２８を形
成することにより、ウエハ１と強度保持板７の接着時に
上記半田のはみ出しがなく、電極間の短絡防止が図ら
れ、また、バリア２８の介在により、ウエハ１と強度保
持板７の間隔が半田層の厚さにより影響されないから、
ウエハ１の面内研削厚さを一層均一化するという作用効
果が得られる。
【００３７】また、バリア２８の材料にシリコン樹脂を
使用するときは、パッド電極５の寸法に対応した位置精
度でバリア２８を形成すればよいから、スクリーン印刷
による形成手段により、極めて簡易に大量処理を実施す
ることができる。バリア２８の材料にポリイミド樹脂を
使用するときは、前記形成手段によるほか、ウエハ１ま
たは強度保持板７上に前記ポリイミド樹脂をスピンコー
トにより形成し、さらにノボラック系ポジフォトレジス
トを塗布してから、マスキングによりパターンを露光転
写する工程と、ポジフォトレジストの現像液を用いて前
記ポジフォトレジストを現像すると共に、不要のポリイ
ミド樹脂を除去した後、前記ポジフォトレジストを除去
する工程を順次実行する。
【００３８】バリア２８の材料が感光性ポリイミド樹脂
であるならば、ウエハ１または強度保持板７上に前記ポ
リイミド樹脂をスピンコートにより形成し、マスクを用
いてパターンを露光転写した後、現像液を用いて前記ポ
リイミド樹脂の不要部分を除去するという、通常の半導
体におけるレジスト工程と同様に精密なパターンを容易
に形成することができる。
【００３９】〈実施の形態４〉本発明に係る半導体装置
を接続する外部の回路の組立用半田を第４の半田とする
と、前記実施の形態で使用する半田材料の融点および凝
固点については、 第１の半田の融点≧第１の半田の凝固点＞第２の半田の
融点 の関係とすると、半田の溶融時間の改善により、前工程
で形成したウエハの構造を維持することが可能となるわ
けであるが、これに加えて、 第２の半田の融点≧第２の半田の凝固点＞第３の半田の
融点≧第３の半田の凝固点＞第４の半田の融点 の関係を満足するように、半田材料を選択しそれぞれの
工程における温度を前記の通りに設定すると、前工程に
おいて形成したウエハ構造を破壊することなく、かつ、
半田の溶融時間に依存せずに本発明に係る半導体装置構
造を形成することができ工程設計の自由度の向上が図ら
れる。
【００４０】〈実施の形態５〉強度保持板７上の全ての
金属層６および半導体ウエハ１上の電極の、少なくとも
半田が拡散する位置に、ニッケル膜層を形成しておくこ
とにより、半田に対する濡れ性保有層となるのみなら
ず、半田の拡散を防止のためのバリアとなり、素子の重
金属汚染が防止され信頼性の向上が図られる。
【００４１】上記発明の実施の形態にそれぞれ示した通
り、ウエハ１は上記強度保持板７に接着されているの
で、ウエハ１の裏面研削に伴う厚さの減少により、機械
的強度が低下することはなく、ウエハ１の表面側の能動
領域４のみを残してバルク領域３を除去し、極めて厚さ
が薄く、リードフレームに直接接着することにより、半
導体素子のオン抵抗が低減するのみならず、シリコンウ
エハの体積減少により熱容量が低減し放熱性が著しく改
善された。強度保持板７を貫通する導電領域を有する配
線層８がウエハ１の表裏面に形成され、強度保持板７の
表面からパッド電極５との電気的接続を行なうことがで
きることになり、裏面研削を従来と同様にウエハ単位で
実施することができ、ウエハ１をチップ２の状態に分割
した後でなければ、チップ２の研削が実施できなかった
従来技術と比較して低コスト化が実現し、チップ２のエ
ッジ破損が避けられた。さらに、研削時には、パッド電
極５間の隙間にナフタレン１７が充填され、パッド電極
間の隙間におけるウエハ１のクラックが防止され歩留り
が向上した。
【００４２】また、強度保持板７上の配線層９に半田層
を形成することができるので、配線層９の抵抗の低減化
と、半田の使用により、ボンディングワイヤより断面積
の大きい低抵抗のリボンワイヤやビームリード状の金属
板の接続を簡単に行なうことができて有利であり、薄く
研削されたウエハ１は、強度保持板７に保護されている
ので、配線層９と外部との接続には、ねじによる締め込
み圧着の圧力を強度保持板７が受けとめるので、前記の
ように、チップ２に分割せずにウエハ１単位で素子が形
成されることの多い大電力のサイリスタ等の素子の圧接
実装にも適用が可能となった。
【００４３】ウエハ１内に半導体基体と異なる材料を埋
め込んでおき、これをＣＭＰで研削するときのストッパ
とし、このストッパの位置でウエハ１の厚さを決定する
ことにより、一般的に厚さ制御が難しいとされる研削加
工において、正確かつ均一な厚さが得られるから、ウエ
ハ１内でのチップ２の厚さのバラ付きが防止され、これ
により、オン抵抗の均一化が図られた。
【００４４】配線層８の領域内に配線層材料を除去した
スリット２４や凹溝２５を設けて半田溜まりとし、余剰
の第１の半田１１を吸収させることにより、配線層８と
配線層８間の短絡を防止することができ、または配線層
８が相対する強度保持板７上の間隙２６に第１の半田１
１との濡れ性が低く、半田の融点に変性しないバリア２
８を形成して半田に対する遮蔽機能を持たせるか、若し
くは、強度保持板７上のパッド電極５の周辺に相当する
位置、またはウエハ１上のパッド電極５の周辺に均一な
厚さでパッド電極が全面的には被覆されない幅のバリア
２８を形成することにより、パッド電極５間が、半田に
よる短絡が防止されるのみならず、バリア２８を用いる
場合には、ウエハ１と強度保持板７の間隔が、半田によ
り左右されないからウエハ１の研削厚を面内にてさらに
均一にする効果がみられた。
【００４５】また、上記材料２８がシリコン樹脂であれ
ばスクリーン印刷を用いた形成法の適用が可能で、極め
て簡易に大量処理を行なうことができる。バリア２８が
ポリイミド樹脂であるならば、前記記の形成法による
か、若しくはウエハ１または強度保持板７上にポリイミ
ド樹脂をスピンコートにより形成し、さらにノボラック
系ポジフォトレジストを塗布してから、マスキングによ
りパターンを露光転写する工程と、ポジフォトレジスト
の現像液を用いて前記ポジフォトレジストの現像と同時
に不要のポリイミド樹脂を除去した後に前記ポジフォト
レジストを除去する工程を順次実施するか、若しくはバ
リア２８が感光性ポリイミド樹脂であるならば、ウエハ
１または強度保持板７上に前記ポリイミド樹脂をスピン
コートにより形成しマスクを用いてパターンを露光転写
した後、現像液を用いて前記ポリイミド樹脂の不要部分
を除去するという通常の半導体におけるレジスト工程と
同様の工程で精密なパターンを容易に形成することがで
きた。
【００４６】前記の半田材料の選択にあたって、それぞ
れの工程の温度を前記にように設定することにより、前
工程において形成したウエハ構造を破壊することなく、
かつ半田の溶融時間によらず、半導体装置構造を形成す
ることができ、工程設計の自由度を向上させ、強度保持
板７上の全ての金属層、及び半導体ウエハ１上の電極
の、少なくとも半田が拡散する位置にニッケル膜層を形
成しておくことにより、半田に対する濡れ層が形成され
るのみならず、半田の拡散防止のためのバリアになるの
で、素子が重金属汚染されることなく信頼性の向上が図
られた。
【００４７】
【発明の効果】本発明の実施により、半導体素子のオン
抵抗が減少し、半導体チップの研削時に伴う半導体ウエ
ハの薄肉化が可能となり、加工歩留りの向上と、半導体
装置の品質と信頼性の向上が図られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１を
示す断面図である。
【図２】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図３】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図４】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図５】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図６】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図７】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態１の
製造工程図である。
【図８】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態２の
製造工程図である。
【図９】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態２の
製造工程図である。
【図１０】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態２
の製造工程図である。
【図１１】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態２
の製造工程図である。
【図１２】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態３
の表面図である。
【図１３】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態３
の断面図である。
【図１４】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態３
の断面図である。
【図１５】本発明に係る半導体装置構造の実施の形態３
の表面図である。
【図１６】本発明が適用される半導体装置の外観を示す
斜視図である。
【図１７】従来技術の半導体装置構造の模式図である。
【図１８】従来技術のウエハの研削加工厚と歩留りの関
係を示す図である。
【図１９】従来技術の半導体装置の研削工程を示す断面
図である。
【符号の説明】
１…ウェハ ２…チップ ３…バルク領域 ４…能動領域 ５…パッド電極 ６…裏面金属層 ７…強度保持板 ８…強度保持板上のパッド電極と接着する配線層 ９…強度保持板上の配線層と反対面の配線層 １０…貫通穴 １１…第１の半田 １２…リードフレームの電極 １３…第２の半田 １４…リードフレームの他の電極 １５…第３の半田 １６…リボンワイヤまたは配線板 １７…ナフタレン １８…パターニング前の金属層 １９…スクライブ
ライン ２０…トレンチ ２１…誘電体 ２２…誘電体層 ２３…金属シリサ
イド層 ２４…配線層内のスリット ２５…配線層内の
凹溝 ２６…間隙 ２７…窪み ２８…半田との濡れ性が低く半田の融点に変性しない材
料 １００…ボンディングワイヤ １０１…配線パター
ン １０２…配線パターン １０２…絶縁基板 １０３…半田バンプ １０４…エポキシ樹
脂 １０５…ダイヤモンドホイール

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウエハ表面の能動領域に少なくとも
    １個のパッド電極を有し、前記半導体ウエハの表裏方向
    に電流を流す構造を用いる半導体チップを形成した半導
    体装置の構造において、 熱抵抗が小さく絶縁抵抗が大なる強度保持板と、 前記強度保持板に穿設され前記パッド電極に対応した複
    数の貫通穴と、 前記強度保持板の下面に、前記半導体チップのパッド電
    極に対応して形成した低電気抵抗金属からなる第１の配
    線層と、 前記強度保持板の上面に、前記複数の貫通孔に対応して
    形成した低電気抵抗金属からなる第２の配線層と、 前記貫通孔内に充填した低電気抵抗金属充填材により、
    前記第１の配線層と第２の配線層間の接続、及び、前記
    パッド電極と対向する前記第１の配線層との電気的接続
    を行なう第１の接続手段と、 前記半導体チップの下面に形成され、この半導体チップ
    との間でオーミック接触性を有し、前記接続手段との間
    に濡れ性を有する裏面金属層と、 前記半導体装置を実装すべきリードフレーム、若しく
    は、モジュールパッケージの電極と、前記裏面金属層を
    接続する第２の接続手段と、 前記強度保持板の上面において、前記第１、第２の配線
    層と前記リードフレーム、若しくは、モジュールパッケ
    ージの他の電極とを、電気的に接続する第３の接続手段
    を有することを特徴とする半導体装置の構造。
  2. 【請求項２】半導体ウエハ表面の能動領域に少なくとも
    １個のパッド電極を有し、前記半導体ウエハの表裏方向
    に電流を流す構造を用いる半導体チップを形成する半導
    体装置の製造方法において、 前記半導体ウエハと少なくとも同一形状若しくは同一面
    積を有し熱抵抗が小さく絶縁抵抗が大なる強度保持板
    に、前記半導体ウエハ上の半導体チップ及びパッド電極
    に対応する貫通孔を複数個形成する工程と、 前記強度保持板の片面に前記半導体チップ及びパッド電
    極に対応して低電気抵抗材料の第１の配線層を形成する
    工程と、 前記強度保持板の他面に低電気抵抗材料の配線用金属層
    を形成する工程と、 前記複数の貫通孔内に低電気抵抗材料からなる第１の接
    続部材を充填し第１の配線層と前記配線用金属層との接
    続を行なう工程と、 前記パッド電極と第１の配線層を対向させて第１の接続
    部材により物理的かつ電気的に接着する工程と、 前記半導体ウエハの反強度保持板側面を研削する工程
    と、 前記半導体ウエハの研削面に裏面電極用の裏面金属層を
    形成する工程と、 前記強度保持板の半導体ウエハ接着面の反対面の前記配
    線金属層を前記半導体チップのパッド電極に対応するよ
    うパターニングを施して電気的に分離して第２の配線層
    を形成する工程と、 前記半導体ウエハ及び強度保持板を半導体チップ単位に
    分割するダイシング工程と、 半導体素子の実装に用いるリードフレームまたはモジュ
    ールパッケージの電極と、前記半導体チップの裏面金属
    層とを第１接続部材の凝固点より融点の低い第２の接続
    部材を用いて接着する工程と、 前記強度保持板の上面と前記リードフレームまたはモジ
    ュールパッケージの他の電極とを、ワイヤボンディング
    か、第２の接続部材の凝固点より融点の低い第３の接続
    部材を用いた半田接合か、または、圧着接合かの何れか
    １つの接合手段により電気的に接続する工程と、を有す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項３】前記半導体ウエハの裏面研削後の半導体ウ
    エハの厚さと同一深さの半導体基体の材料とは異なる物
    質を埋め込む工程と、 前記半導体ウエハ若しくは半導体チップを前記第１、第
    ２の配線層と接着する工程と、 前記半導体ウエハ若しくは半導体チップの裏面研削をケ
    ミカルメカニカルポリッシュ法を用いて研削する工程を
    有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製
    造方法。
  4. 【請求項４】前記パッド電極と前記強度保持板の第１の
    配線層との接着する工程の後に、 前記パッド電極間及び前記配線層間に形成される空間に
    ナフタレン若しくは樟脳からなる昇華性物質を充填した
    後前記半導体チップを裏面研削する工程と、 前記裏面金属形成前に前記昇華性物質を除去する工程を
    有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製
    造方法。
  5. 【請求項５】少なくとも隣接する前記第１の配線層領域
    内に設けられ前記配線層材料を除去した跡のスリット
    か、 前記第１の配線層領域と対向する前記強度保持板に設け
    た凹溝か、 前記強度保持板の第２の配線層形成後に、少なくとも隣
    接する第１の配線層間の間隙、及びこの間隙と対向する
    強度保持板の凹部に第１の接続部材と濡れ性が低く、第
    １の接続部材の融点により変性しない材料を充填する
    か、若しくは前記パッド電極の周辺位置に、前記材料を
    用いて均一な厚さと所定な幅により前記パッド電極を全
    面被覆しないよう囲繞するか、の何れか１つの隔離手段
    を有し、 前記半導体チップ表面の電極及び第２の配線層とが第１
    の接続部材を用いて接着されていることを特徴とする請
    求項１記載の半導体装置の構造。
  6. 【請求項６】前記隔離手段は、前記接続部材の融点によ
    り変性しない材料としてシリコン樹脂、若しくはポリイ
    ミド樹脂を用いたスクリーン印刷によることを特徴とす
    る請求項５記載の半導体装置の構造。
  7. 【請求項７】前記半導体ウエハまたは前記強度保持板上
    に前記ポリイミド樹脂をスピンコートにより形成する工
    程と、 前記ポリイミド樹脂上にノボラック系ポジフォトレジス
    トを塗布する工程と、 前記ポジフォトレジストにマスクを用いてパターンを露
    光転写する工程と、 前記ポジフォトレジストの現像液を用いてポジフォトレ
    ジスト現像と同時に不要のポリイミド樹脂を除去する工
    程と、 前記ポジフォトレジストを除去する工程と、を有するこ
    とを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項８】前記半導体ウエハまたは前記強度保持板上
    に感光性ポリイミド樹脂をスピンコートにより形成する
    工程と、 前記感光性ポリイミド樹脂にマスクを用いてパターンを
    露光転写する工程と、 現像液を用いて前記ポリイミド樹脂の不要部分を除去す
    る工程と、を有することを特徴とする請求項２記載の半
    導体装置の製造方法。
  9. 【請求項９】前記半導体装置に使用する第１、第２、第
    ３の各接続部材と、前記半導体装置と接続される外部回
    路の組立に用いる第４の接続部材の材料は、以下の性状
    を有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の
    製造方法。 第１の接続部材の融点≧第１の接続部材の凝固点＞第２
    の接続部材の融点≧第２の接続部材の凝固点＞第３の接
    続部材の融点≧第３の接続部材の凝固点＞第４の接続部
    材の融点
  10. 【請求項１０】前記強度保持板上の全ての金属層及び前
    記半導体チップ上のパッド電極及び金属層は、少なくと
    も前記接続部材が拡散する位置にニッケル膜層を有する
    ことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方
    法。
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