JPS58116755A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS58116755A
JPS58116755A JP57138340A JP13834082A JPS58116755A JP S58116755 A JPS58116755 A JP S58116755A JP 57138340 A JP57138340 A JP 57138340A JP 13834082 A JP13834082 A JP 13834082A JP S58116755 A JPS58116755 A JP S58116755A
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polyimide
pii
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向 喜一郎
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斉木 篤
Yukiyoshi Harada
原田 征喜
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は信頼性の極めてすぐれた半導体装置およびその
製造方法に関するものである。
一般に、半導体素子は通常セラミックパッケージ(セラ
ミックパッケージをガラスで封止する方法をも含む)若
しくはプラスチックパッケージ等によシ封止される。こ
れらのパッケージのうチトくにセラミックパッケージに
おけるセラミック材料には数p9m楊度のウラニウムや
トリウム等が含まれている。こnらの不純物は、例えば
16th proceedings of relia
bility physics(1978)、I)33
に述べられているように、α線を放出し、メモリ素子勢
で誤動作(ソフトエラーと呼ぶ)を生ずることが知られ
ている。このために、半導体素子の信頼性が著しく低下
する場合かめる。
6方プラスチックパッケージ材料にはフィラーと呼ばれ
るアルミナ等微粒分が使用されており、このフィラー内
にも上記不純物が含有されている。
しかしながら、フィラーはエポキシ樹脂等のプラスチッ
ク材に周凹を囲まれておシ、このプラスチックにより前
記不純物から発生するα線が吸収されるため、集積回路
素子に及ぼす影響はセラミック封止の場合に比べて軽微
である。ところがプラスチック材は水分の吸湿性の^い
こと、Naに代表されるアルカリ不純物の富有量が高い
こと、耐熱性が約150C以下と低いことから、耐湿、
耐熱信頼度は比較的低いという欠点がおり、高信頼度の
システムにプラスチックパッケージされた集積回路素子
を用いることは困難である。したがって高信頼度のシス
テムに使用する集積回路素子には、セラミック製の封止
を行う必豐がある。
本発明は前記従来技術の欠点を解消し、セラミック封止
の持つ湿度、熱に対する高信頼性を維持しつつ、且つ前
述したα線による集積回路の誤動作発生を解消すること
を目的とするものでおる。
上記目的を達成するため、本発明による半導体装置は、
少なくともfimの素子を有する半導体基板の少なくと
も該素子の領域上に、ポリイミド樹脂もしくはポリイミ
ド・インインドロ・キナゾリンジオン樹脂(以下PII
樹脂と記す)からなる厚さ10μm以上の被覆膜を有し
、且つセラミック封止されている。
本発明の半導体装置はノくツケージ材に含有する不純物
から飛来するα粒子をポリイミド樹脂もしくはPII樹
脂によシ減衰、吸収させるものでめる。したがって、減
設材、吸収材となる樹MYI被榎膜は、α粒子を透過さ
せないS度に厚い膜でおることが要求嘔れる。素子特性
の変動をきたさない程度とするためには、この厚さは少
なくとも10μm以上であることが好ましく30μm以
上でめれば嘔らに好ましい。α線の透過を防止する能力
は、前記樹脂被覆属に限らず、絶縁膜が一般に有する能
力である。しかしながら、従来から半導体装置に用いら
れている二酸化シリコン、リンガラス、窒化シリコン、
酸化アルミニウム等の絶縁膜を、半導体基板上に10μ
m以上堆積させることは憔めて困難である。すなわち、
気相成長法によるこれらの絶縁膜では膜の応力が極めて
大きく、数μm以上堆積させると、クラックを生ずる。
またスパッタリング法では、クラックの発生率を比較的
小さいまま堆積させることが可能であるが、堆積速度が
数百A/分と極めて小さく、10μm以上堆積させるこ
とは現夫的に不可能でおる。これに対して、ポリイミド
樹脂やPIIIIJImでは、膜の応力が約41/■冨
と極めて少なく、筐た破賄歪も約30sと前記無機絶縁
膜に比して約1桁大きいため、数fμmの厚膜をクラッ
クを全く発生させずに形成することができる。一方、高
分子樹脂の中には、上記のポリイミド樹脂やPII樹脂
膜と同様の膜形成特性を具備するものがある。
しかし一般にセラミックパッケージの封止工程は450
C前後の高温中で行われるため、このam:に耐え得る
耐熱性が要求され、この特性を満足するものは上記樹脂
以外にはない。
すなわち第1図に七の例を示すように、各機高分子樹脂
について熱重量減少分析を行うと、シリコーン樹脂13
、エポキシ樹脂14等では200〜250Cから重量減
少が始まるが、ポリイミド樹脂12では5oocから減
少が開始する。P■■樹脂11ではさらに耐熱性が優れ
、600Cにおける重量残存率も約70−で最も浚れて
いる。このようにポリイミド樹脂若しくはPII樹脂は
、前述の高温工程に対する耐熱性を有している。
また、PII樹脂おるいはポリイミド樹脂においては、
α線の発生源となるウラニウム、トリウム等の不純物富
有量が0.1〜i!Lppb程匿と極めて少ない(これ
りの不純物分析は放射化分析法によった)。したがって
、PII樹脂もしくはポリイミド樹脂はセラミックパッ
ケージ材料から放射されるα線を阻止すると同時に、該
樹脂自身が発生させるα線も極めて微量になる。一方、
一般に有機高分子材料は無機材料に比べて前記不純物含
有量は少ないと■える。しかし、有機高分子材料の−例
として、ポリエチレン樹脂の場合ではクジニウム含有量
は40〜5oppbと比較的多く、有機為分子材料が必
ずしも適しているとは限らない。PIIm)if、ポリ
イミド樹脂は、いずれもウラニウム、トリウム等の不純
物含有量の点からもすぐれた材料と言える。しかし、前
述のように、耐熱性の点からは、PII樹脂の方がさら
に好ましい。
また、こ\でポリイミド樹脂とは芳香族ジアミンと芳香
族テトラカルボン酸二無水物とを反応して得られる重合
物を言い、PIIlt脂とは芳香族ジアミンと芳香族テ
トラカルボン酸と芳香族シア・ ミノカルボンアミドとを反応して得られる重合物を首い
、いずれも周知のものであり、PIIIIMmについて
は例えば特公448−2956号%許公報にその製造方
法を含めて詳しく記載されている。
α線の影響を受けるのは半導体素子でめるから、本発明
で用いる半導体基板は少なくとも1個の素子を有するも
のである。また、半導体基板のα線の影響を受ける部分
はその素子領域の部分である被覆膜は少なくとも該素子
の領域上に存在しなければならない。
なお、上記半導体基板は絶縁膜、電極、配線層等がある
場合は、これらをも含むものとする。本発明の半導体装
置は王としてモノリシック県積回路により構成されるも
のでおる。
セラミック封止は半導体技術分野で周知の技術であり、
従来用いられているセラミック封止は、すべて用いるこ
とができる。こnらのセラミックパッケージとしては、
例えばコーファイアードディツフ、サーディツプと呼ば
れるものでめる。これらのセラミックは通常アルミナ質
セラミックを主成分としており、さらにサーディツプ型
に対するセラミック間の接着には鉛ガラスを主成分とす
るガラスが用いられる。
ポリイミド樹脂やPII樹脂(I¥fにポリイミド樹脂
)には若干(数ppm程度)のNa等のアルカリ不純物
を含有する場合がある。この場合には、半導体基板上に
ポリイミド樹脂等の樹脂膜を形成し高温の熱処理を加え
ると、半導体基板を形成している半導体薄板の赤面に設
けた絶縁膜にピンホール等が存在するため、この部分か
ら上記アルカリ不純物が侵入し、素子特性を変動させる
ことがある。これを防止するには、アルカリイオンの阻
止能力の高いリンガラス膜もしくは窒化シリコ/膜を半
導体基板上に形成し、ポリイミド樹脂との間にこれを介
在させることが有効でおる。
上記本発明の半導体装置は、l)少なくとも1個の素子
を有する半導体基板の少なくとも線素子の領域上を、ポ
リイミド樹脂もしくはPII樹脂で10μm以上被覆す
る工程および11)該樹脂で被覆された半導体基板をセ
ラミック封止する工程、を含む製造方法によシ容易に製
造することができる。
以下、本発明の効果を実施例にしたがってさらに詳しく
説明する。
実施例1 第2図a)に従って説明する。本体がシリコン半導体か
らなる4にビットNMOSダイナミックRA M (R
andom Acce ss Memory ) (V
an = 12V)21上に膜厚が4〜37 μmOP
 I I樹脂膜23を形成した。
PII樹脂はノビ/オン法によりウエーノ・上に塗布し
、200C1時間の熱処理を加えて半硬化させ、ヒドラ
ジン水溶液によるホトエツチングでポンディングパッド
822を開口した。その後、35(11時間、46 Q
C10分の熱処理を加えて完全硬化させた。熱処理は窒
素若しくは不活性ガス中で行うのが好ましい。PII樹
脂としてはPIQ(日立化成株式会社の登録商標)を用
いた。
以下の各実施例においてもPIQtPI III脂とし
て用いている。これに5MeVのα線を照射し、1分間
当pのソフトエラー発生率を祠べ九。結果を第3図に示
す。PII樹脂膜厚が10μm以上では、ソフトエラー
が全く生じなく、PIIII廁膜がα線の阻止能力を有
していることが明らかでおる。さらにこの素子を第2図
b)に示すようにセラミックパッケージ(サーディツプ
)に封止し、ソフトエラー発生照度を調べた。この結果
PII樹脂を形成しない場合てのソフトエラー発生率が
約0.08%/1000時間であったのに対し、本素子
では0.001%/1000時間以下であった。同様の
効果は、ポリイミド樹脂、Pyre−ML(米国Dup
on1社の商品名)によっても確められた。
なお、第2図a)において、21′は絶縁膜、21“は
配線導体層、24は外部接続リードと接続するボンディ
ングワイヤである。また第2図b)において25は外部
ja続リードを示し、26はセラミック27を機密接着
する溶融ガラスである。
実施例2 実施例1に述べたものと同様の実験を16にピッ)NM
OSダイ+ダイクRAM(Voo=5V )を用いて行
つ九。結果を第4図に示す。第4図から明らかなように
、本素子では28μm以上の膜厚のポリイミド樹脂若し
くはPII樹脂が必要である。したがって、素子によっ
て必要とするPII樹脂の膜厚が異ることがわがシ、一
般には30〜40μm以上の膜厚とすることが望ましい
。この素子のうちPII樹脂膜を70μm形成したもの
について実施例1と同様にしてセラミックパック−ジ(
サーディツプ)に封止し、ソフトエラー発生率を調べた
。この結果、PII樹脂を形成しない場合には、ソフト
エラー発生率が0.4 % / 1000時間であった
のに対し本素子では0.002 S/ 1000時間と
極めて良好であった。
本実施例および実施例1で示された効果は、第5図に示
すが如く、ポリイミド樹脂若しくはPII樹脂膜53が
能動素子領域54上のみに設けられた際にも同様に有効
でおることは自明でメジ、実験によって確認された。な
お第5図において、51は半導体基板、52はポンディ
ングパッド部、55はボンディングワイヤをそれぞれ示
す。
実施例3 本実施例では、4にビットNMOSダイナミックl−L
AMを用い、第6図に示すように、シリコン半導体基板
61をパッケージの所定の位置にダイボンディングし、
さらに外部接続を行う喪めのワイヤボンディングによシ
ボンデイングワイヤ62を接着したのちに、PII樹脂
63をボッティングし、200C1時間、350C1時
間、450C1O分の熱処理を行った。PII樹脂膜厚
は約40〜70μmである。
本実施例のようにポツティングにより樹脂膜を形成する
際には、ボンディングワイヤ62を30μmφ以上とす
るのが望ましい。これは樹脂の硬化に伴う収縮により、
ボンディングワイヤ62がスクライプ領域64に接触す
ることを防ぐためである。又、スクライブ領域64上に
は絶縁膜61′を延在させておくことが望ましい。本実
施例においても、α線照射による誤動作不要の発生はな
かった。本素子をセラミックパッケージ(サーディツプ
)に封止した際の効果は実施例1と同様であった。
実施例4 前述のようにポリイミド樹脂には若干(数ppm程度)
のNm等のアルカリ不純物を含有する場合がある。この
ときには、半導体基板上にポリイミド樹脂膜を形成し高
温の熱処理を加えると、とくに第7図に示すように絶縁
膜71’にピンホールが存在したり絶縁膜71′の開口
部と金属配線71“のマスク合せずれによって生ずる部
分76等が生じたシすると、これらの部分から不純物イ
オンが侵入し素子特性を変動させることがある。
したがって、アルカリイオンの阻止能力の高いリンガラ
ス若しくは窒化シリコン膜を半導体基板上に形成し、ポ
リイミド樹脂との間に介在させることが有効である。す
なわち、第7図に示すが如く、シリコン半導体基板71
上に気相成長法によりリンガラス73を形成し、嘔らに
その上にポリイミド膜74を形成する。リンガラスは3
 mOt%〜12mot%のリン濃度で、膜厚は0.3
μm〜1.5μm程度が好ましい。すなわち、リンガラ
ス膜のアルカリイオンの阻止能力はリン濃度に依存し、
3mot%以上から効果が現われる。一方リン濃度が高
くなると吸湿性が大きくなるため、12m04−以上に
なると、A/、配線腐食等の不良を生じはじめる。リン
ガラスの膜厚は、半導体基板をほぼ完全に被膜するため
に、少なくとも0.3μm以上は必要であり、またリン
ガラス自体の引張応力によるクラックを生じない範囲と
して1.5μm以下が望ましい。本実施例では16にピ
ッ) NMOSダイナミックRAMを用い、4mot*
のリンガラス73を1.2μm形成し、これを通常のホ
トエツチング法によシボンデイングパッド部72を開口
した。さらにその後ポリイミド樹脂膜74を40μm形
成した。ポリイミド樹脂膜は実施例1と同等の方法によ
って形成し友。このようなリンガラスがなく、先述した
ような絶縁膜71′のピンホールやマスク合せずれ76
が存在する場合には、ポリイミド樹脂膜74を形成し、
400C以上の高温熱処理を加えると0.5〜40−@
度の歩留低下が見られた。しかし、本実施例では、ポリ
イミド樹脂膜形成による歩留りの低下をき九すことなく
、シかもα線照射による娯動作不良が発生しないことが
確かめられた。またこれをセラミック封止した際のソフ
トエラー発生率は0.002%/1000時間であシ、
極めて良好であった。
リンガラス73の代シに、窒化シリコン膜を用いた場合
にも同様の効果が確かめられる。窒化シリコン膜はスパ
ッタリング法、プラズマCVD(plasma Enh
anCed Chemical vaporl)epD
siton )法の既知の方法で形成できるが、プラズ
マCVD法によるのが望ましい。膜厚は0.2〜3μm
q)範囲が瀘ましい。窒化シリコンの膜厚は、やはり半
導体基板をはは完全にmsさせるために0.2μm以上
必聚であり、上限は下記する窒化シリコン膜のプラズマ
エツチングが容易に可能な範囲とじ1.3μm@度とす
るのが望ましい。この窒化シリコン膜は例えばCF4 
ICよるプラズマエツチングにより開口することができ
る。
第7図において、75はボンディングワイヤを示す。
なお、本実施例に2いて、ポリイミド樹脂の代シにPI
I樹脂を用いること、またこれらの樹脂をボッティング
法によシ形成しても本効果と同様の効果が実現されるこ
とは明らかである。
実施例5 本実施例では、第8図に示す開孔部82を有するポリイ
ミド樹脂もしくはPII樹脂フィルム81をシリコ/半
導体ウェーハ上に圧着した。開孔s82は半導体基板の
ポンディングパッド領域に対応し、その内側にフィルム
81に対応する能動素子領域を設けその上に樹脂層が配
置されるようにポリイミド樹脂若しくはPII樹脂フィ
ルム81をウェーハ上に圧着し、さらにウェーノーをダ
イシングによりペレット状にした後、組立を行つ九。こ
のフィルムは50〜500μm厚である。
なお、ここでは、4にダイナミックNMOSRAMを用
いた。本実施例においてもα線照射によるソフトエラー
は生じなかった。またセラミック封止における本発明の
効果も明らかでおる。
実施例6 素子の形成したシリコンウェーハの素子領域以外の領域
を印刷用メツシュスクリーンで覆い、その上から、PI
Qのプレポリマー溶液(淡度19.5チ、粘度約io、
ooocp)をローラーコートし九のち200Cで60
分ベークしさらに350Cで60分ベークし、厚さ50
μmのPIQ膜を素子領域上にのみ形成し九。なお、こ
こでは4にダイナミックNMO8RAMt用いた。本実
施例において、もα線照射によるソフトエラーの発生は
なかった。またセラミック封止後のソフトエラー発生率
に対する効果は明らかである。
実施例7 4にダイナミックNMO8RAMを用い、このペレット
をパッケージの台座に装着したのち、該ペレットの素子
形成領域をちょうど覆うごとくポリイミド樹脂もしくは
PII樹脂の未硬化もしくは半硬化状態のフィルムで覆
い、しかるのち350C130分でベークした。未硬化
のフィルムは次のようにして得た。すなわちポリイミド
のブレポリ寸−溶液(例えば東し社製のトレニースナ3
000)もしくはPIQのプレポリマーを平坦な基板(
例えばガラス板)上に塗布したのち100Cでベークし
溶媒を実質的に揮発させて厚さ30〜50μmの未硬化
のフィルムを形成した。ついで、鋭利なカッターでペレ
ットの寸法に見合った大きさに裁断して基板からはくす
し、これをICのペレットの上にかぶせた。また同様に
200cでベークした場合は、やはり厚さ30〜50μ
mの半硬化状態のフィルムが得られる。未硬化および半
硬化のフィルムをペレットの上にかぶせて350C30
分のベークをすると、これらのフィルムはベレットとよ
く接着し、保護膜としての機能を十分に果す。また、こ
のようにして製造された半導体装置はα線照射によるソ
フトエラーを全く生じなかった。
本方法の変形として、ポリイミド樹脂若しくはPII樹
脂のフィルム片の代りに同一形状の3i片を能動素子領
域上にポリイミド樹脂若しくはPII樹脂のプレポリマ
ーで接着、熱硬化させることによっても本効果は失われ
ない。この際Si片はその表面を熱酸化法で酸化させて
おくことが望ましい。さらにポリイミド若しくはPII
樹脂のプレポリマーで接着させる前に、熱酸化膜ttm
に例えばAtキレート化合物の熱処理豐を形成しておく
と接着が良好になる。
実施例8 本実施例は周知のフィルムキャリアー法で半導体装置を
実装する場合の例を示したものである。
第9図b)にしたがって説明する。ここでは4にダイナ
ミックNMO8RAMを用い、この半導体基板91上に
絶縁膜92を形成する。この絶縁膜には例えばスパッタ
リング決着しくはプラズマCVD法若しくはCVD法等
の方法によって形成されるシリコン化合物、例えばシリ
コン酸化物、窒化シリコン等や、酸化アルミニウム等が
用いられる。
本実施例ではプラズマCVD法による1、5μm膜厚の
窒化シリコン膜を用いた。これにスルーホール93をC
F4によるプラズマエツチング法で開口し、ポンディン
グパッド部に当るバンプ94を形成した。本実施例では
NiCr合金(500A)、Pd (2000人)を介
して厚さ約30μmの釜バンプをメッキ法により形成し
た。つぎに、第9図a)に示すような、厚さ500μm
のフィルムキャリアテープ95にあらかじめ能動領域に
位置する個所のポリイミドフィルム95′を残しておい
たテープを前記半導体基板に熱圧着ボンディングする。
    □熱圧着ボンディングはポリイミドフィルム9
5にあらかじめラミネートされた鋼箔96と金のパン/
94との間で行われる。この後α線の照射を行ったが、
ソフトエラーの発生はなかつ九。これをセラミック封止
した後のソフトエラー発生を防止する効果も自明である
。このようにポリイミド膜が半導体基板に密着すること
がなくても、本発明の目的が遜せられることがわかる。
本方法ではポリイミドフィルムを切断したのち、パッケ
ージと96′の部分で熱圧着法によシ接続される。
【図面の簡単な説明】
第1図は各種高分子樹脂の熱重量減少曲線を示すグラフ
、第2図a)は本発明の一実施例における高分子樹脂膜
を形成した半導体基板の断面図、第2図b)は前記半導
体基板をセラミック封止した半導体装置の断面図、第3
図および第4図は本発明の実施例における半導体装置の
PII樹脂膜廖とα線によるンフトエラー発生率の関係
を示すグラフ、第5図a)は本発明の一実施例における
半導体装置の断面図、第5図b)は前記半導体装置の平
面図、第6図は本発明の一実施例において樹脂膜を半導
体基板上にボッティング法により形成し先手導体装置の
断面図、第7図は本発明の一実施例において半導体基板
上にリンガラスもしくは窒化シリコン膜および樹脂膜を
形成した半導体装置の断面図、第8図は本発明の一実施
例において半導体基板上に圧着する成形後の樹脂フィル
ムの平面図、第9図a)は本発明にフィルムキャリヤ法
を適用した一実施例において用いるポリイミド樹脂フィ
ルムテープの平面図、第9図b)は前記フィルムをボン
ディングした後の半導体装置の断面図を示す。 各図において、11はPII樹脂の場合、12はポリイ
ミド樹脂の場合、23および53はPII樹脂膜、54
は能動素子領域、63はPII樹脂、73はリンガラス
膜、74はポリイミド樹脂膜、76はマスク合せずれ部
、81は樹脂フィルム、82は開孔部、92は絶縁膜、
94はバンブ、95はフィルムキャリアテープ、95′
はポリイミドフィルム、96は鋼箔である。 代理人 弁理士 薄田利幸″−゛I ゛1.″・ °、、 VJ i 口 湯度(’c)   。 ) ′vJ 2 図 (eン yf13  図 YJ4 図 FII樹龍RL(、−シ 第 S 口 (b> 3 第 6 図 ′fJ 7 図 ■ 9 図 (b) −2・

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、少なくとも1個のメモリ素子を有し且つ少なくとも
    一生表面上の一部に絶縁膜が設けられた半導体基板の少
    なくとも該素子の領域上にポリイミド樹脂およびポリイ
    ミド・イソインドロ・キナゾリンジオン樹脂からなる群
    から選択した少なくとも一樹脂材料の被覆膜を有し、咳
    絶縁膜上には少なくともlll0ポンデイングパツドが
    設けられ、咳被覆膜の厚さは10μm以上であシ該被8
    1展に含有されるα線の発生源となる不純1量は数pp
    b以下であり、且つセラミック封止してなることを特徴
    とする半導体装置。 2、少なくともIIIのメモリ素子を有する半導体基板
    の少なくとも一生表向上の一部に絶縁属を設は且つ咳絶
    縁膜上に少なくとも1個のポンディングパッドを設ける
    工程、該半導体基板の少なくとも鎖素子の領域上をα線
    の発生源となる不純物含有量が数ppb以下であるポリ
    イミド樹月旨およびポリイミド・インインドロ・キナゾ
    リンジオン樹脂からなる群より選択し九−樹脂材料で1
    0μm以上被覆する工程、および咳樹脂材料で被覆され
    た半導体基板をセラミック封止する工程、を有すること
    を4I徴とする半導体装置の製造方法。
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