JP2004146808A - 半導体デバイスを封止する為の方法及びその方法を実現する為の装置 - Google Patents

Abstract

　　【課題】　半導体チップの封止部分の信頼性を向上する。
　　【解決手段】　デバイスチップ基板２１４を封止するためのキャップ２２０の周囲にガスケット２３０が装着される。ガスケット２３０には、デバイスチップ基板２１４との接合部に隆起パターン２３４が形成されている。この隆起パターン２３４は谷部分２３６も有する。デバイスチップ基板２１４のガスケット２３０との接合面には接着剤２０４が塗布される。封止に際してキャップ２２０をデバイスチップ基板２１４に圧着すると、接着剤２０４が谷部分２３６に入り込み、接着面積が増して封止の信頼性が増す。また、接着剤２０４に付着した小さな異物も谷部分２３６に入り込み、異物による封止不全が抑止される。
　　【選択図】　　図３Ｂ

Description

　本発明は半導体回路製造技術に関するものであり、より具体的にはキャップ及びガスケットを用いて回路素子を保護及び封止することに関する。

　半導体回路及びデバイスは、基板材料上に導体、半導体及び絶縁体を含む様々な材料の層を形成し、パターニングすることにより製造されることが多い。これらの回路は通常、非常に小型（数ミクロン以下）かつ壊れやすく、環境要因による影響（例えば空気中にある水分子との相互作用による腐食等）を受けやすい。よって一部の応用例においては、回路を封止キャップで気密封止することにより回路を保護することが望ましい場合がある。

　このような封止はキャップとデバイスチップとの間にガスケットを用いることにより実現することが出来る。図１は、ガスケット１３０を用いて封止したキャップ１２０により覆われた回路を含むデバイスチップ１１０を含んだ装置１００を描いたものである。ガスケット１３０は非常に薄い場合があり、例えば数十ミクロン単位の厚さを持つ。デバイスチップ１１０をキャップ１２０及びガスケット１３０を使って封止する為に、キャップ１２０及びガスケット１３０はデバイスチップ１１０へと押し当てられる。

　上述した、キャップ１２０及びガスケット１３０がデバイスチップ１１０へと押し当てられる際の圧力は、ガスケット１３０とデバイスチップ１１０との間の接触面全体にわたって分布することになる。よって接触領域における単位面積あたりの圧力は相対的に低くなる。このことが原因で、キャップ１２０をデバイスチップ１１０へかぶせても、不十分な圧力から、ガスケット１３０のデバイスチップ１１０に対する封止状態が下限ぎりぎりであったり、或いは劣悪な封止状態となったりすることがある。更に、微細な異物粒子がガスケット１３０とデバイスチップ１１０との間に入り込むと、封止１３２が破られる可能性がある。よってこれらの問題を解決する半導体デバイスの製造方法、並びにその方法を実現する装置が必要とされているのである。

　本発明はこの要求を満たすものである。本発明の第一の態様によれば、装置は基板上に形成された回路素子を含むデバイスチップと、そのデバイスチップの少なくとも一部分を覆うキャップとを含んでいる。隆起パターンをつけた面でガスケットは、キャップをデバイスチップへ封止する。

　本発明の第二の態様によれば、装置は回路素子を含むデバイスチップと、そのデバイスチップの少なくとも一部分を覆うキャップとを含んでいる。デバイスチップはデバイスチップへのキャップによる封止を行う為に隆起パターンをつけた表面を持っている。

　本発明の第三の態様によれば、装置を製造する方法が開示される。まず、回路素子を基板上に含むデバイスチップが製作される。その後、キャップ及びガスケットを使用して回路素子を覆うものであるが、この時キャップはデバイスチップの少なくとも一部を覆うように設けられ、ガスケットは隆起パターンをつけた面を持っている。

　本発明の他の態様及び利点は、本発明の原理を例示した添付図の参照と共に以下の詳細説明を読むことにより明らかとなる。

　説明図に示したように、本発明はデバイスチップ及びデバイスチップの少なくとも一部分を覆う為のキャップを含む装置として実現される。キャップは覆われた部分を封止する為のガスケットを含む。ガスケットは隆起パターンをつけた面を持っている。細い隆起パターンは、接合面材料のより大きい縦方向（垂直方向）の変位を許容することにより接合面における有効圧及び変形を増大させる。更に、隆起パターンにより谷部が形成され、この谷部によって接合面は独立した形状が連なる構造となる為、欠陥が１つの接合面を横切って伸びることを妨げている。谷部分はまた、欠陥を有する隆起パターン部分から他の隆起パターン部分へリークが拡がるのを防止する働きも持つ。

　図２Ａは本発明の一実施例に基づく装置２００を描いたものである。装置２００は、基板２１４上に作られた回路素子（回路）２１２を含むデバイスチップ２１０を含む。キャップ２２０はデバイスチップ２１０の少なくとも一部分を覆っている。ガスケット２３０はキャップ２２０をデバイスチップ２１０上へと封止するものである。ガスケット２３０は封止を改善する為の隆起パターン（タイヤの接地面に設けられるような、トレッドパターン様の凹凸）をつけた面を持っている。ガスケット２３０の隆起パターンをつけた部分は四角で囲んだ領域２３２に概略的に示した。

　図２Ｂは装置２００のキャップ２２０の底面を描いたものである。更に、図２Ｂはデバイスチップ２１０の回路２１２を気密封止するガスケット２３０のレイアウトをも示している。キャップ２２０は通常、シリコンから作られており、キャップ２２０に取り付けられた、或いはその一部としてガスケット２３０を含むものとすることが出来る。実際、一実施例においては、キャップ２２０及びガスケット２３０は同じ材料から作られたものであり、フォトレジストによるマスキング、エッチング工程を使った既知の半導体製造技術により製作されたものである。キャップ２２０の寸法及び形状は、その応用例における要求次第で大きく異なる場合がある。実験においては、０．４ｍｍから２ｍｍの範囲の幅２２１及び長さ２２３を持つキャップが製造された。キャップ２２０は一般的には方形であるが、これは方形に限定されたものではなく、どのような形状をしていても良い。デバイスチップ２１０上に置かれた場合、キャップ２２０はデバイスチップ２１０の少なくとも一部分を覆うようになっている。

　図２Ａ及び図２Ｂを見ると、ガスケット２３０は回路２１２を封止することに加え、デバイスチップ２１０の基板２１４とキャップ２２０との間に充分な間隔を設けるスペーサーとしての働きも持っていることがわかる。一実施例においては、ガスケット２３０は４〜３０ミクロンの厚さ２３１、即ち幅と、５〜５０ミクロンの高さ２３３を持っている。ガスケット高さ２３３とは、図におけるデバイスチップ２１０とキャップ２２０との間の距離である。通常、ガスケット２３０はキャップ２２０と同じ材料から作られており、それはシリコンである場合が多い。

　図３Ａに領域２３２の詳細を示した。図３Ｂも図２Ａ及び図２Ｂに示した領域２３２を更に詳細に示すものであるが、ここでは説明の便宜上、デバイスチップ２１０の基板２１４からガスケット２３０を取り外した状態で示してある。図３Ｃは、図３Ｂに示したガスケット２３０の線Ａ−Ａに沿った底部を示している。

　図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃを参照して説明するが、ガスケット２３０は面２３８と、面２３８から隆起した隆起パターン２３４とを有している。デバイスチップ２１０は、より良好な封止が得られるように、デバイスチップの基板２１４へのガスケット２３０の接着性を高める接着剤２０４を含んでいても良い。接着剤２０４として、ポリイミド又はＢＣＢ（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ）をデバイスチップ２１０上に塗布することが出来る。例えば鉛−錫、金−錫、或いは金−シリコンといった金属合金等、他の材料を含む接着剤２０４をかわりに使用することも出来る（これらの金属の少なくとも１つで隆起パターンをコーティングすることが出来る場合）。

　ガスケット２３０が接着剤２０４と接触すると、デバイスチップ基板２１４との封止が形成される。隆起パターン２３４は、接着剤２０４で満たされる谷部分２３６を画定しており、隆起及び谷部分を持たないガスケットを使用した場合と比べると、より良好な封止を得ることが出来る。隆起パターン２３４は、隆起無しガスケット面と比べ、ガスケット２３０のトータルの接着面を増大させており、隆起パターン２３４間の谷部分２３６中に入り込んだ一部の接着剤をそこに留めておくことが出来る。更に隆起パターン２３６は、いずれの欠陥又は異物も１つの谷部分中に留めることができ、これにより、図２Ａの回路素子２１２の周囲の気密封止（ハーメチック・シール）が改善されることになる。

　一実施例においては、隆起パターン２３４（を形成する形状要素）の幅２４１（図３Ｃ）は１〜５ミクロンの範囲にあり、隆起パターン２３４が画定する谷部分２３６はそれぞれがほぼ同じ幅を有している。谷部分２３６の長さ２４３は１０〜５０ミクロンである。谷部分の深さ２４５（図３Ｂ）は１〜３ミクロンの範囲である。これらの数値は、装置２００の材料、技術及び条件により大きく異なっていても良い（本明細書に特定した範囲外であっても良い）。

　図４Ａ及び図４Ｂは、図２Ａの装置２００の他の実施例を示したものであり、領域２３２ａを用いて説明されているものである。図４Ａ及び図４Ｂの一部は、先の図に示したものと同様である。説明の便宜上、図４Ａ及び図４Ｂにおいて先の図と同様の部分は同じ符号で示し、類似してはいるものの変更を加えた部分については同じ符号の後に「ａ」を付し、全く異なる部分は異なる符合で示した。

　図４Ａ及び図４Ｂを見ると、ガスケット２３０をデバイスチップ基板２１４へと冷間溶接する為に、ガスケット２３０上又はデバイスチップ基板２１４上、或いはその両方（図示の例）に溶接用メタル２５８が設けられている。接合に際して圧着すると、狭い隆起パターン２３４は、例えば金のような溶接用メタルを谷部分２３６へと押し出し、変形部分２３９を生じさせてガスケット２３０とデバイスチップ基板２１４との間の効果的な溶接がなされる。狭い隆起パターン２３４によってメタルが押圧されて変位した結果、溶接メタル２５８が更に変形し、溶接処理をさらに確実なものとする。ガスケット２３０は、相対的に脆弱な隆起パターン２３４を補強する効果も有する。

　一実施例においては、ガスケット２３０をデバイスチップ基板２１４へと接着するために、ガスケット２３０の基板２１４への取り付けが、加圧（例えば約８０ＭＰａ）及び加熱（約３５０℃）した状態で行われる。メタル２５８は約０．５〜１．５ミクロン厚とすることが出来るが、これは大幅に異なっていても良い。メタル接着剤２５８は通常、従来のスパッタリング又は蒸着工程によりキャップ２２０上又はデバイスチップ２１０上、或いはそれら両方に堆積される。冷間溶接による接合処理においては、汚染（コンタミネーション）は問題となる。従って、金ボンディング面はイオンンミル処理、スパッタ・エッチング処理、プラズマ洗浄処理、或いはこれらの技術を組み合わせた処理を行うことにより、接合処理以前に適正な清浄度が維持される。

　図４Ｃは、図２Ａの装置２００の他の実施例を示したものであり、領域２３２ｂを用いて説明するものである。図４Ｃの一部は、先の図に示したものと同様である。説明の便宜上、図４Ｃにおいて先の図と同様の部分は同じ符号で示し、類似してはいるものの変更を加えた部分については同じ符号の後に「ｂ」を付し、そして異なる部分は異なる符合で示した。

　図４Ｃを参照すると、隆起パターン２３４ｂはガスケット２３０ｂ全体を画定している（隆起パターン２３４ｂでガスケット２３０ｂが形成されている）。隆起パターン２３４ｂは、キャップ２２０からチップ基板２１４へと延在している。この場合においては、隆起パターン２３４ｂは更にスペーサーとしての働きも持ち、別途にガスケットを用意する必要性を排除している。図示した実施例においては、メタル接着剤２５８ｂは谷部分２３６ｂ／隆起パターン２３４ｂ全体、そしてチップ基板２１４の一部分を覆っている。本実施例は、図４Ａ及び図４Ｂに示した実施例と比べると強度は劣るが、図４Ｃの実施例は要する工程がより少なくて済む。現在の技術において、ガスケット２３０、或いは２３０ｂが適正な強度を維持する為には、図２Ａに示す高さ２３３と図２Ａに示す幅２３１との比を３：１とすることが望ましい。この実施例では、隆起２３４ｂとガスケット２３０ｂとは同一である。

　上述から、本発明が新規なものであり、現在の技術に利点をもたらすものであることが明らかである。本発明の特定の実施例を上記に図示及び説明したが、本発明は記載及び図示した特定の形式、或いは部品構成に限られたものではない。例えば、隆起パターン及び谷部分をガスケット２３０側にではなく、デバイスチップ２１０の基板２１４側に作ることも可能である。更に、デバイスチップ２１０及びガスケット２３０の両方に隆起パターンを作り、これらを相互にかみ合わせる（あるいは接合する）ことも可能である。本発明の実施においては、異なる構成、寸法、或いは材料を使用することが出来ることは言うまでもない。特に、図においては２つの共振器を含むデバイスチップがキャップ及びガスケットで封止されているが、本発明はこのようなデバイスチップに限られたものではない。本発明は請求項によって限定されるものである。米国特許法第１１２条の「・・・する為の手段（ｍｅａｎｓ）又はステップ（ｓｔｅｐ）」の条項を適用する請求項は「・・・する為の手段」というという慣用句により示される。

　本発明の態様を以下に示す。
［１］　基板（２１４）上に形成された回路素子（２１２）を含むデバイスチップ（２１０）と、前記デバイスチップ（２１０）の少なくとも一部分を覆うキャップ（２２０）と、そして前記キャップ（２２０）を前記デバイスチップ（２１０）へと封止する、隆起パターン（２３４）を設けた面（２３８）を持つガスケット（２３０）とを具備することを特徴とする封止装置（２００）。
［２］　前記隆起パターン（２３４）を設けた面（２３８）が、谷部分（２３６）を含むものであることを特徴とする［１］に記載の封止装置（２００）。
［３］　前記デバイスチップ（２１０）が、前記ガスケット（２３０）をその上に取り付けるための接着剤（２０４）を含むことを特徴とする［１］又は［２］に記載の封止装置（２００）。
［４］　前記キャップ（２２０）が前記デバイスチップ（２１０）へ冷間溶接により接合されることを特徴とする［１］又は［２］に記載の封止装置（２００）。
［５］　冷間溶接用メタルとして、金が用いられることを特徴とする［４］に記載の封止装置（２００）。
［６］　前記キャップ（２２０）が前記回路素子（２１２）を気密封止するものであることを特徴とする［１］、［３］又は［４］に記載の封止装置（２００）。
［７］　前記ガスケット（２３０）が、４〜３０ミクロンの範囲の幅を持つことを特徴とする［１］、［３］又は［４］に記載の封止装置（２００）。
［８］　前記ガスケット（２３０）が、５〜５０ミクロンの範囲の厚さを持つことを特徴とする［１］、［３］又は［４］に記載の封止装置（２００）。
［９］　前記隆起パターン（２３４）が、１〜５ミクロンの範囲の幅を持つことを特徴とする［１］、［３］又は［４］に記載の封止装置（２００）。
［１０］　前記隆起パターン（２３４）で谷部分（２３６）が画定され、前記谷部分（２３６）のそれぞれが１〜３ミクロンの範囲の深さを持つことを特徴とする［１］、［３］又は［４］に記載の封止装置（２００）。

従来技術に基づいて製造されたデバイスの側面の断面図である。 本発明の一実施例に基づく装置の側面の断面図である。 図２Ａに示した装置のキャップの底面図である。 図２Ａの装置の一部分をより詳細に示した図である。 図３Ａに示した部分の他の態様を示す図である。 図３Ｂに示したガスケットの一部の底面図である。 図２Ａに示す装置の他の実施例における一部をより詳細に描いた図である。 図２Ａに示す装置の他の実施例における一部をより詳細に描いた図である。 図２Ａに示す装置の更に他の実施例における一部をより詳細に描いた図である。

符号の説明

　２００　装置
　２０４　接着剤
　２１０　デバイスチップ
　２１４　デバイスチップ基板
　２１２　回路素子
　２２０　キャップ
　２３０、２３０ｂ　ガスケット
　２３１　ガスケットの厚さ（幅）
　２３３　ガスケットの高さ
　２３４　隆起パターン
　２３６、２３６ｂ　谷部分
　２３８　ガスケット面
　２４１　隆起パターンの幅
　２４３　谷部分の長さ
　２５８、２５８ｂ　溶接用メタル

Claims (1)

1. 　基板上に形成された回路素子を含むデバイスチップと、
   　前記デバイスチップの少なくとも一部分を覆うキャップと、
   　前記キャップを前記デバイスチップへと封止する、隆起パターンを設けた面を持つガスケットとを具備することを特徴とする封止装置。

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