JP5211812B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。本発明は、特に、複数枚のウェハをバンプのような接続部材を介して接合することにより製造される半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

従来、複数の半導体チップを貼り合わせて、マルチチップ半導体モジュールを形成する技術が知られている。貼り合わせたチップ間には、各チップを電気的に接続するバンプ等の接続部材が配置され、アンダーフィルと称される接着部材でチップ間の機械的接続を補強する。

たとえば特許文献１は、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂用硬化剤、カルボキシル基末端ブタジエンアクリロニトリルコポリマー等のエラストマーおよびポリオキシアルキレン変性ポリシロキサンを含むフリップチップボンディングと組合せて用いる液状封止剤樹脂組成物を開示する。たとえば特許文献２は、酸無水物と混合した場合に常温で液状となるエポキシ樹脂、常温で液状の酸無水物およびキシレン樹脂を含むアンダーフィル材料に用いられる一液型エポキシ樹脂組成物を開示する。たとえば特許文献３は、芳香族性アセタール基とエポキシ基とを１分子中に有するエポキシ樹脂を含有するエポキシ樹脂組成物を開示する。さらにたとえば特許文献４は、熱可塑性樹脂、分子内に１つ以上の（メタ）アクリロイル基を有するラジカル重合性化合物、１５０〜７５０ｎｍの光照射または８０〜２００℃の加熱または光照射と加熱を併用することでラジカルを発生する硬化剤および特定のシラン化合物を有する接着剤組成物を開示する。
特許３７１６２３７号公報 特許３８９７３０３号公報 特開２００６−００８８８３号公報 特開２００５−０５４１４０号公報

サイズが十分に小さいチップ同士を接着する場合のように接着基板および被接着基板のそれぞれの接着面積が小さい場合、前記した特許文献に記載の接着剤等をアンダーフィルに適用することができる。しかし、チップサイズが大きくなり、特に、ウェハとウェハとを貼り合わせる場合のように接着基板および被接着基板のそれぞれの接着面積が大きい場合には、以下のような問題が発生する可能性がある。すなわち、接着基板および被接着基板の間隙へのアンダーフィルの注入時に、接着基板および被接着基板間の間隙がアンダーフィルで埋め尽くされる前に当該アンダーフィルの硬化が開始され、間隙をアンダーフィルで十分に充填できない問題が発生する可能性がある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態においては、接続領域を有する接着基板および被接着基板と、接着基板および被接着基板の各接続領域の間に配置された接続部材と、接続部材を囲み、接着基板と被接着基板とを接着する接着部材とを備えた半導体装置であって、接着部材は、官能基を有する主剤と、エネルギーの付与により官能基の活性化機能を発現する硬化剤と、を含み、硬化剤により活性化された官能基が他の官能基と結合することによって硬化する樹脂である半導体装置を提供する。

また本発明の第２の形態においては、接続領域を有する接着基板および被接着基板と、接着基板および被接着基板の各接続領域の間に配置された接続部材と、接続部材を囲み、接着基板と被接着基板とを接着する接着部材とを備えた半導体装置であって、接着部材は、官能基を有する主剤と、官能基を活性化する硬化剤と、硬化剤による官能基の活性化を抑制する硬化抑制機能を発現し、エネルギーの印加により硬化抑制機能を喪失する硬化抑制物質または硬化抑制基とを含み、硬化剤により活性化された官能基が他の官能基と結合することによって硬化する樹脂である半導体装置を提供する。

また本発明の第３の形態においては、接着基板および被接着基板の少なくとも一方の接続領域に接続部材を形成する接続部材形成段階と、接着基板の接続領域に形成された接続部材と被接着基板の接続領域に形成された接続部材とが当接するように、または、接着基板または被接着基板の接続領域に形成された接続部材と接続部材が形成されていない接着基板または被接着基板の接続領域とが当接するように、接着基板および被接着基板を圧着する基板圧着段階と、接着基板および被接着基板の間に形成された間隙に、毛細管現象を利用して接着部材を注入する接着部材注入段階と、接着基板および被接着基板の間の間隙に注入された接着部材を硬化させる接着部材硬化段階と、を備える半導体装置の製造方法であって、接着部材は、官能基を有する主剤と、エネルギーの付与により官能基の活性化機能を発現する硬化剤と、を含む樹脂であり、接着部材注入段階では、硬化剤が活性化機能を発現しないレベルの低エネルギーを接着部材に付与して、接着部材の粘度を低下させ、接着部材硬化段階では、硬化剤が活性化機能を発現するレベルの高エネルギーを接着部材に付与して、接着部材を硬化する、半導体装置の製造方法を提供する。

さらに本発明の第４の形態においては、接着基板および被接着基板の少なくとも一方の接続領域に接続部材を形成する接続部材形成段階と、接着基板の接続領域に形成された接続部材と被接着基板の接続領域に形成された接続部材とが当接するように、または、接着基板または被接着基板の接続領域に形成された接続部材と接続部材が形成されていない接着基板または被接着基板の接続領域とが当接するように、接着基板および被接着基板を圧着する基板圧着段階と、接着基板および被接着基板の間に形成された間隙に、毛細管現象を利用して接着部材を注入する接着部材注入段階と、接着基板および被接着基板の間の間隙に注入された接着部材を硬化させる接着部材硬化段階と、を備える半導体装置の製造方法であって、接着部材は、官能基を有する主剤と、官能基を活性化する硬化剤と、硬化剤による官能基の活性化を抑制する硬化抑制機能を発現し、エネルギーの付与により硬化抑制機能を喪失する硬化抑制物質または硬化抑制基と、を含む樹脂であり、接着部材注入段階では、硬化抑制物質または硬化抑制基が硬化抑制機能を発現するレベルの低エネルギーを接着部材に付与して、接着部材の粘度を低下させ、接着部材硬化段階では、硬化抑制物質または硬化抑制基が硬化抑制機能を喪失するレベルの高エネルギーを接着部材に付与して、接着部材を硬化する、半導体装置の製造方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態の半導体装置５の断面例を示す。半導体装置５は、接着基板１０、被接着基板２０、接続部材３０、接続部材３５および接着部材４０を備える。なお、接着基板１０と被接着基板２０とは入れ替えてもよい。

接着基板１０は、接続領域１２を有しており、接続領域１２には、接続部材３０が形成される。接着基板１０には、たとえば半導体集積回路が形成されており、接続領域１２は、接着基板１０に形成された半導体集積回路の出力端子、入力端子または電源端子として機能できる。接着基板１０の表面にはパッシベーション膜１４が形成され、接続領域１２を除く接着基板１０の表面を保護できる。パッシベーション膜１４として、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が例示できる。

被接着基板２０は、接続領域２２を有しており、接続領域２２には、接続部材３５が形成される。被接着基板２０には、たとえば半導体集積回路が形成されており、接続領域２２は、被接着基板２０に形成された半導体集積回路の出力端子、入力端子または電源端子として機能できる。被接着基板２０の表面にはパッシベーション膜２４が形成され、接続領域２２を除く被接着基板２０の表面を保護できる。パッシベーション膜２４として、シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜が例示できる。

接着基板１０および被接着基板２０は、たとえばシリコンウェハが例示できる。特に、８インチ以上の大きなサイズを有するシリコンウェハが例示できる。本実施形態では、大きなサイズを有する基板を貼り合わせた場合であっても、接着基板１０および被接着基板２０の間に形成された後述する間隙（スタンドオフと称される場合がある）に十分に充填できるアンダーフィル材料を提供する。よって本実施形態で提供するアンダーフィル材料は、大面積の基板に適用してより効果的といえる。

接続部材３０および接続部材３５は、接着基板１０および被接着基板２０のそれぞれの接続領域１２および接続領域２２の間に配置される。接続部材３０および接続部材３５として、スズおよび銅あるいはスズおよび銀の合金等を主成分とする金属材料が適用されたバンプが例示できる。接着基板１０の接続領域１２と被接着基板２０の接続領域２２との間への接続部材３０の配置により、接着基板１０および被接着基板２０間には、前記した間隙が形成されている。なお、接続部材３０と接続部材３５の材料は同じであっても、あるいは異なっていてもよい。

接着部材４０は、接続部材３０および接続部材３５を囲み、接着基板１０と被接着基板２０とを接着する。接着部材４０は、樹脂であり、硬化前において、官能基を有する主剤と、エネルギーの付与により官能基の活性化機能を発現する硬化剤とを含み、硬化剤により活性化された官能基が他の官能基と結合することによって硬化する。

なお、図示する接着部材４０は、硬化後の接着部材を示している。本実施形態の説明において、硬化前の接着部材にも接着部材４０の符号を用いる場合がある。硬化前と硬化後では接着部材４０の分子構造は変化しているが、硬化前の接着部材４０は、所定の熱処理等により一義的に硬化後の接着部材４０に変化するから、同一の符号により接着部材を指標する場合がある。

接着部材４０は、たとえばエポキシ樹脂が例示できる。特に、脂肪族系エポキシ樹脂またはエーテル系エポキシ樹脂が例示できる。脂肪族系エポキシ樹脂またはエーテル系エポキシ樹脂の場合、フェノール系エポキシ樹脂と比較して硬化前の粘度が低く、接着基板１０および被接着基板２０の間隙への充填が行いやすいから接着部材４０に好適といえる。粘度を低下させる手法として、他に主剤における水酸基濃度を低下させる方法を例示することもできる。

接着部材４０の主剤であってよいプレポリマーとして、ビスフェノールＡとエピクロルヒドリンの共重合体が例示できる。主剤にはエポキシドで例示できる官能基を有する。官能基は、たとえばアミンで例示できる硬化剤によって活性化され、他の官能基と結合することによって硬化反応を生じる。

硬化剤は、たとえば加熱による分子構造の変化により活性化機能を発現できる。硬化剤がアミン系材料の場合の分子構造を化１に示す。

窒素原子は非共有電子対を有しており、この電子対から主剤の官能基、たとえばエポキシドに電子が供給されて三員環の開環反応が生じる。その結果官能基が活性化される。

ただし、化１に示す硬化剤の場合、窒素原子とｔｅｒｔ−ブチル基との間に中間基Ｘを有する。ｔｅｒｔ−ブチル基の立体障害効果によって、非供給電子対の官能基への電子転移が容易には行われず、官能基の活性化がそのままでは生じない。ここで、たとえば熱等のエネルギーを硬化剤に付与することにより、中間基Ｘが解離され、あるいはメチル基等の反応によって、化１に示す分子構造がアミンに変化する。アミンへの構造変化によって、立体障害が解消して、官能基の活性化が生じるようになる。

このような硬化剤により、硬化剤のたとえば立体障害が解消される温度を適切に設計して、接着部材４０の硬化反応が急激に促進される温度を適切に設計できる。これにより、硬化反応が発生する温度より低い温度に接着部材４０を加熱しつつ粘度を下げて接着基板１０および被接着基板２０の間隙への充填を促進でき、当該間隙に充填された後には硬化反応を生じる温度以上に接着部材４０を加熱して、硬化することができる。

なお、接着部材４０は、硬化剤による官能基の活性化を抑制する硬化抑制機能を発現して、エネルギーの印加により硬化抑制機能を喪失する硬化抑制物質または硬化抑制基を含むことができる。硬化抑制物質または硬化抑制基は、加熱による分子構造の変化、基の離脱または基の置換により硬化抑制機能を喪失することができる。このような硬化抑制物質あるいは硬化抑制基として、化１に示すような中間基Ｘおよびｔｅｒｔ−ブチル基を備え、立体障害を発現するものを例示できる。あるいは、官能基の濃度を低下させ、官能基への不純物の添加によっても硬化抑制機能を発現させることができる。

また、化１ではｔｅｒｔ−ブチル基を例示したが、メチル基等のアルキル基、あるいは環式炭化水素の基であっても良い。また、中間基Ｘとして酸素、ケトン等が例示できる。

接着部材４０は、接着基板１０と被接着基板２０との間の間隙サイズより小さい粒径のフィラーを含むことができる。フィラーを含む接着部材４０の熱膨張係数は、１〜２０ｐｐｍ／℃の範囲内にすることができる。これにより、接着部材４０と接着基板１０または被接着基板２０との熱膨張係数を整合させることができ、たとえば半田リフロー等の熱工程が後にあったとしても、接着性を高く維持することができる。なお、接着基板１０と被接着基板２０との間の間隙サイズとして２μｍ〜３０μｍ、好ましくは４μｍ〜２０μｍが例示できる。フィラーの粒径として１μｍあるいはそれ以下の粒径が例示できる。

図２から図４は、半導体装置５の製造方法例における断面を示す。図２に示すように、接着基板１０および被接着基板２０に半導体集積回路を形成して、各基板に接続領域１２，２２およびパッシベーション膜１４，２４を形成する。さらに、接着基板１０の接続領域１２に接続部材３０を形成して、被接着基板２０の接続領域２２に接続部材３５を形成する。

図３に示すように、接着基板１０および被接着基板２０を適切に位置あわせして、接続部材３０および接続部材３５が当接するよう接着基板１０および被接着基板２０を圧着する。この圧着により貼り合わせ基板５０が形成される。ここで適切な温度に加熱してもよい。

図４に示すように、接着基板１０および被接着基板２０の間隙に硬化前の接着部材４０を注入する。硬化前の接着部材４０の注入には毛細管現象を利用できる。なお、この段階での接着基板１０および被接着基板２０の温度を、硬化前の接着部材４０が硬化せず、かつ粘度が十分低くなる温度に設定して、接着部材４０の注入を容易にすることができる。

硬化前の接着部材４０を注入した後、たとえばハロゲンランプ１１０により接着基板１０および被接着基板２０を加熱することにより、接着基板１０および被接着基板２０を介して接着部材４０に熱を与える。加熱の設定温度は、接着部材４０が硬化する温度以上とすることができる。このようにして、図１に示す半導体装置５が製造できる。なお、図１に示した半導体装置５は、適切に切断して、個別の半導体装置とすることができる。

図５は、半導体装置５の製造方法に利用できる装置１００の概要を示す。装置１００は、真空容器１０２、真空ポンプ１０４、バルブ１０６、パージバルブ１０８、ハロゲンランプ１１０、ハロゲンランプ調節器１１２、接着剤容器１１４、ヒータ１１６、ヒータ調節器１１８および基板保持機構１２０を備える。

真空容器１０２の内部は、バルブ１０６を介して真空ポンプ１０４により減圧にすることができる。また、真空容器１０２の内部は、パージバルブ１０８を介して、たとえば窒素ガス等でパージすることができる。ハロゲンランプ１１０は、ハロゲンランプ調節器１１２によりコントロールされ、貼り合わせ基板５０を加熱する。貼り合わせ基板５０の温度は、ハロゲンランプ調節器１１２により調節できる。

接着剤容器１１４には、接着部材４０が導入され、その内部にヒータ１１６を有する。ヒータ１１６は、ヒータ調節器１１８によりコントロールされて、接着部材４０の温度を調節する。貼り合わせ基板５０は、基板保持機構１２０に保持される。基板保持機構１２０は上下に移動して、貼り合わせ基板５０を接着部材４０に接液させることができる。

貼り合わせ基板５０を真空容器１０２に導入した後、真空ポンプ１０４により真空容器１０２の内部を減圧状態にする。その後ハロゲンランプ１１０により貼り合わせ基板５０を加熱して、同時にヒータ１１６により接着部材４０を加熱する。このときの加熱温度は接着部材４０が硬化せず、かつ粘度が低下する温度とすることができる。その後、基板保持機構１２０を下方に移動させて、貼り合わせ基板５０を接着部材４０に接液する。接着部材４０は硬化しておらず、かつ粘度が十分に低下した状態であるから、大面積の貼り合わせ基板５０の間隙内に十分に注入できる。

その後基板保持機構１２０を上方に移動させ、ハロゲンランプ１１０により貼り合わせ基板５０の温度をさらに高める。このときの設定温度は、貼り合わせ基板５０の間隙内に注入した接着部材４０が硬化する温度以上に設定することができる。なお、接着部材４０を硬化させる温度での熱処理においては、パージバルブ１０８を介した窒素等のパージガスを導入して熱伝効率を高めることができる。

図６は、接着部材４０の温度と粘度の関係を示すグラフ例を示す。温度が高くなるに従い、接着部材４０は硬化せず、かつ粘度が低下する。さらに温度を高めて接着部材４０の温度が、接着部材４０が硬化を開始する硬化開始温度Ｔｇに達すると、接着部材４０は硬化反応を開始して、粘度が急激に増加する。このような硬化反応は、前記した硬化剤のたとえば分子構造の変化に起因する。

前記した接着部材４０の注入時における設定温度は、粘度が十分に低下した温度Ｔｍと硬化開始温度Ｔｇとの間とすることができる。一方、貼り合わせ基板５０の間隙に注入した接着部材４０を硬化する温度は、硬化開始温度Ｔｇ以上の温度とすることができる。

本実施形態の半導体装置５によれば、硬化開始温度Ｔｇを境に急激に硬化するとともに、硬化開始温度Ｔｇに至る温度までは粘度が十分に小さくなる接着部材４０を用いるから、８インチ以上の大面積ウェハを貼り合わせた場合に当該ウェハの間に形成される間隙にも十分に接着部材４０を注入することができる。また、注入した接着部材４０は、硬化開始温度Ｔｇ以上に加熱することにより硬化させ、半導体装置５の貼り合わせ強度を確保することができる。これにより、個別の半導体装置に分離したときの歩留まりを高めることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

たとえば、上記実施形態では、加熱により硬化剤の分子構造が変化する例を説明したが、音波、電磁波、Ｘ線等の他のエネルギー付与によって硬化剤が活性化されても良い。硬化抑制剤あるいは硬化抑制基の機能が喪失する場合も同様であってよい。

また、前記した実施形態では接着基板１０および被接着基板２０の両方に接続部材３０，３５を備える例を説明した。しかし図７に示すように、接着基板１０に接続部材３０を備え、被接着基板２０に接続部材を備えないものであってもよい。その逆に、被接着基板２０に接続部材を備え、接着基板１０に接続部材を備えない場合であってもよい。すなわち接続部材は、接着基板１０または被接着基板２０の何れか一方に備えればよい。

本実施形態の半導体装置５の断面例を示す。 半導体装置５の製造方法例における断面を示す。 半導体装置５の製造方法例における断面を示す。 半導体装置５の製造方法例における断面を示す。 半導体装置５の製造方法に利用できる装置１００の概要を示す。 接着部材４０の硬化前における温度と粘度の関係を示すグラフ例を示す。 半導体装置５の変更例における製造過程での断面例を示す。

符号の説明

５ 半導体装置
１０ 接着基板
１２ 接続領域
１４ パッシベーション膜
２０ 被接着基板
２２ 接続領域
２４ パッシベーション膜
３０ 接続部材
３５ 接続部材
４０ 接着部材
５０ 貼り合わせ基板
１００ 装置
１０２ 真空容器
１０４ 真空ポンプ
１０６ バルブ
１０８ パージバルブ
１１０ ハロゲンランプ
１１２ ハロゲンランプ調節器
１１４ 接着剤容器
１１６ ヒータ
１１８ ヒータ調節器
１２０ 基板保持機構

Claims (2)

1. 接続領域を有する接着基板および被接着基板と、
   前記接着基板および前記被接着基板の各接続領域の間に配置された接続部材と、
   前記接続部材を囲み、前記接着基板と前記被接着基板とを接着する脂肪族系エポキシ樹脂またはエーテル系エポキシ樹脂である接着部材と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記接着部材は、官能基を有する主剤と、加熱による分子構造の変化により前記官能基の活性化機能を発現し、窒素原子とｔｅｒｔ−ブチル基との間に中間基として酸素又はケトンを有する第３アミン系材料を含む硬化剤と、前記接着基板と前記被接着基板との間に形成された間隙の大きさより小さい粒径のフィラーとを含み、前記硬化剤により活性化された前記官能基が他の官能基と結合することによって硬化する樹脂である、半導体装置。
2. 接続領域を有する接着基板および被接着基板と、
   前記接着基板および前記被接着基板の各接続領域の間に配置された接続部材と、
   前記接続部材を囲み、前記接着基板と前記被接着基板とを接着する脂肪族系エポキシ樹脂またはエーテル系エポキシ樹脂である接着部材と、
   を備えた半導体装置であって、
   前記接着部材は、官能基を有する主剤と、加熱により前記官能基を活性化する硬化剤と、前記接着基板と前記被接着基板との間に形成された間隙の大きさより小さい粒径のフィラーとを含み、
   前記硬化剤は、窒素原子とｔｅｒｔ−ブチル基との間に中間基として酸素又はケトンを有する第３アミン系材料を含み、前記ｔｅｒｔ−ブチル基及び前記中間基は、前記硬化剤による前記官能基の活性化を抑制する硬化抑制機能を発現し、加熱により前記硬化抑制機能を喪失する硬化抑制基として機能し、前記硬化剤により活性化された前記官能基が他の官能基と結合することによって硬化する樹脂であり、
   前記硬化抑制基は、加熱による分子構造の変化、基の離脱または基の置換により前記硬化抑制機能を喪失して前記官能基を活性化する、
   半導体装置。

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