JP2004186651A

JP2004186651A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2004186651A
Application number: JP2002355244A
Authority: JP
Inventors: Masaki Tago; 雅基田子; Mitsuo Umemoto; 光雄梅本; Manabu Tomisaka; 学富坂
Original assignee: Denso Corp; NEC Corp; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; NEC Corp; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP4328520B2

Abstract

【課題】回路層と絶縁層の内部応力により反りが発生した状態においても実装可能であり、後に信頼性や多段積層に影響を与えないフレキシブルな形状とすることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板７の主面に回路層３が形成された半導体チップ１であって、半導体基板７の裏面にスリット２が形成され、スリット２内に樹脂８が埋め込まれている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置（半導体チップ）及びその製造方法に関し、特に、回路や絶縁層の影響で発生する半導体チップの反りを抑制する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型高密度化が求められ、半導体チップのフリップチップ実装技術や、さらに高密度化を図るための半導体チップ積層技術の開発が進んでいる。これに伴い、半導体チップの電極は、狭ピッチ化、回路面上へ電極を配置したエリアパッド化、そしてＳｉ貫通ビアを設けた複雑な電極構造の採用などにより、微細なバンプによる低ストレス接続が必須となっている。
【０００３】
この種の半導体チップ実装においては、歩留まり良く接続時のダメージを低減するためには、電極が均一な高さに調整されていて、接合時には均一に接触、加圧されることが重要である。また、実装後も樹脂封止や放熱構造、さらには多段積層するために平坦性を確保する必要がある。
【０００４】
このため、通常では電極上に形成するバンプの高さを均一にして接合時に不均一な接触をさけ、局所的な荷重の増大を防いでいる。
【０００５】
しかし、近年、実装密度を向上させるため半導体チップの薄型化が進んでいる。このような状況下において、半導体チップのベースとなるシリコンを研削加工して薄くすると、回路形成時の配線加工や絶縁層形成時の形成プロセスによって発生した内部応力により、半導体チップが大きく反るという問題点が発生する。
【０００６】
半導体チップが反ることにより、実装装置内での搬送、実装時に接合部の不均一な接触が生じる。また、反った半導体チップの形状が実装後にも影響して多段積層実装が不可能となる。このため、従来では、半導体チップが反らないようなシリコン厚さを選択するか、もしくは反りが発生しても構造上無視できる厚さまでの薄型化にとどめている。
【０００７】
また、半導体製造時、特に回路形成工程において、基板として使用するウエハの反りによりリソグラフィの不具合が発生するという問題があり、例えば、特許文献１あるいは特許文献２に半導体ウエハに堆積する膜形成の工程で膜及び半導体ウエハに溝加工を施し、ウエハの反りを回避する方法が示されている。
【０００８】
その他に、チップを回路基板やガラス基板にフェイスダウン実装した後に熱膨張係数の違いから接続部に応力集中が発生し、剥離などの不良を起こすことから、チップの裏面にスリットを設け応力を緩和する技術が特許文献３に示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６３−７６４５１号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平１−２４１８２５号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−２６０８１１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、更なる高密度化の要求により半導体チップは１００μｍ以下の厚さが求められることがあり、多段積層するための半導体チップに到っては５０μｍという厚さが必要となっている。
【００１３】
このような半導体チップは、回路形成した配線と絶縁層の内部応力により回路面が収縮し、シリコンが引っ張られた状態となり、シリコン側に凸形状を呈する。このような状態では、実装する時に半導体チップの搬送が困難になるという問題がある。
【００１４】
また、反りを冶具等で強制して実装した場合、冶具から開放された実装後の形状は当初の通り凸形状に反るため、電極接続部に応力が掛かり信頼性は低下する。また、凸形状であることからチップと基板との間隙が不均一であることから、樹脂封止時の侵入性が不均一となりボイドが発生しやすくなることや、接触面が凸形状のため放熱構造を考慮すると接触面積が低減するので不利となる。
【００１５】
また、多段積層を行う半導体チップは裏面にも電極を形成するが、凸形状の状態では電極を接触させることが不可能となる。さらに、この多段積層するための半導体チップの場合、裏面に配線層と絶縁層を形成すこともある。この場合、回路面と裏面のとの内部応力の差によりどちらかに反りの方向が決まるが、上記と同様の不具合が発生する。
【００１６】
また、半導体チップの裏面にスリット加工を施すことで反ったチップを実装した際の応力を緩和させるという従来の技術では、実装するまでのチップのハンドリングやボンディング装置での取扱いが困難になるという問題がある。
【００１７】
さらに、シリコンに貫通ビアを設け、回路面と裏面に各々絶縁膜を堆積する構造の半導体チップでは、裏面からシリコンにスリット加工することは出来ない。
【００１８】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路層と絶縁層の内部応力により反りが発生した状態においても実装可能であり、後に信頼性や多段積層に影響を与えないフレキシブルな形状とすることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１９】
さらに、本発明の他の目的は、回路層と絶縁層の内部応力により反りが発生しないようにする半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、半導体基板の主面に少なくとも回路層が形成された半導体装置において、上記半導体基板の裏面にスリットが形成され、このスリット内に充填材料が埋め込まれていることを特徴とする。
【００２１】
好ましくは、前記スリットは、前記半導体基板を複数のブロックに分割するように格子状に形成されている。
【００２２】
また、前記スリットは、前記回路層まで到達しないように形成されていることが好ましい。
【００２３】
ここで、前記充填材料は、前記半導体基板を補強しかつ平坦性を保つように作用する。
【００２４】
前記充填材料は、例えば、樹脂材料あるいは熱膨張と熱伝導を調整するためのフィラーを混合した樹脂材料である。あるいは、前記充填材料は、金属材料であってもよい。
【００２５】
また、本発明では、半導体基板の主面には少なくとも回路層と第１の絶縁層が形成され、この主面と対向する半導体基板の裏面には電極と第２の絶縁層とが形成されており、貫通ビアを介して主面の回路層と裏面の電極とが導通される半導体装置において、上記第１の絶縁層と第２の絶縁層の少なくとも一方にスリットを形成したこと特徴とする。
【００２６】
好ましくは、前記スリットは、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層の両方に形成されている。
【００２７】
前記スリットは、格子状に形成されていることが好ましい。
【００２８】
好ましくは、前記半導体基板の裏面から半導体基板内に、さらにスリットが形成されている。
【００２９】
前記スリットは、例えば、樹脂材料あるいは熱膨張と熱伝導を調整するためのフィラーを混合した樹脂材料により充填されている。
【００３０】
また、本発明では、半導体基板を有する半導体装置の製造方法において、半導体基板の主面に回路層を形成し、半導体基板を裏面から所望の厚さに薄く加工し、裏面にスリットを形成し、スリットに充填材料を埋め込み、充填材料を埋め込んだ後に、充填材料を半導体基板の裏面と共に平坦化することを特徴とする。
【００３１】
好ましくは、前記スリットは、前記半導体基板を複数のブロックに分割するように格子状に形成されている。
【００３２】
前記スリットは、前記回路層まで到達しないように形成されていることが好ましい。
【００３３】
ここで、前記充填材料は、前記半導体基板を補強しかつ平坦性を保つように作用する。
【００３４】
前記スリットは、例えば、プラズマエッチングもしくはレーザーにより形成される。あるいは、前記スリットは、ブレードによる機械加工により形成されてもよい。
【００３５】
また、本発明では、主面とこの主面と対向するに裏面との導通を得るための貫通ビアを有し、主面および裏面の一方または両方にそれぞれ回路層もしくは配線ならびに電極が形成されると共に絶縁層で保護されている半導体装置の製造方法において、主面の絶縁層および裏面の絶縁層が形成された後の任意の工程で、主面の絶縁層及び裏面の絶縁層の一方または両方にスリットを形成する工程を含むことを特徴とする。
【００３６】
前記スリットは、例えば、プラズマエッチングもしくはレーザーにより形成される。あるいは、前記スリットは、ブレードによる機械加工により形成されてもよい。
【００３７】
【作用】
上述のように、本発明による半導体装置は、半導体基板上に回路層と絶縁層が形成され、回路面とは異なる裏面に半導体基板を加工しスリットが設けられ、このスリットが充填されていることを特徴としている。単にスリット形成するだけでなく、樹脂材料を充填することで半導体チップの強度を保ち、搬送時に半導体チップを保護すると共に、樹脂の弾性率、硬化収縮を調整することで反りを吸収した平坦性を確保する。
【００３８】
スリットにより分割されたブロック毎に回路層による圧縮応力は分散され、反りに起因するバンプ高さの違いなど、半導体チップ実装における不良を防ぐことが可能になる。
【００３９】
また、他の発明として、主面と前記主面に相反する裏面との導通を得るための貫通ビアを有し、主面および裏面の一方または両方にそれぞれ回路もしくは配線ならびに電極が形成され絶縁層で保護されている半導体チップにおいて、主面に形成された絶縁膜および裏面に形成された絶縁膜の一方または両方にスリットを形成することで、表裏の内部応力のバランスを取り反りを低減させることが可能になる。これにより、反りに起因するバンプ高さの違いなど、半導体チップ実装における不良を防ぐことが可能になる。
【００４０】
また、他の発明として、半導体チップの裏面から所望の厚さに薄く加工する工程と、裏面にスリットを形成する工程と、スリットに充填材料を埋め込む工程と、充填材料を埋め込んだ後にチップ裏面と共に平坦化する工程とを含む半導体装置の製造方法により、反りに起因するバンプ高さの違いなど、半導体チップ実装における不良を防ぐことが可能になる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に詳述する。
【００４２】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の構造を示す斜視図が示されている。図２は本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の構造を示す断面図を示している。
【００４３】
半導体チップ１の裏面、すなわち回路層３と相対する面（対向する面）の半導体基板７にスリット２が格子状に形成され、樹脂８がスリット２に充填されている。スリット２は回路層３に到達せず、半導体基板７を一定以上残した状態で加工され、このような状態で、樹脂８がスリット２に充填されている。回路層３は、絶縁層４で保護されている。
【００４４】
スリット２により分割されたブロック毎にフレキシブルに変形することができ実装性が良好となる。スリット２に充填された樹脂８は、半導体基板７を補強し、かつ平坦性を保つ効果を持つ。この樹脂８は半導体基板７と密着性が高いものであれば良い。熱膨張や熱伝導を考慮し、アルミナやシリカのフィラーを混合したものを用いても良い。あるいは、充填材料として金属材料を使用しても良い。
【００４５】
この第１の実施の形態では、スリット２の中にのみ樹脂８が充填されているが、樹脂８がスリット２を充填しかつ裏面全体を覆い、平坦化された構造でも同様の効果を得ることができる。
【００４６】
図３は、本発明の第２の実施の形態としての半導体装置の構造を示す斜視図である。半導体チップ１において、回路層３および半導体基板７の裏面に形成された絶縁層４ａ、４ｂに対してスリット２が形成されている。ここで、回路層３は、半導体基板７の主面に形成されている。
【００４７】
図４は、第２の実施の形態の半導体装置の構造を示す断面図である。
【００４８】
貫通ビア９により回路層３と裏面のバンプ６と導通が得られる半導体チップ１において、回路層３及び裏面に形成された絶縁層４ａ、４ｂに対してスリット２を加工する。このスリット２は半導体基板７の反りに応じて絶縁層４ａ、４ｂの一方または両方に加工している。このように反りの向き、反り量に応じて加工の有無、加工量を調整することで反りの発生のない半導体チップを供給することができ、これらを実装する際の高さばらつき、反りに起因する実装不良を抑えることが可能となる。
【００４９】
図５は、上記第２の実施の形態の変形例としての半導体装置の構造を示す断面図である。
【００５０】
貫通ビア９、バンプ６を形成した半導体チップ１において、回路層３および裏面に形成された絶縁層４ａ、４ｂに対してスリット２を加工すると共に回路を形成していないエリアにおいては、半導体基板７内にもスリット２を形成している。このように半導体基板７にまでスリット２を加工することで、反り量の大きいものにも対応することができる。さらに、樹脂をスリット２に充填することでフレキシブルに半導体基板７を補強し、平坦性の高い半導体チップ１を供給することができ、これらを実装する際の高さばらつき、反りに起因する実装不良を抑えることが可能となる。
【００５１】
このスリット２の特徴としてはシリコン中に切り欠きや、その他応力集中により破壊、クラックなどの基点とならないように形成されることが望ましい。
【００５２】
次に、上記第１の実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【００５３】
まず、半導体基板７にあらかじめ回路層３を形成し、所望の厚さになるよう裏面より半導体基板７を薄く加工する。加工する厚さはスリット２を加工するときに薄くなる量と、後にスリット２に樹脂８を充填し平坦化させるときに薄くなる量を考慮する。
【００５４】
薄く加工する方法は、機械的な研削、研磨を用いる場合と、フッ素系ガスを使用したプラズマエッチングもしくは酸性溶液を使用する化学的なエッチングのいずれかを用いる。こうして所望の厚さに加工した後にスリット２を格子状に形成する（図６及び図７参照）。
【００５５】
スリット２は、レーザーによる加工がマスクレスで加工できるため最も望ましいが、ダイシングなどに使用するブレードによる機械的な加工方法やリソグラフィによりエッチングマスクを形成してフッ素系のプラズマエッチングによる方法で加工しても良い。
【００５６】
この状態では、半導体基板７の残部のみでは半導体チップ１としての強度が足りないことから樹脂８を充填し、硬化させる。樹脂８は表面張力により表面が平坦とはならないため搬送性や実装性を向上させるため平坦化させる。
【００５７】
さらに、上記第２の実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。
【００５８】
貫通ビア９を有する半導体チップ１は、回路層３を形成した主面と配線および電極などが形成された裏面の両面に、絶縁層４ａ、４ｂが形成されている。この絶縁層４ａ、４ｂにスリット２を形成することで半導体チップ１の反りを調整する。スリット２の形成方法は、レーザーによる加工がマスクレスで加工できるため最も望ましいが、ダイシングなどに使用するブレードによる機械的な加工方法やリソグラフィによりエッチングマスクを形成してフッ素系のプラズマエッチングによる方法を選択しても良い。
【００５９】
半導体チップ１の両面にスリット２を形成する工程としては各々の絶縁層が形成された直後に行うことが望ましいが、適宜工程順序を変更してもかまわず半導体チップ１の反りの状況に応じて選択することができる。
【００６０】
以上の工程については、半導体チップ１として実施の形態を示したが、通常はウエハ状態で加工する。
【００６１】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体チップの裏面にスリットが形成され、スリットが樹脂材料により埋められているという基本構成に基づき、回路層と絶縁層の内部応力により反りが発生した状態においてもスリットにより分割されたブロック毎に回路層による圧縮応力が分散される。この結果、反りに起因するバンプ高さの違いなど、半導体チップ実装における不良を防ぐことができる。
【００６３】
また、スリットに樹脂を充填することにより、スリットを形成したことで低下した半導体チップの強度を保ち、搬送時に半導体チップを保護することができる。さらに、樹脂の弾性率、硬化収縮を調整することで反りを吸収した平坦性を確保し、反りが少なく実装性が良好となる。
【００６４】
また、貫通ビアを有する半導体チップの回路層を形成した主面と、配線および電極などが形成された裏面の両面に絶縁層の一方または両方にスリットが形成することで、表裏の内部応力のバランスを取り、反りを低減させ、実装性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態としての半導体装置の構造を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態としての半導体装置の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態の変形例としての半導体装置の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の製造方法の一工程を示す斜視図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態としての半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１半導体チップ
２スリット
３回路層
４絶縁層
５電極
６バンプ
７半導体基板
８樹脂
９貫通ビア

Claims

半導体基板の主面に少なくとも回路層が形成された半導体装置において、
上記半導体基板の裏面にスリットが形成され、このスリット内に充填材料が埋め込まれていることを特徴とする半導体装置。
前記スリットは、前記半導体基板を複数のブロックに分割するように格子状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記スリットは、前記回路層まで到達しないように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記充填材料は、前記半導体基板を補強しかつ平坦性を保つように作用することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記充填材料は、樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記充填材料は、熱膨張と熱伝導を調整するためのフィラーを混合した樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記充填材料は、金属材料であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
半導体基板の主面には少なくとも回路層と第１の絶縁層が形成され、この主面と対向する半導体基板の裏面には電極と第２の絶縁層とが形成されており、貫通ビアを介して主面の回路層と裏面の電極とが導通される半導体装置において、
上記第１の絶縁層と第２の絶縁層の少なくとも一方にスリットを形成したこと特徴とする半導体装置。
前記スリットは、前記第１の絶縁層と第２の絶縁層の両方に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記スリットは、格子状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記半導体基板の裏面から半導体基板内に、さらにスリットが形成されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記スリットは、樹脂材料により充填されていることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の半導体装置。
前記スリットは、熱膨張と熱伝導を調整するためのフィラーを混合した樹脂材料により充填されていることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の半導体装置。
半導体基板を有する半導体装置の製造方法において、
半導体基板の主面に回路層を形成し、
半導体基板を裏面から所望の厚さに薄く加工し、
裏面にスリットを形成し、
スリットに充填材料を埋め込み、
充填材料を埋め込んだ後に、充填材料を半導体基板の裏面と共に平坦化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記スリットは、前記半導体基板を複数のブロックに分割するように格子状に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
前記スリットは、前記回路層まで到達しないように形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
前記充填材料は、前記半導体基板を補強しかつ平坦性を保つように作用することを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
前記スリットは、プラズマエッチングもしくはレーザーにより形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
前記スリットは、ブレードによる機械加工により形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
主面とこの主面と対向するに裏面との導通を得るための貫通ビアを有し、主面および裏面の一方または両方にそれぞれ回路層もしくは配線ならびに電極が形成されると共に絶縁層で保護されている半導体装置の製造方法において、
主面の絶縁層および裏面の絶縁層が形成された後の任意の工程で、主面の絶縁層及び裏面の絶縁層の一方または両方にスリットを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記スリットは、プラズマエッチングもしくはレーザーにより形成されることを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。
前記スリットは、ブレードによる機械加工により形成されることを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置の製造方法。