JP2010040862A

JP2010040862A - 半導体装置

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Publication number: JP2010040862A
Application number: JP2008203395A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Wada; 英之和田
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2010-02-18
Also published as: CN102105969A; WO2010016260A1; EP2317544A1; US20110133343A1; EP2317544A4

Abstract

【課題】貫通電極と電極パッドの接合信頼性を確保しつつ、貫通電極位置に形成されるオーバーコート樹脂やランド部の基板エッジとの接触・干渉を回避できる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２と、半導体基板２の一方の面２ａ側に配された電極パッド４と、半導体基板２の他方の面側２ｂから一方の面側２ａに向かって配され、電極パッド４の一部を露呈する貫通孔５と、貫通孔５の内側に配され、電極パッド４と電気的に接続される貫通電極８と、を少なくとも備えた半導体装置であって、電極パッド４と貫通電極８との接合部１０が、電極パッド４の面内において、その中央域よりも半導体基板２の中央寄りの領域に配されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、貫通電極を備えた半導体装置に関する。

近年、携帯電話等の電子機器の高機能化が進み、これらの機器に用いられるＩＣやＬＳＩ等の電子デバイス、及びＯＥＩＣや光ピックアップ等の光デバイスにおいて、デバイス自体の小型化や高機能化を図るための開発が各所で進められている。例えば、このようなデバイスを積層して設ける技術が提案されている。具体的には、何らかの機能ユニットが一方の面に設けられている基板に対し、この基板の他方の面から一方の面に貫通し、この一方の面側に形成された電極パッドに接続する貫通電極を備えた半導体装置がある（例えば特許文献１参照）。

従来の上記半導体装置としては、半導体基板と、基板表面上に形成された層間絶縁膜と、この層間絶縁膜を介して基板表面側に形成された電極パッドと、貫通孔と、この貫通孔内側面および基板裏面に形成された絶縁層と、基板裏面に形成されたバンプ電極配線と、貫通電極と、基板裏面において貫通電極の周囲に一体形成されてバンプ電極配線と接続しているランド部と、電極パッドと貫通電極の接合部と、封止樹脂（オーバーコート樹脂）と、封止樹脂の開口部内のバンプ電極に設けられるはんだバンプとを備えたものがある。

上記従来の半導体装置において、貫通孔は、電極パッド裏面の一部が露呈するように基板裏面側から基板および層間絶縁膜を貫通して設けられている。また、貫通電極は、貫通孔の内側に絶縁層を介して形成されており、電極パッド裏面の一部領域と電気的に接続して、電極パッドとの接合部を形成している。そして、この接合部（従って、貫通孔、貫通電極）は、電極パッドの中央域に形成されている（例えば特許文献１参照）。

上記従来の半導体装置の基板裏面側において、ランド部は、貫通電極の周囲に一体形成され、貫通電極とバンプ電極配線とを接続する役目を担っている。このランド部の径は、バンプ電極配線との接続の耐久性や信頼性を確保するために、バンプ電極配線の幅よりも大きくなっている。また、封止樹脂は、基板裏面側に形成され、バンプ電極配線および貫通電極周囲のランド部を被覆し、基板裏面の絶縁性を確保する。ただし、この封止樹脂は、チッピングの抑制等のため、基板エッジの直近には設けられていない。
特開平５−３４３３８５号公報

しかしながら、上記従来の半導体装置では、電極パッドがチップエッジ（スクライブエッジ）の近傍に配置されていると、それに応じて貫通電極およびランド部もチップエッジの近傍に配置されることになる。そして、基板裏面側において、これら貫通電極およびランド部を被覆する封止樹脂のエッジ（形成端部）も、ランド部の配置位置に応じてチップエッジに近づくことになる。このため、電極パッドがチップエッジ（スクライブエッジ）の近傍に配置されている場合に、封止樹脂（オーバーコート樹脂）、さらにはランド部が、チップエッジと接触・干渉してしまい、チッピング等の不具合を生じることがあった。

また、貫通孔は、基板裏面側から基板表面側に向けて形成するため、一般に、基板裏面側の開口が基板表面側（貫通孔底部側）の開口よりも広い。このため、ランド部の径が大きくなるので、電極パッドがチップエッジ近傍に配置されている場合の封止樹脂およびランド部とチップエッジ（スクライブエッジ）の接触・干渉が顕著となる。これを避けるために、貫通孔の基板裏面側の径を狭くすると、電極パッドと貫通電極との接合部の面積も狭くなる。貫通孔の平面形状が同心円または正方形の場合では、径または辺の長さの減少分の２乗で、貫通電極と電極パッドと接合部の面積が減少するため、接合部の抵抗値が急激に大きくなり、接合部の信頼性が低下する。

以上のように、従来の半導体装置では、電極パッドがチップエッジ（スクライブッジ）の近傍に配置さていると、基板表面側での貫通電極と電極パッドの接合信頼性を確保し、かつ基板裏面でのオーバーコート樹脂（封止樹脂）やランド部とチップエッジ（スクライブッジ）の接触・干渉を回避することが困難な場合があるという課題があった。

本発明は、従来のこのような実情に鑑みて考案されたものであり、貫通電極と電極パッドの接合信頼性を確保しつつ、貫通電極位置に形成されるオーバーコート樹脂やランド部の基板エッジとの接触・干渉を回避できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の一方の面側に配された電極パッドと、前記半導体基板の他方の面側から一方の面側に向かって配され、前記電極パッドの一部を露呈する貫通孔と、前記貫通孔の内側に配され、前記電極パッドと電気的に接続される貫通電極と、を少なくとも備えた半導体装置であって、前記電極パッドと前記貫通電極との接合部が、前記電極パッドの面内において、その中央域よりも前記半導体基板の中央寄りの領域に配されていることを特徴とする。

本発明では、電極パッドと貫通電極との接合部を、電極パッドの面内において、その中央域よりも半導体基板の中央寄りの領域に配することにより、電極パッドが基板エッジ近傍に配置されていても、接合部の面積を十分確保して接合信頼性を確保できるとともに、貫通電極を基板エッジから離れた位置に配置することができるので、貫通電極位置に形成されるオーバーコート樹脂やランド部の基板エッジとの接触・干渉を回避することができる。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

図１は本発明の半導体装置を裏面から見た部分平面図である。また、図２は図１においてのＳ−Ｓ間の断面図である。図１および図２に示す半導体装置１は、半導体基板２と、層間絶縁膜３と、電極パッド４と、貫通孔５と、絶縁層６と、バンプ電極配線７と、貫通電極８と、ランド部９と、接合部１０と、封止樹脂（オーバーコート樹脂）１１と、はんだバンプ１２と、保護膜（パッシベーション膜）１３とを備える。

なお、貫通電極８とランド部９、さらにはこれらとバンプ電極配線７とは、同じ導電体層をパターニングすることにより一体形成することが可能である。また、封止樹脂１１は、絶縁層６および貫通電極８が形成された貫通孔５内にＣＶＤ法等により絶縁体を充填したあとに、絶縁層６ならびにバンプ電極配線７およびランド部９が形成された半導体基板２の裏面２ｂを被覆するように形成することも可能である。

［半導体基板２］
半導体基板２は、シリコンウエハ等の半導体ウエハにおいてスクライブラインによって区画された１チップ、あるいは上記半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップである。図１および図２のエッジＥは、ダイシング前においてはダイシングされることによってチップエッジとなる位置（スクライブエッジ）であり、ダイシング後の場合には、実際のチップエッジ（半導体装置１のエッジ）である。半導体基板２の厚さは、例えば数百μｍ程度である。

半導体基板２の表面２ａ側には、ＩＣチップ、ＣＣＤデバイス、マイクロリレー、マイクロスイッチ、圧力センサ、加速度センサ、高周波フィルタ、マイクロミラー、マイクロリアクター、μ−ＴＤＳ、ＤＮＡチップ、ＭＥＭＳデバイス、マイクロ燃料電池等においての何らかの機能ユニットが作り込まれている。

［電極パッド４］
電極パッド４は、半導体基板２の表面２ａの上に層間絶縁膜３を介して設けられており、半導体基板２の表面２ａに設けられている機能ユニットと電気的に接続されている。この電極パッド４の裏面側の一部領域は貫通孔５によって露呈されている。そして、電極パッド４は、その一部領域に、貫通孔５内に形成された貫通電極８との接合部１０を有している。なお、電極パッド４の表面側には、開口部を備える保護膜１３が形成されている。

なお、電極パッド４の材質としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−シリコン−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）合金等の導電性に優れた材質を使用できる。

［貫通孔５］
貫通孔５は、半導体基板２の他方の面（裏面）２ｂ側から一方の面（表面）２ａ側に向かって形成され、半導体基板２およびその表面２ａ上の層間絶縁膜３を貫通しており、電極パッド４の裏面の一部領域を露呈させる。なお、貫通孔の平面形状は、一般に、略同心円、略正方形等であるが、本発明においては、貫通孔５の平面形状を、略楕円、略長方形等とすることも可能である。図１および図２では、貫通孔５の平面形状は略同心円である。

［絶縁層６］
絶縁層６は、半導体基板２の裏面２ｂ上および貫通孔５の内側面に形成されている。この絶縁層６としては、例えば絶縁特性および成膜カバレッジに優れた酸化珪素（ＳｉＯ_２）を使用することができる。

［導電体層（バンプ電極配線７、貫通電極８、ランド部９）］
貫通電極８は、貫通孔５の内側に絶縁層６を介して形成されている。この貫通電極８は、貫通孔５の底部に露呈した電極パッド４の裏面の一部領域と電気的に接続して、接合部１０を形成する。また、ランド部９は、基板裏面２ｂ側において貫通電極８周囲の絶縁層上に、貫通電極８と一体に形成される。また、バンプ電極配線７は、はんだバンプ１２が設けられるバンプ電極７ａを有し、このバンプ電極７ａと貫通電極８およびその周囲に形成されるランド部９との間を接続している。

バンプ電極配線７、貫通電極８、ランド部９を同じ導電体層によって一体形成する場合には、導電体層の材質として、例えば導電性およびカバレッジに優れた銅（Ｃｕ）を使用できる。なお、貫通電極８およびランド部９を形成した後に、バンプ電極配線７を別途形成することも可能である。また、貫通電極８、あるいはこれを含む上記導電体層は、メッキ法等により形成される。

［封止樹脂１１］
封止樹脂１１は、基板裏面２ｂの絶縁層６上、バンプ電極配線７上、およびランド部９上、ならびに貫通電極８が形成された貫通孔５の内部に形成される。ただし、チッピングの抑制等のために、半導体装置１のチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅの直近には形成されない。この封止樹脂１１としては、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）等を使用できる。なお、ＣＶＤ法等により酸化珪素（ＳｉＯ_２）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を貫通孔５内に充填した後に、基板裏面２ｂの上に樹脂を形成することも可能である。

［はんだバンプ１２］
はんだバンプ１２は、バンプ電極配線７のバンプ電極７ａ上に設けられる。このはんだパンプ１２は、半導体装置１の裏面側に積層される他の半導体装置や他の基板に、半導体装置１を電気的に接続するためのものである。

この本発明の半導体装置１は、電極パッド４と貫通電極８との接合部１０が、電極パッド４の面内において、その中央域よりも半導体基板２の中央寄りの領域（図１および図２では左側寄りの領域）に形成されていることを特徴とする。

従って、貫通孔５の底部径（基板表面２ａ側の開口径）Ｄ１は従来と同じ寸法であり、貫通孔５の基板表面２ａ側の開口の広さ（開口面積）は従来と同じなので、接合部１０の接合信頼性を従来と同等に確保できる。

なおかつ、貫通電極８の位置を基板中央寄りにずらすことによって、半導体基板２のチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅと貫通電極８間の距離Ｄ３＋Ｄ４＋Ｄ５を、電極パッドの中央域に接合部を形成する従来の半導体装置よりも長くできる。

従って、チップエッジ（スクライブエッジ）Ｅとランド部９間の距離Ｄ３＋Ｄ４を従来よりも長くすることができるので、ランド部９の円環幅寸法Ｄ５および封止樹脂１１のランド部９周端からのオーバーラップ寸法Ｄ４を従来と同じにしても、封止樹脂１１のエッジからチップエッジまでの寸法Ｄ３を従来よりも大きくすることができる。これにより、封止樹脂１１やランド部９とチップエッジＥとの接触・干渉を回避することができ、チッピングを防止できる。また、寸法Ｄ３を従来と同等以上に確保できる範囲で、チップエッジＥを基板中央寄りに設定すれば、半導体装置１の小型化を図ることも可能である。

［テーパー形状の貫通孔５］
貫通孔は、基板裏面側から基板表面側（電極パッド側）に向けてドライエッチング法等により加工形成する。一般に、貫通孔は、基板裏面側の開口径（開口面積）が基板表面側の開口径（開口面積）よりも広い。図１および図２おいて、貫通孔５の基板厚さ方向の断面形状は、基板裏面２ｂ側の開口径Ｄ２が基板表面２ａ側の開口径（貫通孔５の底部径）Ｄ１よりも大きいテーパー形状をなしている。例えば、Ｄ２／Ｄ１＝１．５である。

このようなテーパー形状の貫通孔５内に貫通電極８を設ける場合には、基板表面２ａ側の開口径Ｄ１（従って、接合部１０の面積）を基準とすると、基板裏面２ｂ側の開口径をＤ１にしたものよりもランド部９の径が大きくなり、ランド部９のエッジおよび封止樹脂１１のエッジ（形成端部）がチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅに近づき、寸法Ｄ３が短くなる。このような場合に、配置位置を電極パッド４の中央域よりも基板中央寄りにずれた位置に貫通電極８を形成する本発明を適用すれば、本発明の上記効果が顕著に得られ、封止樹脂１１やランド部９とチップエッジＥとの接触・干渉に起因するダイシング時の封止樹脂１１の割れ（やチッピング）をより効果的に防止できる。

貫通孔５に設けられる絶縁層６および貫通電極８ならびに封止樹脂１１の絶縁体は、基板裏面２ｂ側から形成するため、貫通孔５が上記のように基板裏面側２ｂの開口が広いテーパー形状であることは、これら絶縁層６や貫通電極８等を貫通孔５内に形成するのに適している。また、貫通電極８と電極パッド４との接続部１０の耐久性や信頼性を向上させることが可能である。

なお、このようなテーパー形状の貫通孔５は、半導体基板２の裏面にレジストパターンで同心円または正方形等の開口部を形成した後、ドライエッチング法、ウェットエッチング法により形成可能である。また、マイクロドリルによる機械加工法、レーザー加工、ＰＡＥＣＥ等によっても形成可能である。

本発明においての貫通孔には、基板厚み方向の断面が矩形状のものに加え、上記のテーパー形状のものも含まれる。ここで、貫通孔ついて、「テーパー形状」とは、基板裏面２ｂ側（ランド部９側）の開口が基板２ａ側（電極パッド４側）よりも広くなっている全ての孔形状を意味する。従って、本発明のテーパー形状の貫通孔（あるいは貫通電極）には、図２のように基板厚さ方向の断面が直線状に傾斜しているものの他、基板厚さ方向の断面が曲線状をなして傾斜しているもの、さらには中心軸が基板厚さ方向に対して傾斜しているものも含まれる。また、本発明のテーパー形状には、基板厚さ方向の断面の一部がこの基板厚さ方向と平行になるものも含まれる。

［複数の電極パッド４］
図３および図４は本発明の半導体装置１に設けられた電極パッド４面内においての接合部１０の位置および形状を説明する部分平面図（半導体装置１の表面から見た部分平面図）である。図３および図４のように、本発明の半導体装置１では、チップエッジ（スクライブエッジ）Ｅ１，Ｅ２の近傍に、複数の電極パッド４（４−１ａ，４−１ｂ，４−２ａ，４−１ｂとする）が形成されている場合がある。この場合、それぞれの電極パッド面内に接続部１０（１０−１ａ，１０−１ｂ，１０−２ａ，１０−２ｂとする）が形成されることとなる。なお、図３では接続部１０の平面形状は略同心円であるが、図４では接続部１０の平面形状は略楕円である。

図３および図４において、電極パッド４−１ａ，４−１ｂはチップエッジＥ１の近傍に形成されており、それぞれの電極パッド４−１ａ，４−１ｂの領域内の接合部１０−１ａ，１０−１ｂは、電極パッド４−１ａ，４−１ｂの中央域よりもチップエッジＥ１から離れた半導体基板２の中央寄りの領域に形成されている。つまり、貫通電極８の貫通孔５が、チップエッジＥ１から離れるように、電極パッド４−１ａ，４−１ｂの面内において、その中央域よりも半導体基板２の中央寄りの領域に形成されている。

同様に、図３および図４において、電極パッド４−２ａ，４−２ｂはチップエッジＥ２（Ｅ１と垂直をなすチップエッジ）の近傍に形成されており、それぞれの電極パッド４−２ａ，４−２ｂの領域内の接合部１０−２ａ，１０−２ｂは、電極パッドの４−２ａ，４−２ｂの中央域よりもチップエッジＥ２から離れた半導体基板２の中央寄りの領域に形成されている。つまり、貫通電極８の貫通孔５が、チップエッジＥ２から離れるように、電極パッド４−２ａ，４−２ｂの面内において、その中央域よりも半導体基板２の中央寄りの領域に形成されている。

このように、複数の電極パッド４がチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅ１，Ｅ２に形成されている場合にも、それぞれの電極パッド４の面内において、その中央域よりも半導体基板２の中央寄りの領域に接合部１０を配することによって、それぞれの接合部１０の信頼性を確保できるとともに、それぞれの貫通電極８およびランド部９、ならびにこれらを封止するオーバーコート樹脂１１のエッジをチップエッジＥ１，Ｅ２から離れた位置に配置できるので、基板裏面２ｂにおいて封止樹脂（オーバーコート樹脂）１１やランド部９のチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅ１，Ｅ２との接触・干渉を回避でき、それによるチッピングを防止できる。

つまり、それぞれの電極パッド４に対するそれぞれの接合部１０の位置を半導体基板２の中央寄りの領域にずらすことによって、それぞれの接合部１０の面積を従来と同等に確保しつつ、それぞれの貫通電極８とチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅ１，Ｅ２との間に、それぞれのランド部９ならびオーバーコート樹脂１１を形成するための広い面積を確保できる。これにより、例えば、従来よりもスクライブエッジＥ（Ｅ１，Ｅ２）を内側に設定したとしても、チッピング等の不具合を生じることなく、また電極パッド４の配置位置に制限されることもなく、半導体装置を小型化することが可能となる。

［貫通電極８の平面形状］
接合部１０の面積をより大きくして接合信頼性をより高めるとともに、貫通電極８の配置位置をチップエッジ（スクライブエッジ）Ｅからより離すためには、貫通孔５の平面形状を、同心円や正方形ではなく、楕円や長方形等に変形させることが有効である。図４は貫通孔５の平面形状を楕円にした例である。貫通孔５の平面形状を楕円や長方形等にすることにより、貫通電極８の平面形状および接合部１０の形状も略楕円や略長方形等となる。

貫通電極８の平面形状を上記のように略楕円または略長方形とする場合には、チップエッジ（スクライブエッジ）Ｅと接触・干渉を生じる方向（チップエッジＥとの間に広いスペースを確保したい方向）に楕円・長方形の短軸・短辺を配し、余裕のあるスペースに楕円・長方形の長軸・長辺を配する。これにより、接続部１０の面積を確保しつつ、チップエッジＥと貫通電極８の間に、ランド部９および封止樹脂（オーバーコート樹脂）１１の形成のためのより広いスペースを確保することができる。

図４において、電極パッド４−１ａ，４−１ｂはチップエッジＥ１の近傍に形成されており、それぞれの電極パッド４−１ａ，４−１ｂの領域内の略楕円の接合部１０−１ａ，１０−１ｂについては、チップエッジＥ１と平行な方向に楕円の長軸が配され、チップエッジと垂直な方向に楕円の短軸が配されるように、貫通電極８の貫通孔５を形成する。

同様に、図４において、電極パッド４−２ａ，４−２ｂはチップエッジＥ２（Ｅ１と垂直をなすチップエッジ）の近傍に形成されており、それぞれの電極パッド４−２ａ，４−２ｂの領域内の略楕円の接合部１０−２ａ，１０−２ｂについては、チップエッジＥ２と平行な方向に楕円の長軸が配され、チップエッジと垂直な方向に楕円の短軸が配されるように、貫通電極８の貫通孔５を形成する。

また、貫通電極８の平面形状を上記のように略楕円または略長方形とする場合において、短軸方向の半径を同心円の半径と同じにして、貫通孔５の平面形状を楕円にすれば、同心円の場合の２倍以上の接合面積を確保することが可能である。また、同心円の半径に対し、長軸方向の半径が１．５倍、短軸方向の半径が０．７倍の楕円とした場合には、同心円の場合と同等の接合面積が得られる。

このように、貫通電極８の貫通孔５の平面形状を、略楕円や略長方形等とすることにより、貫通電極８をチップエッジ（スクライブエッジ）からより離して配置することができるとともに、接合部１０の面積をより大きくして接合信頼性をより高めることができる。

なお、このような楕円または長方形等の貫通孔５は、半導体基板２の裏面にレジストパターンで楕円または長方形等の開口部を形成した後、ドライエッチング法、ウェットエッチング法により形成可能である。また、マイクロドリルによる機械加工法、レーザー加工、ＰＡＥＣＥ等によっても形成可能である。

本発明は、貫通電極を備えた半導体装置に広く適用可能である。

本発明の半導体装置を裏面から見た部分平面図である。本発明の半導体装置の部分断面図である。本発明の半導体装置に設けられた電極パッド面内においての接合部の位置および形状を説明する部分平面図である（接続部の平面形状が略同心円の場合）。本発明の半導体装置に設けられた電極パッド面内においての接合部の位置および形状を説明する部分平面図である（接続部の平面形状が略楕円の場合）。

符号の説明

１半導体装置、２半導体基板、２ａ基板表面、２ｂ基板裏面、３層間絶縁膜、４電極パッド、５貫通孔、６絶縁層、７バンプ電極配線、７ａバンプ電極、８貫通電極、９ランド部、１０接合部、１１封止樹脂（オーバーコート樹脂）、１２はんだバンプ、１３保護膜（パッシベーション膜）。

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板の一方の面側に配された電極パッドと、
前記半導体基板の他方の面側から一方の面側に向かって配され、前記電極パッドの一部を露呈する貫通孔と、
前記貫通孔の内側に配され、前記電極パッドと電気的に接続される貫通電極と、
を少なくとも備えた半導体装置であって、
前記電極パッドと前記貫通電極との接合部が、前記電極パッドの面内において、その中央域よりも前記半導体基板の中央寄りの領域に配されていることを特徴とする半導体装置。
前記貫通孔は、前記他方の面側の開口が前記一方の面側の開口よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記貫通孔は、その平面形状が略楕円または略長方形であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。