JP2013211430A - Semiconductor device, semiconductor wafer, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、半導体ウエハ、及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a semiconductor wafer, and a method for manufacturing a semiconductor device.
サーバやパーソナルコンピュータ等の電子機器においては、LSI等の様々な半導体装置が使用される。半導体装置は、その内部の半導体素子を外部雰囲気から保護するための封止樹脂を有すると共に、当該半導体素子で発生した熱を放熱するためのヒートシンク等の放熱機構を備える。 Various electronic devices such as LSIs are used in electronic devices such as servers and personal computers. The semiconductor device includes a sealing resin for protecting the semiconductor elements inside the semiconductor element from the external atmosphere, and a heat dissipation mechanism such as a heat sink for radiating heat generated in the semiconductor elements.
このような半導体装置の更なる高性能化を図るには、樹脂による封止の気密性を維持して半導体素子を外部雰囲気から的確に保護すると共に、放熱機構による放熱効率を高めるのが好ましい。 In order to further improve the performance of such a semiconductor device, it is preferable to maintain the hermeticity of sealing with a resin to accurately protect the semiconductor element from the external atmosphere and to increase the heat dissipation efficiency of the heat dissipation mechanism.
半導体装置、半導体ウエハ、及び半導体装置の製造方法において、樹脂による封止の気密性を維持しながら、半導体装置の放熱効率を高めることを目的とする。 In a semiconductor device, a semiconductor wafer, and a method for manufacturing a semiconductor device, an object is to increase the heat dissipation efficiency of the semiconductor device while maintaining the hermeticity of sealing with resin.
以下の開示の一観点によれば、半導体素子と、前記半導体素子の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、前記半導体素子の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂とを有する半導体装置が提供される。 According to one aspect of the following disclosure, a semiconductor element, a plurality of carbon nanotubes erected on the surface of the semiconductor element, the surface of the semiconductor element and a side surface of the carbon nanotube, and the carbon There is provided a semiconductor device having a resin having an upper surface on which a tip of a nanotube is exposed.
また、その開示の別の観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に形成された複数の半導体素子と、複数の前記半導体素子の各々の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、複数の前記半導体素子の各々の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂とを有する半導体ウエハが提供される。 According to another aspect of the disclosure, a semiconductor substrate, a plurality of semiconductor elements formed on the semiconductor substrate, a plurality of carbon nanotubes standing on each surface of the plurality of semiconductor elements, and a plurality of There is provided a semiconductor wafer having a resin that covers the surface of each of the semiconductor elements and the side surface of the carbon nanotube and has an upper surface on which the tip of the carbon nanotube is exposed.
更に、その開示の他の観点によれば、複数のカーボンナノチューブの一方の先端をプレートの表面に固着する工程と、半導体素子の表面に、複数の前記カーボンナノチューブの他方の先端を当接させる工程と、前記他方の先端が前記半導体素子の前記表面に当接した状態で、前記半導体素子の前記表面と前記プレートの前記表面との間に樹脂を供給する工程と、前記樹脂を供給する工程の後、複数の前記カーボンナノチューブの前記一方の先端から前記プレートを剥離する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。 Further, according to another aspect of the disclosure, a step of fixing one tip of the plurality of carbon nanotubes to the surface of the plate, and a step of bringing the other tip of the plurality of carbon nanotubes into contact with the surface of the semiconductor element And supplying the resin between the surface of the semiconductor element and the surface of the plate with the other tip in contact with the surface of the semiconductor element; and supplying the resin And a step of peeling the plate from the one end of the plurality of carbon nanotubes.
以下の開示によれば、樹脂の上面からカーボンナノチューブの先端を表出させることで、当該先端から熱を外部に効率的に逃がすことができ、半導体装置の放熱効率が高まる。更に、そのカーボンナノチューブの側面を樹脂で覆うことで当該樹脂による封止の気密性が維持される。 According to the following disclosure, by exposing the tip of the carbon nanotube from the upper surface of the resin, heat can be efficiently released from the tip to the outside, and the heat dissipation efficiency of the semiconductor device is increased. Furthermore, the airtightness of sealing with the resin is maintained by covering the side surface of the carbon nanotube with the resin.
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が行った検討結果について説明する。 Prior to the description of the present embodiment, the results of studies conducted by the inventors will be described.
図１は、その検討に利用した半導体ウエハの断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor wafer used for the examination.
その半導体ウエハ１は、シリコン基板２と、その上に形成された半導体回路層３と、半導体回路層３を封止する樹脂４とを備える。
The
このうち、半導体回路層３は、トランジスタや多層配線を備えており、製品仕様に適した回路構成を有する。
Among these, the
その半導体回路層３とシリコン基板２とによって複数の半導体素子６がウエハレベルで形成され、ダイシングラインLに沿ってシリコン基板２をダイシングすることにより、個々の半導体装置に個片化されることになる。
A plurality of
このような半導体ウエハ１では、樹脂４は、外部雰囲気から半導体回路層３を保護する役割を担う。但し、その樹脂４によって半導体回路層３で発生する熱が外部に逃げ難くなり、半導体装置の放熱効果が低下するおそれがある。
In such a
そこで、本願発明者は、この半導体ウエハ１の放熱効果を高めるための種々の放熱構造を検討した。
Therefore, the inventor of the present application examined various heat dissipation structures for enhancing the heat dissipation effect of the
図２は、検討された放熱構造について説明するための断面図である。なお、図２において、図１で説明したのと同じ要素には図１におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the studied heat dissipation structure. In FIG. 2, the same elements as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and description thereof is omitted below.
図２に示すように、この例では、半導体回路層３を樹脂４で封止した後、各々の半導体素子６ごとに樹脂に開口４ａを形成する。そして、その開口４ａ内に、メッキ法等により銅膜等の金属膜９を形成し、その金属膜９を放熱パスとして使用する。
As shown in FIG. 2, in this example, after the
この構造によれば、半導体回路層３で発生した熱が、樹脂４よりも熱伝導性に優れた金属膜９によって速やかに外部に放熱され、図１の場合と比較して放熱効率が高められると考えられる。
According to this structure, the heat generated in the
しかし、この構造を得るには、半導体回路層３を樹脂４で一旦封止した後に樹脂４に開口４ａを形成しなければならず、その開口４ａが原因で樹脂４による封止の気密性が失われてしまう。更に、失われた気密性を補償するために十分な厚さの金属膜９をメッキ法で形成しようとしても、メッキ時間が長時間に及んだり、ウエハの面内でメッキ厚がばらついたりして、量産に耐え得ることができない。
However, in order to obtain this structure, the
しかも、金属膜９と樹脂４の各々の熱膨張率の相違が原因で半導体ウエハ１に大きな反りが発生することも考えられる。
Moreover, it is conceivable that a large warp occurs in the
このような検討の結果、本願発明者は以下に説明するような本実施形態に想到した。 As a result of such studies, the present inventor has conceived the present embodiment as described below.
（本実施形態）
本実施形態では、カーボンナノチューブを放熱パスに利用することで、半導体装置で発生した熱をそのカーボンナノチューブを介して外部に速やかに放熱し、半導体装置の放熱効率を高める。
(This embodiment)
In the present embodiment, by using the carbon nanotubes as a heat dissipation path, heat generated in the semiconductor device is quickly radiated to the outside through the carbon nanotubes, and the heat dissipation efficiency of the semiconductor device is increased.
そのような半導体装置について、その製造工程を追いながら説明する。 Such a semiconductor device will be described following the manufacturing process.
図３〜図１１は、本実施形態に係る半導体装置の製造途中の断面図である。 3 to 11 are cross-sectional views in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
最初に、図３（ａ）に示すように、基板１０としてシリコン基板を用意し、その基板１０の上に熱酸化膜１１を３００nm程度の厚さに形成する。
First, as shown in FIG. 3A, a silicon substrate is prepared as the
後述のように、基板１０はカーボンナノチューブを形成する際に加熱されるため、基板１０としては耐熱性に優れた基板を用いるのが好ましい。そのような基板としては、上記のシリコン基板の他に、アルミナ基板、サファイア基板、MgO基板、及びガラス基板等がある。
As will be described later, since the
次いで、図３（ｂ）に示すように、熱酸化膜１１の上にスパッタ法で下地膜１２として窒化チタン膜を約５nmの厚さに形成し、更にその上に触媒金属膜１３としてコバルト膜をスパッタ法で２．６nm程度の厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a titanium nitride film is formed as a
その後に、下地膜１２と触媒金属膜１３とをリフトオフ法によりパターニングし、これらの膜を基板１０の複数の領域Rのみに選択的に残す。
Thereafter, the
下地膜１２と触媒金属膜１３の各々の材料は上記に限定されない。
The materials of the
下地膜１２としては、モリブデン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、ニオブ、バナジウム、チタンシリサイド、アルミニウム、タンタル、タングステン、銅、金、白金、パラジウム、及びのいずれかを材料とする金属膜を形成し得る。また、酸化アルミニウム、酸化チタン、窒化チタン、及び窒化タンタルのいずれかを材料とする酸化金属膜や窒化金属膜を下地膜１２として形成してもよい。
As the
一方、触媒金属膜１３としては、鉄、コバルト、ニッケル、金、銀、白金、又はこれらの合金を材料とする金属膜を形成し得る。
On the other hand, as the
更に、触媒金属膜１３に代えて、触媒金属膜１３と同一の材料を含む金属微粒子を下地膜１２の上に付着させてもよい。この場合、金属微粒子は、微分型静電分級器等によって予め所定の直径のもののみが収集されて下地膜１２の上に供給される。
Further, instead of the
次に、図４（ａ）に示すように、触媒金属膜１３の触媒作用を利用して、ホットフィラメントCVD(Chemical Vapor Deposition)法により触媒金属膜１３の上にのみ複数のカーボンナノチューブ１５を選択的に成長させる。このとき、下地膜１２が触媒金属膜１３の触媒作用を活性化させるように機能するため、下地膜１２がない場合と比較して多くの本数のカーボンナノチューブ１５を形成できる。
Next, as shown in FIG. 4A, a plurality of
そのカーボンナノチューブ１５は、触媒金属膜１３の表面に対して垂直な方向に成長する性質がある。よって、本実施形態では各カーボンナノチューブ１５の延在方向が基板１０の法線方向nに平行となる。
The
カーボンナノチューブ１５の成長条件は特に限定されない。本実施形態では、原料ガスとしてアセチレンとアルゴンとをそれぞれ１：９の分圧比で混合してなる原料ガスを使用し、成膜室内の圧力を１kPa、ホットフィラメントの温度を１０００℃、成長時間を２０分とすることによりカーボンナノチューブ１５を成長させる。
The growth conditions of the
この成長条件によれば、カーボンナノチューブ１５の面密度は約１×１０11本／cm2となり、各カーボンナノチューブ１５の直径は４nm〜８nmで平均直径は約６nmとなる。また、成長レートは４μm／minとなり、各カーボンナノチューブ１５の長さは約８０μmとなる。
According to this growth condition, the surface density of the
各カーボンナノチューブ１５においては、その中心軸から外側に向かって単層のグラフェンシートが３層〜６層程度積み重なり、その層数の平均値は４層程度となる。このように多層のグラフェンシートを積層してなるカーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブとも呼ばれる。
In each
このような多層カーボンナノチューブに代えて単層のグラフェンシートを形成してもよい。 A single-layer graphene sheet may be formed instead of such multi-walled carbon nanotubes.
カーボンナノチューブ１５の面密度やサイズは上記に限定されないが、カーボンナノチューブ１５による放熱効果の実効を図るには、なるべく高い面密度、例えば１×１０10本／cm2以上の面密度でカーボンナノチューブ１５を形成するのが好ましい。また、カーボンナノチューブ１５の長さは、最終的な半導体装置の用途によっても異なるが、本実施形態では５μm〜５００μm程度とする。
The surface density and size of the
更に、カーボンナノチューブ１５の成膜方法は上記のホットフィラメントCVD法に限定されず、熱CVD法やリモートプラズマCVD法であってもよい。また、アセチレンに代えてメタン若しくはエチレン等の炭化水素類、又はエタノール若しくはメタノール等のアルコール類を炭素の原料としてもよい。
Further, the film forming method of the
図１２は、本工程を終了した後の基板１０の全体平面図であり、先の図４（ａ）は図１０のI−I線に沿う断面図に相当する。
FIG. 12 is an overall plan view of the
図１２に示すように、カーボンナノチューブ１５が成長する各領域Rは平面視で矩形状である。
As shown in FIG. 12, each region R where the
次いで、図４（ｂ）に示すように、基板１０の上側全面にアトミックレイヤーデポジション（ALD）法により被覆膜１６として酸化アルミニウムの原子層を複数積層する。そのALD法においては、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3）と水（H2O）との混合ガスを使用すると共に、成膜温度を８０℃とすることにより、被覆膜１６を数十nmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a plurality of atomic layers of aluminum oxide are stacked as a
この被覆膜１６は、各カーボンナノチューブ１５の側面１５ａと一方の先端１５ｂと覆ってカーボンナノチューブ１５を補強する機能の他に、後述の封止用の樹脂に対する各カーボンナノチューブ１５の濡れ性を向上させる機能を有する。酸化アルミニウム等の金属酸化物は、これらの機能を有すると共に、熱伝導率が高くカーボンナノチューブの放熱効果を阻害しないので、被覆膜１６の材料として特に好適である。
This
このような機能を有する膜には酸化アルミニウム膜の他に酸化亜鉛膜もあり、酸化亜鉛膜を被覆膜１６として形成してもよい。その場合は、原料ガスとしてジエチル亜鉛（Zn(C2H5)2）と水との混合ガスを使用すればよい。
The film having such a function includes a zinc oxide film in addition to the aluminum oxide film, and the zinc oxide film may be formed as the
更に、銅膜、ルテニウム膜、及びプラチナ膜等の金属膜を被覆膜１６として形成してもよい。
Further, a metal film such as a copper film, a ruthenium film, and a platinum film may be formed as the
また、ALD法においては、成膜雰囲気中で成膜材料が極めて微細な粒状となるため、カーボンナノチューブ１５の根元まで成膜材料が行き渡り、カーボンナノチューブ１５の側面１５ａに被覆膜１６の未形成領域が生じることがない。
Further, in the ALD method, since the film forming material becomes extremely fine particles in the film forming atmosphere, the film forming material reaches the base of the
次に、図５（ａ）に示すように、主面１７ｂに粘着シート１８が貼付されたプレート１７を用意し、粘着シート１８を下にしてプレート１７を基板１０の上方に配する。
Next, as shown in FIG. 5A, the
粘着シート１８は、熱剥離性を有する粘着剤を含浸しており、常温では粘着性を有するものの、加熱によりその粘着力が低下する。このような粘着シート１８としては、例えば、１２０℃で粘着力が十分に低下する日東電工社製のリバルファがある。
The pressure-
また、プレート１７は、粘着シート１８のハンドリング性を高める役割を担うものであり、金属プレート等のように十分な剛性のあるプレートを使用するのが好ましい。本実施形態では、プレート１７としてステンレスプレートを使用する。
Further, the
図１３は、そのプレート１７の全体平面図である。なお、図１３では粘着シート１８を省略してある。
FIG. 13 is an overall plan view of the
図１３に示すように、プレート１７には複数の矩形状の孔１７ａが設けられる。
As shown in FIG. 13, the
次いで、図５（ｂ）に示すように、フリップチップボンダ等の治具２８でプレート１７を吸着しながら、基板１０にプレート１７を近接させる。そして、粘着シート１８の粘着力によりプレート１７の主面１７ｂ側に各カーボンナノチューブ１５の一方の先端１５ｂを固着する。
Next, as shown in FIG. 5B, the
図１４は、本工程を終了後の基板１０とプレート１７の全体平面であり、先の図５（ｂ）は図１４のII−II線に沿う断面図に相当する。なお、図１４では治具２８を省いてある。
FIG. 14 is an overall plan view of the
図１４に示すように、基板１０の個々の領域Rはプレート１７によって覆われ、その領域Rに成長した各カーボンナノチューブ１５の横に孔１７ａが位置する。
As shown in FIG. 14, each region R of the
次に、図６に示すように、治具２８によりプレート１７の裏面を吸着しながら、治具２８を引き上げることにより基板１０からプレート１７を離し、各カーボンナノチューブ１５の他方の先端１５ｃを基板１０から引き剥がす。これにより、当該先端１５ｃが表出した状態で、プレート１７の主面１７ｂ側に各カーボンナノチューブ１５が転写されることになる。
Next, as shown in FIG. 6, while the
なお、カーボンナノチューブ１５と触媒金属膜１３との密着力は先端１５ｃにおいて微弱なため、本工程では容易にプレート１７に各カーボンナノチューブ１５を転写することができる。
Since the adhesion between the
図１５は、カーボンナノチューブ１５側から見たプレート１７の全体平面図であり、先の図６は図１５のIII−III線に沿う断面図に相当する。なお、図１５では治具２８を省いてある。
FIG. 15 is an overall plan view of the
図１５に示すように、カーボンナノチューブ１５は、プレート１７の複数の矩形状の一部領域PRに選択的に固着される。
As shown in FIG. 15, the
ここまでの工程により、プレート１７に対する処理を終える。
The process for the
続いて、図７（ａ）に示すように、上記のカーボンナノチューブ１５を放熱パスとする半導体素子３０を用意する。
Subsequently, as shown in FIG. 7A, a
半導体素子３０は、直径が８インチのシリコン基板２０と、その一方の主面２０ａに形成された半導体回路層２２とを備え、シリコン基板２０に複数形成される。
The
そして、シリコン基板２０の他方の主面２０ｂにはポリイミド膜等のパシベーション膜２１が形成されると共に、そのパシベーション膜２１の開口２１ａ内に銅を材料とするパッド３５が設けられる。
A
パッド３５は、シリコン基板２０を貫通する貫通電極２５を介して上記の半導体回路層２２と電気的に接続される。なお、貫通電極２５の材料は銅である。また、シリコン基板２０は半導体基板の一例である。
The
半導体回路層２２はトランジスタや多層配線を備えており、製品仕様に適した回路構成を有する。その回路構成は、各半導体素子３０で同一であってもよいし、半導体素子３０ごとに異なっていてもよい。
The
更に、後述のように本実施形態の半導体装置は放熱効率に優れているため、その放熱効率を活かすために半導体回路層２２としてパワーアンプのように発熱量が多いものを形成してもよい。
Furthermore, since the semiconductor device of the present embodiment is excellent in heat dissipation efficiency as will be described later, a
図１６は、このシリコン基板２０の全体平面図であり、先の図７（ａ）は図１６のIV−IV線に沿う断面図に相当する。
FIG. 16 is an overall plan view of the
図１６に示すように、各半導体素子３０の配列と平面形状は、プレート１７の一部領域PR（図１５参照）のそれらと同一である。
As shown in FIG. 16, the arrangement and planar shape of each
次に、図７（ｂ）に示すように、治具２８によりプレート１７の裏面を吸着しながら、シリコン基板２０の上方にプレート１７を配する。
Next, as shown in FIG. 7B, the
続いて、図８（ａ）に示すように、治具２８を下降させることにより、各半導体素子３０の表面３０ａに、複数のカーボンナノチューブ１５の他方の先端１５ｃを当接させる。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, the
このとき、各半導体素子３０が備える半導体回路層２２に先端１５ｃを確実に当接させるため、プレート１７の自重に加え、治具２８からカーボンナノチューブ１５に押圧力を加えるのが好ましい。
At this time, it is preferable to apply a pressing force from the
このように押圧力を加えても、被覆膜１６によって各カーボンナノチューブ１５を予め補強してあるので、本工程において各カーボンナノチューブ１５が過度に変形するのを防止できる。
Even if a pressing force is applied in this manner, the
図１７は、本工程におけるシリコン基板２０とプレート１７の全体平面図であり、先の図８（ａ）は図１７のV−V線に沿う断面図に相当する。
FIG. 17 is an overall plan view of the
図１７に示すように、各半導体素子３０とプレート１７の各一部領域PRとは平面視で重なる。
As shown in FIG. 17, each
続いて、図８（ｂ）に示すように、半導体素子３０の表面３０ａとプレートの主面１７ｂとの間に未硬化の熱硬化性の樹脂２７を供給することにより、樹脂２７で各半導体素子３０をウエハレベルで封止する。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, by supplying an uncured
樹脂２７を供給するときの雰囲気は特に限定されない。本実施形態では、大気中において樹脂２７の供給を行う。
The atmosphere when supplying the
その樹脂２７としては、粘度が低く各カーボンナノチューブ１５の間を流通し易い樹脂を使用するのが好ましい。そのような樹脂としては、例えばエポキシ樹脂がある。このように粘度が低い樹脂２７は、毛細管現象によって隣接するカーボンナノチューブ１５の間に容易に入り込み、各カーボンナノチューブ１５の間を隙間なく埋めることができる。
As the
なお、粒状のエポキシ樹脂は、粘度が高くその内部にボイドが発生するおそれがあるので、樹脂２７として使用するのは控えたほうがよい。
Note that the granular epoxy resin has a high viscosity and may cause voids therein, so it is better not to use it as the
また、本実施形態では、カーボンナノチューブ１５と比較して樹脂２７に対する濡れ性が良好な被覆膜１６によって樹脂２７の毛細管現象が促されるため、樹脂２７の内部にボイドが発生する危険性を抑制できる。
Further, in the present embodiment, the capillarity of the
なお、樹脂２７は熱硬化性樹脂に限定されず、放置することで自然に硬化する樹脂であってもよい。
The
図１８は、樹脂２７の供給方法について説明するための平面図である。なお、図１８では治具２８を省略してある。
FIG. 18 is a plan view for explaining a method for supplying the
図１８に示すように、樹脂２７の供給に際しては、プレート１７の孔１７ａの内側にディスペンサのノズル３３を配し、そのノズル３３から孔１７ａの内側に樹脂２７を吐出する。
As shown in FIG. 18, when the
ここで、孔１７ａは、平面視で各半導体素子３０の四方に設けられているので、各々の孔１７ａから樹脂２７を供給することにより、各半導体素子３０の四方から樹脂２７が濡れ広がり、樹脂２７で各半導体素子３０を速やかに覆うことができる。
Here, since the
また、プレート１７の周縁からも樹脂２７の供給を行うことで、プレート１７の周縁の半導体素子３０において樹脂２７が不足するのを防止することができる。
Further, by supplying the
その後、この状態で樹脂２７をその熱硬化温度以上、例えば１００℃以上に加熱し、樹脂２７を熱硬化させる。加熱の方法は特に限定されず、治具２８（図８（ｂ）参照）を介して樹脂２７を加熱してもよいし、不図示のホットプレート上で加熱を行ってもよい。
Thereafter, in this state, the
また、熱硬化時の脱ガスが樹脂２７内に滞留してボイドが発生するのを防止すると共に、樹脂２７の外部に速やかに脱ガスを逃がすために、真空雰囲気等の減圧雰囲気で本工程を行うのが好ましい。
Further, in order to prevent degassing during thermosetting from staying in the
このように脱ガスが発生しても、本実施形態ではプレート１７に複数の孔１７ａを形成したため、脱ガスがその孔１７ａから外部に逃げ、樹脂２７内にボイドが発生し難くなる。
Even if degassing occurs in this way, in the present embodiment, since the plurality of
更に、既述のように粘着シート１８（図８（ｂ）参照）に含浸された粘着剤が熱剥離性を有しているため、樹脂２７の熱硬化と同時に粘着シート１８の粘着力を弱められる。
Further, as described above, the adhesive impregnated in the adhesive sheet 18 (see FIG. 8B) has a heat-releasable property, so that the adhesive force of the
これにより、本実施形態では粘着シート１８の粘着力を弱めるための加熱工程を別途行う必要がなく、工程の簡略化が図られる。
Thereby, in this embodiment, it is not necessary to perform the heating process for weakening the adhesive force of the
次いで、図９（ａ）に示すように、粘着力が低下した粘着シート１８を樹脂２７から剥離することにより、各カーボンナノチューブ１５の一方の先端１５ｂからプレート１７を剥離すると共に、樹脂２７の上面２７ａを露出させる。
Next, as shown in FIG. 9A, the
続いて、図９（ｂ）に示すように、樹脂２７を研磨することによりその上面２７ａを平坦化するのと同時に、上面２７ａに表出している部分の被覆膜１６を研磨して除去し、当該上面２７ａに各カーボンナノチューブ１５の一方の先端１５ｂを表出させる。
Subsequently, as shown in FIG. 9B, the
本工程で使用する研磨剤は特に限定されない。本実施形態では、研磨粒として酸化セリウム（CeO2）粒を用い、これを水に溶いたものを研磨剤として使用する。 The abrasive used in this step is not particularly limited. In the present embodiment, cerium oxide (CeO 2 ) grains are used as the abrasive grains, and those dissolved in water are used as the abrasive.
次に、図１０（ａ）に示すように、例えば蒸着法法により樹脂２７の上面２７ａと各カーボンナノチューブの一方の先端１５ｂの各々の上に金属膜２９として銅膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 10A, a copper film is formed as a
この金属膜２９は、各カーボンナノチューブ１５を伝ってきた各半導体素子３０の熱を基板横方向に逃がす放熱部材としての役割を担うと共に、上記の研磨の際に樹脂２７の上面２７ａに形成された研磨傷２７ｘを埋め込む役割も担う。その研磨傷２７ｘを埋め込むのに十分な厚さ、例えば３００nm以上の厚さに金属膜２９を形成するのが好ましい。
The
ここまでの工程により、本実施形態に係る半導体ウエハWの基本構造が完成する。 Through the steps so far, the basic structure of the semiconductor wafer W according to the present embodiment is completed.
その半導体ウエハWは、各半導体素子３０の表面上に複数のカーボンナノチューブ１５が立設された構造を有しており、各半導体素子３０の半導体回路層２２で発生した熱が各カーボンナノチューブ１５を介して基板の厚さ方向に逃がされる。
The semiconductor wafer W has a structure in which a plurality of
また、このように樹脂２７をその厚み方向に微細なカーボンナノチューブ１５が貫いている構造では、両者の熱膨張率の相違に伴って基板横方向に生じる応力は僅かであり、その応力が原因で半導体ウエハWに反りが顕著に発生することはない。
Further, in the structure in which the
更に、カーボンナノチューブ１５自体が簡単に撓むため、仮に半導体基板２０に反りが発生しても、半導体ウエハW全体がその反りに追従することができる。
Furthermore, since the
この後は、半導体ウエハWから複数の半導体装置を切り出す工程に移る。 Thereafter, the process proceeds to a step of cutting out a plurality of semiconductor devices from the semiconductor wafer W.
まず、図１０（ｂ）に示すように、ダイシングにより半導体素子３０ごとにシリコン基板２５を個片化する。
First, as shown in FIG. 10B, the
そして、図１１に示すように、個片化された各々のシリコン基板２５のパッド３５に外部接続端子３１としてはんだバンプを接合し、本実施形態に係る複数の半導体装置４０の基本構造を完成させる。
Then, as shown in FIG. 11, solder bumps are joined as
その半導体装置４０においては、各カーボンナノチューブ１５が、半導体回路層２２で発生した熱を外部に逃がす放熱パスの一部となる。カーボンナノチューブ１５の熱伝導率は銅等の金属よりも高い３０００W／(m・K)程度の高い値であるため、半導体装置４０の放熱効率は極めて良好である。
In the
しかも、カーボンナノチューブ１５の他方の先端１５ｃを半導体回路層２２と直接接続したので、半導体回路層２２からカーボンナノチューブ１５に熱が直接移動し、放熱効率が向上する。
In addition, since the
更に、樹脂２７の上面２７ａにカーボンナノチューブ１５の一方の先端１５ｂを表出させたため、当該先端１５ｂから外部に熱が速やかに逃がされ、放熱効果の一層の向上が図られる。
Furthermore, since one
また、その先端１５ｂに金属膜２９を直接接続することにより、カーボンナノチューブ１５を伝ってきた熱が先端１５ｂで滞留せずに金属膜２９に拡散し、半導体装置４０の放熱効率が更に高められる。
Further, by directly connecting the
ここで、本実施形態では、図８（ｂ）に示したように、各カーボンナノチューブ１５が半導体素子３０に当接している状態で各カーボンナノチューブ１５の周囲を樹脂２７で埋め込み、その樹脂で各半導体素子３０を封止する。
Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 8B, the periphery of each
このような方法によれば、図２の場合と異なり、樹脂２７による封止の後に金属膜等の放熱部材を埋め込むための開口をその樹脂２７に形成する必要がない。よって、樹脂２７による封止の気密性が破られることがなく、気密性の維持と放熱効率の向上とを両立させることができる。
According to such a method, unlike the case of FIG. 2, it is not necessary to form an opening in the
また、カーボンナノチューブ１５の長さはその成長時間によって簡単に制御できる。よって、図２のように放熱パスとしてメッキ法で金属膜９を形成する場合と異なり、カーボンナノチューブ１５を長くすることにより十分に長い放熱パスを形成でき、放熱パスの長さの制約が解消される。
Further, the length of the
以上、本実施形態について詳細に説明したが、本実施形態は上記に限定されない。 Although the present embodiment has been described in detail above, the present embodiment is not limited to the above.
例えば、上記では図１１のように放熱部材として金属膜２９を形成したが、これに代えて図１９のような銅製の金属板３３を放熱部材として設けてもよい。
For example, in the above description, the
図１９は、本実施形態の他の例に係る半導体装置の断面図である。 FIG. 19 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to another example of this embodiment.
図１９に示すように、金属板３３には銅を材料とする放熱フィン３３ａが設けられており、これにより金属板３３の放熱効率が高められる。また、この場合においても、カーボンナノチューブ１５の一方の先端１５ｂを金属板３３に直接接続することにより、先端１５ｂから金属板３３に熱を逃がして更なる放熱効率の向上が実現できる。
As shown in FIG. 19, the
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are disclosed for each embodiment described above.
（付記１） 半導体素子と、
前記半導体素子の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、
前記半導体素子の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂と、
を有することを特徴とする半導体装置。
(Supplementary note 1) a semiconductor element;
A plurality of carbon nanotubes erected on the surface of the semiconductor element;
A resin that covers the surface of the semiconductor element and a side surface of the carbon nanotube and has an upper surface on which the tip of the carbon nanotube is exposed;
A semiconductor device comprising:
（付記２） 前記カーボンナノチューブと前記半導体素子の前記表面とが直接接続されたことを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
（付記３） 前記カーボンナノチューブの前記側面を覆う被覆膜を更に有し、
前記被覆膜の上に前記樹脂が設けられたことを特徴とする付記１又は付記２に記載の半導体装置。
(Additional remark 3) It further has a coating film which covers the side surface of the carbon nanotube,
The semiconductor device according to
（付記４） 前記被覆膜の材料は金属酸化物であることを特徴とする付記３に記載の半導体装置。
(Additional remark 4) The material of the said coating film is a metal oxide, The semiconductor device of
（付記５） 前記金属酸化物は酸化アルミニウム又は酸化亜鉛であることを特徴とする付記４に記載の半導体装置。
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to
（付記６） 前記樹脂の前記上面と前記カーボンナノチューブの前記先端の各々の上に放熱部材が設けられたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれかに記載の半導体装置。
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to any one of
（付記７） 前記放熱部材は金属膜であることを特徴とする付記６に記載の半導体装置。
(Additional remark 7) The said heat radiating member is a metal film, The semiconductor device of
（付記８） 前記放熱部材は金属板であることを特徴とする付記６に記載の半導体装置。
(Additional remark 8) The said heat radiating member is a metal plate, The semiconductor device of
（付記９） 前記半導体素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に形成された半導体回路層とを有し、
前記半導体回路層の上に前記カーボンナノチューブが立設されたことを特徴とする付記１乃至付記８のいずれかに記載の半導体装置。
(Supplementary Note 9) The semiconductor element is
A semiconductor substrate;
A semiconductor circuit layer formed on one main surface of the semiconductor substrate;
9. The semiconductor device according to any one of
（付記１０） 前記半導体基板を貫通し、かつ、前記半導体回路層と電気的に接続された貫通電極と、
前記半導体基板の他方の主面に形成され、かつ、前記貫通電極と電気的に接続されたパッドと、
前記パッドの上に設けられた端子とを更に有することを特徴とする付記９に記載の半導体装置。
(Supplementary Note 10) A through electrode penetrating the semiconductor substrate and electrically connected to the semiconductor circuit layer;
A pad formed on the other main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to the through electrode;
The semiconductor device according to
（付記１１） 半導体基板と、
前記半導体基板に形成された複数の半導体素子と、
複数の前記半導体素子の各々の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、
複数の前記半導体素子の各々の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂と、
を有することを特徴とする半導体ウエハ。
(Appendix 11) a semiconductor substrate;
A plurality of semiconductor elements formed on the semiconductor substrate;
A plurality of carbon nanotubes erected on the surface of each of the plurality of semiconductor elements;
A resin that covers the surface of each of the plurality of semiconductor elements and the side surface of the carbon nanotube, and has an upper surface on which the tip of the carbon nanotube is exposed;
A semiconductor wafer comprising:
（付記１２） 複数のカーボンナノチューブの一方の先端をプレートの表面に固着する工程と、
半導体素子の表面に、複数の前記カーボンナノチューブの他方の先端を当接させる工程と、
前記他方の先端が前記半導体素子の前記表面に当接した状態で、前記半導体素子の前記表面と前記プレートの前記表面との間に樹脂を供給する工程と、
前記樹脂を供給する工程の後、複数の前記カーボンナノチューブの前記一方の先端から前記プレートを剥離する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 12) A step of fixing one end of a plurality of carbon nanotubes to the surface of a plate;
Contacting the other tip of the plurality of carbon nanotubes with the surface of the semiconductor element;
Supplying the resin between the surface of the semiconductor element and the surface of the plate with the other tip in contact with the surface of the semiconductor element;
After the step of supplying the resin, the step of peeling the plate from the one tip of the plurality of carbon nanotubes,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
（付記１３） 前記半導体素子の前記表面に、複数の前記カーボンナノチューブの他方の前記先端を当接させる工程の前に、前記カーボンナノチューブの側面と一方の前記先端とに被覆膜を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１２に記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 13) The process of forming a coating film in the side surface of the said carbon nanotube, and one said front-end | tip before the process which abuts the other said front-end | tip of the said several carbon nanotube to the said surface of the said semiconductor element The manufacturing method of a semiconductor device according to
（付記１４） 前記プレートを剥離する工程の後、前記樹脂を研磨することにより、該樹脂の上面に一方の前記先端を表出させる工程を更に有することを特徴とする付記１３に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 14) The semiconductor device according to
（付記１５） 前記樹脂を研磨する工程の後、前記樹脂の前記上面と前記カーボンナノチューブの前記一方の先端の各々の上に金属膜を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１４に記載の半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 15) The supplementary note 14, further comprising a step of forming a metal film on each of the upper surface of the resin and the one end of the carbon nanotube after the step of polishing the resin. Semiconductor device manufacturing method.
（付記１６） 前記プレートの前記表面に、複数の前記カーボンナノチューブの一方の前記先端を固着する工程は、熱剥離性を有する粘着剤を介して一方の前記先端を前記プレートの前記表面に固着することにより行われると共に、
前記プレートを剥離する工程の前に、前記粘着剤を加熱することにより、該粘着剤の粘着力を弱める工程を更に有することを特徴とする付記１２乃至付記１５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 16) In the step of fixing one of the tips of the plurality of carbon nanotubes to the surface of the plate, the one tip is fixed to the surface of the plate via a heat-peelable adhesive. As well as
16. The semiconductor device according to any one of
（付記１７） 前記樹脂として熱硬化性樹脂を使用すると共に、
前記粘着剤の粘着力を弱める工程において、前記樹脂を加熱して熱硬化させることを特徴とする付記１６に記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 17) While using a thermosetting resin as the resin,
The method of manufacturing a semiconductor device according to
（付記１８） 前記半導体素子は半導体基板に複数形成されており、
前記複数のカーボンナノチューブの一方の前記先端を前記プレートの前記表面に固着する工程において、前記プレートの前記表面において前記複数の半導体素子の各々に対応する複数の一部領域に選択的に前記カーボンナノチューブを固着することを特徴とする付記１２乃至付記１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 18) A plurality of the semiconductor elements are formed on a semiconductor substrate,
In the step of fixing the tip of one of the plurality of carbon nanotubes to the surface of the plate, the carbon nanotubes are selectively formed in a plurality of partial regions corresponding to each of the plurality of semiconductor elements on the surface of the plate. 18. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
（付記１９） 前記プレートは、平面視で前記半導体素子の横に複数の孔を備え、
前記樹脂を供給する工程において、前記孔から前記樹脂の供給を行うことを特徴とする付記１２乃至付記１８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 19) The plate includes a plurality of holes beside the semiconductor element in plan view,
19. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
（付記２０） 基板の表面に複数の前記カーボンナノチューブを成長させる工程を更に有し、
一方の前記先端を前記プレートの前記表面に固着する工程は、前記基板に前記プレートを近接させることにより行われ、
前記一方の先端を前記プレートの前記表面に固着する工程の後、前記プレートを前記基板から離すことにより、複数の前記カーボンナノチューブの他方の前記先端を前記基板から引き剥がすことを特徴とする付記１２乃至付記１９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 20) It further has the process of making the said carbon nanotube grow on the surface of a board | substrate,
The step of fixing one of the tips to the surface of the plate is performed by bringing the plate close to the substrate,
１…半導体ウエハ、２…シリコン基板、３…半導体回路層、４…樹脂、４ａ…開口、６…半導体素子、９…金属膜、１０…基板、１１…熱酸化膜、１２…下地膜、１３…触媒金属膜、１５…カーボンナノチューブ、１５ａ…側面、１５ｂ、１５ｃ…先端、１６…被覆膜、１７…プレート、１７ａ…孔、１７ｂ…主面、１８…粘着シート、２０…シリコン基板、２０ａ、２０ｂ…主面、２１…パシベーション膜、２１ａ…開口、２２…半導体回路層、２５…貫通電極、２７…樹脂、２７ａ…上面、２７ｘ…研磨傷、２８…治具、３０…半導体素子、３０ａ…表面、２９…金属膜、３１…外部接続端子、３３…金属板、３３ａ…放熱フィン、４０…半導体装置、R…領域、PR…一部領域、L…ダイシングライン。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体素子の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、
前記半導体素子の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂と、
を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor element;
A plurality of carbon nanotubes erected on the surface of the semiconductor element;
A resin that covers the surface of the semiconductor element and a side surface of the carbon nanotube and has an upper surface on which the tip of the carbon nanotube is exposed;
A semiconductor device comprising:
前記被覆膜の上に前記樹脂が設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。 A coating film covering the side surface of the carbon nanotube;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the resin is provided on the coating film.
前記半導体基板に形成された複数の半導体素子と、
複数の前記半導体素子の各々の表面に立設された複数のカーボンナノチューブと、
複数の前記半導体素子の各々の前記表面と前記カーボンナノチューブの側面とを覆い、かつ、前記カーボンナノチューブの先端が表出する上面を備えた樹脂と、
を有することを特徴とする半導体ウエハ。 A semiconductor substrate;
A plurality of semiconductor elements formed on the semiconductor substrate;
A plurality of carbon nanotubes erected on the surface of each of the plurality of semiconductor elements;
A resin that covers the surface of each of the plurality of semiconductor elements and the side surface of the carbon nanotube, and has an upper surface on which the tip of the carbon nanotube is exposed;
A semiconductor wafer comprising:
半導体素子の表面に、複数の前記カーボンナノチューブの他方の先端を当接させる工程と、
前記他方の先端が前記半導体素子の前記表面に当接した状態で、前記半導体素子の前記表面と前記プレートの前記表面との間に樹脂を供給する工程と、
前記樹脂を供給する工程の後、複数の前記カーボンナノチューブの前記一方の先端から前記プレートを剥離する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Fixing one tip of a plurality of carbon nanotubes to the surface of the plate;
Contacting the other tip of the plurality of carbon nanotubes with the surface of the semiconductor element;
Supplying the resin between the surface of the semiconductor element and the surface of the plate with the other tip in contact with the surface of the semiconductor element;
After the step of supplying the resin, the step of peeling the plate from the one tip of the plurality of carbon nanotubes,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記プレートを剥離する工程の前に、前記粘着剤を加熱することにより、該粘着剤の粘着力を弱める工程を更に有することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。 The step of fixing one of the tips of the plurality of carbon nanotubes to the surface of the plate is performed by fixing one of the tips to the surface of the plate via a heat-releasable adhesive. With
9. The method according to claim 6, further comprising a step of weakening an adhesive force of the adhesive by heating the adhesive before the step of peeling the plate. Semiconductor device manufacturing method.
前記粘着剤の粘着力を弱める工程において、前記樹脂を加熱して熱硬化させることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。 While using a thermosetting resin as the resin,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein in the step of weakening the adhesive force of the adhesive, the resin is heated and cured.
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