JP7240149B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本実施形態は、半導体装置に関する。
半導体ウェハをダイシングして半導体チップへ個片化するとき、あるいは、個片化後、半導体チップの端部のダイシング領域において材料膜が基板から剥がれることがある。このような材料膜の剥がれは、ダイシング領域からデバイス領域へ進展すると、半導体チップの不良の原因となってしまう。
特開平10-270388号公報(米国特許第5798302号公報) 米国特許第8970008号公報 米国特許第6492247号公報
材料膜の剥がれがデバイス領域へ進展することを抑制することができる半導体装置を提供する。
本実施形態による半導体装置は、半導体素子が設けられた第1領域、および、第1領域から端部まで設けられた第2領域を有する基板を備える。材料膜は、第1および第2領域の上方に設けられている。第1金属膜は、第2領域の材料膜上、あるいは、第1領域と第2領域との間の材料膜上に設けられている。第1領域における材料膜の表面および第1金属膜の下の材料膜の表面から基板へ向かって窪んでいる溝部が、第1金属膜と第1領域との間の材料膜に設けられている。
第1実施形態に従った半導体ウェハの一例を示す概略平面図。 第1実施形態によるダイシング方法の一例を示す図。 図2に続く、ダイシング方法の一例を示す図。 図2に続く、ダイシング方法の一例を示す図。 図2に続く、ダイシング方法の一例を示す図。 図3に続く、ダイシング方法の一例を示す図。 図3に続く、ダイシング方法の一例を示す図。 図6に続く、ダイシング方法の一例を示す図 ダイシング後の1つの半導体チップの構成例を示す概略平面図。 図9の10-10線に沿った断面図。 亀裂が溝部まで達した様子を示す図。 半導体装置のパッケージング後の状態を示す断面図。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。以下の実施形態において、半導体基板の上下方向は、半導体素子が設けられる面を上とした場合の相対方向を示し、重力加速度に従った上下方向と異なる場合がある。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に従った半導体ウェハの一例を示す概略平面図である。半導体ウェハWは、複数のデバイス領域Rdevと、複数のダイシング領域Rdicとを備えている。デバイス領域Rdevおよびダイシング領域Rdicは、半導体ウェハWの表面上の領域である。
第1領域としてのデバイス領域Rdevには、トランジスタ、メモリセルアレイ等の半導体素子(図示せず)が設けられている。半導体素子は、半導体製造プロセスを経て半導体ウェハW上に形成される。半導体素子は、例えば、NAND型フラッシュメモリのメモリセルアレイあるいはその制御回路でもよい。メモリセルアレイは、例えば、三次元的にメモリセルを配置した立体型メモリセルアレイでもよい。勿論、本実施形態は、半導体メモリ以外のLSI(Large Scale Integration)にも適用可能である。
第2領域としてのダイシング領域Rdicは、隣接するデバイス領域Rdev間のライン状の領域であり、ダイシングによって切断される領域である。ダイシング領域Rdicは、ダイシングラインとも呼ばれる。本実施形態によれば、レーザを基板10に照射することによって、ダイシング領域Rdicの基板10内部に改質部LM(図4参照)を形成し、その改質部LMを起点として半導体ウェハWを劈開する。これにより、半導体ウェハWがデバイス領域Rdevごとに個片化され、半導体チップとなる。尚、半導体としてシリコンを例示するが、シリコン以外の半導体を用いてもよい。
次に、半導体ウェハWのダイシング方法について説明する。本実施形態において、半導体ウェハWは、レーザ光を用いたレーザダイシング法で切断される。レーザ光には、例えば、赤外領域の透過レーザを用いている。尚、レーザダイシング法に代えて、ブレードダイシング法等の他のダイシング方法を用いてもよい。
図2~図8は、第1実施形態によるダイシング方法の一例を示す図である。ここで、半導体ウェハW上に形成された半導体素子の図示は省略されている。基板10および半導体素子の上方に設けられた材料膜20は、簡略化して図示されている。材料膜20の構成については、図10を参照して後で説明する。
まず、図2に示すように、半導体ウェハWの表面に、ダイシング用の保護テープ110を貼付する。保護テープ110は、レーザダイシング時に半導体素子や材料膜20等を保護する。
次に、半導体ウェハWおよび保護テープ110を上下反転させて、図3および図4に示すように、レーザ発振器120を用いて、半導体ウェハWの裏面からダイシング領域Rdicに対応する部分にレーザ光121を照射する。これにより、図4に示すように、半導体ウェハWの内部に改質部(アモルファス層またはポリシリコン層)LMを形成する。改質部LMは、ダイシング領域Rdic内の基板10内に形成される。
図5は、レーザ光121を照射しているときの様子を示す斜視図である。レーザ発振器120は、矢印Aで示すように、Y方向へ移動しながら、レーザ光121をパルス照射する。これにより、改質部LMは、Y方向に断続的に形成され、ダイシング領域Rdicに沿って略平行に形成される。このような改質部LMは、断続的に形成されるが、Y方向に繋がってほぼ層状になる。改質部LMは、単層でもよいが、Z方向に異なる位置(高さ)に形成された複数の層を形成してもよい。
次に、図6に示すように、半導体ウェハWの裏面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨する。砥石130によって研磨されることより、半導体ウェハWは、薄化されるだけでなく、図7に示すように、研磨の振動によって劈開131が改質部LMからZ方向に広がる。半導体ウェハWは、改質部LMが除去されるまで研磨される。
次に、接着層を有するダイシングテープ136上に半導体ウェハWの裏面を接着し、ダイシングテープ136をリング135で固定する。次に、図8に示すように、ダイシングテープ136を下方から押上部材140で押し上げることによって、ダイシングテープ136を引っ張る(エキスパンドさせる)。これにより、ダイシングテープ136とともに半導体ウェハWが外方向へ引っ張られる。このとき、改質部LMを起点として半導体ウェハWが改質部LMに沿って(即ち、ダイシングラインに沿って)さらに劈開され、複数の半導体チップに個片化される。
尚、上記例では、レーザ照射の後に、半導体ウェハWの裏面を研磨している。しかし、半導体ウェハWの裏面を研磨した後に、レーザ照射を行ってもよい。また、本実施形態では、レーザダイシング法を説明しているが、ブレードダイシング法等の他のダイシング方法を用いてもよい。ブレードダイシング法は、レーザダイシング法よりも、半導体ウェハWを激しく振動させ、材料膜20や基板10を直接ブレードで切削するため、図10に示す亀裂CRが発生し易い。従って、本実施形態の効果は、ブレードダイシング法に適用することによってさらに有効に機能する。
その後、半導体チップは、それぞれピックアップされて樹脂基板(図示せず)上に実装される。半導体チップは、樹脂基板と金属ワイヤでボンディングされ、樹脂で封止される。これにより、半導体パッケージが完成する。
図9は、ダイシング後の1つの半導体チップ1の構成例を示す概略平面図である。半導体チップ1は、その表面にデバイス領域Rdevおよびダイシング領域Rdicを有する。第1領域としてのデバイス領域Rdevは、基板10(図10参照)の表面において半導体素子が設けられている領域である。ダイシング領域Rdicは、基板10の表面においてデバイス領域Rdevより基板10の端部の領域であり、ダイシング工程で切断のために用いられる領域である。ダイシング領域Rdicには、第1金属膜40eおよび突出部70が設けられている。第1金属膜40eおよび突出部70は、デバイス領域Rdevから離間した位置にデバイス領域Rdevの周囲を取り囲むように配置されている。第1金属膜40eおよび突出部70については、図10を参照して後でより詳細に説明する。ダイシング領域Rdic、第1金属膜40eおよび突出部70は、ダイシング工程で全て除去されても構わないが、通常、図9に示すようにデバイス領域Rdevの外周に少なくとも部分的に残る。
図10は、図9の10-10線に沿った断面図である。半導体装置としての半導体チップ1は、基板10と、素子分離部12と、金属化合物層15と、半導体素子17と、材料膜20と、クラックストッパ30と、金属膜40と、パッシべーション膜50とを備えている。
基板10は、上述の通り、例えば、シリコン基板等の半導体基板である。基板10のデバイス領域Rdevに設けられた半導体素子17は、例えば、メモリセルアレイまたはCMOS回路等でよい。
金属化合物層15は、基板10上に設けられており、デバイス領域Rdevのトランジスタのゲート電極(図示せず)に用いられる。金属化合物層15には、例えば、タングステンシリサイド(WSi)またはタングステンナイトライド(WN)等の導電性金属化合物が用いられる。ダイシング領域Rdicにおいて金属化合物層15は、残置しているものの、半導体素子17の要素としては設けられていない。ダイシング領域Rdicにおいて金属化合物層15は、基板10の表面の平坦性を維持し、リソグラフィ工程における位置合わせを容易にするために設けられている。
素子分離部12は、デバイス領域Rdevにおいて、アクティブエリアを規定し、アクティブエリア間を電気的に分離するために設けられている。素子分離部12は、STI(Shallow Trench Isolation)とも呼ばれる。素子分離部12は、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間にも設けられている。例えば、素子分離部12のうち半導体チップ1の外縁に最も近い素子分離部12eは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間に設けられ、金属化合物層15を分断するように設けられている。素子分離部12eは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間に設けられているが、ダイシング領域Rdic内に設けられていてもよい。また、平面レイアウトにおいて、素子分離部12eは、図9の半導体チップ1の外縁に沿って(ダイシング領域Rdicに沿って)デバイス領域Rdevの外周全体を取り囲むように設けられている。素子分離部12eは、金属化合物層15と材料膜20との間に亀裂CRが入ったときに、その亀裂CRの進展を抑制し、あるいは、亀裂CRの方向を変化させる機能を有する。素子分離部12eは、ダイシング領域Rdicにあるテストパターンを分離する機能を兼ね備えてもよい。
材料膜20は、デバイス領域Rdevおよびダイシング領域Rdic上に設けられている。半導体素子17がメモリセルアレイである場合、ダイシング領域Rdicの材料膜20は、例えば、複数のシリコン酸化膜(SiO)と複数のシリコン窒化膜(SiN)とを交互に積層した積層膜(以下、ONON膜ともいう)、あるいは、複数のシリコン酸化膜(SiO)と複数の第2金属膜(例えば、タングステン膜(W))とを交互に積層した積層膜(以下、OWOW膜とも言う)となる。ONON膜は、メモリセルアレイの形成工程において用いられる積層膜である。メモリセルアレイの形成工程において、ONON膜のシリコン窒化膜は、第2金属膜(例えば、タングステン膜)に置換され、OWOW膜となる。OWOW膜は、メモリセルアレイの構成要素として用いられる。このとき、第2金属膜は、メモリセルアレイのワード線として機能する。材料膜20は、ONON膜またはOWOW膜のいずれであってもよい。
半導体素子17がLSIのCMOSトランジスタである場合、ダイシング領域Rdicの材料膜20は、CMOSトランジスタを被覆する層間絶縁膜でよい。例えば、ダイシング領域Rdicの材料膜20は、TEOS膜等のシリコン酸化膜からなる単層膜でよい。
クラックストッパ30は、デバイス領域Rdevの外縁の材料膜20中に設けられ、該材料膜20の表面から基板10へ向かってZ方向に延在している。クラックストッパ30には、例えば、タングステン等の金属が埋め込まれている。クラックストッパ30は、デバイス領域Rdevの外周全体を取り囲むように設けられている。これにより、クラックストッパ30は、亀裂CRがデバイス領域Rdevの内部まで進展することを抑制する。クラックストッパ30は、ガードリングとも呼ばれる。
金属膜40は、例えば、ボンディングパッドの形成材料として用いられる。金属膜40には、例えば、タングステン等の導電性金属を用いている。金属膜40のうち半導体チップ1の外縁に最も近い第1金属膜40eは、ダイシング領域Rdicの材料膜20上、あるいは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間の材料膜20上に設けられ、デバイス領域Rdevからは離間した位置に配置されている。第1金属膜40eは、ボンディングパッドを露出させる際のエッチング工程においてマスクとして機能し、溝部TRを形成するために設けられている。このエッチング工程によって、第1金属膜40eの下には、材料膜20からなる突出部70が形成される。突出部70も、第1金属膜40eと同様に、デバイス領域Rdevから離間した位置にデバイス領域Rdevの周囲を取り囲むように配置されている。これにより、デバイス領域Rdevと突出部70との間に溝部TRが形成される。
パッシべーション膜50は、デバイス領域Rdevの材料膜20を被覆し、半導体素子17および材料膜20等を保護している。パッシべーション膜50は、例えば、ポリイミドである。
溝部TRは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間に設けられており、素子分離部12よりもデバイス領域Rdevの近くに設けられている。溝部TRは、デバイス領域Rdevにおける材料膜20の表面および第1金属膜40eの下の材料膜20の表面から基板10へ向かって窪んでいる。即ち、溝部TRは、その周囲の材料膜20の表面よりも低い位置へ窪んでいる。尚、第1金属膜40eよりも外側のダイシング領域Rdicにおいて、材料膜20は、溝部TRと同様にエッチングされている。しかし、第1金属膜40eよりも外側のダイシング領域Rdicでは、材料膜20は、エッチングされていなくても構わない。
また、溝部TRは、デバイス領域Rdevの外周全体を取り囲むように設けられていることが好ましい。ただし、溝部TRは、材料膜20が剥がれ易く亀裂CRの生じ易い箇所に部分的に設けられてもよい。さらに、溝部TRの底部は、平面、曲面になっていてもよく、尖っていてもよい。
ここで、ダイシング領域Rdicにおいて、金属化合物層15が基板10と材料膜20との間に設けられていると、ダイシング工程における衝撃、あるいは、TCT(Thermal Cycle Test)におけるストレス等で、材料膜20が半導体チップ1の端部において金属化合物層15から剥がれやすくなる。材料層20が金属化合物層15から剥がれると、亀裂CRが材料層20と金属化合物層15との間を素子分離部12eへ向かって進展する。即ち、亀裂CRは、半導体チップ1の端部からデバイス領域Rdevへ向かって進展する。素子分離部12eは、金属化合物層15を分断しているので、亀裂CRの進展は、素子分離部12eに達すると停止することもある。しかし、材料膜20の厚みは基板10のそれよりも薄く、機械的応力に対して弱いため、亀裂CRがさらに進展すると、亀裂CRは、材料膜20内を進展する。即ち、亀裂CRは、素子分離部12eの上面へ向かって(基板10から離れるZ方向)へ進展しようとする。従って、材料膜20には、半導体チップ1の端部からデバイス領域Rdevへ向かう力と素子分離部12eから上方(Z方向)へ向かう力とが印加される。これにより、亀裂CRは、素子分離部12eからデバイス領域Rdevへ向かって斜め上方向へ材料膜20内を進展する。
溝部TRは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間の材料膜20の表面に設けられており、かつ、素子分離部12eよりもデバイス領域Rdevの近くに設けられている。従って、溝部TRは、素子分離部12eの斜め上方向に位置するので、亀裂CRは、溝部TRへ向かって進展し易く、溝部TRに達すると、進展が終了する。即ち、溝部TRは、亀裂CRを誘導し、亀裂CRをデバイス領域Rdev側へ進展させること無く終端させる機能を有する。
溝部TRが亀裂CRを有効に誘導するためには、溝部TRは、他の材料で埋め込まれず空洞になっていることが好ましい。即ち、溝部TRが形成されてから半導体チップ1が実装されるまで(例えば、ダイシング工程およびTCT工程を行う際)、溝部TRは、空洞になっていることが好ましい。尚、溝部TRの内面に薄膜が付着することは問題無い。また、TCT工程では、溝部TRは、封止樹脂で埋まっていることもある。この場合、溝部TRの亀裂誘導効果は幾分低下するものの、依然として有効である。
図11は、亀裂CRが溝部TRまで達した様子を示す図である。亀裂CRは、半導体チップ1の端部から広がり、素子分離部12eに達すると、溝部TRへ向かって斜め上方向へ進展する。亀裂CRが溝部TRに達すると、亀裂CRはそれ以上進展しない。尚、半導体チップ1の端部の材料膜20は、残置せず、飛ばされて除かれてしまう場合もある。しかし、ダイシング領域Rdicにおいて材料膜20は不要であるため、無くなっても問題ない。勿論、半導体チップ1の端部に材料膜20はそのまま残っても問題ない。
亀裂CRを誘導しやすい溝部TRの位置は、材料膜20の膜厚等の条件によって異なり、一概には言えない。しかし、例えば、材料膜20がONON膜であり、膜厚が約5μm~15μmである場合、基板10の表面上方から見たときの平面レイアウトにおいて、溝部TRは、素子分離部12eから約5μmデバイス領域Rdev側へ近づけた位置に設けることが好ましい。
溝部TRを素子分離部12eよりもデバイス領域Rdevの近くに配置するために、第1金属膜40eは、素子分離部12eの直上に配置してもよい。即ち、基板10の表面上方から見たときの平面レイアウトにおいて、第1金属膜40eは、素子分離部12eとほぼ同一の位置に配置すればよい。これにより、溝部TRは、自己整合的に、素子分離部12eよりもデバイス領域Rdevの近くに配置される。
図12は、半導体装置のパッケージング後の状態を示す断面図である。ダイシング後、半導体チップ1は、実装基板(図示せず)に実装され、樹脂部としての樹脂60で封止される。樹脂60は、ダイシング領域Rdicおよびデバイス領域Rdevの両方の上方に設けられている。また、図12に示すように、第1金属膜40eおよび突出部70がまだ存在する場合、樹脂60は、材料膜20、第1金属膜40e、突出部70およびパッシべーション膜50を被覆し、それらに接触する。溝部TRは、樹脂60で充填される。
以上のように、本実施形態によれば、溝部TRは、デバイス領域Rdevとダイシング領域Rdicとの間の材料膜20の表面に設けられており、かつ、素子分離部12eよりもデバイス領域Rdevの近くに設けられている。これにより、溝部TRは、材料膜20と金属化合物層15との間に生じる亀裂CRを誘導し、亀裂CRの進展を終端させることができる。即ち、溝部TRは、材料膜20の剥がれがデバイス領域Rdevへ進展することを抑制することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
W 半導体ウェハ、Rdev デバイス領域、Rdic ダイシング領域、10 基板、1 半導体チップ、10 基板、12 素子分離部、15 金属化合物層、17 半導体素子、20 材料膜、30 クラックストッパ、40 金属膜、50 パッシべーション膜、CR 亀裂

Claims (7)

  1. 半導体素子が設けられた第1領域、および、前記第1領域よりも端部側に設けられた第2領域を有する基板と、
    前記基板に設けられた材料膜と、
    前記材料膜に設けられた第1金属膜と、
    前記第1領域と前記第2領域との間で前記第1金属膜よりも前記第1領域に近い側に設けられ、前記材料膜の表面から前記基板へ向かって窪むように形成された溝部と、
    前記基板の表面に垂直な方向を第1方向とし、前記基板の表面に平行な方向を第2方向としたとき、前記第1方向から見たとき、前記溝部と少なくとも一部が重なるように前記基板の表面に設けられた素子分離部と、
    前記第2方向から見たとき、前記溝部よりも前記第1領域に近い部分に設けられ、前記基板から前記第1方向に沿って伸びる第1導電体と、
    前記溝部を埋める第1樹脂と、備え、
    前記溝部のもっとも前記基板に近い底部は、前記第1方向に沿って、前記第1導電体の上端部と前記第1導電体の下端部との間にある、
    半導体装置。
  2. 前記材料膜には、前記素子分離部から前記溝部へ延びる亀裂がある、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記基板と前記材料膜との間に設けられた金属化合物層をさらに備え、
    前記材料膜の端部から前記素子分離部まで前記材料膜と前記金属化合物層との間に亀裂があり、該亀裂は前記素子分離部から前記溝部へと延びている、請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記材料膜は、複数のシリコン酸化膜と複数のシリコン窒化膜または複数の第2金属膜とを交互に積層した積層膜、あるいは、絶縁膜からなる単層膜であり、
    前記金属化合物層は、タングステンシリサイド(WSi)またはタングステンナイトライド(WN)である、請求項3に記載の半導体装置。
  5. 前記素子分離部は、前記金属化合物層を分断している、請求項3に記載の半導体装置。
  6. 前記第2方向から見たとき、前記第1金属膜よりも前記端部側にある前記材料膜の表面は、前記第1方向からみて前記第1金属膜と重なる部分の前記材料膜の表面よりも前記基板に近い位置にあ請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記材料膜は、 複数のシリコン酸化膜と複数のシリコン窒化膜とを交互に積層した積層膜であり、
    前記半導体素子はメモリセルアレイであり、該メモリセルアレイは、複数のシリコン酸化膜と複数の金属膜とを交互に積層した積層膜を含む、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の半導体装置。
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