JP5010247B2

JP5010247B2 - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP5010247B2
Application number: JP2006313379A
Authority: JP
Inventors: 勝彦北川; 裕之篠木; 眞三石部; 紘士山田
Original assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Current assignee: On Semiconductor Trading Ltd
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: US8686526B2; JP2008130768A; US20080135967A1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に受光素子を備えるパッケージ型の半導体装置に関するものである。

従来より、光を読み取る素子として、CCD(Charge Coupled Device)センサーやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサー、赤外線(Infrared Rays)を電気的に検出するセンサ（ＩＲセンサ）などが開発されている。これらは、光を電気信号に変換することができる素子である。

これらのデバイス素子は半導体チップ上に形成され、当該半導体チップは所定の構造に封止される。図１０は従来の封止構造の概略を示す断面図である。

シリコン等から成る半導体基板１００の表面には、デバイス素子１０１（例えば、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーや赤外線センサー等の受光素子）と、デバイス素子１０１と電気的に接続されたパッド電極１０２が形成されている。

半導体基板１００は、不図示の接着層を介して支持基板１０３（例えばガラスエポキシ基板）と貼り合わされている。支持基板１０３には、表面から裏面にかけて貫通するスルーホール１０４が形成されている。スルーホール１０４内には、ハンダやアルミニウム等の導電体から成るリード電極１０５が形成されている。リード電極１０５は、ボンディングワイヤ１０６を介してパッド電極１０２と接続されている。

支持基板１０３の表面上に、透明の封止用エポキシ樹脂１０７が、半導体基板１００やボンディングワイヤ１０６等の全体を被覆するようにして形成されている。

この半導体装置を実装基板（不図示）に組み込む際には、支持基板１０３の裏面側のリード電極１０５を実装基板上の配線パターンに接続する。

ところで、近年ブルーレイディスク(Blu-ray Disc)や、ＨＤ‐ＤＶＤ(High Definition Digital Versatile Disc)と呼ばれる次世代光ディスクが開発されている。そして、これらの光ディスクに使用される特定の波長（約４００〜４１５ｎｍ）の光（以下、青紫色レーザーと称する）が、上述した従来構造の封止用樹脂（エポキシ樹脂１０７）に当たると当該樹脂が劣化し、その劣化した樹脂によって半導体装置の動作品質（青紫色レーザーの透過率や、半導体装置の耐久性）が低下するという問題があった。このような樹脂の劣化は、上記次世代光ディスクが開発される以前は大きな問題とされていなかった。

なお、ここでいう樹脂の劣化とは、樹脂が例えば黄色く変色し、透明度が落ちていくようなことである。樹脂の劣化は、分子間結合が青紫色レーザーあるいは青紫色レーザーによる発熱によって切断され、さらに酸化されることによって引き起こされるものであると考えられる。

そこで、このような問題を回避するため、青紫色レーザーを受光する半導体装置としては、図１１に示すように、封止用のエポキシ樹脂１０７をデバイス素子１０１上に形成していなかった。つまり、デバイス素子１０１は外部に露出した状態で他の実装基板に組み込まれていた。

なお、本発明に関連する技術は、例えば以下の特許文献に記載されている。
特開２００５−１２３５５３号公報

しかしながら、図１１で説明した従来の青紫色レーザーを受光する半導体装置では、デバイス素子１０１が露出している。そのため、製造工程の途中や実際の使用状態において、デバイス素子１０１の表面に異物が付着するおそれが高く、信頼性及び歩留まりの低下という別の問題があった。

そこで本発明は、青紫色レーザーを受光する半導体装置に好適な封止構造を提供することを目的とする。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な特徴は以下のとおりである。すなわち、本発明の半導体装置は、その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子が形成された半導体基板と、裏面が前記半導体基板と対向し、前記半導体基板の表面側と接着層を介して貼り合わされた光透過性基板とを備え、前記接着層は透明シリコーンを含み、前記デバイス素子が前記光透過性基板で被覆されていることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置は、前記接着層の側面を被覆する保護層を備えることを特徴とする。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子が形成された半導体基板を準備し、前記半導体基板の表面上に、透明シリコーンを含む接着層を介して光透過性基板を貼り合わせ、前記デバイス素子を前記光透過性基板で封止する工程を備えることを特徴とする。

本発明では、デバイス素子の表面が光透過性基板で被覆されている。そのため、デバイス素子への異物の付着を抑えることができ、半導体装置の信頼性及び歩留まりが向上する。

また、接着層が光透過性基板で覆われており、外気と接着層との接触が抑えられている。そのため、青紫色レーザーに対する接着層自身の劣化を抑えることができ、良好な動作特性及び耐久性を得ることができる。この効果は、接着層の側面を保護層で被覆することで更に向上させることができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図８はそれぞれ製造工程順に示した断面図あるいは平面図である。

まず、図１に示すように、その表面にデバイス素子１が形成されたシリコン（Ｓｉ）等から成る半導体基板２を準備する。デバイス素子１は、青紫色レーザーを電気信号に変換することができる機能を有する素子であるとする。次に、半導体基板２の表面に第１の絶縁膜３（例えば、熱酸化法やＣＶＤ法等によって形成されたシリコン酸化膜）を例えば２μｍの膜厚に形成する。

次に、スパッタリング法やメッキ法、その他の成膜方法によりアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金や銅（Ｃｕ）等の金属層を形成し、その後不図示のレジスト層をマスクとして当該金属層を選択的にエッチングし、第１の絶縁膜３上にパッド電極４を例えば１μｍの膜厚に形成する。パッド電極４は、デバイス素子１やその周辺素子と不図示の配線を介して電気的に接続された外部接続用の電極である。なお、図１ではデバイス素子１の両側にパッド電極４が配置されているが、その位置に限定はなく、デバイス素子１上に配置することもできる。

次に、半導体基板２の表面にパッド電極４の一部上あるいは全部を被覆するパッシベーション膜５（例えば、ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜）を形成する。図１では、パッド電極４の一部上を被覆するようにしてパッシベーション膜５が形成されている。

次に、パッド電極４を含む半導体基板２の表面上に、接着層６を介して光透過性基板７を貼り合わせる。接着層６は、少なくとも透明シリコーン(Sillicone)を含む透明樹脂であることが好ましい。本発明者の検証によれば、透明シリコーンＳＣＲ-１０１１信越化学工業（株）が、青紫色レーザーに対しての化学的安定性に優れた材料であることが判った。従って、現在のところ、当該透明シリコーン（ＳＣＲ-１０１１）が本実施形態の接着層６の材料として最適なものであると考える。そして、接着層６は、エポキシ基含有シリコーン及びオルガノシランを含むことが好ましいと考える。

光透過性基板７は、透明もしくは半透明の材料（例えばガラスや石英など）から成り、光を透過させる性状を有するものである。光透過性基板７は、半導体基板２を支持し、デバイス素子１の表面を保護するとともに、接着層６と外気との接触を抑制する機能を有するものである。従って、酸化による接着層６の劣化が防止されている。

次に、半導体基板２の裏面に対して裏面研削装置（グラインダー）を用いてバックグラインドを行い、半導体基板２の厚さを所定の厚さ（例えば５０〜１００μｍ程度）に薄くする。なお、当該研削工程はエッチング処理でもよいし、グラインダーとエッチング処理の併用でもよい。なお、最終製品の用途や仕様，準備した半導体基板２の当初の厚みによっては、当該研削工程を行う必要がない場合もある。

次に、図２に示すように、半導体基板２のうちパッド電極４に対応する所定の領域のみを、半導体基板２の裏面側から選択的にエッチングし、第１の絶縁膜３を一部露出させる。以下、この露出部分を開口部８とする。

当該半導体基板２の選択的なエッチングについて、図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ），（ｂ）は、下方（半導体基板２側）から見た概略平面図であり、図２は図３（ａ），（ｂ）のＸ−Ｘ線に沿った断面図に対応するものである。

図３（ａ）に示すように、半導体基板２を光透過性基板７の幅よりも狭い、略長方形の形状にエッチングすることもできる。また、図３（ｂ）に示すように、パッド電極４が形成された領域のみをエッチングすることで、半導体基板２の外周が凹凸状になるように構成することもできる。後者の方が、半導体基板２と光透過性基板７の重畳する面積が大きく、光透過性基板７の外周近くまで半導体基板２が残る。そのため、半導体基板２に対する光透過性基板７の支持強度が向上する観点からは、後者の構成が好ましい。また、後者の構成によれば、半導体基板２と光透過性基板７の熱膨張率の差異による光透過性基板７の反りが防止できるため、半導体装置のクラックや剥離が防止できる。なお、図３（ａ），（ｂ）で示した平面形状とは別の形状に半導体基板２をデザインすることも可能である。

また、本実施形態では半導体基板２の横幅が表面側に行くほど広がるように、半導体基板２の側壁が斜めにエッチングされているが、半導体基板２の幅が一定であり、その側壁が光透過性基板７の主面に対して垂直となるようにエッチングすることもできる。

次に、図４に示すように、開口部８内及び半導体基板２の裏面上に第２の絶縁膜９を形成する。この第２の絶縁膜９は、例えばプラズマＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜である。

次に、図５に示すように、不図示のレジスト層をマスクとして、第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜９を選択的にエッチングする。このエッチングにより、パッド電極４の一部上からダイシングラインＤＬに至る領域にかけて形成された第１の絶縁膜３及び第２の絶縁膜９が除去され、開口部８の底部においてパッド電極４の少なくとも一部が露出される。

次に、スパッタリング法やメッキ法、その他の成膜方法により、配線層１０となるアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の導電層を例えば１μｍの膜厚で形成する。その後、不図示のレジスト層をマスクとして当該導電層を選択的にエッチングする。このエッチングによって導電層は、図６に示すように、第２の絶縁膜９を介して半導体基板２の側面に沿って形成された配線層１０となる。また、配線層１０はパッド電極４の少なくとも一部と接続され、半導体基板２の裏面の一部上に延在している。

次に、ダイシングブレードやエッチングによって、半導体基板２側から光透過性基板７を一部除去することで切り欠き部１１を形成する。なお、切り欠き部１１の断面形状は、図７に示すようなＶ字形状に限定されず楕円形状や略長方形等でも構わない。つまり、切り欠き部１１の形成によって、接着層６の側面が露出されればよい。

次に、図８に示すように、後述する導電端子１３の形成領域に開口を有する保護層１２を、例えば１０μｍの厚みで形成する。保護層１２の形成は例えば以下のように行う。まず、塗布・コーティング法によりポリイミド系樹脂、ソルダーレジスト等の有機系材料を全面に塗布し、熱処理（プリベーク）を施す。次に、塗布された有機系材料を露光・現像して所定領域を露出させる開口を形成し、その後これに熱処理（ポストベーク）を施す。これにより、導電端子１３の形成領域に開口を有する保護層１２を得る。本実施形態では、切り欠き部１１を形成しているため、光透過性基板７の側面の一部が保護層１２で被覆される。つまり、接着層６の側面が保護層１２で完全に被覆される。そのため、接着層６が外気に触れることを抑えるとともに、デバイス素子１や接着層６への腐食物質（例えば水分）の浸入を防止することができる。

次に、保護層１２の開口から露出した配線層１０上に例えばニッケルと金等から成る電極接続層（不図示）を形成する。次に、保護層１２の開口から露出した電極接続層（不図示）上に導電材料（例えばハンダ）をスクリーン印刷し、この導電材料を熱処理でリフローさせる。こうして、図８に示すように配線層１０を介してパッド電極４と電気的に接続された導電端子１３が半導体基板２の裏面上に形成される。なお、導電端子１３の形成方法は上記に限定されることはなく、電解メッキ法や、ディスペンサを用いてハンダ等を所定領域に塗布するいわゆるディスペンス法（塗布法）等で形成することもできる。また、導電端子１３は、金や銅，ニッケルを材料としたものでもよく、その材料は特に限定されない。

そして、多数の半導体装置の境界であるダイシングラインＤＬに沿ってダイシングを行うことにより、個々の半導体装置２０に切断分離する。

以上の工程により、デバイス素子１を備えるチップサイズパッケージ型の半導体装置が完成する。

本実施形態のデバイス素子１は、従来構造（図１１参照）のように外部に露出されることなく、接着層６及び光透過性基板７で被覆されている。そのため、デバイス素子１の表面に異物が付着することが抑えられ、青紫色レーザーを受光する半導体装置としての信頼性及び歩留まりが向上する。

また、本実施形態では、青紫色レーザーに対する分子間結合の安定性が高い透明シリコーン（ＳＣＲ‐１０１１）を接着層６として用いている。さらに、接着層６が光透過性基板７及び保護層１２で完全に被覆され、外気と接着層６との接触が抑えられている。従って本実施形態の半導体装置によれば、接着層６の分子間結合が青紫色レーザーによって切断され難く、かつ接着層６の酸化が起き難い構成になっている。そのため、接着層６の劣化を防止し、良好な動作特性を得るとともに耐久性の向上を図ることができる。

なお、本実施形態と同様の構成においてＳＣＲ‐１０１１以外の樹脂（例えばエポキシ樹脂）を接着層６として用いた場合、青紫色レーザーの受光によって接着層６が劣化してしまった。従って、本実施形態の封止構造に加えて、ＳＣＲ‐１０１１と同種の透明シリコーンを接着層６として用いることが、青紫色レーザーを受光する半導体装置として好適であると考える。

また、従来構造（図１１，１２参照）とは異なり、光透過性基板７と半導体基板２との間に接着層６が形成されている。そのため、接着層６の膜厚を非常に薄くすることが可能である。例えば、図１０で示した従来の樹脂（エポキシ樹脂１０７）の厚みが１，２ｍｍに対して本実施形態の樹脂（接着層６）の厚みは５μｍ程度である。このように接着層６の膜厚が薄くできるため、実際の使用時（青紫色レーザーの受光時）において仮に接着層６の劣化が生じたとしても、そのことによる半導体装置の動作特性の低下を従来の半導体装置に比して抑えることができる。

また、変更例として、半導体基板２と光透過性基板７との間に接着層６を一様に形成するのではなく、デバイス素子１が接着層６で被覆されないように接着層６を選択的に形成することもできる。かかる構造では、半導体基板２と光透過性基板７と間のキャビティ(Cavity)空間にデバイス素子１が封止され、デバイス素子１が接着層で被覆されない。そのため、接着層の劣化による動作特性の低下を抑えることができる。しかしながら、既に説明した本実施形態では、接着層６の劣化が防止された構成が採用されている。そのため、接着層６を選択的に形成してキャビティ空間を形成する必要性が乏しい。従って本実施形態によれば、キャビティの形成工程（例えば接着層６形成の際の塗布位置の制御）を削減し、製造工程の簡素化を図ることもできる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更ができることは言うまでもない。例えば、以下に説明するように半導体装置を構成することも可能である。なお、上記実施形態と同様の構成については同一記号を用い、その説明を省略する。

図９に示す他の実施形態の半導体装置３０は、パッド電極４に対応する位置が開口し、半導体基板２の側面及び裏面を被覆する保護層３１が形成されている。そして、保護層３１の開口位置のパッド電極４上に電極接続層３２が形成されている。電極接続層３２は、例えばニッケル（Ｎｉ）層と金（Ａｕ）層を順に積層した層であり、レジスト層をマスクとしてこれらの金属を順にスパッタリングし、その後レジストを除去するというリフトオフ法や、メッキ法によって形成できる。そして、パッド電極４上には、電極接続層３２を介してハンダ等から成る導電端子３３が形成されている。このように、半導体基板２の側面及び裏面に配線層を形成することなく、半導体基板２の側壁に隣接するように導電端子３３を配置することもできる。

本発明は、青紫色レーザー受光用のデバイス素子を封止する技術として広く適用できるものである。また、以上の実施形態では、ボール状の導電端子１３，３３を有するＢＧＡ型の半導体装置について説明したが、本発明はＬＧＡ(Land Grid Array)型の半導体装置に適用するものであっても構わない。

本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する平面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の半導体装置及びその製造方法を説明する断面図である。本発明の他の実施形態を説明する断面図である。従来の半導体装置を説明する断面図である。従来の半導体装置を説明する断面図である。

符号の説明

１デバイス素子２半導体基板３第１の絶縁膜４パッド電極
５接着層６光透過性基板７支持体８開口部
９第２の絶縁膜１０配線層１１切り欠き部１２保護層
１３導電端子２０半導体装置３０半導体装置３１保護層
３２電極接続層３３導電端子１００半導体基板
１０１デバイス素子１０２パッド電極１０３支持基板
１０４スルーホール１０５リード電極１０６ボンディングワイヤ
１０７エポキシ樹脂ＤＬダイシングライン

Claims

その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子が形成された半導体基板と、
裏面が前記半導体基板と対向し、前記半導体基板の表面側と接着層を介して貼り合わされた光透過性基板と、
前記光透過性基板の裏面に形成された切り欠き部と、
前記デバイス素子と電気的に接続されたパッド電極と、
前記パッド電極の裏面に接触して電気的に接続され、前記半導体基板の側面及び裏面に沿って形成された配線層と、
前記切り欠き部において露出された前記接着層の側面、及び前記配線層を被覆する保護層と、を備え、
前記接着層は透明シリコーンを含み、前記デバイス素子が前記光透過性基板で被覆されたことを特徴とする半導体装置。
前記保護層は、前記半導体基板の裏面の一部に開口を有し、
前記保護層の開口を介して、前記配線層と電気的に接続された導電端子を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子が形成された半導体基板と、
裏面が前記半導体基板と対向し、前記半導体基板の表面側と接着層を介して貼り合わされた光透過性基板と、
前記光透過性基板の裏面に形成された切り欠き部と、
前記デバイス素子と電気的に接続されたパッド電極と、
前記切り欠き部において露出された前記接着層の側面及び前記半導体基板の裏面を被覆するとともに、前記パッド電極と重畳する領域に開口を有する保護層と、
前記保護層の開口を介して前記パッド電極の裏面に接触して電気的に接続された導電端子を備え、
前記接着層は透明シリコーンを含み、前記デバイス素子が前記光透過性基板で被覆されたことを特徴とする半導体装置。
前記パッド電極の裏面は、前記半導体基板から露出されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
前記半導体基板は、平面図で見て、前記半導体基板の外周が凹凸になるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記接着層は、エポキシ基含有シリコーン及びオルガノシランを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子と、該デバイス素子と電気的に接続されたパッド電極が形成された半導体基板を準備し、
前記半導体基板の表面上に、透明シリコーンを含む接着層を介して光透過性基板を貼り合わせ、前記デバイス素子を前記光透過性基板で封止する工程と、
前記半導体基板と前記光透過性基板とを貼り合わせた後に、前記半導体基板の前記パッド電極に対応する領域を選択的にエッチングして前記パッド電極の裏面を露出する工程と、
前記半導体基板を選択的にエッチングした後に、前記半導体基板の側面及び裏面に沿って前記パッド電極の裏面に接触して電気的に接続された配線層を形成する工程と、
前記配線層を形成した後に、前記半導体基板の裏面側から前記光透過性基板を選択的に除去することで前記光透過性基板の裏面に切り欠き部を形成し、前記接着層の側面を露出する工程と、
前記切り欠き部において露出された前記接着層の側面、及び前記配線層を被覆する保護層を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
その表面上に青紫色レーザーを電気信号に変換することができるデバイス素子と、該デバイス素子と電気的に接続されたパッド電極が形成された半導体基板を準備し、
前記半導体基板の表面上に、透明シリコーンを含む接着層を介して光透過性基板を貼り合わせ、前記デバイス素子を前記光透過性基板で封止する工程と、
前記半導体基板と前記光透過性基板とを貼り合わせた後に、前記半導体基板の前記パッド電極に対応する領域を選択的にエッチングして前記パッド電極の裏面を露出する工程と、
前記半導体基板を選択的にエッチングした後に、前記半導体基板の裏面側から前記光透過性基板を選択的に除去することで前記光透過性基板の裏面に切り欠き部を形成し、前記接着層の側面を露出する工程と、
前記切り欠き部において露出された前記接着層の側面及び前記半導体基板の裏面を被覆するとともに、前記パッド電極と重畳する領域に開口を有する保護層を形成する工程と、
前記保護層の開口を介して前記パッド電極の裏面に接触して電気的に接続された導電端子を形成する工程と、を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。