(57)【要約】【課題】アンダーフィルを電極の接合前に塗布しても電極同士を確実に接合することができる構造の半導体装置を提供する。【解決手段】第一の半導体基板１と、第一の半導体基板に接合された第二の半導体基板１０１とを備える半導体装置１２０は、第一の半導体基板と第二の半導体基板との間に形成されたアンダーフィル層３１を備え、第一の半導体基板は、一方の面に設けられた凹部５１と、凹部内に配置された第一電極５２とを有し、第二の半導体基板は、少なくとも一部が凹部内に進入可能な形状の第二電極６１を有し、第二電極がアンダーフィル層を貫通して第一電極に突き刺さることにより第一電極と第二電極とが接続されていることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の半導体基板と、前記第一の半導体基板に接合された第二の半導体基板とを備える半導体装置であって、
前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板との間に形成されたアンダーフィル層を備え、
前記第一の半導体基板は、一方の面に設けられた凹部と、前記凹部内に配置された第一電極とを有し、
前記第二の半導体基板は、少なくとも一部が前記凹部内に進入可能な形状の第二電極を有し、
前記第二電極が前記アンダーフィル層を貫通して前記第一電極に突き刺さることにより前記第一電極と前記第二電極とが接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第二電極の突出長は、前記アンダーフィル層の厚みの１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第二電極の突出長は、前記アンダーフィル層の厚みと前記凹部の深さの１／３の値との和以上、かつ前記アンダーフィル層の厚みと前記凹部の深さとの和以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第一電極は、金属を用いてポーラス構造を有するように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置を備えることを特徴とする固体撮像装置。
【請求項６】
一方の面に設けられた凹部と、前記凹部内に配置された第一電極とを有する第一の半導体基板を形成する第一基板形成工程と、
少なくとも一部が前記凹部内に進入可能な形状の第二電極を有する第二の半導体基板を形成する第二基板形成工程と、
前記第一の半導体基板の前記一方の面上にアンダーフィル層を形成するアンダーフィル層形成工程と、
前記第二電極を前記一方の面に対向させて前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板とを接触させ、前記第二電極が前記アンダーフィル層を貫通して前記第一電極に突き刺さるように加圧して前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板とを接合する加圧接合工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、より詳しくは、基材上に多数の電極が形成された積層型の半導体装置、および固体撮像装置、並びに半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
システムの高機能化・小型化のために、より小型で高性能な半導体装置が要請され、微小な電極が多数形成されたウエハ同士を接合する事で構成される積層型半導体装置が検討されている。
【０００３】
積層型半導体装置では、半導体基板間を電極で接続するが、電極同士を接続したのみでは外力や応力に対して脆弱であり、また、湿度や温度などによって電極の腐食を引き起こしてしまうため、アンダーフィルと呼ばれる樹脂で半導体基板間における電極以外の部分を封止することがある。アンダーフィルによる封止は、通常、電極を接続した後に半導体基板間の隙間からアンダーフィルを注入することによって行われているが、近年の電極の狭ピッチ化とそれに伴う狭ギャップ化によって接続後に注入するということが難しくなってきている。
【０００４】
そこで近年、電極の接続前に半導体基板にアンダーフィルを塗布してから接続を行うという方法が注目されている。
この方法に関連して、特許文献１には、電極が形成された一方の半導体基板上にアンダーフィルを塗布し、他方の半導体基板の電極を一方の半導体基板に対向させて圧接する方法が記載されている。圧接により、他方の半導体基板の電極がアンダーフィルを押しのけながら一方の半導体基板に接近し、電極同士が接触して半導体基板が導通される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０３２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、二つの電極の端面間にアンダーフィルが残留する可能性があり、アンダーフィルが残留すると電極の接合不良の原因となるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情を踏まえ、アンダーフィルを電極の接合前に塗布しても電極同士を確実に接合することができる構造の半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、多数の電極を備えながらもこれらが確実に接続され、実装強度の高い固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様は、第一の半導体基板と、前記第一の半導体基板に接合された第二の半導体基板とを備える半導体装置であって、前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板との間に形成されたアンダーフィル層を備え、前記第一の半導体基板は、一方の面に設けられた凹部と、前記凹部内に配置された第一電極とを有し、前記第二の半導体基板は、少なくとも一部が前記凹部内に進入可能な形状の第二電極を有し、前記第二電極が前記アンダーフィル層を貫通して前記第一電極に突き刺さることにより前記第一電極と前記第二電極とが接続されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二の態様は、本発明の半導体装置を備えることを特徴とする固体撮像装置である。
【００１０】
本発明の第三の態様は、一方の面に設けられた凹部と、前記凹部内に配置された第一電極とを有する第一の半導体基板を形成する第一基板形成工程と、少なくとも一部が前記凹部内に進入可能な形状の第二電極を有する第二の半導体基板を形成する第二基板形成工程と、前記第一の半導体基板の前記一方の面上にアンダーフィル層を形成するアンダーフィル層形成工程と、前記第二電極を前記一方の面に対向させて前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板とを接触させ、前記第二電極が前記アンダーフィル層を貫通して前記第一電極に突き刺さるように加圧して前記第一の半導体基板と前記第二の半導体基板とを接合する加圧接合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である
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体基板およびその製造方法によれば、アンダーフィルを電極の接合前に塗布しても電極同士を確実に接合することができる。
また、本発明の固体撮像装置によれば、多数の電極を備えながらもこれらが確実に接続され、実装強度の高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】上側は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造に用いられる半導体基板を示す平面図であり、下側は、同半導体基板が接合される動作を示す図である。
【図２】（ａ）は、個片化の一過程を示す図であり、（ｂ）は半導体装置として切り出された一単位領域を示す斜視図である。
【図３】同半導体装置における、第一の半導体基板と第二の半導体基板との接合部分を示す拡大断面図である。
【図４】同半導体装置の製造方法における一過程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。本発明の半導体装置は、回路や配線等が形成された複数枚の半導体基板を接合して形成される積層型半導体装置である。
図１の上側は、本実施形態の半導体装置の製造に用いられる半導体基板１の基本構成を示す平面図である。半導体基板１は、図１に示すように、板状またはシート状の基材１０と、基材１０の面上に形成された複数の電極アレイ２０とを備えている。
【００１４】
基材１０は、絶縁体あるいは半導体で所定の厚さを有する板状またはシート状に形成されている。基材１０を構成する絶縁体および半導体としては、例えばシリコン、樹脂、セラミクス、ガラス等が挙げられる。本実施形態では、基材１０として、シリコンウエハを用いている。
また、図示を省略しているが、基材１０には、電極アレイ２０と電気的に接続された配線が形成されている。配線の態様は、印刷やエッチング等により基材１０の厚さ方向の一方または両方の面に形成されてもよいし、ビア等のように、基材を貫通するように形成されてもよいし、さらには、積層技術を用いた立体配線であってもよく、これらが適宜組み合わされてもよい。また、配線によって所定の機能を発揮する回路や半導体素子等が形成されてもよいし、基材１０に半導体素子が取り付けられてもよい。
【００１５】
基材１０の一方の面は、他の半導体基板と接合される接合面１０Ａとされている。接合面１０Ａには、矩形の単位領域１１が複数設けられており、各単位領域１１に、複数の電極が同一レイアウトで形成された電極アレイ２０が一つずつ形成され、同一態様の配線が形成されている。
【００１６】
本実施形態の半導体装置は、半導体基板１と相手方の半導体基板１０１とを、図１下側に示すように、接合面１０Ａを相手方基板に対向させた状態で加圧板１３１、１３２間に挟み、図示しないプレス装置を用いて加圧加熱接合により一体に接合し、半導体基板１と相手方基板とを電気的に接続しつつ接合することにより製造される。この接合前に、両基板の表面および電極部をプラズマクリーニングや逆スパッタ等により清浄化し、いわゆる表面活性化を利用して電極同士を接合してもよい。このとき、真空雰囲気中や窒素雰囲気中などで接合を行うのが好ましい。
以下の説明においては、半導体基板１を第一の半導体基板１、相手方の半導体基板１０１を第二の半導体基板１０１と称する。
【００１７】
基板の接合後、図２（ａ）に示すように、接合された基板を、ブレード１１０等により単位領域の境界線１２に沿って単位領域１１ごとに切り出す（個片化する）と、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の半導体装置１２０が完成する。半導体装置１２０において、第一の半導体基板１と第二の半導体基板１０１との間は、樹脂からなるアンダーフィル層３１で封止されている。
【００１８】
図３は、半導体装置１２０における、第一の半導体基板１と第二の半導体基板１０１との接合部分を示す拡大断面図である。
図３に示すように、第一の半導体基板１の接合面１０Ａ上には、複数の凹部５１が形成されており、凹部５１の底面に配線や回路の一部（以下、「配線等」と称する。）が露出されている。露出された配線等は、パッド状に形成されて面積が大きくされてもよい。
凹部５１内には、導電性の材料が充填されて、露出した配線等と電気的に接続された第一電極５２が形成されている。第一電極５２を形成するための材料は、第二の半導体基板１０１の第二電極（後述）が突き刺さる程度の剛性に調節可能なものであれば特に制限はなく、例えば半田や、インジウム（Ｉｎ）等の比較的やわらかい金属、導電性樹脂などを用いることができる。また、一般的な金属材料を用いて内部に微細な空隙を有するポーラス（porous）構造を取るように第一電極５２を形成してもよい。ポーラス構造を有する電極の形成方法としては、例えば電解メッキ、無電解メッキ等のメッキ法や、金属粒子のペーストを用いたスキージ印刷法等が挙げられる。中でも、無電解メッキは面内に均一な高さの電極を形成できるという利点があり、好適である。ポーラス構造を有する電極は比較的脆いため、第二電極を容易に突き刺すことが可能である。
凹部５１の平面視における形状には特に制限はない。凹部５１の深さについても特に制限されるものではないが、例えば２〜５マイクロメートル（μｍ）程度とすることができる。
【００１９】
第二の半導体基板１０１の接合面１０Ｂ上には、第二の半導体基板１０１の配線等と電気的に接続された第二電極６１が形成されている。第二電極６１は、少なくとも先端部の、第二の半導体基板１０１の厚さ方向に見たときの断面積が第一電極５２の断面積よりも小さく、凹部５１内に進入可能な形状とされている。図３には、一例として、略棒状あるいは略柱状の第二電極を示しているが、これに代えて、先端側の一定領域の身が凹部５１内に進入可能な錐体状や錐台状等であってもよい。
【００２０】
接合面１０Ａ、１０Ｂ間には、アンダーフィル層３１が形成され、第二電極６１の周囲の空間を封止している。アンダーフィル層３１の材料としては、公知の各種材料から電極の形成ピッチ等を考慮して適宜選択されてよい。
【００２１】
第二電極６１の接合面１０Ｂからの突出長ｈ１は、アンダーフィル層３１の厚みｔ１に対して十分大きく設定されているため、半導体装置１２０において、第二電極６１は、アンダーフィル層３１を突き破り、凹部５１内に進入して第一電極５２に突き刺さるように第一電極５２の内部に進入している。
アンダーフィル層３１を確実に突き破る観点からは、突出長ｈ１は、厚みｔ１の１．５倍以上とされるのが好ましい。あるいは、第二電極６１のアンダーフィル層３１からの突出量ｈ２が凹部５１の深さｄ１の２５％以上となるよう、突出長ｈ１がｔ１と１／３×ｄ１との和以上とされるのも同様に好ましい。なお、突出長ｈ１がｔ１とｄ１との和よりも大きいと、第二電極６１が凹部５１の底面に達してもアンダーフィル層３１と接合面１０Ｂとが十分接触せず、両者の間に隙間ができてしまう恐れがあるため、避けるのが好ましい。
第二電極６１はアンダーフィル層３１および第一電極５２に対して十分な剛性を有する材料で形成されるのが好ましく、例えばタングステン（Ｗ）やニッケル（Ｎｉ）等を好適な材料として例示することができる。
【００２２】
上述のように構成された半導体装置１２０の製造方法の一例について説明する。
まず、第一の半導体基板１および第二の半導体基板１０１を形成する。第一の半導体基板１および第二の半導体基板１０１の形成手順の一例を以下に示す。
配線等を形成した基材１０の面上に酸化膜等で所定の厚みの絶縁層を形成し、フォトリソグラフィーやエッチング等により凹部５１を形成し、凹部５１の底面に配線等を露出させる。その後、めっき、ＰＶＤ、ＣＶＤ、印刷等の方法により凹部５１内に適宜選択した導電性材料を配置して第一電極５２を形成すると、第一の半導体基板１が完成する（第一基板形成工程）。
配線等が形成されて露出された他の基材１０の面上に第二電極６１を形成すると、第二の半導体基板１０１が完成する（第二基板形成工程）。第二電極６１は、第一電極５２と概ね同様の方法を用いて形成することができる。
【００２３】
次に、第一の半導体基板１の接合面１０Ａ上に適宜選択した樹脂材料を塗布して所望の厚さのアンダーフィル層３１を形成する（アンダーフィル層形成工程）。このとき、第一電極５２は凹部５１内に形成され、接合面１０Ａ上に突出していないため、電極の周囲をまんべんなく封止する等の考慮は必要なく、単にアンダーフィル層３１を層状に形成するだけでよい。アンダーフィル層３１の形成方法には特に制限はなく、スピンコート法、スキージ印刷法、真空ラミネート法など公知の各種方法から、材料等を考慮して適宜選択することができる。
【００２４】
次に、図４に示すように、接合面１０Ａと接合面１０Ｂとを対向させて第一の半導体基板１と第二の半導体基板１０１とを接触させ、プレス装置等を用いて加圧する（加圧接合工程）。このとき、アンダーフィル層３１は、完全に硬化していない状態としておく。また、必要に応じて第一の半導体基板１を加熱し、第二電極６１が第一電極５２に容易に突き刺さるように、第一電極５２の剛性を調節する。
加圧により、第二電極６１は、まずアンダーフィル層３１を貫通し、その後凹部５１内に進入して第一電極５２に突き刺さる。
以上により、接合面１０Ａと接合面１０Ｂとの間がアンダーフィル層３１により封止された状態で第一の半導体基板１と第二の半導体基板１０１とが接合され、第一電極５２と第二電極６１とが電気的に接続される。その後、上述の個片化を行うと半導体装置１２０が完成する。なお、個片化は必要に応じて行えばよく、本発明の半導体装置の製造方法において必須でないことは当然である。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態の半導体装置１２０およびその製造方法によれば、第二の半導体基板１０１に形成された第二電極６１が、アンダーフィル層３１を突き破り、第一の半導体基板１に形成された第一電極５２の内部に十分進入するように突き刺さっている。その結果、樹脂材料の先塗布を行っても、第二電極の周囲をアンダーフィル層３１で確実に封止しつつ第一電極と第二電極とを確実に接続することができ、接合不良の発生を好適に抑制することができる。
【００２６】
また、第二電極６１が第一電極５２内に十分進入しているため、第二電極６１は、先端面だけでなく、側面においても第一電極５１と接触している。したがって、加圧接合工程において、第二電極６１がアンダーフィル層３１を貫通した際に、万一先端面にアンダーフィルの一部が残留していても、他の部位で第一電極と接触することにより、確実に電極同士の電気的接続を確保することができる。さらに、第二電極６１の表面に付着したアンダーフィルは、第二電極６１が第一電極５２の内部に進入する際に、第一電極５２に接触して好適に除去されるため、電気的接続の信頼性が向上される。
【００２７】
さらに、第二電極６１が突き刺さる第一電極５２が凹部５１内に形成されているため、加圧接合工程において第一の半導体基板１と第二の半導体基板１０１との位置合わせ（アライメント）の精度が十分でなかった場合でも、凹部５１の周壁がガイドとして機能することで、ある程度までは第二電極６１を第一電極５２に突き刺さるように誘導し、電極接合の確実性を向上させることができる。さらに、凹部５１内に配置された第一電極５２は、加圧により接合面１０Ａの面方向に大きく変形することがないため、面方向の変形による接合不良の発生も好適に抑制することができる。
【００２８】
さらに、アンダーフィル層形成工程では、接合面１０Ａ上に電極が突出していないため、樹脂材料を層状に塗布するだけで、電極の周囲をまんべんなく封止するアンダーフィル層を容易に形成することができる。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。
【００３０】
例えば、上述の実施形態では、２枚の半導体基板が接合される場合を例にとり説明したが、それ以上の枚数の半導体基板が接合されて半導体装置が形成されてもよい。その場合は、例えば、中間に位置する半導体基板の両面に電極を形成し、これらの電極が配線等で適宜接続された構成とすればよい。このとき、形成される電極には特に制限はなく、第一電極または第二電極が両面に形成されてもよいし、一方の面に第一電極が形成され、他方の面に第二電極が形成されてもよい。いずれの電極が形成されるかは、接合される相手側の半導体基板に形成された電極の態様に応じて決定すればよい。
【００３１】
さらに、本発明の半導体装置の種類は特に限定されないが、例えば多数の画素を有する固体撮像装置等においては、例えば回路電極の径または回路電極の形成ピッチが２０マイクロメートルといったように、非常に多数の回路電極が狭ピッチで形成される必要があるため、本発明を適用することにより得られるメリットが非常に大きく、本発明の構造を適用するのにきわめて好適である。
【符号の説明】
【００３２】
１  半導体基板（第一の半導体基板）
３１  アンダーフィル層
５１  凹部
５２  第一電極
６１  第二電極
１０１  第二の半導体基板
１２０  半導体装置
【図１】
2014154730.tif 000003
【図２】
2014154730.tif 000004
【図３】
2014154730.tif 000005
【図４】
2014154730.tif 000006