(57)【要約】【課題】半導体装置製造工程の自由度を向上させる【解決手段】半導体装置１は、半導体チップ１１と、半導体チップ１１に接続するための複数のバンプ１３が上面１２１に配置されるとともに、外部に接続するための複数の半田ボール１７が下面１２２に配置されており、上面１２１側においてバンプ１３を間に挟んで半導体チップ１１を搭載し、バンプ１３と半田ボール１７とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板１２と、半導体チップ１１と配線基板１２との間に充填されるアンダーフィル材１４と、配線基板１２における上面１２１側において、半導体チップ１１を封止するために半導体チップ１１と配線基板１２を覆うように形成されるモールド材１５とを備え、アンダーフィル材１４およびモールド材１５は、ＳｉＯ2を材料として構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
2014007336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ（１１）と、
前記半導体チップに接続するための複数のバンプ（１３）が一方の面（１２１）に配置されるとともに、外部に接続するための複数の接続端子（１７）が他方の面（１２２）に配置されており、前記一方の面側において前記バンプを間に挟んで前記半導体チップを搭載し、前記バンプと前記接続端子とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板（１２）と、
前記半導体チップと前記配線基板との間に充填されるアンダーフィル材（１４）と、
前記配線基板における前記一方の面側において、前記半導体チップを封止するために前記半導体チップと前記配線基板を覆うように形成される封止材（１５）とを備え、
前記アンダーフィル材および前記封止材は、酸化物を材料として構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
電磁波を阻止する機能を有し、前記封止材上に積層される電磁シールド用金属膜（１６）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。
【請求項３】
前記酸化物は、
ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、およびＳｒＯの何れか一つ、若しくは複数で構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
半導体チップ（１１）に接続するための複数のバンプ（１３）が一方の面（１２１）に配置されるとともに、外部に接続するための複数の接続端子（１７）が他方の面（１２２）に配置されており、前記一方の面側において前記バンプを間に挟んで前記半導体チップを搭載し、前記バンプと前記接続端子とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板（１２）と、前記半導体チップとを接合し、前記配線基板と前記半導体チップとが前記バンプを介して接合された積層チップ（２０）を作製する接合工程と、
前記積層チップを処理容器（３１）内に収容する収容工程と、
１つ又は複数の酸化物原料の前駆体と１つ又は複数の酸化剤とを超臨界流体に溶解した混合流体を、前記処理容器内に収容された前記積層チップに供給する供給工程と、
前記混合流体を前記積層チップに供給しながら前記積層チップを加熱することにより、前記半導体チップと前記配線基板との間に充填されるアンダーフィル材（１４）となる酸化物と、前記配線基板における前記一方の面側において、前記半導体チップを封止するために前記半導体チップと前記配線基板を覆うように形成される封止材（１５）となる酸化物とを一括して形成する一括形成工程とを備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記接合工程の後であって且つ前記収容工程の前に、前記配線基板における前記他方の面をマスキング材（２１）で覆う工程を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記一括形成工程の後に、前記封止材上に金属膜（１６）を形成する工程を備える
ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記超臨界流体は、ＣＯ2である
ことを特徴とする請求項４〜請求項６の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記酸化剤は、
Ｏ2、Ｏ3、Ｈ2Ｏ、Ｈ2Ｏ2、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、および［ビス（トリフルオロアセトキシ）ヨード］ベンゼンの何れか一つ、若しくは複数で構成されている
ことを特徴とする請求項４〜請求項７の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記前駆体は、
Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｈｆ、およびＳｒの少なくとも何れか１つの元素を含む
ことを特徴とする請求項４〜請求項８の何れか１項に記載の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、バンプを介して半導体チップを搭載する配線基板を備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップ積層型の半導体装置では、チップ−チップ間およびチップ−基板間などの熱膨張係数の違いによって応力が発生し、発生した応力がバンプの微小金属に集中することでクラックが発生し、接続不良を起こす懸念がある。
【０００３】
そこで一般的には、アンダーフィル材と呼ばれる樹脂材料をバンプ間に充填し、その後に硬化させることによって、バンプへの応力集中を抑制し、半導体装置の信頼性を向上させている。なおアンダーフィル材は、通常、チップ側面から供給されることで毛細管現象によりバンプ間に充填される。また、アンダーフィル材を硬化させた後に、チップ全体が樹脂モールドにより封止される。
【０００４】
しかし、小型化や高集積化に伴いチップ間ギャップやバンプ間隔が狭くなり、ボイドを発生させることなく毛細管現象によって樹脂を充填することが困難になってきている。そして、ボイドが発生すると、その後の工程における加熱および冷却でそれぞれ、ボイド内部の気体が膨張および収縮し、アンダーフィル材にクラックが発生する懸念がある。
【０００５】
このような問題に対して、アンダーフィル材となる樹脂を混合させた超臨界流体を積層チップに供給しながら加熱し、樹脂を重合反応によって硬化させることにより、ボイドを発生させることなくバンプ間に樹脂を充填する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２１６８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に記載の技術では、耐熱温度が低いという特性を有する樹脂がアンダーフィル材であるために、アンダーフィル材を充填した後の半導体装置製造工程で高温プロセス（例えば、金属の成膜）を採用することが困難になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、半導体装置製造工程の自由度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の半導体装置は、半導体チップと、半導体チップに接続するための複数のバンプが一方の面に配置されるとともに、外部に接続するための複数の接続端子が他方の面に配置されており、一方の面側においてバンプを間に挟んで半導体チップを搭載し、バンプと接続端子とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板と、半導体チップと配線基板との間に充填されるアンダーフィル材と、配線基板における一方の面側において、半導体チップを封止するために半導体チップと配線基板を覆うように形成される封止材とを備え、アンダーフィル材および封止材は、酸化物を材料として構成されていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成された半導体装置では、半導体チップと配線基板との間に充填されるアンダーフィル材と、半導体チップを封止する封止材とが、一般的に樹脂材料よりも耐熱温度が高い酸化物を材料として構成されている。このため、アンダーフィル材および封止材を形成した後に、アンダーフィル材と封止材が樹脂材料で構成されている場合よりも高温の製造工程を採用することができ、半導体装置製造工程の自由度を向上させることができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するためになされた請求項４に記載の半導体装置の製造方法ではまず接合工程で、半導体チップに接続するための複数のバンプが一方の面に配置されるとともに、外部に接続するための複数の接続端子が他方の面に配置されており、一方の面側においてバンプを間に挟んで半導体チップを搭載し、バンプと接続端子とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板と、半導体チップとを接合し、配線基板と半導体チップとがバンプを介して接合された積層チップを作製する。そして収容工程で、積層チップを処理容器内に収容し、その後に供給工程で、１つ又は複数の酸化物原料の前駆体と１つ又は複数の酸化剤とを超臨界流体に溶解した混合流体を、処理容器内に収容された積層チップに供給する。さらに一括形成工程で、混合流体を積層チップに供給しながら積層チップを加熱することにより、半導体チップと配線基板との間に充填されるアンダーフィル材となる酸化物と、配線基板における一方の面側において、半導体チップを封止するために半導体チップと配線基板を覆うように形成される封止材となる酸化物とを一括して形成する。
【００１２】
このように構成された半導体装置の製造方法では、酸化物原料の前駆体と酸化剤とを超臨界流体に溶解した混合流体を積層チップに供給している。このため、半導体チップと配線基板との間が狭い場合であっても、毛細管現象を用いたときより、半導体チップと配線基板との間に酸化物原料の前駆体と酸化剤とを浸透させ易くなり、ボイドを発生させることなく、半導体チップと配線基板との間にアンダーフィル材を形成することができる。さらに、一括形成工程で形成されるアンダーフィル材と封止材は酸化物を材料として構成されるため、請求項１に記載の半導体装置と同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図２】マスキング材２１で被覆された積層チップ２０を示す断面図である。
【図３】一括形成装置３０の構成を示す図である。
【図４】複数の半導体チップ１１が積層された半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【図５】半導体チップ１１が光学素子である場合の半導体装置１の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の半導体装置１は、図１に示すように、半導体チップ１１と、配線基板１２と、バンプ１３と、アンダーフィル材１４と、モールド材１５と、電磁シールド用金属層１６と、半田ボール１７とを備える。
【００１５】
半導体チップ１１は、例えば、シリコン基板上にトランジスタ等の電子素子を多数搭載した集積回路である。
配線基板１２は、例えばインターポーザであり、その内部に形成された配線を介して、上面１２１に配置されたバンプ１３と下面１２２に配置された半田ボール１７とを電気的に接続する。そして配線基板１２は、その上面１２１側で半導体チップ１１を搭載する。
【００１６】
バンプ１３は、半導体チップ１１と配線基板１２の上面１２１との間に複数配置されており、半導体チップ１１と配線基板１２とを電気的に接続する。
アンダーフィル材１４は、酸化物（本実施形態ではＳｉＯ2）で構成され、半導体チップ１１と配線基板１２との間に配置されている複数のバンプ１３間に充填されるように形成されている。
【００１７】
モールド材１５は、酸化物（本実施形態ではＳｉＯ2）で構成され、配線基板１２の上面１２１上において、半導体チップ１１と配線基板１２を被覆するように形成されている。
【００１８】
電磁シールド用金属層１６は、半導体チップ１１から発生する電磁波が半導体装置１の外部に漏洩するのを阻止するためのものであり、モールド材１５上に積層されている。
半田ボール１７は、半導体装置１を外部と電気的に接続するために、配線基板１２の下面１２２上に複数配置されている。
【００１９】
次に、半導体装置１の製造方法を説明する。
まず、バンプボンダ（不図示）により、半導体チップ１１と、下面１２２に半田ボール１７が設けられた配線基板１２とをバンプ１３を介して接合して積層チップ２０（図２を参照）を作製する。そして図２に示すように、配線基板１２の下面１２２をマスキング材２１（本実施形態ではフォトレジストＳＵ−８）で被覆する。
【００２０】
さらに図３に示すように、マスキング材２１により下面１２２が被覆された積層チップ２０を、アンダーフィル／モールド一括形成装置３０（以下、一括形成装置３０という）のチャンバー３１内に収容する。なお一括形成装置３０は、チャンバー３１と、チャンバー３１にＣＯ2とＯ2とＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate：Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）を供給する供給系３２と、チャンバー３１内に供給されたＣＯ2とＯ2とＴＥＯＳを排出する排出系３３とから構成される。
【００２１】
その後、ＣＯ2を１００ｃｃ／分でチャンバー３１内に供給しながら、不図示のヒータで一括形成装置３０全体を５０℃になるように加熱するとともに、チャンバー３１内を１２ＭＰａに昇圧する。これにより、チャンバー３１内に供給されるＣＯ2は超臨界状態となる。そして、チャンバー３１内に設置されている基板用ヒータ３１１で、積層チップ２０を３００℃になるように加熱する。
【００２２】
その後、ＣＯ2：Ｏ2：ＴＥＯＳのモル比が１３５０：５：１になるように、チャンバー３１内にＯ2とＴＥＯＳを供給し、ＳｉＯ2の成膜を開始する。
成膜開始から１０分後に、Ｏ2とＴＥＯＳの供給を停止し、基板用ヒータ３１１をオフにし、ＣＯ2でチャンバー３１をパージする。これにより、厚さが約１０μｍのＳｉＯ2のモールド材１５が形成されるとともに、半導体チップ１１と配線基板１２との間にＳｉＯ2のアンダーフィル材１４が形成される。
【００２３】
その後、一括形成装置３０のチャンバー３１から、上面１２１にアンダーフィル材１４とモールド材１５が設けられた積層チップ２０を取り出す。そして、電磁シールド用金属層１６として、蒸着法によりモールド材１５上にＡｌを成膜する。
【００２４】
その後、上面１２１側に電磁シールド用金属層１６が設けられるとともに下面１２２にマスキング材２１が設けられた積層チップ２０を、硫酸過水（Ｈ2ＳＯ4：Ｈ2Ｏ2＝４：１）に浸漬することによりマスキング材２１が除去され、半導体装置１を得ることができる。
【００２５】
このように構成された半導体装置１は、半導体チップ１１と、半導体チップ１１に接続するための複数のバンプ１３が上面１２１に配置されるとともに、外部に接続するための複数の半田ボール１７が下面１２２に配置されており、上面１２１側においてバンプ１３を間に挟んで半導体チップ１１を搭載し、バンプ１３と半田ボール１７とを電気的に接続するための配線が内部に形成された配線基板１２と、半導体チップ１１と配線基板１２との間に充填されるアンダーフィル材１４と、配線基板１２における上面１２１側において、半導体チップ１１を封止するために半導体チップ１１と配線基板１２を覆うように形成されるモールド材１５とを備え、アンダーフィル材１４およびモールド材１５は、ＳｉＯ2を材料として構成されていることを特徴とする。
【００２６】
このように構成された半導体装置１では、半導体チップ１１と配線基板１２との間に充填されるアンダーフィル材１４と、半導体チップ１１を封止するモールド材１５とが、一般的に樹脂材料よりも耐熱温度が高いＳｉＯ2を材料として構成されている。このため、アンダーフィル材１４およびモールド材１５を形成した後に、アンダーフィル材とモールド材が樹脂材料で構成されている場合よりも高温の製造工程を採用することができ、半導体装置製造工程の自由度を向上させることができる。これにより、高温プロセスである金属の成膜を採用して、モールド材１５上に電磁シールド用金属層１６を積層することが可能となる。さらに、ウエハ−ウエハ間やチップ−ウエハ間といったウエハレベルでの実装が可能となり、製造工程の簡素化と製造時間の短縮ができる。また、酸化物は樹脂よりも熱伝導率が高いため、半導体装置の小型化により半導体装置内に熱がこもるのを抑制することができる。
【００２７】
次に、半導体装置１の製造方法では、酸化物原料の前駆体（本実施形態ではＴＥＯＳ）と酸化剤（本実施形態ではＯ2）とを超臨界流体（本実施形態ではＣＯ2）に溶解した混合流体を積層チップ２０に供給している。このため、半導体チップ１１と配線基板１２との間が狭い場合であっても、毛細管現象を用いたときより、半導体チップ１１と配線基板１２との間に酸化物原料の前駆体と酸化剤とを浸透させ易くなり、ボイドを発生させることなく、半導体チップ１１と配線基板１２との間にアンダーフィル材１４を形成することができる。
【００２８】
また、モールド材１５上に積層される電磁シールド用金属層１６により、半導体チップ１１から発生する電磁波が半導体装置１の外部に漏洩するのを阻止することができるとともに、半導体装置１の外部からの電磁波による半導体チップ１１の誤動作の発生を抑制することができる。
【００２９】
また、積層チップ２０の下面１２２にマスキング材２１を形成した後にアンダーフィル材１４とモールド材１５を形成するため、配線基板１２の下面１２２が酸化物で覆われるのを防止することができる。
【００３０】
以上説明した実施形態において、半田ボール１７は本発明における接続端子、モールド材１５は本発明における封止材、チャンバー３１は本発明における処理容器、ＴＥＯＳは本発明における前駆体、電磁シールド用金属層１６は本発明における電磁シールド用金属膜および金属膜である。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、アンダーフィル材１４およびモールド材１５を構成する酸化物がＳｉＯ2であるものを示したが、酸化物がＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、またはＳｒＯ、の何れか一つ、若しくは複数で構成されたものにしてもよい。換言すると、上記実施形態では、酸化物原料の前駆体としてＳｉ元素を含むもの（すなわち、ＴＥＯＳ）を示したが、Ｓｉ元素、Ｔｉ元素、Ａｌ元素、Ｈｆ元素、Ｓｒ元素を少なくとも一つ含むものであるようにしてもよい。ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＳｒＯは、半導体装置の製造で一般に用いられている材料であるからである。
【００３２】
また上記実施形態では、超臨界流体としてＣＯ2を用いたものを示したが、その他の超臨界流体（例えば、エタノール、アルゴン）を用いてもよい。但し、超臨界ＣＯ2は溶媒能を有しており、酸化物原料を溶かす能力が高いため、ＣＯ2を用いるのが望ましい。
【００３３】
また上記実施形態では、酸化剤としてＯ2を用いたが、Ｏ3、Ｈ2Ｏ、Ｈ2Ｏ2、ｔｅｒｔ−ブチルアルコール、および［ビス（トリフルオロアセトキシ）ヨード］ベンゼン（ＢＴＩ）の何れかを用いるようにしてもよい。
【００３４】
また上記実施形態では、モールド材１５上に電磁シールド用金属層１６を積層したものを示した。しかし図４に示すように、配線基板１２上に複数（図４では２個）の半導体チップ１１を積層する場合には、半導体装置１内で発生する熱量が大きくなり、故障の原因となりうる。このため、電磁シールド用金属層１６の表面に凹凸１６１を形成し、電磁シールド用金属層１６の表面積を増大させることにより、半導体装置１の放熱性を向上させるようにしてもよい。
【００３５】
また上記実施形態では、半導体チップ１１が、トランジスタ等の電子素子を多数搭載した集積回路であるものを示した。しかし、半導体チップ１１が光学素子（すなわち、受光素子または発光素子）である場合には、図５に示すように、光を透過させるための貫通孔１６２を電磁シールド用金属層１６に形成するようにするとよい。半導体チップ１１上に積層されているモールド材１５は、可視光域の光を透過させることができるＳｉＯ2で構成されているからである。これにより、半導体チップ１１で発生する可視光を半導体装置１の外部へ向けて照射すること、または、半導体装置１の外部から半導体装置１に入射した可視光を半導体チップ１１で検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００３６】
１…半導体装置、１１…半導体チップ、１２…配線基板、１３…バンプ、１４…アンダーフィル材、１５…モールド材、１６…電磁シールド用金属層、１７…半田ボール、２０…積層チップ、２１…マスキング材、３０…一括形成装置、３１…チャンバー
【図１】
2014007336.tif 000003
【図２】
2014007336.tif 000004
【図３】
2014007336.tif 000005
【図４】
2014007336.tif 000006
【図５】
2014007336.tif 000007