(57)【要約】【課題】  熱耐久性が高い半導体装置を提供することである。【解決手段】  本発明の半導体装置は、主表面２０と上記主表面と対向する裏面２４とに開口端を有する貫通孔１２を備える半導体チップ１４を有する半導体装置１０であって、上記貫通孔１２内に約４００℃以下で焼結する粒子径を有する金属ナノ粒子が焼結して形成された焼結体３４を有することを特徴とする。【選択図】図１
2006066412.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面と上記主表面と対向する裏面とに開口端を有する貫通孔を備える半導体チップを有する半導体装置であって、
上記貫通孔内に約４００℃以下で焼結する粒子径を有する金属ナノ粒子が焼結して形成された焼結体を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
上記金属ナノ粒子が、約２００℃以下で焼結する粒子径を有す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】
上記金属ナノ粒子が、平均直径５０ｎｍ程度以下の金、銀または銅ナノ粒子であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項４】
上記貫通孔が、孔内面に導電膜を有する空洞のバイアホールであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項５】
主表面と上記主表面と対向する裏面とに開口端を有する貫通孔を備える半導体チップを有する半導体装置を製造する半導体装置製造方法であって、
ａ）上記半導体チップの上記貫通孔以外の部分にレジスト膜を形成する工程と、
ｂ）上記貫通孔に金属ナノ粒子を充填する工程と、
ｃ）上記貫通孔に上記金属ナノ粒子が充填された状態で上記半導体装置を加熱して上記金属ナノ粒子を焼結する工程と、
ｄ）上記金属ナノ粒子が焼結して焼結体を形成した後、上記レジスト膜を除去することを含む半導体装置製造方法。
【請求項６】
上記貫通孔が、
上記主表面または上記裏面の一方から上記半導体チップ内部に向かって第１の孔を形成する工程と、
上記主表面または裏面の他方から上記第１の孔に接続される第２の孔を形成する工程とを含む工程から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ナノ粒子の焼結体を充填したバイアホールを備えた半導体チップを有する半導体装置およびその半導体装置製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高出力化が進んでおり、半導体装置は高い熱耐久性を求められている。半導体装置に高い熱耐久性を持たせるために、例えば、高熱に対する耐久性が低いはんだによる接合（例えば、半導体チップとパッケージの接合）の代わりに、金属ナノ粒子を用いた接合が提案されている。この接合は、ナノオーダの粒子径を有する金属粒子（以下、「金属ナノ粒子」と称する。）はその材料固有の融点より低い温度で焼結するという現象を利用したものである（例えば、特許文献１参照。）。いったん焼結して形成されたバルク（焼結体）は、金属の融点の温度まで高温に耐え得るため、はんだに比べて高い熱耐久性を有する。また、半導体装置の半導体チップがバイアホールを有する場合、バイアホールの内面に形成されている導電膜が、例えば、半導体チップの主表面に形成されている半導体素子から発生した熱を主表面から裏面に移動させる役割を果たしている。
【特許文献１】特開２００４−１２８３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、接合部分に高い熱耐久性があっても、熱を移動させない限り、熱が蓄積する部分又は熱が発生する部分、例えば、半導体チップの主表面に形成された半導体素子には、最終的に、熱破壊または特性劣化が生じることがある。ここで、半導体装置の半導体チップがバイアホールを有する場合、バイアホールの内面に形成されている導電膜が、例えば、半導体チップの主表面に形成されている半導体素子から発生した熱を主表面から裏面に移動させる役割を果たしているが、バイアホールは空洞であり、その熱移動媒体である導電膜（例えば、化合物半導体装置において主に使用されている金（Ａｕ）の膜）は本来主表面と裏面との電気的接続を行うものであり、膜厚も数μｍと薄いため熱を移動させるには不十分であった。
【０００４】
そこで、本発明は、半導体チップの主表面で発生した熱を、半導体チップの主表面側から裏面側に十分に移動させることを可能にしたバイアホールを有する、熱耐久性が高い半導体装置とその半導体装置を製造する方法とを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置は、主表面と上記主表面と対向する裏面とに開口端を有する貫通孔を備える半導体チップを有する半導体装置であって、
上記貫通孔内に約４００℃以下で焼結する粒子径を有する金属ナノ粒子が焼結して形成された焼結体を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、約４００℃以下で焼結する粒子径を有する金属粒子が焼結して形成された焼結体がバイアホール全体に充填されることにより、半導体チップの主表面側で発生した熱が半導体チップの裏面側に十分に移動するため、例えば、半導体チップの半導体素子の熱疲労や熱破壊が生じにくくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に係る半導体装置を説明する前に、本発明の実施の形態に関する金属ナノ粒子について説明する。粒子径が数十ナノメートル以下の金属粒子（金属ナノ粒子）は、表面エネルギーが増大するため、バルク状態（数百ナノメートルより十分に大きいサイズ）であるときとは異なり、金属の融点以下でも表面が融解し、隣接する金属ナノ粒子と結合して一体化する焼結現象が起こる。粒子径が小さくなるに従って焼結が生じる温度も低くなり、特に、粒子径が数ナノメートルに小さくなると、理論上室温近くでも融解する可能性を持つ。しかしながら、実際に使用する場合、金属ナノ粒子の粒子径は、保存時の温度、または、後述するように、半導体チップのバイアホールに充填される作業環境下の温度など（正確に言えば、焼結時に加えられる温度より低い金属ナノ粒子の周囲の温度）で望んでいない焼結が起こらない大きさに決定されるのが好ましい。例えば、金属ナノ粒子が冷温（約０〜５度）で保存されるとともに室温（約２５〜３０度）の作業環境下で取り扱われる場合、金属ナノ粒子の粒子径は、室温以上の温度３０度以上に、好ましくは、温度変動を十分考慮して、約５０度以上の温度で焼結し始める大きさに決定される。
【０００８】
上述の特性を効果的に利用するため、金属ナノ粒子は、低温（場合によっては室温）で焼結しないように、個々が有機物の膜で被覆されている。また、被覆された金属ナノ粒子は、有機溶媒内に分散された状態で扱われる。有機膜に覆われた金属ナノ粒子は粉流体として扱うことができ、また、有機溶媒内に分散された有機膜に覆われた金属ナノ粒子は、液体（濃度によっては、ペースト）として扱うことができる。以下、有機膜に覆われた金属ナノ粒子を粉流体状の金属ナノ粒子、有機溶媒内に分散された有機膜に覆われた金属ナノ粒子を液体状またはペースト状の金属ナノ粒子と称する。
【０００９】
このような液体状またはペースト状の金属ナノ粒子は、例えば、ハリマ化成株式会社からナノペースト（商標）として製造されている。
【００１０】
本発明に係る半導体装置において、金属ナノ粒子の粒子径は、約４００℃以下、好ましくは約２００℃以下で焼結する大きさに選択されている。例えば、化合物半導体装置に使用される一般的な半導体素子は、約４００℃以上の高温下では半導体能動層や電極部分の性能が著しく劣化する。一般に、バイアホールは半導体素子作成後形成されるため、バイアホールに充填される金属ナノ粒子は、既成の半導体素子の性能劣化が生じない温度で焼結する必要がある。また、完成後の半導体装置は、約２００℃以上の温度下で長時間暴露されると、その装置性能が劣化する可能性があることが分かっており、そのため、装置作成過程においても約２００℃以上の高温暴露は可能な限り避けることが望ましい。また、これらの温度は、金属ナノ粒子を覆う有機物の膜や、金属ナノ粒子が分散されている有機溶媒が蒸発するために十分な温度である必要がある。
【００１１】
例えば、銀（Ａｇ）ナノ粒子は、粒子径が約２０ｎｍより大きい場合、銀の融点約９６０℃で結合するが、約２０ｎｍより小さくなると、融点以下の温度で結合（焼結）する。一般に、銀ナノ粒子は、約２００℃以下で焼結させる場合、約１０ｎｍ以下の粒子径を有する必要があると言われている。一般に、金属ナノ粒子は平均直径５０ｎｍ程度以下で融点以下の焼結温度をとることが知られている（例えば、一ノ瀬他著「超微粒子技術入門」（オーム社、１９８８年）参照。）。
【００１２】
図１は、本発明に関連する部分を拡大した半導体装置１０の断面を概略的に示している。半導体装置１０は、バイアホール１２を有する半導体チップ１４と半導体チップ１４を保持するパッケージ１６とを有する。半導体チップ１４は、基板１８と、基板１８の主表面２０に形成された複数の半導体素子２２と、主表面２０と反対側の面（裏面）２４全体に形成された導電体層２６とを有する。
【００１３】
また、半導体チップ１４の主表面２０と裏面２４とに開口端を有するバイアホール１２の孔内面には、電極２８を介して導電体層２６と半導体素子２２とを電気的に接続する導電膜３０が、例えば、スパッタ、蒸着、メッキなどによって形成されている。
【００１４】
パッケージ１６は、半導体チップ１４の導電体層２６と電気的に接続される電極３２を有する。半導体チップ１４の導電体層２６とパッケージ１６の電極３２は、例えば、はんだや接着剤によって接着されている。
【００１５】
バイアホール１２内部には、導電膜３０を介して金属ナノ粒子が焼結して形成された焼結体３４が充填されている。また、焼結体３４は半導体チップ１４とパッケージ１６の間の空間３６にも充填されている。
【００１６】
このような構成によれば、半導体チップ１４の主表面２０に形成された半導体素子２２から発生した熱は、電極２８、導電膜３０、導電体層２６を介するとともに、焼結体３４を介してパッケージ１６に移動し、速やかに半導体装置１０の外部に放出される。これにより、半導体チップ１４の半導体素子２２の熱破壊や熱による特性劣化が防止される。
【００１７】
また、金属ナノ粒子の材料は、熱を速やかに移動させる、すなわち、熱伝導率の高い材料（金、銀、銅、アルミニウムなど）が望ましい。さらに、金属ナノ粒子は、導電膜３０や導電層２６、電極３２などの配線の材料、例えば、化合物半導体装置において使用されている金（Ａｕ）とは異なる材料（例えば、銀（Ａｇ））でもよいが、良好な熱伝導を達成するために、配線材料と同一のものが望ましい。
【００１８】
次に、本発明の半導体装置作成方法、特に、金属ナノ粒子をバイアホールに充填して焼結させる方法について説明する。
【００１９】
図２は、金属ナノ粒子をバイアホールに充填して焼結させる方法を図示している。まず、バイアホール１２が形成された半導体チップ１４を作成する。このとき、半導体チップ１４は、複数の半導体チップ１４に切断される（ダイジングされる）前のウェハの状態であってもよい。次に、図２（ａ）に示すように、半導体チップ１４の主表面２０上のバイアホール１２以外の部分にレジスト膜３８が形成される。このレジスト膜３８は、バイアホール１２をエッチング形成したときに用いたレジスト膜であってもよい。
【００２０】
続いて、図２（ｂ）に示すように、ペースト状または液体状の金属ナノ粒子４０が、レジスト膜３８の上からバイアホール１２内に充填される。半導体チップ１４がウェハの状態である場合、例えば、スピンコーティング法を用いて金属ナノ粒子４０がバイアホール１２に充填される。スピンコーティング法は、ウェハ上に均一な厚さの樹脂膜を形成するコーティング方法である。この方法は、ウェハの中心を回転中心として回転中のウェハに液体樹脂を滴下することにより、または、十分量の液体樹脂をウェハ上に滴下した後にウェハを回転させることにより、液体樹脂の均一な層をウェハ上に形成し、その後、液体樹脂を硬化させることによって均一な厚さの樹脂膜をウェハ上に形成する。ここでは、この樹脂の代わりに、ペースト状態または液体状態の金属ナノ粒子４０をレジスト膜３８上に塗布してバイアホール１２に充填する。
【００２１】
また、図３に示すように、ペースト状または液体状の金属ナノ粒子４０をノズル４２を用いてバイアホール１２内に滴下してもよく、または、マイクロインクジェット法と呼ばれる、ノズル４２からペースト状または液体状の金属ナノ粒子４０を射出する方法を用いてバイアホール１２内に充填してもよい（特開２００４―１１９７９０参照。）。これらの方法を用いる場合、バイアホール１２以外に金属ナノ粒子４０が付着する可能性が低いため、レジスト膜３８を省略することが可能である。
【００２２】
スピンコーティング法やマイクロインクジェット法または他の方法のペースト状または液体状の金属ナノ粒子の充填方法は、バイアホール１２の径や数等に応じて適宜選択される。例えば、金属ナノ粒子が充填されるバイアホール数が多い場合には、スピンコーティング法が有利である。
【００２３】
上述のように、バイアホール１２内にペースト状または液体状の金属ナノ粒子４０が充填された後、充填された金属ナノ粒子４０を適当な焼結温度で焼結させるとともに、有機膜や有機溶媒を蒸発させるために半導体チップ１４が加熱される。加熱されると、図２（ｃ）に示すように、金属ナノ粒子４０が焼結して形成された焼結体３４がビアホール１２内に形成される。
【００２４】
図２（ｂ）、２（ｃ）に示す工程では、金属ナノ粒子がバイアホール略全てに充填された後に加熱して焼結体を形成したが、適当な量の金属ナノ粒子を充填する度に加熱して適当な大きさの焼結体を形成し、これらを繰り返してバイアホール全体に充填される焼結体を形成してもよい。
【００２５】
図２（ｃ）に示すようにバイアホール１２内に焼結体３４が形成された後、レジスト膜３８が、レジスト膜３８上に形成された焼結体３４’とともに除去される。これにより、図２（ｄ）に示すように、バイアホール１２内に金属ナノ粒子から形成された焼結体３４の充填が完了する。
【００２６】
また、金属ナノ粒子から形成された焼結体は、当然ながら導電性を有する。したがって、焼結体は、導電膜を有しないバイアホール、すなわち、貫通孔に充填されて熱を半導体チップの一方の面から他方の面に移動させるとともに両面を電気的に接続してもよい。そのような半導体装置１１０が、図４に示されている。焼結体１３４が、パッケージ１１６の電極１３２と半導体チップ１１４の主表面１２０に形成された半導体素子１２０（電極１２８を介して）とを電気的に接続する。このような構成によれば、バイアホール１１２内に導電膜を形成する必要がなくなる。
【００２７】
図４に示すように、焼結体１３４によって半導体チップ１１４の両面の電気的接続を行う場合、長い全長（深さ）１４４を有するバイアホール１１２を形成する、すなわち、厚みのある半導体チップを半導体装置に用いることが可能になる。
【００２８】
バイアホール１１２の全長１４４は、バイアホール１１２を形成する処理、例えば、エッチングの能力はもちろん、導電膜を形成する処理、例えば、スパッタ、蒸着、メッキなどの能力によって決定される。例えば、バイアホール１１２が長い全長１４４を有する場合、半導体チップ１１４の主表面１２０または裏面１２４から距離があるために、スパッタ等ではバイアホール１１２の中心部（半導体チップ１１４の中心部）に良好な導電膜が形成することができない場合がある。ここで、形成することができないには、技術的に困難であることとともに、短時間で形成できない、すなわち、形成に長時間を要する場合も含んでいる。当然ながら、導電膜の形成に長時間を要することは、生産効率上良くない。このような場合において、従来の導電膜の代わりに、液体状またはペースト状の金属ナノ粒子をバイアホール１１２内に短時間で充填し、焼結形成された導電性を備えた焼結体１３４を用いることにより、半導体チップ１１４の両面を電気的に接続する。
【００２９】
また、言い換えると、金属ナノ粒子から形成される焼結体１３４により、導電膜の形成することができないために制限されていた、長い全長１４４のバイアホール１１２の形成が可能になる。長い全長１４４のバイアホール１１２は、例えば、半導体チップの主表面と裏面の両方から同時にエッチングを行い、主表面１２０から半導体チップ１１４の内部に向かってエッチング形成された第１の孔と、裏面１２４から第１の孔に向かってエッチング形成された第２の孔とが接続されて形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る半導体装置の断面図である。
【図２】焼結体充填方法を示す工程図である。
【図３】バイアホールに金属ナノ粒子を充填する方法の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る別の形態の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  半導体装置、  １２  バイアホール、  １４  半導体チップ、  １６  パッケージ、  １８  基板、  ２０  主表面、  ２２  半導体素子、  ２４  裏面、  ２６  導電体層、  ２８  電極、  ３０  導電膜、  ３２  電極、  ３４  焼結体、  ３６  空間、  ３８  レジスト膜、  ４０  金属ナノ粒子、  ４２  ノズル、
１１０  半導体装置、  １１２  バイアホール、  １１４  半導体チップ、  １１６  パッケージ、  １２０  主表面、  １２２  半導体素子、  １２４  裏面、  １２８  電極、  １３２  電極、  １３４  焼結体、  １４４  全長
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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