(57)【要約】【課題】ウェハ基板間の気密封止空間に素子を収容したウェハレベル半導体装置の製造方法において、貫通孔の信頼性や歩留りの問題を解消する。【解決手段】デバイス１４からの電気信号を外部に取り出すためのボンディングパッド１６，１８をベースウェハ１２上に形成する。ウェハ１２，２４の少なくとも一方におけるボンディングパッド１６，１８を取り囲む位置に気密封止空間を形成するための周縁封止部材として周縁パッド２０、周縁パッドガスケット２２を形成する。また、ウェハ２４のボンディングパッド１６，１８の周縁もしくは全面と整合する位置に気密封止空間を形成するためのガスケット３４，３６を形成する。周縁パッド２０およびボンディングパッド１６，１８とガスケット２２，３４，３６を用いてウェハ１２，２４を貼り合わせる。キャップウェハ２４のパッド１６，１８と整合する部分の基材を除去することで、スルーホール２６，２８を形成する。【選択図】図３
2006303061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２のウェハ基板の間に形成される外部と隔てた気密封止空間に素子を収容した状態のウェハレベル半導体装置の製造方法であって、
前記素子からの電気信号を外部に取り出すためのボンディングパッドを前記第１のウェハ基板上に形成するボンディングパッド形成工程と、
前記第１および第２のウェハ基板上の少なくとも一方における前記ボンディングパッドを取り囲む位置に前記気密封止空間を形成するための周縁封止部材を形成する周縁封止部材形成工程と、
前記第１および第２のウェハ基板の間に前記素子を収容した状態で前記気密封止空間を形成するように前記封止部材を用いて前記第１および第２のウェハ基板を貼り合わせるウェハボンディング工程と、
前記第２のウェハ基板の前記ボンディングパッドと整合する部分の基材を除去することで、前記ボンディングパッドに通じる貫通孔を形成する貫通孔形成工程と
を備えたことを特徴とするウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第２のウェハ基板上の前記ボンディングパッドの周縁もしくは略全面と実質的に整合する位置に前記気密封止空間を形成するためのボンディングパッド封止部材を形成するボンディングパッド封止部材形成工程
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記貫通孔形成工程は、前記素子を前記気密封止空間内に収容した状態を維持しつつ前記貫通孔を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記周縁封止部材形成工程は、前記第１のウェハ基板上の前記ボンディングパッドを取り囲む位置に前記周縁封止部材としての周縁パッドを形成する周縁パッド形成工程と、前記第２のウェハ基板上の前記周縁パッドと対向する位置に前記周縁封止部材としての周縁パッドガスケットを形成する周縁パッドガスケット形成工程とを有し、
前記ウェハボンディング工程は、前記周縁パッドと前記周縁パッドガスケットとを貼り合わせる
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記封止部材形成工程は、前記第１および第２のウェハ基板上の何れか一方のみにおける前記ボンディングパッドを取り囲む位置に前記封止部材を形成し、
前記ウェハボンディング工程は、前記第１および第２のウェハ基板の一方に形成された前記封止部材と前記第１および第２のウェハ基板の他方とを貼り合わせる
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記封止部材形成工程は、前記周縁封止部材の高さが、前記ボンディングパッドの高さと前記ボンディングパッド封止部材の高さの和と略等しくなるように形成する
ことを特徴とする請求項２に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記貫通孔形成工程に先立って、前記第２のウェハ基板を所定の厚さに削る研削工程
さらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記周縁封止部材形成工程は、前記第２のウェハ基板上のみにおける前記ボンディングパッドを取り囲む位置に前記周縁封止部材を形成し、
かつ、前記周縁封止部材形成工程および前記ボンディングパッド封止部材形成工程は、
前記第２のウェハ基板上に導電性部材を用いて接着層を形成する接着層形成工程と、
前記接着層上に導電性部材を用いてシード層を形成するシード層形成工程と、
前記シード層および前記接着層の前記封止部材と対応する部分以外を除去することで前記封止部材を電気的に孤立化させて形成する除去工程と
を有することを特徴とする請求項２に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記ウェハボンディング工程は、低温下で圧縮加重をかけて実施し、これにより前記封止部材を他の部材と冷間圧接する
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ウェハボンディング工程は、前記基板をアルゴンプラズマ洗浄をした後、２００℃以下・真空下で前記圧縮加重をかけて実施する
ことを特徴とする請求項９に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記貫通孔および前記ボンディングパッドを介して、前記素子からの電気信号を外部に取り出すための導電性部材を形成する配線工程
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記配線工程は、少なくとも前記貫通孔の側壁に導電性を持たせることで前記貫通孔を導電性部材にする工程を有する
ことを特徴とする請求項９に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法
【請求項１３】
前記封止部材として、金、アルミ二ウム、銅、銀、すず、イリジウム、チタン、ニッケル、これらの合金から構成されるグループの中から選択された１つの材料を用いて形成される
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記基板として、シリコンが用いられる
ことを特徴とする請求項１に記載のウェハレベル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、一般的な半導体やマイクロデバイス（纏めて半導体装置あるいは半導体デバイスともいう）のウェハレベルのチップスケールパッケージ（ウェハレベル半導体装置ともいう）の製造方法に関する。より詳細には、ウェハ基板間に形成される気密封止空間に半導体素子などを収容した状態のウェハレベル半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置は、電子機器の高性能化と軽薄短小化の傾向（時流）からＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit；大規模集積回路）のＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit ；特定用途向けＩＣ）に代表されるように、ますます高集積化、高機能化、小型化が進んでいる。従来は、ウェハ形成工程を経たウェハに対し、裏面研磨を施してから、ダイシングを行ない、各ペレット（チップまたは半導体素子ともいう）に切断分離した後、ペレットごとに、ダイボンディング、ワイヤボンディング、樹脂封止などを行ない、半導体装置を組み上げており、ワイヤボンディング法による半導体素子とリードフレームの電気接続が行なわれていた。
【０００３】
近年、高速信号処理の点でワイヤボンディングに優れる、チップのバンプを用いたフリップチップ接続が採られるようになってきた。フリップチップ接続には、パッケージングされていないチップをそのままプリント基板に搭載するベアチップ実装という方法もあるが、取扱いが難しく、信頼性保証の観点からは、パッケージングされたバンプ付き半導体装置が望ましい。
【０００４】
このようなことから最近では、パッケージングされたバンプ付き半導体装置を形成する方法として、ウェハレベルで、配線、外部端子部（メタルポストからなる）形成、樹脂封止、バンプ形成を行なった後、各半導体装置に切断分離して、ＣＳＰ（Chip Scale Package）を形成する製造方式が提案されている（たとえば、ChipScale International 99/SEMI 1999）。
【０００５】
なお、このようにして作製されたＣＳＰを、本明細書では、ウェハレベルパッケージあるいはウェハレベルＣＳＰともいう。また、このような半導体装置の製造を、ウェハレベルでの半導体装置の製造あるいはウェハレベルパッケージの製造という。
【０００６】
ここで、このように半導体装置をパッケージングするために数多くのウェハ対ウェハボンディング（ウェハレベルパッケージ）技術が現在利用されている。利用されている技術の中には、シリコン対ガラス陽極ボンディングやシリコン対シリコン融着ボンディング、そしてガスケットなどの中間材料を実際のボンディング媒体として利用したウェハ対ウェハボンディングが含まれる。このような中間材料には二酸化シリコン、金、イリジウム、あるいはアルミニウムなどの軟質金属が含まれ、これらは電気的、熱的、および／または圧接技術を利用してボンディングされる。
【０００７】
たとえば、多くのＩＣ（集積回路）やトランジスタなどに代表される半導体デバイスや圧力センサや高周波用フィルタ用ＳＡＷ（表面音響波）やＢＡＷ（バルク音響波）デバイスなどに代表されるＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトカル・メカニカル・システム）デバイスや発振用の半導体素子を中空内に有するＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）などにおいては、汚染、湿気、およびその他の同様の環境的要因に敏感なものがあり、素子（デバイス）を気密封止パッケージや中空パッケージに封入する、すなわちウェハ基板間に外部と隔てた気密封止空間を作り、この気密封止空間にデバイスを載せる必要がある。
【０００８】
過去においては、デバイス（半導体装置）はパッケージングする前に、先ずウェハから切断または分割され、個別にパッケージされていた。一方、ウェハレベルパッケージにおいては、デバイスがウェハ上にあるうちにパッケージングが実施され、数百・数千のパッケージを同時に製造し、その後に切断または分割する。
【０００９】
図５は、従来のウェハレベルパッケージ９１０の一例を示した図である。第１ウェハ基板９１１と第２ウェハ基板９２３とが、ガスケット９２０で接合（ボンディング）され、気密・中空環境９２５が２枚のウェハ基板９１１，９２３間に形成され、これによりデバイス９１４が保護されるようになっている。このガスケット９２０は、たとえば金属やポリイミドやガラスなどの材料を所望の形状に形成することにより作成することができる。このように、従来のウェハレベルパッケージ９１０は、２枚のウェハ基板を接合すること（以下ウェハボンディングという）で達成される。
【００１０】
しかしながら従来のシリコン対ガラス陽極ボンディングやシリコン対シリコン融着ボンディングの技術には様々な問題がある。たとえば、ガラスウェハをシリコンウェハに陽極ボンディングする場合は高電圧を使用するが、これがシリコンウェハ上の電子回路に悪影響を及ぼす可能性がある。同様にシリコン対シリコンの融着ボンディングもまた、非常に高い温度で実施しなければならない。
【００１１】
またこれらの技術のいずれも温度が高く、低い融点の金属を溶かす可能性があり、デバイスが特定の種類のものである場合には使用できない。ガラスフリットなどは相対的に大きなボンディング面積を要し、この結果、ダイサイズが大きくなり、ウェハ上に作成できるデバイスの数が減少する。
【００１２】
一方、ウェハレベルパッケージにおいては、気密封止されたデバイスへの接続は一般的にはボンディング媒体の下でウェハの一方向に対して作られる横引出しの方法が取られるが、配線材料の段差上に封止材料がおかれるためウェハ接合が不十分になり易く、信頼に足る気密性を確保することが難しい。
【００１３】
デバイスを使用する装置の小型化が進む現状にあっては、小型・薄型のウェハレベルパッケージが強く求められている。したがって、ウェハレベルパッケージ中にあるデバイスへの接続を得るための工夫がここ何年にも亘って大きな課題となっている。
【００１４】
このような問題を解消する一手法として考えられたのが、中間材料をボンディング媒体として利用するウェハ対ウェハボンディングである（たとえば特許文献１〜６、非特許文献１，２を参照）。
【００１５】
【特許文献１】米国特許第５，４４８，０１４号公報
【特許文献２】米国特許第６，２２８，６７５号公報
【特許文献３】特開２００１−６８６１６号公報（特許文献２の対応国内出願）
【特許文献４】米国特許第６，２６５，２４６号公報
【特許文献５】特開２００１−６８５７４号公報（特許文献４の対応国内出願）
【特許文献６】特開２００１−６８５８０号公報（特許文献４の対応国内出願）
【特許文献７】特開２００４−８８０８２号公報
【特許文献８】特開２００４−３１４９８号公報
【非特許文献１】“A Wafer Level Encapsulated FBAR Chip Molded into a 2.0 mmx1.6 mm Plastic Package for Use as a PCS Full Band Tx Filter”，David Feld, Paul Bradley, Andrew Barfknecht, Richard Ruby
【非特許文献２】“11.3  High-Q FBAR Fillers in a Wafer-Level Chip-Scale Package”，ISSCC 2002/SESSION 11/TD: RF/HIGH・SPEED TECHNOLOGIES/11.3，R.C.Ruby. A. Barlknecht, C.Han,Y.Desai,F Geefay, G.Gan,M.Gat,T.Verhoeven
【００１６】
しかしながら、Ｋｏｎｇなどによる特許文献１に記載のパッケージング方法（以下従来製法１ともいう）では、２枚のウェハ間の距離を調節するために複数層のスタンドオフを必要とする。さらに、開示の通りにウェハ各々に異なる材料を使用する場合、開示の通りに熱を使ってパッケージを製造すると材料の異なる熱膨張係数が悪影響を与える可能性がある。
【００１７】
また、既存の方法ではエポキシやグロメット、すなわち封止リングをワイヤ周辺のスルーホールで使用することなくウェハパッケージ自体に電気導体を貫通させることができるウェハ対ウェハ封止方法がなかったため、過去においてはパッケージングされたデバイスへの電気的接触を得ることは困難であった。
【００１８】
特許文献１に記載のパッケージング方法におけるこれらの問題点を解決する一手法として、Ｒｕｂｙなどによる特許文献２〜６および非特許文献１，２（纏めて以下従来製法２ともいう）や特許文献７，８に記載のパッケージング方法（以下従来製法３ともいう）が開示されている。
【００１９】
Ｒｕｂｙなどによる従来製法２は、第１ウェハ基板（ベースウェハ）にボンディングパッドとボンディングパッドを取り囲む周縁パッドとを形成し、第２ウェハ基板（キャップウェハ）上の、第１ウェハ基板上の周縁パッドと整合する位置に封止部材を形成するとともに第１ウェハ基板上のボンディングパッドと整合する位置に溝（ウェル）を形成し、これら２つのウェハ基板を位置合わせして封止部材を使ってボンディングすることで２つのウェハ基板間にマイクロデバイスを収容した状態で気密封止空間（気密封止空間容量）を形成し、この後に、第２ウェハ基板の一部（具体的にはデバイス側と反対の裏面側）を除去することにより、溝を第２ウェハ基板中のスルーホール（貫通穴）にして第１ウェハ基板上のボンディングパッドへと通じさせるようにしている。
【００２０】
ウェハ接合時には、第１ウェハ基板と第２ウェハ基板に形成した封止部材同士を同金属による熱圧着や異種金属のＳＬＩＤ（Solid-Liquid InterDiffusion）方法を用いている。このように作成したパッケージ封止は平坦な部分で接合されるため、気密性は良好で、また、第２ウェハ基板を貫通する電気接続が可能になり、小型化が可能となる。
【００２１】
ここで、特許文献２，３に記載の手法では、溝中に第２ウェハ基板と一体となるように導体を形成することで、２つのウェハ基板をボンディングした後には導体がボンディングパッドに接触するようにしている。つまり、スルーホール（貫通穴）の側壁に、導電性膜を埋め込んだりシリコンに不純物ドープを行なったり、スルーホールを導電性部材で埋めるなどしてスルーホールに電気的な導電性を持たせることで、スルーホールを導電性のバイアホール（Via Connection；貫通配線）とし、この導電性のスルーホールを介して外部への電気的な取出しを可能にしている。また、導電性膜などのスルーホールの導体の上に外部接続のための配線を形成する。
【００２２】
また、特許文献４〜６に記載の手法では、ボンディングパッドの周縁と実質的に整合する位置にも封止部材を形成しておき、周縁パッド対応の封止部材とボンディングパッド対応の封止部材とを使ってボンディングすることで、２つのウェハ基板間にマイクロデバイスを収容した状態で気密封止空間を形成するようにしている。ワイヤボンドなどをスルーホール（貫通穴）を通してボンディングパッドと接続することで、外部への取り出しを可能にしている。
【００２３】
また、非特許文献１，２に記載の手法では、ウェハ接合前に第２ウェハ基板側にスルーホール用の溝を形成しておき、ウェハ接合後に第２ウェハ基板の一部（裏側）を除去することで溝をスルーホールにする。
【００２４】
Ｒｕｂｙなどによる従来製法２は、Ｋｏｎｇなどによる従来製法１の課題を同種の材料を中間材料として用いることで回避している。また、スルーホールを形成し、ワイヤボンドや貫通穴の側壁のシリコンに不純物ドープを行ない、外部への電気的な取り出しを可能にしている。
【００２５】
つまり、Ｒｕｂｙなどによる従来製法２は、電気的な取り出しをするため、第２ウェハ基板側に予め溝（ウェル）を掘り、第１ウェハ基板とのボンディング後、この溝の上部を裏面研削と研磨（Polish）などでスルーホールを形成してから、スルーホールを通してワイヤボンドを行なうあるいは導電性のスルーホールにしておくことで、外部への電気的な取出しを達成する方法であり、特許文献２〜６の何れも、ウェハ接合前に第２ウェハ基板側にスルーホール用の溝を形成しておき、ウェハ接合後に第２ウェハ基板の一部（裏側）を除去することで溝をスルーホールにするという工程を有する。
【００２６】
また、従来製法３では、半導体素子が形成されているベースウェハ側から外部接続を取るためのスルーホールを形成するようにしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
しかしながら、従来製法２は、ウェハ接合前にスルーホール用の溝を形成する方法であるため、削りかすなどが除去しにくく、歩留低下が起きる可能性が高い。
【００２８】
すなわち、ウェハ接合後に裏面から研削で削る場合、削る量やウェハ厚さのバラツキの影響でウェハ内の溝の上面がＢＧＲ（Back Ground Remove；裏面研削）時に露出する。その際、この溝（スルーホール）に削りかすが詰まり、歩留まりを低下させる。研削を溝が出る前に終了し、研磨で行なう場合も研磨剤による削りかすが残る可能性があり、製造が難しい。また、薬液によるシリコンエッチングを最後に使うと削りかすの心配はないが、スルーホールが大きくなる。また、一度溝を掘った後、再度工程を追加して、スルーホールを開口するのは工程が多くなりコストが高くなる。
【００２９】
また、特許文献２，３に記載の手法のように、溝の側壁に不純物をドープなどして溝中に第２ウェハ基板と一体となるように導体を形成してスルーホールを導電性のバイアホールとするあるいはそのスルーホールを導電性部材で埋めるなどして貫通配線にする方法でも、同様にウェハボンディング後にウェハを削る方法では、側壁の導電性材料や溝に埋め込んだ導電性材料とウェハの材料が異なるため、研削や研磨では材料の硬さの違いでスルーホール部が周辺と削れ量が異なり、段差（凸凹）ができ、その後の配線やワイヤボンドがうまく行かない可能性がある。
【００３０】
これを避けるには、特許文献２，３に記載のように、貫通配線とされたスルーホールの内部（導電性材料で埋め尽くされていない部分）半導体材料で堆積させて埋めることが考えられるが、その分だけ製造工程が複雑になる。あるいは、スルーホールに到達する直前で研削を止め、その後にエッチングや研磨（メカニカルポリッシュ）などで表面を平面にすることが考えられるが、その分だけ製造工程が複雑になる。
【００３１】
加えて、一方のウェハ（第２ウェハ基板）に予めスルーホールを形成しそれを貫通配線にした後に、高温処理にて他方のウェハ（第１ウェハ基板）とボンディングするので、高温処理によって貫通配線に熱応力が加わり、貫通配線にクラック（割れ）が入り、電気的な接続の信頼性が低下する。
【００３２】
つまり、一方のウェハ（第２ウェハ基板）に予めスルーホールを形成しそれを貫通配線にした後に、高温処理にて他方のウェハ（第１ウェハ基板）とボンディングするのでは、予め形成しておいた貫通配線の機構的・電気的な信頼性が著しく低下するので、現実的には、貫通配線を持つウェハレベル半導体装置の製法としては採用し難い。
【００３３】
また、第２ウェハ上の封止材料が厚くなると、溝のパターン加工に使うレジストのコーティングが難しくなるし、先に第２ウェハ基板に溝を深く掘る場合は逆に封止材料が溝に入り、取れないケースも出てくる。
【００３４】
また、従来製法３では、素子が搭載されているウェハ側から貫通穴を形成し、外部に接続する方法となっている。しかしながら、ウェハ側から貫通穴を介して外部に接続配線を取り出すと、引出配線が素子に近くなるために寄生容量や寄生インダクタによる高周波特性の劣化の懸念が生じる。
【００３５】
加えて、ウェハ側から引出配線で外部接続をする場合、蓋側が下になる。この場合、リードフレームや基板に付くのは蓋側となる。しかしながら、送信フィルタのような場合、損失による自己発熱があり、その熱を外部に逃がさないと温度上昇し、通過帯域がシフトする問題が発生してしまう。特に、蓋が下となる場合は、素子からの熱の流れは接合部のみを経由しリードに伝わる方法を採らざるを得ず、熱放熱の観点からは、ウェハ側からの引出しは不利となってしまう。
【００３６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上記の問題の少なくとも１つを解消しつつ、半導体デバイスの気密封止を維持するとともにウェハの一方を通じて半導体デバイスと外部との間で電気的接続を取ることのできる仕組みを目的とする。
【００３７】
特に、従来製法２における、ウェハ接合前に第２ウェハ基板上にスルーホール用の溝を形成し、熱圧着などによるウェハ接合後に第２ウェハ基板の一部（裏面側）を研削することで溝をスルーホールにすることに起因した問題を解消することを第１の目的とし、さらに好ましくは、残りの問題をも解消することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明に係るウェハレベル半導体装置の製造方法は、第１および第２のウェハ基板の間に形成される外部と隔てた気密封止空間に素子を収容した状態のウェハレベル半導体装置の製造方法であって、素子からの電気信号を外部に取り出すためのボンディングパッドを第１のウェハ基板上に形成するボンディングパッド形成工程と、第１および第２のウェハ基板上の少なくとも一方におけるボンディングパッドを取り囲む位置に気密封止空間を形成するための周縁封止部材を形成する周縁封止部材形成工程と、第１および第２のウェハ基板の間に素子を収容した状態で気密封止空間を形成するように封止部材を用いて第１および第２のウェハ基板を貼り合わせるウェハボンディング工程と、第２のウェハ基板のボンディングパッドと整合する部分の基材を除去することで、ボンディングパッドに通じる貫通孔を形成する貫通孔形成工程とを備えるものとした。
【００３９】
また従属項に記載された発明は、本発明に係るウェハレベル半導体装置の製造方法のさらなる有利な具体例を規定する。
【００４０】
つまり、本発明は上記課題を解決するために、ウェハボンディング後に貫通孔（スルーホール）を形成する方法を提供するものである。
【００４１】
具体的なスルーホール形成方法はレジストマスクか酸化膜マスクでボンドパッド部に整合する位置をＩＲカメラなどでマスク合わせを行ない、パターンを形成した後、ウェハを乾式あるいは湿式エッチングでスルーホールを形成する。この際、パッド材料がウェハのエッチングストッパになるように選定しておくのが望ましい。
【００４２】
また、第２ウェハ基板の裏面を研削しておくとその後のエッチングの時間を削減することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明では、ウェハ接合後に貫通孔を形成するようにした。これにより、従来製法２における、ウェハ接合前に第２ウェハ基板上にスルーホール用の溝を形成し、熱圧着などによるウェハ接合後に第２ウェハ基板の一部（裏面側）を研削することで溝をスルーホールにすることに起因した問題を解消することができる。Ｒｕｂｙなどの製造方法に対して、貫通孔の空ける時期をウェハボンディング後にすることにより、裏面研削や研磨での削りかすの貫通孔への残りがなく、良好な歩留まりを得ることが可能である。また、第２ウェハの封止材料の加工前後での溝形成がないので、封止材料の加工上の問題も発生せず、封止材料の厚膜化も容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４５】
＜パッケージ構造＞
図１は、本発明に係るウェハレベルパッケージの製造方法を適用して製造されたウェハレベルパッケージ１０の断面図である。また、図２は、図１に示したベースウェハ１２側のウェハレベルパッケージ１０の平面図である。
【００４６】
このウェハレベルパッケージ１０は、ベースウェハ１２をなす第１ウェハ基板１１と、この第１ウェハ基板１１（ベースウェハ１２）上に結合して設けられたＭＥＭＳやＦＢＡＲなどのデバイス１４と、ベースウェハ１２に対抗してデバイス１４を覆うように設けられたキャップウェハ２４とを備えている。
【００４７】
ベースウェハ１２上には、導電性リード線１５（図２参照）を介してデバイス１４と電気的に接続された金（Ａｕ）などの金属部材でなるボンディングパッド１６，１８が、デバイス１４に近接した位置にベースウェハ１２に結合して設けられている。ボンディングパッド１６，１８は気密封止空間２５形成用の封止部材として機能する。
【００４８】
また、ベースウェハ１２上の周縁部には、ボンディングパッド１６，１８と同時にかつこれらと同じ厚さに形成された金（Ａｕ）などの金属部材でなる周縁パッド２０が設けられている。もちろん、ボンディングパッド１６，１８と周縁パッド２０とを別々の工程で形成してもよい。周縁パッド２０も気密封止空間２５形成用の封止部材として機能する。
【００４９】
一方、キャップウェハ２４は、電気的に非導電性の材料または単結晶シリコンあるいはガラスなどの高抵抗半導体材料から作ることができる。ここで、キャップウェハ２４をなす第２ウェハ基板２３のベースウェハ１２側には、周縁パッド２０と対向する位置に、気密封止空間２５形成用の封止部材として機能する周縁パッドガスケット２２が、この第２ウェハ基板２３（キャップウェハ２４）上に接着層４８を介して結合して設けられている。周縁パッドガスケット２２は、たとえば低温熱圧着ボンディングにより周縁パッド２０と機構的に接続される。
【００５０】
またキャップウェハ２４のベースウェハ１２側には、ボンディングパッド１６，１８の周縁と対向する位置に、気密封止空間２５形成用の封止部材として機能するボンディングパッドガスケット３４，３６がこのキャップウェハ２４上に接着層４８を介して結合して設けられている。ボンディングパッドガスケット３４，３６も、たとえば低温熱圧着ボンディングにより対応するボンディングパッド１６，１８の周縁にボンディングされ機構的に接続される。
【００５１】
このような構造のベースウェハ１２とキャップウェハ２４とが対向して機構的に接続されることにより、ベースウェハ１２とキャップウェハ２４との間の各ガスケット２２，３４，３６で取り囲まれた位置に気密封止空間２５が作られるようになっている（図２参照）。
【００５２】
またキャップウェハ２４は、その面内の一部であって、ボンディングパッドガスケット３４，３６やボンディングパッド１６，１８と対応する位置に、ＰＡＤ部貫通穴としてのスルーホール２６，２８を有する。スルーホール２６、２８は、ここを通してデバイス１４が外部と電気的に接続されるように構成されている。
【００５３】
たとえば、スルーホール２６，２８は、径が１０〜５００μｍであり、従来型のワイヤボンディングツールを用いてボンドワイヤのような導体としての配線３０を通すことができ、この配線３０とデバイス１４の電気的な接続を取ることができる。
【００５４】
あるいは、スルーホール２６，２８の側壁に導体メッキを施すなどして、スルーホール２６，２８に電気的な導電性を持たせる、すなわち導電性のバイアホール（Via Connection；貫通配線）であるようにして、さらにボンディングパッド１６，１８に電気的かつ構造的に繋ぐことで、スルーホール２６，２８とデバイス１４の電気的な接続を取ることもできる。
【００５５】
なお、ボンディングパッド１６，１８、周縁パッド２０、およびそれに対向する各ガスケット２２，３６，３８は、何れも対向するもの同士が同種の金属となるように、たとえば酸化し難い金やプラチナで形成される。しかし、その他の材料を利用することも可能である。たとえば、シリコン、インジウム、アルミニウム、銅、銀、これらの合金や錫などとの化合物やそれらの化合物から構成されるグループの中から選択された１つの材料のように、相互にボンディングすることが可能な他の材料を利用できるし、それらの２層構造を使ってもよい。
【００５６】
対向するもの同士を同種の金属とすることで、自己拡散を利用しつつ熱膨張係数の違いの問題を解消でき、ボンディング強度を増すことができる。もちろん、対向するものが異種の金属であることを排除するものではない。加えて、酸化し難い金やプラチナを用いることで、ボンディング前の表面処理をしなくても冷間圧接が可能となる。
【００５７】
＜＜製造プロセス；第１実施形態＞＞
図３は、図１に示したウェハレベルパッケージ１０の製造プロセスの第１実施形態を説明する図である。なお、図では、１つのウェハレベルパッケージ１０の製法を示しているが、実際には、デバイスがウェハ上にあるうちにパッケージングを実施し、数百・数千のパッケージを同時に製造し、その後に切断または分割する。
【００５８】
＜接着層形成工程＞
先ず、図１のように対向させるべきベースウェハ１２とキャップウェハ２４とをそれぞれ用意する。たとえば、キャップウェハ２４を用意するため、第２ウェハ基板２３に、たとえばスパッタリングや蒸着などのプロセスを用いて、その全面に薄い接着層４８を形成する（図３（Ａ））。
【００５９】
接着層４８の材料としては、キャップウェハ２４をなす第２ウェハ基板２３との接着性のよい材料を選定する。導電性シード層５０もまたそれに良好に接着する材料を選定する。たとえば、第２ウェハ基板２３はシリコンで、導電性シード層５０が金である場合は、接着層４８はクロムＣｒ、ニッケルクロムＮｉＣｒ、チタンＴｉまたはそれらの合金の単一層膜あるいはシード層５０と同一の材料を一方に用いたＴｉ／Ａｕ，Ｃｒ／Ａｕの積層膜である。接着層４８は、金がそれ自体ではシリコンに直接的にうまく接着しないために使われる。あるいは、ベースウェハ１２側の第１ウェハ基板１１と周縁パッド２０およびボンディングパッド１６，１８の間にＭｏ層が使われる場合は、Ｍｏの単一層膜あるいはＭｏ／Ｔｉ／Ａｕの積層膜を使用することもできる。ベースウェハ１２とキャップウェハ２４とを同一の製造プロセスを利用して形成するためである。
【００６０】
＜厚膜層形成工程＞
次に、厚膜メッキを行なうためのリフトオフレジスト４９を、各ガスケット２２，３６，３８となる部分にパター二ングし、その後、ボンディングパッド１６，１８の周縁部やボンディングパッド１６，１８を取り囲む周縁パッド２０の部分に厚膜の導電性シード層５０を金属材料（たとえばＡｕなど）を無電解メッキあるいは電解メッキなどで厚く形成する（図３（Ｂ））。
【００６１】
各ガスケット２２，３６，３８となる導電性シード層５０としての金属材料Ａｕの厚さはたとえば１μ〜１０μの厚膜とする。この厚膜の導電性シード層５０としてのＡｕはメッキではなく、蒸着プロセスやスパッタリング方法を用いて形成してもよい。Ａｕの厚さを厚くするには電解メッキを利用するとよい。
【００６２】
また、ベースウェハ１２とキャップウェハ２４とを位置合わせしてウェハボンディングする上では、周縁パッド２０およびボンディングパッド１６，１８の高さを同じにしつつ、周縁パッド２０と対向する周縁パッドガスケット２２およびボンディングパッド１６，１８と対向するボンディングパッドガスケット３４，３６の高さも、同じにする方が望ましい。
【００６３】
また、ベースウェハ１２とキャップウェハ２４との間に気密封止空間２５を作り、その内部にデバイス１４を収容するという観点では、気密封止空間２５内に収容するデバイス１４の厚さバラツキも考慮する必要がある。たとえば、デバイス１４の厚さｈにバラツキ分Δも加味して、ボンディングパッド１６，１８や周縁パッド２０の高さをｈ＋Δ以上にすることで、ベースウェハ１２とキャップウェハ２４との間に形成される気密封止空間２５にデバイス１４を問題なく収容できる。ウェハ１２，２４の一方に凹部を画定し、これにより丈高のデバイス１４を収容できるようにする工程が不要になる。
【００６４】
＜キャップウェハ完成工程＞
その後、リフトオフレジスト４９を剥離除去する。さらにその後、Ｔｉ／Ａｕなどの接着層４８をミリングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）で全面エッチングし、各ガスケット２２，３６，３８以外の部分の薄い接着層４８（本例ではＴｉ／Ａｕ層）を除去して、ウェハボンディング前のキャップウェハ２４を完成させる（図３（Ｃ））。ガスケット２２，３６，３８部分以外の接着層４８を除去するのは、ガスケット２２，３６，３８を電気的に孤立化させためである。
【００６５】
＜ウェハボンディング工程＞
このようにして形成されたキャップウェハ２４を、予めデバイス１４やボンディングパッド１６，１８および周縁パッド２０が形成されているベースウェハ１２と構造的に接続する。たとえば、図示を割愛するが、従来と同様の製造プロセスを利用し、第１ウェハ基板１１上にデバイス１４を形成し、さらにボンディングパッド１６，１８と周縁パッド２０を同時に形成することでベースウェハ１２を完成させる。
【００６６】
そして、たとえばベースウェハ１２をキャップウェハ２４の下側に配置し、キャップウェハ２４を裏返して、ベースウェハ１２の上側（デバイス１４側）から、ベースウェハ１２に整合した状態にして構造的に接続する。この際には、ボンディングを低温下で圧縮荷重をかけて実施することで、各ガスケット２２，３４，３６を対応する各パッド２０，１６，１８へと冷間圧接する。
【００６７】
たとえば、周縁パッドガスケット２２、３６，３８をなす導電性シード層５０としてのＡｕが表面に形成されているキャップウェハ２４を、周縁パッドガスケット２２と周縁パッド２０、ボンディングパッドガスケット３４とボンディングパッド１６、およびガスケット３６とボンディングパッド１８がそれぞれ整合するように、ベースウェハ１２およびキャップウェハ２４の位置合わせをし、３５０℃以下の低温で熱圧着が生じるまで圧接する（図３（Ｄ））。ここで、熱圧着の前にアルゴンプラズマ洗浄による表面活性を行なうと２００℃付近まで下げた温度でボンディングは可能になる。
【００６８】
これにより、それぞれのパッド１６，１８，２０とボンディングパッドガスケット３４，３６，２２が融着する。また、パッド１６，１８，２０とボンディングパッドガスケット３４，３６，２２が融着することにより、機構的に接続され、ベースウェハ１２とキャップウェハ２４との間の各ガスケット２２，３４，３６で取り囲まれた位置に気密封止空間２５が作られる（図２参照）。
【００６９】
＜研削工程＞
この後、ベースウェハ１２やキャップウェハ２４のベース厚を薄くする（図３（Ｅ））。たとえば、ベースウェハ１２やキャップウェハ２４の裏面側を従来のウェハ研削またはラッピングおよび研磨技術で薄く削る。このとき、キャップウェハ２４については、たとえば２００μ〜３０μ程度の厚さ（キャップウェハ厚という）となるように、キャップウェハ２４の方をベースウェハ１２よりも薄くするのがよい。後述するスルーホール２８を形成するためのエッチング処理などの時間を削減することができるようにするためである。このように、キャップウェハ２４の方をより薄くしても、キャップウェハ２４はベースウェハ１２上にボンディングなどにより構造的に接続されているので、ウェハ搬送などでの強度は高い。もちろん、ベースウェハ１２の厚さも薄くすることも可能であり、たとえば３０〜２００μｍ程度にする。
【００７０】
＜スルーホール形成工程＞
この後、ボンディングパッド１６，１８に整合するキャップウェハ２４の裏側に、レジストパターンあるいは酸化膜加工パターンを形成する。整合のための位置合わせは、たとえば赤外カメラによる透過型のアライメント機構を持った露光機を用いることで可能である。
【００７１】
第２ウェハ基板２３は厚みが比較的大きいので、レジストだけでは持たない可能性があり、第２ウェハ基板２３の材質（シリコンなど）との選択比を取れる酸化膜あるいはＣＶＤなどの加工パターンを用いることで、スルーホール形成を容易にする。
【００７２】
その後、ドライエッチングなどでキャップウェハ２４にスルーホール２６，２８を形成することで、ウェハレベルパッケージ１０の完成品を得る（図３（Ｆ））。スルーホール２６，２８を形成する際、その下部に位置する金属部材で形成されたボンディングパッド１６，１８がエッチングのストップ層として機能する。
【００７３】
従来のドライエッチを用いることも可能であるが、エッチングと側壁にポリマーを堆積するプロセスを交互に行なうことで、スルーホール２６，２８としては、図示するように、略垂直なエッチング形状が得られる。
【００７４】
もちろん、スルーホール２６，２８は、その上部開口部２６ａ，２８ａがベースウェハ１２側の下部開口部２６ｂ，２８ｂよりも大きいテーパー状となっても問題ないので、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などの薬剤を用いた湿式（Ｗｅｔ）エッチングにより、テーパー形状にスルーホール２６，２８を形成することも可能である（図３（Ｇ））。
【００７５】
なお、上記工程のそれぞれ（特に熱圧着）を実施するに際しては、たとえば、以下の参照文献１，２に記載の技術を採用することができる。
【００７６】
・参照文献１；“A novel approach to assembly and interconnection for micro electro mechanical systems”， Suga, T.; Hosoda, N.
・参照文献２；“Micro Electro Mechanical Systems”, 1995, MEMS ‘95, Proceedings. IEEE , 29 Jan.-2 Feb. 1995  Pages:413 
【００７７】
ここで、第１実施形態の製法によれば、スルーホール２６，２８が貫通した後には、スルーホール２６，２８直下には、ボンディングパッド１６，１８の空洞２７，２９ができるが、ボンディングパッド１６，１８や空洞２７，２９の側壁をなすボンディングパッドガスケット３４，３６は導電性シード層５０であるＡｕなどで形成されていて、気密封止空間２５の気密性が維持される。よって、ボンディングパッド１６，１８やボンディングパッドガスケット３４，３６をなす導電性シード層５０を破壊しない限り、オーバーエッチングが問題となることはない。
【００７８】
研削工程の後にスルーホール２６，２８を形成するので、第２ウェハ基板２３の裏面側を削る量や第２ウェハ基板２３の厚さのバラツキの影響でスルーホールに削りかすが詰まり、歩留まりを低下させるということも起きない。加えて、薬液を用いた研削工程によってスルーホールが大きくなるということも起きない。
【００７９】
また、スルーホール２６，２８の側壁に導体メッキを施すなどしてスルーホール２６，２８に電気的な導電性を持たせる場合でも、ウェハボンディング工程および研削工程の後にスルーホール２６，２８を形成してからそのスルーホール２６，２８に導電性を持たせて貫通配線を形成するので、接合時の温度が貫通配線の形成に影響がでない。よって、信頼性の問題や接合の材料・条件に制限がなくなり、接合の気密性が良好に形成できる。
【００８０】
＜製造プロセス；第２実施形態＞
図４は、図１に示したウェハレベルパッケージ１０の製造プロセスの第２実施形態を説明する図である。第１実施形態との相違は、ボンディングパッドガスケット３４，３６の構造にあり、ボンディングパッドガスケット３４，３６をボンディングパッド１６，１８に対しての電気的な導電性を有する接触子として利用することで配線３０とデバイス１４の電気的な接続を取るようにした点に特徴を有する。
【００８１】
すなわち、ボンディングパッド１６，１８に対向するボンディングパッドガスケット３４，３６が導電性材料である場合、厚膜層形成工程（図３（Ｂ）に対応する図４（Ａ）参照）において、ボンディングパッドガスケット３４，３６用の導電性シード層５０を、ボンディングパッド１６，１８の周縁部だけでなく、そのボンディングパッド１６，１８と同じ大きさのパターンに形成する。
【００８２】
この後、ウェハボンディング工程にてウェハボンディングを行ない、研削工程にてベースウェハ１２やキャップウェハ２４のベース厚を薄くし、スルーホール形成工程にてスルーホール２６，２８を形成することで、ウェハレベルパッケージ１０の完成品を得る（図３（Ｆ）に対応する図４（Ｂ）参照）。
【００８３】
こうすることで、スルーホール２６，２８が貫通した後には、ボンディングパッド１６，１８には、スルーホール２６，２８直下の空洞はなくなり、スルーホール２６，２８を形成する際、その下部に位置するボンディングパッドガスケット３４，３６用の導電性シード層５０がエッチングのストップ層として機能する。これにより、エッチング液の残りやボンディングパッド１６，１８におけるスルーホール２６，２８下部の底部がエッチングされることはないので有効である。すなわち、ボンディングパッド１６，１８に関しては、第１実施形態よりも、オーバーエッチングが問題となる虞れが遙かに少なくなる。
【００８４】
また、ボンディングパッドガスケット３４，３６は導電性シード層５０であるＡｕなどで形成されていて、スルーホール２６，２８が貫通した後にも気密封止空間２５の気密性が維持される。よって、ボンディングパッド１６，１８やボンディングパッドガスケット３４，３６をなす導電性シード層５０を破壊しない限り、オーバーエッチングが問題となることはないのは第１実施形態と同様である。
【００８５】
以上説明したように、上記実施形態のウェハレベルパッケージの製造方法によれば、デバイス１４と外部との電的な接続を取るために形成するスルーホールの開口作業を、ウェハボンディング工程後に行なうようにした。つまり、必要な部材が形成された２つの処理済みの第１ウェハ基板１１，２３（１２，２４）を貼り合わせた後に、半導体素子であるデバイス１４が形成されている素子側からではなく、デバイス１４を覆う蓋側（裏面側）としてのキャップウェハ２４側から外部接続を取るためのスルーホールを形成するようにした。
【００８６】
スルーホール２６，２８を形成する際、その下部に位置する金属部材で形成されたボンディングパッド１６，１８やボンディングパッドガスケット３４，３６用の導電性シード層５０がエッチングのストップ層として機能する。
【００８７】
また、ボンディングパッドガスケット３４，３６の側壁やボンディングパッドガスケット３４，３６はそのものが導電性シード層５０であるＡｕなどで形成されているので、エッチング時にボンディングパッド１６，１８やボンディングパッドガスケット３４，３６をなす導電性シード層５０を破壊するほどのオーバーエッチングにしない限り気密性の破壊が生じない。気密封止空間２５の気密性が確実に維持される。
【００８８】
よって、キャップウェハ２４の裏側の削る量や第２ウェハ基板２３の厚さのバラツキの影響を受けることなく、キャップウェハ２４側からスルーホール２６，２８を形成しても、気密封止空間２５内のデバイス１４が露出することはなく、研削工程やスルーホール形成工程の加工時に生じる削りかすが気密封止空間２５内に入り込む虞れがない。削りかすによる歩留まり問題が発生せず、良好な歩留まりが得られる。
【００８９】
また、研削工程の後にスルーホール２６，２８を形成するので、削る量やウェハ厚さのバラツキの影響でスルーホールに削りかすが詰まり歩留まりを低下させる、あるいは薬液を用いた研削工程によってスルーホールが大きくなるということも起きない。
【００９０】
キャップウェハ２４用の第２ウェハ基板２３上の封止材料が厚くなると、従来例では溝のパターン加工に使うレジストのコーティングが難しくなったり、先に第２ウェハ基板２３に溝を深く掘る場合は逆に封止材料が溝に入り込み、取れないケースも出てくるが、本実施形態の製造方法ではそのようなことがなく、封止材料の厚膜化が容易になり、ウェハボンディングの接合条件の選択範囲が広がる。
【００９１】
また、予めキャップウェハ２４用の第２ウェハ基板２３にボンディングパッド１６，１８に整合する位置にスルーホール用の溝を形成しおいて、これをデバイス１４が配置されたベースウェハ１２とボンディングしてから第２ウェハ基板２３の裏面側を溝に到達するまで削ることで、その溝をスルーホール２６，２８として形成する場合、スルーホール形成用の工程が２つになる。
【００９２】
これに対して、本実施形態では、スルーホール用の溝が形成されていない第２ウェハ基板２３をデバイス１４が配置されたベースウェハ１２とボンディングしてから、ボンディングパッド１６，１８に整合する位置にスルーホール２６，２８を形成するので、スルーホール形成用の工程が１つになる。
【００９３】
スルーホール開口用の工程を従来とは異なるものとすることで、スルーホール開口の工程数が削減でき、工程の簡素化やコストの低減を図ることができる。すなわち、一度溝を掘った後、再度工程を追加して、スルーホールを開口するのは工程が多くなりコストが高くなるのに対して、本実施形態の製造方法では、スルーホール開口を１つの工程で済ましているので、工程が少なくなりコストを低く抑えることができる。
【００９４】
加えて、素子側ではなく蓋側から外部接続を取る方法を併用しているので、従来製法３で生じる問題を解消することができる。たとえば、蓋側から貫通穴を介して外部に接続配線を取り出すことで、ウェハ側から貫通穴を介して外部に接続配線を取り出す場合よりも引出配線を素子から離すことができ、寄生容量や寄生インダクタによる高周波特性の劣化の懸念が解消される。
【００９５】
また、蓋側から貫通穴を介して外部に接続配線を取り出すことで、リードフレームや基板に付くのをウェハ側とすることができるし、物理的な配置形態として、蓋側を上にすることが容易となる。これにより、損失による自己発熱をリードフレームや基板を利用して外部に逃がすことができる。また、蓋を上とすることで、素子からの熱の流れを上部の蓋側にすることができ、熱放熱の観点からも有利となる。
【００９６】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００９７】
また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００９８】
たとえば、上記実施形態では、第１および第２のウェハ基板上の両方におけるボンディングパッドを取り囲む位置に気密封止空間を形成するための周縁封止部材を形成していたが、何れか一方のみに形成してもよい。この場合、一方のみに配置される周縁封止部材の高さが、ボンディングパッドの高さとボンディングパッド封止部材の高さの和と略等しくなるように形成するのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】図１は、本発明に係るウェハレベルパッケージの製造方法を適用して製造されたウェハレベルパッケージの断面図である。
【図２】図２は、図１に示したベースウェハ側のウェハレベルパッケージの平面図である。
【図３】図３は、図１に示したウェハレベルパッケージの製造プロセスの第１実施形態を説明する図である。
【図４】図４は、図１に示したウェハレベルパッケージの製造プロセスの第２実施形態を説明する図である。
【図５】図５は、従来のウェハレベルパッケージの一例を示した図である。
【符号の説明】
【０１００】
１０…ウェハレベルパッケージ、１１…第１ウェハ基板、１２…ベースウェハ、１４…デバイス、１５…導電性リード線、１６，１８…ボンディングパッド、２０…周縁パッド、２２…周縁パッドガスケット、２３…第２ウェハ基板、２４…キャップウェハ、２５…気密封止空間、２６，２８…スルーホール、３０…配線、３４，３６…ボンディングパッドガスケット、４８…接着層、４９…リフトオフレジスト、５０…導電性シード層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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