(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上に複数の半導体素子を多段に積層する工程と、
（ｂ）前記基板を水平に保持し、この水平に保持した基板上の前記積層した半導体素子の周囲にアンダーフィル材を配置する工程と、
（ｃ）前記半導体素子が積層された基板を、前記半導体素子の周囲に配置されたアンダーフィル材が少なくとも上方に位置するように、前記基板を傾斜させる工程と、
（ｄ）前記アンダーフィル材を加熱して、前記傾斜させた基板とその上に積層された半導体素子との間の隙間、及び前記積層した半導体素子の間の隙間に充填する工程と、
（ｅ）前記充填したアンダーフィル材を硬化させる工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｄ）において、前記アンダーフィル材を、その温度が前記工程（ａ）におけるアンダーフィル材の温度より１０℃以上高温になるように加熱することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｄ）において、前記アンダーフィル材を、その粘度が前記工程（ａ）におけるアンダーフィル材の粘度の１／１０以下になるように加熱することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）は、前記基板を水平方向に対し１０°以上傾斜させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記工程（ｄ）は、前記基板の傾斜角度をさらに増大させる工程を含む請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
基板上に複数の半導体素子が多段に積層され、前記基板とその上に積層された半導体素子との間の隙間、及び前記積層された半導体素子の間の隙間にアンダーフィル材を充填する半導体装置の製造装置であって、
前記複数の半導体素子が多段に積層された基板を水平に保持する基板保持手段と、前記基板を傾斜させる基板傾斜手段と、前記基板傾斜手段の動作を制御する制御手段と、前記基板保持手段により水平に保持された状態の前記基板上の前記積層された半導体素子の周囲にアンダーフィル材を配置する配置手段と、前記配置手段によって配置されたアンダーフィル材を加熱する加熱手段とを備えることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型半導体装置として、配線基板等の基板上に複数の半導体チップを厚さ方向に多段に積層することによって、集積密度や動作速度等の向上を図ったものが知られている。このような半導体装置においては、積層された各半導体チップ間、基板と半導体チップ間の間隙にアンダーフィル材（液状硬化性樹脂）が充填されている。アンダーフィル材の充填は、積層した半導体チップの側面に供給したアンダーフィル材を毛細管現象によって半導体チップ間、あるいは基板と半導体チップ間に浸透させて行う。この充填が円滑に行われず、隙間にアンダーフィル材の未充填部分や空隙が生ずると、半導体装置の信頼性が大きく損なわれる。そこで、通常、基板及び半導体チップを加熱した状態でアンダーフィル材を供給し、その粘度を下げることによって充填性を高めている。
【０００３】
しかしながら、このような従来の方法では、積層する半導体チップの数が多くなり高さが高くなると、アンダーフィル材の粘度が低いために、高い位置にある半導体チップ間の隙間にアンダーフィル材を充填することが困難になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３０６７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、半導体チップの積層数が多くなっても、最も高位置の半導体チップ間の隙間まで十分にアンダーフィル材を充填させることができる半導体装置の製造方法、及びそれに用いる製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体装置の製造方法は、（ａ）基板上に複数の半導体素子を多段に積層する工程と、（ｂ）前記基板を水平に保持し、この水平に保持した基板上の前記積層した半導体素子の周囲にアンダーフィル材を配置する工程と、（ｃ）前記半導体素子が積層された基板を、前記半導体素子の周囲に配置されたアンダーフィル材が少なくとも上方に位置するように、前記基板を傾斜させる工程と、（ｄ）前記アンダーフィル材を加熱して、前記傾斜させた基板とその上に積層された半導体素子との間の隙間、及び前記積層した半導体素子の間の隙間に充填する工程と、（ｅ）前記充填したアンダーフィル材を硬化させる工程とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態による半導体装置の製造工程を示す概略側面図である。
【図２】図１に示す工程の後の半導体装置の製造工程を示す概略側面図である。
【図３】図２に示す工程の後の半導体装置の製造工程を示す概略側面図である。
【図４】一実施形態により製造された半導体装置を示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、実施形態を説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１乃至図３は、第１の実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための概略側面図であり、図４は、本実施形態により製造された半導体装置を示す概略側面図である。なお、この実施形態では、半導体素子の積層数が３層の場合を中心に説明するが、半導体素子（半導体チップ）の積層数は特に限定されるものではなく、例えば、２層であってもよく、４層以上であってもよい。
【００１０】
本実施形態においては、まず、図１に示すように、基板１０を用意し、その上に、複数の半導体素子（半導体チップ）１１ａ〜１１ｃを順にフリップチップ接続しながら積層する。
【００１１】
すなわち、まず、最下段に配置する第１の半導体素子１１ａと基板１０とを対向配置させる。両者の対向面には、それぞれ対応する位置に電極パッド（図示せず）が形成されており、これらの対向する電極パッド間を半田バンプ等の金属バンプ１２ａを介して接続する。次いで、第１の半導体素子１１ａに、第２段として配置する第２の半導体素子１１ｂを対向配置させる。これらの対向面にも、それぞれ対応する位置に電極パッド（図示せず）が形成されており、これらの対向する電極パッド間を半田バンプ等の金属バンプ１２ｂを介して接続する。同様にして、第２の半導体素子１１ｂに、第３段（最上段）として配置する第３の半導体素子１１ｃを対向配置させ、対向する電極パッド間を半田バンプ等の金属バンプ１２ｃを介して接続する。
【００１２】
なお、複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃは、いずれもシリコン基板等の半導体基板からなる。各半導体素子１ａ〜１ｃには、貫通電極（図示せず）が設けられている。一方、基板１０は、例えば樹脂基板、セラミックス基板、ガラス基板等の絶縁基板を基材として用いた配線基板、シリコン基板等の半導体基板、インターポーザ、半導体素子等からなる。
【００１３】
このようにして、基板１０上への複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃの積層及び電気的接続が完了したなら、次に、図２に示すように、ヒータ等の加熱手段（図示せず）を内蔵した基板保持手段としての架台２１上に、半導体素子１１ａ〜１１ｃを積層した基板１０を水平に置き、積層した半導体素子１１ａ〜１１ｃの１辺近傍にアンダーフィル材として液状の熱硬化性樹脂１４を、例えば常温（２３〜２５℃）で塗布して配置する。
【００１４】
熱硬化性樹脂１４の塗布には、ディスペンサー等の塗布装置２３を用いることができる。また、熱硬化性樹脂１４としては、例えば、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、アミン系樹脂、シリコーン系樹脂、ポリイミド系樹脂等にシリカ等の充填材（フィラー）を混合したものが用いられる。これらのなかから、塗布温度における粘度が０．０５〜０．５Ｐａ・ｓであるものを使用することが好ましく、塗布温度における粘度が０．１〜０．３Ｐａ・ｓであるものを使用することがより好ましい。塗布温度における粘度が０．０５Ｐａ・ｓ未満では、粘度が低すぎて半導体素子１１ａ〜１１ｃの周囲に拡がってしまい、最上段の半導体素子１１ｃが形成する間隙の高さまで液状の熱硬化性樹脂１４を配置することが困難になる。また、塗布温度における粘度が０．５Ｐａ・ｓを超えると、半導体素子１１ａ〜１１ｃの周囲に塗布する際の作業性が低下するだけでなく、後工程で各半導体素子１１ａ〜１１ｃ間の隙間等へ充填する際の作業性も低下するおそれがある。すなわち、熱硬化性樹脂１４の充填に時間がかかったり、流動性が悪いことに起因するエアの巻き込みが発生したりするおそれがある。なお、本明細書中、熱可塑性樹脂の粘度は、ブルックフィールド型粘度計により測定される値である。
【００１５】
次に、図３に示すように、基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを架台２１とともに、熱硬化性樹脂１４の配置位置が上方に位置するように傾斜させる。傾斜角度θは、水平方向に対し１０〜９０°の範囲が好ましく、２０〜４５°の範囲がより好ましい。傾斜角度θが１０°未満では、後工程での熱硬化性樹脂１４の各半導体素子１１ａ〜１１ｃ間の隙間等へ充填する際、高い位置の隙間まで十分に充填されないおそれがある。また、傾斜角度θが９０°を超えると、熱硬化性樹脂１４が最上段の半導体素子１１ｃの上に広がってしまうおそれがある。なお、架台２１は、任意の角度で固定することができるようになっている。
【００１６】
このように基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを架台２１とともに傾斜させた状態で、次に、架台２１に内蔵させた加熱手段によって、基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを加熱する。この加熱により、半導体素子１１ａ〜１１ｃの周囲に配置された熱硬化性樹脂１４は、粘性が低下して流動性が増すとともに、架台２１を傾斜させたことによって半導体素子１１ａ〜１１ｃの上方に位置するため、基板１０と第１の半導体素子１１ａとの間、第１の半導体素子１１ａと第２の半導体素子１１ｂとの間、及び第２の半導体素子１１ｂと第３の半導体素子１１ｃとの間の各隙間に、毛細管現象により速やかに浸透し、未充填部分や空隙を生ずることなく充填される。
【００１７】
基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを加熱する温度は、熱硬化性樹脂１４が、半導体素子１１ａ〜１１ｃ周囲へ塗布した際の温度より少なくとも１０℃高くなるような温度、あるいは、熱硬化性樹脂１４の粘度が半導体素子１１ａ〜１１ｃ周囲へ塗布したときの粘度の１／１０以下となるような温度が好ましい。１０℃未満、あるいは１／１０超では、熱硬化性樹脂１４の粘性を十分に低下させることができず、熱硬化性樹脂１４の各半導体素子１１ａ〜１１ｃ間の隙間等への充填が不十分になったり、充填に時間がかかるようになるおそれがある。より好ましくは、２０〜８０℃高い温度、あるいは、熱硬化性樹脂１４の粘度が塗布時の粘度の１／１０〜１／３００の範囲となる温度であり、特に好ましくは、６０〜８０℃高い温度、あるいは、熱硬化性樹脂１４の粘度が塗布時の粘度の１／１００〜１／３００の範囲となる温度である。
【００１８】
なお、ここでは、架台２１に内蔵した加熱手段で基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを加熱することによって、熱硬化性樹脂１４を加熱しているが、加熱方法は特にこの例に限定されるものではない。例えば、架台２１に載置した基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを加熱室内に入れ、加熱雰囲気を形成することによって加熱してもよい。あるいは、所定の温度に加熱した不活性ガスを吹き付ける等して熱硬化性樹脂１４を直接加熱するようにしてもよい。さらに、基板１０や半導体素子１１ａ〜１１ｃに通電し発熱させるようにしてもよい。また、場合により、これらの方法を組み合わせることも可能である。加熱温度の制御の容易さの点からは、架台２１による加熱が好ましい。
【００１９】
このようにして熱硬化性樹脂１４を基板１０と第１の半導体素子１１ａとの間、第１の半導体素子１１ａと第２の半導体素子１１ｂとの間、及び第２の半導体素子１１ｂと第３の半導体素子１１ｃとの間の各隙間に充填した後、この充填した熱硬化性樹脂１４をさらに高温に加熱し硬化させる。これにより、図４に示すような、基板１０上に複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃが積層され、それらの各隙間に熱硬化性樹脂１４が充填された積層型半導体装置が作製される。なお、熱硬化性樹脂１４の硬化工程は、基板１０及び半導体素子１１ａ〜１１ｃを載置した架台２１を水平に戻した状態で行ってもよく、傾斜させた状態のままで行ってもよい。熱硬化性樹脂１４によって半導体素子１１ａ〜１１ｃの側面に形成されるフィレット形状の均一性の点からは、水平に戻した状態で硬化させることが好ましい。
【００２０】
以上説明した半導体装置の製造方法では、複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃを積層した基板１０を水平に保持した状態で、その積層した複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃの周囲に熱硬化性樹脂１４を配置し、次いで、基板１０を傾斜させ、その後、熱硬化性樹脂１４を加熱して、基板１０と半導体素子１１ａの間の隙間、及び各半導体素子１１ａ〜１１ｃの間の隙間に充填しているので、高い位置にある半導体チップ間の隙間（図示した例では、第２の半導体素子１１ｂと第３の半導体素子１１ｃとの間の隙間）にも熱硬化性樹脂１４が十分に充填された積層型半導体装置を得ることができる。
【００２１】
（その他の実施形態）
第１の実施形態の、熱硬化性樹脂１４を加熱して、基板１０と半導体素子１１ａの間の隙間、及び各半導体素子１１ａ〜１１ｃの間の隙間に充填する工程において、架台２１をさらに間欠的もしくは連続的に傾斜させる、つまり、架台２１の傾斜角度θを図３の工程における傾斜角度θよりさらに増大させるようにしてもよい。これは、例えば、架台２１を傾斜させる装置に、その動作を制御する制御装置を設けることにより行うことができる。
【００２２】
この方法は、半導体素子の積層数が、例えば１０層以上のように、非常に多い場合に特に有用である。すなわち、半導体素子の積層数が非常に多くなると、図３の工程において架台２１を傾斜させただけでは、高位置にある半導体素子間の隙間に充填されないおそれがある。架台２１の傾斜角度θを図３に状態からさらに増大させつつ熱硬化性樹脂１４を充填することにより、半導体素子の積層数がより多くなっても十分に、かつ速やかに充填することができる。この工程での架台２１の傾斜角度θも、９０°を超えないことが好ましい。傾斜角度θが９０°を超えると、熱硬化性樹脂１４が最上段の半導体素子１１ｃの上に広がってしまうおそれがある。
【００２３】
また、第１の実施形態においては、図１に示す積層工程において、基板１０上に、複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃを順にフリップチップ接続しながら積層しているが、複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃを予め積層し接続しておき、これを基板１１上に積層し接続するようにしてもよい。
【００２４】
また、第１の実施形態においては、製品サイズの基板１０上に、複数の半導体素子１１ａ〜１１ｃを搭載しているが、大サイズの基板を用いて半導体装置を多数個取りすることも可能である。この場合、大サイズの基板に、基板を水平に保持した状態で、製品サイズの複数の半導体素子を積層する。次に、第１の実施形態の場合と同様に、基板上に積層した複数の半導体素子の周囲に熱硬化性樹脂を配置し、基板を傾斜させ、さらに、熱硬化性樹脂を加熱して、基板と半導体素子の間の隙間、及び各半導体素子の間の隙間に充填し、硬化させる。その後、ダイヤモンドブレード等のブレードを用いて基板を切断し、基板上に複数の半導体素子が積層され、さらにそれらの各隙間に熱硬化性樹脂が充填された半導体装置に個片化する。この方法によれば、多数個取り可能な基板を用いるので、半導体装置の生産性を向上させることができる。
【００２５】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、複数の半導体素子を積層した基板を水平に保持した状態で、その積層した複数の半導体素子の周囲に熱硬化性樹脂を配置し、次いで、基板を傾斜させ、その後、熱硬化性樹脂を加熱して、基板と半導体素子の間の隙間、及び各半導体素子の間の隙間に充填しているので、高い位置にある半導体チップ間の隙間にも熱硬化性樹脂が十分に充填された積層型半導体装置を製造することができる。
【００２６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２７】
１０…基板、１１ａ〜１１ｃ…半導体素子（半導体チップ）、１２ａ〜１２ｃ…金属バンプ、１４…液状熱硬化性樹脂（アンダーフィル材）、２１…架台、２３…塗布装置。
【図１】
0005667994.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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