(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
半導体パッケージと、
前記半導体素子と前記半導体パッケージとの間に介在されたインターポーザであって、弾性を有する板状絶縁体と、該板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体と、前記板状絶縁体の前記半導体素子を搭載する側の面に設けられ、該半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材とを有する当該インターポーザとを備え、
前記半導体素子と前記半導体パッケージとが、前記複数の導体を介して電気的に接続されるとともに、前記半導体素子が第１の内部接続端子を介して当該導体の一端に接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記インターポーザは、前記板状絶縁体の前記半導体素子を搭載する側と反対側の面に設けられ、前記半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材をさらに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】
前記板状絶縁体は、複数の樹脂フィルムが積層されてなり、前記導体は、前記複数の樹脂フィルムの各々の厚さ方向に貫通して形成され積み重ねられた複数の導体柱からな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】
前記半導体素子を構成する主たる材料はシリコンからなり、前記第１のシート状部材はシリコン、ガラス、セラミックス、３６合金及び４２合金のうちいずれかにより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】
さらに、前記半導体パッケージが第２の内部接続端子を介して前記導体の他端に接続され、前記半導体素子と前記インターポーザとの間、及び前記インターポーザと前記半導体パッケージとの間にそれぞれ樹脂が充填されてい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６】
前記半導体パッケージの、前記インターポーザが実装されている側と反対側の面に、複数の外部接続端子が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子（チップ）と半導体パッケージとの間を電気的に接続するインターポーザを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報社会の発達に伴い、半導体装置には処理速度の高速化が要求されている。このような要求に応ずるために、半導体装置内の配線の長さが短く済み、インダクタンス成分が小さくなるフリップチップ型の半導体装置が開発されている。
【０００３】
フリップチップ型の半導体装置は、図１にその一例を示すように、半導体素子１と、配線基板の形態をした半導体パッケージ１０と、半導体パッケージ１０の半導体素子が搭載された面の対応するパッドに、半導体素子１の電極を電気的に接続するはんだ等の金属バンプ２（以下、便宜上「内部接続端子」ともいう。）と、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間の空隙を充填するアンダーフィル樹脂８と、半導体パッケージ１０の半導体素子１が搭載された側と反対側の面に設けられて、本装置３０をマザーボード等の実装基板に電気的に接続するはんだバンプ等の外部接続端子１１とを備えている。
【０００４】
図１に示すような半導体装置３０では、その内部に温度変化が生じた場合に、半導体素子１と半導体パッケージ１０との熱膨張係数が異なることにより、半導体素子１及び半導体パッケージ１０はそれぞれ面内方向に異なる度合いで膨張又は収縮し、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に熱歪が生じ、半導体素子１の電極及び半導体パッケージ１０のパッドの位置が相対的に変わる。この際、これらの両方に固着されている内部接続端子２に変形が生じたり、また場合によっては亀裂が生じ、そのために半導体装置３０の信頼性が低下するといった問題があった。
【０００５】
かかる問題に対処するために、他の従来例として図２（ａ）に示すような半導体装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。
【０００６】
この半導体装置４０では、弾性シート６の半導体素子１の電極に対応する位置に、導体柱７が貫通して埋め込まれたインターポーザ５を、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に介在させて、導体柱７の両端に接続された内部接続端子２及び３を介して半導体素子１の電極を半導体パッケージ１０のパッドに電気的に接続している。
【０００７】
図２（ａ）に示すような半導体装置４０では、温度変化が生じると、図１に示した半導体装置と同様に、半導体素子１と半導体パッケージ１０との間に熱歪が生じるが、この熱歪による変位をインターポーザ５が伸縮することにより吸収するので、内部接続端子２に変形や亀裂が生じにくくなる。しかしながら、この場合には、内部接続端子２は変形せずに導体柱７と一体化し、内部接続端子２が固着されている半導体素子１の電極と内部接続端子２との接合部近傍（以下、便宜上「内部接続端子２の基部」という。）を支点として動くために、内部接続端子２と導体柱７とのモーメントが大きくなる。この際、図２（ａ）中のＡ部を拡大した図２（ｂ）に示すように、内部接続端子２の基部の近傍に位置する半導体素子１の内部の層間絶縁膜２１や配線層２２にモーメントによる応力が加わり、これらを損傷してしまう。
【０００８】
層間絶縁膜２１は一般に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）等からなるが、今後更なる処理速度の高速化を図るためには、層間絶縁膜２１をいわゆるＬｏｗ−ｋ材料（低誘電率材料）に置き換えることが十分に予想される。しかしながら、一般に、Ｌｏｗ−ｋ材料は酸化シリコンと比べて強度的に低い（弱い）材料であるために、上述の熱歪による損傷といった問題が一層顕著に表れる。
【特許文献１】ＷＯ９６／０９６４５号公報
【特許文献２】特開平１０−２２３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記の従来技術における課題に鑑み創作されたもので、インターポーザを用いた半導体装置において、熱歪による半導体素子の内部の層間絶縁膜や配線層等の損傷を抑制し、ひいては半導体装置の信頼性の向上に寄与することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の従来技術の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、半導体素子と、半導体パッケージと、前記半導体素子と前記半導体パッケージとの間に介在されたインターポーザであって、弾性を有する板状絶縁体と、該板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体と、前記板状絶縁体の前記半導体素子を搭載する側の面に設けられ、該半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材とを有する当該インターポーザとを備え、前記半導体素子と前記半導体パッケージとが、前記複数の導体を介して電気的に接続されるとともに、前記半導体素子が第１の内部接続端子を介して当該導体の一端に接続されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【００１１】
また、この半導体装置において、前記インターポーザは、前記板状絶縁体の前記半導体素子を搭載する側と反対側の面に設けられ、前記半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材をさらに有していてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一形態に係る半導体装置の構成によれば、半導体素子と半導体パッケージとの間に介在されたインターポーザにおいて、その板状絶縁体の半導体素子を搭載する側の面に、該半導体素子と同程度の熱膨張係数を有する第１のシート状部材が設けられている。従って、この半導体装置において温度変化が生じると、半導体素子と第１のシート状部材との間には熱膨張係数の差がほとんどないため、半導体素子と第１のシート状部材は、対向するそれぞれの面に平行な方向に一様に膨張又は収縮し、これらの間に熱歪はほとんど生じない。そのため、板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた各導体は、当該導体の一端が第１の内部接続端子を介して接続される側の半導体素子の面を支点として動くことはなく、半導体素子の面に大きなモーメントやせん断力が発生しにくくなり、第１のシート状部材より板状絶縁体側の部分の導体が、第１のシート状部材と板状絶縁体との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体素子に加わる応力が緩和され、半導体素子の内部の層間絶縁膜や配線層は損傷しにくくなるので、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
また、上記の形態に係る半導体装置において、インターポーザの板状絶縁体の、半導体素子を搭載する側と反対側の面に、半導体パッケージと同程度の熱膨張係数を有する第２のシート状部材を設けた場合には、この第２のシート状部材と半導体パッケージは、対向するそれぞれの面に平行な方向に一様に膨張又は収縮するために、これらの間も熱歪がほとんど生じない。そのため、板状絶縁体の厚さ方向に貫通して埋め込まれた各導体は、各々の他端が接続される側の半導体パッケージの面を支点として動くことはなく、第２のシート状部材より板状絶縁体側の部分の導体が、第２のシート状部材と板状絶縁体との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体パッケージに加わる応力も同時に緩和され、半導体パッケージの内部の多層構造も損傷しにくくなるので、さらに半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図３は、本発明の一実施形態に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。
【００１７】
本実施形態に係る半導体装置５０は、例えば図２（ｂ）に示したような多層構造を有する半導体素子５１と、配線基板の形態を有する半導体パッケージ６０と、半導体素子５１と半導体パッケージ６０との間に介在されたインターポーザ５５と、半導体素子５１とインターポーザ５５との間、及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０との間をそれぞれ電気的に接続するはんだバンプ等の内部接続端子５２及び５３と、半導体素子５１とインターポーザ５５との間、及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０との間にそれぞれ充填されたアンダーフィル樹脂５８及び５９と、半導体パッケージ６０の、インターポーザ５５が実装されている側と反対側の面に設けられて、本装置５０をマザーボード等の実装基板に電気的に接続するはんだボール等の外部接続端子６１とを備えている。
【００１８】
また、インターポーザ５５は、絶縁性の弾性シート５６（板状絶縁体）と、この弾性シート５６の半導体素子５１を搭載する側の面に設けられた剛性シート７０（第１のシート状部材）と、弾性シート５６の半導体素子５１の電極に対応する部分においてその厚さ方向に貫通して埋め込まれた複数の導体柱５７とを有している。弾性シート５６は、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂等の高分子材料からなる。また、剛性シート７０は半導体素子５１と同程度の熱膨張係数を有する。例えば、半導体素子５１を構成する主な材料がシリコン（Ｓｉ）である場合には、剛性シート７０は、Ｓｉ、ガラス、セラミックス、３６合金（Ｆｅ（鉄）−３６重量％Ｎｉ（ニッケル））、４２合金（Ｆｅ−４２重量％Ｎｉ）等の材料からなる。このインターポーザ５５は、例えば、レーザの照射により弾性シート５６に貫通孔を形成し、めっき法を用いて銅（Ｃｕ）又は錫銅（ＳｎＣｕ）を貫通孔に埋め込んで導体柱５７を形成した後に、導体柱５７の配置に対応させて導体柱５７と接触しない程度の直径の貫通孔を設けた剛性シート７０を弾性シート５６の一方の面に接着させることにより、得ることができる。
【００１９】
図３に示す半導体装置５０は、内部接続端子５２及び５３をはんだバンプとし、外部接続端子６１をはんだボールとした場合は、以下のようにして製造することができる。
【００２０】
まず、内部接続端子５２を設けた半導体素子５１と内部接続端子５３を設けた半導体パッケージ６０との間にインターポーザ５５を挟んでリフロー炉により加熱処理を行い、半導体素子５１、インターポーザ５５及び半導体パッケージ６０を接合する。次に、半導体素子５１とインターポーザ５５の間の空隙、及びインターポーザ５５と半導体パッケージ６０の間の空隙にアンダーフィル樹脂５８及び５９を充填し、恒温炉により加熱処理を行い、アンダーフィル樹脂５８及び５９を硬化させる。最後に、半導体パッケージ６０の、半導体素子が搭載された側と反対側の面の所定の位置に、外部接続端子６１を配置し、再度リフロー炉により加熱処理を行い、半導体パッケージ６０と外部接続端子６１を接合することにより、半導体装置５０を得ることができる。
【００２１】
また、内部接続端子５２は、はんだバンプに限らず、例えば、めっき法によりＣｕを成長させて柱状に形成した突起、ワイヤボンディング法を利用して形成した金（Ａｕ）からなるスタッドバンプに代替可能である。これらの場合、内部接続端子５２及び５３にペースト状のはんだ又は導電性粒子を含む樹脂を塗布することにより、上述の製造方法と同じ製造工程を経て半導体装置５０を得ることができる。
【００２２】
本実施形態に係るインターポーザ５５の構成によれば、インターポーザ５５の半導体素子５１を搭載する側の面に、半導体素子５１と同程度の熱膨張係数を有する剛性シート７０を設けている。このインターポーザ５５を用いた半導体装置５０では、半導体装置５０の内部に温度変化が生じた際に、剛性シート７０と半導体パッケージ６０との熱膨張係数はある程度の差があるため、これらの間では熱歪が生じるが、半導体素子５１と剛性シート７０との熱膨張係数は差がほとんどないため、これらの間では半導体素子５１の面内方向に一様に膨張又は収縮するために熱歪がほとんど生じない。従って、内部接続端子５２と導体柱５７は一体化して内部接続端子５２の基部を支点として動くことはなく、剛性シート７０より下の部分の導体柱５７が剛性シート７０と弾性シート５６との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体素子５１に加わる応力が緩和され、半導体素子５１の内部の層間絶縁膜や配線層は損傷しにくくなるので、半導体装置５０の信頼性を向上させることができる。
【００２３】
本発明者は、上述の効果を確認すべく、シミュレーションにより半導体装置の内部に生じる応力の解析を行った。
【００２４】
本シミュレーションではシミュレーションソフトとしてＡＢＡＱＵＳ６．３１を使用した。本実施形態に係る半導体装置５０（図３）と従来例に係る半導体装置４０（図２）との内部応力の違いを比較するために、これら２つの半導体装置の各々について、シミュレーションモデル（以下、単に「モデル」という。）を作成した。各々のモデルにおいて、内部接続端子の材料はＣｕとし、導体柱の材料はＳｎＣｕとし、半導体パッケージのコア部の材料は３６合金とし、弾性シートの材料はエポキシ樹脂とした。また、本実施形態に係る半導体装置５０のモデルにおいて、剛性シートはＳｉとした。これら２つのモデルについて、内部応力が発生しない温度をアンダーフィル樹脂のキュア温度である１８０℃とし、温度を常温である２５℃にした際の内部応力の解析を行った。
【００２５】
図４はシミュレーション結果を示す断面図であり、図中、（ａ）は本実施形態に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果、（ｂ）は従来例に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果をそれぞれ示している。ここでは、図４（ａ），（ｂ）  に示す各部位に、図３及び図２に示した各部位と対応する参照番号を付している。
【００２６】
従来例では（図４（ｂ）参照）、内部接続端子２及び導体柱７が、半導体素子１の半導体パッケージ６０と対向する側の面（以下、便宜上「半導体素子１の主面」という。）に対して垂直方向から角度をなして、熱歪による変位に追随している。これに対して、本発明では（図４（ａ）参照）、剛性シート７０より半導体パッケージ７０側の導体柱５７は熱歪による変位に追随しているが、剛性シート７０より半導体素子５１側の部分の導体柱５７及び内部接続端子５２は、半導体素子５１の主面に対して垂直に固着された状態を保持しており、熱歪による変位にほとんど追随していない。これらの結果から、従来例に係る半導体装置では、導体柱７及び内部接続端子２がほぼ一体化して内部接続端子２の基部を支点として動き、本実施形態に係る半導体装置では、導体柱５７及び内部接続端子５２は一体化して動かず、剛体シート７０と弾性シート５６との界面付近を支点として、剛体シート７０より半導体パッケージ７０側の部分の導体柱５７が動くことが確認された。
【００２７】
これら２つのモデルのシミュレーションの結果の違いをより明確にするために、それぞれのモデルについてインターポーザから内部接続端子及び半導体素子に加わる応力をそれぞれ解析した。図５はその解析結果を示したものであり、右側に本実施形態に係る半導体装置のモデルの応力解析の結果を、左側に従来例に係る半導体装置のモデルの応力解析の結果をそれぞれ示している。
【００２８】
これらの応力解析の結果によれば、本実施形態に係る半導体装置のモデルでは、従来例に係る半導体装置のモデルと比較して、パッケージ側から内部接続端子に加わる等価応力は約８７％低減し、また、半導体素子に加わる最大応力は約６３％低減することが確認された。つまり、本インターポーザの介在により、外部から半導体素子に加わる応力の殆どが絶たれることが確認された。
【００２９】
このように、本実施形態に係るインターポーザを用いた半導体装置では、従来例に係るインターポーザを用いた半導体装置よりも内部接続端子及び半導体素子に加わる応力が大幅に軽減されることがシミュレーションにより明らかになった。なお、少なくとも弾性シートより剛性シートの熱膨張係数の方が半導体素子の熱膨張係数に近ければ、従来例の半導体装置よりもある程度の応力の低減を図ることができる。
【００３０】
図６〜図８は、上述した実施形態に係るインターポーザ及び半導体装置（図３）の各種変形例を示したものである。
【００３１】
図６は、上述した実施形態の第１の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。
【００３２】
本変形例の半導体装置５０ａは、図３に示した半導体装置５０と比較して、インターポーザ５５ａが複数の絶縁性の樹脂フィルム５６ａを積層して形成され、各々の樹脂フィルムに５６ａの厚さ方向に貫通して形成された導体柱を積み重ねて１本の導体柱５７ａを構成した点において異なる。このインターポーザ５５ａは、図３に示したインターポーザ５５と同様に、各々の弾性フィルム又はシート５６ａの同じ位置に導体柱を形成し、弾性フィルム５６ａを重ねて熱圧着することにより得ることができる。本変形例の半導体装置５０ａについても、図３に示した半導体装置５０と同様の効果を奏することが理解されるであろう。
【００３３】
図７は、第２の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。
【００３４】
本変形例の半導体装置５０ｂは、第１の変形例の半導体装置５０ａと比較して、インターポーザ５５ｂが複数の絶縁性の弾性フィルム５６ｂを積層して形成されている点において同じであるが、導体柱５７ａではなく、半導体素子５１の電極パッドの配置と半導体パッケージ６０の電極パッドの配置とのずれを調整する配線層５７ｂを設けた点において異なる。このインターポーザ５５ｂは、各々の弾性フィルム５６ｂの所望の位置に、導体柱と、インターポーザ５５ｂに組み込まれた際に導体柱間を電気的に接続する導体パターンとを形成し、弾性フィルム５６ｂを重ねて熱圧着することにより得ることができる。本変形例の半導体装置５０ｂについても、図３に示した半導体装置５０と同様の効果を奏することが理解されるであろう。
【００３５】
図８は、第３の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を断面図の形態で示したものである。
【００３６】
本変形例の半導体装置５０ｃは、図３に示した半導体装置５０と比較して、インターポーザ５５ｃの半導体素子５１を搭載する側と反対側の面にも剛性シート７１を設けた点において異なる。この場合、剛性シート７１の材料としては半導体パッケージ６０と同程度の熱膨張係数を有する材料を選択する。例えば、半導体パッケージ６０のコア材が４２合金（Ｆｅ−４２重量％Ｎｉ）である場合、剛性シート７１の材料もコア材と同様に４２合金とすればよい。半導体パッケージのコア材としては、この他に３６合金（Ｆｅ−３６重量％Ｎｉ）が挙げられる。
【００３７】
このようにすれば、半導体素子５１と剛性シート７０との間だけでなく、剛性シート７１と半導体パッケージ６０との間も熱歪がほとんど生じなくなる。つまり、内部接続端子５２，５３及び導体柱５７が一体化して内部接続端子５２の基部と内部接続端子５３の基部（即ち、内部接続端子５３と半導体パッケージ６０との接合部）を支点として動くことはなく、剛性シート７０及び７１との間の部分の導体柱５７が、剛性シート７０と弾性シート５６との界面、及び弾性シート５６と剛体シート７１との界面を支点として動くことになる。これにより、半導体パッケージ６０の半導体素子５１が搭載された側の面に加わる応力も緩和され、半導体パッケージ６０の内部の多層構造も損傷しにくくなるので、半導体装置５０ｃの信頼性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来形の一例としてのフリップチップ型半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】従来形の他の例としてのフリップチップ型半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図４】図３の実施形態に係る半導体装置のモデルによるシミュレーション結果を、従来例に係る半導体装置の場合と対比させて示した断面図である。
【図５】図４のモデルを用いてシミュレーションを行ったときの各部の応力解析の結果を示す図である。
【図６】図３の実施形態の第１の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図７】図３の実施形態の第２の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【図８】図３の実施形態の第３の変形例に係るインターポーザ及びこれを用いた半導体装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ…半導体装置、
５１…半導体素子（チップ）、
５２，５３…内部接続端子（はんだバンプ）、
５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ…インターポーザ、
５６…弾性シート（板状絶縁体）、
５６ａ，５６ｂ…樹脂フィルム、
５７，５７ａ…導体柱、
５７ｂ…配線層、
５８，５９…アンダーフィル樹脂、
６０…半導体パッケージ、
６１…外部接続端子、
７０，７１…剛性シート（シート状部材）。
【図１】
0004606783.tif 000002
【図２】
0004606783.tif 000003
【図３】
0004606783.tif 000004
【図４】
0004606783.tif 000005
【図５】
0004606783.tif 000006
【図６】
0004606783.tif 000007
【図７】
0004606783.tif 000008
【図８】
0004606783.tif 000009