(57)【要約】【課題】素子等を含む素子領域が封止されたキャビティの気密性を高めた半導体装置を提供する。【解決手段】素子を含む素子領域１１が形成された半導体基板１０を準備し、半導体基板１０上に、素子領域１１を露出する貫通孔１３Ａを有した樹脂層１３を形成する。次に、貫通孔１３Ａの側壁１３Ｗを含む樹脂層１３上から延びて半導体基板１０上の一部を覆う金属薄膜１４を形成する。そして、金属薄膜１４に直接接して支持体１５を接合し、半導体基板１０、樹脂層１３、金属薄膜１４、及び支持体１５に囲まれたキャビティ１６内に素子領域１１を封止する。その際、金属薄膜１４と支持体１５の接合面は、真空中で表面活性化接合法を用いて接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に形成された素子を含む素子領域と、
前記素子領域を露出する貫通孔を有して前記半導体基板上に配置された樹脂層と、
前記樹脂層上及び前記貫通孔内の側壁上に配置された金属薄膜と、
前記樹脂層上の前記金属薄膜と直接接合された支持体と、を備え、
前記半導体基板、前記樹脂層及、前記金属薄膜及び前記支持体によって囲まれてなるキャビティ内に前記素子領域が封止されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属薄膜は、前記貫通孔内の側壁上から前記半導体基板の一部上に延びて配置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３】
前記金属薄膜の厚さは前記樹脂層の厚さの１０分の１以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記支持体はガラス基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属薄膜はアルミニウム又は銅を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
素子を含む素子領域が形成された半導体基板と、支持体を準備し、
前記半導体基板上に、前記素子領域を露出する貫通孔を有した樹脂層を形成する工程と、
前記樹脂層上及び前記貫通孔内の側壁上に金属薄膜を形成する工程と、
真空中で前記金属薄膜及び前記支持体の各表面の汚染物を除去する工程と、
真空中で前記樹脂層上の前記金属薄膜と前記支持体とを直接接合する工程と、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７】
前記金属薄膜は、前記貫通孔内の側壁上から前記半導体基板の一部上に延びて形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記金属薄膜の厚さは前記樹脂層の厚さの１０分の１以下であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記支持体はガラス基板であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記金属薄膜はアルミニウム又は銅を含むことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか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、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板に形成された素子を封止した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）や受光素子などの素子が半導体基板上で封止された半導体装置が開発されている。このような半導体装置においては、半導体基板上にＭＥＭＳや受光素子が形成された素子領域を囲んで樹脂層が形成される。そして、その樹脂層上に、樹脂からなる接着剤を介してガラス基板が貼り合わされる。即ち、半導体基板上の素子領域は、半導体基板、樹脂層及びガラス基板によって囲まれたキャビティ内に封止される。このような封止構造を有する半導体装置は、特許文献１，２に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／０２３８２４号
【特許文献２】国際公開第２００８／０２３８２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような従来の半導体装置では、樹脂層の密度の粗さや、樹脂層の表面の凹凸を起因として、樹脂層とガラス基板の間を通って、あるいは樹脂からなる接着剤とガラス基板の間を通って、外部の水分がキャビティ内に浸入するという問題が生じていた。あるいは、外部の水分は、キャビティの側壁となる樹脂層そのものを浸透して浸入する場合もあった。キャビティ内に浸入した水分は、結露となって光の透過に悪影響を与える恐れがあり、素子に対して電気的または機械的な損傷を与える恐れもあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、半導体基板と、
前記半導体基板の表面に形成された素子を含む素子領域と、前記素子領域を露出する貫通孔を有して前記半導体基板上に配置された樹脂層と、前記樹脂層上及び前記貫通孔内の側壁上に配置された金属薄膜と、前記樹脂層上に形成された金属薄膜と、前記金属薄膜と直接接合された支持体と、を備え、前記半導体基板、前記樹脂層及、前記金属薄膜及び前記支持体によって囲まれてなるキャビティ内に前記素子領域が封止されたことを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、素子を含む素子領域が形成された半導体基板と、支持体を準備し、前記半導体基板上に、前記素子領域を露出する貫通孔を有した樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層上及び前記貫通孔内の側壁上に金属薄膜を形成する工程と、真空中で前記金属薄膜及び前記支持体の各表面の汚染物を除去する工程と、真空中で前記樹脂層上の前記金属薄膜と前記支持体とを直接接合する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、樹脂層上に形成された金属薄膜と支持体とを直接接合し、さらにキャビティの側壁の樹脂層を金属薄膜で覆っているので、キャビティの気密性が高くなり、外部からキャビティへの水分の浸入を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による半導体装置を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】図５の金属薄膜と支持体の接合を説明する部分拡大図である。
【図７】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態による半導体装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態による半導体装置の概略構成について、以下に図面を参照して説明する。図１は、完成した半導体装置を示す断面図である。
【００１０】
この半導体装置の半導体基板１０の表面には、素子及び配線等を含む素子領域１１が配置され、その素子と接続されたパッド電極１２が半導体基板１０の端部に配置されている。半導体基板１０は例えばシリコン基板からなる。素子領域１１の素子には、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤなどの受光素子が含まれるが、これ以外の電気的あるいは機械的デバイス、例えばＭＥＭＳ等が含まれてもよい。以下では、素子領域１１はフォトダイオード、ＣＣＤなどの受光素子を含むものとして説明する。
【００１１】
また、半導体基板１０の表面には、素子領域１１上を露出する貫通孔１３Ａを有した樹脂層１３が配置されている。半導体基板１０に対して垂直方向から見ると、樹脂層１３は素子領域１１の周囲を囲むように配置されている。樹脂層１３は、例えばアクリル、ポリイミド、エポキシ樹脂などの有機系樹脂、好ましくは、フォトリソグラフィ工程に用いられる感光性の有機系樹脂からなる。以下では、樹脂層１３は感光性のポリイミドであるものとして説明する。
【００１２】
樹脂層１３の上面及び貫通孔１３Ａの内側の側壁１３Ｗ上には、アルミニウム、あるいはアルミニウムを含む金属からなる金属薄膜１４が配置されている。さらに、金属薄膜１４は、素子領域１１と重畳しないように、半導体基板１０上の一部まで連続して延びていることが好ましい。この金属薄膜１４は、上記以外の金属、例えば銅あるいは銅を含む金属からなるものであってもよい。
【００１３】
さらに、基板状の支持体１５が、樹脂層１３上の金属薄膜１４を介して樹脂層１３に貼り合わされている。以下では、支持体１５は光を透過するガラス基板であるものとして説明する。
【００１４】
一方、半導体基板１０の裏面と側面には、パッド電極１２と接続された配線１７が延びており、その配線１７上には、保護層１８と、保護層１８を貫通して配線１７と接続するバンプ電極１９が配置されている。
【００１５】
この半導体装置では、半導体基板１０、樹脂層１３、金属薄膜１４、及び支持体１５に囲まれたキャビティ１６内に、素子等を含む素子領域１１が封止されている。ここで、樹脂層１３の上面の金属薄膜１４と支持体１５は直接接合しており、金属薄膜１４と支持体１５の接合面では、各表面の原子の結合手同士が直接結合している。また、キャビティ１６内の側壁１３Ｗとなる樹脂層１３は、水分を透過しない金属薄膜１４に覆われている。これにより、キャビティ１６の気密性は従来例に比して高くなり、外部からの水分の浸入を防ぐことができる。さらに、金属薄膜１４が、貫通孔１３Ａ内の側壁１３Ｗから連続して半導体基板１０の表面の一部上にも延びている場合、より確実にキャビティの気密性を高めることができる。
【００１６】
なお、樹脂層１３の替わりに、厚い金属層を形成し、半導体基板１０、支持体１５及び厚い金属層に囲まれたキャビティによる封止構造が考えられる。しかし、この封止構造を実現するためには、キャビティの高さを十分に確保するために、一般的な配線工程に比して極めて厚く金属層を形成する必要があり、製造工程における時間やコストが著しく増大してしまう。
【００１７】
仮に厚い金属層を形成しても、その金属層の表面の凹凸を平坦化するＣＭＰ等の追加の工程が必要となる。また、厚い金属層の形成工程での加熱処理や、厚い金属層に支持体１５を貼り合せる際の厚い金属層に対する加熱処理（例えば４００℃）によって、素子領域１１の素子や半導体基板１０が深刻な損傷を受ける恐れもある。
【００１８】
以下に、上述した半導体装置の製造方法について、図面を参照して説明する。図２は、この半導体装置の製造方法を示す平面図であり、ウェハ状の半導体基板１０の一部を示している。図３−５及び図７−９は、この半導体装置の製造方法を示す断面図あり、１つの半導体装置と、それに隣接する他の半導体装置との境界、即ち図２のＡ−Ａ線に沿った箇所を示している。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、図５の金属薄膜１４と支持体１５の接合を説明する部分拡大図である。
【００１９】
最初に、図２及び図３に示すように、例えばシリコン基板からなるウェハ状の半導体基板１０を準備する。この半導体基板１０の表面には、素子等を含む素子領域１１、不図示のシリコン酸化膜等の絶縁膜、その絶縁膜上に形成されたパッド電極１２が形成されている。なお、図２ではパッド電極１２の図示は省略している。
【００２０】
次に、図３に示すように、半導体基板１０の表面を覆って、例えばスピンコート法により感光性の有機系樹脂材料を塗布し、樹脂層１３を形成する。スピンコート法によれば樹脂層１３を極力平坦に形成することができる。樹脂層１３の厚さＴ１は、キャビティ１６の高さＨの９割以上であり、例えば５μｍ〜５０μｍである（図１参照）。ここで、キャビティ１６の高さＨとは、互いに対向する半導体基板１０の表面と支持体１５の表面との距離である。なお、半導体基板１０の表面にシリコン酸化膜等の不図示の絶縁膜が形成される場合には、キャビティの高さＨは、その絶縁膜の表面と支持体１５の表面との距離である。
【００２１】
次に、図４に示すように、不図示のマスクを用いて樹脂層１３に対して露光及び現像を行い、素子領域１１を露出する貫通孔１３Ａを樹脂層１３に形成する。その後、樹脂層１３を覆う金属薄膜１４を形成する。金属薄膜１４の厚さＴ２は、樹脂層１３の厚さＴ１の１０分の１以下であり、例えば０．２μｍ〜５μｍである。
【００２２】
金属薄膜１４は、例えば、スパッタ法により、樹脂層１３上と貫通孔１３Ａ内の半導体基板１０上の全面に形成された後、不図示のマスクを用いた露光及び現像により一部が除去されて、素子領域１１を露出するようにパターニングされる。
【００２３】
即ち、金属薄膜１４は、樹脂層１３の上面と貫通孔１３Ａの内側の側壁１３Ｗを覆っている。好ましくは、金属薄膜１４は、側壁１３Ｗから連続して半導体基板１９の一部上（ただし素子領域１１と重畳しない箇所）にも延びて形成される。
【００２４】
次に、図５に示すように、金属薄膜１４を介して、樹脂層１３と、例えば２００μｍ〜６００μｍの厚さを有したガラス基板からなる支持体１５を貼り合わせる。その際、金属薄膜１４と支持体１５は、その間に樹脂からなる接着剤等を介在させずに互いに直接接合される。以下に、この直接接合を実現する接合方法として、表面活性化接合法を用いた接合方法について説明する。
【００２５】
大気中では、接合面となる金属薄膜１４と支持体１５の各表面は、接合の妨げとなる汚染物（水分子や有機物分子）に覆われてしまう。そこで、そのような汚染物を除去した後で、接合面となる金属薄膜１４と支持体１５の各表面の原子の結合手同士を直接結合させて、両原子の結合を強固なものにする。
【００２６】
金属薄膜１４と支持体１５の各表面の汚染物を除去するには、イオンビームやプラズマなどによるスパッタエッチングが用いられる。スパッタエッチング後の各表面は周囲の気体分子とも反応しやすい状態にあるので、イオンビームにはアルゴンなどの不活性化ガスが用いられる。この汚染物除去工程は、真空状態の真空チャンバー４０内で行われる。汚染物の除去後の金属薄膜１４と支持体１５の各表面では、結合手を持った原子が露出しているため、他の原子との結合力が大きい状態、即ち活性化された状態になる。
【００２７】
その後、真空状態の真空チャンバー４０内で、活性化された金属薄膜１４と支持体１５の各表面を互いに直接接するように対向させ、常温から比較的低い加熱温度（例えば約１００℃以下）で圧着する。これにより、両者の強固な接合を得ることができる。この場合、真空チャンバー４０の真空度は（約１０−５Ｐａ）であることが好ましい。
【００２８】
こうして金属薄膜１４を介して樹脂層１３と支持体１５が貼り合されることにより、半導体基板１０、樹脂層１３、金属薄膜１４、及び支持体１５に囲まれて素子領域１１を封止するキャビティ１６が形成される。
【００２９】
上記工程において、金属薄膜１４と支持体１５が接合される前では、図６（Ａ）に示すように、金属薄膜１４は、樹脂層１３の表面の凹凸を反映した凹凸を有している。しかし、図６（Ｂ）に示すように、金属薄膜１４に支持体１５が圧着されると、樹脂層１３の弾性と、樹脂層１３の厚さＴ１の１０分の１以下という金属薄膜１４の薄さゆえに、金属薄膜１４は支持体１５の表面の平坦性を反映するように変形し、支持体１５に密着する。その際、樹脂層１３は、金属薄膜１４が変形するときの応力を吸収する緩衝層として機能する。なお、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、金属薄膜１４に対向する支持体１５の表面は、簡略されて極めて平坦に図示されているが、実際には凹凸を有する場合もあり、その場合においても、金属薄膜１４は支持体１５の表面の凹凸を反映するように変形し、支持体１５に密着する。
【００３０】
このような金属薄膜１４の変形と、上述した表面活性化接合法による金属薄膜１４と支持体１５との強固な直接接合と、水分を透過しない金属薄膜１４によってキャビティ１６内の側壁１３Ｗが覆われることの相乗効果によって、従来例に比して確実にキャビティ１６の気密性を高めることができる。さらに、金属薄膜１４が側壁１３Ｗから半導体基板１０の表面の一部上に延びて形成される場合、より確実にキャビティの気密性を高めることができる。
【００３１】
さらに、上記工程によれば、キャビティ１６の高さＨを十分に確保するために厚い金属層を形成する必要がないため、長時間のスパッタ工程など製造工程における時間やコストの増大を回避できる。そして金属層の表面の凹凸を平坦化するＣＭＰ等の追加の工程も必要ない。
【００３２】
また、本実施形態の金属薄膜１４の厚さＴ２は樹脂層１３の厚さＴ１の１０分の１以下と薄いため、厚い金属層の形成工程に必要となる長時間の高温な加熱処理を回避できる。また、金属薄膜１４は、上述したように常温から比較的低い加熱温度で支持体１５に貼り合せることができるため、厚い金属層に支持体１５を貼り合せる際に必要となる高温の加熱処理を回避できる。そのため、加熱処理を起因として素子領域１１の素子や半導体基板１０が深刻な損傷を受けることを回避できる。
【００３３】
その後、図７に示すように、半導体基板１０のダイシングラインＤＬに沿った領域の一部をエッチングして、半導体基板１０を貫通してパッド電極１２の一部を露出するウィンドウ１０Ａを形成する。図の例では、ウィンドウ１０Ａは、例えば半導体基板１０の平面方向において部分的に四角形状に開口するものであるが、これ以外にも、ダイシングラインＤＬに沿ってストリート状に延びるように形成されてもよい。
【００３４】
次に、半導体基板１０の裏面と側面を覆って不図示の絶縁膜を形成する。さらに、その絶縁膜を介して、半導体基板１０の裏面から側面に延びると共にパッド電極１２と接続するようにパターニングされた配線１７を形成する。
【００３５】
次に、図８に示すように、ダイシングブレード等を用いて、ダイシングラインＤＬの全体に沿って、ウィンドウ１０Ａ内の樹脂層１３から支持体１５の厚さ方向の途中まで至る切り込みを形成する。その後、ウィンドウ１０内を含む半導体基板１０の裏面を覆って、ポリイミド等からなる保護膜１８を形成する。さらに、半導体基板１０の裏面上において、保護膜１８の一部に設けられた開口部を通して配線１７と接続するバンプ電極１９を形成する。
【００３６】
最後に、ダイシングラインＤＬに沿ってダイシングを行う。このダイシングでは、パッド電極１２の端部を覆う樹脂層１３及び保護膜１８が残存して、パッド電極１２が露出しないように、保護膜１９と樹脂層１３が切断される。このようにして、半導体基板１０等は、図１の半導体装置に個片化される。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で変更が可能なことはいうまでもない。
【００３８】
上記実施形態では、支持体１５はガラス基板であるものとして説明したが、これ以外にも、例えばシリコン基板やガリウム／ヒ素基板などの半導体基板が支持体１５として用いられてもよい。金属薄膜１４についても、上述したアルミニウムや銅に限定されず、例えば、金、プラチナ、銀、錫、鉛、または亜鉛を用いることができる。これらの場合においても、金属薄膜１４と支持体１５の接合に表面活性化接合法を用いることができる。これにより、上記実施形態と同様にキャビティ１６の気密性は高くなる。
【００３９】
また、上記実施形態の変形例として、図９に示すように、半導体基板１０にはウィンドウ１０Ａが形成されず、配線１７の替わりに、半導体基板１０を貫通してパッド電極１２と接続する貫通電極２７が形成され、半導体基板１０裏面には、その貫通電極２７と接続したバンプ電極１９が形成されてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  半導体基板    １０Ａ  ウィンドウ
１１  素子領域
１２  パッド電極
１３  樹脂層    １３Ｗ  側壁    １３Ａ  貫通孔
１４  金属薄膜
１５  ガラス基板
１６  キャビティ
１７  配線
１８  保護膜
１９  バンプ電極
２７  貫通電極
ＤＬ  ダイシングライン
【図１】
2012033718.tif 000003
【図２】
2012033718.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012033718.tif 000009
【図８】
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【図９】
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