(57)【要約】【課題】寸法精度が高く、信頼性の高い半導体装置、および、２つの半導体素子同士を、高い寸法精度で強固に、かつ効率よく接合可能な半導体素子の接合方法を提供すること。【解決手段】半導体装置１は、パターニングされた絶縁層４０および導電層５０とを成膜した絶縁基板１０と、この絶縁基板１０上に積層された２枚の半導体素子（半導体チップ）２１、２２とを有している。２枚の半導体素子２１、２２間は、接合膜３を介して接合されている。この接合膜３は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、このＳｉ骨格に結合する脱離基とを含むものである。そして、この接合膜３は、エネルギーを付与したことにより、脱離基がＳｉ骨格から脱離し、接合膜３の表面に発現した接着性によって、２つの半導体素子２１、２２同士が接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの半導体素子と、
これらを接合する接合膜とを有し、
前記接合膜は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含み、
前記接合膜は、その少なくとも一部の領域にエネルギーを付与したことにより、前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離し、前記接合膜の表面の前記領域に発現した接着性によって、前記２つの半導体素子を接合していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記接合膜を構成する全原子からＨ原子を除いた原子のうち、Ｓｉ原子の含有率とＯ原子の含有率の合計が、１０〜９０原子％である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記接合膜中のＳｉ原子とＯ原子の存在比は、３：７〜７：３である請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記Ｓｉ骨格の結晶化度は、４５％以下である請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記脱離基は、Ｈ原子、Ｂ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、Ｏ原子、Ｐ原子、Ｓ原子およびハロゲン系原子、またはこれらの各原子が前記Ｓｉ骨格に結合するよう配置された原子団からなる群から選択される少なくとも１種で構成されたものである請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記脱離基は、アルキル基である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記接合膜は、その少なくとも表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離した後に、活性手を有する請求項１ないし６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記活性手は、未結合手または水酸基である請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接合膜は、プラズマ重合法により形成されたものである請求項１ないし８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記接合膜は、ポリオルガノシロキサンを主材料として構成されている請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記ポリオルガノシロキサンは、オクタメチルトリシロキサンの重合物を主成分とするものである請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記接合膜の平均厚さは、１〜１０００ｎｍである請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記接合膜は、流動性を有しない固体状のものである請求項１ないし１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記半導体素子の前記接合膜を備える面には、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理が施されている請求項１ないし１３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記表面処理は、プラズマ処理である請求項１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記放熱体と前記接合膜との間に、中間層が介挿されている請求項１ないし１５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記中間層は、酸化物系材料を主材料として構成されている請求項１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
第１の半導体素子と第２の半導体素子とを用意し、前記第１の半導体素子上に、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含む接合膜を形成する工程と、
前記接合膜の少なくとも一部の領域にエネルギーを付与することにより、前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離し、前記接合膜の表面の前記領域に接着性を発現させる工程と、
前記接合膜と前記第２の半導体素子とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせて接合する工程とを有することを特徴とする半導体素子の接合方法。
【請求項１９】
第１の半導体素子と第２の半導体素子とを用意し、前記第１の半導体素子上に、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含む接合膜を形成する工程と、
前記接合膜と前記第２の半導体素子とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを重ね合わせて、仮接合体を得る工程と、
前記仮接合体中の前記接合膜の少なくとも一部の領域にエネルギーを付与することにより、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを接合する工程とを有することを特徴とする半導体素子の接合方法。
【請求項２０】
前記エネルギーの付与は、前記接合膜にエネルギー線を照射する方法、前記接合膜を加熱する方法、および前記接合膜に圧縮力を付与する方法のうちの少なくとも１つの方法により行われる請求項１８または１９に記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２１】
前記エネルギー線は、波長１５０〜３００ｎｍの紫外線である請求項２０に記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２２】
前記加熱の温度は、２５〜１００℃である請求項２０または２１に記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２３】
前記圧縮力は、０．２〜１０ＭＰａである請求項２０ないし２２のいずれかに記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２４】
前記エネルギーの付与は、大気雰囲気中で行われる請求項２０ないし２３のいずれかに記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２５】
前記第２の半導体素子は、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理を施した表面を有するものであり、
前記表面処理を施した表面と前記接合膜とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせる請求項２０ないし２４のいずれかに記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２６】
前記第２の半導体素子は、あらかじめ、官能基、ラジカル、開環分子、不飽和結合、ハロゲンおよび過酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの基または物質を有する表面を有するものであり、
前記基または物質を有する表面と前記接合膜とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせる請求項２０ないし２４のいずれかに記載の半導体素子の接合方法。
【請求項２７】
前記第２の半導体素子上に、前記第１の半導体素子上に設けられた前記接合膜と同様の接合膜が設けられており、
前記各接合膜同士が密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを重ね合わせる請求項２０ないし２６のいずれかに記載の半導体素子の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置および半導体素子の接合方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
２つの部材（基材）同士を接合（接着）する際には、従来、エポキシ系接着剤、ウレタン系接着剤、シリコーン系接着剤等の接着剤を用いて行う方法が多く用いられている。
接着剤は、部材の材質によらず、接着性を示すことができる。このため、種々の材料で構成された部材同士を、様々な組み合わせで接着することができる。
例えば、近年のＩＣデバイスの開発においては、回路の高密度化の背景に基づき、複数の半導体チップを積層したマルチチップ（積層チップ）ＩＣデバイスが知られている（例えば、実用新案文献１参照）。
【０００３】
このようなマルチチップＩＣデバイスにおいては、複数の半導体チップ間が接着剤を介して接合している。しかしながら、接着剤を、２つの半導体チップ間に均一に塗布することは極めて困難である。このため、２つの半導体チップを積層してなる積層体は、寸法精度が低いという問題を抱えている。このため、半導体チップを絶縁基板に搭載する際に、端子へのワイヤの取り付け精度が低下するおそれがある。
【０００４】
また、接着剤の塗布が不均一になった場合、各半導体チップ間の絶縁性が確保できず、ＩＣデバイスの信頼性が低下する。
また、接着剤は、硬化するのに長時間を要するため、ＩＣデバイスの製造工程の簡略化を図ることができない。
さらに、接着剤は、塗布領域を厳密に制御することが困難であるため、半導体チップの縁部からはみ出してしまうことが問題となっている。このため、はみ出した接着剤を除去するのに多大な手間を要している。
【特許文献１】登録実用新案第３１２２５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、寸法精度が高く、信頼性の高い半導体装置、および、２つの半導体素子同士を、高い寸法精度で強固に、かつ効率よく接合可能な半導体素子の接合方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の半導体装置は、２つの半導体素子と、
これらを接合する接合膜とを有し、
前記接合膜は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含み、
前記接合膜は、その少なくとも一部の領域にエネルギーを付与したことにより、前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離し、前記接合膜の表面の前記領域に発現した接着性によって、前記２つの半導体素子を接合していることを特徴とする。
これにより、寸法精度が高く、信頼性の高い半導体装置が得られる。
【０００７】
本発明の半導体装置では、前記接合膜を構成する全原子からＨ原子を除いた原子のうち、Ｓｉ原子の含有率とＯ原子の含有率の合計が、１０〜９０原子％であることが好ましい。
これにより、接合膜は、Ｓｉ原子とＯ原子とが強固なネットワークを形成し、接合膜自体がより強固なものとなる。このため、接合膜は、２つの半導体素子に対して、特に高い接合強度を示すものとなる。
【０００８】
本発明の半導体装置では、前記接合膜中のＳｉ原子とＯ原子の存在比は、３：７〜７：３であることが好ましい。
これにより、接合膜の安定性が高くなり、２つの半導体素子をより強固に接合することができる。
本発明の半導体装置では、前記Ｓｉ骨格の結晶化度は、４５％以下であることが好ましい。
これにより、Ｓｉ骨格は十分にランダムな原子構造を含むものとなる。このため、Ｓｉ骨格の特性が顕在化し、接合膜の寸法精度および接着性がより優れたものとなる。
【０００９】
本発明の半導体装置では、前記脱離基は、Ｈ原子、Ｂ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、Ｏ原子、Ｐ原子、Ｓ原子およびハロゲン系原子、またはこれらの各原子が前記Ｓｉ骨格に結合するよう配置された原子団からなる群から選択される少なくとも１種で構成されたものであることが好ましい。
これらの脱離基は、エネルギーの付与による結合／脱離の選択性に比較的優れている。このため、このような脱離基は、接合膜の接着性をより高度なものとすることができる。
【００１０】
本発明の半導体装置では、前記脱離基は、アルキル基であることが好ましい。
アルキル基は化学的な安定性が高いため、脱離基としてアルキル基を含む接合膜は、耐候性および耐薬品性に優れたものとなる。
本発明の半導体装置では、前記接合膜は、その少なくとも表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離した後に、活性手を有することが好ましい。
これにより、接合膜の表面に、半導体素子に対する化学的結合に基づいた強固な接着性が発現する。
【００１１】
本発明の半導体装置では、前記活性手は、未結合手または水酸基であることが好ましい。
これにより、２つの半導体素子間を、特に強固に接合することができる。
本発明の半導体装置では、前記接合膜は、プラズマ重合法により形成されたものであることが好ましい。
これにより、緻密で均質な接合膜を効率よく作製することができる。その結果、２つの半導体素子間の絶縁性をより高めるとともに、接合膜の耐候性をより高めることができる。
【００１２】
本発明の半導体装置では、前記接合膜は、ポリオルガノシロキサンを主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、接合膜が機械的特性に優れたものとなり、２つの半導体素子をより強固に接合することができる。また、非接着性と接着性との制御を容易かつ確実に行えるという利点を有する。
【００１３】
本発明の半導体装置では、前記ポリオルガノシロキサンは、オクタメチルトリシロキサンの重合物を主成分とするものであることが好ましい。
これにより、接着性に特に優れた接合膜が得られる。
本発明の半導体装置では、前記接合膜の平均厚さは、１〜１０００ｎｍであることが好ましい。
これにより、２つの半導体素子間の寸法精度が著しく低下するのを防止しつつ、これらをより強固に接合することができる。
【００１４】
本発明の半導体装置では、前記接合膜は、流動性を有しない固体状のものであることが好ましい。
これにより、接着剤の硬化に要する時間が不要になり、短時間で強固な接合を可能とする。また、接合膜が流れ出すことがないため、所望の領域に接合膜を確実に成膜することができる。
【００１５】
本発明の半導体装置では、前記半導体素子の前記接合膜を備える面には、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理が施されていることが好ましい。
これにより、半導体素子と接合膜との間の接合強度をより高めることができ、最終的には、２つの半導体素子間の接合強度を高めることができる。
本発明の半導体装置では、前記表面処理は、プラズマ処理であることが好ましい。
これにより、接合膜を形成するために、半導体素子の表面を特に最適化することができる。
【００１６】
本発明の半導体装置では、前記放熱体と前記接合膜との間に、中間層が介挿されていることが好ましい。
これにより、信頼性の高い半導体装置が得られる。
本発明の半導体装置では、前記中間層は、酸化物系材料を主材料として構成されていることが好ましい。
これにより、半導体素子と接合膜との間の接合強度を特に高めることができる。
【００１７】
本発明の半導体素子の接合方法は、第１の半導体素子と第２の半導体素子とを用意し、前記第１の半導体素子上に、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含む接合膜を形成する工程と、
前記接合膜の少なくとも一部の領域にエネルギーを付与することにより、前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離し、前記接合膜の表面の前記領域に接着性を発現させる工程と、
前記接合膜と前記第２の半導体素子とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせて接合する工程とを有することを特徴とする。
これにより、２つの半導体素子同士を、高い寸法精度で強固に、かつ効率よく接合することができる。
【００１８】
本発明の半導体素子の接合方法は、第１の半導体素子と第２の半導体素子とを用意し、前記第１の半導体素子上に、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基とを含む接合膜を形成する工程と、
前記接合膜と前記第２の半導体素子とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを重ね合わせて、仮接合体を得る工程と、
前記仮接合体中の前記接合膜の少なくとも一部の領域にエネルギーを付与することにより、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを接合する工程とを有することを特徴とする。
これにより、２つの半導体素子同士を、高い寸法精度で強固に、かつ効率よく接合することができる。
【００１９】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記エネルギーの付与は、前記接合膜にエネルギー線を照射する方法、前記接合膜を加熱する方法、および前記接合膜に圧縮力を付与する方法のうちの少なくとも１つの方法により行われることが好ましい。
これらの方法は、接合膜に対して比較的簡単に効率よくエネルギーを付与することができる。
【００２０】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記エネルギー線は、波長１５０〜３００ｎｍの紫外線であることが好ましい。
これにより、接合膜に付与されるエネルギー量が最適化されるので、接合膜中のＳｉ骨格が必要以上に破壊されるのを防止しつつ、Ｓｉ骨格と脱離基との間の結合を選択的に切断することができる。その結果、接合膜の特性（機械的特性、化学的特性等）が低下するのを防止しつつ、接合膜に接着性を確実に発現させることができる。
【００２１】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記加熱の温度は、２５〜１００℃であることが好ましい。
これにより、半導体素子が熱によって変質・劣化するのを確実に防止しつつ、接合膜を確実に活性化することができる。
本発明の半導体素子の接合方法では、前記圧縮力は、０．２〜１０ＭＰａであることが好ましい。
これにより、半導体素子に損傷を与えるのを防止しつつ、単に圧縮するのみで、接合膜に対して適度なエネルギーを簡単に付与することができる。その結果、接合膜に十分な接着性が発現する。
【００２２】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記エネルギーの付与は、大気雰囲気中で行われることが好ましい。
これにより、雰囲気を制御することに手間やコストをかける必要がなくなり、エネルギーの付与をより簡単に行うことができる。
本発明の半導体素子の接合方法では、前記第２の半導体素子は、あらかじめ、前記接合膜との密着性を高める表面処理を施した表面を有するものであり、
前記表面処理を施した表面と前記接合膜とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせることが好ましい。
これにより、半導体素子と接合膜との間の接合強度をより高めることができる。
【００２３】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記第２の半導体素子は、あらかじめ、官能基、ラジカル、開環分子、不飽和結合、ハロゲンおよび過酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの基または物質を有する表面を有するものであり、
前記基または物質を有する表面と前記接合膜とが密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを貼り合わせることが好ましい。
これにより、半導体素子と接合膜との接合強度を十分に高くすることができる。
【００２４】
本発明の半導体素子の接合方法では、前記第２の半導体素子上に、前記第１の半導体素子上に設けられた前記接合膜と同様の接合膜が設けられており、
前記各接合膜同士が密着するように、前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とを重ね合わせることが好ましい。
これにより、各半導体素子の材質によらず、２つの半導体素子間をさらに強固に接合することができる。その結果、特に信頼性が高い半導体装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の半導体装置および半導体素子の接合方法を、添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
まず、本発明の半導体装置および半導体素子の接合方法の各実施形態について説明する。
図１は、本発明の半導体装置の実施形態を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図１に示す半導体装置１は、絶縁基板１０と、この絶縁基板１０上に積層された２枚の半導体素子（半導体チップ）２１、２２とを有している。
【００２６】
また、絶縁基板１０と半導体素子２１との間には、絶縁層４０と、パターニングされた導電層５０とが設けられている。この導電層５０は、絶縁基板１０を貫通する貫通孔１１に一部が挿入した状態で設けられた複数のハンダボール６０に接合されている。これにより、導電層５０とハンダボール６０との導通が図られている。
ここで、２枚の半導体素子２１、２２には、それぞれ、回路（図示せず）が形成されている（書き込まれている）。この回路は、一般的な半導体製造プロセスを用いて形成される。
【００２７】
図１に示す半導体装置１は、このような回路（集積回路）が書き込まれた２つの半導体素子２１、２２が積層されている。このため、平面視での占有面積を広げることなく、各半導体素子２１、２２に書き込まれた集積回路の面積を広げることができる。すなわち、小面積にもかかわらず、大規模な回路を高密度に組み込んだ半導体装置１を得ることができる。
【００２８】
また、各半導体素子２１、２２に形成された回路には、それぞれ、ワイヤ７０の一端が接続されており、各ワイヤ７０の他端は、絶縁基板１０上に設けられた導電層５０に接続されている。これにより、各半導体素子２１、２２に形成された回路と、ハンダボール６０との間が、電気的に接続されている。
さらに、絶縁基板１０上には、封止部８０が設けられている。この封止部８０は、２枚の半導体素子２１、２２および各ワイヤ７０を覆うように設けられている。これにより、各半導体素子２１、２２と各ワイヤ７０とを確実に絶縁するとともに、大気中の酸素・水分等による各半導体素子２１、２２や各ワイヤ７０の変質・劣化を防止することができる。
【００２９】
このような各半導体素子２１、２２を構成する材料は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンのようなシリコン系材料、ヒ素化ガリウム（ＧａＡｓ）のような化合物半導体材料、各種有機半導体材料等が挙げられる。
このような半導体装置１において、２つの半導体素子２１、２２間が接合膜３を介して接合されている。
【００３０】
この接合膜３は、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格と、このＳｉ骨格に結合する脱離基とを含むものである。
そして、接合膜３は、エネルギーを付与したことにより、脱離基がＳｉ骨格から脱離し、接合膜３の表面に発現した接着性によって、２つの半導体素子２１、２２同士が接合されている。
【００３１】
なお、接合膜３については、後に詳述する。
絶縁基板１０は、２枚の半導体素子２１、２２を搭載するものである。
かかる絶縁基板１０の構成材料としては、絶縁性材料であればよく、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂材料等が挙げられる。
【００３２】
図１に示す絶縁基板１０上には、前述したように、絶縁層４０と導電層５０とが設けられている。
このうち、絶縁層４０は、例えば、各種樹脂材料のような絶縁性材料により構成されている。
一方、導電層５０は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ等の金属材料、またはこれらの金属材料を含む合金で構成されている。これにより、導電層５０は、十分な導電性を示すものとなる。
【００３３】
ハンダボール６０は、半導体装置１を配線基板等に実装する際に、配線基板上の電極パッドに接合するために用いられる。
かかるハンダボール６０は、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ系のいわゆる共晶ハンダの他、各種Ｐｂフリーハンダ等で構成される。
ワイヤ７０は、例えば、ワイヤボンディング装置等を用いて、各半導体素子２１、２２や導電層５０に融着される。
【００３４】
かかるワイヤ７０は、例えば、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属材料、またはこれらの金属材料を含む合金で構成されている。
封止部８０は、前述したように、２つの半導体素子２１、２２および各ワイヤ７０を封止する。
かかる封止部８０の構成材料としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂等の各種樹脂材料が挙げられる。
【００３５】
次に、接合膜３について説明する。
接合膜３は、前述したように、エネルギーを付与することにより、他の被着体との接着性を発現する特徴を有するものである。
図２は、接合膜３のエネルギー付与前の状態を示す部分拡大図、図３は、接合膜３のエネルギー付与後の状態を示す部分拡大図である。なお、以下の説明では、図２および図３中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００３６】
接合膜３のエネルギーを付与する前の状態は、図２に示すように、シロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合３０２を含み、ランダムな原子構造を有するＳｉ骨格３０１と、このＳｉ骨格３０１に結合する脱離基３０３とを含むものである。
かかる接合膜３は、エネルギーを付与すると、図３に示すように、一部の脱離基３０３がＳｉ骨格３０１から脱離し、代わりに活性手３０４が生じる。これにより、接合膜３の表面３５に接着性が発現する。そして、半導体装置１では、このようにして接着性が発現した接合膜３により、２つの半導体素子２１、２２同士が接合されている。
【００３７】
このような接合膜３は、シロキサン結合３０２を含みランダムな原子構造を有するＳｉ骨格３０１の影響によって、変形し難い強固な膜となる。このため、２つの半導体素子２１、２２間の距離を高い寸法精度で一定に保持することができる。これにより、各半導体素子２１、２２を絶縁基板に搭載するとき、端子へのワイヤの取り付け精度を高めることができる。
【００３８】
また、接合膜３を用いて２つの半導体素子２１、２２間を接合したことにより、従来、接着剤を用いて接合した場合に、接着剤がはみ出すといった問題が生じることがない。したがって、はみ出した接着剤を除去する手間を省略できるという利点もある。
また、接合膜３は、化学的に安定なＳｉ骨格３０１の作用により、耐熱性に優れている。このため、半導体装置１が高温下に曝されたとしても、接合膜３の変質・劣化を確実に防止することができる。
【００３９】
また、このような接合膜３は、流動性を有しない固体状のものとなる。このため、接着剤の硬化に要する時間が不要になり、短時間で強固な接合を可能にする。また、接合膜が流れ出すことがないため、所望の領域に接合膜３を確実に成膜することができる。
このような接合膜３としては、特に、接合膜３を構成する全原子からＨ原子を除いた原子のうち、Ｓｉ原子の含有率とＯ原子の含有率の合計が、１０〜９０原子％程度であるのが好ましく、２０〜８０原子％程度であるのがより好ましい。Ｓｉ原子とＯ原子とが、前記範囲の含有率で含まれていれば、接合膜３は、Ｓｉ原子とＯ原子とが強固なネットワークを形成し、接合膜３自体がより強固なものとなる。また、かかる接合膜３は、２つの半導体素子２１、２２に対して、特に高い接合強度を示すものとなる。
【００４０】
また、接合膜３中のＳｉ原子とＯ原子の存在比は、３：７〜７：３程度であるのが好ましく、４：６〜６：４程度であるのがより好ましい。Ｓｉ原子とＯ原子の存在比を前記範囲内になるよう設定することにより、接合膜３の安定性が高くなり、２つの半導体素子２１、２２をより強固に接合することができるようになる。
なお、接合膜３中のＳｉ骨格３０１の結晶化度は、４５％以下であるのが好ましく、４０％以下であるのがより好ましい。これにより、Ｓｉ骨格３０１は十分にランダムな原子構造を含むものとなる。このため、前述したＳｉ骨格３０１の特性が顕在化し、接合膜３の寸法精度および接着性がより優れたものとなる。
【００４１】
また、Ｓｉ骨格３０１に結合する脱離基３０３は、前述したように、Ｓｉ骨格３０１から脱離することによって、接合膜３に活性手３０４を生じさせるよう振る舞うものである。したがって、脱離基３０３には、エネルギーを付与されることによって、比較的簡単に、かつ均一に脱離するものの、エネルギーが付与されないときには、脱離しないようＳｉ骨格３０１に確実に結合しているものである必要がある。
【００４２】
かかる観点から、脱離基３０３には、Ｈ原子、Ｂ原子、Ｃ原子、Ｎ原子、Ｏ原子、Ｐ原子、Ｓ原子およびハロゲン系原子、またはこれらの各原子を含み、これらの各原子がＳｉ骨格３０１に結合するよう配置された原子団からなる群から選択される少なくとも１種で構成されたものが好ましく用いられる。かかる脱離基３０３は、エネルギーの付与による結合／脱離の選択性に比較的優れている。このため、このような脱離基３０３は、上記のような必要性を十分に満足し得るものとなり、接合膜３の接着性をより高度なものとすることができる。
【００４３】
なお、上記のような各原子がＳｉ骨格３０１に結合するよう配置された原子団（基）としては、例えば、メチル基、エチル基のようなアルキル基、ビニル基、アリル基のようなアルケニル基、アルデヒド基、ケトン基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基、ニトロ基、ハロゲン化アルキル基、メルカプト基、スルホン酸基、シアノ基、イソシアネート基等が挙げられる。
【００４４】
これらの各基の中でも、脱離基３０３は、特にアルキル基であるのが好ましい。アルキル基は化学的な安定性が高いため、アルキル基を含む接合膜３は、耐候性および耐薬品性に優れたものとなる。
このような特徴を有する接合膜３の構成材料としては、例えば、ポリオルガノシロキサンのようなシロキサン結合を含む重合物等が挙げられる。
【００４５】
ポリオルガノシロキサンで構成された接合膜３は、それ自体が優れた機械的特性を有している。また、多くの材料に対して特に優れた接着性を示すものである。したがって、ポリオルガノシロキサンで構成された接合膜３は、２つの半導体素子２１、２２をより強固に接合することができる。
また、ポリオルガノシロキサンは、通常、撥水性（非接着性）を示すが、エネルギーを付与されることにより、容易に有機基を脱離させることができ、親水性に変化し、接着性を発現するが、この非接着性と接着性との制御を容易かつ確実に行えるという利点を有する。
【００４６】
また、ポリオルガノシロキサンの中でも、特に、オクタメチルトリシロキサンの重合物を主成分とするものが好ましい。オクタメチルトリシロキサンの重合物を主成分とする接合膜３は、接着性に特に優れることから、本発明の半導体装置に対して特に好適に適用できるものである。また、オクタメチルトリシロキサンを主成分とする原料は、常温で液状をなし、適度な粘度を有するため、取り扱いが容易であるという利点もある。
【００４７】
また、接合膜３の平均厚さは、１〜１０００ｎｍ程度であるのが好ましく、２〜８００ｎｍ程度であるのがより好ましい。接合膜３の平均厚さを前記範囲内とすることにより、２つの半導体素子２１、２２間の寸法精度が著しく低下するのを防止しつつ、これらをより強固に接合することができる。
すなわち、接合膜３の平均厚さが前記下限値を下回った場合は、十分な接合強度が得られないおそれがある。一方、接合膜３の平均厚さが前記上限値を上回った場合は、２つの半導体素子２１、２２間の寸法精度が著しく低下するおそれがある。
【００４８】
さらに、接合膜３の平均厚さが前記範囲内であれば、接合膜３にある程度の形状追従性が確保される。このため、例えば、半導体素子の接合面（接合膜３に隣接する面）に凹凸が存在している場合でも、その凹凸の高さにもよるが、凹凸の形状に追従するように接合膜３を被着させることができる。その結果、接合膜３は、凹凸を吸収して、その表面に生じる凹凸の高さを緩和することができる。
なお、上記のような形状追従性の程度は、接合膜３の厚さが厚いほど顕著になる。したがって、形状追従性を十分に確保するためには、接合膜３の厚さをできるだけ厚くすればよい。
【００４９】
このような接合膜３は、いかなる方法で作製されたものでもよく、プラズマ重合法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法のような各種気相成膜法や、各種液相成膜法等により作製した膜にエネルギーを付与することによって作製することができるが、これらの中でも、エネルギー付与前の膜として、プラズマ重合法により作製された膜を用いるのが好ましい。プラズマ重合法によれば、最終的に、緻密で均質な接合膜３を効率よく作製することができる。これにより、２つの半導体素子２１、２２間の絶縁性をより高めるとともに、接合膜３の耐候性をより高めることができる。
【００５０】
また、プラズマ重合法で作製された接合膜３は、２つの半導体素子２１、２２間を特に強固に接合し得るものとなる。さらに、プラズマ重合法で作製され、エネルギーが付与される前の接合膜３は、エネルギーが付与されて活性化された状態が比較的長時間にわたって維持することができる。このため、半導体装置１の製造過程の簡素化、効率化を図ることができる。
【００５１】
以下、一例として、半導体素子２１上に、プラズマ重合法により、接合膜３を作製する方法、およびこの方法を含む半導体装置１を作製する方法（本発明の半導体素子の接合方法）について説明する。
図４および図５は、半導体装置の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下の説明では、図４および図５中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５２】
本実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、半導体素子２１の表面上に接合膜３を形成し、この接合膜３を介して２つの半導体素子２１、２２間を接合して積層素子２を得る工程と、この積層素子２を絶縁基板１０上に搭載する工程と、各半導体素子２１、２２と絶縁基板１０とをワイヤ７０で接続する工程と、積層素子２を封止部８０で封止する工程とを有する。
【００５３】
以下、各工程について順次説明する。
［１］まず、各半導体素子２１、２２を用意する。
次に、各半導体素子２１、２２を、接合膜３を介して接合する。以下、この接合方法について詳述する。
まず、半導体素子２１上に、プラズマ重合法により、接合膜３を形成する。プラズマ重合法は、例えば、強電界中に、原料ガスとキャリアガスとの混合ガスを供給することにより、原料ガス中の分子を重合させ、重合物を半導体素子２１上に堆積させ、膜を得る方法である。
【００５４】
以下、接合膜３をプラズマ重合法にて形成する方法について詳述するが、まず、接合膜３の形成方法を説明するのに先立って、半導体素子２１上にプラズマ重合法を行いて接合膜３を作製する際に用いるプラズマ重合装置について説明し、その後、接合膜３の形成方法について説明する。
図６は、本実施形態にかかる半導体装置が備える接合膜の作製に用いられるプラズマ重合装置を模式的に示す縦断面図である。なお、以下の説明では、図６中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
【００５５】
図６に示すプラズマ重合装置１００は、チャンバー１０１と、半導体素子２１を支持する第１の電極１３０と、第２の電極１４０と、各電極１３０、１４０間に高周波電圧を印加する電源回路１８０と、チャンバー１０１内にガスを供給するガス供給部１９０と、チャンバー１０１内のガスを排気する排気ポンプ１７０とを備えている。これらの各部のうち、第１の電極１３０および第２の電極１４０がチャンバー１０１内に設けられている。以下、各部について詳細に説明する。
【００５６】
チャンバー１０１は、内部の気密を保持し得る容器であり、内部を減圧（真空）状態にして使用されるため、内部と外部との圧力差に耐え得る耐圧性能を有するものとされる。
図６に示すチャンバー１０１は、軸線が水平方向に沿って配置されたほぼ円筒形をなすチャンバー本体と、チャンバー本体の左側開口部を封止する円形の側壁と、右側開口部を封止する円形の側壁とで構成されている。
【００５７】
チャンバー１０１の上方には供給口１０３が、下方には排気口１０４が、それぞれ設けられている。そして、供給口１０３にはガス供給部１９０が接続され、排気口１０４には排気ポンプ１７０が接続されている。
なお、本実施形態では、チャンバー１０１は、導電性の高い金属材料で構成されており、接地線１０２を介して電気的に接地されている。
【００５８】
第１の電極１３０は、板状をなしており、半導体素子２１を支持している。
この第１の電極１３０は、チャンバー１０１の側壁の内壁面に、鉛直方向に沿って設けられており、これにより、第１の電極１３０は、チャンバー１０１を介して電気的に接地されている。なお、第１の電極１３０は、図６に示すように、チャンバー本体と同心状に設けられている。
【００５９】
第１の電極１３０の半導体素子２１を支持する面には、静電チャック（吸着機構）１３９が設けられている。
この静電チャック１３９により、図６に示すように、半導体素子２１を鉛直方向に沿って支持することができる。また、半導体素子２１に多少の反りがあっても、静電チャック１３９に吸着させることにより、その反りを矯正した状態で半導体素子２１をプラズマ処理に供することができる。
【００６０】
第２の電極１４０は、半導体素子２１を介して、第１の電極１３０と対向して設けられている。なお、第２の電極１４０は、チャンバー１０１の側壁の内壁面から離間した（絶縁された）状態で設けられている。
この第２の電極１４０には、配線１８４を介して高周波電源１８２が接続されている。また、配線１８４の途中には、マッチングボックス（整合器）１８３が設けられている。これらの配線１８４、高周波電源１８２およびマッチングボックス１８３により、電源回路１８０が構成されている。
【００６１】
このような電源回路１８０によれば、第１の電極１３０は接地されているので、第１の電極１３０と第２の電極１４０との間に高周波電圧が印加される。これにより、第１の電極１３０と第２の電極１４０との間隙には、高い周波数で向きが反転する電界が誘起される。
ガス供給部１９０は、チャンバー１０１内に所定のガスを供給するものである。
【００６２】
図６に示すガス供給部１９０は、液状の膜材料（原料液）を貯留する貯液部１９１と、液状の膜材料を気化してガス状に変化させる気化装置１９２と、キャリアガスを貯留するガスボンベ１９３とを有している。また、これらの各部とチャンバー１０１の供給口１０３とが、それぞれ配管１９４で接続されており、ガス状の膜材料（原料ガス）とキャリアガスとの混合ガスを、供給口１０３からチャンバー１０１内に供給するように構成されている。
【００６３】
貯液部１９１に貯留される液状の膜材料は、プラズマ重合装置１００により、重合して半導体素子２１の表面に重合膜を形成する原材料となるものである。
このような液状の膜材料は、気化装置１９２により気化され、ガス状の膜材料（原料ガス）となってチャンバー１０１内に供給される。なお、原料ガスについては、後に詳述する。
【００６４】
ガスボンベ１９３に貯留されるキャリアガスは、電界の作用により放電し、およびこの放電を維持するために導入するガスである。このようなキャリアガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス等が挙げられる。
また、チャンバー１０１内の供給口１０３の近傍には、拡散板１９５が設けられている。
【００６５】
拡散板１９５は、チャンバー１０１内に供給される混合ガスの拡散を促進する機能を有する。これにより、混合ガスは、チャンバー１０１内に、ほぼ均一の濃度で分散することができる。
排気ポンプ１７０は、チャンバー１０１内を排気するものであり、例えば、油回転ポンプ、ターボ分子ポンプ等で構成される。このようにチャンバー１０１内を排気して減圧することにより、ガスを容易にプラズマ化することができる。また、大気雰囲気との接触による半導体素子２１の汚染・酸化等を防止するとともに、プラズマ処理による反応生成物をチャンバー１０１内から効果的に除去することができる。
また、排気口１０４には、チャンバー１０１内の圧力を調整する圧力制御機構１７１が設けられている。これにより、チャンバー１０１内の圧力が、ガス供給部１６０の動作状況に応じて、適宜設定される。
【００６６】
次に、半導体素子２１上に、接合膜３を形成する方法について説明する。
［１−１］まず、半導体素子２１をプラズマ重合装置１００のチャンバー１０１内に収納して封止状態とした後、排気ポンプ１７０の作動により、チャンバー１０１内を減圧状態とする。
次に、ガス供給部１９０を作動させ、チャンバー１０１内に原料ガスとキャリアガスの混合ガスを供給する。供給された混合ガスは、チャンバー１０１内に充填される。
【００６７】
ここで、混合ガス中における原料ガスの占める割合（混合比）は、原料ガスやキャリアガスの種類や目的とする成膜速度等によって若干異なるが、例えば、混合ガス中の原料ガスの割合を２０〜７０％程度に設定するのが好ましく、３０〜６０％程度に設定するのがより好ましい。これにより、重合膜の形成（成膜）の条件の最適化を図ることができる。
また、供給するガスの流量は、ガスの種類や目的とする成膜速度、膜厚等によって適宜決定され、特に限定されるものではないが、通常は、原料ガスおよびキャリアガスの流量を、それぞれ、１〜１００ｃｃｍ程度に設定するのが好ましく、１０〜６０ｃｃｍ程度に設定するのがより好ましい。
【００６８】
次いで、電源回路１８０を作動させ、一対の電極１３０、１４０間に高周波電圧を印加する。これにより、一対の電極１３０、１４０間に存在するガスの分子が電離し、プラズマが発生する。このプラズマのエネルギーにより原料ガス中の分子が重合し、重合物が半導体素子２１上に付着・堆積する。これにより、図４（ａ）に示すように、半導体素子２１上にプラズマ重合膜で構成された接合膜３が形成される。
【００６９】
原料ガスとしては、例えば、メチルシロキサン、オクタメチルトリシロキサン、デカメチルテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、メチルフェニルシロキサンのようなオルガノシロキサン等が挙げられる。
このような原料ガスを用いて得られるプラズマ重合膜、すなわち接合膜３は、これらの原料が重合してなるもの（重合物）、すなわちポリオルガノシロキサンで構成されることとなる。
【００７０】
プラズマ重合の際、一対の電極１３０、１４０間に印加する高周波の周波数は、特に限定されないが、１ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度であるのが好ましく、１０〜６０ＭＨｚ程度であるのがより好ましい。
また、高周波の出力密度は、特に限定されないが、０．０１〜１０Ｗ／ｃｍ２程度であるのが好ましく、０．１〜１Ｗ／ｃｍ２程度であるのがより好ましい。
【００７１】
また、成膜時のチャンバー１０１内の圧力は、１３３．３×１０−５〜１３３３Ｐａ（１×１０−５〜１０Ｔｏｒｒ）程度であるのが好ましく、１３３．３×１０−４〜１３３．３Ｐａ（１×１０−４〜１Ｔｏｒｒ）程度であるのがより好ましい。
原料ガス流量は、０．５〜２００ｓｃｃｍ程度であるのが好ましく、１〜１００ｓｃｃｍ程度であるのがより好ましい。一方、キャリアガス流量は、５〜７５０ｓｃｃｍ程度であるのが好ましく、１０〜５００ｓｃｃｍ程度であるのがより好ましい。
【００７２】
処理時間は、１〜１０分程度であるのが好ましく、４〜７分程度であるのがより好ましい。なお、成膜される接合膜３の厚さは、主に、この処理時間に比例する。したがって、この処理時間を調整することのみで、接合膜３の厚さを容易に調整することができる。このため、従来は、接着剤を用いて２つの半導体素子同士を接着した場合、接着剤の厚さを厳密に制御することができなかったが、接合膜３によれば、接合膜３の厚さを厳密に制御することができるので、最終的に、２つの半導体素子２１、２２間の距離を厳密に制御することができる。
【００７３】
また、半導体素子２１の温度は、２５℃以上であるのが好ましく、２５〜１００℃程度であるのがより好ましい。
以上のようにして、接合膜３を得ることができる。
なお、半導体素子２１の上面のうち、一部の領域に部分的に接合膜３を形成する場合、例えば、この領域に対応する形状の窓部を有するマスクを用い、このマスク上から接合膜３を成膜するようにすればよい。
【００７４】
［１−２］次に、半導体素子２１上に形成した接合膜３に対してエネルギーを付与する。
エネルギーが付与されると、接合膜３では、図２に示すように、脱離基３０３がＳｉ骨格３０１から脱離する。そして、脱離基３０３が脱離した後には、図３に示すように、接合膜３の表面および内部に活性手３０４が生じる。これにより、接合膜３の表面に、半導体素子２２に対する化学的結合に基づいた強固な接着性が発現する。
【００７５】
ここで、接合膜３に付与するエネルギーは、いかなる方法で付与されてもよく、例えば、（Ｉ）接合膜３にエネルギー線を照射する方法、（II）接合膜３を加熱する方法、（III）接合膜３に圧縮力を付与する（物理的エネルギーを付与する）方法が代表的に挙げられ、この他、プラズマに曝す（プラズマエネルギーを付与する）方法、オゾンガスに曝す（化学的エネルギーを付与する）方法等が挙げられる。
このうち、接合膜３にエネルギーを付与する方法として、特に、上記（Ｉ）、（II）、（III）の各方法のうち、少なくとも１つの方法を用いるのが好ましい。これらの方法は、接合膜３に対して比較的簡単に効率よくエネルギーを付与することができるので、エネルギー付与方法として好適である。
【００７６】
以下、上記（Ｉ）、（II）、（III）の各方法について詳述する。
（Ｉ）接合膜３にエネルギー線を照射する場合、エネルギー線としては、例えば、紫外線、レーザー光のような光、Ｘ線、γ線、電子線、イオンビームのような粒子線等、またはこれらのエネルギー線を組み合わせたものが挙げられる。
これらのエネルギー線の中でも、特に、波長１５０〜３００ｎｍ程度の紫外線を用いるのが好ましい（図４（ｂ）参照）。かかる紫外線によれば、付与されるエネルギー量が最適化されるので、接合膜３中のＳｉ骨格３０１が必要以上に破壊されるのを防止しつつ、Ｓｉ骨格３０１と脱離基３０３との間の結合を選択的に切断することができる。これにより、接合膜３の特性（機械的特性、化学的特性等）が低下するのを防止しつつ、接合膜３に接着性を確実に発現させることができる。
【００７７】
また、紫外線によれば、広い範囲をムラなく短時間に処理することができるので、脱離基３０３の脱離を効率よく行わせることができる。さらに、紫外線には、例えば、ＵＶランプ等の簡単な設備で発生させることができるという利点もある。
なお、紫外線の波長は、より好ましくは、１６０〜２００ｎｍ程度とされる。
また、ＵＶランプを用いる場合、その出力は、接合膜３の面積に応じて異なるが、１ｍＷ／ｃｍ２〜１Ｗ／ｃｍ２程度であるのが好ましく、５ｍＷ／ｃｍ２〜５０ｍＷ／ｃｍ２程度であるのがより好ましい。なお、この場合、ＵＶランプと接合膜３との離間距離は、３〜３０００ｍｍ程度とするのが好ましく、１０〜１０００ｍｍ程度とするのがより好ましい。
【００７８】
また、紫外線を照射する時間は、接合膜３の表面付近の脱離基３０３を脱離し得る程度の時間、すなわち、接合膜３の内部の脱離基３０３を多量に脱離させない程度の時間とするのが好ましい。具体的には、紫外線の光量、接合膜３の構成材料等に応じて若干異なるものの、０．５〜３０分程度であるのが好ましく、１〜１０分程度であるのがより好ましい。
【００７９】
また、紫外線は、時間的に連続して照射されてもよいが、間欠的（パルス状）に照射されてもよい。
一方、レーザー光としては、例えば、エキシマレーザー（フェムト秒レーザー）、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー、Ａｒレーザー、ＣＯ２レーザー、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等が挙げられる。
【００８０】
また、接合膜３に対するエネルギー線の照射は、いかなる雰囲気中で行うようにしてもよく、具体的には、大気、酸素のような酸化性ガス雰囲気、水素のような還元性ガス雰囲気、窒素、アルゴンのような不活性ガス雰囲気、またはこれらの雰囲気を減圧した減圧（真空）雰囲気等が挙げられるが、特に大気雰囲気中で行うのが好ましい。これにより、雰囲気を制御することに手間やコストをかける必要がなくなり、エネルギー線の照射をより簡単に行うことができる。
このように、エネルギー線を照射する方法によれば、接合膜３に対して選択的にエネルギーを付与することが容易に行えるため、例えば、エネルギーの付与による半導体素子２１の変質・劣化を防止することができる。
【００８１】
また、エネルギー線を照射する方法によれば、付与するエネルギーの大きさを、精度よく簡単に調整することができる。このため、接合膜３から脱離する脱離基３０３の脱離量を調整することが可能となる。このように脱離基３０３の脱離量を調整することにより、接合膜３と半導体素子２２との間の接合強度を容易に制御することができる。
すなわち、脱離基３０３の脱離量を多くすることにより、接合膜３の表面および内部に、より多くの活性手が生じるため、接合膜３に発現する接着性をより高めることができる。一方、脱離基３０３の脱離量を少なくすることにより、接合膜３の表面および内部に生じる活性手を少なくし、接合膜３に発現する接着性を抑えることができる。
なお、付与するエネルギーの大きさを調整するためには、例えば、エネルギー線の種類、エネルギー線の出力、エネルギー線の照射時間等の条件を調整すればよい。
さらに、エネルギー線を照射する方法によれば、短時間で大きなエネルギーを付与することができるので、エネルギーの付与をより効率よく行うことができる。
【００８２】
（II）接合膜３を加熱する場合（図示せず）、加熱温度を２５〜１００℃程度に設定するのが好ましく、５０〜１００℃程度に設定するのがより好ましい。かかる範囲の温度で加熱すれば、半導体素子２１等が熱によって変質・劣化するのを確実に防止しつつ、接合膜３を確実に活性化させることができる。
また、加熱時間は、接合膜３の分子結合を切断し得る程度の時間であればよく、具体的には、加熱温度が前記範囲内であれば、１〜３０分程度であるのが好ましい。
また、接合膜３は、いかなる方法で加熱されてもよいが、例えば、ヒータを用いる方法、赤外線を照射する方法、火炎に接触させる方法等の各種加熱方法で加熱することができる。
【００８３】
なお、半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率がほぼ等しい場合には、上記のような条件で接合膜３を加熱すればよいが、半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率が互いに異なっている場合には、後に詳述するが、できるだけ低温下で接合を行うのが好ましい。接合を低温下で行うことにより、接合界面に発生する熱応力のさらなる低減を図ることができる。
【００８４】
（III）本実施形態では、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせる前に、接合膜３に対してエネルギーを付与する場合について説明しているが、かかるエネルギーの付与は、半導体素子２１と半導体素子２２とを重ね合わせた後に行われるようにしてもよい。すなわち、半導体素子２１上に接合膜３を形成した後、エネルギーを付与する前に、接合膜３と半導体素子２２とが密着するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを重ね合わせて、仮接合体とする。そして、この仮接合体中の接合膜３に対してエネルギーを付与することにより、接合膜３に接着性が発現し、接合膜３を介して半導体素子２１と半導体素子２２とが接合（接着）される。
【００８５】
この場合、仮接合体中の接合膜３に対するエネルギーの付与は、前述した（Ｉ）、（II）の方法でもよいが、接合膜３に圧縮力を付与する方法を用いてもよい。
この場合、半導体素子２１と半導体素子２２とが互いに近づく方向に、０．２〜１０ＭＰａ程度の圧力で圧縮するのが好ましく、１〜５ＭＰａ程度の圧力で圧縮するのがより好ましい。これにより、単に圧縮するのみで、接合膜３に対して適度なエネルギーを簡単に付与することができ、接合膜３に十分な接着性が発現する。なお、この圧力が前記上限値を上回っても構わないが、半導体素子２１と半導体素子２２の各構成材料によっては、半導体素子２１と半導体素子２２に損傷等が生じるおそれがある。
また、圧縮力を付与する時間は、特に限定されないが、１０秒〜３０分程度であるのが好ましい。なお、圧縮力を付与する時間は、圧縮力の大きさに応じて適宜変更すればよい。具体的には、圧縮力の大きさが大きいほど、圧縮力を付与する時間を短くすることができる。
【００８６】
なお、仮接合体の状態では、半導体素子２１と半導体素子２２との間が接合されていないので、これらの相対的な位置を容易に調整する（ずらす）ことができる。したがって、一旦、仮接合体を得た後、半導体素子２１と半導体素子２２との相対位置を微調整することにより、最終的に得られる半導体装置１の組み立て精度（寸法精度）を確実に高めることができる。
以上のような（Ｉ）、（II）、（III）の各方法により、接合膜３にエネルギーを付与することができる。
【００８７】
なお、接合膜３の全面にエネルギーを付与するようにしてもよいが、一部の領域のみに付与するようにしてもよい。このようにすれば、接合膜３の接着性が発現する領域を制御することができ、この領域の面積・形状等を適宜調整することによって、接合界面に発生する応力の局所集中を緩和することができる。これにより、例えば、半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率差が大きい場合でも、これらを確実に接合することができる。
【００８８】
ここで、前述したように、エネルギーが付与される前の状態の接合膜３は、図２に示すように、Ｓｉ骨格３０１と脱離基３０３とを有している。かかる接合膜３にエネルギーが付与されると、脱離基３０３（本実施形態では、メチル基）がＳｉ骨格３０１から脱離する。これにより、図３に示すように、接合膜３の表面３５に活性手３０４が生じ、活性化される。その結果、接合膜３の表面に接着性が発現する。
【００８９】
ここで、接合膜３を「活性化させる」とは、接合膜３の表面３５および内部の脱離基３０３が脱離して、Ｓｉ骨格３０１において終端化されていない結合手（以下、「未結合手」または「ダングリングボンド」とも言う。）が生じた状態や、この未結合手が水酸基（ＯＨ基）によって終端化された状態、または、これらの状態が混在した状態のことを言う。
【００９０】
したがって、活性手３０４とは、未結合手（ダングリングボンド）、または未結合手が水酸基によって終端化されたもののことを言う。このような活性手３０４によれば、半導体素子２２に対して、特に強固な接合が可能となる。
なお、後者の状態（未結合手が水酸基によって終端化された状態）は、例えば、接合膜３に対して大気雰囲気中でエネルギー線を照射することにより、大気中の水分が未結合手を終端化することによって、容易に生成することができる。
【００９１】
［１−３］次に、図４（ｃ）に示すように、接着性が発現してなる接合膜３と半導体素子２２とが密着するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせる。これにより、図４（ｄ）に示すように、半導体素子２１と半導体素子２２とが、接合膜３を介して接合（接着）される。これにより、半導体素子２１と半導体素子２２とを積層してなる積層素子２が得られる。
【００９２】
ここで、上記のようにして接合される半導体素子２１と半導体素子２２の各熱膨張率は、ほぼ等しいのが好ましい。半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率がほぼ等しければ、これらを貼り合せた際に、その接合界面に熱膨張に伴う応力が発生し難くなる。その結果、最終的に得られる半導体装置１において、剥離等の不具合が発生するのを確実に防止することができる。
【００９３】
また、半導体素子２１と半導体素子２２の各熱膨張率が互いに異なる場合でも、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせる際の条件を以下のように最適化することにより、半導体素子２１と半導体素子２２とを高い寸法精度で強固に接合することができる。
すなわち、半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率が互いに異なっている場合には、できるだけ低温下で接合を行うのが好ましい。接合を低温下で行うことにより、接合界面に発生する熱応力のさらなる低減を図ることができる。
【００９４】
具体的には、半導体素子２１と半導体素子２２との熱膨張率差にもよるが、半導体素子２１と半導体素子２２の温度が２５〜５０℃程度である状態下で、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせるのが好ましく、２５〜４０℃程度である状態下で貼り合わせるのがより好ましい。このような温度範囲であれば、半導体素子２１と半導体素子２２の熱膨張率差がある程度大きくても、接合界面に発生する熱応力を十分に低減することができる。その結果、半導体装置１における反りや剥離等の発生を確実に防止することができる。
【００９５】
また、この場合、半導体素子２１と半導体素子２２との間の熱膨張係数の差が、５×１０−５／Ｋ以上あるような場合には、上記のようにして、できるだけ低温下で接合を行うことが特に推奨される。なお、接合膜３を用いることにより、上述したような低温下でも、半導体素子２１と半導体素子２２とを強固に接合することができる。
なお、半導体素子２１の接合膜３を成膜する領域には、あらかじめ、接合膜３との密着性を高める表面処理を施すのが好ましい。これにより、半導体素子２１と接合膜３との間の接合強度をより高めることができ、最終的には、半導体素子２１と半導体素子２２との接合強度を高めることができる。
【００９６】
かかる表面処理としては、例えば、スパッタリング処理、ブラスト処理のような物理的表面処理、酸素プラズマ、窒素プラズマ等を用いたプラズマ処理、コロナ放電処理、エッチング処理、電子線照射処理、紫外線照射処理、オゾン暴露処理のような化学的表面処理、または、これらを組み合わせた処理等が挙げられる。このような処理を施すことにより、半導体素子２１の接合膜３を成膜する領域を清浄化するとともに、該領域を活性化させることができる。
【００９７】
また、これらの各表面処理の中でもプラズマ処理を用いることにより、接合膜３を形成するために、半導体素子２１の表面を特に最適化することができる。
また、半導体素子２１の構成材料によっては、上記のような表面処理を施さなくても、接合膜３の接合強度が十分に高くなるものがある。このような効果が得られる半導体素子２１の構成材料としては、例えば、前述したような各種シリコン系材料、各種化合物半導体材料等を主材料とするものが挙げられる。
このような材料で構成された半導体素子２１は、その表面が酸化膜で覆われており、この酸化膜の表面には、比較的活性の高い水酸基が結合している。したがって、このような材料で構成された半導体素子２１を用いると、上記のような表面処理を施さなくても、半導体素子２１と接合膜３とを強固に密着させることができる。
【００９８】
また、半導体素子２１の接合膜３を成膜する領域に、以下の基や物質を有する場合には、上記のような表面処理を施さなくても、半導体素子２１と接合膜３との接合強度を十分に高くすることができる。
このような基や物質としては、例えば、水酸基、チオール基、カルボキシル基、アミノ基、ニトロ基、イミダゾール基のような官能基、ラジカル、開環分子、２重結合、３重結合のような不飽和結合、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉのようなハロゲン、過酸化物からなる群から選択される少なくとも１つの基または物質が挙げられる。
【００９９】
また、このようなものを有する表面が得られるように、上述したような各種表面処理を適宜選択して行うのが好ましい。
また、表面処理に代えて、半導体素子２１の少なくとも接合膜３を成膜する領域には、あらかじめ、中間層を形成しておくのが好ましい。
この中間層は、いかなる機能を有するものであってもよく、例えば、接合膜３との密着性を高める機能、クッション性（緩衝機能）、応力集中を緩和する機能等を有するものが好ましい。このような中間層を介して半導体素子２１上に接合膜３を成膜することにより、信頼性の高い接合体、すなわち半導体装置１を得ることができる。
【０１００】
かかる中間層の構成材料としては、例えば、シリコン酸化物のような酸化物系材料、シリコン窒化物のような窒化物系材料、シランカップリング剤、チオール系化合物、金属アルコキシド、金属−ハロゲン化合物のような自己組織化膜材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
また、これらの各材料で構成された中間層の中でも、酸化物系材料で構成された中間層によれば、半導体素子２１と接合膜３との間の接合強度を特に高めることができる。
【０１０１】
一方、半導体素子２２の接合膜３と接触する領域にも、あらかじめ、接合膜３との密着性を高める表面処理を施すのが好ましい。これにより、半導体素子２２と接合膜３との間の接合強度をより高めることができる。
なお、この表面処理には、半導体素子２１に対して施す前述したような表面処理と同様の処理を適用することができる。
【０１０２】
また、表面処理に代えて、半導体素子２２の接合膜３と接触する領域に、あらかじめ、接合膜３との密着性を高める機能を有する中間層を形成しておくのが好ましい。これにより、半導体素子２２と接合膜３との間の接合強度をより高めることができる。
かかる中間層の構成材料には、前述の半導体素子２１に形成する中間層の構成材料と同様のものを用いることができる。
【０１０３】
ここで、本工程において、接合膜３を備える半導体素子２１と半導体素子２２とが接合されるメカニズムについて説明する。
例えば、半導体素子２２の半導体素子２１との接合に供される領域に、水酸基が露出している場合を例に説明すると、本工程において、接合膜３と半導体素子２２とが接触するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせたとき、接合膜３の表面３５に存在する水酸基と、半導体素子２２の前記領域に存在する水酸基とが、水素結合によって互いに引き合い、水酸基同士の間に引力が発生する。この引力によって、接合膜３を備える半導体素子２１と半導体素子２２とが接合されると推察される。
【０１０４】
また、この水素結合によって互いに引き合う水酸基同士は、温度条件等によって、脱水縮合を伴って表面から切断される。その結果、接合膜３と半導体素子２２との接触界面では、水酸基が結合していた結合手同士が結合する。これにより、接合膜３を介して半導体素子２１と半導体素子２２とがより強固に接合されると推察される。
なお、前記工程［１−２］で活性化された接合膜３の表面は、その活性状態が経時的に緩和してしまう。このため、前記工程［１−２］の終了後、できるだけ早く本工程［１−３］を行うようにするのが好ましい。具体的には、前記工程［１−２］の終了後、６０分以内に本工程［１−３］を行うようにするのが好ましく、５分以内に行うのがより好ましい。かかる時間内であれば、接合膜３の表面が十分な活性状態を維持しているので、本工程で接合膜３を備える半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせたとき、これらの間に十分な接合強度を得ることができる。
このようにして接合された半導体素子２１と半導体素子２２との間は、その接合強度が５ＭＰａ（５０ｋｇｆ／ｃｍ２）以上であるのが好ましく、１０ＭＰａ（１００ｋｇｆ／ｃｍ２）以上であるのがより好ましい。このような接合強度であれば、接合界面の剥離を十分に防止し得るものとなる。そして、信頼性の高い半導体装置１が得られる。
【０１０５】
なお、積層素子２を得た後、この積層素子２に対して、必要に応じ、以下の２つの工程（［１−４Ａ］および［１−４Ｂ］）のうちの少なくとも１つの工程（積層素子２の接合強度を高める工程）を行うようにしてもよい。これにより、積層素子２の各部の接合強度のさらなる向上を図ることができる。
［１−４Ａ］得られた積層素子２を圧縮するように、すなわち各半導体素子２１、２２が互いに近づく方向に加圧する。
これにより、各半導体素子２１、２２の表面と隣接する接合膜３の表面とがより近接し、積層素子２における接合強度をより高めることができる。
【０１０６】
また、積層素子２を加圧することにより、積層素子２中の接合界面に残存していた隙間を押し潰して、接合面積をさらに広げることができる。これにより、積層素子２における接合強度をさらに高めることができる。
このとき、積層素子２を加圧する際の圧力は、積層素子２が損傷を受けない程度の圧力で、できるだけ高い方が好ましい。これにより、この圧力に比例して積層素子２における接合強度を高めることができる。
【０１０７】
なお、この圧力は、積層素子２の各部の構成材料や形状、接合装置等の条件に応じて、適宜調整すればよい。具体的には、上記条件に応じて若干異なるものの、０．２〜１０ＭＰａ程度であるのが好ましく、１〜５ＭＰａ程度であるのがより好ましい。これにより、積層素子２の接合強度を確実に高めることができる。なお、この圧力が前記上限値を上回っても構わないが、積層素子２の各部の構成材料によっては、積層素子２に損傷等が生じるおそれがある。
また、加圧する時間は、特に限定されないが、１０秒〜３０分程度であるのが好ましい。なお、加圧する時間は、加圧する際の圧力に応じて適宜変更すればよい。具体的には、積層素子２を加圧する際の圧力が高いほど、加圧する時間を短くしても、接合強度の向上を図ることができる。
【０１０８】
［１−４Ｂ］得られた積層素子２を加熱する。
これにより、積層素子２における接合強度をより高めることができる。
このとき、積層素子２を加熱する際の温度は、室温より高く、積層素子２の耐熱温度未満であれば、特に限定されないが、好ましくは２５〜１００℃程度とされ、より好ましくは５０〜１００℃程度とされる。かかる範囲の温度で加熱すれば、積層素子２が熱によって変質・劣化するのを確実に防止しつつ、接合強度を確実に高めることができる。
【０１０９】
また、加熱時間は、特に限定されないが、１〜３０分程度であるのが好ましい。
なお、前記工程［１−４Ａ］、［１−４Ｂ］の双方を行う場合、これらを同時に行うのが好ましい。すなわち、積層素子２を加圧しつつ、加熱するのが好ましい。これにより、加圧による効果と、加熱による効果とが相乗的に発揮され、積層素子２の接合強度を特に高めることができる。
以上のような工程を行うことにより、積層素子２における接合強度のさらなる向上を容易に図ることができる。
【０１１０】
［２］次に、図５（ｅ）に示すように、絶縁層４０、導電層５０およびハンダボール６０を備える絶縁基板１０上に積層素子２を搭載する。
［３］次に、図５（ｆ）に示すように、各半導体素子２１、２２と導電層５０とをワイヤ７０で接続する。これにより、各半導体素子２１、２２の集積回路とハンダボール６０とが、ワイヤ７０と導電層５０とを介して電気的に接続される。
【０１１１】
［４］次に、図５（ｇ）に示すように、絶縁基板１０上の積層素子２およびワイヤ７０を封止部８０で封止する。
以上のようにして図１に示す半導体装置１が得られる。
なお、上記では、半導体素子２１上に成膜された接合膜３と半導体素子２２とが密着するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせる場合について説明しているが、半導体素子２２の下面に成膜された接合膜３と半導体素子２１とが密着するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせるようにしてもよい。
【０１１２】
また、接合膜３は、以下のように半導体素子２１と半導体素子２２の双方に成膜されていてもよい。
図７は、本実施形態にかかる半導体装置の他の構成例を示す図である。なお、以下の説明では、図７中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
図７に示す半導体装置１では、半導体素子２１の上面に成膜された接合膜３と、半導体素子２２の下面に成膜された接合膜３１とが密着するように、半導体素子２１と半導体素子２２とを貼り合わせることにより、これらが接合（接着）されている。
【０１１３】
このような構成の半導体装置１によれば、各半導体素子２１、２２間をさらに強固に接合することができる。また、このような半導体装置１では、各半導体素子２１、２２の材質によらず、これらが特に強固に接合された信頼性の高い半導体装置１が得られる。
なお、この場合、接合膜に対するエネルギーの付与は、半導体素子２１の上面に成膜された接合膜３と、半導体素子２２の下面に成膜された接合膜３１の双方に対して行うようにすればよい。
【０１１４】
以上、本発明の半導体装置および半導体素子の接合方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
例えば、本発明の半導体素子の接合方法では、前記実施形態の構成に限定されず、任意の目的の工程が１または２以上追加されていてもよい。
また、本発明の半導体装置は、３枚以上の半導体素子を積層してなる積層素子を有していてもよい。この場合、複数の半導体素子間のうち、少なくとも１つが前記接合膜を介して接合されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の半導体装置の実施形態を説明するための図（縦断面図）である。
【図２】本発明の半導体装置が備える接合膜のエネルギー付与前の状態を示す部分拡大図である。
【図３】本発明の半導体装置が備える接合膜のエネルギー付与後の状態を示す部分拡大図である。
【図４】半導体装置の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。
【図５】半導体装置の製造方法を説明するための図（縦断面図）である。
【図６】本発明の半導体素子の接合方法に用いられるプラズマ重合装置を模式的に示す縦断面図である。
【図７】実施形態にかかる半導体装置の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１……半導体装置  １０……絶縁基板  １１……貫通孔  ２……積層素子  ２１、２２……半導体素子  ３、３１……接合膜  ３０１……Ｓｉ骨格  ３０２……シロキサン結合  ３０３……脱離基  ３０４……活性手  ３５……表面  ４０……絶縁層  ５０……導電層  ６０……ハンダボール  ７０……ワイヤ  ８０……封止部  １００……プラズマ重合装置  １０１……チャンバー  １０２……接地線  １０３……供給口  １０４……排気口  １３０……第１の電極  １３９……静電チャック  １４０……第２の電極  １７０……ポンプ  １７１……圧力制御機構  １８０……電源回路  １８２……高周波電源  １８３……マッチングボックス  １８４……配線  １９０……ガス供給部  １９１……貯液部  １９２……気化装置  １９３……ガスボンベ  １９４……配管  １９５……拡散板
【図１】
2009099811.tif 000003
【図２】
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【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】
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