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JP4759948B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、重金属等の不純物を除去するためのゲッタリング層を有する半導体チップおよびその製造方法に関する。
半導体装置の製造において、銅やニッケルなどによる重金属汚染はゲート絶縁膜破壊や素子の信頼性の劣化を招き、デバイスの歩留まりを低下させる原因の一つとなっている。この重金属汚染は、ウェハの表面にトランジスタ等を含む素子層を形成する工程(前工程)のみならず、ウェハをダイシングして半導体チップをパッケージに組み立てる工程(後工程)においても発生する。
重金属汚染を防止するためには、重金属を除去(ゲッタリング)するゲッタリング層をウェハ又は半導体チップの一部に予め形成しておくことが効果的である(例えば、特許文献1、2参照)。
特開2001−250957号公報 特開昭56−56660号公報
MCP(Multi Chip Package)のように複数の半導体チップを積層した構造のパッケージを用いる場合、デバイスを高集積化するためには、後工程において個々の半導体チップの厚みを薄くする必要がある。
そうすると、前工程においてウェハの内部や裏面に形成されていたゲッタリング層は消失若しくは薄膜化するため、後工程において重金属により素子層が汚染され、ゲート絶縁膜の不良などによりデバイスの歩留まりを低下させるという問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、後工程において重金属をゲッタリングできるように、半導体チップの裏面にゲッタリング層を形成するようにした半導体チップおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体チップは、表面に素子層が形成され裏面が下地部材に接合される半導体チップであって、前記裏面にゲッタリング層が形成されたことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体チップの製造方法は、半導体チップの裏面を機械的研磨又は研削してダメージ層を形成するか、又は、半導体チップの裏面にイオン注入してダメージ層を形成することにより、前記裏面にゲッタリング層を形成することを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
本発明によれば、後工程において重金属をゲッタリングできるように、半導体チップの裏面にゲッタリング層を形成するようにした半導体チップおよびその製造方法を得ることができる。
半導体装置の製造は、ウェハの表面にトランジスタ等を含む素子層を形成して、電気的測定を行うまでの工程(以下、これらの工程を「前工程」という)と、ダイシングによりウェハから半導体チップを切り出して、パッケージに組み立てるまでの工程(以下、これらの工程を「後工程」という)を経て完了する。このパッケージとしては様々な種類があるが、デバイスの高集積化のため、複数の半導体チップを積層してなるマルチチップパッケージ(Multi Chip Package;以下、「MCP」という)が広く用いられている。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態1.
本実施の形態では、表面にトランジスタ等を含む素子層が形成され、裏面がMCP基板などの下地部材に接合される半導体チップであって、裏面にゲッタリング層が形成された半導体チップおよびその製造方法について説明する。
まず、図示しないが、前工程において厚さ700〜750μmのウェハの表面にトランジスタ等を含む素子層(2〜3μm)を形成し、G/W(Good chip/Wafer)などの電気的測定を行う。
次に、ウェハの裏面(素子層が形成されている面と反対の面)を削り、ウェハの厚みが100μm以下、例えば90μm程度となるようにする。これにより、後に形成する半導体チップの厚みをMCPに対応させることができる。
そして、ダイシングによりウェハから半導体チップを切り出す。このとき、半導体チップの厚みは90μm程度となっている。
図1は、後工程においてダイシングによりウェハから半導体チップAを切り出した後の、半導体チップAの断面図である。半導体チップAの全体の厚みTは90μm程度である。半導体基板1の表面にトランジスタ等を含む素子層2が形成され、半導体チップAの裏面に重金属を捕捉するためのゲッタリング層3が形成されている。このゲッタリング層3は、機械的研磨、研削又はイオン注入により形成されたダメージ層の他に、多結晶シリコン膜又はシリコン窒化膜からなる薄膜であっても良い。
このように、表面にトランジスタ等を含む素子層2が形成され、裏面がMCP基板などの下地部材に接合される半導体チップAにおいて、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成するようにした。これにより、後工程において重金属をゲッタリングすることができる。
この後、図示しないが、複数の半導体チップAをMCPに組み立てる。このとき、半導体チップAの厚みを100μm以下としたので、MCPに対応させることができ、パッケージ全体の厚さを薄くすることができる。これにより、デバイスを高集積化することができる。
次に、図1に示したゲッタリング層3を形成する例として、半導体チップAの裏面にダメージ層を形成する例を示す。
例えば、二酸化シリコン(SiO)を成分とする数μmの砥粒からなるシリカ材を用いて、半導体チップAの裏面を機械的研磨して、図2に示すように半導体チップAの裏面に深さ2〜3μmの溝3bを形成する。
このようにして、半導体チップAの裏面に溝3bを有するダメージ層3a(ゲッタリング層)を形成することができる。これにより、凹凸形状が均一なゲッタリング層を形成することができる。
図3は、上記の方法により半導体チップA(図2参照)の裏面を研削した後の、半導体チップAの裏面の顕微鏡写真である。半導体チップAの裏面に線状の溝3bが形成されている。
また、図2に示したダメージ層3aは、ダイヤモンドホイール、サンドブラスト、ヤスリ、針などの研削器具を用いて研削して形成しても良い。また、レーザーやFIB(Focused Ion Beam)などにより形成しても良い。これにより、簡易な方法でダメージ層3aを形成することができる。
ここで、MCPを組み立てる前にウェハの裏面又は半導体チップの裏面を削り、厚みを薄くすると、前工程においてウェハの内部や裏面に予め形成されていたゲッタリング層は消失するか、薄くなるおそれがある。また、半導体チップの厚みが薄くなるほど、裏面からの金属汚染の影響を受けやすくなってしまう。
しかし、本実施の形態に示したように、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成することにより、半導体チップAの厚みが100μm以下となっても、後工程において重金属をゲッタリングすることができる。
次に、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成した場合と、形成しない場合とにおいて、MCPを組み立てた後のデバイス不良率(これが小さいほどデバイスの歩留まりが大きくなる)を比較した。
この結果、ゲッタリング層を形成しない場合はデバイス不良率が61%であるのに対し、ゲッタリング層3を形成した場合はデバイス不良率が0.7%程度に抑えられることが分かった。
これは、ゲッタリング層3により重金属汚染が抑えられ、ゲート絶縁膜などを介したリーク電流に起因するデバイス不良率を大きく低下させたためと考えられる。
以上説明したように、本実施の形態では、半導体チップAの裏面に形成されるゲッタリング層3を、ダメージ層3aとした。これにより、後工程において重金属をゲッタリングすることができる。従って、後工程における歩留まりを向上させることができる。
また、本実施の形態では、半導体チップAの裏面を、シリカ材を用いて機械的研磨してダメージ層3aを形成することにより、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成するようにした。これにより、凹凸形状が均一なゲッタリング層を形成することができる。
また、あるいは半導体チップAの裏面を、研削器具を用いて研削してダメージ層3aを形成することにより、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成するようにした。これにより、簡易な方法でゲッタリング層を形成することができる。
実施の形態2.
本実施の形態では、実施の形態1で説明したゲッタリング層3を形成する例として、ダメージ層をイオン注入により形成する例について説明する。
図4は、図1に示したゲッタリング層3として、半導体チップAの裏面にイオン注入によりダメージ層3cを形成した後の、半導体チップAの断面図である(図4では説明の便宜上、半導体チップAの裏面を上側とした)。
このダメージ層3cは、例えばAr、P、BFなどのイオン種を用いて、注入エネルギー50〜100KeV相当で、打ち込み量1×1013〜1×1014atoms/cmのイオン注入により形成することができる。
また、イオン注入の注入エネルギーや打ち込み量を調節することにより、結晶欠陥の密度を調節することも可能である。これにより、必要に応じてゲッタリング能力を向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態では、半導体チップAの裏面に形成されるゲッタリング層3を、半導体チップAの裏面にイオン注入により形成したダメージ層3cとした。これにより、実施の形態1で得られる効果に加えて、必要に応じてゲッタリング能力を向上させることができる。
また、本実施の形態では、半導体チップAの裏面にイオン注入してダメージ層3cを形成することにより、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成するようにした。このように形成することにより、イオン注入の注入エネルギーや打ち込み量の調節により必要に応じてゲッタリング能力を向上させたゲッタリング層を形成することができる。
実施の形態3.
本実施の形態では、実施の形態1で説明したゲッタリング層3を形成する例として、薄膜を形成する例について説明する。
図5は、図1に示したゲッタリング層3として、半導体チップAの裏面に薄膜3dを形成した後の、半導体チップAの断面図である。
薄膜3dとして、例えば350℃〜400℃程度の低温CVDにより多結晶シリコン膜又はシリコン窒化膜を形成する。これにより、トランジスタなどの特性に影響を与えずに簡易な方法でゲッタリング層を形成することができる。
また、薄膜3dの膜厚は1μm程度、例えば0.5〜1.5μmの範囲が好適である。これは、膜厚が0.5μmより薄いと重金属を十分にゲッタリングできないおそれがあり、1.5μmより厚いと膜応力によりボンディング不良など、後工程の不良を引き起こすおそれがあるためである。
このように、半導体チップAの裏面に薄膜3dを形成することにより、均一な厚さのゲッタリング層を形成することができる。これにより、重金属に対して均一で安定したゲッタリングをすることができる。
以上説明したように、本実施の形態では、半導体チップAの裏面に形成されるゲッタリング層3を、多結晶シリコン膜又はシリコン窒化膜からなる薄膜3dとした。これにより、実施の形態1で得られる効果に加えて、均一で安定したゲッタリングをすることができる。
また、本実施の形態では、半導体チップAの裏面に多結晶シリコン膜又はシリコン窒化膜からなる薄膜3dを形成することにより、半導体チップAの裏面にゲッタリング層3を形成するようにした。このように形成することにより、均一な厚さのゲッタリング層3を形成することができる。
実施の形態4.
本実施の形態では、表面にトランジスタ等を含む素子層が形成され、裏面がMCP基板などの下地部材に接合される半導体チップであって、前工程において素子層を形成する前に、予めウェハ内部に結晶欠陥が形成された半導体チップおよびその製造方法について説明する。
図6は、前工程においてウェハBの内部に結晶欠陥層4を形成した後、ウェハBの表面にエピタキシャル層5を成長させ、さらにその表面にトランジスタ等を含む素子層2を形成した後の、ウェハBの断面図である。ウェハBは、ボロンの添加により抵抗が10〜15mΩcm程度で、全体の厚みTが700〜750μm程度のP型シリコンウェハである。
次に、図6に示した結晶欠陥層4、エピタキシャル層5の形成方法について説明する。
まず、第一熱処理により、ウェハBの表面から深さT(50〜80μm程度)の位置に結晶欠陥層4を形成する。この第一熱処理は窒素ガスあるいはアルゴンガス雰囲気中で行い、500〜600℃で1時間〜2時間程度熱処理した後、900〜1000℃で2時間〜3時間程度の熱処理を行う2ステップとする。このとき、各ステップの温度や処理時間を調節して、ウェハBの内部に形成される結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるようにする。
次に、第二熱処理により、ウェハBの表面に厚さ5μm〜10μm程度のエピタキシャル層5を形成する。この第二熱処理は、SiH(モノシラン)と水素の混合ガス雰囲気中で行い、1100〜1150℃で10分程度の熱処理とする。これにより、ウェハBの表面に抵抗が2〜20mΩcmのエピタキシャル層5を形成する。さらに、その表面にトランジスタ等を含む厚さ2〜3μm程度の素子層2を形成する。
この後、図示しないが、ウェハBをダイシングして厚さ90μm程度の半導体チップを形成する。このとき、結晶欠陥層4は、ウェハBの表面から50〜80μm程度の位置に形成されているので、ダイシングした後においても、半導体チップの全体に含まれる結晶欠陥の密度は1×10個/cm以上となっている。
このように、最終的に形成される半導体チップの全体に含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるように、素子層を形成する前に予めウェハBの内部に結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となる結晶欠陥層を形成するようにした。
図7(a)は、前述の第一熱処理および第二熱処理を行ったウェハの顕微鏡写真である。一方、図7(b)はいずれの熱処理も行っていないウェハ(従来技術)の顕微鏡写真である。
両者の比較により、ウェハBの内部には熱処理により形成された凹凸を有する結晶欠陥層が形成されていることが分かる。また、図7(a)に示したウェハの結晶欠陥の密度は、5.1×10個/cmである。
ここで、上記第二熱処理によりエピタキシャル層5を形成する工程に置き換えて、1200〜1300℃程度のアルゴンもしくは水素雰囲気中で熱処理を行うことにより、ウェハBの表面に5〜20μmの無欠陥層(不図示)を形成するようにしても良い。
図8(a)は、前述の第一熱処理および上記無欠陥層を形成する熱処理を行ったウェハの結晶欠陥層の顕微鏡写真である。一方、図8(b)は、いずれの熱処理も行っていないウェハ(従来技術)の顕微鏡写真である。
両者の比較により、ウェハBの内部には熱処理により形成された凹凸を有する結晶欠陥層が形成されていることが分かる。また、図8(a)に示したウェハの結晶欠陥の密度は、4.5×10個/cmである。
このようにして、前工程においてウェハの内部で表面から50〜80μm程度の位置に、ウェハ全体に含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるように結晶欠陥層を形成する。これにより、このウェハをダイシングして、厚み100μm以下の半導体チップとした後においても、その半導体チップの全体に含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上の半導体チップを得ることができる。
この半導体チップを用いてMCPを組み立てた後のデバイス不良率は、半導体チップの裏面にゲッタリング層を形成した場合のデバイス不良率(0.5%)とほぼ同等であった。
これは、この半導体チップに含まれる結晶欠陥が後工程においてゲッタリング効果を有するためと考えられる。
また、本実施の形態では前工程において素子層を形成する前に、予めウェハ内部に結晶欠陥を形成して、最終的に形成される半導体チップに含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるようにした。これに加えて、この半導体チップの裏面に、実施の形態1〜3のいずれかで示した方法によりゲッタリング層を形成するようにしても良い。これにより、後工程におけるゲッタリング効果が向上するので、後工程におけるデバイスの歩留まりをさらに向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態では、ウェハBを熱処理してその内部の結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるように結晶欠陥層4を形成した後、素子層2を形成し、ウェハBをダイシングして結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上の半導体チップを形成するようにした。
このように形成して、半導体チップの内部に結晶欠陥層を含み、且つ、その半導体チップの全体に含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上となるようにした。
このように形成することによっても、後工程の歩留まりを向上させることができる。
実施の形態5.
本実施の形態では、MCPの組み立て工程において、複数の半導体チップを積層するとき、この工程におけるデバイスの歩留まりを向上させる方法について説明する。MCPは、パッケージの基板上に三つ以上の半導体チップを積層することが可能であるが、ここでは説明を簡略化するため、主に二つの半導体チップを積層する例について説明する。
図9は、厚みの異なる二つの半導体チップを積層してなるMCPの断面図である。半田ボール6の上にMCP基板7が固定され、MCPの内部全体に樹脂8が封入されている。そしてMCP基板7の上に接着層9を介して下部半導体チップ10が固定されている。さらにその上に、接着層9およびスペーサー11を介して上部半導体チップ12が積層されている。下部半導体チップ10および上部半導体チップ12には、それぞれ配線端子13a、13bが設けられ、これらは金線14a、14bにより、それぞれMCP基板7上の配線端子15a、15bと接続されている。
このとき、MCP基板7上の下部半導体チップの厚みが、その直上に積層された上部半導体チップの厚みよりも相対的に厚くなるように積層する。すなわち、図9に示したMCPにおいて、上部半導体チップ12の厚みをXμm、下部半導体チップ10の厚みをYμmとすると、X<Yとなるようにする。
なお、MCPにおいて三つ以上の半導体チップを積層する場合は、MCPの基板上に固定された半導体チップの厚みが、その直上に積層される半導体チップの厚みよりも相対的に厚くなるようにする。
上記方法により、厚みの異なる二つの半導体チップをMCPに組み立てる工程において、デバイス不良率を比較した。
図9において上部半導体チップ12の厚みX=150μm、下部半導体チップ10の厚みY=90μm(X>Y)とした場合、デバイス不良率は62.5%となった。これに対して、X=90μm、Y=150μm(X<Y)とした場合のデバイス不良率は、1.2%となり、デバイス不良率を大きく減少させることができる。
これは、下部半導体チップ厚みを上部半導体チップ厚みよりも相対的に厚くした方が、上部半導体チップが下部半導体チップに与える応力を緩和できるためと考えられる。これにより、MCPの組み立て工程におけるデバイスの歩留まりを向上させることができる。
また、図9に示したように、MCP基板7上の下部半導体チップ10と、その直上に積層された上部半導体チップ12との間に、スペーサー11(緩衝材)として、シリコン基板又は多結晶シリコン膜を積層するようにした。例えば、抵抗率が1〜100ΩcmとなるようにボロンなどのP型不純物を含んだP型シリコン基板や、リンなどのN型不純物を含んだN型シリコン基板などからなるダミーウェハを再生研磨して薄膜化したものを用いる。又は、抵抗率が1〜100Ωcmの多結晶シリコン膜を用いる。これにより、MCPの組み立て工程においてスペーサー11が重金属をゲッタリングできるので、この工程におけるデバイスの歩留まりをさらに向上させることができる。
なお、パッケージ全体を含めたデバイス高集積化のためには、MCP全体の厚さを薄くすることが好ましい。従って上記スペーサー11は薄く形成するのが好適である。ただし、薄くしすぎるとゲッタリング効果が小さくなるため、50〜100μm程度の膜厚で形成する。
また、スペーサー11は、下部半導体チップ10と上部半導体チップ12との緩衝材となるので、上部半導体チップ12が下部半導体チップ10に与える応力を緩和することができる。これにより、MCP組み立て工程におけるデバイスの歩留まりをさらに向上させることができる。
なお、MCPに搭載される半導体チップとして、実施の形態1〜4で示した、裏面にゲッタリング層を形成した半導体チップや、内部に含まれる結晶欠陥の密度が1×10個/cm以上である半導体チップを用いるようにしても良い。このような半導体チップを用いることにより、後工程におけるゲッタリング効果が向上するので、MCP組み立て工程におけるデバイスの歩留まりをさらに向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態では、MCP基板7上に複数の半導体チップを積層してなる半導体パッケージにおいて、MCP基板7上の下部半導体チップの厚みが、その直上に積層された上部半導体チップの厚みよりも相対的に厚くなるようにした。これにより、上部半導体チップが下部半導体チップに与える応力を緩和でき、MCPの組み立て工程において、デバイスの歩留まりを向上させることができる。
本発明の実施の形態1による半導体チップの断面図。 本発明の実施の形態1による半導体チップの断面図。 本発明の実施の形態1による半導体チップの裏面の顕微鏡写真。 本発明の実施の形態2による半導体チップの断面図。 本発明の実施の形態3による半導体チップの断面図。 本発明の実施の形態4によるウェハの断面図。 本発明の実施の形態4によるウェハの結晶欠陥の顕微鏡写真。 本発明の実施の形態4によるウェハの結晶欠陥の顕微鏡写真。 本発明の実施の形態5によるMCPの断面図。
符号の説明
1 半導体基板、2 素子層、3 ゲッタリング層、3a ダメージ層、3c ダメージ層、3d 薄膜、4 結晶欠陥層、5 エピタキシャル層、7 MCP基板、10 下部半導体チップ、11 スペーサー(緩衝材)、12 上部半導体チップ、A 半導体チップ、B ウェハ。

Claims (6)

  1. 半導体ウェハの主面にトランジスタを含む素子層を形成する工程と、
    前記半導体ウェハをダイシングして第一半導体チップを形成する工程と、
    前記第一半導体チップの裏面を機械的研磨して前記第一半導体チップの裏面にゲッタリング層を形成する工程と、
    パッケージ基板と、前記パッケージ基板上に配置された第二半導体チップと、前記第二半導体チップ上に配置された前記第一半導体チップとを有する半導体装置を組み立てる工程とを有し、
    前記半導体装置は前記ゲッタリング層を有し、
    前記機械的研磨を実行することにより、前記ゲッタリング層に3〜4μmの深さの線形状の溝が複数形成され、
    前記第一半導体チップの厚さが前記第二半導体チップの厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体装置は前記第一半導体チップと前記第二半導体チップとの間にスペーサと、前記第一半導体チップ、前記第二半導体チップ及び前記パッケージ基板の主面を覆うレジンとを更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の製造方法。
  3. 前記スペーサはシリコン基板又は多結晶シリコン膜のうちのいずれかであり、
    第二半導体チップの裏面にゲッタリング層が形成されており、
    前記機械的研磨はシリカ材を用いて実施され、
    前記パッケージ基板と前記第一半導体チップとを電気的に接続する第一ワイヤと、前記パッケージ基板と前記第二半導体チップとを電気的に接続する第二ワイヤとを前記半導体装置が更に有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 半導体ウェハの主面にトランジスタを含む素子層を形成する工程と、
    前記半導体ウェハをダイシングして第一半導体チップを形成する工程と、
    前記第一半導体チップの裏面を機械的研磨して前記第一半導体チップの裏面にゲッタリング層を形成する工程と、
    パッケージ基板と、前記パッケージ基板上に配置された第二半導体チップと、前記第二半導体チップ上に配置されたスペーサと、前記スペーサ上に配置された前記第一半導体チップとを有する半導体装置を組み立てる工程とを有し、
    前記半導体装置は前記ゲッタリング層を有し、
    前記機械的研磨を実行することにより、前記ゲッタリング層に3〜4μmの深さの線形状の溝が複数形成されている特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 前記第一半導体チップ、前記第二半導体チップ及び前記パッケージ基板の主面を覆うレジンを更に有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記スペーサはシリコン基板又は多結晶シリコン膜のうちのいずれかであり、
    前記機械的研磨はシリカ材を用いて実施され、
    第二半導体チップの裏面にゲッタリング層が形成されており、
    前記パッケージ基板と前記第一半導体チップとを電気的に接続する第一ワイヤと、前記パッケージ基板と前記第二半導体チップとを電気的に接続する第二ワイヤとを前記半導体装置が更に有することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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