半导体装置及其制造方法与流程

本申请享有以日本专利申请2015-174753号(申请日：2015年9月4日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种半导体装置及其制造方法。

背景技术：

有半导体芯片具备被称为TSV(Through Silicon Via，硅穿孔)电极的贯通电极的情况。TSV电极包含形成在衬底的正面侧的正面电极、及形成在衬底的背面侧的背面电极。在衬底的正面侧形成着晶体管或多层配线。正面电极介隔多层配线而形成在衬底的正面侧，背面电极是以在衬底的背面侧与衬底内到达多层配线的方式形成。

在将具备TSV电极的半导体芯片彼此电连接的情况下，将一个芯片积层在另一芯片上，且将一个芯片的背面电极与另一芯片的正面电极接合。然而，在该情况下，有难以使这些芯片间的距离充分短的问题。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供一种能够缩短将半导体芯片彼此积层的情况下的半导体芯片间的距离的半导体装置及其制造方法。

根据一实施方式，半导体装置具备：衬底；第1电极，设置在所述衬底的上表面侧；以及第2电极，设置在所述衬底的下表面侧，且与所述第1电极电连接。所述装置还具备：第1光阻剂层，以包围所述第1电极的方式设置在所述衬底的所述上表面侧，且与所述第1电极隔开；以及第2光阻剂层，设置在所述衬底的所述下表面侧。

附图说明

图1是表示第1实施方式的半导体装置的构造的剖视图。

图2及图3是表示第1实施方式的半导体芯片的连接方法的剖视图。

图4(a)及(b)、图5(a)及(b)是表示第1实施方式的半导体装置的背面侧的构造的俯视图。

图6(a)～(c)是表示第1实施方式的半导体装置的正面侧的构造的俯视图。

图7是表示第1实施方式的比较例的半导体装置的构造的剖视图。

图8及图9是表示第1实施方式的比较例的半导体芯片的连接方法的剖视图。

图10(a)及(b)、图11(a)及(b)、图12(a)及(b)、图13(a)及(b)、图14(a)及(b)是表示第1实施方式的半导体装置的制造方法的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1是表示第1实施方式的半导体装置的构造的剖视图。图1表示一个半导体芯片的截面。

图1的半导体装置具备衬底1、第1绝缘膜2、层间绝缘膜3、配线部4、正面电极(正面凸块)5、第2绝缘膜6、背面电极(背面凸块)7、正面光阻剂层8及背面光阻剂层9。正面电极5与背面电极7是第1及第2电极的示例。正面光阻剂层8与背面光阻剂层9是第1及第2光阻剂层的示例。

衬底1的示例为硅衬底等半导体衬底。符号S₁表示衬底1的正面(上表面)。符号S₂表示衬底1的背面(下表面)。符号S₃表示设置在衬底1的正面S₁与背面S₂之间的贯通孔H的侧面。图1表示与衬底1的正面S₁或背面S₂平行且相互垂直的X方向及Y方向、以及与衬底1的正面S₁及背面S₂垂直的Z方向。在本说明书中，将+Z方向视作上方向，将-Z方向视作下方向。本实施方式的-Z方向既可以与重力方向一致，也可以不与重力方向一致。衬底1的厚度例如为33μm。

第1绝缘膜2形成在衬底1的正面S₁。第1绝缘膜2是以包围贯通孔H的方式形成。第1绝缘膜2的示例为氧化硅膜或氮化硅膜。

层间绝缘膜3介隔第1绝缘膜2而形成在衬底1的正面S₁。层间绝缘膜3的示例为氧化硅膜或氮化硅膜。

配线部4包含多层配线、及将这些配线彼此连接的插塞。配线部4介隔第1绝缘膜 2而形成在衬底1的正面S₁，且由层间绝缘膜3覆盖。配线部4的示例为各种金属层。

正面电极5形成在衬底1的正面S₁侧。正面电极5介隔层间绝缘膜3而形成在配线部4上，且电连接在配线部4。符号F₃表示正面电极5的上表面。正面电极5的上表面F₃具有在形成正面电极5时所形成的凹部B。符号T₃表示层间绝缘膜3的上表面上的正面电极5的厚度。厚度T₃例如为3μm。符号α表示正面电极5的外周。

正面电极5依序包含第1电极层5a、第2电极层5b、第3电极层5c及第4电极层5d。第1电极层5a的示例为钛(Ti)层。第2电极层5b的示例为铜(Cu)层。第3电极层5c的示例为镍(Ni)层。第4电极层5d的示例为金(Au)层。本实施方式的第1及第2电极层5a、5b作为障壁金属层而发挥功能。

第2绝缘膜6形成在衬底1的背面S₂与衬底1的贯通孔H的侧面S₃。第2绝缘膜6的示例为氧化硅膜或氮化硅膜。

背面电极7形成在衬底1的背面S₂侧。背面电极7介隔第2绝缘膜6而形成在衬底1的背面S₂侧与衬底1的贯通孔H内，且电连接在配线部4。其结果，正面电极5与背面电极7电连接，而形成TSV电极(贯通电极)。符号V表示在形成背面电极7时所形成的孔隙。

背面电极7依序包含第1电极层7a、第2电极层7b、第3电极层7c及第4电极层7d。第1电极层7a的示例为钛(Ti)层。第2电极层7b的示例为铜(Cu)层。第3电极层7c的示例为镍(Ni)层。第4电极层7d的示例为Sn-Cu(锡-铜)合金层。本实施方式的第1及第2电极层7a、7b作为障壁金属层而发挥功能。本实施方式的第4电极层7d是用来将正面电极5与背面电极7接合的焊料层(镀敷层)。

正面光阻剂层8是以包围正面电极5的方式形成在衬底1的正面S₁侧，且与正面电极5隔开。正面光阻剂层8具有包围正面电极5的内周α的外周β。正面光阻剂层8的示例为用于抑制半导体芯片的积层损坏的酚系树脂。正面光阻剂层8与正面电极5同样地，介隔层间绝缘膜3而形成在衬底1的正面S₁侧。符号F₁表示正面光阻剂层8的上表面。符号T₁表示正面光阻剂层8的厚度。厚度T₁例如为5μm。

在本实施方式中，将正面电极5的厚度T₃设定得薄于正面光阻剂层8的厚度T₁。因此，正面电极5的上表面F₃的高度低于正面光阻剂层8的上表面F₁的高度。

背面光阻剂层9形成在衬底1的背面S₂侧，且与背面电极7隔开。背面光阻剂层9的示例为具有粘附功能及感光性的酚醛系树脂。背面光阻剂层9与背面电极7同样地，介隔第2绝缘膜6而形成在衬底1的背面S₂侧。符号F₂表示背面光阻剂层9的下表面。符号T₂表示背面光阻剂层9的厚度。

在本实施方式中，将正面光阻剂层8从正面电极5附近去除，使正面光阻剂层8与正面电极5隔开。符号K表示已去除正面光阻剂层8的区域。因此，在本实施方式中，能够使正面电极5的上表面F₃的高度低于正面光阻剂层8的上表面F₁的高度。由此，也能够使背面光阻剂层9的厚度T₂变薄。因此，根据本实施方式，在将具有图1的构造的半导体芯片彼此积层时，能够一边利用正面光阻剂层8抑制半导体芯片的积层损坏，一边缩短半导体芯片间的距离。

图2与图3是表示第1实施方式的半导体芯片的连接方法的剖视图。

图2与图3表示具有图1的构造的半导体芯片C₁～C₃。但，图2表示连接前的半导体芯片C₁～C₃，图3表示连接后的半导体芯片C₁～C₃。

在将半导体芯片C₁、C₂电连接时，将半导体芯片C₂积层在半导体芯片C₁上(图3)。此时，以半导体芯片C₂的背面电极7与半导体芯片C₁的正面电极5相接，且半导体芯片C₂的背面光阻剂层9与半导体芯片C₁的正面光阻剂层8相接的方式，将半导体芯片C₂积层在半导体芯片C₁上。

然后，利用第4电极层7d(焊料层)将半导体芯片C₂的背面电极7与半导体芯片C₁的正面电极5接合。另外，利用背面光阻剂层9的粘附功能将半导体芯片C₂的背面光阻剂层9与半导体芯片C₁的正面光阻剂层8粘附。这样一来，将半导体芯片C₁、C₂电连接。在该情况下，半导体芯片C₁为第1芯片的示例，半导体芯片C₂为第2芯片的示例。

同样地，在将半导体芯片C₂、C₃电连接时，将半导体芯片C₃积层在半导体芯片C₂上(图3)。在该情况下，半导体芯片C₂为第1芯片的示例，半导体芯片C₃为第2芯片的示例。

相邻的半导体芯片间的距离取决于各芯片的正面光阻剂层8与背面光阻剂层9的合计厚度T₁+T₂。如果各芯片的正面电极5的厚度T₃变厚，则该合计厚度T₁+T₂必须随之变厚。然而，根据本实施方式，由于能够使各芯片的正面电极5的厚度T₃变薄，所以能够使该合计厚度T₁+T₂变薄。由此，能够缩短相邻的半导体芯片间的距离。

在本实施方式中，通过将半导体芯片C₁、C₂电连接且将半导体芯片C₂、C₃电连接，能够制作具备半导体芯片C₁～C₃的半导体装置(半导体模块)。此外，形成半导体模块的半导体芯片的个数也可以为三个以外的数量。根据本实施方式，通过缩短相邻的半导体芯片间的距离，能够使半导体模块的封装的厚度变薄，或使形成半导体模块的半导体芯片的个数增加。

此外，理想的是，各芯片的正面电极5是以凹部B变小且变浅的方式形成。原因在 于，如果凹部B大且深，那么在接合后的正面电极5与背面电极7之间形成间隙的可能性提高。

图4与图5是表示第1实施方式的半导体装置的背面S₂侧的构造的俯视图。

图4(a)表示图1的半导体芯片的衬底1的背面S₂。符号L₁表示半导体芯片的X方向的长度。长度L₁例如为12mm。符号L₂表示半导体芯片的Y方向的长度。长度L₂例如为15mm。

图4(b)是图4(a)的区域R₁的放大图。图4(b)表示形成在衬底1的背面S₂侧的多个背面电极7与多个背面光阻剂层9。

图5(a)与图5(b)是图4(b)的区域R₂、R₃的放大图。如图5(a)与图5(b)所示，本实施方式的各背面电极7与各背面光阻剂层9具有圆形的俯视形状。各背面电极7的直径例如为20μm。各背面光阻剂层9的直径例如为40～160μm。

图6是表示第1实施方式的半导体装置的正面S₁侧的构造的俯视图。

图6(a)表示图1的半导体芯片的正面S₁侧的构造的一例。图6(a)表示形成在衬底1的正面S₁侧的多个正面电极5、及包围这些正面电极5的正面光阻剂层8。这些正面电极5的外周α与正面光阻剂层8的内周β具有圆形的俯视形状。

符号D₁表示各正面电极5的外周α的直径。符号D₂表示正面光阻剂层8的各内周β的直径。在本实施方式中，将直径D₂设定得大于直径D₁，其结果，各正面电极5与正面光阻剂层8隔开。直径D₁例如为20μm。直径D₂例如为25μm。直径D₁为第1直径的示例，直径D₂为第2直径的示例。

图6(b)表示图1的半导体芯片的正面S₁侧的构造的另一示例。如图6(b)所示，正面光阻剂层8的各内周β的俯视形状也可以为圆形以外的形状。

图6(c)表示图1的半导体芯片的正面S₁侧的构造的另一示例。在图6(a)与图6(b)中，正面光阻剂层8的一个内周β仅包围一个正面电极5。另一方面，在图6(c)中，正面光阻剂层8的一个内周β包围多个正面电极5。这样一来，一个内周β内的正面电极5的个数也可以为任意。

[第1实施方式的比较例的半导体装置]

图7是表示第1实施方式的比较例的半导体装置的构造的剖视图。

本比较例的正面电极5介隔正面光阻剂层8而形成在配线部4上。因此，正面电极5的厚度T₃厚于正面光阻剂层8的厚度T₁，正面电极5的上表面F₃的高度高于正面光阻剂层8的上表面F₁的高度。因此，在本比较例中，背面光阻剂层9的厚度T₂也必须变厚。

图8与图9是表示第1实施方式的比较例的半导体芯片的连接方法的剖视图。

图8与图9表示具有图7的构造的半导体芯片C₁～C₃。但，图8表示连接前的半导体芯片C₁～C₃，图9表示连接后的半导体芯片C₁～C₃。

在将半导体芯片C₁、C₂电连接时，将半导体芯片C₂积层在半导体芯片C₁上(图9)。另外，在将半导体芯片C₂、C₃电连接时，将半导体芯片C₃积层在半导体芯片C₂上(图9)。

相邻的半导体芯片间的距离取决于各芯片的正面光阻剂层8与背面光阻剂层9的合计厚度T₁+T₂。如果各芯片的正面电极5的厚度T₃变厚，那么该合计厚度T₁+T₂必须随之变厚。如上所述，在本比较例中各芯片的正面电极5的厚度T₃厚，所以不易使该合计厚度T₁+T₂变薄。因此，相邻的半导体芯片间的距离会变长。

另一方面，根据本实施方式，由于能够使各芯片的正面电极5的厚度T₃变薄，所以能够使合计厚度T₁+T₂变薄。由此，能够缩短相邻的半导体芯片间的距离。

[第1实施方式的半导体装置的制造方法]

图10～图14是表示第1实施方式的半导体装置的制造方法的剖视图。

首先，在衬底1的正面S₁形成第1绝缘膜2、层间绝缘膜3及配线部4之后，在层间绝缘膜3形成到达配线部4的上表面的开口部E(图10(a))。

接下来，在配线部4上形成正面电极5(图10(b))。正面电极5例如是通过在层间绝缘膜3及配线部4上依序形成第1～第4电极层5a～5d，并利用蚀刻对第1～第4电极层5a～5d进行加工而形成。此时，有在正面电极5的上表面F₃形成凹部B的情况。

接下来，在层间绝缘膜3及正面电极5上形成正面光阻剂层8(图11(a))。正面光阻剂层8是以覆盖正面电极5的上表面F₃的方式形成。其结果，正面电极5的上表面F₃的高度低于正面光阻剂层8的上表面F₁的高度。

接下来，通过光刻及蚀刻而去除正面电极5附近的正面光阻剂层8(图11(b))。其结果，正面光阻剂层8被加工成包围正面电极5且与正面电极5隔开的形状。正面电极5的外周α或正面光阻剂层8的内周β的俯视形状例如为圆形。

接下来，切削衬底1的背面S₂，而使衬底1薄膜化(图12(a))。

接下来，通过光刻及蚀刻而在衬底1的背面S₂形成贯通孔H(图12(b))。衬底1的背面S₂的贯通孔H的直径例如为10μm。衬底1的正面S₁的贯通孔H的直径例如为8 μm。

接下来，在衬底1的背面S₂、贯通孔H的侧面S₃及贯通孔H的底面形成第2绝缘膜6(图13(a))。进而，通过蚀刻而从贯通孔H的底面去除第2绝缘膜6(图13(a))。进而，在衬底1的背面S₂、贯通孔H的侧面S₃及贯通孔H的底面，介隔第2绝缘膜6而依序 形成第1及第2电极层7a、7b(图13(a))。

接下来，通过光刻及蚀刻而在衬底1的背面S₂侧形成光阻剂层10(图13(b))。

接下来，将光阻剂层10用作掩模，在衬底1的背面S₂及衬底1的贯通孔H内形成第3电极层7c(图14(a))。此时，有在第3电极层7c内形成孔隙V的情况。进而，在去除光阻剂层10之后，将第3电极层7c用作掩模，通过蚀刻对第1及第2电极层7a、7b进行加工(图14(a))。

接下来，通过光刻及蚀刻而在衬底1的背面S₂侧形成背面光阻剂层9(图14(b))。进而，在第3电极层7c的下表面形成第4电极层7d(图14(b))。其结果，在衬底1的背面S₂侧及衬底1的贯通孔H内形成背面电极7。背面电极7是以电连接在配线部4的方式形成。由此，背面电极7经由配线部4而电连接在正面电极5，从而形成包含正面电极5及背面电极7的TSV电极。

以这种方式制造图1的半导体芯片。之后，使用具有图1的构造的多个半导体芯片来制造图3的半导体模块。

如上所述，本实施方式的正面光阻剂层8是以包围正面电极5且与正面电极5隔开的方式形成在衬底1的正面S₁侧。因此，根据本实施方式，在将具有图1的构造的半导体芯片彼此积层的情况下，能够缩短半导体芯片间的距离。

以上，对若干个实施方式进行了说明，但这些实施方式仅作为示例而提出，并非意图限定发明的范围。本说明书中所说明的新颖的装置及方法能够以其他各种方式实施。另外，能够在不脱离发明的主旨的范围内，对本说明书中所说明的装置及方法的方式进行各种省略、置换、变更。意图使随附的权利要求书的范围及与其均等的范围包含发明的范围或主旨中所包含的这种方式或变化例。

[符号的说明]

1 衬底

2 第1绝缘膜

3 层间绝缘膜

4 配线部

5 正面电极

5a 第1电极层

5b 第2电极层

5c 第3电极层

5d 第4电极层

6 第2绝缘膜

7 背面电极

7a 第1电极层

7b 第2电极层

7c 第3电极层

7d 第4电极层

8 正面光阻剂层

9 背面光阻剂层

10 光阻剂层