JP4271625B2 - 半導体パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、機能素子を有し表裏を繋ぐ貫通電極を有する半導体パッケージの封止構造及びその製造方法に関するものである。

従来、半導体受光センサー等の機能素子の実装には、セラミック、樹脂などで形成された封止容器内部に収納、封止する方法が広く用いられてきた。図５にその一例を示す（例えば、特許文献１参照。）。
図に示す半導体パッケージ４０は、半導体基板４１、貫通電極４５ｂ、封止材４７及びキャップ基板４６から構成されている。半導体基板４１の上には集光効率を向上させるためのマイクロレンズ４４ｂを備えた受光素子４４ａが形成されていて、配線４４ｃ及び貫通電極４５ｂを通して半導体パッケージ４０の外部に通じている。
ガラス板などの光透過性保護部材４６は、受光センサー４４ａ及びマイクロレンズ４４ｂには触れないように間隙を保って、封止材４７を介して半導体基板４１の上に接着固定されている。また封止材４７は、受光センサー４４ａの周囲を切れ目なく囲い、かつ、受光センサー４４ａを覆わず、そして保護部材４６が受光センサー４４ａ及びマイクロレンズ４４ｂに接しないように、塗布後硬化させている。この封止材４７は前述のように光透過性保護部材４６を固定して、受光センサー４４ａやマイクロレンズ４４ｂを機械的に保護すると共に、受光センサー４４ａやマイク４レンズ４４ｂを周囲の雰囲気から遮断する機能も持つ。
特開２００１−３５１９９７号公報

このような半導体パッケージは、以下のような手順で製造される。すなわち、
先ず半導体基板４１に、受光センサー４４ａ、図示省略の受光センサー４４ａ用の駆動回路や出力の処理回路、配線回路４４ｃなどを通常の半導体形成手段により形成する。
次に、半導体基板４１の配線回路部に非貫通の深孔を異方性エッチングなどにより穿ち、深孔内面に図示省略の絶縁層と、配線回路部４４ｃに接続する導電層からなる貫通電極４５ｂを堆積する。
次いで、個々の受光センサー４４ａの周囲を切れ目なく囲み、かつ、これを覆わないように封止材４７をスクリーン印刷法、ディスペンス法などの手段により半導体基板の片方の面に塗布する。
次に、半導体基板とほぼ同じ平面寸法を有する光透過性保護部材４６を圧着し、封止材４７に熱や紫外線などを作用させて封止材４７を硬化させる。
次いで、半導体基板４１の裏面側から先に形成した貫通電極４５ｂが露出するまでエッチングを行う。
最後に、所定の寸法にダイシングして多数の半導体パッケージ４０を取得する。

このようにして得られた半導体パッケージの周囲の側面には、半導体基板４１と光透過性保護部材４６を接合する封止材４７が露出している。封止材４７としては一般に合成樹脂が用いられるため、材質によっては気密性、耐湿性、あるいは耐薬品性等が必ずしも充分とは言えない。そのため、半導体素子の安定した動作と長寿命が得られないという問題がある。
本発明は、素子の安定した動作と長寿命を確保するために、高性能の気密性や耐湿性、あるいは耐薬品性を具備した半導体パッケージ構造を得ることを一つの目的とする。
本発明のもう一つの目的は、このような気密性や耐湿性、あるいは耐薬品性を具備した半導体パッケージ構造を、大幅な工程増加を来すことなく得るための製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の半導体パッケージの一つは、半導体基材と、該半導体基材の一方の面側に配置された機能素子及び該機能素子に第１の配線を介して電気的に接続されたパッドと、該パッドと電気的に接続され前記半導体基材の一方の面から他方の面に至る微細孔内に絶縁膜Ａを介して第１の導電体を形成してなる貫通電極とを少なくとも備えてなる第１の基板、及び前記機能素子の周囲に配置された封止材を用いて、前記第１の基板の一方の面と接合されてなる第２の基板からなる半導体パッケージであって、前記絶縁膜Ａは、前記半導体基材の他方の面に配置される絶縁膜Ｂ、前記半導体基材の外側面に配置される絶縁膜Ｃ及び前記封止材の外側面に配置される絶縁膜Ｄとを具備してなり、前記絶縁膜Ａは、前記半導体基材の他方の面に配置される絶縁膜Ｂ、前記半導体基材の外側面に配置される絶縁膜Ｃ及び前記封止材の外側面に配置される絶縁膜Ｄと一体化されている半導体パッケージとした。
このような構造の半導体パッケージとすれば、パッケージ側面に封止材が露出することがなく、遮蔽効果の高い絶縁物で覆われているので気密性、耐湿性、あるいは耐薬品性等が向上したものとなる。

また、前記パッケージ外側面の絶縁膜の表面を、さらに導電体で被覆したものとすることができる。
各絶縁膜を一体化することにより、絶縁性能が高まる利点がある。また、導電体で被覆することにより、気密性、耐湿性、あるいは耐薬品性等が一層向上したものとなる。

本発明の半導体パッケージの製造方法の一つは、半導体基材の一面に機能素子、第１の配線及びパッドを設けてなる第１の基板に対して、第２の基板を機能素子が内側になるようにして封止材を用いて接合する工程と、前記半導体基材の他方の面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、前記半導体基材を前記マスクを介してエッチングして前記パッドに対応する位置に該パッドに達する孔を形成するとともに、前記機能素子、第１の配線及びパッドを取り囲むように前記封止材に達する溝を形成する工程と、該溝の底部にある封止材をエッチング除去して第２の基板を露出させる工程と、前記孔及び溝の内面に絶縁膜を形成する工程と、該孔の底部に形成された絶縁膜をエッチング除去する工程と、該孔内に第１の導電体を充填して貫通電極を形成する工程と、前記第２の基板まで達する溝の内壁に沿って切断する工程とを含む製造方法とした。
このような製造方法とすれば、貫通電極形成工程を利用して絶縁物層も形成できるので工程数の増加は少なく、その上優れた気密性、耐湿性、あるいは耐薬品性を有する半導体パッケージを得ることができる。

本発明のもう一つの半導体パッケージの製造方法は、半導体基材の一面に機能素子、第１の配線及びパッドを設けてなる第１の基板に対して、第２の基板を機能素子が内側になるようにして封止材を用いて接合する工程と、前記半導体基材の他方の面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、前記半導体基材を前記マスクを介してエッチングして前記パッドに対応する位置に該パッドに達する孔を形成するとともに、前記機能素子、第１の配線及びパッドを取り囲むように前記封止材に達する溝を形成する工程と、該溝の底部にある封止材をエッチング除去して第２の基板を露出させる工程と、前記孔及び溝の内面に絶縁膜を形成する工程と、該孔の底部に形成された絶縁膜をエッチング除去する工程と、該孔内に第１の導電体を充填して貫通電極を形成すると同時に、前記溝内にも第１の導電体を充填する工程と、前記第２の基板まで達する溝内に形成された第１の導電体を切断する工程とを含む製造方法とした。
この方法によっても貫通電極形成工程を利用して絶縁物層及び導電体層が同時に形成できるので工程数の増加は少なく、その上一層優れた気密性、耐湿性、あるいは耐薬品性を有する半導体パッケージを得ることができる。

本発明の半導体パッケージによれば、半導体パッケージの側面が強固な絶縁膜や導電体によって覆われているので、半導体パッケージを形成する封止材の種類によらず優れた気密性や耐湿性、あるいは耐薬品性を具備した半導体パッケージが得られ、パッケージ素子の安定した動作と長寿命が確保される。
また、本発明の半導体パッケージの製造方法によれば、貫通電極形成工程を利用して絶縁物層や導電体も形成できるので工程数の増加は少なく、その上優れた特性の半導体パッケージを得ることができる点でまことに有用である。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係わる半導体パッケージの断面構造を示す。本発明の第１の実施形態に係わる半導体パッケージ１は、機能素子１２が形成された第１の基板１０とキャップ基板をなす第２の基板２０とが封止材３０を用いて接合されて構成されている。
第１の基板１０は、一方の表面に機能素子１２と、これに接続する第１の配線１３及びパッド１４が形成され、他方の表面と該パッド１４を電気的に接続する貫通電極１５を備えた半導体基板１１からなっている。貫通電極１５は半導体基板１１の表裏両面を貫通する微細孔１６の内面に、絶縁膜Ａ１７ａを介して第１の導電体１８を充填して構成されている。

本実施形態では、絶縁膜Ａ１７ａが半導体基板１１の他の面に形成された絶縁膜Ｂ１７ｂ、半導体基板１１の側面に形成された絶縁膜Ｃ１７ｃ、及び半導体パッケージ１の封止材３０の側面に形成された絶縁膜Ｄ１７ｄと連結して一体に形成されている例を示している。
絶縁膜１７は一体に形成されている必要はなく、例えば前記絶縁膜Ａ１７ａ、絶縁膜Ｃ１７ｃ及び絶縁膜Ｄ１７ｄは、プラズマＣＶＤを使用して窒化膜で形成し、絶縁膜Ｂ１７ｂは熱酸化法を使用した酸化膜で形成することができる。
あるいはまた、絶縁膜１７全体をプラズマＣＶＤを使用して窒化膜や酸化膜で一体形成した後、ＲＩＥなどによる微細孔底面の絶縁膜除去工程においてオーバーエッチングするなどの方法により前記絶縁膜Ａ１７ａ、絶縁膜Ｃ１７ｃ及び絶縁膜Ｄ１７ｄを残して絶縁膜Ｂ１７ｂの部分を除去し、ポリアミド樹脂やポリイミド樹脂等の合成樹脂などを使用してあらためて絶縁膜Ｂ１７ｂを形成することもできる。
すなわち、本発明の半導体パッケージにおいては、図１に示す絶縁膜Ａ１７ａ、絶縁膜Ｂ１７ｂ、絶縁膜Ｃ１７ｃ及び絶縁膜Ｄ１７ｄを具備していれば良いことになる。
本発明の半導体パッケージ１の外周は、第２の基板２０の表面と貫通電極１５の端面を除いた側面と底面が絶縁膜１７で被覆されているので、気密性や耐湿性、あるいは耐薬品性に優れた半導体パッケージとなり、封止材３０も絶縁膜１７ｄで被覆されてるので、接合部界面から大気中の湿分が侵入することもなく、機能素子が完全に保護されるので動作が安定し、また寿命も格段に長くなる。

（第２の実施形態）
図２に、本発明の第２の実施形態に係わる半導体パッケージ２の断面構造を示す。本発明の第２の実施形態に係わる半導体パッケージ２は、内部の構造は第１の実施形態に係わる半導体パッケージ１と同様である。すなわち、機能素子１２が形成された第１の基板１０とキャップ基板をなす第２の基板２０とが封止材３０を用いて接合して構成されていて、第１の基板１０は、一方の表面に機能素子１２と、これに接続する第１の配線１３及びパッド１４が形成され、他方の表面と該パッド１４を電気的に接続する貫通電極１５を備えた半導体基板１１からなっている。貫通電極１５は半導体基板１１の表裏両面を貫通する微細孔１６の内面に、絶縁膜Ａ１７ａを介して第１の導電体１８を充填して構成されている。この絶縁膜Ａ１７ａは、半導体基板１１の他の面に形成された絶縁膜Ｂ１７ｂ、半導体基板１１の側面に形成された絶縁膜Ｃ１７ｃ、及び半導体パッケージ１の封止材３０の側面に形成された絶縁膜Ｄ１７ｄと連結して一体に形成されている。
第２の実施形態に係わる半導体パッケージ２では、前記半導体基板１１の側面に形成された絶縁膜Ｃ１７ｃ及び封止材３０の側面に形成された絶縁膜Ｄ１７ｄの表面を、さらに第２の導電体１９で被覆してある。
半導体パッケージの側面が絶縁膜に加えて導電体で二重に被覆してあるので、シール機能はさらに強固となり、機能素子が完全に保護されて動作が安定し、また寿命も一層長くなる。

次に、これらの半導体パッケージの製造方法の一例について図面を用いて説明する。
図３及び図４は、本発明の半導体パッケージの製造方法を示す断面工程図である。
まず、シリコン等の半導体基板１１の表面に、例えば光デバイス等の所望の機能素子１２や接続に必要な第１の配線１３及びパッド１４を通常の半導体製造プロセスを利用して形成し、第１の基板１０を形成する。
第１の配線１３及びパッド１４としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、アルミニウム−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−シリコン−銅（Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ）合金等の導電性に優れる材料が好適に用いられるが、これらの材料は酸化されやすい性質を有している。

次いで、図３（ａ）に示すように、機能素子１２を搭載した前記第１の基板１０とキャップ材となる第２の基板２０とを、封止材３０を使用して接合する。この際、機能素子１２を内側にして、かつ機能素子１２に接触しないようにして第２の基板２０をかぶせて接合する。第２の基板２０もシリコン等の半導体基板が利用できる。封止材３０としては、例えば感光性もしくは非感光性の液状樹脂（ＵＶ硬化型樹脂、可視光硬化型樹脂、赤外光硬化型樹脂、熱硬化型樹脂等）やドライフィルムが挙げられる。樹脂の種類としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂等が利用でき、半導体パッケージの使用環境に応じて適宜選択すればよい。
封止材３０層を形成するには、例えば液状樹脂を使用して印刷法により所定位置に塗布したり、ドライフィルムを貼り付けてこれをフォトリソグラフィー技術により所定位置のみ残してパターニングする方法等が利用できる。

次に、図３（ｂ）に示すように、半導体基板１１の他方の表面にマスク５を形成する。マスク５としては例えばＵＶ硬化型樹脂やポリイミド系感光性樹脂等を使用し、フォトリソグラフィーにより所定位置に開口部５ａ，５ｂを設ける。ここで開口部５ａは配線構造を形成するための微細孔１６を搾孔するためのものであり、パッド１４に対応する位置に例えば円形の小孔として形成する。一方、開口部５ｂは機能素子１２を保護するためのものであり、機能素子１２を中心にして第１の配線１３とパッド１４を取り囲むようにして形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、マスク５を利用して例えば反応性イオンエッチング（Deep Reactiv Ion Etching：ＤＲＩＥ）法等を使用して、開口部５ａ，５ｂ位置の半導体基板１１をエッチングし、微細孔１６と溝７を形成する。ＤＲＩＥ法を用いることにより、精度の高い孔加工が可能となる。ＤＲＩＥ法とは、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ_６ ）を用い、高密度プラズマによるエッチングと、側壁へのパッシベーション成膜を交互に行うことにより（Bosch プロセス）、シリコン基板を深堀エッチングするものである。図示は省略するが、平面的には溝７は機能素子１２を取り囲むように溝状に形成される。その後、必要ならばマスク５を剥離除去する。
微細孔１６は円形に限定されず、パッド１４との接触面積が確保できるような大きさであれば如何なる大きさでもよく、その形状は楕円形、四角形、三角形、矩形など如何なる形状でもよい。
さらに、微細孔１６を形成する方法も、ＤＲＩＥ法に限定されず、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などによるウェットエッチング法を用いても構わない。

次に、図３（ｄ）に示すように、ドライエッチング等の手段を用いて溝７の底部７ａにある封止材３０を除去する。
ここで、あらかじめ封止材３０にスクライブラインを設けておけば、この工程を省略することもできる。

次に、図４（ｅ）に示すように、図３（ｄ）の状態で基板全面に絶縁膜１７を形成する。絶縁膜１７としては、酸化珪素（ＳｉＯ_２ ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、リンシリケートガラス（ＰＳＧ）、ボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）等が利用でき、半導体パッケージの使用環境に応じて適宜選択すればよい。ＳｉＯ_２ 、Ｓｉ_３Ｎ_４はＣＶＤを利用すれば任意の厚さに成膜できる。ＳｉＯ_２ からなる絶縁膜を成膜するには、例えば、シランやテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を原料とするプラズマＣＶＤ法により形成することができる。
この方法によれば、図１及び図２に示す絶縁膜Ａ１７ａ、絶縁膜Ｂ１７ｂ、絶縁膜Ｃ１７ｃ及び絶縁膜Ｄ１７ｄを一体に形成することができる。

次に、図４（ｆ）に示すように、ドライエッチングを利用して微細孔１６及び溝７の底部にある絶縁膜１７を除去し、パッド１４及び第２の基板２０の表面１４ａ，２０ａを露出させる。ただし、溝７の底部の絶縁膜１７は、必ずしもエチング除去する必要はない。また、ＳｉＯ_２ をエッチングする場合には、四フッ化炭素（ＣＦ_４ ）を用いたReactive Ion Etching（ＲＩＥ) 法を用いることができる。

次に、図４（ｇ）に示すように、溶融金属吸引法等を用いて微細孔１６内に第１の導電体１８を形成する。この際、図４（ｇ）のように微細孔１６内にのみ導電体１８を形成しても良いが、図４（ｇ’）に示すように、微細孔１６と同時に溝７内にも第２の導電体１９を形成する方法を採用することもできる。
導電体としては、電気の良導体であれば特に制限は無く、例えば電気抵抗が低い銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、銀、錫等の他に、Ａｕ−Ｓｎ、Ｓｎ−Ｐｂ等の合金、あるいはＳｎ基、Ｐｂ基、Ａｕ基、Ｉｎ基、Ａ）基などのはんだ合金等の金属が利用できる。金属を使用すれば第２の導電体として使用する場合にも、使用環境に合った金属を使用すれば、遮蔽効果の優れたものとなる。

そして、図４（ｇ）に示す溝７の内壁に沿った線Ｌ１，Ｌ２で切断すれば、図１に示す第１の実施形態の半導体パッケージ１が得られる。
半導体パッケージ１の外周は、第２の基板２０の表面と貫通電極１５の端面を除いた側面と底面が絶縁膜１７で被覆されてるので、気密性や耐湿性、あるいは耐薬品性に優れた半導体パッケージとなり、封止材３０も絶縁膜１７ｄで被覆されてるので、接合部界面から大気中の湿分が侵入することもなく、機能素子が完全に保護されるので動作が安定し、また寿命も格段に長くなる

ここで、図４（ｇ’）に示すように、微細孔１６内と同時に溝７内にも第２の導電体１９を形成して、溝７内の第２の導電体１９の中央に沿った線Ｌ３で切断すれば、図２に示す第２の実施形態の半導体パッケージ２が得られる。第２の導電体としては、先の第１の導電体１８と同じ金属を使用すれば、一つの工程で同時に形成できるので都合がよい。
半導体パッケージ２は、半導体基板１１の側面に形成された絶縁膜Ｃ１７ｃ及び封止材３０の側面に形成された絶縁膜Ｄ１７ｄの表面が、さらに第２の導電体１９で被覆してある。
半導体パッケージの側面が絶縁膜に加えて金属の導電体で二重に被覆してあるので、シール機能はさらに強固となり、機能素子が完全に保護されて動作が安定し、また寿命も一層長くなる。

本発明は、半導体パッケージの高性能化と長寿命が確保される点でまことに有用である。

本発明の第１の実施形態の半導体パッケージの断面図である。 本発明の第２の実施形態の半導体パッケージの断面図である。 本発明の半導体パッケージの製造方法を説明する断面工程図である。 図３に続く断面工程図である。 従来の半導体パッケージの断面図である。

符号の説明

１，２，４０・・・・・・半導体パッケージ、７・・・・・・溝、１０・・・・・・第１の基板、１１・・・・・・半導体基板、１２・・・・・・機能素子、１３・・・・・・第１の配線、１４・・・・・・パッド、１５・・・・・・貫通電極、１６・・・・・・微細孔、１７・・・・・・絶縁膜、１８・・・・・・第１の導電体、１９・・・・・・第２の導電体、２０・・・・・・第２の基板、３０・・・・・・封止材、

Claims (4)

1. 半導体基材と、該半導体基材の一方の面側に配置された機能素子及び該機能素子に第１の配線を介して電気的に接続されたパッドと、該パッドと電気的に接続され前記半導体基材の一方の面から他方の面に至る微細孔内に絶縁膜Ａを介して第１の導電体を形成してなる貫通電極とを少なくとも備えてなる第１の基板、及び前記機能素子の周囲に配置された封止材を用いて前記第１の基板の一方の面と接合されてなる第２の基板からなる半導体パッケージであって、前記絶縁膜Ａは、前記半導体基材の他方の面に配置される絶縁膜Ｂ、前記半導体基材の外側面に配置される絶縁膜Ｃ及び前記封止材の外側面に配置される絶縁膜Ｄとを具備してなり、前記絶縁膜Ａは、前記半導体基材の他方の面に配置される絶縁膜Ｂ、前記半導体基材の外側面に配置される絶縁膜Ｃ及び前記封止材の外側面に配置される絶縁膜Ｄと一体化されていることを特徴とする半導体パッケージ。
2. 前記絶縁膜Ｃ及び前記絶縁膜Ｄは、さらに第１の導電体と同じ部材からなる第２の導電体で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。
3. 半導体基材の一面に機能素子、第１の配線及びパッドを設けてなる第１の基板に対して、第２の基板を機能素子が内側になるようにして封止材を用いて接合する工程と、前記半導体基材の他方の面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、前記半導体基材を前記マスクを介してエッチングして前記パッドに対応する位置に該パッドに達する孔を形成するとともに、前記機能素子、第１の配線及びパッドを取り囲むように前記封止材に達する溝を形成する工程と、該溝の底部にある封止材をエッチング除去して第２の基板を露出させる工程と、前記孔及び溝の内面に絶縁膜を形成する工程と、該孔の底部に形成された絶縁膜をエッチング除去する工程と、該孔内に第１の導電体を充填して貫通電極を形成する工程と、前記第２の基板まで達する貫通孔の内壁に沿って切断する工程とを含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。
4. 半導体基材の一面に機能素子、第１の配線及びパッドを設けてなる第１の基板に対して、第２の基板を機能素子が内側になるようにして封止材を用いて接合する工程と、前記半導体基材の他方の面に所定のパターンを有するマスクを形成する工程と、前記半導体基材を前記マスクを介してエッチングして前記パッドに対応する位置に該パッドに達する孔を形成するとともに、前記機能素子、第１の配線及びパッドを取り囲むように前記封止材に達する溝を形成する工程と、該溝の底部にある封止材をエッチング除去して第２の基板を露出させる工程と、前記孔及び溝の内面に絶縁膜を形成する工程と、該孔の底部に形成された絶縁膜をエッチング除去する工程と、該孔内に第１の導電体を充填して貫通電極を形成すると同時に、前記溝内にも第１の導電体を充填する工程と、前記第２の基板まで達する溝内に形成された第１の導電体を切断する工程とを含むことを特徴とする半導体パッケージの製造方法。

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