特開 2021-97091 アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-97091(P2021-97091A)

(43)【公開日】2021年6月24日

(54)【発明の名称】アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20210528BHJP

   H01L 23/29 20060101ALI20210528BHJP

   H01L 23/31 20060101ALI20210528BHJP

   C09J 11/04 20060101ALI20210528BHJP

   C09J 163/00 20060101ALI20210528BHJP

   C09J 133/00 20060101ALI20210528BHJP

   C09J 11/06 20060101ALI20210528BHJP

   C08L 63/00 20060101ALI20210528BHJP

   C08L 33/00 20060101ALI20210528BHJP

   C08K 3/00 20180101ALI20210528BHJP

   C08K 3/36 20060101ALI20210528BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 311S

   H01L23/30 R

   C09J11/04

   C09J163/00

   C09J133/00

   C09J11/06

   C08L63/00 A

   C08L33/00

   C08K3/00

   C08K3/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-225865(P2019-225865)

(22)【出願日】2019年12月13日

(71)【出願人】

【識別番号】000108410

【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113424

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 信博

(74)【代理人】

【識別番号】100185845

【弁理士】

【氏名又は名称】穂谷野 聡

(72)【発明者】

【氏名】森 大地

(72)【発明者】

【氏名】増渕 広和

(72)【発明者】

【氏名】久保田 健二

【テーマコード（参考）】

4J002

4J040

4M109

5F044

【Ｆターム（参考）】

4J002BG03X

4J002BG04X

4J002BG05X

4J002CC033

4J002CC043

4J002CD00W

4J002CD01W

4J002CD03W

4J002CD07W

4J002DE076

4J002DE136

4J002DE266

4J002DJ016

4J002DJ046

4J002EJ017

4J002EL137

4J002EN007

4J002EU117

4J002EV017

4J002FD016

4J002FD147

4J002FD150

4J002GQ05

4J040DG001

4J040EC001

4J040EC061

4J040HA306

4J040HC23

4J040JA01

4J040JB02

4J040KA16

4J040KA42

4J040MA01

4J040NA20

4J040PA30

4M109AA01

4M109BA03

4M109CA26

4M109EA02

4M109EA12

4M109EB12

4M109EB13

4M109EC04

5F044KK05

5F044LL11

5F044QQ01

5F044QQ07

5F044RR03

5F044RR17

(57)【要約】

【課題】半導体ウエハの反りを抑制するとともに、高い接続信頼性が得られるアンダーフィル材の提供。
【解決手段】アンダーフィル材は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エポキシ樹脂と、
硬化剤と、
アクリルポリマーと、
無機フィラーとを含有し、
硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、
硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、
硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、
１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である、アンダーフィル材。

【請求項2】

上記エポキシ樹脂が、常温で液状のエポキシ樹脂を含有し、
上記アクリルポリマーが、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーを含有する、請求項１記載のアンダーフィル材。

【請求項3】

上記アクリルポリマーのＴｇが１２℃以下である、請求項２記載のアンダーフィル材。

【請求項4】

最低溶融粘度時の温度が１４０℃以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項5】

上記無機フィラーの含有量が２９〜４１質量％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項6】

１００℃における溶融粘度が７０００〜９０００Ｐａ・ｓである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項7】

当該アンダーフィル材中のエポキシ樹脂の含有量の合計に対する、常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の合計が５５質量％以上である、請求項２〜６のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項8】

上記常温で液状のエポキシ樹脂のエポキシ当量が３００〜５００ｇ／ｅｑである、請求項２〜７のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項9】

上記無機フィラーがシリカである、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアンダーフィル材。

【請求項10】

アンダーフィル材を、半田付き電極が形成された半導体チップ側、又は上記半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板側に予め貼り合わせる工程と、
上記半導体チップ側の電極と、上記基板側の対向電極とを半田接合させる工程とを有し、
上記基板が、サポート基板上に仮貼材を介して固定された半導体ウエハであり、
上記アンダーフィル材は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、上記アンダーフィル材の硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、上記アンダーフィル材の硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、上記アンダーフィル材の硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、上記アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本技術は、アンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体チップの実装方法において、工程短縮を目的に、半導体ＩＣ（Integrated Circuit）電極上にアンダーフィルフィルムを貼り付ける「先供給型アンダーフィルフィルム（ＰＵＦ：Pre-applied Underfill Film）が使用されている（例えば、特許文献１を参照）。特に、メモリー製造用途のフリップチップ実装においては、ＴＳＶ(Through Silicon Via）チップを用いた多段積層実装において、ＰＵＦ技術が浸透しつつある。また、ＴＳＶチップ構成として、年々、ファインピッチ化、多ピン化、薄型化が求められる傾向がある。例えば、低背化が進む中、厚みが５０μｍ以下のＴＳＶチップも検討されている。このようなＴＳＶチップを、例えばＣＯＷ（Chip on Wafer）方式で積層実装する際に半導体ウエハの反り（歪みや湾曲）が大きくなると、次工程に進めない不具合が発生してしまう。また、高い接続信頼性も求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９−１５６９９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本技術は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、半導体ウエハの反りを抑制するとともに、高い接続信頼性が得られるアンダーフィル材、及びこれを用いた半導体装置の製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本件発明者らが鋭意検討した結果、アンダーフィル材の溶融粘度とアンダーフィル材の硬化後の貯蔵弾性率を制御することによって、半導体ウエハの反りを抑制するとともに、高い接続信頼性が得られることを見出し、本技術を完成するに至った。

【0006】

すなわち、本技術に係るアンダーフィル材は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である。

【0007】

また、本技術に係る半導体装置の製造方法は、アンダーフィル材を、半田付き電極が形成された半導体チップ側、又は半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板側に予め貼り合わせる工程と、半導体チップ側の電極と、基板側の対向電極とを半田接合させる工程とを有し、基板が、サポート基板上に仮貼材を介して固定された半導体ウエハであり、アンダーフィル材は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、アンダーフィル材の硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、アンダーフィル材の硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、アンダーフィル材の硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である。

【発明の効果】

【0008】

本技術によれば、半導体ウエハの反りを抑制するとともに、高い接続信頼性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、搭載前の複数の半導体チップと半導体ウエハの一例を示す断面図である。

【図2】図２は、複数の半導体チップを半導体ウエハに積層した状態の一例を示す断面図である。

【図3】図３は、半導体ウエハの裏面バンプの半田流れありの場合の赤外線顕微鏡写真の一例である。

【図4】図４は、半導体ウエハの裏面バンプの半田流れなしの場合の赤外線顕微鏡写真の一例である。

【図5】図５は、半導体チップ間のデラミネーションありの場合の超音波画像の一例である。

【図6】図６は、半導体チップ間のデラミネーションなしの場合の超音波画像の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本技術の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0011】

＜アンダーフィル材＞
本実施の形態に係るアンダーフィル材は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有する。また、アンダーフィル材は、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である。

【0012】

アンダーフィル材は、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１である。半導体チップをＣＯＷ方式で積層実装後、半導体ウエハに反りを生じさせる要因として、アンダーフィル材の弾性率、硬化収縮、線膨張などが考えられ、高弾性のアンダーフィル材が、高い硬化収縮率で硬化し、高温で硬化後に冷却させると高い線膨張率でさらにアンダーフィル材が収縮し、半導体ウエハに反りが生じると考えられる。本技術では、半導体チップを積層実装した後の半導体ウエハの反りを抑制することに着目して、アンダーフィル材を高温（２５０℃程度）で硬化させた状態から、硬化したアンダーフィル材の温度が室温（２５℃程度）に戻る過程の弾性率の推移、すなわち、アンダーフィル材の硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であることを規定した。アンダーフィル材は、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１以上であることにより、半導体チップを積層実装する際の接続信頼性を良好にできる。また、アンダーフィル材は、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が３．２×１０^１１以下であることにより、積層実装後の半導体ウエハの反りを抑制できる。特に、半導体ウエハの反りをより効果的に抑制するために、アンダーフィル材は、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．０×１０^１１であることが好ましい。

【0013】

アンダーフィル材は、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａである。アンダーフィル材は、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４ＧＰａ以上であることにより、半導体チップを積層実装する際の接続信頼性を良好にできる。また、アンダーフィル材は、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が３．６ＧＰａ以下であることにより、積層実装後の半導体ウエハの反りを抑制できる。特に、半導体ウエハの反りをより効果的に抑制するために、アンダーフィル材は、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．０ＧＰａであることが好ましい。

【0014】

アンダーフィル材は、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａである。アンダーフィル材は、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０ＭＰａ以上であることにより、半導体チップを積層実装する際の接続信頼性を良好にすることができる。また、アンダーフィル材の硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が８００ＭＰａ以下であることにより、半導体チップを積層実装後の半導体ウエハの反りを抑制できる。

【0015】

アンダーフィル材は、１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下である。アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度は、半導体チップを積層実装する際の実装荷重に影響する。アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下であることにより、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大を抑制できる。特に、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大をより効果的に抑制するために、アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度は９０００Ｐａ・ｓ以下が好ましく、８５００Ｐａ・ｓ以下がより好ましい。また、アンダーフィル材の１００℃における溶融粘度の下限値は特に限定されないが、例えば７０００Ｐａ・ｓ以上とすることができ、８０００Ｐａ・ｓ以上であってもよい。

【0016】

半導体チップをＣＯＷ方式で積層実装する際、ウエハサポートシステムが用いられることがある。ウエハサポートシステムは、半導体ウエハの裏面バンプ（半田付き電極）を保護するための手法である。ウエハサポートシステムを用いる場合、サポート基板に仮貼材を介して固定された半導体ウエハに半導体チップを実装する。例えば、サポート基板の一方の面に仮貼材としての接着剤を塗布して接着層を形成し、この接着層に半導体ウエハの裏面バンプを接着させる場合、半導体ウエハの裏面バンプを保護する接着層は、実装後に剥離するため比較的柔らかい組成が用いられる。この場合、半導体チップの積層実装が高荷重で行われると、高温による接着剤層の軟化とともに、接着層で保護していた半導体ウエハの裏面バンプの半田が流れ出してしまうおそれがある。そこで、アンダーフィル材の最低溶融粘度時の温度を１４０℃以上とすることにより、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大を抑制して、半導体ウエハの裏面バンプの半田の流れ出しを防止することができる。アンダーフィル材の最低溶融粘度時の温度の上限は、特に限定されず、例えば１７０℃以下とすることができる。

【0017】

次に、上述したアンダーフィル材の物性を奏するためのアンダーフィル材の組成の具体例について説明する。アンダーフィル材は、上述のように、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有する。

【0018】

［エポキシ樹脂］
アンダーフィル材は、エポキシ樹脂として、少なくとも常温で液状のエポキシ樹脂を含む。常温で液状のエポキシ樹脂を用いることにより、半導体チップを積層実装する際の実装荷重の増大を抑制することができる。また、常温で液状のエポキシ樹脂は、上述した硬化後のアンダーフィル材の貯蔵弾性率に調整する目的から、硬化後に低弾性のものが好ましい。常温で液状のエポキシ樹脂は、例えば、エポキシ当量が３００〜５００ｇ／ｅｑであることが好ましい。また、常温で液状のエポキシ樹脂は、柔軟性骨格、例えば、エチレンオキシド（ＥＯ）変性骨格、プロピレンオキシド（ＰＯ）変性骨格などを有することが好ましい。常温で液状のエポキシ樹脂としては、ポリエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などを用いることができる。常温で液状のエポキシ樹脂の具体例としては、ＡＥＲ−９０００（旭化成イーマテリアルズ社製、エポキシ当量３８０ｇ／ｅｑ）、ＥＸＡ−４８５０−１０００（ＤＩＣ社製、エポキシ当量３５０ｇ／ｅｑ）、ＥＸＡ−４８５０−１５０（ＤＩＣ社製、エポキシ当量４５０ｇ／ｅｑ）、ＥＸＡ−４８１６（ＤＩＣ社製、エポキシ当量４０３ｇ／ｅｑ）、ＥＰ−４０１０Ｓ（ＡＤＥＫＡ社製、エポキシ当量３５０ｇ／ｅｑ）、ＥＰ−４０１０Ｌ（ＡＤＥＫＡ社製、エポキシ当量３５０ｇ／ｅｑ）、ＥＰ−４００３Ｓ（ＡＤＥＫＡ社製、エポキシ当量４７０ｇ／ｅｑ）などが挙げられる。常温で液体のエポキシ樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。なお、本明細書において、「常温」とは、ＪＩＳ Ｋ ００５０：２００５（化学分析方法通則）に規定される１５〜２５℃の範囲をいう。

【0019】

また、アンダーフィル材は、エポキシ樹脂として、常温で固体のエポキシ樹脂をさらに含んでもよい。常温で固体のエポキシ樹脂としては、高接着性、耐熱性の点から、エポキシ基を３つ以上有する多官能エポキシ樹脂を用いることが好ましい。３官能エポキシ樹脂としてはトリス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）エタン型エポキシ樹脂、トリス（ヒドロキシフェニル）プロパン型エポキシ樹脂などが挙げられる。４官能エポキシ化合物としては、テトラキス（ヒドロキシフェニル）メタン型エポキシ樹脂、テトラキス（ヒドロキシフェニル）エタン型エポキシ樹脂、テトラキス（ヒドロキシフェニル）プロパン型エポキシ樹脂などが挙げられる。常温で固体のエポキシ樹脂は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。

【0020】

アンダーフィル材中、常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の合計は、２２〜２７質量％が好ましい。また、アンダーフィル材中、常温で固体のエポキシ樹脂の含有量の合計は、１０〜１５質量％が好ましい。また、アンダーフィル材中、エポキシ樹脂の含有量の合計に対する、常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の合計は、５５質量％以上が好ましく、６１質量％以上がより好ましい。また、アンダーフィル材中、エポキシ樹脂の含有量の合計は、３０〜５０質量％が好ましく、３２〜３９質量％がより好ましく、３４〜３９質量％がさらに好ましい。

【0021】

［硬化剤］
硬化剤は、エポキシ樹脂用の硬化剤であり、フェノール類、イミダゾール類、酸無水物類、アミン類、ヒドラジド類、ポリメルカプタン類、ルイス酸−アミン錯体類などを用いることができる。これらの中でも、高い架橋密度が得られるフェノール化合物が好ましい。フェノール化合物としては、フェノールノボラック化合物、クレゾールノボラック化合物、芳香族炭化水素ホルムアルデヒド樹脂変性フェノール化合物、ジシクロペンタジエンフェノール付加型化合物、フェノールアラルキル化合物などが挙げられる。フェノール化合物の中でも、耐熱性の観点からフェノールノボラック化合物が好ましい。硬化剤は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。アンダーフィル材中の硬化剤の含有量は、１〜１５質量％が好ましく、１１〜１４質量％がより好ましい。

【0022】

［アクリルポリマー］
アンダーフィル材は、膜形成樹脂であるアクリルポリマーとして、ガラス転移温度（Ｔｇ）が常温以下であるアクリルポリマーを含有する。Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーは、上述したアンダーフィル材の物性（特に弾性率）とするために、Ｔｇが１２℃以下であることが好ましく、−２０℃以下であることがより好ましい。Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーのＴｇの下限値は特に限定されないが、例えば−４０℃以上とすることができる。Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーは、官能基として、カルボキシル基及びエポキシ基の少なくとも１種を有することが好ましい。Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーの製品としては、ＳＧ−２８０（Ｔｇ；−２９℃）、ＳＧ−Ｐ３（Ｔｇ；１２℃）、ＳＧ−７０（Ｔｇ；−１３℃）、ＳＧ−７０８−６（Ｔｇ；４℃）、ＷＳ−０２３ ＥＫ３０（Ｔｇ；−１０℃）、ＳＧ−８０Ｈ（Ｔｇ；１１℃）、ＳＧ−６００ＴＥＡ（Ｔｇ；−３７℃）（以上、ナガセムテックス社製）などが挙げられる。

【0023】

Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーの重量平均分子量は、フィルム形成性の観点から、例えば５．０×１０^３以上が好ましく、１．０×１０^４以上がより好ましい。また、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーの重量平均分子量の上限値は、例えば１．０×１０^６以下が好ましい。Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。アンダーフィル材中、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーの含有量は、１０〜４０質量％が好ましく、１３〜２５質量％がより好ましく、１５〜１８質量％がさらに好ましい。また、アンダーフィル材は、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマー以外の膜形成樹脂、例えば、Ｔｇが常温より高いアクリルポリマーを実質的に含有しないことが好ましい。

【0024】

［無機フィラー］
アンダーフィル材は、無機フィラーを含有する。無機フィラーは、例えば、圧着時における樹脂層の流動性を調整する目的で用いられる。無機フィラーとしては、例えば、シリカ、タルク、酸化チタン、炭酸カルシウム、酸化マグネシウム等を用いることができ、シリカが好ましい。無機フィラーは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。アンダーフィル材中の無機フィラーの含有量の合計は、２６〜４２質量％が好ましく、２９〜４１質量％がより好ましい。

【0025】

［硬化促進剤］
アンダーフィル材は、上述した成分以外に、硬化促進剤をさらに含有することが好ましい。硬化促進剤としては、２−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾールなどのイミダゾ−ル類、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）ウンデセン−７塩（ＤＢＵ塩）、２−（ジメチルアミノメチル）フェノールなどの第３級アミン類、トリフェニルホスフィンなどのホスフィン類、オクチル酸スズなどの金属化合物などが挙げられる。硬化促進剤の具体例としては、２ＰＨＺ−ＰＷ、Ｃ１１Ｚ−ＣＮ、２ＭＡＯＫ−ＰＷ（以上、四国化成社製）などが挙げられる。硬化促進剤は、１種単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。アンダーフィル材が硬化促進剤を含有する場合、アンダーフィル材中の硬化促進剤の含有量は、０．５〜１．５質量％が好ましい。

【0026】

アンダーフィル材の特に好ましい組成の具体例は、次の通りである。アンダーフィル材は、常温で液状のエポキシ樹脂と、硬化剤と、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、アンダーフィル材中の常温で液状のエポキシ樹脂の含有量の合計が２２〜２７質量％であり、Ｔｇが常温以下であるアクリルポリマーの含有量が１５〜１８質量％であり、無機フィラーの含有量が２９〜４１質量％である。

【0027】

アンダーフィル材の形状としては、フィルム状、ペースト状などが挙げられる。以下で詳述するように、半田付き電極が形成された半導体チップ側や、半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板側に予め貼り合わせる場合には、アンダーフィル材をフィルム状とすることが好ましい。

【0028】

以上のようなアンダーフィル材によれば、半導体チップをＣＯＷ方式で積層実装後の半導体ウエハの反りを抑制するとともに、高い接続信頼性を得ることができる。また、ボイド排除性も良好にすることができる。

【0029】

＜半導体装置の製造方法＞
次に上述したアンダーフィル材を用いた半導体装置の製造方法の例について説明する。本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、アンダーフィル材を、半田付き電極が形成された半導体チップ側、又は半田付き電極と対向する対向電極が形成された基板（半導体ウエハ）側に予め貼り合わせる工程と、半導体チップ側の電極と基板側の対向電極とを半田接合させる工程とを有する。

【0030】

以下、図１及び図２を用いて、半導体チップを半導体ウエハ上に４段積層実装させる方法の一例を説明する。図１は、搭載前の複数の半導体チップと半導体ウエハの一例を示す断面図であり、図２は、複数の半導体チップを半導体ウエハに積層した状態の一例を示す断面図である。

【0031】

図１に示すように、半導体ウエハ１上に、中間層の半導体チップ２〜４と、最上層の半導体チップ５とを、アンダーフィルフィルム６〜９を介して積層配置させる。

【0032】

半導体ウエハ１は、サポート基板１０上に仮貼材１１を介して固定されている。半導体ウエハ１の材質は、シリコンであってもよいし、化合物系半導体（例えば窒化ガリウム等）であってもよい。半導体ウエハ１には、後に個片化される単位毎に電子回路が形成されている。

【0033】

半導体ウエハ１は、例えば一方の面に形成された半田付き電極１ａと、他方の面に形成された電極１ｂとを有する。半田付き電極１ａは、例えばＣｕピラー頂上に半田をメッキしたものである。半田付き電極１ａの半田１ｃは、いわゆる鉛フリー半田であり、例えば、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ半田（融点：２２０℃〜２４０℃）、Ｓｎ／Ａｇ半田（融点：２２０℃）などを用いることができる。電極１ｂは、半導体チップ２の半田付き電極２ｃと接続されるものであり、例えばＣｕピラーなどを用いることができる。

【0034】

サポート基板１０は、例えば半導体ウエハ１と同じ面形状を有し、半導体ウエハ１を固定するものである。サポート基板１０の材質には、例えば、ガラス、シリコンなどが用いられる。サポート基板１０の厚みは、通常５００〜１０００μｍ程度とすることができる。

【0035】

仮貼材１１は、半導体ウエハ１をサポート基板１０に固定するためのものであり、例えば接着材からなる接着層である。上述のように、仮貼材１１は、実装後に剥離するため、比較的柔らかい組成とすることが好ましい。仮貼材１１としては、例えばアクリル系の光硬化性接着剤（一例として、UV-Curable Adhesive LC-3200（３Ｍ社製））を用いることができる。

【0036】

半導体チップ２〜４は、例えば、シリコン貫通電極と、一方の面に形成された半田付き電極２ａ〜４ａと、他方の面に形成された電極２ｂ〜４ｂとを有する。シリコン貫通電極は、半導体チップの内部を垂直に貫通する電極であり、上下のチップ同士の接続を行う。半田付き電極２ａ〜４ａ、電極２ｂ〜４ｂ及び半田２ｃ〜４ｃは、上述した半田付き電極１ａ、電極１ｂ及び半田１ｃと同様に構成することができる。

【0037】

半導体チップ５は、一方の面に形成された半田付き電極５ａを有する。半田付き電極５ａは、半導体チップ２〜４と同様に、例えばＣｕピラー頂上に半田をメッキしたものである。

【0038】

半導体チップ２〜５の半田付き電極２ａ〜５ａが形成された一方の面には、それぞれ熱硬化性接着剤であるアンダーフィルフィルム６〜９が予め貼り合わされている。これにより、半導体チップ２〜５を積層配置する工程数を削減することができる。

【0039】

半導体チップ２〜５は、アンダーフィルフィルム６〜９に流動性は生じるが、本硬化が生じない程度の所定の温度、圧力、時間の条件で積層配置される。

【0040】

次に、図２に示すように、アンダーフィルフィルム６〜９と半導体チップ２〜５とが複数積層配置された半導体チップ群を、例えば１００℃〜４００℃の温度の熱圧着ツールで押圧し、アンダーフィルフィルム６〜９を硬化させる。例えば、第１の温度から第２の温度まで所定の昇温速度で昇温させるボンディング条件で、半田付き電極の半田を溶融させて金属結合を形成させてアンダーフィルフィルム６〜９の硬化率が９０％程度となるように硬化させるとともに、１２０℃〜２００℃の温度条件でキュアし、アンダーフィルフィルム６〜９を完全に硬化させる。

【0041】

第１の温度は、アンダーフィルフィルム６〜９の最低溶融粘度時の温度と略同一とすることが好ましい。これにより、アンダーフィルフィルム６〜９の硬化挙動をボンディング条件に合致させることができ、ボイドの発生を効果的に抑制することができる。昇温速度は、例えば、５０℃／ｓｅｃ以上１５０℃／ｓｅｃ以下とすることができる。第２の温度は、半田の種類にもよるが、２００℃以上２８０℃以下であることが好ましく、より好ましくは２２０℃以上２７０℃以下である。これにより、半田付き電極２ａ〜５ａと電極１ｂ〜５ｂとを半田により結合させるとともに、アンダーフィルフィルム６〜９を完全硬化させ、半導体ウエハ１と、半導体チップ２〜５とを電気的、機械的に接続させることができる。

【0042】

以上のように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法では、上述したアンダーフィル材からなるアンダーフィルフィルムを用いているため、半導体チップを半導体ウエハに実装した後、例えば、アンダーフィルフィルムの硬化率が９０％程度となるように硬化させた後、及びアンダーフィルフィルムを完全に硬化させた後の半導体ウエハの反りを抑制することができる。また、高い接続信頼性を得ることができる。

【0043】

上述した具体例では、アンダーフィルフィルム６〜９を介して、半導体ウエハ１上に半導体チップ２〜５を複数積層配置させ、一括圧着させるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、半導体チップを１段ずつ圧着実装してもよい。また、上述した具体例では、アンダーフィルフィルム６〜９を、半田付き電極２ａ〜５ａが形成された半導体チップ２〜５側に予め貼り合わせるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、半導体ウエハ基板１の電極１ｂ側、半導体チップ２〜４の電極２ｂ〜４ｂ側に予め貼り合わせてもよい。また、上述した具体例では、半導体チップを半導体ウエハ上に４段積層実装させる方法について説明したが、これに限定されず、半導体チップを半導体ウエハ上に５段以上積層実装させてもよい。

【実施例】

【0044】

以下、本技術の実施例について説明する。なお、本技術は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0045】

［アンダーフィルフィルム］
下記材料を用いてアンダーフィルフィルムを作製した。
［膜成分］
アクリルゴム：ＳＧ−２８０（ナガセムテックス社製）、Ｔｇ；−２９℃、Ｍｗ；９０×１０^４
アクリルゴム：ＳＧ−Ｐ３（ナガセムテックス社製）、Ｔｇ；１２℃、Ｍｗ；８５×１０^４
フェノキシ樹脂：ＹＰ−５０（日鉄ケミカル＆マテリアル社製）、Ｔｇ；８４℃
［エポキシ樹脂］
ＡＥＲ−９０００：ＰＯ変性のポリエーテル型エポキシ樹脂（旭化成社製）、２５℃で液体、２５℃における粘度；１Ｐａ・ｓ、エポキシ当量；３８０ｇ／ｅｑ
ＪＥＲ−１０３１Ｓ：多官能エポキシ樹脂（三菱ケミカル社製）、２５℃で固体、エポキシ当量；２００ｇ／ｅｑ
［硬化剤］
ノボラック型フェノール：ＴＤ−２１３１（ＤＩＣ社製）、軟化点；７８〜８２℃
［硬化促進剤］
イミダゾール：２ＰＨＺ−ＰＷ（四国化成社製）、融点；２３０℃
イミダゾール：Ｃ１１Ｚ−ＣＮ（四国化成社製）、融点；４７〜５２℃
［無機フィラー］
ヒュームドシリカ：Ｒ２０２（アエロジル社製）
シリカ：ＳＣ１０５０（アドマテックス社製）、溶剤分散品

【0046】

＜アンダーフィルフィルムの作製＞
表１に示す配合比（質量部）となるように各成分を秤量し、常温のボールミルで混合・分散し、均一に溶解混合された樹脂組成物を得た。得られた樹脂組成物を、シート厚が２０μｍとなるようギャップ調整されたコンマコータ（登録商標）で塗布し、溶剤残分が２ｗｔ％以下になるように乾燥させ、アンダーフィルフィルムを作製した。

【0047】

＜３次元実装体の作製＞
アンダーフィルフィルムを用いて、ウエハ上に積層配置された最下層の半導体チップ、中間層（２個、６個又は１４個）の半導体チップ及び最上層の半導体チップを含む半導体チップ群を熱圧着ツールにて押圧し、シリコン貫通電極（TSV：through silicon via）にて接続させ、３次元実装体（半導体チップ群が４段、８段又は１６段）を作製した。半導体ウエハ、最下層の半導体チップ、中間層の半導体チップ及び最上層の半導体チップは、次のものを使用した。
［半導体ウエハ］
大きさ：１２インチ、厚み：２００μｍ
上側バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）、Ｎｉ／Ａｕメッキ、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
下側バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）＋Ｓｎ／Ａｇ半田（５μｍ）、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
［最下層の半導体チップ］
大きさ：８×８ｍｍ□、厚み：２００μｍ
バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）＋Ｓｎ／Ａｇ半田（５μｍ）、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
アンダーフィル厚み：２０μｍ
［中間層の半導体チップ］
大きさ：６×６ｍｍ□、厚み：２００μｍ
上側バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
下側バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）＋Ｓｎ／Ａｇ半田（５μｍ）、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
アンダーフィル厚み：２０μｍ
［最上層の半導体チップ］
大きさ：６×６ｍｍ□、厚み：２００μｍ
バンプ仕様：Ｃｕピラー（７μｍ）＋Ｓｎ／Ａｇ半田（５μｍ）、φ２０μｍ、バンプ数２００００ｐｉｎ
アンダーフィル厚み：２０μｍ

【0048】

サポート基板としてのミラーウエハの一方の面に仮貼材としての接着剤を塗布して接着層（厚み：約１００μｍ）を形成し、この接着層に、半導体ウエハの下側バンプ（半田付き電極）面を接着させた。

【0049】

最上層の半導体チップ、中間層の半導体チップ及び最下層の半導体チップのウエハ側の面にアンダーフィルフィルムを貼り合わせた。次に、フリップチップボンダーを用いて、８０℃のステージに保持されたウエハ上に、アンダーフィルフィルムが貼り合わされた最下層の半導体チップを１段と、アンダーフィルフィルムが貼り合わされた中間層の半導体チップ（２段、６段又は１４段）と、アンダーフィルフィルムが貼り合わされた最上層の半導体チップを１段、順次積層配置した。

【0050】

そして、実装装置（ＦＣＢ３、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ（株））を用いて、表１に示す実装荷重で２５０℃−１０秒間押圧した。さらに、１７０℃−２時間の条件でキュアし、３次元実装体を作製した。

【0051】

＜半田接続性＞
半導体チップ間の半田接続（デイジーチェーン接続）状態をプローブテスタで確認した。半導体チップの導通経路の接続が確認できたときの実装荷重（Ｎ／２００００ｐｉｎ）を測定した。結果を表１に示す。

【0052】

＜ＷＳＳ接着層内半田流れ＞
半導体チップの実装時に、ミラーウエハで保護していた半導体ウエハの裏面バンプ（半田付き電極）の流れ出しの有無について、赤外線顕微鏡（装置名：ＭＸ６３、オリンパス社製）を用いて、半導体ウエハ側から平面観察を行い、赤外線顕微鏡写真を得た。得られた赤外線顕微鏡平面写真において、例えば図３に示すように、半導体ウエハの裏面バンプの半田流れＡが存在した場合を半田流れあり（×）と判断した。また、例えば図４に示すように、半導体ウエハの裏面バンプの半田流れが存在しなかった場合を半田流れなし（〇）と判断した。結果を表１に示す。

【0053】

＜ウエハ反り＞
３次元実装体を作製する際に、２５０℃−１０秒間押圧した後、１７０℃−２時間の条件でキュアする前の状態の半導体ウエハの反り量を以下の基準で評価した。半導体ウエハの反り量が２ｍｍ未満であることが好ましい。結果を表１に示す。なお、表１中の「４段」、「８段」、「１６段」とは、半導体ウエハ上に積層した半導体チップの数を表す。
◎：１ｍｍ未満
〇：１ｍｍ以上２ｍｍ未満
×：２ｍｍ以上

【0054】

＜吸湿リフロー＞
３次元実装体を温度８５℃、湿度８５％、１６８時間の条件で吸湿させ、最大２６０℃のリフロー炉で加熱した。その後、さらに、温度１３０℃、湿度８５％、水蒸気圧０.２３ＭＰａ、３００時間の条件の信頼性試験を行った。そして、信頼性試験後の３次元実装体のチップ間のデラミネーション（剥離）を、超音波映像装置（ＳＡＴ：Scanning Acoustic Tomograph）（装置名：ＦＳ３００、日立ハイテクノロジーズ社製）で観察した。例えば図５に示すように、観察で得られた超音波画像に白点が存在した場合を半導体チップ間のデラミネーションあり（×）と判断した。また、例えば図６に示すように、観察で得られた超音波画像に白点が存在しなかった場合を半導体チップ間のデラミネーションなし（〇）と判断した。結果を表１に示す

【0055】

＜アンダーフィルフィルムの物性＞
［貯蔵弾性率］
アンダーフィルフィルムの貯蔵弾性率は、３次元実装体を作製する際に、２５０℃−１０秒間押圧した後、１７０℃−２時間の条件でキュアする前の状態の硬化後のアンダーフィルフィルムについて、動的粘弾性測定（ＤＭＡ：Dynamic Mechanical. Analysis）（装置名：ＴＡ社製ＲＳＡ３）を用いて、１０℃／ｍｉｎ、１Ｈｚの条件で測定した。結果を表１に示す。

【0056】

［貯蔵弾性率の積分値］
アンダーフィルフィルムの２５℃〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値（Int(G’)は、３次元実装体を作製する際に、２５０℃−１０秒間押圧した後、１７０℃−２時間の条件でキュアする前の状態の硬化後のアンダーフィルフィルムについて、動的粘弾性測定（装置名：ＴＡ社製ＲＳＡ３）を用いて、１０℃／ｍｉｎ、１Ｈｚの条件で測定した。結果を表１に示す。例えば、実施例１の積分値の測定結果は、１．５×１０Ｅ＋１１（１．５×１０^１１）である。他の実施例及び比較例も同様に、表１中の数値に「１０Ｅ＋１１」をかけた値が測定結果である。

【0057】

［溶融粘度］
アンダーフィルフィルムの１００℃における溶融粘度（Ｐａ・ｓ）及び最低溶融粘度時の温度（℃）は、各アンダーフィルフィルムについて、レオメータ（ＴＡ社製ＡＲＥＳ）を用いて、１０℃／ｍｉｎ、１Ｈｚの条件で測定した。結果を表１に示す。

【0058】

【表1】

【0059】

実施例の結果から、エポキシ樹脂と、硬化剤と、アクリルポリマーと、無機フィラーとを含有し、硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４〜３．６ＧＰａであり、硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０〜８００ＭＰａであり、硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１〜３．２×１０^１１であり、１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓ以下であるアンダーフィル材（アンダーフィルフィルム）を用いることにより、半導体ウエハの反りを抑制するともに、高い接続信頼性が得られることが分かった。

【0060】

一方、比較例１では、アンダーフィルフィルムの硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が３．６ＧＰａを超えるとともに、アンダーフィルフィルムの１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓを超えたため、半導体チップを１６段積層したときのウエハの反りが悪化した。

【0061】

比較例２では、アンダーフィルフィルムの硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が８００ＭＰａを超えたため、半導体チップを８段又は１６段積層したときの半導体ウエハの反りが悪化した。

【0062】

比較例３では、アンダーフィルフィルムの硬化後の１００℃における溶融粘度が１００００Ｐａ・ｓを超えるとともに、アンダーフィルフィルムの硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が３．２×１０^１１を超えたため、半導体チップを４段、８段又は１６段積層したときのウエハの反りが悪化した。また、比較例３では、アンダーフィルフィルムの硬化後の１００℃における溶融粘度が増大しすぎたため、実装荷重が増大し、ミラーウエハにより保護していた半導体ウエハのバンプ面の半田流れが生じた。

【0063】

比較例４では、アンダーフィルフィルムの硬化後の２５℃における貯蔵弾性率が２．４ＧＰａ未満であり、アンダーフィルフィルムの硬化後の１７０℃における貯蔵弾性率が７０ＭＰａ未満であり、アンダーフィルフィルムの硬化後の２５〜２５０℃の貯蔵弾性率の積分値が１．５×１０^１１未満であったため、アンダーフィルフィルムの硬化物が広温度域で低弾性化し、接続信頼性が悪化した。

【符号の説明】

【0064】

１ 基板（半導体ウエハ）、２，３，４，５ 半導体チップ、１ａ，２ａ，３ａ，４ａ，５ａ 半田付き電極、１ｂ，２ｂ，３ｂ，４ｂ 電極、１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，５ｃ 半田、６，７，８，９ アンダーフィルフィルム、１０ サポート基板、１１ 仮貼材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】