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(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】P2024080538
(43)【公開日】2024-06-13
(54)【発明の名称】チップ放熱面積を拡大する方法と構造と製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 23/29 20060101AFI20240606BHJP
H01L 23/427 20060101ALI20240606BHJP
H01L 23/36 20060101ALI20240606BHJP
H01L 21/60 20060101ALI20240606BHJP
【ＦＩ】
H01L23/36 A
H01L23/46 B
H01L23/36 Z
H01L21/60 311S
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022193837
(22)【出願日】2022-12-02
(71)【出願人】
【識別番号】390005175
【氏名又は名称】株式会社アドバンテスト
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】菅谷 慎二
(72)【発明者】
【氏名】大場 隆之
【テーマコード（参考）】
5F044
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F044KK01
5F044LL01
5F044RR17
5F044RR18
5F044RR19
5F136BA04
5F136BA06
5F136BC01
5F136BC02
5F136BC03
5F136CC12
5F136CC14
5F136DA14
5F136DA17
5F136FA02
5F136FA03
5F136FA24
(57)【要約】 （修正有）
【課題】チップ放熱面積を拡大する方法と構造と製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１００は、チップ基板１２２の第１面側に回路が形成され、チップ基板１２２の第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を第１面側よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造１２６が一体化された半導体チップ１２０と、半導体チップ１２０の第２面に接合された、基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体１３０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】半導体装置１００は、チップ基板１２２の第１面側に回路が形成され、チップ基板１２２の第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を第１面側よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造１２６が一体化された半導体チップ１２０と、半導体チップ１２０の第２面に接合された、基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体１３０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
チップ基板の第１面側に回路が形成され、前記チップ基板の前記第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を前記第１面側よりも減らして前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造が一体化された半導体チップと、
前記半導体チップの前記第２面に接合された、前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体と
を備える半導体装置。
前記半導体チップの前記第２面に接合された、前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体と
を備える半導体装置。
【請求項2】
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に鉛直な方向に投影した投影面積は、前記半導体チップの前記第２面の面積よりも大きい請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記遷移構造は、前記チップ基板本体の第２面側に形成された複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造に、前記熱伝導材料が充填された構造を有する請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記遷移構造は、前記熱伝導材料の充填前に、前記複数のトレンチ、前記複数の非貫通孔、または前記ポア構造の表面に、前記熱伝導材料の拡散を防止する拡散防止層を有する請求項３に記載の半導体装置。
【請求項5】
前記拡散防止層は、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＯ２、またはＳｉ３Ｎ４のうちの少なくとも１つを含む請求項４に記載の半導体装置。
【請求項6】
前記遷移構造は、前記第２面の表面において前記基板材料を含まない請求項１に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記半導体チップを搭載するパッケージ基板と、
前記熱伝導体および前記パッケージ基板の間における前記半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料が充填された第１アンダーフィル構造と
を更に備える請求項１に記載の半導体装置。
前記熱伝導体および前記パッケージ基板の間における前記半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料が充填された第１アンダーフィル構造と
を更に備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記半導体チップおよび前記パッケージ基板の間に第２アンダーフィル材料が充填された第２アンダーフィル構造を更に備える請求項７に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記第１アンダーフィル材料は、前記第２アンダーフィル材料と比較してフィラー粒子の含有率が高い請求項８に記載の半導体装置。
【請求項10】
前記熱伝導体は、ベイパーチャンバーを有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項11】
前記熱伝導体における前記半導体チップとは反対の面側に設けられたヒートシンクを更に備える請求項１に記載の半導体装置。
【請求項12】
チップ基板の第１面側に回路が形成された半導体チップにおける、前記チップ基板の前記第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を前記第１面側よりも減らして前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造を一体化することと、
前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することと
を備える半導体装置の製造方法。
前記基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することと
を備える半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記遷移構造を形成することは、
前記チップ基板本体の前記第２面側に、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造を形成することと、
前記複数のトレンチ、前記複数の非貫通孔、または前記ポア構造に前記熱伝導材料を充填することと
を有する請求項１２に記載の製造方法。
前記チップ基板本体の前記第２面側に、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造を形成することと、
前記複数のトレンチ、前記複数の非貫通孔、または前記ポア構造に前記熱伝導材料を充填することと
を有する請求項１２に記載の製造方法。
【請求項14】
前記遷移構造を形成することは、前記熱伝導材料の充填前に、前記複数のトレンチ、前記複数の非貫通孔、または前記ポア構造の表面に、前記熱伝導材料の拡散を防止する拡散防止層を形成することを有する請求項１３に記載の製造方法。
【請求項15】
パッケージ基板に前記半導体チップを搭載することと、
前記半導体チップに接合された前記熱伝導体および前記パッケージ基板の間における前記半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料を充填することと
を備える請求項１２に記載の製造方法。
前記半導体チップに接合された前記熱伝導体および前記パッケージ基板の間における前記半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料を充填することと
を備える請求項１２に記載の製造方法。
【請求項16】
前記第１アンダーフィル材料の充填において、前記熱伝導体に設けられた貫通孔を介して前記空間に前記第１アンダーフィル材料を注入する請求項１５に記載の製造方法。
【請求項17】
前記熱伝導体は、前記半導体チップが接合される面にアラインメントマークを有し、
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することは、前記熱伝導体の前記アラインメントマークを用いて前記熱伝導体および前記半導体チップの位置合わせを行う請求項１２に記載の製造方法。
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することは、前記熱伝導体の前記アラインメントマークを用いて前記熱伝導体および前記半導体チップの位置合わせを行う請求項１２に記載の製造方法。
【請求項18】
キャリア基板の表面に前記熱伝導体として用いられる熱伝導層を貼り合わせることを備え、
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することは、
複数の前記半導体チップの前記第２面を前記キャリア基板の表面の前記熱伝導層に接合することと、
前記複数の前記半導体チップが接合された前記熱伝導層を、前記キャリア基板から剥離することと、
前記複数の半導体チップが接合された前記熱伝導層を、前記半導体同士の間で切断することにより個片化することと
を含む請求項１２に記載の製造方法。
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することは、
複数の前記半導体チップの前記第２面を前記キャリア基板の表面の前記熱伝導層に接合することと、
前記複数の前記半導体チップが接合された前記熱伝導層を、前記キャリア基板から剥離することと、
前記複数の半導体チップが接合された前記熱伝導層を、前記半導体同士の間で切断することにより個片化することと
を含む請求項１２に記載の製造方法。
【請求項19】
前記熱伝導体を前記半導体チップの前記第２面に接合することは、
前記熱伝導体に含まれるべきベイパーチャンバーの内壁面の一部のみを有する熱伝導体部品を前記半導体チップの前記第２面に接合することと、
前記半導体チップおよび前記熱伝導体を含む半導体装置のリフローまたは熱硬化に伴う加熱の後に、前記ベイパーチャンバーの内壁面の他の部分を有する部品を前記熱伝導体部品に接合することにより前記ベイパーチャンバーとなる密封空間を形成することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
前記熱伝導体に含まれるべきベイパーチャンバーの内壁面の一部のみを有する熱伝導体部品を前記半導体チップの前記第２面に接合することと、
前記半導体チップおよび前記熱伝導体を含む半導体装置のリフローまたは熱硬化に伴う加熱の後に、前記ベイパーチャンバーの内壁面の他の部分を有する部品を前記熱伝導体部品に接合することにより前記ベイパーチャンバーとなる密封空間を形成することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項20】
パッケージ基板上に、第１の前記遷移構造が形成された第１の前記半導体チップおよび第２の前記遷移構造が形成された第２の前記半導体チップを実装することと、
前記第１の半導体チップおよび前記第２の半導体チップの前記第２面側から前記第１の前記遷移構造および前記第２の前記遷移構造を研磨することにより、前記パッケージ基板に対する前記第１の遷移構造および前記第２の遷移構造の高さを合わせることと、
１つの前記熱伝導体を、前記第１の半導体チップの前記第２面および前記第２の半導体チップの前記第２面に接合することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
前記第１の半導体チップおよび前記第２の半導体チップの前記第２面側から前記第１の前記遷移構造および前記第２の前記遷移構造を研磨することにより、前記パッケージ基板に対する前記第１の遷移構造および前記第２の遷移構造の高さを合わせることと、
１つの前記熱伝導体を、前記第１の半導体チップの前記第２面および前記第２の半導体チップの前記第２面に接合することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、チップ放熱面積を拡大する方法と構造と製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、「熱伝導繊維２は…銅…であってもよい。…伸縮性生地２は、ヒートシンク８との接着界面に近い側ほど熱伝導性繊維２が降温時においては密になるように収縮、昇温時においては疎になるように膨張し、熱応力の緩和に寄与する」と記載されている。特許文献２には、「冷却構造体Ｘは、ヒートシンク１０と、熱伝導部２０と、封止材３０とを備え、半導体素子４０などの電子部品に付設されている。…熱伝導部２０は、メッシュ材２１と、これに担持されている液体金属２２とからなる」と記載されている。非特許文献１は、ヒートシンクやＬｉｄが半導体とＴｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＴＩＭ）を介して接することを開示する。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００５－２３２２０７号公報
［特許文献２］ 特開２００３－３３２５０５号公報
［非特許文献］
［非特許文献１］ Ｘｉａｏｐｅｎｇ Ｈｕａｎｇ， Ｖａｄｉｍ Ｇｅｋｔｉｎ， ＬＩＤＤＥＤ ＶＳ． ＬＩＤＬＥＳＳ： Ａ ＴＨＥＲＭＡＬ ＳＴＵＤＹ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ ２０１８ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＩｎｔｅｒＰＡＣＫ２０１８， Ａｕｇｕｓｔ ２７－３０， ２０１８， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ， ＣＡ， ＵＳＡ
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２００５－２３２２０７号公報
［特許文献２］ 特開２００３－３３２５０５号公報
［非特許文献］
［非特許文献１］ Ｘｉａｏｐｅｎｇ Ｈｕａｎｇ， Ｖａｄｉｍ Ｇｅｋｔｉｎ， ＬＩＤＤＥＤ ＶＳ． ＬＩＤＬＥＳＳ： Ａ ＴＨＥＲＭＡＬ ＳＴＵＤＹ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ ２０１８ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ ＩｎｔｅｒＰＡＣＫ２０１８， Ａｕｇｕｓｔ ２７－３０， ２０１８， Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ， ＣＡ， ＵＳＡ
【発明の概要】
【0003】
本発明の第１の態様においては、チップ基板の第１面側に回路が形成され、チップ基板の第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を第１面側よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造が一体化された半導体チップと、半導体チップの第２面に接合された、基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体とを備える半導体装置を提供する。
【0004】
上記の装置において、熱伝導体を半導体チップの第２面に鉛直な方向に投影した投影面積は、半導体チップの第２面の面積よりも大きくてよい。
【0005】
上記のいずれかの装置において、遷移構造は、チップ基板本体の第２面側に形成された複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造に、熱伝導材料が充填された構造を有してよい。
【0006】
上記のいずれかの装置において、遷移構造は、熱伝導材料の充填前に、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造の表面に、熱伝導材料の拡散を防止する拡散防止層を有してよい。
【0007】
上記のいずれかの装置において、拡散防止層は、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＯ２、またはＳｉ３Ｎ４のうちの少なくとも１つを含んでよい。
【0008】
上記のいずれかの装置において、遷移構造は、第２面の表面において基板材料を含まなくてよい。
【0009】
上記のいずれかの装置は、半導体チップを搭載するパッケージ基板と、熱伝導体およびパッケージ基板の間における半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料が充填された第１アンダーフィル構造とを更に備えてよい。
【0010】
上記のいずれかの装置は、半導体チップおよびパッケージ基板の間に第２アンダーフィル材料が充填された第２アンダーフィル構造を更に備えてよい。
【0011】
上記のいずれかの装置において、第１アンダーフィル材料は、第２アンダーフィル材料と比較してフィラー粒子の含有率が高くてよい。
【0012】
上記のいずれかの装置において、熱伝導体は、ベイパーチャンバーを有してよい。
【0013】
上記のいずれかの装置は、熱伝導体における半導体チップとは反対の面側に設けられたヒートシンクを更に備えてよい。
【0014】
本発明の第２の態様においては、チップ基板の第１面側に回路が形成された半導体チップにおける、チップ基板の第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を第１面側よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造を一体化することと、基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導体を半導体チップの第２面に接合することとを備える半導体装置の製造方法を提供する。
【0015】
上記の製造方法において、遷移構造を形成することは、チップ基板本体の第２面側に、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造を形成することと、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造に熱伝導材料を充填することとを有してよい。
【0016】
上記のいずれかの製造方法において、遷移構造を形成することは、熱伝導材料の充填前に、複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造の表面に、熱伝導材料の拡散を防止する拡散防止層を形成することを有してよい。
【0017】
上記のいずれかの製造方法において、パッケージ基板に半導体チップを搭載することと、半導体チップに接合された熱伝導体およびパッケージ基板の間における半導体チップが存在しない空間に第１アンダーフィル材料を充填することとを備えてよい。
【0018】
上記のいずれかの製造方法において、第１アンダーフィル材料の充填において、熱伝導体に設けられた貫通孔を介して空間に第１アンダーフィル材料を注入してよい。
【0019】
上記のいずれかの製造方法において、熱伝導体は、半導体チップが接合される面にアラインメントマークを有し、熱伝導体を半導体チップの第２面に接合することは、熱伝導体のアラインメントマークを用いて熱伝導体および半導体チップの位置合わせを行ってよい。
【0020】
上記のいずれかの製造方法は、キャリア基板の表面に熱伝導体として用いられる熱伝導層を貼り合わせることを備え、熱伝導体を半導体チップの第２面に接合することは、複数の半導体チップの第２面をキャリア基板の表面の熱伝導層に接合することと、複数の半導体チップが接合された熱伝導層を、キャリア基板から剥離することと、複数の半導体チップが接合された熱伝導層を、半導体同士の間で切断することにより個片化することとを含んでよい。
【0021】
上記のいずれかの製造方法において、熱伝導体を半導体チップの第２面に接合することは、熱伝導体に含まれるべきベイパーチャンバーの内壁面の一部のみを有する熱伝導体部品を半導体チップの第２面に接合することと、半導体チップおよび熱伝導体を含む半導体装置のリフローまたは熱硬化に伴う加熱の後に、ベイパーチャンバーの内壁面の他の部分を有する部品を熱伝導体部品に接合することによりベイパーチャンバーとなる密封空間を形成することとを含んでよい。
【0022】
上記のいずれかの製造方法は、パッケージ基板上に、第１の遷移構造が形成された第１の半導体チップおよび第２の遷移構造が形成された第２の半導体チップを実装することと、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップの第２面側から第１の遷移構造および第２の遷移構造を研磨することにより、パッケージ基板に対する第１の遷移構造および第２の遷移構造の高さを合わせることと、１つの熱伝導体を、第１の半導体チップの第２面および第２の半導体チップの第２面に接合することとを含んでよい。
【0023】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す。
【図2】本実施形態に係る遷移構造１２６の第１例の斜視図を示す。
【図3A】本実施形態に係る遷移構造１２６の第２例の斜視図を示す。
【図3B】本実施形態に係る遷移構造１２６の第２例の断面図を示す。
【図4】遷移構造４００中の、基板材料および熱伝導材料の間に形成する層構造の一例を示す。
【図5】ベイパーチャンバー５００の構成を示す。
【図6A】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における半導体チップ１２０を製造する段階を示す。
【図6B】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法におけるトレンチ６１０を形成する段階を示す。
【図6C】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における熱伝導材料６２０を充填する段階を示す。
【図6D】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における遷移構造１２６を形成する段階を示す。
【図7A】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態におけるパッケージ基板１１０に半導体チップ１２０を搭載する段階を示す。
【図7B】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態における半導体チップ１２０と熱伝導体１３０とを接合する段階を示す。
【図7C】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態における第１アンダーフィル構造１６０を形成する段階を示す。
【図8A】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態におけるキャリア基板８００の構造を示す。
【図8B】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０を形成する段階を示す。
【図8C】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０と半導体チップ１２０とを接合する段階を示す。
【図8D】本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０および半導体チップ１２０をキャリア基板８００から剥離する段階を示す。
【図9A】半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における半導体チップ１２０と第１熱伝導体部品５１０とを接合する段階を示す。
【図9B】半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における第１熱伝導体部品５１０内に冷却液５４０を注入する段階を示す。
【図9C】半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における第１熱伝導体部品５１０と第２熱伝導体部品５２０とを接合する段階を示す。
【図10A】複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における第１の半導体チップ１０１０と第２の半導体チップ１０１５とをパッケージ基板１１０に搭載する段階を示す。
【図10B】複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５の高さを合わせる段階を示す。
【図10C】複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における熱伝導体１３０を第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５に接合する段階を示す。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0026】
図１は、本実施形態に係る半導体装置１００の構成を示す。半導体装置１００は、パッケージ基板１１０と、半導体チップ１２０と、熱伝導体１３０と、ＴＩＭ１４０と、ヒートシンク１５０と、第１アンダーフィル構造１６０と、第２アンダーフィル構造１７０とを備える。
【0027】
パッケージ基板１１０は、半導体装置１００を搭載するプリント基板等の基板に電気的に接続される実装面と、半導体チップ１２０等の半導体装置１００の各部品を搭載する部品搭載面とを有する。パッケージ基板１１０は、実装面側に、半導体装置１００を搭載する基板に設けられた複数の電極に接続される複数のバンプ１１５を有する。複数のバンプ１１５は、金、銅またははんだ等により形成されてよい。また、パッケージ基板１１０は、交互に積層された１または複数の絶縁層および１または複数の配線層と、複数の層を貫通する導電性の１または複数の貫通ビアとを有してよい。パッケージ基板１１０は、１または複数の配線層および１または複数の貫通ビアを介して、複数のバンプ１１５と半導体チップ１２０との間を電気的に接続する。なお、パッケージ基板１１０は、複数の半導体チップ１２０を搭載してもよい。この場合、パッケージ基板１１０は、ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ－Ｃｈｉｐ Ｍｏｄｕｌｅ）となる。
【0028】
半導体チップ１２０は、パッケージ基板１１０に搭載される。半導体チップ１２０は、チップ基板１２２と、複数のバンプ１２４とを有する。チップ基板１２２には、パッケージ基板１１０側の実装面（「第１面」とも示す。）側に回路が形成される。すなわち、半導体チップ１２０は、フリップチップ実装により回路面がフェイスダウンとなる向きにパッケージ基板１１０に搭載される。
【0029】
チップ基板１２２には、第１面とは反対の第２面側に遷移構造１２６が基板本体１２３と一体化される。ここで、チップ基板１２２の基板本体１２３は、シリコン等の基板材料で形成される。これに対し、遷移構造１２６は、チップ基板本体１２３の基板材料の比率を第１面側（あるいは回路および遷移構造１２６が設けられていない基板本体１２３の中央部分）よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えたものである。すなわち、チップ基板１２２は、チップ基板１２２の第２面側における遷移構造１２６が形成された領域において、チップ基板１２２の第１面側における回路部分以外の領域と比較して、熱伝導材料の比率が高い構造を有する。熱伝導材料は、銅、多結晶ダイヤモンド、またはその他の基板材料と比較して熱伝導率が高い任意の材料であってよい。
【0030】
遷移構造１２６は、チップ基板本体１２３の第２面側に形成された複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造に、熱伝導材料が充填された構造を有してよい。ここでトレンチは、鉛直壁を有してよいし、第２面側の開口から奥へと進むにつれてトレンチの幅が狭くなるテーパー状であってもよい。また、非貫通孔は、鉛直壁を有してよいし、第２面側の開口から奥へと進むにつれて孔が狭くなるテーパー状であってもよい。また、遷移構造１２６は、基板材料と熱伝導材料とを周期的または非周期的なモザイク状に混合配置した構造を有してよい。
【0031】
複数のバンプ１２４は、チップ基板１２２の第１面側に配置され、パッケージ基板１１０の部品搭載面に設けられた複数の電極に接続される。複数のバンプ１２４のそれぞれは、金、銅またははんだ等により形成されてよい。
【0032】
熱伝導体１３０は半導体チップ１２０の第２面に接合され、基板本体１２３の基板材料よりも熱伝導率が高い。熱伝導体１３０は、銅、多結晶ダイヤモンド、またはその他の基板本体１２３の基板材料と比較して熱伝導率が高い任意の材料で形成されてよい。熱伝導体１３０は、遷移構造１２６に含まれる熱伝導材料と同一であっても異なっていてもよい。
【0033】
本図に示したように、熱伝導体１３０を半導体チップ１２０の第２面に鉛直な方向に投影した投影面積（すなわち半導体装置１００を図中上方から透視したときの熱伝導体１３０の面積）は、半導体チップ１２０の第２面の面積よりも大きくてよい。熱伝導体１３０の厚さは、チップ基板１２２の厚さの１／１０～１００倍であってよい。
【0034】
ＴＩＭ１４０は、熱伝導体１３０とヒートシンク１５０との間に設けられる。ＴＩＭ１４０は、インジウム、ガリンスタンのような融点の低い金属および金属合金で形成されてよく、熱伝導性が高いペースト状のグリス等であってもよい。ＴＩＭ１４０は、熱伝導体１３０とヒートシンク１５０との間の応力を緩和する。
【0035】
ヒートシンク１５０は、熱伝導体１３０における半導体チップ１２０とは反対の面側に設けられる。ヒートシンク１５０は、半導体チップ１２０で発生する熱を熱伝導体１３０およびＴＩＭ１４０を介して受け取って、半導体装置１００の外部に放熱する。ヒートシンク１５０は、放熱効率を高めるために、表面積が大きい構造を有してよい。例えば、ヒートシンク１５０は、ヒートシンク１５０に接する面とは垂直に複数のフィン（薄板）を平行に並べた構造、または、ヒートシンク１５０に接する面とは垂直に複数の棒を並べた剣山状の構造であってよい。ヒートシンク１５０は、銅またはアルミニウム等の熱伝導性が比較的高い材料で形成されてよい。半導体装置１００は、ヒートシンク１５０の代わりに、ベイパーチャンバーやヒートポンプ、熱交換器などの他の放熱部材を備えてもよい。
【0036】
第１アンダーフィル構造１６０は、熱伝導体１３０およびパッケージ基板１１０の間における半導体チップ１２０が存在しない空間に設けられる。第１アンダーフィル構造１６０は、熱伝導体１３０およびパッケージ基板１１０の間に第１アンダーフィル材料が充填されることにより形成される。第１アンダーフィル材料は、フィラー粒子を含む熱硬化型樹脂であってよく、後述する第２アンダーフィル構造１７０の第２アンダーフィル材料と比較してフィラー粒子の含有率が高くてもよい。フィラー粒子は、シリカまたはアルミナ等であってよく、フィラー粒子の大きさは数μｍ～数十μｍであってよい。第１アンダーフィル材料は、フィラー粒子を含むことにより、フィラー粒子を含まない場合と比較して基板本体１２３の基板材料により近い熱膨張係数を有することができる。
【0037】
第２アンダーフィル構造１７０は、半導体チップ１２０およびパッケージ基板１１０の間に設けられる。第２アンダーフィル構造１７０は、半導体チップ１２０およびパッケージ基板１１０の間に第２アンダーフィル材料が充填されることにより形成される。第２アンダーフィル材料は、熱硬化型樹脂であってよい。第２アンダーフィル材料は、第１アンダーフィル材料と同様にフィラー粒子を含んでもよい。
【0038】
以上の半導体装置１００によれば、基板材料の割合を減らして熱伝導材料の比率を増やした遷移構造１２６を半導体チップ１２０に設けることにより、半導体チップ１２０と熱伝導体１３０との接触面で生じる熱応力を緩和することができ、ＴＩＭを介さずにチップ基板１２２および熱伝導体１３０を接合することが可能となる。また、半導体装置１００は、このような遷移構造１２６により回路で発生する熱を基板本体１２３の基板材料から高効率で熱伝導材料へと移動させて、熱伝導体１３０へと伝導させることができる。
【0039】
また、半導体装置１００は、半導体チップ１２０の第２面からの熱を熱伝導体１３０により図１の水平方向に拡散して、半導体チップ１２０の第２面よりも広い面積で熱伝導体１３０に接するヒートシンク１５０へと放熱する。これにより、半導体装置１００は、基板本体１２３の第２面にＴＩＭを介してヒートシンク１５０を接続した場合と比較して、より多くの熱を半導体チップ１２０からヒートシンク１５０へと放熱することができる。
【0040】
図２は、本実施形態に係る遷移構造１２６の第１例の斜視図を示す。本図の紙面下側はチップ基板１２２の第１面側、紙面上側はチップ基板１２２の第２面側である。本図の例においては、基板本体１２３は、第２面を六角格子状に区分した正六角形の各領域について、各領域の中心部においては基板材料２００を残し、中心部以外においてはエッチング等によってある程度の深さ（本図の例においては１００μｍ程度）まで基板材料２００を除去して熱伝導材料２１０を充填した構造をとる。本図の例において、各領域の中心部には基板材料２００による正六角柱状の柱状部が形成される。
【0041】
このように、遷移構造１２６は、例えば格子状（三角格子、四角格子、六角格子等）等のように規則的に配列された基板材料２００の柱状部の周囲に熱伝導材料２１０を埋め込んだ構造を採ってよい。これに代えて、遷移構造１２６は、不規則に配置された基板材料２００の柱状部の周囲に熱伝導材料２１０を埋め込んだ構造を採ってもよい。ここで、基板材料２００の柱状部は、第２面に対して鉛直な壁面を有してよく、第２面と平行な断面が多角形、正多角形、円形、楕円形、またはその他の任意の形状を有してよい。また、基板材料２００の柱状部は、第２面側から奥へと進むにつれて断面積が大きくなるテーパー状であってもよい。また、遷移構造１２６は、上記とは逆に、基板本体１２３の第２面を規則的または不規則的に区分した各領域の中心部以外において基板材料２００を残し、中心部をエッチング等によってある程度の深さまで基板材料２００を除去して熱伝導材料２１０を充填した構造をとってもよい。また、紙面上側には熱伝導体１３０が存在する。熱伝導体１３０が遷移構造１２６と接する面に適度なポアを設けることで、熱伝導体１３０側における遷移構造１２６の継続を図ってもよい。熱伝導体１３０に設けられたポアは、第２面と鉛直な壁面を有した柱状のポアであってよく、第２面と平行な断面が多角形、正多角形、円形、楕円形、またはその他の任意の形状を有してよい。また、熱伝導体１３０に設けられたポアは、テーパー状であってもよい。
【0042】
以上に示した遷移構造１２６を第２面側に有するチップ基板１２２は、遷移構造１２６が形成された領域よりも第１面側では面方向の断面における基板材料の割合が１００％であるが、遷移構造１２６が形成された領域においては面方向の断面における基板材料の割合が１００％未満（例えば１０～９０％、２５～７５％、４０～６０％等）、熱伝導材料の割合が０％超（例えば９０～１０％、７５～２５％、６０～４０％等）となる。そして、遷移構造１２６は、チップ基板１２２の第２面側において熱伝導体１３０に接合されて固定される。ここで、熱伝導体１３０の熱伝導材料の熱膨張率が基板材料の熱膨張率よりも遷移構造１２６の熱伝導材料の熱膨張率により近ければ、遷移構造１２６は、遷移構造１２６が形成されていない領域の基板本体１２３の熱膨張率と熱伝導体１３０の熱膨張率との間の熱膨張率を有する。したがって、半導体装置１００は、チップ基板１２２に遷移構造１２６を設けることによりチップ基板１２２および熱伝導体１３０の間に生じる熱応力を緩和することができ、ＴＩＭを介さずに直接接合して固定することが可能となる。
【0043】
図３Ａは、本実施形態に係る遷移構造１２６の第２例の斜視図を示す。図３Ｂは、本実施形態に係る遷移構造１２６の第２例の断面図を示す。本図の紙面下側はチップ基板１２２の第１面側、紙面上側はチップ基板１２２の第２面側である。本図の例においては、基板本体１２３は、第２面に格子状に形成されたある程度の深さ（本図の例においては５０μｍ程度）の複数の非貫通孔を有し、非貫通孔内に熱伝導材料３１０を充填した構造をとる。本図の例において、非貫通孔は一辺の長さが５μｍ程度（対向する頂点間の距離が９μｍ程度）の正六角形状であり、第２面側から奥へと進むにつれて断面積が小さくなる傾斜構造を有する。すなわち、第２面側から第１面側へと進むにつれて熱伝導材料３１０の割合（密度）が減少し、基板材料３００の割合（密度）が増加する。
【0044】
このように、遷移構造１２６は、例えば格子状（三角格子、四角格子、六角格子等）等のように規則的または不規則的に配列されたトレンチの内部に熱伝導材料３１０を埋め込んだ構造を採ってよい。ここで、トレンチ同士は接していても接していなくてもよい。また、トレンチは、第２面と平行な断面が多角形、正多角形、円形、楕円形、またはその他の任意の形状を有してよい。トレンチは、第２面に対して鉛直な壁面を有してよく、断面積が一定であってよい。トレンチは、第２面側から奥へと進むにつれて断面積が小さくなる傾斜構造を有してもよく、途中で断面の形状が変化してもよい。
【0045】
以上に示した遷移構造１２６を設けることにより、半導体装置１００は、図２に関連して説明したように、チップ基板１２２および熱伝導体１３０の間に生じる熱応力を緩和することができ、ＴＩＭを介さずに直接接合して固定することが可能となる。
【0046】
図４は、遷移構造４００中の、基板材料および熱伝導材料の間に形成する層構造の一例を示す。遷移構造４００は、図１から図３Ｂに示した遷移構造１２６として用いられてよい。遷移構造４００は、基板本体１２３に形成した１つのトレンチまたは非貫通孔等に熱伝導材料を充填した部分の層構造の一例を示す。本図の遷移構造４００は、第２面４０５の表面または表面のコーティングを除く領域において面方向の断面に基板材料４１０を含まず熱伝導材料４２０がほぼ１００％となる領域を有する。
【0047】
遷移構造４００は、基板本体１２３の第２面４０５側に複数のトレンチ、複数の非貫通孔、またはポア構造等の表面、すなわち基板本体１２３の第２面側にこれらの形状を形成することにより露出する基板材料４１０の表面に、熱伝導材料４２０が基板材料４１０側へと拡散するのを防止する拡散防止層４３０を有する。拡散防止層４３０は、Ｔａ、ＴａＮ、ＳｉＯ２、またはＳｉ３Ｎ４のうちの少なくとも１つを含んでよい。
【0048】
本図の例において、拡散防止層４３０は、絶縁層４３２とバリアメタル層４３４を有する多層構造をとる。絶縁層４３２は、基板材料４１０とバリアメタル層４３４との間に形成されてよい。絶縁層４３２は、一例として５０ｎｍ～１００ｎｍの厚さを有してよい。絶縁層４３２は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、またはその他の絶縁材料を含んでよい。絶縁層４３２を設けることにより、半導体チップ１２０の第１面側の回路と熱伝導体１３０との間を電気的に絶縁することができ、回路の電位を安定させることができる。
【0049】
バリアメタル層４３４は、熱伝導材料４２０と絶縁層４３２との間に形成されてよい。バリアメタル層４３４は、一例として２０ｎｍ～１００ｎｍの厚さを有してよい。バリアメタル層４３４は、ＴａまたはＴａＮの少なくとも１つを含んでよい。バリアメタル層４３４を設けることにより、熱伝導材料４２０が基板材料４１０側へと拡散するのを防ぐことができる。
【0050】
遷移構造４００は、基板本体１２３の第２面４０５側に酸化防止層４４０を有してもよい。酸化防止層４４０は、一例として２０ｎｍ～１００ｎｍの厚さを有してよい。酸化防止層４４０は、Ｎｉ等の熱伝導材料４２０よりも酸化しにくい材料を含んでよい。酸化防止層４４０は、遷移構造４００の表面が酸化するのを防止し、また遷移構造４００と熱伝導体１３０との接合をし易くする役割を有する。
【0051】
図５は、ベイパーチャンバー５００の構成を示す。半導体装置１００は、図１に示したような板状の熱伝導板に代えて、ベイパーチャンバー５００を熱伝導体１３０として用いてよい。ベイパーチャンバー５００は、中空構造を有し、内部に冷却液５４０を有する。ベイパーチャンバー５００の内部は真空であってよい。ベイパーチャンバー５００は、第１熱伝導体部品５１０と、第２熱伝導体部品５２０と、突起部５３０と、冷却液５４０とを有する。
【0052】
第１熱伝導体部品５１０は、ベイパーチャンバー５００の内壁面の一部のみを有する。本図の例において、第１熱伝導体部品５１０は、冷却液５４０を収容する容器における底面および側面に対応する内壁面を有する。第１熱伝導体部品５１０は、冷却液５４０を収容する容器における内壁面の大半を有してもよい。第１熱伝導体部品５１０は、銅またはアルミニウムなどの熱伝導性が比較的高い材料で形成されてよい。第１熱伝導体部品５１０は、遷移構造中の熱伝導材料と接合しやすい材料、例えば遷移構造中の熱伝導材料と同一の材料で形成されてもよい。
【0053】
第２熱伝導体部品５２０は、ベイパーチャンバー５００の内壁面の他の部分を有する。本図の例において、第２熱伝導体部品５２０は、冷却液５４０を収容する容器における上面に対応する内壁面を有する。第２熱伝導体部品５２０は、薄板であってよい。第２熱伝導体部品５２０は、第１熱伝導体部品５１０と接合することで、ベイパーチャンバー５００の中空構造を形成する。第２熱伝導体部品５２０は、冷却液５４０の内壁面側に複数の突起部５３０を有してよい。第２熱伝導体部品５２０は、銅またはアルミニウムなどの熱伝導性が比較的高い材料で形成されてよい。複数の突起部５３０のうちの少なくとも一部は、第１熱伝導体部品５１０の底面まで延伸してもよい。
【0054】
冷却液５４０は、ベイパーチャンバー５００の中空構造内の底部に封入される。冷却液５４０は、純水などの液体である。冷却液５４０は、第１熱伝導体部品５１０と接する熱源によって熱せられ、蒸発して気体となって空間内に広がった後、冷却されて液体に戻り、突起部５３０による毛細管現象によって底部に戻る。
【0055】
なお、半導体装置１００は、本図のベイパーチャンバー５００に代えて、他の構造を有するベイパーチャンバーを用いてもよい。一例として、ベイパーチャンバーは、第１熱伝導体部品５１０に代えて冷却液５４０を注入する注入口を有する容器状の部品をベイパーチャンバーの内壁面の一部のみを有する熱伝導体部品として有し、第２熱伝導体部品５２０に代えて注入口の蓋となる部品をベイパーチャンバーの内壁面の他の部分を有する部品として有してもよい。この場合、注入口の蓋となる部品は必ずしも熱伝導性が高くなくてもよい。
【0056】
図６Ａ～Ｄおよび図７Ａ～Ｃは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法を示す。半導体装置１００の製造方法は、図６Ａ～Ｄに示した遷移構造１２６の形成を含む半導体チップ１２０自体の製造工程と、図７Ａ～Ｃに示した半導体装置１００の製造工程とを備える。
【0057】
図６Ａは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における半導体チップ１２０を製造する段階を示す。本工程において、シリコン等の基板材料で形成されたウェハの状態で、チップ基板１２２（すなわちウェハにおける半導体チップ１２０の個片化後に図１のチップ基板１２２となる領域）の第１面側（紙面下側）に回路６００を形成し、半導体チップ１２０（個片化後に図１の半導体チップ１２０となる構造）を製造する。
【0058】
図６Ｂは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法におけるトレンチ６１０を形成する段階を示す。本工程において、チップ基板１２２の第１面とは反対の第２面側（紙面上側）に、ドライエッチングまたはウェットエッチングによる選択的エッチング等により、複数のトレンチ６１０を形成する。トレンチ６１０の深さは、後に接合する熱伝導体１３０の厚み程度であってよい。
【0059】
図６Ｃは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における熱伝導材料６２０を充填する段階を示す。複数のトレンチ６１０に熱伝導材料６２０を充填する。例えば、シード層となる熱伝導材料層をスパッタリングで形成した後、電解メッキを用いて熱伝導材料６２０を充填する。熱伝導材料６２０の充填は、トレンチ６１０の幅の半分程度の厚みがあればよい。熱伝導材料６２０の充填前に、複数のトレンチ６１０の表面に、熱伝導材料の拡散を防止する拡散防止層４３０を形成してもよい。
【0060】
図６Ｄは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法における遷移構造１２６を形成する段階を示す。熱伝導材料６２０の表面を化学機械研磨法（ＣＭＰ法）等により鏡面研磨する。なお、遷移構造１２６表面上に酸化防止層４４０を形成してもよい。これにより、チップ基板の第１面とは反対の第２面側に、チップ基板本体の基板材料の比率を第１面側よりも減らして基板材料よりも熱伝導率が高い熱伝導材料を加えた遷移構造１２６を一体化する。
【0061】
なお、図６Ａ～Ｄに示した製造方法によれば、半導体チップ１２０における基板本体１２３の第２面側に複数のトレンチ６１０を形成し、複数のトレンチ６１０に熱伝導材料６２０を充填することによって、元の基板本体１２３と一体である基板材料の構造部分と複数のトレンチ６１０に充填された熱伝導材料６２０の構造部分とを含む遷移構造１２６が一体に形成されたチップ基板１２２を製造することができる。これに代えて、図６Ａに示した工程で第１面側に回路６００を形成したチップ基板１２２の第２面に、図６Ｂ～Ｄと同様の方法によって製造した、遷移構造１２６を有するが回路６００を有しない基板を、接着層を用いた接着、または、プラズマ活性化による接合等によって分離不能に貼り合わせることで、半導体チップ１２０の第２面側に遷移構造１２６を一体化させてもよい。
【0062】
図７Ａは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態におけるパッケージ基板１１０に、個片化した半導体チップ１２０を搭載する段階を示す。本工程においては、まず、図６Ｄに示したウェハ状態の半導体チップ１２０を個片化し、回路面の各電極にバンプ１２４を形成する。次に、部品搭載面側に半導体チップ１２０の各バンプ１２４に接続されるべき電極パッドを有し、実装面側に複数のバンプ１１５を有し、各電極パッドおよび対応するバンプ１１５を電気的に接続する配線層を有するパッケージ基板１１０を準備する。そして、パッケージ基板１１０の部品搭載面に、半導体チップ１２０を搭載する。半導体チップ１２０の各バンプ１２４は、パッケージ基板１１０の部品搭載面における対応する電極パッドへと接合される。さらに、パッケージ基板１１０と半導体チップ１２０の間に第２アンダーフィル材料を注入して、第２アンダーフィル構造１７０を設けてよい。
【0063】
図７Ｂは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態における半導体チップ１２０と熱伝導体１３０とを接合する段階を示す。本図の工程において、半導体チップ１２０および熱伝導体１３０の表面をプラズマ処理によって活性化してから、熱伝導体１３０を、半導体チップ１２０の第２面、すなわち遷移構造１２６が形成された面に接合する。熱伝導体１３０は、半導体チップ１２０が接合される面にアラインメントマークを有してよい。これにより、熱伝導体１３０を半導体チップ１２０の第２面に接合する際に、熱伝導体１３０のアラインメントマークを用いて熱伝導体１３０および半導体チップ１２０の位置合わせを行うことができる。熱伝導体１３０は、半導体チップ１２０と対面する側であって半導体チップ１２０と接しない面に各種の捺印、例えば、熱伝導体部材の情報を記載した捺印を設けてもよい。これにより、半導体装置１００の製造者または製造装置は、目視あるいは機械的読み取りによって、熱伝導体１３０として正しい部品を選択することが容易になる。
【0064】
図７Ｃは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第１実施形態における第１アンダーフィル構造１６０を形成する段階を示す。必要に応じて、半導体チップ１２０に接合された熱伝導体１３０およびパッケージ基板１１０の間における半導体チップ１２０が存在しない空間に第１アンダーフィル材料を充填し、第１アンダーフィル構造１６０を形成する。空間への第１アンダーフィル材料の注入は、熱伝導体１３０に設けられた貫通孔を介して行われてもよい。
【0065】
図８Ａは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態におけるキャリア基板８００の構造を示す。本工程において、キャリア基板８００を準備する。キャリア基板８００は、ウェハ形状であっても、矩形形状であってもよい。キャリア基板８００は、シリコン、ガラス、またはその他の板状の剛体であってよく、プラスチックフィルム等の可撓性を有する板状の基体であってもよい。
【0066】
図８Ｂは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０を形成する段階を示す。本工程において、キャリア基板８００の表面に熱伝導層８１０を形成する。本工程においては、一例としてキャリア基板８００の表面に接着材を塗布した後に、薄膜の熱伝導層８１０を貼り付けてよい。熱伝導層８１０は、図１に示した熱伝導体１３０となる。熱伝導層８１０は、一例として０．２ｍｍ厚程度であってよい。
【0067】
図８Ｃは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０と半導体チップ１２０とを接合する段階を示す。本工程において、熱伝導層８１０および半導体チップ１２０の表面をプラズマ処理によって活性化してから、個片化した複数の半導体チップ１２０の第２面をキャリア基板８００の表面の熱伝導層８１０に接合する。半導体チップ１２０は、隣り合う半導体チップ１２０同士が接触しないよう、間隔をあけて接合されてよい。このことにより、後述の個片化後に、熱伝導体１３０を半導体チップ１２０の第２面に鉛直な方向に投影した投影面積を、半導体チップ１２０の第２面の面積よりも大きくすることができる。
【0068】
図８Ｄは、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法の第２実施形態における熱伝導層８１０をキャリア基板８００から剥離する段階を示す。本工程において、複数の半導体チップ１２０が接合された熱伝導層８１０を、半導体チップ１２０同士の間で切断してキャリア基板８００から剥離することにより個片化する。これにより、キャリア基板８００は、半導体チップ１２０が接合されて剥離されなかった領域のみに熱伝導層８１０が残った状態となる。なお、キャリア基板８００としてプラスチックフィルムを用いる場合には、キャリア基板８００は、熱伝導層８１０を切断する際に熱伝導層８１０と共に切断されてよい。半導体チップ１２０と半導体チップ１２０の間にモールドを充填してもよい。この場合、モールドは第１アンダーフィル構造１６０の一部となってよい。
【0069】
図９Ａは、半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における半導体チップ１２０と第１熱伝導体部品５１０とを接合する段階を示す。本工程において、第１熱伝導体部品５１０および半導体チップ１２０の表面をプラズマ処理によって活性化し、第１熱伝導体部品５１０を半導体チップ１２０の第２面に接合する。
【0070】
図９Ｂは、半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における第１熱伝導体部品５１０内に冷却液５４０を注入する段階を示す。本工程は、不図示であるが、半導体チップおよび熱伝導体を含む半導体装置のリフローまたは熱硬化に伴う加熱の後に行う。
【0071】
図９Ｃは、半導体チップ１２０とベイパーチャンバー５００の接合方法における第１熱伝導体部品５１０と第２熱伝導体部品５２０とを接合する段階を示す。本工程において、第１熱伝導体部品５１０および第２熱伝導体部品５２０の間の中空空間を真空としつつ第１熱伝導体部品５１０と第２熱伝導体部品５２０とを接合することにより、ベイパーチャンバー５００となる密封空間を形成する。
【0072】
ここで、上記のベイパーチャンバー５００の接合方法に代えて、ベイパーチャンバー５００の密封空間内で冷却液５４０が注入された後に加熱工程を行う場合には、冷却液５４０が過度に熱されて完全に沸騰し、密封空間が高圧となってベイパーチャンバー５００が破裂する可能性がある。以上に示したベイパーチャンバー５００の接合方法によれば、半導体装置１００の製造において必要となるリフロー等の加熱工程の後に第１熱伝導体部品５１０に冷却液５４０を注入して第２熱伝導体部品５２０を接合することで、加熱工程でベイパーチャンバー５００が破裂することを防ぐことができる。
【0073】
図１０Ａは複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における第１の半導体チップ１０１０と第２の半導体チップ１０１５とをパッケージ基板１１０に搭載する段階を示す。半導体装置１０００は、図１に示した変形例であるから、以下相違点を除き説明を省略する。半導体装置１０００は、複数の半導体チップ（本図の例においては第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５）を搭載するＭＣＭ（マルチチップモジュール）である。
【0074】
本工程において、まず、第１の遷移構造１０２０が形成された第１の半導体チップ１０１０、第２の遷移構造１０２５が形成された第２の半導体チップ１０１５、およびパッケージ基板１１０を準備する。第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５は、図１に示した半導体チップ１２０と同様の構造を有してよい。第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５には、同じ機能を有する回路が形成されてよく、互いに異なる機能を有する回路が形成されてもよい。
【0075】
第１の遷移構造１０２０は、第１の半導体チップ１０１０のチップ基板本体の第１面側に余分に形成されたマージン領域１０３０を含む。同様に、第２の遷移構造１０２５は、第２の半導体チップ１０１５のチップ基板本体の第１面側に厚めに形成されたマージン領域１０３５を含む。マージン領域１０３０およびマージン領域１０３５は、熱伝導材料の割合が１００％かつ基板材料の割合が０％の領域であってよく、基板材料の割合が０％を超え１００％未満の領域であってもよい。
【0076】
本工程において、パッケージ基板１１０上に、第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５を実装する。パッケージ基板１１０への第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５の搭載は、バンプ１２４を介してよい。パッケージ基板１１０と第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５との間に第２アンダーフィル材料を充填して、第２アンダーフィル構造１７０を設けてよい。
【0077】
図１０Ｂは、複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５の高さを合わせる段階を示す。ここで、パッケージ基板１１０の部品搭載面に対する第１の半導体チップ１０１０の第１面および第２の半導体チップ１０１５の第１面の高さは、バンプ１２４の大きさの誤差、第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５のチップ基板本体の厚みの誤差、第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５の厚みの誤差等の影響により若干異なっている場合がある。本工程においては、第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５の第２面側から第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５をＣＭＰ法等によって研磨して、パッケージ基板１１０に対する第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５の高さを合わせる。この工程において、第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５のマージン領域１０３０およびマージン領域１０３５の少なくとも一部が研磨されてよい。
【0078】
図１０Ｃは、複数の半導体チップを含む半導体装置１０００の製造方法における熱伝導体１３０を第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５に接合する段階を示す。第１の半導体チップ１０１０、第２の半導体チップ１０１５および熱伝導体１３０の表面をプラズマ処理によって活性化してから、１つの熱伝導体１３０を、第１の半導体チップ１０１０の第２面および第２の半導体チップ１０１５の第２面に接合する。必要に応じて、パッケージ基板１１０および熱伝導体１３０の間における第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５が存在しない空間に第１アンダーフィル材料を充填し、第１アンダーフィル構造１６０を形成してもよい。
【0079】
以上の製造方法によれば、第１の半導体チップ１０１０および第２の半導体チップ１０１５等のように複数の半導体チップを備える半導体装置１０００の製造において、複数の半導体チップの遷移構造（第１の遷移構造１０２０および第２の遷移構造１０２５等）の高さを合わせる工程を含むので、各半導体チップと熱伝導体１３０との間の接続不良を防ぐことができる。
【0080】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【0081】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【0082】
１００ 半導体装置、１１０ パッケージ基板、１１５ バンプ、１２０ 半導体チップ、１２２ チップ基板、１２３ 基板本体、１２４ バンプ、１２６ 遷移構造、１３０ 熱伝導体、１４０ ＴＩＭ、１５０ ヒートシンク、１６０ 第１アンダーフィル構造、１７０ 第２アンダーフィル構造、２００ 基板材料、２１０ 熱伝導材料、３００ 基板材料、３１０ 熱伝導材料、４００ 遷移構造、４０５ 第２面、４１０ 基板材料、４２０ 熱伝導材料、４３０ 拡散防止層、４３２ 絶縁層、４３４ バリアメタル層、４４０ 酸化防止層、５００ ベイパーチャンバー、５１０ 第１熱伝導体部品、５２０ 第２熱伝導体部品、５３０ 突起部、５４０ 冷却液、６００ 回路、６１０ トレンチ、６２０ 熱伝導材料、８００ キャリア基板、８１０ 熱伝導層、１０００ 半導体装置、１０１０ 第１の半導体チップ、１０１５ 第２の半導体チップ、１０２０ 第１の遷移構造、１０２５ 第２の遷移構造、１０３０ マージン領域、１０３５ マージン領域
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】