(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-09-17
(45)【発行日】2024-09-26
(54)【発明の名称】半導体装置及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H05K 3/46 20060101AFI20240918BHJP
H01L 23/34 20060101ALI20240918BHJP
【FI】
H05K3/46 U
H05K3/46 B
H05K3/46 Q
H01L23/34 A
(21)【出願番号】P 2020198532
(22)【出願日】2020-11-30
【審査請求日】2023-05-22
(31)【優先権主張番号】P 2020027411
(32)【優先日】2020-02-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000002130
【氏名又は名称】住友電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】森山 豊
(72)【発明者】
【氏名】橋長 達也
【審査官】鹿野 博司
(56)【参考文献】
【文献】特開2012-142572(JP,A)
【文献】特開2016-201468(JP,A)
【文献】特開2006-196785(JP,A)
【文献】特開2020-010002(JP,A)
【文献】特開2018-056285(JP,A)
【文献】特開2015-082598(JP,A)
【文献】特開2015-220382(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2015/0228632(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H05K 3/46
H01L 23/34
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1面を備えた絶縁基材と、
前記第1面に露出する第2面を備え、前記絶縁基材に埋め込まれた半導体チップと、
めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層と、
を有
し、
前記半導体チップは、
炭化珪素基板と、
前記炭化珪素基板に接触し、前記第2面を備えたCu層と、
を含み、
前記めっき層は、前記第1面及び前記第2面に接触する第5面を備える、半導体装置。
【請求項2】
前記放熱層の厚さは、100μm以上である、請求項
1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記放熱層に放熱部材が取り付けられる、請求項1
または請求項
2に記載の半導体装置。
【請求項4】
第1面を備えた絶縁基材に、前記第1面に露出する第2面を備えた半導体チップを埋め込む工程と、
めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層を形成する工程と、
を有
し、
前記半導体チップは、前記第2面を備えたCu層を含み、
前記放熱層を形成する工程は、前記第1面及び前記第2面に接触するようにして前記めっき層を形成する工程を有し、
前記めっき層を形成する工程は、
無電解めっき法により前記第1面及び前記第2面に接触する第1層を形成する工程と、
電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、
前記第2層を研磨する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項5】
第1面を備えた絶縁基材に、前記第1面に露出する第2面を備えた半導体チップを埋め込む工程と、
めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層を形成する工程と、
を有し、
前記放熱層を形成する工程は、
前記第1面及び前記第2面に接触する第3面と、前記第3面とは反対側の第4面とを備えたスパッタ層を形成する工程と、
前記スパッタ層上に前記めっき層を形成する工程と、
を有し、
前記めっき層は、前記第4面に接触する第5面を備え、
前記めっき層を形成する工程は、
無電解めっき法により前記スパッタ層上に前記第5面を備えた第1層を形成する工程と、
電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、
前記第2層を研磨する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項6】
前記絶縁基材は第1絶縁層と第2絶縁層とを含み、
前記半導体チップを埋め込む工程は、
前記第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、
前記配線層上に前記半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、
前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして前記第2絶縁層を形成する工程と、
前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に前記第1面を設ける工程と、
を有する、請求項
4または請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
前記めっき層を形成する工程は、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程を有する、請求項
4から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、
前記配線層上に、第2面を備えた半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、
前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして第2絶縁層を形成する工程と、
前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に第1面を設ける工程と、
前記第1面及び前記第2面に接触する第3面と、前記第3面とは反対側の第4面とを備えたスパッタ層を形成する工程と、
前記スパッタ層上に、第4面に接触する第5面を備えためっき層を形成する工程と、
を有し、
前記めっき層を形成する工程は、
無電解めっき法により前記スパッタ層上に前記第5面を備えた第1層を形成する工程と、
電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、
前記第2層を研磨する工程と、
前記第2層を研磨する工程の後に、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
【請求項9】
第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、
前記配線層上に、第2面を備えたCu層を含む半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、
前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして第2絶縁層を形成する工程と、
前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に第1面を設ける工程と、
前記第1面及び前記第2面に接触するようにしてめっき層を形成する工程と、
を有し、
前記めっき層を形成する工程は、
無電解めっき法により前記第1面及び前記第2面に接触する第1層を形成する工程と、
電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、
前記第2層を研磨する工程と、
前記第2層を研磨する工程の後に、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程と、
を有する、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
絶縁層に半導体チップが埋め込まれた構造を有する半導体装置が知られている。このような半導体装置においては、半導体チップから発せられる熱の放出のために、ヒートシンクとして金属板が取り付けられている(例えば、特許文献1)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来の半導体装置では、放熱特性がばらつくことがある。
【0005】
本開示は、安定した放熱特性が得られる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施形態の一観点によれば、半導体装置は、第1面を備えた絶縁基材と、前記第1面に露出する第2面を備え、前記絶縁基材に埋め込まれた半導体チップと、めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層と、を有する。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、安定した放熱特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】
図1は、第1実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【
図2】
図2は、親基板に搭載された半導体装置を示す断面図である。
【
図3】
図3は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その1)である。
【
図4】
図4は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その2)である。
【
図5】
図5は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その3)である。
【
図6】
図6は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その4)である。
【
図7】
図7は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その5)である。
【
図8】
図8は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その6)である。
【
図9】
図9は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その7)である。
【
図10】
図10は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その8)である。
【
図11】
図11は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その9)である。
【
図12】
図12は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その10)である。
【
図13】
図13は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その11)である。
【
図14】
図14は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その12)である。
【
図15】
図15は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その1)である。
【
図16】
図16は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その2)である。
【
図17】
図17は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その3)である。
【
図18】
図18は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その4)である。
【
図19】
図19は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その5)である。
【
図20】
図20は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その6)である。
【
図21】
図21は、第2実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【
図22】
図22は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その1)である。
【
図23】
図23は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その2)である。
【
図24】
図24は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その3)である。
【
図25】
図25は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その4)である。
【
図26】
図26は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その5)である。
【
図27】
図27は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図(その6)である。
【
図28】
図28は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その1)である。
【
図29】
図29は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その2)である。
【
図30】
図30は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図(その3)である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
実施するための形態について、以下に説明する。
【0010】
[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。以下の説明では、同一又は対応する要素には同一の符号を付し、それらについて同じ説明は繰り返さない。
【0011】
〔1〕 本開示の一態様に係る半導体装置は、第1面を備えた絶縁基材と、前記第1面に露出する第2面を備え、前記絶縁基材に埋め込まれた半導体チップと、めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層と、を有する。
【0012】
本願発明者らは、従来の半導体装置において放熱特性にばらつきが生じる原因について検討したところ、金属板と絶縁層との間に予期せず隙間が生じることがあることが判明した。すなわち、金属板はAgナノペースト等を用いて絶縁層に固定されるが、Agナノペーストの塗布量がばらつき、隙間が生じることがあるのである。
【0013】
本開示には、めっき層を備え、絶縁基材の第1面及び半導体チップの第2面に接触する放熱層が設けられている。めっき層を備えた放熱層は、第1面及び第2面との間に隙間なく形成することができる。従って、安定した放熱特性が得られる。
【0014】
〔2〕 〔1〕において、前記放熱層は、前記第1面及び前記第2面に接触する第3面と、前記第3面とは反対側の第4面とを備えたスパッタ層を有し、前記めっき層は、前記第4面に接触する第5面を備えてもよい。この場合、第3面が第1面及び第2面に強固に接合され、高効率で半導体チップから放熱層へと熱が伝達される。
【0015】
〔3〕 〔1〕又は〔2〕において、前記半導体チップは、前記第2面を備えた炭化珪素基板を含んでもよい。この場合、半導体装置は高周波用途に好適である。
【0016】
〔4〕 〔1〕において、前記半導体チップは、炭化珪素基板と、前記炭化珪素基板に接触し、前記第2面を備えたCu層と、を含み、前記めっき層は、前記第1面及び前記第2面に接触する第5面を備えてもよい。この場合、第5面が第1面及び第2面に強固に接合され、高効率で半導体チップから放熱層へと熱が伝達されるとともに、半導体装置は高周波用途に好適である。
【0017】
〔5〕 〔1〕~〔4〕において、前記放熱層の厚さは、100μm以上であってもよい。この場合、特に優れた放熱特性が得られる。
【0018】
〔6〕 〔1〕~〔5〕において、前記放熱層に放熱部材が取り付けられてもよい。この場合、外部への放熱効率を向上できる。
【0019】
〔7〕 本開示の他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第1面を備えた絶縁基材に、前記第1面に露出する第2面を備えた半導体チップを埋め込む工程と、めっき層を備え、前記第1面及び前記第2面に接触する放熱層を形成する工程と、を有する。
【0020】
本開示では、めっき層を備え、絶縁基材の第1面及び半導体チップの第2面に接触する放熱層を形成する。めっき層を備えた放熱層は、第1面及び第2面との間に隙間なく形成することができるため、安定した放熱特性が得られる。
【0021】
〔8〕 〔7〕において、前記絶縁基材は第1絶縁層と第2絶縁層とを含み、前記半導体チップを埋め込む工程は、前記第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、前記配線層上に前記半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして前記第2絶縁層を形成する工程と、前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に前記第1面を設ける工程と、を有してもよい。この場合、容易に第1面と第2面とを面一にすることができる。
【0022】
〔9〕 〔7〕又は〔8〕において、前記放熱層を形成する工程は、前記第1面及び前記第2面に接触する第3面と、前記第3面とは反対側の第4面とを備えたスパッタ層を形成する工程と、前記スパッタ層上に前記めっき層を形成する工程と、を有し、前記めっき層は、前記第4面に接触する第5面を備えてもよい。この場合、第3面が第1面及び第2面に強固に接合され、高効率で半導体チップから放熱層へと熱が伝達される。
【0023】
〔10〕 〔9〕において、前記めっき層を形成する工程は、無電解めっき法により前記スパッタ層上に前記第5面を備えた第1層を形成する工程を有してもよい。この場合、第1層はスパッタ層との間に良好な密着性を有する。
【0024】
〔11〕 〔7〕又は〔8〕において、前記半導体チップは、前記第2面を備えたCu層を含み、前記放熱層を形成する工程は、前記第1面及び前記第2面に接触するようにして前記めっき層を形成する工程を有してもよい。この場合、めっき層が第1面及び第2面に強固に接合され、高効率で半導体チップから放熱層へと熱が伝達される。
【0025】
〔12〕 〔11〕において、前記めっき層を形成する工程は、無電解めっき法により前記第1面及び前記第2面に接触する第1層を形成する工程を有してもよい。この場合、第1層は第1面及び第2面との間に良好な密着性を有する。
【0026】
〔13〕 〔10〕又は〔12〕において、前記めっき層を形成する工程は、電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程を有してもよい。この場合、第2層は第1層よりも厚く形成しやすい。
【0027】
〔14〕 〔13〕において、前記めっき層を形成する工程は、前記第2層を研磨する工程を有してもよい。この場合、放熱層の厚さの均一性を向上できる。
【0028】
〔15〕 〔13〕又は〔14〕において、前記めっき層を形成する工程は、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程を有してもよい。この場合、第3層を第2層よりも成膜速度が高くなる条件下で形成してもよく、短時間で優れた放熱特性が得られる。
【0029】
〔16〕 本開示の更に他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、前記配線層上に、第2面を備えた半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして第2絶縁層を形成する工程と、前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に第1面を設ける工程と、前記第1面及び前記第2面に接触する第3面と、前記第3面とは反対側の第4面とを備えたスパッタ層を形成する工程と、前記スパッタ層上に、第4面に接触する第5面を備えためっき層を形成する工程と、を有し、前記めっき層を形成する工程は、無電解めっき法により前記スパッタ層上に前記第5面を備えた第1層を形成する工程と、電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、前記第2層を研磨する工程と、前記第2層を研磨する工程の後に、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程と、を有する。
【0030】
〔17〕 本開示の更に他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第1絶縁層上に配線層を形成する工程と、前記配線層上に、第2面を備えたCu層を含む半導体チップを、前記第2面が前記第1絶縁層とは反対側を向くようにして実装する工程と、前記第1絶縁層上に前記半導体チップを覆うようにして第2絶縁層を形成する工程と、前記第2面が露出するまで前記第2絶縁層を研磨して、前記第2絶縁層に第1面を設ける工程と、前記第1面及び前記第2面に接触するようにしてめっき層を形成する工程と、を有し、前記めっき層を形成する工程は、無電解めっき法により前記第1面及び前記第2面に接触する第1層を形成する工程と、電解めっき法により前記第1層上に第2層を形成する工程と、前記第2層を研磨する工程と、前記第2層を研磨する工程の後に、電解めっき法により前記第2層上に第3層を形成する工程と、を有する。
【0031】
[本開示の第1実施形態]
第1実施形態は、半導体装置に関する。
【0032】
(半導体装置の構造)
まず、第1実施形態に係る半導体装置の構造について説明する。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【0033】
図1に示すように、第1実施形態に係る半導体装置1では、絶縁層102上に配線層103が形成されている。配線層103は、例えば、配線103A、103B、103C、103D、103E及び103Fを含む。絶縁層102は、例えば厚さが0.2mm以上0.5mm以下のドライフィルムである。絶縁層102は第1絶縁層の一例である。配線層103は、例えば厚さが5μm以上50μm以下のCu層である。
【0034】
配線層103上に半導体チップ111、112及び113と電子部品121及び122とが実装されている。半導体チップ111は、配線103Bに接続された電極111Aと、配線103Cに接続された電極111Bとを有する。半導体チップ112は、配線103Cに接続された電極112Aと、配線103Dに接続された電極112Bとを有する。半導体チップ113は、配線103Dに接続された電極113Aと、配線103Eに接続された電極113Bとを有する。半導体チップ111~113は、絶縁層102とは反対側の第2面12を備える。電子部品121は、配線103Aに接続された電極121Aと、配線103Bに接続された電極121Bとを有する。電子部品122は、配線103Eに接続された電極122Aと、配線103Fに接続された電極122Bとを有する。
【0035】
半導体チップ111~113は、例えば集積回路(integrated circuit:IC)チップである。半導体チップ111~113は、例えばドライバアンプ又はファイナルアンプ等を含んでもよい。半導体チップ111~113は、第2面12を備えた炭化珪素基板20を含む。半導体チップ111~113においては、炭化珪素基板20の第2面12とは反対側の面に高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)等の素子が形成されている。HEMTが窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いて構成されていてもよい。半導体チップ111~113は配線層103上にフリップチップ実装されている。電子部品121及び122は、例えばキャパシタ、インダクタ又は抵抗素子である。
【0036】
絶縁層102上に絶縁層104が形成されている。絶縁層104は、絶縁層102とは反対側の第1面11を備える。半導体チップ111~113の第2面12は第1面11に露出している。例えば、第1面11と第2面12とは互いに面一であることが好ましい。絶縁層104は、例えば厚さが0.2mm以上0.5mm以下のドライフィルムである。絶縁層104は第2絶縁層の一例である。
【0037】
絶縁層102と絶縁層104とが、第1面11を備えた絶縁基材105に含まれる。半導体チップ111~113は絶縁基材105に埋め込まれている。半導体装置1は、第1面11及び第2面12上に形成された放熱層50を有する。放熱層50の厚さは、好ましくは100μm以上であり、より好ましくは200μm以上であり、更に好ましくは300μm以上である。優れた熱伝導性を得るためである。
【0038】
放熱層50は、第1面11及び第2面12に接触する第3面13を備えたスパッタ層30を有する。スパッタ層30は、第3面13とは反対側の第4面14を備える。スパッタ層30は、例えば0.01μm以上0.5μm以下のPd層、Pt層、Cu層、Ni層又はTi層を含む。スパッタ層30が、Pd層、Pt層、Cu層、Ni層又はTi層の2種以上を含んでもよい。
【0039】
放熱層50は、第4面14に接触する第5面15を備えためっき層40を有する。めっき層40は、例えば、スパッタ層30上に形成された無電解めっき層41と、無電解めっき層41上に形成された電解めっき層42と、電解めっき層42上に形成された電解めっき層43とを有する。無電解めっき層41は第5面を備え、例えば厚さが0.1μm以上10μm以下のCu層を含む。電解めっき層42は、例えば50μm以上90μm以下のCu層を含む。電解めっき層43は、例えばCu層を含む。例えば、スパッタ層30の厚さと、無電解めっき層41の厚さと、電解めっき層42の厚さとの和は、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは80μm以下である。
【0040】
絶縁層104に、第1面11から配線103Aに到達する開口部104Aが形成され、第1面11から配線103Fに到達する開口部104Fが形成されている。開口部104A及び104F内に放熱層50の一部が形成されている。
【0041】
なお、半導体装置1に含まれる半導体チップ及び電子部品の数は限定されない。また、半導体チップ及び電子部品の種類も限定されない。
【0042】
半導体装置1は、例えば親基板に搭載されて使用される。
図2は、親基板に搭載された半導体装置1を示す断面図である。
【0043】
図2に示すように、親基板60は、板状の基材61と、基材61を厚さ方向で貫通する複数の導電ビア62と、基材61の一方の面に形成された導電パターン63とを有する。半導体装置1は、放熱層50が導電パターン63と対向するように配置される。そして、放熱層50と導電パターン63とがはんだ等の導電性接合材72を用いて接合される。従って、放熱層50の一部が導電ビア62に電気的に接続される。
【0044】
親基板60の他方の面はベース金属71に接合される。導電ビア62がベース金属71に接触する。従って、ベース金属71に接地電位が付与されると、放熱層50の導電ビア62に電気的に接続された部分に接地電位が付与される。
【0045】
なお、放熱層50の上面の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下であり、より好ましくは1.6μm以下であり、更に好ましくは1.0μm以下である。放熱層50と導電パターン63との間に、隙間なく導電性接合材72を設けるためである。上記の放熱層50の上面の算術平均粗さ(Ra)を得るために、電解めっき層42の上面の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下であり、より好ましくは1.6μm以下であり、更に好ましくは1.0μm以下である。上記の電解めっき層42の上面の算術平均粗さ(Ra)を得るために、第1面11の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下であり、より好ましくは1.6μm以下であり、更に好ましくは1.0μm以下である。
【0046】
(第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例)
次に、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例について説明する。
図3~
図14は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図である。
【0047】
まず、
図3に示すように、基板101を準備し、基板101上に絶縁層102を形成する。例えば、絶縁層102としてのドライフィルムをラミネートする。基板101としては、例えばガラス基板を用いることができる。基板101は、複数の半導体装置1を製造できるサイズを有する。例えば、基板101の厚さは、0.1mm以上3.0mm以下であり、基板101の縦方向の長さ及び横方向の長さは、いずれも500mm以上700mm以下である。基板101には、半導体装置1毎の製品領域が設定され、隣り合う製品領域の間にダイシング領域が設定される。製品領域及びダイシング領域は、基板101上に形成される種々の層に引き継がれる。
【0048】
次いで、
図4に示すように、絶縁層102上に配線層103を形成する。配線層103は、例えば、配線103A、103B、103C、103D、103E及び103Fを含む。配線層103は、例えばセミアディティブ法により形成することができる。
【0049】
次いで、
図5に示すように、配線層103上に半導体チップ111、112、113を実装する。この時、半導体チップ111~113は、各々の第2面12が絶縁層102とは反対側を向くようにして実装する。すなわち、半導体チップ111、112、113はフリップチップ実装する。例えば、半導体チップ111の電極111Aを配線103Bに接続し、電極111Bを配線103Cに接続する。例えば、半導体チップ112の電極112Aを配線103Cに接続し、電極112Bを配線103Dに接続する。例えば、半導体チップ113の電極113Aを配線103Dに接続し、電極113Bを配線103Eに接続する。
【0050】
また、同じく
図5に示すように、配線層103上に電子部品121及び122を実装する。例えば、電子部品121の電極121Aを配線103Aに接続し、電極121Bを配線103Bに接続する。例えば、電子部品122の電極122Aを配線103Eに接続し、電極122Bを配線103Fに接続する。
【0051】
次いで、
図6に示すように、絶縁層102上に半導体チップ111~113と電子部品121~122とを覆うようにして絶縁層104を形成する。例えば、絶縁層104としてのドライフィルムをラミネートする。
【0052】
次いで、
図7に示すように、絶縁層104に配線層103の一部に到達する開口部を形成する。例えば、絶縁層104に、配線103Aに到達する開口部104Aと、配線103Fに到達する開口部104Fとを形成する。
【0053】
次いで、
図8に示すように、半導体チップ111~113の第2面12が露出するまで絶縁層104の上面を研磨する。この結果、絶縁層104に第1面11が設けられる。第1面11の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下とし、より好ましくは1.6μm以下とし、更に好ましくは1.0μm以下とする。後に形成する放熱層50に優れた平坦性を得るためである。第1面11は、好ましくは第2面12と面一になる。絶縁層102と絶縁層104とが、第1面11を備えた絶縁基材105に含まれる。
【0054】
次いで、
図9に示すように、スパッタ法により、絶縁層104の上面と、開口部104A及び104Fの内壁面及び底面とにスパッタ層30を形成する。スパッタ層30としては、例えば厚さが0.01μm以上0.5μm以下のPd層、Pt層、Cu層、Ni層又はTi層を形成する。スパッタ層30として、Pd層、Pt層、Cu層、Ni層、Ti層の2種以上の積層体を形成してもよい。スパッタ層30は、第1面11及び第2面12に接触する第3面13と、第3面13とは反対側の第4面14とを備える。スパッタ層30を形成する前に、絶縁層104の上面と、開口部104A及び104Fの内壁面及び底面とに対してデスミア処理を行うこともある。
【0055】
次いで、同じく
図9に示すように、無電解めっき法により、スパッタ層30上に無電解めっき層41を形成する。無電解めっき層41は第4面14に接する第5面15を備える。無電解めっき層41は、例えば厚さが5μm以上10μm以下のCu層を形成する。無電解めっき層41は第1層の一例である。
【0056】
次いで、
図10に示すように、電解めっき法により、無電解めっき層41上に電解めっき層42を形成する。電解めっき層42としては、例えば厚さが50μm以上90μm以下のCu層を形成する。その後、電解めっき層42の上面を研磨する。電解めっき層42の上面の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下とし、より好ましくは1.6μm以下とし、更に好ましくは1.0μm以下とする。後に形成する電解めっき層43に優れた平坦性を得るためである。例えば、スパッタ層30の厚さと、無電解めっき層41の厚さと、電解めっき層42の厚さとの和は、好ましくは100μm以下とし、より好ましくは80μm以下とする。これらの層の形成には時間がかかりやすいためである。電解めっき層42は第2層の一例である。
【0057】
次いで、
図11に示すように、電解めっき法により、電解めっき層42上に電解めっき層43を形成する。電解めっき層43としては、例えばCu層を形成する。電解めっき層43は、好ましくは50μm/時以上の成膜速度で形成し、より好ましくは60μm/時以上の成膜速度で形成する。無電解めっき層41と、電解めっき層42と、電解めっき層43とがめっき層40に含まれる。スパッタ層30と、めっき層40とが放熱層50に含まれる。放熱層50の厚さは、好ましくは100μm以上とし、より好ましくは200μm以上とし、更に好ましくは300μm以上とする。電解めっき層43は第3層の一例である。
【0058】
次いで、
図12に示すように、放熱層50上にエッチングマスク160を形成する。エッチングマスク160は、放熱層50の除去しようとする部分の上に開口部161を有する。エッチングマスク160の形成では、例えば、フォトレジストの塗布、露光及び現像を行う。
【0059】
次いで、エッチングマスク160を用いて放熱層50のエッチングを行う。この結果、
図13に示すように、放熱層50の開口部161に露出する部分が除去される。その後、エッチングマスク160を除去する。
【0060】
次いで、
図14に示すように、基板101を除去する。その後、
図14に示す構造体をダイシング領域に沿って切断することで、複数の半導体装置1に個片化する。
【0061】
このようにして第1実施形態に係る半導体装置1を得ることができる。
【0062】
(第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例)
次に、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例について説明する。
図15~
図20は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図である。
【0063】
まず、
図15に示すように、第1例と同様にして、無電解めっき層41の形成までの処理を行う。次いで、無電解めっき層41上に成長マスク170を形成する。成長マスク170は、放熱層50を形成しようとする部分の上に開口部171を有する。成長マスク170の形成では、例えば、フォトレジストの塗布、露光及び現像を行う。例えば、成長マスク170の厚さは、後に形成する電解めっき層42の厚さと同程度としてもよい。
【0064】
次いで、
図16に示すように、電解めっき法により、無電解めっき層41の開口部171に露出している部分の上に電解めっき層42を形成する。電解めっき層42としては、例えば厚さが50μm以上90μm以下のCu層を形成する。次いで、電解めっき層42の上面を研磨する。電解めっき層42の上面の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下とし、より好ましくは1.6μm以下とし、更に好ましくは1.0μm以下とする。成長マスク170を電解めっき層42と同時に研磨してもよい。
【0065】
次いで、
図17に示すように、電解めっき法により、電解めっき層42上に電解めっき層43を形成する。電解めっき層43としては、例えばCu層を形成する。電解めっき層43は、好ましくは50μm/時以上の成膜速度で形成し、より好ましくは60μm/時以上の成膜速度で形成する。無電解めっき層41と、電解めっき層42と、電解めっき層43とがめっき層40に含まれる。スパッタ層30と、めっき層40とが放熱層50に含まれる。放熱層50の厚さは、好ましくは100μm以上とし、より好ましくは200μm以上とし、更に好ましくは300μm以上とする。
【0066】
次いで、
図18に示すように、成長マスク170を除去する。
【0067】
次いで、
図19に示すように、クイックエッチング等によりスパッタ層30と無電解めっき層41との積層体のうち電解めっき層43から露出している部分を除去する。
【0068】
次いで、
図20に示すように、基板101を除去する。その後、
図20に示す構造体をダイシング領域に沿って切断することで、複数の半導体装置1に個片化する。
【0069】
このようにして第1実施形態に係る半導体装置1を得ることができる。
【0070】
(第1実施形態に係る半導体装置の作用)
半導体装置1が動作すると、半導体チップ111~113が熱を発する。第1実施形態では、第1面11及び第2面12上に放熱層50が形成されているため、半導体チップ111~113が発した熱は放熱層50に伝達される。そして、放熱層50に伝達された熱は外部に放出される。
図2に示す例では、導電ビア62を介してベース金属71に伝達され、周囲の雰囲気に放出される。第1実施形態では、放熱層50がめっき層40を含んでいるため、放熱層50と半導体チップ111~113との間に優れた密着性を得ることができ、半導体チップ111~113が発した熱を放熱層50に安定して伝達できる。従って、第1実施形態によれば、安定した放熱特性が得られる。導電性接合材72、親基板60及びベース金属71は放熱部材の一例である。
【0071】
第1実施形態では、めっき層40と半導体チップ111~113との間にスパッタ層30が設けられている。スパッタ層30は、スパッタ層30を構成する原料の粒子が大きなエネルギをもって第1面11及び第2面12に衝突することで形成されている。従って、スパッタ層30の第3面は第1面11及び第2面12に強固に接合されている。このため、半導体チップ111~113から放熱層50への熱の伝達効率が優れている。
【0072】
第1実施形態では、スパッタ層30上に無電解めっき層41を形成している。無電解めっき層41はスパッタ層30との間に良好な密着性を有している。無電解めっき層41は電解めっき層42のシード層として機能することができる。
【0073】
第1実施形態では、無電解めっき層41上に電解めっき層42を形成している。電解めっき層42は無電解めっき層41よりも厚く形成しやすい。従って、電解めっき層42を形成することで良好な放熱性が得られる。
【0074】
電解めっき層42を比較的厚く形成した場合、電解めっき層42の厚さがばらつくことがある。特に、基板101が大きいほど電解めっき層42の厚さがばらつきやすい。電解めっき層42の厚さのばらつきは熱抵抗のばらつきにつながり得る。第1実施形態では、電解めっき層42の形成後に電解めっき層42の上面を研磨しているため、放熱層50の厚さのばらつきを抑制し、放熱層50の厚さの均一性を向上し、熱抵抗の均一性を向上できる。
【0075】
第1実施形態では、電解めっき層42上に電解めっき層43を形成している。電解めっき層43は電解めっき層42とは異なる条件下で形成してもよい。例えば、電解めっき層43は電解めっき層42よりも成膜速度が高くなる条件下で形成してもよい。この場合、短時間で優れた放熱特性が得られる。
【0076】
更に、第1実施形態は、コストの観点でも、金属板が取り付けられた半導体装置よりも優れている。金属板を用いる場合、絶縁層と金属板との接合にAgナノペースト等が用いられる。また、絶縁層中にサーマルビアが形成されることもある。更に、金属板にも費用がかかる。これに対し、第1実施形態では、放熱層50はスパッタ層30及びめっき層40を含むだけなので、金属板が取り付けられた半導体装置よりも安価に製造することができる。
【0077】
半導体装置1は、例えば、第5世代移動通信システム、いわゆる5Gの基地局に用いることができる。半導体チップ111~113は炭化珪素基板20を用いて構成されているため、半導体装置1は高周波用途に好適である。例えば、例えば28GHz帯のアンテナ付き5Gモジュールに用いることができる。5Gモジュールの消費電力は3W~10W程度であるところ、半導体装置1によれば半導体チップ111~113が発した熱を十分に外部に放出することができる。
【0078】
半導体装置1は、例えば140GHz帯のレーダモジュールに用いることもできる。レーダモジュールの消費電力は0.5W程度であるところ、半導体装置1によれば半導体チップ111~113が発した熱を十分に外部に放出することができる。
【0079】
半導体装置1は、例えば高出力高周波(RF)デバイスに用いることもできる。高出力RFデバイスの消費電力は100W程度であるところ、半導体装置1によれば半導体チップ111~113が発した熱を十分に外部に放出することができる。
【0080】
[本開示の第2実施形態]
第2実施形態は、半導体装置に関する。
【0081】
(半導体装置の構造)
まず、第2実施形態に係る半導体装置の構造について説明する。
図21は、第2実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【0082】
図21に示すように、第2実施形態に係る半導体装置2では、第1実施形態における半導体チップ111、112及び113に代えて、半導体チップ211、212及び213が設けられている。半導体チップ211は、半導体チップ111と同様に、電極111A、電極111B及び炭化珪素基板20を有し、更に、炭化珪素基板20に接触するCu層21を有する。第2面12は、炭化珪素基板20ではなくCu層21に備えられている。半導体チップ212は、半導体チップ112と同様に、電極112A、電極112B及び炭化珪素基板20を有し、更に、炭化珪素基板20に接触するCu層21を有する。第2面12は、炭化珪素基板20ではなくCu層21に備えられている。半導体チップ213は、半導体チップ113と同様に、電極113A、電極113B及び炭化珪素基板20を有し、更に、炭化珪素基板20に接触するCu層21を有する。第2面12は、炭化珪素基板20ではなくCu層21に備えられている。半導体チップ211~213は、半導体チップ111~113と同様に、絶縁基材105に埋め込まれている。
【0083】
Cu層21は、例えば、半導体チップ211、212及び213の形成時に、炭化珪素基板20となる炭化珪素ウェハの裏面にAgペースト等によりCu層を貼り付け、炭化珪素ウェハと一括して個片化することで形成することができる。また、第1実施形態における半導体チップ111~113にAgペースト等によりCu層21を貼り付けることで、半導体チップ211~213を形成してもよい。
【0084】
放熱層50は、第1面11及び第2面12に接触する第5面15を備えためっき層40を有する。めっき層40は、例えば、絶縁層104及びCu層21上に形成された無電解めっき層41と、無電解めっき層41上に形成された電解めっき層42と、電解めっき層42上に形成された電解めっき層43とを有する。無電解めっき層41は第5面を備え、例えば厚さが0.1μm以上10μm以下のCu層を含む。電解めっき層42は、例えば50μm以上90μm以下のCu層を含む。電解めっき層43は、例えばCu層を含む。例えば、無電解めっき層41の厚さと、電解めっき層42の厚さとの和は、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは80μm以下である。
【0085】
他の構成は第1実施形態と同様である。
【0086】
(第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例)
次に、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例について説明する。
図22~
図27は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第1例を示す断面図である。
【0087】
まず、
図22に示すように、第1実施形態の第1例と同様にして、配線層103の形成までの処理を行う。次いで、配線層103上に半導体チップ211、212、213を実装する。この時、半導体チップ211~213は、各々の第2面12が絶縁層102とは反対側を向くようにして実装する。すなわち、半導体チップ211、212、213はフリップチップ実装する。例えば、半導体チップ211の電極111Aを配線103Bに接続し、電極111Bを配線103Cに接続する。例えば、半導体チップ212の電極112Aを配線103Cに接続し、電極112Bを配線103Dに接続する。例えば、半導体チップ213の電極113Aを配線103Dに接続し、電極113Bを配線103Eに接続する。
【0088】
また、第1実施形態の第1例と同様にして、配線層103上に電子部品121及び122を実装する。
【0089】
次いで、
図23に示すように、第1実施形態の第1例と同様にして、絶縁層104を形成し、絶縁層104に、配線103Aに到達する開口部104Aと、配線103Fに到達する開口部104Fとを形成する。
【0090】
次いで、
図24に示すように、半導体チップ211~213の第2面12が露出するまで絶縁層104の上面を研磨する。この結果、絶縁層104に第1面11が設けられる。第1面11の算術平均粗さ(Ra)は、好ましくは2.0μm以下とし、より好ましくは1.6μm以下とし、更に好ましくは1.0μm以下とする。後に形成する放熱層50に優れた平坦性を得るためである。第1面11は、好ましくは第2面12と面一になる。絶縁層102と絶縁層104とが、第1面11を備えた絶縁基材105に含まれる。
【0091】
次いで、
図25に示すように、無電解めっき法により、絶縁層104の上面と、開口部104A及び104Fの内壁面及び底面とに無電解めっき層41を形成する。無電解めっき層41は第1面11及び第2面12に接する第5面15を備える。無電解めっき層41を形成する前に、絶縁層104の上面と、開口部104A及び104Fの内壁面及び底面とに対してデスミア処理を行うこともある。デスミア処理の後に触媒処理等を行ってもよい。
【0092】
次いで、
図26に示すように、第1実施形態の第1例と同様にして、電解めっき法により、無電解めっき層41上に電解めっき層42を形成し、電解めっき法により、電解めっき層42上に電解めっき層43を形成する。
【0093】
その後、
図27に示すように、第1実施形態の第1例と同様にして、エッチングマスク160の形成と、放熱層50のエッチングと、基板101の除去とを行う。その後、
図27に示す構造体をダイシング領域に沿って切断することで、複数の半導体装置2に個片化する。
【0094】
このようにして第2実施形態に係る半導体装置2を得ることができる。
【0095】
(第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例)
次に、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例について説明する。
図28~
図30は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法の第2例を示す断面図である。
【0096】
まず、
図28に示すように、第2実施形態の第1例と同様にして、無電解めっき層41の形成までの処理を行う。次いで、第1実施形態の第2例と同様にして、無電解めっき層41上に成長マスク170を形成する。成長マスク170は、放熱層50を形成しようとする部分の上に開口部171を有する。
【0097】
次いで、
図29に示すように、第1実施形態の第2例と同様にして、電解めっき法により、無電解めっき層41上に電解めっき層42を形成し、電解めっき法により、電解めっき層42上に電解めっき層43を形成する。
【0098】
次いで、
図30に示すように、第1実施形態の第2例と同様にして、成長マスク170の除去と、無電解めっき層41のうち電解めっき層43から露出している部分の除去と、基板101の除去とを行う。その後、
図30に示す構造体をダイシング領域に沿って切断することで、複数の半導体装置2に個片化する。
【0099】
このようにして第2実施形態に係る半導体装置2を得ることができる。
【0100】
(第2実施形態に係る半導体装置の作用)
第2実施形態でも、放熱層50がめっき層40を含んでいるため、放熱層50と半導体チップ211~213との間に優れた密着性を得ることができ、半導体チップ211~213が発した熱を放熱層50に安定して伝達できる。従って、第2実施形態によれば、安定した放熱特性が得られる。
【0101】
第2実施形態では、半導体チップ211~213が、第2面12を構成するCu層21を含む。つまり、Cu層21がめっき層40に接触する。従って、第1実施形態におけるスパッタ層30が設けられていなくても、めっき層40の第5面は第1面11及び第2面12に強固に接合されている。このため、半導体チップ211~213から放熱層50への熱の伝達効率が優れている。
【0102】
第2実施形態によっても、第1実施形態のその他の効果と同様の効果が得られる。
【0103】
また、第1実施形態におけるスパッタ層30が含まれないため、生産性を向上できる。すなわち、スパッタ層30を形成する際には成膜チャンバ内を真空にするが、絶縁層102及び絶縁層104にドライフィルム等の有機材料が用いられている場合、成膜チャンバ内を真空にするまでに時間がかかることがある。スパッタ層30の形成を省略することで真空下での処理を不要として、生産性を向上できる。
【0104】
以上、実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0105】
1、2 半導体装置
11 第1面
12 第2面
13 第3面
14 第4面
15 第5面
20 炭化珪素基板
21 Cu層
30 スパッタ層
40 めっき層
41 無電解めっき層
42 電解めっき層
43 電解めっき層
50 放熱層
60 親基板
61 基材
62 導電ビア
63 導電パターン
71 ベース金属
72 導電性接合材
101 基板
102 絶縁層
103 配線層
103A、103B、103C、103D、103E、103F 配線
104 絶縁層
104A、104F 開口部
105 絶縁基材
111、112、113、211、212及び213 半導体チップ
111A、111B、112A、112B、113A、113B 電極
121、122 電子部品
121A、121B、122A、122B 電極
160 エッチングマスク
161 開口部
170 成長マスク
171 開口部