JP2003142648A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】集積度が高く製造コストが低い半導体装置およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】親チップ1の活性面1a上には、子チップ
2,4〜6および子チップ3,7,8が順に積層されて
いる。子チップ2〜5,7,8には、これらを厚さ方向
に貫通する貫通孔2c〜5c,7c,8cが形成されて
いる。貫通孔2c〜5c,7c,8c内には、導電体2
d〜5d,7d,8dが充填されている。子チップ2〜
8の活性面2a〜8aには、内部接続用電極2b〜8b
が形成されている。内部接続用電極4b〜8bが、電極
パッド2e,4e,5e,3e,7eを介して導電体2
d,4d,5d,3d,7dに接合することにより、子
チップ4〜8は、下方に隣接した子チップ2,4,5,
3,7と電気的に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体チップの上
に別の半導体チップを接合したチップ・オン・チップ構
造の半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】集積度が高い半導体装置として、システ
ム・オン・チップ(SOC)やマルチ・チップ・モジュ
ール(MCM)などがある。システム・オン・チップに
おいては、従来複数のICで実現されていた機能が1つ
の半導体チップに集約されている。また、マルチ・チッ
プ・モジュールは、ガラスエポキシなどからなる配線基
板上に、複数の半導体チップを高密度に配して構成され
ている。いずれも、1つの半導体装置として多機能を有
するため、複数の半導体装置を組み合わせて同等の機能
を実現した場合と比べて小型化できる。また、これにと
もなって、全体として配線長が短くなるので、信号の高
速伝送が可能である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、システム・オ
ン・チップは製造プロセスが複雑であり、巨額の設備投
資が必要なため、製造コストが高い。また、マルチ・チ
ップ・モジュールでは、配線基板上に互いに横方向に複
数の半導体チップが配され、これらの半導体チップが配
線により接続されているので、システム・オン・チップ
と比べて大きくなり、集積度が低くなる。
【0004】そこで、この発明の目的は、集積度が高い
半導体装置を得ることができる製造方法を提供すること
である。この発明の他の目的は、製造コストが低い半導
体装置の製造方法を提供することである。この発明のさ
らに他の目的は、集積度が高い半導体装置を提供するこ
とである。
【0005】この発明のさらに他の目的は、コストが低
い半導体装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
課題を解決するための請求項1記載の発明は、内部に導
電体(2d,3d)が配された凹所(22,23)が活
性面(2a,3a)に形成された半導体チップ(2,
3)を、半導体基板(1,15)の一方表面にフェース
ダウンして接続する基板上接続工程と、上記基板上接続
工程の後、上記半導体チップの非活性面を研磨または研
削して、上記半導体チップの非活性面側に上記導電体を
露出させる工程と、を含むことを特徴とする半導体装置
の製造方法である。
【0007】なお、括弧内の英数字は後述の実施形態に
おける対応構成要素等を示す。以下、この項において同
じ。半導体チップや半導体基板において、活性面とは機
能素子や配線が形成された面であり、非活性面とは活性
面とは反対側の面である。フェースダウンして接続する
とは、半導体チップなどの活性面を被接続部材(半導体
基板など)に対向させて、この半導体チップなどを被接
続部材に接続することをいう。
【0008】導電体は、半導体チップ(第1の半導体チ
ップ)の凹所内を充填するものであってもよく、凹所内
の一部に(たとえば内周壁に沿って)第1の半導体チッ
プの厚さ方向に沿うように配されたものであってもよ
い。導電体が凹所内を充填するものである場合、導電体
は導電ペーストを用いて形成することができる。導電体
は、第1の半導体チップの活性面に設けられた配線と接
続されたものとすることができる。第1の半導体チップ
の活性面には、内部接続用電極が設けられていてもよ
い。
【0009】半導体基板は、半導体チップ(第2の半導
体チップ)であってもよい。また、半導体基板は、第2
の半導体チップに相当する領域を含むより大きな基板で
あってもよい。これにより、第1の半導体チップと第2
の半導体チップとが接合されたチップ・オン・チップ構
造を有する半導体装置を得ることができる。第1の半導
体チップを半導体基板の一方表面にフェースダウンして
接続することにより、第1の半導体チップは、活性面側
が半導体基板と対向し、非活性面側が開放された状態と
なる。したがって、この状態で第1の半導体チップの非
活性面を、容易に研磨または研削することができる。
【0010】第1の半導体チップの非活性面を研磨また
は研削し、導電体を露出させることにより、第1の半導
体チップを厚さ方向に貫通する貫通孔が得られる。貫通
孔内に配された導電体により、この貫通孔は、第1の半
導体チップの活性面側と非活性面側とを電気的に接続す
るビアホールまたはスルーホールとして機能することが
できる。また、導電体が露出した後も研磨または研削を
続け、第1の半導体チップが所望の厚さになるまで薄く
してもよい。これにより、半導体装置を全体として薄型
化できる。研磨は物理的な方法によるものであってもよ
く、エッチングなどの化学的研磨であってもよい。
【0011】基板上接続工程の後、第1の半導体チップ
を絶縁体で封止する工程を含んでいてもよい。絶縁体
は、たとえば、樹脂(たとえば、ポリイミドなど)とす
ることができる。絶縁体は、第1の半導体チップの非活
性面を覆って封止するものであってもよく、非活性面を
露出して封止するものであってもよい。第1の半導体チ
ップの非活性面を覆うように絶縁体を封止した場合、非
活性面上に存在する絶縁体を、たとえば、研磨、研削、
切削、エッチングなどの方法により除去した後、第1の
半導体チップの非活性面を、絶縁体と同時に研磨または
研削して導電体を露出する工程を実施することができ
る。
【0012】第1の半導体チップは、絶縁体で封止する
ことにより機械的に保護された状態となる。したがっ
て、その後に第1の半導体チップを研磨または研削する
際の応力により、第1の半導体チップが破損したり、第
1の半導体チップと半導体基板との接続が破壊されたり
することを防止することができ、第1の半導体チップを
薄く加工することができる。第1の半導体チップの非活
性面に露出した導電体を介して、配線や他の半導体チッ
プなどを接続することができる。これにより、第1の半
導体チップの活性面を他の半導体チップなどに短い距離
で接続することができるので、このような製造方法によ
り得られた半導体装置は、小さくすることができ、集積
度を高くすることができる。
【0013】また、このような製造方法により得られた
半導体装置は、マルチ・チップ・モジュールと同様、複
数の半導体チップ(第1および第2の半導体チップな
ど)を組み合わせて構成される。すなわち、システム・
オン・チップのように、1つの半導体チップの中にすべ
ての機能を集約したものではないので、製造コストが低
い。請求項2記載の発明は、上記半導体基板が半導体ウ
エハ(15)であり、上記基板上接続工程が、上記半導
体ウエハ上に複数の上記半導体チップを横方向に並べて
接続する工程を含み、上記半導体ウエハを、少なくとも
1つの上記半導体チップを含む所定領域ごとに切断して
チップ・オン・チップ構造を有する半導体装置を得る工
程をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体
装置の製造方法である。
【0014】半導体ウエハは、第2の半導体チップに対
応する領域(所定領域)が多数配されたものとすること
ができる。この製造方法により、基板上接続工程や導電
体を露出させる工程などを、複数個の第2の半導体チッ
プに相当する領域に対して、一括して実施することがで
きる。これらの各工程が実施された半導体ウエハを切断
することにより、複数個のチップ・オン・チップ構造の
半導体装置を、効率よく製造することができる。すなわ
ち、このような製造方法によりコストが安い半導体装置
を得ることができる。
【0015】基板上接続工程が、半導体ウエハの第2の
半導体チップ(1つの半導体装置)に相当する領域に、
複数の第1の半導体チップを横方向に並べて接続するも
のである場合、第2の半導体チップ上に複数の第1の半
導体チップが、横方向に配された構造を有する半導体装
置が得られる。この場合、内部に導電体が配された凹所
は、すべての第1の半導体チップの活性面に形成されて
いてもよく、一部の第1の半導体チップの活性面にのみ
形成されていてもよい。
【0016】この製造方法が、少なくとも1つの第1の
半導体チップの上に、1つまたは複数の別の半導体チッ
プ(第3の半導体チップなど)を接続する工程を含む場
合、半導体基板の上に、1つまたは縦方向に積層された
複数の半導体チップで構成されたブロックが複数形成さ
れた半導体装置が得られる。このような半導体装置は集
積度が高い。請求項3記載の発明は、上記半導体基板の
上記一方表面が活性面(1a)であり、上記半導体基板
の非活性面を研磨または研削して薄型化する基板研削工
程をさらに含むことを特徴とする請求項1または2記載
の半導体装置の製造方法である。
【0017】半導体基板は、各工程を実施する際に容易
に破損しないように、充分な厚さを有するものとするこ
とができる。この場合でも、基板研削工程により最終的
に得られる第2の半導体チップの厚さを充分薄くするこ
とができる。これにより、半導体装置を小さくすること
ができ、集積度を高くすることができる。基板研削工程
は、第1の半導体チップと同様の方法により実施するこ
とができる。
【0018】請求項4記載の発明は、上記半導体基板
が、内部に導電体(1d)が配された凹所(21)が活
性面に形成されたものであり、上記基板研削工程が、上
記半導体基板の非活性面を研磨または研削して、上記半
導体基板の非活性面側に上記半導体基板内の導電体を露
出させる工程を含むことを特徴とする請求項3記載の半
導体装置の製造方法である。半導体基板の導電体は、凹
所内を充填するものであってもよく、凹所内の一部を半
導体基板の厚さ方向に沿って配されたものであってもよ
い。導電体は、凹所が形成された半導体基板の活性面に
設けられた配線に接続されたものとすることができる。
【0019】活性面に凹所が形成された半導体基板の非
活性面を研磨または研削し、導電体を露出させることに
より、半導体基板を厚さ方向に貫通する貫通孔が得られ
る。貫通孔内には導電体が配されているので、この貫通
孔は、最終的な形態の半導体装置において、第2の半導
体チップの活性面側と非活性面側とを電気的に接続する
ビアホールまたはスルーホールとしての役割を果たすこ
とができる。導電体が露出した後も、半導体基板が充分
薄くなるまで研磨または研削を続けてもよい。これによ
り、第2の半導体チップを薄型化でき、半導体装置全体
として薄型化を図ることができるとともに、半導体基板
の活性面側と非活性面側と間の配線長(導電体の長さ)
を短くすることができる。
【0020】半導体基板を研磨または研削する工程を実
施する前に、第1の半導体チップを絶縁体で封止する工
程を実施してもよい。この場合、半導体基板は絶縁体や
第1の半導体チップなどにより補強された状態となる。
したがって、このような状態の半導体基板を研磨または
研削する際、半導体基板は破損しにくいので、半導体基
板を薄く加工することができる。半導体基板(第2の半
導体チップ)の非活性面に、外部接続用電極としてバン
プを形成する工程(たとえば、半田ボールを接合する工
程)が含まれていてもよい。導電体が半導体基板の貫通
孔の内部を充填している場合、これらの外部接続用電極
は、導電体に直接接合してもよい。また、半導体基板の
非活性面に配線を形成し、この配線を介して外部接続用
電極と貫通孔内の導電体とを接続してもよい。得られた
半導体装置は、外部接続用電極を介して他の配線基板な
どに直接接続することができる。すなわち、このような
半導体装置は、マルチ・チップ・モジュールの配線基板
のような半導体チップを外部接続するための介在物(イ
ンタポーザ)が不要であるため小型化できる。
【0021】請求項5記載の発明は、上記半導体チップ
の上に別の半導体チップ(4〜8)を接続するチップ上
接続工程をさらに含むことを特徴とする請求項1ないし
4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法である。別
の半導体チップ(第3の半導体チップ)は、活性面に内
部接続等電極を備えたものであってもよい。この場合、
第3の半導体チップの内部接続用電極は、第1の半導体
チップの非活性面に露出した導電体と直接接続されても
よく、配線や電極パッドを介して接続されてもよい。第
1の半導体チップ内の導電体により、第1の半導体チッ
プの活性面と第3の半導体チップの活性面とを、短い距
離(最短の場合、第1の半導体チップの厚さ程度)で接
続することができる。この配線長は、研磨または研削に
より、第1の半導体チップの厚さを薄くすることにより
短くされる。
【0022】請求項6記載の発明は、上記別の半導体チ
ップが、内部に導電体(4d,5d,7d,8d)が配
された凹所(24,25,27,28)が活性面(4
a,5a,7a,8a)に形成されたものであり、上記
チップ上接続工程が、上記別の半導体チップをフェース
ダウンして上記半導体チップ上に接続するものであり、
上記別の半導体チップの非活性面を研磨または研削し
て、上記別の半導体チップの非活性面側に上記別の半導
体チップ内の導電体を露出させる工程をさらに含むこと
を特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法であ
る。
【0023】別の半導体チップ(第3の半導体チップ)
を半導体チップ(第1の半導体チップ)にフェースダウ
ンして接続することにより、第3の半導体チップは、活
性面側が第1の半導体チップと対向し、非活性面側が開
放された状態となる。したがって、この状態で第3の半
導体チップの非活性面を、容易に研磨または研削するこ
とができる。この製造方法により第3の半導体チップを
厚さ方向に貫通する貫通孔が得られる。第3の半導体チ
ップの上にさらに他の半導体チップや配線が配されても
よい。この場合、第3の半導体チップの貫通孔をビアホ
ールまたはスルーホールとして、第3の半導体チップの
活性面と他の半導体チップや配線とを、短い配線長で電
気的に接続することができる。
【0024】第1および第3の半導体チップの活性面に
おいて、凹所を設ける位置は任意に定めることができる
ので、得られた半導体装置において、第1および第3の
半導体チップの貫通孔の位置は、互いに独立したものと
なる。すなわち、得られた半導体装置において、第3の
半導体チップにおける貫通孔の位置は、第1の半導体チ
ップの貫通孔の直上とすることもでき、それ以外の位置
とすることもできる。得られた半導体装置における第1
の半導体チップの導電体と第3の半導体チップの導電体
とは、直接接続されて共通電極を形成していてもよく、
共通電極を形成していなくてもよい。第1および第3の
半導体チップが、それぞれ導電体が配された凹所を複数
有する場合、第1および第3の半導体チップには、それ
ぞれ導電体が配された貫通孔が複数得られる。この場
合、第1の半導体チップの導電体と第3の半導体チップ
の導電体とは、一部の組のみが共通電極を形成していて
もよく、すべての組が共通電極を形成していてもよい。
また、共通電極が形成されていなくてもよい。
【0025】導電体が露出した後も研磨または研削を続
け、第3の半導体チップが所望の厚さになるまで薄くし
てもよい。これにより、半導体装置を全体として薄型化
できる。同様に、第3の半導体チップの上に、さらに別
の半導体チップ(第4の半導体チップ)が接続される工
程が実施されてもよい。第4の半導体チップの活性面に
は、内部に導電体が配された凹所が形成されていてもよ
く、この場合、第4の半導体チップをフェースダウンし
て第3の半導体チップに接続した後、第4の半導体チッ
プの非活性面を研磨または研削して、第4の半導体チッ
プ内の導電体を非活性面側に露出させる工程を実施して
もよい。このような工程を繰り返すことにより、半導体
基板上に複数の半導体チップが縦方向に積層された構造
を有する半導体装置が得られる。積層方向に隣接した半
導体チップは、貫通孔内の導電体により短い配線長で互
いに電気的に接続される。このような半導体装置は集積
度が高い。
【0026】請求項7記載の発明は、内部に導電体(1
d)が配された凹所(21)が活性面(1a)に形成さ
れた半導体基板(1,15)の活性面上に、半導体チッ
プ(2,3)を接続する工程と、上記半導体基板の非活
性面を研磨または研削して、上記半導体基板の非活性面
側に上記導電体を露出させる工程と、を含むことを特徴
とする半導体装置の製造方法である。このような半導体
装置の製造方法により、外部接続のための配線長(導電
体の長さ)が短く集積度が高い半導体装置を得ることが
できる。また、このような製造方法により得られる半導
体装置は、マルチ・チップ・モジュールと同様、複数の
半導体チップを組み合わせて構成される。すなわち、シ
ステム・オン・チップのように、1つの半導体チップの
中にすべての機能を集約したものではないので、製造コ
ストが低い。
【0027】請求項8記載の発明は、半導体チップ
(2,3)を、半導体基板(1,15)上にフェースダ
ウンして接続する基板上接続工程と、上記基板上接続工
程の後、上記半導体チップの非活性面を研磨または研削
して上記半導体チップを薄型化する工程と、を含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法である。基板上接続
工程により、半導体チップは、活性面側が半導体基板と
対向し、非活性面側が開放された状態となる。したがっ
て、この状態で半導体チップの非活性面を、容易に研磨
または研削することができる。
【0028】この製造方法により半導体チップを薄型化
することができるので、薄型で集積度が高い半導体装置
を得ることができる。請求項9記載の発明は、複数の半
導体チップ(1〜8)が積層された構造を有する半導体
装置であって、上記半導体チップの少なくとも1つが、
内部に導電体(1d〜5d,7d,8d)が配され上記
半導体チップを厚さ方向に貫通する貫通孔(1c〜5
c,7c,8c)を有することを特徴とする半導体装置
である。
【0029】請求項1ないし8のいずれかに記載の半導
体装置の製造方法により、このような半導体装置を得る
ことができる。すなわち、このような半導体装置は、集
積度が高く、コストが低い。請求項10記載の発明は、
上記複数の半導体チップは、内部に導電体が配された第
1の貫通孔を有する第1の半導体チップと、この第1の
半導体チップに隣接して積層され、内部に導電体が配さ
れた第2の貫通孔を上記第1の貫通孔からずれた位置に
有する第2の半導体チップとを含むことを特徴とする請
求項9記載の半導体装置である。
【0030】請求項6記載の半導体装置の製造方法によ
り、このような半導体装置を得ることができる。第2の
半導体チップは、複数の第2の貫通孔を有していてもよ
い。この場合、すべての第2の貫通孔が、第1の貫通孔
からずれた位置に配されていてもよい。このとき、第1
の貫通孔内に配された導電体は、第2の貫通孔内に配さ
れた導電体とは、ずれた位置にある。したがって、第1
の半導体チップ内の導電体が、第2の半導体チップ内の
導電体と直接接続されないように(共通電極を形成しな
いように)構成することが容易である。このような半導
体装置は設計の自由度が高い。
【0031】
【発明の実施の形態】以下では、添付図面を参照して、
本発明の実施の形態について詳細に説明する。図1は、
本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す図解
的な断面図である。1つの半導体チップである親チップ
1の上には、複数の半導体チップ(子チップ)が縦方向
に積層されてなるチップブロック11,12が接続され
ている。チップブロック11は、親チップ1に近い側か
ら遠い側に向かって配された4つの子チップ2,4,
5,6を含んでいる。チップブロック12は、親チップ
1に近い側から遠い側に向かって配された3つの子チッ
プ3,7,8を含んでいる。親チップ1上で、チップブ
ロック11,12の側方およびチップブロック12の上
部は、ポリイミド樹脂10で覆われている。これによ
り、この半導体装置は外形がほぼ直方体形状に構成され
ている。
【0032】親チップ1と子チップ2および子チップ3
とが対向する面が、それぞれ活性面1a,2a,3aと
なっている。ここで、活性面とは機能素子や配線が形成
された面である。子チップ4〜8は、下面(親チップ1
側の面)が活性面4a〜8aとなっている。半導体チッ
プ(親チップ1、子チップ2〜8)において、活性面と
反対側の面は、機能素子が形成されていない非活性面と
なっている。すなわち、子チップ2〜8は、親チップ1
または子チップ2〜5,7に対して、フェースダウンし
て接続されている。活性面1a〜8aには、内部接続用
電極1b〜8bが設けられている。
【0033】子チップ2〜5,7,8には、それぞれこ
れらを厚さ方向に貫通する貫通孔(ビアホール)2c〜
5c,7c,8cが形成されている。貫通孔2c〜5
c,7c,8cの内部は導電体2d〜5d,7d,8d
で充填されている。導電体2d〜5d,7d,8dは、
子チップ2〜5,7,8の活性面2a〜5a,7a,8
aに形成された配線(図示せず)と電気的に接続されて
いる。チップブロック11の最上部に位置する子チップ
6には、貫通孔は設けられていない。
【0034】導電体2d〜5d,7dの上部には、電極
パッド2e〜5e,7eが接続されている。また、一部
の導電体2d,3d,5d,7dの上部には、電極パッ
ドの代わりに層内配線Lh1,Lh2,Lh31のいず
れかが接続されている。導電体8dの上部には、層内配
線Lh32が接続されている。子チップ2,3の内部接
続用電極2b,3bは、親チップ1の内部接続用電極1
bに接続されている。子チップ4の内部接続用電極4b
は、子チップ3の上面(非活性面)に設けられた電極パ
ッド3eまたは層内配線Lh1のいずれかに接続されて
いる。同様に、内部接続用電極5b〜8bは、下方にそ
れぞれ隣接する子チップ4,5,3,7の上面に設けら
れた電極パッド4e,5e,3e,7eもしくは層内配
線Lh1,Lh2,Lh31のいずれかに接続されてい
る。
【0035】子チップ2の上面(非活性面)と子チップ
3の上面とは、ほぼ同一平面(第1配線面31)内にあ
り、この平面内に沿うように層内配線Lh1が設けられ
ている。子チップ4の上面と子チップ7の上面とは、ほ
ぼ同一平面(第2配線面32)内にあり、この平面内に
沿うように層内配線Lh2が設けられている。子チップ
5の上面と子チップ8の上面とは、ほぼ同一平面(第3
配線面33)内にあり、この平面内に沿うように層内配
線Lh31,Lh32が設けられている。また、第2配
線面32と第3配線面33を含む平面との間にまたがっ
て、漏斗状(断面形状がV字形)の層間配線Lvが設け
られている。
【0036】層内配線Lh1は、導電体2dおよび内部
接続用電極4b,7bに接続されている。すなわち、子
チップ2,4,7は、層内配線Lh1によって相互に電
気的に接続されている。層内配線Lh2は、導電体7
d、内部接続用電極8b、および層間配線Lvと接続さ
れている。層間配線Lvは、層内配線Lh31と一体に
形成されており、層内配線Lh31は、内部接続用電極
6bと接続されている。すなわち、子チップ6〜8は、
層内配線Lh2,Lh31および層間配線Lvによって
相互に電気的に接続されている。層内配線Lh32は、
図1に示す断面外で、他の層内配線(および層間配線)
などを介して、他の子チップに接続されている。
【0037】親チップ1には、親チップ1を厚さ方向に
貫通する貫通孔1cが形成されている。貫通孔1cの内
部は、導電体1dで充填されている。導電体1dは、活
性面1aに形成された配線(図示せず)と接続されてい
る。導電体1dの下部(親チップ1の非活性面側)に
は、ほぼ球状のバンプ9が接続されている。すなわち、
活性面1aに形成された配線とバンプ9とは、導電体1
dにより電気的に接続されている。バンプ9を介して、
この半導体装置を直接配線基板上に実装することができ
る。すなわち、このような半導体装置は、マルチ・チッ
プ・モジュール(MCM)の配線基板のような半導体チ
ップを外部接続するための介在物(インタポーザ)が不
要であるため小型化できる。
【0038】この半導体装置は、マルチ・チップ・モジ
ュールのように、複数の半導体チップ(親チップ1、子
チップ2〜8)を組み合わせてなる。すなわち、システ
ム・オン・チップ(SOC)のように、1つの半導体チ
ップの中にすべての機能を集約したものではないので、
製造コストが低い。このような半導体装置において、子
チップ2〜5,7は、上下に隣接する他の子チップ2〜
8と、貫通孔2c〜5c,7c内に充填された導電体2
d〜5d,7dによって電気的に接続されている。した
がって、積層方向に互いに隣接した子チップ2〜8間の
配線長は、最短で子チップ2〜5,7の厚さにほぼ等し
く、配線距離が短い。
【0039】さらに、チップブロック11を構成する子
チップ2,4〜6と、チップブロック12を構成する子
チップ3,7,8とは、層内配線Lh1,Lh2,Lh
31,Lh32および層間配線Lvなどにより直接接続
されているので、これらの配線長も短い。なぜなら、層
内配線Lh1,Lh2,Lh31,Lh32および層間
配線Lvが設けられていない場合、第1のチップブロッ
ク11を構成する子チップ2,4〜6と、第2のチップ
ブロック12を構成する子チップ3,7,8とは、必ず
親チップ1の活性面1aに形成された配線を介して接続
しなければならないからである。
【0040】たとえば、子チップ6と子チップ7とを接
続する場合を考えると、まず、子チップ6を活性面1a
に形成された配線に接続するために、電極パッド5e、
導電体5d、活性面5aに形成された配線、内部接続用
電極5b、電極パッド4e、導電体4d、活性面4aに
形成された配線、内部接続用電極4b、電極パッド2
e、導電体2d、内部接続用電極2b、および内部接続
用電極1bを経なければならない。さらに、活性面1a
に形成された配線と子チップ7を接続するために、内部
接続用電極1b、内部接続用電極3b、活性面3aに形
成された配線、導電体3d、および電極パッド3eを経
なければならない。このため、活性面1aに垂直な方向
および平行な方向ともに、配線長が長くなる。
【0041】これに対して、この半導体装置において
は、子チップ6と子チップ7とは、内部接続用電極6
b、層内配線Lh31、層間配線Lv、および層内配線
Lh2のみを介して接続されているので、活性面1aに
垂直な方向および平行な方向ともに、配線長は短い。子
チップ2と子チップ3との電気的な接続は、親チップ1
の活性面1a上に形成された配線により行っても、配線
長を短くすることが可能である。しかしながら、子チッ
プ2と子チップ3との接続を、少なくともその一部を層
内配線Lh1を介して行うことにより、配線を分散さ
せ、結果としてより高密度に配線することができる。同
様に、子チップ8と他の子チップ2〜7とは、子チップ
8の活性面8a側に配された層内配線Lh2などにより
行うことが可能であるが、導電体8dを介して子チップ
8の非活性面側から配線することにより、配線を分散さ
せ、結果としてより高密度に配線することができる。
【0042】また、親チップ1は、貫通孔1c内に充填
された導電体1dおよびバンプ9を介して外部接続され
るので、外部接続のための配線長も短い。親チップ1の
厚さ方向に関する導電体1dの長さは、親チップ1を薄
く構成することにより短くすることができる。以上のよ
うに、この半導体装置は、配線長が短いので信号の高速
伝送ができる。また、この半導体装置は、厚さを薄く構
成することができるので、集積度が高い。また、層内配
線Lh1,Lh2,Lh31,Lh32および層間配線
Lvにより、任意の2つの子チップ2〜8の間を短い配
線長で接続することができるので、設計の自由度が大き
い。
【0043】導電体1d〜5d,7d,8dは、貫通孔
1c〜5c,7c,8c内の一部(たとえば、内周壁に
沿うように)配されていてもよい。親チップ1および子
チップ2〜5,7,8における貫通孔1c〜5c,7
c,8cの位置は、任意に定めることができる。すなわ
ち、子チップ2〜5,7,8の貫通孔2c〜5c,7
c,8cは、隣接して下方に存在する親チップ1の貫通
孔1cまたは子チップ2,4,3,7における貫通孔2
c,4c,3c,7cの位置とは無関係に(直上ではな
いずれた位置に)配置されている。無論、これらは互い
に直上/直下に配置されていてもよい。
【0044】子チップ2〜5,7,8の導電体2d〜5
d,7d,8dは、隣接して下方に存在する親チップ1
の導電体1dまたは子チップ2,4,3,7の導電体2
d,4d,3d,7dと、直接接続されて共通電極を形
成していてもよく、共通電極を形成していなくてもよ
い。また、これらの導電体1d〜5d,7d,8dのう
ち、一部の組のみが共通電極を形成していてもよく、す
べての組が共通電極を形成していてもよい。また、共通
電極は形成されていなくてもよい。
【0045】チップブロック11,12を構成する子チ
ップ2〜8の数は、任意に設定することができ、1つで
あってもよく複数であってもよい。層内配線Lh1,L
h2,Lh31,Lh32および層間配線Lvは、チッ
プブロック11を構成する任意の子チップ2,4〜6
と、チップブロック12を構成すると任意の子チップ
3,7,8とを接続するように設けることができる。層
間配線Lvは、任意の配線面(第1ないし第3配線面3
1〜33)間を接続するように設けることができ、たと
えば、第1配線面31と第3配線面33とのように、隣
接しない配線面間を接続するものであってもよい。
【0046】チップブロック11,12の数は、1つで
あってもよく、3つ以上であってもよい。子チップ6の
上部もポリイミド樹脂10で覆うように構成されていて
もよい。その場合、ポリイミド樹脂10の表面に金属箔
(板)等からなる放熱板が取り付けられていてもよい。
ポリイミド樹脂10の代わりに、たとえば、イミド結合
もしくはアシド結合またはイミド結合およびアシド結合
の両方を含む樹脂を用いてもよく、樹脂以外の絶縁体を
用いてもよい。
【0047】親チップ1の非活性面には、バンプ9が接
続されていなくてもよい。この場合、たとえば、配線基
板等に形成された電極パッドなどにクリーム半田を塗布
して、導電体1dと接合することにより、この半導体装
置を配線基板に実装することができる。図2〜図5は、
図1の半導体装置の製造方法を説明するための図解的な
断面図である。図2〜図5に示す半導体ウエハ15は、
図1に示す最終形態の半導体装置における親チップ1に
対応する領域が、半導体ウエハ15の面内方向に、多数
密に配されたものである。図2〜図5には、ほぼ1つの
半導体装置に対応する領域(単位領域)のみを示すが、
以下の各工程は、すべての単位領域に対して、実施され
る。
【0048】まず、内部接続用電極1bが形成された半
導体ウエハ15の活性面15aに凹所21を形成し、凹
所21内に導電体1dを充填する。このときの半導体ウ
エハ15は、図1に示す最終形態の半導体装置における
親チップ1よりも厚さが厚い。半導体ウエハ15は、半
導体装置の形成工程において破損しないように充分な機
械的強度を有する厚さとすることができる。大口径の半
導体ウエハ15を用いる際は、より厚くするようにして
もよい。凹所21の形成は、たとえば、ドリルによる孔
あけ、レーザ加工などによるものとすることができる。
導電体1dの凹所21への充填は、たとえば、導電ペー
ストを用いて行うことができる。
【0049】同様に、内部接続用電極2b,3bが形成
された子チップ2,3の活性面2a,3aに、それぞれ
凹所22,23を形成し、凹所22,23内に導電体2
d,3dを充填する(図2(a))。このときの子チッ
プ2,3は、図1に示す最終形態の半導体装置における
子チップ2,3よりも厚さが厚い。そして、活性面15
aと活性面2a,3aとを、互いに平行になるように対
向させ(子チップ2,3をフェースダウンして)、内部
接続用電極2b,3bを、対応する内部接続用電極1b
に対して、活性面2a,3a内の方向に関して位置合わ
せする。続いて、活性面15aと活性面2a,3aとを
近接させて、内部接続用電極1bと内部接続用電極2
b,3bとを接続(接合)する。その後、活性面15a
上で、子チップ2,3を覆うように、ポリイミド樹脂1
0を形成する(図2(b))。ポリイミド樹脂10は、
子チップ2,3の非活性面を埋没させるように形成され
る。ポリイミド樹脂10は、たとえば、半導体ウエハ1
5の活性面15aに、ポリイミド樹脂10の前駆体であ
るポリアミック酸の溶液などを塗布し、この前駆体を適
当な温度で加熱して得ることができる。
【0050】次に、ポリイミド樹脂10の表面を研削
(表面研削)する。この工程は、物理的な研磨または研
削によるものであってもよく、エッチングなどの化学的
研磨(溶解)によるものであってもよい。表面研削を行
う際、たとえば、半導体ウエハ15の非活性面を、粘着
テープを介して保持板に保持したり、吸引可能な保持板
に吸着保持させることができる。表面研削により、ま
ず、ポリイミド樹脂10が除去されて子チップ2,3の
非活性面が露出される。さらに、ポリイミド樹脂10と
子チップ2,3の非活性面2a,3aが研削されて、凹
所22,23内の導電体2d,3dが露出される。これ
により、凹所22,23は、子チップ2,3を厚さ方向
に貫通する貫通孔2c,3cとなる。この状態が、図3
(c)に示されている。
【0051】表面研削の後、子チップ2,3の非活性面
およびポリイミド樹脂10の表面は面一の第1配線面3
1となる。導電体2d,3dが露出した後も、子チップ
2,3が所望の厚さになるまで表面研削を続け、子チッ
プ2,3を薄型化してもよい。これにより、半導体装置
全体として厚さを薄くすることができるとともに、子チ
ップ2,3の厚さ方向に沿った導電体2d,3dの長さ
(配線長)を短くすることができる。
【0052】子チップ2,3はポリイミド樹脂10によ
り機械的に保護されているので、表面研削の際の応力に
より、子チップ2,3や子チップ2,3と半導体ウエハ
15との接続が破壊されることがない。したがって、子
チップ2,3を薄く加工することができる。続いて、第
1配線面31上において、導電体2d,3d上に電極パ
ッド2e,3eをそれぞれ形成し、子チップ3の非活性
面およびポリイミド樹脂10の表面の所定の位置に層内
配線Lh1を形成する(図3(d))。電極パッド2
e,3eおよび層内配線Lh1の形成方法の一例を示す
と、まず、ポリイミド樹脂10表面の所定の部分を、水
酸化カリウム水溶液で処理することにより、ポリイミド
樹脂10の表層部分におけるイミド環を開裂させ、ポリ
イミド樹脂10の表層部分にカルボキシル基を導入す
る。このように所定の部分が表面改質されたポリイミド
樹脂10の表面を、金属イオンを含む水溶液(たとえ
ば、硫酸銅の水溶液)で処理することによりイオン交換
反応を生じさせ、薄い金属膜を形成する。子チップ2,
3上の所定の位置にも適当な方法により、薄い金属膜を
形成した後、これらの薄い金属膜に通電して電解めっき
を施し厚膜化し、電極パッド2e,3eおよび層内配線
Lh1の膜を形成することができる。これにより、電極
パッド2e,3eおよび層内配線Lh1を、一括して形
成することができる。
【0053】次に、内部接続用電極4b,7bが形成さ
れた子チップ4,7の活性面4a,7aに、それぞれ凹
所24,27を形成し、凹所24,27内に導電体4
d,7dを充填する。このときの子チップ4,7は、図
1に示す最終形態の半導体装置における子チップ4,7
よりも厚さが厚い。そして、第1配線面31と活性面4
aおよび7aとを互いに平行になるように対向させ、内
部接続用電極4b,7bを、対応する電極パッド2e,
3eまたh層内配線Lh1に対して、活性面4a,7a
内の方向に関して位置合わせする。
【0054】続いて、第1配線面31と活性面4a,7
aとを近接させて、内部接続用電極4b,7bと電極パ
ッド2e,3eおよび層内配線Lh1とを接続(接合)
する。これにより、子チップ4,7は、第1配線面31
に対してフェースダウンして接続される。その後、第1
配線面31上で、子チップ4,7を覆うように、ポリイ
ミド樹脂10を形成する(図4(e))。以下同様に、
導電体4d、7dが露出するまで表面研削を行う。これ
により、凹所24,27は、貫通孔4c,7cとなる。
子チップ4,7の非活性面およびポリイミド樹脂10の
表面は、面一の第2配線面32となる。続いて、第2配
線面32上で、導電体4d,7d上に電極パッド4e,
7eを形成し、子チップ7の非活性面およびポリイミド
樹脂10の表面の所定の位置に、層内配線Lh2を形成
する。
【0055】さらに、内部接続用電極5b,8bが形成
された子チップ5,8を用いて、同様の工程を実施す
る。これにより、内部接続用電極5b,8bと電極パッ
ド4e,7eおよび層内配線Lh2とが接続され、子チ
ップ5,8が研磨により薄型化されるとともに導電体5
d,8dが充填された貫通孔5c,8cが形成される。
子チップ5,8の非活性面とポリイミド樹脂10の表面
とは、面一の第3配線面33となる。
【0056】この状態で、層内配線Lh2の所定位置の
上方から、ポリイミド樹脂10に対して穴あけ加工を行
う。この工程は、レーザ加工やエッチングなどにより実
施することができる。これにより、第2配線面32と第
3配線面33との間のポリイミド樹脂10に断面形状が
V字形のビアホール35が形成され、層内配線Lh2の
一部が露出する(図4(f))。その後、電極パッド5
e、層内配線Lh31,Lh32および層間配線Lvを
所定の位置に形成する。層間配線Lvは、ビアホール3
5の内周面および露出している層内配線Lh2上に形成
される。この工程は、たとえば、上述の層間配線Lh1
の形成方法として例示した方法により実施することがで
きる。これにより、層内配線Lh31と層間配線Lvと
を一体成形することができ、かつ、これらと電極パッド
5eおよび層内配線Lh32と一括で形成することがで
きる。
【0057】続いて、活性面6aに内部接続用電極6b
が形成された子チップ6を、内部接続用電極6bが電極
パッド5eおよび層内配線Lh31に接合されるよう
に、フェースダウンして接続する(図5(g))。子チ
ップ6には、凹所は形成しない。そして、第3配線面3
3上で子チップ6を覆うようにポリイミド樹脂10を形
成した後、子チップ6が所定の厚さになるまで、表面研
削を行う。さらに、半導体ウエハ15の非活性面を導電
体1dが露出するまで研削(裏面研削)する。これによ
り、凹所21は貫通孔1cとなる。導電体1dが露出し
た後も裏面研削を続け、半導体ウエハ15を薄型化して
もよい。これにより、半導体装置全体として厚さを薄く
することができるとともに、半導体ウエハ15(親チッ
プ1)の厚さ方向に沿った導電体1dの長さ(配線長)
を短くすることができる。
【0058】裏面研削の際、半導体ウエハ15は、活性
面15a側に形成されたポリイミド樹脂10や子チップ
2〜8によって補強された状態となっているので、裏面
研削により破損することはない。露出した導電体1dに
は、半田ボールなどからなるバンプ9を接続する。この
後、図5(h)に示すように、スクライブラインS(切
断ライン)に沿って、半導体ウエハ15をポリイミド樹
脂10とともにダイシングソー29で切断することによ
り、親チップ1上に子チップ2〜8が接合された図1に
示す半導体装置の個片が、半導体ウエハ15から切り出
される。
【0059】以上の製造方法は、半導体ウエハ15上で
複数の半導体装置に相当する領域に対して、各工程を一
括して行う例である。このような製造方法により、複数
個のチップ・オン・チップ構造の半導体装置を、効率よ
く製造することができる。しかし、本発明はこれに限定
されるものではなく、親チップ1の個片に対して各工程
を実施してこのような半導体装置を得てもよい。層間配
線Lvを形成するためのビアホール35は、ドリルによ
り形成してもよい。その場合、ポリイミド樹脂10の厚
さ方向に関して直径がほぼ一定のビアホール35が得ら
れるが、イオン交換等による層間配線Lvの形成には影
響を与えない。層内配線Lh1,Lh2,Lh31,L
h32は、層間配線Lvと一括して形成する必要がない
場合は、第1〜第3の配線面31〜33の全面に金属箔
(たとえば、銅箔)を張り付けた後、不要部をエッチン
グにより除去して得てもよい。
【0060】その他、特許請求の範囲に記載された事項
の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を
示す図解的な断面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方
法における最初の工程群を説明するための図解的な断面
図である。
【図3】図2に示す工程群に続く工程群を説明するため
の図解的な断面図である。
【図4】図3に示す工程群に続く工程群を説明するため
の図解的な断面図である。
【図5】図4に示す工程群に続く工程群を説明するため
の図解的な断面図である。
【符号の説明】
1 親チップ 2〜8 子チップ 1a〜8a,15a 活性面 1b〜8b 内部接続用電極 1c〜5c,7c,8c 貫通孔 1d〜5d,7d,8d 導電体 Lh1,Lh2,Lh31,Lh32 層内配線 Lv 層間配線 10 ポリイミド樹脂 11 第1のチップブロック 12 第2のチップブロック 15 半導体ウエハ 21〜25,27,28 凹所 31 第1配線面 32 第2配線面 33 第3配線面

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内部に導電体が配された凹所が活性面に形
    成された半導体チップを、半導体基板の一方表面にフェ
    ースダウンして接続する基板上接続工程と、 上記基板上接続工程の後、上記半導体チップの非活性面
    を研磨または研削して、上記半導体チップの非活性面側
    に上記導電体を露出させる工程と、を含むことを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】上記半導体基板が半導体ウエハであり、 上記基板上接続工程が、上記半導体ウエハ上に複数の上
    記半導体チップを横方向に並べて接続する工程を含み、 上記半導体ウエハを、少なくとも1つの上記半導体チッ
    プを含む所定領域ごとに切断してチップ・オン・チップ
    構造を有する半導体装置を得る工程をさらに含むことを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】上記半導体基板の上記一方表面が活性面で
    あり、 上記半導体基板の非活性面を研磨または研削して薄型化
    する基板研削工程をさらに含むことを特徴とする請求項
    1または2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】上記半導体基板が、内部に導電体が配され
    た凹所が活性面に形成されたものであり、 上記基板研削工程が、上記半導体基板の非活性面を研磨
    または研削して、上記半導体基板の非活性面側に上記半
    導体基板内の導電体を露出させる工程を含むことを特徴
    とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】上記半導体チップの上に別の半導体チップ
    を接続するチップ上接続工程をさらに含むことを特徴と
    する請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置の
    製造方法。
  6. 【請求項6】上記別の半導体チップが、内部に導電体が
    配された凹所が活性面に形成されたものであり、 上記チップ上接続工程が、上記別の半導体チップをフェ
    ースダウンして上記半導体チップ上に接続するものであ
    り、 上記別の半導体チップの非活性面を研磨または研削し
    て、上記別の半導体チップの非活性面側に上記別の半導
    体チップ内の導電体を露出させる工程をさらに含むこと
    を特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】内部に導電体が配された凹所が活性面に形
    成された半導体基板の活性面上に、半導体チップを接続
    する工程と、 上記半導体基板の非活性面を研磨または研削して、上記
    半導体基板の非活性面側に上記導電体を露出させる工程
    と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】半導体チップを、半導体基板上にフェース
    ダウンして接続する基板上接続工程と、 上記基板上接続工程の後、上記半導体チップの非活性面
    を研磨または研削して上記半導体チップを薄型化する工
    程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】複数の半導体チップが積層された構造を有
    する半導体装置であって、 上記半導体チップの少なくとも1つが、内部に導電体が
    配され上記半導体チップを厚さ方向に貫通する貫通孔を
    有することを特徴とする半導体装置。
  10. 【請求項10】上記複数の半導体チップは、内部に導電
    体が配された第1の貫通孔を有する第1の半導体チップ
    と、この第1の半導体チップに隣接して積層され、内部
    に導電体が配された第2の貫通孔を上記第1の貫通孔か
    らずれた位置に有する第2の半導体チップとを含むこと
    を特徴とする請求項9記載の半導体装置。
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