JP2004079905A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】システム・オン・チップ化によるコスト増大及びマスクタイプの増加によるコスト増大を回避して、種類の相互に異なる多数の半導体素子を高密度で混載し、かつ微細化を実現した半導体装置を提供する。
【解決手段】本半導体装置10は、配線基板13を介して相互に接続された複数個の半導体素子62、64からなる半導体装置である。半導体素子は、素子内配線に接続され、基板に平行な面に規則的な配置で設けられた接続パッドと、接続パッド上に形成されたハンダバンプと、アライメントマークとを備える。配線基板は、透明基板上の絶縁膜内に設けられた配線と、配線に接続され、半導体素子の接続パッドと同じ配置で基板に平行な面に設けられた接続パッドと、接続パッド上に設けられたハンダバンプと、アライメントマークとを備える。各半導体素子は、アライメントマーク同士の位置合わせによって配線基板上に位置決めされ、素子及び基板のハンダバンプを接合させることにより、相互に電気的に接続されている。
【選択図】 図9
【解決手段】本半導体装置10は、配線基板13を介して相互に接続された複数個の半導体素子62、64からなる半導体装置である。半導体素子は、素子内配線に接続され、基板に平行な面に規則的な配置で設けられた接続パッドと、接続パッド上に形成されたハンダバンプと、アライメントマークとを備える。配線基板は、透明基板上の絶縁膜内に設けられた配線と、配線に接続され、半導体素子の接続パッドと同じ配置で基板に平行な面に設けられた接続パッドと、接続パッド上に設けられたハンダバンプと、アライメントマークとを備える。各半導体素子は、アライメントマーク同士の位置合わせによって配線基板上に位置決めされ、素子及び基板のハンダバンプを接合させることにより、相互に電気的に接続されている。
【選択図】 図9
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、更に詳細には、システム・オン・チップ化によるコスト増大、及びマスクタイプの増加によるコスト増大を回避して、同種又は異種の多数個の半導体素子を高密度で混載し、かつ微細化を実現した半導体装置、及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造技術、特に微細加工技術の進歩に伴い、集積回路を構成するトランジスタ等のデバイスは年々微細化する一方で、集積回路は、益々、その多機能化及び高性能化が要求され、それに応じて、集積回路に搭載される半導体素子は、その数が増加し、その種類が多様化している。
集積回路に搭載される半導体素子数の増加及び半導体素子の多様化に伴い、必然的に、半導体素子の製造は、多品種少量生産に対応することが要求されるようになっている。
【0003】
その一方で、マスクパターンの微細化及びパターニングの高精度化の要求から、リソグラフィー技術で使用するマスクも微細化し、その結果、マスクコストの増大が深刻な問題になりつつある。
半導体素子の製造では、半導体素子の仕様に対応するマスクを都度作製しなければならないので、半導体素子の多品種少量生産では、半導体素子チップのコストの殆どをマスクコストが占めるようなことになる。その結果、マスクコストに見合う高価なチップセットしか供給できなくなってしまう。
【0004】
また、システムLSIを作製する場合には、例えばロジック回路、DRAM、FeRAM、フラッシュメモリ、アナログ回路などを1つのチップに形成しなければならないものの、製造工程が相互に異なるこれらの各種デバイスを同一工程で形成することは、技術的に極めて困難であるといえる。
【0005】
そこで、従来、上述の技術的な困難を回避するために、複数個のチップ状の半導体素子を大型のパッケージ内で組み合わせ、多数個の半導体素子を組み込んだMCM(Multichip Module; マルチチップモジュール)が開発されている。
また、このMCMの一つとして、HDI(High Density Interconnect;高密度相互接続)方式がGE(General Electric;ゼネラルエレクトリック)社から提案されている(”A 36−chip Multiprocessor Multichip Module made with the General Electric High Density Interconnect Technology”,IEEE magazine,1991参照)。
【0006】
ところで、従来のMCMでは、チップ実装の位置合わせ精度が充分ではないために、100〜200μm角の大きな接続パッドを介して各チップをI/O(入力/出力)部に接続しなければならなった。このため、接続パッドを駆動するための特殊なトランジスタや、接続パッドのチャージアップからLSIを守るための保護回路など、余分な機構をチップ内に配置しなければならず、チップ面積の増大を招いてしまっていた。
また、複数のチップ間を接続するデータ線の本数も接続パッドの数によって制限される。従って、パッドサイズを縮小して、接続パッドの数を増加させることが、素子間のデータのやり取りを高速化させるために、極めて重要な課題となっている。
【0007】
パッドサイズの縮小のためには、ハンダボールのサイズを縮小することが必須の条件となる。そこで、図12(a)に示すように、ハンダボールを小さくすると共にハンダボールを小さくしたことによる接着性の低下を補うために、アンダーフィル(樹脂接着剤)を用いてチップと基板との接着を補強する方法が提案されている。
図12(a)では、チップ状の半導体素子90を実装基板92上に実装する際に、半導体素子90上の銅パッド94と、実装基板92上の銅パッド96とをハンダボール98により接合し、かつ半導体素子90と実装基板92との間に樹脂接着剤100が充填されている。
さらに、特開2001−283637号公報にに示されたようなNi等の比較的硬質なバンプと異方性導電接着フィルムを用いたフリップチップの接続法も提案されている。
前掲公報に示す方法では、図12(b)に示すように、上述の樹脂接着剤100に代えて、導電粒子102を分散させた樹脂接着剤104を使用することにより、バンプ高さを10〜20μm程度まで小さくすることが可能であるとしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図12(a)に示す方法では、樹脂接着剤100を充填するためのギャップが半導体素子90と実装基板92との間に必要となる。そのためには、ハンダボール98の高さを高くすることが必要になり、例えばハンダボール98の高さ、つまり直径は50〜200μmにもなる。これでは、ハンダボールの微小化することが難しい。
また、図12(b)に示す方法でも、バンプ高さの差による圧力差を導電と絶縁の区別に用いているため、バンプ高さの縮小が接合不良を発生させる原因となるおそれがある。従って、バンプサイズを縮小するには限界がある。
このように、従来のシステム・オン・チップ化の方法では、高密度での混載及び微細化が難しかった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、システム・オン・チップ化によるコスト増大及びマスクタイプの増加によるコスト増大を回避して、種類の相互に異なる多数の半導体素子を高密度で混載し、かつ微細化を実現した半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置であって、
各半導体素子は、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続され、半導体基板に平行な面に規則的な配置で設けられた素子接続パッドと、素子接続パッド上に選択メッキ法により形成された素子ハンダバンプと、表面近傍に設けられた半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークとを備え、
配線基板は、基板上に形成された絶縁膜又は絶縁膜積層構造内に設けられた配線と、配線に電気的に接続され、半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で基板と平行な面に設けられた基板接続パッドと、基板接続パッド上に選択メッキ法により形成された基板ハンダバンプと、表面近傍に設けられた配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークとを備え、
各半導体素子は、素子アライメントマークと基板アライメントマークとの位置合わせによって配線基板に位置決めされ、かつ各半導体素子は、素子ハンダバンプと基板ハンダバンプとを接合することにより、相互に電気的に接続されていることを特徴としている。
【0011】
本発明の好適な実施態様では、素子ハンダバンプ及び基板ハンダバンプの下部が、それぞれ、熱硬化性樹脂に埋め込まれている。これにより、接合の際のハンダバンプ同士の接触を防止することができる。
また、素子ハンダバンプ及び基板ハンダバンプが、それぞれ、錫を含むハンダ合金により形成されている。これにより、ハンダバンプの形成が容易になる。
更には、本発明の半導体装置では、以上の要件を備えることにより、素子接続パッド及び基板接続パッドの差し渡し寸法を1μm以上50μm以下にすることができる。
【0012】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置の製造方法であって、
半導体装置を構成する半導体素子を作製する工程と、
半導体素子を接続させる配線基板を作製する工程と
を有し、 半導体素子を作製する工程では、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続された素子接続パッドを半導体基板に平行な面に規則的な配置で形成し、かつ表面近傍に半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークを形成し、次いで素子接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる素子ハンダバンプを形成し、
配線基板を作製する工程では、基板上に形成された絶縁膜、又は絶縁膜積層構造内に配線を、配線に電気的に接続され、半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で基板に平行な面に基板接続パッドを、及び表面近傍に配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークを形成し、次いで基板接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる基板ハンダバンプを形成し、
次いで、素子アライメントマークと基板アライメントマークとを位置合わせして、半導体素子を配線基板上に位置決めする工程と、
位置決めした半導体素子の素子ハンダバンプと配線基板の基板ハンダバンプとを接合する工程と
を備えていることを特徴としている。
【0013】
本発明方法の好適な実施態様では、半導体素子を作製する工程及び配線基板を作製する工程では、それぞれ、接続パッド上にハンダバンプを形成した後、ハンダバンプを覆うように熱硬化性樹脂層を成膜し、次いで熱硬化性樹脂層をケミカル・メカニカル研磨法により研磨して、ハンダバンプを露出させるステップを有する。
これにより、ハンダバンプの下部を覆う熱硬化性樹脂層を容易に形成することができる。
【0014】
本発明方法では、素子接続パッドと基板接続パッドとを同じ配置、つまり同じ配列で、同じピッチで配置することにより、配線基板上に半導体素子を容易に位置決めでき、かつ高密度で配置することができる。
通常のフリップチップ実装に代えて、半導体素子間の接続を配線基板の配線を介して行うことにより、パッドサイズを縮小し、かつ半導体素子間を結ぶデータ線を所望通り確保することができる。特に、半導体装置の製造で使用する露光技術を用いて形成した多層配線構造の基板を配線基板として用いることにより、半導体素子の高密度配置を実現することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
半導体装置及びその製造方法の実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置及びその製造方法の実施形態の一例である。
本実施形態例の半導体装置10は、図9に示すように、DRAM及びロジック回路/SRAMからなる半導体素子12と、半導体素子12同士を接続させて一つの半導体装置として機能させる配線基板13とから構成されている。
【0016】
(A)半導体素子の構成と作製方法
先ず、図1から図3を参照して、半導体素子10の構成と作製方法を説明する。図1(a)及び(b)と図2(c)及び(d)は、それぞれ、半導体素子の作製工程を説明する断面図、並びに、図3(a)から(c)は、それぞれ、半導体素子を形成したウエハ、半導体素子のアライメントマーク、及び半導体素子のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
半導体素子12は、多くの用途に汎用的に使用できる素子単位として設計され、通常の半導体素子の作製工程によって作製された所定の素子構造を備える、チップ状の半導体素子である。勿論、特定用途のために作製された半導体素子であっても良い。
また、半導体素子12は、図3(a)に示すように、多数個の半導体素子を形成したウエハからダイシングして得た一つのチップであって、あらゆるSiデバイスや化合物半導体素子を含み、集積回路を形成し得るチップである限り、その種類を問わない。
【0017】
半導体素子12は、図2(d)に示すように、所定の素子構造を備える半導体基板14と、半導体素子として機能するために必要な素子内配線として第1絶縁膜15内に形成されたCu埋め込み配線16と、配線16上に設けられた第2絶縁膜18を貫通し、配線16に接続する接続プラグ20とを備えている。
【0018】
更に、半導体素子12は、外部入出力線(電源線、接地線、信号線等)に接続する引き出し線を引き出すパッドとして、接続孔プラグ20に接続する素子接続パッド(以下、単にパッドと言うこともある)22を、位置合わせ用のマークとして素子アライメントマーク24(以下、アライメントマーク24と言う)を備えている。
更に、パッド22の上面を露出させてパッド22を埋め込み、かつアライメントマーク24を覆うようにして埋め込む、第3絶縁膜26が、第2絶縁膜18上に成膜されている。
【0019】
パッド22は、図3(c)に示すように、例えば一辺の長さが20μmの正方形であって、80μmのパッド間隔(中心間隔)で、碁盤の目の交点、或いは格子状交点に配置されている。このような寸法のパッド22をこのようなパッド間隔で碁盤の目状に配置すれば、5mmのチップであっても、最大500×500=250000個のパッドを配置することが可能である。
アライメントマーク24は、図3(b)及び(c)に示すように、十字マークであって、パッド22と重ならないようにして、半導体素子12の4隅と中央の5箇所に形成されていて、後述する配線基板13のアライメントマーク44の間隔の整数倍になるように配置されている。換言すれば、アライメントマーク24の間隔が配線基板13のアライメントマーク44の間隔の整数倍になるように半導体素子12のチップ寸法が規定される。
パッド22は、パッド22と同層の配線層(図示せず)の形成と同時に形成され、アライメントマーク24は、パッド22と同時に形成された配線層の一部が利用されている。
【0020】
また、図1(b)に示すように、パッド22上には、メッキ技術を用いて形成された厚さ(t1 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層28、及び厚さ(t2 )が0. 5μm以上5μm以下のハンダ合金層30が設けてある。
ハンダ合金層30は、スズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層であって、上部が凸状になって、第3絶縁膜26上に成膜されている熱硬化性樹脂層32から突出している。合金層30は、融点が150℃以上200℃以下の低融点金属である。
【0021】
半導体素子12を作製するには、先ず、図1(a)に示すように、半導体基板14内にDRAM或いはロジック回路等の所定の素子構造を形成し、次いで第1絶縁膜15を成膜し、続いて例えばダマシン配線法により第1絶縁膜15内にCu埋め込み配線16を形成する。
次いで、第2絶縁膜18をCu埋め込み配線16上に成膜し、続いて従来のリソグラフィ技術を使って、Cu埋め込み配線16に連通するコンタクトホールを第2絶縁膜18に貫通させ、導電性金属を埋め込んで接続プラグ20を形成する。
次に、接続プラグ20と接続するパッド22及びパッド22と同層の配線層(図示せず)を形成する。同時に、パッド22と共に形成した配線層の一部を分離してアライメントマーク24とする。続いて第3絶縁膜26を成膜して平坦化し、アライメントマーク24を埋め込んだ状態に維持し、かつパッド22を露出させる。
【0022】
次いで、図1(b)に示すように、例えば特開2001−185572号公報に記載された無電解メッキ法や、電解メッキ法などの既存のメッキ技術を用いて、パッド22上に厚さ(t1 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層28を選択成長させる。
続いて、無電解又は電解メッキ技術を用いてスズ96%、銀3%、その他1%からなる厚さ(t2 )が0.5μm〜5μmのハンダ合金層30をニッケルバリアメタル層28上に選択的に形成する。
【0023】
次に、図2(c)に示すように、ハンダ合金層30を形成した積層構造の表面に、熱硬化性樹脂をスピンコートして熱硬化性樹脂層32を成膜する。
熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂(油化シェルエポキシ(株)製の商品名エピコート1009)と潜在性硬化剤(旭化成(株)製の商品名HX3721)とを混合した接着剤をトルエン等の溶媒に溶解させた液状混合物を使用する。熱硬化性樹脂層32の厚さは、選択メッキしたハンダ合金層30の高さとほぼ同程度すなわち0.5〜5μm程度にすることが望ましい。
【0024】
120℃程度で熱硬化性樹脂層32をベーキングして、塗布した熱硬化性樹脂層32中の溶媒を揮発させた後、不織布を用いたケミカル・メカニカル研磨法により、図2(d)に示すように、熱硬化性樹脂層32を研磨して平坦化し、ハンダ合金層30を露出させる。
次いで、ウエハ上に形成した半導体素子12を所望の大きさのチップにダイシング等により、図3(a)に示すように、分割する。
実施形態例1の半導体装置10では、異なるウエハ、異なるパターンから得られた複数個の異なる種類のチップ状の半導体素子を組み合わせて実装することになる。
【0025】
(B)配線基板の構成と作製方法
次に、図4から図6を参照して、配線基板の構成と作製方法とを説明する。図4(a)及び(b)と図5(c)及び(d)は、それぞれ、配線基板の作製工程を説明する断面図、並びに図6(a)から(c)は、それぞれ、配線基板を形成した大きな硝子基板、配線基板のアライメントマーク、及び配線基板のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
多数個の半導体素子12をマウントさせる配線基板13は、図5(d)に示すように、液晶パネル等に用いられている耐熱ガラスからなる基板32と、基板32上に成膜された低誘電率膜やプラズマCVDSiO2 膜等からなる第1絶縁膜34と、第1絶縁膜34内に埋め込み形成されたCu埋め込み配線36と、Cu埋め込み配線36上に設けられた第2絶縁膜38を貫通し、Cu埋め込み配線36に接続する接続プラグ40とを備えている。
Cu埋め込み配線36は、半導体素子12上のパッド22間を接続する設計データを用いて最適な配置の下にレイアウト設計されたものである。また、半導体素子12を高密度で配置するためには、配線基板13に多層構造の配線を設けることが望ましい。
【0026】
更に、配線基板13は、接続孔プラグ40に接続する基板接続パッド42(以下、簡単にパッド42と言うこともある)と、位置合わせ用のマークとして基板アライメントマーク44(以下、アライメントマーク44と言うことがある)とを備えている。
更に、配線基板13は、第2絶縁膜38上に成膜され、パッド42の上面を露出させてパッド42を埋め込み、かつアライメントマーク44を覆うようにして埋め込む第3絶縁膜46を有する。
パッド42は、それぞれ、半導体素子12に形成されたパッド22と同じ形状、寸法、かつ同じ間隔で配置されている。設計データ上は、パッド42のアドレスが信号線の接続位置を示すことになる。
アライメントマーク44は、図6(b)及び(c)に示すように、半導体素子12のアライメントマーク24と同じ形状、同じ寸法であって、パッド42の寸法の整数倍に合わせた全てのチップサイズに対応できるように、パッド42と同じ間隔で配置されている。
【0027】
また、パッド42上には、メッキ技術を用いて形成された厚さ(t3 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層48、及び厚さ(t4 )が0. 5μm以上5μm以下のハンダ合金層50が設けてある。
ハンダ合金層50は、スズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層であって、上部が凸状になって、第3絶縁膜46上に成膜されている熱硬化性樹脂層52から突出している。合金層50は、融点が150℃以上200℃以下の低融点金属である。
【0028】
配線基板13を作製するには、先ず、図4(a)に示すように、耐熱性ガラスからなる基板32上に、CVD法等によって低誘電率膜或いはSiO2 膜からなる第1絶縁膜34を成膜し、続いて例えばダマシン配線法により第1絶縁膜34内にCu埋め込み配線36を形成する。Cu埋め込み配線36を形成する際には、半導体素子12上のパッド22間を接続する設計データを用いて最適な配置の下にレイアウト設計したデータに従って形成する。
次いで、第2絶縁膜38をCu埋め込み配線36上に成膜し、続いて従来のリソグラフィ技術を使って、Cu埋め込み配線36に連通するコンタクトホールを第2絶縁膜38に貫通させ、導電性金属を埋め込んで接続プラグ40を形成する。
次に、接続プラグ40と接続するパッド42及びパッド42と同層の配線層(図示せず)を形成する。同時に、パッド42と共に形成した配線層の一部を分離してアライメントマーク44とする。
【0029】
次いで、図4(b)に示すように、例えば特開2001−185572号公報に記載された無電解メッキ法や、電解メッキ法などの既存のメッキ技術を用いて、パッド42上に厚さ(t3 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層48を選択成長させる。
続いて、無電解又は電解メッキ技術を用いてスズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層50をニッケルバリアメタル層48上に選択的に形成する。
【0030】
次に、図5(c)に示すように、ハンダ合金層50を形成した積層構造の表面に、半導体素子10の作製の際と同様にして、熱硬化性樹脂をスピンコートして熱硬化性樹脂層52を成膜する。
120℃程度で熱硬化性樹脂層52をベーキングして、塗布した熱硬化性樹脂層52中の溶媒を揮発させた後、不織布を用いたケミカル・メカニカル研磨法により、図5(d)に示すように、熱硬化性樹脂層32を研磨して平坦化し、ハンダ合金層50を露出させる。
次いで、図6(a)に示すように、大きなガラス基板上に形成した配線基板13を所望の大きさにダイシング等により分割する。
【0031】
(C)チップ実装機の構成と使用方法
次に、図7及び図8を参照して、チップ実装機の構成と使用方法を説明する。図7はチップ実装機の構成を示す模式図であり、図8はチップ実装機を用いて実施形態例1の半導体装置を製造する際の手順を示すフローチャートである。
チップ実装機54は、本発明の原理を用いたチップ実装機であって、図7に示すように、配線基板13を支持して、X方向及びY方向に自在に移動する円盤状のXYステージ55と、半導体素子12をロードするヒータ付きフォルダ56と、配線基板13と素子チップ10のアライメントマークの検出を行う光学顕微鏡付きCCDカメラ57と、フォルダ56に半導体素子12を供給するベルト式供給装置58とを備えている。
【0032】
図8を参照して、上述のチップ実装機54を用いて本実施形態例の半導体装置を製造する方法を説明する。
先ず、ステップS1 で、半導体素子12を実装すべき配線基板13上の位置座標を予めチップ実装機54に記憶させておく。
ステップS2 で、フォルダ56により半導体素子12をロードする。
ステップS3 で、CCDカメラ57を用いて半導体素子12の素子アライメントマークを検出し、高さ、傾き(チルト、Tilt)、回転(Rotation)等を測定して補正を行い、配線基板13に接触する直上の位置で静止させる。
ステップS4 で、XYステージ55上で配線基板13の高さ調節を事前に行ったのち、入力された座標を基に半導体素子12をマウントする位置まで配線基板13を移動する。
両者を所定の場所に移動させた後、ステップS5 で、半導体素子12のアライメントマーク18を自動検出する。
【0033】
ステップS6 で、配線基板13上のアライメントマークと位置合わせする。
両者のアライメントマークの位置が完全に一致した後、ステップS7 で、半導体素子12を配線基板13に押しつけて加熱し、ハンダバンプ同士を圧着する。なお、接着の前に熱可塑性樹脂を塗布して密着性を向上させても良い。
接着が完了した時点で、ステップS8 で、次の半導体素子をロードするために、ステップS2 に戻る。
【0034】
半導体装置
実施形態例1の半導体装置10は、図9(a)及び(b)に示すように、DRAM62と、ロジック回路/SRAM64とを半導体素子12とし、配線基板13を介してDRAM62と、ロジック回路/SRAM64とを相互に接続してモジュール化してなる画像処理用デバイスであって、DRAMとロジック回路を1万6000本のデータ線で結ぶことによって画像転送速度を飛躍的に向上させた例である。図9(a)及び(b)は、それぞれ、半導体装置60の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
従来のDRAMとロジック回路の混載プロセスと本実施形態例の半導体装置10とを比較すると、本実施形態例では、それぞれのチップを別々のウエハ上に形成できるので、プロセス工程数を削減して、プロセスのスリム化を図ることができ、低コストで生産することが可能になる。
【0035】
半導体装置の実施形態例2
本実施形態例は本発明に係る半導体装置の実施形態の別の例であって、図10(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
本実施形態例の半導体装置70は、図10(a)及び(b)に示すように、フラッシュメモリ72と、ロジック回路/SRAM64とを半導体素子12とし、配線基板13を介して、相互に接続した半導体装置であって、フラッシュメモリ72とロジック回路/SRAM64を1万6000本のデータ線で結ぶことによってデータの書きこみを分割して平行に行うことができるようになり、書きこみ時間を飛躍的に短縮させた例である。
DRAMの場合と同様、低コストで生産することが可能になる。
【0036】
半導体装置の実施形態例3
本実施形態例は本発明に係る半導体装置の実施形態の更に別の例であって、図11(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の半導体装置の構成を示す概念的平面図、及び概念的断面図である。
本実施形態例の半導体装置80は、低温ポリシリコンTFT基板に直接制御回路を貼りつけた半導体装置であって、図11(a)及び(b)に示すように、メモリ82と、制御回路84とを半導体素子12とし、TFT基板86の一部からなる配線基板13を介して、メモリ82と、制御回路84とを相互に接続した半導体装置である。
本実施形態例の半導体装置80を適用することにより、実装後のセットサイズを極限まで小さくすることが可能である。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、配線基板を介して相互に接続された複数個の同種又は異種の半導体素子からなる半導体装置として半導体装置を構成することにより、これまで困難であったシステム・イン・パッケージのパッドサイズの微細化・高密度化を実現することが可能になり、複数のチップをモジュール化する際のチップ間のデータ線の本数を飛躍的に増加させることができる。
これにより、システム・オン・チップ化によるコスト増とマスク枚数の増加によるコスト増を抑えると同時に、システム・オン・チップ並みの高速処理可能なシステム・イン・パッケージを実現することが可能となる。
本発明方法は、本発明に係る半導体装置を容易に製造できる方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の半導体素子の作製工程を説明する断面図である。
【図2】図2(c)及び(d)は、それぞれ、図1(b)に続いて、実施形態例1の半導体素子の作製工程を説明する断面図である。
【図3】図3(a)から(c)は、それぞれ、半導体素子を形成したウエハ、半導体素子のアライメントマーク、及び半導体素子のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
【図4】図4(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の配線基板の作製工程を説明する断面図である。
【図5】図5(c)及び(d)は、それぞれ、図4(b)に続いて、実施形態例1の配線基板の作製工程を説明する断面図である。
【図6】図6(a)から(c)は、それぞれ、配線基板を形成した大きな硝子基板、配線基板のアライメントマーク、及び配線基板のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
【図7】チップ実装機の構成を示す模式図である。
【図8】チップ実装機を用いて実施形態例1の半導体装置を製造する際の手順を示すフローチャートである。
【図9】図9(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
【図10】図10(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例2の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
【図11】図11(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例3の半導体装置の構成を示す概念的平面図、及び概念的断面図である。
【図12】図12(a)及び(b)は、それぞれ、半導体素子の従来の実装方法を説明する概念的断面図である。
【符号の説明】
10……半導体素子、12……配線基板、14……半導体基板、15……第1絶縁膜、16……Cu埋め込み配線、18……第2絶縁膜、20……接続プラグ、22……素子接続パッド、24……素子アライメントマーク、26……第3絶縁膜、28……第4絶縁膜、30……合金層、32……耐熱ガラス基板、34……第1絶縁膜、36……Cu埋め込み配線、38……第2絶縁膜、40……接続プラグ、42……基板接続パッド、44……基板アライメントマーク、46……第3絶縁膜、48……第4絶縁膜、49……合金層、50……チップ実装機、52……XYステージ、54……ヒータ付きフォルダ、56……光学顕微鏡付きCCDカメラ、58……ベルト式供給装置、60……実施形態例1の半導体装置、62……DRAM、64……ロジック回路/SRAM、70……実施形態例2の半導体装置、72……フラッシュメモリ、80……実施形態例3の半導体装置、82……メモリ、84……制御回路、86……TFT基板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、更に詳細には、システム・オン・チップ化によるコスト増大、及びマスクタイプの増加によるコスト増大を回避して、同種又は異種の多数個の半導体素子を高密度で混載し、かつ微細化を実現した半導体装置、及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造技術、特に微細加工技術の進歩に伴い、集積回路を構成するトランジスタ等のデバイスは年々微細化する一方で、集積回路は、益々、その多機能化及び高性能化が要求され、それに応じて、集積回路に搭載される半導体素子は、その数が増加し、その種類が多様化している。
集積回路に搭載される半導体素子数の増加及び半導体素子の多様化に伴い、必然的に、半導体素子の製造は、多品種少量生産に対応することが要求されるようになっている。
【0003】
その一方で、マスクパターンの微細化及びパターニングの高精度化の要求から、リソグラフィー技術で使用するマスクも微細化し、その結果、マスクコストの増大が深刻な問題になりつつある。
半導体素子の製造では、半導体素子の仕様に対応するマスクを都度作製しなければならないので、半導体素子の多品種少量生産では、半導体素子チップのコストの殆どをマスクコストが占めるようなことになる。その結果、マスクコストに見合う高価なチップセットしか供給できなくなってしまう。
【0004】
また、システムLSIを作製する場合には、例えばロジック回路、DRAM、FeRAM、フラッシュメモリ、アナログ回路などを1つのチップに形成しなければならないものの、製造工程が相互に異なるこれらの各種デバイスを同一工程で形成することは、技術的に極めて困難であるといえる。
【0005】
そこで、従来、上述の技術的な困難を回避するために、複数個のチップ状の半導体素子を大型のパッケージ内で組み合わせ、多数個の半導体素子を組み込んだMCM(Multichip Module; マルチチップモジュール)が開発されている。
また、このMCMの一つとして、HDI(High Density Interconnect;高密度相互接続)方式がGE(General Electric;ゼネラルエレクトリック)社から提案されている(”A 36−chip Multiprocessor Multichip Module made with the General Electric High Density Interconnect Technology”,IEEE magazine,1991参照)。
【0006】
ところで、従来のMCMでは、チップ実装の位置合わせ精度が充分ではないために、100〜200μm角の大きな接続パッドを介して各チップをI/O(入力/出力)部に接続しなければならなった。このため、接続パッドを駆動するための特殊なトランジスタや、接続パッドのチャージアップからLSIを守るための保護回路など、余分な機構をチップ内に配置しなければならず、チップ面積の増大を招いてしまっていた。
また、複数のチップ間を接続するデータ線の本数も接続パッドの数によって制限される。従って、パッドサイズを縮小して、接続パッドの数を増加させることが、素子間のデータのやり取りを高速化させるために、極めて重要な課題となっている。
【0007】
パッドサイズの縮小のためには、ハンダボールのサイズを縮小することが必須の条件となる。そこで、図12(a)に示すように、ハンダボールを小さくすると共にハンダボールを小さくしたことによる接着性の低下を補うために、アンダーフィル(樹脂接着剤)を用いてチップと基板との接着を補強する方法が提案されている。
図12(a)では、チップ状の半導体素子90を実装基板92上に実装する際に、半導体素子90上の銅パッド94と、実装基板92上の銅パッド96とをハンダボール98により接合し、かつ半導体素子90と実装基板92との間に樹脂接着剤100が充填されている。
さらに、特開2001−283637号公報にに示されたようなNi等の比較的硬質なバンプと異方性導電接着フィルムを用いたフリップチップの接続法も提案されている。
前掲公報に示す方法では、図12(b)に示すように、上述の樹脂接着剤100に代えて、導電粒子102を分散させた樹脂接着剤104を使用することにより、バンプ高さを10〜20μm程度まで小さくすることが可能であるとしている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図12(a)に示す方法では、樹脂接着剤100を充填するためのギャップが半導体素子90と実装基板92との間に必要となる。そのためには、ハンダボール98の高さを高くすることが必要になり、例えばハンダボール98の高さ、つまり直径は50〜200μmにもなる。これでは、ハンダボールの微小化することが難しい。
また、図12(b)に示す方法でも、バンプ高さの差による圧力差を導電と絶縁の区別に用いているため、バンプ高さの縮小が接合不良を発生させる原因となるおそれがある。従って、バンプサイズを縮小するには限界がある。
このように、従来のシステム・オン・チップ化の方法では、高密度での混載及び微細化が難しかった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、システム・オン・チップ化によるコスト増大及びマスクタイプの増加によるコスト増大を回避して、種類の相互に異なる多数の半導体素子を高密度で混載し、かつ微細化を実現した半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置であって、
各半導体素子は、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続され、半導体基板に平行な面に規則的な配置で設けられた素子接続パッドと、素子接続パッド上に選択メッキ法により形成された素子ハンダバンプと、表面近傍に設けられた半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークとを備え、
配線基板は、基板上に形成された絶縁膜又は絶縁膜積層構造内に設けられた配線と、配線に電気的に接続され、半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で基板と平行な面に設けられた基板接続パッドと、基板接続パッド上に選択メッキ法により形成された基板ハンダバンプと、表面近傍に設けられた配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークとを備え、
各半導体素子は、素子アライメントマークと基板アライメントマークとの位置合わせによって配線基板に位置決めされ、かつ各半導体素子は、素子ハンダバンプと基板ハンダバンプとを接合することにより、相互に電気的に接続されていることを特徴としている。
【0011】
本発明の好適な実施態様では、素子ハンダバンプ及び基板ハンダバンプの下部が、それぞれ、熱硬化性樹脂に埋め込まれている。これにより、接合の際のハンダバンプ同士の接触を防止することができる。
また、素子ハンダバンプ及び基板ハンダバンプが、それぞれ、錫を含むハンダ合金により形成されている。これにより、ハンダバンプの形成が容易になる。
更には、本発明の半導体装置では、以上の要件を備えることにより、素子接続パッド及び基板接続パッドの差し渡し寸法を1μm以上50μm以下にすることができる。
【0012】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置の製造方法であって、
半導体装置を構成する半導体素子を作製する工程と、
半導体素子を接続させる配線基板を作製する工程と
を有し、 半導体素子を作製する工程では、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続された素子接続パッドを半導体基板に平行な面に規則的な配置で形成し、かつ表面近傍に半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークを形成し、次いで素子接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる素子ハンダバンプを形成し、
配線基板を作製する工程では、基板上に形成された絶縁膜、又は絶縁膜積層構造内に配線を、配線に電気的に接続され、半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で基板に平行な面に基板接続パッドを、及び表面近傍に配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークを形成し、次いで基板接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる基板ハンダバンプを形成し、
次いで、素子アライメントマークと基板アライメントマークとを位置合わせして、半導体素子を配線基板上に位置決めする工程と、
位置決めした半導体素子の素子ハンダバンプと配線基板の基板ハンダバンプとを接合する工程と
を備えていることを特徴としている。
【0013】
本発明方法の好適な実施態様では、半導体素子を作製する工程及び配線基板を作製する工程では、それぞれ、接続パッド上にハンダバンプを形成した後、ハンダバンプを覆うように熱硬化性樹脂層を成膜し、次いで熱硬化性樹脂層をケミカル・メカニカル研磨法により研磨して、ハンダバンプを露出させるステップを有する。
これにより、ハンダバンプの下部を覆う熱硬化性樹脂層を容易に形成することができる。
【0014】
本発明方法では、素子接続パッドと基板接続パッドとを同じ配置、つまり同じ配列で、同じピッチで配置することにより、配線基板上に半導体素子を容易に位置決めでき、かつ高密度で配置することができる。
通常のフリップチップ実装に代えて、半導体素子間の接続を配線基板の配線を介して行うことにより、パッドサイズを縮小し、かつ半導体素子間を結ぶデータ線を所望通り確保することができる。特に、半導体装置の製造で使用する露光技術を用いて形成した多層配線構造の基板を配線基板として用いることにより、半導体素子の高密度配置を実現することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、実施形態例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
半導体装置及びその製造方法の実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置及びその製造方法の実施形態の一例である。
本実施形態例の半導体装置10は、図9に示すように、DRAM及びロジック回路/SRAMからなる半導体素子12と、半導体素子12同士を接続させて一つの半導体装置として機能させる配線基板13とから構成されている。
【0016】
(A)半導体素子の構成と作製方法
先ず、図1から図3を参照して、半導体素子10の構成と作製方法を説明する。図1(a)及び(b)と図2(c)及び(d)は、それぞれ、半導体素子の作製工程を説明する断面図、並びに、図3(a)から(c)は、それぞれ、半導体素子を形成したウエハ、半導体素子のアライメントマーク、及び半導体素子のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
半導体素子12は、多くの用途に汎用的に使用できる素子単位として設計され、通常の半導体素子の作製工程によって作製された所定の素子構造を備える、チップ状の半導体素子である。勿論、特定用途のために作製された半導体素子であっても良い。
また、半導体素子12は、図3(a)に示すように、多数個の半導体素子を形成したウエハからダイシングして得た一つのチップであって、あらゆるSiデバイスや化合物半導体素子を含み、集積回路を形成し得るチップである限り、その種類を問わない。
【0017】
半導体素子12は、図2(d)に示すように、所定の素子構造を備える半導体基板14と、半導体素子として機能するために必要な素子内配線として第1絶縁膜15内に形成されたCu埋め込み配線16と、配線16上に設けられた第2絶縁膜18を貫通し、配線16に接続する接続プラグ20とを備えている。
【0018】
更に、半導体素子12は、外部入出力線(電源線、接地線、信号線等)に接続する引き出し線を引き出すパッドとして、接続孔プラグ20に接続する素子接続パッド(以下、単にパッドと言うこともある)22を、位置合わせ用のマークとして素子アライメントマーク24(以下、アライメントマーク24と言う)を備えている。
更に、パッド22の上面を露出させてパッド22を埋め込み、かつアライメントマーク24を覆うようにして埋め込む、第3絶縁膜26が、第2絶縁膜18上に成膜されている。
【0019】
パッド22は、図3(c)に示すように、例えば一辺の長さが20μmの正方形であって、80μmのパッド間隔(中心間隔)で、碁盤の目の交点、或いは格子状交点に配置されている。このような寸法のパッド22をこのようなパッド間隔で碁盤の目状に配置すれば、5mmのチップであっても、最大500×500=250000個のパッドを配置することが可能である。
アライメントマーク24は、図3(b)及び(c)に示すように、十字マークであって、パッド22と重ならないようにして、半導体素子12の4隅と中央の5箇所に形成されていて、後述する配線基板13のアライメントマーク44の間隔の整数倍になるように配置されている。換言すれば、アライメントマーク24の間隔が配線基板13のアライメントマーク44の間隔の整数倍になるように半導体素子12のチップ寸法が規定される。
パッド22は、パッド22と同層の配線層(図示せず)の形成と同時に形成され、アライメントマーク24は、パッド22と同時に形成された配線層の一部が利用されている。
【0020】
また、図1(b)に示すように、パッド22上には、メッキ技術を用いて形成された厚さ(t1 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層28、及び厚さ(t2 )が0. 5μm以上5μm以下のハンダ合金層30が設けてある。
ハンダ合金層30は、スズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層であって、上部が凸状になって、第3絶縁膜26上に成膜されている熱硬化性樹脂層32から突出している。合金層30は、融点が150℃以上200℃以下の低融点金属である。
【0021】
半導体素子12を作製するには、先ず、図1(a)に示すように、半導体基板14内にDRAM或いはロジック回路等の所定の素子構造を形成し、次いで第1絶縁膜15を成膜し、続いて例えばダマシン配線法により第1絶縁膜15内にCu埋め込み配線16を形成する。
次いで、第2絶縁膜18をCu埋め込み配線16上に成膜し、続いて従来のリソグラフィ技術を使って、Cu埋め込み配線16に連通するコンタクトホールを第2絶縁膜18に貫通させ、導電性金属を埋め込んで接続プラグ20を形成する。
次に、接続プラグ20と接続するパッド22及びパッド22と同層の配線層(図示せず)を形成する。同時に、パッド22と共に形成した配線層の一部を分離してアライメントマーク24とする。続いて第3絶縁膜26を成膜して平坦化し、アライメントマーク24を埋め込んだ状態に維持し、かつパッド22を露出させる。
【0022】
次いで、図1(b)に示すように、例えば特開2001−185572号公報に記載された無電解メッキ法や、電解メッキ法などの既存のメッキ技術を用いて、パッド22上に厚さ(t1 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層28を選択成長させる。
続いて、無電解又は電解メッキ技術を用いてスズ96%、銀3%、その他1%からなる厚さ(t2 )が0.5μm〜5μmのハンダ合金層30をニッケルバリアメタル層28上に選択的に形成する。
【0023】
次に、図2(c)に示すように、ハンダ合金層30を形成した積層構造の表面に、熱硬化性樹脂をスピンコートして熱硬化性樹脂層32を成膜する。
熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂(油化シェルエポキシ(株)製の商品名エピコート1009)と潜在性硬化剤(旭化成(株)製の商品名HX3721)とを混合した接着剤をトルエン等の溶媒に溶解させた液状混合物を使用する。熱硬化性樹脂層32の厚さは、選択メッキしたハンダ合金層30の高さとほぼ同程度すなわち0.5〜5μm程度にすることが望ましい。
【0024】
120℃程度で熱硬化性樹脂層32をベーキングして、塗布した熱硬化性樹脂層32中の溶媒を揮発させた後、不織布を用いたケミカル・メカニカル研磨法により、図2(d)に示すように、熱硬化性樹脂層32を研磨して平坦化し、ハンダ合金層30を露出させる。
次いで、ウエハ上に形成した半導体素子12を所望の大きさのチップにダイシング等により、図3(a)に示すように、分割する。
実施形態例1の半導体装置10では、異なるウエハ、異なるパターンから得られた複数個の異なる種類のチップ状の半導体素子を組み合わせて実装することになる。
【0025】
(B)配線基板の構成と作製方法
次に、図4から図6を参照して、配線基板の構成と作製方法とを説明する。図4(a)及び(b)と図5(c)及び(d)は、それぞれ、配線基板の作製工程を説明する断面図、並びに図6(a)から(c)は、それぞれ、配線基板を形成した大きな硝子基板、配線基板のアライメントマーク、及び配線基板のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
多数個の半導体素子12をマウントさせる配線基板13は、図5(d)に示すように、液晶パネル等に用いられている耐熱ガラスからなる基板32と、基板32上に成膜された低誘電率膜やプラズマCVDSiO2 膜等からなる第1絶縁膜34と、第1絶縁膜34内に埋め込み形成されたCu埋め込み配線36と、Cu埋め込み配線36上に設けられた第2絶縁膜38を貫通し、Cu埋め込み配線36に接続する接続プラグ40とを備えている。
Cu埋め込み配線36は、半導体素子12上のパッド22間を接続する設計データを用いて最適な配置の下にレイアウト設計されたものである。また、半導体素子12を高密度で配置するためには、配線基板13に多層構造の配線を設けることが望ましい。
【0026】
更に、配線基板13は、接続孔プラグ40に接続する基板接続パッド42(以下、簡単にパッド42と言うこともある)と、位置合わせ用のマークとして基板アライメントマーク44(以下、アライメントマーク44と言うことがある)とを備えている。
更に、配線基板13は、第2絶縁膜38上に成膜され、パッド42の上面を露出させてパッド42を埋め込み、かつアライメントマーク44を覆うようにして埋め込む第3絶縁膜46を有する。
パッド42は、それぞれ、半導体素子12に形成されたパッド22と同じ形状、寸法、かつ同じ間隔で配置されている。設計データ上は、パッド42のアドレスが信号線の接続位置を示すことになる。
アライメントマーク44は、図6(b)及び(c)に示すように、半導体素子12のアライメントマーク24と同じ形状、同じ寸法であって、パッド42の寸法の整数倍に合わせた全てのチップサイズに対応できるように、パッド42と同じ間隔で配置されている。
【0027】
また、パッド42上には、メッキ技術を用いて形成された厚さ(t3 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層48、及び厚さ(t4 )が0. 5μm以上5μm以下のハンダ合金層50が設けてある。
ハンダ合金層50は、スズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層であって、上部が凸状になって、第3絶縁膜46上に成膜されている熱硬化性樹脂層52から突出している。合金層50は、融点が150℃以上200℃以下の低融点金属である。
【0028】
配線基板13を作製するには、先ず、図4(a)に示すように、耐熱性ガラスからなる基板32上に、CVD法等によって低誘電率膜或いはSiO2 膜からなる第1絶縁膜34を成膜し、続いて例えばダマシン配線法により第1絶縁膜34内にCu埋め込み配線36を形成する。Cu埋め込み配線36を形成する際には、半導体素子12上のパッド22間を接続する設計データを用いて最適な配置の下にレイアウト設計したデータに従って形成する。
次いで、第2絶縁膜38をCu埋め込み配線36上に成膜し、続いて従来のリソグラフィ技術を使って、Cu埋め込み配線36に連通するコンタクトホールを第2絶縁膜38に貫通させ、導電性金属を埋め込んで接続プラグ40を形成する。
次に、接続プラグ40と接続するパッド42及びパッド42と同層の配線層(図示せず)を形成する。同時に、パッド42と共に形成した配線層の一部を分離してアライメントマーク44とする。
【0029】
次いで、図4(b)に示すように、例えば特開2001−185572号公報に記載された無電解メッキ法や、電解メッキ法などの既存のメッキ技術を用いて、パッド42上に厚さ(t3 )が0.1μmのニッケルバリアメタル層48を選択成長させる。
続いて、無電解又は電解メッキ技術を用いてスズ96%、銀3%、その他1%からなるハンダ合金層50をニッケルバリアメタル層48上に選択的に形成する。
【0030】
次に、図5(c)に示すように、ハンダ合金層50を形成した積層構造の表面に、半導体素子10の作製の際と同様にして、熱硬化性樹脂をスピンコートして熱硬化性樹脂層52を成膜する。
120℃程度で熱硬化性樹脂層52をベーキングして、塗布した熱硬化性樹脂層52中の溶媒を揮発させた後、不織布を用いたケミカル・メカニカル研磨法により、図5(d)に示すように、熱硬化性樹脂層32を研磨して平坦化し、ハンダ合金層50を露出させる。
次いで、図6(a)に示すように、大きなガラス基板上に形成した配線基板13を所望の大きさにダイシング等により分割する。
【0031】
(C)チップ実装機の構成と使用方法
次に、図7及び図8を参照して、チップ実装機の構成と使用方法を説明する。図7はチップ実装機の構成を示す模式図であり、図8はチップ実装機を用いて実施形態例1の半導体装置を製造する際の手順を示すフローチャートである。
チップ実装機54は、本発明の原理を用いたチップ実装機であって、図7に示すように、配線基板13を支持して、X方向及びY方向に自在に移動する円盤状のXYステージ55と、半導体素子12をロードするヒータ付きフォルダ56と、配線基板13と素子チップ10のアライメントマークの検出を行う光学顕微鏡付きCCDカメラ57と、フォルダ56に半導体素子12を供給するベルト式供給装置58とを備えている。
【0032】
図8を参照して、上述のチップ実装機54を用いて本実施形態例の半導体装置を製造する方法を説明する。
先ず、ステップS1 で、半導体素子12を実装すべき配線基板13上の位置座標を予めチップ実装機54に記憶させておく。
ステップS2 で、フォルダ56により半導体素子12をロードする。
ステップS3 で、CCDカメラ57を用いて半導体素子12の素子アライメントマークを検出し、高さ、傾き(チルト、Tilt)、回転(Rotation)等を測定して補正を行い、配線基板13に接触する直上の位置で静止させる。
ステップS4 で、XYステージ55上で配線基板13の高さ調節を事前に行ったのち、入力された座標を基に半導体素子12をマウントする位置まで配線基板13を移動する。
両者を所定の場所に移動させた後、ステップS5 で、半導体素子12のアライメントマーク18を自動検出する。
【0033】
ステップS6 で、配線基板13上のアライメントマークと位置合わせする。
両者のアライメントマークの位置が完全に一致した後、ステップS7 で、半導体素子12を配線基板13に押しつけて加熱し、ハンダバンプ同士を圧着する。なお、接着の前に熱可塑性樹脂を塗布して密着性を向上させても良い。
接着が完了した時点で、ステップS8 で、次の半導体素子をロードするために、ステップS2 に戻る。
【0034】
半導体装置
実施形態例1の半導体装置10は、図9(a)及び(b)に示すように、DRAM62と、ロジック回路/SRAM64とを半導体素子12とし、配線基板13を介してDRAM62と、ロジック回路/SRAM64とを相互に接続してモジュール化してなる画像処理用デバイスであって、DRAMとロジック回路を1万6000本のデータ線で結ぶことによって画像転送速度を飛躍的に向上させた例である。図9(a)及び(b)は、それぞれ、半導体装置60の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
従来のDRAMとロジック回路の混載プロセスと本実施形態例の半導体装置10とを比較すると、本実施形態例では、それぞれのチップを別々のウエハ上に形成できるので、プロセス工程数を削減して、プロセスのスリム化を図ることができ、低コストで生産することが可能になる。
【0035】
半導体装置の実施形態例2
本実施形態例は本発明に係る半導体装置の実施形態の別の例であって、図10(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
本実施形態例の半導体装置70は、図10(a)及び(b)に示すように、フラッシュメモリ72と、ロジック回路/SRAM64とを半導体素子12とし、配線基板13を介して、相互に接続した半導体装置であって、フラッシュメモリ72とロジック回路/SRAM64を1万6000本のデータ線で結ぶことによってデータの書きこみを分割して平行に行うことができるようになり、書きこみ時間を飛躍的に短縮させた例である。
DRAMの場合と同様、低コストで生産することが可能になる。
【0036】
半導体装置の実施形態例3
本実施形態例は本発明に係る半導体装置の実施形態の更に別の例であって、図11(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の半導体装置の構成を示す概念的平面図、及び概念的断面図である。
本実施形態例の半導体装置80は、低温ポリシリコンTFT基板に直接制御回路を貼りつけた半導体装置であって、図11(a)及び(b)に示すように、メモリ82と、制御回路84とを半導体素子12とし、TFT基板86の一部からなる配線基板13を介して、メモリ82と、制御回路84とを相互に接続した半導体装置である。
本実施形態例の半導体装置80を適用することにより、実装後のセットサイズを極限まで小さくすることが可能である。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、配線基板を介して相互に接続された複数個の同種又は異種の半導体素子からなる半導体装置として半導体装置を構成することにより、これまで困難であったシステム・イン・パッケージのパッドサイズの微細化・高密度化を実現することが可能になり、複数のチップをモジュール化する際のチップ間のデータ線の本数を飛躍的に増加させることができる。
これにより、システム・オン・チップ化によるコスト増とマスク枚数の増加によるコスト増を抑えると同時に、システム・オン・チップ並みの高速処理可能なシステム・イン・パッケージを実現することが可能となる。
本発明方法は、本発明に係る半導体装置を容易に製造できる方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の半導体素子の作製工程を説明する断面図である。
【図2】図2(c)及び(d)は、それぞれ、図1(b)に続いて、実施形態例1の半導体素子の作製工程を説明する断面図である。
【図3】図3(a)から(c)は、それぞれ、半導体素子を形成したウエハ、半導体素子のアライメントマーク、及び半導体素子のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
【図4】図4(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の配線基板の作製工程を説明する断面図である。
【図5】図5(c)及び(d)は、それぞれ、図4(b)に続いて、実施形態例1の配線基板の作製工程を説明する断面図である。
【図6】図6(a)から(c)は、それぞれ、配線基板を形成した大きな硝子基板、配線基板のアライメントマーク、及び配線基板のアライメントマークとパッドを示す平面図である。
【図7】チップ実装機の構成を示す模式図である。
【図8】チップ実装機を用いて実施形態例1の半導体装置を製造する際の手順を示すフローチャートである。
【図9】図9(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
【図10】図10(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例2の半導体装置の構成を示す概念的断面図、及び概念的接続図である。
【図11】図11(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例3の半導体装置の構成を示す概念的平面図、及び概念的断面図である。
【図12】図12(a)及び(b)は、それぞれ、半導体素子の従来の実装方法を説明する概念的断面図である。
【符号の説明】
10……半導体素子、12……配線基板、14……半導体基板、15……第1絶縁膜、16……Cu埋め込み配線、18……第2絶縁膜、20……接続プラグ、22……素子接続パッド、24……素子アライメントマーク、26……第3絶縁膜、28……第4絶縁膜、30……合金層、32……耐熱ガラス基板、34……第1絶縁膜、36……Cu埋め込み配線、38……第2絶縁膜、40……接続プラグ、42……基板接続パッド、44……基板アライメントマーク、46……第3絶縁膜、48……第4絶縁膜、49……合金層、50……チップ実装機、52……XYステージ、54……ヒータ付きフォルダ、56……光学顕微鏡付きCCDカメラ、58……ベルト式供給装置、60……実施形態例1の半導体装置、62……DRAM、64……ロジック回路/SRAM、70……実施形態例2の半導体装置、72……フラッシュメモリ、80……実施形態例3の半導体装置、82……メモリ、84……制御回路、86……TFT基板。
Claims (6)
- 配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置であって、
前記各半導体素子は、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続され、前記半導体基板に平行な面に規則的な配置で設けられた素子接続パッドと、前記素子接続パッド上に選択メッキ法により形成された素子ハンダバンプと、表面近傍に設けられた半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークとを備え、
前記配線基板は、基板上に形成された絶縁膜又は絶縁膜積層構造内に設けられた配線と、前記配線に電気的に接続され、前記半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で基板と平行な面に設けられた基板接続パッドと、前記基板接続パッド上に選択メッキ法により形成された基板ハンダバンプと、表面近傍に設けられた配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークとを備え、
前記各半導体素子は、前記素子アライメントマークと前記基板アライメントマークとの位置合わせによって前記配線基板に位置決めされ、かつ前記各半導体素子は、前記素子ハンダバンプと前記基板ハンダバンプとを接合することにより、相互に電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記素子ハンダバンプ及び前記基板ハンダバンプは、それぞれの上部の露出部を除いて熱硬化性樹脂に埋め込まれていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記素子ハンダバンプ及び前記基板ハンダバンプが、それぞれ、錫を含むハンダ合金により形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記素子接続パッド及び前記基板接続パッドの差し渡し寸法が、1μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 配線基板を介して相互に接続された、同種及び異種の少なくともいずれかの複数個の半導体素子からなる半導体装置の製造方法であって、
前記半導体装置を構成する前記半導体素子を作製する工程と、
前記半導体素子を接続させる前記配線基板を作製する工程と
を有し、 前記半導体素子を作製する工程では、半導体基板上の素子内配線に電気的に接続された素子接続パッドを前記半導体基板に平行な面に規則的な配置で形成し、かつ表面近傍に前記半導体素子の位置合わせ用の素子アライメントマークを形成し、次いで前記素子接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる素子ハンダバンプを形成し、
前記配線基板を作製する工程では、基板上に形成された絶縁膜、又は絶縁膜積層構造内に配線を、前記配線に電気的に接続され、前記半導体素子の素子接続パッドと同じ配置で前記基板に平行な面に基板接続パッドを、及び表面近傍に前記配線基板の位置合わせ用の基板アライメントマークを形成し、次いで前記基板接続パッド上に選択メッキ法によりハンダ合金からなる基板ハンダバンプを形成し、
次いで、前記素子アライメントマークと前記基板アライメントマークとを位置合わせして、前記半導体素子を前記配線基板上に位置決めする工程と、
前記位置決めした半導体素子の素子ハンダバンプと前記配線基板の基板ハンダバンプとを接合する工程と
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体素子を作製する工程及び前記配線基板を作製する工程では、それぞれ、前記接続パッド上に前記ハンダバンプを形成した後、前記ハンダバンプを覆うように熱硬化性樹脂層を成膜し、次いで前記熱硬化性樹脂層をケミカル・メカニカル研磨法により研磨して、前記ハンダバンプを露出させるステップを有することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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- 2002-08-21 JP JP2002240819A patent/JP2004079905A/ja active Pending
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