JP2005332896A - 半導体装置、チップサイズパッケージ、半導体装置の製造方法、及びチップサイズパッケージの製造方法 - Google Patents

半導体装置、チップサイズパッケージ、半導体装置の製造方法、及びチップサイズパッケージの製造方法 Download PDF

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semiconductor device
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conductor
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Makoto Terui
誠 照井
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

【課題】CSP(チップサイズパッケージ)の特徴である小型化のメリットを維持しつつ、歩留まりが高く、安定した動作をする半導体装置を提供する。
【解決手段】第1の素子形成面に複数の第1パッド103を有すると共に第1パッド103を露出するように形成された第1保護膜104とを備える第1半導体チップ101上に第2チップ102がフリップチップ接続され、第1保護膜104上に形成された絶縁膜107は、第2チップ102の側面及び第2の素子形成面上を覆っている。本発明の構造を有することで、樹脂封止時の樹脂流し込みの圧力により、第2チップのズレ等を防止することが出来る。
【選択図】図2

Description

本発明は、チップサイズパッケージを用いマルチチップ化した半導体装置、チップサイズパッケージ、半導体装置の製造方法、及びチップサイズパッケージの製造方法に関するものである。
近年の電子機器の小型化に伴い、半導体装置を実装する際、高密度実装を可能にする様々な方法が検討されている。その中で、半導体装置の小型化と、複数の部品実装の高密度化を進める方法がある。
半導体装置を小型化する技術については、ICチップとほぼ同一サイズをもつチップサイズパッケージ(以下、CSPと略す)と称する半導体パッケージが検討されている。以上のような内容は、例えば、下記特許文献1、2、3に記載されている。
特開2001−257310 特開2002−299496 特開2004−056093
しかしながら、上述の特許文献1及び2に開示された技術では、モールド樹脂封止工程において、モールド樹脂の圧力が直接、搭載しているチップへかかることによりチップズレに至り、歩留まり低下の要因の一つとなっていた。
また、特許文献3で講じられた対策では、複雑な工程を要し、精度の高い合わせ技術を要求され、このような要求に対応することが困難である。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、CSPの特徴である小型化のメリットを生かしつつ、歩留まりが高く、安定した動作をする半導体装置を提供することにある。
本発明の半導体装置では、上述した課題を解決すべく、複数の第1パッドと第1パッドを露出する第1保護膜とが形成された第1の素子形成面を持つ第1半導体チップと、複数の第2パッドと第2パッドを露出するように第2保護膜が形成される第2の素子形成面を持つと共に第1半導体チップの第1の素子形成面と第2の素子形成面とが対向するように第1半導体チップ上に搭載された第2チップと、第1保護膜上に形成されると共に第2チップの側面かつ第2の素子形成面を覆うように形成された絶縁膜と、絶縁膜上を覆うように形成された樹脂と、樹脂上に形成された外部電極と第1パッドとを接続する第1導体とをそなえている。
本発明の半導体装置の製造方法では、複数の第1パッドと第1パッドを露出する第1保護膜とが形成された第1の素子形成面を持つ第1半導体チップを準備する工程と、複数の第2パッドと第2パッドを露出するように第2保護膜とが形成された第2の素子形成面を持つ第2チップを準備し、第1及び第2素子形成面が対向するように第1半導体チップ上に第2チップを搭載する工程と、第1保護膜上、第2チップの側面、及び第2の素子形成面上を覆うように絶縁膜を形成する工程と、第1パッドから外部電極を接続する第1導体を形成する工程と、第1導体、絶縁膜、及び第2チップを樹脂で封止する工程とを含む。
本発明の半導体装置の構成を取ることで、CSPの特徴である小型化のメリットを維持しつつ、歩留まりが高く、安定した動作をするCSPを提供するこが可能となる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明及び添付の図面において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施の形態における半導体装置100の斜視図である。図2は、本発明の第1の実施の形態である図1のX−X'における半導体装置100の断面図である。図3は、第1の実施の形態における半導体装置100の上面図である。支持基板となる第1半導体チップ101は、第1の素子形成面に複数の第1パッド103を有している。第1半導体チップ101の周辺部を第1領域とし、第1領域に囲まれた領域を第2領域とすると、第1パッド103は、第1領域及び第2領域に形成されている。また、第1半導体チップ101上には第1パッド103を露出するように、第1保護膜104が形成されている。
第2チップ102は、第2の素子形成面に複数の第2パッド105を有している。また、第2チップ102上には、第2パッド105を露出するように第2保護膜106が形成されている。第1半導体チップ101に対して、第2チップ102は、フリップチップの形態で接続されている。第2領域の第1パッド103と第2パッド105は金バンプ等の接着部材を介して接続されている。ここで、第2チップ102の外形寸法は、第1半導体チップ101の外形寸法より小さく、かつ第2チップ102の厚さは、同一半導体装置に内蔵できるほど薄く研削されている。第1半導体チップ101は、300μm程度で、第2チップ102は、50μm程度である。
第1保護膜104上には、絶縁膜107が形成されている。なお、絶縁膜107は、第2チップ102の側面と第2の素子形成面とを覆っている。また、絶縁膜107は、第1半導体チップ101と第2チップ102との間の空間を埋めるように形成されている。導体108は、第1パッド103に接続され、絶縁膜107上にかけて形成されている。柱状の導体109は、導体108に接続するように形成されている。導体109上には、外部電極111が形成されている。
導体108、109により第1パッド103から半導体装置100の外部電極111へ電気的に接続でき、外部電極111により、半導体装置100を外部基板(図示せず)に接続できる。すなわち、一連の接続された第1パッド103、導体105、106、外部電極111により、第1半導体チップ101の内部集積回路と外部基板とを電気的に接続することが可能となる。
樹脂110は、絶縁膜107、導体108、及び導体109を封止するように形成されている。ここで、樹脂110を形成する工程については、特にトランスファーモルドの場合に第2チップ102に対して流し込みによる圧力がかかってしまう。しかし、本発明の構成では、樹脂110形成工程前に第2チップ102の側面及び第2保護膜106を絶縁膜107が覆っている。詳細には、第1半導体チップ101と第2チップ102の間の空間を埋めるように絶縁膜107が形成されているため、第2チップ102を固定することが可能となる。したがって流し込みの圧力により第2チップ102がずれることを防止することが出来る。同様に、プロセス工程間の移動時の振動などによるズレなどにも強くなり歩留まり向上を図れる。
ここで、第1保護膜104及び第2保護膜106は、第1半導体チップ101及び第2チップ102の表面保護膜である。第1保護膜104及び第2保護膜106は、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜である。また、絶縁膜107は、ポリイミドなどの高分子樹脂からなる膜である。ポリイミド系の樹脂を使用することで接着剤としての効果が期待できる。ここでの、絶縁層107は、4μm程度である。第1保護膜105及び第2保護膜106は、1μm程度である。また、樹脂110は、100μm程度である。
導体108は、導体109と第1パッド103とを結ぶ導体配線である。ここではチタン及び銅からなる複合層構成の金属材料によるものとする。この場合、チタン層はパッドや保護膜との密着性や拡散防止機能のために形成され、銅層は主として電気的な接続材料としての機能のために形成する。無論、単層構成でもよいし材料構成を問うものではない。複合層構成の場合の材料構成例については、クロム−銅、クロム−金、ニッケル−銅、ニッケル−金、チタン/タングステン−銅、チタン/タングステン−金等様々なものが考えられる。
導体109は、導体108から半導体装置100外部へ電気的接続を施すための導体で、少なくとも樹脂110よりその一部が露出している必要がある。材料としては、電気的抵抗の低い材料が好ましく銅、金、アルミニウムなどが挙げられる。なお、図1から図3では、支持基板となる第1半導体チップ101に搭載される第2チップ102は1つしか示していない。しかし、複数のチップであってもよく、この点は以下に述べる実施の形態についても同様である。ここで、第2チップ102であるが、受動素子専用であればさらに効果的である。図7を参照して詳細に説明する。
受動部品は、デカップリングコンデンサ、プルアップ/ダウン抵抗、チョークインダクタ等のディジタル回路及びアナログ回路の分野で数多く使用されている。1つのシステムにおいてのICの搭載面積に対して、先の受動部品の占有面積は、70%以上を超えつつある。
図7は、本発明に利用される受動素子チップの概要図であって、受動素子チップ710、720、730は各々、ウェハ800からダイシング等により切り出される受動素子チップである。受動素子チップ710は、キャパシタ特性を示す受動素子チップである。受動素子チップ710は、基板711上に絶縁層712を介して形成された電極713を有する。電極713上には、誘電体膜714を介して電極715が形成されている。パッド716は、受動素子チップ710の表面に形成されていて、電極713又は電極714と一体形成されている。また、受動素子チップ710の表面にパッド716を露出するように保護膜717が形成されている。
受動素子チップ720は、インダクタ特性を示す受動素子チップである。受動素子チップ720は、基板721上に絶縁層722を介して形成されたスパイラル状(螺旋状)の金属配線723を有する。パッド726は、受動素子チップ720の表面に形成されていて、金属配線723と一体形成されている。また、受動素子チップ720の表面にパッド726を露出するように保護膜727が形成されている。
受動素子チップ730は、抵抗特性を示す受動素子チップである。受動素子チップ730は、基板731上に絶縁層732を介して形成された金属層733を有する。ここで、金属層733は、例えば酸化ルテニウム等である。パッド736は、受動素子チップ730の表面に形成されていて、金属層733と電気的に接続されている。また、受動素子チップ730の表面にパッド736を露出するように保護膜737が形成されている。
上記基板711、721、731は、ガラス、サファイア等の絶縁材料からなる。上記電極713、715、金属配線723、パッド716、726、736、等は、アルミ合金、銅合金或いは金合金等で形成されて、半導体プロセスであるCVD、蒸着、スパッタ等を使用する。絶縁層712、722、732及び電極713、715、金属配線723、パッド716、726、736、等は、フォトリソグラフィー及びエッチング等の半導体プロセスでのパターン形成技術を用いて行う。
上記受動素子(キャパシタ、インダクタ、抵抗)は、一つのチップ上に複数個或いは複数種類形成することも可能である。さらに、デカップリングコンデンサやチョークインダクタなどチップの機能に応じて性能が違う受動素子を形成することすることも可能である。形成する個数が多ければ多いほど、一まとまりに出来るため、余分な空間を低減することが可能となる。したがって、ダウンサイジングが可能となる。また、複数の受動素子を半導体装置に内蔵することが可能となる。したがって、例えば、ノイズ低減用のキャパシタは、従来は半導体装置の外部に配置されていて配線で半導体装置と接続していた。しかし、本発明では、ノイズ低減用キャパシタとしての第2チップのサイズが小さいため第1半導体チップ101の第2領域へ直接接続することが可能である。したがって、第1半導体チップと第2チップとの間を接続する配線距離が短くなり、配線部分に生じる寄生インダクタンスを低減することが可能となる。
以下に、図5を参照しながら、第1の実施の形態の製造方法の一例を示す。まず、第1パッド103及び第1保護膜104が形成された状態の第1半導体チップ101及び、第2パッド105及び第2保護膜106と、第2パッド上に金バンプ555が形成された状態の第2チップ102を準備する。本実施の形態では、第1半導体チップ101が、個片化される前のウェハ状態である場合について説明する。図5(a)において、ウェハ501は、第1半導体チップ101となる半導体素子が形成されたウェハである。ウェハ501上には第1パッド103が形成されている。また、第1パッド103を露出するように第1保護膜104が形成されている。
次に図5(b)に示すように、第2パッド105、第2保護膜106、金バンプ555が形成された第2チップ102をフリップチップの形態でウェハ501にボンディングして搭載する。その後、図5(c)に示すように、スピンコート等によって、ポリイミド等の絶縁膜107をウェハ501上に形成する。この時、絶縁膜107が少なくとも第2チップ102の側面と第2保護膜106上を覆う。言いかえれば、第1半導体チップ101と第2チップ102との間の空間が絶縁膜106で埋められている。ここで、絶縁膜107にポリイミド等の接着剤として機能する材料を使用することで第2チップ102は、強固に固定される。その後ホトリソ等の技術により、第1パッド103上の絶縁膜107に対してビアを形成する。
次に図5(d)に示すように、メッキ技術により、第1パッド103から絶縁膜107にかけて導体108を形成し、導体109上に導体109を形成する。導体108は、配線パターンである。また、導体109は、ポストである。その後図5(e)に示すように、ウェハ555上全体をエポキシ系の樹脂110により封止する。ここでの封止は、例えば、トランスファーモルドによるものである。次に研削技術により、樹脂110上を導体109が露出するまで研削する。その後、露出した導体109上に半田ペーストの印刷又は半田ボールを搭載することにより外部電極111を形成する。最後に、ダイシング等により個片化する。子の時のダイシングの位置は第1半導体チップ101の外形寸法となる。また、半導体装置100の外形寸法もこの時に決定される。したがって、第1半導体チップ101と半導体装置100の外形寸法は実質的に同一である。ただし、ダイシング時の誤差も同一の範囲とみなす。以上のようにして第1の実施の形態の半導体装置が完成する。
本実施の形態の半導体装置の構造をとることで、第2チップ102の側面及び第2の素子形成面を絶縁膜107が覆っている。また、第1半導体チップ101と第2チップ102との間の空間を埋めるように絶縁膜107が形成されている。これらの構成より、第2チップ102は、絶縁膜107により固定されているため、樹脂封止時の流し込みの圧力により、第2チップ102がズレることがなくなる。また、第2領域に第1パッドを設け、第2チップ102の第2パッド105と接続することで、配線距離が短くなる。したがって、配線部分に生じる寄生インダクタンスを低減することが可能となる。さらに、第2チップ102に受動素子のチップを使用すれば、内部回路に必要な受動素子を適宜提供することが可能になる。したがって、従来は離間して外付けされていたものが、内部に集中して配置させることができるためダウンサイジングが可能となる。
次に図6を参照して第1の実施の形態の変形例を説明する。ここでは、上述の第1の実施の形態と本変形例の違いのみを述べる。図6は、第1の実施の形態の変形例における半導体装置600の断面図である。図6に示すように、絶縁膜107上に絶縁部材609が形成されている。絶縁部材609は、例えばポリイミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなり、その厚さは、例えば100μm程度である。ただし、樹脂110の厚さに応じてその値は変化するものである。形成方法は、スピンコート、印刷法、ラミネート法等である。第1パッド103から絶縁膜107上及び絶縁部材609上にかけて導体608が形成されている。導体608は、導体配線であって、半導体装置600から露出するように形成されている。導体608上には、外部電極111が形成されている。
上述の第1の実施の形態では、外部電極111の下方にメタルからなる導体109が形成されていたのに対し、本変形例では、外部電極111の下方に絶縁部材609が形成されている。弾性を持つ絶縁部材609を外部電極111の下方に形成することにより半導体装置600を基板等に搭載する際(図示せず)に、絶縁部材609が衝撃或いは圧力を吸収し、第1半導体チップ101へかかる力を低減することが出来る。また、基板への接続信頼性も高めることが可能となる。
図4は本発明の第2の実施の形態における半導体装置の断面図である。第1の実施の形態と同様の構成の場所に関しては、同様の符号を付してある。第1の実施の形態との違いの部分だけを説明する。第1の実施の形態では、第2領域に形成された第1パッド103と第2チップ102の第2パッド105が金バンプ555等を介して電気的に接続されていた。本発明の第2の実施の形態の半導体装置150は、第1半導体チップ101の第1領域に形成された第1パッド103と第2チップ102の第2パッド105とが第1保護膜104上に形成された導体208によって電気的に接続されている。ここで、導体208は、再配線と称される配線であり、メッキ技術等を用いて形成される。
また、第1保護膜104或いは導体208上には絶縁膜107が形成されている。第1の実施の形態において絶縁膜107は、第2チップ102の側面の厚み方向においての一部と第2保護膜106(第2の素子形成面)上を覆っていたが、本発明の実施の形態では、第2チップ102の側面の厚み方向全てと第2保護膜106を覆っている。これにより、第2チップ102の固定強度がさらに増す。加えて、絶縁膜107が第2チップの裏面をも覆うように形成されると、さらに強度を増すことは言うまでも無い。本実施の形態の絶縁膜107は、少なくとも第2チップ102の厚さと同程度形成する必要があるため、非感光性ポリイミドなどの材料を用いて形成するのが望ましい。また、導体208と外部電極111との電気的接続は、適宜設計によって決められる。第1の実施の形態と同じであっても良いし、そうでなくてもかまわない。
本実施の形態の半導体装置は、第1の実施の形態の効果に加えて、第1保護膜104上に導体208を形成しているので、第1パッド103が第1半導体チップ101上のどこにあろうと、電気的接続を取ることが可能となっている。したがって、従来の第1パッド103の位置を変更する必要が無い。また、第2チップ102上に絶縁膜107が形成されることで第2チップ102の裏面と導体218は絶縁されるので、絶縁膜上のすべての位置に導体218を形成することが可能となる。したがって、外部電極111の位置も制限無く配置することが可能となる。当然のことながら、上述の実施例1及び2を組み合わせた内容も同様の効果が得られることは言うまでもない。
本発明の第1の実施の形態における半導体装置の斜視図である。 本発明の第1の実施の形態である図1のX-X'における半導体装置の断面図である。 本発明の第1の実施の形態における半導体装置の上面図である。 本発明の第2の実施の形態における半導体装置の断面図である。 本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する図である。 本発明の第1の実施の形態における半導体装置の変形例の断面図である。 本発明に利用される受動素子チップの概要図である。
符号の説明
100 半導体装置
101 第1半導体チップ
102 第2チップ
103 第1パッド
104 第1保護膜
105 第2パッド
106 第2保護膜
107 絶縁膜
108、109 導体
110 樹脂
111 外部電極

Claims (18)

  1. 複数の第1パッドと前記第1パッドを露出する第1保護膜とが形成された第1の素子形成面を持つ第1半導体チップと、
    複数の第2パッドと前記第2パッドを露出するように第2保護膜が形成される第2の素子形成面を持つと共に前記第1半導体チップの前記第1の素子形成面と前記第2の素子形成面とが対向するように前記第1半導体チップ上に搭載された第2チップと、
    前記第1保護膜上に形成されると共に前記第2チップの側面かつ前記第2の素子形成面を覆うように形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上を覆うように形成された樹脂と、
    前記樹脂上に形成された外部電極と前記第1パッドとを接続する第1導体と、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置は、さらに、前記第1保護膜と前記絶縁膜との間に形成され、前記第1パッドと前記第2パッドとを電気的に接続する第2の導体を有することを特徴とする。
  3. 前記第1導体は、前記絶縁膜及び前記樹脂内に形成されていて、メタル配線とポストからなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  4. 請求項1記載の半導体装置は、さらに、前記絶縁膜上に形成される絶縁部材を有し、前記第1導体は、前記絶縁膜上から前記絶縁部材上にかけて形成されていて、前記樹脂は、前記第1導体が露出するように形成されていることを特徴とする。
  5. 前記絶縁膜は、ポリイミドであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記絶縁膜は、前記第2チップの側面を全て覆っていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記絶縁膜は非感光性ポリイミドであることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
  8. 前記絶縁膜は、前記第2チップの前記第2の素子形成面と対向する面をも覆い、また前記第1導体は、前記第2チップ上にも形成さ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。
  9. 前記第2チップは、複数の受動素子が形成されたチップであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  10. 前記第1パッドは、前記第1の素子形成面の周辺部である第1領域と、前記第1領域に囲まれた第2領域とに形成さ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。
  11. 前記第2パッドは、前記第2領域にある前記第1パッドと接続されていることを特徴とする請求項10記載の半導体装置。
  12. 前記第1半導体チップは、前記第2チップより大きいか等しく、かつ前記半導体装置の外形寸法と実質的に同一であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  13. 第1半導体チップ上に第2チップをフリップチップ接続したチップサイズパッケージであって、
    前記第1半導体チップは、第1の素子形成面の周辺部である第1領域と前記第1領域に囲まれた第2領域とに形成された第1パッドと、前記第1パッドを露出するように形成された第1保護膜とを有し、
    前記第2チップは、複数の第2パッドと前記第2パッドを露出する第2の保護膜が形成された第2の素子形成面を有し、
    前記第2領域に形成された前記第1パッドと前記第2パッドとは電気的に接続され、
    前記第1保護膜上と前記第2チップの側面と前記第2の素子形成面上とを覆うように絶縁膜が形成され、
    前記第1パッドと外部電極とを接続する第1導体が、前記絶縁膜上に形成され、
    前記絶縁膜、前記第2チップ及び前記第1導体が樹脂により封止されたチップサイズパッケージ。
  14. 前記第2チップは、複数の受動素子が形成されたチップであることを特徴とする請求項13に記載のチップサイズパッケージ。
  15. 半導体装置の製造方法であって、
    複数の第1パッドと前記第1パッドを露出する第1保護膜とが形成された第1の素子形成面を持つ第1半導体チップを準備する工程と、
    複数の第2パッドと前記第2パッドを露出するように第2保護膜とが形成された第2の素子形成面を持つ第2チップを準備し、前記第1及び第2素子形成面が対向するように前記第1半導体チップ上に前記第2チップを搭載する工程と、
    前記第1保護膜上、前記第2チップの側面、及び前記第2の素子形成面上を覆うように絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1パッドから外部電極を接続する第1導体を形成する工程と、
    前記第1導体、前記絶縁膜、及び前記第2チップを樹脂で封止する工程とを含む半導体装置の製造方法。
  16. 前記樹脂を研摩或いはエッチングすることにより前記樹脂から前記第1導体を露出させる工程を含む請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  17. 前記絶縁膜は、前記第2チップの側面、及び前記第2の素子形成面上を同一工程で形成されることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
  18. チップサイズパッケージの製造方法であって、
    第1の素子形成面に複数の第1パッドを有すると共に前記第1パッドを露出するように形成された第1保護膜とを有する第1半導体チップが形成されたウェハを準備する工程と、
    第2の素子形成面に複数の第2パッドを有すると共に前記第2パッドを露出するように形成された第2保護膜とを有する第2チップを準備し、前記第1及び第2素子形成面が対向するように前記ウェハ上の各々の前記第1半導体チップ上に前記第2チップを搭載する工程と、
    前記第1保護膜上、前記第2チップの側面、及び前記第2の素子形成面上を覆うように絶縁膜を一括形成する工程と、
    前記第1パッドから外部電極を接続する第1導体を形成する工程と、
    前記第1導体、前記絶縁膜、及び前記第2チップを樹脂で封止する工程と、
    前記樹脂を研摩或いはエッチングすることにより前記樹脂から前記第1導体を露出させる工程と、
    前記ウェハを切断して前記第1半導体チップを個片化する工程とを含むチップサイズパッケージの製造方法。
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