JP2006080149A

JP2006080149A - 半導体装置の積層構造

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Publication number: JP2006080149A
Application number: JP2004259875A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyuki Okano; 哲之岡野; Koki Kitaoka; 幸喜北岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】製造工程数の削減、製造コストの低減、さらに信頼性を向上することができる半導体装置の積層構造を提供する。
【解決手段】厚み方向一方側の表面部に回路が形成される半導体基板を有する複数の半導体装置を積層して電気的に接続する半導体装置の積層構造であって、半導体装置には、半導体基板の前記表面部に、回路に電気的に接続される電極パッドが形成され、さらに半導体基板の厚み方向他方側の表面部から電極パッドまで半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔、および半導体基板の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に電極パッドから突出し、電極パッドに電気的に接続される突起電極部のうち少なくともいずれか一方が形成され、半導体装置が積層されるとき、隣接する２つの半導体装置のうちの一方の半導体装置の突起電極部が、他方の半導体装置の貫通孔に挿通されて当該半導体装置の電極パッドに電気的に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも厚み方向一方側の表面部に回路が形成される半導体基板を有する複数の半導体装置を、半導体基板の厚み方向に積層して電気的に接続する半導体装置の積層構造に関する。

近年、携帯電話装置などの携帯用電子機器は小型化および軽量化が図られており、このような携帯用電子機器に搭載される半導体装置にも小型化および高密度化が進められている。特許文献１には、半導体装置に対するこのような要求に対し、半導体基板を厚み方向に積層した積層構造の半導体装置が提案されている。

図８は、従来の半導体装置の積層構造１を模式的に示す断面図である。従来の半導体装置の積層構造１は、半導体基板を有する３個の半導体装置である第１半導体装置２Ａ、第２半導体装置２Ｂおよび第３半導体装置２Ｃを含んで構成される。各半導体装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、半導体基板の厚み方向に貫通する複数の貫通孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃが形成される。前記各貫通孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃの内周面部には電気絶縁性を有する絶縁膜４Ａ，４Ｂ，４Ｃが形成される。また前記各貫通孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、前記絶縁膜４Ａ，４Ｂ，４Ｃに接するようにして導電性を有する導電プラグ５Ａ，５Ｂ，５Ｃが充填される。

各半導体装置２Ａ，２Ｂ，２Ｃの回路が形成される半導体基板の厚み方向一方側の表面部である主面部６Ａ，６Ｂ，６Ｃの貫通孔３Ａ，３Ｂ，３Ｃの開口部周囲には、回路に電気的に接続される電極パッド７Ａ，７Ｂ，７Ｃが形成される。また各導電プラグ５Ａ，５Ｂ，５Ｃおよび各電極パッド７Ａ，７Ｂ，７Ｃを覆うようにして、導電性を有する導電キャップ８Ａ，８Ｂ，８Ｃが形成される。

隣接する第１半導体装置２Ａと第２半導体装置２Ｂとは、第１半導体装置２Ａの半導体基板の厚み方向他方側の表面部（以後「裏面部」ということがある）に露出している導電プラグ５Ａと、第２半導体装置２Ｂの導電キャップ８Ｂとが、はんだ電極９Ａを介して電気的に接続される。また隣接する第２半導体装置２Ｂと第３半導体装置２Ｃとは、第２半導体装置２Ｂの半導体基板の厚み方向他方側の表面部に露出している導電プラグ５Ｂと、第３半導体装置２Ｃの導電キャップ８Ｃとが、はんだ電極９Ｂを介して電気的に接続される。このように第１〜第３半導体装置２Ａ〜２Ｃが積層されて、従来の半導体装置の積層構造１が形成される。

このような半導体装置の積層構造１は、第３半導体装置２Ｃの各導電プラグ５Ｃと、たとえばプリント基板とが外部電極１０を介して電気的に接続される。

第１〜第３半導体装置２Ａ〜２Ｃは、以下のようなプロセスで作成される。代表として第１半導体装置２Ａについて説明する。

まず半導体基板の主面部６Ａに複数の電極パッド７Ａを形成する。続いて半導体基板の主面部６Ａに電極パッド７Ａのサイズより小さい開口を有するマスクをレジスト材料によって形成し、前記開口を通して、たとえば六フッ化硫黄（化学式：ＳＦ_６）などのフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングによって半導体基板２Ａに非貫通孔を形成する。その後、専用のレジスト剥離剤を用いて、前記マスクを除去する。

続いて半導体基板に形成した非貫通孔の内周面部に絶縁膜４Ａを形成する。この絶縁膜４Ａは、たとえば化学的蒸着法（Chemical Vapor Deposition ；略称：ＣＶＤ）によってＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）材が用いられる。このＴＥＯＳ材の揮発性化合物を気化し、高温加熱された半導体基板上に均一なガス環境を形成し、非貫通孔の内周面部で化学反応を行わせて非貫通孔の内周面部に薄膜を形成する。

続いて導電プラグ５Ａとなる金属を、スパッタ法およびめっき法などの方法によって、非貫通孔に充填する。続いて半導体基板の主面部６Ａの導電プラグ５Ａおよび電極パッド７Ａを覆うようにして、スパッタ法などによってアルミニウムの薄膜を形成することで、導電キャップ８Ａを形成する。最後に裏面部から半導体基板を研磨して、導電プラグ５Ａを露出させる。同時に、裏面から研磨することにより非貫通孔は貫通孔３Ａとなる。

特開平１０−２２３８３３号公報

図８に示す半導体装置の積層構造１を実現するためには、各半導体装置２Ａ〜２Ｃの半導体基板に非貫通孔を形成した後に、絶縁膜４Ａ〜４Ｃおよび電極プラグ５Ａ〜５Ｃを形成する。続いて各半導体装置２Ａ〜２Ｃの半導体基板の主面部６Ａ〜６Ｃに形成された電極パッド７Ａ〜７Ｃと導電プラグ５Ａ〜５Ｃとを、導電キャップ８Ａ〜８Ｃによって電気的に接続する。続いて半導体装置２Ａ〜２Ｃを積層して電気的に接続するためのはんだ電極９Ａ，９Ｂを形成する必要があるので、半導体装置の積層構造１を得るために多大な工程が必要であり、このように工程数が多いので製造コストが高騰する。さらに隣接する半導体装置２Ａ〜２Ｃの間は絶縁体によって封止されることが多く、絶縁膜４Ａ〜４Ｃと、隣接する半導体装置２Ａ〜２Ｃの間の絶縁体とは、別の工程において別材料で形成される。これによって絶縁膜４Ａ〜４Ｃと前記絶縁体との熱膨張の違いなどによる剥離が生じて、環境試験などで剥離部分に水分がたまり、リークをおこし、信頼性上問題となる可能性がある。

本発明の目的は、製造工程数の削減、製造コストの低減、さらに信頼性を向上することができる半導体装置の積層構造を提供することである。

本発明は、少なくとも厚み方向一方側の表面部に回路が形成される半導体基板を有する複数の半導体装置を、半導体基板の厚み方向に積層して電気的に接続する半導体装置の積層構造であって、
半導体装置には、半導体基板の厚み方向一方側の表面部に、回路に電気的に接続される電極パッドが形成され、さらに、
（ａ）半導体基板の厚み方向他方側の表面部から電極パッドまで半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔、
（ｂ）半導体基板の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に電極パッドから突出し、電極パッドに電気的に接続される突起電極部、
のうち少なくともいずれか一方が形成され、
半導体装置が積層されるとき、隣接する２つの半導体装置のうちの一方の半導体装置の突起電極部が、他方の半導体装置の貫通孔に挿通されて当該半導体装置の電極パッドに電気的に接続されることを特徴とする半導体装置の積層構造である。

また本発明は、隣接する２つの半導体装置は、一方の半導体装置の突起電極部と他方の半導体装置の電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置されることを特徴とする。

また本発明は、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間には、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする。

また本発明は、隣接する２つの半導体装置の互いに面する表面部の間に、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする。

また本発明は、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間、および、互いに面する表面部の間には、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする。

また本発明は、前記隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間に設けられる絶縁材は、前記互いに面する表面部の間に設けられる絶縁材と同一材料であることを特徴とする。

本発明によれば、半導体装置には、半導体基板の厚み方向一方側の表面部に、回路に電気的に接続される電極パッドが形成される。半導体装置には、さらに、半導体基板の厚み方向他方側の表面部から電極パッドまで半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔、および、半導体基板の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に電極パッドから突出し、電極パッドに電気的に接続される突起電極部のうち少なくともいずれか一方が形成される。このような半導体装置を製造するとき、半導体基板に電極パッドを形成する工程、半導体基板に貫通孔を形成する工程、電極パッドに突起電極部を形成する工程だけで製造することができるので、従来に比べて格段に製造工程数を削減することができる。このような製造工程数の削減によって、半導体装置の製造コストを低減することができる。

半導体装置が積層されるとき、隣接する２つの半導体装置のうちの一方の半導体装置の突起電極部が、他方の半導体装置の貫通孔に挿通されて当該半導体装置の電極パッドに電気的に接続される。このように隣接する２つの半導体装置を電気的に接続するために、一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の電極パッドとを電気的に接続するだけで良いので、半導体装置の積層工程が簡素となり、製造コストを低減することができる。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置は、一方の半導体装置の突起電極部と他方の半導体装置の電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。これによって隣接する２つの半導体装置は、一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の電極パッドとだけによって電気的に接続されるので、樹脂材料の熱膨張の違いに起因して熱履歴により発生するクラック、また吸湿により発生するクラックなどに水分が溜まって発生するリークの危険性を可及的に低減して、半導体装置の積層構造の信頼性を極めて向上することができる。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間には、樹脂成分を含む絶縁材が設けられる。これによって一方の半導体装置の突起電極部が、誤って他方の半導体装置の不所望な箇所に電気的に接続される状態になることを確実に防止して、半導体装置の積層構造の信頼性を向上することができる。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置の互いに面する表面部の間に、樹脂成分を含む絶縁材が設けられる。これによって半導体装置の積層構造の強度を向上して、信頼性を向上することができる。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間、および、互いに面する表面部の間には樹脂成分を含む絶縁材が設けられる。これによって一方の半導体装置の突起電極部が、誤って他方の半導体装置の不所望な箇所に電気的に接続される状態になることを確実に防止するだけでなく、半導体装置の積層構造の強度を向上して、信頼性を飛躍的に向上することができる。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と他方の半導体装置の貫通孔の内周面に設けられる絶縁材は、互いに面する表面部の間に設けられる絶縁材と同一材料である。これによって、同一工程によって絶縁材を形成できるため、コストの削減を図れるとともに、互いの絶縁材同士の熱膨張率などの物性値の違いにより発生するクラックなどの問題を抑制できるので、信頼性の向上につながる。

図１は、本発明の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図１に示すように、半導体装置の積層構造２０は、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１，２２，２３が積層されて電気的に接続されるものとする。

各半導体装置２１，２２，２３は、少なくとも厚み方向一方向の表面部２４，２５，２６に回路（図示せず）が形成される半導体基板２７，２８，２９を有する。半導体装置の積層構造２０は、第１半導体装置２１、第２半導体装置２２および第３半導体装置２３の順に厚み方向に積層して電気的に接続される。詳細には、第１半導体装置２１の厚み方向一方側に第２半導体装置２２が配置され、第２半導体装置２２の厚み方向一方側に第３半導体装置２３が配置される。

図２は、半導体装置の積層構造２０を各半導体装置２１，２２，２３毎に模式的に示す断面図であり、図２（１）は、第１半導体装置２１を模式的に示す断面図であり、図２（２）は、第２半導体装置２２を模式的に示す断面図であり、図２（３）は、第３半導体装置２３を模式的に示す断面図である。各半導体装置２１，２２，２３の半導体基板２１，２２，２３の厚み方向一方側の表面部（以後「主面部」ということがある）２４，２５，２６には、回路に電気的に接続される複数の電極パッド３０，３１，３２が形成される。電極パッド３０，３１，３２は、たとえばアルミニウムなどの金属から成り、一辺の長さが、たとえば約８０マイクロメートルの正方形状の表面を有し、厚みが１マイクロメートル程度の薄板状に形成される。本実施の形態では、電極パッド３０，３１，３２は、正方形状の面を有するとしたけれども、これに限らず、たとえば円形状の面を有する薄板状であってもよい。

図２（１）に示す第１半導体装置２１には、半導体基板２７の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に各電極パッド３０から突出し、電極パッド３０に電気的に接続される突起電極部３３が形成される。突起電極部３３は、たとえば金などの金属から成り、四角錐台状に形成される。突起電極部３３の下底部の一辺の長さは、たとえば４０マイクロメートル、上底部の一辺の長さは、たとえば３０マイクロメートルであり、高さは、たとえば６０マイクロメートルであってもよい。本実施の形態では突起電極部３３は、四角錐台状としたけれども、これに限らず、たとえば円錐台状、角柱状および円柱状であってもよい。

第１半導体装置２１の突起電極部３３を形成するにあたっては、まず、第１半導体装置２１の電極パッド３０にシード層を形成し、シード層の上から感光性のレジスト材料を塗布して、電極パッド３０に塗布されたレジスト材料を所定の形状を開口する。続いて電解めっきによって金属材料を電極パッド３０上に成長させて、突起電極部３３を形成する。ここで突起電極３３の材料は、電気抵抗が低いことと接続性との観点から金を用いた。その後、剥離剤によってレジスト材料を剥離する。

第１半導体装置２１は、突起電極部３３を形成した後に、半導体基板２７の厚み方向他方側の表面部（以後「裏面部３４」ということがある）が研削される。本実施の形態では、初期の厚みが約０．７ミリメートルの半導体基板２７の裏面部３４を研削し、半導体基板２７を約５０マイクロメートルの厚みにしている。このような研削時には、薄くなった半導体基板２７に割れが発生するのを防ぐために、補強板に取り付けられた状態で支持される。

図２（２）に示す第２半導体装置２２には、半導体基板２８の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に各電極パッド３１から突出し、電極パッド３１に電気的に接続される突起電極部３５が形成される。第２半導体装置２２の突起電極部３５は、第１半導体装置２１の突起電極部３３と同様に形成される。

また第２半導体装置２２には、半導体基板２８の厚み方向他方側の表面部（以後「裏面部３６」ということがある）から電極パッド３１まで半導体基板２８を厚み方向に貫通する貫通孔３７が形成される。貫通孔３７は、半導体基板２８の裏面部３６における開口部が一辺の長さが７０マイクロメートルの正方形状、半導体基板２８の主面部２５における開口部が一辺の長さが６５マイクロメートル、深さが５０マイクロメートルとなるテーパ状に形成される。第２半導体装置２２の貫通孔３７は、前述のような形状に限ることなく、後述するように第１半導体装置２１の突起電極部３３が挿入されたときに、前記貫通孔３７の内周面と前記突起電極部３３とが接触しないような形状およびサイズであれば、どのようなものであってもよい。

第２半導体装置２２の貫通孔３７を形成するにあたっては、まず、感光性のレジスト材料を第２半導体装置２２の電極パッド３１の裏側となる裏面部２６にスピナー法によって塗布し、露光および現像を行ってマスクを形成する。このとき前記電極パッド３１の中心と、貫通孔３７を形成するためのマスクの開口の中心とを一致させる。このように形成した所定の開口形状となるマスクに対応して、たとえば六フッ化硫黄（化学式：ＳＦ_６）などのフッ素系ガスを用いる反応性イオンエッチングなどの異方性エッチングを施す。その後、専用の剥離剤を用いてマスクを除去する。第２半導体装置２２の半導体基板２８をエッチングするとき、前記半導体基板２８の裏面部２６に形成したマスク材と、前記半導体基板２８の材料であるシリコンとのエッチングガスの選択比の違いによって、シリコンを選択的にエッチングする。またこのエッチングにおいて、前記半導体基板２８のシリコンの穴開けが進行して前記電極パッド３１まで達しても、アルミニウムから成る前記電極パッド３１へのエッチングガスの反応性はシリコンほど高くないので、前記電極パッド３１はエッチングされず、前記電極パッド３１によって主面部２５側が塞がれる貫通孔３７が形成される。

第２半導体装置２１は、突起電極部３５を形成した後に、半導体基板２８の裏面部３６が研削される。本実施の形態では、初期の厚みが約０．７ミリメートルの半導体基板２８の裏面部３６を研削し、半導体基板２８を約５０マイクロメートルの厚みにしている。このような研削時には、薄くなった半導体基板２８に割れが発生するのを防ぐために、補強板に取り付けられた状態で支持される。

図２（３）に示す第３半導体装置２３には、半導体基板２９の厚み方向他方側の表面部（以後「裏面部３８」ということがある）から電極パッド３２まで半導体基板２９を厚み方向に貫通する貫通孔３９が形成される。第３半導体装置２３の貫通孔３９は、第２半導体装置２２の貫通孔３７と同様に形成される。

第３半導体装置２３は、貫通孔３９を形成する前に、半導体基板２９の裏面部３８が研削される。本実施の形態では、初期の厚みが約０．７ミリメートルの半導体基板２９の裏面部３８を研削し、半導体基板２９を約５０マイクロメートルの厚みにしている。このような研削時には、薄くなった半導体基板２９に割れが発生するのを防ぐために、補強板に取り付けられた状態で支持される。

第１半導体装置２１と第２半導体装置２２とは、図１に示すように、第１半導体装置２１の突起電極部３３が、第２半導体装置２２の貫通孔３７に挿通されて第２半導体装置２２の電極パッド３１に電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１と第２半導体装置２２とは、第１半導体装置２１の突起電極部３３と第２半導体装置２２の電極パッド３１との接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１の突起電極部３３と第２半導体装置２２の貫通孔３７の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２と第３半導体装置２３とは、図１に示すように、第２半導体装置２２の突起電極部３５が、第３半導体装置２３の貫通孔３９に挿通されて第３半導体装置２３の電極パッド３２に電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２と第３半導体装置２３とは、第２半導体装置２２の突起電極部３５と第３半導体装置２３の電極パッド３２との接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２の突起電極部３５と第３半導体装置２３の貫通孔３９の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

エッチング後の第２および第３半導体装置２２，２３の各貫通孔３７，３９に臨む電極パッド３１，３２の表面には自然酸化膜が存在する。そこでこのような自然酸化膜を除去して、電極パッド３１，３２と突起電極部３３，３５とが良好に電気的に接続されるために、超音波振動を印加しながら荷重を加えて、電極パッド３１，３２と突起電極部３３，３５とを電気的に接続する。前述のように貫通孔３７，３９の内周面と突起電極部３３，３５とは物理的に接触していないので、両者は電気的に絶縁される。突起電極部３３，３７と貫通孔３７，３９との間に空気が存在する場合、空気は比誘電率が１であるので、高周波の伝送時の減衰が少なくなって、電気応答性が向上し、良好な高周波伝送特性が得られる。

第３半導体装置２３の電極パッド３２の厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０が形成される。

以上のように本実施の形態の半導体装置の積層構造２０によれば、各半導体装置２１，２２，２３には、半導体基板２７，２８，２９の主面部２４，２５，２６に、回路に電気的に接続される電極パッド３０，３１，３２が形成される。第１および第２半導体装置２１，２２には、半導体基板２７，２８の裏面部３４，３６から主面部２４，２５に向かう方向に電極パッド３０，３１から突出し、電極パッド３０，３１に電気的に接続される突起電極部３３，３５が形成される。また第２および第３半導体装置２２，２３には、半導体基板２８，２９の裏面部３６，３８から電極パッド３１，３２まで半導体基板２８，２９を厚み方向に貫通する貫通孔３７，３９が形成される。このような半導体装置２１〜２３を製造するとき、半導体基板２７〜２９に電極パッド３０〜３２を形成する工程、第１および第２半導体装置２１，２２の電極パッド３０，３１に突起電極部３３，３５を形成する工程、第２および第３半導体装置２２，２３の半導体基板２８，２９に貫通孔３７，３９を形成する工程で製造することができるので、従来に比べて格段に製造工程数を削減することができる。このような製造工程数の削減によって、半導体装置２１〜２３の製造コストを低減することができる。隣接する第１および第２半導体装置２１，２２ならびに第２および第３半導体装置２２，２３を電気的に接続するために、第１および第２半導体装置２１，２２の突起電極部３３，３５と、第２および第３半導体装置２２，２３の電極パッド３１，３２とを電気的に接続するだけで良いので、半導体装置２１〜２３の積層工程が簡素となり、製造コストを低減することができる。

また本実施の形態の半導体装置の積層構造２０によれば、隣接する２つの半導体装置は、第１および第２半導体装置２１，２２の突起電極部３３，３５と、第２および第３半導体装置２２，２３の電極パッド３１，３２とだけによって電気的に接続されるので、リークの危険性を可及的に低減して、半導体装置の積層構造２０の信頼性を極めて向上することができる。

本実施の形態において半導体装置の積層構造２０は、３個の半導体装置２１〜２３を積層するとしたけれども、半導体装置は複数であれば何個であってもよい。前述のように隣接する２つの半導体装置の一方に少なくとも突起電極部が形成され、他方に貫通孔が形成されていれば、同様の効果を達成して積層することができる。また各半導体装置２１〜２３において、回路は各半導体基板２７〜２９の主面部２４〜２６に形成されるとしたけれども、各半導体基板２７〜２９の裏面部３４，３６，３８に形成されていてもよい。

図３は、本発明の第２の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ａを模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図３に示すように、半導体装置の積層構造２０Ａは、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１Ａ，２２Ａ，２３Ａが積層されて電気的に接続されるものとする。本実施の形態の第１半導体装置２１Ａおよび第２半導体装置２２Ａは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第１半導体装置２１と同様であるので、詳細な説明は省略する。また本実施の形態の第３半導体装置２３Ａは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第３半導体装置２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１半導体装置２１Ａと第３半導体装置２３Ａとは、第１半導体装置２１Ａの突起電極部が、第３半導体装置２３Ａの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ａの電極パッドに電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１Ａと第３半導体装置２３Ａとは、第１半導体装置２１Ａの突起電極部と第３半導体装置２３Ａの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１Ａの突起電極部と第３半導体装置２３Ａの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２Ａと第３半導体装置２３Ａとは、第２半導体装置２２Ａの突起電極部が、第３半導体装置２３Ａの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ａの電極パッドに電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２Ａと第３半導体装置２３Ａとは、第２半導体装置２２Ａの突起電極部と第３半導体装置２３Ａの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２Ａの突起電極部と第３半導体装置２３Ａの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第１半導体装置２１Ａと第２半導体装置２２Ａとは、電気的に接続されていない。
第３半導体装置２３Ａの電極パッドの厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０Ａが形成される。

図４は、本発明の第３の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｂを模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図４に示すように、半導体装置の積層構造２０Ｂは、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１Ｂ，２２Ｂ，２３Ｂが積層されて電気的に接続されるものとする。本実施の形態の第１半導体装置２１Ｂおよび第２半導体装置２２Ｂは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第２半導体装置２２と同様であるので、詳細な説明は省略する。また本実施の形態の第３半導体装置２３Ｂは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第３半導体装置２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１半導体装置２１Ｂと第２半導体装置２２Ｂとは、第１半導体装置２１Ｂの突起電極部が、第２半導体装置２２Ｂの貫通孔に挿通されて第２半導体装置２２Ｂの電極パッドに電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１Ｂと第２半導体装置２２Ｂとは、第１半導体装置２１Ｂの突起電極部と第２半導体装置２２Ａの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１Ｂの突起電極部と第２半導体装置２２Ｂの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２Ｂと第３半導体装置２３Ｂとは、第２半導体装置２２Ｂの突起電極部が、第３半導体装置２３Ｂの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ｂの電極パッドに電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２Ｂと第３半導体装置２３Ｂとは、第２半導体装置２２Ｂの突起電極部と第３半導体装置２３Ｂの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２Ｂの突起電極部と第３半導体装置２３Ｂの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第３半導体装置２３Ｂの電極パッドの厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０Ｂが形成される。

図５は、本発明の第４の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｃを模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図５に示すように、半導体装置の積層構造２０Ｃは、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１Ｃ，２２Ｃ，２３Ｃが積層されて電気的に接続されるものとする。本実施の形態の第１半導体装置２１Ｃは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第１半導体装置２１と同様であるので、詳細な説明は省略する。また第２半導体装置２２Ｃは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第２半導体装置２２と同様であるので、詳細な説明は省略する。また本実施の形態の第３半導体装置２３Ｃは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第３半導体装置２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１半導体装置２１Ｃと第２半導体装置２２Ｃとは、第１半導体装置２１Ｃの突起電極部が、第２半導体装置２２Ｃの貫通孔に挿通されて第２半導体装置２２Ｃの電極パッドに電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１Ｃと第２半導体装置２２Ｃとは、第１半導体装置２１Ｃの突起電極部と第２半導体装置２２Ｃの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１Ｃの突起電極部と第２半導体装置２２Ｃの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２Ｃと第３半導体装置２３Ｃとは、第２半導体装置２２Ｃの突起電極部が、第３半導体装置２３Ｃの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ｃの電極パッドに電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２Ｃと第３半導体装置２３Ｃとは、第２半導体装置２２Ｃの突起電極部と第３半導体装置２３Ｃの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２Ｃの突起電極部と第３半導体装置２３Ｃの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

前述の第１半導体装置２１Ｃの突起電極部と第２半導体装置２２Ｃの貫通孔の内周面との間の電極まわり空隙、および第２半導体装置２２Ｃの突起電極部と第３半導体装置２３Ｃの貫通孔の内周面との間の電極まわり空隙に、樹脂成分を含む絶縁材４１が設けられる。絶縁材は４１は、電極まわり空隙に部分的に設けられてもよいが、本実施の形態では、貫通孔全体に充填されるように設けられる。絶縁材４１を構成する樹脂は、熱硬化性樹脂、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。絶縁材４１を充填して絶縁材４１を硬化させるときに第２および第３半導体装置２２Ｃ，２３Ｃに熱応力が生じることを防ぐために、絶縁材４１を構成する樹脂として、たとえば約摂氏１５０度で硬化する低温硬化タイプの樹脂が用いられることが望ましい。

第３半導体装置２３Ｃの電極パッドの厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０Ｃが形成される。

本実施の形態の半導体装置の積層構造２０Ｃによれば、隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間には、樹脂成分を含む絶縁材４１が設けられる。これによって一方の半導体装置の突起電極部が、誤って他方の半導体装置の不所望な箇所に電気的に接続される状態になることを確実に防止して、半導体装置の積層構造の信頼性を向上することができる。またこの絶縁材４１によって、突起電極部と電極パッドとの接続部を補強することができる。

図６は、本発明の第５の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｄを模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図６に示すように、半導体装置の積層構造２０Ｄは、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１Ｄ，２２Ｄ，２３Ｄが積層されて電気的に接続されるものとする。本実施の形態の第１半導体装置２１Ｄは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第１半導体装置２１と同様であるので、詳細な説明は省略する。また第２半導体装置２２Ｄは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第２半導体装置２２と同様であるので、詳細な説明は省略する。また本実施の形態の第３半導体装置２３Ｄは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第３半導体装置２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１半導体装置２１Ｄと第２半導体装置２２Ｄとは、第１半導体装置２１Ｄの突起電極部が、第２半導体装置２２Ｄの貫通孔に挿通されて第２半導体装置２２Ｄの電極パッドに電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１Ｄと第２半導体装置２２Ｄとは、第１半導体装置２１Ｄの突起電極部と第２半導体装置２２Ｄの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１Ｄの突起電極部と第２半導体装置２２Ｄの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２Ｄと第３半導体装置２３Ｄとは、第２半導体装置２２Ｄの突起電極部が、第３半導体装置２３Ｄの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ｄの電極パッドに電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２Ｄと第３半導体装置２３Ｄとは、第２半導体装置２２Ｄの突起電極部と第３半導体装置２３Ｄの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２Ｄの突起電極部と第３半導体装置２３Ｄの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第１半導体装置２１Ｄの主面部と第２半導体装置２２Ｄの裏面部との間の対向面間空隙、および第２半導体装置２２Ｄの主面部と第３半導体装置２３Ｄの裏面部との間の対向面間空隙に、樹脂成分を含む絶縁材４２が設けられる。絶縁材４２は、隣接する半導体装置間の対向面間空隙全体に充填されるように設けられてもよいが、本実施の形態では、部分的に、いわばスペーサ的に設けられる。

これによって第１半導体装置２１Ｄの主面部と第２半導体装置２２Ｄの裏面部とが絶縁材４２を介して連結され、第２半導体装置２２Ｄの主面部と第３半導体装置２３Ｄの裏面部とが絶縁材４２を介して連結される。絶縁材４２を構成する樹脂は、熱硬化性樹脂、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。絶縁材４２を充填して絶縁材４２を硬化させるときに各半導体装置２１Ｄ〜２３Ｄに熱応力が生じることを防ぐために、絶縁材４２を構成する樹脂として、たとえば約摂氏１５０度で硬化する低温硬化タイプの樹脂が用いられることが望ましい。

第３半導体装置２３Ｄの電極パッドの厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０Ｄが形成される。

本実施の形態の半導体装置の積層構造２０Ｄによれば、隣接する２つの半導体装置の互いに面する表面部の間に、樹脂成分を含む絶縁材４２が充填される。これによって隣接する２つの半導体装置同士が直接接触して、不所望に電気的に接続されることを防止するとともに、半導体装置の積層構造の強度を向上して、信頼性を向上することができる。

図７は、本発明の第６の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｅを模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図７に示すように、半導体装置の積層構造２０Ｅは、複数の半導体装置、その一例として３個の半導体装置２１Ｅ，２２Ｅ，２３Ｅが積層されて電気的に接続されるものとする。本実施の形態の第１半導体装置２１Ｅは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第１半導体装置２１と同様であるので、詳細な説明は省略する。また第２半導体装置２２Ｅは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第２半導体装置２２と同様であるので、詳細な説明は省略する。また本実施の形態の第３半導体装置２３Ｅは、前述の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０における第３半導体装置２３と同様であるので、詳細な説明は省略する。

第１半導体装置２１Ｅと第２半導体装置２２Ｅとは、第１半導体装置２１Ｅの突起電極部が、第２半導体装置２２Ｅの貫通孔に挿通されて第２半導体装置２２Ｅの電極パッドに電気的に接続される。このとき第１半導体装置２１Ｅと第２半導体装置２２Ｅとは、第１半導体装置２１Ｅの突起電極部と第２半導体装置２２Ｅの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第１半導体装置２１Ｅの突起電極部と第２半導体装置２２Ｅの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第２半導体装置２２Ｅと第３半導体装置２３Ｅとは、第２半導体装置２２Ｅの突起電極部が、第３半導体装置２３Ｅの貫通孔に挿通されて第３半導体装置２３Ｅの電極パッドに電気的に接続される。このとき第２半導体装置２２Ｅと第３半導体装置２３Ｅとは、第２半導体装置２２Ｅの突起電極部と第３半導体装置２３Ｅの電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置される。このとき第２半導体装置２２Ｅの突起電極部と第３半導体装置２３Ｅの貫通孔の内周面との間隔は、１５マイクロメートル程度とする。

第１半導体装置２１Ｅと第２半導体装置２２Ｅとの間、および第２半導体装置２２Ｅと第３半導体装置２３Ｅとの間に、樹脂成分を含む絶縁材４３が設けられる。詳細に述べると、絶縁材４３は、第１半導体装置２１Ｅの主面部と第２半導体装置２２Ｅの裏面部との間の対向面間空隙、第１半導体装置２１Ｅの突起電極部と第２半導体装置２２Ｅの貫通孔の内周面との間の電極まわり空隙、第２半導体装置２２Ｅの主面部と第３半導体装置２３Ｅの裏面部との間の対向面間空隙、第２半導体装置２２Ｅの突起電極部と第３半導体装置２３Ｅの貫通孔の内周面との間の電極まわり空隙に、それぞれ設けられる。

絶縁材４３は、各空隙に部分的に設けられてもよいし、各空隙の全体に充填されてもよい。本実施の形態では、各空隙の全体に充填されるように設けられる。さらに具体的に述べると、第１および第２半導体装置２１Ｅ，２２Ｅ間の対抗面空隙および電極まわり空隙は連なっており、同一の材料から成る絶縁材４３が、一体に連なるように設けられる。また同様に、第２および第３半導体装置２２Ｅ，２３Ｅ間の対抗面空隙および電極まわり空隙は連なっており、同一の材料から成る絶縁材４３が、一体に連なるように設けられる。このように同一（単一）材料にすることによって、複数種類の材料を用いる場合に比べて、熱膨張率の違いによってクラックが発生するなどの問題発生を防ぎ、信頼性向上を図ることができる。

これによって第１半導体装置２１Ｅと第２半導体装置２２Ｅとが絶縁材４３を介して連結され、第２半導体装置２２Ｅと第３半導体装置２３Ｅとが絶縁材４３を介して連結される。絶縁材４３を構成する樹脂は、熱硬化性樹脂、たとえばエポキシ樹脂が用いられる。絶縁材４３を硬化させるときに各半導体装置２１Ｅ〜２３Ｅに熱応力が生じることを防ぐために、絶縁材４３を構成する樹脂として、たとえば約摂氏１５０度で硬化する低温硬化タイプの樹脂が用いられることが望ましい。絶縁材４３は、突起電極部と電極パッドとの接続後に絶縁材４３を充填する方法、または突起電極部と電極パッドとの接続前に接続面に樹脂をポッティングしておいて接続する方法のどちらでもよい。

絶縁材４３を、各空隙に設ける工程は、空隙への材料の供給段階と、供給した材料の硬化段階とを有する。第１半導体装置２１Ｅの主面部と第２半導体装置２２Ｅの裏面部との間の対向面間空隙と、第１半導体装置２１Ｅの突起電極部と第２半導体装置２２Ｅの貫通孔の内周面との間の電極まわり空隙とに設けるにあたっては、対抗面間空隙および電極まわり空隙の両方に材料を供給した後、その材料を硬化する１工程で設ける方法と、第１工程目として、対抗面間空隙および電極まわり空隙のいずれか一方に材料を供給した後、その材料を硬化し、次いで第２工程目として、対抗面間空隙および電極まわり空隙のいずれか他方に材料を供給した後、その材料を硬化する、２工程で設ける方法とがあり、いずれの方法で設けてもよい。本実施の形態では、対抗面間空隙および電極まわり空隙に、同一材料の絶縁材４３が設けられるので、前記１工程で設ける方法を採用することが可能である。この１工程で設ける方法を採用すると、工程数の削減を図ることができるとともに、前記２工程で設ける場合に比べて、絶縁材４３の一体化などの観点から信頼性向上を図ることができる。

第３半導体装置２３Ｅの電極パッドの厚み方向一方側には、はんだボールによって外部電極４０が形成される。このようにして半導体装置の積層構造２０Ｅが形成される。

また本発明によれば、隣接する２つの半導体装置の間には、樹脂成分を含む絶縁材４３が充填される。これによって一方の半導体装置の突起電極部が、誤って他方の半導体装置の不所望な箇所に電気的に接続される状態になることを確実に防止するだけでなく、半導体装置の積層構造２０Ｅの強度を向上することができる。したがってハンドリング性が向上するとともに、信頼性を飛躍的に向上することができる。

本発明の第１の実施形態の半導体装置の積層構造２０を模式的に示す断面図である。半導体装置の積層構造２０を各半導体装置２１，２２，２３毎に模式的に示す断面図であり、（１）は、第１半導体装置２１を模式的に示す断面図であり、（２）は、第２半導体装置２２を模式的に示す断面図であり、（３）は、第３半導体装置２３を模式的に示す断面図である。本発明の第２の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ａを模式的に示す断面図である。本発明の第３の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｂを模式的に示す断面図である。本発明の第４の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｃを模式的に示す断面図である。本発明の第５の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｄを模式的に示す断面図である。本発明の第６の実施形態の半導体装置の積層構造２０Ｅを模式的に示す断面図である。従来の半導体装置の積層構造１を模式的に示す断面図である。

符号の説明

２０，２０Ａ〜２０Ｅ半導体装置の積層構造
２１，２２，２３，２１Ａ〜２１Ｅ，２２Ａ〜２２Ｅ，２２Ａ〜２２Ｅ半導体装置
２７，２８，２９半導体基板
３０，３１，３２電極パッド
３３，３５突起電極部
３７，３９貫通孔
４１，４２，４３絶縁材

Claims

少なくとも厚み方向一方側の表面部に回路が形成される半導体基板を有する複数の半導体装置を、半導体基板の厚み方向に積層して電気的に接続する半導体装置の積層構造であって、
半導体装置には、半導体基板の厚み方向一方側の表面部に、回路に電気的に接続される電極パッドが形成され、さらに、
（ａ）半導体基板の厚み方向他方側の表面部から電極パッドまで半導体基板を厚み方向に貫通する貫通孔、
（ｂ）半導体基板の厚み方向他方側から厚み方向一方側に向かう方向に電極パッドから突出し、電極パッドに電気的に接続される突起電極部、
のうち少なくともいずれか一方が形成され、
半導体装置が積層されるとき、隣接する２つの半導体装置のうちの一方の半導体装置の突起電極部が、他方の半導体装置の貫通孔に挿通されて当該半導体装置の電極パッドに電気的に接続されることを特徴とする半導体装置の積層構造。
隣接する２つの半導体装置は、一方の半導体装置の突起電極部と他方の半導体装置の電極パッドとの接続部分を除いて、間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の積層構造。
隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間には、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の積層構造。
隣接する２つの半導体装置の互いに面する表面部の間に、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の積層構造。
隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間、および、互いに面する表面部の間には、樹脂成分を含む絶縁材が設けられることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の積層構造。
前記隣接する２つの半導体装置の一方の半導体装置の突起電極部と、他方の半導体装置の貫通孔の内周面との間に設けられる絶縁材は、前記互いに面する表面部の間に設けられる絶縁材と同一材料であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の積層構造。