JP2006253330A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属による汚染を防止することができる半導体装置を実現する。
【解決手段】 半導体装置は、第１の端子部３を有する第１の半導体基板１１が、第２の端子部１０を有する第２の半導体基板１２に積層されている。第１の半導体基板１１には、貫通孔４が形成されており、貫通孔４に挿入されたワイヤ７を介して、第１の端子部３と第２の端子部１０とが電気的に接続されている。それゆえ、従来のめっき法による貫通電極を形成する時の半導体基板を研削する工程を必要とせず、半導体装置が金属で汚染されることを防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置およびその半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、半導体を貫通する貫通孔に挿入されたワイヤを介して、複数の半導体基板が接続される半導体装置およびその製造方法に関するものである。

近年、大容量の半導体装置の開発において、限られた半導体チップ面内に集積度の高い回路を形成する事が要求されている。このような集積密度向上の手法の１つとして、半導体チップに形成される素子を微細化することにより、半導体チップの集積度向上を図った半導体装置が提案されている。一方、別手法として、例えば特許文献１および２に記載されている様に、貫通電極を有する、複数の半導体チップを積層する事により、半導体装置の集積度向上を図ったマルチチップ半導体装置が提案されている。

図３に、従来の貫通電極を有する半導体チップの断面図を示す。図３に示すように、半導体チップ１００は、シリコン基板１０１と、素子形成部１０２と、貫通電極１１１と、シード膜１０６と、第１の絶縁膜１０５と、第２の絶縁膜１１０とを備えている。

ここで、シリコンウエハで構成されたシリコン基板１０１上に、素子形成部１０２が形成されており、さらに、シリコン基板１０１の下側には第２の絶縁膜１１０が形成されている。また、素子形成部１０２、シリコン基板１０１、および第２の絶縁膜１１０を貫通する貫通電極１１１が形成されている。さらに、貫通電極１１１の周りに、シード膜１０６、および第１の絶縁膜１０５が形成されており、貫通電極１１１と同様に、シード膜１０６および第１の絶縁膜１０５は、シリコン基板１０１、素子形成部１０２、および第２の絶縁膜１１０を貫通して形成されている。

以下にその製造方法の一例を、図４（ａ）〜図４（ｊ）に基づいて説明する。図４（ａ）〜図４（ｊ）は、従来の貫通電極１１１を有する半導体チップ１００の製造工程を示す断面図である。

先ず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板上１０１に、素子形成部１０２を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、素子形成部１０２上にフォトレジスト１０３を形成して配線をパターニングする。続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、素子形成部１０２表面からシリコン基板１０１へ、深さ１００μｍの有底孔（貫通していない孔）１０４を形成する。

次に、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト１０３を除去したのち、化学蒸着法（ＣＶＤ）により、有底孔１０４の形成部に、例えば、ＳｉＮやＳＯ_２等の絶縁膜１０５を形成する。

次に、図４（ｄ）に示すように、スパッタリング法またはＣＶＤ法により、絶縁膜１０５上に上記シード膜１０６（例えば、銅（Ｃｕ））を堆積する。ここで、シード膜１０６は、めっき法によって貫通電極１１１を形成する際に、陰極として作用する。そして、シード膜１０６を陰極として、有底孔１０４を完全に埋めるように、有底孔１０４に貫通電極１１１用の金属１０７（例えば、銅（Ｃｕ））のめっき液を充填する。

次に、図４（ｅ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、素子形成部１０２が完全に露出するまで、素子形成部１０２上の余分な金属１０７を研磨して除去する。

次に、図４（ｆ）に示すように、両面テープ等の接着剤１０８によって、素子形成部１０２上に支持体１０９を固定する。

さらに図４（ｇ）に示すように、支持体１０９によって半導体チップ１００を支えながら、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）によって、金属１０７が露出するまでシリコン基板１０１の下面を研削する。続いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、シリコン基板１０１の下面を選択的にエッチングして、金属１０７がシリコン基板１０１より突起するようにする。

その次に、図４（ｈ）に示すように、化学蒸着法（ＣＶＤ）により、シリコン基板１０１の下面にＳｉＮやＳｉＯ_２等の第２の絶縁膜１１０を堆積する。

図４（ｉ）に示すように、ＲＩＥ法やＣＭＰ法などにより、シリコン基板１０１の下面に突出した貫通電極１１１用の金属１０７を被覆する第２の絶縁膜１１０を除去して、金属１０７を露出させる。

最後に、図４（ｊ）に示すように、支持体１０９を半導体チップ１００から除去して、貫通電極１１１を有する半導体チップ１００が形成される。

しかしながら、上記の構成では、貫通電極１１１用のめっき液を半導体チップ１００の有底孔１０４に充填する際に、有底孔１０４にボイド（空洞）が発生するという問題を生じる。具体的には、半導体チップ１００の有底孔１０４の径が細く、かつ深い場合には、めっき液を有底孔１０４に均一に供給することが難しい。そのため、めっき液を完全に充填できずに、有底孔１０４内でボイドが発生する。これにより、半導体チップ１００に貫通電極１１１が形成されたときに、貫通電極１１１が切断されているために半導体チップ１００が電気的に切断されてしまうという問題を生じる。この問題を解決するために、特許文献３では、めっき液に添加剤を使用することや、複雑で高度なめっき方法を使用することによって、ボイドを発生させないように、めっき液を有底孔１０４に充填する方法が提案されている。
特開平１０−２２３８３３号公報（１９９８年８月２１日公開） 特開２００３−７９０９号公報（２００３年１月１０日公開） 特開２００３−３２８１８０号公報（２００３年１１月１９日公開）

しかしながら、上記従来の構成では、有底孔１０４は貫通していないため、貫通電極１１１を形成するには、貫通電極１１１が露出するまでシリコン基板１０１を研削して薄化しなければない。従って、シリコン基板１０１の研削時に、シリコン基板１０１と共に金属１０７が研削されてしまう虞が生じる。ここで、研削された金属１０７が、研削しているシリコン基板１０１面に拡散して付着することにより、シリコン基板１０１の絶縁性が損なわれ、シリコン基板１０１が汚染されてしまうという問題を生じる。結果として、信頼性劣化の要因となる。さらにめっき工程が煩雑になること、およびめっき処理時間が長時間必要となる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属によって汚染されないようにする半導体装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明に係る半導体装置は、上記課題を解決するために、第１の端子部を有する第１の半導体基板が、第２の端子部を有する第２の半導体基板に積層されており、上記第１の半導体基板に貫通孔が形成されており、上記貫通孔に挿入されたワイヤを介して、第１の端子部と第２の端子部とが電気的に接続されていることを特徴としている。

従来の半導体装置では、半導体基板（半導体チップ）に貫通電極を形成するために、めっき法を採用している。この場合、貫通電極を形成するために、有底孔に金属を充填した後、その金属が露出するまで、シリコン基板を研削しなければならない。このとき、シリコン基板と共に金属も研削され、シリコン基板が研削された金属によって汚染される。すなわち半導体基板が金属によって汚染されるという問題が生じる。ここで、「貫通電極」とは半導体基板を貫通して形成された電極を意味し、貫通電極によって該貫通電極を有する半導体基板と他の半導体基板とを電気的に接続することができる。

これに対し、本発明に係る半導体装置では、貫通孔に挿入されたワイヤを介して、第１の端子部と第２の端子部とが電気的に接続されている。すなわち、このワイヤが、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを電気的に接続する貫通電極として機能する。このため、本発明にかかる半導体装置は、めっき法による貫通電極を形成する必要がない。従って、従来のめっき法と比べて、第１の半導体基板および第２の半導体基板を研削する際に、第１の半導体基板および第２の半導体基板が金属によって汚染されることを防止できる。さらに、所定の厚さの半導体基板に貫通孔を作成すればよいので、ワイヤを挿入してから、半導体基板を研磨して薄化しなくてもよい。

さらに、上記の構成では、貫通孔にワイヤが挿入されているから、貫通孔によってワイヤを保護することができる。このため、不慮の外力によってワイヤが切断されることを防止することができる。従って、貫通孔を樹脂によって被覆してワイヤを保護することが不要となる。また、ワイヤ数が多い場合でも、ワイヤそれぞれを各貫通孔に挿入すればよく、ワイヤの配線が複雑になることを防止できる。

さらに、上記の構成では、貫通孔が深く、かつ貫通孔径が細い場合でも、ワイヤを貫通孔に挿入することは容易である。従って、従来のめっき法によって、有底孔を金属によって充填して形成された貫通電極に発生する、金属の埋め込み不良という問題がなく、つまりボイドが発生することがない。結果として、電気的な接続不良が減少し、製品の信頼性が向上する。

なお、本発明にかかる半導体装置では、第１および第２の半導体基板は、特に限定されず、いずれの素子を形成していても良い。

本発明に係る半導体装置では、上記ワイヤの少なくとも一端は、ワイヤ径より大きくなっていることが好ましい。上記の構成によれば、ワイヤの端部はワイヤ径より大きくなっているので、ワイヤが細い場合でも、ワイヤと第２の端子部との接続面積を大きくすることができる。従って、ワイヤと第２の端子部との接続不良が減少する。

本発明に係る半導体装置では、上記ワイヤの少なくとも一端は、上記貫通孔の径より大きくなっていることが好ましい。

従来の構成では、貫通電極は貫通孔の大きさに依存するので、貫通電極と他の電極（例えば第２の端子部）を接続するときには、貫通孔と同じ大きさの接続面積、あるいは貫通孔より小さな接続面積しか得られない。

上記の構成によれば、ワイヤの端部は、貫通孔の径よりも大きいので、ワイヤと第２の端子部とを接続するときに、従来の貫通電極に比べて接続面積を大きくすることができる。従って、ワイヤと第２の端子部とを接続しやすくなる。つまり、接続時の低抵抗化を実現することができる。結果として、ワイヤと第２の端子部との接続不良が減少する。

本発明に係る半導体装置では、上記ワイヤは、炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、および金（Ａｕ）の少なくとも１つを含む導電性材料からなることが好ましい。上記構成では、炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、および金（Ａｕ）の少なくとも１つを含む導電性材料からなるワイヤを使用できる。すなわち導電性ワイヤを配線として使用できる。

本発明に係る半導体装置では、上記貫通孔の延長線上に第２の端子部が配置されていることが好ましい。上記の構成によれば、第１の半導体基板に形成された貫通孔の延長線上に、第２の半導体基板の第２の端子部が配置されているので、ワイヤを介して、第１の半導体基板と第２の半導体基板を接続するときに、ワイヤの長さを短くすることができる。従って、電気的な応答速度を向上することができる。さらに、余分ワイヤがないので、貫通孔から露出するワイヤの長さも短く、半導体装置の高さ（厚さ）を低く（薄く）することができる。

本発明に係る半導体装置では、上記貫通孔の形成部に絶縁膜が形成されていることが好ましい。上記の構成によれば、貫通孔の形成部に絶縁膜が形成されているので、第１の半導体基板が金属によって短絡することを防止できる。従って、製品の信頼性が向上する。

本発明に係る半導体装置では、第１の半導体基板と第２の半導体装置とは、接着用樹脂を介して積層されていることが好ましい。

上記の構成によれば、第１の半導体基板と第２の半導体装置は、接着用樹脂を介して積層されているので、半導体基板同士を安定させて固定できると共に、貫通孔より伸びているワイヤの周りに配置され、ワイヤを保護することができる。さらに、接着用樹脂として絶縁性の接着剤を使用することで、半導体基板の短絡を防止することができる。従って、短絡防止用に新たに半導体基板に絶縁膜を形成することが不要となる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記課題を解決するために、第１の端子部を有する第１の半導体基板が、第２の端子部を有する第２の半導体基板に積層された半導体装置の製造方法であって、第１の半導体基板に貫通孔を形成する貫通工程と、上記貫通孔にワイヤを挿入して、上記ワイヤを介して第１の端子部と第２の端子部とを電気的に接続する接続工程とを含むことを特徴としている。

上記の構成によれば、第１の半導体基板に貫通孔を形成してワイヤを挿入するので、従来のように貫通電極を形成するために、貫通していない孔に充填した金属（貫通電極）が露出するまで半導体基板を研削する必要がない。このため、半導体基板の研削時に半導体基板と共に金属が研削されない。従って、研削された金属が、研削している半導体基板面に拡散して付着することにより、半導体基板の絶縁性を損ない、半導体基板が金属によって汚染されるということを防止することができる。

さらに、上記の構成によれば、貫通していない孔（有底孔）に金属（めっき液）を充填する必要がなく、充填が不十分なことに起因するボイド（空洞）が発生しない。従って、めっき液を充填するという複雑な工程を必要としないため、工程を簡略化できる。

上記製造方法においては、上記接続工程は、貫通孔径より大きいワイヤ端子を形成するワイヤ端子化工程を含むことが好ましい。これにより、ワイヤの端部が貫通孔の径より大きくなるので、従来の貫通電極に比べて、ワイヤと半導体基板を圧着して接続するときに接続面積が大きくなり接続しやすくなる。

上記製造方法においては、上記接続工程は、熱、超音波、電磁波、および圧力の少なくとも１つの方法を用いること好ましい。上記接続工程が熱、超音波、電磁波、および圧力の少なくとも１つの方法を用いるので、ワイヤおよび接着用樹脂を同時に溶融することができる。よって、半導体装置の製造時の工程を簡略化することができる。

上記製造方法においては、上記接続工程は、ワイヤを貫通孔に挿入した後、ワイヤ端子を形成することが好ましい。上記構成によれば、ワイヤを第１の半導体基板に形成された貫通孔に挿入して、第２の端子部の大きさに対応したワイヤ端子を形成するので、ワイヤと第１の端子部を接続するときに、ワイヤが貫通孔より抜けることがなくなる。続けて、ワイヤ端子と第２の端子部とを接続するときにも同様に、ワイヤが貫通孔より抜け落ちないので、安定して接続を行なうことができる。

本発明に係る半導体装置およびその製造方法は、以上のように、第１の半導体基板に形成された貫通孔に、ワイヤを挿入して、該ワイヤを介して、第１の半導体基板と第２の半導体基板を接続する。従って、従来に比べて、第１の半導体基板の下面を研削する際に、金属による半導体基板の汚染を防止できる。さらに工程を簡略化できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１ないし図２に基づいて説明すると以下の通りである。

図１は、本実施形態に係る半導体装置を示している。図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、第１の半導体基板（第１の半導体チップ）１１および第２の半導体基板（第２の半導体チップ）１２を備えており、第２の半導体基板１２上に、第１の半導体基板１１が積層された構造である。以下では、第１の半導体基板１１側（第１の半導体装置１１が積層される側）を上側、第２の半導体基板１２側を下側として説明する。

〔第１の半導体基板〕
まず、第１の半導体基板１１の構造について説明する。

第１の半導体基板１１は、シリコン基板１と、第１の絶縁膜５と、第２の絶縁膜１４と、素子形成部１７とを備えている。

シリコン基板１はシリコンウエハから作成され、電極１８を備えている。さらに、シリコン基板１の上面に、素子形成部１７が形成されている。素子形成部１７は、素子部２と、第１の基板配線露出部（第１の端子部）３と、基板配線１５と、コンタクトホール１６とを備えている。なお、素子部２は、例えばトランジスタまたは抵抗であり、ここでは素子部２がトランジスタである場合について説明する。このとき、第１の半導体基板１１の上面に露出する、第１の基板配線露出部（第１の端子部）３は、コンタクトホール１６と電極１８と図示しない配線とを介して、素子部２と電気的に接続されている。さらに、素子部２は、図示しない配線と、電極１８と、コンタクトホール１６とを介して、基板配線１５と接続されている。

さらに、第１の半導体基板１１において、シリコン基板１の下面（素子形成部１７が形成されていない面）には第２の絶縁膜１４が形成されている。なお、第２の絶縁膜１４の材質としては、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等を使用できる。このように、第２の絶縁膜１４が形成されているので、シリコン基板１の短絡を防止することができる。

さらに、第１の半導体基板１１には、第１の半導体基板１１の上側から下側にかけて、すなわち素子形成部１７から第２の絶縁膜１４にかけて、貫通孔４が形成されている。なお、貫通孔４の径は、例えば１０μｍ〜１００μｍとすることができる。

上記貫通孔４には、ワイヤ７が挿入されている。上記ワイヤ７を介して、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを電気的に接続することができる。ここで、ワイヤ７の径は、貫通孔４の径に対応させて適宜変更可能で、貫通孔４の径よりも小さくすれば良く、例えば１０〜５０μｍの径のワイヤ７を使用できる。なお、ワイヤ７としては、特に限定されるものではないが、炭素（Ｃ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）を少なくとも１つ含む導電性材料からなる。すなわち、ワイヤ７として導電性ワイヤを使用することができる。

上記貫通孔４の形成部に第１の絶縁膜５が形成されている。第１の絶縁膜５を形成することによって、貫通孔４にワイヤ７を挿入する際（配線時）に、ワイヤ７によって第１の半導体基板１１が短絡することを防止できる。なお、第１の絶縁膜５としては、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ：Tetraethoxy silane）膜からなり、ワイヤ７によって第１の半導体基板１１が短絡しなければ良く、特に限定されるものではない。また、第１の絶縁膜５の材質は、第２の絶縁膜１４の材質と同じであってもよい。また、第１の絶縁膜５の厚さは、例えば約１００ｎｍである。

〔第２の半導体基板〕
続いて、第２の半導体基板１２の構造について説明する。

第２の半導体基板１２は、シリコン基板１と、第２の絶縁膜１４と、素子形成部１７とを備えている。

シリコン基板１はシリコンウエハから作成され、電極１８を備えている。さらに、シリコン基板１の上面に、素子形成部１７が形成されている。素子形成部１７は、素子部２と、第２の基板配線露出部（第２の端子部）１０と、基板配線１５と、コンタクトホール１６とを備えている。なお、素子部２は、例えばトランジスタまたは抵抗であり、ここでは素子部２がトランジスタである場合を説明する。このとき、第２の半導体基板１２の上面に露出する、第２の基板配線露出部（第２の端子部）１０は、コンタクトホール１６と電極１８と図示しない配線とを介して、素子部２と電気的に接続されている。さらに、素子部２は、図示しない配線と、電極１８と、コンタクトホール１６とを介して基板配線１５と接続されている。

さらに、第２の半導体基板１２において、シリコン基板１の下面（素子形成部１７が形成されていない面）には第２の絶縁膜１４が形成されている。なお、第２の絶縁膜１４の材質としては、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等を使用できる。なお、第２の半導体基板１２が、第１の半導体装置１１と異なるのは、第１の絶縁層５を備えていないこと、および第１の基板配線露出部（第１の端子部）３の替わりに、第２の基板配線露出部（第２の端子部）１０を備えていることである。

〔半導体装置〕
続いて、半導体装置の構造について説明する。

第１の半導体基板１１は、第２の半導体基板１２の上に、接着用樹脂１３を介して積層されている。この構成では、第１の半導体基板１１の貫通孔４の直下に、第２の半導体基板１２の第２の基板配線露出部１０が配置されている。なお、接着用樹脂１３としては、特に限定されないが、例えば、レジン（樹脂）、またはフラックス等を使用できる。

さらに、第１の半導体基板１１、および第２の半導体基板１２は、貫通孔４に挿入されたワイヤ７を介して、ワイヤボンディング方式によって電気的に接続されている。

具体的には、第１の半導体基板１１の第１の基板配線露出部３は、貫通孔４の上側より露出したワイヤ７と接続されている。ここで、第１の基板配線露出部３と接続しているワイヤ７の端部には、接合部９が形成されている。一方、第２の半導体基板１２の第２の基板配線露出部１０は、貫通孔４の下側より露出したワイヤ７と接続されている。すなわちワイヤ７は、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを接続する導電性ワイヤ配線である。ここで、第２の基板配線露出部１０と接続しているワイヤ７の端部には、ワイヤ７の径よりも大きく、かつ貫通孔４の径よりも大きなワイヤボール（ワイヤ端子）８が形成されており、ワイヤボール８は圧着されて球状から少し押しつぶされた形状になっている。

ここで、ワイヤ７の径または貫通孔４の径より大きなワイヤボール８をワイヤ７の端部に形成すれば、ワイヤ７が細い場合でも、第２の基板配線露出部１０とワイヤ７との接続面積を十分に確保することができる。すなわち、従来のめっき液を貫通孔に充填した貫通電極では、貫通孔と同じ大きさの接続面積または貫通孔４よりも小さな接続面積しか得られなかった。そこで、貫通電極に基板配線露出部を接続する際、接続面積を大きくするためには、貫通電極径を大きくするか、あるいは貫通電極表面に新たに径の大きな金属バンプ等を作成しなければならない。本発明では、ワイヤ７の端部にワイヤ７の径または貫通孔４の径よりも大きなワイヤボール８を形成することで、ワイヤ７と第２の基板配線露出部１０との接続面積を十分に確保することができ、接続時の信頼性が向上する。なお、ワイヤボール８の大きさは、接続する端子の面積によって、適宜変更可能である。

また、第１の基板配線露出部３とワイヤ７とが接続されている接合部９には、ワイヤボール８が形成されていないが、接合部９の代わりに、ワイヤボール８を形成して接続してもよい。ワイヤボール８が形成された場合は、接続時の信頼性が向上することになる。一方、ワイヤボール８が形成されない場合には、ワイヤボール８の厚みがない分だけ半導体装置の高さ（厚さ）を小さく（低く）抑えることができる。また、ワイヤボール８を形成する場合に比べ、製造工程を簡略化することができる。

上記の通り、第１の半導体基板１１の貫通孔４の直下に、第２の基板配線露出部１０が配置されている。つまり、第１の半導体基板１１に形成された貫通孔の延長線上に、第２の基板配線露出部１０が配置されている。これにより、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを接続するワイヤ７の長さを短くすることが可能となり、半導体装置の応答速度が速くなるという効果を奏する。また、余分なワイヤ７が第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間にないので、第１の半導体基板１１を第２の半導体基板１２に実装するときに、圧着されてワイヤ７が切断されることを防止できる。また、接着用樹脂１３を溶融させて第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを固定する場合には、余分なワイヤ７があると、接着用樹脂１３の溶融と共にワイヤ７も溶融されてワイヤ７が切断される虞がある。上記の構成では、余分なワイヤ７がないので、ワイヤ７が切断される虞を考慮することは不要となる。さらに、余分なワイヤ７がないので、貫通孔から露出するワイヤの長さが短く、半導体装置の高さ（厚さ）を小さく（低く）抑えることができる。なお、第２の基板配線露出部１０は、貫通孔４の延長線上に配置されていてもよく、また、貫通孔４の延長線上付近に配置されていてもよい。

また、貫通孔４にワイヤ７が挿入されているので、ワイヤ７が第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との外部に露出されている部分が減少する。従って、不慮の外力によって、ワイヤ７が切断される虞が減少することになる。さらに、ワイヤボール８が第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との外部に露出しないため、不慮の外力によって、ワイヤボール８が損傷を受けることが減少する。従って、ワイヤボール８を樹脂で保護することが不要になる。

さらに、この構成では、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間には接着用樹脂１３が存在するので、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間にあるワイヤボール８を不慮の外力から保護することができる。

さらに、第１の半導体基板７の上部を樹脂で被覆しても良い。これによると、第１の半導体基板１１上に露出されたワイヤ７を衝撃から保護することができるので、ワイヤ７が切断することを防止し、かつワイヤ７と第１の基板配線露出部３との接続部分、つまり接合部９を保護することができる。防湿が必要な場合に、上記構成は特に有効である。

さらに、ワイヤ７によって、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とが接続されているので、ワイヤ７の長さを調整することによって、第１および第２の基板配線露出部３・１０の位置に関わらず、貫通孔４の位置を適宜決定することができる。従って、貫通孔４の位置に関わらず、第１および第２の半導体基板１１・１２を積層することができる。すなわち、第１の半導体基板１１、および第２の半導体装置１２は、所望の半導体装置に応じて設計することができる。そして、貫通孔４、第１および第２の基板配線露出部３・１０も同様に適宜設計することができる。

また、第２の絶縁膜１４が第１の半導体基板１１の下側に形成されていることで、第２の半導体基板１２の上に第１の半導体基板１１を実装する際に、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２が短絡することを防止して、さらに第１の半導体基板１１の下側を保護することができる。さらに、接着用樹脂１３として絶縁性の接着剤を利用することで、第１の半導体基板１１の短絡を防止することができる。従って、第１の半導体基板１１に第２の絶縁膜１４を形成しなくてもよいという効果を奏する。

〔製造方法〕
次に、上記半導体装置の製造方法を説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図である。図２（ａ）〜（ｅ）に示すように、本発明の半導体装置の製造工程は、第１の半導体基板１１に貫通孔４を形成する貫通工程と、上記貫通孔４にワイヤ７を挿入する挿入工程と、上記ワイヤ７の一端をワイヤボール（ワイヤ端子）８としてボール状に形成するワイヤ端子化工程と、上記ワイヤ７の他端を上記第１の半導体基板１１に接続する第１の接続工程と、第１の半導体基板１１の下に、第２の半導体基板１２を固定し、上記ワイヤボール８を第２の半導体基板１２に接続する第２の接続工程とを有している。以下、各工程について詳細に説明する。

まず、貫通工程について説明する。図２（ａ）に示すように、公知の方法により、シリコン基板１上に、素子形成部１７と第２の絶縁膜１４が形成されている第１の半導体基板１１を用意する。

ここで、第１の半導体基板１１の上側から下側にかけて、孔径１０μｍ〜１００μｍの貫通孔４を形成する。続いて、貫通孔４の形成部に、膜厚約１００ｎｍの第１の絶縁膜５を形成する。詳しくは、ＣＶＤ法、またはＨＤＰ（High Density Plasma）を用いたＣＶＤ法等によって、貫通孔４の形成部に第１の絶縁膜５を堆積する。ここで、第１の絶縁膜５を形成することによって、貫通孔４にワイヤ７を挿入する際（配線時）に、ワイヤ７が第１の半導体基板１１を短絡させることを防止できる。なお、ワイヤ７を挿入する工程については後述する。また、第１の絶縁膜５として、例えばＴＥＯＳ膜を使用できる。なお、貫通孔４を形成してから、第１の半導体基板１１の裏面側（下側）より、第１の絶縁膜５と、第１の半導体基板１１の下面の第２の絶縁膜１４とを同時に形成しても良い。この場合、別々に絶縁膜を形成しないので、工程を簡略化できる。

次に、挿入工程について説明する。図２（ｂ）に示すように、第１の半導体基板１１を吸着ステージ６に吸着させる。なお、吸着ステージ６は、第１の半導体基板１１を吸着させたときに、貫通孔４が接触しないように加工されており、第１の半導体基板１１を固定して、以下の工程を進めていく支持体である。続いて、貫通孔４の径より小さい径、例えば１０〜５０μｍの径を有するワイヤ７を、第１の半導体基板１１の上側から貫通孔４に挿入する。このとき、貫通孔４の径（α）の４〜６倍程度の長さ分、ワイヤ７を第１の半導体基板１１の下側から露出させる。

なお、露出するワイヤ７の長さ（β）は、次の端子化工程で形成するワイヤボール８の大きさによって決定される。また、ワイヤ７を挿入するときは、貫通孔４の上側または下側のどちらから挿入しても良い。

次に、端子形成工程について説明する。図２（ｃ）に示すように、レーザー熱によるボール形成方法によって、第１の半導体基板１１の貫通孔４の下側から露出したワイヤ７の先端部に、貫通孔４より大きなワイヤボール（ワイヤ端子）８を形成する。なお、貫通孔より露出するワイヤ７の長さ（β）を変更することよって、形成するワイヤボール８の大きさを適宜変更することができる。なお、ここでワイヤボール８形成方法は、レーザー熱を用いた方法に特に限られず、加熱、超音波照射、電磁波照射、および加圧の少なくとも１つの方法を用いて行っても良い。

なお、本実施の形態では、ワイヤ７の一端にだけワイヤボール８を形成したが、ワイヤ７の両端に形成してもよい。

次に、第１の接続工程について説明する。図２（ｄ）に示すように、第１の半導体基板１１の貫通孔４の上側に露出したワイヤ７を第１の基板配線露出部３に接続する。このとき、一般的な超音波併用熱圧着方式により、例えば、超音波の振動数６３ｋＨｚ、温度２６０℃、および圧着量２０ｇにより、ワイヤを溶融して接合部９を形成して、第１の基板側配線露出部３に接続する。

ここでは、ワイヤ７を第１の基板配線露出部３に接続する方法に関して、超音波併用熱圧着方式を利用した接続方法について説明しているが、加熱、超音波照射、電磁波照射、および加圧の少なくとも１つの方法を用いて行っても良い。なお、上述したとおり、ワイヤ端子化工程で、第１の半導体基板１１の上面に露出するワイヤ７の端部にワイヤボール８を形成してから、超音波併用熱圧着方式によって、ワイヤボール８を第１の基板配線露出部３に接続しても良い。このとき、予め貫通孔４よりも大きなワイヤボール８を形成してから、第１の基板配線露出部３に接続することで、接続の信頼性が向上する。一方、ワイヤボール８を形成しないで接続すると、ワイヤボール８の厚さ分だけ、半導体装置の高さ（厚さ）を低く（薄く）することができる。

続いて、第２の接続工程について説明する。図２（ｅ）に示すように、第２の半導体基板１２の表面（上面）に接着用樹脂１３を塗布し、第２の半導体基板１２の上に第１の半導体基板１１を実装する。

実装の際、貫通孔４の直下に、第２の基板配線露出部１０が配置されるように、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを位置合わせする。続いて、第１の半導体基板１１の貫通孔４より露出したワイヤボール８を、第２の基板配線露出部１０に接触するように、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２とを接近させる。そして、一般的な超音波併用熱圧着方式により、例えば、超音波の振動数６３ｋＨｚ、温度２６０℃、および圧着量２０ｇにより、ワイヤボール８を溶融させて第２の基板配線露出部１０に接続する。

なお、第１および第２の半導体基板１１・１２を固定する接着用樹脂１３として、レジン（樹脂）またはフラックスを使用することができるが、接着用樹脂１３として特に限定されるわけではなく、第１の半導体基板１１を第２の半導体基板１２に固定できる材料からなれば良い。

さらに、ワイヤボール８と第２の基板配線露出部１０を接続する方法に関して、超音波併用熱圧着方式を利用した接続方法について説明しているが、加熱、超音波照射、電磁波照射、および加圧の少なくとも１つの方法を用いて行っても良い。

また、ワイヤボール８を第２の基板配線露出部１０に接続するときに、第１の半導体基板１１と第２の半導体基板１２との間の接着用樹脂１３を溶融させて、第１の半導体基板１１を第２の半導体基板１２に固定してもよい。このとき、ワイヤボール８と接着用樹脂１３の溶融を同時に行なうので、工程が簡略化できる。

なお、本実施の形態では、第２の接続工程の前に挿入工程を行っているが、ワイヤボール８を第２の基板配線露出部１０に接続してから、ワイヤ７を第１の半導体基板１１の貫通孔４に挿入してもよく、続いて、第２の半導体基板１２に第１の半導体基板１１を積層してもよい。最後に、第１の半導体基板１１の第１の基板配線露出部３と、貫通孔４の上部から露出するワイヤ７と接続しても良い。すなわち、貫通孔４に第１の絶縁膜５が形成された後は、工程の順番を適宜変更することができる。

なお、本実施の形態では、貫通孔４の下側より露出するワイヤ７の長さ（β）は、貫通孔の径（α）の４倍〜６倍とした。この構成では、ワイヤボール８形成時に、貫通孔４の下側より露出するワイヤ７の長さ（β）が、貫通孔４の径（α）の４倍未満である場合、小さなワイヤボール８しか形成できないため、ワイヤボール８を第２の配線基板露出部１０に接続するときの非抵抗が増加する。さらに、貫通孔４の下側より露出するワイヤ７の長さ（β）が、貫通孔４の径の６倍以上である場合では、大きなワイヤボール８が形成されるが、第１および第２の半導体基板１１・１２間におけるワイヤボール８の占有領域が大きく、第１および第２の半導体基板１１・１２は高密着性を有するように実装することができない。

以上のように、本実施形態の半導体装置は、めっき法を利用して作成された貫通電極の代わりに、貫通孔に挿入されたワイヤ７によって、半導体基板１１・１２同士を接続するので、第１の半導体基板１１の厚さ（高さ）が大きく、かつ貫通孔４が細い場合でも、従来のように貫通電極がボイド（空洞）によって電気的に切断されることが無い。よって、さまざまな厚さの半導体基板に対応できる。さらにワイヤ７の長さを変えることで、ワイヤ７と第１および第２の基板配線露出部３・１０との接続位置を調整することができる。すなわち、さまざまな半導体基板に対応でき、実装する配置を任意に決定できる。なお、貫通孔４の直下にワイヤボール８を形成して、第２の基板配線露出部１０に接続する方が、ワイヤ７が外部に露出する部分を少なくすることができるのでより好ましい。

また、貫通孔４、ワイヤ７および第１および第２の基板配線露出部３・１０は、任意の数だけ、設けることができる。さらに、第２の半導体基板１２にも貫通孔４を設けることができ、第２の半導体基板１２の下側に、さらに他の半導体基板を設け、貫通孔４に挿入されたワイヤを介して電気的に接続することができる。すなわち、貫通孔４を複数の半導体基板に設け、ワイヤ７を挿入して、ワイヤ７を介して電気的に接続して、複数の半導体基板を実装することが可能となり、マルチチップ半導体装置を形成することができる。従って、半導体基板を２層以上積層する必要があるデバイスに対応する事ができる。例えば、２層以上積層された半導体基板に、貫通孔４を形成し、ワイヤ７を挿入することが可能であり、積層された最上部の半導体基板と、最下部の半導体基板とをワイヤ７で接続することも可能である。

また、実施形態に示す数値は本発明の一実施例であり、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る半導体装置は、第１の半導体基板に設けられた貫通孔に挿入されたワイヤにより、第１の半導体基板と第２の半導体基板とが接続された構成である。このため、従来の貫通電極を形成するときの金属汚染が発生せず、さらに複雑な工程を必要としない。それゆえ、集積度の高い回路を形成するマルチチップ半導体装置に適用できる。

本発明にかかる半導体装置の断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、上記半導体装置の製造工程を示す断面図である。 従来の半導体装置の半導体基板を示す断面図である。 （ａ）〜（ｊ）は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 素子部
３ 第１の基板配線露出部（第１の端子部）
４ 貫通孔
５ 第１の絶縁膜
６ 吸着ステージ
７ ワイヤ
８ ワイヤボール（ワイヤ端子）
９ 接合部
１０ 第２の基板配線露出部（第２の端子部）
１１ 第１の半導体基板（第１の半導体チップ）
１２ 第２の半導体基板（第２の半導体チップ）
１３ 接着用樹脂
１４ 第２の絶縁膜
１５ 基板配線
１６ コンタクトホール
１７ 素子形成部
１８ 電極
α 貫通孔径
β 貫通孔より露出したワイヤの長さ
γ ワイヤ径

Claims (11)

1. 第１の端子部を有する第１の半導体基板が、第２の端子部を有する第２の半導体基板に積層されており、
   上記第１の半導体基板に貫通孔が形成されており、
   上記貫通孔に挿入されたワイヤを介して、第１の端子部と第２の端子部とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
2. 上記ワイヤの少なくとも一端は、ワイヤ径より大きくな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。
3. 上記ワイヤの少なくとも一端は、上記貫通孔径より大きくな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。
4. 上記ワイヤは、Ｃ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＡｕの少なくとも１つを含む導電性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 上記貫通孔の延長線上に第２の端子部が配置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。
6. 上記貫通孔の形成部に絶縁膜が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。
7. 第１の半導体基板と第２の半導体装置とは、接着用樹脂を介して積層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。
8. 第１の端子部を有する第１の半導体基板が、第２の端子部を有する第２の半導体基板に積層された半導体装置の製造方法であって、
   第１の半導体基板に貫通孔を形成する貫通工程と、
   上記貫通孔にワイヤを挿入して、上記ワイヤを介して第１の端子部と第２の端子部とを電気的に接続する接続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. 上記接続工程は、貫通孔径より大きいワイヤ端子を形成するワイヤ端子化工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 上記接続工程は、加熱、超音波照射、電磁波照射、および加圧の少なくとも１つの方法を用いることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 上記接続工程は、ワイヤを貫通孔に挿入した後、ワイヤ端子を形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。

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