JP2007042904A - 積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液状樹脂により各半導体チップ間の間隙および半導体チップと基板との間隙を確実に充填するとともに充填工程を短くすることができる積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置を提供する。
【解決手段】複数の半導体チップ１１に、貫通孔１３をそれぞれ形成する。次に、回路基板２１上に、上記半導体チップ１１をフリップチップ接続により順次積層搭載することで、貫通孔１３によって、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１と回路基板２１との間隙を連通させる。次いで、最上部の半導体チップ１１の貫通孔１３から、半導体チップ１１間の間隙に液状樹脂３１を供給し、貫通孔１３によって最下部の半導体チップ１１と回路基板２１との間隙まで液状樹脂３１を行き渡らせることで、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１と回路基板２１との間隙を液状樹脂３１で充填する積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置に関し、特に、回路基板上に複数の半導体チップがフリップチップ接続により積層搭載された積層型半導体装置の製造方法およびこれにより得られる積層型半導体装置に関するものである。

電気製品の小型化、低消費電力化といった要求に応えるため、半導体チップの高集積化技術とともに、これらの半導体チップを高密度に配置する実装技術も展開されてきている。このような実装技術のうち、多層配線が形成された回路基板（インターポーザ）上に、半導体チップがフリップチップ接続によりフェイスダウン実装された半導体装置は、半導体装置の小型化だけではなく、高速化の点からも有利である。

そして、さらなる実装密度を図るために、回路基板上にフェイスダウン実装された半導体チップ上に、樹脂層を介してもう１つの半導体チップを搭載し、上部の半導体チップと回路基板とをワイヤーボンディングにより接続した積層型半導体装置が報告されている（例えば、下記特許文献１参照）。

また、図３に示すように、フリップチップ接続により、半導体チップ１１ａ、１１ｂを回路基板２１上に順次積層搭載した積層型半導体装置も検討されている。このような積層型半導体装置は、各半導体チップ１１が半導体素子を備えた回路基板となっており、特許文献１に記載された積層型半導体装置と比較して、上部の半導体チップ１１ａと回路基板２１とをワイヤーボンディングにより接続しないため、小型化が可能であり、より多くの半導体チップ１１を積層可能である、という利点がある。

この積層型半導体装置は、回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙および半導体チップ１１ａと半導体チップ１１ｂとの間隙に樹脂（液状樹脂３１）が充填されることで、各半導体チップ１１に設けられたバンプ１２による応力が緩和され、バンプ１２の接続信頼性が確保されている。

上記積層型半導体装置を製造する場合には、回路基板２１上に配置される半導体チップ１１ａを回路基板２１よりも一回り小さく形成し、さらに、半導体チップ１１ａ上に配置される半導体チップ１１ｂを半導体チップ１１ａよりも一回り小さく形成する。

そして、回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙付近の回路基板２１上の周縁の一部に液状樹脂３１を充填器４１から滴下すると、毛細管現象により回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙に液状樹脂３１が供給され、回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙が液状樹脂３１で充填される。同様に、半導体チップ１１ａと半導体チップ１１ｂとの間隙付近の半導体チップ１１ａ上の周縁の一部に液状樹脂３１を滴下することで、半導体チップ１１ａと半導体チップ１１ｂとの間隙が液状樹脂３１で充填される。

特開２００５−２６５６４号公報

しかし、上述したような積層型半導体装置の製造方法では、回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙および半導体チップ１１ａと半導体チップ１１ｂとの間隙に、それぞれ液状樹脂３１を充填する工程を行うため時間を要し、多くの半導体チップ１１を積層する程、さらなる時間を要するという問題がある。また、液状樹脂３１を充填する際に下層側となる半導体チップ１１ａまたは回路基板２１の周縁に液状樹脂３１を滴下するため、半導体チップ１１ａおよび回路基板２１の周縁に液状樹脂３１を滴下するスペースが必要となり、積層型半導体装置のさらなる小型化を妨げる、という問題があった。

また、図４（ａ）に示すように、積層される各半導体チップ１１の形状と大きさが同一である場合には、各半導体チップ１１間の間隙に液状樹脂３１を充填するために、液状樹脂３１を滴下するスペースがない。このため、各半導体チップ１１間の間隙に充填器４１を横から挿入して液状樹脂３１を供給する必要がある等、液状樹脂３１の供給が困難であり、液状樹脂３１の未充填領域が生じてしまう、という問題も生じている。液状樹脂３１の未充填領域が発生すると、バンプ１２に発生する応力が緩和されず、接続信頼性が悪くなる。また、この積層型半導体装置をマザーボードへ実装する際のリフロープロセスでバンプ１２が再溶融するため、未充填領域にハンダが流れ込みショートする危険性がある。このような問題は、図４（ｂ）に示すように、積層型半導体装置の一部（領域Ｂ）において、半導体チップ１１がその直下部に配置される半導体チップ１１よりも大きい場合でも同様に生じている。

かかる問題点を改善するために、本発明は、液状樹脂により各半導体チップ間の間隙および半導体チップと基板との間隙を確実に充填するとともに液状樹脂の充填工程を短くすることができる積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明における積層型半導体装置の製造方法は、一主面側にバンプが設けられた３層以上の回路基板をフリップチップ接続により積層搭載してなる積層型半導体装置の製造方法であって、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、回路基板のうち、少なくとも両端側の回路基板に挟持される回路基板に貫通孔を形成する。次に、第２工程では、各回路基板をフリップチップ接続により積層搭載することで、貫通孔によって各回路基板間の間隙を連通させる。次いで、第３工程では、一端の回路基板側から回路基板間の間隙に液状樹脂を供給し、貫通孔によって他端の回路基板側まで回路基板間の間隙に液状樹脂を行き渡らせることで、各回路基板間の間隙を液状樹脂で充填する。

このような積層型半導体装置の製造方法によれば、回路基板のうち、少なくとも両端側の回路基板に挟持される回路基板に貫通孔を形成した後、各回路基板をフリップチップ接続により積層搭載することから、貫通孔を介して各回路基板間の間隙が連通した状態となる。この状態で、一端の回路基板側から回路基板間の間隙に液状樹脂を供給することで、毛細管現象が生じ、貫通孔によって他端の回路基板側まで回路基板間の間隙に液状樹脂を行き渡らせることが可能となる。これにより、回路基板の大きさや形状に関わらず、一回の供給で液状樹脂を各回路基板間の間隙に確実に充填することが可能となる。

また、本発明の積層型半導体装置は、一主面側にバンプが設けられた３層以上の回路基板をフリップチップ接続により積層搭載してなる積層型半導体装置であって、少なくとも両端側の回路基板に挟持される回路基板には、貫通孔が設けられており、各回路基板間の間隙には樹脂が充填されていることを特徴としている。

このような積層型半導体装置は、上述した製造方法によって製造されるものであり、液状樹脂を各回路基板の間隙に確実に充填することができるため、接続信頼性に優れている。

以上説明したように、本発明の積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置によれば、回路基板の大きさや形状に関わらず、一回の供給で液状樹脂を各回路基板間の間隙に確実に充填することができるため、液状樹脂の充填工程を短くすることができ、生産性に優れている。また、液状樹脂を各回路基板間の間隙に確実に充填することができるため、接続信頼性に優れた積層型半導体装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、回路基板上に４つの半導体チップをフリップチップ接続により積層してなる積層型半導体装置の製造方法および積層型半導体装置の例について説明する。なお、本実施形態では、積層型半導体装置の構成を製造工程順に説明する。

図１（ａ）に示すように、半導体チップ１１には、一主面側に複数のバンプ１２が配列形成されている。ここでは、バンプ１２は２次元的に均等に配列されていることとする。ここで、後工程で、回路基板（図示省略）上に順次積層搭載される４つの半導体チップ１１は、半導体素子が搭載された回路基板であって、例えば矩形状であり、同じ大きさであることとする。なお、本実施形態では、４つの半導体チップを積層搭載させた積層型半導体装置を例にとり説明するが、本発明はこれに限定されず、回路基板２１と半導体チップ１１からなる回路基板とを合わせて３層以上積層搭載した積層型半導体装置であれば、適用可能である。

ここで、本発明の特徴的な構成として、半導体チップ１１の例えばバンプ１２の形成領域よりも外側の周縁部に、後工程で液状樹脂を通過させる貫通孔１３を形成する。この貫通孔１３の孔径は０．６ｍｍ以上２ｍｍ以下であることとする。ここでは、矩形状の半導体チップ１１の４つの角部のうち一箇所に貫通孔１３を形成する。この貫通孔１３は、例えば複数の半導体チップ１１が設けられたダイシング前のウェハー上に、貫通孔１３部分が開口されたレジストパターンを形成した後、ドライエッチングにより形成されることとする。ただし、貫通孔１３の形成方法は、ドライエッチングに限定されるものではなく、ウェットエッチングでもよく、メカドリルを用いて形成してもよい。

この際、各半導体チップ１１の貫通孔１３を、この半導体チップ１１の直上部または直下部に配置される半導体チップ１１の貫通孔１３に対して、最も離れた位置に形成することが好ましい。ここでは、回路基板上に搭載される最下部の半導体チップ１１ａと下から３番目に配置される半導体チップ１１ｃには、各半導体チップ１１を積層搭載した状態で、平面視的に同一の角部に、貫通孔１３ａ、１３ｃをそれぞれ形成する。一方、図１（ｂ）に示すように、下から２番目に配置される半導体チップ１１ｂと最上部に配置される半導体チップ１１ｄには、各半導体チップ１１を積層搭載した状態で、貫通孔１３ａ、１３ｃが配置された半導体チップ１１ａ、１１ｃ（前記図１（ａ）参照）の角部と平面視的に対角となる角部に貫通孔１３ｂ、１３ｄを形成する。

上述したように、各半導体チップ１１に貫通孔１３をそれぞれ形成した後、図２（ａ）に示すように、多層配線が設けられた回路基板（インターポーザ）２１上に、半導体チップ１１ａ〜１１ｄを順次積層搭載する。ここで、図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。

この場合には、上記回路基板２１は、例えば各半導体チップ１１よりも一回り大きい矩形状であり、半導体チップ１１が搭載される面の反対側には、外部電極となる複数のバンプ２２が設けられていることとする。なお、ここでは、回路基板２１が半導体チップ１１よりも一回り大きく形成された例について説明するが、回路基板２１は半導体チップ１１と形状と大きさが同一であってもよい。

まず、各半導体チップ１１のバンプ１２形成面側の周縁に、例えば熱可塑性樹脂からなる封止材１４を、この熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱した状態で塗布する。ここで、この熱可塑性樹脂に、後工程で半導体チップ１１間の間隙に供給される液状樹脂を注入する際の温度や硬化する温度よりも高いＴｇを有するものを用いることで、液状樹脂の供給〜硬化プロセスの間で再溶融しないため、好ましい。また、回路基板２１上に配置される半導体チップ１１ａの周縁には、封止材１４を一部形成せずに、後工程で、各半導体チップ１１間の間隙に液状樹脂を充填する際の出口となる開口部１４ａとする。この開口部１４ａは、各半導体チップ１１を積層搭載した状態で、半導体チップ１１ａに設けられた貫通孔１３ａに対して、平面視的に対角となる位置に設けられることが好ましい。また、半導体チップ１１aと回路基板２１の間には、熱可塑性樹脂からなる封止材１４を塗布しなくてもよい。

なお、ここでは、封止材１４として熱可塑性樹脂を用い、塗布することとしたが、各半導体チップ１１間の間隙または半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙程度の厚みを有するフィルム状の熱可塑性樹脂を、回路基板２１上に各半導体チップ１１を積層搭載する際に、回路基板２１と半導体チップ１１との間の周縁および各半導体チップ１１間の周縁に挟み込む状態で配置してもよい。また、ここでは、封止材１４に熱可塑性樹脂を用いた例について説明したが、封止材１４としては、紫外線硬化性樹脂等の光硬化性樹脂を用いてもよく、熱硬化性樹脂を用いてもよい。

次いで、回路基板２１上に、周縁に封止材１４が塗布された上記半導体チップ１１ａを搭載する。この際、半導体チップ１１ａに設けられたバンプ１２による回路基板２１へのフリップチップ接続と、封止材１４による周縁部の接合とは同一工程で行われる。同様に、半導体チップ１１ｂ〜１１ｄを半導体チップ１１ａ上に順次積層する。

具体的には、回路基板２１と最上部の半導体チップ１１ｄとで挟持される半導体チップ１１ａ〜１１ｃには、各半導体チップ１１を膜厚方向に貫通する状態の配線１５とこの配線１５から最配線されたメッキ層１６とが設けられており、下部側の半導体チップ１１のメッキ層１６上に上部側の半導体チップ１１のバンプ１２が電気的に接続される。また、上述したように、各半導体チップ１１の周縁にＴｇ以上で加熱した状態の熱可塑性樹脂からなる封止材１４を塗布した状態で、回路基板２１上に半導体チップ１１ａ〜１１ｄを積層搭載した後、常温に放置することで、封止材１４は硬化状態となり、回路基板２１と各半導体チップ１１とが、その周縁で封止材１４により密着し隙間がなくなる。

これにより、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙は、半導体チップ１１ａ〜１１ｄに設けられた貫通孔１３ａ〜１３ｄにより連通された状態となる。ここで、各半導体チップ１１間の間隙および回路基板２１と半導体チップ１１との間隙は、これらの間隙に毛細管現象により液状樹脂３１を充填できる程度の間隔であることが好ましい。

特に、ここでは、回路基板２１と半導体チップ１１との間および各半導体チップ１１の間の周縁が封止材１４により封止されていることから、最上部の半導体チップ１１ｄの貫通孔１３ｄから、回路基板２１と半導体チップ１１ａの間の周縁を覆う封止材１４に設けられた開口部１４ａまでが一連の通路として連通される。この通路の一端となる貫通孔１３ｄから他端となる開口部１４ａまでの各貫通孔１３は上層側から順に対角になるように配置されている。

続いて、図２（ｂ）に示すように、最上部の半導体チップ１１ｄの貫通孔１３ｄに充填器４１のニードルを挿入し、液状樹脂（アンダーフィル樹脂）３１を注入する。ここで用いる液状樹脂３１は、例えば１分子中に２個以上のエポキシ基を有する多価エポキシ樹脂と、１分子中に２個以上の活性水素を有する硬化剤からなる樹脂中に酸化シリコン（ＳｉＯ₂）からなるフィラーが含有されたものであり、その粘度は１Ｐａ・ｓ〜２０Ｐａ・ｓであることとする。

貫通孔１３ｄから半導体チップ１１ｄと半導体チップ１１ｃの間隙に供給された液状樹脂３１は、半導体チップ１１ｄと半導体チップ１１ｃの間に立設されるバンプ１２に生じた毛細管現象により、広がっていく。この際、バンプ１２が２次元的に均等に配列されている場合には、貫通孔１３ｃに向かって液状樹脂３１は等方的に広がる。ここで、上述したように、半導体チップ１１ｄの貫通孔１３ｄに対して半導体チップ１１ｃの貫通孔１３ｃは、平面視的に対角に設けられているため、貫通孔１３ｃに液状樹脂３１が到達するまでに、半導体チップ１１ｄと半導体チップ１１ｃとの間隙は、液状樹脂３１により確実に充填される。そして、毛細管現象または重力により貫通孔１３ｃを通過した液状樹脂３１は、半導体チップ１１ｃと半導体チップ１１ｂとの間隙に流入する。

続いて、図２（ｃ）に示すように半導体チップ１１ｃと半導体チップ１１ｂとの間隙を液状樹脂３１により充填した後、貫通孔１３ｂを通過した液状樹脂３１により半導体チップ１１ｂと半導体チップ１１ａとの間隙が充填され、貫通孔１３ａを通過した液状樹脂３１により半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙が順に充填される。そして、半導体チップ１１ａと回路基板２１との間の周縁に設けられた封止材１４の開口部１４ａに液状樹脂３１が到達した時点で、貫通孔１３ｄからの液状樹脂３１の注入を止める。

その後、熱処理により液状樹脂３１を硬化させることで、回路基板２１上に半導体チップ１１ａ〜１１ｄがフリップチップ接続により積層搭載された積層型半導体装置を完成させる。

このような積層型半導体装置の製造方法およびこれによって得られる積層型半導体装置によれば、最上部の半導体チップ１１ｄに設けられた貫通孔１３ｄにより、液状樹脂３１を１回供給することで、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙が確実に充填される。したがって、液状樹脂３１の充填工程を短くすることができ、生産性に優れている。

さらに、最上部の半導体チップ１１ｄの貫通孔１３ｄから液状樹脂３１を注入するため、各半導体チップ１１の周縁に液状樹脂３１を滴下するスペースを設けなくてもよい。したがって、各半導体チップ１１の形状と大きさを同一にすることができ、積層型半導体装置のさらなる小型化が可能である。

なお、上述した実施形態では、一例として各半導体チップ１１の角部に１つの貫通孔１３をそれぞれ形成することとしたが、貫通孔１３を形成する位置および貫通孔１３の個数については、１回の液状樹脂３１の供給により、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙が確実に充填されれば、特に限定されるものではない。ただし、貫通孔１３の形成位置については、素子特性等への影響を考えると各半導体チップ１１の周縁に設けられていた方が、実用性が高いため好ましく、特に貫通孔１３が１つの場合には、上記実施形態のように、各半導体チップ１１の角部に各半導体チップ１１の直上部または直下部に配置される半導体チップとは対角になるように配置されることが、液状樹脂３１の充填効率がよいため、好ましい。

また、各半導体チップ１１に貫通孔１３を複数形成してもよい。この場合には、各半導体チップ１１の各貫通孔１３が、この半導体チップ１１の直上部または直下部に配置される半導体チップ１１の各貫通孔１３に対して、重ならないように、なるべく離れた位置に配置された方が、各半導体チップ１１間の間隙および半導体チップ１１ａと回路基板２１との間隙を効率よく充填することができ、好ましい。

また、回路基板２１と半導体チップ１１ａとの間隙に液状樹脂３１を供給する場合には、積層型半導体装置を上下反転させた状態で、液状樹脂３１を供給してもよい。ただし、この場合には、半導体チップ１１ａを回路基板２１よりも一回り大きく形成する等、液状樹脂３１を滴下するスペースが必要がある。さらに、回路基板２１に貫通孔を形成し、この貫通孔から液状樹脂３１を供給してもよい。

また、上記実施形態では、各半導体チップ１１間および半導体チップ１１ａと回路基板２１との間の周縁を封止材１４で接合した例について説明したが、封止材１４は特に形成しなくてもよい。この場合には、各半導体チップ１１に設けられる貫通孔１３の位置および個数を制御して、各半導体チップ１１の周縁から液状樹脂３１が流出しないようにする。

本発明の実施の形態における積層型半導体装置を構成する半導体チップの平面図（ａ）、（ｂ）である。 本発明の積層型半導体装置の製造方法に係る実施の形態を説明するための製造工程断面図である。 従来の積層型半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 従来の積層型半導体装置の製造方法に係る課題を説明するための断面図である。

符号の説明

１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）…半導体チップ、１２…バンプ、１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）…貫通孔、１４…封止材、２１…回路基板、２２…バンプ、３１…液状樹脂

Claims (7)

1. 一主面側にバンプが設けられた３層以上の回路基板をフリップチップ接続により積層搭載してなる積層型半導体装置の製造方法であって、
   前記回路基板のうち、少なくとも両端側の前記回路基板に挟持される前記回路基板に貫通孔を形成する第１工程と、
   前記各回路基板をフリップチップ接続により積層搭載することで、前記貫通孔によって前記各回路基板間の間隙を連通させる第２工程と、
   一端の前記回路基板側から前記回路基板間の間隙に液状樹脂を供給し、前記貫通孔によって他端の前記回路基板側まで前記回路基板間の間隙に前記液状樹脂を行き渡らせることで、前記各回路基板間の間隙を前記液状樹脂で充填する第３工程とを有する
   ことを特徴とする積層型半導体装置の製造方法。
2. 前記第１工程では、両端側の前記回路基板のうち少なくとも一方と、両端側の前記回路基板に挟持される前記回路基板とに前記貫通孔を形成するとともに、
   前記第３工程では、両端側の前記回路基板に設けられた前記貫通孔から前記液状樹脂を供給する
   ことを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置の製造方法。
3. 前記第１工程と前記第２工程との間に、
   前記各回路基板の一主面側の周縁に封止材を塗布する工程を行い、
   前記第２工程では、前記各回路基板をフリップチップ接続により積層搭載するとともに、前記封止材により前記各回路基板を接合することで、前記貫通孔によって前記各回路基板間の間隙を一連の通路として連通させるとともに、
   前記第３工程では、前記通路の一端から当該通路内に供給した液状樹脂を、前記貫通孔を介して当該通路の他端まで行き渡らせることで、前記回路基板間の間隙を液状樹脂で充填する
   ことを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置の製造方法。
4. 前記第１工程では、前記第２工程で前記回路基板を積層搭載した状態において、前記各回路基板の前記貫通孔が、当該回路基板に直上部または直下部に配置される前記回路基板の前記貫通孔に対し、前記各回路基板が重なる領域で最も離れた位置に配置されるように、前記各回路基板に前記貫通孔を１つずつ形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置の製造方法。
5. 前記第３工程では、毛細管現象により、前記各回路基板間の間隙を液状樹脂で充填する
   ことを特徴とする請求項１記載の積層型半導体装置の製造方法。
6. 一主面側にバンプが設けられた３層以上の回路基板をフリップチップ接続により積層搭載してなる積層型半導体装置であって、
   少なくとも両端側の前記回路基板に挟持される前記回路基板には、貫通孔が設けられており、
   前記各回路基板間の間隙には樹脂が充填されている
   ことを特徴とする積層型半導体装置。
7. 前記各回路基板は形状と大きさが同一である
   ことを特徴とする請求項６記載の積層型半導体装置。
   

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