JP2016174061A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実施形態は、製造プロセスの簡略化および低コスト化が可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１半導体チップと、前記第１半導体チップ上にマウントされた前記第１半導体チップよりも小さい第２半導体チップと、を含む積層体を形成し、表面に凹部を形成された基板の前記表面および前記凹部の開口を粘着シートで覆い、前記粘着シートを前記凹部の内側に窪ませて空間を形成し、前記第２半導体チップを前記空間に収容させつつ前記粘着シートを介して前記積層体を前記基板上に固定し、前記基板上の前記積層体を樹脂で覆い、前記積層体を前記粘着シートから分離する。【選択図】図１

Description

実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の小型化、高集積化を実現するために、１つのパッケージ内に複数の半導体チップを積層し、樹脂等で封止した積層型半導体装置がある。しかしながら、このような半導体装置は、その製造過程が複雑であり、製造コストも高い。

米国特許第７２０２１０７号明細書

実施形態は、製造プロセスの簡略化および低コスト化が可能な半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１半導体チップと、前記第１半導体チップ上にマウントされた前記第１半導体チップよりも小さい第２半導体チップと、を含む積層体を形成し、表面に凹部を形成された基板の前記表面および前記凹部の開口を粘着シートで覆い、前記粘着シートを前記凹部の内側に窪ませて空間を形成し、前記第２半導体チップを前記空間に収容させつつ前記粘着シートを介して前記積層体を前記基板上に固定し、前記基板上の前記積層体を樹脂で覆い、前記積層体を前記粘着シートから分離する。

実施形態に係る半導体装置を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造過程を示す模式断面図である。 図２に続く製造過程を示す模式断面図である。 図３に続く製造過程を示す模式断面図である。 比較例に係る半導体装置の製造過程を示す模式断面図である。 図６に続く製造過程を示す模式断面図である。 実施形態に係る半導体装置の製造に用いられる基板を示す模式図およびグラフである。

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

さらに、各図中に示すＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を用いて各部分の配置および構成を説明する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、相互に直交し、それぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を表す。また、Ｚ方向を上方、その反対方向を下方として説明する場合がある。

図１は、実施形態に係る半導体装置１を示す模式断面図である。半導体装置１は、例えば、不揮発性記憶装置であり、複数のメモリチップと、それらを制御するロジックチップと、を積層した構造を有する。

半導体装置１は、積層体１０を備える。積層体１０は、複数の第１半導体チップ（以下、メモリチップ１２）と、第２半導体チップ（以下、ロジックチップ１４）と、を含む。メモリチップ１２は、データを格納する。ロジックチップ１４は、メモリチップ１２へのデータの書き込みやメモリチップ１２からのデータの読み出しを制御する。

積層体１０は、複数のメモリチップ１２をＺ方向に積層したメモリ部１５を含む。メモリ部１５は、Ｚ方向において、第１面１５ａと、第２面１５ｂと、を有する。図１において、第１面１５ａは、メモリ部１５の上面であり、第２面１５ｂは、メモリ部の下面である。メモリチップ１２は、基板１６の上に積層される。そして、図１に示すように、第２面１５ｂを下にして実装される。

ロジックチップ１４は、マウントパッド１８、１９を介して第２面１５ｂの上にマウントされる。ロジックチップ１４は、例えば、ハンダバンプ１６を介してマウントパッド１８および１９の上にマウントされる。さらに、ロジックチップ１４とマウントパッド１８、１９の間、および、ロジックチップ１４とメモリチップ１２との間には、アンダーフィル１７が充填される。また、ロジックチップ１４は、図示しない配線を介して各メモリチップ１２に電気的に接続される。

半導体装置１は、メモリ部１５の第１面１５ａおよびその側面を覆う樹脂２０と、第２面１５ｂとロジックチップ１４とを覆う樹脂層３０と、樹脂層３０を覆うソルダーレジスト３２と、を備える。樹脂層３０の下面３０ａには、複数のハンダバンプ４０が設けられる。ハンダバンプ４０は、金属パッド３１、３３を介して下面３０ａの上に設けられる。ソルダーレジスト３２は、樹脂層３０上において金属パッド３１および３３の周りを覆う。ソルダーレジスト３２は、樹脂層３０を保護すると共に、ハンダバンプ４０の広がりを抑制し、金属パッド間の短絡を防ぐ。金属パッド３１、３３は、それぞれマウントパッド１８、１９に電気的に接続される。すなわち、ロジックチップ１４は、複数のハンダバンプ４０を介して外部回路に接続される。

次に、図２〜図４を参照して、実施形態に係る半導体装置１の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図４（ｃ）は、半導体装置１の製造過程を順に示す模式断面図である。

本実施形態では、例えば、積層体１０を一時的に保持するために支持基板５０を用いる。支持基板５０としては、例えば、紫外線を透過するガラス基板を用いることができる。図２（ａ）に示すように、支持基板５０の表面５０ａ側に複数の凹部５２を形成する。また、凹部５２を予め成形した基板を用いても良い。さらに、支持基板５０の表面５０ａに粘着シート６０を貼り付け、凹部５２の開口を覆う。

粘着シート６０は、例えば、大気圧よりも低い圧力の環境下で、支持基板５０に貼り付ける。また、粘着シート６０には、例えば、紫外線硬化型シートを用いる。粘着シート６０は、その両面に粘着層を有する。

図２（ｂ）に示すように、粘着シート６０の一部６２を凹部５２の内側に窪ませた空間６５を形成する。空間６５は、例えば、大気圧よりも低圧（第１の圧力）の環境下で粘着シート６０を貼り付けた支持基板５０を大気圧（第２の圧力）の環境に戻すことにより形成される。すなわち、空間６５は、凹部５２の内圧（内側の圧力）と、凹部５２の外圧（外側の圧力）と、の圧力差により粘着シート６０が凹部５２の内側に窪むことにより形成される。したがって、凹部５２の外側の圧力は、必ずしも大気圧である必要はない。

図２（ｃ）に示すように、粘着シート６０を介して積層体１０を支持基板５０の上に固定する。この段階で、ロジックチップ１４は、メモリ部１５の上にマウントされている。そして、ロジックチップ１４とメモリ部１５との間には、アンダーフィル１７が充填されている。積層体１０は、ロジックチップ１４が空間６５の内部に収容されるように配置される。これにより、メモリ部１５の第２面１５ｂを粘着シート６０に密着させることができる。

図３（ａ）に示すように、支持基板５０の上に固定された積層体１０を樹脂２０で覆う。樹脂２０は、例えば、エポキシ樹脂である。樹脂２０は、メモリ部１５の第１面１５ａと、その側面を覆う。メモリ部１５の第２面１５ｂは、粘着シート６０に密着する。したがって、メモリ部１５と、粘着シート６０と、の間に樹脂２０が侵入することを防ぐことができる。

図３（ｂ）に示すように、積層体１０および樹脂２０を支持基板５０から分離する。例えば、粘着シート６０に、支持基板５０側から紫外線を照射する。これにより、粘着シート８０の粘着層が硬化し、その粘着力を失う。したがって、積層体１０および樹脂２０を、粘着シート６０から分離することができる。つまり、積層体１０および樹脂２０を、支持基板５０から分離することができる。

図４（ａ）に示すように、積層体１０の第２面１５ｂおよびロジックチップ１４を覆う樹脂層３０を形成する。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、メモリ部１５の第１面１５ａを下面とし、第２面１５ｂを上面とした配置を表している。

続いて、樹脂層３０を選択的に除去し、マウントパッド１８、１９に連通するコンタクトホール３５を形成する。樹脂層３０は、例えば、エポキシ樹脂を含む。

図４（ｂ）に示すように、樹脂層３０の上にソルダーレジスト３２および金属パッド３１、３３を形成する。金属パッド３１、３３は、それぞれコンタクトホール３５の内部に設けられた部分を有し、マウントパッド１８、１９に電気的に接続される。金属パッド３１、３３には、例えば、銅（Ｃｕ）を用いる。そして、金属パッド３１、３３の表面には、例えば、ニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）メッキが施される。

図４（ｃ）に示すように、金属パッド３１、３３の上に、それぞれハンダバンプ４０を形成する。ハンダバンプ４０は、金属パッド３１、３３の上に、例えば、印刷法などを用いてクレームハンダを選択的に形成した後、リフローにより半球状に成形する。続いて、隣り合うメモリ部１５の間において、樹脂２０および樹脂層３０を分断することにより半導体装置１を完成させる。

次に、図５〜図６を参照して、比較例に係る半導体装置２の製造方法を説明する。図５（ａ）〜図６（ｃ）は、半導体装置２の製造過程を順に示す模式断面図である。

図５（ａ）に示すように、支持基板７０の表面に粘着シート８０を貼り付け、半導体装置２のメモリ部１５をその上に固定する。メモリ部１５は、基板１６の上に積層された複数のメモリチップ１２を含む。メモリ部１５は、基板１６側の第１面１５ａと、その反対側の第２面１５ｂと、を有する。メモリ部１５は、第２面１５ｂ上にマウントパッド１８および１９を有する。

粘着シート８０は、その両面に粘着層を有する。そして、図５（ａ）に示すように、メモリ部１５は、第２面１５ｂを粘着シート８０に接触させた状態で固定される。粘着シート８０は、例えば、熱剥離型シートである。また、紫外線硬化型シートを用いても良い。

図５（ｂ）に示すように、メモリ部１５の第１面１５ａおよび側面を樹脂２０により覆う。次に、メモリ部１５および樹脂２０を支持基板７０から分離する。例えば、粘着シート８０が熱剥離型の場合、支持基板７０を加熱することにより粘着シート８０の粘着力を低下させる。これにより、粘着シート８０は、その粘着力を失い、メモリ部１５および樹脂２０を粘着シート８０との界面において分離することができる。つまり、メモリ部１５および樹脂２０を、粘着シート８０から分離することができる。熱剥離型の粘着シートを用いる場合、支持基板７０には、例えば、熱伝導率が大きいステンレス板を用いることが好ましい。紫外線硬化型シートを用いる場合、支持基板７０には、紫外線を透過する透明基板を用いる。

図５（ｃ）に示すように、メモリ部１５の第２面１５ｂ上に樹脂層３０を形成する。さらに、樹脂層３０を選択的に除去し、コンタクトホール３５を形成する。コンタクトホール３５は、マウントパッド１８および１９にそれぞれ連通する。なお、図５（ｃ）〜図６（ｃ）は、メモリ部１５の第２面１５ｂが上面となり、第１面１５ａが下面となる配置を表している。

図６（ａ）に示すように、樹脂層３０の上に金属パッド３１、３３を形成する。金属パッド３１、３３は、コンタクトホール３５中に設けられた部分を介してマウントパッド１８および１９に電気的に接続される。さらに、樹脂層３０を選択的に除去し、凹部３７を形成する。凹部３７の底面には、マウントパッド１８、１９を露出させる。

図６（ｂ）に示すように、ロジックチップ１４をマウントパッド１８、１９の上にマウントする。ロジックチップ１４は、凹部３７の内部に収容される。その後、ロジックチップ１４と、マウントパッド１８、１９と、の間にアンダーフィル１７を充填する。この場合、アンダーフィル１７の充填は、凹部３７の内壁とロジックチップ１４の側面との間の隙間を介して樹脂を注入する作業となるため、その難易度は高くなる。すなわち、ロジックチップ１４の下の空間にアンダーフィル１７を確実に充填することは、極めて困難である。

これに対し、実施形態では、アンダーフィル１７は、メモリ部１５の平坦な上面にマウントされたロジックチップ１４の下に充填される。したがって、アンダーフィル１７を充填する作業は容易で有り、ロジックチップ１４の下の空間に確実に充填することができる。

図６（ｃ）に示すように、ハンダバンプ４０を、金属パッド３１、３３の上に形成する。続いて、隣り合うメモリ部１５の間において、樹脂２０および樹脂層３０を分断することにより半導体装置２を完成させる。

上記の通り、比較例に係る半導体装置２では、支持基板７０を除去した後に樹脂層３０に凹部３７を形成し、ロジックチップ１４をマウントする。このため、樹脂層３０を選択的に除去する工程が増える。また、ロジックチップ１４をマウントする過程における熱により樹脂２０および樹脂層３０が変質する恐れもある。

これに対し、本実施形態では、樹脂２０により封止される前に、メモリ部１５の上にロジックチップ１４をマウントする。このため、ロジックチップ１４をマウントする際の熱により、樹脂２０および樹脂層３０が変質することはない。また、樹脂層３０に凹部３７を形成する工程を省くことができる。

さらに、比較例に係る半導体装置２では、ロジックチップ１４は、樹脂層３０に覆われない。したがって、例えば、ハンダバンプ４０を形成する際の高温環境に晒される。また、ハンダバンプ４０の数が多くなると、例えば、半導体装置２を回路基板に実装した後に、半導体装置２と回路基板の間にアンダーフィルを充填することが難しくなる。これに対し、本実施形態では、樹脂層３０がロジックチップ１４を覆うため、ハンダバンプ４０を形成する際の高温雰囲気に直接晒されることがない。また、アンダーフィルを充填しなくてもロジックチップ１４は樹脂層３０に封じられており、半導体装置２の信頼性を向上させることができる。

さらに、比較例に係る半導体装置２の製造過程では、メモリ部１５の第２面１５ｂに設けられるマウントパッド１８、１９が粘着シート８０に接する。例えば、マウントパッド１８、１９は、所定の厚さを有するため、その外縁にはメモリ部１５との段差が生じる。このため、メモリ部１５と粘着シート８０の間に隙間が生じる場合がある。そして、メモリ部１５を樹脂２０で覆う際に、メモリ部１５と粘着シート８０の間に樹脂２０が侵入する恐れがある。このような場合、支持基板７０を除去した後に、メモリ部１５の第２面１５ｂ上に樹脂２０の一部が残る。このため、メモリ部１５の第２面１５ｂから樹脂２０を除去する工程が加わる。本実施形態では、マウントパッド１８、１９を支持基板５０の凹部５２に収容することが可能であり、メモリ部１５の第２面１５ｂと粘着シート６０を密着させることができる。これにより、樹脂２０の侵入を防ぐことができる。

上記の説明では、粘着シート６０として、紫外線硬化型シートを使用する例を示したが、実施形態はこれに限定されない。例えば、熱剥離型シートを用いても良い。しかしながら、積層体１０および樹脂２０を支持基板５０から分離する際のダメージを低減するには、紫外線硬化型シートを用いることが好ましい。

また、ロジックチップ１４を保持する方法は、上記の減圧下での粘着シートの貼り付けに限定されない。例えば、凹部５２に代えて支持基板５０の表面から裏面に貫通する孔を設け、粘着シート６０を貼り付けた後、裏面側から貫通孔内を減圧する方法を用いても良い。

次に、図７を参照して、支持基板５０に設けられる凹部５２を説明する。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、凹部５２のサイズと、ロジックチップ１４を収容する空間６５の関係を示す模式図である。

図７（ａ）は、支持基板５０を示す上面図である。支持基板５０の表面には、粘着シート６０が貼り付けられ、凹部５２には空間６５が形成されている。図７（ａ）に示すように、凹部５２は、四角形の開口５２ａを有する。

図７（ｂ）は、図７（ａ）中に示すＡ−Ａ線に沿った粘着シート６０の断面を表わしている。横軸は、Ａ−Ａ線に沿った凹部５２の中心からの距離である。縦軸は、支持基板５０の表面からの深さ（ｍｍ）である。例えば、支持基板５０の表面からの深さを０．１ｍｍとした時のＡ−Ａ線に沿った空間６５の幅をＷとする。

図７（ｃ）は、凹部５２の開口５２ａの一辺の長さＬに対して空間６５の幅Ｗを示すグラフである。例えば、一辺の長さＬを、５ｍｍ、７ｍｍ、９ｍｍ、１１ｍｍ、１３ｍｍとした時のＷをプロットしている。これらのデータを最小二乗法により近似すると、一辺の長さＬと空間６５の幅Ｗは、次式（１）で表わされる。

Ｗ＝１．４９５Ｌ−２．７５５ ・・・（１）

例えば、ロジックチップ１４のチップサイズを５．０７ｍｍ（Ｘ方向の幅）×５．０７ｍｍ（Ｙ方向の幅）×０．０７ｍｍ（Ｚ方向の厚さ）とする。式（１）によれば、ロジックチップ１４の対角の長さに相当する空間６５の幅Ｗは、Ｌ＝６．６３ｍｍの時に得られる。ロジックチップ１４のチップ厚は０．０７ｍｍであり、図７（ｂ）に示す幅Ｗを規定する深さ（０．１ｍｍ）よりも薄い。したがって、ロジックチップ１４は、Ｌ＞６．６３ｍｍであれば空間６５に収容することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２・・・半導体装置、 １０・・・積層体、 １２・・・メモリチップ、 １４・・・ロジックチップ、 １５・・・メモリ部、 １５ａ・・・第１面、 １５ｂ・・・第２面、 １６・・・基板、 １８、１９・・・マウントパッド、 ２０・・・樹脂、 ３０・・・樹脂層、 ３０ａ・・・下面、 ３１、３３・・・金属パッド、 ３２・・・ソルダーレジスト、 ３５・・・コンタクトホール、 ３７、５２・・・凹部、 ４０・・・ハンダバンプ、 ５０、７０・・・支持基板、 ５０ａ・・・表面、 ５２ａ・・・開口、 ６０、８０・・・粘着シート、 ６２・・・粘着シートの一部、 ６５・・・空間

Claims (5)

1. 第１半導体チップと、前記第１半導体チップ上にマウントされた前記第１半導体チップよりも小さい第２半導体チップと、を含む積層体を形成し、
   表面に凹部を形成された基板の前記表面および前記凹部の開口を粘着シートで覆い、前記粘着シートを前記凹部の内側に窪ませて空間を形成し、
   前記第２半導体チップを前記空間に収容させつつ前記粘着シートを介して前記積層体を前記基板上に固定し、
   前記基板上の前記積層体を樹脂で覆い、
   前記積層体を前記粘着シートから分離する半導体装置の製造方法。
2. 前記粘着シートに紫外線を照射し、前記粘着シートの粘着力を低下させた後に前記積層体を前記粘着シートから分離する請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記粘着シートは、第１の圧力の雰囲気において、前記基板に貼着され、
   前記粘着シートを貼着した基板を前記第１の圧力よりも高い第２の圧力の雰囲気におくことにより、前記空間を形成する請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記空間は、前記第２半導体チップが前記粘着シートに接触しない広さに形成される請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記積層体を前記粘着シートから分離した後、前記第２半導体チップを覆う樹脂層を形成する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。

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