JP2020113613A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】配線ユニットに形成された間隔の狭い電極と、樹脂基板に形成された間隔の広い電極と、の両方に半導体チップをバンプで接合させること。【解決手段】樹脂基板と、第1半導体チップ及び第2半導体チップと、前記樹脂基板の上面に設けられ、第1配線と前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層と、前記樹脂基板の上面に埋め込まれ、前記第1半導体チップと前記第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記複数の第1電極よりも狭い間隔で配置されて前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有し、前記複数の第2電極の上面が前記複数の第1電極の上面よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置する配線ユニットと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第1電極とを接合する第1バンプと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第2電極とを接合する、前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプと、を備える半導体装置。【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
複数の半導体チップ間の接続及び半導体チップと外部回路との接続を、微細配線が形成された半導体基板(例えばシリコンインターポーザ)を介して行う技術が知られている。また、複数の半導体チップ間を接続する配線を有する半導体基板が、半導体チップを外部回路に接続する配線が設けられた樹脂基板に埋め込まれた半導体装置が知られている(例えば、特許文献1)。これにより、複数の半導体チップ間を接続する半導体基板を小さくすることができ、部品コストを低く抑えることができるとされている。
特開2004−111415号公報
特許文献1に記載の半導体装置では、樹脂基板に形成された電極の上面と、樹脂基板に埋め込まれた半導体基板(配線ユニット)に形成された電極の上面と、が同一面になっている。この場合、配線ユニットに形成された電極の間隔が樹脂基板に形成された電極の間隔よりも狭い場合では、樹脂基板に形成された電極と配線ユニットに形成された電極との両方に半導体チップをバンプで接合させることが難しい。
1つの側面では、配線ユニットに形成された間隔の狭い電極と、樹脂基板に形成された間隔の広い電極と、の両方に半導体チップをバンプで接合させることを目的とする。
1つの態様では、樹脂基板と、第1半導体チップ及び第2半導体チップと、前記樹脂基板の上面に設けられ、第1配線と前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層と、前記樹脂基板の上面に埋め込まれ、前記第1半導体チップと前記第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記複数の第1電極よりも狭い間隔で配置されて前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有し、前記複数の第2電極の上面が前記複数の第1電極の上面よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置する配線ユニットと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第1電極とを接合する第1バンプと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第2電極とを接合する、前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプと、を備える半導体装置である。
1つの態様では、第1半導体チップと第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有する配線ユニットを準備する工程と、前記配線ユニットが樹脂基板の上面に埋め込まれ且つ前記複数の第2電極が前記樹脂基板の上面から離れて位置する前記樹脂基板を形成する工程と、第1配線と前記複数の第2電極よりも広い間隔で配置されて前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層を、前記複数の第2電極が前記複数の第1電極よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置するように前記樹脂基板の上面に形成する工程と、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを第1バンプによって前記複数の第1電極に接合する工程と、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプによって前記複数の第2電極に接合する工程と、を備える半導体装置の製造方法である。
1つの側面として、配線ユニットに形成された間隔の狭い電極と、樹脂基板に形成された間隔の広い電極と、の両方に半導体チップをバンプで接合させることができる。
図1(a)は、実施例1に係る半導体装置の断面図、図1(b)は、図1(a)の領域Aの拡大図である。 図2(a)及び図2(b)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す図(その1)である。 図3(a)から図3(d)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す図(その2)である。 図4(a)から図4(c)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す図(その3)である。 図5(a)及び図5(b)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す図(その4)である。 図6は、比較例1に係る半導体装置の断面図である。 図7は、課題を説明するための図である。 図8は、実施例1の変形例1に係る半導体装置の断面図である。 図9(a)は、実施例2に係る半導体装置の断面図、図9(b)は、図9(a)の領域Aの拡大図である。 図10は、実施例3に係る半導体装置の断面図である。 図11は、実施例4に係る半導体装置の断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1(a)は、実施例1に係る半導体装置の断面図、図1(b)は、図1(a)の領域Aの拡大図である。図1(a)及び図1(b)のように、実施例1の半導体装置100は、樹脂基板10の上面12に配線ユニット20が埋め込まれている。樹脂基板10は、例えば熱硬化性樹脂で形成されていて、フィラーを含有していてもよい。一例として、樹脂基板10は、シリカフィラーを含有するエポキシ樹脂で形成されていてもよい。なお、樹脂基板10は、熱可塑性樹脂で形成されていてもよい。
配線ユニット20は、基板22と、基板22上に設けられた配線層24と、を含む。基板22の厚さは、例えば0.3mm〜0.6mm程度である。配線層24の厚さは、例えば5μm〜20μm程度である。基板22は、例えばガラス基板、シリコンなどの半導体基板、セラミックス基板、樹脂などの有機材料で形成された有機基板、或いは銅又はステンレスなどの金属で形成された金属基板である。配線層24は、絶縁膜26と、絶縁膜26に設けられた配線28と、絶縁膜26の上面に設けられ、配線28に接して電気的に接続された電極30と、を含む。絶縁膜26は、例えば酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜などの無機絶縁膜である。配線28及び電極30は、例えば銅又はアルミニウムなどの金属で形成されている。配線28のラインアンドスペース(L/S)は、例えば5μm/5μm以下であり、高密度化の点からは2μm/2μm以下が好ましい。電極30は、例えば上面視で1辺の長さが50μm以下の矩形形状をしているが、直径が50μm以下の円形形状など、その他の大きさ及び形状であってもよい。
配線ユニット20は、例えば樹脂基板10に基板22が埋め込まれていて、配線層24は樹脂基板10の上面12よりも上側に位置している。基板22は、例えば厚さの70%以上が樹脂基板10に埋め込まれていてもよいし、80%以上が埋め込まれていてもよいし、90%以上が埋め込まれていてもよい。基板22は、配線層24の電極30が樹脂基板10の上面12からある程度離れて位置するように、樹脂基板10に埋め込まれている部分が基板22の厚さの95%以下である場合でもよいし、90%以下である場合でもよいし、85%以下である場合でもよい。
樹脂基板10の上面12に配線層40が設けられている。配線層40は、配線ユニット20の周囲に設けられている。配線層40は、配線ユニット20に接して設けられていてもよいし、配線ユニット20から離れて設けられていてもよい。配線層40は、配線ユニット20の周りを完全に囲むようにして設けられていてもよい。
配線層40は、絶縁膜42と、絶縁膜42に設けられた配線44と、配線44に接して電気的に接続された電極46と、を含む。配線層40の上面に絶縁膜50が設けられている。絶縁膜50は、例えば樹脂絶縁膜である感光性エポキシ樹脂膜、感光性ポリイミド膜、又は一般的なソルダーレジスト膜である。絶縁膜50は、電極46を露出する開口が設けられている。なお、電極46は、例えば配線44のうちの絶縁膜50の開口から露出する部分であってもよい。電極46は、例えば上面視で直径が100μm以上の円形形状をしているが、1辺の長さが100μm以上の矩形形状など、その他の大きさ及び形状であってもよい。絶縁膜42は、例えば樹脂膜などの有機絶縁膜である。配線44は、例えば銅又はアルミニウムなどの金属で形成されている。電極46は、例えば銅又はアルミニウムなどの金属で形成されていて、表面にニッケル及び金などの金属層が設けられていてもよい。表面に設けられた金属層はめっきで形成されていてもよい。配線44のL/Sは、配線ユニット20の配線28のL/Sよりも大きく、例えば20μm/20μm程度である。配線44のL/Sが大きいのは、樹脂基板10の耐熱性などの点から、無機絶縁膜に配線を形成する際に用いる半導体プロセスを適用することが難しいためである。
配線ユニット20の電極30の上面は、配線層40の電極46の上面よりも樹脂基板10の上面12から離れている。電極30の上面の樹脂基板10の上面12からの距離L1は、例えば30μm〜70μm程度である。電極46の上面の樹脂基板10の上面12からの距離L2は、例えば15μm〜30μm程度である。
半導体チップ60及び62が、樹脂基板10上にフリップチップ実装されている。半導体チップ60及び62は、バンプ64によって、配線層40の電極46に接合されている。また、半導体チップ60及び62は、バンプ64よりも小さな形状のバンプ66によって、配線ユニット20の電極30に接合されている。バンプ66は、樹脂基板10の上面12に垂直な方向及び平行な方向の両方でバンプ64よりも小さな形状をしている。半導体チップ60及び62と配線ユニット20の電極30との間隔は、例えば半導体チップ60及び62と配線層40の電極46との間隔の1/2以下となっている。バンプ64及び66は、例えば半田バンプである。半導体チップ60及び62は、例えばLSI(Large-scale Integrated Circuit)チップである。例えば、半導体チップ60及び62の一方はCPU(Central Processing Unit)で、他方はメモリであってもよい。
図2(a)から図5(b)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を示す図である。図2(a)のように、ウエハ状の基板22上に、絶縁膜26と配線28(図2(a)では不図示)と電極30を含む複数の配線層24を形成する。配線層24の形成は、一般的に知られている半導体プロセスを用いることができる。例えば、絶縁膜26は、スパッタリング法又は化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法などを用いて形成することができる。配線28及び電極30は、例えばスパッタリング法及びエッチング法、又は、真空蒸着法及びリフトオフ法、などを用いて形成することができる。配線層24を形成した後、例えばダイシングソーを用いてウエハ状の基板22を切削して、複数の配線層24を個片化してチップ化する。これにより、図2(b)のように、基板22上に、絶縁膜26と、絶縁膜26に設けられた配線28と、配線28に接して電気的に接続された電極30と、を含む配線層24が設けられた配線ユニット20が形成される。
図3(a)のように、ウエハ状の支持基板90上に、粘着シート92を貼り付ける。支持基板90は、例えばガラス基板、セラミックス基板、樹脂基板、又は金属基板などを用いることができる。ウエハ状の支持基板90は、例えば厚さが0.5mm〜2mm程度、直径が100mm〜200mm程度である。粘着シート92は、加熱により発泡する熱発泡型粘着層を有していてもよいし、紫外線が照射されることで発泡する紫外線発泡型粘着層を有していてもよい。粘着シート92は、例えばベース基材となるフィルム96の一方の面に支持基板90に粘着する感圧型粘着層である粘着層94が設けられ、他方の面に熱発泡型粘着層又は紫外線発泡型粘着層である粘着層98が設けられた積層構造をしていてもよい。フィルム96の厚さは例えば20μm〜100μm程度、粘着層94の厚さは例えば5μm〜10μm程度、粘着層98の厚さは例えば20μm〜100μm程度である。
図3(b)のように、図2(b)で作製した配線ユニット20を、電極30が形成されている上面が粘着層98に接するように例えばフリップチップボンダー又はチップマウンターなどを用いて、粘着シート92に押し付けて固定する。このとき、配線ユニット20を粘着シート92に押し付ける荷重を適切な大きさとすることで、配線ユニット20を構成する基板22の一部まで粘着層98に埋め込まれるようにすることが好ましい。また、配線ユニット20が粘着層98に埋め込まれる量は粘着層98の厚さにも依存することから、粘着層98の厚さを20μm〜100μm程度の適切な厚さにすることが好ましい。
図3(c)のように、粘着シート92上に、液状又は顆粒状のモールド樹脂を塗布し、その後、成形用の金型を用いて板状に熱で仮硬化させ、上面12(図3(c)では下側を向いた面)に配線ユニット20が埋め込まれた樹脂基板10を形成する。このときに、上述した配線ユニット20を粘着シート92に押し付ける荷重及び/又は粘着層98の厚さを調整することに加え又はこれらに代えて、熱硬化時での収縮量の大きなモールド樹脂を用いてもよい。これにより、後述する完全硬化後において、樹脂基板10の上面12からの配線ユニット20の電極30の突出量が適切な大きさになるようにする。例えば、完全硬化後において、樹脂基板10の上面12から配線ユニット20の電極30の上面までの距離を30μm〜70μm程度となるようにする。なお、熱硬化時の収縮量の大きなモールド樹脂は、収縮量の大きい樹脂材料、或いは、モールド樹脂に含まれるフィラーの種類及び/又は含有量を調整することなどで得ることができる。例えば、シリカフィラーを含有するエポキシ樹脂をモールド樹脂に用いる場合、シリカフィラーの含有量を減らすことで熱硬化時の収縮量を大きくすることができる。シリカフィラーの含有量は、85重量%以下が好ましく、80重量%以下がより好ましく、75重量%以下が更に好ましい。
図3(d)のように、粘着層98が熱発泡性粘着層である場合、粘着層98に熱を加えることで、樹脂基板10から粘着シート92及び支持基板90を剥離する。粘着層98が紫外線発泡型粘着層である場合、粘着層98に紫外線を照射することで、樹脂基板10から粘着シート92及び支持基板90を剥離する。その後、仮硬化より高い温度で樹脂基板10を完全硬化させる。これにより、樹脂基板10の上面12に、上面12から突出して配線ユニット20が埋め込まれた構造が得られる。すなわち、配線ユニット20の電極30が、樹脂基板10の上面12から離れて設けられた構造が得られる。
図4(a)のように、樹脂基板10の上面12の配線ユニット20が埋め込まれた領域以外の領域に、配線層40を形成する。配線層40の形成は、一般的に知られている製造方法を用いることができる。例えば、樹脂基板10の上面12に、感光性エポキシ樹脂、感光性ポリベンゾオキサゾール樹脂、又は感光性ポリイミド樹脂などの感光性樹脂を塗布して露光、現像、及び硬化などを行って絶縁膜42を形成する。次いで、絶縁膜42上にシード層を形成した後、配線44が形成される領域に開口を有するレジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクに電気めっきを行って配線44を形成する。次いで、レジスト膜及びレジスト膜の下に残存するシード層をウエットエッチング及び/又はドライエッチングで除去する。次いで、配線44を覆う絶縁膜42を形成する。次いで、絶縁膜42のうちの電極46を形成する領域をウエットエッチング法又はドライエッチング法で除去して開口を形成する。又は、感光性樹脂を塗布して露光、現像、及び硬化などを行って開口部を有する絶縁膜42を形成する。次いで、絶縁膜42上に開口の側面に沿うようにシード層を形成した後、絶縁膜42上にレジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクに電気めっきを行って絶縁膜42の開口内に電極46を形成する。次いで、レジスト膜及びレジスト膜の下に残存するシード層をウエットエッチング及び/又はドライエッチングで除去する。
更に必要に応じて、図4(b)のように、配線層40上に、電極46上に開口を有する絶縁膜50を形成する。絶縁膜50を形成した後、絶縁膜50の開口で露出している電極46の表面にニッケルと金のめっき処理を施してもよい。
図4(c)のように、絶縁膜50の開口で露出している電極46に、例えば半田からなるバンプ64を形成する。バンプ64は、レジスト膜を用いてはんだめっきを行うことで形成してもよいし、半田ペーストを印刷してリフローすることで形成してもよいし、半田ボールを搭載することで形成してもよい。これにより、例えば直径が80μm以上で同等の大きさの半田ボールからなる複数のバンプ64が形成される。バンプ64を形成した後、ウエハ状の樹脂基板10を個片化してチップ化する。
図5(a)のように、半導体チップ60及び62の電極面に、例えば半田からなるバンプ66を形成する。バンプ66は、レジスト膜を用いてはんだめっきを行うことで形成することが好ましい。これにより、例えば直径が60μm以下で同等の大きさの半田ボールからなる複数のバンプ66が形成される。
図5(b)のように、半導体チップ60及び62を、バンプ64及び66を用いて、樹脂基板10にフリップチップ実装する。バンプ64は、半導体チップ60及び62の電極面と配線層40の電極46とを接合し、バンプ66は、半導体チップ60及び62の電極面と配線ユニット20の電極30とを接合する。その後、必要に応じて、半導体チップ60及び62と配線ユニット20及び配線層40との間にアンダーフィル材を充填してもよい。
ここで、発明者が行った実施例1の半導体装置100の製造方法について説明する。まず、ウエハ状のシリコン基板からなる基板22上に、絶縁膜26と、L/Sが1μm/1μmの配線28と、1辺が50μmの矩形形状をした電極30と、を有する複数の配線層24を形成した。その後、ダイシングソーを用いてウエハ状の基板22を切削し、複数の配線層24を個片化して配線ユニット20を形成した。
次いで、直径が150mmで、厚さが1mmのガラス基板からなるウエハ状の支持基板90上に、粘着シート92を貼り付けた。粘着シート92は、厚さが5μmの粘着層94と、厚さが50μmのフィルム96と、厚さが70μmの熱発泡型粘着層からなる粘着層98と、の3層構造とした。次いで、配線ユニット20を、電極30が形成されている上面が粘着層98に接するようにフリップチップボンダーを用いて粘着シート92に押し付けて固定した。次いで、粘着シート92上にシリカフィラーを85重量%で含有するエポキシ樹脂からなる液状のモールド樹脂を塗布し、成形用の金型を用いて150℃で板状に熱硬化させた。これにより、直径が150mmで、厚さが0.8mmのウエハ状の樹脂基板10が形成された。
次いで、粘着層98に180℃の熱を加えて、樹脂基板10を粘着シート92及び支持基板90から剥離した。その後、ウエハ状の樹脂基板10を200℃、1時間の熱処理を行って完全硬化させた。これにより、樹脂基板10の上面12に配線ユニット20が埋め込まれ、配線ユニット20の電極30の上面が樹脂基板10の上面12から55μm離れて位置した構造が得られた。
次いで、ウエハ状の樹脂基板10の上面12の配線ユニット20が埋め込まれた領域も含めてスピンコート法を用いて感光性エポキシワニスを塗布し、プリベーク後にガラスマスクを介して露光及び現像、硬化などを行って、厚さ5μmの絶縁膜42を形成した。この時、配線ユニット20が埋め込まれた領域は、現像時に絶縁膜42を除去した。次いで、スパッタリング法を用いて、絶縁膜42上に厚さ0.1μmのチタン層と厚さ0.3μmの銅層を成膜してシード層を形成した。次いで、シード層上に、配線44が形成される領域に開口を有するフォトレジスト膜を形成した。フォトレジスト膜をマスクとした電気めっき法によって、シード層上に銅層を形成した。次いで、フォトレジスト膜を除去した後、フォトレジスト膜の下に残存していたシード層をウエットエッチングとドライエッチングを用いて除去して配線44を形成した。配線44のL/Sは20μm/20μmとした。
次いで、感光性エポキシワニスを用いて、絶縁膜42のうちの電極46を形成する領域を現像時に除去して開口し、配線44を覆う硬化後の厚さ5μmの絶縁膜42を形成した。次いで、絶縁膜42上に開口の側面を覆うようにチタン層と銅層からなるシード層を形成した。次いで、絶縁膜42上にフォトレジスト膜を形成し、フォトレジスト膜をマスクとした電気めっき法によって、シード層上に銅層を形成した。次いで、フォトレジスト膜を除去した後、フォトレジスト膜の下に残存していたシード層をウエットエッチングとドライエッチングを用いて除去して電極46を形成した。
次いで、配線層40上に、電極46上に直径100μmの開口を有する絶縁膜50を形成した。その後、絶縁膜50の開口で露出する電極46の表面にニッケルと金のめっき処理を施した。次いで、絶縁膜50の開口で露出する電極46の上面に、半田ペーストを印刷してリフローすることで、直径が100μmの半田ボールであるバンプ64を形成した。その後、ウエハ状の樹脂基板10を個片化してチップ化した。
予めウエハ状態でレジスト膜を用いてはんだめっきを行うことで、個片化した時の半導体チップ60及び62の電極面に直径が50μmの半田ボールからなるバンプ66を形成した。そして、フリップチップボンダーを用い、半導体チップ60及び62を、配線層40の電極46にバンプ64で接合させ、配線ユニット20の電極30にバンプ66で接合させて、樹脂基板10にフリップチップ実装した。最後に、半導体チップ60及び62と配線ユニット20及び配線層40との隙間にアンダーフィル材を充填した。
ここで、比較例の半導体装置について説明する。図6は、比較例1に係る半導体装置の断面図である。比較例1の半導体装置800では、シリコン基板を用いて形成され、貫通電極812を有するインターポーザ810に複数の半導体チップ820〜824がバンプ830によってフリップチップ実装されている。半導体チップ820〜824は、インターポーザ810に形成された配線814によって互いに電気的に接続している。インターポーザ810は、バンプ832によってプリント基板840の上面に実装されている。プリント基板840の下面にはバンプ834が設けられている。
比較例1では、複数の半導体チップ820〜824がインターポーザ810に実装されている。インターポーザ810は、プリント基板840に比べて高密度配線が可能である。このため、半導体チップ820〜824の間を高密度配線で電気的に接続できるとともに、半導体チップ820〜824を近接して集積することができる。これにより、バス幅を広げ且つ配線での伝送ロスを低減できるため、低消費電力を実現できる。例えば半導体チップ822がCPUで、半導体チップ820及び824がメモリの場合に、バス幅が広がることによってメモリバンド幅を向上させることができる。
しかしながら、インターポーザ810は、半導体チップ820〜824の全てが実装されるように、半導体チップ820〜824の総面積以上の面積を備えた大きな形状をしている。言い換えると、インターポーザ810は、半導体チップ820〜824をまとめて囲む領域よりも大きな形状をしている。このように、インターポーザ810は大きな形状をしているため、1枚のウエハ状のシリコン基板から取り出せる個数が少なく、コストが増大してしまう。
これに対し、実施例1では、図1(a)及び図1(b)のように、半導体チップ60と62を電気的に接続させる配線28は、配線ユニット20に形成されている。半導体チップ60及び62を外部回路に電気的に接続する配線44は、樹脂基板10の配線層40に形成されている。これにより、半導体チップ60と62の間を電気的に接続させる配線28を有する配線ユニット20を、半導体チップ60及び62の総面積よりも小さな面積を有する形状とすることができる。言い換えると、配線ユニット20を、半導体チップ60及び62をまとめて囲む領域よりも小さな形状とすることができる。このため、図2(a)及び図2(b)のように、1枚のウエハ状の基板22から多くの配線ユニット20を取り出すことが可能となり、コストの増大を抑制することができる。
また、実施例1では、配線ユニット20に設けられ、半導体チップ60と62を電気的に接続させる配線28に接続された電極30は、配線層40に設けられた電極46よりも狭い間隔で配置されている。このため、配線ユニット20の電極30に接合するバンプ66は、配線層40の電極46に接合するバンプ64よりも小さな形状となっている。ここで、例えば、配線ユニット20の電極30の上面と配線層40の電極46の上面とが同一面になっている場合に生じる課題について図7を用いて説明する。図7のように、配線ユニット20の電極30の上面と配線層40の電極46の上面とが同一面の場合、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66によって電極30と電極46の両方に接合させることは難しい。これに対し、実施例1では、図1(a)及び図1(b)のように、配線ユニット20の電極30の上面が、配線層40の電極46の上面よりも樹脂基板10の上面12から離れて位置している。これにより、バンプ66がバンプ64よりも小さな形状をしている場合でも、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66によって配線ユニット20の電極30と配線層40の電極46の両方に接合させることができる。
配線ユニット20は、図1(a)及び図1(b)のように、基板22と、基板22上に設けられ、半導体チップ60と62の間を接続する配線28と配線28に接続された電極30とを有する配線層24と、を含んでいる。これにより、配線28の配線密度を高密度にすることができ、半導体チップ60と62の間のバス幅を広くすることができる。基板22は、ガラス基板、半導体基板、セラミックス基板、有機基板、又は金属基板であってもよい。無機材料に用いる半導体プロセスを適用して配線28の配線密度を高密度にする点から、基板22は、ガラス基板、半導体基板、セラミックス基板、又は金属基板である場合が好ましい。また、低コスト化の点からは、基板22は、ガラス基板又は金属基板である場合が好ましい。
実施例1によれば、図2(b)のように、配線28と複数の電極30とを有する配線ユニット20を準備する。図3(d)のように、配線ユニット20が樹脂基板10の上面12に埋め込まれ且つ複数の電極30が樹脂基板10の上面12から離れて位置する樹脂基板10を形成する。図4(b)のように、配線44と電極30よりも広い間隔で配置されて配線44に接続された電極46とを有する配線層40を、電極30が電極46よりも樹脂基板10の上面12から離れて位置するように樹脂基板10の上面12に形成する。図5(b)のように、半導体チップ60及び62をバンプ64で配線層40の電極46に接合させる。半導体チップ60及び62をバンプ64よりも小さな形状のバンプ66で配線ユニット20の電極30に接合させる。これにより、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66によって配線ユニット20の電極30と配線層40の電極46の両方に接合させることができる。
図2(a)及び図2(b)のように、ウエハ状の基板22上に複数の配線層24を形成した後、基板22を切断して複数の配線層24を個片化することで配線ユニット20を形成する。これにより、配線層24に含まれる配線28の配線密度を高密度にすることができる。
図3(b)のように、支持基板90上に貼り付けられた粘着シート92に配線ユニット20の電極30が形成された面を押し付ける。図3(c)及び図3(d)のように、配線ユニット20を埋め込むように粘着シート92上にモールド樹脂を塗布して仮硬化させた後に粘着シート92及び支持基板90を剥離して、その後に完全硬化させることにより、配線ユニット20が埋め込まれた樹脂基板10を形成する。これにより、配線ユニット20の電極30の上面を樹脂基板10の上面12から所定距離だけ離すことができる。
図4(c)のように、配線層40の電極46にバンプ64を形成する。図5(a)のように、例えば予めウエハ状態で半導体チップ60及び62の電極面に、レジスト膜を用いてはんだめっきを行うことで、個片化した時の半導体チップ60及び62の電極面にバンプ64よりも小さい形状のバンプ66を形成する。その後、図5(b)のように、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66を用いて配線層40の電極46及び配線ユニット20の電極30に同時に接合する。これにより、大きさの異なるバンプ64及び66を形成でき、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66によって配線ユニット20の電極30と配線層40の電極46の両方に接合できる。
なお、実施例1では、図4(c)のように、配線層40の電極46にバンプ64を形成し、図5(a)のように、半導体チップ60及び62にバンプ64を形成する。そして、図5(b)のように、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66で配線ユニット20の電極30と配線層40の電極46に接合する場合を例に示したが、この場合に限られない。配線ユニット20の電極30にバンプ66を形成し、半導体チップ60及び62にバンプ64を形成する。そして、半導体チップ60及び62をバンプ64及び66で配線ユニット20の電極30と配線層40の電極46に接合する場合でもよい。
バンプ64は、大きな形状を得る点から、はんだバンプの場合が好ましい。バンプ66は、小さな形状とする点から、はんだバンプの場合に限られず、銅ピラーなどの金属ピラーの場合でもよい。なお、金属ピラーの場合は、ピラー先端にはんだ層が形成されていることが好ましい。
図8は、実施例1の変形例1に係る半導体装置の断面図である。図8のように、実施例1の変形例1の半導体装置110では、樹脂基板10の上面12に設けられた配線層40は、配線44が2層以上の複数層設けられた多層配線層となっている。その他の構成は、実施例1の図1(a)と同じであるため説明を省略する。
ここで、発明者が行った実施例1の変形例1の半導体装置110の製造方法について説明する。まず、ウエハ状のガラス基板からなる基板22上に、絶縁膜26と、L/Sが2μm/2μmの配線28と、直径が50μmの円形状をした電極30と、を有する複数の配線層24を形成した。その後、ダイシングソーを用いてウエハ状の基板22を切削し、複数の配線層24を個片化して配線ユニット20を形成した。
次いで、直径が150mmで、厚さが0.3mmのステンレス基板からなるウエハ状の支持基板90上に、粘着シート92を貼り付けた。粘着シート92は、厚さが5μmの粘着層94と、厚さが30μmのフィルム96と、厚さが80μmの熱発泡型粘着層からなる粘着層98と、の3層構造とした。次いで、配線ユニット20を、電極30が形成されている上面が粘着層98に接するようにフリップチップボンダーを用いて粘着シート92に押し付けて固定した。次いで、粘着シート92上にシリカフィラーを80重量%で含有するエポキシ樹脂からなる液状のモールド樹脂を塗布し、成形用の金型を用いて150℃で板状に熱硬化させた。これにより、直径が150mmで、厚さが0.6mmのウエハ状の樹脂基板10が形成された。
次いで、粘着層98に180℃の熱を加えて、樹脂基板10を粘着シート92及び支持基板90から剥離した。その後、ウエハ状の樹脂基板10を210℃、1時間の熱処理を行って完全硬化させた。これにより、樹脂基板10の上面12に配線ユニット20が埋め込まれ、配線ユニット20の電極30の上面が樹脂基板10の上面12から60μm離れて位置した構造が得られた。
次いで、ウエハ状の樹脂基板10の上面12の配線ユニット20が埋め込まれた領域も含めてスピンコート法を用いて感光性エポキシワニスを塗布し、プリベーク後にガラスマスクを介して露光及び現像、硬化などを行って、厚さ5μmの絶縁膜42を形成した。この時、配線ユニット20が埋め込まれた領域は、現像時に絶縁膜42を除去した。次いで、スパッタリング法を用いて、絶縁膜42上に厚さ0.1μmのチタン層と厚さ0.3μmの銅層を成膜してシード層を形成した。次いで、シード層上に、1層目の配線44が形成される領域に開口を有するフォトレジスト膜を形成した。フォトレジスト膜をマスクとした電気めっき法によって、シード層上に銅層を形成した。次いで、フォトレジスト膜を除去した後、フォトレジスト膜の下に残存していたシード層をウエットエッチングとドライエッチングを用いて除去して1層目の配線44を形成した。
次いで、感光性エポキシワニスを用いて、絶縁膜42のうちのビアを形成する領域を現像時に除去して開口し、1層目の配線44を覆う硬化後の厚さ5μmの絶縁膜42を形成した。次いで、絶縁膜42上に開口の側面を覆うようにチタン層と銅層からなるシード層を形成した。次いで、ビア及び2層目の配線44が形成される領域に開口を有するフォトレジスト膜を形成した。フォトレジスト膜をマスクとした電気めっき法によって、シード層上に銅層を形成した。次いで、フォトレジスト膜を除去した後、フォトレジスト膜の下に残存していたシード層をウエットエッチングとドライエッチングを用いて除去してビアと2層目の配線44を形成した。1層目及び2層目の配線44のL/Sは25μm/25μmとした。
次いで、感光性エポキシワニスを用いて、絶縁膜42のうちの電極46を形成する領域を現像時に除去して開口し、2層目の配線44を覆う硬化後の厚さ5μmの絶縁膜42を形成した。次いで、絶縁膜42上に開口の側面を覆うようにチタン層と銅層からなるシード層を形成した。次いで、絶縁膜42上にフォトレジスト膜を形成し、フォトレジスト膜をマスクとした電気めっき法によって、シード層上に銅層を形成した。次いで、フォトレジスト膜を除去した後、フォトレジスト膜の下に残存していたシード層をウエットエッチングとドライエッチングを用いて除去して電極46を形成した。
次いで、配線層40上に、電極46上に直径110μmの開口を有する絶縁膜50を形成した。その後、絶縁膜50の開口で露出する電極46の表面にニッケルと金のめっき処理を施した。次いで、絶縁膜50の開口で露出する電極46の上面に、半田ペーストを印刷してリフローすることで、直径が100μmの半田ボールであるバンプ64を形成した。その後、ウエハ状の樹脂基板10を個片化してチップ化した。
予めウエハ状態で半導体チップ60及び62の電極面に、レジスト膜を用いてはんだめっきを行うことで、個片化した時の半導体チップ60及び62の電極面に直径が40μmの半田ボールからなるバンプ66を形成した。そして、フリップチップボンダーを用い、半導体チップ60及び62を、配線層40の電極46にバンプ64で接合させ、配線ユニット20の電極30にバンプ66で接合させて、樹脂基板10にフリップチップ実装した。最後に、半導体チップ60及び62と配線ユニット20及び配線層40との隙間にアンダーフィル材を充填した。
配線層40は、実施例1のように、配線44が1層設けられた単層の配線層の場合でもよいし、実施例1の変形例1のように、配線44が複数層設けられた多層配線層の場合でもよい。
図9(a)は、実施例2に係る半導体装置の断面図、図9(b)は、図9(a)の領域Aの拡大図である。図9(a)及び図9(b)のように、実施例2の半導体装置200では、配線ユニット20の上面に、電極30を露出する開口を有する絶縁膜32が形成されている。絶縁膜32は、例えば樹脂絶縁膜である感光性エポキシ樹脂膜、感光性ポリイミド膜、又は一般的なソルダーレジスト膜である。その他の構成は、実施例1の図1(a)と同じであるため説明を省略する。
実施例2によれば、配線ユニット20の上面に電極30を露出する開口を有する絶縁膜32が設けられている。これにより、複数の電極30の間隔が狭い場合でも、隣接するバンプ64が意図せずに接触して短絡することを抑制できる。
図10は、実施例3に係る半導体装置の断面図である。図10のように、実施例3の半導体装置300では、樹脂基板10の上面12から下面14にかけて貫通し、配線層40の配線44に接して電気的に接続された複数の貫通ビア70が設けられている。貫通ビア70は、例えば銅又はニッケルなどの金属で形成されている。貫通ビア70は、例えばレーザを用いて樹脂基板10にビアホールを形成し、ビアホールの内部にめっき法などによって導電性材料を埋め込むことで形成できる。樹脂基板10の下面14に、貫通ビア70を露出する開口を有する絶縁膜72が設けられている。絶縁膜72は、例えば樹脂絶縁膜である感光性エポキシ樹脂膜、感光性ポリイミド膜、又は一般的なソルダーレジスト膜である。絶縁膜72の開口で露出した貫通ビア70の下面にバンプ74が設けられている。その他の構成は、実施例1の図1(a)と同じであるため説明を省略する。
実施例3によれば、配線層40の配線44に接続して、樹脂基板10を上面12から下面14にかけて貫通する貫通ビア70が設けられている。これにより、半導体チップ60及び62を樹脂基板10の下面14から外部回路に接続することが可能となる。
図11は、実施例4に係る半導体装置の断面図である。図11のように、実施例4の半導体装置400では、実施例3の半導体装置300と同様に、樹脂基板10の上面12から下面14にかけて貫通し、配線層40の配線44に接して電気的に接続された複数の貫通ビア70が設けられている。樹脂基板10の下面14に、絶縁膜82と、絶縁膜82に設けられた配線84と、配線84に接して電気的に接続された電極86と、を有する配線層80が設けられている。貫通ビア70は、配線層80の配線84に接して電気的に接続されている。配線層80の下面に絶縁膜72が設けられている。絶縁膜72には、電極86を露出する開口が設けられている。なお、電極86は、例えば配線84のうちの絶縁膜72の開口から露出する部分であってもよい。電極86は、上面視で円形形状をしていてもよいし、矩形形状をしていてもよいし、その他の形状であってもよい。絶縁膜82は、例えば樹脂膜などの有機絶縁膜である。配線84は、例えば銅又はアルミニウムなどの金属で形成されている。電極86は、例えば銅又はアルミニウムなどの金属で形成されていて、表面にニッケル及び金などの金属層が設けられていてもよい。表面に設けられた金属層はめっきで形成されていてもよい。絶縁膜72の開口で露出した電極86にバンプ74が設けられている。その他の構成は、実施例1の図1(a)と同じであるため説明を省略する。
実施例4によれば、樹脂基板10の下面14に、配線層40及び配線ユニット20と重なって、樹脂基板10を貫通する貫通ビア70に接続された配線84と配線84に接続された複数の電極86とを有する配線層80が設けられている。これにより、配線ユニット20の直下にも半導体チップ60及び62を外部回路に接続するための電極86及びバンプ74を配置することができ、端子数を増やすことができる。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1)樹脂基板と、第1半導体チップ及び第2半導体チップと、前記樹脂基板の上面に設けられ、第1配線と前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層と、前記樹脂基板の上面に埋め込まれ、前記第1半導体チップと前記第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記複数の第1電極よりも狭い間隔で配置されて前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有し、前記複数の第2電極の上面が前記複数の第1電極の上面よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置する配線ユニットと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第1電極とを接合する第1バンプと、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第2電極とを接合する、前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプと、を備える半導体装置。
(付記2)前記配線ユニットは、基板と、前記基板上に設けられ、前記第2配線及び前記複数の第2電極が設けられた第2配線層と、を備える、付記1記載の半導体装置。
(付記3)前記基板は、ガラス基板、半導体基板、セラミックス基板、有機基板、又は金属基板である、付記2記載の半導体装置。
(付記4)前記配線ユニットの前記複数の第2電極が設けられた面に設けられ、前記複数の第2電極を露出する開口を有する絶縁膜を備える、付記1から3のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記5)前記樹脂基板を上面から下面に貫通し、前記第1配線層の前記第1配線に接続された貫通ビアを備える、付記1から4のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記6)前記樹脂基板の下面に前記貫通ビアに接して設けられた第3バンプを備える、付記5記載の半導体装置。
(付記7)前記樹脂基板の下面に前記第1配線層及び前記配線ユニットと重なって設けられ、前記貫通ビアに接続された第3配線と前記第3配線に接続された複数の第3電極とを有する第3配線層を備える、付記5記載の半導体装置。
(付記8)前記第3配線層の下面に前記複数の第3電極に接して設けられた第3バンプを備える、付記7記載の半導体装置。
(付記9)前記第1バンプ及び前記第2バンプは半田バンプである、付記1から8のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記10)前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記配線ユニットとの間隔は、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記第1配線層との間隔の1/2以下である、付記1から9のいずれか一項記載の半導体装置。
(付記11)第1半導体チップと第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有する配線ユニットを準備する工程と、前記配線ユニットが樹脂基板の上面に埋め込まれ且つ前記複数の第2電極が前記樹脂基板の上面から離れて位置する前記樹脂基板を形成する工程と、第1配線と前記複数の第2電極よりも広い間隔で配置されて前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層を、前記複数の第2電極が前記複数の第1電極よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置するように前記樹脂基板の上面に形成する工程と、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを第1バンプによって前記複数の第1電極に接合する工程と、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプによって前記複数の第2電極に接合する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
(付記12)前記配線ユニットを準備する工程は、ウエハ状の基板上に前記第2配線及び前記複数の第2電極が設けられた複数の第2配線層を形成する工程と、前記基板を切断して前記複数の第2配線層を個片化することで前記配線ユニットを形成する工程と、を備える、付記11記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)前記樹脂基板を形成する工程は、粘着シートに前記配線ユニットの前記複数の第2電極が形成された面を押し付けて固定する工程と、前記配線ユニットを埋め込むように前記粘着シート上にモールド樹脂を塗布して硬化させた後に前記粘着シートを剥離して前記配線ユニットが埋め込まれた前記樹脂基板を形成する工程と、を備える、付記11または12記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)前記複数の第1電極又は前記複数の第2電極に前記第1バンプ及び前記第2バンプのうちの一方のバンプを形成する工程と、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップに前記第1バンプ及び前記第2バンプのうちの他方のバンプを形成する工程と、を備え、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記複数の第1電極に接合する工程及び前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記複数の第2電極に接合する工程は、前記一方のバンプを形成する工程及び前記他方のバンプを形成する工程を行った後、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記第1バンプ及び前記第2バンプによって前記複数の第1電極及び前記複数の第2電極に同時に接合する、付記11から13のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
10 樹脂基板
12 上面
14 下面
20 配線ユニット
22 基板
24 配線層
26 絶縁膜
28 配線
30 電極
32 絶縁膜
40 配線層
42 絶縁膜
44 配線
46 電極
50 絶縁膜
60、62 半導体チップ
64、66 バンプ
70 貫通ビア
72 絶縁膜
74 バンプ
80 配線層
82 絶縁膜
84 配線
86 電極
90 支持基板
92 粘着シート
94、98 粘着層
96 フィルム
100、110、200、300、400 半導体装置

Claims (10)

  1. 樹脂基板と、
    第1半導体チップ及び第2半導体チップと、
    前記樹脂基板の上面に設けられ、第1配線と前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層と、
    前記樹脂基板の上面に埋め込まれ、前記第1半導体チップと前記第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記複数の第1電極よりも狭い間隔で配置されて前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有し、前記複数の第2電極の上面が前記複数の第1電極の上面よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置する配線ユニットと、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第1電極とを接合する第1バンプと、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップと前記複数の第2電極とを接合する、前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプと、を備える半導体装置。
  2. 前記配線ユニットは、基板と、前記基板上に設けられ、前記第2配線及び前記複数の第2電極が設けられた第2配線層と、を備える、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記基板は、ガラス基板、半導体基板、セラミックス基板、有機基板、又は金属基板である、請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記配線ユニットの前記複数の第2電極が設けられた面に設けられ、前記複数の第2電極を露出する開口を有する絶縁膜を備える、請求項1から3のいずれか一項記載の半導体装置。
  5. 前記樹脂基板を上面から下面に貫通し、前記第1配線層の前記第1配線に接続された貫通ビアを備える、請求項1から4のいずれか一項記載の半導体装置。
  6. 前記樹脂基板の下面に前記第1配線層及び前記配線ユニットと重なって設けられ、前記貫通ビアに接続された第3配線と前記第3配線に接続された複数の第3電極とを有する第3配線層を備える、請求項5記載の半導体装置。
  7. 第1半導体チップと第2半導体チップの間を接続する第2配線と前記第2配線に接続された複数の第2電極とを有する配線ユニットを準備する工程と、
    前記配線ユニットが樹脂基板の上面に埋め込まれ且つ前記複数の第2電極が前記樹脂基板の上面から離れて位置する前記樹脂基板を形成する工程と、
    第1配線と前記複数の第2電極よりも広い間隔で配置されて前記第1配線に接続された複数の第1電極とを有する第1配線層を、前記複数の第2電極が前記複数の第1電極よりも前記樹脂基板の上面から離れて位置するように前記樹脂基板の上面に形成する工程と、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを第1バンプによって前記複数の第1電極に接合する工程と、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記第1バンプよりも小さな形状の第2バンプによって前記複数の第2電極に接合する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
  8. 前記配線ユニットを準備する工程は、ウエハ状の基板上に前記第2配線及び前記複数の第2電極が設けられた複数の第2配線層を形成する工程と、前記基板を切断して前記複数の第2配線層を個片化することで前記配線ユニットを形成する工程と、を備える、請求項7記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記樹脂基板を形成する工程は、粘着シートに前記配線ユニットの前記複数の第2電極が形成された面を押し付けて固定する工程と、前記配線ユニットを埋め込むように前記粘着シート上にモールド樹脂を塗布して硬化させた後に前記粘着シートを剥離して前記配線ユニットが埋め込まれた前記樹脂基板を形成する工程と、を備える、請求項7または8記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記複数の第1電極又は前記複数の第2電極に前記第1バンプ及び前記第2バンプのうちの一方のバンプを形成する工程と、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップに前記第1バンプ及び前記第2バンプのうちの他方のバンプを形成する工程と、を備え、
    前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記複数の第1電極に接合する工程及び前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記複数の第2電極に接合する工程は、前記一方のバンプを形成する工程及び前記他方のバンプを形成する工程を行った後、前記第1半導体チップ及び前記第2半導体チップを前記第1バンプ及び前記第2バンプによって前記複数の第1電極及び前記複数の第2電極に同時に接合する、請求項7から9のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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