JP2815650B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2815650B2
JP2815650B2 JP1507927A JP50792789A JP2815650B2 JP 2815650 B2 JP2815650 B2 JP 2815650B2 JP 1507927 A JP1507927 A JP 1507927A JP 50792789 A JP50792789 A JP 50792789A JP 2815650 B2 JP2815650 B2 JP 2815650B2
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main surface
semiconductor chip
tapered portion
semiconductor
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JP1507927A
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文雄 小原
利幸 河合
伸義 榊原
誠二 藤野
服部  正
和則 川本
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Denso Corp
Soken Inc
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Denso Corp
Nippon Soken Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、例えば高密度実装で信頼性の向上に有利な
半導体装置に関するものである。
背景技術 従来、半導体チップの微細化に伴い、半導体装置の一
種であるハイブリット型集積回路装置内において配線パ
ターンを微細化することは、 高密度の集積回路化 配線長の短縮による回路の高速動作 コンタクト部品点数の低減による信頼性の向上 などの点で有利になる。このようなハイブリッド型集積
回路装置には半導体チップの配線パッド上あるいは配線
が形成された基板上にハンダのバンプを形成し、半導体
チップと基板とをバンプにより接着し、コンタクトをと
るフリップチップ方式によるハイブリッド型集積回路装
置が知られている。しかし、このフリップチップ方式に
は接着面積がバンプ面積となり、接着強度を向上するた
めの配線ピッチが150〜200ミクロンと大面積を必要とす
るため配線ピッチの微細化は困難であった。また、他の
方式として、基板に予め穴加工し、半導体チップをその
穴内にエポキシ樹脂等によって埋め込んだ後、コンタク
ト配線を形成する埋め込み方式ハイブリッド型集積回路
も提案されている。この方式でも埋め込み時の半導体チ
ップの位置精度が悪く、コンタクト配線工程で配線ピッ
チの微細化は困難である。
そこで本発明は、半導体チップを直接基板に接着し、
コンタクトする半導体装置において、従来困難であった
半導体チップの位置精度を容易に向上させ、かつ配線ピ
ッチを大幅に縮小させると共に、配線の段切れを抑制す
ることを目的とするものである。
発明の開示 上記の目的を達成する為になされた請求の範囲第1項
に記載の半導体装置は、主表面から他主面に貫通し、前
記主表面に開口する穴の寸法よりも前記他主面に開口す
る穴の寸法の方が大きくなるように形成された所定の傾
斜角を有するテーパ部を持つ固定用穴が形成された基板
と、 前記固定用穴の前記テーパ部に対向する部分に、前記
テーパ部の前記傾斜角と略同一の傾斜角を有するテーパ
部を備え、その主表面の寸法が前記基板の主表面に開口
する前記固定用穴の寸法よりも小さくなるように形成さ
れると共に、素子が形成された半導体チップと、 前記基板と前記半導体チップの各テーパ部を相対する
ように接合する接合手段と、 前記基板および前記半導体チップ上に跨って形成され
た平坦化層と、 前記半導体チップの主表面側で前記素子と電気接続
し、その少なくとも一部が前記平坦化層上に形成された
配線と を備え、前記半導体チップの主表面は少なくとも前記
基板厚さのバラツキの2倍だけ前記基板の主表面から突
出していることを特徴とする。
そして、かかる第1項に記載の半導体装置において
は、基板にテーパ状の固定用穴が設けられているので、
半導体チップの埋め込み接着時に半導体チップのテーパ
部とすり合い接着することで、横方向のチップ位置精度
が簡単に向上し、位置精度の管理コストを大幅に低下す
ることが可能となる。また、位置精度の向上によって、
配線ピッチを大幅に減少させることを可能とした。又、
簡単に各テーパ部の角度と同じ角度でもって精度良く形
成できる。そして、基板のテーパ面と半導体チップのテ
ーパ面が平行に対向することにより、その結果、半導体
チップの埋め込み接着時においてチップ位置のズレはほ
とんど生じることなく、位置精度がより向上し作業性も
向上する。更に、半導体チップの主表面が少なくとも基
板厚さのバラツキの2倍だけ基板の主表面から突出して
いるので、基板の厚さにバラツキがある場合において
も、常に半導体チップの主表面を基板の主表面より突出
させることができる。結果、素子に接続される配線の厚
さを薄くすることができる。
また、第2項に記載の半導体装置は、主表面から他主
面に貫通し、前記主表面に開口する穴の寸法よりも前記
他主面に開口する穴の寸法の方が大きくなるように形成
された所定の傾斜角を有するテーパ部を持つ固定用穴が
形成された基板と、 前記固定用穴の前記テーパ部に対向する部分に、前記
テーパ部の前記傾斜角と略同一の傾斜角を有するテーパ
部を備え、その主表面の寸法が前記基板の主表面に開口
する前記固定用穴の寸法よりも小さくなるように形成さ
れると共に、素子が形成された半導体チップと、 前記基板と前記半導体チップの各テーパ部を相対する
ように接合する接合手段と、 前記基板および前記半導体チップ上に跨って形成され
た平坦化層と、 前記素子に電気接続し、その少なくとも一部が前記平
坦化層上に形成された配線と を備え、前記固定用穴は前記基板の主表面に開口する
面積よりも該基板の内部の面積の方が小さくなるように
前記主表面側に形成された第1のテーパ部と、前記基板
の他主面に開口する面積よりも該基板の内部の面積の方
が小さくなるように前記他主面側に形成された第2のテ
ーパ部とを有することを特徴とする。
かかる第2項に記載の半導体装置においては、固定用
穴は前記基板の主表面に開口する面積よりも該基板の内
部の面積の方か小さくなるように前記主表面側に形成さ
れた第1のテーパ部と、前記基板の他主面に間口する面
積よりも該基板の内部の面積の方か小さくなるように前
記他主面側に形成された第2のテーパ部とを有するの
で、基板の主表面と半導体チップの表面との間に段差が
生じたとしても、その段差の影響を低減することがで
き、配線の段切れを抑制するようになる。
図面の簡単な説明 第1図は本発明の第1実施例を示すハイブリッド型集
積回路装置の断面図、第2図(a)〜(j)は第1実施
例の製造過程を示す工程図、第3図は本発明の第2実施
例を示す断面図、第4図は第3実施例を示す断面図、第
5図は第3実施例の特徴構成の説明図、第6図(a),
(b)は基板の製造工程説明図、第7図は第3実施例の
効果の説明図、第8図は第3実施例の他の応用例を示す
断面図である。
発明を実施するための最良の形態 以下本発明を図面に示す実施例を用いて詳細に説明す
る。
第1図は本発明の第1図によるハイブリッド型集積回
路装置の断面図を示し、第2図(a)〜(j)はその製
造工程を示す。第1図において、1は面方位(100)の
シリコン基板によって形成された半導体素子である半導
体チップであり、図示されるように半導体チップ1の上
端面は異方性エッチングによりその主表面から他主面側
に向けて8のテーパ部が形成されている。2は半導体チ
ップを固定するための接着部材(例えば低融点ガラス,
ポリイミド,エポキシ等の樹脂,共晶など)、3は面方
位(100)の半導体基板となるシリコン基板である。基
板表面のチップ固定(挿入)用の穴3aは半導体チップ1
の寸法と同一になるように裏面から異方性エッチングに
より形成されている。
この時基板厚さに±Δtのバラツキがあるとすると
(Δtは15μm程度)半導体チップ1と半導体基板3の
表面が同一平面上にない場合が生じる。すなわち、チッ
プ表面が基板表面に対して同一平面上にあるか、基板表
面に対して突出していなければチップ−基板間を薄膜配
線で結ぶことが困難である為、チップ表面が基板表面よ
り低くならないようにすることが必要である。
この場合、基板厚さが最大(バラツキが+Δtの時)
となる場合にチップ表面が基板表面と同一平面上にある
ように設計することになるため、チップと基板間に生じ
る可能性がある最大段差はバラツキΔtの2倍である2
Δtとなる。従って、常に半導体チップ1の表面が半導
体基板3の表面より突出するためには、予め半導体チッ
プ1の表面が2Δtだけ突出するように設計すれば良い
事になる。そして、ここで生じた段差を平坦化するため
の平坦化層が4であり、この平坦化層4は半導体チップ
1および半導体基板3上に跨って形成される。尚、平坦
化層4の材料としてはポリイミド樹脂,SOG(スピンオン
ガラス)などが採用できる。
5は例えばアルミよりなり、埋め込まれた半導体チッ
プ1を電気接続する配線、6は半導体チップ1のパッシ
ベーション膜、7aは例えばアルミよりなり、半導体チッ
プ1の表面に形成された電極、7bは基板3の表面に形成
された電極である。8,9は異方性エッチングにより形成
されたテーパ部、10a,10bは基板3のパッシベーション
膜、11は基板3の表裏位置関係を決める位置決め穴であ
る。尚、半導体チップ1および半導体基板3内には、図
示しないトランジスタあるいは抵抗等の素子が形成され
ており、電極7a,7bおよび配線5はこれらの素子を電気
接続する。
次に、第2図(a)〜(j)によって第1図に示され
る半導体装置の1つであるハイブリッド型集積回路の形
成工程を詳述する。まず、半導体チップ1は不純物のド
ープ等の周知の半導体プロセスによりトランジスタ,抵
抗等の素子を形成した後、該素子に電気接続する電極7a
を形成後、第2図(a)に示す如く、窒化ケイ素膜等の
パッシベーション膜6を形成し、そして第2図(b)の
如く半導体チップ1の表面寸法がL1となるように、部分
的に開口したパッシベーション膜6をマスクとして異方
性エッチングによりA角が約54.7゜のV字溝を形成す
る。この時、V字溝の側面が接触面となるため、深く加
工する方が接着強度の向上につながる。第2図(c)の
如く、このV字溝に沿って半導体チップ1を切り出し単
体のチップにする。
また、第2図(d)の如く、主に配線用に用いる半導
体基板3側は、電極7bを形成後、両面に窒化ケイ素膜等
のパッシベーション膜10a,10bを成膜し、第2図(e)
の如く、部分的に開口したパッシベーション膜10aをマ
スクとした異方性エッチングにより位置決め穴11を形成
する。これは、基板3の表面に形成された電極7bと基板
裏面の位置関係を明確にするものである。
次に、第2図(f)の如く、位置決め穴11を基準とし
て基板裏のパッシベーション膜10bをパターニングし、
第2図(g)の如くこれをマスクとして異方性エッチン
グによりB角が54.7゜の角度を持ち主表面から他主面に
貫通し、主表面に開口する穴の寸法よりも他主面に開口
する穴の寸法の方が大きくなるようにテーパ状の半導体
固定用穴3aを形成する。この時、半導体チップ1の表面
寸法L1と半導体基板3の固定用穴3の表面寸法L2が対応
するようにLの寸法を設計しておく。
そして、加工された半導体チップ1と基板3は第2図
(h)に示すように接着部材2を介して固定接着する。
尚、図から明らかなように半導体チップ1の主表面の寸
法は固定用穴3aの主表面に開口する穴の寸法よりも小さ
くなる。又、この時、接着部材2は素子に悪影響のない
温度で処理できるものでなくてはならず(例えば素子に
アルミ配線が形成されている場合は500℃以下で処理で
きるものでなければならない)又、次の工程である第2
図(i)に示す平坦化層4の形成時の熱処理に耐えるも
のでなければならない。
本実施例では平坦化層として最高350℃の熱処理が必
要なポリイミド樹脂を用いているため接着部材2には低
融点ガラスやポリイミド樹脂を用いた。
この平坦化処理後、O2プラズマエッチング等により第
2図(j)に示すように、コンタクトホール12を形成
し、例えばアルミを蒸着,スパッタ等によって成膜後、
パターニングによって半導体チップ1上の電極7aと基板
上の電極7bとを電気接続する配線5を形成する。この
時、仮に平坦化が不十分であっても前述したようにチッ
プ表面が基板表面に対して突起していれば、段差部分は
約125゜のテーパ角が付いているため、配線5の段切れ
の発生防止にもなる。
なお、基板側にも予め素子を形成することによって、
さらに高密度なハイブリッド型集積回路素子が実現でき
る。例えば、ファジーを採用したLSI装置等に本実施例
を採用する場合、半導体基板3側にCPUを形成し、半導
体チップ1側にEEPROM等のメモリを形成するという利用
が考えられる。CPU,メモリ等を1チップに集積化する場
合には余分なマスクが必要となるが、このように半導体
基板3と半導体チップ1に分けて別々に製造することに
よりマスク数を半減することができる。
そこで本実施例によると、半導体チップ1および半導
体基板3にそれぞれテーパ部8,9を形成し、両テーパ部
8,9が対向するようにして接着しているので、両テーパ
部8,9が接着部材2を介してすり合い接着することで、
横方向のチップ位置精度を向上することができる。しか
も、そのテーパ部8,9は面方位(100)のシリコンを用い
て異方性エッチングにより形成しているので精度良く容
易に形成できる。尚、面方位(100)のシリコンを用い
るとエッチングする際にエッチングのマスクを四角形状
に開口しておけば、その四角の四辺に沿って等価な面が
表出した状態でエッチングが進行する為、テーパ部のテ
ーパ角度は全て同じ角度(54.7゜)になり本実施例のよ
うにテーパ部8とテーパ部9が平行に対向するようにな
るのである。そして本実施例では半導体チップ1および
半導体基板3の位置精度を向上できる結果、電極7a,7b
と配線5の位置ずれが生じ難くなり、配線ピッチを大幅
に減少させることができる。
次に、本発明の第2実施例を第3図を用いて説明す
る。主な構成は上記第1実施例と同様であるが、第1実
施例では半導体チップ1と半導体基板3間を配線5にて
電気接続しているのに対し、本実施例では配線5にて複
数個の半導体チップ1間を配線するようにしている。
尚、第2実施例の構成で上記第1実施例の構成と同様の
ものは同じ符号を付してその説明を省略する。又これら
第2実施例においても上記第1実施例と同様の効果が得
られる事は言うまでもない。
次に本発明の第3実施例について第4図〜第8図を用
いて説明する。本実施例は上記第1実施例の半導体基板
3の板厚のバラツキに起因する半導体チップ1と半導体
基板3間の最大段差を半減化させる効果を狙ったもので
あり、後の配線工程を可能とするための平坦化及び配線
段切れ不良に対して有利となるものである。第4図に本
発明の基本断面構造を示す。又、第5図に本発明の特徴
構成となる配線用基板40の穴の断面形状を示し、第6図
(a),(b)にその製造工程を示す。
第4図において、基板20は平坦な面をもつ板であり、
例えばシリコンウェハ、セラミクス板、金属板、ガラス
板などから成る。30は面方位(100)のシリコン基板を
用いて形成された半導体素子を有する半導体チップであ
り、図示するように半導体チップ30の上端面は異方性エ
ッチング(アルカリ溶液によるエッチング)によりテー
パ部3が形成されている。40は面方位(100)のシリコ
ン基板であり半導体素子をつくり込んであってもよいが
主にチップ間の配線基板の役目をもつ。この基板40には
異方性エッチングによりチップを挿入する穴41が形成さ
れている。また、50は半導体チップおよび配線用基板40
を固定するための接着部材(例えば低融点ガラス,ポリ
イミド樹脂など)である。配線用基板40のチップ固定用
穴41は、第5図に示すように上端面が円A内に示すよう
な形状に加工されている。即ち、配線用基板40の主表面
42に開口する固定用穴41の平面面積よりも配線用基板40
の内部の面積の方が小さくなるように、主表面42側に形
成された第1のテーパ部43と、配線用基板40の他主面44
に開口する固定用穴41の平面面積よりも配線用基板40の
内部の面積の方が小さくなるように他主面44側に形成さ
れた第2のテーパ部45を有する形状である。尚、第4図
において60および70は電極、80は平坦化層、90は配線で
ある。
第6図にチップ固定用穴41の加工手順を示す。ここで
第7図(a)に示すB,Cのサイズは半導体チップ30の上
面平坦部のサイズをL1,配線用基板40の厚さをts,その厚
さのばらつきを±Δtとすると次式で見積もることがで
きる。
但し、θは異方性エッチング時に形成されるテーパー
のテーパ角(Si(100)に対しては54.7゜) そこで、第6図(a)に示す如く配線用基板は両面に
SiO2,Si3N4等のエッチングマスク用膜46,47を成膜し、
まずBのマスクサイズでテーパ穴41aを形成する。その
後第6図(b)に示す如く裏面側のエッチング用マスク
40をサイズCでパターニングし、同様に異方性エッチン
グによりテーパ穴加工をし所望のテーパ穴41bを形成す
る。なお、異方性エッチングは両面同時に行ってもよ
い。
このような固定用穴端部の形状を採用することによ
り、第7図(a)〜(c)に示すように半導体チップ30
の厚さが基板40の厚さより厚くても、又、薄くてもこの
後の工程を可能とすることができる。第7図(a)は半
導体チップ30の厚さと基板40の厚さが等しい場合、第7
図(b)は基板40の方が厚い場合、第7図(c)は半導
体チップ30の方が厚い場合を示している。尚、半導体チ
ップ30のテーパ面と基板40側穴のテーパ面をすり合わせ
たときに、チップ厚と基板厚のバラツキによる接着部で
の段差は接着部材50として樹脂等の材料を用いることで
吸収することも可能である(熱処理等によって硬化させ
るタイプの接着材であればよい)。そこで本実施例によ
ると、第7図(a)〜(c)に示したように、半導体チ
ップ30で基板40の厚さが異なったり、ばらついたりして
段差が生じたとしても、基板40の固定用穴41に第2のテ
ーパ部45に加えて第1のテーパ部43が形成されているの
で、基板40の主表面42と第1のテーパ部43が形成する角
Dは常に鈍角となる。その結果、第7図(b)に示すよ
うに基板40の厚さの方が厚い場合においても、この第1
のテーパ部43上はなだらかな面となり、その上に形成さ
れる配線90の段切れを極力防止できるようになる。
尚、本実施例において半導体チップ30と基板40の接着
方法は、第8図(a)に示すように半導体チップ30と基
板40のテーパ面をすり合わせた状態で隙間の部分に接着
部材50を充填することにより接着しても良く、又同図
(b)に示すように上記第1実施例と同様にして半導体
チップ30と基板40のテーパ面との間に接着部材50を介在
させて接着することも可能である。これらの場合、チッ
プ固定用基板20が不要となるためコストの面で有利であ
る。
以上、本発明を上記第1〜第3実施例を用いて説明し
たが、本発明はこれらに限定されることなくその主旨を
逸脱しない限り、例えば以下に示す如く種々変形可能で
ある。
上記実施例においては基板として面方位(100)の
シリコン、半導体チップとして面方位(100)のシリコ
ンを用いているが他の面方位でも良い。
上記実施例における半導体チップはその上部のみに
テーパ部を形成した形状であるが、全ての側面にテーパ
部を形成し、いわゆる角錐台形状としても良い。
上記実施例ではテーパ部の角度を約54.7゜とした
が、テーパ部の角度はこれに限るものではない。
半導体チップに形成される素子(あるいは回路)は
半導体チップの上面に限らず下面に形成しておいても良
い。
ウェハ全面に回路素子を組み込み配線する所謂ウェ
ハーインテグレーション技術に本発明を採用することも
可能であり、その場合には本発明によるとチップレベル
では良品と判定したものを組み込むことができるので、
従来のように例えばウェハ上には不良と判定した箇所の
配線をレーザーで溶断するために必要な冗長配線が不必
要となるという効果がある。
産業上の利用可能性 以上のように、本発明に係る半導体装置は、半導体チ
ップを直接基板に接着し、コンタクトするタイプの装置
に用いられ、特に高密度に集積した半導体装置、あるい
は半導体チップと基板の材料が異なる半導体装置に対し
て有効である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 正 愛知県岡崎市真伝町供養坊2―66 (72)発明者 川本 和則 愛知県安城市桜井町城阿原1―24 (56)参考文献 特開 昭58−53847(JP,A) 特開 平1−189946(JP,A) 特開 昭60−17935(JP,A) 特開 昭61−501357(JP,A) 特公 昭57−56216(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 23/12 H01L 23/52

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主表面から他主面に貫通し、前記主表面に
    開口する穴の寸法よりも前記他主面に開口する穴の寸法
    の方が大きくなるように形成された所定の傾斜角を有す
    るテーパ部を持つ固定用穴が形成された基板と、 前記固定用穴の前記テーパ部に対向する部分に、前記テ
    ーパ部の前記傾斜角と略同一の傾斜角を有するテーパ部
    を備え、その主表面の寸法が前記基板の主表面に開口す
    る前記固定用穴の寸法よりも小さくなるように形成され
    ると共に、素子が形成された半導体チップと、 前記基板と前記半導体チップの各テーパ部を相対するよ
    うに接合する接合手段と、 前記基板および前記半導体チップ上に跨って形成された
    平坦化層と、 前記半導体チップの主表面側で前記素子と電気接続し、
    その少なくとも一部が前記平坦化層上に形成された配線
    と を備え、前記半導体チップの主表面は少なくとも前記基
    板厚さのバラツキの2倍だけ前記基板の主表面から突出
    していることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】主表面から他主面に貫通し、前記主表面に
    開口する穴の寸法よりも前記他主面に開口する穴の寸法
    の方が大きくなるように形成された所定の傾斜角を有す
    るテーパ部を持つ固定用穴が形成された基板と、 前記固定用穴の前記テーパ部に対向する部分に、前記テ
    ーパ部の前記傾斜角と略同一の傾斜角を有するテーパ部
    を備え、その主表面の寸法が前記基板の主表面に開口す
    る前記固定用穴の寸法よりも小さくなるように形成され
    ると共に、素子が形成された半導体チップと、 前記基板と前記半導体チップの各テーパ部を相対するよ
    うに接合する接合手段と、 前記基板および前記半導体チップ上に跨って形成された
    平坦化層と、 前記素子に電気接続し、その少なくとも一部が前記平坦
    化層上に形成された配線と を備え、前記固定用穴は前記基板の主表面に開口する面
    積よりも該基板の内部の面積の方が小さくなるように前
    記主表面側に形成された第1のテーパ部と、前記基板の
    他主面に開口する面積よりも該基板の内部の面積の方が
    小さくなるように前記他主面側に形成された第2のテー
    パ部とを有することを特徴とする半導体装置。
  3. 【請求項3】前記半導体チップにおける前記テーパ部
    は、エッチングにより前記半導体チップの主表面から他
    主面側に向けて前記固定用穴の対向するテーパ部と等価
    な面が表出されたものである請求の範囲第1項または第
    2項に記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】前記基板は、所定の面方位を有するシリコ
    ンより成り、異方性エッチングより前記固定用穴が形成
    され、 前記半導体チップは前記基板の面方位と同じ面方位を有
    するシリコンより成ることを特徴とする請求の範囲第1
    項ないし第3項の何れかに記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】前記基板および前記半導体チップは、それ
    ぞれ面方位(100)のシリコンより成るものである請求
    の範囲第1項ないし第4項の何れかに記載の半導体装
    置。
  6. 【請求項6】前記基板と前記半導体チップは異種の半導
    体材料からなる請求の範囲第1項または第2項に記載の
    半導体装置。
  7. 【請求項7】前記基板はシリコンより成り、前記半導体
    チップはガリウム砒素から成る請求の範囲第6項記載の
    半導体装置。
  8. 【請求項8】主表面から他主面に貫通し、前記主表面に
    開口する穴の寸法よりも前記他主面に開口する穴の寸法
    の方が大きくなるように形成された所定の傾斜角を有す
    るテーパ部を持つ固定用穴が形成された基板と、 前記固定用穴の前記テーパ部に対向する部分に、前記テ
    ーパ部の前記傾斜角と略同一の傾斜角を有するテーパ部
    を備え、その主表面の寸法が前記基板の主表面に開口す
    る前記固定用穴の寸法よりも小さくなるように形成され
    ると共に、素子が形成された半導体チップと、 前記基板と前記半導体チップの各テーパ部を相対するよ
    うに接合する接合手段と、 前記基板および前記半導体チップ上に跨って形成された
    平坦化層と、 前記半導体チップの主表面側で前記素子と電気接続し、
    その少なくとも一部が前記平坦化層上に形成された配線
    と を備え、前記基板の前記固定用穴の大きい方の穴が、前
    記半導体チップもしくは前記基板とは別の半導体基板に
    より塞がれていることを特徴とする半導体装置。
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