JP3226152B2 - チップ間静電放電防止マルチチップ半導体構造およびその製造方法 - Google Patents

チップ間静電放電防止マルチチップ半導体構造およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、全般的に三次元マ
ルチチップ・パッケージ内の集積回路チップの保護に関
するものであり、さらに詳細には、三次元マルチチップ
・パッケージの製造中、またはその後の取り扱いおよび
試験中に生じる静電放電、またはその他損傷を与える可
能性のある破壊電圧過渡から集積回路チップを保護する
ためのチップ間放電抑制ネットワークに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】チップの三次元アレイを含む半導体構造
が、重要なパッケージングの手段として使用されてい
る。典型的な三次元電子構造は、平坦な主表面が互いに
接着されてモノリシック構造(「スタック」または「キ
ューブ」と呼ばれる)を形成する、複数の集積回路チッ
プで構成される。チップを相互接続し、スタックを外部
回路に電気的に接続するために、メタライゼーション・
パターンを、マルチチップ・スタックの1つまたは複数
の縁部表面に直接設けることが多い。この露出したメタ
ライゼーション・パターンは、個別の電気接続点をも、
母線で接続された電気接続点をも含むことができる。
【0003】静電放電(ESD)は、個別電子部品を劣
化または破壊する現象として知られている。特に、加工
技術の向上にともなって、回路フィーチャが小型化して
いくと、現在の集積回路の多くが、静電気により破壊さ
れ、またはかなりの障害を受けることがある。摩擦電荷
は、2つの表面が分離するとき常に生じ、1つまたは複
数の表面が非導電性であると、静電荷が発生する。これ
は自然現象であり、静電荷が放電するか、電荷を集積回
路中に誘導する場合のみ、問題となる。このようなES
Dの事象は、数千ボルトにも達することがある。放電は
極めて急速に起こり、通常の故障や劣化は、装置内の金
属が気化し、気化した金属が微細な放電経路に沿って堆
積することによって生じる。
【0004】静電放電によって生じる損傷は、瞬時にし
て破壊的なこともある。しかし、集積回路全体が破損す
るのではなく、最終的には故障をもたらす潜在的な欠陥
を有しながら、作動可能なことが多い。静電放電はま
た、集積回路の動作特性を変化させ、不満足な、時には
予測不能な動作をすることもある。半導体装置チップの
入出力接続点間での静電放電は、たとえば個別の集積回
路チップの人による取り扱い、自動回路試験、またはパ
ッケージング中に生じることがある。
【0005】三次元マルチチップの製造中に、たとえば
キューブの側面の加工中に隣接する2個のチップの間に
電位差が生じると、チップ間でESDによる故障が発生
することが知られている。これにより、チップの切換金
属ピンから基板または隣接するチップの切換金属ピンへ
のアーク放電が生じ、静電放電の原因となる。ESDは
また、マルチチップ半導体スタックの試験中に、試験機
と構造内のスタックのメタライゼーション、または集積
回路チップの基板との間で発生し、チップ間のESD現
象の原因となることもある。
【0006】すべてではないにしても、ほとんどの既知
の静電放電保護ネットワークは、単一の半導体装置チッ
プに関して作動する。しかし、静電放電は三次元マルチ
チップ・パッケージの製造中に発生することが多いこと
が判明したため、三次元マルチチップ・パッケージの加
工およびその後の取り扱い中に使用することができる、
チップ間静電放電保護ネットワークの必要性が生じた。
本明細書に示す概念、回路および方法は、この必要性を
満たすものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本願は、三次元マルチ
チップ・パッケージの製造またはその後の取り扱いおよ
び試験中に発生する、静電放電またはその他損傷を与え
る可能性のある電圧過渡から保護する、チップ間放電保
護ネットワークを有するマルチチップ半導体構造を開示
することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様は、
第1の半導体装置チップと第2の半導体装置チップを、
第1の半導体装置チップの第1の平坦な主表面と第2の
半導体装置チップの第2の平坦な主表面とが平行になる
ように積層した、マルチチップ半導体のマルチチップ構
造を備える。さらに、第1の半導体装置チップと第2の
半導体装置チップの間で発生する放電を抑制するため
に、両チップを電気的に結合する放電抑制手段が設けら
れている。
【0009】本発明の他の態様は、少なくとも部分的に
第1の所定の回路機能を与える第1の回路を有する第1
の半導体装置チップと、この第1の半導体装置チップに
電気的かつ機械的に結合された第2の半導体装置チップ
とを有する半導体構造である。第2の半導体装置チップ
は、上記第1の半導体装置チップに少なくとも部分的に
「透過性の機能」を与える第2の回路を有する。一実施
例では、透過性の機能はチップ間放電抑制機能である。
あるいは、透過性の機能は、回路試験機能など、第1の
回路の通常の動作には不要などのような機能でもよい。
【0010】本発明のさらに他の態様は、第1の半導体
装置チップと第2の半導体装置チップを具備するマルチ
チップ半導体スタックである。第1の半導体装置チップ
は、第1の基板と、第1のVcc電源と、第1のVss
電源と、第1の入出力接続点とを有する。第1の半導体
装置チップはさらに、第1の入出力接続点と第1のVc
c電源との間、および第1の入出力接続点と第1のVs
s電源との間に電気的に結合された第1のチップ間静電
放電保護回路を有する。第2の半導体装置チップは、第
2の基板と、第2のVcc電源と、第2のVss電源
と、第2の入出力接続点とを有する。第2の半導体装置
チップはさらに、第2の入出力接続点と第2のVcc電
源との間、および第2の入出力接続点と第2のVss電
源との間に電気的に結合された第2のチップ間静電放電
保護回路を有する。半導体装置スタックはさらに、第1
のVcc電源が第2のVcc電源に電気的に結合され、
第1のVss電源が第2のVss電源に電気的に結合さ
れ、第1のVcc電源が第2のVss電源に電気的に結
合され、第1のVss電源が第2のVcc電源に電気的
に結合されるように、第1の半導体装置チップと第2の
半導体装置チップとを相互接続する、チップ間静電放電
保護ネットワークを具備する。
【0011】本発明のさらに他の態様は、第1の平坦な
主表面を有する第1の半導体装置のチップと、第2の平
坦な主表面を有する第2の半導体装置チップとを、第1
の平坦な主表面が第2の平坦な主表面と実質的に平行に
なるように積層してマルチチップ・スタックを形成する
工程と、第1の半導体装置チップの基板が第2の半導体
装置チップの基板に電気的に接続されるように、マルチ
チップ・スタックの第1の縁部表面をメタライズする工
程と、それに続いて、半導体構造の第2の縁部の表面
に、少なくとも1個の第1の半導体装置チップの外部接
続点と、少なくとも1個の第2の半導体装置チップの外
部接続点とを有するメタライゼーション・パターンを形
成する工程を含む、半導体装置の製造方法である。
【0012】要約すると、チップ間放電抑制手段は、ス
タック中の半導体装置チップの電力面を電気的に結合す
る。これは、各半導体チップの外部接続点をそのチップ
の電力面に結合するチップ間放電抑制ネットワークとと
もに、マルチチップ半導体構造中の2個の半導体装置チ
ップの配線間に発生する放電を抑制するのに必要な電気
的結合を形成する。
【0013】本発明によるチップ間およびチップ内抑制
ネットワークによれば、マルチチップ・スタック中の半
導体装置チップ間に発生する、電源面から電源面、外部
接続点から電源面、および外部接続点から外部接続点へ
の放電が抑制される。この抑制ネットワークは双方向性
で、正および負の放電を抑制するが、対称にする必要は
ない。
【0014】半導体スタック中の末端のチップまたは末
端の層に抑制ネットワークを設けると、本明細書に示す
ような、いくつかの製造上の利点が得られる。さらに、
汎用の抑制ネットワーク・チップ、または特別設計の抑
制ネットワーク・チップを、スタック中の末端チップと
して使用することができる。縁部表面のバス間に正また
は負の方向に電流を流すものであれば、どのような抑制
ネットワークでも使用することができる。取り扱いおよ
びその後の試験中にチップ間のESD保護を行うことに
加えて、スタックの組立直後のチップの保護も行える。
すべての実施例で、本発明はマルチチップ半導体スタッ
ク内に含まれる集積回路チップの種類には無関係であ
る。
【0015】
【発明の実施の形態】本明細書では、本発明によるチッ
プ間放電抑制接続、すなわちネットワークを含む、業界
では一般にマルチチップ「スタック」または「キュー
ブ」と呼ばれる各種のマルチチップ半導体構造を記載す
る。開示する放電抑制手段は、主としてマルチチップ・
スタック中の半導体装置チップ間に発生する静電放電
(ESD)を抑制するためのものであるが、スタック中
のチップ間に発生するあらゆる放電を抑制する。すなわ
ちこの現象はチップ間抑制手段の設計パラメータである
と想定している。「チップ」の用語は、従来の半導体装
置構造のほか、ヒートシンク構造や接地/支持構造な
ど、半導体ではない構造も含むものとする。
【0016】チップ間抑制ネットワークおよび従来のチ
ップ内抑制ネットワークは、いずれも本発明で使用され
る。具体的に言うと、半導体スタックは、スタック中の
半導体装置チップの電力面同士を電気的に相互結合する
チップ間放電抑制ネットワークを備える。さらに、各半
導体装置チップは、その外部接続点と電力面(たとえば
電圧Vccや接地電圧Vssを供給する)とを結合する
チップ内放電抑制ネットワークを備える。このように、
各半導体装置チップの外部接続点は、チップのチップ内
抑制ネットワークを介して電力面に、またこれらの電力
面からチップ間放電抑制ネットワークを介してマルチチ
ップ・スタック中の他の半導体装置チップの電力面に電
気的に結合される。
【0017】本明細書に示すチップ間およびチップ内抑
制ネットワークにより、マルチチップ・スタック中の半
導体装置チップ間で発生する、電源面と電源面、外部接
続点と電源面、および外部接続点と外部接続点の間のE
SD現象が抑制される。下記の説明および周知の技術に
より、当業者は、所期のチップ間放電抑制仕様を満足す
るのに必要な、チップ間およびチップ内放電抑制ネット
ワークを容易に作成することができる。
【0018】本発明による構造および方法を、図1ない
し図14を参照して詳細に説明する。図では、同一また
は類似の構成要素を示すのに、同一または類似の符号を
使用する。図1ないし図6に、本発明によるチップ間お
よびチップ内放電抑制ネットワークを示す。図で、チッ
プ「k」およびチップ「l」は、マルチチップ・スタッ
ク中の任意の2個の半導体装置チップと想定する。スタ
ックは、2個以上の半導体装置チップを有するものとす
る。また、スタック中で半導体装置チップが隣接するチ
ップを有する必要はなく、チップ内にどんな集積回路が
含まれるかは、本明細書に記載する抑制ネットワーク以
外は重要ではない。
【0019】図1で、チップ「k」の第1の電力面10
は、チップ間放電抑制ネットワーク「Sii」を介して、
チップ「l」の第2の電力面12に電気的に結合されて
いる。電力面10および12は、各半導体装置チップ
「k」および「l」に同一の電圧Viを供給する。たと
えば、電圧Viはチップ電圧Vccでよい。チップ
「k」の第3の電力面14は、第2のチップ間放電抑制
ネットワーク「Sjj」を介して、チップ「l」の第4の
電力面16に電気的に結合されている。抑制ネットワー
クSiiと同様に、ネットワークSjjに電気的に結合され
た電力面14および16は同様の電圧、ここではVj
供給する。たとえば、Vjは半導体装置チップの接地電
位Vssでよい。
【0020】チップ間放電抑制ネットワークSiiおよび
jjに加えて、チップ内放電抑制ネットワーク20も示
されている。各チップ内放電抑制ネットワーク「Sij
は、それぞれ当該のチップの電力面間に、すなわちチッ
プ「k」の抑制ネットワーク20は電力面10と14の
間に、一方チップ「l」の抑制ネットワーク20は電力
面12と16の間に結合される。各チップ内放電抑制ネ
ットワーク20は、従来のどのようなチップ内ESD抑
制ネットワークでもよく、デュアル・ダイオード回路や
その変形など、その多くは既存のものである。
【0021】図2にも、チップ間放電抑制ネットワーク
により電気的に相互接続された、チップ「k」の電力面
10および14ならびにチップ「l」の電力面12およ
び16が示されている。ただし、「Sij」および
「Sji」で示されたこれら2個の抑制ネットワークは、
異種の電力面を結合する。すなわち電圧Viを供給する
チップ「k」の電力面10が、電圧Vjを供給するチッ
プ「l」の電力面16に電気的に結合され、電圧Vj
供給するチップ「k」の電力面14が、電圧Viを供給
するチップ「l」の電力面12に電気的に結合されてい
る。図1および図2の抑制ネットワークSii、Sjj、S
ij、Sjiにより、これらのどの2個の電源面の間に発生
するチップ間ESD現象(いずれの方向も)も抑制でき
る、電力面間のESD抑制結合が達成される。なお、本
明細書に示す各種の抑制ネットワークは、正および負の
放電現象の抑制に対して、双方向性であることに留意さ
れたい。
【0022】図3は、図1および図2に関して述べたチ
ップ間放電抑制ネットワークSii、Sjj、Sij、S
jiを、チップ「l」の第2の電力面12と第4の電力面
16の間に結合されたチップ間放電抑制ネットワーク2
0のさらに詳細な実施例20'とともに示したものであ
る。このチップ間放電抑制ネットワークは、外部接続ピ
ン(PINxで示す)を、ネットワークの第1の回路Px
iを介して電力面12に、またネットワークの第2の
回路Pxjを介して電力面16に電気的に接続する。
【0023】たとえば、チップ間放電抑制ネットワーク
20、20'は、第1ダイオード(Pxi)が、外部接
続ピンPINxを供給電圧Viに接続し、第2ダイオード
(Pxj)が、外部接続ピンPINxを供給電圧Vjに接
続する、従来のデュアル・ダイオードESD抑制ネット
ワークを含むことができる。単純なデュアル・ダイオー
ド・ネットワークの代りに、周知のチップ間ESD抑制
ネットワークを使用することもできる。その多くはデュ
アル・ダイオードの変形である。その一例は、米国特許
出願第08/363135号明細書に記載されている。
【0024】さらに、当業者なら、同種の電源面10と
12、および14と16を結合するため、ならびに異種
の電源面10と16および14と12を結合するため
の、適切なチップ間放電抑制ネットワークを選択するこ
とができるであろう。たとえば、同種の電源面を結合す
る抑制ネットワークはダイオードや抵抗を含むことがで
き、電圧Vssを供給する同種の電力面の接続の場合
は、電気的短絡を含むことができる。図4に示すよう
に、異種の電源面を結合するチップ間放電抑制ネットワ
ークSij、Sjiは、金属酸化物シリコン電界効果トラン
ジスタ(MOSFET)30を含むことができる。この
例では、各MOSFET30は「オフ」モードを維持す
るためにゲート「G」とソース「S」が互いに結合され
た、n−チャネル電界効果トランジスタである。このよ
うな装置が「過電圧状態」に近付くと、NFETの「ス
ナップバック」と呼ばれる低電流状態に入り、その結
果、トランジスタに接続された平面を横切って発生する
ESDが放散する。このような抑制ネットワークには、
多数の修正態様が可能である。たとえば、MOSFET
30は、厚膜または薄膜酸化物電界効果トランジスタで
よい。薄膜電界効果トランジスタを使用する場合は、抵
抗をこれと直列に接続することができる。他の例とし
て、抑制ネットワーク30は、シリコン制御の整流器を
主体とする装置を含むこともできる。
【0025】図5に、チップ「k」の外部接続ピンPI
xを第1の電力面10および第3の電力面14に、チ
ップ「l」の外部接続ピンPINxを第2の電力面12
および第4の電力面16に結合する同一のチップ間放電
抑制ネットワーク20'を示す。この図の外部接続点
は、それぞれチップ「k」および「l」からの同種の入
出力ワイヤ・アウトを含むものとする。たとえば、PI
xは、2個の同一のダイナミック・ランダム・アクセ
ス・メモリ・チップ(DRAM)「k」および「l」に
1本のアドレス・ピンまたは制御ピンを含むことができ
る。図5のチップ間およびチップ内放電抑制ネットワー
クによって、半導体装置チップ「k」および「l」の電
源間、PINxと電源の間、およびPINx間でワイヤ・
アウト上に完全なESD抑制保護が得られることに注目
されたい。この議論での一つの仮定は、電源面(すなわ
ち電力面)が、外部接続点、たとえばPINxと共にマ
ルチチップ・スタックの端部表面で露出していることで
ある。このことについてはさらに詳述する。
【0026】図6は図5と類似の図であり、チップ間放
電抑制ネットワーク20'および20"を示す。これらの
ネットワークは、異種の外部接続点PINyとPINx
間に発生する静電放電の抑制を容易にする。使用する外
部接続点に応じて、ネットワーク20"はチップ間放電
抑制ネットワーク20'と同一でも同一でなくてもよ
い。外部接続点PINyは、ネットワーク20"の第1の
回路Pyiを介して第1の電力面10に、ネットワーク
20"の第2の回路Pyjを介して第3の電力面14に
結合されている。図6のチップ間およびチップ内放電抑
制ネットワークにより、半導体装置チップ「k」および
「l」の電源間、PINyと電源の間、PINxと電源の
間、およびPINyとPINxの間で完全なESD抑制保
護が得られることに留意されたい。
【0027】ある種のマルチチップ・スタック設計で
は、その縁部表面に、複数の外部接続点またはスタック
内の複数のチップの電力面を相互接続する、1個または
複数のバスを含む。例えば、図7は、スタック内の複数
の半導体装置チップの共通縁部で画定される縁部表面4
2を有する、マルチチップ・スタック40を示したもの
である。個々のチップからの切換配線は、外部接続点4
4として露出している。バス46は、半導体装置チップ
「l」上の指定した外部接続点を、半導体装置チップ
「k」の選択した接続点と電気的に接続している。この
端部表面のメタライゼーションにより、スタック中の半
導体装置チップ「k」と「l」とを結合するチップ間放
電抑制ネットワークが、チップのいずれか一方または両
方の上に形成される。一例として、チップ間放電抑制ネ
ットワークSiiおよびSjjを、半導体装置チップ「k」
の上、半導体装置チップ「l」の上、または半導体装置
チップ「k」と半導体装置チップ「l」の間に形成する
ことができる。
【0028】本発明のもう一つの重要な特徴は、チップ
間放電抑制ネットワークをマルチチップ・スタック50
の末端層、または末端半導体装置チップ52に置くこと
ができることである(図8参照)。図に示すように、複
数の縁部表面メタライゼーションまたはバス54は、上
に置かれた接点パッド56と接続するため、末端層52
上に形成することが多い。(縁部表面のバス54を末端
表面の接点パッド56と接続するには各種の方法があ
り、その一例は米国特許出願第08/000826号明
細書に記載されている。)
【0029】チップ間放電抑制ESDネットワークは、
各種の方法を利用して、スタック中の末端層で使用する
ことができる。たとえば、図8に示すように、ワイヤ・
アウトの表面としてマルチチップ・スタックと融合する
ように、シリコンの末端チップを構成することができ
る。既存の技術によりシリコンで製作した末端チップ
は、本明細書に記載するように、所期のESD保護回路
58を含むことができる。これらのESDネットワーク
は、バス間の静電放電保護のため、バス54に配線され
る。バスは、スタック中の複数のチップ用の電力レール
または外部接点レールを含むことができる。
【0030】もうひとつの代替方法は、各種のマルチチ
ップ半導体スタックに使用できる、各種の放電抑制ネッ
トワークを含む汎用末端半導体装置チップを製作するこ
とである。このようなチップは、製作者がカスタマイズ
して特定のマルチチップ・スタックに使用することがで
きる。たとえば、CMOS、BiCMOS、NMOS、
PMOS、または他の用途のための抑制ネットワークが
すべて、単一の汎用末端チップ内に形成できる。その後
にスタックの要件に応じて指定のESDネットワークを
配線するために、金属層を加工する。
【0031】さらに他の実施例では、末端半導体装置チ
ップは、従来のチップ間放電抑制回路を含む「デッド」
チップまたはその他の使用しないチップとすることもで
きる。これらのチップ間放電抑制回路は、当業者が電気
接続を配線変更することにより、本明細書に記載のチッ
プ間放電抑制回路として機能するように変換することが
できる。
【0032】図9に、マルチチップ・スタック64の末
端層またはチップの、第1の抑制ネットワーク60およ
び第2の抑制ネットワーク62を示す。図に示すよう
に、スタック64は、外部接続ピンPiを相互接続する
第1のバスと、電力面接続点Viを相互接続する第2の
バスを含む。ネットワーク60は、(適当な配線を介し
てスタック64の縁部表面に取り付けられた)同種の電
力面Viを、マルチチップ半導体スタックの末端の表面
上の電力面供給電圧VjおよびViに結合する、ESD抑
制ネットワークである。抑制ネットワーク60内の各抑
制回路Sj、Si、Sijは、図1ないし図6に関して説明
した上記の適当な双方向ESD抑制回路であると仮定す
る。
【0033】同様に、ネットワーク62は、マルチチッ
プ半導体スタックの末端の層またはチップにあることが
好ましい。このネットワークは、第1のバスを、第1の
回路Pijを介して電力面供給電圧Vjに、また第2の
回路Piiを介して電力面供給電圧Viに結合する。し
たがって、それぞれ第1のバスおよび第2のバスによっ
て電気的に接続された外部接続点Piと電力面Viでは、
共通のESD抑制ネットワークがスタック内に設けられ
る。
【0034】最初に述べたように、静電放電は、マルチ
チップ半導体スタックの製造中、特にその縁部表面上に
メタライゼーション・パターンを形成する前に発生す
る。複数の半導体装置チップを組み立ててスタック構成
にした後、通常縁部表面を研磨して、個々のチップから
配線を露出させる。この工程の間に、スタック中の半導
体装置チップ間に電位差が発生することが知られてい
る。これが発生すると、2個のチップの間に電荷が蓄積
され、たとえば1個のチップの金属ピンから隣接するチ
ップの基板へのアークが生じる。この静電放電現象は、
低抵抗シャントを介してキャパシタが放電する型式の充
電器の性質をもつ。アーク有効放電抵抗は約1〜10Ω
であり、これは半導体装置チップ内に故障を発生させる
のに十分な値である。下記に、具体的にこの問題を解決
することを目的とする本発明の他の態様を示す。
【0035】図10に、スタックまたはキューブ構成に
積層した複数の半導体装置チップ72を含む半導体装置
構造70を示す。複数の接続点74または配線がスタッ
ク70の縁部表面上に露出する。スタック70の他の少
なくとも1つの縁部表面に、チップ72の基板を電気的
に結合する導電材料76が設けられる。この構造および
機能を達成するために、各種の方法が可能である。
【0036】たとえば、材料76を受けるスタックの縁
部を平滑に機械研磨してチップの基板を露出させた後、
スタックに標準の半導体処理を施して、導電性の高い金
属、たとえばアルミニウム、銅、銀、または導電性の重
合体、たとえばポリアニリンなどの層を形成することが
できる。必要ならば、配線を含まないすべてのスタック
の縁部表面上にこのような層を形成してもよい。この場
合も、導電性材料76の機能は、スタック70中の各種
の半導体装置チップ72のシリコン基板を電気的に接続
することである。代替方法として、導電塗料を使用し
て、導電層を1つまたは複数のスタックの縁部表面に塗
布しても、スタック中の複数のチップの基板を電気的に
接続する金属バスをその上に形成してもよい。
【0037】チップの基板を電気的に相互接続するため
の他の方法を図11に示す。この図には、マルチチップ
半導体スタック80の、2個の隣接する半導体装置チッ
プ82および84の一部が示されている。チップ82の
基板83とチップ84の基板85との電気的接続は、従
来の基板リング86と、基板83と基板リング86との
間に置かれた金属スタッド88とによって行われる。金
属配線90も、参考のために示してある。この「内部接
続」方法により、可能な複数の縁部表面のワイヤ・アウ
ト用に、スタックの縁部表面が確保される。図11の構
造は、スタックの組立ての前に、複数のスルーホールを
基板リング86までエッチングすることにより形成する
ことができる。これらのスルーホールは、例えば半導体
装置チップの4隅に形成することができる。その後、ア
ルミニウムを化学的気相付着(CVD)し、チップの上
面をエッチングにより除去して、スタックを組み立てた
ときに、付着したスルーホールが隣接する半導体装置チ
ップの基板をそのチップの基板リングに電気的に短絡さ
せるようにする。
【0038】基板を電気的に接続する他の方法を図12
に示す。この図には、マルチチップ半導体スタック10
0の、2個の隣接する半導体装置チップ102および1
04の一部が示されている。この実施例では、チップ1
02の基板101が、チップ104の接地面Vss10
6に達するメタライズされたスルーホール108を介し
て、チップ104の基板103に電気的に接続されてい
る。接地面106は、標準の金属レベル110により、
基板103に電気的に接続されているものとする。この
方法、および図11に示した方法は、隣接する半導体装
置チップの接地面間または基板間を短絡させる場合にの
み適用できることに留意されたい。
【0039】図13は、抑制ネットワークを介して、隣
接する2個のチップを電気的に結合する方法の一つを示
す。この図は、隣接する半導体装置チップ124に電圧
jを供給する電力面126に電気的に接続された、マ
ルチチップ半導体スタック120中の第1の半導体装置
チップ122の基板121の一部を示す。電力面126
が電圧Vssを供給すると仮定すると、電力面16は金
属スルーホール128を介してチップ122の基板12
1に電気的に接続される。半導体装置チップ124はま
た、その基板123の上に、電圧Viを供給する第2の
電力面130を有する。電力面126と130を、破線
で示す放電抑制ネットワーク132が相互接続する。上
述のように、ネットワーク132は、マルチチップ半導
体スタック120内であればどこに置いてもよい。たと
えば、ネットワーク132は、チップ124内にも、末
端層または末端半導体装置チップ(図示せず)内にも置
くことができる。
【0040】半導体装置スタック140内にESD保護
回路を形成するもう一つの方法を図14に示す。この実
施例では、第1の半導体装置チップ142の基板141
が、スタック140中の隣接する半導体装置チップ14
4の基板143上の電力面146に容量結合されてい
る。電力面146と、基板141を上に取り付けたポリ
イミド層150との間に金属スルーホール148が形成
される。この装置では、層150が、半導体装置チップ
142と144との間に犠牲キャパシタを画定し、放電
が発生するとそれが短絡する。
【0041】要約すると、本明細書には、三次元マルチ
チップ・パッケージの製造中、およびその後の取り扱い
中に発生する静電放電、または他の損傷を与える可能性
のある電圧過渡から保護するための、チップ間放電保護
ネットワークを有する、各種のマルチチップ半導体構造
を開示する。チップ間放電抑制ネットワークは、スタッ
ク中の半導体装置チップの電力面を電気的に結合する。
これは、各半導体チップの外部接続点をそのチップの電
力面に結合するチップ内放電抑制ネットワークととも
に、マルチチップ半導体構造中に2個の半導体装置チッ
プの接点間に発生する放電を抑制するのに必要な、電気
的相互接続を形成する。
【0042】具体的には、本発明によるチップ間および
チップ内放電抑制ネットワークによれば、マルチチップ
・スタック中の半導体装置チップ間に発生する、電源面
間、外部接続点と電源面の間、および外部接続点間での
放電が抑制される。この放電抑制ネットワークは、正の
放電も負の放電も抑制する双方向性であるが、対称であ
る必要はない。
【0043】放電抑制ネットワークは、半導体スタック
中の末端チップまたは末端層に設けることが好ましく、
本明細書に記載するようないくつかの製造上の利点をも
たらす。さらに、汎用の放電抑制ネットワーク・チッ
プ、または特別設計の放電抑制ネットワーク・チップ
を、スタック中の末端チップとして使用することができ
る。縁部表面のバスの間に正負いずれかの方向に電流を
流すものであれば、どのような抑制ネットワークでも末
端チップ内で使用することができる。取り扱いおよびそ
の後の試験中にチップ間のESD保護を提供する他に、
スタック形成の直後にチップを保護する方法も記述され
ている。
【0044】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【0045】(1)第1の平坦な主表面を有する第1の
チップと、第2の平坦な主表面を有する第2の半導体装
置チップと、上記第1のチップと上記第2の半導体装置
チップを電気的に接続する、チップ間に発生する放電を
抑制するためのチップ間放電抑制手段とを具備し、上記
第1のチップと上記第2の半導体装置チップは、上記第
1のチップの第1の平坦な表面が上記第2の半導体装置
の上記第2の平坦な主表面と平行になるように積層され
ていることを特徴とする、マルチチップ半導体装置構
造。 (2)上記第1のチップが第1の半導体装置チップから
なり、上記第1の半導体装置チップが第1の電力面を有
し、上記第2の半導体装置チップが第2の電力面を有
し、上記チップ間放電抑制手段が、上記第1の電力面と
上記第2の電力面とを電気的に結合することを特徴とす
る、上記(1)に記載の構造。 (3)上記第1の電力面と上記第2の電力面とが、それ
ぞれ第1の供給電圧を上記第1の半導体装置チップと上
記第2の半導体装置チップに供給することを特徴とす
る、上記(2)に記載の構造。 (4)上記第1の供給電圧が接地電圧Vssであり、上
記チップ間放電抑制手段が、上記第1の電力面を上記第
2の電力面と短絡させることを特徴とする、上記(3)
に記載の構造。 (5)上記第1の電力面が第1の供給電圧を上記第1の
半導体装置チップに供給し、上記第2の電力面が第2の
供給電圧を上記第2の半導体装置チップに供給し、上記
第1の供給電圧が上記第2の供給電圧と異なることを特
徴とする、上記(2)に記載の構造。 (6)上記第1の半導体装置チップが第3の電力面を有
し、上記第2の半導体装置チップが第4の電力面を有
し、上記第3の電力面が上記第2の供給電圧を上記第1
の半導体装置チップに供給し、上記第4の電力面が上記
第1の供給電圧を上記第2の半導体装置チップに供給
し、上記チップ間放電抑制手段が上記第3の電力面と上
記第4の電力面をも電気的に結合することを特徴とす
る、上記(5)に記載の構造。 (7)上記チップ間放電抑制手段が、上記第1の電力面
を上記第4の電力面に電気的に結合し、上記第3の電力
面を上記第2の電力面に電気的に結合することを特徴と
する、上記(6)に記載の構造。 (8)上記第1の半導体装置チップが少なくとも1個の
外部接続手段を有し、上記第2の半導体装置チップが少
なくとも1個の外部接続手段を有し、上記第1の半導体
装置チップと上記第2の半導体装置チップが、それぞれ
チップ間放電抑制ネットワークを有し、上記第1の半導
体装置チップのチップ間放電抑制ネットワークが、その
少なくとも1個の外部接続手段を上記第1の電力面と上
記第3の電力面とに電気的に結合され、上記第2の半導
体装置チップのチップ間放電抑制ネットワークが、その
少なくとも1個の外部接続手段を上記第2の電力面と上
記第4の電力面とに電気的に結合され、上記第1の半導
体装置チップの少なくとも1個の外部接続手段が、前記
両方のチップ間放電抑制ネットワークおよび上記チップ
間放電抑制手段を介して、上記第2の半導体装置チップ
の少なくとも1個の外部接続手段に電気的に結合され、
その間に発生する放電を抑制することを特徴とする、上
記(7)に記載の構造。 (9)第3の半導体装置チップをさらに具備し、上記チ
ップ間放電抑制手段が上記第3の半導体装置チップ内に
設けられることを特徴とする、上記(1)に記載の構
造。 (10)上記第3の半導体装置チップが第3の平坦な主
表面を有し、上記第3の半導体装置チップが、上記第1
の半導体装置チップおよび上記第2の半導体装置チップ
とともに積層され、上記第3の平坦な主表面が上記第1
および第2の平坦な主表面に平行であり、上記第3の半
導体装置チップが、上記マルチチップ半導体装置構造中
で末端の半導体装置チップを構成することを特徴とす
る、上記(9)に記載の構造。 (11)上記末端の半導体装置チップが、複数の異なる
放電抑制ネットワークを具備し、上記チップ間放電抑制
手段が上記複数の異なる放電抑制ネットワークのうちの
1個の放電抑制ネットワークを具備することを特徴とす
る、上記(10)に記載の構造。 (12)上記チップ間放電抑制手段が、上記マルチチッ
プ半導体装置のマルチチップ構造の縁部表面上のメタラ
イゼーションを介して、上記第1のチップおよび上記第
2の半導体装置チップに電気的に結合されることを特徴
とする、上記(11)に記載の構造。 (13)上記チップ間放電抑制手段が、少なくとも一部
は上記第2の半導体装置チップ内に設けられることを特
徴とする、上記(1)に記載の構造。 (14)上記チップ間放電抑制手段が双方向性であり、
上記第1のチップと上記第2の半導体装置チップとの間
に発生する正の放電および負の放電を抑制することを特
徴とする、上記(1)に記載の構造。 (15)少なくとも部分的に第1の所定の回路機能を与
える第1の回路を有する第1の半導体装置チップと、上
記第1の半導体装置チップに電気的、機械的に結合さ
れ、上記第1の半導体装置チップの上記第1の回路に少
なくとも部分的に透過性の機能を与える第2の回路を有
する第2の半導体装置チップとを具備する、マルチチッ
プ半導体構造。 (16)上記第2の半導体装置チップが上記第1の半導
体装置チップに与える透過性の機能が、静電放電保護機
能であることを特徴とする、上記(15)に記載の構
造。 (17)上記第1の半導体装置チップおよび上記第2の
半導体装置チップがマルチチップ半導体スタック内に設
けられ、マルチチップ半導体スタックの縁部表面上のメ
タライゼーションが、上記第1の半導体装置チップの基
板を上記第2の半導体装置チップの基板に電気的に結合
することを特徴とする、上記(15)に記載の構造。 (18)上記マルチチップ半導体スタックの縁部表面上
のメタライゼーションが、金属皮膜、導電性重合体、お
よび金属塗料のいずれかからなることを特徴とする、上
記(17)に記載の構造。 (19)第1の基板と、第1のVcc電源と、第1のV
ss電源と、第1の入出力接続点とを有し、さらに上記
第1の入出力接続点と上記第1のVcc電源との間、お
よび上記第1の入出力接続点と上記第1のVss電源と
の間に電気的に結合された第1のチップ間静電放電保護
回路を有する、第1の半導体装置チップと、第2の基板
と、第2のVcc電源と、第2のVss電源と、第2の
入出力接続点とを有し、さらに上記第2の入出力接続点
と上記第2のVcc電源との間、および上記第2の入出
力接続点と上記第2のVss電源との間に電気的に結合
された第2のチップ間静電放電保護回路を有する、第2
の半導体装置チップと、上記第1のVcc電源が上記第
2のVcc電源に電気的に結合され、上記第1のVss
電源が上記第2のVss電源に電気的に結合され、上記
第1のVcc電源が上記第2のVss電源に電気的に結
合され、上記第1のVss電源が上記第2のVcc電源
に電気的に結合されるように、上記第1の半導体装置チ
ップと上記第2の半導体装置チップとを相互接続する、
チップ間静電放電保護ネットワークとを具備する、マル
チチップ半導体スタック。 (20)上記チップ間静電放電保護ネットワークが、少
なくとも一部は上記第1の半導体装置チップ内に設けら
れることを特徴とする、上記(19)に記載のマルチチ
ップ半導体スタック。 (21)上記チップ間静電放電保護ネットワークが、少
なくとも一部は上記半導体装置スタックの末端層内に設
けられることを特徴とする、上記(19)に記載のマル
チチップ半導体スタック。 (22)上記末端層が、上記マルチチップ半導体スタッ
クへの外部電気接続用の接点パッドを有することを特徴
とする、上記(21)に記載のマルチチップ半導体スタ
ック。 (23)(a)第1の平坦な主表面を有する第1の半導
体装置チップと、第2の平坦な主表面を有する第2の半
導体装置チップとを、第1の平坦な主表面が第2の平坦
な主表面と平行になるように積層してマルチチップ・ス
タックを形成する工程と、(b)上記第1の半導体装置
チップの基板が上記第2の半導体装置チップの基板に電
気的に接続されるように上記マルチチップ・スタックの
第1の縁部表面をメタライゼーションする工程と、
(c)上記工程(b)に続いて、上記半導体構造の第2
の縁部の表面に、少なくとも1個の上記第1の半導体装
置チップの外部接続点と、少なくとも1個の上記第2の
半導体装置チップの外部接続点とを有するメタライゼー
ション・パターンを形成する工程とを含む、半導体装置
の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による、同種の電力面を結合する、チッ
プ間放電抑制ネットワークを有する、マルチチップ半導
体構造の略図である。
【図2】本発明による、異種の電力面を結合する、チッ
プ間放電抑制ネットワークを有する、マルチチップ半導
体構造の略図である。
【図3】本発明による、チップ間およびチップ内放電抑
制ネットワークを有する、マルチチップ半導体構造の略
図である。
【図4】図2および図3の異種の電力面を結合する、放
電抑制ネットワークの一実施例の略図である。
【図5】本発明による、同種の入出力接続点間のチップ
間放電を抑制するチップ間およびチップ内放電抑制ネッ
トワークを有する、マルチチップ半導体構造の略図であ
る。
【図6】本発明による、異種の入出力接続点間のチップ
間放電を抑制するチップ間およびチップ内放電抑制ネッ
トワークを有する、マルチチップ半導体構造の略図であ
る。
【図7】本発明による、チップ間放電抑制回路を有す
る、マルチチップ半導体構造の部分斜視図である。
【図8】本発明による、チップ間静電放電(ESD)ネ
ットワークを有する、マルチチップ半導体構造の部分斜
視図である。
【図9】ピン型の端部表面相互接続バスおよび電源型の
端部表面相互接続バスに接続した、図8のチップ間ES
Dネットワークの一部を示す略図である。
【図10】本発明の一態様による、チップ基板を相互接
続する端部表面導体を有する、マルチチップ半導体構造
の斜視図である。
【図11】本発明による、チップ基板間の直接的電気相
互接続を有する、マルチチップ半導体構造中の2個の隣
接する半導体装置を示す部分立面図である。
【図12】本発明による、チップ基板間の直接的電気相
互接続を有する、マルチチップ半導体構造中の2個の隣
接する半導体装置を示す部分斜視図である。
【図13】本発明による、チップ間放電抑制ネットワー
クが、第1の半導体装置チップの第1の電力面と第2の
電力面との間に電気的に接続され、第1の電力面が第2
の半導体装置チップの基板に電気的に接続された、チッ
プ基板間の直接的電気相互接続を有する、マルチチップ
半導体構造中の2個の隣接する半導体装置を示す部分立
面図である。
【図14】本発明による、犠牲キャパシタが半導体装置
チップ間に設けられた、マルチチップ半導体構造中の2
個の隣接する半導体装置を示す部分立面図である。
【符号の説明】
10 第1の電力面 12 第2の電力面 14 第3の電力面 16 第4の電力面 20 チップ間放電抑制ネットワーク 20' チップ間放電抑制ネットワーク 20" チップ間放電抑制ネットワーク 30 チップ間放電抑制ネットワーク 40 チップ間放電抑制ネットワーク 42 縁部表面 44 外部接続点 46 バス 50 マルチチップ・スタック 64 マルチチップ・スタック 70 マルチチップ・スタック 80 マルチチップ・スタック 100 マルチチップ・スタック 120 マルチチップ・スタック 140 マルチチップ・スタック 52 末端層 54 縁部表面のバス 56 接点パッド 58 ESD保護回路 60 第1の抑制ネットワーク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール・エヴァンス・ベークマン・ジュ ニア アメリカ合衆国05403 バーモント州サ ウス・バーリントン ベドフォード・グ リーン 3 (56)参考文献 特開 平4−112561(JP,A) 特開 平6−295981(JP,A) 特開 平7−14979(JP,A) 特開 昭61−185958(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 25/04 - 25/075

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の平坦な主表面を有する第1のチップ
    と、 第2の平坦な主表面を有する第2の半導体装置チップ
    と、 上記第1のチップと上記第2の半導体装置チップを電気
    的に接続する、チップ間に発生する放電を抑制するため
    のチップ間放電抑制手段とを具備し、 上記第1のチップと上記第2の半導体装置チップは、上
    記第1のチップの第1の平坦な表面が上記第2の半導体
    装置の上記第2の平坦な主表面と平行になるように積層
    されていることを特徴とする、マルチチップ半導体装置
    構造。
  2. 【請求項2】上記第1のチップが第1の半導体装置チッ
    プからなり、上記第1の半導体装置チップが第1の電力
    面を有し、上記第2の半導体装置チップが第2の電力面
    を有し、上記チップ間放電抑制手段が、上記第1の電力
    面と上記第2の電力面とを電気的に結合することを特徴
    とする、請求項1に記載のマルチチップ半導体装置
    造。
  3. 【請求項3】上記第1の電力面と上記第2の電力面と
    が、それぞれ第1の供給電圧を上記第1の半導体装置チ
    ップと上記第2の半導体装置チップに供給することを特
    徴とする、請求項2に記載のマルチチップ半導体装置
    造。
  4. 【請求項4】上記第1の供給電圧が接地電圧Vssであ
    り、上記チップ間放電抑制手段が、上記第1の電力面を
    上記第2の電力面と短絡させることを特徴とする、請求
    項3に記載のマルチチップ半導体装置構造。
  5. 【請求項5】上記第1の電力面が第1の供給電圧を上記
    第1の半導体装置チップに供給し、 上記第2の電力面が第2の供給電圧を上記第2の半導体
    装置チップに供給し、上記第1の供給電圧が上記第2の
    供給電圧と異なることを特徴とする、請求項2に記載の
    マルチチップ半導体装置構造。
  6. 【請求項6】上記第1の半導体装置チップが第3の電力
    面を有し、上記第2の半導体装置チップが第4の電力面
    を有し、上記第3の電力面が上記第2の供給電圧を上記
    第1の半導体装置チップに供給し、上記第4の電力面が
    上記第1の供給電圧を上記第2の半導体装置チップに供
    給し、上記チップ間放電抑制手段が上記第3の電力面と
    上記第4の電力面をも電気的に結合することを特徴とす
    る、請求項5に記載のマルチチップ半導体装置構造。
  7. 【請求項7】上記チップ間放電抑制手段が、上記第1の
    電力面を上記第4の電力面に電気的に結合し、上記第3
    の電力面を上記第2の電力面に電気的に結合することを
    特徴とする、請求項6に記載のマルチチップ半導体装置
    構造。
  8. 【請求項8】上記第1の半導体装置チップが少なくとも
    1個の外部接続手段を有し、上記第2の半導体装置チッ
    プが少なくとも1個の外部接続手段を有し、 上記第1の半導体装置チップと上記第2の半導体装置チ
    ップが、それぞれチップ放電抑制手段を有し、 上記第1の半導体装置チップのチップ放電抑制手段
    が、その少なくとも1個の外部接続手段を上記第1の電
    力面と上記第3の電力面とに電気的に結合、 上記第2の半導体装置チップのチップ放電抑制手段
    が、その少なくとも1個の外部接続手段を上記第2の電
    力面と上記第4の電力面とに電気的に結合、 上記第1の半導体装置チップの少なくとも1個の外部接
    続手段が、上記チップ間放電抑制手段を介して、上記第
    2の半導体装置チップの少なくとも1個の外部接続手段
    に電気的に結合され、その間に発生する放電を抑制する
    ことを特徴とする、請求項7に記載のマルチチップ半導
    体装置構造。
  9. 【請求項9】第3の半導体装置チップをさらに具備し、
    上記チップ間放電抑制手段が上記第3の半導体装置チッ
    プ内に設けられることを特徴とする、請求項1に記載の
    マルチチップ半導体装置構造。
  10. 【請求項10】上記第3の半導体装置チップが第3の平
    坦な主表面を有し、上記第3の半導体装置チップが、上
    記第1の半導体装置チップおよび上記第2の半導体装置
    チップとともに積層され、上記第3の平坦な主表面が上
    記第1および第2の平坦な主表面に平行であり、上記第
    3の半導体装置チップが、上記マルチチップ半導体装置
    構造中で末端の半導体装置チップを構成することを特徴
    とする、請求項9に記載のマルチチップ半導体装置
    造。
  11. 【請求項11】上記末端の半導体装置チップが、複数の
    異なる放電抑制手段を具備し、 上記チップ間放電抑制手段は、上記複数の異なる放電抑
    手段のうちの1個の放電抑制手段含んでなることを
    特徴とする、請求項10に記載のマルチチップ半導体装
    構造。
  12. 【請求項12】上記チップ間放電抑制手段が、上記マル
    チチップ半導体装置のマルチチップ構造の縁部表面上の
    メタライゼーションを介して、上記第1のチップおよび
    上記第2の半導体装置チップに電気的に結合されること
    を特徴とする、請求項11に記載のマルチチップ半導体
    装置構造。
  13. 【請求項13】上記チップ間放電抑制手段が、少なくと
    も一部は上記第2の半導体装置チップ内に設けられるこ
    とを特徴とする、請求項1に記載のマルチチップ半導体
    装置構造。
  14. 【請求項14】上記チップ間放電抑制手段が双方向性で
    あり、上記第1のチップと上記第2の半導体装置チップ
    との間に発生する正の放電および負の放電を抑制するこ
    とを特徴とする、請求項1に記載のマルチチップ半導体
    装置構造。
  15. 【請求項15】 前記チップ間放電抑制手段は、 上記第1のチップの基板が上記第2の半導体装置チップ
    の基板に電気的に接続されるように、上記マルチチップ
    半導体装置の1の縁部表面に設けた導電性材料であるこ
    とを特徴とする、請求項1に記載のマルチチップ半導体
    装置構造。
  16. 【請求項16】 第1の基板と、第1のVcc電源と、第
    1のVss電源と、第1の入出力接続点とを有し、さら
    に上記第1の入出力接続点と上記第1のVcc電源との
    間、および上記第1の入出力接続点と上記第1のVss
    電源との間に電気的に結合された第1のチップ内静電放
    電保護回路を有する、第1の半導体装置チップと、 第2の基板と、第2のVcc電源と、第2のVss電源
    と、第2の入出力接続点とを有し、さらに上記第2の入
    出力接続点と上記第2のVcc電源との間、および上記
    第2の入出力接続点と上記第2のVss電源との間に電
    気的に結合された第2のチップ内静電放電保護回路を有
    する、第2の半導体装置チップと、 上記第1のVcc電源が上記第2のVcc電源に電気的
    に結合され、上記第1のVss電源が上記第2のVss
    電源に電気的に結合され、上記第1のVcc電源が上記
    第2のVss電源に電気的に結合され、上記第1のVs
    s電源が上記第2のVcc電源に電気的に結合されるよ
    うに、上記第1の半導体装置チップと上記第2の半導体
    装置チップとを相互接続する、チップ間静電放電保護回
    路網とを具備する、 マルチチップ半導体スタック。
  17. 【請求項17】 上記チップ間静電放電保護回路網が、少
    なくとも一部は上記第1の半導体装置チップ内に設けら
    れることを特徴とする、請求項16に記載のマルチチッ
    プ半導体スタック。
  18. 【請求項18】 上記チップ間静電放電保護回路網が、少
    なくとも一部は上記半導体装置スタックの末端層内に設
    けられることを特徴とする、請求項16に記載のマルチ
    チップ半導体スタック。
  19. 【請求項19】 上記末端層が、上記マルチチップ半導体
    スタックへの外部電気接続用の接点パッドを有すること
    を特徴とする、請求項18に記載のマルチチップ半導体
    スタック。
  20. 【請求項20】 (a)第1の平坦な主表面を有する第1
    の半導体装置チップと、第2の平坦な主表面を有する第
    2の半導体装置チップとを、第1の平坦な主表面が第2
    の平坦な主表面と平行になるように積層してマルチチッ
    プ・スタックを形成する工程と、 (b)上記第1の半導体装置チップの基板が上記第2の
    半導体装置チップの基板に電気的に接続されるように上
    記マルチチップ・スタックの第1の縁部表面をメタライ
    ゼーションし、チップ間放電抑制手段を形成する工程
    と、 (c)上記工程(b)に続いて、上記半導体構造の第2
    の縁部の表面に、少なくとも1個の上記第1の半導体装
    置チップの外部接続点と、少なくとも1個の上記第2の
    半導体装置チップの外部接続点とを有するメタライゼー
    ション・パターンを形成する工程とを含む、 半導体装置の製造方法。
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