JP3418134B2 - チップ・オン・チップ構造の半導体装置 - Google Patents

チップ・オン・チップ構造の半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば、半導
体チップの表面に他の半導体チップを重ね合わせて接合
するチップ・オン・チップ構造の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】たとえば、半導体装置の小型化および高
集積化を図るための構造として、複数個の半導体チップ
を表面同士が対向するように重ね合わせて接合する、い
わゆるチップ・オン・チップ構造がある。このチップ・
オン・チップ構造では、図８に示すように、対向する半
導体チップ９１，９２は、半導体チップ９１，９２間に
設けられた複数個のバンプ９３によって、所定間隔を保
つように連結され、かつ、互いに電気的に接続されてい
る。そして、重ね合わされた複数個の半導体チップ９
１，９２は、モールド樹脂９４などで樹脂封止されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】モールド樹脂９４によ
る封止の際、半導体チップ９１，９２は、モールド樹脂
９４から比較的大きな圧力を受ける。また、半導体チッ
プ９１，９２の熱膨張率が異なる場合には、樹脂封止時
において大きな熱量が与えられると、半導体チップ９
１，９２に応力歪みが生じる。そのため、バンプ９３に
よって支持されていない部分において、半導体チップ９
１，９２の変形が生じ、その結果、半導体チップ９１，
９２に形成された素子の特性が劣化するといった問題が
あった。
【０００４】そこで、この発明の目的は、上術の技術的
課題を解決し、機械的圧力および応力による変形を防止
できるチップ・オン・チップ構造の半導体装置を提供す
ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段および発明の効果】上記の
目的を達成するための請求項１記載の発明は、第１の半
導体チップと第２の半導体チップとが互いに表面を対向
させた状態で重ね合わせて接合されたチップ・オン・チ
ップ構造を有する半導体装置であって、上記第１の半導
体チップの表面に形成されており、当該第１の半導体チ
ップを支持するための複数個のバンプと、上記第２の半
導体チップの表面に上記バンプよりも薄く形成されてお
り、上記複数個のバンプがそれぞれ接続されて、その接
続されたバンプに作用する力を吸収するためのクッショ
ンパッドとを含み、上記複数個のバンプは、上記第１の
半導体チップと上記第２の半導体チップとの電気接続の
ための機能バンプ、および上記第１の半導体チップと上
記第２の半導体チップとの電気接続に寄与しないダミー
バンプを含むことを特徴とする半導体装置である。
【０００６】この発明によれば、他の半導体チップや配
線基板などの固体の表面（ほぼ平坦な表面）に対向する
表面には、固体との電気接続のための機能バンプの他
に、固体との電気接続に寄与しないダミーバンプが形成
されているので、この半導体チップが固体に接合されて
樹脂封止された際などに、半導体チップに作用する力を
分散することができる。また、各バンプが受ける力をク
ッションパッドで吸収することができます。これによ
り、機械的圧力や応力歪みなどに起因する半導体チップ
の変形を防止することができ、その結果、各半導体チッ
プが安定した素子特性を発揮することができる。
【０００７】請求項２記載の発明は、上記ダミーバンプ
は、上記第１の半導体チップの表面の中央部に形成され
ている中央部ダミーバンプを含むことを特徴とする請求
項１記載の半導体装置である。機能バンプは半導体チッ
プの表面の周縁部に形成されることが多いから、この発
明のように、ダミーバンプが半導体チップの中央部に形
成されていることにより、半導体チップの中央部を支持
することができ、半導体チップの中央部における変形を
効果的に防止できる。
【０００８】なお、上記ダミーバンプは、上記第１の半
導体チップの表面の中央部に限らず、請求項３に記載さ
れているように、上記第１の半導体チップの表面の周縁
部に形成されていてもよいし、請求項４に記載されてい
るように、上記第１の半導体チップの表面の角部に形成
されていてもよい。この角部にダミーバンプが形成され
ていれば、半導体チップの角部に圧力が作用した場合
に、その圧力をダミーバンプで受けることができ、半導
体チップの角部に欠けなどの損傷を生じることを防止で
きる。
【０００９】また、請求項５または６の発明のように、
複数個のバンプが、上記第１の半導体チップの表面の中
心に関してほぼ対称または表面の中心を通る直線に関し
てほぼ対称に配置されていれば、半導体チップに応力歪
みが生じるのを良好に防止することができる。請求項７
記載の発明は、上記複数個のバンプは、上記第１の半導
体チップの表面にほぼ一様に分散して配置されているこ
とを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半
導体装置である。
【００１０】この発明によれば、半導体チップに作用す
る力を、複数個のバンプにほぼ均等に分散することがで
きる。したがって、機械的圧力や応力歪みなどに起因す
る半導体チップの変形を、より効果的に防止することが
できる。なお、上記ダミーバンプは、請求項８に記載の
ように、上記機能バンプと同一工程で形成されてもよ
い。
【００１１】
【００１２】
【発明の実施の形態】以下では、この発明の実施の形態
を、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、この
発明の一実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す図
解的な断面図である。この半導体装置は、いわゆるチッ
プ・オン・チップ構造を有しており、親チップ１の表面
１１に子チップ２を重ね合わせて接合した後、これらを
樹脂封止してパッケージ３に納めることによって構成さ
れている。
【００１３】親チップ１は、たとえばシリコンチップか
らなっている。親チップ１の表面１１は、半導体基板に
おいてトランジスタなどの機能素子が形成された活性表
層領域側の表面であり、最表面は、たとえば窒化シリコ
ンで構成される表面保護膜で覆われている。この表面保
護膜上には、外部接続用の複数のパッド１２が、ほぼ矩
形の平面形状を有する親チップ１の表面１１の周縁付近
に露出して配置されている。外部接続用パッド１２は、
ボンディングワイヤ１３によってリードフレーム１４に
接続されている。
【００１４】子チップ２は、たとえばシリコンチップか
らなっている。子チップ２の表面２１は、半導体基板に
おいてトランジスタなどの機能素子が形成された活性表
層領域側の表面であり、最表面は、たとえば窒化シリコ
ンで構成される表面保護膜で覆われている。子チップ２
は、表面２１を親チップ１の表面１１に対向させた、い
わゆるフェースダウン方式で親チップ１に接合されてお
り、親チップ１との間に設けられた複数のバンプによっ
て支持されている。具体的に説明すると、子チップ２の
表面２１には、複数の子側バンプＢ２が隆起して形成さ
れており、親チップ１の表面１１には、子側バンプＢ２
に対応した位置にそれぞれ親側バンプＢ１が隆起して形
成されている。そして、子チップ２は、子側バンプＢ２
がそれぞれ対応する親側バンプＢ１に接続されることに
より、親チップ１の上方に支持されている。
【００１５】子側バンプＢ２には、子チップ２の内部の
配線に接続された機能バンプＢＦと、子チップ２の内部
の配線と絶縁されたダミーバンプＢＤとが含まれてい
る。一方、親側バンプＢ１にも、子チップ２の内部の配
線に接続された機能バンプＢＦと、子チップ２の内部の
配線と絶縁されたダミーバンプＢＤとが含まれている。
親チップ１の機能バンプＢＦと子チップ２の機能バンプ
ＢＦとは、互いに対向して設けられており、この機能バ
ンプＢＦ同士が接続されることにより、親チップ１の内
部の配線と子チップ２の内部の配線とが電気接続されて
いる。これに対し、親チップ１のダミーバンプＢＤと子
チップ２のダミーバンプＢＤとは、互いに対向して設け
られており、このダミーバンプＢＤ同士の接続は、親チ
ップ１と子チップ２との電気接続には寄与していない。
【００１６】図２は、子チップ２の構成を拡大して示す
断面図である。子チップ２の半導体基板２２上には、た
とえば酸化シリコンで構成されるフィールド酸化膜２３
が形成されており、このフィールド酸化膜２３上に配線
２４が配設されている。フィールド酸化膜２３および配
線２４の表面は、表面保護膜２５で覆われており、この
表面保護膜２５に形成された開口部２６に、耐酸化性の
金属（たとえば金、鉛、プラチナ、銀またはイリジウム
など）からなる機能バンプＢＦが形成されている。一
方、ダミーバンプＢＤは、表面保護膜２５上に、機能バ
ンプＢＦと同じ材料を用いて形成されている。
【００１７】機能バンプＢＦとダミーバンプＢＤとは、
同一工程で形成することができる。すなわち、機能バン
プＢＦを形成するために表面保護膜２５に配線２４に臨
む開口部２６を形成した後、この開口部２６が形成され
た表面保護膜２５の表面にシード膜２７を形成する。そ
して、開口部２６に対向する部分、および、ダミーバン
プＢＤを形成すべき部分以外のシード膜２７上にレジス
ト膜を形成した後、機能バンプＢＦおよびダミーバンプ
ＢＤの材料を用いたメッキを行う。その後、シード膜２
７上のレジスト膜を除去し、さらにレジスト膜の除去に
よって露出したシード膜を除去することにより、機能バ
ンプＢＦおよびダミーバンプＢＤを得ることができる。
【００１８】なお、上記シード膜２７は、たとえば、機
能バンプＢＦおよびダミーバンプＢＤをＡｕ（金）で構
成する場合には、表面保護膜２５上にスパッタ法でＴｉ
Ｗ（チタンタングステン）膜を形成し、そのＴｉＷ膜上
にスパッタ法でＡｕ膜を積層させることにより形成され
るとよい。また、機能バンプＢＦおよびダミーバンプＢ
ＤをＡｕで構成する場合には、表面保護膜２５上にスパ
ッタ法でチタン膜を形成し、そのチタン膜上にスパッタ
法でＡｕ膜を積層させることにより形成されてもよい。
【００１９】また、機能バンプＢＦとダミーバンプＢＤ
とは同じ材料で構成されるとしたが、機能バンプＢＦと
ダミーバンプＢＤとを異なる材料で構成してもよい。こ
の場合、ダミーバンプＢＤは、機能バンプＢＦと別の工
程で形成することになり、たとえば、機能バンプＢＦの
形成後に、表面保護膜２５上にチタン膜を積層した後、
このチタン膜上にチタンを用いたメッキを選択的に施す
ことにより、ダミーバンプＢＤを形成することができ
る。
【００２０】図３は、子チップ２の表面２１における機
能バンプＢＦおよびダミーバンプＢＤの配置例を示す平
面図である。この配置例では、複数個（この配置例では
６個）の機能バンプＢＦが、表面２１の一方周縁および
この一方周縁に対向する周縁に沿って配置されている。
そして、表面２１の中央部に、複数個（この配置例では
４個）のダミーバンプＢＤ（中央部ダミーバンプ）が配
置されている。これにより、子チップ２の周縁部は機能
バンプＢＦによって支持され、子チップ２の中央部はダ
ミーバンプＢＤによって支持されるから、親チップ１と
子チップ２とを接合した半導体装置を樹脂封止した際
に、親チップ１または子チップ２に応力歪みなどの変形
が生じることを防止できる。
【００２１】また、この配置例では、機能バンプＢＦお
よびダミーバンプＢＤは、それぞれ表面２１の中心Ｃを
通る直線Ｌに関して対称となるように配置されていて、
その結果、複数個（この配置例では１０個）の子側バン
プＢ２が中心Ｃを通る直線Ｌに関して対称に配置されて
いる。これにより、親チップ１または子チップ２に応力
歪みなどの変形が生じることを、より良好に防止するこ
とができる。
【００２２】なお、図３においてハッチングを付した２
個のダミーバンプＢＤの配置を、二点鎖線で示す位置に
変更することにより、機能バンプＢＦおよびダミーバン
プＢＤを、それぞれ表面２１の中心Ｃに関して対称とな
るように配置することができる。このような配置であっ
ても、親チップ１または子チップ２に応力歪みなどの変
形が生じることを、より良好に防止することができる。
【００２３】図４は、子チップ２の表面２１における機
能バンプＢＦおよびダミーバンプＢＤの他の配置例を示
す平面図である。この配置例では、複数個（この配置例
では４個）の機能バンプＢＦが、表面２１の中央部に配
置されており、複数個（この配置例では１０個）のダミ
ーバンプＢＤ（周縁部ダミーバンプ）が表面２１の周縁
部に配置されている。これにより、子チップ２の周縁部
はダミーバンプＢＤよって支持され、子チップ２の中央
部は機能バンプＢＦによって支持されるから、親チップ
１と子チップ２とを接合した半導体装置を樹脂封止した
際に、親チップ１または子チップ２に応力歪みなどの変
形が生じることを防止できる。
【００２４】図５は、子チップ２の表面２１における機
能バンプＢＦおよびダミーバンプＢＤのさらに他の配置
例を示す平面図である。この配置例では、複数個（この
配置例では８個）の機能バンプＢＦが、表面２１の周縁
付近に配置されており、４個のダミーバンプＢＤ（角部
ダミーバンプ）が、表面２１の各角部に配置されてい
る。
【００２５】このように表面２１の各角部にダミーバン
プＢＤが配置されていることにより、親チップ１と子チ
ップ２とを接合した半導体装置を樹脂封止した際に、子
チップ２の角部に大きな圧力が作用しても、その圧力を
ダミーバンプＢＤで受けることができる。ゆえに、子チ
ップ２の角部に欠けなどの損傷を生じることを防止でき
る。
【００２６】図６は、子チップ２の表面２１における機
能バンプＢＦおよびダミーバンプＢＤのさらに他の配置
例を示す平面図である。この配置例において、複数個
（この配置例では７個）のダミーバンプＢＤの配置は、
複数個（この配置例では９個）の機能バンプＢＦの配置
が決定された後、表面２１において子側バンプＢ２がほ
ぼ一様に分布するように決定されている。
【００２７】したがって、親チップ１と子チップ２とを
接合した半導体装置を樹脂封止した際に、親チップ１お
よび子チップ２に作用する力を、親チップ１と子チップ
２との間の複数個のバンプＢ１，Ｂ２にほぼ均等に分散
することができる。したがって、機械的圧力や応力歪み
などに起因する親チップ１または子チップ２の変形を、
良好に防止することができる。
【００２８】以上のように、この実施形態によれば、樹
脂封止などに起因する機械的圧力や応力に対する十分な
耐久性を有する半導体装置を実現できる。そして、親チ
ップ１と子チップ２との間のバンプＢ１，Ｂ２の配置を
上手く設定することにより、機械的圧力および応力によ
る変形を一層効果的に防止することができる。なお、こ
の実施形態では、親チップ１および子チップ２に、それ
ぞれ親側バンプＢ１および子側バンプＢ２を設けている
が、親チップ１または子チップ２の一方のチップのみに
バンプを設けて、このバンプを他方のチップの表面に接
続することによりチップ・オン・チップ接合がなされて
もよい。
【００２９】図７は、この発明の他の実施形態に係る半
導体装置の概略構成を示す図解的な断面図である。この
図７において、上述した図１に示す各部に相当する部分
には、同一の参照符号を付して示すこととし、その詳細
な説明を省略する。この図７に示す半導体装置におい
て、子チップ２の表面２１には、複数の子側バンプＢ２
が隆起して形成されており、親チップ１の表面１１に
は、子側バンプＢ２に対応した位置にそれぞれクッショ
ン１５が形成されている。そして、子チップ２は、子側
バンプＢ２がそれぞれ対応するクッション１５に接続さ
れることにより、親チップ１の上方に支持されている。
【００３０】機能バンプＢＦに対向したクッション１５
は、親チップ１の内部の配線と接続されていて、このク
ッション１５と機能バンプＢＦとが接続されることによ
り、親チップ１の内部の配線と子チップ２の内部の配線
とが電気接続されている。これに対し、ダミーバンプＢ
Ｄに対向したクッション１５は、親チップ１の内部の配
線と絶縁されており、この親側バンプＢ１とダミーバン
プＢＤとの接続は、親チップ１と子チップ２との電気接
続には寄与していない。
【００３１】クッション１５は、子側バンプＢ２と熱圧
着によって良好に密着する金属、たとえば銅、半田また
は金で構成されており、たとえば、親チップ１の表面保
護膜に開口部を形成した後に、この開口部および表面保
護膜上にシード膜を形成し、そのシード膜上に部分的に
メッキを施すことによって形成することができる。クッ
ション１５は、子側バンプＢ２よりも薄く形成されてお
り、たとえば、子側バンプＢ２の１／１０程度の厚み
（高さ）を有している。
【００３２】この実施形態によれば、親チップ１と子チ
ップ２とを接合した半導体装置を樹脂封止した際に、子
側バンプＢ２に作用する力をクッション１５で吸収する
ことができる。また、クッション１５は子側バンプＢ２
よりも薄く形成されているから、子側バンプＢ２とほぼ
同じ高さを有するバンプを親チップ１の表面１１に形成
して、そのバンプに子側バンプＢ２を接続させる構成と
比較して、親チップ１と子チップ２との間隔を小さくす
ることができ、半導体装置全体の厚みを小さくすること
ができる。しかも、バンプを形成した場合と比較して、
材料コストを低減することができる。また、クッション
１５を銅や半田で形成した場合には、材料コストをさら
に低減することができる。
【００３３】なお、この実施形態では、クッション１５
は、シード膜上に部分的にメッキを施すことにより形成
されるとしたが、たとえば、シード膜が適度な厚みを有
し、子側バンプＢ２との圧着に耐え得る強度を有してい
る場合には、部分メッキを行わずに、シード膜を選択的
に除去することによって形成されてもよい。この場合、
半導体装置の製造工程数を削減することができる。
【００３４】以上、この発明のいくつかの実施形態につ
いて説明したが、この発明は、上述の各実施形態に限定
されるものではない。たとえば、上述の実施形態では、
親チップ１および子チップ２は、いずれもシリコンから
なるチップであるとしたが、シリコンの他にも、ガリウ
ム砒素半導体やゲルマニウム半導体などの他の任意の半
導体材料を用いた半導体チップであってもよい。この場
合に、親チップ１の半導体材料と子チップ２の半導体材
料は、同じでもよいし異なっていてもよい。
【００３５】また、上述の実施形態では、チップ・オン
・チップ構造の半導体装置を取り上げたが、この発明
は、半導体チップの表面をプリント配線基板に対向させ
て接合するフリップ・チップ・ボンディング構造の半導
体装置にも適用できる。その他、特許請求の範囲に記載
された事項の範囲内で、種々の設計変更を施すことが可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体装置の概略
構成を示す図解的な断面図である。
【図２】子チップの構成を拡大して示す断面図である。
【図３】子チップの表面における機能バンプおよびダミ
ーバンプの配置例を示す平面図である。
【図４】子チップの表面における機能バンプおよびダミ
ーバンプの他の配置例を示す平面図である。
【図５】子チップの表面における機能バンプおよびダミ
ーバンプのさらに他の配置例を示す平面図である。
【図６】子チップの表面における機能バンプおよびダミ
ーバンプのさらに他の配置例を示す平面図である。
【図７】この発明の他の実施形態に係る半導体装置の概
略構成を示す図解的な断面図である。
【図８】従来のチップ・オン・チップ構造の問題点を説
明するための図解的な断面図である。
【符号の説明】
１ 親チップ（第２の半導体チップ） ２ 子チップ（第１の半導体チップ） １５ クッション（クッションパッド） ２１ 表面（第１の半導体チップの表面） ＢＤ ダミーバンプ ＢＦ 機能バンプ Ｃ 中心（第１の半導体チップの表面の中心）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 和孝 京都市右京区西院溝崎町21番地 ローム 株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−238148（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−43553（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−4125（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−55400（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−270637（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−115910（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−209370（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−335577（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−94732（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 25/00 - 25/18

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の半導体チップと第２の半導体チップ
    とが互いに表面を対向させた状態で重ね合わせて接合さ
    れたチップ・オン・チップ構造を有する半導体装置であ
    って、 上記第１の半導体チップの表面に形成されており、上記
    第２の半導体チップを支持するための複数個のバンプ
    と、上記第２の半導体チップの表面に上記バンプよりも薄く
    形成されており、上記複数個のバンプがそれぞれ接続さ
    れて、その接続されたバンプに作用する力を吸収するた
    めのクッションパッドとを含み、 上記 複数個のバンプは、上記第１の半導体チップと上記
    第２の半導体チップとの電気接続のための機能バンプ、
    および上記第１の半導体チップと上記第２の半導体チッ
    プとの電気接続に寄与しないダミーバンプを含むことを
    特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】上記ダミーバンプは、上記第１の半導体チ
    ップの表面の中央部に形成されている中央部ダミーバン
    プを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】上記ダミーバンプは、上記第１の半導体チ
    ップの表面の周縁部に形成されている周縁部ダミーバン
    プを含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導
    体装置。
  4. 【請求項４】上記ダミーバンプは、上記第１の半導体チ
    ップの表面の角部に形成されている角部ダミーバンプを
    含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
    載の半導体装置。
  5. 【請求項５】上記複数個のバンプは、上記第１の半導体
    チップの表面の中心に関してほぼ対称となるように配置
    されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれ
    かに記載の半導体装置。
  6. 【請求項６】上記複数個のバンプは、上記第１の半導体
    チップの表面の中心を通る直線に関してほぼ対称となる
    ように配置形成されていることを特徴とする請求項１な
    いし５のいずれかに記載の半導体装置。
  7. 【請求項７】上記複数個のバンプは、上記第１の半導体
    チップの表面にほぼ一様に分散して配置されていること
    を特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の半導
    体装置。
  8. 【請求項８】上記ダミーバンプは、上記機能バンプと同
    一工程で形成されることを特徴とする請求項１ないし７
    のいずれかに記載の半導体装置。
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