JP3639390B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関し、特に、半導体装置のチップ面積と、半導体装置をプリント基板等の実装基板上に実装する実装面積との比率で表す実装有効面積率を向上させた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的にシリコン基板上にトランジスタ素子が形成された半導体装置は、図9に示すような構成が主に用いられる。1はシリコン基板、2はシリコン基板1が実装される放熱板等のアイランド、3はリード端子、及び4は封止用の樹脂モールドである。
【0003】
シリコン基板11に形成されるトランジスタ素子は、図3に示すように、例えば、N型シリコン基板11にコレクタ領域となるN型のエピタキシャル層12にボロン等のP型の不純物を拡散してベース領域13が形成され、そのベース領域13内にリン等のN型の不純物を拡散してエミッタ領域14が形成される。シリコン基板11の表面にベース領域13、エミッタ領域14の一部を露出させる開口部を有した絶縁膜15が形成され、その露出されたベース領域13、エミッタ領域14上にアルミニウム等の金属が蒸着されベース電極16、エミッタ電極17が形成される。このような構成のトランジスタではシリコン基板がコレクタ電極18となる。
【0004】
上記のように、トランジスタ素子が形成されたシリコン基板1は、図9に示すように、銅ベースの放熱板等のアイランド2に半田等のろう材5を介して固着実装され、シリコン基板1の周辺に配置されたリード端子3にトランジスタ素子のベース電極、エミッタ電極とがそれぞれワイヤーボンディングによってワイヤーで電気的に接続されている。コレクタ電極に接続されるリード端子はアイランドと一体に形成されており、シリコン基板をアイランド上に実装することで電気的に接続された後、エポキシ樹脂等の熱硬化型樹脂4によりトランスファーモールドによって、シリコン基板とリード端子の一部を完全に被覆保護し、3端子構造の半導体装置が提供される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
樹脂モールドされた半導体装置は、通常、ガラスエポキシ基板等の実装基板に実装され、実装基板上に実装された他の半導体装置、回路素子と電気的に接続され所定の回路動作を行うための一部品として取り扱われる。
図10は、実装基板上に半導体装置を実装したときの断面図を示し、20は半導体装置、21、23はベース又はエミッタ電極用のリード端子、22はコレクタ用のリード端子、30は実装基板である。
【0006】
実装基板30上に半導体装置20が実装される実装面積は、リード端子21、22、23とそのリード端子と接続される導電パッドで囲まれた領域によって表される。実装面積は半導体装置20内のシリコン基板(半導体チップ)面積に比べ大きく、実際に機能を持つ半導体チップの面積に比べ実装面積の殆どはモールド樹脂、リード端子によって取られている。
【0007】
ここで、実際に機能を持つ半導体チップ面積と実装面積との比率を有効面積率として考慮すると、樹脂モールドされた半導体装置では有効面積率が極めて低いことが確認されている。有効面積率が低いことは、半導体装置20を実装基板30上の他の回路素子と接続使用とする場合に、実装面積の殆どが機能を有する半導体チップとは直接関係のないデッドスペースとなる。有効面積率が小さいと上記したように、実装基板30上でデットスペースが大きくなり、実装基板30の高密度小型化の妨げとなる。
【0008】
特に、この問題はパッケージサイズが小さい半導体装置に顕著に現れる。例えば、EIAJ規格であるSC−75A外形に搭載される半導体チップの最大サイズは、図11に示すように、0.40mm×0.40mmが最大である。この半導体チップを金属リード端子とワイヤーで接続し、樹脂モールドすると半導体装置の全体のサイズは、1.6mm×1.6mmとなる。この半導体装置のチップ面積は0.16mmで、半導体装置を実装する実装面積は半導体装置の面積とほぼ同様として考えて、2.56mmであるため、この半導体装置の有効面積率は約6.25%となり、実装面積の殆どが機能を持つ半導体チップ面積と直接関係のないデットスペースとなっている。
【0009】
この有効面積率に関する問題は、特に、上記したようにパッケージサイズが極めて小さく、チップサイズが大きい半導体装置において顕著に現れるが、半導体チップを金属リード端子でワイヤー接続し、樹脂モールドする、樹脂封止型の半導体装置であれば同様に問題となる。
近年の電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ、電子手帳等の携帯情報処理装置、8mmビデオカメラ、携帯電話、カメラ、液晶テレビ等において用いられる実装基板は、電子機器本体の小型化に伴い、その内部に使用される実装基板も高密度小型化の傾向にある。
【0010】
しかし、上記の先行技術の樹脂封止型の半導体装置では、上述したように、半導体装置を実装する実装面積にデットスペースが大きいため、実装基板の小型化に限界があり、実装基板の小型化の妨げの一つの要因となっていた。
ところで、有効面積率を向上させる先行技術として特開平3−248551号公報がある。この先行技術について、図12にもとずいて簡単に説明する。この先行技術は、樹脂モールド型半導体装置を実装基板等に実装したときの実装面積をできるだけ小さくするために、半導体チップ40のベース、エミッタ、及びコレクタ電極と接続するリード端子41、42、43を樹脂モールド44の側面より外側に導出させず、リード端子41、42、43を樹脂モールド44側面と同一面となるように形成することが記載されている。
【0011】
この構成によれば、リード端子41、42、43の先端部分が導出しない分だけ実装面積を小さくすることができ、有効面積率を若干向上させることはできる。
しかし、上記の半導体装置では、半導体チップと接続されるリード端子の先端部分は樹脂モールド44の底面部のコーナー部で折り曲げ加工されるために、その折り曲げ工程時の応力に十分耐えられる構造することから、樹脂モールド内に埋め込まれた各リード端子の長さを十分にしなければならず、結果的に樹脂モールドサイズが実装する半導体チップサイズに比べて大きくなり有効面積率の低下には至らない。さらに、半導体チップと接続される各リード端子を必要とし、材料コスト面及び製造工程が煩雑となり、製造コストを低減できない課題がある。
【0012】
有効面積率を最大限大きくするには、上記したように、半導体チップを直接実装基板上に実装することにより、半導体チップ面積と実装面積とがほぼ同一となり有効面積率が最大となる。
半導体チップを実装基板等の基板上に実装する一つの先行技術として、例えば、特開平6−338504号公報に示すように、半導体チップ45上に複数のバンプ電極46を形成したフリップチップを実装基板47上にフェイスダウンボンディングする技術が知られている(図13参照)。この先行技術は、通常、MOSFET等、シリコン基板の同一主面にゲート(ベース)電極、ソース(エミッタ)電極、ドレイン(コレクタ)電極が形成され、電流或いは電圧のパスが横方向に形成される比較的発熱量の少ない横型の半導体装置に主に用いられる。
【0013】
しかし、トランジスタデバイス等のようにシリコン基板が電極の一つとなり、各電極が異なる面に形成され電流のパスが縦方向に流れる縦型の半導体装置では、上記のフリップチップ技術を使用することは困難である。
半導体チップを実装基板等の基板上に実装する他の先行技術として、例えば、特開平7−38334号公報に示すように、実装基板51上に形成された導電パターン52上に半導体チップ53をダイボンディングし、半導体チップ53周辺に配置された導電パターン52と半導体チップ53との電極をワイヤ54で接続する技術が知られている(図14参照)。この先行技術では、先に述べたシリコン基板が一つの電極を構成した縦型構造のトランジスタ等の半導体チップに用いることはできる。
【0014】
半導体チップ53とその周辺に配置された導電パターン52とを接続するワイヤ54は通常、金細線が用いられることから、金細線とボンディング接続されるボンディング接合部のピール強度(引張力)を大きくするために、約200℃〜300℃の加熱雰囲気中でボンディングを行うことが好ましい。しかし、絶縁樹脂系の実装基板上に半導体チップをダイボンディングする場合には、上記した温度まで加熱すると実装基板に歪みが生じること、及び、実装基板上に実装されたチップコンデンサ、チップ抵抗等の他の回路素子を固着する半田が溶融するために、加熱温度を約100℃〜150℃程度にしてワイヤボンディング接続が行われているため、ボンディング接合部のピール強度が低下する問題がある。
【0015】
この先行技術では、通常、ダイボンディングされた半導体チップはエポキシ樹脂等の封止用樹脂で被覆保護されるために、ピール強度の低下はエポキシ樹脂の熱硬化時の収縮等によって接合部が剥離されるという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みて成されたものであり、本発明は、トランジスタ、集積回路が形成された半導体チップを内蔵した複合型の半導体装置の各半導体チップの入出力用の外部接続電極を同一平面上に配置し、各半導体チップの面積と実装基板上に実装される単一の半導体装置の実装面積との比率である有効面積率を最大限向上させ、実装面積のデットスペース最小限小さくした複合型の半導体装置を提供する。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の構成及び製造法を採用した。
即ち、本発明の半導体装置は、半導体基板内にトランジスタが形成された第1の半導体チップ及び、集積回路が形成された第2の半導体チップと、前記第1及び第2の半導体チップ表面に設けられ電極パッドと電気的に接続される複数の外部接続手段とを有し、前記第1及び第2の半導体チップは隣接配置されると共に電気的接続が行われ、且つその近傍に配置された前記外部接続手段と電気的接続が行われ、前記外部接続手段及び前記第1及び第2の半導体チップの一主面を露出させて封止用樹脂で固定されたことを特徴としている。
【0017】
ここで、複数の前記外部接続手段及び前記第1及び第2の半導体チップの一主面は同一平面上に配置されることを特徴としている。
上述したように、本発明の半導体装置によれば、トランジスタが形成された第1の半導体チップと集積回路が形成された第2の半導体チップとを隣接配置し、その各半導体チップの近傍に配置された複数の外部接続手段と第1及び第2の半導体チップとの電気的接続を行い、配線基板等の実装基板上に実装固着するための外部電極となる第1及び第2の半導体チップ及び複数の外部接続手段の一主面を露出させる用に封止用樹脂で固定することにより、従来の半導体装置のように、半導体チップをマウントする外部電極接続用の金属製のリード端子を不要とし、且つ、前記リード端子及び半導体チップの表面電極と接続する他のリード端子が封止モールド樹脂から導出しないために、複数の半導体チップを内蔵した複合型の半導体装置であってもその外観寸法を著しく小型化にすることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の実施形態について説明する。
本発明の半導体装置は、図1に示すように、トランジスタが形成された第1の半導体チップ61と、集積回路が形成された第2の半導体チップ81と、半導体チップ61、81の表面電極と電気的接続が行われる複数の外部接続手段62、82、83、84、85と、第1及び第2の半導体チップ61、81と外部接続手段62、82、83、84、85とを固定する封止用樹脂110とから構成される。
【0019】
第1の半導体チップ61はトランジスタが形成されており、例えば、図3に示すように、N+型の単結晶シリコン基板11上にエピタキシャル成長技術によりN-型のエピタキシャル層12が形成され、その半導体基板11にNPNトランジスタ等の能動素子が形成される。一方、第2の半導体チップ81には、集積回路が形成されている。
【0020】
本発明は、特に、第1及び第2の半導体チップ61、81の表面及び裏面側に外部接続電極を有する、いわゆる、縦型構造のデバイスに適合する。図3は、先に説明した一般的なNPNトランジスタの断面図であり、例えば、N-型のエピタキシャル層12をコレクタ領域としたトランジスタを形成したもので、半導体基板11上にホトレジストを形成し、ホトレジストによって露出された領域にボロン(B)等のP型の不純物を選択的に熱拡散して所定の深さを有した島状のベース領域13が形成される。
【0021】
ベース領域13形成後、半導体基板11上に再度ホトレジストを形成し、ホトレジストによって露出されたベース領域13内にリン(P)、アンチモン(Sb)等のN型の不純物を選択的に熱拡散してトランジスタのエミッタ領域14が形成される。このエミッタ領域14を形成する際に、ベース領域13を囲むリング状のガードリング用のN+型の拡散領域を形成しておく場合もある。
【0022】
半導体基板11の表面には、ベース領域13表面を露出するベースコンタクト孔及びエミッタ領域表面を露出するエミッタコンタクト孔を有するシリコン酸化膜、或いはシリコン窒化膜等の絶縁膜15が形成される。
ベースコンタクト孔、及びエミッタコンタクト孔によって露出されたベース領域13、エミッタ領域14上には、選択的にアルミニウム等の金属材料で蒸着されたベース電極16、エミッタ電極17及びそれら電極の外部接続用パッド(図示しない)が形成される。半導体基板11の裏面には、金属メッキ処理が行われ、コレクタ電極18として用いられる。
【0023】
第2の半導体チップ81は、例えば、単結晶のP型半導体基板が用いられ、バイポーラIC、MOSIC等の集積回路が形成される。例えば、図4に示すように、P型半導体基板に所定形状のフォトマスクを形成し、アンチモン等のN型の高濃度不純物を拡散して島状のN+型の埋め込みコレクタ領域101が形成される。フォトマスクを除去した後、基板100上にエピタキシャル成長技術によりN-型のエピタキシャル層102が形成される。
【0024】
エピタキシャル層102上にアイソレーション拡散領域を露出するマスクを形成し、かかる、アイソレーション拡散領域にボロン等のP+型の不純物を拡散してアイソレーション拡散領域103が形成される。このアイソレーション拡散領域103によりトランジスタの活性領域となるN型領域はP型の不純物で囲まれる。
【0025】
エピタキシャル層102にホトレジストを形成し、ホトレジストによって露出された領域にボロン(B)等のP型の不純物を選択的に熱拡散して所定の深さを有した島状のベース領域104が形成される。
ベース領域104形成後、エピタキシャル層102上に再度ホトレジストを形成し、ホトレジストによって露出されたベース領域104内及びコレクタ領域内にリン(P)、アンチモン(Sb)等のN型の不純物を選択的に熱拡散してトランジスタのエミッタ領域105及びコレクタコンタクト拡散領域106が形成される。
【0026】
ベース領域104表面を露出するベースコンタクト孔、エミッタ領域105表面を露出するエミッタコンタクト孔及びコレクタコンタクト拡散領域表面を露出するコレクタコンタクト孔を有するシリコン酸化膜、或いはシリコン窒化膜等の絶縁膜107が形成される。
ベースコンタクト孔、エミッタコンタクト孔、コレクタコンタクト孔によって露出されたベース領域104、エミッタ領域106、コレクタコンタクト領域107には、選択的にアルミニウム等の金属材料で蒸着されたベース電極107、エミッタ電極108、コレクタ電極109が形成される。
【0027】
本発明の特徴とするところは、第1及び第2の半導体チップ61、81の表面側に設けられた外部接続用電極パッド(ベース電極、エミッタ電極等)を複数のの外部接続手段62、82、83、84、85を介して封止用樹脂110より導出することなく各半導体チップ61、81裏面の外部接続用電極(コレクタ電極、アース電極)と同一面側に配置し、封止用樹脂サイズを最小限、コンパクトにして有効面積率を向上させるところにある。
【0028】
外部接続手段62、82、83、84、85は、第1及び第2の半導体チップ61、81表面に設けられたベース、エミッタ等の複数の外部接続用電極パッド数と対応するように各半導体チップ61、81の周辺近傍に配置される(図2参照)。外部接続手段62、82、83、84、85と第1及び第2の半導体チップ61、81のベース、エミッタ用等の電極パッドとは、金又はアルミニウム等の金属細線からなるワイヤにより電気的接続が成され、第1及び第2の半導体チップ61、81はこのワイヤによって電気的に接続された状態となる。例えば、図2に示すように、外部接続電極82には、ワイヤで第1の半導体チップ61のベース電極と接続し、さらに、第2の半導体チップ81の電極と接続することで、両半導体チップ61、81の接続がなされる。この実施形態では、外部接続電極を介して両チップの接続を行っていが、直接ワイヤで接続できることは説明するまでもない。
【0029】
外部接続手段62、82、83、84、85は銅、インバー、テルル等の金属片又はシリコン材料から成るシリコンチップ等の導電材料から構成されるものであれば特に限定されるものではない。本実施形態では、作業性及びコスト面を考慮し、シリコンチップが用いられている。ワイヤで電気的に接続がなされた半導体チップ61、81と外部接続用シリコンチップ62、82、83、84、85とはエポキシ樹脂等の熱硬化性の封止用樹脂110で固定される。この時、コレクタ電極及びアース電極となる第1及び第2の半導体チップ61、81の裏面と、入出力用の電極となる各外部接続用シリコンチップ62、82、83、84、85の裏面とは同一平面上に配置される。
【0030】
上述したように、本発明では、従来の半導体装置のように、半導体チップをマウントする外部電極接続用の金属製のリード端子を不要とし、且つ、そのリード端子及び半導体チップの表面電極と接続する他のリード端子が封止モールド樹脂から導出しないために、半導体装置の外観寸法を著しく小型化にすることができる。さらに述べれば、本発明では単一の半導体装置内にトランジスタが形成された第1の半導体チップ61と集積回路が形成された第2の半導体チップ81とを内蔵し、その半導体チップ61、81の裏面側を実装基板上に直接接続すること、及び各半導体チップ61、81の表面電極と接続される各外部接続手段をシリコンチップ62、82、83、84、85とする構造としたので、半導体チップ61、81と接続する金属製のリード端子を不要とすることができる。
【0031】
以下の本発明の半導体装置の製造方法について説明する。
先ず、図5に示すように、支持基板70の一主面上にポリイミド樹脂等の絶縁樹脂層71上に複数の第1及び第2の半導体チップ61、81及び複数のシリコンチップ62、82、83、84、85を規則的に配置する。第1及び第2の半導体チップ61、81は、例えば、図6に示すように、支持基板70のn行及びn行+偶数番目の行方向にトランジスタの第1の半導体チップ61を実装し、n+奇数番目の行方向に第1の半導体チップ61に隣接して集積回路の第2の半導体チップ81を実装する。隣接実装された各半導体チップ61、81を挟んで複数のシリコンチップ62、82、83、84、85を実装する。
【0032】
支持基板70は比較的熱伝導性が良好な材料からなるものが用いられ、例えば、銅、アルミニウム、セラミックス、ガラスエポキシ等から形成された厚さ約0.3mm〜1.2mmの薄状基板を用いる。その支持基板70上に膜厚約2μ〜5μ厚のポリイミド系の樹脂が約300℃〜約400℃の加熱温度で貼着される。
複数の半導体チップ61、81及び複数のシリコンチップ62、82、83、84、85は、支持基板70を上記した加熱温度よりも低い加熱温度、例えば約200℃〜約300℃に加熱した状態で支持基板70上に実装する。この時の加熱温度を最初の加熱温度より高温にしておくと、各半導体チップ61、81等を絶縁樹脂層71上にダイボンドしたときに接着力が高くなりすぎて,後述する支持基板70の剥離に悪影響を及ぼす。
【0033】
本実施形態では、外部接続用手段62、82、83、84、85は上述したように、シリコンチップを用いている。このシリコンチップ62、82、83、84、85のサイズは、各半導体チップ61、81サイズに依存するが、例えば、半導体チップサイズが0.40〜0.8mm×0.40〜0.8mmである場合には、シリコンチップサイズは0.25〜0.5mm×0.25〜0.5mm程度に設計すればよい。従って、シリコンチップ62、82、83、84、85も半導体チップ61、81同様に半導体ウエハを周知のダイシング技術により個別に形成することができる。本実施形態で使用されるシリコンチップ62、82、83、84、85には、内部抵抗を低減化する目的から表面から反主面まで高濃度不純物が拡散されている。
【0034】
支持基板70上には、それぞれのチップが個々に形成されたシリコンウエハからダイボンディング装置により、それぞれピックアップされ、図6に示すように、支持基板70上に指定された領域に規則的に複数の第1及び第2の半導体チップ61、81、及び、シリコンチップ62、82、83、84、85を上述した配列でダイボンディンする。ダイボンディングされた両チップは支持基板70上に形成された絶縁樹脂層71の接着力によって、支持基板70上に仮固着されることになる。
【0035】
両チップを支持基板70上に実装した後、図6に示すように、各半導体チップ61、81の表面に形成された外部接続用電極パッドと対応する各外部接続用のシリコンチップ62、82、83、84、85とをそれぞれ金、アルミニウム等の金属細線でワイヤーボンディング接続し電気的接続を行う。この際、例えば、同図に示すように、シリコンチップ82(外部接続電極82)には第1の半導体チップ61のベース電極と第2の半導体チップ81の電極とがそれぞれワイヤーボンディング接続され、シリコンチップ82を介してトランジスタが形成された第1の半導体チップ61と集積回路が形成された第2の半導体チップ81とが電気的に接続される。この実施形態では、シリコンチップ82を介して両チップ61、81の接続を行っていが、両チップを直接ワイヤで接続できることは説明するまでもない。
【0036】
次に、図7に示すように、支持基板70上にエポキシ樹脂等の熱硬化性の封止用樹脂110を塗布し、約150℃〜約200℃の温度で加熱処理を行い、支持基板70上に実装した複数の第1及び第2の半導体チップ61、81、及び複数のシリコンチップ62、82、83、84、85を封止用樹脂110で固定する。この時、半導体チップ61、81及びシリコンチップ62、82、83、84、85の表面が露出しないように封止用樹脂110の厚みを考慮する。
【0037】
両チップを封止用樹脂110で固定した後、図8に示すように、封止用樹脂110と密着した支持基板70を封止用樹脂110から剥離する。封止用樹脂110は、溶剤を用いて溶かす科学的剥離を行うか、又は支持基板70を約150℃〜約200℃に加熱し樹脂層の接着力を低下させた状態で機械的な剥離を行う。支持基板70を剥離し半導体チップ61、81及びシリコンチップ62、82、83、84、85の表面を露出させた後、封止用樹脂110で固定された少なくとも第1及び第2の半導体チップ61、81とその半導体チップ61、81と接続される各シリコンチップ62、82、83、84、85とを含む領域、具体的には、例えば、図8に示す矢印線及び図6に示す点線領域の封止用樹脂110をダイシング装置等の切断装置を用いて切断し個々に分割することにより、図1に示したトランジスタ及び集積回路の半導体チップを内蔵した複合型の半導体装置を製造することができる。
【0038】
上述した本発明の半導体装置の有効面積率を従来の半導体装置と比較してみると、従来例で説明した半導体装置のチップサイズは、0.40mm×0.40mmで、この半導体チップ61を金属リード端子とワイヤーで接続し、樹脂モールドすると半導体装置の全体のサイズが1.6mm×1.6mmとなる。チップ面積は0.16mm2に対して、半導体装置を実装する実装面積は半導体装置の面積とほぼ同様として考えて2.56mm2であるため、従来の半導体装置の有効面積率は約6.25%であった。
【0039】
それに対して、本発明の半導体装置はトランジスタ及び集積回路の半導体チップが内蔵され、そのチップサイズは多少異なるにしても、金属製リード端子が不要となる。従来のトランジスタ、集積回路の半導体装置2個分と比較した場合、実装基板上に実装する実装面積のデットスペースを小さくすることができ、実装基板の小型化に寄与することができる。
【0040】
上述した、本発明の半導体装置の製造法によれば、支持基板70上に半導体チップ61、81及びシリコンチップ62、82、83、84、85を実装し電気的接続を行い封止用樹脂110で固定した後、支持基板70を剥離し少なくとも半導体チップ61、81とその半導体チップ61、81と接続される外部接続手段62、82、83、84、85とを含んだ封止用樹脂110領域で個々に分割することにより、従来の半導体装置のような金属製のリード端子を不要にでき生産コストの低減化およびトランジスタと集積回路とを内蔵した半導体装置を多量生産することができる。
【0041】
本実施形態では、第1の半導体チップ61にトランジスタを形成したが、縦型或いは比較的発熱量の少ない横型のデバイスであればこれに限らず、例えば、パワーMOSFET、IGBT、HBT等のデバイスを形成した半導体チップ61、であっても、本発明に応用ができることは説明するまでもない。
【0042】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明の半導体装置によれば、トランジスタが形成された第1の半導体チップと集積回路が形成された第2の半導体チップとを隣接配置し、その各半導体チップの近傍に配置された複数の外部接続手段と第1及び第2の半導体チップとの電気的接続を行い、配線基板等の実装基板上に実装固着するための外部電極となる第1及び第2の半導体チップ及び複数の外部接続手段の一主面を露出させる用に封止用樹脂で固定することにより、従来の半導体装置のように、半導体チップをマウントする外部電極接続用の金属製のリード端子を不要とし、且つ、前記リード端子及び半導体チップの表面電極と接続する他のリード端子が封止モールド樹脂から導出しないために、複数の半導体チップを内蔵した複合型の半導体装置であってもその外観寸法を著しく小型化にすることができる。その結果、トランジスタ及び集積回路の半導体チップを内蔵した半導体装置の外観寸法を著しく小型化にすることができ、実装基板上に実装したときの不必要なデットスペースを無くすことができ、実装基板の小型化に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図2】本発明の半導体装置の裏面を示す図。
【図3】一般的なトランジスタの断面図。
【図4】一般的な集積回路の断面図。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。
【図8】本発明の半導体装置の製造方法を説明する図。
【図9】従来の半導体装置の断面図。
【図10】従来の半導体装置を実装基板上に実装した断面図。
【図11】従来の半導体装置の平面図。
【図12】従来の半導体装置の平面図。
【図13】従来の半導体装置を実装基板上に実装した断面図。
【図14】従来の半導体装置を実装基板上に実装した断面図。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having an improved mounting effective area ratio expressed by a ratio between a chip area of the semiconductor device and a mounting area where the semiconductor device is mounted on a mounting substrate such as a printed circuit board.
[0002]
[Prior art]
In general, a semiconductor device in which a transistor element is formed on a silicon substrate mainly has a configuration as shown in FIG. 1 is a silicon substrate, 2 is an island such as a heat sink on which the silicon substrate 1 is mounted, 3 is a lead terminal, and 4 is a resin mold for sealing.
[0003]
As shown in FIG. 3, the transistor element formed on the silicon substrate 11 has a base region formed by, for example, diffusing a P-type impurity such as boron into an N-type
[0004]
As described above, the silicon substrate 1 on which the transistor elements are formed is fixedly mounted on the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
A resin-molded semiconductor device is usually mounted on a mounting substrate such as a glass epoxy substrate, and is electrically connected to other semiconductor devices and circuit elements mounted on the mounting substrate to perform a predetermined circuit operation. Treated as a part.
FIG. 10 shows a cross-sectional view when a semiconductor device is mounted on a mounting substrate. 20 is a semiconductor device, 21 and 23 are base or emitter electrode lead terminals, 22 is a collector lead terminal, and 30 is a mounting substrate. It is.
[0006]
A mounting area where the
[0007]
Here, it is confirmed that the effective area ratio is extremely low in the resin-molded semiconductor device when the effective area ratio is considered as the ratio between the actually functioning semiconductor chip area and the mounting area. The low effective area ratio means that when the
[0008]
This problem is particularly noticeable in a semiconductor device having a small package size. For example, the maximum size of a semiconductor chip mounted on the outer shape of the SC-75A, which is an EIAJ standard, is a maximum of 0.40 mm × 0.40 mm as shown in FIG. When this semiconductor chip is connected to a metal lead terminal with a wire and resin-molded, the overall size of the semiconductor device is 1.6 mm × 1.6 mm. The chip area of this semiconductor device is 0.16 mm, and the mounting area for mounting the semiconductor device is 2.56 mm, assuming that it is almost the same as the area of the semiconductor device. Therefore, the effective area ratio of this semiconductor device is about 6.25. Therefore, most of the mounting area is a dead space not directly related to the area of the functioning semiconductor chip.
[0009]
This problem regarding the effective area ratio is particularly noticeable in a semiconductor device having a very small package size and a large chip size as described above, but the semiconductor chip is wire-connected with a metal lead terminal, resin-molded, and resin-encapsulated. A similar problem arises in the case of a type semiconductor device.
Mounting boards used in recent electronic devices, for example, portable information processing devices such as personal computers and electronic notebooks, 8 mm video cameras, mobile phones, cameras, liquid crystal televisions, etc. The mounting substrate used is also in the trend of high density and miniaturization.
[0010]
However, in the above-described prior art resin-encapsulated semiconductor device, as described above, since the mounting area for mounting the semiconductor device has a large dead space, there is a limit to downsizing of the mounting substrate, and downsizing of the mounting substrate. Was one of the obstacles.
By the way, there is JP-A-3-248551 as a prior art for improving the effective area ratio. This prior art will be briefly described with reference to FIG. In this prior art,
[0011]
According to this configuration, the mounting area can be reduced by the amount that the tip portions of the
However, in the semiconductor device described above, the tip portion of the lead terminal connected to the semiconductor chip is bent at the corner portion of the bottom surface portion of the resin mold 44, so that the structure can sufficiently withstand the stress during the bending process. Therefore, the length of each lead terminal embedded in the resin mold must be sufficient. As a result, the resin mold size becomes larger than the semiconductor chip size to be mounted, and the effective area ratio does not decrease. Furthermore, each lead terminal connected to the semiconductor chip is required, and the material cost and the manufacturing process become complicated, and there is a problem that the manufacturing cost cannot be reduced.
[0012]
In order to maximize the effective area ratio, as described above, by mounting the semiconductor chip directly on the mounting substrate, the area of the semiconductor chip and the mounting area are almost the same, and the effective area ratio is maximized.
As one prior art for mounting a semiconductor chip on a substrate such as a mounting substrate, for example, as shown in JP-A-6-338504, a flip chip in which a plurality of
[0013]
However, in a vertical semiconductor device such as a transistor device where a silicon substrate is one of the electrodes and each electrode is formed on a different surface and the current path flows in the vertical direction, the above-described flip chip technology is not used. Have difficulty.
As another prior art for mounting a semiconductor chip on a substrate such as a mounting substrate, for example, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 7-38334, a
[0014]
Since the
[0015]
In this prior art, since the die-bonded semiconductor chip is usually covered and protected with a sealing resin such as an epoxy resin, the decrease in peel strength is caused by the shrinkage of the epoxy resin during thermal curing, etc. There is a problem that.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and the present invention provides an external connection for input / output of each semiconductor chip of a composite semiconductor device incorporating a semiconductor chip on which a transistor and an integrated circuit are formed. Electrodes are arranged on the same plane, and the effective area ratio, which is the ratio between the area of each semiconductor chip and the mounting area of a single semiconductor device mounted on the mounting board, is maximized, and the dead space of the mounting area is minimized. Provided is a composite semiconductor device with a limited size.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following configuration and manufacturing method in order to solve the above problems.
That is, a semiconductor device according to the present invention is provided on a surface of a first semiconductor chip in which a transistor is formed in a semiconductor substrate, a second semiconductor chip in which an integrated circuit is formed, and the surfaces of the first and second semiconductor chips. A plurality of external connection means electrically connected to the electrode pads, and the first and second semiconductor chips are disposed adjacent to each other and electrically connected to each other, and are disposed in the vicinity thereof. Electrical connection is made with the external connection means, and the main surfaces of the external connection means and the first and second semiconductor chips are exposed and fixed with a sealing resin.
[0017]
Here, one main surface of the plurality of external connection means and the first and second semiconductor chips are arranged on the same plane.
As described above, according to the semiconductor device of the present invention, the first semiconductor chip in which the transistor is formed and the second semiconductor chip in which the integrated circuit is formed are arranged adjacent to each other and arranged in the vicinity of each semiconductor chip. First and second semiconductor chips which are external electrodes for electrically connecting the plurality of external connection means to the first and second semiconductor chips and mounting and fixing them on a mounting board such as a wiring board; Fixing with a sealing resin to expose one main surface of multiple external connection means eliminates the need for metal lead terminals for connecting external electrodes to mount semiconductor chips as in conventional semiconductor devices. In addition, since the lead terminals and other lead terminals connected to the surface electrodes of the semiconductor chip are not led out from the sealing mold resin, the semiconductor device is a composite semiconductor device having a plurality of semiconductor chips. It can also significantly reduce the size of the appearance dimension.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the semiconductor device of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the semiconductor device of the present invention includes a
[0019]
A transistor is formed in the
[0020]
The present invention is particularly suitable for a so-called vertical structure device having external connection electrodes on the front and back surfaces of the first and
[0021]
After the base region 13 is formed, a photoresist is formed again on the semiconductor substrate 11, and N-type impurities such as phosphorus (P) and antimony (Sb) are selectively thermally diffused in the base region 13 exposed by the photoresist. An
[0022]
An insulating film 15 such as a silicon oxide film or a silicon nitride film having a base contact hole exposing the surface of the base region 13 and an emitter contact hole exposing the surface of the emitter region is formed on the surface of the semiconductor substrate 11.
On the base contact hole 13 and the
[0023]
As the
[0024]
A mask that exposes the isolation diffusion region is formed on the
[0025]
A photoresist is formed on the
After the
[0026]
An insulating
The
[0027]
A feature of the present invention is that an external connection electrode pad (base electrode, emitter electrode, etc.) provided on the surface side of the first and second semiconductor chips 61, 81 is connected to a plurality of external connection means 62, 82. , 83, 84, 85 without being led out from the sealing
[0028]
The external connection means 62, 82, 83, 84, 85 correspond to the number of external connection electrode pads such as bases and emitters provided on the surfaces of the first and second semiconductor chips 61, 81. It is arranged near the periphery of the
[0029]
The external connection means 62, 82, 83, 84, 85 are not particularly limited as long as they are made of a metal piece such as copper, invar, tellurium or the like or a conductive material such as a silicon chip made of a silicon material. In the present embodiment, a silicon chip is used in consideration of workability and cost. The semiconductor chips 61, 81 and the external
[0030]
As described above, according to the present invention, unlike the conventional semiconductor device, the metal lead terminal for connecting the external electrode for mounting the semiconductor chip is unnecessary, and the lead terminal and the surface electrode of the semiconductor chip are connected. Since the other lead terminals are not led out from the sealing mold resin, the external dimensions of the semiconductor device can be remarkably reduced. More specifically, the present invention includes a
[0031]
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below.
First, as shown in FIG. 5, a plurality of first and second semiconductor chips 61, 81 and a plurality of
[0032]
The
The plurality of
[0033]
In the present embodiment, as described above, the external connection means 62, 82, 83, 84, 85 use silicon chips. The size of the
[0034]
On the
[0035]
After both the chips are mounted on the
[0036]
Next, as shown in FIG. 7, a
[0037]
After fixing both the chips with the sealing
[0038]
When the effective area ratio of the semiconductor device of the present invention described above is compared with that of a conventional semiconductor device, the chip size of the semiconductor device described in the conventional example is 0.40 mm × 0.40 mm. When the lead terminal is connected with a wire and resin molding is performed, the entire size of the semiconductor device becomes 1.6 mm × 1.6 mm. Since the chip area is 0.16
[0039]
On the other hand, the semiconductor device of the present invention incorporates a transistor and a semiconductor chip of an integrated circuit, and a metal lead terminal is not required even if the chip size is slightly different. Compared with two conventional transistors and integrated circuit semiconductor devices, the dead space of the mounting area to be mounted on the mounting substrate can be reduced, which contributes to downsizing of the mounting substrate.
[0040]
According to the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention described above, the semiconductor chips 61 and 81 and the
[0041]
In this embodiment, a transistor is formed on the
[0042]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the semiconductor device of the present invention, the first semiconductor chip in which the transistor is formed and the second semiconductor chip in which the integrated circuit is formed are arranged adjacent to each other. A plurality of external connection means arranged in the vicinity and the first and second semiconductor chips are electrically connected, and the first and second become the external electrodes for mounting and fixing on a mounting substrate such as a wiring substrate. A metal lead terminal for connecting an external electrode for mounting a semiconductor chip as in a conventional semiconductor device by fixing with a sealing resin to expose one main surface of the semiconductor chip and a plurality of external connection means And no other lead terminal connected to the lead electrode and the surface electrode of the semiconductor chip is led out from the sealing mold resin, so that a composite semiconductor device incorporating a plurality of semiconductor chips is provided. Even it can be significantly downsized their appearance dimensions. As a result, the external dimensions of a semiconductor device incorporating a transistor and an integrated circuit semiconductor chip can be significantly reduced, and unnecessary dead space when mounted on a mounting board can be eliminated. This can greatly contribute to downsizing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a back surface of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a general transistor.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a general integrated circuit.
FIGS. 5A and 5B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIGS.
6A and 6B illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
7A to 7C illustrate a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIGS. 8A to 8C are diagrams illustrating a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIGS.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device mounted on a mounting substrate.
FIG. 11 is a plan view of a conventional semiconductor device.
FIG. 12 is a plan view of a conventional semiconductor device.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device mounted on a mounting substrate.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device mounted on a mounting substrate.
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