JP3718205B2 - チップ積層型半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

チップ積層型半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体チップが積み重ねられた構成を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置の１種として、半導体チップの実装密度を向上させるために複数の半導体チップを基板上に積み重なるように搭載し、それらをモールド樹脂により封止したチップ積層型半導体装置が知られており（例えば特許文献１）、この半導体装置はスタックトパッケージとも称される。
【０００３】
図５（ａ）、（ｂ）は、従来のチップ積層型半導体装置を示す。図５（ａ）は断面図、（ｂ）はその上方から透視的に見た平面図である。
【０００４】
このチップ積層型半導体装置では、基板１０１の上に、第１接着層１０２を介して第１半導体チップ１０３が、いわゆるフリップチップ実装により搭載されている。基板１０１は、上面に電極パッド１０１ａを有し、下面にランド１０１ｂを有する。第１半導体チップ１０３は、バンプ１０３ａを有し、バンプ１０３ａを下側にして搭載されている。
【０００５】
第１半導体チップ１０３の上段に第２接着層１０４を介して、電極パッド１０５ａを有する第２半導体チップ１０５が搭載されており、第２半導体チップ１０５の電極パッド１０５ａと基板１０１の電極パッド１０１ａとはワイヤー１０６により電気的に接続されている。第１半導体チップ１０３、第２半導体チップ１０５及びワイヤー１０６は、モールド樹脂１０７により封止されている。
【０００６】
ここで、基板１０１の平面形状の対象軸である中心軸Ａ、第１半導体チップ１０３の中心軸Ｂ、第２半導体チップ１０５の中心軸Ｃは、全て重なるように配置されている。
【０００７】
第１接着層１０２は液状接着剤を硬化させたものであり、第１半導体チップ１０３を基板１０１に搭載後、その両者の間隙のバンプ１０３ａを除く全ての領域に充填・硬化されることによって、第１半導体チップ１０３を基板１０１に強固に固定している。これにより、バンプ１０３ａに働く応力が基板１０１のチップ搭載領域全体に分散するので、半導体装置の信頼性が向上する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０４７２０号公報（第７頁、図３）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のチップ積層型半導体装置においては、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１半導体チップ１０３の外縁部よりはみ出している第１接着層１０２の周縁部１０２ａ（以下フィレットと称する）が存在する。このフィレット１０２ａの形成に対処するために、フィレット１０２ａの面積分だけ基板１０１を大きくしなければならず、半導体装置の小型化が阻害されていた。
【００１０】
この問題について、以下に詳細に説明する。上述の通り、第１接着層１０２は液状の接着剤が硬化したものであり、その表面形状は接着剤の表面張力によりある曲率をもって形成される。特に第１半導体チップ１０３の外周４辺のうち、接着剤の注入口となる辺において接着剤は溜り部を形成するため、フィレット１０２ａの体積は大きくなり、基板１０１上に占める面積も大きくなる。第２半導体チップ１０５と基板１０１とを電気的に接続する電極パッド１０１ａは、基板１０１におけるフィレット１０２ａが形成される領域の周囲に設けられているが、フィレット１０２ａの構成材料である接着剤が電極パッド１０１ａに付着するとワイヤー１０６の接続不良の原因となり、半導体装置の信頼性を低下させる。そのため、電極パッド１０１ａは、フィレット１０２ａが形成される領域の端部より一定の距離だけ隔離して配置する必要があり、基板１０１の面積を縮小する際の障害となっていた。
【００１１】
一方、フィレット１０２ａは、第１半導体チップ１０３の外縁部で接着剤の注入口とならない３辺においては、接着剤の注入口となる１辺においてよりも小さく成形される。従って、接着剤の注入口とならない３辺に対応する電極パッド１０１ａを、接着剤の注入口となる１辺において第１半導体チップ１０３から隔離した位置よりも第１半導体チップ１０３側に接近させて基板１０１を設計することは可能である。しかしながらその場合には、ワイヤー１０６の長さは接着剤の注入口となる辺において、他の３辺におけるワイヤー１０６の長さよりも長くなる。ワイヤー１０６の長さが４辺で不均等であると、そのワイヤーのループ形状を決定する設備条件も各辺において変更が必要となり、作業時間の増大および歩留まり低下の原因となる。
【００１２】
また、フィレット１０２ａは第１半導体チップ１０３の上面にまではみ出して形成されることがあり、これが第２接着層１０４の形成領域内に達して形成されると、第２半導体チップ１０５を第１半導体チップ１０３に強固に固定することができず、半導体装置の信頼性を阻害する。こうしたフィレット１０２ａの第１半導体チップ１０３上面へのはみ出しは、特に接着剤の注入口となる辺において発生しやすく、また第２半導体チップ１０５の第１半導体チップ１０３上段に対する接着不良は、接着剤の注入口となる辺から第２半導体チップ１０５の外縁部までの長さが短い場合に発生しやすい。
【００１３】
本発明は以上に述べた問題点を解決して、接着剤により形成されるフィレットによる影響を抑制し、小型でかつ量産性・信頼性に優れたチップ積層型半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のチップ積層型半導体装置は、電極パッドを有する基板と、前記基板上に第１接着層を介してフリップチップ実装された第１半導体チップと、前記第１半導体チップの上段に第２接着層を介して搭載され、電極パッドを有する第２半導体チップと、前記第２半導体チップの電極パッドと前記基板の電極パッドとを電気的に接続するワイヤーと、前記第１及び第２半導体チップと前記ワイヤーを封止するモールド樹脂とを備える。
【００１５】
そして、上記課題を解決するため、前記第１半導体チップは、その中心軸を前記基板の中心軸からオフセットさせて配置されており、そのオフセットの方向は、前記第１接着層が前記第１半導体チップの外縁部に形成するフィレットの、前記第１半導体チップの外縁部からの長さが最も大きい辺の対辺に向かった方向であることを特徴とする。
【００１６】
本発明のチップ積層型半導体装置の製造方法は、電極パッドを有する基板に第１半導体チップをフリップチップ実装する工程（Ａ）と、前記基板と前記第１半導体チップとの間隙に接着剤を注入することにより、前記接着剤よりなり且つ周縁部が前記第１半導体チップから外側にはみ出してフィレットとなる第１接着層を形成する工程（Ｂ）と、前記第１半導体チップの上段に第２の接着層を介して第２半導体チップを搭載する工程（Ｃ）と、前記第２半導体チップの電極パッドと前記基板の電極パッドとをワイヤーによって接続する工程（Ｄ）と、前記第１半導体チップと前記第２半導体チップ及び前記ワイヤーとをモールド樹脂にて封止する工程（Ｅ）とを備える。そして、前記工程（Ａ）において、前記第１半導体チップはその中心軸を前記基板の中心軸からオフセットさせて配置し、そのオフセットの方向を、前記工程（Ｂ）において前記接着剤を注入する辺の対辺に向かった方向とすることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上記構成の本発明のチップ積層型半導体装置によると、第１半導体チップが基板の中心位置から第１接着層のフィレットが少ない側にオフセットして基板に搭載されているため、従来にくらべて基板の面積を縮小でき、半導体装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１８】
第２半導体チップは、基板のほぼ中心位置に搭載されていることが好ましい。このようにすると、第２半導体チップと基板とを電気的に接続するワイヤーは第２半導体チップの４辺においてその長さをほぼ均等にできるため、作業時間を短縮しかつ品質を向上させ、量産性を高めることに寄与する。
【００１９】
上記構成の本発明の半導体装置の製造方法によると、第１半導体チップが基板の中心位置から第１接着層のフィレットが少ない方向にオフセットして基板に搭載されるため、従来にくらべて基板の面積を縮小でき、半導体装置の小型化を図ることが出来る。
【００２０】
上記製造方法の工程（Ｃ）において、第２半導体チップを基板のほぼ中心位置に搭載することが好ましい。このようにすると、第２半導体チップと基板とを電気的に接続するワイヤーは第２半導体チップの４辺においてその長さをほぼ均等にできるため、作業時間を短縮しかつ品質を向上させ、量産性を高めることに寄与する。
【００２１】
また、工程（Ｂ）より前に工程（Ｃ）を行うことが好ましい。このようにすると、工程（Ｂ）において形成されるフィレットが第１半導体チップの上面にまではみ出し、これが第１半導体チップの上面に第２接着層が接着するのを妨げる不具合が発生せず、半導体装置の信頼性を高めることに寄与する。
【００２２】
この製造方法の工程（Ｃ）において、第２半導体チップを、工程（Ｂ）において接着剤を注入する位置の第１半導体チップの辺と面一に搭載することが好ましい。このようにすると、工程（Ｂ）において第１半導体チップの外縁部の１辺から接着剤を注入する際、第１半導体チップの該接着剤を注入する辺の付近に形成される該接着剤の溜り部において、第１半導体チップの厚さに加えて第２接着層及び第２半導体チップの厚さの分だけ接着剤を多く溜めることができるため、接着剤が第１半導体チップの上面にまではみ出すことを防止し、半導体装置の信頼性を高めることに寄与する。
【００２３】
以下、本発明の実施形態に関わる半導体装置、およびその製造方法について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に関わるチップ積層型半導体装置を示し、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。
【００２５】
このチップ積層型半導体装置では、基板１０の上に第１接着層１１を介して、第１半導体チップ１２がフリップチップ実装されている。基板１０は方形状であり、上面に電極パッド１０ａを有し、下面にランド１０ｂを有する。第１半導体チップ１１は、バンプ１２ａを有し、バンプ１２ａを下側にして搭載されている。ここでＡは基板１０の平面形状の対象軸である中心軸、Ｂは第１半導体チップ１２の中心軸を示す。中心軸ＡとＢは、オフセットして（互いにずれて）配置されている。オフセットの方向については後述する。
【００２６】
第１半導体チップ１２の上面に第２接着層１３を介して、上面の周縁部に電極パッド１４ａを有する方形状の第２半導体チップ１４が搭載されている。ここでＣは第２半導体チップ１４の中心軸であり、中心軸Ｃが基板１０の中心軸Ａと重なるように第２半導体チップ１４が配置されている。第２半導体チップ１４の電極パッド１４ａと基板１０の電極パッド１０ａとは、ワイヤー１５により電気的に接続されている。さらに第１半導体チップ１２、第２半導体チップ１４及びワイヤー１５は、モールド樹脂１６で封止されている。
【００２７】
基板１０は、電極パッド１０ａとランド１０ｂを電気的に接続する導体をその内部に有するシート状の絶縁体である。それにより基板１０は、この半導体装置が搭載されるマザー基板（図示せず）と、第１半導体チップ１２及び第２半導体チップ１４とのとの電気的接続を中継する役割を担っている。基板１０の絶縁体の一般的な材料としては、無機物ではアルミナ等のセラミック、有機物ではエポキシ、ＢＴレジン、ポリイミド等が使用される。導体としてはＣｕやＷが使用される。マザー基板への実装に使用されるランド１０ａは格子状に配列されており、これをＬＧＡ（Land Grid Array）と称する。他の構造としてランド３ａに換えて金属ボールを搭載したＢＧＡ(Ball Grid Array)が挙げられる。
【００２８】
第１接着層１１は、基板１０と第１半導体チップ１２とを強固に固定し、かつ基板１０とバンプ１２ａとのフリップチップ接続の信頼性を確保する役割を担っている。第１接着層１１を構成する接着剤としては、エポキシ樹脂等を主剤とし、これに求める特性に応じて硬化剤やフィラー、希釈剤、カップリング剤等を添加した液状の熱硬化性樹脂を主として用いることができる。第１接着層１１を形成する工法としては、基板１０に搭載した第１半導体チップ１２の外縁部に液状の接着剤を滴下する方法を用いることができる。このようにすると、液状の接着剤は毛細管現象により基板１０と第１半導体チップ１２の間隙に充填されるので、その後硬化炉にて熱硬化すると第１接着層１１が形成される。尚、液状の接着剤は上述のように第１半導体チップ１２の下側に充填されるため、アンダーフィルと称されることもある。
【００２９】
第２接着層１３は、第１半導体チップ１２と第２半導体チップ１４とを固定する役割を担っている。第１接着層１１と同じくエポキシ樹脂等を主剤とした熱硬化性樹脂を主として用いることができる。熱硬化前の状態としては液状のものとフィルム状のものがあり、要求される特性や工法によって選択できる。フィルム状の接着剤を用いる代表的な工法の１例としては、第２半導体チップ１４がウェーハ状態のときに第２半導体チップ１４の裏面に接着剤を貼り付けておき、第２半導体チップ１４を個片化する際に同じサイズにフィルム状の接着剤を切り出して、当該接着剤を第１半導体チップ１３の上面に熱により圧着する方法を用いることができる。
【００３０】
第１半導体チップ１２及び第２半導体チップ１４には、一般的にはＳｉよりなるウェーハを用いるが、他にＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ等の化合物半導体よりなるウェーハも使用できる。尚、第１半導体チップ１２と第２半導体チップ１４とは同種材料でも異種材料でも構わない。
【００３１】
バンプ１２ａにはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、半田等を用いる。その形成方法としてはスタッドバンプ法、印刷法、マスク蒸着法、めっき法、転写法等を用いることができる。またバンプ１２ａと基板１０との接続方法としては、半田バンプを熱により溶融して接続する方法、バンプ１２ａに導電ペーストを付加して接着する方法、第１接着層１１の硬化収縮によりバンプ１２ａを基板１０に圧接する方法、超音波を印加して接続する方法、熱圧着する方法等の中から、バンプ１２ａの材料に応じて適宜選択することができる。
【００３２】
ワイヤー１５は一般的にＡｕ、又はＡｌ等よりなり、第２半導体チップ１４の電極パッド１４ａと基板１０上の電極パッド１０ａとを電気的に接続する役割を担っている。その接続方法としては、超音波併用熱圧着ボンディング法が主として用いられている。
【００３３】
モールド樹脂１６は一般的にエポキシ樹脂等を主剤とし、これに求める特性に応じて硬化剤やフィラー、硬化促進剤、カップリング剤、難燃剤等を添加した熱硬化性樹脂として用いる。熱硬化前のモールド樹脂１６の性状としては、その成形方法によって固形のもの又は液状のものを用いることができる。モールド樹脂１６の成形方法としては、固形の樹脂を用いる場合はトランスファ法、液状の樹脂を用いる場合はポッティング法や印刷法を用いることができる。
【００３４】
図１に示すように、第１の実施形態に係るチップ積層型半導体装置では、第１接着層１１の周縁部が第１半導体チップ１２の周縁部よりはみ出して、フィレット１１ａを形成している。フィレット１１ａは特定の１辺において他の３辺におけるフィレット１１ａより大きく形成されているが、これは前述したようにこの辺より第１接着層１１となる接着剤を注入しているからである。本実施形態では、第１半導体チップ１２の中心軸Ｂが基板１０の中心軸Ａに対して、フィレット１１ａが大きく形成された辺と対向する辺に向かってオフセットした状態で実装されている。それにより、第１半導体チップ１２を基板１０の中心部に配置する従来技術による場合に比べて、基板１０の面積を縮小できる。従って、半導体装置全体の小型化を実現できる。
【００３５】
さらに、第２半導体チップ１４の中心軸Ｃは基板１０の中心軸Ａと一致するように配置されているため、第２半導体チップ１４の周囲に形成するワイヤー１５の長さおよびループ形状を均一にできる。これにより、大きなフィレット１１ａの上空を跨ぐワイヤー１５を他の３辺のワイヤー１５より長くしなければいけない従来例に比べて、設備条件の変更が無く、作業時間が短縮でき且つ品質が均一化するため、量産性を向上させることが可能となる。
【００３６】
具体的な数値例では、例えば第１接着層１１となる接着剤が形成するフィレット１１ａの第１半導体チップ１２の外縁からの長さは、当該接着剤注入部となる辺において約２ｍｍ、その他の３辺において約０．５ｍｍである。従って、本実施形態によれば、その差１．５ｍｍと第１半導体チップ１２の外縁に沿ったフィレット辺の長さとの積の分だけ基板１０の面積を縮小することが可能となる。
【００３７】
また同時にワイヤー１５に関しても、従来技術の場合、接着剤注入部となる辺の上空に形成するワイヤー長さと他の３辺のおけるワイヤー長さとで１．５ｍｍ程度の差が必要となるが、本実施形態ではワイヤー長さの差をほぼ無くし、第２半導体チップ１４の各４辺で均等にすることが可能である。
【００３８】
尚、図１（ｂ）に示した半導体装置では、基板１０、第１半導体チップ１２および第２半導体チップ１４の平面形状は正方形であるが、これらは長方形であっても、基板１０の中心軸Ａと第１半導体チップ１２の中心軸Ｂとにオフセットを設け、基板１０の中心軸Ａと第２半導体チップ１４の中心軸Ｃとを一致させれば、基板１０の面積縮小及びワイヤー１５の長さ均等化は可能であり、半導体装置の小型化及び量産性の向上を図ることが可能である。
【００３９】
また、図１（ｂ）に示したように第２半導体チップ１４外縁の４辺すべてにおいてワイヤー１５が形成されている場合でなくとも、本実施の形態の思想に従い、基板１０の中心軸Ａと第１半導体チップ１２の中心軸Ｂとにオフセットを設ければ、基板１０の面積縮小の効果が得られ、半導体装置の小型化を図ることができる。その場合、フィレット１１ａの４辺の中で最も大きい辺のフィレット１１ａの上空にワイヤー１５が形成される構造であれば、基板１０の中心軸Ａと第２半導体チップ１４の中心軸Ｃとを一致させることにより、従来技術による場合と比べてワイヤー１５の長さ均等化を図ることができるため、半導体装置の量産性向上を図ることができる。
【００４０】
また、図１には、第１接着層１１を構成する接着剤の注入口となる第１半導体チップ１２の外縁部の１辺においてフィレット１１ａが最も大きい場合を示したが、これが例えばある隣り合う２辺において他の２辺におけるよりもフィレット１１ａが大きい場合であっても、本実施の形態の思想を適用可能である。その場合は、フィレット１１ａの大きな２辺のそれぞれに対して対向する辺に向かって、すなわち第１半導体チップ１２の対角線に沿って、フィレット１１ａの小さな２辺の方向に第１半導体チップ１２をオフセットして基板１０上に配置すれば、基板１０の面積を縮小させることができる。
【００４１】
また、以上の説明では、第１接着層１１を構成する接着剤として液状の樹脂を使用した場合について説明したが、第１接着層１１がフィルム状の場合であっても、特定の辺においてフィレット１１ａが大きくなる場合がある。それは、主として第１半導体チップ１２のバンプ１２ａの位置と数が、第１半導体チップ１２の４辺により不均等になる場合である。この場合においても、フィレット１１ａが最も大きな辺と対向する辺に向かってオフセットを設けて第１半導体チップ１２を基板１０に搭載すれば、基板１０の面積縮小により半導体装置の小型化を図ることが可能となる。
【００４２】
（第２の実施形態）
図２（ａ）〜（ｅ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００４３】
まず図２（ａ）に示すように、フリップチップボンディング工程とも呼ばれる工程（Ａ）を行う。本工程においては、電極パッドを有する基板１０の上面に第１半導体チップ１２を搭載する。ここで第１半導体チップ１２は、その中心軸Ｂを基板１０の中心軸Ａからのオフセットを設けて配置される。第１半導体チップ１２の電極パッド（図示せず）にはバンプ１２ａが設けられており、これが基板１０の電極パッドと接続されるように位置決めする。つまり、基板１０の上面に設けられた第１半導体チップ１２と接続する電極パッドは、基板１０の中心軸Ａと第１半導体チップの中心軸Ｂとのオフセット量だけ基板１０の中心軸Ａからずらして配置されるように設計されている。ここで、バンプ１２ａに導電ペーストを付与することによって基板１０の電極パッドに接続しても良い。オフセットする方向については、次の工程（Ｂ）において説明する。
【００４４】
次に図２（ｂ）に示すように、アンダーフィル工程と呼ばれる工程（Ｂ）を行う。本工程においては、基板１０と第１半導体チップ１２との間隙に液状の接着剤を注入することにより、その接着剤よりなる第１接着層１１を形成する。第１接着層１１は、周縁部が第１半導体チップ１２から外側にはみ出し、フィレット１１ａを形成する。注入はディスペンスにより行い、第１半導体チップ１２の外縁の１辺にディスペンスノズル１７を位置させて液状の接着剤を吐出させる。必要に応じて接着剤を注入する第１半導体チップ１２の辺に沿ってディスペンスノズル１７を往復運動させながら接着剤を吐出し、注入に必要な分量の接着剤の溜り部を形成する。接着剤は、接着剤自身が有する表面張力によって溜り部から第１半導体チップ１２と基板１０との間隙に充填される。ここで、接着剤が下方に流れるよう基板１０全体を傾斜させると接着剤の自重が接着剤を充填する方向に働くため、基板１０が水平の場合に比べて充填スピードの向上を図れるので好ましい。接着剤の充填が完了した後、注入された接着剤を熱硬化させることにより第１接着層１１が形成される。
【００４５】
ここで、第１接着層１１のフィレット１１ａについて具体的に説明する。第１半導体１２の縁部の１辺から接着剤を注入する場合を例に考えると、その１辺の周辺に接着剤の溜り部が形成される。そのため、接着剤の硬化後にその部分に形成されるフィレット１１ａは、第１半導体チップ１２の縁部からのはみ出し長さや第１半導体チップ１２の縁部における高さが、他の３辺におけるフィレット１１ａのはみ出し長さや高さより大きくなる。他の３辺では接着剤の表面張力及び熱硬化時の流動により自然にフィレット１１ａが形成されるため、そのフィレット１１ａは溜り部におけるほど大きくはならない。具体的に言うと、溜り部が形成された１辺でのフィレット１１ａのはみ出し長さは通常、最大２ｍｍ程度であり、他の３辺からのフィレット１１ａのはみ出し長さは０．５ｍｍ程度である。このように、第１接着層１１のフィレット１１ａの周縁部は、接着剤を注入する溜り部となる１辺において他の３辺に比べて、第１半導体チップ１２の縁部からはみ出す長さが長くなり、また第１半導体チップ１２の縁部での高さが大きくなる。尚、接着剤溜り部でのフィレット１１ａの形状は、使用する接着剤の材質、注入量、注入時間、硬化温度等の条件を最適化することにより制御することが可能である。
【００４６】
以上のことを考慮して、基板１０の中心軸Ａに対する第１半導体チップ１２の中心軸Ｂのオフセットは、フィレット１１ａの最も大きな辺に対向する辺に向かうように設ける。
【００４７】
次に、図２（ｃ）に示すように、スタックダイボンディング工程と呼ばれる工程（Ｃ）を行う。本工程においては、第１半導体チップ１２の上面に第２接着層１３を介して、上面の周縁部に電極パッドを有する第２半導体チップ１４を搭載する。このとき、第２半導体チップ１４の中心軸Ｃが基板１０の中心軸Ａに重なるように搭載すると、後述する次の工程（Ｄ）において形成するワイヤーの長さを第２半導体チップの周縁部４辺にて均一にすることができるため、好ましい。
【００４８】
第２接着層１３を構成する接着剤としては、第１接着層１１と同じくエポキシ樹脂等を主剤とした熱硬化性樹脂を主として用いることができる。熱硬化前の状態としては液状のものとフィルム状のもののいずれであっても、要求される特性又は工法によって選択可能である。フィルム状の接着剤を用いる代表的な工法は、第２半導体チップ１４がウェーハ状態のときに第２半導体チップ１４の裏面に接着剤を貼り付けておき、第２半導体チップ１４を個片化する際に同じサイズにフィルム状の接着剤を切り出して、その接着剤を第１半導体チップ１３の上面に熱により圧着するというものである。フィルム状の接着剤を用いる他の工法としては、ロール状に巻かれたフィルム状の接着剤から適当な面積分をカッターで切断し、第１半導体チップ１３の上面に熱により圧着し、その後、当該接着剤の上に第２半導体チップ１４を熱により圧着する方法を用いることができる。また、液状の接着剤を用いる工法としては、常温で第１半導体チップ１２の上面に液状の接着剤を滴下し、その接着剤の上に第２半導体チップ１４を搭載し、その後、インラインもしくはバッチ処理で硬化炉に投入して該接着剤を熱硬化させる方法を用いることができる。
【００４９】
次に図２（ｄ）に示すように、ワイヤーボンディング工程と呼ばれる工程（Ｄ）を行う。本工程においては、基板１０の電極パッドと第２半導体チップ１４の電極パッドとをワイヤー１５により接続する。ここで、上述のように、前の工程である工程（Ｃ）において第２半導体チップ１４の中心軸Ｃを基板１０の中心軸Ａに重なるように配置しておれば、第２半導体チップ１４の全周にわたりワイヤー長さを均等にでき、ワイヤリングの設備条件を４辺で全て同一にできるため作業が安定し、工程時間短縮及び歩留まり向上を実現することができる。
【００５０】
最後に、図２（ｅ）に示すように、封止工程と呼ばれる工程（Ｅ）を行う。本工程において、第１半導体チップ１２、第２半導体チップ１４及びワイヤー１５をモールド樹脂１６にて封止し、半導体装置としての外形を形成する。モールド樹脂１６は一般的にエポキシ樹脂等を主剤とし、これに求める特性に応じて硬化剤やフィラー、硬化促進剤、カップリング剤、難燃剤等を添加した熱硬化性樹脂よりなる。熱硬化前のモールド樹脂１６の性状としては、その成形方法によって固形のもの又は液状のものを用いることができる。モールド樹脂１６の成形方法としては、固形の樹脂を用いる場合はトランスファ法、液状の樹脂を用いる場合はポッティング法や印刷法を用いることができる。トランスファ法では、タブレット状のモールド樹脂１６をモールド金型内で一旦溶融した後、当該樹脂に圧力を印加してモールド金型内部で被封止体を保持した空間に注入して封止し、そのまま当該樹脂を熱硬化させる。モールド金型内での硬化のみでは硬化が不十分なことが多いので、多くの場合はその後硬化炉に投入しモールド樹脂１６を完全硬化させる。また、ポッティング法では、被封止体にモールド樹脂１６を塗布し、その後硬化炉にて硬化することにより封止体が形成される。また、印刷法の場合では、スクリーンマスクを被封止体に密着させ、印刷スキージによってスクリーンマスクの開口部にモールド樹脂を転写、スクリーンマスクを離した後、硬化炉に投入して硬化させることにより封止体が形成される。ここで、印刷するプロセスを真空チャンバー内で行うと、エア混入が抑制されるため、ボイド対策として有効である。
【００５１】
尚、図２では、第１接着層１１を構成する接着剤の注入口となる第１半導体チップ１２の外縁部の１辺においてフィレット１１ａが最も大きい場合について説明したが、これが例えば隣り合う２辺において他の２辺におけるよりもフィレット１１ａが大きい場合にも、本実施の形態の製造方法を適用して効果を得ることができる。その場合は、フィレット１１ａの大きな２辺のそれぞれに対して対向する辺に向かう方向、すなわち第１半導体チップ１２の対角線に沿ってフィレット１１ａの小さな２辺に向かう方向に第１半導体チップ１２をオフセットして基板１０上に配置すれば、基板１０の面積縮小により半導体装置の小型化を図ることが可能となる。
【００５２】
また、以上の説明では、第１接着層１１を構成する接着剤として液状の樹脂を使用した場合について説明したが、第１接着層１１がフィルム状の場合であっても特定の辺においてフィレット１１ａが大きくなる場合がある。それは、主として第１半導体チップ１２のバンプ１２ａの位置と数が第１半導体チップ１２の４辺により不均等になる場合である。この場合においても、フィレット１１ａが最も大きな辺と対向する辺に向かってオフセットを設けて第１半導体チップ１２を基板１０に搭載すれば、基板１０の面積縮小により半導体装置の小型化を図ることが可能となる。
【００５３】
（第３の実施形態）
図３（ａ）〜（ｅ）は、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００５４】
まず図３（ａ）に示すように、フリップチップボンディング工程とも呼ばれる工程（Ａ）を行う。本工程においては、電極パッドを有する基板１０の上面に、バンプ１２ａを有する第１半導体チップ１２をフリップチップ接続する。ここで第１半導体チップ１２はその中心軸Ｂを基板１０の中心軸Ａからオフセットさせて配置する。バンプ１２ａには導電ペーストを付与して基板１０の電極パッドに接続しても良い。オフセットは、後述のアンダーフィル工程において形成されるフィレット１１ａの最も大きな辺に対向する辺に向かうように設ける。
【００５５】
次に、図３（ｂ）に示すように、スタックダイボンディング工程と呼ばれる工程（Ｃ）を行う。本工程においては、第１半導体チップ１２の上面に第２接着層１３を介して、上面の周縁部に電極パッドを有する第２半導体チップ１４を搭載する。第２接着層１３を構成する接着剤としては、第１接着層１１と同じくエポキシ樹脂等を主剤とした熱硬化性樹脂を主として用いることができる。熱硬化前の状態としては液状のものとフィルム状のもののいずれであっても、要求される特性や工法によって選択可能である。
【００５６】
次に、図３（ｃ）に示すように、アンダーフィル工程と呼ばれる工程（Ｂ）を行う。本工程においては、基板１０と第１半導体チップ１２との間隙に液状の接着剤を注入することにより、当該接着剤よりなる第１接着層１１を形成する。第１接着層１１は、周縁部が第１半導体チップ１２から外側にはみ出してフィレット１１ａを形成する。注入はディスペンスにより行い、第１半導体チップ１２の外縁部にディスペンスノズル１７を位置させて液状の接着剤を吐出させる。
【００５７】
以下に、本工程についてより詳細に説明する。本工程における一般的な不具合として、液状の接着剤が第１半導体チップ１２の上面にはみ出したまま硬化することが挙げられる。この第１半導体チップ１２上面への接着剤のはみ出しは、上述の第２の実施形態の場合、第１半導体チップ１２の上面に第２半導体チップ１４をスタックダイボンドする際に第２接着層１３の接着を阻害し、第１半導体チップ１２と第２半導体チップ１４との接着強度不足の原因となる。さらに、この第１半導体チップ１２上面への接着剤のはみ出しが、第１半導体チップ１２と第２接着層１３との間に隙間を生じさせることがある。この隙間はモールド樹脂１６による封止後に大気中の水分を吸湿する原因となり、リフロー耐熱性その他の半導体装置としての信頼性を劣化させる原因となる。こうした第１半導体チップ１２上面への接着剤のはみ出しは、第１半導体チップ１２の厚さを薄肉化しようとした場合、より高い頻度で発生する。
【００５８】
しかしながら、本実施形態によれば、アンダーフィル工程（工程Ｂ）の前にスタックダイボンディング工程（工程Ｃ）を行うため、第２接着層１３と第１半導体チップ１２の上面との間に第１接着層１１のはみ出しが存在することは起こりえず、前述の第１半導体チップ１２と第２半導体チップ１４との接着強度不足や、第１半導体チップ１２と第２接着層１３との間の隙間は発生しない。従って量産歩留まりの向上及び半導体装置としての信頼性の向上を実現できる。
【００５９】
ここで、図３（ｂ）に示すスタックダイボンディング工程において、第２半導体チップ１４はその外縁部の１辺を、図３（ｃ）に示すアンダーフィル工程において接着剤を注入する第１半導体チップ１２の外縁部の１辺と面一の位置に配置することが好ましい。このようにすれば、アンダーフィル工程において第１半導体チップ１２の接着剤を注入する辺の付近に形成される接着剤の溜り部において、第１半導体チップ１２の厚さに加えて第２接着層１３及び第２半導体チップ１４の厚さの分だけ接着剤を多く溜めることができる。そのため、接着剤が第１半導体チップ１２の上面にまではみ出すことを防止し、半導体装置の信頼性を高めることに寄与する。特に第１半導体チップ１２の厚さをより薄肉化した場合において、第１半導体チップ１２の上面への接着剤はみ出しを防止する効果が著しい。
【００６０】
次に、図２（ｄ）に示すように、ワイヤーボンディング工程と呼ばれる工程（Ｄ）を行う。本工程においては、基板１０の電極パッドと第２半導体チップ１４の電極パッドとをワイヤー１５により接続する。
【００６１】
最後に、図２（ｅ）に示すように、封止工程と呼ばれる工程（Ｅ）を行う。本工程においては、第１半導体チップ１２、第２半導体チップ１４及びワイヤー１５をモールド樹脂１６にて封止し、半導体装置としての外形を形成する。
【００６２】
以上のとおり、本実施形態に依れば、第１半導体チップ１２を基板１０の中心軸Ａからオフセットして配置することにより、基板１０の面積を縮小し、半導体装置の小型化を実現できる。また、第１接着層１３の第１半導体チップ１２上面へのはみ出しが、第１半導体チップ１２と第２接着層１３との接着を阻害するのを防止することにより、第２半導体チップ１２の第１半導体チップ１４に対する接着品質を高めることができるため、半導体装置としての信頼性の向上を図ることができる。
【００６３】
（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態に係るチップ積層型半導体装置を示す断面図である。
【００６４】
この半導体装置においては、上面に電極パッド（図示せず）、下面にランド１０ｂを有する基板１０の上に、第１接着層１１を介してバンプ１２ａを有する第１半導体チップ１２が搭載されている。第１半導体チップ１２の中心軸Ｂは、基板１０の中心軸Ａからオフセットして配置されている。オフセットは、第１接着剤１１の第１半導体チップ１２からはみ出したフィレット１１ａが最も大きい辺に対向する辺に向かうように設けられている。
【００６５】
第１半導体チップ１２の上面に第２接着層１３を介して、上面の周縁部に電極パッド（図示せず）を有する第２半導体チップ１４が搭載されており、第２半導体チップ１４の電極パッドと基板１０の電極パッドとはワイヤー１５によって電気的に接続されている。ここで第２半導体チップ１４の中心軸Ｂは、基板１０の中心軸Ａとほぼ一致するよう配置されている。第２半導体チップ１４の上面に、第３接着層１８を介して、上面の周縁部に電極パッド（図示せず）を有する第３半導体チップ１９が搭載されており、第３半導体チップ１９の電極パッドと基板１０とはワイヤー２０により電気的に接続されている。ここで第３半導体チップ１９の中心軸Ｄは、基板１０の中心軸Ａ及び第２半導体チップ１４の中心軸Ｃとほぼ一致させて配置されている。第１半導体チップ１２、第２半導体チップ１４、第３半導体チップ１９、ワイヤー１５、及びワイヤー２０はモールド樹脂１６により封止されることにより、半導体チップを３段に積層した半導体装置が形成されている。
【００６６】
本実施形態に依れば、第１半導体チップ１２を基板１０の中心軸Ａからオフセットして配置することにより、基板１０の面積を縮小し、半導体装置の小型化を実現できる。また、第２半導体チップ１４の中心軸Ｃ及び第３半導体チップ１９の中心軸Ｄが基板１０の中心軸Ａとほぼ一致していることにより、ワイヤー１５及びワイヤー２０は、当該半導体チップの全周にわたり均一な成形が可能となり、工程時間の短縮及び品質の向上を図ることが可能となる。
【００６７】
尚、図４に示した本実施形態では、第３半導体チップ１９はワイヤー２０により基板１０と電気的に接続されているが、これに対して第３半導体チップ１９がワイヤーによって第２半導体チップ１４と電気的に接続された場合であっても、また第３半導体チップ１９がバンプを介して第２半導体チップ１４とフリップチップ接合した場合であっても、上述と同様に半導体装置の小型化及び量産性の向上を図ることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係るチップ積層型半導体装置及びその製造方法によれば、基板にフリップチップ実装される第１半導体チップは、第１接着層のフィレットが最も大きい辺の対辺に向かって基板の中心位置からオフセットして配置されるため、基板面積の縮小が可能となる。従って、従来のチップ積層型半導体装置に比べて小型化が可能となる。
【００６９】
さらに、第１半導体チップの上面に搭載される第２半導体チップを、第２半導体チップの中心軸が基板の中心軸とほぼ一致する位置に配置することにより、第２半導体チップと基板とを電気的に接続するワイヤーの長さを第２半導体チップの全周にわたって均一にできる。それにより、ワイヤーボンディングの工程時間の短縮及び品質向上が可能となって、量産性の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係るチップ積層型半導体装置の断面図、（ｂ）はその平面図
【図２】 本発明の第２の実施形態に係るチップ積層型半導体装置の製造方法を工程順に示した断面図
【図３】 本発明の第３の実施形態に係るチップ積層型半導体装置の製造方法を工程順に示した断面図
【図４】 本発明の第４の実施形態に係るチップ積層型半導体装置の断面図
【図５】 （ａ）は従来のチップ積層型半導体装置の断面図であり、（ｂ）はその平面図
【符号の説明】
１０ 基板
１０ａ 電極パッド
１０ｂ ランド
１１ 第１接着層
１１ａ フィレット
１２ 第１半導体チップ
１２ａ バンプ
１３ 第２接着層
１４ 第２半導体チップ
１４ａ 電極パッド
１５ ワイヤー
１６ モールド樹脂
１７ ディスペンスノズル
１８ 第３接着層
１９ 第３半導体チップ
２０ ワイヤー
Ａ 基板の中心軸
Ｂ 第１半導体チップの中心軸
Ｃ 第２半導体チップの中心軸
Ｄ 第３半導体チップの中心軸

Claims (6)

  1. 電極パッドを有する基板と、前記基板上に第１接着層を介してフリップチップ実装された第１半導体チップと、前記第１半導体チップの上段に第２接着層を介して搭載され、電極パッドを有する第２半導体チップと、前記第２半導体チップの電極パッドと前記基板の電極パッドとを電気的に接続するワイヤーと、前記第１及び第２半導体チップと前記ワイヤーを封止するモールド樹脂とを備えた半導体装置であって、
    前記第１半導体チップは、その中心軸を前記基板の中心軸からオフセットさせて配置されており、そのオフセットの方向は、前記第１接着層が前記第１半導体チップの外縁部に形成するフィレットの、前記第１半導体チップの外縁部からの長さが最も大きい辺の対辺に向かった方向であることを特徴とするチップ積層型半導体装置。
  2. 前記第２半導体チップは前記基板のほぼ中心位置に搭載されている請求項１に記載のチップ積層型半導体装置。
  3. 電極パッドを有する基板に第１半導体チップをフリップチップ実装する工程（Ａ）と、前記基板と前記第１半導体チップとの間隙に接着剤を注入することにより、前記接着剤よりなり且つ周縁部が前記第１半導体チップから外側にはみ出してフィレットとなる第１接着層を形成する工程（Ｂ）と、前記第１半導体チップの上段に第２の接着層を介して第２半導体チップを搭載する工程（Ｃ）と、前記第２半導体チップの電極パッドと前記基板の電極パッドとをワイヤーによって接続する工程（Ｄ）と、前記第１半導体チップと前記第２半導体チップ及び前記ワイヤーとをモールド樹脂にて封止する工程（Ｅ）とを備え、
    前記工程（Ａ）において、前記第１半導体チップはその中心軸を前記基板の中心軸からオフセットさせて配置し、そのオフセットの方向を、前記工程（Ｂ）において前記接着剤を注入する辺の対辺に向かった方向とすることを特徴とするチップ積層型半導体装置の製造方法。
  4. 前記工程（Ｃ）において前記第２半導体チップを前記基板のほぼ中心位置に搭載する請求項３に記載のチップ積層型半導体装置の製造方法。
  5. 前記工程（Ｂ）より前に前記工程（Ｃ）を行う請求項３又は４に記載のチップ積層型半導体装置の製造方法。
  6. 前記工程（Ｃ）において前記第２半導体チップを、前記工程（Ｂ）において前記接着剤を注入する位置の第１半導体チップの辺と面一に搭載する請求項５に記載のチップ積層型半導体装置の製造方法。
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