JP3731453B2

JP3731453B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP3731453B2
Application number: JP2000207078A
Authority: JP
Inventors: 明間ケ部; 千良林
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-07-07
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: JP2002026241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法、ならびに電子機器に係り、特に、半導体チップを簡単な構成で積層し、製造が容易で、かつ、絶縁性の良い小型化された半導体装置及びその製造方法、ならびに電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高性能化、小型化に伴って一つのパッケージ内に複数の半導体チップを配置してマルチチップパッケージ（Multi Chip Package）とすることにより、半導体装置の高機能化と小型化とが図られている。そして、マルチチップパッケージ(ＭＣＰ)には、複数の半導体チップが平面的に並べられた平面型ＭＣＰと、複数の半導体チップを厚み方向に積層した積層型（スタックド）ＭＣＰとがある。半導体チップを平面的に並べられた平面型ＭＣＰは、広い実装面積を必要とするため、電子機器の小型化への寄与率が小さい。このため、半導体チップを積層した積層型ＭＣＰの開発が盛んに行われている。この例として、特開平６−３７２５０号公報や特開平６−２０４３９９号公報に記載の、半導体チップをパッケージに封止した後に垂直に積み重ね、ワイヤ、あるいは、バイアホールやスルーホールを用いてパッケージ間の電気的接続を行うことによりモジュールを形成する技術、などがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の積層型ＭＣＰでは、特開平６−３７２５０号公報においては、積層した半導体チップを相互に電気的に接続する場合、各半導体チップの周縁部に端子部を形成し、各チップの端子部間をワイヤによって接続している。このため、半導体チップ相互の電気的接続が煩雑となるばかりでなく、積層する半導体チップは、上にいくほどサイズを小さくしなければならず、集積効率、実装効率が低下する。また、半導体チップの集積度が向上させると、ワイヤ間が小さくなってワイヤ間で短絡を生ずる恐れがある。
【０００４】
また、特開平６−２０４３９９号公報においては、層間接続を行うために、バイアホールやスルーホールを形成する必要があるので次のように行うため製造プロセスが複雑になるという問題がある。すなわち、積層型ＭＣＰは、半導体チップと配線基板とを電気的に接続し、積層型ＭＣＰを作る際に積層単位となるチップキャリアを複数枚作成し、このチップキャリアとコンデンサフイルムと熱伝導基板とパッケージベースとを接着フイルムに接着する。そしてスルーホールを形成し、積層し接着した部品間の電気的接続を行う。このとき、バイアホールやスルーホールの加工には、層間の位置合わせ、および、正確な穴あけ位置を得るための加工精度の向上などの製造プロセスが困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に着目し、半導体チップのスルーホールにバンプを挿入した後に加圧して電極と接合して電気的に導電状態にするとともに、半導体チップと熱可塑性フイルムを中空ブロックに挿入し、中空ブロックを加熱して熱可塑性フイルムを溶融接合させることにより、半導体チップを積層して多層化した製造が容易で絶縁性が良く、小型の半導体装置およびその製造方法、ならびにこれを用いた電子機器を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、複数の半導体チップを積層して多層化した半導体装置において、半導体チップにスルーホールをあけるとともに、スルーホールに入るバンプを挿入し、加圧、あるいは、加圧と加熱によりバンプを電極と接合し、各半導体チップを電気的に接続するように構成したものである。
【０００７】
このように構成した本発明は、半導体チップにスルーホールをあけるとともに、スルーホールに入るバンプを挿入した後、少なくとも加圧を与えることによりバンプを電極と接合して各半導体チップを電気的に導電するよう接続する。また、半導体チップ間に挿入された熱可塑性フイルムが加熱されて溶融し、半導体チップを接合することにより多層化された半導体装置が構成される。
【０００８】
また、本発明に係る半導体装置は、半導体チップ間を熱可塑性フイルムで絶縁することが望ましい。
【０００９】
このように構成した本発明は、熱可塑性フイルムが半導体チップ間を絶縁するため、絶縁性がより確実になる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体装置は、ほぼ同一外形形状で形成した半導体チップ及び熱可塑性フイルムを中空ブロックに挿入した後に、加熱をおこない積層して多層化することが望ましい。
【００１１】
このように構成した本発明は、半導体チップ及び熱可塑性フイルムが中空ブロックに挿入された後に、加熱により熱可塑性フイルムを溶融して積層するようにしている。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、複数の半導体チップを積層して多層化した半導体装置の製造方法において、中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入するとともに、少なくとも中空ブロックを加熱して熱可塑性フイルムを溶融し半導体チップを接合して多層化して製造したものである。
【００１３】
このような方法で製造した本発明は、半導体チップは、中空ブロックに挿入した後に、加熱、あるいは加熱と加圧のいずれかをおこない熱可塑性フイルムを溶融して接合し積層するため、簡単な構成による製造装置で積層することが可能となり半導体装置の製造が容易になる。
【００１４】
また、本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、基板にあけたスルーホールの内壁に絶縁膜を形成するとともに、スルーホールに挿入するバンプとで電気的に導通状態となる半導体チップを製造する工程と、半導体チップの平面の寸法に合わせて熱可塑性フイルムを形成する工程と、中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入する工程と、熱可塑性フイルムを軟化し貫通したバンプを電極と接合するとともに、熱可塑性フイルムを溶融し半導体チップ間を接合し、電気的に各半導体チップを接続する中空ブロックを加熱する工程と、を有する製造するような方法でも良い。
【００１５】
このような方法で製造した本発明の半導体チップは、中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入し、
熱可塑性フイルムを加熱により溶融し接合するため、簡単な構成により多層化することをおこなっているため、製造が容易におこなえる。また、半導体チップのバンプは加熱により溶融し、かつ、加圧してスルホールに挿入したバンプと電極とを接合するため確実に接合するとともに、熱可塑性フイルムを介して半導体チップを接合するため、半導体チップ間の絶縁を確実にすることができる。また、前記と同様に、中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入するため、簡単な構成により積層することができので製造が容易になる。
【００１６】
また、本発明に係る電子機器は、上記構成の半導体装置を備えることが望ましい。
【００１７】
このように構成した本発明は、半導体装置は製造が容易で、かつ、小型で安価になるため、小型で安価な電子機器を得ることが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る半導体装置及びその製造方法、ならびに電子機器の好ましい実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施形態に係る半導体装置１の半導体チップ１１の一部側面断面図、図２から図４は半導体チップ１１の製造工程を説明するための一部側面断面図、図５は半導体チップ１１のスルーホールをあけるためのレーザ装置１３の概念図、図６は半導体チップ１１間に挿入される熱可塑性フイルム１５の斜視図、図７は半導体装置１を製造するため中空ブロック装置１７の一部斜視図である。
【００２０】
図１において、半導体装置１（図９に示す）を構成する半導体チップ１１は、基板となるシリコン単結晶基板２１（以下、基板２１という）の一面側２１ａにアルミニウムからなる電極２３が蒸着されるとともに、ＳｉＯ₂の絶縁膜２５が形成されている。また、半導体チップ１１には、一面側２１ａの全周囲近傍に複数のワイヤーボールバンプ２７（以下、バンプ２７という）が並べられて形成されている。このバンプ２７は、電極２３の上に形成されている。また、半導体チップ１１は、電極２３の下側で、基板２１の他面側２１ｂに所定の穴径Ｄａのスルーホール２９が形成されている。
【００２１】
この半導体チップ１１は、図２および図４のような工程で製造されている。先ず、図１に示すように、基板２１の一面側２１ａには、アルミニウムからなる電極２３が蒸着されるとともに、ＳｉＯ₂の絶縁膜２５が形成される。次に、図２に示すように、電極２３の下側にあけられたスルーホール２９は、先ず、レーザ装置１３からのレーザ光によりあけられた有底（寸止め）の下穴３１があけられる。この下穴３１は、例えば、図５に示すようなレーザ装置１３によりあけられている。レーザ光源３５からのレーザ光は、ビームエクスパンダ３７および反射ミラー３９を経て位相格子４１に到達する。そして、位相格子４１で分岐されたレーザ光は、集光レンズ４３を経て基板２１に照射され、下穴３１（図示では４個の孔）があけられる。この分岐は、例えば、最初にＸ方向に分岐し、次に方向を切換えて（位相格子４１と基板２１との相対移動により）Ｙ方向に分岐させる。あるいは、位相格子４１によりＸ方向とＹ方向とを同時に分岐させるようにしても良い。このようにして、同時に複数の下穴３１をあけることが出来るので、加工時間の短縮化が可能となっている。また、通常のように、位相格子４１を設けずに１個所ずつ下穴３１をあけても良い。
【００２２】
このレーザ光によりあけられた下穴３１は、エッチングにより図３に示すように、所定の大きさの内径孔４５に形成される。その内径孔４５および他面側２１bには、図４に示すように、ＣＶＤ法（又はＰＶＤ法）等により酸化シリコン膜の第１絶縁膜４７が形成され、図１に示すように所定の穴径Ｄａのスルーホール２９があけられる。このスルーホール２９は、電極２３に繋がり電極２３を露出している。更に、電極２３の上側には、金あるいは金メッキがされたバンプ２７が付設される。このバンプ２７は、前記の基板２１の穴径Ｄａに挿入されるバンプ外径ｄａを有する円錐、円柱、あるいは、台形円柱等により形成されている。このバンプ２７の高さＨａは、基板２１の厚さＴｉより大きく形成されている。この半導体チップ１１は、外形寸法が、図示の横方向の寸法がＫａで、また、図示されていないが紙面の上下方向の縦方向がＫｂ(図６のＳｂに対応している寸法)で形成されている。
【００２３】
図６に示すように、熱可塑性フィルム１５は、例えば、ポリエチレン、ポリアセタール等の結晶性プラスチック材料、あるいは、ポリスチレン、ポリカーボネート等の非結晶プラスチック材料等の絶縁性を有する材料からなっている。また、その外形寸法は、図示の横方向の寸法がＳａで、また、縦方向がＳｂで形成されている。即ち、外形形状が半導体チップ１１の基板２１の外形寸法（横寸法Ｋａ×縦寸法Ｋｂ）とほぼ同一に形成されている。又は、熱可塑性フィルム１５の外形寸法は、半導体チップ１１の基板２１の外形寸法（横寸法Ｋａ×縦寸法Ｋｂ）よりも若干小さく形成されるようにしても良い。
【００２４】
図７に示すように、中空ブロック装置１７は、有底の穴５１を有する中空ブロック部５３と、加圧する押圧蓋５５（図８に示す）により構成されている。押圧蓋５５は、有底の穴５１よりも小さくされており、加圧時に押圧蓋５５は穴５１に挿入されるように構成されている。この中空ブロック部５３の底部材５３ａおよび側面５３ｂには図示しないヒータ等の加熱装置が付設されており、所定の温度に上昇するように構成されている。また、押圧蓋５５にも加熱装置が付設されるようにしても良い。穴５１の内形寸法の横寸法Ｌａと縦寸法Ｌｂは、半導体チップ１１の基板２１の外形寸法（横寸法Ｋａと縦寸法Ｋｂ）より若干大きめに出来ており、半導体チップ１１および熱可塑性フィルム１５を容易に挿入することが出来るように構成されている。また、半導体チップ１１は、中空ブロック部５３の穴５１に挿入されたとき、下側に配置された半導体チップ１１のバンプ２７と、その隣接して上側に配置された半導体チップ１１のスルーホール２９が一致されるように構成されている。
【００２５】
次に、上記の部品により構成された半導体装置１の組立てについて、図７あるいは図８を用いて説明する。
【００２６】
半導体装置１を組立てるときには、図７に示す中空ブロック部５３の中、あるいは、中空ブロック部５３の外で、半導体チップ１１および熱可塑性フィルム１５を交互に積層して収納する。このとき、図８で示す一番下に配置される最下層チップの第１半導体チップ１１ａ、および、一番上に配置される最表層チップの第ｎ半導体チップ１１ｎは前記半導体チップ１１の工程を一部省略した形状としている。最下層チップの第１半導体チップ１１ａは電極２３の下側に設けられているスルーホール２９を、また、最上層チップの第ｎ半導体チップ１１ｎは電極２３の上側に設けられているバンプ２７を製作する工程を図８に示すように省略している。
【００２７】
次に、図７に示す中空ブロック部５３の中に半導体チップ１１および熱可塑性フィルム１５を交互に積層して半導体装置１が製造される場合について説明する。先ず、中空ブロック部５３の中に、最下層チップとなるスルーホール２９が明けられていない第１半導体チップ１１ａが挿入される。次に、第１熱可塑性フィルム１５ａが挿入される。このとき、第１熱可塑性フィルム１５ａは、第１半導体チップ１１ａのバンプ２７の上に載置され、バンプ２７により保持されている。
【００２８】
第１熱可塑性フィルム１５ａが第１半導体チップ１１ａの上に載置されたら、第２半導体チップ１１ｂがバンプ２７を上側にして挿入される。これにより、第１熱可塑性フィルム１５ａは、第１半導体チップ１１ａと第２半導体チップ１１ｂとの間に挟まれて、中空ブロック装置１７の有底の穴５１に挿入される。次に、前記と同様に、第２熱可塑性フィルム１５ｂが挿入される。この作業を順次繰り返して、半導体チップ１１と熱可塑性フィルム１５とが順次交互に所定の枚数だけ挿入される。
【００２９】
一番上となる最上層チップの第ｎ半導体チップ１１ｎ（図示では４個目）が挿入され、所定の枚数（ｎ）の半導体チップ１１と、その間に熱可塑性フィルム１５とが挿入されたら、中空ブロック装置１７は、一番上の第ｎ半導体チップ１１ｎの上に、押圧蓋５５が中空ブロック部５３に挿入される。所定の枚数（ｎ）の半導体チップ１１と、その間に熱可塑性フィルム１５とを収納した中空ブロック装置１７は、押圧蓋５５が図示しない加圧機により加圧される。また、このとき、中空ブロック装置１７は、ブロック部５３の底部材５３ａおよび側面５３ｂに付設された図示しない加熱装置からの加熱を与える。このとき,前記のごとく、押圧蓋５５から加熱するようにしても良い。なお、上記において、半導体装置１を組立てるときに中空ブロック部５３の中に順次挿入したが、中空ブロック部５３の外で交互に積層して組み立てて、それを中空ブロック部５３の中に収納するようにしても良い。
【００３０】
これにより、収納している半導体チップ１１と熱可塑性フィルム１５の温度を上昇させる。この所定の温度の上昇により、まず、熱可塑性フィルム１５が、軟化するとともに、押圧蓋５５により加圧されてバンプ２７により突き破られる。更に、温度の上昇により、熱可塑性フィルム１５は溶融して、隣接する各半導体チップ１１を接合するとともに、電気的に絶縁する。また、このとき、溶融した熱可塑性フィルム１５は、基板２１の穴径Ｄａ内とバンプ２７の外周との間に入り電気的に絶縁する。さらに、押圧蓋５５の加圧により、隣接する半導体チップ１１の下側バンプ２７が上側に配置された基板２１の穴径Ｄａ内に挿入されるとともに、下側バンプ２７が上側の半導体チップ１１の電極２３に当接して共昌により接着し、導電状態にしている。
【００３１】
例えば、図８の工程で接着され、図示を上下方向に角度で１８０度反転して示されている図９の半導体装置１において、第１半導体チップ１１ａの第１バンプ２７ａの先端部と電極２３とを共昌接合させて導電状態にしている。また、同時に、第１熱可塑性フィルム１５ａは、挿入されたブロック部５３の底部材５３ａと側面５３ｂにより加熱されて軟化してバンプ２７を貫通させる。貫通したバンプ２７は、下側に配置された第１半導体チップ１１ａのバンプ２７の先端部と、上側に配置された第２半導体チップ１１ｂの電極２３とを共昌させて、下側に配置された第１導体チップ１１ａのバンプ２７と、上側に配置された第２導体チップ１１ｂの電極２３とを加圧、あるいは、加圧と加熱により共昌接合させて導電状態にしている。このような状態が、例えば、他の第２導体チップ１１ｂと第３導体チップ１１ｃの間でも生じる。これにより、半導体装置１は、半導体チップ１１を熱可塑性フィルム１５で接合するとともに、熱可塑性フィルム１５を軟化貫通したバンプ２７で電気的に各半導体チップ１１を接続し一体化されて構成される。なお、上記例では、加圧、あるいは、加圧と加熱により行っているが、更に、超音波を与えることにより、バンプ２７の先端部と電極２３との共昌を促進することができる。
【００３２】
一体化された各半導体チップ１１および各熱可塑性フィルム１５は、
図９に示すように、最上層チップの第ｎ半導体チップ１１ｎの下側を除いて所定の厚さのモールド樹脂５７を流し込むとともに、最上層チップの第ｎ半導体チップ１１ｎに半田ボール等からなる外部接続端子５９を付設して半導体装置１が形成される。外部接続端子５９は外部と電気的に接続するように構成されている。
【００３３】
図１０は、他の実施例である半導体チップ１１Ａの一部断面を示している。前記半導体装置１では、半導体チップ１１は、電極２３の下側で、基板２１の他面側２１ｂに所定の穴径Ｄａのスルーホール２９が形成され、そのスルーホール２９の中に第１絶縁膜４７が形成されており、第１絶縁膜４７の内径の中にバンプ２７が入り隣接する各半導体チップ１１の電極２３を共昌接合させて導電状態にしている。
【００３４】
これに対して、図１０の他の半導体チップ１１Ａでは、スルーホール２９の第１絶縁膜４７の中に円筒形状よりなり電極２３に繋がる導通層６１を設け、導通層６１の所定の穴径Ｄａにより明けられた孔６３にバンプ２７が入るように構成されている。これにより、各半導体チップ１１間は、電極２３より導通層６１とバンプ２７とを接合させて更に確実に導電状態にするようにしている。この導通層６１は、スパッタでも、無電界メッキでも、あるいは他の手段でも良い。
【００３５】
図１１には、本発明の実施の形態に係る半導体装置１を実装した回路基板１０００を示している。回路基板１０００には、例えば、ガラスエポシキ基板等の有機系基板を用いることが一般的である。回路基板１０００には、例えば、銅からなるボンディング部が所望の回路となるように形成されている。そして、ボンディング部と半導体装置１の外部電極とを機械的に接続することでそれらの電気的導通が図られる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、スルーホール２９の内壁に絶縁膜を形成した半導体基板２１を用いたが、本発明はそれに限らない。例えば、半導体基板が、スルーホール２９の内壁に絶縁膜を形成した後に、導電層を形成した者であっても好適に用いることができる。この場合、導電層の形成方法としては、スパッタ、ＣＶＤ、無電解めっき等が好適に用いられる。
【００３７】
なお、半導体装置１は、実装面積をベアチップにて実装する面積にまで小さくすることが出来るので、この回路基板１０００を電子機器に用いれば電気機器自体の小型化が図られる。また、同一面積内においては、より実装スペースを確保することができ、高機能化を図ることも可能である。
【００３８】
そして、この回路基板１０００を備える電子機器として、図１２にノート型パーソナルコンピュータ１２００を示している。このノート型パーソナルコンピュータ１２００は、製造容易で小型化された安価な回路基板１０００を備えているため、小型化で安価にできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、熱可塑性フイルムを貫通したバンプで電気的に各半導体チップを接続するとともに、半導体チップを熱可塑性フイルムで加圧により接合したため、同じ加圧によりバンプと導電材を共昌して接続するために製造が容易になる。
【００４０】
また、半導体チップ及び熱可塑性フイルムはほぼ同一外形形状で形成し、中空ブロックに挿入した後に、加圧、あるいは、加圧と加熱のいずれかをおこない積層して多層化するため、製造が容易になる。また、半導体チップ間に樹脂を入れずに、熱可塑性フイルムのみで接合すると樹脂が少なく出来て厚さを薄くでき、小型化ができる。また、同一の半導体チップを用いるために、部品管理が容易になるとともに、同一部品の用いるため製作個数が多くなり安価になる。
【００４１】
また、半導体装置は製造が容易で、かつ、小型で安価になるため、小型で安価な電子機器を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の半導体チップの一部側面断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の半導体チップの下穴工程を説明するための一部側面断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の半導体チップのエッチング工程を説明するための一部側面断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の半導体チップの絶縁膜工程を説明するための一部側面断面図である。
【図５】半導体チップのスルーホールをあけるためのレーザ装置の概念図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体チップ間に挿入される熱可塑性フイルムの斜視図である。
【図７】本発明の半導体装置を製造する中空ブロック装置の一部の斜視図である。
【図８】本発明の半導体装置を製造するときの中空ブロック装置の説明図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体装置の側面断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る半導体装置の他の半導体チップの一部側面断面図である。
【図１１】実施形態に係る半導体装置の回路基板への適用例の説明図である。
【図１２】実施形態に係る半導体装置の電子機器への適用例の説明図である。
【符号の説明】
１……半導体装置
１１、１１Ａ……半導体チップ
１３……レーザ装置
１５……熱可塑性フイルム
１７……中空ブロック装置
２１……シリコン単結晶基板
２３……電極
２５……絶縁膜
２７……ワイヤーボールバンプ
２９……スルーホール
３１……下穴
５１……有底の穴
５３……中空ブロック部
５５……押圧蓋
５７……モールド樹脂
５９……外部接続端子
６１……導通層

Claims

複数の半導体チップを積層して多層化した半導体装置の製造方法において、中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入するとともに、少なくとも中空ブロックを加熱して熱可塑性フイルムを溶融し半導体チップを接合して多層化したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
基板にあけたスルーホールの内壁に絶縁膜を形成するとともに、スルーホールに挿入するバンプとで電気的に導通状態となる半導体チップを製造する工程と、
半導体チップの平面の寸法に合わせて熱可塑性フイルムを形成する工程と、
中空ブロックの穴に半導体チップと熱可塑性フイルムとを順次交互に挿入する工程と、
熱可塑性フイルムを軟化し貫通したバンプを電極と接合するとともに、熱可塑性フイルムを溶融し半導体チップ間を接合し、電気的に各半導体チップを接続する中空ブロックを加熱する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。