JP4026882B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【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、高機能化し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13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14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13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配線基板に実装され、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14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を配線基板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規格のSC75A外形に搭載される半導体チップの最大サイズは、図15に示すように、0.40mm×0.40mmが最小である。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っても同様に問題となる。
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配線基板は、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17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が、デッドスペースの大きさはあまり改善されない。
有効面積率を向上させるためには、半導体装置の半導体チップ面積と実装面積とをほぼ同一にするこが条件であり、樹脂モールド型の半導体装置では、この先行技術の様に、リード端子の先端部を導出させなくても、モールド樹脂の存在によって有効面積率を向上させることは困難である。
【0012】
また、上記の半導体装置では、半導体チップと接続するリード端子、モールド樹脂を必要不可欠とするために、半導体チップとリード端子とのワイヤ接続工程、モールド樹脂の射出成形工程という工程を必要とし、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。
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。
【0013】
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18参照)。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。
【0014】
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19参照)。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。
【0015】
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配線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。
【0016】
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熱硬化性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。
さらに、従来ではトランジスタと例えばバイポーラIC、MOSIC等の能動素子を実装基板上で接続する場合には、樹脂モールドされたトランジスタとバイポーラICを個々に実装しなければならず、上述したように実装基板の実装面積率を低下させる。
【0017】
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、半導体チップと接続されるリード端子、及びモールド樹脂を必要とせず、半導体チップ面積と実装基板上に実装する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、高機能、且つ接続信頼性に優れた半導体装置を提供する。
【0018】
【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を採用した。
即ち、第1に本発明の半導体装置は、半導体基板の所定領域に能動素子が形成され、前記能動素子の電極パッドと接続される外部接続用電極は、前記基板から分離、若しくは、他の半導体基板から形成されたブロック片であり、前記ブロック片と前記能動素子は配線基板、若しくは、他の能動素子形成した半導体基板を介し、或いは、直接的に接合され、前記ブロック片、及び前記ブロック片と接合される前記能動素子の前記電極パッド、若しくは、前記配線基板或いは他の半導体基板上に形成された回路パターン上には、それぞれバンプ電極が形成され、前記各バンプ電極表面にはバリアメタル膜、接合金属が積層形成され、前記バリアメタル膜上に形成された前記接合金属で接合されたことを特徴としている。
【0019】
ここで、前記バンプ電極は金バンプであることを特徴としている。
ここで、前記能動素子はトランジスタ、パワーMOSFET、バイポーラIC或いはMOSLSIであることを特徴としている。
上述したように、半導体基板の所定領域に形成された能動素子の外部接続用電極を基板から分離、若しくは、他の半導体基板から形成されたブロック片とし、そのブロック片と能動素子は配線基板を介し、若しくは、直接的に接合され、ブロック片、及びブロック片と接合される能動素子の電極パッド、若しくは、配線基板上に形成された回路パターン上に形成されるバンプ電極表面にはバリアメタル膜、接合金属が積層形成され、バリアメタル膜上に形成された接合金属で接合することにより、従来の半導体装置のように、外部電極と接続する金属製のリード端子、保護用の封止モールドが不必要となり、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、バンプ電極表面に形成されたバリアメタル膜上の接合金属で接合するので熱応力等によるストレスがバンプ電極によって吸収することができる。
【0020】
【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、第1の半導体基板60と、能動素子が形成される能動素子形成領域61と、能動素子形成領域61に形成された第1の能動素子の一の電極であり、外部接続するための一の外部接続用電極62と、能動素子形成領域61と電気的に分離され第1の基板60の一部分を少なくとも能動素子の他の電極の外部電極とする複数のブロック片(以下、外部接続用電極63、64...という。)と、第1の基板60と対向配置された第2の半導体基板100と、第2の基板100に形成された第2の能動素子と、第1、第2の基板60、100及び外部接続用電極63、64...上に形成されたバンプ電極121、131とをから構成されている。
【0021】
第1の半導体基板60は、例えば、N+型の単結晶シリコン基板が用いられ、その第1の基板60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66が形成される。第1の半導体基板60の所定領域はパワーMOS、トランジスタ等の第1の能動素子が形成される能動素子形成領域61と少なくとも第1の能動素子の電極接続される複数の外部接続用電極63、64...となる外部接続電極領域63A,64A...とが設けられている。
【0022】
この能動素子形成領域61に上記した第1の能動素子が形成される。ここでは、N-型のエピタキシャル層をコレクタ領域66Aとしたトランジスタが形成される。能動素子形成領域61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71が形成される。
【0023】
ベース領域71形成後、能動素子形成領域61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71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72が形成される。このエミッタ領域72を形成する際に、ベース領域71を囲むリング状のガードリング用のN+型の拡散領域73を形成しておく場合もある。さらに、N+型のエミッタ領域72を形成する際、N+型の拡散は外部接続用電極となる電極領域63A,64A...上にも行われ、電極領域63A、64A...に高濃度拡散層81が形成される。
【0024】
第1の半導体基板60の表面には、ベース領域71表面を露出するベースコンタクト孔及びエミッタ領域72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74が形成される。ガードリング用の拡散領域73を形成した場合には、かかる、拡散領域73表面を露出するガードリングコンタクト孔が形成される。この絶縁膜74は、外部接続用電極となる電極領域63A,64A...上にも形成され、電極領域63A,64A...の表面を露出する外部接続用コンタクト孔が形成されている。
【0025】
ベースコンタクト孔、エミッタコンタクト孔、外部接続用コンタクト孔及びガードリングコンタクト孔によって露出されたベース領域71、エミッタ領域72、電極領域63A,64A及びガードリング拡散領域73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75、エミッタ電極76、接続用電極77が形成される。
【0026】
ベース電極75、エミッタ電極76、及び接続用電極77にアルミニウムを用いた場合には、基板60上にPSG膜、SiN、SiNx等の絶縁物からなるパッシベーション膜74Aを形成し、ベース電極75、エミッタ電極76、接続用電極77上のパッシベーション膜74Aを選択的に除去し、各電極75、76、77の表面を露出させる。さらに、露出された領域内にクロム、銅、チタン等をメッキ或いは蒸着により選択的に付着し第1のバリアメタル膜79を形成し各電極75、76、77の腐食による不具合を防止する。
【0027】
図2は、図1で示された各バンプ電極121、131が形成された領域部分を示す拡大断面図であり、上記各電極75、76、77の第1のバリアメタル膜79上には、約30〜50μmの高さを有するバンプ電極121が形成される。このバンプ電極121は金メッキ処理により形成され、そのバンプ電極121表面上には、クロム、銅、チタン等をメッキ或いは蒸着により選択的に付着し数千オングストロームの第2のバリアメタル膜122が形成される。
【0028】
さらに、この第2のバリアメタル122上には後述する他の基板と電気的に接合を行うために、接合用の金属を蒸着し接合層123が形成される。この接合層123に用いられる金属材料は、金(Au)からなるバンプ電極121の融点よりも低い融点を有し、且つ、後述する実装基板上に実装する際に用いられる半田材料の融点よりも高い材料が用いられる。具体的には、金(Au)の融点は通常約1063℃であり、実装基板上に実装する際に用いられる半田材料の融点を約170℃〜190℃であるとすると、接合層123に用いられる材料は、両者の温度範囲内の融点を有するものであれば良く、例えば、融点が約370℃の金すず(AuSn)を用いる。
【0029】
一方、第2の基板100上には、第2の能動素子及び配線パターンが形成されており、この配線パターンによって、トランジスタのベース電極75、或いはエミッタ電極76と所定の外部接続電極領域63A,64A...との電気的が接続がそれぞれ行われる。
第2の半導体基板100は、例えば、単結晶のP型半導体基板が用いられ、その基板100にバイポーラIC、MOSIC等の第2の能動素子が形成される。例えば、図1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、第2の基板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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
第2の半導体基板100の表面には、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及び必要に応じてそれら各電極から延在される配線Aが所定の位置まで配置形成される。本実施形態は、コレクタ電極配線109Aは第1の基板60の外部接続用電極と接続するために所定の位置まで延在配置されている。
【0033】
ベース電極107、エミッタ電極108、及びコレクタ電極109にアルミニウムを用いた場合には、第2の基板100上にPSG膜、SiN、SiNx等の絶縁物からなるパッシベーション膜110を形成し、ベース電極107、エミッタ電極108、コレクタ電極109上或いは/及び必要に応じて各電極107、108、109から延在された配線Aの所定位置上のパッシベーション膜110を選択的に除去し、各電極107、108、109或いは/及び配線Aの表面を露出させる。さらに、露出された領域内にクロム、銅、チタン等を選択的にメッキ或いは蒸着して第1のバリアメタル膜111を形成し各電極等の腐食による不具合を防止している。
【0034】
さらに、第2の基板100上には、第1の基板60の能動素子形成領域61で形成された第1の能動素子の電極と、第1の基板60から形成される外部接続用電極とを接続するための冗長用のパターン配線112が形成される。このパターン配線112は、一般的な多層配線技術が用いられ、例えば、アルミニウム等に金属を選択的に蒸着して形成され、その上面にPSG膜、SiN、SiNx等の絶縁物からなるパッシベーション膜113を形成し、パターン配線の所定位置上のパッシベーション膜を選択的に除去し、配線112の表面を露出させる。さらに、露出された領域内に、上記したようにクロム、銅、チタン等を選択的にメッキ或いは蒸着して第1のバリアメタル膜114を形成し露出されたパターン配線112の腐食による不具合を防止している。
【0035】
第2の基板100上に形成された各第1のバリアメタル膜111、114上には、第1の基板60と同様に、約30〜50μmの高さを有するバンプ電極131が形成される。この接合層133に用いられる金属材料は、金(Au)からなるバンプ電極131の融点よりも低い融点を有し、且つ、後述する実装基板上に実装する際に用いられる半田材料の融点よりも高い材料が用いられる。具体的には、金(Au)の融点は通常約1063℃であり、実装基板上に実装する際に用いられる半田材料の融点を約170℃〜190℃であるとすると、接合層133に用いられる材料は、両者の温度範囲内の融点を有するものであれば良く、例えば、融点が約370℃の金すず(AuSn)を用いる。
【0036】
第2の基板100上には、図1からは明らかにされないが、複数のトランジスタ、ダイオード等の素子が形成され所定機能を有したバイポーラICが形成されている。
両基板60、100上に形成した各バンプ電極121、131は、図3に示すように、それぞれ一致させて各バンプ電極121、131上に形成した接合層123、133を溶融させて金バンプからなるバンプ電極121、131を接合材料として用いることなく、両接合層123、133で接合を行う。
【0037】
上述したように、両基板60、100に形成した各バンプ電極121、131を一致させ加熱雰囲気中内に配置し、バンプ電極121、131上に形成した接合層123、133のみを溶融させて電気的接合を行う。各接合層123、133と各バンプ電極121、131との間には、上記したように、第2のバリアメタル膜122、132が介在されているために溶融した接合層の金属材料とバンプ電極の金(Au)とが共晶することを防止している。ここで重要なことは、各バンプ電極121、131は、メッキ直後の組成状態のままで、両バリアメタル122、132上に形成された接合層123、133によって、第1の基板60上に形成された第1の能動素子の電極、および外部接続電極領域に形成された接続電極77との電気的接合が行われ両基板60、100上に形成された第1、第2の能動素子の電気的導通を行うことである。
【0038】
両半導体基板60、100はその間に介在される接着性樹脂によって強固に固着支持される。上記したように、両基板60、100上に形成したバンプ電極121、131を一致するように両基板60、100の位置合わせを行い、バンプ電極121、131、上に形成した接合層を溶融し電気的接合を行い、第1の基板60上の各電極75、76、77と第2の基板100上の電極及び配線パターンとの電気的導通が行われる。その後、両基板60、100に圧力を加えながら、両基板60、100のすき間に液状のエポキシ系の熱硬化性樹脂からなる含浸材を流し込み熱処理を行い樹脂層78を形成する。
【0039】
ところで、両基板60、100上に形成する各バンプ電極121、131の高さが低すぎると両基板60、100の離間距離、即ち樹脂層78の膜厚が薄くなり、後述するスリット孔80を形成したときに、スリット孔80の先端部分が第2の基板100の表面まで達し、配線パターン112或いは第2の能動素子を切断する可能性があり、両基板60、100の離間距離を十分に保つ必要があり各バンプ電極121、131の高さを考慮する必要がある。
【0040】
第1の基板60上に形成された能動素子形成領域61と外部接続電極領域63A,64A...とは、第1の基板60の裏面側から形成されたスリット孔80によって、それぞれ電気的に分離され、個々の領域61、63A,64A...が半導体装置の外部接続用電極62、63、64....となる。
例えば、図4に示すような、トランジスタQとそのトランジスタQを制御する4入力端子を有する制御回路とからなる等価回路を有する半導体装置の場合、トランジスタQは第1の基板60に形成され、制御回路は第2の基板100に形成される。この時、制御回路は例えば、バイポーラICで構成されるものとする。図3は外部接続用電極となる第1の基板60の裏面を示すものであり、この等価回路の半導体装置の外部接続用電極は、例えば、図5に示すように配列することができる。トランジスタQのVCC(コレクタ端子)用の外部接続電極62は上段中央部に、出力用の外部接続用電極63は下段左に配置される。制御回路の3入力用の外部接続用電極64、65、66及びアース用の外部接続用電極67は残りの位置に配置される。ここで、65A...67Aは分離前の電極領域を示す。
【0041】
さらに、述べると、能動素子形成領域61の第1の基板60は半導体装置のVCC用の外部接続用電極62、外部接続電極領域63Aの第1の基板60は半導体装置の入力用の外部接続用電極63、外部接続電極領域64A...の基板60は半導体装置の入力用の外部接続用電極64...となり、同一の第1の半導体基板60を用い、且つ、同一平面上に半導体装置の各入出力用の外部接続用電極62、63、64...が形成されることになる。
【0042】
半導体装置の外部接続用電極領域64A,63A...には、上記したように、高濃度拡散層81を形成していおり、外部接続用電極64.....と各電極を接続する配線抵抗によるロスを緩和している。この高濃度拡散層81は、電極領域64A,63A...のエピタキシャル層66の膜厚が比較的薄い場合、上記したように、エミッタ領域72を形成する拡散工程で形成される。
【0043】
エピタキシャル層60の膜厚が比較的厚い場合には、エピタキシャル層60を形成する前に、電極領域63A,64A...上にN+型の不純物をデポジションし、その後、エピタキシャル層60を形成し、さらに熱拡散工程を行い第1の基板60側から高濃度拡散領域81を成長させておいた状態にしておけば、エミッタ領域72を形成するときに高濃度拡散領域81、81が接触し、電極領域63A,64A...内に高濃度拡散層81を形成することができる。
【0044】
各外部接続用電極62、63、64....を電気的に分離するスリット孔80は、上記のように、第1の半導体基板60の裏面側から樹脂層78まで達するように形成され、例えば、イオンビーム、レーザ等を照射する光学的方法、ドライエッチング、ウエットエッチングによる化学的方法、或いはダイシング装置によるダイシングブレードを用いた機械的方法等により形成される。上記のいずれの方法によってもスリット孔80を形成することはできる。
【0045】
ここで重要なことは、スリット孔80の深さが浅くなると各外部接続用電極62、63、64...の電気分離が十分に行なわれず短絡不良となる不具合が生じるため、各外部接続用電極62、63、64....が完全に電気的に分離するように、スリット孔80の先端部(底部)は樹脂層78内に約2μ〜6μ程度入るように形成される。スリット孔80によって各外部接続用電極62、63、64...は完全に分離区画されるが、樹脂層78によって同一平面に支持固定される。また、各外部接続用電極62、63、64....となる第1の基板60表面には、半田メッキ等のメッキ層が形成され、実装基板上に形成された導電パターンとの半田接続を良好にする。
【0046】
スリット孔80内にはエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が充填され絶縁樹脂層95が形成される。この樹脂層95は分離された各外部接続用電極62、63、64...の電気的分離を確実に行う。また、この樹脂層95をスリット孔80に充填することにより、各外部接続用電極62、63、64...間の接着強度が向上し、ストレス等の外部応力に対する悪影響を予防することができる。スリット孔80の幅は数十μと非常に小さいので含浸性の熱硬化性の樹脂を用いることで容易にスリット孔80内に充填することができる。
【0047】
スリット孔80によって電気的に個々に分離された各外部接続用電極62、63、64...のエッヂ部分はテーパー部91が形成されている。このテーパー部91は、実装基板上に本発明の半導体装置を実装したときに、図6に示すように、各外部接続用電極62、63、64...と実装基板上に形成されたパッド(ランド)とを半田接合部分の半田フィレット形状を最適化にし、例えば、熱収縮等による半田接合部分の外部応力に対する強度を向上させるために形成されるものである。
【0048】
テーパー部91及び絶縁樹脂層95は以下の様に形成される。図7に示すように、各外部接続用電極62、63、64を分離形成するスリット孔80を形成する。スリット孔80を形成した後、基板60表面上に含浸性の熱硬化性樹脂を塗布しスリット孔80内に含浸材の絶縁樹脂層95を充填する。この時、スリット孔80内に確実に含浸材を充填するために基板表面上にも塗布された含浸材が残存し、熱処理後も薄膜状態で残存する。
【0049】
次に、図8に示すように、第1の基板60表面をバックグライダ等の研磨装置を用いて第1の基板60表面に残存した含浸材を研磨除去し、その基板60表面を露出させる。その後、図9に示すように、半導体基板60にスリット孔80が形成される領域に、ダイシング装置を用いて台形状のダイシングブレードで基板60を所定の深さでダイシング処理(基板60の表面を削る)を行う。このダイシング処理工程でテーパー部91を有した凹部92が基板60に形成される。テーパー部91の角度はダイシングブレードの形状によって決定され、半田接合部分の大きさ、半田量によって任意に設定することができる。
【0050】
第1の基板60に凹部92を形成した後、図10に示すように、第1の基板60の表面に半田等の金属のメッキ層93を形成する。メッキ層93はスリット孔80内に充填された樹脂層95表面以外の基板60全面に形成されるために凹部92のテーパー部91の表面上にも形成される。従って、この実施形態では、メッキ処理工程を挟んで2種類のダイシング工程が行われることになる。
【0051】
上記したように、凹部92形成後、スリット孔80を形成することにより、凹部92のテーパー部91が残存し、各外部接続用電極62、63、64...のエッヂ部分をテーパーすることができる。また、凹部92を形成した後、メッキ層93を形成し、スリット孔80を形成するとテーパー部91にも同一のメッキ処理工程でメッキ層を形成することができる。
【0052】
第1の半導体基板60にスリット孔80を設けて、各外部接続用電極62、63、64を電気的に分離形成した半導体装置は、セラミックス基板、ガラスエポキシ基板、フェノール基板、絶縁処理を施した金属基板等の配線基板上に形成された導電パターンのパッド上に固着実装される。このパッド上には半田クリームが予め印刷形成された半田層が形成されており、半田を溶融させて本発明の半導体装置を搭載すれば実装基板のパッド上に半導体装置を固着実装することができる。
【0053】
この際、上記したように、各外部接続用電極62、63、64...のエッヂ部分にテーパー部91が形成されていることにより、実装基板の導電パッド(ランド)との半田接合部分の半田フィレットを最適化することができ半田接合部分の接合強度が向上し接続信頼性を向上させる事ができる。この固着実装工程は、図示されないが、実装基板上に実装されるチップコンデンサ、チップ抵抗等の半田実装される他の回路素子の実装工程と同一の工程でできる。
【0054】
また、本発明の半導体装置を実装基板上に実装した時、各外部接続用電極62、63、64はスリット孔80の間隔分だけ離間されているために実装基板と固着する半田は隣接配置された外部接続用電極62、63、64を短絡させることはない。
実装基板上に半導体装置を実装し、図11に示すような、熱応力によるストレスが加わった場合、その応力によるストレスはバンプ電極121、131の接合部分にも影響を与える。しかし、本発明の半導体装置では、上記ストレスが接合部分に加わったとしても、接合自体は接合層123、133で行われており、金(Au)からなるバンプ電極121、131はメッキ直後の組成のままの状態が保たれているために、上記ストレスがバンプ電極121、131によって吸収され、第1のバリアメタル79、111とバンプ電極との接合面、或いは、電極75,76,77,107,109Aとの接合面で生じるクラック等の発生を抑制することができる。
【0055】
ところで、図12に示すように、本実施形態の半導体装置で、例えば、従来例で説明した半導体装置とほぼ同じ機能をもつ能動素子能動素子形成領域61を0.5mm×0.5mmサイズとし、ベース、エミッタ電極となる接続電極領域63A,64Aを0.3mm×0.2mmサイズとし、スリット孔80の幅を0.1mmとする半導体装置では有効面積率は次のようになる。即ち、素子面積が0.25mmであり、実装面積となる半導体装置の面積が1.28mmとなることから、有効面積率は約19.53%となる。
【0056】
従来例で説明した0.40mm×0.40mmのチップサイズを有する半導体装置の有効面積率は上記したように6.25%であることから、本発明の半導体装置では有効面積率で約3.12倍大きくなり、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。
【0057】
上述したように、第1の能動素子が形成された第1の半導体基板60と、第2の能動素子が形成された第2の半導体基板100とを一体化し、第1の能動素子と第2の能動素子とを電気的に接続し、且つ第1、第2の能動素子の外部接続電極は複数に電気的に分離分割された第1の半導体基板60を用いることにより、従来の半導体装置のように、外部電極と接続する金属製のリード端子、保護用の封止モールドが不必要となり、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、トランジスタ等の第1の能動素子とバイポーラIC等の第2の能動素子を複合化した高機能化された半導体装置を提供することができる。
【0058】
また、上記したように、外部接続用の金属リード端子、及び樹脂封止用モールドが不要であるために、半導体装置の製造コストを著しく低減化することができる。
さらに、本発明では、第1、第2の半導体基板60、100を用いて半導体装置を提供しているので、第1に、既存の半導体製造装置をそのまま使用することができ、新たに設備導入を行う必要がない。第2に、両基板60、100が共にシリコン基板であると熱膨張係数αが等しいため外部加熱或いは自己発熱による熱発生が生じた場合でも上下で同一応力が加わり相殺するために基板60、100の歪による悪影響を抑制することができる。
【0059】
さらに、各接続電極を接合している接合部分は、バンプ電極121、131上に形成された接合層で接合され、バンプ電極自体はメッキ直後の組成状態のままであるために、実装基板に実装して熱応力によるストレスを各バンプ電極が吸収し、クラック等による破損を防止することができる。
本実施形態では、第1の基板60の能動素子形成領域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等のデバイスを能動素子形成領域61に形成することができることは説明するまでもない。また、第2の基板100上にMOSIC、BiCMOS等のデバイスを形成してもよい。
【0060】
【発明の効果】
以上に詳述したように、本発明によれば、半導体基板の所定領域に形成された能動素子の外部接続用電極を基板から分離、若しくは、他の半導体基板から形成されたブロック片とし、そのブロック片と能動素子は配線基板を介し、若しくは、直接的に接合され、ブロック片、及びブロック片と接合される能動素子の電極パッド、若しくは、配線基板上に形成された回路パターン上に形成されるバンプ電極表面にはバリアメタル膜、接合金属が積層形成され、バリアメタル膜上に形成された接合金属で接合することにより、従来の半導体装置のように、外部電極と接続する金属製のリード端子、保護用の封止モールドが不必要となり、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、各接続電極を接合している接合部分は、各バンプ電極上にバリアメタルを介して形成された接合層で接合され、バンプ電極自体はメッキ直後の組成状態のままであるために、実装基板に実装して熱応力によるストレスを各バンプ電極が吸収し、クラック等による破損を防止することができる。
【0061】
また、本発明では、上記したように、外部接続用の金属リード端子、及び樹脂封止用モールドが不要であるために、半導体装置の製造コストを著しく低減化することができる。
さらに、本発明では、第1、第2の半導体基板を用いて半導体装置を提供しているので、第1に、既存の半導体製造装置をそのまま使用することができ、新たに設備導入を行う必要がない。第2に、両基板が共にシリコン基板であると熱膨張係数αが等しいため外部加熱或いは自己発熱による熱発生が生じた場合でも上下で同一応力が加わり相殺するために基板の歪による悪影響を抑制することができ信頼性が低下することはない。
【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】バンプ電極を示す断面図。
【図3】バンプ電極の接合部分を示す断面図。
【図4】本発明の半導体装置の裏面を示す図。
【図5】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図6】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図7】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図8】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図9】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図10】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図11】応力によるバンプ電極の変形を示す断面図。
【図12】本発明の半導体装置を示す断面図。
【図13】従来の半導体装置を示す断面図。
【図14】一般的なトランジスタの断面図。
【図15】従来の半導体装置を配線基板上に実装した断面図。
【図16】従来の半導体装置の平面図。
【図17】従来の半導体装置の平面図。
【図18】従来の半導体装置を示す図。
【図19】従来の半導体装置を示す図。
Claims (2)
- 第1の能動素子が表面に形成され、前記第1の能動素子の上層に形成されたパッシベーション膜の開口部から露出し、前記第1の能動素子と電気的に接続された複数の第1の電極とを有する第1の半導体基板と、
第2の能動素子が表面に形成され、前記第2の能動素子の上層に形成されたパッシベーション膜の開口部から露出し、前記第2の能動素子と電気的に接続された複数の第2の電極とを有する第2の半導体基板とを有し、
前記第1の半導体基板の表面と前記第2の半導体基板の表面が対向配置された半導体装置に於いて、
前記第1の半導体基板は、前記第1の能動素子と絶縁分離されたブロック片を有し、
前記第2の半導体基板の表面上には、前記第2の能動素子と絶縁分離して、前記ブロック片上まで延在するパターン配線が形成されており、
前記第1の電極は、前記第2の電極及び前記パターン配線と、バリアメタル層およびバンプ電極を有する接続手段により接続され、
前記接続手段の保護のために、前記第1の半導体基板と前記第2の半導体基板の間には樹脂層が設けられ、
前記第1の電極は、前記第2の電極及び前記パターン配線を介して、前記ブロック片と電気的に接続され、
前記半導体装置の外部接続は、前記ブロック片の裏面で実現し、金属細線を省略した事を特徴とした半導体装置。 - 前記第1の能動素子は、トランジスタであり、前記トランジスタの制御回路は、前記第2の半導体基板に形成される請求項1に記載の半導体装置。
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