JP4175241B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明によれば、半導体チップ間を電気的に接続可能な中間チップを使って半導体チップを含む所定チップどうしを接合することで、半導体チップを含む所定チップ間での再配置配線を容易に行うことができる。また、中間チップ及び所定チップを含む積層体を形成することで、積層体の強度が向上してハンドリングが容易となり、歩留まりの低下を防止することができる。
すなわち、半導体チップどうし、中間チップと半導体チップとを一体化した中間チップモジュールどうし、及び中間チップどうしを中間チップを介して接合する構成を採用することもできる。更には、半導体チップ、中間チップ、及び中間チップモジュールのうちの任意の2つのチップどうしを中間チップを介して接合することができ、三次元チップ積層する際の設計上の自由度や構造上の自由度を向上することができる。したがって、多機能化等の特性向上を図ることも可能となる。また、半導体チップと中間チップとを接合して中間チップモジュールを形成することにより、チップの強度が向上するため、チップの破損等の不都合を防止できる。また、中間チップを半導体チップのうち素子部や回路部が設けられている能動面側に接続することにより、その能動面の素子部や回路部を保護することができる。なお、中間チップを介して接合される半導体チップどうしは互いに異種のチップでもよいし、同種のチップでもよい。同様に、中間チップを介して接合される中間チップモジュールどうしは互いに異種のチップでもよいし、同種のチップでもよい。ここで、中間チップモジュールが異種であるとは、上記ポスト電極と貫通電極との平面視における位置が異なる場合や、チップの積層構成が異なる場合、あるいはチップの大きさが異なる場合を含む。
すなわち、中間チップと半導体チップとを接合して一体化した中間チップモジュールを予め形成し、その中間チップモジュールを複数積層するようにしてもよく、三次元チップ積層する際のハンドリングが容易となり、設計上の自由度や構造上の自由度を更に向上することができる。また、中間チップモジュールの強度は向上されているので、接合時におけるチップの反りや破損等の不都合の発生を防止できる。
これによれば、中間チップ形成用基材を薄膜化するだけで、半導体チップと接続される第1の端子を中間チップ形成用基材の表面に露出させることができ、中間チップと半導体チップとを効率良く電気的に接続することができる。また、第1の端子は中間チップ形成用基材の中に配置される導電性材料に接続されているので、その導電性材料を介して再配置配線を容易に行うことができる。
これによれば、中間チップ形成用基材を薄膜化するだけで、半導体チップと接続される第1の端子を中間チップ形成用基材より突出させることができる。そして、絶縁膜を設けることにより、積層したチップ間のショート(短絡)を回避できる。そして、導電性材料の一部を露出させることにより、中間チップと半導体チップとを電気的に接続することができる。また、第1の端子は中間チップ形成用基材の中に配置される導電性材料に接続されているので、その導電性材料を介して再配置配線を容易に行うことができる。
これによれば、半導体チップ形成用基材を薄膜化するだけで、第2の端子を半導体チップ形成用基材の表面に露出させることができ、半導体チップと他の所定チップや配線基板等とを効率良く電気的に接続することができる。また、第2の端子は半導体チップ形成用基材の中に配置される導電性材料に接続されているので、その導電性材料を介して再配置配線を容易に行うことができる。
これによれば、半導体チップ形成用基材を薄膜化するだけで、第2の端子を半導体チップ形成用基材より突出させることができる。そして、絶縁膜を設けることにより積層したチップ間のショート(短絡)を回避できる。そして、導電性材料の一部を露出させることにより、半導体チップと他の所定チップや配線基板等とを電気的に接続することができる。また、第2の端子は半導体チップ形成用基材の中に配置される導電性材料に接続されているので、その導電性材料を介して再配置配線を容易に行うことができる。
これによれば、所望の大きさを有する積層体を形成することができ、ハンドリングを容易にし、三次元チップ積層を効率良く行うことができる。
すなわち、半導体チップを複数含む大型のウエハ上に設定された複数の接続領域のそれぞれに、比較的小型の中間チップを接続し、その後に中間チップのサイズに応じて切断する構成を採用することができ、所望の大きさを有する積層体(中間チップモジュール)を効率良く製造することができる。
すなわち、中間チップを複数含む大型のウエハ上に設定された複数の接続領域のそれぞれに、比較的小型の半導体チップを接続し、その後に半導体チップのサイズに応じて切断する構成を採用することもでき、この場合においても、所望の大きさを有する積層体(中間チップモジュール)を効率良く製造することができる。
これによれば、積層体の強度を向上することができ、ハンドリングが容易になるとともに、歩留まりの低下を防止することができる。
これによれば、積層体を構成する複数のチップを一括して接合することができ、製造効率を向上することができる。
これによれば、予め形成した積層体を配線基板(プリント配線板)やマザーボードをはじめとする所定の基板に接続するだけで半導体装置を効率良く製造することができる。
すなわち、積層体を予め形成した後、所定の基板にその積層体を接続する構成の他に、所定の基板上に、中間チップや所定チップを順次積層し、所定の基板上において積層体を形成する構成を採用することも可能であり、この場合においても、半導体装置を効率良く製造することができる。
本発明によれば、半導体チップ間を電気的に接続可能な中間チップを使って半導体チップを含む所定チップどうしを接合することで、半導体チップを含む所定チップ間での再配置配線を容易に行うことができる。また、中間チップ及び所定チップを含む積層体を形成することで、積層体の強度が向上してハンドリングが容易となり、歩留まりの低下を防止することができる。
本発明によれば、中間チップを介して所定チップどうしが接合された積層体が三次元実装されているため、高密度化が実現され、実装に関する自由度の高い半導体装置を提供することができる。
本発明によれば、中間チップを介して所定チップを含む積層体が三次元実装された半導体装置を有しているので、高密度化が実現され、実装に関する自由度の高い電子機器を提供することができる。
図1(a)に示すように、半導体チップを形成するための半導体チップ形成用基材であるシリコン基板(ウエハ)10が用意される。なお、シリコン基板10の表面(能動面)側には、トランジスタやメモリ素子を含む素子部や回路部が形成されているが、図示されていない。
次いで、図1(b)に示すように、シリコン基板10の表面の所定位置に形成された開口部に銅などの導電性材料が埋め込まれ、電極部43が形成される。電極部43は、前記素子部や回路部とは別に設けられたものであって、三次元実装の接続部材として用いられる。そして、シリコン基板10のうち、素子部及び回路部が形成されている能動面(表面)側に、電極部43の一部を構成するポスト電極45が突出するように設けられる。ポスト電極45を含む電極部43は、その素子部及び回路部に電気的に接続されている。
次いで、図1(c)に示すように、必要に応じて、シリコン基板10が薄肉化される。
図2(a)に示すように、中間チップを形成するための中間チップ形成用基材であるシリコン基板(ウエハ)7が用意される。なお、シリコン基板7の表面側には絶縁膜が形成されている。
次いで、図2(b)に示すように、シリコン基板7の表面の所定位置に形成された開口部に銅などの導電性材料が埋め込まれ、電極部6が形成される。電極部6は、シリコン基板7の表面側に設けられたポスト電極4を備えており、開口部に埋め込まれた電極部(後述する貫通電極3)に対して配線部5を介して電気的に接続されている。
次いで、図2(c)に示すように、シリコン基板7が薄肉化され、更にシリコン基板7の裏面側を取り除いてシリコン基板7を薄膜化(薄肉化)することで、図2(d)に示すように、シリコン基板7の内部に設けられている導電性材料である電極部6の一部が裏面側より突出して貫通電極(第1の端子)3が形成される。上述したように、シリコン基板7の表面側に設けられたポスト電極4と貫通電極3とは配線部5を介して電気的に接続されている。
なおこの際、基板7の裏面すなわち貫通電極3が突出した側に、貫通電極3を突出させた後、基板7の裏面の全面に絶縁膜を形成した後、貫通電極の先端部分のみを露出させている。すなわち、電気的に接続する電極以外は、絶縁膜で覆われた状態である。こうすることにより、積層したチップ間のショート(短絡)を回避できる。電極を露出する方法としては、ドライエッチングや研磨、あるいはこれらを併用する方法などが挙げられる。
図3(a)に示すように、複数の半導体チップ41を含むシリコン基板10に対して、複数の中間チップ1が接続される。本実施形態では、半導体チップ41の上に中間チップ1が配置(積層)される。そして、半導体チップ41に対して中間チップ1をアライメントしつつ、中間チップ1の貫通電極3の突出部(第1の端子)3aと、半導体チップ41、42のポスト電極45とが、例えば鉛フリーのはんだを介して電気的に接続される。鉛フリーはんだは貫通電極3の突出部3a及びポスト電極45のうち少なくとも一方に予め設けられており、リフローソルダリングによって、中間チップ1及び半導体チップ41が一括して加熱され、貫通電極3とポスト電極45とが加熱接合される。
なお、この接合方法はリフロー法に限るものではなく、フリップチップボンディングのような加圧加熱方式でもよい。
アンダーフィル材8としてはエポキシ系が一般的であるが、この際、絶縁性以外に、材料そのものの物性、すなわち、硬化後の残留応力や弾性率を考慮して材料の選定を行う。
なおこの際、基板10の裏面すなわち貫通電極44が突出した側に、貫通電極44を突出させた後、基板10の裏面の全面に絶縁膜を形成した後、貫通電極44の先端部のみを露出している。すなわち、電気的に接続する電極以外は、絶縁膜で覆われた状態にある。こうすることにより、積層したチップ間のショート(短絡)を回避できる。電極を露出する方法としては、ドライエッチングや研磨、あるいはこれらを併用する方法などが挙げられる。
ここでは基板PBとして、セラミックスを用いるが、これには二次実装する際の接合材であるハンダボールなどが、実装形態に合わせた形状に予め形成されている。例えばBGA(ボールグリッドアレイ)などである。
図4(a)に示すように、基板PB上に中間チップモジュール50が複数積層され、中間チップモジュール50からなる積層体が形成される。ここでは、5つの中間チップモジュール50−1、50−2、50−3、50−4、50−5がこの順で積層されている。なお、図4(a)に示す例においては、中間チップモジュール50として、図3(d)に示した形態のものに対してそれぞれの電極の形成位置が変更されているものが含まれており、上下方向に反転した状態で積層されている。
図6(a)において、図示しないトランジスタ、メモリ素子、その他の電子素子からなる集積回路が形成されたシリコン基板10の表面には、絶縁膜12が形成されている。この絶縁膜12は、例えば基板10の材料であるSi(シリコン)の酸化膜(SiO2)で形成されている。
この絶縁膜20は、電流リークの発生、酸素及び水分等による基板10の浸食等を防止するために設けられ、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を用いて形成したテトラエトキシシラン(以下、TEOSという)、すなわちPE−TEOSによって形成される。この絶縁膜20の厚みとしては、例えば2μmとされる。なお、絶縁膜20としては、PE−TEOSに代えて、オゾンCVDを用いて形成したTEOS(O3−TEOS)、又はCVDを用いて形成した酸化シリコンを用いることもできる。
レジストのパターニングが終了した後、ポストベークを行った後、エッチングで電極パッド16の一部を覆う絶縁膜20を除去し、電極パッド16の一部を開口する。なお、エッチングにはドライエッチングを用いるのが好ましく、特に反応性イオンエッチングを用いるのが好ましい。また、エッチングとしてウェットエッチングを用いることもできる。なお、このとき、電極パッド16を構成する第4層16dも併せて除去する。
お、バリア層及びシード層は本段階ではウェハ全面に形成し、最後に不要部をエッチングで除去する。
まず、図10(a)に示すようにシリコンからなる基板7を用意する。ここで、この基板7は、前述のシリコン基板10とは異なり、各種素子からなる集積回路を形成していないものである。したがって、この接続用中間チップの製造は、前記半導体チップとは全く別に形成されることから、この接続用中間チップの歩留まりが半導体チップの歩留まりに影響を及ぼすことはない。
図10(a)は、パッシベーション膜を2ヶ所開口した状態を示す断面図である。なお、パッシベーション膜は、必ずしも必要ではなく、そのまま次工程に進んでも良い。
続いて、剥離液によりレジストを剥離後、プラズマTEOS法等により、エッチングマスク用のSiO2からなる酸化膜74を堆積する。
このエッチングマスク上に再びレジスト(図示せず)を形成し、フォト、エッチングプロセスにより、開口部H6より内側に貫通電極と同等の径の開口部H7を形成する。この後、剥離液によりレジストを剥離する。
図10(b)は、導電パターン72および絶縁膜71を開口し、そののちエッチングマスク用のSiO2からなる酸化膜74を堆積、開口部H7を形成した状態の断面図を図示したものである。
なお、ここでは、ドライエッチングとしてRIEのほかにICP(Inductively Coupled Plasma)を用いることもできる。図11(a)は、基板7を穿孔して、孔部H8を形成した状態を示す断面図である。なお、孔部H8の深さについては、最終的に形成する半導体チップの厚みに応じて適宜設定されるが、例えば深さ70μm程度とされる。
この時点では、エッチングマスク74は、穿孔時に緩やかにエッチングされ、孔部H8の形成終了時には、残膜がほとんどなくなっている。
この絶縁膜75は、電流リークの発生、酸素及び水分等による基板7の浸食等を防止するために設けられ、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)を用いて形成したテトラエトキシシラン(以下、TEOSという)、すなわちPE−TEOSによって形成される。この絶縁膜75の厚みとしては、例えば2μmとされる。なお、絶縁膜75としては、PE−TEOSに代えて、オゾンCVDを用いて形成したTEOS(O3−TEOS)、又はCVDを用いて形成した酸化シリコンを用いることもできる。
その後、例えば貫通電極3が基板の裏面に露出するまで基板7の裏面を薄膜化し、これによってその突出部3aを形成する。この薄膜化には、機械的研磨または化学的なエッチングが単独で採用され、あるいは併用される。さらに、図13(b)に示すように基板7の裏面から突出した金属部分の端面の、絶縁層75と下地層76とを機械的研磨、あるいはエッチング等によって除去し、これによってポスト電極4に電気的に接続された貫通電極3を得る。
そして、ダイシングによって個片化することにより、貫通電極3とポスト電極4とこれらの間を導通させる配線部5とを有した、接続用中間チップを得る。
なお、貫通電極3とポスト電極4とが同じ位置に形成されるような中間チップを得る場合、前述した半導体チップに対する貫通電極及びポスト電極の形成方法と同じ方法を用いればよい。
まず、半導体ウエハの各半導体チップ上に、電極の位置をアライメントして中間チップを載せる(図3(a)参照)。この際、半導体チップのうち、不良チップの上には中間チップを載せなくてもよい。また、ギャップを均一にするため、不良チップの上に、ダミーチップを載せてもよい。
なおこの際、ベースとなる半導体ウエハ(シリコン基板10)は、この時点では薄肉化されていないため、半導体ウエハの反りの影響を受けず、位置ずれが少なく、また接合不良などの欠陥を低減することができる。
そして、ダイシングによって個片化することにより、中間チップモジュールが得られる(図3(d)参照)。
図14は本発明の回路基板の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。図14に示すようにこの実施形態の回路基板1000には、前記の半導体装置400が搭載されている。なお、半導体装置400は、積層後パッケージ化されたものを実装するのが一般的であるが、積層した半導体装置をそのまま実装してもよい。図14においては、回路基板上に実装された形態がわかりやすいように、パッケージを省略し、前記半導体装置をそのまま示している。
回路基板1000は、例えばガラスエポキシ基板等の有機系基板からなるもので、例えば銅等からなる配線パターン(図示せず)が所望の回路となるように形成され、さらにこれら配線パターンに電極パッド(図示せず)が接続されている。そして、この電気パッドに半導体装置400における前記第1の半導体チップ41の貫通電極44が、パッケージ化する際に一次実装された基板を介して、電気的に接続されることにより、半導体装置400は回路基板1000上に実装されたものとなっている。
このような構成の回路基板1000にあっては、実装密度が高く、しかも再配置配線がなされた半導体装置400を備えていることから、小型化、軽量化が図られたものとなり、また配線接続の信頼性も高いものとなる。
このような構成の携帯電話300(電子機器)にあっても、実装密度が高く再配置配線がなされた半導体装置2を備えていることから、小型化、軽量化が図られたものとなり、また配線接続の信頼性も高いものとなる。
7…シリコン基板(中間チップ形成用基材)、8…アンダーフィル材(充填材)、
10…シリコン基板(半導体チップ形成用基材)、41…半導体チップ、
44…貫通電極(第2の端子)、50…中間チップモジュール、PB…基板
Claims (10)
- シリコン基板、前記シリコン基板の一方の面に設けられるポスト電極、及び前記シリコン基板の他方の面に突出部を有し、前記ポスト電極と接続されるように前記シリコン基板に形成された貫通電極を備え、半導体チップ間を電気的に接続可能な中間チップを形成する中間チップ形成工程と、
前記貫通電極と前記半導体チップとが接続されるように前記中間チップと前記半導体チップとを接続して一体化された中間チップモジュールを形成する中間チップモジュール形成工程と、
前記中間チップモジュールを用いて所定チップどうしを接合し、前記中間チップ及び前記所定チップを含む積層体を形成する積層工程と、を有し、
前記所定チップは、前記半導体チップ、前記中間チップ、及び前記中間チップモジュールの少なくとも一つを含み、
前記中間チップ形成工程は、シリコン基板からなる中間チップ形成用基材を薄膜化してその内部に設けられている導電性材料の一部を突出させて、前記他方の面に前記貫通電極の突出部を設ける工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記中間チップ形成工程における前記突出部を設ける工程は、前記薄膜化して前記導電性材料の一部を突出させた後、前記中間チップ形成用基材の裏面側に絶縁膜を形成し、その後前記導電性材料の一部を露出させることを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記中間チップと前記半導体チップとを接続した後、半導体チップ形成用基材を薄膜化してその内部に設けられている導電性材料の一部を突出させて前記半導体チップ形成用基材に貫通電極を設ける工程を有することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記中間チップと前記半導体チップとを接続した後、半導体チップ形成用基材を薄膜化してその内部に設けられている導電性材料の一部を突出させた後、該半導体チップ形成用基材の裏面側に絶縁膜を形成し、その後前記導電性材料の一部を露出させて前記半導体チップ形成用基材に貫通電極を設ける工程を有することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体チップを複数含むウエハに対して複数の前記中間チップを接続した後、該中間チップに応じて切断することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
- 前記中間チップを複数含むウエハに対して複数の前記半導体チップを接続した後、該半導体チップに応じて切断することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
- 前記所定チップどうしの間に充填材を配置する工程を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
- 前記積層体を形成した後、該積層体を加熱して前記チップどうしを加熱接合することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
- 前記形成した積層体を所定の基板に接続することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
- 所定の基板上に複数の前記チップを順次積層して接合することを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
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