JP6689420B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の省スペース化、高性能化および大容量化を図るため、半導体チップを積層することがある。積層された半導体チップの電気的な接続をとるため、TSV(Through Silicon Via)と呼ばれる貫通電極を用いたものがある。
特開2013−80912号公報
本発明の一つの実施形態は、半導体チップの積層構造の実装時の半導体チップへのダメージを低減することが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態によれば、表面に第1電極を有する配線基板と、前記配線基板の最も近くに設けられ、前記配線基板とは物理的かつ電気的に直接接触しない第1半導体チップと、前記第1電極と第1バンプにより第2の間隔を介して接続する第2電極を有し、前記第1半導体チップよりも前記配線基板から遠くに設けられ、前記第1半導体チップよりも前記配線基板の表面に沿った方向において大きい第2半導体チップと、前記第2半導体チップに設けられ、N層積層された半導体チップと、前記N層の半導体チップの間、及び、前記第2半導体チップと前記N層の半導体チップのうち前記第2半導体チップにもっとも近い半導体チップとの間、に設けられ、積層方向から見て全ての前記第2電極の少なくとも一部と重なる位置であり積層方向に第1の間隔を有するように設けられ、前記配線基板の表面に沿った方向において互いに離間している複数の樹脂スペーサと、前記第1の間隔および前記第2の間隔に充填されるとともに、前記第1半導体チップ、前記第2半導体チップ、及び、前記N層分の半導体チップを一体となって封止する封止樹脂と、を備える。
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図2は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図3(a)および図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図4は、第2実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図5(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図5(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図6(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図6(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、以下の実施形態では、半導体チップが8層だけ積層されている構成を例にとるが、半導体チップがN(Nは2以上の整数)層だけ積層されている構成であってもよい。また、以下の実施形態では、半導体装置として、NANDフラッシュメモリを例にとるが、半導体装置は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)、FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)(登録商標)、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)、PCRAM(Phase Change Random Access Memory)などであってもよいし、ロジック回路やプロセッサなどであってもよい。
図1(a)および図1(b)において、半導体チップP1〜P8が積層されることでチップ積層体TA1が構成されている。この時、各半導体チップP1〜P8の厚さは、40μm以下に設定することができる。チップ積層体TA1のハンドリング時にチップ積層体TA1が破壊されるのを防止するため、チップ積層体TA1は接着層2を介して支持板1に固定することができる。支持板1は、例えば、リードフレームなどの金属板を用いることができる。支持板1の材料は、Cuであってもよいし、42アロイ(Fe−Ni系合金)であってもよい。接着層2は、絶縁性樹脂を用いるようにしてもよいし、ダイアタッチフィルムを用いるようにしてもよい。
各半導体チップP1〜P8には、セル領域MA1、MA2が設けられている。各セル領域MA1、MA2には、NANDセルをアレイ状に設けたり、センスアンプやデコーダなどの周辺回路を設けることができる。この時、各セル領域MA1、MA2では、セルパターンの配置の規則性が維持されるようにNANDセルを配置することができる。
各半導体チップP2〜P8には、貫通電極5が設けられている。この時、半導体チップP1には、貫通電極5を設けないようにすることができる。各貫通電極5は、側壁絶縁膜4にて半導体チップP2〜P8と絶縁されている。貫通電極5の材料は、Cu、NiまたはAlなどを用いることができる。貫通電極5と側壁絶縁膜4との間には、TiNなどのバリアメタル膜があってもよい。各半導体チップP2〜P8において、貫通電極5は、各セル領域MA1、MA2におけるセルパターンの配置の規則性を乱さない位置に配置することができる。このため、貫通電極5は、各セル領域MA1、MA2内に設けるのは好ましくなく、各セル領域MA1、MA2の周囲に設けることが好ましい。ここで、各セル領域MA1、MA2におけるセルパターンの配置の規則性を維持することで、露光時の解像度を上げることができ、NANDセルの集積度を向上させることができる。また、各半導体チップP1〜P8の反りによる各半導体チップP1〜P8間での貫通電極5の接続不良を防止するため、貫通電極5は、各セル領域MA1、MA2間に設けるようにしてもよい。
半導体チップP1の一方の面には電極6Aが設けられている。各半導体チップP2〜P7の一方の面には電極6Bが設けられ、半導体チップP8の一方の面には電極6C、6Dが設けられている。また、半導体チップP8の一方の面には配線9C、9Dが設けられている。配線9Dは、配線9Dを通る信号が貫通電極5を通る信号と干渉しない位置に配置することができる。各半導体チップP2〜P8の他方の面には電極7Bが設けられている。
各半導体チップP2〜P7において、電極6Bは貫通電極5の一方の面に電気的に接続されている。半導体チップP8において、配線9Cは貫通電極5の一方の面に電気的に接続され、電極6Cは配線9Cに電気的に接続されている。また、半導体チップP8において、電極6Dは配線9Dに電気的に接続されている。配線9Dの端部にはパッド電極10が設けられている。各半導体チップP2〜P8において、電極7Bは貫通電極5の他方の面に電気的に接続されている。半導体チップP1の電極6Aは半導体チップP2の電極7Bに電気的に接続されている。半導体チップP2〜P8間において、積層方向に隣接する半導体チップP2〜P8の電極6Bと電極7Bが接続されている。半導体チップP8の一方の面にはインターフェース(IF)チップ3が設けられている。なお、インターフェースチップ3は、各半導体チップP1〜P8とデータ通信することができる。インターフェースチップは外部から入力されたデータを、各半導体チップP1〜P8へと送信し、また各半導体チップP1〜P8から送信されたデータを外部へと出力する。この時、インターフェースチップ3は、貫通電極5を介して各半導体チップP1〜P8にライトデータやコマンドやアドレスを送信したり、各半導体チップP1〜P8からリードデータを受信したりすることができる。インターフェースチップ3の代わりに、各半導体チップP1〜P8の読み書き制御を行うコントローラチップを設けるようにしてもよい。インターフェースチップ3には電極7C、7Dが設けられている。半導体チップP8の電極6C、6Dはインターフェースチップ3の電極7C、7Dにそれぞれ接続されている。なお、電極6A、6Bまたは電極7Bは、半導体チップP1〜P8間の間隔SP1を確保するために、半田ボールなどの突出電極を用いることができる。この時、電極6A、6Bおよび電極7Bの両方が突出電極であってもよいし、突出電極と平面電極との組み合わせであってもよい。電極6A、6Bおよび電極7Bの材料は、Au、Cu、Ni、Sn、Pg、Agなどの単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。電極6A、6Bおよび電極7Bの材料として半田材を用いる場合は、例えば、Sn−Cu合金、Sn−Ag合金などを用いることができる。配線9C、9Dの材料は、例えば、Cuなどを用いることができる。パッド電極10の材料は、例えば、Cu上に形成されたNiまたはNi/Pd構造などを用いることができる。パッド電極10のNiまたはNi/Pd構造の表面にAu被膜を設けるようにしてもよい。パッド電極10のNiまたはNi/Pd構造の表面にSnメッキを施してもよい。
半導体チップP1〜P8間には、それらの積層方向に間隔SP1を確保するスペーサ8が設けられている。間隔SP1は10〜20μm程度の範囲内に設定することができる。間隔SP1への封止樹脂12の充填性を妨げないようにするため、スペーサ8間の間隔は、半導体チップP1〜P8の間隔SP1以上に設定することが好ましい。スペーサ8の材料は、電極6A、6B、6C、6Dと電極7B、7C、7Dとの接合温度未満で接着可能な絶縁性樹脂を用いることができる。例えば、電極6A、6B、6C、6Dと電極7B、7C、7Dとが半田接合される場合、半田のリフロー温度よりも低い温度で接着可能な絶縁性樹脂を用いることができる。例えば、スペーサ8の材料は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂またはベンゾシクロブテン樹脂などを用いることができる。ここで、スペーサ8は、貫通電極5によって間隔SP1が維持されるのを補強することができる。この時、スペーサ8は、セル領域MA1、MA2上に配置することができる。これにより、各セル領域MA1、MA2内を避けるように貫通電極5が配置された場合においても、半導体チップP1〜P8間の間隔SP1を安定して維持することができる。また、スペーサ8は、パッド電極10の少なくとも一部と重なる位置に配置することができる。これにより、パッド電極10に荷重がかかった場合においても、半導体チップP1〜P8間の間隔SP1をスペーサ8にて維持することができる。このため、チップ積層体TA1をフリップ実装する際に半導体チップP1〜P8にかかるダメージを低減することができ、半導体チップP1〜P8の破壊を防止することができる。
チップ積層体TA1は、突出電極11で支持された状態で実装基板21上にフリップチップ実装されている。この時、チップ積層体TA1と実装基板21の間には間隔SP2が設けられる。この間隔SP2は50μm程度に設定することができる。インターフェースチップ3は間隔SP2に配置することができる。実装基板21の他方の面にはランド電極22Aおよびプリント配線22Bが設けられ、実装基板21の一方の面にはランド電極24Aおよびプリント配線24Bが設けられている。ランド電極22Aの周囲およびプリント配線22Bはソルダーレジスト23で覆われている。ランド電極24Aの周囲およびプリント配線24Bはソルダーレジスト25で覆われている。突出電極11は、パッド電極10およびランド電極22Aに接合されている。突出電極26はランド電極24Aに接合されている。突出電極11、26の材料は、Au、Cu、Ni、Sn、Pg、Agなどの単層膜であってもよいし、積層膜であってもよい。突出電極11、26の材料として半田材を用いる場合は、例えば、Sn−Cu合金、Sn−Ag合金などを用いることができる。ランド電極22A、24Aおよびプリント配線22B、24Bの材料は、Cuなどを用いることができる。ランド電極22A、24Aにおいてソルダーレジスト23、25から露出された部分にAu被膜を形成するようにしてもよい。実装基板21の基材は、例えば、BT(Bismaleimide Triazine)レジンなどを用いることができる。
実装基板21上には封止樹脂12が設けられている。封止樹脂12は、間隔SP1、SP2に充填されるとともに、チップ積層体TA1を封止することができる。この時、封止樹脂12は、半導体チップP1〜P8とインターフェースチップ3とを実装基板21上で完全に覆うことができる。この封止樹脂12はモールド樹脂を用いることができる。この時、封止樹脂12はアンダーフィル樹脂としても作用することができる。この封止樹脂12は、フィラーとしてシリカが混入されたエポキシ樹脂を用いることができる。この時、フィラーの平均粒径は0.5〜3μmの範囲内に設定することができる。フィラーの含有量は60〜75wt%の範囲内に設定することができる。
ここで、封止樹脂12にて半導体チップP1〜P8とインターフェースチップ3とを封止しつつ、間隔SP1、SP2に封止樹脂12を充填することにより、チップ積層体TA1のモールド工程とは別個にアンダーフィル樹脂の充填工程を設ける必要がなくなり、半導体チップP1〜P8の実装時の工程数を減らすことができる。
図2、図3(a)および図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお、この製造方法では、電極6A、6B、6C、6Dと電極7B、7C、7Dとが半田接合される場合を例にとる。
図2において、半導体チップP1の他方の面が支持板1に対向するように、接着層2を介して半導体チップP1が支持板1に固定される。一方、各半導体チップP2〜P8には貫通電極5が形成されている。その後、各半導体チップP2〜P8の他方の面にスペーサ8が形成される。そして、半田リフロー温度未満の条件で、各半導体チップP2〜P8がスペーサ8を介してその下層の半導体チップP1〜P7に順次固着され、インターフェースチップ3が半導体チップP8上に配置される。この時、110℃程度の温度に一定に保つことができる。
次に、図3(a)に示すように、半導体チップP1〜P8とインターフェースチップ3とが半田リフロー温度以上(例えば、240℃)に加熱されることで、半導体チップP1の電極6Aは半導体チップP2の電極7Bに接合され、半導体チップP2〜P7の電極6Bは半導体チップP3〜P8の電極7Bにそれぞれ接合され、半導体チップP8の電極6C、6Dはインターフェースチップ3の電極7C、7Dにそれぞれ接合される。
次に、図3(b)に示すように、チップ積層体TA1は、突出電極11を介して実装基板21上にフリップチップ実装される。この時、チップ積層体TA1は支持板1にて支持されているので、チップ積層体TA1を破壊することなく、チップ積層体TA1をハンドリングすることができる。また、パッド電極10の少なくとも一部と重なる位置にスペーサ8が配置されているので、突出電極11を介して半導体チップP1〜P8に荷重がかかった場合においても、間隔SP1が押し潰されるのを防止することができ、半導体チップP1〜P8を保護することができる。
次に、実装基板21上に実装されたチップ積層体TA1を金型内に配置する。そして、チップ積層体TA1をモールド成型することにより、半導体チップP1〜P8とインターフェースチップ3とを封止樹脂12で封止する。このチップ積層体TA1のモールド成型時に封止樹脂12を間隔SP1、SP2に充填することができる。
ここで、スペーサ8を介して各半導体チップP2〜P8をその下層の半導体チップP1〜P7に固着することで、各半導体チップP2〜P8を1層だけ積層するごとに、半田リフローを行う必要がなくなる。このため、各半導体チップP2〜P8を1層だけ積層するごとに温度の昇降を繰り返す必要がなくなり、スループットを向上させることが可能となるとともに、貫通電極5などにかかる熱的ストレスを低減することができる。
(第2実施形態)
図4は、第2実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。
図4の構成では、図1(a)のスペーサ8の代わりにスペーサ8A、8Bが設けられている。スペーサ8A、8Bは、パッド電極10の少なくとも一部と重なる位置に配置することができる。この時、1個のパッド電極10は複数のスペーサ8A、8Bに重なるように配置することができる。これにより、パッド電極10に荷重がかかった場合においても、半導体チップP1〜P8間の間隔SP1をスペーサ8A、8Bにて維持することができる。
(第3実施形態)
図5(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図5(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
図5(a)および図5(b)の構成では、チップ積層体TA1の代わりにチップ積層体TA2が設けられている。チップ積層体TA2には、半導体チップP1の代わりに半導体チップP1´が設けられている。半導体チップP1´の厚さは、半導体チップP2〜P8の厚さよりも厚くすることができる。この時、半導体チップP1´の厚さは、チップ積層体TA2を安定して支持できるように設定することができる。例えば、半導体チップP1´の厚さは、100μm以上に設定することができる。半導体チップP1´には貫通電極5を設けないようにすることができる。半導体チップP1´には、セル領域MA1´、MA2´が設けられている。セル領域MA1´、MA2´はセル領域MA1、MA2と同様に構成することができる。
ここで、半導体チップP1´にてチップ積層体TA2を支持することにより、支持板1および接着層2を除去することができ、構成を簡略化することができる。
(第4実施形態)
図6(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図6(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。
図6(a)および図6(b)の構成では、チップ積層体TA1の代わりにチップ積層体TA3が設けられている。チップ積層体TA3には、スペーサ8の代わりにスペーサ8´が設けられている。スペーサ8´はフィルム状に構成することができる。例えば、セル領域MA1、MA2が1枚のスペーサ8´でそれぞれ覆われるようにしてもよい。この時、スペーサ8´の一部は、パッド電極10と重なる位置に配置することができる。これにより、パッド電極10に荷重がかかった場合においても、半導体チップP1〜P8間の間隔SP1をスペーサ8´にて維持することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 支持板、2 接着層、3 インターフェース(IF)チップ、P1〜P8 半導体チップ、MA1、MA2 セル領域、4 側壁絶縁膜4 貫通電極、6A〜6D 電極、7A〜7D 電極、8 スペーサ、 9C、9D 配線、10 パッド電極、11、26 突出電極、 12 封止樹脂、21 実装基板、22A、24A ランド電極、22B、24B プリント配線、23、25 ソルダーレジスト

Claims (7)

  1. 表面に第1電極を有する配線基板と、
    前記配線基板の最も近くに設けられ、前記配線基板とは物理的かつ電気的に直接接触しない第1半導体チップと、
    前記第1電極と第1バンプにより第2の間隔を介して接続する第2電極を有し、前記第1半導体チップよりも前記配線基板から遠くに設けられ、前記第1半導体チップよりも前記配線基板の表面に沿った方向において大きい第2半導体チップと、
    前記第2半導体チップに設けられ、N層積層された半導体チップと、
    前記N層の半導体チップの間、及び、前記第2半導体チップと前記N層の半導体チップのうち前記第2半導体チップにもっとも近い半導体チップとの間、に設けられ、積層方向から見て全ての前記第2電極の少なくとも一部と重なる位置であり積層方向に第1の間隔を有するように設けられ、前記配線基板の表面に沿った方向において互いに離間している複数の樹脂スペーサと、
    前記第1の間隔および前記第2の間隔に充填されるとともに、前記第1半導体チップ、前記第2半導体チップ、及び、前記N層分の半導体チップを一体となって封止する封止樹脂と、
    を備える半導体装置。
  2. 前記第2半導体チップから(−1)層目までの各半導体チップは、自層の半導体チップを貫通する貫通電極を備える請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1バンプは積層方向に前記第1の間隔よりも長い前記第2の間隔を有するように設けられる請求項1または2に記載の半導体装置。
  4. 前記第2半導体チップ、及び前記N層積層された半導体チップは半導体メモリであって、
    前記第1半導体チップは前記半導体メモリから出力されたデータを外部へ送信し、外部から入力されたデータを前記半導体メモリへと送信するIFチップである請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記樹脂スペーサは接着性を有する請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 積層方向から見て複数個の前記樹脂スペーサが前記第2電極の少なくとも一部と重なるように設けられている請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 表面に第1電極を有する配線基板を準備し、
    半導体チップ間において積層方向に第1の間隔を確保する樹脂スペーサを介して、半導体チップをN層積層し、さらに、前記N層積層した半導体チップよりも前記半導体チップの表面に沿った方向において小さい第1半導体チップを積層し、
    N層目の半導体チップが有する第2電極と前記第1電極との間に第2の間隔を確保する第1バンプを介して前記N層分の半導体チップと、前記第1半導体チップと、を、前記第1半導体チップが物理的かつ電気的に前記配線基板に直接接触しないように実装し、
    前記第1の間隔および前記第2の間隔に封止樹脂を充填するとともに、前記N層分の半導体チップ、及び、前記第1半導体チップを前記封止樹脂で一括で封止し、
    前記樹脂スペーサは、積層方向からみて、全ての前記第2電極と少なくとも一部が重なり、前記配線基板の表面に沿った方向において互いに離間している複数の半導体装置の製造方法。
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