【手続補正書】
【提出日】平成17年10月6日(2005.10.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】    明細書
【発明の名称】半導体チップ及び半導体装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面に複数の回路素子が形成される半導体チップであって、
上記半導体基板の主面から裏面に貫通するように上記半導体基板の所定の位置に形成された複数のスルーホールと、
上記スルーホール内に形成された導電層と、
を有する半導体チップ。
【請求項２】
上記スルーホールの内周面に形成された絶縁層を有し、上記導電層が上記絶縁層上に形成されている請求項１に記載の半導体チップ。
【請求項３】
上記導電層が上記スルーホール内に充填された低融点金属である請求項１又は２に記載の半導体チップ。
【請求項４】
上記複数の回路素子を互いに電気的に接続するように上記半導体基板の主面上に形成された第１の金属薄膜と、
上記回路素子と上記導電層とを電気的に接続するように上記半導体基板の主面上に形成された第２の金属薄膜と、
を有する請求項１乃至３の何れかに記載の半導体チップ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の半導体チップと、
上記半導体チップの上記複数のスルーホールに対応する位置に形成された複数の電極を有する搭載基板と、
を有し、上記搭載基板上に上記半導体チップが搭載され、上記半導体チップの回路素子と上記搭載基板の電極とが上記導電層により電気的に接続される半導体装置。
【請求項６】
複数の半導体チップが積層される半導体装置であって、
少なくとも１つの半導体チップが請求項１乃至４の何れかに記載の半導体チップであり、積層された半導体チップの回路素子が上記スルーホール内に形成された導電層により互いに電気的に接続される半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップ及びその半導体チップを搭載した半導体装置の技術分野にかかり、特に、医療用ＣＣＤ(Charge Coupled Device )等に特に有効な半導体組立技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内視鏡等の医療用の撮影装置で用いられるＣＣＤ等の撮像デバイスには強い小型化の要求がある。従来のＣＣＤの組立方法は、図７に示すように、基板となるヘッダー１６４の中央部上に、半導体チップ１６６の半導体素子が形成された面を上方に向け、その裏面をヘッダー１６４側に向けて配置し、位置決めした後、接着固定しており、次いで、ヘッダー１６４の外周部に設けられ、リード１６８に接続されたリードパッド(接続部)１７０と、半導体チップ１６６の外周部に設けられたボンディングパッド１７２とをボンディングワイヤー１７４によって電気的に接続し、製品として完成させている。
【０００３】
しかしながら、このボンディングワイヤー１７４を接続させるためのリードパッド１７２は、半導体チップ１６６の外側に配置しなければならず、前述のＣＣＤを超小型化し、かつ、ヘッダー１６４上の面積を小さくするための大きな障害となっている。
【０００４】
また、特にＣＣＤ等の撮像デバイスの場合は、ボンディングワイヤー１７４による光の乱反射もＣＣＤ素子の性能を悪化させてしまう原因の１つとなるため、これを排除する技術も求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ボンディングワイヤーを用いることなく、半導体チップをボンディングすることができる半導体装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体チップは、半導体基板の主面に複数の回路素子が形成される半導体チップであって、上記半導体基板の主面から裏面に貫通するように上記半導体基板の所定の位置に形成された複数のスルーホールと、上記スルーホール内に形成された導電層とを有する。
【０００７】
本発明の半導体チップは、更に、上記スルーホールの内周面に形成された絶縁層を有し、上記導電層が上記絶縁層上に形成されていてよい。
【０００８】
また、本発明の半導体チップは、上記導電層が上記スルーホール内に充填された低融点金属であってよい。
【０００９】
更に、本発明の半導体チップは、更に、上記複数の回路素子を互いに電気的に接続するように上記半導体基板の主面上に形成された第１の金属薄膜と、上記回路素子と上記導電層とを電気的に接続するように上記半導体基板の主面上に形成された第２の金属薄膜とを有してよい。
【００１０】
また、本発明の半導体装置は、上述の何れかの半導体チップと、上記半導体チップの上記複数のスルーホールに対応する位置に形成された複数の電極を有する搭載基板とを有し、上記搭載基板上に上記半導体チップが搭載され、上記半導体チップの回路素子と上記搭載基板の電極とが上記導電層により電気的に接続される。
【００１１】
更に、本発明の半導体装置は、複数の半導体チップが積層される半導体装置であって、上記半導体チップが上述の何れかの半導体チップであり、積層された半導体チップの回路素子が上記スルーホール内に形成された導電層により互いに電気的に接続される。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、半導体基板の所定位置に、表面から裏面まで貫通する複数のスルーホールが形成されており、このスルーホールを用いると、半導体チップを基板上に搭載することができる。
【００１３】
例えば、スルーホール内に絶縁膜が形成されている場合、スルーホール内を導電性物質で充填しても導電性物質と半導体基板とは短絡しない。従って、複数のスルーホール内に導電性物質を充填し、裏面に配置した基板と、半導体チップ表面側に形成された金属薄膜とを、互いに絶縁した状態で電気的に接続させることができる。この場合、半導体チップ中で半導体素子が形成された面を上方に向けることができるので、ＣＣＤに適している。
【００１４】
また、導電性物質に半田等の低融点金属を用いた場合、半導体チップと基板とを機械的にも接続させることができる。この場合、複数の半導体チップを積層させることもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明の半導体チップ及び半導体装置を詳細に説明する。
【００１６】
図１の符号１３は、本発明の半導体チップの一実施例であり、同図符号１０は、その半導体チップ１３が基板１５上に搭載された本発明の半導体装置の一実施例である。この図１は、本発明を説明するための概念図であり、ここでは半導体チップ１３は、例えば医療用ＣＣＤ等の高密度の集積回路である。
【００１７】
この半導体装置１０の基板１５は、絶縁物から成るヘッダー１４と、該ヘッダー１４に設けられた複数本のリード２４とを有している。
【００１８】
半導体チップ１３の片面には回路素子が形成されており、その面が上方に向けられ、裏面がヘッダー１４表面側に向けられた状態で、該ヘッダー１４上に固定されている。
【００１９】
この図１では、半導体チップ１３は、接着ペースト１６によってヘッダー１４上に貼付されているが、必ずしも接着ペースト１６は必要ではなく、後記詳述するように、スルーホール２０内に充填された半田等の低融点金属２８だけで、固定するようにしてもよい。
【００２０】
この半導体チップ１３には、図７に示す従来の半導体チップのボンディングパッドの形成位置に相当する外周部の所定位置に、半導体基板１８の表面から裏面まで貫通する複数のスルーホール２０が形成されている。
【００２１】
半導体チップ１３上には、不図示の金属薄膜から成る内部配線が引き回されており、半導体チップ１３の片面に形成された回路素子は、その内部配線によって相互に接続されている。また、半導体チップ１３のスルーホール２０上には、ボンディングパッド４２が形成されており、該ボンディングパッド４２は、内部配線によって回路素子が形成する電気回路に接続されている。
【００２２】
これに対し、ヘッダー１４の上部には、金属被膜で構成された複数のリードパッド(接続部)２６が、互いに絶縁した状態で形成されている。このリードパッド２６は、搭載対象の半導体チップ１３の各スルーホール２０の位置に対応した位置に形成されており、後述するように、各スルーホール２０内部に充填された低融点金属２８によって互いに電気的に接続されており、その結果、ヘッダー１４上のリードパッド２６は、低融点金属２８と、半導体チップ上のボンディングパッド４２と、内部配線とを介して、回路素子が構成する電気回路と接続されている。
【００２３】
以下、本発明の半導体装置１０の構造をより明確に理解するために、図２、図３、図４および図５を参照しながら、その製造工程および組立工程の手順の一例について説明する。
【００２４】
まず、半導体チップ１３の製造工程では、従来公知のウェハー製造工程を利用して、半導体基板であるシリコン基板１８の上にＣＣＤの素子を形成し、このシリコン基板１８の上全面に層間絶縁膜３０を堆積し、さらにこの層間絶縁膜３０の上に内部配線となるアルミ配線３２を形成した後、ボンディングパッドに相当する領域の中央部もしくはその近傍にスルーホール２０を形成する(図１(ａ))。
【００２５】
なお、スルーホール２０は、この段階では、シリコン基板１８の裏面まで貫通させるのではなく、例えばシリコン基板１８の厚さが４００μｍである場合、相対的に１００〜２００μｍまで掘る。このスルーホール２０は、例えばレーザーによる機械的な方法や、ウェットエッチングによる化学的な方法等を用いて形成することができるが、プラズマによるドライエッチングが、最も精度良くスルーホール２０を形成することができるため好ましい。
【００２６】
続いて、全面に表面保護膜３４を堆積し、その上にエッチングマスク(フォトレジスト)３６を形成して(図２(ｂ))、フォトリソグラフィー工程により、まず、スルーホール２０上およびスルーホール２０内の表面保護膜３４を除去し(図２(ｃ))、続いて、同じくフォトリソグラフィー工程によって、表面保護膜３４の一部をエッチング除去することにより、スルーホール２０開孔部周辺のアルミ配線３２の一部を露出させる(図２(ｄ))。
【００２７】
続いて、例えばシリコンナイトライド膜、シリコンオキサイド膜等の絶縁膜３８を表面全面に堆積し、スルーホール２０内にも絶縁膜３８を堆積させた後(図３(ｅ))、ドライエッチングにより、スルーホール２０内部に堆積された絶縁膜３８以外の、アルミ配線３２や表面保護膜３４上に堆積された絶縁膜３８を除去する(図３(ｆ))。この際、ドライエッチングを異方性エッチングで行うことにより、スルーホール２０内の絶縁膜３８を残しつつ、これ以外の部分の絶縁膜３８を除去することができる。
【００２８】
続いて、ボンディングパッドとなるアルミ層４０を表面全面に堆積し(図３(ｇ))、これをフォトリソグラフィー工程によってエッチングすることにより、スルーホール２０の内部を含み、露出させたアルミ配線３２に接触するまでの範囲にボンディングパッド４２を形成する(図３(ｈ))。
【００２９】
なお、このボンディングパッド４２は、低融点金属２８とアルミ配線３２とを接続させるものであり、電気的な接続を採るためには、アルミ配線３２自体を用いることも可能である。
【００３０】
ボンディングパッド４２は、図示例の場合、スルーホール２０内壁の一部にだけ残るようにしているが、本発明はこれに限定されず、スルーホール２０の内部全面に残すようにしてもよい。
【００３１】
続いて、スルーホール２０および半導体チップ１３の表面保護のために、ウェハーの表面全面をワックス４４でコーティングした後(図４(ｉ))、機械的切削研磨、化学的エッチング、又は両者を併用し、半導体基板（シリコン基板(ウェハー)）１８の裏面をスルーホール２０の底部に到達するまで研摩して除去する(図４(ｊ))。
【００３２】
その後、ＣＶＤ法(Chemical Vapor Deposition：化学気相成長法)により、例えばシリコンナイトライド膜やシリコンオキサイド膜等の絶縁膜４６をウェハーの裏面全面に堆積し、溶剤等を用いてウェハー表面にコーティングしたワックス４４を除去することにより、ウェハーの表面から裏面まで貫通するスルーホールを形成すると、本発明の一例の半導体チップ１３が得られる(図４(ｋ))。
【００３３】
以上の各工程を行った後、一旦ウェハー状態でプロービングテストを行った後、ダイシング工程によって個々のチップに分割し、良品だけを選択し、後記する組立工程を行う。
【００３４】
組立工程では、まず、ヘッダー１４上のリードパッド２６の上に形成された低融点金属２８と半導体チップ１２のスルーホール２０とを位置決めし、半導体チップ１２をヘッダー１４上に載置する(図５(ａ))。
【００３５】
ここで、ヘッダー１４の上部の、半導体チップ１２の各々スルーホール２０の形成位置に対応する各々の位置には、リード２４に接続されたリードパッド２６が形成されている。各々のリードパッド２６の上には、低温で溶融する低融点金属２８の層が予め形成されており、リードパッド２６が存しない部分には、必要に応じ、接着ペースト(図５(ａ)、(ｂ)では図示しない。)が配置されている。
【００３６】
半導体チップ１２の載置後、比較的低温の熱処理により、低融点金属２８の層を溶融させる。この時、低融点金属２８は、半導体チップ１２に形成されたスルーホール２０の裏面側開口部と接触しており、低融点金属２８の溶融物は、毛細管現象により半導体チップ１２のスルーホール２０内を上昇する。
【００３７】
低融点金属２８の溶融物がスルーホール２０上部まで達すると、半導体チップ１３表面に形成されたボンディングパッド４２と接触し、冷却すると、その間に金属結合が形成され、スルーホール２０内が低融点金属２８で充填された半導体チップ１３が得られる(図５(ｂ))。基板１５と半導体チップ１３とは、低融点金属２８によって電気的、機械的に強固に接続された半導体装置１０が得られる。
【００３８】
スルーホール２０の内周面及び半導体チップ１３の底面には、絶縁膜３８、４６が形成されているので、低融点金属２８は、半導体基板１８とは接触しておらず、半導体チップ１３の各ボンディングパッド４２が、低融点金属２８及びリードパッド２６によって、個別にリード２４に接続されている。
【００３９】
以上説明したように、本発明の半導体チップ１３及び半導体装置１０によれば、ボンディングワイヤーが不要であり、組立が容易である。また、本実施例のように、医療用のＣＣＤである場合、ボンディングワイヤーによる光の乱反射がなく、特性を向上させることができる。更にまた、ボンディングワイヤーが不要なため、ピン数が増加した場合であっても、組立工程が増加することはない。
【００４０】
なお、本発明の半導体装置１０では、ボンディングパッド４２を必ずしも半導体チップの外周部に配置する必要はない。例えば半導体チップ１３の中央部に集中的に配置したり、半導体チップ１３内の任意の位置に配置することもできる。従って、半導体チップ１３のサイズを小型化することができるし、また、ヘッダー１４も半導体チップ１３と同等のサイズまで小型化することができ、半導体装置１０全体のサイズを極めて小型化することができる。
【００４１】
次に、本発明の半導体装置の他の例について説明する。
図６の符号４８は、その半導体装置を示している。
この半導体装置４８では、３つの半導体チップ５１，５２，５４が積層されて１つの半導体チップ５０を形成しており、その半導体チップ５０が基板５６上に位置決めして組み立てられている。
【００４２】
半導体装置４８においては、下層の２個の半導体チップ５１、５２は、図１の半導体チップ１３と同じ構成を有するもので、図示例の場合、最下層の半導体チップ５１は、素子形成面の裏面を基板５６側に向け、基板５６上に配置されている。中央の半導体チップ５２は、素子形成面の裏面を最下層の半導体チップ５１に向け、その半導体チップ５１上に配置されている。
【００４３】
各半導体チップ５１、５２は、その外周付近の所定の位置に、半導体基板の表面から裏面まで貫通する複数のスルーホール５８が形成されており、各々のスルーホール５８の上部にはボンディングパッド６０が形成されている。
【００４４】
これに対し、基板５６は、図１に示すヘッダー１４に相当するもので、その上部には、半導体チップ５１の各々のスルーホール５８の形成位置に各々対応する位置に、図５(ａ)、(ｂ)で示したリード２４と同様のリード、又は半導体チップ５１上に形成された配線膜と同様の金属配線膜が形成されている。基板５６の各々のリード又は金属配線膜は、半導体チップ５１の各々のボンディングパッド６０と、半導体チップ５１のスルーホール５８の内部に充填されたソルダー６２を介して各々電気的に接続されている。
【００４５】
最上部の半導体チップ５４は、図示例の場合、例えば従来公知の製造工程によって製造されたもので、その外周部の所定の位置に、ボンディングパッドが形成されている。この半導体チップ５４は、素子形成面を、中層の半導体チップ５２の側に向けて半導体チップ５２の上層に積層配置されており、この半導体チップ５４の各々のボンディングパッドとこれに各々対応する半導体チップ５２のボンディングパッドとが、図示していないソルダーを介して各々電気的に接続されている。
【００４６】
なお、半導体チップ５１，５２は、ＣＣＤの場合と異なり、素子形成面の裏面を基板５６側に向けて配置する必要はなく、素子形成面を基板５６側に向けて配置してもよい。また、半導体チップ５４は、図示例のように、従来公知の製造方法によって製造されたものであれば、素子形成面をリードフレーム側に向けて配置する必要があるが、本発明を適用するものであれば、どちらの面を向けても配置可能である。
【００４７】
以上のように、本発明の半導体装置によれば、ボンディングワイヤーを使用しないため、複数の半導体チップを積層配置して、図示例のようなハイブリッド型の半導体装置を構成することも可能であり、実装面積の削減効果がある。
【００４８】
なお、以上は、半導体チップの半導体素子が形成された表面側からエッチングした後、裏面側から研磨してスルーホールを貫通させたが、本発明のスルーホールは、例えば半導体基板の裏面側から、機械的もしくは化学的に開孔させるようにしてもよい。
【００４９】
また、図６に示す例では、例えば半導体置チップ５１のスルーホール５８の形成位置に対応する位置に、半導体チップ５２のスルーホール５８が形成されているが、これも限定されず、例えば内部配線を引き回すことによって、半導体チップ５２のスルーホール５８を必要に応じて自由な位置に配置してもよい。また、半導体チップ５２の内部配線と基板５６のリードとを接続するための専用のスルーホール５８を半導体チップ５１に開孔してもよい。
【００５０】
また、上記例では、３個の半導体チップ５１、５２、５４を積層させたが、本発明はそれに限定されるものではなく、２個の半導体チップ又は４個以上の半導体チップを積層し、１個の半導体チップにしてもよい。
【００５１】
また、上記例では最上層の半導体チップ５４は、従来技術のものを用いたが、全て本発明の半導体チップを用いたもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の半導体装置によれば、ボンディングワイヤーを使用せずに表面を上方に向けて組み立てられるため、ＣＣＤに適している。
また、端子数が増加した場合でも、組立工程は増加せず、従って、組立不良による歩留まり低下や、コスト増を防止することができる。
更にまた、ボンディングパッドを半導体チップの外周部に配置する必要がなく、自由な位置に配置できるため、設計の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の一実施例の概念図である。
【図２】(ａ)〜(ｄ)：本発明の半導体装置の製造工程を表す一実施例の断面図である。
【図３】(ｅ)〜(ｈ)：本発明の半導体装置の製造工程の続きを表す一実施例の断面図である。
【図４】(ｉ)〜(ｋ)：本発明の半導体装置の製造工程の続きを表す一実施例の断面図である。
【図５】(ａ)〜(ｂ)：本発明の半導体装置の組立工程を表す一実施例の断面図である。
【図６】本発明の半導体装置の応用例の概念図である。
【図７】従来の半導体装置の一例の概念図である。
【符号の説明】
１０，４８……半導体装置    １２，１３，５０，５１，５２，５４……半導体チップ    １４……ヘッダー    １５、５６……基板    ２０，５８……スルーホール    ２６……接続部(リードパッド)    ２８……低融点金属    ３８……絶縁膜    ４２……ボンディングパッド