(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層し、当該一直線上に配列したスルーホールの反対側開口には負圧吸引を導入し、前記スルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体チップは電極パッド相当位置を開口させた接着層を介して積層させ、前記柱状導電樹脂シャフトに電極パッドとの導通フランジ部を一体形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記導電樹脂の封入後に前記柱状導電シャフトの端面から導電金属ピンを差し込んで硬化させることにより外部接続端子を一体に設けるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した後、当該スルーホール内に絶縁樹脂を封入した後、各チップ裏面をラッピングして薄膜半導体チップを形成し、この薄膜半導体チップのスルーホール内絶縁樹脂に貫通孔を穿設し、薄膜半導体チップを前記貫通孔が一直線上に配列するように積層し、当該一直線上に配列した貫通透孔の開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層して一体化し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することによりマルチチップパッケージを作製し、このマルチチップパッケージが実装されるプリント配線板に対して前記チップ電極と同一の配列パターンとなる外部電極を形成しておき、当該外部電極に導通ピンを立設させ、前記プリント配線板から離反した一定高さ位置にて導通ピンが前記柱状導電樹脂シャフトに差し込んで実装させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層して一体化し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成するとともに、前記導電樹脂の封入後に前記柱状導電シャフトの端面から導電金属ピンを差し込んで硬化させることにより外部接続端子を一体に設けることによりマルチチップパッケージを作製し、このマルチチップパッケージが実装されるプリント配線板に対して前記チップ電極と同一の配列パターンとなる外部電極を形成しておき、当該外部電極に前記パッケージ裏面から突出されている外部接続端子を接続して実装させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の半導体チップを積層して形成される半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高性能化、小型化に伴って１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、以下ＭＣＰと称す。)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、ＭＣＰには、複数の半導体チップを平面的に並べたものと、複数の半導体チップを厚み方向に積層したものとがある。半導体チップを平面的に並べた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が小さい。このため、半導体チップを三次元的に積層したスタックドＭＣＰの開発が盛んに行われている。
【０００３】
この種のパッケージ構造としては、特許第２８７０５３０号公報に開示されているように、半導体チップをインターポーザに実装したモジュールを形成し、これらモジュール同士を互いに導電性バンプにより電気的接続を図って積層する構造のものが一般的である。また、インターポーザを用いない構成例として特許第２８７１６３６号公報に開示しているものがある。これは半導体チップを絶縁性樹脂を介在させて積層し、この積層体の電極部分にレーザ照射により開孔を形成し、導電性樹脂で孔を埋め込み、最下層のチップ部分で導電性バンプによりプリント配線板に実装するような構造としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記いずれの場合も、プリント配線板に対して導電性バンプによりパッケージを直に実装しているため、チップの温度サイクルによる熱膨張でプリント配線板とパッケージ間の熱膨張率の差で相対的な位置変位を生じて断線する可能性が高い。その対策としてプリント配線板とパッケージとの間にアンダーフィルによって樹脂を埋めて応力を吸収させる必要があるが、実装後にアンダーフィルを行なうことは極めて困難であり、パッケージとしては一般的ではない。したがって、前者のようにチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）では必ずインターポーザを介在させて、アンダーフィルと同様な役割を持たせて初めてハンダバンプを用いた実装方法が実現できるものとなっている。後者のようなチップを直接接合したパッケージの場合は、依然としてボードへの実装が極めて困難となっており、実現性の問題を抱えているのである。
【０００５】
本発明の目的は、ＭＣＰにおける共通電極パッド同士の導通をスルーホールを介して極めて容易に実現できるようにすることを目的とする。また、ＭＣＰをインターポーザなしで実装できるようにしたＭＣＰとこれを用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。また、第３の目的はＭＣＰとこれを実装するプリント配線板との間に発生する熱応力の緩和を図ることにある。第４の目的は、ＭＣＰの実装配線距離を最短にすることができる構造とすることにある。
【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ＭＣＰの製造方法は、信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することを特徴としている。この場合に、前記スルーホールの反対側開口には負圧吸引を導入して樹脂の加圧供給をなすようにすることで、樹脂封入を短時間で実施できるものとなる。また、前記半導体チップは電極パッド相当位置を開口させた接着層を介して積層させ、前記柱状導電樹脂シャフトに電極パッドとの導通フランジ部を一体形成するようにすればよい。更に、前記導電樹脂の封入後に前記柱状導電シャフトの端面から導電金属ピンを差し込んで硬化させることにより外部接続端子を一体に設ける構成とすれば、パッケージとしての外部接続端子がパッケージ裏面に設けられ、これを直接プリント配線板への接続端子となるので配線距離を最短に設定することができる。
【０００７】
また、本発明に係る他の構成例に係るＭＣＰの製造方法は、信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した後、当該スルーホール内に絶縁樹脂を封入した後、各チップ裏面をラッピングして薄膜半導体チップを形成し、この薄膜半導体チップのスルーホール内絶縁樹脂に貫通孔を穿設し、薄膜半導体チップを前記貫通孔が一直線上に配列するように積層し、当該一直線上に配列した貫通透孔の開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することを特徴とするものである。これによって、パッケージ厚みの小さいＭＣＰを作製できる。
【０００８】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層して一体化し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成することによりＭＣＰを作製し、このＭＣＰが実装されるプリント配線板に対して前記チップ電極と同一の配列パターンとなる外部電極を形成しておき、当該外部電極に導通ピンを立設させ、前記プリント配線板から離反した一定高さ位置にて導通ピンが前記柱状導電樹脂シャフトに差し込んで実装させることを特徴としている。導通ピンがプリント配線板とパッケージとの間に空隙を形成するので、パッケージ側の熱的応力をプリント配線板側に影響させることが防止される。
【０００９】
更に、他の半導体装置の製造方法として、信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層して一体化し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成するとともに、前記導電樹脂の封入後に前記柱状導電シャフトの端面から導電金属ピンを差し込んで硬化させることにより外部接続端子を一体に設けることによりＭＣＰを作製し、このＭＣＰが実装されるプリント配線板に対して前記チップ電極と同一の配列パターンとなる外部電極を形成しておき、当該外部電極に前記パッケージ裏面から突出されている外部接続端子を接続して実装させる構成とすることもできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るＭＣＰおよび半導体装置の製造方法の具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１は実施形態に係る半導体ＭＣＰ１０の製造に際して、積層チップ間の共通電極パッド同士の導通をなすための最終工程を示している。図２は製造されたＭＣＰ１０を実装した半導体装置１２の部分模式断面図である。半導体ＭＣＰ１０を構成する半導体チップ１４は複数枚（図示の例では３枚）を積層一体化して構成される。各チップ１４はメモリ素子として構成した場合、電源ライン、データライン、アドレスライン、チップセレクトの各電極を共通にすることができる。したがって、これらのチップ電極は共通配置とすることができるので、チップ１４を積層することで垂直方向に共通の電極が配置され、上下間のチップ電極の導通を図ることで、実装密度をチップ積層枚数分まで増大することができる。
【００１２】
この実施形態では共通配置されたチップ電極を有する各半導体チップ１４に対し、各電極部分を上下に貫通するスルーホール１６を形成する。まず図３に示すように、トランジスタ、抵抗素子、配線などの各種素子が形成されている結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板１８上に、酸化シリコン膜２１を介してアルミニウム膜からなる電極パッド２０を形成する。この電極パッド２０の上に耐Ｓｉエッチング膜となる酸化シリコン膜２２をＣＶＤ法などにより形成する（図２（ａ））。シリコン単結晶基板１８の裏面にも同様にして酸化シリコン膜２４を形成する（同図（ｂ））。この状態で、レーザ光を照射して電極パッド２０を貫通する先行孔２６を形成する（同図（ｃ））。次いで、異方性エッチングを行なって先行孔２６を拡径する（同図（ｄ））。このとき、アルミニウムからなる電極パッド２０もエッチングにより拡径されてスルーホール１６が形成される。異方性エッチングにより拡径されたスルーホール１６の内壁面およびパッド内周縁部分に酸化シリコン膜２８をＣＶＤ法などにより形成するとともに、電極パッド２０の表面を露出させる（同図（ｅ））。
【００１３】
このようにして各チップ電極部分にスルーホール１６が形成されるため、ダイシングした半導体チップ１４同士をアライメントして重ね合わせると、共通電極部分でスルーホール１６が一直線に配列する。そこで、この一直線上に配列しているスルーホール１６、１６、………に対して、その上部（もしくは下部）開口から導電樹脂３０を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッド２０を導通する柱状導電樹脂シャフト３２を形成するようにしている。
【００１４】
このため、図１に示しているように、各半導体チップ１４の能動面側にポリイミドなどの接着層３４を貼りつけ、その上段に半導体チップ１４を積層するようにしてチップ積層体１４Ｍを形成する。このとき、接着層３４には電極パッド２０部分を開口させておき、後に導電樹脂３０を吸収させた際には電極パッド２０に導電樹脂３０が回り込むようにする。そして、接着層３４を介在されたチップ積層体１４Ｍを表裏面から押え治具３６、３８により挟着するようにしている。上押え治具３６には、最上位の半導体チップ１４における電極パッド２０を囲繞する空間４０を前記接着層２０の開口と同様に形成している。また、下押え治具３８にはチップ積層体１４Ｍの裏面に開口するスルーホール１６の出口部分を囲繞する空間４２をやはり前記接着層２０の開口と同様に形成している。
【００１５】
前記上押え治具３６には加圧シリンダ４４に通じる樹脂供給配管４６が分岐して各パッド囲繞空間４０に接続されている。加圧シリンダ４４は導電樹脂タンク４８と接続されているが、当該タンク４８からの吸入配管５０との間に前記樹脂供給配管４６の方向切替電磁弁５２を介装している。これにより、方向切替電磁弁５２の操作により加圧シリンダ４４の吸入動作時にはタンク４８とシリンダ４４とが接続され、加圧動作時にはシリンダ４４と樹脂供給配管４６とが接続状態となって前記パッド囲繞空間４０への導電樹脂３０を供給できるようにしている。
【００１６】
一方、下押え治具３８には各スルーホール出口囲繞空間４２に通じる負圧導入路５４が形成されている。これは図示しないコンプレッサなどに接続されている。したがって、負圧導入路５４を通じて吸引負圧をスルーホール１６に加えることで、前記加圧シリンダ４４による導電樹脂３０のスルーホール１６への加圧供給の注入補助をなさしめるようにしている。
【００１７】
上述した導電樹脂３０の供給手段の上下押え治具３６，３８によりチップ積層体１４Ｍを挟着した状態で、一直線上に配列している各スルーホール１６に吸引負圧を導入し、加圧シリンダ４４に一旦導電樹脂３０を吸入させた後、方向切替電磁弁５２の操作によりスルーホール１６への供給路を開き、導電樹脂３０を加圧供給することで、直列配置されているスルーホール１６、１６、………に一括して導電樹脂３０を充填することができる。この結果、チップ積層体１４Ｍの多数のスルーホール１６部分には柱状導電樹脂シャフト３２が一回の注入作業で簡単に形成されるのである。これにより柱状導電樹脂シャフト３２には電極パッド２０との導通フランジ（ｆｌａｎｇｅ）部３２Ｆが一体形成される。この導通フランジ部３２Ｆは半導体チップ１４の結合を強化する作用を発揮する。
【００１８】
このようにして得られたＭＣＰ１０は、裏面にて下押え治具３８のスルーホール出口囲繞空間４２によって形成された導電樹脂硬化部は、パッケージとしての外部接続パッドとして利用することができる。したがって、プリント配線板に半導体チップ１４の電極パッド２０と同様に外部電極パッドを配列しておき、この外部電極パッドに搭載されたハンダボールに上記外部接続パッドを溶着することで、プリント配線板に実装することができる。このようにすることで、配線距離を最短に設定することができるのである。
【００１９】
ところで、ＭＣＰ１０には作動の繰り返しによる発熱があり、この熱履歴による応力が実装されるプリント配線板との接合部分に悪影響を与える可能性がある。そこで、図２に示したように、ＭＣＰ１０の柱状導電樹脂シャフト３２の端面から導通ピン５６を差込挿入し、これを外部接続端子として用いるようにしている。この導通ピン５６はアルミニウム、タングステン、銅などの導電性金属材料により形成するもので、スルーホール１６の開口径に差込挿入できる直径を有する構造とされている。また、ピン長さは少なくとも一層の半導体チップ１４のスルーホール１６内に挿入できるものであればよく、２００〜５００μｍ程度の長さがあればよい。もちろんチップ積層体１４Ｍの全スルーホール１６に挿入される長さでもよい。この導通ピン５６は、パッケージ裏面から一定長さ突出するように設定され、図２に示しているように、プリント配線板５８の外部電極パッド６０に対してハンダボール６２を利用して電気的接続をなし、ＭＣＰ１０とプリント配線板５８の間に空隙６４を設定するように実装するのである。これにより、ＭＣＰ１０とプリント配線板５８での熱応力緩和を導通ピン５６により緩和することができる。
【００２０】
次に、図４は半導体チップ１４の薄膜化処理を行なってＭＣＰおよびこれを実装する半導体装置を作製する場合の製造工程を示している。各半導体チップ１４に図３に示した方法によりスルーホール１６を穿孔し（図４（１））、その後にスルーホール１６の内部に熱硬化性の絶縁樹脂６６を充填して硬化させる（図４（２））。これによりスルーホール１６が埋められ、後のラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）による割れの発生を防止できるので、半導体チップ１４の裏面側のラッピングが可能となり、半導体チップ１４の薄膜化処理が実現できる。そこで、必要な厚さとなるまでバックラッピングを行なう（図４（３））。薄膜化処理された半導体チップ１４Ｈの各スルーホール１６の絶縁樹脂６６に対しレーザ光を照射し、５０〜１００μｍの貫通孔６８を開口させる（図４（４））。これにより導通通路が確保される。そこで、薄膜半導体チップ１４Ｈを前記貫通孔６８が一直線上に配列するように積層し、当該一直線上に配列した貫通孔６８の開口を通じて導電樹脂３０を加圧供給することにより、一括して導電樹脂３０を埋め込み封入して各電極パッド２０を導通する柱状導電樹脂シャフト３２が形成される（図４（５））。この導電樹脂３０の注入方法は、図１にて説明した方法と同様の方法によって行なえばよい。その後は、柱状導電樹脂シャフト３２の端面から導通ピン５６を差込挿入し、これを外部接続端子として用い、プリント配線板５８にの外部電極パッド６０対して接続することで実装できる（図４（６））。
【００２１】
上記実施形態では、ＭＣＰ１０に導通ピン５６を予め取り付けた例を示したが、図５（１）に示すように、導通ピン５６をマルチハンドリング装置７０によって、プリント配線板５８の外部電極パッド６０上に一括して立設させる。次に図５（２）に示すようにこれに柱状導電樹脂シャフト３２を形成したＭＣＰ１０をアライメントし、パッケージ１０の裏面の柱状導電樹脂シャフト３２の端面から串刺し挿入させるようにパッケージ１０を下降移動させて実装し、その後に導電樹脂３０の熱硬化を行なうようにしてもよい。
【００２２】
また、図６には、本発明の実施の形態に係る半導体装置１１００を実装した回路基板１０００を示している。回路基板１０００には、例えばガラスエポキシ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１１００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。
【００２３】
なお、半導体装置１１００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できるので、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。
【００２４】
そして、この回路基板１０００を備える電子機器として、図７にノート型パーソナルコンピュータ１２００を示している。前記ノート型パーソナルコンピュータ１２００は、高機能化を図った回路基板１０００を備えているため、性能を向上させることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は信号入出力用の電極パッド部分にスルーホールを形成した半導体チップを前記スルーホールが一直線上に配列するように複数枚積層し、当該一直線上に配列したスルーホールの開口から導電樹脂を加圧供給することにより、一括して導電樹脂を埋め込み封入して各電極パッドを導通する柱状導電樹脂シャフトを形成するように構成したので、半導体ＭＣＰにおける共通電極パッド同士の導通をスルーホールを介して極めて容易に実現できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る半導体マルチチップパッケージの製造工程における積層チップ間の共通電極パッド同士の導通をなすための最終工程を示す断面図である。
【図２】マルチチップパッケージを実装した半導体装置の部分模式断面図である。
【図３】半導体チップへのスルーホール形成工程の説明図である。
【図４】薄膜半導体チップのマルチチップパッケージの製造工程を示す断面図である。
【図５】マルチチップパッケージのプリント配線板への実装工程の説明図である。
【図６】実施形態に係るマルチチップパッケージの回路基板への適用例の説明図である。
【図７】実施形態に係るマルチチップパッケージの電子機器への適用例の説明図である。
【符号の説明】
１０          半導体マルチパッケージ
１２          半導体装置
１４          半導体チップ（メモリチップ）
１４Ｍ        チップ積層体
１６          スルーホール
１８          シリコン単結晶基板
２０          電極パッド（チップ電極）
２２、２４    酸化シリコン膜
２６          先行孔
２８          酸化シリコン膜
３０          導電樹脂
３２          柱状導電樹脂シャフト
３４          接着層
３６          上押え治具
３８          下押え治具
４０          パッド囲繞空間
４２          スルーホール出口囲繞空間
４４          加圧シリンダ
４６          樹脂供給配管
４８          導電樹脂タンク
５０          吸入配管
５２          方向切替電磁弁
５４          負圧導入路
５６          導通ピン
５８          プリント配線板
６０          外部電極パッド
６２          ハンダボール
６４          空隙
６６          絶縁樹脂
６８          レーザ貫通孔
７０          マルチハンドリング装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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