(57)【要約】【課題】  回路基板上に２つの半導体構成体を積層した半導体装置において、装置全体を薄型化する。【解決手段】  回路基板１の上面中央部には第１の半導体構成体６ａがフェースダウン方式で搭載されている。第１の半導体構成体６ａの上面中央部には上層配線２０が設けられ、上面周辺部には上層接続パッド２２が上層配線２０に接続されて設けられている。第１の半導体構成体６ａの上面中央部にはそれよりも小さいサイズの第２の半導体構成体６ｂがフェースダウン方式で搭載されている。第１の半導体構成体６ａの上面周辺部の上層接続パッド２２と回路基板１の上面周辺部の第２の上層接続パッド３とはボンディングワイヤ２５を介して接続されている。この場合、ボンディングワイヤ２５の最高点を第２の半導体構成体６ｂの上面よりも低い位置とすることにより、装置全体を薄型化することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、半導体基板および該半導体基板下に設けられた複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体が、前記基板側から順に前記半導体基板のサイズが大きい順に積層された半導体装置であって、最下層の前記半導体構成体がその外部接続用電極を前記基板の上層接続パッドに接続された状態で前記基板上に搭載され、最上層の前記半導体構成体を除く少なくとも１つの半導体構成体上に上層配線が設けられ、前記半導体構成体の上部に搭載される半導体構成体が前記上層配線に接続されており、前記上層配線に接続された上層接続パッドと前記基板とがボンディングワイヤを介して接続されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、下側の前記半導体構成体は、前記半導体基板と前記上層配線および前記上層接続パッドとの間に設けられた絶縁膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発明において、前記各半導体構成体は、前記外部接続用電極としての柱状電極を有し、且つ、該柱状電極の外周面を覆う封止膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の発明において、最下層の前記半導体構成体は前記柱状電極下に設けられた半田ボールを有し、該半田ボールが前記基板の第１の接続パッドに接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項３に記載の発明において、上側の前記半導体構成体は前記柱状電極下に設けられた半田ボールを有し、該半田ボールが下側の前記半導体構成体の上層配線の接続パッド部に接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１に記載の発明において、最下層以外の前記半導体構成体は複数であることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１に記載の発明において、前記基板下に複数の下層接続パッドが前記第１、第２の上層接続パッドに接続されて設けられ、該下層接続パッド下に半田ボールが設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項１に記載の発明において、前記ボンディングワイヤの最高点は最上層の前記半導体構成体の上面よりも低い位置にあることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
請求項８に記載の発明において、複数の前記半導体構成体および前記ボンディングワイヤを含む前記基板上に封止材が設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の発明において、前記封止材の上面は最上層の前記半導体構成体の上面と面一となっていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
基板上に、半導体基板および該半導体基板下に設けられた外部接続用電極を有する複数の半導体構成体が、前記基板側から順に前記半導体基板のサイズが大きい順に積層された半導体装置であって、最下層の前記半導体構成体がその外部接続用電極を前記基板の上層接続パッドに接続された状態で前記基板上に搭載され、最上層の前記半導体構成体を除く少なくとも一つの半導体構成体上に上層配線が設けられ、前記半導体構成体の上部に搭載される半導体構成体が前記上層配線に接続されており、前記上層配線に接続された上層接続パッドと前記基板とがボンディングワイヤを介して接続されている構造の半導体装置の製造方法であって、
下側の前記半導体構成体を製造するとき、ウエハ状態の半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に前記上層配線および前記上層接続パッドを形成する工程と、
前記ウエハ状態の半導体基板を切断して複数個の下側の前記半導体構成体を得る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の発明において、下側の前記半導体構成体を製造するとき、前記絶縁膜を形成する前に、前記ウエハ状態の半導体基板を研削して該ウエハ状態の半導体基板の厚さを薄くする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の発明において、前記ウエハ状態の半導体基板を研削した後であって前記絶縁膜を形成する前に、前記ウエハ状態の半導体基板の下面側を最終的には除去する支持板上に接着する工程を有す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】
【技術分野】
【０００１】
この発明は半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置には、実装面積を小さくするため、基板の上面中央部に第１の半導体チップを搭載し、第１の半導体チップの上面中央部にそれよりも小さいサイズの第２の半導体チップを搭載し、第１、第２の半導体チップの各上面周辺部に設けられた接続パッドと基板の上面周辺部に設けられた上層接続パッドとをボンディングワイヤを介して接続し、ボンディングワイヤを含む第１、第２の半導体チップを封止材で覆い、基板下に設けられた下層接続パッド下に半田ボールを設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１１６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の半導体装置では、特に、第２の半導体チップの接続パッドと基板の上層接続パッドとを接続するためのボンディングワイヤの最高点が第２の半導体チップの上方に位置するため、装置全体が厚くなってしまうという問題がある。また、最近では、半導体チップの接続パッド数の増大がより一層進行し、接続パッドの狭ピッチ化が進行している。この結果、特に、第２の半導体チップの接続パッドの接合面積が小さくなり、第２の半導体チップの接続パッドと基板の上層接続パッドとを接続するためのボンディングワイヤとして比較的細くて比較的長いものを使用しなければならず、インピーダンスが大きくなり、高周波用には適合できなくなってしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、装置全体を薄型化することができ、また高周波用にも適合可能とすることができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、この発明に係る半導体装置は、基板上に、半導体基板および該半導体基板下に設けられた複数の外部接続用電極を有する複数の半導体構成体が、前記基板側から順に前記半導体基板のサイズが大きい順に積層された半導体装置であって、最下層の前記半導体構成体がその外部接続用電極を前記基板の上層接続パッドに接続された状態で前記基板上に搭載され、最上層の前記半導体構成体を除く少なくとも１つの半導体構成体上に上層配線が設けられ、前記半導体構成体の上部に搭載される半導体構成体が前記上層配線に接続されており、前記上層配線に接続された上層接続パッドと前記基板とがボンディングワイヤを介して接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、各半導体構成体の半導体基板下に外部接続用電極を設け、且つ、最上層の半導体構成体を除く少なくとも１つの半導体構成体上に上層配線を設けているので、最下層の半導体構成体を基板上にボンディングワイヤを用いることなくフェースダウン方式で搭載することができ、また半導体構成体の上部に搭載される半導体構成体をフェースダウン方式で搭載し、下側の半導体構成体の上層配線に接続された上層接続パッドと基板とをボンディングワイヤを介した接続することにより、上側の半導体構成体の外部接続用電極と基板とを電気的に接続することができ、これにより装置全体を薄型化することができ、また高周波用にも適合可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は平面方形状の多層配線構造の回路基板１を備えている。回路基板１の上面中央部（第１の領域）には複数の第１の上層接続パッド２が設けられ、上面周辺部（第２の領域）には複数の第２の上層接続パッド３が設けられ、下面には複数の下層接続パッド４が設けられている。第１、第２の上層接続パッド２、３と下層接続パッド４とは、回路基板１の内部に設けられた内部配線（図示せず）を介して接続されている。下層接続パッド４の下面には半田ボール５が設けられている。
【０００９】
回路基板１上の中央部には平面方形状の第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂがこの順で積層されている。この場合、第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂは、そのサイズが異なるが、その基本的な構成がほぼ同じであり、一般的には、ＣＳＰ（chip size package）と呼ばれるものである。
【００１０】
次に、第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂの基本的な構成がほぼ同じである部分について説明する。第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂは平面方形状のシリコン基板（半導体基板）７ａ、７ｂを備えている。シリコン基板７ｂのサイズはシリコン基板７ａのサイズよりもある程度小さくなっている。シリコン基板７ａ、７ｂの下面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、下面周辺部にはアルミニウム系金属等からなる複数の接続パッド８ａ、８ｂが集積回路に接続されて設けられている。
【００１１】
接続パッド８ａ、８ｂの中央部を除くシリコン基板７ａ、７ｂの下面には酸化シリコン等からなる絶縁膜９ａ、９ｂが設けられ、接続パッド８ａ、８ｂの中央部は絶縁膜９ａ、９ｂに設けられた開口部１０ａ、１０ｂを介して露出されている。絶縁膜９ａ、９ｂの下面にはポリイミド系樹脂等からなる保護膜１１ａ、１１ｂが設けられている。絶縁膜９ａ、９ｂの開口部１０ａ、１０ｂに対応する部分における保護膜１１ａ、１１ｂには開口部１２ａ、１２ｂが設けられている。
【００１２】
保護膜１１ａ、１１ｂの下面には銅等からなる下地金属層１３ａ、１３ｂが設けられている。下地金属層１３ａ、１３ｂの下面全体には銅からなる配線１４ａ、１４ｂが設けられている。下地金属層１３ａ、１３ｂを含む配線１４ａ、１４ｂの一端部は、絶縁膜９ａ、９ｂおよび保護膜１１ａ、１１ｂの開口部１０ａ、１０ｂおよび開口部１２ａ、１２ｂを介して接続パッド８ａ、８ｂに接続されている。
【００１３】
配線１４ａ、１４ｂの接続パッド部下面には銅からなる柱状電極（外部接続用電極）１５ａ、１５ｂが設けられている。配線１４ａ、１４ｂを含む保護膜１１ａ、１１ｂの下面にはエポキシ系樹脂等からなる封止膜１６ａ、１６ｂがその下面が柱状電極１５ａ、１５ｂの下面と面一となるように設けられている。柱状電極１５ａ、１５ｂの下面には半田ボール１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００１４】
ここで、第２の半導体構成体６ｂは、シリコン基板７ｂ、接続パッド８ｂ、絶縁膜９ｂ、保護膜１１ｂ、下地金属層１３ｂ、配線１４ｂ、柱状電極１５ｂ、封止膜１６ｂおよび半田ボール１７ｂにより構成されている。
【００１５】
次に、第１の半導体構成体６ａの第２の半導体構成体６ｂと異なる点について説明する。シリコン基板７ａの上面にはポリイミド系樹脂等からなる絶縁膜１８が設けられている。絶縁膜１８の上面中央部（第１の領域）には銅等からなる下地金属層１９が設けられている。下地金属層１９の上面全体には銅からなる上層配線２０が設けられている。下地金属層１９を含む上層配線２０の一端部は、絶縁膜１８の上面周辺部（第２の領域）に設けられた銅等からなる下地金属層２１を含む銅からなる上層接続パッド２２に接続されている。
【００１６】
ここで、第１の半導体構成体６ａは、シリコン基板７ａ、接続パッド８ａ、絶縁膜９ａ、保護膜１１ａ、下地金属層１３ａ、配線１４ａ、柱状電極１５ａ、封止膜１６ａ、半田ボール１７ａ、絶縁膜１８、下地金属層１９、上層配線２０、下地金属層２１および上層接続パッド２２により構成されている。
【００１７】
そして、第１の半導体構成体６ａは、その半田ボール１７ａが回路基板１の上面中央部に設けられた第１の上層接続パッド２に接合されていることにより、回路基板１の上面中央部に搭載されている。この場合、第１の半導体構成体６ａと回路基板１との間にはアンダーフィル材２３が設けられている。
【００１８】
第２の半導体構成体６ｂは、その半田ボール１７ｂが第１の半導体構成体６ａの上面中央部に設けられた上層配線２０の接続パッド部に接合されていることにより、第１の半導体構成体６ａの上面中央部に搭載されている。この場合、第２の半導体構成体６ｂと第１の半導体構成体６ａとの間にはアンダーフィル材２４が設けられている。
【００１９】
第１の半導体構成体６ａの上面周辺部に設けられた上層接続パッド２２と回路基板１の上面周辺部に設けられた第２の上層接続パッド３とは金からなるボンディングワイヤ２５を介して接続されている。この場合、ボンディングワイヤ２５の最高点は第２の半導体構成体６ｂの上面よりも低い位置にある。第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂおよびボンディングワイヤ２５を含む回路基板１の上面にはエポキシ系樹脂等からなる封止材２６がその上面が第２の半導体構成体６ｂの上面と面一となるように設けられている。
【００２０】
以上のように、この半導体装置では、第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂのシリコン基板７ａ、７ｂ下に柱状電極１５ａ、１５ｂを設け、且つ、第１の半導体構成体６ａのシリコン基板７ａ上に上層配線２０および該上層配線２０に接続された上層接続パッド２２を設けているので、第１の半導体構成体６ａを回路基板１上にボンディングワイヤを用いることなくフェースダウン方式で搭載することができ、また第２の半導体構成体６ｂを第１の半導体構成体６ａ上にフェースダウン方式で搭載し、第１の半導体構成体６ａの上層接続パッド２２と回路基板１の第２の上層接続パッド３とをボンディングワイヤ２５を介した接続することにより、第２の半導体構成体６ｂの半田ボール１７ｂと回路基板１の第２の上層接続パッド３とを電気的に接続することができ、これにより装置全体を薄型化することができ、また高周波用にも適合可能とすることができる。
【００２１】
すなわち、第２の半導体構成体６ｂの半田ボール１７ｂと回路基板１の第２の上層接続パッド３とを電気的に接続するためのボンディングワイヤ２５の最高点は第２の半導体構成体６ｂの上面よりも低い位置にあり、これにより装置全体を薄型化することができる。また、封止材２６の上面は第２の半導体構成体６ｂの上面と面一となっているので、装置全体を可及的に薄型化することができる。
【００２２】
また、第２の半導体構成体６ｂの半田ボール１７ｂと回路基板１の第２の上層接続パッド３とを電気的に接続するためのボンディングワイヤ２５の一端部は第１の半導体構成体６ａの上面周辺部に設けられた上層接続パッド２２に接続されているので、このボンディングワイヤ２５の長さを比較的短くすることができる。しかも、第１の半導体構成体６ａの上面周辺部に設けられた上層接続パッド２２は、シリコン基板７ａ下の接続パッド８ａの狭ピッチ化とは関係がなく、そのサイズを可及的に大きくすることが可能である。この結果、ボンディングワイヤ２５として比較的太くて比較的短いものを用いることができ、インピーダンスが小さくなり、高周波用にも適合可能とすることができる。
【００２３】
次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明するに、まず、第１の半導体構成体６ａの製造方法の一例について説明する。この場合、図２に示すように、ウエハ状態のシリコン基板（以下、半導体ウエハ３１という）上に、接続パッド８ａ、絶縁膜９ａ、保護膜１１ａ、下地金属層１３ａ、配線１４ａ、柱状電極１５ａおよび封止膜１６ａが形成され、半田ボール１７ａが形成されていないものを用意する。この場合、半導体ウエハ３１の厚さは、図１に示す第１の半導体構成体６ａのシリコン基板７ａの厚さよりもある程度厚くなっている。なお、図２において、符号３２で示す領域はダイシングストリートに対応する領域である。
【００２４】
次に、図３に示すように、半導体ウエハ３１の下面側を適宜に研削して半導体ウエハ３１の厚さを適宜に薄くする。次に、図３に示すものの上下を反転し、図４に示すように、柱状電極１５ａの下面を含む封止膜１６ａの下面を、ガラス、硬質樹脂、金属等からなる支持板３３の上面に設けられたノボラックタイプのフェノール樹脂等からなる接着層３４の上面に接着する。接着層３４を含む支持板３３は、半導体ウエハ３１の厚さを適宜に薄くしたことに伴う強度の低下を補うとともに、柱状電極１５ａの下面を含む封止膜１６ａの下面を保護するためのものであり、後述の如く、最終的には除去されるものである。
【００２５】
次に、図５に示すように、半導体ウエハ３１の上面全体に下地金属層３５を形成する。この場合、下地金属層３５は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタにより形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタにより形成されたチタン等の薄膜層上にスパッタにより銅層を形成したものであってもよい。
【００２６】
次に、下地金属層３５の上面にメッキレジスト膜３６をパターン形成する。この場合、上層配線２０および上層接続パッド２２形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜３６には開口部３７が形成されている。次に、下地金属層３５をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜３６の開口部３７内の下地金属層３５の上面に上層配線２０および上層接続パッド２２を形成する。
【００２７】
次に、メッキレジスト膜３６を剥離し、次いで、上層配線２０および上層接続パッド２２をマスクとして下地金属層３５の不要な部分をエッチングして除去すると、図６に示すように、上層配線２０および上層接続パッド２２下にのみ下地金属層１９、２１が残存される。次に、支持板３３を接着層３４と共に除去する。
【００２８】
次に、図７に示すように、柱状電極１５ａの下面に半田ボール１７ａを形成する。次に、図８に示すように、絶縁膜１８、半導体ウエハ３１、絶縁膜９ａ、保護膜１１ａおよび封止膜１６ａをダイシングストリート３２に沿って切断すると、シリコン基板７ａ上に絶縁膜１８、上層配線２０および上層接続パッド２２が設けられた構造の第１の半導体構成体６ａが複数個得られる。
【００２９】
次に、図９に示すように、回路基板１の上面に第１、第２の上層接続パッド２、３が形成され、下面に下層接続パッド４が形成され、半田ボール５が形成されていないものを用意する。次に、第１の半導体構成体６ａの半田ボール１７ａを回路基板１の第１の上層接続パッド２に接合することにより、第１の半導体構成体６ａを回路基板１の上面中央部にフェースダウン方式で搭載する。次に、第１の半導体構成体６ａと回路基板１との間にアンダーフィル材２３を充填する。
【００３０】
次に、図１に示すように、第２の半導体構成体６ｂの半田ボール１７ｂを第１の半導体構成体６ａの上層配線２０の接続パッド部に接合することにより、第２の半導体構成体６ｂを第１の半導体構成体６ａの上面中央部にフェースダウン方式で搭載する。次に、第２の半導体構成体６ｂと第１の半導体構成体６ａとの間にアンダーフィル材２４を充填する。
【００３１】
次に、第１の半導体構成体６ａの上面周辺部の上層接続パッド２２と回路基板１の上面周辺部の第２の接続パッド３とを金からなるボンディングワイヤ２５を介して接続する。次に、第１、第２の半導体構成体６ａ、６ｂおよびボンディングワイヤ２５を含む回路基板１の上面にエポキシ系樹脂等からなる封止材２６をその上面が第２の半導体構成体６ｂの上面と面一となるように形成する。次に、回路基板１の下層接続パッド４の下面に半田ボール５を形成する。かくして、図１に示す半導体装置が得られる。
【００３２】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、回路基板上に２つの半導体構成体を積層した場合について説明したが、３つ以上の半導体構成体を積層してもよく、例えば、図１０に示すこの発明の第２実施形態のように、３つの半導体構成体を積層するようにしてもよい。この半導体装置において、図１に示す半導体装置と大きく異なる点は、第１の半導体構成体６ａよりも大きいサイズであって第１の半導体構成体６ａと同様の構造の最下層の半導体構成体６ｃを回路基板１の上面中央部に搭載し、最下層の半導体構成体６ｃの上面中央部に第１の半導体構成体６ａを搭載した点である。
【００３３】
すなわち、最下層の半導体構成体６ｃは、その半田ボール１７ｂが回路基板１の第１の上層接続パッド２に接合されていることにより、回路基板１の上面中央部にフェースダウン方式で搭載されている。最下層の半導体構成体６ｃと回路基板１との間にはアンダーフィル材４１が設けられている。最下層の半導体構成体６ｃのシリコン基板７ｃの上面には絶縁膜１８ｃが設けられている。絶縁膜１８ｃの上面中央部には複数の上層配線２０ｃが設けられ、上面周辺部には複数の上層接続パッド２２ｃが上層配線２０ｃに接続されて設けられている。
【００３４】
第１の半導体構成体６ａは、その半田ボール１７ａが最下層の半導体構成体６ｃの上層配線２０ｃの接続パッド部に接合されていることにより、最下層の半導体構成体６ｃの上面中央部にフェースダウン方式で搭載されている。第１の半導体構成体６ａと最下層の半導体構成体６ｃとの間にはアンダーフィル材２３が設けられている。最下層の半導体構成体６ｃの上層接続パッド２２ｃと回路基板１の上面周辺部に設けられた第２の上層接続パッド３ｃとはボンディングワイヤ２５ｃを介して接続されている。第２の上層接続パッド３ｃは、回路基板１の内部配線（図示せず）を介して下層接続パッド４に接続されている。
【００３５】
（その他の実施形態）
図１および図１０において、最上層の第２の半導体構成体６ｂは、第１の半導体構成体６ａの上面に設けられた上層配線２０および上層配線接続パッド２２のようなものを有していないので、その下側の第１の半導体構成体６ａの上面中央部に搭載されるような構造であればよい。したがって、最下層以外の半導体構成体としては、最下層の半導体構成体の上面中央部に複数個搭載されるようなものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の第１実施形態としての半導体装置の断面図。
【図２】図１に示す半導体装置の製造方法の一例において、当初用意したものの断面図。
【図３】図２に続く工程の断面図。
【図４】図３に続く工程の断面図。
【図５】図４に続く工程の断面図。
【図６】図５に続く工程の断面図。
【図７】図６に続く工程の断面図。
【図８】図７に続く工程の断面図。
【図９】図８に続く工程の断面図。
【図１０】この発明の第２実施形態としての半導体装置の断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１  回路基板
２  第１の上層接続パッド
３  第２の上層接続パッド
４  下層接続パッド
５  半田ボール
６ａ  第１の半導体構成体
６ｂ  第２の半導体構成体
７ａ、７ｂ  シリコン基板
８ａ、８ｂ  接続パッド
９ａ、９ｂ  絶縁膜
１１ａ、１１ｂ  保護膜
１４ａ、１４ｂ  配線
１５ａ、１５ｂ  柱状電極
１６ａ、１６ｂ  封止膜
１７ａ、１７ｂ  半田ボール
１８  絶縁膜
２０  配線
２２  接続パッド
２３、２４  アンダーフィル材
２５  ボンディングワイヤ
２６  封止材
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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