(57)【要約】【課題】  フリップチップ接続が終了した後において半導体チップと配線基板間にアンダーフィル樹脂層を形成し、これを硬化させた後でも配線基板や半導体チップの反り上がり、接続部の破断が少ない半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  チップ搭載エリアを有する配線基板の複数個から構成された基板９を上面が真空吸着面となるステージ１の上面に吸着させる工程と、ステージ１により保持された基板９の前記チップ搭載エリア１４に半導体チップを搭載して基板９に半導体チップをフリップチップ接続する工程と、その後基板９を真空吸着により保持した状態でステージ１上で基板９と半導体チップ間に液状樹脂１２を流し込む工程と、基板１を真空吸着により保持した状態でステージ１上で流し込んだ液状樹脂１２を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層１５を形成する工程とを行う。その後チップの積層、ボンディングワイヤ、樹脂封止等を行う。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ搭載エリアを有する配線基板の複数個から構成された基板を上面が真空吸着面となるステージ上面に吸着させる工程と、
前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する工程と、
前記半導体チップをフリップチップ接続する工程の後に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む工程と、
前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ステージ上面には少なくとも１つの点状もしくは線状の吸着部が設けられてい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】
前記基板の前記吸着部が設けられている領域上には前記チップ搭載エリアを載置しないようにすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記アンダーフィル樹脂層を形成する工程の後工程において、前記半導体チップ上に少なくとも１層の半導体チップを積層し、この少なくとも１層の半導体チップは、前記配線基板の配線とボンディングワイヤにより接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
少なくとも２層積層された複数の半導体チップと、
外部接続端子を備え、前記積層された複数の半導体チップを搭載する配線基板とを備え、
前記配線基板に直接接続される第１層の半導体チップは、前記配線基板にフリップチップ接続され、且つ前記第１層の半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂層が形成され、前記第１層の半導体チップに積層される第２層以上の半導体チップは、ボンディングワイヤにより前記配線基板に電気的に接続され、前記第１層の半導体チップの膜厚は１００μｍ以下であり、前記配線基板は２００μｍを越えない膜厚を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一つの半導体パッケージの中に半導体チップを複数個積層した半導体装置の製造方法及びこの製造方法により製造された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のチップ積層型半導体装置は、チップサイズの比較的大きなメモリチップを複数段積み重ねた構造が多く、これらの構造は、配線基板との接続方法として全てワイヤボンディングを用いていた。しかし、近年ではロジックチップとメモリチップを混載させて積層する半導体装置が出現してきた。ロジックチップの場合は、電極パッド数が３００〜５００パッドと非常に多く、ワイヤボンディングで接続すると、配線基板側にそのパッド数と同じ数のインナーリードが必要となる。そうなると、半導体装置の外形サイズが大型化してしまうのでロジックチップのみフリップチップボンディング法を用いて接続させ、他のチップはワイヤボンディング法を用いて接続する方法がとられている。しかも、半導体チップを一つのパッケージに積層するのでそれぞれの半導体チップの厚さが１００μｍ以下と非常に薄くなっている。同時に配線基板の厚さも２００μｍ程度と薄くなっているのが現状である。フリップチップ接続において、半導体チップが薄いと言うのは、さまざまな面で問題が生じ製造面での難易度も高い。
【０００３】
そのうちの一つが、半導体チップや配線基板の剛性不足によって生ずる反りである。フリップチップ接続時には配線基板は平坦なステージ上に真空吸着によって固定され、半導体チップもボンディングツールによって平坦に吸着固定されている。この状態で接続時に２００℃以上の温度が加わっても、お互いが平坦であるため正常に接続が行われる。しかし、接続が終了しボンディングステージによる真空吸着から配線基板を開放した瞬間に配線基板や半導体チップが反り上がり、接続部が破断してしまうという問題が生じている。
この問題が解決されないと、半導体チップの厚さを薄くすることができず、その結果半導体パッケージの厚さが顧客の要求する寸法に納められないという問題が生ずる。また、半導体チップの積み重ね枚数も減少するため高機能な半導体装置を生み出すことが出来ない。従来技術として特許文献１が開示されている。特許文献１には、回路基板を基板保持具により平坦に固定し、素子を該回路基板にフェイスダウン接続することが記載されている。更にアンダーフィル剤を充填し硬化させた後に回路基板を基板保持具から取り外す半導体装置の製造方法が記載されている。
【特許文献１】特開平９−２１３７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、フリップチップ接続が終了した後において半導体チップと配線基板間にアンダーフィル樹脂層を形成し、これを硬化させた後でも配線基板や半導体チップの反り上がり、接続部の破断が少ない半導体装置の製造方法及びこの方法により形成された半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、チップ搭載エリアを有する配線基板の複数個から構成された基板を上面が真空吸着面となるステージ上面に吸着させる工程と、前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する工程と、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む工程と、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【０００６】
また、本発明の半導体装置の一態様は、少なくとも２層積層された複数の半導体チップと、外部接続端子を備え、前記積層された複数の半導体チップを搭載する配線基板とを備え、前記配線基板に直接接続される第１層の半導体チップは、前記配線基板にフリップチップ接続され、且つ前記第１層の半導体チップと前記配線基板との間隙にアンダーフィル樹脂層が形成され、前記第１層の半導体チップに積層される第２層以上の半導体チップは、ボンディングワイヤにより前記配線基板に電気的に接続され、前記第１層の半導体チップの膜厚は１００μｍ以下であり、前記配線基板は２００μｍを越えない膜厚を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
フリップチップ接続が終了した後において半導体チップと配線基板間にアンダーフィル樹脂層を形成し、これを硬化させた後でも配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１乃至図９を参照して実施例１を説明する。
図１は、基板を搭載させるステージの平面図及び断面図、図２及び図３は、フリップチップ接続を説明する部分工程断面図、図４及び図５は、半導体チップと基板間に液状樹脂を流し込む部分工程断面図、図６は、ステージに基板を搭載してからアンダーフィル樹脂層を形成するまでの工程斜視図、図７は、図６の工程を処理する半導体製造装置の概略斜視図、図８は、半導体装置の製造工程を説明するフロー図、図９は、半導体装置の断面図である。
【００１０】
この実施例で説明する半導体装置（図９参照）は、図８に示すように、次のような工程で製造される。まず、配線基板の複数個から構成された基板を真空吸着面となるステージ上面に吸着させる（工程（１））。次に、前記ステージにより保持された基板の前記チップ搭載エリアに半導体チップを搭載して前記基板に前記半導体チップをフリップチップ接続する（工程（２））。次に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記基板と前記半導体チップ間に液状樹脂を流し込む（工程（３））。次に、前記基板を真空吸着により保持した状態でステージ上で前記流し込んだ液状樹脂を加熱硬化させてアンダーフィル樹脂層を形成する（工程４））。アンダーフィル樹脂層を形成してから基板をステージから外す（工程（５））。その後、２層以上の半導体チップをフリップチップ接続した半導体チップ上に積層し、これらと基板との電気的接続をボンディングワイヤにより行う（工程（６））。次に、基板上に積層形成された半導体チップを樹脂封止すべく、基板上にモールド樹脂封止体を形成する（工程（７））。その後、配線基板単位に基板ダイシングを行って、図９に示す半導体パッケージ（半導体装置）が形成される（工程（８））。
【００１１】
このような半導体装置を形成する工程において、工程（２）乃至工程（４）にこの実施例の特徴がある。以下、図１及び図７、図２乃至図５を参照しながら図６の工程斜視図に基づいて工程（２）乃至工程（４）を詳細に説明する。
この工程は、図７の半導体製造装置を用いて処理される。この半導体製造装置は、フリップチップ接続を行うＦＣ部、アンダーフィル樹脂層の材料である液状樹脂を基板上に流し込むアンダーフィル部及び液状樹脂を加熱して硬化させるアフターキュア炉から構成されており、各部は、ステージ搬送レールによって連絡がつけられている。ステージ搬送レールは、基板を真空吸着したステージを各部に適宜搬送するように構成されている。
図１は、この実施例で用いられるステージ１の一例である。ステージ１上面には複数の８の字形状の吸着溝３が形成されており、吸着溝３はステージ１内部の吸着孔２に繋がり、吸着孔２は、真空ポンプ（図示しない）に繋がるパイプ１３に接続されている。吸着溝３は、真空ポンプに引かれて真空４になり、基板を吸着する吸着力を有するようになる。この時、チップ搭載エリアには吸着孔及び吸着溝が重ならないようにする。もし重ねると、この部分の吸着孔もしくは吸着溝に吸着されて基板から半導体チップが離れる恐れがあるからである。
【００１２】
図６（ａ）に示すように、複数のチップ搭載エリア１４を有する（この実施例では、例えば、１２エリアである）基板９を真空ポンプによりパイプを介して真空４引きされた吸着溝３の吸着力により基板サイズに合わせた形状のステージ１上面に固定する。基板９は、ステージ１より一回り小さくなるように構成されている。吸着溝も基板の形状や半導体チップのサイズに合わせて最適な場所に設置する。
次に、図６（ｂ）に示すように、フリップチップボンディングツール１０を用いて半導体チップ５を基板９のチップ搭載エリア１４にフリップチップ接続する。その詳細は図２及び図３に示される。ステージ１上の基板９には基板インナーリード（配線）８が形成され、その上には接続用の金属７、例えば、Ｓｎ−Ａｇが形成されている。一方、半導体チップ５は、表面の接続電極（図示しない）の上にバンプ電極６が設けられている。
【００１３】
半導体チップ５は、フリップチップボンディングツール１０によって保持され、ステージ１上に搬送される（図２）。フリップチップボンディングツール１０は、複数の吸着孔２′を有し、これを真空４′にすることにより吸着力を得ている。フリップチップボンディングツール１０により保持された半導体チップ５は、自動認識によって基板インナーリード（配線）８と位置合せを行い圧着を行ってバンプ電極６と接続用の金属７とを接合する（図３）。この際、接続部の金属同士を接合させるために最適な温度と荷重と時間を加える。また、ステージ１は、基板９全体を加熱するヒータを兼ねるようにすることができる。この工程は図７のＦＣ部で行われる。
次に、図６（ｃ）に示すように、基板９をステージ１に真空吸着した状態で、エポキシ樹脂などの液状封止樹脂１２を半導体チップ５の側面から流し込む。その詳細は図４に示される。即ち、液状樹脂１２は、液状封止樹脂塗布用ノズル１１を半導体チップ５に近接させて、半導体チップ５とステージ１に真空吸着された基板９との間であって、フリップチップ接続されたバンプ電極６と基板インナーリード８上の接続用の金属７との接続により形成された間隙に流し込まれる。この工程は、図７のアンダーフィル部で行われる。
【００１４】
次に、図６（ｄ）に示すように、基板９をステージ１に真空吸着した状態で、液状封止樹脂１２が硬化するまでステージ１上に保持する。その詳細は図５に示される。液状樹脂１２は、半導体チップ５とステージ１に真空吸着された基板９との間に充填され、バンプ電極６と基板インナーリード８上の接続用の金属７との接続部を被覆している。この状態で図７のアフターキュア炉で加熱されて硬化してアンダーフィル樹脂層１５が形成される。
その後、基板９はステージ１から下され、後工程である工程（６）乃至工程（８）を実施して図９に示す半導体装置が形成される。基板をダイシングして得られた配線基板１６は、配線（基板インナーリード）８を有し、裏面にはんだボールなどの外部接続端子１８が形成されている。配線８と外部接続端子１８とは内部配線１７により接続されている。配線基板１６に直接接続された第１層の半導体チップ（チップＡ）５は、前述の工程（２）乃至工程（４）により形成されたものである。半導体チップ５の上には第２層の半導体チップ（チップＢ）が接着剤により接着され積層されている。
【００１５】
チップＢに形成された接続電極（図示しない）と配線基板１６の配線８とはボンディングワイヤ１９により電気的に接続されている。チップＢの上には第３層の半導体チップ（チップＣ）が接着剤により接着され積層されている。これは、スペーサチップといわれ、配線及び素子が形成されない単なるシリコンチップである。これは、チップＢのワイヤボンディングスペースを設けるために形成されたものである。チップＣの上には第４層の半導体チップ（チップＤ）が接着剤により接着され積層されている。チップＤに形成された接続電極（図示しない）と配線基板１６の配線８とはボンディングワイヤ１９′により電気的に接続されている。配線基板１６上には積層された半導体チップ及びボンディングワイヤ等を含めて樹脂封止体２０により樹脂封止されている。チップＡには、電極数の多い、例えば、２００パッド以上の、例えば、ロジックチップなどが適用される。チップＢ及びチップＤには、例えば、メモリチップが用いられる。チップＡの膜厚は１００μｍ以下であり、配線基板の膜厚は、２００μｍより薄く形成されている。
【００１６】
１００μｍ以下の半導体チップをフリップチップ接続により搭載しても、アンダーフィル樹脂層を硬化させた後での配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少なく、その結果、多数の半導体チップを一つのパッケージに積層することが可能になる。また、パッケージの厚さも薄くする事が可能となる。また、半導体チップと基板をお互い平坦なツールやステージで固定しているため、高い位置精度のフリップチップ接続が可能となり、位置ズレ不良などの品質不良が減少可能になる。また、フリップチップ接続終了後も基板をステージ上で保持し続けるので、熱収縮などによる基板の反りを防止して接続部の破断を防ぐことが可能となる。また、この状態で液状封止樹脂を流し込んでいるので樹脂の均等な流動により安定した封止が可能となる。また、配線基板や半導体チップの反り上がりや接続部の破断が少ないので、２００μｍより薄い配線基板を用いることが可能になって半導体パッケージの一層の薄膜化が可能になる。
【実施例２】
【００１７】
次に、図１０を参照して実施例２を説明する。
図１０は、基板の平面図及びステージの上面に設けた基板吸着面を示す平面図である。この実施例では、ステージの基板吸着面に特徴がある。この実施例で説明する基板２１は、複数のチップ搭載エリア２２を備え、ダイシングにより複数の配線基板に個片化される。基板２１は、ステージに完全に載ることができるようにこれらステージより一回り小さいものが用いられる（図１０（ａ））。
実施例１ではステージ上面の吸着面は、８の字を複数配列した形状の吸着溝を用いたが、この実施例の第１の例ではステージ２３上面の吸着溝２４は、Ｈの字を複数配列した形状になっている。吸着孔（図示しない）は、各Ｈの字に少なくとも１つ設けられている（図１０（ｂ））。
第２の例では、ステージ２５上面の吸着面には吸着溝が形成されていない。所定の間隔で吸着孔２６がならんでいるのみである（図１０（ｃ））。
【００１８】
以上の通り、吸着面の構造は、実施例に限定されず様々な構造が考えられる。しかし、基板に設けられたチップ搭載エリアにはステージの吸着孔及び吸着溝が重ならないようにすることが必要である。何故なら、ステージの吸着孔もしくは吸着溝の上にチップ搭載エリアが載置されると、この部分の吸着孔もしくは吸着溝に基板が吸着されて基板から半導体チップが離れる恐れがあるからである。チップが基板から離れることによって接続部の破断が発生する恐れが大きくなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である実施例１の基板を搭載させるステージの平面図及び断面図。
【図２】本発明の一実施例である実施例１のフリップチップ接続を説明する部分工程断面図。
【図３】本発明の一実施例である実施例１のフリップチップ接続を説明する部分工程断面図。
【図４】本発明の一実施例である実施例１の半導体チップと基板間に液状樹脂を流し込む部分工程断面図。
【図５】本発明の一実施例である実施例１の半導体チップと基板間に液状樹脂を流し込む部分工程断面図。
【図６】本発明の一実施例である実施例１のステージに基板を搭載してからアンダーフィル樹脂層を形成するまでの工程斜視図。
【図７】図６の工程を処理する半導体製造装置の概略斜視図。
【図８】本発明の一実施例である半導体装置の製造工程を説明するフロー図。
【図９】本発明の一実施例である実施例１の半導体装置の断面図。
【図１０】本発明の一実施例である実施例２の基板の平面図及びステージの上面に設けた基板吸着面を示す平面図。
【符号の説明】
【００２０】
１、２３、２５・・・ステージ    ２、２６・・・吸着孔
３、２４・・・吸着溝    ４・・・真空    ５・・・半導体チップ
６・・・バンプ電極    ７・・・接続用の金属
８・・・配線又は基板インナーリード    ９、２１・・・基板
１０・・・フリップチップボンディングツール
１１・・・液状封止樹脂塗布用ノズル    １２・・・液状封止樹脂
１３・・・パイプ    １４、２２・・・チップ搭載エリア
１５・・・アンダーフィル樹脂層    １６・・・配線基板
１７・・・内部配線    １８・・・外部接続端子
１９・・・ボンディングワイヤ    ２０・・・樹脂封止体
【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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