(57)【要約】【課題】歩留まりと信頼性の高い貫通電極を有した半導体チップおよびその製造方法を提供する。【解決手段】この半導体チップ１は、半導体基板２を含んでいる。半導体基板２の表面には導電層３が形成されている。導電層３の下部には、半導体基板２を厚さ方向に貫通する貫通孔５が形成されている。貫通孔５内には、貫通電極８が設けられている。半導体基板２の表面には、貫通孔５を形成する前に予め、補強構造体４が、貫通孔５を完全に覆い尽くすように、貫通孔５よりも大きい径で配置されている。これにより、導電層３は、常に貫通孔５の反対面において補強構造体４で、支えられることにより、導電層３のクラックが防止される。【選択図】図１
2007049103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面を有し上記表面に導電層が形成された半導体基板の上記表面から突出した、補強構造体を形成する工程と、
上記半導体基板の上記裏面から、上記半導体基板の厚さ方向に貫通し、上記導電層の一部を上記補強構造体よりも小さい径で開口する貫通孔を形成する工程と、
上記貫通孔内から上記半導体基板の上記裏面に延びる絶縁膜を形成する工程と、
上記貫通孔の底部の絶縁膜をエッチングして上記導電層を露出する工程と、
上記貫通孔内に、上記導電層と電気的に接続された貫通電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体チップの製造方法。
【請求項２】
表面および裏面を有し上記表面に導電層が形成された半導体基板と、
上記表面から突出した、補強構造体と、
上記半導体基板の上記裏面から、上記半導体基板の厚さ方向に貫通し、上記導電層の一部を上記補強構造体よりも小さい径で開口する貫通孔と、
上記貫通孔内から上記半導体基板の上記裏面に延び、上記貫通孔の底部において上記導電層を露出する絶縁膜と、
上記貫通孔内に、上記導電層と電気的に接続された貫通電極と、を有することを特徴とする半導体チップ。
【請求項３】
上記貫通電極が、上記貫通孔の中央に空隙を有することを特徴とする請求項２記載の半導体チップ。
【請求項４】
上記補強構造体が導電性を有する金属材料からなることを特徴とする請求項２ないし３のいずれかに記載の半導体チップ。
【請求項５】
上記補強構造体上に、上記補強構造体および貫通電極よりも弾性率の低い金属材料を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体チップ。
【請求項６】
上記補強構造体上に、固相線温度が６０℃以上かつ３７０℃以下の温度範囲である低融点金属材料を含み、上記補強構造体および貫通電極の融点よりも低い低融点金属層を有することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の半導体チップ。
【請求項７】
固体撮像素子を内蔵した導電層と、
上記表面に形成された集光用の凸型レンズと、
上記補強構造体を介して接続された光透過性を有する表面保護チップと、
上記凸型レンズと上記表面保護チップとの間の空隙と、を有することを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の半導体チップ。
【請求項８】
厚さ方向に積層された複数の請求項２ないし７のいずれかに記載の半導体チップを含む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】  この発明は、貫通電極を有する半導体チップおよびその製造方法、ならびに貫通電極を有する複数の半導体チップを備えたマルチチップ型の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来より、貫通電極を有した複数のチップを、電気的および機械的に接続したマルチチップ積層構造が知られている。
図１４は、従来の貫通電極を有する半導体チップの製造方法を説明するための図解的な断面図である。このような製造方法は、下記特許文献１に開示されている。図１４（ａ）に示すように、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗの一方表面（以下、「表面」という。）には複数の電極、配線、機能素子（デバイス）が形成された導電層８１が形成されている。そして、ウエハＷの表面とは反対側の面（以下、「裏面」という。）に所定の位置に開口を有したマスク（図示せず）が形成され、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、マスク開口位置において、半導体ウエハをその厚さ方向に貫通する貫通孔８２が形成される。【０００３】  続いて、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、貫通孔８２の内壁面およびウエハＷの裏面に酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる絶縁膜８３が形成され、反応性イオンエッチングにより貫通孔の底部において絶縁膜の開口８３ａが形成され導電層８１が露出される。この状態が、図１４（ｂ）に示されている。【０００４】  次に、絶縁膜８３上、開口８３ａ内を含む所定の領域には、タンタルナイトライド（ＴａＮ）やチタンナイトライド（ＴｉＮ）からなる連続した拡散防止膜（図示せず）および銅（Ｃｕ）からなるシード層（図示せず）が形成された後、所定のパターンのマスクを用いて、ウエハＷを垂直に見下ろす平面視において、貫通孔８２を含む所定の領域が電解めっきにより、貫通電極８４が金属材料（銅）にて形成される。この時、貫通孔は完全に埋め込まれておらず、貫通電極８５は立体的に見れば円筒もしくは角筒の形状を呈している。すなわち、貫通電極８４は、貫通孔８２の中央に空隙８４ａを有している。この状態が図１４（ｃ）に示されている。【０００５】  その後、ウエハＷが切断されて、図１５（ｄ）に示す貫通電極８４を有する半導体チップ９１の個片にされる。
【特許文献】特開平５−５５４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかしながら、図１４および図１５に示した従来例では、貫通孔８２を形成した際に複数の層で形成された薄く脆弱な導電層８１が露出した状態となり、導電層８１の露出部のたわみにより応力が発生し、図１５（ｄ）に示すように、露出部の縁部においてクラック９３が生じるおそれがあった。また、絶縁膜８３を形成する際に発生する膜応力によっても、クラック９３が生じるおそれがあった。これにより半導体チップの歩留まりが低下した。【０００７】  更に、隣接する２つの半導体チップ９１がチップ９１を垂直に見下ろす平面視において、貫通孔８２がほぼ重なるように接合された場合、これらの半導体チップ９１の間に応力がかかると、この応力は接合部に集中する。すなわち、貫通電極８４が空隙８４ａを有した場合、導電層８１の開口８３ａ付近に応力が集中し、クラック９３が生じるおそれがあった。これにより、半導体チップ同士の接続信頼性が低下した。【０００８】  そこで、この発明の目的は、歩留まりと信頼性の高い貫通電極を有した半導体チップの製造方法を提供することである。
この発明の他の目的は、歩留まりと歩留まりの高い貫通電極を有した半導体チップを提供することである。
この発明のさらに他の目的は、相互に高い信頼性で接続された複数の半導体チップを備えた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００９】  上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、表面および裏面を有し上記表面に導電層（３，４２）が形成された半導体基板（２，Ｗ）の上記表面から突出した、補強構造体（４）を形成する工程と、上記半導体基板の上記裏面から、上記半導体基板の厚さ方向に貫通し、上記導電層の一部を上記補強構造体よりも小さい径で開口する貫通孔（５）を形成する工程と、上記貫通孔内から上記半導体基板の上記裏面に延びる絶縁膜（６）を形成する工程と、上記貫通孔の底部の絶縁膜をエッチングして上記導電層を露出する工程と、上記貫通孔内に、上記導電層と電気的に接続された貫通電極（８，１３，２３）を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体チップ（１，１１，２１，３１，３５，４１）の製造方法である。
【００１０】  なお、括弧内の数字は後述の実施形態における対応構成要素を示す。以下、この項において同じ。
この発明によれば、表面に補強構造体を形成する工程の後、補強構造体よりも小さい径で導電層を開口する貫通孔を形成する工程を実施することにより、露出された導電層はその反対面において補強構造体によって支えられた状態となる。この補強構造体は、絶縁膜を形成する工程、底部絶縁膜をエッチングする工程および貫通電極を形成する工程において、常に露出した導電層を反対面から支えている。
【００１１】  この製造方法によれば、貫通孔を形成した後も、露出された導電層はその反対面において常に貫通孔より大きな径の補強構造体によって支えられる。補強構造体を形成せずに貫通孔を形成した場合、露出された導電層は薄い膜として存在することとなり、クラックが発生するおそれがある。この発明によれば、このような問題は生じず、容易に貫通孔を形成し、導電層を露出することができるとともに、その後の工程においても露出した導電層はその反対面において補強構造体に支えられた状態となるので、製造は容易となり歩留まりが上がる。更に、チップ状態になった後も、下部に貫通孔が形成された導電層は、その反対面において補強構造体で、支えられた状態となるので、導電層におけるストレスの集中が起きなく（少なく）なり、信頼性が向上する。
【００１２】  請求項２記載の発明は、表面および裏面を有し上記表面に導電層（３）が形成された半導体基板（２，Ｗ）と、上記表面から突出した、補強構造体（４）と、上記半導体基板の上記裏面から、上記半導体基板の厚さ方向に貫通し、上記導電層の一部を上記補強構造体よりも小さい径で開口する貫通孔（５）と、上記貫通孔内から上記半導体基板の上記裏面に延び、上記貫通孔の底部において上記導電層を露出する絶縁膜（６）と、上記貫通孔内に、上記導電層と電気的に接続された貫通電極（８，１３，２３）と、を有することを特徴とする半導体チップ（１，１１）である。
【００１３】  この半導体チップは、請求項１記載の製造方法によって製造することができ、請求項１記載の製造方法と同様の効果を奏することができる。
請求項３記載の発明は、上記貫通電極が、上記貫通孔の中央に空隙（２３ａ）を有することを特徴とする請求項２記載の半導体チップ（２１，３１，３５）である。
【００１４】  この発明によれば、貫通孔内を完全に充填しないで貫通電極を形成してもよい。露出された導電層は、その反対面において補強構造体により支えられているので、貫通孔内に空隙が存在してもクラックが発生するおそれがない（少ない）。たとえば、電解めっきで貫通電極を形成する場合、めっき時間を短くすることができるので、コストを低減できる。
【００１５】  上記補強構造体は、請求項４記載のように導電性を有する金属材料であってもよい。この場合、補強構造体は、導電層の外部電極とすることができる。このため、補強構造体を介して、この半導体チップを、配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップに接合することができる。金属材料は、たとえば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）とすることができる。
【００１６】  請求項５記載の発明は、上記補強構造体上に、上記補強構造体および貫通電極よりも弾性率の低い低弾性金属材料（３２）を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体チップ（３１）である。
【００１７】  この発明の半導体チップは、補強構造体上に、弾性率の低い低弾性金属材料が形成されており、補強構造体に比べて低弾性金属材料は容易に変形できる。したがって、このような半導体チップは、補強構造体を低弾性金属材料を介して配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップに接合する際、応力が与えられても、このような応力を低弾性金属材料で緩和できるため、補強構造体および導電層に応力集中はない（少ない）。したがって、この半導体チップは、配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップに導電層のダメージ無く接続できる。
【００１８】  上記低弾性金属材料は、たとえば、金ボールバンプとすることができる。金ボールバンプは、Ａｕワイヤーを一度ボール状に溶融・再結晶化するため、補強構造体の金属材料に比べて柔らかい（弾性率が低い）。
請求項６記載の発明は、上記補強構造体上に、固相線温度が６０℃以上かつ３７０℃以下の温度範囲である低融点金属材料を含み、上記補強構造体および貫通電極の融点よりも低い低融点金属層（３６）を有することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の半導体チップ（３５）である。
【００１９】  この発明の半導体チップは、補強構造体の少なくとも先端部に低融点金属材料が形成されている。このような半導体チップは、補強構造体を配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップに接合する際、この半導体チップを当該低融点金属材料（低融点金属層）の融点（固相線温度）以上の温度に加熱して、当該低融点金属材料を溶融および固化させることができる。これにより、補強構造体と配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップの貫通電極とを良好に接合できる。
【００２０】  この際、補強構造体を構成する金属の一部も低融点金属層中に取り込まれて、合金層（金属間化合物や固溶体を含む層、または共晶からなる層）を形成する。
上記低融点金属材料は、たとえば、錫（Ｓｎ）、錫を含む合金（たとえば、錫−銀（Ａｇ）−銅合金）、インジウム（Ｉｎ）、インジウムを含む合金（たとえば、インジウム−錫合金）からなるものとすることができる。
【００２１】  請求項７記載の発明は、固体撮像素子を内蔵した導電層（４２）と、上記表面に形成された集光用の凸型レンズ（４３）と、上記補強構造体を介して接続された光透過性を有する表面保護チップ（４４）と、上記凸型レンズと上記表面保護チップとの間の間隙（４５）と、を有することを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の半導体チップ（４１）である。
【００２２】  この発明の半導体チップは、導電層中に固体撮像素子を内蔵しており、イメージセンサとなる。その際、一般的に固体撮像素子への光の入射を効率よくするために、透過性の有機材料などで形成される凸型レンズ（マイクロレンズ）を有する。また、凸型レンズを保護するために表面保護チップ（ガラスやプラスチック）を搭載する際、表面保護チップの凸型レンズに対向する面の表面状態の影響が及ばないように、ガラスと凸型レンズの間に間隙を有する必要がある。この半導体チップは、表面保護チップを、補強構造体を介して搭載できるため、補強構造体の高さで間隙を調整することができる。したがって、この半導体チップは、表面保護チップと凸型レンズとの間に適切な間隙を有したイメージセンサとなる。
【００２３】  請求項８記載の発明は、厚さ方向に積層された複数の請求項２ないし６のいずれかに記載の半導体チップ（１，１１，２１，３１，３５，４１）を含むことを特徴とする半導体装置（５１，６１，７５）である。
【００２４】  この発明の半導体装置は、いわゆるマルチチップ型の半導体装置であり、隣接する２つの半導体チップの一方の貫通電極が、他方の半導体チップに接合および電気接続されたものとすることができる。これにより、隣接する２つの半導体チップは、良好な電気接続性を有することができる。
複数の半導体チップは、配線基板の上に積層されて接続されていてもよい。また、複数の半導体チップは、他の半導体チップなどの固体装置を介して、配線基板などに積層されて接続されていてもよい。これらの場合、各半導体チップの導電層（能動層）が形成された面は、配線基板側に向けられていてもよく、配線基板と反対側に向けられていてもよい。固体装置と配線基板は、たとえば、ボンディングワイヤにより電気接続されていてもよい。また、単一の半導体チップが配線基板や固体装置に接続されてもよい。
【００２５】  この発明に係る半導体装置は、いわゆるＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）の形態を有していてもよく、その他任意のパッケージ形態を有するものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】  以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
この半導体チップ１は、シリコン（Ｓｉ）からなる半導体基板２を含んでいる。半導体基板２の一方表面（以下、「表面」という。）には、複数の電極、配線、機能素子（デバイス）（図示せず）が形成された導電層３が形成されている。電極や配線は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、もしくはタングステン（Ｗ）、またはこれらの合金からなる。導電層３の下部には、半導体基板２を厚さ方向に貫通する貫通孔５が形成されている。【００２７】  貫通孔５の内壁面および半導体基板２の裏面には、酸化珪素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）からなる絶縁膜６が形成されており、貫通孔５の底部において絶縁膜６の開口６ａが形成され導電層３が露出されている。開口６ａおよび絶縁膜６上を含む所定の領域には、チタン（Ｔｉ）やチタンタングステン（ＴｉＷ）やタンタルナイトライド（ＴａＮ）やチタンナイトライド（ＴｉＮ）からなる連続した拡散防止膜（図示せず）が形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。【００２８】  貫通孔５および開口６ａの内部は、貫通電極８で埋められている。貫通電極８は、銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケル（Ｎｉ）、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）、またはこれらの合金からなる。また、貫通電極８は、銀（Ａｇ）や銅などの金属粒子を含んだ導電性樹脂でもよい。さらに、貫通電極８は、錫（Ｓｎ）、錫を含む合金（たとえば、錫−銀−銅合金）、インジウム（Ｉｎ）、インジウムを含む合金（たとえば、インジウム−錫合金）からなる低融点金属でもよい。【００２９】  半導体基板２の表面には、銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケル、やポリシリコンからなる補強構造体４が形成されている。補強構造体４は、チタンやチタンタングステンやチタンナイトライドからなるＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌ）層（図示せず）を介して、形成されていてもよく、介さなくてもよい。また、補強構造体４は、ポリイミド、エポキシ、フェノール系樹脂、シリコーン、アクリル系樹脂などからなる、いわゆる有機材料でもよい。さらに補強構造体４は、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などからなる、いわゆる無機材料でもよい。【００３０】  補強構造体４は、貫通孔５のほぼ真上に（半導体基板２を垂直に見下ろす平面視において、貫通孔５を完全に覆い尽くすように、貫通孔５よりも大きい径で）配置されている。
以上のような構成により、貫通孔５が下部に形成された導電層３は、その反対面において貫通孔５よりも大きな径の補強構造体４で、支えられた状態となる。
具体的には、この半導体チップ１は、下部に貫通孔５が形成された導電層３の領域が補強構造体４により保護されるため、導電層３におけるストレスの集中が無く（少なく）、機械的・電気的な信頼性を高くすることができる。【００３１】  図２ないし図３は、図１に示す半導体チップ１の製造方法を説明するための図解的な断面図である。複数の半導体チップ１が１枚の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗから作成されるが、図２ないし図３では、ウエハＷにおける１つの半導体チップ１の一部に相当する部分のみを示す。図２ないし図３に示すウエハＷは、図１に示す最終形態の半導体チップ１に対応する領域が、ウエハＷの面内方向に、複数個密に配されたものである。【００３２】  表面に導電層３が形成されたウエハＷの当該表面に、所定の部分にスパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、電解めっき法、無電解めっき法などによりＷ４の径を有する導電材料（銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケル、ポリシリコン）や無機材料（酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム）からなる補強構造体４が形成される。この状態が図２（ａ）に示されている。また、補強構造体４は、有機材料（ポリイミド、エポキシ、フェノール系樹脂、シリコーン、アクリル系樹脂）からなるものでもよく、この場合、印刷法などにより供給される。【００３３】  次に、所定のパターンのマスクを用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、ウエハ裏面からウエハＷが垂直に見下ろす平面視において、補強構造体４の径Ｗ４より小さく、かつ補強構造体に完全に覆われるような径Ｗ５ａの開口５ａを有する貫通孔５が形成される。つまり、Ｗ４＞Ｗ５ａとなる開口５ａが形成される。開口５ａ内には、導電層３の電極、配線、または機能素子が露出するようにされる（図２（ｂ１）参照）。【００３４】  貫通孔５は、エッチング条件によって、ウエハＷとほぼ垂直に形成することもでき、傾斜をつけて形成することもできる。また、ウエハＷのみが選択的にエッチングされるような条件とした場合、エッチングが導電層３に至ると、ウエハＷに対して水平方向にエッチングが広がっていく。つまり、貫通孔５の底部における開口５ａ付近の形状は、図２（ｂ２）に示すような形状を選択することができるが、いずれの開口５ａの径Ｗ５ａは補強構造体の径Ｗ４より小さいものとする。【００３５】  次に、ＣＶＤ法やスパッタ法などにより、貫通孔５およびウエハＷの裏面に酸化珪素や窒化珪素が供給されて絶縁膜６が形成される。この状態が図３（ａ）に示されている。続いて、反応性イオンエッチングにより、貫通孔５の底部の絶縁膜６がエッチングされ、開口６ａが形成されるとともに再び導電層３が露出される（図３（ｄ）参照）。【００３６】  次に、開口６ａ内および貫通孔５内を含むウエハＷの裏面側露出面全体に、チタンやチタンタングステンやタンタルナイトライドやチタンナイトライドからなる拡散防止膜（図示せず）、および貫通電極８と同種の金属材料からなるシード層（図示せず）が形成される。そして、このシード層をシードとして電解めっきにより、貫通電極８を形成するための導電材料７（銅、タングステン、金、アルミニウム、��ッケル）が供給される（図３（ｅ）参照）。【００３７】    導電材料７を供給する工程は、無電解めっき法で行ってもよく、この場合、シード層を形成する工程は実施しなくてよい。また、導電材料７は、ポリシリコンでもよく、この場合、スパッタ法やＣＶＤ法で形成することができる。また、導電材料７は、導電性樹脂や低融点金属でもよく、この場合、ペースト状の材料を、印刷法を用いて供給することができる。【００３８】  次に、機械研削法やＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法によりウエハＷを垂直に見下ろす平面視において、貫通孔５を含む所定の領域以外の部分の導電材料７、シード層、拡散防止膜が、除去される。これにより、貫通孔５内に配置された導電材料７は、ウエハＷの表面側と裏面側とを電気接続する貫通電極８となる。
その後、ウエハＷが切断されて、図１に示す貫通電極８を有する半導体チップ１の個片にされる。【００３９】  この製造方法によれば、貫通孔５を形成した後も、露出された導電層３はその反対面において常に貫通孔５より大きな径の補強構造体４によって支えられる。補強構造体５を形成せずに貫通孔５を形成した場合、露出された導電層３は薄い膜として存在することとなり、クラックが発生するおそれがある。この製造方法によれば、このような問題は生じず、容易に貫通孔５を形成し、導電層３を露出することができるとともに、その後の工程においても露出した導電層３はその反対面において補強構造体４に支えられた状態となるので、製造は容易となり歩留まりが上がる。更に、チップ状態になった後も、下部に貫通孔５が形成された導電層３は、その反対面において補強構造体４で、支えられた状態となるので、導電層３にストレスの集中が起きなく（少なく）なり、信頼性が向上する。【００４０】  図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体チップの図解的な断面図である。図１に示す半導体チップ１の各部に対応する部分には、図４に同一符号を付して説明を省略する。
この半導体チップ１１は、半導体チップ１と類似した構造を有するが、貫通電極１３は、半導体基板２の裏面より突出しており、突出部においては、半導体基板２を垂直に見下ろす平面視において、貫通孔５よりも大きな径となる。貫通電極１３の全体は、金属材料（銅、金、もしくはニッケル、またはこれらの合金）からなる。また、表面側の補強構造体は、導電材料（銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケル、ポリシリコン）からなる。【００４１】  この半導体チップ１１は、裏面に突出した貫通電極１３を、配線基板に形成された電極パッドや、他の半導体チップ１，１１の表面側の補強構造体４に接合して、これらの配線基板や半導体チップ１，１１に接続できる。貫通電極１３の裏面突出部は、貫通孔５の径よりも大きい、つまり接続面積が大きくなるため、高い接合強度を得ることができる。
図５は、図４に示す半導体チップ１１の製造方法を説明するための図解的な断面図である。【００４２】  絶縁膜６、開口６ａの形成（図（３）ｄ）、および開口６ａ内および貫通孔５内を含むウエハＷの裏面側露出面全体への拡散防止膜（図示せず）の形成までが、半導体チップ１の製造方法と同様に実施される。その後、貫通電極１３を形成する工程が、電解めっき法で実施される。めっき電極１２より、導電材料で形成された補強構造体４を介して、貫通孔５の底部の開口６ａの導電層３の露出部に所定電流を流すことで、貫通孔５の底部より、金属材料が垂直方向に堆積される。金属材料は、ウエハＷの裏面まで達すると、平面方向にも広がる。その後、ウエハＷを垂直に見下ろす平面視において、金属材料が存在する所定の領域以外の拡散防止膜を除去する工程が実施される。【００４３】  その後、ウエハＷが切断されて、図４に示す貫通電極１３を有する半導体チップ１１が得られる。この製造方法によれば、金属材料は、貫通孔５の底部よりボトムアップで供給されるため、ボイドの無い（少ない）貫通電極１３が得られるため、貫通電極１３の電気抵抗が下がり、電気特性が向上する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る半導体チップの図解的な断面図である。図１に示す半導体チップ１の各部に対応する部分には、図６に同一符号を付して説明を省略する。【００４４】  この半導体チップ２１は、半導体チップ１と類似した構造を有するが、銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケルなどの金属から成る貫通電極２３は、半導体基板２を垂直に見下ろす平面視において、円筒もしくは角筒の形状を呈している。すなわち、貫通電極２３は、貫通孔５の中央に空隙２３ａを有しており、半導体基板２の裏面からわずかに突出して形成されている。【００４５】  図７は、図６に示す半導体チップ２１の製造方法を説明するための図解的な断面図である。
絶縁膜６、開口６ａの形成（図（３）ｄ）、および開口６ａ内および貫通孔５内を含むウエハＷの裏面側露出面全体への拡散防止膜（図示せず）およびシード層（図示せず）の形成までが、半導体チップ１の製造方法と同様に実施される。続いて、所定のパターンにて開口２２ａを有するマスク２２を用いて、電解めっき法にて、ウエハＷを垂直に見下ろす平面視において、貫通孔５、開口６ａおよび開口２２ａを含む所定の領域に貫通電極２３が形成される。【００４６】  その後、ウエハＷを垂直に見下ろす平面視において、貫通電極２３が存在する所定の領域以外の拡散防止膜およびシード層を除去する工程が実施される。続いてマスク２２を除去した後、ウエハＷが切断されて、図６に示す貫通電極２３を有する半導体チップ２１が得られる。この製造方法によれば、貫通孔５内を完全に充填しないで貫通電極２３を形成してもよい。露出された導電層３は、その反対面において補強構造体４により支えられているので、貫通孔５内に空隙２３ａが存在してもクラックが発生するおそれがない（少ない）。電解めっきで貫通電極を形成する場合、めっき時間を短くすることができるので、コストを低減できる。【００４７】  図８は、本発明の第４の実施形態に係る半導体チップの図解的な断面図である。図６に示す半導体チップ２１の各部に対応する部分には、図８に同一符号を付して説明を省略する。
この半導体チップ３１は、半導体チップ２１と類似した構造を有するが、補強構造体４上に、補強構造体４および貫通電極２３よりも弾性率の低い低弾性金属材料３２が形成されている。【００４８】  この半導体チップ３１は、補強構造体４上に、弾性率の低い低弾性金属材料３２が形成されており、補強構造体４に比べて低弾性金属材料３２は容易に変形できる。したがって、半導体チップ３１は、補強構造体４を、低弾性金属材料３２を介して配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップ１，１１，２１，３１に接合する際、応力が与えられても、このような応力を低弾性金属材料３２で緩和できるため、補強構造体４および導電層３に応力集中はない（少ない）。したがって、この半導体チップ３１は、配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップ１，１１，２１，３１に導電層３のダメージ無く接続できる。【００４９】  低弾性金属材料３２は、たとえば、金ボールバンプとすることができる。金ボールバンプは、Ａｕワイヤーを一度ボール状に溶融・再結晶化するため、補強構造体４の導電材料（銅、タングステン、金、アルミニウム、ニッケル、ポリシリコン）に比べて柔らかい（弾性率が低い）。
図９は、本発明の第５の実施形態に係る半導体チップの図解的な断面図である。図６に示す半導体チップ２１の各部に対応する部分には、図９に同一符号を付して説明を省略する。【００５０】  この半導体チップ３５は、半導体チップ２１と類似した構造を有するが、補強構造体４上に、固相線温度が６０℃以上かつ３７０℃以下の温度範囲である低融点金属材料を含み、上記補強構造体４および貫通電極２３の融点よりも低い低融点金属層３６を有している。
半導体チップ３５は、補強構造体４の少なくとも先端部に低融点金属材料が形成されている。このような半導体チップ３５は、補強構造体４を配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップ１，１１，２１，３１，３５に接合する際、この半導体チップ３５を当該低融点金属材料（低融点金属層）の融点（固相線温度）以上の温度に加熱して、当該低融点金属材料を溶融および固化させることができる。【００５１】  これにより、補強構造体４と配線基板や固体装置に形成された電極パッドや他の半導体チップ１，１１，２１，３１，３５の貫通電極８，１３，２３とを良好に接合できる。
補強構造体４を構成する金属の一部も低融点金属層中に取り込まれて、合金層（金属間化合物や固溶体を含む層、または共晶からなる層）を形成する。低融点金属材料は、たとえば、錫（Ｓｎ）、錫を含む合金（たとえば、錫−銀−銅合金）、インジウム、インジウムを含む合金（たとえば、インジウム−錫合金）からなるものとすることができる。【００５２】  図１０は、本発明の第６の実施形態に係る半導体チップの図解的な断面図である。図６に示す半導体チップ２１の各部に対応する部分には、図１０に同一符号を付して説明を省略する。
この半導体チップ４１は、半導体チップ２１と類似した構造を有するが、半導体基板２の表面に固体撮像素子（図示せず）を内蔵した導電層４２と、導電層４２上に形成された集光用の凸型レンズ４３（マイクロレンズ）が形成されている。また、補強構造体４を介して光透過性を有する表面保護チップ４４（たとえばガラスやプラスチック）が接続されており、凸型レンズ４３と表面保護チップ４４との間には間隙４５を有する。【００５３】  半導体チップ４１は、導電層４２中に固体撮像素子を内蔵しており、イメージセンサとなる。その際、一般的に固体撮像素子への光の入射を効率よくするために、透過性の有機材料などで形成される凸型レンズ４３を有する。また、凸型レンズ４３を保護するために表面保護チップ４４を搭載する際、表面保護チップ４４の凸型レンズ４３に対向する面の表面状態の影響が及ばないように、表面保護チップ４４と凸型レンズ４３の間に間隙を有する必要がある。半導体チップ４１は、表面保護チップ４４を、補強構造体４を介して搭載できるため、補強構造体４の高さで間隙４５を調整することができる。したがって、半導体チップ４１は、表面保護チップ４４と凸型レンズ４３との間に適切な間隙４５を有したイメージセンサとなる。【００５４】  図１１は、図８に示す半導体チップ３１を複数個含む第一の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。この半導体装置５１は、いわゆるＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）タイプのパッケージ形態を有しており、配線基板５２、および配線基板５２上に積層された複数（この実施形態では２つ）の半導体チップ３１を備えている。
配線基板５２は絶縁体からなる。配線基板５２には、配線基板５２を厚さ方向に貫通する貫通電極５３が形成されている。配線基板５２の一方表面側で貫通電極５３には金属ボール（たとえば半田ボール）５４が接合されている。配線基板５２の金属ボール５４側とは反対側の面には、所定のパターンの配線５５が形成されている。配線５５は貫通電極５３に電気接続されており、配線５５の所定の部分には金属からなるバンプ５６が形成されている。【００５５】  複数の半導体チップ３１は、いずれも半導体基板２が配線基板５２とほぼ平行になるように配置されている。この実施形態では、半導体チップ３１の表面（導電層３が形成されている側の面）が、配線基板５２側とは反対側に向けられているが、半導体チップ３１の表面が配線基板５２側に向けられていてもよい。
配線基板５２のバンプ５６は、半導体チップ３１の貫通電極２３と接合されている。隣接する２つの半導体チップ３１において、一方の半導体チップ３１の低弾性金属材料３２と、他方の半導体チップ３１の貫通電極２３とが接合されている。【００５６】  接合時に、やわらかい低弾性金属材料３２の一部５７が変形し、貫通電極２３の空隙２３ａに入り込む。同様にバンプ５６は一部５７が変形し、貫通電極２３の空隙２３ａに入り込む。ここで、貫通電極２３が低弾性金属材料３２およびバンプ５６と接触する面積は、低弾性金属材料３２またはバンプ５６の一部５７が空隙２３ａに入り込むほど増加するため、両者の電気的・機械的接続をより良好にすることができる。さらに、接合時に低弾性金属材料３２の一部が変形するため、補強構造体４および導電層３にはストレスが無い（少ない）ため、クラック等の不具合が無くなり（少なくなり）歩留まりが上がる。【００５７】  このようにして、２つの半導体チップ３１は厚さ方向に積層されている。
以上のような構成により、各半導体チップ３１に備えられた導電層３は、貫通電極２３、低弾性金属材料３２、補強構造体４、バンプ５６、配線５５、および貫通電極５３を介して、所定の金属ボール５４に電気接続されている。各半導体チップ３１に備えられた貫通電極２３はほぼ直線上にのるように配列されているので、配線基板５２に隣接していない半導体チップ３１の導電層３も、短い距離で配線基板５２の配線５５に接続されている。【００５８】  この半導体装置５１は、金属ボール５４を介して他の配線基板に接続できる。これにより、導電層３を他の配線基板に電気接続できる。複数の半導体チップ３１が積層されていることにより、この半導体装置５１の実装面積は小さくなっている。
図１２は、図８に示す半導体チップ３１を複数個含む第２の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。図１１の半導体装置５１の各部に対応する部分には、図１２に同一符号を付して説明を省略する。【００５９】  この半導体装置６１も、ＢＧＡタイプのパッケージ形態を有しており、配線基板（インターポーザ）６２および金属ボール５４を備えている。配線基板６２の上には、半導体チップなどの固体装置６３、複数（この実施形態では３つ）の半導体チップ３１、および貫通電極を有しない半導体チップ６６が、順に積層されている。
配線基板６２および固体装置６３を厚さ方向に見下ろす平面視において、配線基板６２は、固体装置６３より大きく、固体装置６３および半導体チップ３１，６６を厚さ方向に見下ろす平面視において、固体装置６３は半導体チップ３１，６６より大きい。複数の半導体チップ３１および６６は、これらを厚さ方向に見下ろす平面視において、ほぼ同じ大きさおよび形状を有しており、ほぼ重なるように配置されている。【００６０】  半導体チップ６６の一方表面には、半導体チップ３１と同様の導電層が形成されており、この導電層が形成された面は、固体装置６３側に向けられている。また、この実施形態では、複数の半導体チップ３１の導電層３が形成された面は、いずれも固体装置６３側に向けられているが、固体装置６３とは反対側に向けられていてもよい。
配線基板６２の一方表面外周部で、固体装置６３が対向していない領域には、電極パッド（図示せず）が設けられており、この電極パッドは、配線基板６２の内部や表面で再配線されて、配線基板６２の他方表面に設けられた金属ボール５４に電気接続されている。【００６１】  固体装置６３の一方表面（配線基板６２とは反対側の面）外周部で半導体チップ３１が対向していない領域には、電極パッド６５が形成されている。配線基板６２に設けられた電極パッドと、固体装置６３の電極パッド６５とは、ボンディングワイヤ６８により電気接続されている。
固体装置６３の上記一方表面内方の領域には、半導体チップ３１の低弾性金属材料３２に対応する位置に、電極パッド６４が形成されている。固体装置６３に隣接する半導体チップ３１の低弾性金属材料３２は、電極パッド６４に接合されている。また、隣接する２つの半導体チップ３１において、一方の半導体チップ３１の低弾性金属材料３２と、他方の半導体チップ３１の貫通電極２３とは、図１１に示す半導体装置５１と同様にして接合されている。【００６２】  半導体チップ６６の導電層が形成された面には、この導電層に電気接続され半導体チップ３１の貫通電極２３に対応する位置に設けられた突起電極６９が形成されており、突起電極６９は、最上部（固体装置６３から最も遠い）半導体チップ３１の貫通電極２３に接合されている。
各半導体チップ３１，６６の間、および半導体チップ３１と固体装置６３との間の間隙は、層間封止材６７で封止されている。【００６３】  このようにして、半導体チップ３１，６６は厚さ方向に積層されている。複数の半導体チップ３１，６６、固体装置６３および配線基板６２の一方表面外周部で固体装置６３が対向していない領域は、封止樹脂（モールド樹脂）７０で封止されている。
図８および図１２を参照して、以上のような構成により、各半導体チップ３１，６６に備えられた導電層３は、貫通電極２３、突起電極６９、低弾性金属材料３２、補強構造体４、電極パッド６４、固体装置６３、電極パッド６５、ボンディングワイヤ６８、および配線基板６２を介して、所定の金属ボール５４に電気接続されている。【００６４】  図１３は、図１０に示す半導体チップ４１を含む第３の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。図１２の半導体装置６１の各部に対応する部分には、図１３に同一符号を付して説明を省略する。
この半導体装置７５は、図１２に示す半導体装置６１と類似した構造を有するが、配線基板６２の上には、固体装置６３、半導体チップ４１が順に積層されている。半導体チップ４１の導電層４２が形成された面は、この実施形態では配線基板６２とは反対側に向けられている。これは、導電層４２に内蔵された固体撮像素子への光の入射を行うためである。この場合、封止樹脂７０は、表面保護チップ４４の表面は覆わない。
また、封止樹脂７０が透光性樹脂からなる場合は、封止樹脂７０は、表面保護チップ４４の表面に封止されていてもよい。【００６５】  図１０および図１３を参照して、以上のような構成により、半導体チップ４１に備えられた導電層４２は、貫通電極２３、電極パッド６４、固体装置６３、電極パッド６５、ボンディングワイヤ６８、および配線基板６２を介して、所定の金属ボール５４に電気接続されている。
この発明の実施形態の説明は、以上の通りであるが、この発明は、他の形態でも実施できる。たとえば、図１１ないし図１２の半導体装置５１，６１は、各半導体チップ３１に備えられた貫通電極２３はほぼ直線上にのるように配列されているが、それぞれ任意の位置に配列されていてもよい。また、半導体チップ５１，６１は、いずれも複数の半導体チップ３１が積層された構造を有するが、半導体チップ３１の代わりに、半導体チップ１，１１，２１，３５，４１が積層されていてもよい。さらに、半導体装置５１，６１は、同種の半導体チップ３１が積層されている例であるが、異なる種類の複数の半導体チップ１，１１，２１，３１，３５，４１が積層されていてもよい。【００６６】  図１３の半導体装置７５は、固体装置６３の上に、半導体チップ４１のみが積層されているが、固体装置６３と半導体チップ４１の間に、複数の半導体チップ１，１１，２１，３１，３５が積層されていてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図２】図１に示す半導体チップの製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図３】図１に示す半導体チップの製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図５】図４に示す半導体チップの製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図７】図６に示す半導体チップの製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態に係る半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【図１１】図８に示す半導体チップを複数個含む第１の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。
【図１２】図８に示す半導体チップを複数個含む第２の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。
【図１３】図１０に示す半導体チップを含む第３の半導体装置の構造を示す図解的な断面図である。
【図１４】従来の貫通電極を有する半導体チップの製造方法を示す図解的な断面図である。
【図１５】従来の貫通電極を有する半導体チップの構造を示す図解的な断面図である。
【符号の説明】
【００６８】１，１１，２１，３１，３５，４１      半導体チップ
２      半導体基板
３，４２      導電層
４      補強構造体
５      貫通孔
６      絶縁層
８，１３，２３  貫通電極
３２    低弾性金属材料
３６    低融点金属層
４３    凸型レンズ
４４    表面保護チップ
５１，６１，７５      半導体装置
Ｗ      半導体ウエハ
【図１】
2007049103.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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