(57)【要約】【課題】従来に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることのできる半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置は、表面２側に電極パッドが形成された半導体基板１と、半導体基板１の裏面側３から電極パッド上に形成された金属バンプ４に到るように形成された貫通孔５と、貫通孔５の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂６と、絶縁樹脂６によって半導体基板１と絶縁された状態で貫通孔５内に形成され、電極パッドと半導体基板１の裏面側とを電気的に接続する導体８とを有する貫通電極９と、半導体基板１の裏面３側に、裏面同士が対向するように搭載された半導体チップ１０と、貫通電極９と半導体チップ１０に形成された電極１１とを電気的に接続する配線１５とを具備する。  【選択図】図１
2007305955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側に電極パッドが形成された半導体基板と、
前記半導体基板の裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到るように形成された貫通孔と、前記貫通孔の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂と、前記絶縁樹脂によって前記半導体基板と絶縁された状態で前記貫通孔内に形成され、前記電極パッドと前記半導体基板の裏面側とを電気的に接続する導体とを有する貫通電極と、
前記半導体基板の裏面側に、裏面同士が対向するように搭載された半導体チップと、
前記貫通電極と前記半導体チップに形成された電極とを電気的に接続する配線と
を具備したことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
表面側に電極パッドが形成された半導体基板と、
前記半導体基板の裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到るように形成された貫通孔と、前記貫通孔の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂と、前記絶縁樹脂によって前記半導体基板と絶縁された状態で前記貫通孔内に形成され、前記電極パッドと前記半導体基板の裏面側とを電気的に接続する導体とを有する貫通電極と
を具備したことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
表面側に電極パッドが形成された半導体ウエハに、裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到る第１の貫通孔を形成する工程と、
前記半導体ウエハの裏面側から前記第１の貫通孔内に絶縁樹脂を充填する工程と、
前記半導体ウエハの裏面側から前記絶縁樹脂内に、前記電極パッド上に形成された金属バンプに到り、前記第１の貫通孔より径の小さい第２の貫通孔を形成する工程と、
前記第２の貫通孔内に、前記電極パッドと接するとともに前記半導体ウエハの裏面側に露出する導体層を配設して貫通電極を形成する工程と、
前記半導体ウエハの裏面側に、半導体チップを、当該半導体チップの裏面と前記半導体ウエハの裏面が対向する向きに搭載する工程と、
前記貫通電極と前記半導体チップに形成された電極とを電気的に接続する配線工程と
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
前記配線工程が、
前記半導体チップに形成された電極及び前記貫通電極を覆う絶縁樹脂層を形成する工程と、
前記絶縁樹脂層に、前記貫通電極若しくは前記貫通電極に電気的に接続された導体層に到る第３の貫通孔と、前記半導体チップに形成された電極に到る第４の貫通孔を形成する工程と、
前記第３及び第４の貫通孔内及びこれらを電気的に接続する導体層を形成する工程と
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
表面側に電極パッドが形成された半導体ウエハに、裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到る第１の貫通孔を形成する工程と、
前記半導体ウエハの裏面側から前記第１の貫通孔内に絶縁樹脂を充填する工程と、
前記半導体ウエハの裏面側から前記絶縁樹脂内に、前記電極パッド上に形成された金属バンプに到り、前記第１の貫通孔より径の小さい第２の貫通孔を形成する工程と、
前記第２の貫通孔内に、前記電極パッドと接するとともに前記半導体ウエハの裏面側に露出する導体層を配設して貫通電極を形成する工程と
を具備した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】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に半導体基板を貫通する貫通電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を利用した各種の器機、例えば今後著しい市場の伸長が期待される次世代携帯電話やデジタルカメラ等の小型モバイル製品においては、更なる小型化・多機能化が進むと共に、高性能・高機能化に伴う搭載チップ数の増大により、さらなる高密度実装技術が必須となりつつある。これを実現するため現在Stacked ＭＣＰタイプの高密度ＳｉＰ（System in Package）の開発が進められているが、さらに劇的に小型化（薄型化）を実現するためチップ同士を直接接続するＣｏＣ（Chip on Chip）技術の検討が盛んに行われている。また、このチップ同士を直接接続する技術として、スループラグ（貫通電極）を用いることが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。図７にこの貫通電極の一例の構成を示す。図７に示されるように、チップを構成する半導体基板５１には、半導体素子面（表面）５２と裏面５３とを貫通する貫通孔５４が形成され、この貫通孔５４内にＳｉＯ2膜５５によって絶縁された状態で導体５６が充填され、貫通電極５７が形成されている。なお、図６において５８は電極パッド、５９はパッシベーション膜である。
【特許文献１】特開平１０−２２３８３３号公報
【特許文献２】特許第３１８６９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来の技術において貫通電極を形成する場合、半導体前工程の技術（RIE、CVD、CMP等）を利用しているため、プロセス上非常に複雑で高度な技術が要求されるばかりではなく、製造コストが高くなるという課題があった。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることのできる半導体装置及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】
【０００５】
本発明の他の一態様に係る半導体装置は、表面側に電極パッドが形成された半導体基板と、前記半導体基板の裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到るように形成された貫通孔と、前記貫通孔の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂と、前記絶縁樹脂によって前記半導体基板と絶縁された状態で前記貫通孔内に形成され、前記電極パッドと前記半導体基板の裏面側とを電気的に接続する導体とを有する貫通電極と、前記半導体基板の裏面側に、裏面同士が対向するように搭載された半導体チップと、前記貫通電極と前記半導体チップに形成された電極とを電気的に接続する配線とを具備する。
【０００６】
本発明の一態様に係る半導体装置は、表面側に電極パッドが形成された半導体基板と、前記半導体基板の裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到るように形成された貫通孔と、前記貫通孔の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂と、前記絶縁樹脂によって前記半導体基板と絶縁された状態で前記貫通孔内に形成され、前記電極パッドと前記半導体基板の裏面側とを電気的に接続する導体とを有する貫通電極とを具備する。
【０００７】
本発明の他の一態様に係る半導体装置の製造方法は、表面側に電極パッドが形成された半導体ウエハに、裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到る第１の貫通孔を形成する工程と、前記半導体ウエハの裏面側から前記第１の貫通孔内に絶縁樹脂を充填する工程と、前記半導体ウエハの裏面側から前記絶縁樹脂内に、前記電極パッド上に形成された金属バンプに到り、前記第１の貫通孔より径の小さい第２の貫通孔を形成する工程と、前記第２の貫通孔内に、前記電極パッドと接するとともに前記半導体ウエハの裏面側に露出する導体層を配設して貫通電極を形成する工程と、前記半導体ウエハの裏面側に、半導体チップを、当該半導体チップの裏面と前記半導体ウエハの裏面が対向する向きに搭載する工程と、前記貫通電極と前記半導体チップに形成された電極とを電気的に接続する配線工程とを具備する。
【０００８】
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、表面側に電極パッドが形成された半導体ウエハに、裏面側から前記電極パッド上に形成された金属バンプに到る第１の貫通孔を形成する工程と、前記半導体ウエハの裏面側から前記第１の貫通孔内に絶縁樹脂を充填する工程と、前記半導体ウエハの裏面側から前記絶縁樹脂内に、前記電極パッド上に形成された金属バンプに到り、前記第１の貫通孔より径の小さい第２の貫通孔を形成する工程と、前記第２の貫通孔内に、前記電極パッドと接するとともに前記半導体ウエハの裏面側に露出する導体層を配設して貫通電極を形成する工程とを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る半導体装置及びその製造方法によれば、従来に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すものであり、図２，３は、図１の半導体装置の製造方法を模式的に示すものである。まず、図２，３を参照して本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００１２】
図２（ａ）において、１は半導体ウエハであり、この半導体ウエハ１は、その表面（半導体回路素子が形成された半導体素子面）２側に、接着剤２０で支持板２１が接着される。この支持板２１はそのままパッケージの一部として使用しても良く、最終的に支持板２１を剥がしても良い。なお、図２（ａ）において３は半導体ウエハ１の裏面を示しており、４は半導体ウエハ１の電極パッド上に形成された金属バンプを示している。この金属バンプ４は、後述するようにレーザ加工のストッパーとしての機能を有するものであり、例えば、ニッケル、金、又は、ジンケート処理等を施した銅等から構成することができる。また、この金属バンプ４の上記ストッパーとしての充分な機能を確保するためには、その厚さを半導体ウエハ１の電極パッドの厚さ（通常、数百ｎｍ〜２μｍ程度）の数倍以上の厚さとすることが好ましく、例えば３μｍ〜２０μｍ程度の厚さとすることが好ましい。
【００１３】
次に、支持板２１に接着された半導体ウエハ１の裏面３側を、通常のBSG工程、すなわち半導体ウエハ１に保持テープを貼り研磨を行う工程により、所定厚さとなるまで研磨する。このとき、抗折強度をあげるため、必要に応じて最後にドライポリッシュ等を行ってもよい（図２（ｂ））。
【００１４】
次に、半導体ウエハ１の裏面３側からレーザ光を照射する工程等によって、半導体ウエハ１の裏面３から電極パッドを貫通し金属バンプ４が削られるまで貫通する貫通孔（第１の貫通孔）５を形成する（図２（ｃ））。この時、金属バンプ４は、レーザ加工のストッパーとして作用する。
【００１５】
このように金属バンプ４をレーザ加工のストッパーとして用い、半導体ウエハ１の裏面３から電極パッドを貫通し金属バンプ４が削られるまで貫通する貫通孔を形成することにより、半導体ウエハ１に、確実に金属バンプ４まで貫通した貫通孔５を形成することができるとともに、貫通孔５を金属バンプ４内で止め、金属バンプ４を貫通するような状態となることを防止できる。すなわち、金属バンプ４を用いない場合、レーザ加工によって貫通孔５を形成すると、深く削り過ぎて貫通孔５が半導体ウエハ１の電極パッドを突き抜ける状態や、浅過ぎて電極パッドまで貫通しない状態となり易く、丁度半導体ウエハ１のみを貫通した状態の貫通孔５を形成するためには、その加工に高い精度が必要とされ、歩留まりも低下することが避けられない。これに対して、金属バンプ４をレーザ加工のストッパーとして用いることにより、高い加工精度を必要とすることなく確実に、所望の貫通孔を形成することができ、歩留まりの向上を図ることができる。
【００１６】
このようなレーザ加工による孔開け後、必要に応じて洗浄工程を行ってもよいし、また、予め半導体ウエハ１の裏面３への飛散物に備えて、保護膜を裏面３に形成し、孔開け工程後に保護膜を除去してもよい。このようなレーザ加工による孔開け工程は、例えば、波長３５５ｎｍ のＹＡＧレーザを用いることによって、良好に実施できるが、レーザ光の波長についてはこれに限定されるものではない。
【００１７】
次に、半導体ウエハ１の裏面３側から、例えば、エポキシ系の絶縁樹脂フィルム等をラミネートすることにより、貫通孔５内に絶縁樹脂６を充填するとともに、半導体ウエハ１の裏面３側に絶縁樹脂６の膜を形成する（図２（ｄ））。この工程では、例えば、真空中にてラミネートを行ってもよいし、ロールコート方式を用いても良い。貫通孔５内の側壁のシリコン基材と、後述する導体８の絶縁性を確実に確保する必要から、貫通孔５のシリコン側壁を絶縁樹脂６が確実に覆うことが必要であり、この絶縁樹脂６が金属バンプ４の部位まで達していることが必要とされるが、上記の方法を用いることによって、容易に良好な貫通孔５の絶縁樹脂埋めが可能である。
【００１８】
次に、 貫通孔５に充填した絶縁樹脂６に、レーザ光を照射する工程等により、貫通孔５より小径で、電極パッドを貫通して金属バンプ４に到る貫通孔（第２の貫通孔）７を形成し、貫通孔５内のシリコンの側壁に絶縁樹脂６が形成された形状を得る（図２（ｅ））。この工程では、加工対象が絶縁樹脂６であるため、レーザとしては、ＣＯ2レーザを用いることができるが、ＹＡＧレーザを用いても良い。
【００１９】
次に、半導体ウエハ１の裏面３、貫通孔７の側壁および貫通孔７の底部に、例えば、無電解めっき等により導体８を形成し、この後パターンニングのマスクを形成して、エッチングにより導体８の配線を形成する（図２（ｆ））。導体層８の形成には、蒸着やスパッタ方式も用いることができ、これらの方法を用いればさらに良好な導体８を形成することが可能である。導体の材質としては、たとえば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｖ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｓｎ等から目的に応じて選択すれば良い。また、無電解めっきにより形成された導体を電極として用い、電解めっきにより導体８を形成することもできる。以上の工程により、半導体ウエハ１の表面２と裏面３とを貫通する貫通電極９が形成される。
【００２０】
以後の工程については、図３を参照して説明する。次に、半導体ウエハ１の裏面３側に、絶縁樹脂６及び接着剤２２等を介して、裏面同士が対向する向きに半導体チップ１０を搭載し接着する（図３（ｇ））。この後、必要に応じて半導体チップ１０の電極１１と半導体ウエハ１の裏面に形成された導体８をワイヤボンディング等で接続してもよい。
【００２１】
次に、半導体チップ１０を搭載した面側から、絶縁樹脂フィルム等をラミネートする方法等によって、絶縁樹脂層１２を形成する（図３（ｈ））。この絶縁樹脂層１２としては、前記した絶縁樹脂６と同様の材料を用いても異なる材料を用いても良い。
【００２２】
次に、絶縁樹脂層１２に、半導体ウエハ１の裏面３側の導体８に到る貫通孔（第３の貫通孔）１３と、半導体チップ１０の電極１１に到る貫通孔（第４の貫通孔）１４を、例えば、レーザ光による加工等によって形成する（図３（ｉ））。この工程では、前記した絶縁樹脂６に貫通孔７を形成する工程と同様の方法を用いることができる。なお、貫通孔１３は、貫通電極９の部分に設けても良い。
【００２３】
次に、絶縁樹脂層１２上、貫通孔１３，１４側壁及び貫通孔１３，１４底部に、導体１５を形成する（図３（ｊ））。これによって、半導体ウエハ１と半導体チップ１０を電気的に接続する配線が必要な場合に、半導体チップ１０の電極１１と半導体ウエハ１の電極４とを貫通電極９を介して配線することができる。
【００２４】
次に、信頼性上の必要等に応じて、導体１５配線面に保護膜1６を塗布または貼付し、露光、現像して形成し（図３（ｋ））、必要に応じて保護膜１６の開口部に外部電極１７を形成する（図３（ｉ））。この保護膜１６としては、液状のものを塗布しても、フィルム状の物を貼着しても良い。保護膜１６を塗布または貼付する際に、より平坦性が必要な場合は、貫通孔１３，１４は、保護膜１６の樹脂そのものあるいは事前に樹脂で埋めてもよい。保護膜１６の開口部は、電極として用いるので、貫通孔１３，１４上であってもかまわないし、貫通孔１３，１４以外の場所に形成することもできる。電極は、接続方式として半田を用いた接続の場合、無電解めっきによりＡｕ、Ｎｉ/Ａｕなどを開口部に形成してもよいし、防錆処理を行ってもよい。
【００２５】
上記の工程等によって、形成された半導体装置が図１に示される半導体装置であり、上記工程において説明した構成と対応する構成には、同一符号が付してある。なお、半導体ウエハ１は、上記した一連の工程を経た後、各半導体装置に切断されるので、この場合図１において１は半導体基板（半導体ウエハを切断したもの）を示している。
【００２６】
この半導体装置では、上記のように、半導体ウエハ１にレーザ加工等によって形成した貫通孔５内に、絶縁樹脂フィルムをラミネートする等して充填した絶縁樹脂６に、さらに貫通孔７を形成して無電解めっき等によって導体８を形成する方法等によって構成した貫通電極９を有している。
【００２７】
すなわち、この半導体装置は、半導体基板１の裏面側から電極パッド上に形成された金属バンプ４に到るように形成された貫通孔５と、貫通孔５の内壁を覆うように形成された絶縁樹脂６と、絶縁樹脂６によって半導体基板１と絶縁された状態で貫通孔５内に形成され、電極パッドと半導体基板１の裏面側とを電気的に接続する導体８とを有する貫通電極９を有している。
【００２８】
このため、従来に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることができる。なお、絶縁樹脂フィルムの片面に予め銅箔等を形成したものをラミネートすることも考えられるが、このような場合に比べて本実施形態では、より薄い導体層を形成でき、より精度の高い配線パターンを形成することができる。
【００２９】
また、上記の実施形態では、半導体ウエハ１上に１つの半導体チップ１０を積層した場合について説明したが、上記の図３（ｊ）の工程の後、図３（ｇ）〜（ｊ）の工程を繰り返し実施することにより、さらに複数の半導体チップを積層した半導体装置を製造することができる。このように本実施形態では、半導体チップを積層した構造を有するものの、半導体ウエハ１に積層させる半導体チップ１０等のシリコン基板には、貫通孔を形成する必要がない。そして、シリコン基板に貫通孔を形成するより、絶縁樹脂に貫通孔を形成する方が、加工を容易に行えるので、積層する半導体チップに貫通孔を設けた構造の半導体装置に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００３０】
なお、図１〜３では、１つの半導体装置について、１つの半導体チップ１０を搭載した状態を図示して説明したが、１つの半導体装置の一面に、複数の半導体チップ１０等を搭載した構造の半導体装置とすることもできる。
【００３１】
次に、図４を参照して他の実施形態について説明する。図４は、本発明の他の実施形態に係る半導体装置の構成を模式的に示すものであり、この半導体装置は、前記した図２（ａ）〜（ｆ）の工程に相当する工程によって、半導体ウエハ１に貫通電極９を形成した後、半導体チップを搭載することなく、図３（ｋ）に相当する工程によって、保護膜１６を形成した構造とされている。このような構成の半導体装置の全体構成を図５に示す。図５において、図４の構成と対応する構成には、同一符号が付してある。図５に示すように、この実施形態では、図１に示した半導体チップ１０は搭載されておらず、必要に応じて保護膜１６の開口部に、導体８と電気的に接続された外部電極１７が形成される。
【００３２】
この実施形態のように、半導体チップを積層しない構造のものであっても、半導体ウエハ１にレーザ加工等によって形成した貫通孔５内に、絶縁樹脂フィルムをラミネートする等して充填した絶縁樹脂６に、さらに貫通孔７を形成して無電解めっき等によって導体８を形成する方法等によって構成した貫通電極９を有していることから、従来に比べて製造工程を簡易化することができ、製造コストの低減を図ることができる。
【００３３】
図６は、上述した半導体装置の製造方法における貫通電極９の製造方法のみを拡大して示すものである。図６（ａ）において、１は半導体ウエハであり、２は半導体ウエハ１の表面（半導体回路素子が形成された半導体素子面）側、３は半導体ウエハの裏面側を示している。半導体ウエハ１の表面２側には電極パッド２ａが形成されている。図６（ｂ）に示すように、まず、電極パッド２ａ上に前述した構成（材質が例えばニッケル、金、又は、ジンケート処理等を施した銅等、厚さが例えば３μｍ〜２０μｍ程度）の金属バンプ４を形成する。
【００３４】
次に、図６（ｃ）に示すように、金属バンプ４をレーザ加工のストッパーとして、半導体ウエハ１の裏面３側からレーザ光を照射し、半導体ウエハ１の裏面３から電極パッドを貫通し金属バンプ４が削られるまで貫通する貫通孔（第１の貫通孔）５を形成する。この後、図６（ｄ）に示すように、半導体ウエハ１の裏面３側から、例えば、エポキシ系の絶縁樹脂フィルム等をラミネートすることにより、貫通孔５内に絶縁樹脂６を充填するとともに、半導体ウエハ１の裏面３側に絶縁樹脂６の膜を形成する。
【００３５】
次に、 図６（ｅ）に示すように、貫通孔５に充填した絶縁樹脂６に、レーザ光を照射する工程等により、貫通孔５より小径で、電極パッド２ａを貫通して金属バンプ４に到る貫通孔（第２の貫通孔）７を形成し、貫通孔５内のシリコンの側壁に絶縁樹脂６が形成された形状を得る。この後、図６（ｆ）に示すように、貫通孔７内および貫通孔７の底部に、例えば、無電解めっき等により導体８を形成し、この後導体８をパターンニングして、半導体ウエハ１の表面２と裏面３とを貫通する貫通電極９を形成する。上記のように、金属バンプ４をレーザ加工のストッパーとして用いることにより、高い加工精度を必要とすることなく確実に、所望の貫通孔を形成することができ、良好な貫通電極９を効率良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図。
【図２】図１の半導体装置の製造工程を示す図。
【図３】図２の工程に引き続いて行われる図１の半導体装置の製造工程を示す図。
【図４】他の実施形態に係る半導体装置の構成を示す図。
【図５】図４の半導体装置の全体構成を示す図。
【図６】貫通電極の製造工程を示す図。
【図７】貫通電極の構成を説明するための図。
【符号の説明】
【００３７】
１……半導体ウエハ、２……表面、３……裏面、４……金属バンプ、５……貫通孔、６……絶縁樹脂、７……第２の貫通孔、８……導体、９……貫通電極、１０……半導体チップ、１１……電極、１２……絶縁樹脂層、１３……第３の貫通孔、１４……第４の貫通孔、１５……導体、１６……保護膜、１７……外部電極。
【図１】
2007305955.tif 000003
【図２】
2007305955.tif 000004
【図３】
2007305955.tif 000005
【図４】
2007305955.tif 000006
【図５】
2007305955.tif 000007
【図６】
2007305955.tif 000008
【図７】
2007305955.tif 000009