JP4213281B2

JP4213281B2 - チップオンチップ型半導体装置

Info

Publication number: JP4213281B2
Application number: JP4750399A
Authority: JP
Inventors: 聡蔭山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: JP2000252408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体チップに半導体チップを重ね合わせるように、複数の半導体チップを積層構造に接合した、いわゆるチップオンチップ型の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置において、小型化や高集積化を目指すために、従来の２次元構造から３次元構造に向かう提案がされている。
ところが、連続した製造プロセスで３次元構造の半導体装置を形成しようとすると、歩留りが悪く、困難なことが多い。
【０００３】
そこで、本願の発明者等は、半導体チップの表面と半導体チップの表面とを重ね合わせるように、複数の半導体チップを２層の積層構造に接合する、いわゆるチップオンチップ構造の半導体装置の実用化を研究してきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体チップの表面と半導体チップの表面とを重ね合わせて接合する場合、接合する電極同士がずれないように、両半導体チップのアライメントを正しく行う必要がある。
また、重ね合わせようとする２つの半導体チップの電極同士は、予め接合可能な配置にしておかなければならず、電極配置ピッチの異なる半導体チップ同士を重ね合わせて接合することができないという課題があった。
【０００５】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、表面同士が対向するように複数の半導体チップを重ね合わせて接合したチップオンチップ構造の半導体装置を提供することを主たる目的とする。
【０００７】
請求項１記載の発明は、第１の半導体チップと、第１の半導体チップの表面に重ね合わされた予め定める配線パターンが形成された絶縁フィルムと、絶縁フィルムの上に重ね合わされた第２の半導体チップとを含み、前記絶縁フィルムを挟んで第１の半導体チップの表面と第２の半導体チップの表面とが対向されており、前記絶縁フィルムには、絶縁フィルムの第１の半導体チップの表面と対向する面側に設けられ、第１の半導体チップの所定の複数の電極に接続され得る複数の第１接続部、絶縁フィルムの第２の半導体チップの表面と対向する面側に設けられ、第２の半導体チップの所定の電極に接続され得る第２接続部、ならびに前記複数の第１接続部および第２接続部を電気的につなぐ配線を含む配線パターンが形成されており、前記構成によって、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップの所定の電極同士を電気的に接続するだけでなく、第１の半導体チップの所定の複数の電極同士も電気的に接続されていることを特徴とする、チップオンチップ型半導体装置である。
【０００８】
この発明によれば、予め定める配線パターンが形成された絶縁フィルムを用いることにより、第１の半導体チップと第２の半導体チップとの間に所定の電気的な接続がなされるように、両半導体チップを重ね合わせることができる。すなわち、絶縁フィルムに、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップの接続に必要な配線パターンを予め形成しておけば、第１の半導体チップの接続すべき電極と、第２の半導体チップの接続すべき電極とが、絶縁フィルムに形成された配線パターンによって電気的に接続される。絶縁フィルムは、たとえばポリイミド等で作られるごく薄いフィルムを用いればよい。配線パターンは、たとえば両面印刷等により形成できる。絶縁フィルムに配線パターンを印刷する前に、絶縁フィルムの所定の位置に小孔を形成しておけば、絶縁フィルムに配線パターンを印刷形成したとき、絶縁フィルム両面の配線が電気的に導通した状態になる。
【０００９】
より具体的には、予め定める配線パターンが形成された絶縁フィルムによって、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップ間の電気的な接続が達成されているので、複数の半導体チップが種々の態様で重ね合わされたチップオンチップ型半導体装置を提供することができる。
【００１０】
特に、第１の半導体チップのたとえば電極配置ピッチと、第２の半導体チップの電極配置ピッチとが異なっていても、第１の半導体チップの電極および第２の半導体チップの電極は、絶縁フィルムに設けられた配線パターンを介して接続されるので、電極配置ピッチの違い等にかかわらず、両電極を電気的に接続することができる。
【００１１】
上述の構成において、半導体チップの表面は、一般に、電極部分を除いてはパッシベーション膜で覆われている。従って絶縁フィルムに形成された配線パターンが半導体チップ表面に接触しても、半導体チップに形成されている回路を短絡させる等の虞れはない。
また上述の各構成は、第１の半導体チップと第２の半導体チップとを所定の配線パターンを有する絶縁フィルムを介して電気的に接続する構成であるが、絶縁フィルムの第１の半導体チップの複数の電極を電気的に接続可能な配線パターンが設けられているので、第１の半導体チップの電極同士を接続することもできる。
【００１２】
さらに、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップによってサンドイッチされた絶縁フィルムが両半導体チップの接合面よりも外方に延び出した構成とし、その延び出した絶縁フィルムの配線パターンを、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップとは別の半導体チップと接続することにより、３層以上の積層構造の半導体装置を実現することもできる。
【００１３】
また、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップでサンドイッチされた絶縁フィルムの周縁部を延ばし、その絶縁フィルムに設けられた配線パターンをパッケージ基板等に接続することにより、絶縁フィルムの配線パターンをワイヤボンデイングの代わりに使用することもできる。
また、絶縁フィルムの配線パターンに、電源ラインとなる配線を予め形成しておけば、この絶縁フィルムで重ね合わせる半導体チップには電源ラインを形成する必要がなくなり、半導体チップの小型化を図ることができる。つまり、従来は、半導体チップの表面に電源ラインを含むすべての回路を形成しており、かかる半導体チップを重ね合わせていたわけである。ところが、この発明によれば、サンドイッチされる絶縁フィルムに、電源ライン等の大容量の配線ラインを形成する等によって、半導体チップ表面に形成する回路から電源ライン等を省略して、チップオンチップ型半導体装置に組合わせられたときに完成した回路が構成されるようにできる。これにより、より小型化が達成されたチップオンチップ型半導体装置とすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について説明をする。
具体的な実施形態の説明の前に、絶縁フィルムを利用して半導体チップ同士を重ね合わせるやり方の、関連技術について説明をする。
図１Ａは、絶縁フィルム１を用いて半導体チップ２および３を重ね合わせて接合するやり方を示す図解的な縦断面図である。また、図１Ｂは絶縁フィルム１の図解的な平面図である。
【００１５】
図１Ｂに示すように、微小な金属球４が縦横に規則正しく一定間隔で多数配列された絶縁フィルム１を準備する。各金属球４は、絶縁フィルム１を上下に貫通した状態で配置されている。そして、図１Ａに示すように、この絶縁フィルム１をサンドイッチするように、半導体チップ２および半導体チップ３を重ね合わせる。このとき、半導体チップ２の表面２ａおよび半導体チップ３の表面３ａが、絶縁フィルム１を挟んで対向するように重ね合わせる。また、半導体チップ２の表面２ａに形成された電極２ｂと、半導体チップ３の表面３ａに形成された電極３ｂとが対向するように重ね合わせる。その結果、電極２ｂと電極３ｂとは絶縁フィルム１に備えられたいずれかの金属球４により電気的に接続される。
【００１６】
なお、半導体チップ２の表面２ａおよび半導体チップ３の表面３ａは、電極２ｂ，３ｂ部分を除いては、パッシベーション膜で覆われている。従って、これら半導体チップの表面２ａ，３ａで挟まれる金属球４は、各半導体チップ２，３に形成されている回路を短絡する等の心配はない。
ところが、図１Ａ，Ｂに示すような汎用的な絶縁フィルム１を用いる接合方法では、半導体チップ２の電極２ｂと、半導体チップ３の電極３ｂとが互いに対向する位置に設けられていなければならない。このため、重ね合わせる半導体チップ２，３は、それぞれ予め定める電極配置をした半導体チップでなければならず、重ね合わせることのできる半導体チップの構成が制限を受けてしまう。
【００１７】
そこで、この実施形態では、重ね合わせる半導体チップが、その電極配置構成等で制限を受けることのない構成にした。
図２は、この発明の一実施形態にかかる重ね合わせ方法により製造されるチップオンチップ型半導体装置の構成を説明するための図解的な断面構造図である。図２において、１１は第１の半導体チップであり、その表面１２の所定の位置にはバンプ１３ａ，１３ｂ，１３ｃが設けられている。各バンプ１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ、その下方に配置されている電極上に設けられた接続用の導電部であり、たとえばＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等で形成されている。
【００１８】
第１の半導体チップ１１の表面１２上には絶縁フィルム１４が積層される。絶縁フィルム１４は、たとえばポリイミドで形成された絶縁性のフィルム１５を有し、このフィルム１５に予め定める配線パターン１６，２０が形成されたものである。
絶縁フィルム１４の上には、さらに、第２の半導体チップ１７が積層される。第２の半導体チップ１７は、その表面１８が絶縁フィルム１４を介して第１の半導体チップ１１と対向するように積層される。第２の半導体チップ１７の表面１８にも、第１の半導体チップ１１と同様、所定の位置に配列された電極上に形成されたバンプ１９ａ，１９ｂが備えられている。
【００１９】
第１の半導体チップ１１および第２の半導体チップ１７によって絶縁フィルム１４をサンドイッチするように重ね合わせることにより、第１の半導体チップ１１のバンプ１３ａと第２の半導体チップ１７のバンプ１９ａとが配線パターン１６を介して電気的に接続される。また、第１の半導体チップ１１のバンプ１３ｂと第２の半導体チップ１７のバンプ１９ｂとが配線パターン２０を介して接続される。さらに、第１の半導体チップ１１のバンプ１３ｂとバンプ１３ｃとは、配線パターン２０を介して電気的に接続される。そして、重ね合わされて加圧および加熱されることにより、各バンプが溶けて配線パターンの接続部との接合がなされ、チップオンチップ型半導体装置ができる。
【００２０】
絶縁フィルム１４における配線パターン１６，２０は、たとえば両面印刷により形成することができる。両面印刷の前に、フィルム１５の所定の位置に予め小孔２１，２２を形成しておけば、配線パターン１６，２０が両面印刷されたときに、フィルム１５の両面の配線パターンが、小孔２１，２２を介して電気的に導通される。
【００２１】
配線パターン１６には、フィルム１５の一方面側に設けられた第１接続部２３が含まれている。第１接続部２３は第１半導体チップ１１のバンプ１３ａに接続され得る部分であり、好ましくは、導電材が盛り上がるように形成されている。また、配線パターン１６には、フィルム１５の他方面側に設けられた第２接続部２４が含まれている。第２接続部２４は第２の半導体チップ１７のバンプ１９ａに接続され得る部分であり、やはり、導電材がフィルム１５の表面から盛り上がるように形成されている。
【００２２】
配線パターン２２も、配線パターン１６と同様、バンプ１３ｂに接続され得る接続部２５、バンプ１９ｂに接続され得る接続部２６が含まれている。さらに、バンプ１３ｃに接続され得る接続部２７が備えられており、接続部２５と２７とは電気的につながれている。この結果、配線パターン２０により、第１の半導体チップ１１のバンプ１３ｂ，１３ｃ同士が電気的につながれている。このように、絶縁フィルム１４に備えられた配線パターン１６，２０は、第１の半導体チップ１１および第２の半導体チップ１７の所定のバンプ同士を電気的に接続するだけでなく、第１の半導体チップ１１の所定のバンプ同士を電気的に接続することもできる。
【００２３】
第１の半導体チップ１１（同一の半導体チップ）の複数のバンプ１３ｂ，１３ｃを絶縁フィルム１４の配線パターン２０で接続するようにすると、次のような利点がある。
第１の半導体チップ１１にはたとえば電源ラインが必要であり、その電源ラインによって複数のバンプ１３ｂ，１３ｃに電源を供給するという回路構成であるとする。この場合、従来であれば、電源ラインを第１の半導体チップ１１の表面に形成する必要があった。ところが、この実施形態では、絶縁フィルム１４の配線パターン２０に電源ラインが形成されている。電源ライン等の大容量の配線ラインは、第１の半導体チップ１１に形成すると、第１の半導体チップ１１の大きさが大きくならざるを得ない。ところが、この実施形態のように絶縁フィルム１４の配線パターン２０として、電源ラインを形成すれば、装置全体の小型化が達成できる。
【００２４】
なお、絶縁フィルム１４は、接合時には周縁部に不要な部分を含む大きめのフィルムを使用する方が、位置合わせ等の調整が便利である。接合後に、半導体チップからはみ出している不要なフィルム１５部分を切断すればよい。
図３は、この発明の他の実施形態にかかるチップオンチップ型半導体装置の構成例を示す図解的な縦断面図である。図３の半導体装置は、半導体親チップ３１の上に絶縁フィルム３２を挟んで重ね合わされた２つの半導体子チップ３３，３４が積層された３層構造になっている。子チップ３３と子チップ３４とは絶縁フィルム３２を挟んで互いにその表面が対向するように重ね合わされている。子チップ３３，３４間の電気的接続は、図２で説明した実施形態と同様、絶縁フィルム３２に備えられた図示しない配線パターンにより実現されている。
【００２５】
さらに、絶縁フィルム３２の周辺部は、親チップ３１の表面３５上に重ねられており、親チップ３１の表面３５に配列された電極上のバンプ３６に、絶縁フィルム３２に形成された配線パターンが接続されている。これにより、３つの半導体チップ３１，３３，３４間の電気的な接続が実現されている。
なお、親チップ３１と子チップ３３との間はたとえば絶縁性接着剤等で固定されている。
【００２６】
この実施形態のように、予め定める配線パターンを有する絶縁フィルム３２を用いることによって、３層構造のチップオンチップ型半導体装置を作ることができる。その他、構成を工夫すれば、３層以上の積層構造のチップオンチップ型半導体装置を作ることも可能である。さらに、電極配置や配線レイアウトの自由度も増加する。
【００２７】
図４は、この発明のさらに他の実施形態にかかる半導体装置の構成を示す図解的な縦断面図である。この実施形態では、半導体チップ３７，３８が、絶縁フィルム３９をサンドイッチするように重ね合わされている。絶縁フィルム３９には、前述の各実施形態と同様、予め定める配線パターンが形成されており、その配線パターンを介して半導体チップ３７，３８の電極同士が接続されている。さらにこの実施形態では、絶縁フィルム３９の周辺部は重ね合わされた半導体チップ３７，３８から延び出していて、その絶縁フィルム３９の周縁部に備えられた配線パターンが、パッケージ基板４０表面の電極に接続されている。
【００２８】
従来の半導体装置では、パッケージ基板４０と半導体チップとの間の電気的な接続は、ワイヤボンデイングが用いられていた。この実施形態では、半導体チップ３７，３８同士を接合している絶縁フィルム３９に形成された配線パターンを利用し、この配線パターンをワイヤボンディングの代わりに使用することによって、パッケージ基板４０と半導体チップ３７，３８との電気的な接続が実現されている。
【００２９】
かかる構成であれば、半導体チップ３７が半導体チップ３８よりも面積の小さなチップであっても構わない。
このように、半導体チップ３７，３８同士を重ね合わせる際にサンドイッチされる予め定める配線パターンが形成された絶縁フィルム３９をワイヤボンディングの代わりに利用することにより、積層構造や配置の自由度が高い半導体装置を作ることができる。
【００３０】
この発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】絶縁フィルムを利用して半導体チップ同士を重ね合わせるやり方の、この発明に関連する技術を説明するための図であり、特に、Ａは絶縁フィルムを用いて半導体チップを重ね合わせて接合するやり方を示す図解的な縦断面図であり、Ｂは絶縁フィルムの図解的な平面図である。
【図２】この発明の一実施形態にかかるチップオンチップ型半導体装置の製造方法および構成を説明するための図解的な縦断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかるチップオンチップ型半導体装置の図解的な縦断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかる半導体装置の図解的な縦断面図である。
【符号の説明】
１１第１の半導体チップ
１２第１の半導体チップの表面
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ第１の半導体チップのバンプ
１４絶縁フィルム
１５フィルム
１６，２０配線パターン
１７第２の半導体チップ
１８第２の半導体チップの表面
１９ａ，１９ｂ第２の半導体チップのバンプ
２３，２４，２５，２６，２７接続部

Claims

第１の半導体チップと、
第１の半導体チップの表面に重ね合わされた予め定める配線パターンが形成された絶縁フィルムと、
絶縁フィルムの上に重ね合わされた第２の半導体チップとを含み、
前記絶縁フィルムを挟んで第１の半導体チップの表面と第２の半導体チップの表面とが対向されており、
前記絶縁フィルムには、
絶縁フィルムの第１の半導体チップの表面と対向する面側に設けられ、第１の半導体チップの所定の複数の電極に接続され得る複数の第１接続部、
絶縁フィルムの第２の半導体チップの表面と対向する面側に設けられ、第２の半導体チップの所定の電極に接続され得る第２接続部、ならびに
前記複数の第１接続部および第２接続部を電気的につなぐ配線を含む配線パターンが形成されており、
前記構成によって、第１の半導体チップおよび第２の半導体チップの所定の電極同士を電気的に接続するだけでなく、第１の半導体チップの所定の複数の電極同士も電気的に接続されていることを特徴とする、チップオンチップ型半導体装置。