CN105428273A - 半导体制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式提供一种能够提高在上下两个面具有凸块电极的半导体芯片的凸块连接性及连接可靠性的半导体制造装置。实施方式的半导体制造装置(1)具备：键合头(2)，其包括弹性体夹头(5)及夹头保持器(6)，所述弹性体夹头(5)与在两个面设置着凸块电极(42、44)的半导体芯片(4)的一表面抵接并进行吸附，所述夹头保持器(6)保持弹性体夹头(5)；平台(3)，其载置被连接零件(7)，所述被连接零件(7)具有与凸块电极(44)对应的被连接电极(72)；及驱动机构，其使键合头(2)与平台(3)相对移动以使半导体芯片(4)移动到被连接零件(7)上，且对半导体芯片(4)施加荷重。弹性体夹头(5)及夹头保持器(6)中的至少一者的接触面在包含凸块电极(44)的形成区域的正上方的位置具备凸部(62)。

Description

半导体制造装置

[相关申请]

本申请案享有以日本专利申请案2014-188528号(申请日：2014年9月17日)作为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的所有内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种半导体制造装置。

背景技术

为了实现半导体装置的小型化、高速化、高功能化等，实用化有在1个封装体内积层多个半导体芯片并进行密封的SiP(SysteminPackage，***级封装)结构的半导体装置。在SiP结构的半导体装置中，要求高速地收发半导体芯片间的电信号。在这种情况下，在半导体芯片间的电连接中使用微凸块。微凸块例如具有5～50μm左右的直径，且以10～100μm左右的间距形成。在利用微凸块连接多个半导体芯片间的情况下，在将设置在下段侧的半导体芯片的正面的凸块电极、与设置在上段侧的半导体芯片的背面的凸块电极进行位置对准后，一边进行加热，一边压接上下半导体芯片而将凸块电极彼此加以连接。

为了将半导体芯片多段地连接，存在还在上段侧的半导体芯片的表面设置着凸块电极的情况。在使用在上下两个面设置着凸块电极的半导体芯片实施凸块连接步骤的情况下，利用吸附夹头(collet)保持具有凸块电极的半导体芯片的表面侧并使其向下段侧的半导体芯片上移动，从而一边施加热及荷重，一边将凸块电极彼此加以连接。作为用于吸附的夹头，已知有刚体夹头及弹性体夹头。在利用刚体夹头吸附具有凸块电极的芯片表面的情况下，存在如下担忧：因凸状的凸块电极而在半导体芯片产生弯曲应力，从而在半导体芯片产生龟裂等。在利用弹性体夹头吸附具有凸块电极的芯片表面的情况下，可抑制弯曲应力的产生，但施加到凸块电极的荷重因弹性体夹头而分散。这成为降低凸块电极间的连接性及连接可靠性的主要原因。

发明内容

本发明要解决的课题在于，提供一种可抑制半导体芯片上产生的龟裂等，并且提高在上下两个面具有凸块电极的半导体芯片的凸块连接性及连接可靠性的半导体制造装置。

实施方式的半导体制造装置具备：键合头，其包括具有第一面及与第一面为相反侧的第二面的弹性体夹头、及夹头保持器，且对抵接在弹性体夹头的半导体芯片进行吸附，所述第一面与在芯片主体的一面侧设置着第一凸块电极、在芯片主体的另一面侧设置着第二凸块电极的半导体芯片的一面侧的表面抵接，所述夹头保持器具有与弹性体夹头的第二面相接的第一面且保持弹性体夹头；平台，其载置被连接零件，所述被连接零件具有以与第二凸块电极对应的方式设置的被连接电极；及驱动机构，其使键合头与平台相对移动，以便对被连接电极位置对准第二凸块电极，并且使半导体芯片移动到被连接零件上，且对移动到被连接零件上的半导体芯片施加荷重。弹性体夹头的第二面及夹头保持器的第一面中的至少一者在包含第二凸块电极的形成区域的正上方的位置具备凸部。

附图说明

图1(a)及(b)是表示第一实施方式的半导体制造装置、及使用其的电极间的连接步骤的剖视图。

图2是表示使用图1所示的半导体制造装置实施连接步骤的半导体芯片的电路面侧的表面的俯视图。

图3是表示图1所示的半导体制造装置中使用的弹性体夹头的与半导体芯片的抵接面的俯视图。

图4是表示图1所示的半导体制造装置中使用的刚体夹头保持器的与弹性体夹头相接的面侧的俯视图。

图5是沿图4所示的刚体夹头保持器的A-A线的剖视图。

图6是表示使用图1所示的半导体制造装置制作的芯片积层体的剖视图。

图7(a)及(b)是表示第二实施方式的半导体制造装置、及使用其的电极间的连接步骤的剖视图。

图8是表示图7所示的半导体制造装置中使用的弹性体夹头的与刚体夹头保持器相接的面侧的俯视图。

图9是沿图8所示的弹性体夹头的B-B线的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的半导体制造装置进行说明。

(第一实施方式)

图1是表示第一实施方式的半导体制造装置、及使用其的电极间的连接步骤的剖视图。图1所示的半导体制造装置1具备吸附第一被连接零件的键合头2、及载置着第二被连接零件的平台3。键合头2包括：吸附夹头5，其与作为第一被连接零件的半导体芯片4抵接；及夹头保持器6，其保持吸附夹头5。吸附夹头5及夹头保持器6具有未图示的贯通孔(抽吸孔)，经由这些贯通孔进行抽吸，由此半导体芯片4吸附到吸附夹头5。

键合头2具有用以将半导体芯片4吸附保持到吸附夹头5的抽吸机构(未图式)。进而，键合头2包括根据连接步骤对半导体芯片4进行加热及冷却的加热冷却机构(未图式)。键合头2可利用未图示的驱动机构在XYZθ方向上移动。平台3包括：吸附机构(未图式)，其吸附保持第二被连接零件7；及加热冷却机构(未图式)，其根据连接步骤对第二被连接零件7进行加热及冷却。平台3可利用未图示的驱动机构在XY方向上移动。加热冷却机构还可只设置在键合头2及平台3中的一者。

在图1中，吸附到键合头2的第一被连接零件为第一半导体芯片4，所述第一半导体芯片4具有：第一凸块电极42，其设置在芯片主体41的上表面(电路面/第一表面)41a侧；贯通电极(ThroughSiliconVia：TSV)43，其以贯通芯片主体41的方式设置，与第一凸块电极42电连接；及第二凸块电极44，其设置在芯片主体41的下表面(非电路面/第二表面)41b侧，与贯通电极43电连接。载置到平台3上的第二被连接零件为第二半导体芯片7，所述第二半导体芯片7具有设置在芯片主体71的上表面(电路面/第一表面)71a侧的第三凸块电极72。第二被连接零件并不限定于半导体芯片，还可为具有连接电极的配线衬底等。

如图2所示，在第一半导体芯片4的上表面41a侧，设置着多个凸块形成区域X1～X5。在多个凸块形成区域X1～X5内，分别配置着第一凸块电极42。第一凸块电极42分别配置在相对于第一半导体芯片4的上表面41a局部地设置的多个凸块形成区域X1～X5内。第二凸块电极44经由贯通电极43而与第一凸块电极42连接。在第一半导体芯片4的下表面41b侧，在与上表面41a侧的凸块形成区域X1～X5对应的位置，也设置着凸块形成区域。在半导体芯片4的下表面41b的多个凸块形成区域内，分别配置着第二凸块电极44。在第二半导体芯片7的上表面71a侧，以与第二凸块电极44对应的方式，设置着第三凸块电极72。

键合头2的吸附夹头5具有：第一面51，其抵接于设置着第一凸块电极42的第一半导体芯片4的上表面41a；及第二面52，其与第一面51为相反侧。吸附夹头5在使第一面(芯片抵接面)51抵接在第一半导体芯片4的上表面41a的状态下，吸附保持第一半导体芯片4。吸附夹头5为了吸收因第一凸块电极42形成的表面的凹凸形状，而由弹性体形成。吸附夹头5为使用有天然橡胶、合成橡胶、热固性弹性体(elastomer)等橡胶状弹性体的弹性体夹头。

利用弹性体夹头5吸附保持第一半导体芯片4的上表面(凸块形成面)41a，由此在施加荷重时，由弹性体夹头5吸收因第一凸块电极42形成的凹凸，因此可抑制以第一凸块电极42为支点的弯曲应力的产生。如图3所示，弹性体夹头5的第一面(芯片抵接面)51具有：芯片抵接区域C，其与第一半导体芯片4抵接；及多个凸块抵接区域Y1～Y5，其等与第一半导体芯片4的上表面41a侧的凸块形成区域X1～X5(及下表面41b侧的凸块形成区域)对应。

键合头2包括保持弹性体夹头5的夹头保持器6。夹头保持器6为了能够向弹性体夹头5良好地传递荷重，而由刚体形成。夹头保持器6为使用有如各种钢材、不锈钢、铝、钛等金属材料或陶瓷材料的刚体材料的刚体夹头保持器。刚体夹头保持器6具有供弹性体夹头5嵌入的凹部61。嵌入在夹头保持器6的凹部61内的弹性体夹头5中，与第一面(芯片抵接面)51为相反侧的第二面52与刚体夹头保持器6相接。

对使用有图1所示的半导体制造装置的第一半导体芯片4与第二半导体芯片7的连接步骤进行说明。如图1(a)所示，在平台3上载置第二半导体芯片7。第二半导体芯片7吸附保持在平台3。利用键合头2吸附保持第一半导体芯片4。一边将第二凸块电极44位置对准到第三凸块电极72，一边使吸附保持在键合头2的第一半导体芯片4移动到载置于平台3上的第二半导体芯片7上。

如图1(b)所示，例如利用驱动机构使键合头2下降，由此一边使第二凸块电极44与第三凸块电极72接触，一边使移动到第二半导体芯片7上的第一半导体芯片4积层到第二半导体芯片7上。一边加热到凸块电极44、72的连接温度以上的温度，或者一边对凸块电极44、72施加超音波，一边利用驱动机构对第一半导体芯片4施加荷重而压接到第二半导体芯片7。利用这种压接步骤，将第二凸块电极44与第三凸块电极72连接而形成凸块连接体8。

作为凸块电极44、72的形成材料，可列举包含在Sn中添加了Cu、Ag、Bi、In等而成的Sn合金的焊接材料、或Cu、Ni、Au、Ag、Pd、Sn等金属材料。作为焊接材料(无Pb焊接)的具体例，可列举Sn-Cu合金、Sn-Ag合金、Sn-Ag-Cu合金等。金属材料并不限定于单层膜，还可为Cu/Ni、Cu/Ni/Cu、Cu/Ni/Au、Ni/Au、Cu/Au等多个金属膜的积层膜。进而，金属材料还可为包含如上所述的金属的合金。作为第二凸块电极44与第三凸块电极72的组合，例示焊接/焊接、金属/焊接、焊接/金属、金属/金属等。而且，关于第二凸块电极44与第三凸块电极72的形状，可使用半球状或柱状等突起形状彼此的组合、或突起形状与如焊垫的平坦形状的组合。

在第二凸块电极44及第三凸块电极72中的至少一者中，优选使用焊接材料。考虑键合头2对第一半导体芯片4的吸附性等，优选在第一半导体芯片4的下表面41b侧，形成包含Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金等焊接材料的凸块电极44，在第二半导体芯片7的上表面71a侧，形成包含Cu/Ni/Cu、Cu/Ni/Au、Ni/Au等金属材料的凸块电极14。在此情况下，包含焊接材料的凸块电极44优选设为突起形状，包含金属材料的凸块电极72优选设为平坦形状。所谓凸块电极44、72的连接温度是在利用焊接形成凸块电极44、72中的至少一者的情况下所使用的焊接的熔点以上的温度。

设置在第一半导体芯片4的上表面41a侧的第一凸块电极42是在进一步在第一半导体芯片4上积层其他半导体芯片时，作为连接电极发挥功能的凸块电极。在这里，对在积层第一半导体芯片4与第二半导体芯片7时，将第二凸块电极44与第三凸块电极72连接的情况进行叙述，但在进一步将半导体芯片积层为多段的情况下，还可将凸块电极44、72间临时固定，在积层所有半导体芯片后，进行回流焊或热压接而将凸块电极间正式连接。

在将第一半导体芯片4压接到第二半导体芯片7时，经由弹性体夹头5对第一半导体芯片4附加荷重。弹性体夹头5的第一面51呈陷入在第一凸块电极42的状态。在这种状态下，如果弹性体夹头5与刚体夹头保持器6分别以平面接触，则荷重分散到第一凸块电极42的形成区域的周围。其结果，无法充分地对设置在与第一凸块电极42对应的位置(重叠的位置)的第二凸块电极44施加荷重。这个情况导致凸块电极42、72间的连接不良，或成为使凸块电极42、72间的连接可靠性降低的主要原因。

在实施方式的半导体制造装置1中，在弹性体夹头5与刚体夹头保持器6的接触面，设置着第一凸块电极42的形成区域，进而在第二凸块电极44的形成区域，设置着使荷重集中的凹凸。在第一实施方式中，如图4及图5所示，在刚体夹头保持器6的凹部61的底面61a，设置着与图2所示的第一半导体芯片4的凸块形成区域X1～X5、进而与图3所示的弹性体夹头5的凸块抵接区域Y1～Y5对应的凸部62A～62E。刚体夹头保持器6的凸部62A～62E位于半导体芯片4的第一凸块电极42的形成区域(及第二凸块电极44的形成区域)的正上方。

具有凸部62A～62E的刚体夹头保持器6相对于弹性体夹头5的第二面52，只与凸部62A～62E的上表面相接。因此，可从刚体夹头保持器6经由凸部62A～62E局部地对弹性体夹头5施加荷重。施加在第一半导体芯片4的荷重经由与凸部62A～62E对应的弹性体夹头5的各区域、即凸块抵接区域Y1～Y5，集中附加到凸块电极42、44的形成区域。根据这些情况，可提高第二凸块电极42与第三凸块电极72的连接性，进而可提高凸块电极42、72间的连接可靠性。因此，可制作在较高的可靠性下连接第一半导体芯片4与第二半导体芯片7的芯片积层体。

在经由刚体夹头保持器6的凸部62A～62E对弹性体夹头5施加荷重时，凸部62A～62E的高度优选设为10μm以上且1000μm以下。如果凸部62A～62E的高度小于10μm，则无法使荷重充分地集中到凸块电极42、44的形成区域。如果凸部62A～62E的高度超过1000μm，则传递荷重的弹性体的距离变得过长，由此施加到凸块电极42、44的形成区域的荷重降低。无论在哪种情况下，都存在凸块电极42、72间的连接性及连接可靠性降低的担忧。凸部62A～62E的平面形状优选比与凸块电极42、44的形成区域一致的形状大了5mm左右的形状。如果使凸部62A～62E的平面形状过度地大于凸块电极42、44的形成区域，则荷重对于凸块电极42、44的集中效率降低。

使用了实施方式的半导体制造装置1的半导体芯片的积层步骤并不限定于积层2个半导体芯片4、7的情况。例如，如图6所示，可在半导体芯片4上，积层第三半导体芯片4A，进一步积层第四半导体芯片4B。半导体芯片4A、4B具有与半导体芯片4相同的结构。在半导体芯片4上积层半导体芯片4A、4B的情况下，重复实施图1所示的积层步骤。如图6所示，半导体芯片4与半导体芯片4A利用凸块电极42与凸块电极44A的连接体8A电连接及机械连接。进而，半导体芯片4A与半导体芯片4B利用凸块电极42A与凸块电极44B的连接体8B电连接及机械连接。半导体芯片的积层数量为任意数量。

(第二实施方式)

其次，参照图7至图9，对第二实施方式的半导体制造装置进行说明。图7是表示第二实施方式的半导体制造装置及使用其的电极间的连接步骤的剖视图。图7所示的半导体制造装置21具备具有凸部的弹性体夹头5来取代第一实施方式的具有凸部62A～62E的刚体夹头保持器6。另外，存在如下情况：对第二实施方式的与第一实施方式相同的部分标示相同的符号，省略这些部分的说明中的一部分。

在第二实施方式的半导体制造装置21中，刚体夹头保持器6具有供弹性体夹头5嵌入的凹部61。凹部61的底面61a设为平面。另一方面，如图8及图9所示，在弹性体夹头5的第二面52，设置着与图2所示的第一半导体芯片4的凸块形成区域X1～X5、进而与第二面51的凸块抵接区域Y1～Y5对应的凸部53A～53E。弹性体夹头5的凸部53A～53E位于半导体芯片4的第一凸块电极42的形成区域(及第二凸块电极44的形成区域)的正上方。

具有凸部53A～53E的弹性体夹头5相对于刚体夹头保持器6的凹部61的底面61a，只与凸部53A～53E的上表面相接。因此，可从刚体夹头保持器6经由凸部53A～53E局部性地对弹性体夹头5施加荷重。施加在第一半导体芯片4的荷重经由与凸部53A～53E对应的弹性体夹头5的各区域、即凸块抵接区域Y1～Y5，集中附加到凸块电极42、44的形成区域。根据这些情况，可提高第二凸块电极42与第三凸块电极72的连接性，进而可提高凸块电极42、72间的连接可靠性。因此，可制作在较高的可靠性下连接第一半导体芯片4与第二半导体芯片7的芯片积层体。

如上所述，使荷重集中到凸块电极42、44的形成区域的凹凸还可形成在弹性体夹头5的与刚体夹头保持器6相接的面52、及刚体夹头保持器6的与弹性体夹头5相接的面61a中的任一个面。而且，根据情况，还可在弹性体夹头5及刚体夹头保持器6的两方设置凹凸。然而，如果考虑形成使荷重集中的凸部时的加工的简易度或加工成本，而且考虑作为消耗品的弹性体夹头5的更换频率等，则优选在刚体夹头保持器6的与弹性体夹头5相接的面61a形成凸部62A～62E。

另外，对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提示，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能以其他各种形态实施，可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变化包含在发明的范围或主旨内，同时包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

[符号的说明]

1半导体制造装置

2键合头

3平台

4、7半导体芯片

41芯片主体

42、44、72凸块电极

43贯通电极

5弹性体夹头

53凸部

6刚体夹头保持器

61凹部

62凸部

8凸块连接体

Claims (5)

1.一种半导体制造装置，其特征在于具备：

键合头，其包括弹性体夹头、及夹头保持器，且能对抵接在所述弹性体夹头的半导体芯片进行吸附，所述弹性体夹头具有第一面及第二面，所述第一面与在芯片主体的一面侧设置着第一凸块电极、且在所述芯片主体的另一面侧设置着第二凸块电极的所述半导体芯片的所述一面侧的表面抵接，所述第二面与所述第一面为相反侧，所述夹头保持器具有与所述弹性体夹头的所述第二面相接的第一面且保持所述弹性体夹头；

平台，其能载置被连接零件，所述被连接零件具有以与所述第二凸块电极对应的方式设置的被连接电极；及

驱动机构，其能以使所述第二凸块电极的位置对准所述被连接电极，并且同时使所述半导体芯片移动到所述被连接零件上的方式，使所述键合头与所述平台相对移动，且对移动到所述被连接零件上的所述半导体芯片施加荷重；且

所述弹性体夹头的所述第二面及所述夹头保持器的所述第一面的至少一者在包含所述第二凸块电极的形成区域的正上方的位置具备凸部。

2.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于：所述夹头保持器具有供所述弹性体夹头嵌入的凹部，

在所述凹部的底面设置着所述凸部，所述凸部的上表面与所述弹性体夹头的所述第二面相接。

3.根据权利要求1所述的半导体制造装置，其特征在于：在所述弹性体夹头的所述第二面设置着所述凸部，所述凸部的上表面与所述夹头保持器的所述第一面接触。

4.根据权利要求2或3所述的半导体制造装置，其特征在于：所述凸部具有10μm以上且1000μm以下的高度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体制造装置，其特征在于：所述半导体芯片为所述第一凸块电极与所述第二凸块电极利用贯通所述半导体芯片的贯通电极而电连接的第一半导体芯片；

所述被连接零件为具有作为所述被连接电极的第三凸块电极的第二半导体芯片。