JP2005191460A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は半導体チップに設けられたはんだバンプを基板に接合する処理を有する半導体装置の製造方法に関し、バンプ接合時にはんだバンプが潰れたり、隣接するはんだバンプ間が接触したりすることを防止することを課題とする。
【解決手段】 半導体チップ１に配設されたはんだバンプ４を基板２に形成された電極５に接合する工程を含む半導体装置の製造方法において、はんだバンプ４が電極５に接触するまでは半導体チップ１を基板５に向け移動させ、はんだバンプ４が電極５接触した後は、半導体チップ１と電極５との離間距離が所定距離を維持するよう半導体チップ１の移動を調整する。
【選択図】 図３

Description

本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に半導体チップに設けられたはんだバンプを基板に接合する処理を有する半導体装置の製造方法に関する。

一般に、半導体チップをマザーボード等の基板或は他の半導体基板上に実装する方法として、半導体チップにはんだバンプを設け、このはんだバンプを基板に形成された電極に接合する方法（フリップチップ接合法）が多用されている。このフリップチップ接合法によれば、ワイヤを用いたワイヤボンディング法に比べて端子数を多くすることができるため、高密度化に対応することができる（例えば、特許文献１参照）。

従来、一般にフリップチップ接合法を用いて基板に接合される半導体チップは、バンプ数が5000個以下、バンプ間のバンプピッチが176μｍ〜250μｍであった。また、使用されるバンプサイズとしては、直径が80μｍ〜120μｍ、高さが70μｍ〜100μｍ程度であった。図１を用いて、従来のこの種のはんだバンプを基板の電極に接合する方法について説明する。

図１（Ａ）は、半導体チップ１及びこれが接合される基板２が半導体製造装置に装着された状態を示している。この半導体製造装置はフリップチップボンダであり、半導体チップ１を装着する装着ツール６及び半導体チップ１を加熱する上部加熱ヒータ７が上部に設けられており、また下部には基板２を装着するステージ８及び基板２を加熱する下部加熱ヒータ９が設けられている。装着ツール６及び上部加熱ヒータ７は、図示しない移動装置により図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動可能な構成とされている。尚、はんだバンプ４は半導体チップ１に形成されたパッド３に配設されている。

はんだバンプ４を電極５に接合するには、先ず半導体チップ１を装着ツール６に装着すると共に、基板２をステージ８に装着する。装着ツール６及びステージ８は、いずれも吸着手段（例えば、エア式の吸着チャック）を設けている。よって、この吸着チャックにより、半導体チップ１及び基板２は装着ツール６及びステージ８に装着される。

半導体チップ１が装着ツール６に装着され、基板２がステージ８に装着された状態では、図１（Ａ）に示すようにはんだバンプ４は電極５から離間した状態となっている。この状態で、上部加熱ヒータ７及び下部加熱ヒータ９に予備加熱用の通電が行なわれ、半導体チップ１及び基板２の予備加熱（例えば、200℃）が開始される。

半導体チップ１及び基板２が所定の予備加熱温度まで上昇すると、半導体チップ１と基板２との位置決め処理が行なわれた上で、図示しない移動装置により半導体チップ１は基板２に向け移動（下動）される。これにより、はんだバンプ４は電極５に近接してゆき、やがてはんだバンプ４と電極５は当接した状態となる。

図１（Ｂ）は、はんだバンプ４と電極５は当接した状態を示している。この当接状態となると、上部加熱ヒータ７及び下部加熱ヒータ９に対する通電量が増加され、これにより半導体チップ１及び基板２に対し予備加熱よりも更に高い温度での加熱（例えば260℃）が実施される。また、上記のようにはんだバンプ４が電極５と当接した後も、移動装置は半導体チップ１を基板２に向け所定の圧力（例えば、１個のはんだバンプに対し１gf）で加圧するよう制御されている。

この状態は、所定時間（例えば、10〜20分）維持される。これにより、はんだバンプ４は溶融して電極５に接合され、半導体チップ１と基板２は電気的に接続される。続いて、冷却処理が実施され、はんだバンプ４の冷却が行なわれる。これにより、はんだバンプ４は固化し、半導体チップ１と基板２は機械的に固定される。続いて、装着ツール６による半導体チップ１の吸着、及びステージ８による基板２の吸着が停止され、これにより半導体チップ１が接合された基板２は、半導体製造装置から取り外される。尚、半導体製造装置から取り外された基板２は、リフロー炉に入れられ本加熱処理が実施される。
特開２０００−３３２０６０号公報（第２−３頁、第２図）

ところで、近年では半導体チップ１の更なる高密度化が進んでおり、これに伴い半導体チップ１の小型化が図られる（例えば、□16ｍｍ×24ｍｍ）と共に、これに設けられるはんだバンプ数は増大している。具体的には、配設されるバンプ数は160000個に至っており、これに伴いバンプ間のバンプピッチが10μｍ〜40μｍと狭ピッチ化している。また、使用されるはんだバンプのサイズについても、直径が5μｍ〜25μｍ、高さが3μｍ〜20μｍと微細化している。

このように、バンプ間ピッチが狭ピッチ化し、これに伴いはんだバンプのサイズが微細化してくると、従来の半導体装置の製造方法（バンプ接合方法）では、接合時にバンプが潰れ、また隣接するバンプ間が接触してしまうという問題点があった。

具体的には、前記したように従来方法では、はんだバンプ４と電極５とが当接した後、加熱しつつ所定の圧力（例えば、１gf/1Bump）で半導体チップ１を基板２に向け加圧することが行なわれている。従来のようにバンプ間ピッチが比較的広ピッチで、バンプサイズも大きい場合には、加熱・加圧処理を実施してもはんだバンプ４が潰れるようなことはなかった。しかしながら、近年のようにバンプ間ピッチが狭ピッチ化しバンプサイズも微細化してくると、上記の加圧力及びツールの熱膨張に耐えることができず、図１（Ｃ）に示すようにはんだバンプ４が潰れ、またこれにより隣接するバンプ間で接触が発生する。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、バンプ接合時にはんだバンプが潰れたり、隣接するはんだバンプ間で接触が発生したりすることを防止しうる半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。

請求項１記載の発明は、
半導体チップに配設されたはんだバンプを基板に形成された電極に接合する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記はんだバンプが前記電極に接触するまでは前記半導体チップを基板に向け移動させ、
前記はんだバンプが前記電極に接触した後は、前記半導体チップと前記電極との離間距離が所定距離を維持するよう、前記半導体チップの移動を調整することを特徴とするものである。

上記発明によれば、はんだバンプが電極に接触した後においては、半導体チップと電極との離間距離は所定距離に維持されるため、はんだバンプに過大な荷重が印加されることはなくなる。よって、半導体チップの高密度化によりはんだバンプが微細化しても、バンプ接合時にはんだバンプが潰れたり、隣接するはんだバンプ間で接触が発生したりすることを防止できる。

また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記はんだバンプが前記電極に接触した後は、前記はんだバンプの接合を行なうために用いるツールが熱膨張した量に対応する寸法だけ、前記半導体チップを前記電極に対して離間するよう移動させることを特徴とするものである。

上記発明によれば、接合時にはんだバンプを溶融するために加熱処理が行なわれ、これによりはんだバンプの接合を行なうために用いるツールが熱膨張しても、このツールの熱膨張量に対応する寸法だけ、半導体チップは電極に対して離間するよう移動されるため、バンプ接合時にはんだバンプが潰れたり、隣接するはんだバンプ間で接触が発生したりすることを防止できる。

また、請求項３記載の発明は、
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体チップを前記電極に対して離間させる移動は、前記はんだバンプに対して加熱を開始した加熱開始時と同時、或は加熱開始時よりも前に開始されることを特徴とするものである。

上記発明によれば、はんだバンプが加熱により軟化した状態では半導体チップの電極に対する離間移動は開始されているため、荷重によりはんだバンプが潰れることを確実に防止することができる。

また、請求項４記載の発明は、
はんだバンプが設けられた半導体チップを装着する装着治具と、前記半導体チップを加熱する加熱ヒータとを有しており、ステージ上に装着された基板に形成された電極に前記はんだバンプを接合する半導体装置の製造装置において、
前記装着治具と前記半導体チップとの間、または前記加熱ヒータと前記装着治具との間に、前記基板に対する前記半導体チップの傾きを補正する傾き補正部材を設けたことを特徴とするものである。

また、請求項５記載の発明は、
はんだバンプが設けられた半導体チップを装着する装着治具と、前記半導体チップを加熱する加熱ヒータとを有しており、ステージ上に装着された基板に形成された電極に前記はんだバンプを接合する半導体装置の製造装置において、
前記ステージの前記基板が装着される側に、前記はんだバンプの接合時に前記基板に対する前記半導体チップの傾きを補正する傾き補正部材を設けたことを特徴とするものである。

上記請求項４乃至５記載の発明によれば、基板に対する半導体チップの傾きを補正する傾き補正部材を設けたことにより、全てのはんだバンプを確実に電極に接合することができ、半導体チップの基板に対する接合信頼性を高めることができる。

本発明によれば、半導体チップの高密度化によりはんだバンプが微細化しても、バンプ接合時にはんだバンプが潰れたり、隣接するはんだバンプ間で接触が発生したりすることを防止できる。また、全てのはんだバンプを確実に電極に接合することができるため、半導体チップの基板に対する接合信頼性を高めることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図２は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を実施するのに用いる半導体製造装置１０Ａを示している。周知のように、半導体装置は多数の工程を経て製造されるが、本実施例は半導体チップ１に設けられたはんだバンプ４を基板２に形成された電極５に接合する方法に特徴を有しており、他の製造工程は周知の工程を用いている。このため以下の説明では、はんだバンプ４を電極５に接合する方法についてのみ図示して説明するものとする。

尚、本実施例で用いるウェハ１に設けられたはんだバンプ４は、バンプサイズが直径5μｍ〜25μｍ、高さが3μｍ〜20μｍと微細化されたものであり、またバンプ間のバンプピッチも10μｍ〜40μｍと狭ピッチ化されたものである。

本発明方法に用いる半導体製造装置１０Ａはフリップチップボンダであり、大略すると移動装置１１，制御装置１３，装着ツール１６，上部加熱ヒータ１７，ステージ１８，及び下部加熱ヒータ１９等により構成されている。移動装置１１は、その下部に装着ツール１６及び上部加熱ヒータ１７が設けられている。

装着ツール１６はエア式の吸着チャックが設けられており、この吸着チャックの吸着作用により半導体チップ１は装着ツール１６に装着（固定）される。この装着ツール１６の上部には、半導体チップ１を加熱する上部加熱ヒータ１７が一体的に設けられている。この一体化した装着ツール１６及び上部加熱ヒータ１７は、移動装置１１により図中矢印Ｚ１，Ｚ２方向に移動可能な構成とされている。

また、装着ツール１６の下方位置には、ステージ１８及び下部加熱ヒータ１９が設けられている。このステージ１８及び下部加熱ヒータ１９は固定されており、本実施例では移動は行なわない構成とされている。ステージ１８はエア式の吸着チャックが設けられており、この吸着チャックの吸着作用により基板２はステージ１８に装着（固定）される。このステージ１８の下部には、基板２を加熱する下部加熱ヒータ１９が一体的に設けられている。

制御装置１３は、移動装置１１及び各加熱ヒータ１７，１９に接続されている。この制御装置１３は、移動装置１１による半導体チップ１の上下移動の制御を行なうと共に、各加熱ヒータ１７，１９の温度制御も行なうものである。

続いて、上記した半導体製造装置１０Ａを用いてはんだバンプ４を電極５に接合する方法について説明する。はんだバンプ４を電極５に接合するには、先ず半導体チップ１を装着ツール１６に装着すると共に、基板２をステージ１８に装着する。

半導体チップ１が装着ツール１６に装着され、基板２がステージ１８に装着された状態では、図３（Ａ）に示すようにはんだバンプ４は電極５から離間した状態となっている。この状態で、上部加熱ヒータ１７及び下部加熱ヒータ１９に予備加熱用の通電が行なわれ、半導体チップ１及び基板２の予備加熱（例えば、200℃）が開始される。

半導体チップ１及び基板２が所定の予備加熱温度まで上昇すると、制御装置１３により移動装置１１は半導体チップ１と基板２との位置決め処理を行なう。この位置決め処理が終了すると、制御装置１３は装着ツール１６及び上部加熱ヒータ１７が下動するよう移動装置１１を駆動制御する。これにより、半導体チップ１は基板２に向け移動（下動）される。これにより、はんだバンプ４は電極５に近接してゆき、やがてはんだバンプ４と電極５は当接した状態となる。

図３（Ｂ）は、はんだバンプ４と電極５は当接した状態を示している。制御装置１３は、はんだバンプ４と電極５は当接したことを図示しないセンサーにより検知しうる構成とされている。このはんだバンプ４と電極５は当接した後の半導体チップ１の移動方法を、図４を参照しつつ以下説明する。

尚、図４において、横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度、右側の縦軸ははんだバンプ４（半導体チップ１）の移動量を示している。また、矢印Ａで示す特性は装着ツール１６及びステージ１８の温度（これは半導体チップ１及び基板２の温度と等価）を示し、矢印Ｂで示す特性は移動装置１１による半導体チップ１のＺ１，Ｚ２方向の移動量を示し、矢印Ｃで示す特性は装着ツール１６のステージ１８に対する高さ（これは、電極５に対する半導体チップ１の高さと等価）を示している。

前記したように、はんだバンプ４と電極５とが当接する前は、半導体チップ１及び基板２は予備加熱がされており、その温度は例えば、200℃とされている（図４に矢印Ｔ１で示す）。これに対し、はんだバンプ４と電極５が当接状態（図４に矢印Ｔ２で示す）となると、上部加熱ヒータ１７及び下部加熱ヒータ１９に対する通電量が増加され、これにより半導体チップ１及び基板２に対し予備加熱よりも更に高い例えば260℃での加熱が実施される（矢印Ａ参照）。これにより、はんだバンプ４は溶融を開始する。

ところで、上記のようにはんだバンプ４と電極５とが当接した後に上部加熱ヒータ１７及び下部加熱ヒータ１９の加熱温度が上昇することにより、各加熱ヒータ１７，１９自体、及び各加熱ヒータ１７，１９と一体的に設けられている装着ツール１６やステージ１８に熱膨張（以下、この熱膨張を当接後熱膨張という）が発生する。

この当接後熱膨張は、はんだバンプ４と電極５との当接位置に対し上部においては、半導体チップ１を図中矢印Ｚ１方向に移動させる力となる。また、上記の当接位置に対し下部においては、基板２を図中矢印Ｚ２方向に移動させる力として作用する。従って、仮に移動装置１１が停止させたとしても、当接後熱膨張により発生する力は、はんだバンプ４を上下から潰す方向に作用し、よってはんだバンプ４は潰れてしまう。

そこで本発明では、はんだバンプ４と電極５とが当接した後、制御装置１３が移動装置１１を制御し、装着ツール１６及び上部加熱ヒータ１７をＺ２方向に、即ち半導体チップ１が電極５に対して離間する方向に移動させる構成とした（図４の矢印Ｂで示す特性を参照）。この際、装着ツール１６及び上部加熱ヒータ１７のＺ２方向への移動量（移動寸法）は、当接後熱膨張量に対応した移動量となるよう設定されている。

この方法を用いることにより、当接後熱膨張が発生しても、この当接後熱膨張に対応する寸法だけ半導体チップ１は電極５に対して離間するため、図４に矢印Ｃで示すように、電極５に対する半導体チップ１の離間位置は一定の位置に維持保持される。よって、本実施例に係る接合方法を用いることにより、半導体チップ１の高密度化によりはんだバンプ４が微細化しても、バンプ接合時にはんだバンプ４が潰れたり、隣接するはんだバンプが接触したりすることを防止できる。

また、図４に示されるように、本実施例では半導体チップ１を電極５に対して離間移動させる開始時期を、はんだバンプ４に対して加熱を開始する加熱開始時Ｔ２と同時となるよう設定している。これにより、はんだバンプ４が加熱により軟化或は溶融した状態では、半導体チップ１の電極５に対する離間移動は開始されているため、はんだバンプ４が潰れることをより確実に防止することができる。尚、半導体チップ１を電極５に対して離間移動させる開始時期は、必ずしもはんだバンプ４に対して加熱を開始する加熱開始時Ｔ２と同時とする必要はなく、加熱開始時Ｔ２よりも前から開始されることとしてもよい。

上記した移動装置１１を制御装置１３により駆動制御することによる半導体チップ１と電極５との離間距離を一定に保つ処理は、所定時間（例えば、10〜20分）維持される。図３（Ｃ）は、半導体チップ１と電極５との離間距離を一定に保っている状態を示している。同図に示すように、この状態においてはんだバンプ４が潰れたり、隣接するはんだバンプが接触したりすることはない。

この所定時間内に、はんだバンプ４は電極５に接合され、半導体チップ１と基板２は電気的に接続される。続いて、冷却処理が実施され、はんだバンプ４の冷却が行なわれる。これにより、はんだバンプ４は固化し、半導体チップ１と基板２は機械的に固定される。続いて、装着ツール１６による半導体チップ１の吸着、及びステージ１８による基板２の吸着が停止され、これにより半導体チップ１が接合された基板２は、半導体製造装置１０Ａから取り外される。尚、半導体製造装置１０Ａから取り外された基板２は、リフロー炉に入れられ本加熱処理が実施される。

続いて、本発明に係る半導体製造装置について説明する。図５乃至図７は、本発明の第１乃至第３実施例である半導体製造装置１０Ｂ〜１０Ｄを示している。この各半導体製造装置１０Ｂ〜１０Ｄは、図２に示した半導体製造装置１０Ａと基本構成は同一である。このため、図１に示した半導体製造装置１０Ａと同一構成については同一符号を付してその説明は省略するものとする。

第１乃至第３実施例である半導体製造装置１０Ｂ〜１０Ｄは、いずれも装着された半導体チップ１の有する傾きを補正する傾き補正部材１５Ａ〜１５Ｃを設けたことを特徴とするものである。この補正部材１５Ａ〜１５Ｃは、例えば樹脂よりなる膜状或はブロック状の部材であり、弾性変形可能な材質が選定されている。従って、補正部材１５Ａ〜１５Ｃは、押圧されることにより弾性変形すると共に、押圧解除されることにより元の形状に弾性復元する。

第１実施例に係る半導体製造装置１０Ｂは、図５に示すように、補正部材１５Ａを装着ツール１６の半導体チップ１が装着される側に設けた構成とされている。また、第２実施例に係る半導体製造装置１０Ｃは、図６に示すように、補正部材１５Ｂを装着ツール１６と上部加熱ヒータ１７との間に設けた構成とされている。更に、第３実施例に係る半導体製造装置１０Ｄは、図７に示すように、補正部材１５Ｃを下部に配設されたステージ１８の基板２が装着される側に設けた構成とされている。

この構成とすることにより、基板５に対する半導体チップ１の傾きを補正することができ、はんだバンプ４と電極５の位置を常に正規な状態（水平に対向する状態）とすることができる。即ち、半導体装置の小型化の要求により、半導体チップ１の薄型化を図るため、その背面１ａを研磨するいわゆるバックグラインドが実施されている。このバックグラインドを実施した後は、半導体チップ１の背面１ａに傾きが発生することがある。

この傾きが発生した半導体チップ１を装着ツール１６に装着すると、背面１ａが装着ツール１６に装着されるため、半導体チップ１のはんだバンプ４が形成された面が基板２に対して傾いた状態となってしまう。そして、この状態ではんだバンプ４を電極５に接合する処理を行なうと、全てのはんだバンプ４が電極５に当接しない状態が発生し、よって半導体チップ１と基板２との接続不良が発生してしまうおそれがある。

しかしながら、第１乃至第３実施例である半導体製造装置１０Ｂ〜１０Ｄのように半導体チップ１の有する傾きを補正する傾き補正部材１５Ａ〜１５Ｃを設けることにより、基板５に対する半導体チップ１の傾きを補正することができ、はんだバンプ４と電極５の位置を常に正規な状態（水平に対向する状態）とすることができる。これにより、全てのはんだバンプ４を確実に電極５に接合することができ、半導体チップ１の基板２に対する接合信頼性を高めることができる。

図１は、従来の一例であるはんだバンプを基板に形成された電極に接合する方法を説明するための図である。 図２は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法に用いる半導体製造装置を示す図である。 図３は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図である。 図４は、加熱ヒータ及び移動装置の制御の一例を説明するための図である。 図５は、本発明の第１実施例である半導体製造装置を示す図である。 図６は、本発明の第２実施例である半導体製造装置を示す図である。 図７は、本発明の第３実施例である半導体製造装置を示す図である。

符号の説明

１ 半導体チップ
２ 基板
４ はんだバンプ
５ 電極
１０Ａ〜１０Ｄ 半導体製造装置
１１ 移動装置
１３ 制御装置
１５Ａ〜１５Ｃ 補正部材
１６ 装着ツール
１７ 上部加熱ヒータ
１８ ステージ
１９ 下部加熱ヒータ

Claims (5)

1. 半導体チップに配設されたはんだバンプを基板に形成された電極に接合する工程を含む半導体装置の製造方法において、
   前記はんだバンプが前記電極に接触するまでは前記半導体チップを基板に向け移動させ、
   前記はんだバンプが前記電極に接触した後は、前記半導体チップと前記電極との離間距離が所定距離を維持するよう、前記半導体チップの移動を調整することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記はんだバンプが前記電極に接触した後は、前記はんだバンプの接合を行なうために用いるツールが熱膨張した量に対応する寸法だけ、前記半導体チップを前記電極に対して離間するよう移動させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体チップを前記電極に対して離間させる移動は、前記はんだバンプに対して加熱を開始した加熱開始時と同時、或は加熱開始時よりも前に開始されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. はんだバンプが設けられた半導体チップを装着する装着治具と、前記半導体チップを加熱する加熱ヒータとを有しており、ステージ上に装着された基板に形成された電極に前記はんだバンプを接合する半導体装置の製造装置において、
   前記装着治具と前記半導体チップとの間または前記加熱ヒータと前記装着治具との間に、前記基板に対する前記半導体チップの傾きを補正する傾き補正部材を設けたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
5. はんだバンプが設けられた半導体チップを装着する装着治具と、前記半導体チップを加熱する加熱ヒータとを有しており、ステージ上に装着された基板に形成された電極に前記はんだバンプを接合する半導体装置の製造装置において、
   前記ステージの前記基板が装着される側に、前記はんだバンプの接合時に前記基板に対する前記半導体チップの傾きを補正する傾き補正部材を設けたことを特徴とする半導体装置の製造装置。
   

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