JP6212011B2 - 半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体製造装置に関する。

半導体装置の小型化、高速化、高機能化等を実現するために、１つのパッケージ内に複数の半導体チップを積層して封止したＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）構造の半導体装置が実用化されている。ＳｉＰ構造の半導体装置においては、半導体チップ間の電気信号を高速に送受信することが求められる。このような場合、半導体チップ間の電気的な接続にはマイクロバンプが用いられる。マイクロバンプは、例えば５〜５０μｍ程度の直径を有し、１０〜１００μｍ程度のピッチで形成される。複数の半導体チップ間をマイクロバンプで接続する場合、下段側の半導体チップの表面に設けられたバンプ電極と、上段側の半導体チップの裏面に設けられたバンプ電極とを位置合わせした後、熱を加えながら上下の半導体チップを圧着してバンプ電極同士を接続する。

半導体チップを多段に接続するために、上段側の半導体チップの表面にもバンプ電極が設けられている場合がある。上下両面にバンプ電極が設けられた半導体チップを用いてバンプ接続工程を実施する場合、バンプ電極を有する半導体チップの表面側を吸着コレットで保持して下段側の半導体チップ上に移動させ、熱と荷重を加えながらバンプ電極同士を接続する。吸着用のコレットとしては、剛体コレットと弾性体コレットとが知られている。剛体コレットでバンプ電極を有するチップ表面を吸着した場合には、凸状のバンプ電極に起因して半導体チップに曲げ応力が発生し、半導体チップにクラック等が生じるおそれがある。弾性体コレットでバンプ電極を有するチップ表面を吸着した場合には、曲げ応力の発生を抑制できる反面、バンプ電極に加える荷重が弾性体コレットにより分散してしまう。これはバンプ電極間の接続性や接続信頼性を低下させる要因となる。

米国特許出願公開第２０１３／００７５８９５号明細書

本発明が解決しようとする課題は、半導体チップに生じるクラック等を抑制しつつ、上下両面にバンプ電極を有する半導体チップのバンプ接続性や接続信頼性を高めることを可能にした半導体製造装置を提供することにある。

実施形態の半導体製造装置は、チップ本体の回路面側の第１のバンプ形成領域に第１のバンプ電極が設けられ、チップ本体の非回路面側の前記第１のバンプ形成領域に対応する第２のバンプ形成領域に第２のバンプ電極が設けられ、第１のバンプ電極および第２のバンプ電極に電気的に接続された貫通電極がチップ本体を貫通するように設けられた半導体チップの回路面側の表面と当接される第１の面と、第１の面とは反対側の第２の面とを有する弾性体コレットと、弾性体コレットの第２の面と接する第１の面を有し、弾性体コレットを保持する剛体コレットホルダとを備え、弾性体コレットに当接された半導体チップを吸着するボンディングヘッドと、第２のバンプ電極に対応するように設けられた被接続電極を有する被接続部品が載置されるステージと、被接続電極に対して第２のバンプ電極を位置合わせしつつ、被接続部品上に半導体チップを移動させるように、ボンディングヘッドとステージとを相対的に移動させ、被接続部品上に移動させた半導体チップに荷重を加える駆動機構とを具備する。弾性体コレットの第２の面および剛体コレットホルダの第１の面の少なくとも一方は、第１のバンプ形成領域および第２のバンプ形成領域の直上に位置する領域に凸部を備える。

第１の実施形態による半導体製造装置およびそれを用いた電極間の接続工程を示す断面図である。 図１に示す半導体製造装置を用いて接続工程が実施される半導体チップの回路面側の表面を示す平面図である。 図１に示す半導体製造装置に用いられる弾性体コレットの半導体チップとの当接面を示す平面図である。 図１に示す半導体製造装置に用いられる剛体コレットホルダの弾性体コレットと接する面側を示す平面図である。 図４に示す剛体コレットホルダのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１に示す半導体製造装置を用いて作製されたチップ積層体を示す断面図である。 第２の実施形態による半導体製造装置およびそれを用いた電極間の接続工程を示す断面図である。 図７に示す半導体製造装置に用いられる弾性体コレットの剛体コレットホルダと接する面側を示す平面図である。 図８に示す弾性体コレットのＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

以下、実施形態の半導体製造装置について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態による半導体製造装置およびそれを用いた電極間の接続工程を示す断面図である。図１に示す半導体製造装置１は、第１の被接続部品を吸着するボンディングヘッド２と、第２の被接続部品が載置されるステージ３とを具備している。ボンディングヘッド２は、第１の被接続部品としての半導体チップ４と当接される吸着コレット５と、吸着コレット５を保持するコレットホルダ６とを備えている。吸着コレット５およびコレットホルダ６は、図示しない貫通孔（吸引孔）を有しており、これら貫通孔を介して吸引することにより半導体チップ４が吸着コレット５に吸着される。

ボンディングヘッド２は、半導体チップ４を吸着コレット５に吸着保持するための吸引機構（図示せず）を有している。さらに、ボンディングヘッド２は、接続工程に応じて半導体チップ４を加熱および冷却する加熱冷却機構（図示せず）を備えている。ボンディングヘッド２、図示しない駆動機構によりＸＹＺθ方向に移動が可能とされている。ステージ３は、第２の被接続部品７を吸着保持する吸着機構（図示せず）と、接続工程に応じて第２の被接続部品７を加熱および冷却する加熱冷却機構（図示せず）とを備えている。ステージ３は、図示しない駆動機構によりＸＹ方向に移動が可能とされている。加熱冷却機構は、ボンディングヘッド２およびステージ３の一方のみに設けてもよい。

図１において、ボンディングヘッド２に吸着される第１の被接続部品は、チップ本体４１の上面（回路面／第１の表面）４１ａ側に設けられた第１のバンプ電極４２と、チップ本体４１を貫通するように設けられ、第１のバンプ電極４２と電気的に接続された貫通電極（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ：ＴＳＶ）４３と、チップ本体４１の下面（非回路面／第２の表面）４１ｂ側に設けられ、貫通電極４３と電気的に接続された第２のバンプ電極４４とを有する第１の半導体チップ４である。ステージ３上に載置される第２の被接続部品は、チップ本体７１の上面（回路面／第１の表面）７１ａ側に設けられた第３のバンプ電極７２を有する第２の半導体チップ７である。第２の被接続部品は半導体チップに限らず、接続電極を有する配線基板等であってもよい。

第１の半導体チップ４の上面４１ａ側には、図２に示すように、複数のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５が設けられている。複数のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５内には、それぞれ第１のバンプ電極４２が配置されている。第１のバンプ電極４２は、第１の半導体チップ４の上面４１ａに対して局所的に設けられた複数のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５内にそれぞれ配置されている。第２のバンプ電極４４は、貫通電極４３を介して第１のバンプ電極４２と接続されている。第１の半導体チップ４の下面４１ｂ側においても、上面４１ａ側のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５と対応する位置にバンプ形成領域が設けられている。半導体チップ４の下面４１ｂにおける複数のバンプ形成領域内には、それぞれ第２のバンプ電極４４が配置されている。第２の半導体チップ７の上面７１ａ側には、第２のバンプ電極４４と対応するように第３のバンプ電極７２が設けられている。

ボンディングヘッド２の吸着コレット５は、第１のバンプ電極４２が設けられた第１の半導体チップ４の上面４１ａに当接される第１の面５１と、第１の面５１とは反対側の第２の面５２とを有する。吸着コレット５は、第１の面（チップ当接面）５１を第１の半導体チップ４の上面４１ａに当接させた状態で、第１の半導体チップ４を吸着保持する。吸着コレット５は、第１のバンプ電極４２に基づく表面の凹凸形状を吸収するように弾性体で形成されている。吸着コレット５は、天然ゴム、合成ゴム、熱硬化性エラストマー等のゴム状弾性体を用いた弾性体コレットである。

弾性体コレット５で第１の半導体チップ４の上面（バンプ形成面）４１ａを吸着保持することによって、荷重を加えた際に第１のバンプ電極４２に基づく凹凸が弾性体コレット５に吸収されるため、第１のバンプ電極４２を支点とする曲げ応力の発生を抑制することができる。弾性体コレット５の第１の面（チップ当接面）５１は、図３に示すように、第１の半導体チップ４と当接されるチップ当接領域Ｃと、第１の半導体チップ４の上面４１ａ側のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５（および下面４１ｂ側のバンプ形成領域）と対応する複数のバンプ当接領域Ｙ１〜Ｙ５とを有している。

ボンディングヘッド２は、弾性体コレット５を保持するコレットホルダ６を備えている。コレットホルダ６は、弾性体コレット５に荷重を良好に伝えることが可能なように剛体で形成されている。コレットホルダ６は、各種鋼材、ステンレス、アルミニウム、チタン等の金属材料やセラミック材料のような剛体材料を用いた剛体コレットホルダである。剛体コレットホルダ６は、弾性体コレット５がはめ込まれる凹部６１を有している。コレットホルダ６の凹部６１内にはめ込まれた弾性体コレット５は、第１の面（チップ当接面）５１とは反対側の第２の面５２が剛体コレットホルダ６と接する。

図１に示す半導体製造装置を用いた第１の半導体チップ４と第２の半導体チップ７との接続工程について説明する。図１（ａ）に示すように、ステージ３上に第２の半導体チップ７を載置する。第２の半導体チップ７は、ステージ３に吸着保持される。ボンディングヘッド２で第１の半導体チップ４を吸着保持する。ボンディングヘッド２に吸着保持された第１の半導体チップ４を、第２のバンプ電極４４を第３のバンプ電極７２に位置合わせしつつ、ステージ３上に載置された第２の半導体チップ７上に移動させる。

図１（ｂ）に示すように、例えばボンディングヘッド２を駆動機構により下降させることによって、第２の半導体チップ７上に移動させた第１の半導体チップ４を、第２のバンプ電極４４を第３のバンプ電極７２に接触させつつ、第２の半導体チップ７上に積層する。バンプ電極４４、７２の接続温度以上の温度に加熱しながら、もしくはバンプ電極４４、７２に超音波を印加しながら、駆動機構で第１の半導体チップ４に荷重を加えて第２の半導体チップ７に圧着する。このような圧着工程によって、第２のバンプ電極４４と第３のバンプ電極７２とを接続してバンプ接続体８を形成する。

バンプ電極４４、７２の形成材料としては、ＳｎにＣｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ等を添加したＳｎ合金からなる半田材料や、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｓｎ等の金属材料が挙げられる。半田材料（Ｐｂフリー半田）の具体例としては、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等が挙げられる。金属材料は単層膜に限らず、Ｃｕ／Ｎｉ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｃｕ／Ａｕ等の複数の金属膜の積層膜であってもよい。さらに、金属材料は上記したような金属を含む合金であってもよい。第２のバンプ電極４４と第３のバンプ電極７２との組合せとしては、半田／半田、金属／半田、半田／金属、金属／金属等が例示される。また、第２のバンプ電極４４と第３のバンプ電極７２の形状に関しては、半球状や柱状等の突起形状同士の組合せや、突起形状とパッドのような平坦形状との組合せが用いられる。

第２のバンプ電極４４および第３のバンプ電極７２の少なくとも一方には、半田材料を用いることが好ましい。ボンディングヘッド２による第１の半導体チップ４の吸着性等を考慮して、第１の半導体チップ４の下面４１ｂ側にＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等の半田材料からなるバンプ電極４４を形成し、第２の半導体チップ７の上面７１ａ側にＣｕ／Ｎｉ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ等の金属材料からなるバンプ電極１４を形成することが好ましい。この場合、半田材料からなるバンプ電極４４は突起形状とし、金属材料からなるバンプ電極７２は平坦形状とすることが好ましい。バンプ電極４４、７２の接続温度とは、バンプ電極４４、７２の少なくとも一方を半田で形成した場合、用いた半田の融点以上の温度である。

第１の半導体チップ４の上面４１ａ側に設けられた第１のバンプ電極４２は、さらに第１の半導体チップ４上に他の半導体チップを積層する際に接続電極として機能するものである。ここでは、第１の半導体チップ４と第２の半導体チップ７との積層時に第２のバンプ電極４４と第３のバンプ電極７２とを接続する場合について述べるが、半導体チップをさらに多段に積層する場合には、バンプ電極４４、７２間を仮固定し、全ての半導体チップを積層した後にリフローまたは熱圧着してバンプ電極間を本接続してもよい。

第１の半導体チップ４を第２の半導体チップ７に圧着する際に、第１の半導体チップ４には弾性体コレット５を介して荷重が付加される。弾性体コレット５の第１の面５１は、第１のバンプ電極４２に食い込んだ状態となっている。このような状態において、弾性体コレット５と剛体コレットホルダ６とがそれぞれ平面で接触していると、第１のバンプ電極４２の形成領域の周囲に荷重が分散してしまう。その結果として、第１のバンプ電極４２と対応した位置（重なる位置）に設けられている第２のバンプ電極４４に対して十分に荷重を加えることができない。これは、バンプ電極４２、７２間の接続不良を招いたり、またバンプ電極４２、７２間の接続信頼性を低下させる要因となる。

実施形態の半導体製造装置１においては、弾性体コレット５と剛体コレットホルダ６との接触面に第１のバンプ電極４２の形成領域、ひいては第２のバンプ電極４４の形成領域に荷重を集中させる凹凸を設けている。第１の実施形態においては、図４および図５に示すように、剛体コレットホルダ６の凹部６１の底面６１ａに、図２に示した第１の半導体チップ４のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５、ひいては図３に示した弾性体コレット５のバンプ当接領域Ｙ１〜Ｙ５に対応する凸部６２Ａ〜６２Ｅを設けている。剛体コレットホルダ６の凸部６２Ａ〜６２Ｅは、半導体チップ４の第１のバンプ電極４２の形成領域（および第２のバンプ電極４４の形成領域）の直上に位置している。

凸部６２Ａ〜６２Ｅを有する剛体コレットホルダ６は、弾性体コレット５の第２の面５２に対して凸部６２Ａ〜６２Ｅの上面のみが接している。このため、剛体コレットホルダ６から凸部６２Ａ〜６２Ｅを介して弾性体コレット５に荷重を局所的に加えることができる。第１の半導体チップ４に加えられた荷重は、凸部６２Ａ〜６２Ｅに対応する弾性体コレット５の各領域、すなわちバンプ当接領域Ｙ１〜Ｙ５を介して、バンプ電極４２、４４の形成領域に集中して付加される。これらによって、第２のバンプ電極４２と第３のバンプ電極７２との接続性を高めることができ、さらにはバンプ電極４２、７２間の接続信頼性を向上させることができる。従って、第１の半導体チップ４と第２の半導体チップ７とを高い信頼性の下で接続したチップ積層体を作製することが可能となる。

剛体コレットホルダ６の凸部６２Ａ〜６２Ｅを介して弾性体コレット５に荷重を加えるにあって、凸部６２Ａ〜６２Ｅの高さは１０μｍ以上１０００μｍ以下とすることが好ましい。凸部６２Ａ〜６２Ｅの高さが１０μｍ未満であると、バンプ電極４２、４４の形成領域に荷重を十分に集中させることができない。凸部６２Ａ〜６２Ｅの高さが１０００μｍを超えると、荷重が伝わる弾性体の距離が長くなりすぎることで、バンプ電極４２、４４の形成領域に加わる荷重が低下する。いずれの場合においても、バンプ電極４２、７２間の接続性や接続信頼性が低下するおそれがある。凸部６２Ａ〜６２Ｅの平面形状は、バンプ電極４２、４４の形成領域と一致させた形状からそれより５ｍｍ程度大きい形状であることが好ましい。凸部６２Ａ〜６２Ｅの平面形状をバンプ電極４２、４４の形成領域よりあまり大きくしすぎると、バンプ電極４２、４４に対する荷重の集中効果が低下する。

実施形態の半導体製造装置１を用いた半導体チップの積層工程は、２つの半導体チップ４、７を積層する場合に限られるものではない。例えば、図６に示すように、半導体チップ４上には第３の半導体チップ４Ａ、さらに第４の半導体チップ４Ｂを積層することができる。半導体チップ４Ａ、４Ｂは、半導体チップ４と同一構造を有している。半導体チップ４上に半導体チップ４Ａ、４Ｂを積層する場合には、図１に示した積層工程を繰り返し実施する。図６に示すように、半導体チップ４と半導体チップ４Ａとは、バンプ電極４２とバンプ電極４４Ａとの接続体８Ａにより電気的および機械的に接続される。さらに、半導体チップ４Ａと半導体チップ４Ｂとは、バンプ電極４２Ａとバンプ電極４４Ｂとの接続体８Ｂにより電気的および機械的に接続される。半導体チップの積層数は任意である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態による半導体製造装置について、図７ないし図９を参照して説明する。図７は第２の実施形態による半導体製造装置およびそれを用いた電極間の接続工程を示す断面図である。図７に示す半導体製造装置２１は、第１の実施形態の凸部６２Ａ〜６２Ｅを有する剛体コレットホルダ６に代えて、凸部を有する弾性体コレット５を具備している。なお、第２の実施形態における第１の実施形態と同一部分については、同一符号を付し、それらの説明を一部省略する場合がある。

第２の実施形態の半導体製造装置２１において、剛体コレットホルダ６は弾性体コレット５がはめ込まれる凹部６１を有している。凹部６１の底面６１ａは平面とされている。一方、弾性体コレット５の第２の面５２には、図８および図９に示すように、図２に示した第１の半導体チップ４のバンプ形成領域Ｘ１〜Ｘ５、ひいては第２の面５１におけるバンプ当接領域Ｙ１〜Ｙ５に対応する凸部５３Ａ〜５３Ｅが設けられている。弾性体コレット５の凸部５３Ａ〜５３Ｅは、半導体チップ４の第１のバンプ電極４２の形成領域（および第２のバンプ電極４４の形成領域）の直上に位置している。

凸部５３Ａ〜５３Ｅを有する弾性体コレット５は、剛体コレットホルダ６の凹部６１の底面６１ａに対して凸部５３Ａ〜５３Ｅの上面のみが接している。このため、剛体コレットホルダ６から凸部５３Ａ〜５３Ｅを介して弾性体コレット５に荷重を局所的に加えることができる。第１の半導体チップ４に加えられた荷重は、凸部５３Ａ〜５３Ｅに対応する弾性体コレット５の各領域、すなわちバンプ当接領域Ｙ１〜Ｙ５を介して、バンプ電極４２、４４の形成領域に集中して付加される。これらによって、第２のバンプ電極４２と第３のバンプ電極７２との接続性を高めることができ、さらにはバンプ電極４２、７２間の接続信頼性を向上させることができる。従って、第１の半導体チップ４と第２の半導体チップ７とを高い信頼性の下で接続したチップ積層体を作製することが可能となる。

このように、バンプ電極４２、４４の形成領域に荷重を集中させる凹凸は、弾性体コレット５の剛体コレットホルダ６と接する面５２および剛体コレットホルダ６の弾性体コレット５と接する面６１ａのいずれに形成してもよい。また場合によっては、弾性体コレット５および剛体コレットホルダ６の両方に凹凸を設けてもよい。ただし、荷重を集中させる凸部を形成する際の加工のしやすさや加工コスト、また消耗品である弾性体コレット５の交換頻度等を考慮すると、剛体コレットホルダ６の弾性体コレット５と接する面６１ａに凸部６２Ａ〜６２Ｅを形成することが好ましい。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…半導体製造装置、２…ボンディングヘッド、３…ステージ、４，７…半導体チップ、４１…チップ本体、４２，４４，７２…バンプ電極、４３…貫通電極、５…弾性体コレット、５３…凸部、６…剛体コレットホルダ、６１…凹部、６２…凸部、８…バンプ接続体。

Claims (5)

1. チップ本体の回路面側の第１のバンプ形成領域に第１のバンプ電極が設けられ、前記チップ本体の非回路面側の前記第１のバンプ形成領域に対応する第２のバンプ形成領域に第２のバンプ電極が設けられ、前記第１のバンプ電極および前記第２のバンプ電極に電気的に接続された貫通電極が前記チップ本体を貫通するように設けられた半導体チップの前記回路面側の表面と当接される第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面とを有する弾性体コレットと、前記弾性体コレットの前記第２の面と接する第１の面を有し、前記弾性体コレットを保持する剛体コレットホルダとを備え、前記弾性体コレットに当接された前記半導体チップを吸着するボンディングヘッドと、
   前記第２のバンプ電極に対応するように設けられた被接続電極を有する被接続部品が載置されるステージと、
   前記被接続電極に対して前記第２のバンプ電極を位置合わせしつつ、前記被接続部品上に前記半導体チップを移動させるように、前記ボンディングヘッドと前記ステージとを相対的に移動させ、前記被接続部品上に移動させた前記半導体チップに荷重を加える駆動機構とを具備し、
   前記弾性体コレットの前記第２の面および前記剛体コレットホルダの前記第１の面の少なくとも一方は、前記第１のバンプ形成領域および前記第２のバンプ形成領域の直上に位置する領域に凸部を備える、半導体製造装置。
2. 前記剛体コレットホルダは、前記弾性体コレットがはめ込まれる凹部を有し、
   前記凹部の底面に前記凸部が設けられており、前記凸部の上面が前記弾性体コレットの前記第２の面と接する、請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記弾性体コレットの前記第２の面に前記凸部が設けられており、前記凸部の上面が前記剛体コレットホルダの前記第１の面と接触する、請求項１に記載の半導体製造装置。
4. 前記凸部は１０μｍ以上１０００μｍ以下の高さを有する、請求項２または請求項３に記載の半導体製造装置。
5. 前記半導体チップは、前記第１のバンプ電極と前記第２のバンプ電極と前記貫通電極とを有する第１の半導体チップであり、
   前記被接続部品は、前記被接続電極として第３のバンプ電極を有する第２の半導体チップである、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体製造装置。

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