JP2006054275A - 半導体装置の製造方法および半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バンプを介して半導体チップと実装基板または半導体チップ同士を接続する際、ボンディング工程中にバンプの接触状態および接合状態を検査可能な半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関するものである。
【解決手段】複数のバンプ１１が設けられた半導体チップ１０と複数のバンプ２１が設けられた半導体チップ２０とを、バンプ１１，２１側を対向させて半導体チップ１０と半導体チップ２０とを離間した状態で対向配置した後、半導体チップ１０に向けて半導体チップ２０を押圧することで、対向するバンプ１１，２１を接触させる第１工程と、バンプ１１，２１を接合する第２工程とを有し、全ての工程について半導体チップ２０に係る荷重をモニタリングすることで、バンプ１１，２１の接触状態および接合状態を検査することを特徴とする半導体装置の製造方法および半導体製造装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関するものであり、特に、フリップチップ方式によりバンプを介して半導体チップと実装基板または半導体チップ同士を接続する半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関するものである。

電気製品の小型化、低消費電力化といった要求に応えるため、半導体チップの高集積化技術とともに、これらの半導体チップを高密度に配置する実装技術も展開されてきている。このような実装技術のパッケージ形態としては、複数の半導体チップを共通の実装基板（インターポーザ）に実装したものや、ある半導体チップを別の半導体チップに実装したもの（チップオンチップ型）などがある。

このようなパッケージ形態を採用した半導体装置の実装方式として、フリップチップ方式が知られている。フリップチップ方式では、半導体チップの電極パッド上にバンプを形成し、このバンプを実装基板の電極部または半導体チップの電極部と接合（ボンディング）することで、半導体チップと実装基板または半導体チップ同士を電気的かつ機械的に接続する。このため、フリップチップ方式は、電極取り出し位置の自由度が高い、配線長が最短距離になる、高密度実装が可能である等の利点を有している。

このようなフリップチップ方式によるバンプの接合状態の検査方法として、基板上にバンプを介して半導体チップをボンディングした後、基板の表面に設けられた測定用の電極パッドにプロービングをして抵抗値を測定する方法がある。これにより、接合状態の良否を判定し、接合不良の半導体チップを廃棄する。

また、このような検査を簡易的に行うために、基板上にフェイスダウン実装された半導体チップの表面にレーザ光を照射して、加熱されたチップの輻射熱を赤外線カメラで検出し、チップ上面の温度分布を解析することで、バンプの接合状態の良否を判定する方法も報告されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１６６４２２号公報

そして、上述したようなバンプの接合状態の検査を行う場合には、図８のフローチャートに示すように、基板上に半導体チップをボンディングした後に、バンプの接合状態の検査を行い、接合不良のものを廃棄する。その後、バンプの接合状態に問題のない半導体チップが搭載された基板に対して洗浄工程やアンダーフィルの塗布工程等の次プロセスを行っている。また、ウェハレベルで半導体チップをボンディングする場合には、一般的に、複数の半導体チップをウェハの全面にボンディングした後に、接合状態の良否を判定する検査を行っている。

しかし、基板上に半導体チップをボンディングした後に、バンプの接合状態の検査を行う場合には、半導体チップのバンプ以外の部分が基板に当接していたり、半導体チップに基板の電極部と接合していないバンプがある等、バンプの接合状態に不具合があったとしても、検査工程まではそのまま流れてしまう。このため、例えばウェハレベルで半導体チップをボンディングする場合には、複数のチップをウェハの全面にボンディングした後に、接合状態の良否を判定するため、バンプの高さのばらつきが大きい等の不良の半導体チップが多く含まれている場合には、多量の不良な半導体チップをボンディングすることになる。

上述したような課題を解決するために、本発明における半導体装置の製造方法は、複数の電極部が設けられた第１の基板と第２の基板とを、少なくとも一方の電極部に設けられたバンプを介して積層状態に実装する半導体装置の製造方法であって、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、電極部側を対向させて第１の基板と第２の基板とを離間した状態で対向配置した後、第１の基板と第２の基板とを接近させることで、バンプ同士またはバンプと電極部とを接触させる工程を行う。次に、第２工程では、バンプ同士またはバンプと電極部とを接合する工程を行い、全ての工程について第１の基板または第２の基板に係る荷重をモニタリングすることで、バンプ同士またはバンプと電極部との接触状態および接合状態を検査することを特徴としている。

このような半導体装置の製造方法によれば、第１の基板または第２の基板に係る荷重をモニタリングすることで、ボンディング工程中に、バンプ同士またはバンプと電極部との接触状態および接合状態を検査することから、検査工程とボンディング工程を同一工程で行うことが可能となる。これにより、従来のように、ボンディング工程の後、接合状態の検査工程を行う場合と比較して、ボンディング工程中に、接触状態や接合状態の不良な第１の基板および第２の基板に対して不良となる原因を検出して除く、もしくは第１の基板または第２の基板を製造ラインから排除する等の対処を行うことができる。例えば、第１の基板または第２の基板に、バンプの高さばらつきが大きい不良品が混在している場合には、荷重のモニタリングによりバンプと電極部の接触状態を検査して良否を判定することで、バンプと電極部とを接合する前に、不良品を製造ラインから排除することが可能となる。

また、本発明の半導体製造装置は、複数の電極部が設けられた第１の基板と第２の基板とを、少なくとも一方の電極部に設けられたバンプを介して積層状態に実装する半導体製造装置であって、第１の基板を載置固定するためのボンディングステージと、第２の基板を保持した状態で当該第２の基板の表面を前記ボンディングステージのステージ面に対して押圧自在なボンディングヘッドと、ボンディングヘッドに保持された状態の第２の基板にかかる荷重を検出し、この荷重に基づき、ボンディングヘッドの押圧状態を制御する制御部と、制御部からの情報により、バンプ同士またはバンプと電極部の接触状態または接合状態の良否を判定する検査部とを備えたことを特徴としている。

このような半導体製造装置によれば、ボンディングヘッドに保持された状態の第２の基板にかかる荷重を検出し、この荷重に基づき、ボンディングヘッドの押圧状態を制御する制御部と、制御部からの情報により、バンプ同士またはバンプと電極部との接触状態および接合状態の良否を判定する検査部とを備えていることから、荷重をモニタリングすることで、ボンディング工程中に、バンプ同士またはバンプと電極部との接触状態および接合状態を検査するといった、上述の半導体装置の製造方法が行われる。

以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、ボンディング工程中にバンプの接触状態や接合状態の不良な第１の基板および第２の基板に対して、その不具合に応じた対処を行うことができる。したがって、製造コストの削減および製造時間の短縮化を図ることができ、生産性を向上させることができる。

また、本発明の半導体製造装置によれば、上述した半導体装置の製造方法を実施することが可能である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、チップサイズの異なる大小２つの半導体チップをそれぞれのバンプを介して積層状態に実装するボンディング工程において、荷重のモニタリングによりバンプ同士の接触状態および接合状態の検査工程を行う例について説明する。ここでは、フラックスを使用せずに、バンプ同士が直接接触する例について説明する。

＜予備試験＞
図１（１）に示すように、チップサイズの異なる大小２つの半導体チップ１０、２０を用意する。サイズが大きい方の半導体チップ１０には複数のバンプ１１が形成されており、サイズが小さい方の半導体チップ２０には複数のバンプ２１が形成されている。これらのバンプ１１，２１は加熱して溶融することで接合可能なはんだバンプであることとする。

ここで、半導体チップ１０は、例えばシリコン基板１２をベースに構成されており、その主面（回路形成面）上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１３、窒化シリコンからなる保護膜（パッシベーション膜）１４およびアルミニウムからなる電極パッド１５が形成され、電極パッド１５上にはアンダーバンプメタル１６を介してバンプ１１が形成されている。同様に、半導体チップ２０は、例えばシリコン基板２２をベースに構成されており、その主面（回路形成面）上には、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜２３、窒化シリコンからなる保護膜（パッシベーション膜）２４およびアルミニウムからなる電極パッド２５が形成され、電極パッド２５上にはアンダーバンプメタル２６を介してバンプ２１が形成されている。

上述したような構成の半導体チップ１０、２０の標準品となるサンプル（半導体チップ１０’，２０’）をそれぞれ用意する。そして、実際のボンディングプロセスを行う前に、半導体チップ１０’の複数のバンプ１１’と半導体チップ２０’の複数のバンプ２１’とが全て接触する場合の荷重（接触荷重）を次のように測定する。

まず、半導体チップ１０’の各バンプ１１’の高さＨ₁₁を測定し、式（１）に示すように、平均値（Ｘ₁₁）と標準偏差（σ₁₁）を求める。また、半導体チップ２０’についても、各バンプ２１’の高さＨ₂₁を測定し、式（１）に示すように、平均値（Ｘ₂₁）と標準偏差（σ₂₁）を求める。

次に、図示しないボンディングステージ上に、半導体チップ１０’をバンプ１１’が上面に配置されるように載置固定するとともに、このボンディングステージの上方に配置される図示しないボンディングヘッド（吸着治具）に、半導体チップ２０’をバンプ２１’が下面に配置されるように保持する。これにより、バンプ１１’とバンプ２１’を対向させて、半導体チップ１０’と半導体チップ２０’とを離間させた状態で対向配置する。この際、半導体チップ１０’と半導体チップ２０’の対向面は平行に配置されることとする。続いて、ボンディングヘッドに保持された半導体チップ２０’を水平方向に移動させることで半導体チップ１０’のバンプ１１’と半導体チップ２０’のバンプ２１’の位置合わせを行う。

次いで、図１（２）に示すように、例えばボンディングヘッドの下降動作により、半導体チップ１０’と半導体チップ２０’の対向面の平行状態を維持したまま、半導体チップ１０’側に向けて半導体チップ２０’を押圧する。そして、半導体チップ１０’と半導体チップ２０’を接近させて、バンプ１１’とバンプ２１’とを接触させる。この際、バンプ１１’，２１’はそれぞれある程度の高さばらつきを有しており、複数のバンプ１１’，２１’のうち、最大高さのバンプ１１ａ’，２１ａ’が複数存在する状態で構成されている。そして、最大高さのバンプ１１ａ’，２１ａ’のうちの少なくとも１つは、最大高さのバンプ１１ａ’，２１ａ’同士が対向配置されるように構成されており、このバンプ１１ａ’，２１ａ’同士から接触が開始されることとする。

ここで、各バンプ１１’における最大高さのバンプ１１ａ’の高さと、各バンプ２１’における最大高さのバンプ２１ａ’の高さとの和をＨ₀とし、各バンプ１１’２１’の最大高さのバンプ１１ａ’，２１ａ’同士が最初に接触するとした場合、半導体チップ１０’と半導体チップ２０’との対向面のギャップはＨ₀となる。そして、このギャップを各バンプ１１’、２１’の標準偏差の和（σ₁₁＋σ₂₁）の３倍値の距離まで縮めた場合、すなわちギャップがＨ₀−３（σ₁₁＋σ₂₁）となる場合には、統計学的にほとんど全て（９９．７％）のバンプ１１’とバンプ２１’とが接触すると算出される。

上記に基づき、図１（３）に示すように、最大高さのバンプ１１ａ’とバンプ２１ａ’とが接触したギャップＨ₀から、標準偏差の和（σ₁₁＋σ₂₁）の３倍値の距離まで、半導体チップ２０’を半導体チップ１０’側に押圧する（ギャップ：Ｈ₀−３（σ₁₁＋σ₂₁））。これにより、全てのバンプ１１’とバンプ２１’とが接触するため、この場合の半導体チップ２０’にかかる荷重を接触荷重Ｆ１とする。ここで、後述するように、半導体チップ１０と半導体チップ２０とをボンディングする際には、最大高さのバンプ１１，２１同士以外が最初に接触したとしても、この場合の接触開始時のギャップはＨ₀よりも小さくなることから、接触荷重Ｆ１まで押圧することで、全てのバンプ１１とバンプ２１とが接触すると考えられる。

また、この際、一定の速度でギャップを縮めることとし、ギャップがＨ₀からＨ₀−３（σ₁₁＋σ₂₁）まで達する時間、すなわち、接触開始から接触荷重Ｆ１に達するまでの標準時間ｔ_sを測定しておく。

以上説明したような予備試験は、量産に用いる半導体チップ１０，２０のうちいくつかを摘出して行うこととし、上述した接触荷重Ｆ１および標準時間ｔ_sについては、その平均値をそれぞれ求めておき、実際のボンディング工程および検査工程に用いることとする。

＜ボンディング工程，検査工程＞
次に、本実施形態のボンディング工程および検査工程について図２のフローチャートの順序に従い、図３を用いて説明する。

ここでは、図３（１）に示すチップサイズの異なる大小２つの半導体チップ１０、２０をそれぞれのバンプ１１、２１を介して接合する。このボンディング工程中、全ての工程において、例えば半導体チップ２０にかかる荷重Ｆをモニタリングして、バンプ１１とバンプ２１の接触状態または接合状態を検査する。

［Ｓｔｅｐ１］
まず、上記の予備試験と同様に、図示しないボンディングステージ上に、半導体チップ１０をバンプ１１が上面に配置されるように載置固定するとともに、図示しないボンディングヘッド（吸着治具）に、半導体チップ２０をバンプ２１が下面に配置されるように保持する。これにより、バンプ１１とバンプ２１を対向させて、半導体チップ１０と半導体チップ２０とを離間させた状態で対向配置する。また、この際、半導体チップ１０と半導体チップ２０の対向面は平行に配置されることとする。

［Ｓｔｅｐ２］
続いて、半導体チップ２０を半導体チップ１０に対して水平方向に移動させることで、バンプ２１とバンプ１１の位置合わせを行う。

［Ｓｔｅｐ３］
次に、図３（２）に示すように、例えばボンディングヘッドの下降動作により、半導体チップ１０と半導体チップ２０の対向面の平行状態を維持したまま、半導体チップ２０を半導体チップ１０側に押圧して接近させる。これにより、半導体チップ１０の複数のバンプ１１と半導体チップ２０の複数のバンプ２１との接触が開始される。上述したように、各半導体チップ１０、２０のバンプ１１、２１はある程度の高さばらつきを有するため、各バンプ１１、２１のいくつかが接触を開始する。この際、最大高さのバンプ１１、２１同士が対向配置されている場合には、それらのバンプ１１、２１から接触が開始される。

ここで、半導体チップ２０が保持されたボンディングヘッドには、半導体チップ２０にかかる荷重Ｆを検出する図示しない荷重センサが接続されており、図４（１）に、バンプ１１とバンプ２１との接触が開始された時間を０時間として、半導体チップ２０にかかる荷重Ｆをモニタリングした場合のグラフを示す。このグラフは、横軸に時間、縦軸に半導体チップ２０にかかる荷重Ｆの変化を示している。また、横軸が図４（１）と同じ時間軸で、半導体チップ１０と半導体チップ２０との対向面のギャップ、すなわち、バンプ１１が設けられた半導体チップ１０の面とバンプ２１が設けられた半導体チップ２０の面とのギャップＤの変化を示したグラフを図４（２）に示す。さらに、横軸が図４（１）と同じ時間軸で、処理雰囲気内の温度Ｔの変化を示したグラフを図４（３）に示す。

図４（１）に示すように、接触開始時間ｔ₀をａポイントとすると、この時点から荷重Ｆは増大し始める。また、図４（２）に示すように、この時点におけるギャップＤをＤ₀とした場合、最大高さのバンプ１１、２１同士から接触が開始される場合には、最大高さのバンプ１１、２１の高さの和がＤ₀となる。

［Ｓｔｅｐ４］
上述したように、半導体チップ１０の複数のバンプ１１と半導体チップ２０の複数のバンプ２１との接触が開始された後、図３（３）に示すように、上述した予備試験と同じ速度で、図示しないボンディングヘッドを下降させて、予備試験で算出した接触荷重Ｆ１となるまで、半導体チップ２０を半導体チップ１０側に押圧し、その位置でボンディングヘッドの下降を止める（図４（１）、ｂポイント）。また、接触荷重Ｆ１となった時の時間をｔ₁とする。これにより、半導体チップ１０、２０の全てのバンプ１１、２１は接触した状態となる。この接触状態は、目視で確認してもよい。この際、図４（２）に示すように、この時点におけるギャップＤは、Ｄ₀よりも近接したＤ₁となる。

［Ｔｅｓｔ１］
ここで、第１の検査工程を行う。ここでは、バンプ１１とバンプ２１とが接触開始して接触荷重Ｆ１となるまでの時間ｔ₁と、予備試験で算出した標準時間ｔ_sとを比較する。そして、ｔ₁が標準時間ｔ_sよりも大きい場合、すなわち、標準時間ｔ_s内に接触荷重Ｆ１にならない場合には、バンプ１１またはバンプ２１の高さのばらつきが大きいと判断し、この時点で、半導体チップ１０または２０をＮＧとして製造ラインから排除する。この際、各バンプ１１’，２１’のばらつきが少ないほど、ｔ₁の値は小さくなる。

［Ｓｔｅｐ５］
次いで、標準時間ｔ_s内に接触荷重Ｆ１に達した場合には、荷重Ｆが接触荷重Ｆ１となった時点（ｔ₁）で、加熱を開始する。この際、加熱によりバンプ１１、２１は膨張することから、荷重は一定量増加し、バンプ１１、２１が溶融を開始するまでこの状態が維持される（図４（１），ｃライン）。また、この時点から処理雰囲気内の温度を測定すると、図４（３）に示すように、加熱が開始されることで、処理雰囲気内の温度は上昇し始める。

［Ｓｔｅｐ６］
その後、図４（３）に示す処理雰囲気内の温度Ｔが、バンプ１１、２１の溶融温度Ｔ_mを超過すると、バンプ１１、２１の溶融が開始される（バンプ溶融開始時間：ｔ₂）。この際、図４（１）に示す荷重Ｆは、バンプ１１、２１の溶融が開始された時点（ｔ₂）から低下していき、バンプ１１、２１が完全に溶融すると、溶融により各バンプ１１、２１の反発力がなくなるため、０となる（ｄポイント）。この時点の時間をｔ₃とする。そして、図３（４）に示すように、バンプ１１とバンプ２１とが接合した状態となる。

［Ｔｅｓｔ２］
ここで、第２の検査工程を行う。ここでは、荷重Ｆが０になるかどうかを検査する。そして、０にならない場合には、バンプ１１、２１が溶融していない、またはバンプ１１、２１間にゴミが挟まれている、バンプ１１、２１以外の部分で半導体チップ１０、２０が接触している等の原因が考えられるため、この接合はＮＧと判定し、このＮＧとなった原因に応じて対処する。この際、半導体チップ１０または半導体チップ２０を製造ラインから排除してもよい。

［Ｓｔｅｐ７］
続いて、バンプ１１、２１をより確実に接合させるために、マージンをとってさらにボンディングヘッドを下降させて半導体チップ２０を半導体チップ１０側に押圧し、図４（２）に示すようにギャップＤはさらに近接したＤ₂となる。この時点の時間をｔ₃とすると、図４（１）に示すように、ギャップＤが縮まることにより、荷重Ｆが上昇する（ｅポイント）。なお、ここでは、マージンをとってさらにギャップＤをＤ₁からＤ₂に縮めることで、バンプ１１、２１をより確実に接合させることとしたが、ギャップＤがＤ₁でもバンプ１１、２１が十分に接合していれば、ギャップＤをＤ₂まで縮めなくてもよい。

［Ｓｔｅｐ８］
その後、半導体チップ１０、２０が保持されたボンディングステージおよびボンディングヘッドの加熱を止めることで、図４に示す処理雰囲気内の温度Ｔを溶融温度Ｔ_m以下に低下させ、バンプ１１、２１を接合された状態で固定する。

このような半導体装置の製造方法によれば、半導体チップ２０に係る荷重Ｆをモニタリングすることで、ボンディング工程中に、バンプ１１とバンプ２１との接触状態を検査する第１検査工程と、バンプ１１とバンプ２１との接合状態を検査する第２検査工程を行うことから、ボンディング工程と検査工程を同一工程で行うことが可能となる。これにより、従来のように、ボンディング工程の後、接合状態の検査工程を行う場合と比較して、ボンディング工程中に、接触状態や接合状態の不良な半導体チップ１０および半導体チップ２０に対して不良となる原因を検出して除く、もしくは半導体チップ１０または半導体チップ２０を製造ラインから排除する等の対処を行うことができる。したがって、製造コストの削減および製造時間の短縮化を図ることができ、生産性を向上させることができる。

なお、ここでは、半導体チップ１０のバンプ１１と半導体チップ２０のバンプ２１とを接合する例について説明したが、本発明はこれに限定されず、どちらか一方の半導体チップ、例えば半導体チップ２０のみにバンプ２１が設けられており、半導体チップ１０には電極パッド１５（図１（１）参照）が露出した状態で設けられている場合であっても、本発明は適用可能である。この場合には、予備試験において、バンプ２１’の最大高さのバンプ２１ａ’の高さＨ₀が、半導体チップ１０と半導体チップ２０の対向面のギャップＨ₀となり、バンプ２１の標準偏差σ₂₁の３倍値まで、ギャップを縮めた場合（ギャップ：Ｈ₀−３σ₂₁）の荷重が接触荷重Ｆ１となる。

また、本実施形態では、半導体チップ１０，２０同士をバンプ１１，２１を介して接合することとしたが、どちらかが実装基板（インターポーザ）であってもよい。

＜半導体製造装置＞
図５には、上述したような製造方法を実施する際に用いられる半導体製造装置３０の全体構成を示す。この図に示す半導体製造装置３０は、ボンディングステージ３１、ボンディングヘッド３２、制御部３３および検査部３４を備えている。

このうちボンィングステージ３１は、例えば各半導体チップ１０（前記図３参照）に分割する前のウェハＷを加熱可能に載置固定するためのステージであり、載置されたウェハＷを吸着固定するための吸着源となる真空ポンプ（図示省略）を備えている。そして、ウェハＷが吸着固定されるステージ面下には、ウェハＷを加熱するためのヒータ（図示省略）からなる加熱機構が内蔵されていることとする。

また、ボンディングヘッド３２は、半導体チップ２０を保持するとともに、保持した状態の半導体チップ２０の表面側をボンディングステージ３１のステージ面に対して押圧自在に構成されている。このため、このボンディングヘッド３２には、半導体チップ２０をその裏面側において吸着固定するための吸着源となる真空ポンプ（図示省略）を備えている。また、吸着面の下方（内部）には保持した半導体チップ２０を加熱するためのヒータが内蔵されている。なお、ボンディングヘッド３２の吸着面はボンディングステージ３１のステージ面に対して平行状態となるように対向して設けられることとする。

また、このボンディングヘッド３２は、保持した半導体チップ２０の表面を、ボンディングステージ３１のステージ面に対して押圧自在とするための駆動部３２ａを備えている。この駆動部３２ａはボンディングヘッド３１の吸着面を水平方向（図面上ｘｙ方向）および上下方向（図面上ｚ方向）に移動させる。

また、制御部３３は、例えばボンィングヘッド３２に保持された状態の半導体チップ２０の荷重を測定可能な荷重センサ３３ａと、荷重センサ３３ａにより検出された荷重を処理し、駆動部３２ａによるボンディングヘッド３２の下降位置やボンディングステージ３１およびボンディングヘッド３２の加熱を制御する演算処理部３３ｂとを備えている。

また検査部３４は、制御部３３からの情報を基に半導体チップ１０のバンプ１１と半導体チップ２０のバンプ２１の接触状態および接合状態を検査するものである。そして、検査の結果ＮＧと判定された場合には、この情報を演算処理部３３ｂにフィードバックし、演算処理部３３ｂからの指令により、例えばボンディングヘッド３２に保持された半導体チップ２０を製造ラインから排除するように、動作させてもよい。

次に、このような構成の半導体製造装置３０を用いて上述した製造方法を行う場合の駆動を、図５に基づいて説明する。尚、図３を用いて説明した工程との対応関係を括弧内に示す。

先ず、ここでの図示を省略した半導体素子トレーに、ボンディングヘッド３２を移動させる。そして、バンプ２１が下方に向くようにトレー内に配列された半導体チップ２０をボンディングヘッド３２に吸着保持させる。次いで、ボンディングヘッド３２の駆動により、半導体チップ２０をボンディングステージ３１上に移動させ、ステージ面３１ａ上に載置固定されたウェハＷの半導体チップ１０のバンプ１１に対して半導体チップ２０のバンプ２１を位置合わせする（図３（１））。

続いて、半導体チップ１１に向けて半導体チップ２０を押圧することにより、バンプ１１とバンプ２１とを接触させる（図３（２））。この接触開始時間を０時間として、荷重Ｆのモニタリングを開始する。そして、予め演算処理部３３ｂに入力された接触荷重Ｆ１となるまで押圧するように、ボンディングヘッド３２の駆動部３２ａによる下降を制御する。そして、接触荷重Ｆ１となった後、演算処理部３３ｂからの指令により、ボンディングステージ３１による半導体チップ１０の加熱と、ボンディングヘッド３２による半導体チップ２０の加熱を開始する（図３（３））。

その後、荷重センサ３３ａにより検出された値が０となることを検知して、バンプ１１、２１が溶融したことを確認し、演算処理部３３ｂからの指示により、マージンをとって駆動部３２ａによりボンディングヘッド３２をさらに下降する。この後、加熱を終了することで、バンプ１１、２１を硬化する。

以上の後には、先に述べた工程を繰り返し行うことにより、ウェハＷの各半導体チップ１０部分にそれぞれ半導体チップ２０を実装していく。

以上のような構成の半導体製造装置３０によれば、上述した駆動手順により、先に説明したボンディング工程中に、バンプ１１とバンプ２１の接触状態および接合状態を検査する半導体装置の製造方法を実施することが可能である。

なお、本実施形態では、ボンディング工程中に、半導体チップ２０にかかる荷重Ｆをモニタリングすることで、バンプ１１とバンプ２１の接触状態および接合状態を検査する検査工程を行う例について説明したが、荷重Ｆのモニタリングとともに、半導体チップ１０または半導体チップ２０のプロービングを行い、抵抗値Ｒをモニタリングしてもよい。この場合には、半導体チップ１０または半導体チップ２０には抵抗値Ｒを測定する測定用の電極パッド（図示省略）が設けられることとする。

また、ここでの図示は省略するが、この場合に用いる半導体製造装置には、半導体チップ１０または半導体チップ２０の上記電極パッドに電気的に接触し、抵抗値を継続的に測定する測定用端子が設けられることとし、この測定用端子は、上述した制御部３３の演算処理部３３ｂに接続されることとする。

このような半導体装置の製造方法および半導体製造装置によれば、ボンディング工程において、半導体チップ２０にかかる荷重と、半導体チップ２０または半導体チップ１０に電気的に接触することによる抵抗値Ｒとをモニタリングするため、バンプ１１，２１の接触状態および接合状態を荷重により検査するだけでなく、電気的に検査することが可能であるため、より確実に上記検査を行うことができる。

また、図６に図４（１）を用いて説明した半導体チップ２０にかかる荷重Ｆの変化を示したグラフと同じ時間軸、すなわち、バンプ１１，２１（図３（１）参照）の接触が開始された時間を０時間とし、横軸に時間、縦軸に抵抗値Ｒの変化を示したグラフを示す。この場合には、バンプ１１とバンプ２１との接触開始時間である時間ｔ₀では、最大の抵抗値Ｒ₀を示す。そして、荷重Ｆが接触荷重Ｆ１となる時間ｔ₁では、全てのバンプ１１とバンプ２１が接触するため、抵抗値ＲがＲ₀からＲ₁まで低下する。この後、この時間ｔ₁から加熱が開始されるため、バンプ１１、２１の溶融開始時間ｔ₂となるまで、抵抗値はＲ₁からＲ₂へと緩やかに低下する。そして、バンプ１１、２１が完全溶融する時間ｔ₃では、抵抗値ＲはＲ₂からＲ₃へと顕著に低下し、その後、マージンをとってギャップＤ（図４（２）参照）を狭くする時間ｔ₄ではギャップが小さくなることにより、抵抗値ＲがＲ₃からＲ₄へと僅かに低下する。

このような半導体装置の製造方法および半導体製造装置によれば、荷重Ｆとともに抵抗値Ｒをモニタリングすることで、より確実にバンプ１１とバンプ２１の接触状態および接合状態を確認することが可能となる。

（変形例１）
上述した実施形態では、予備試験において、図１を用いて説明したように、標準品となる半導体チップ１０’のバンプ１１’および半導体チップ２０’のバンプ２１’の高さの標準偏差を求め、統計学的に、全てのバンプが接触する場合の接触荷重Ｆ１を算出した例について説明したが、接触荷重Ｆ１を次のような方法により求めてもよい。

＜予備試験＞
まず、図７（１）に示すように、標準品となる半導体チップ１０’は、複数のバンプ１１’を備えており、例えば最大高さのバンプ１１Ａ’、中程度の高さのバンプ１１Ｂ’、最小高さのバンプ１１Ｃ’を備えていることとする。この半導体チップ１０’を図示しないステージ上にバンプ１１’が上面に配置されるように載置固定する。そして、各バンプ１１Ａ’，１１Ｂ’，１１Ｃ’の高さＨ_A，Ｈ_B，Ｈ_Cをそれぞれ測定する。

次に、図７（２）に示すように、図示しないボンディングヘッドに固定された加圧板４１により、最小高さのバンプ１１Ｃ’以外のバンプ１１Ａ’、１１Ｂ’を、少なくともバンプ１１Ｃ’の高さＨ_Cまでそれぞれ押圧する。この際、図７（３）に示すように、バンプ１１Ａ’、１１Ｂ’の高さを横軸にとり、バンプ１１Ａ’、１１Ｂ’を押圧したときの加圧板４１（前記図７（２）参照）にかかる荷重の変位曲線を収集する。そして、バンプ１１Ａ’を高さＨ_Cまで押圧した場合の加圧板４１にかかる荷重をＦ_A、バンプ１１Ｂ’を高さＨ_Cまで押圧した場合の加圧板４１にかかる荷重をＦ_Bとすると、Ｆ_A＋Ｆ_Bが半導体チップ１０の接触荷重Ｆ１’として算出される。

次に、標準品となる半導体チップ２０’のバンプ２１’についても、例えば最大高さのバンプ２１Ａ’、中程度の高さのバンプ２１Ｂ’、最小高さのバンプ２１Ｃ’を備えていることとして、上記と同様の操作を行い、半導体チップ２０の接触荷重Ｆ１’’を算出する。そして、半導体チップ１０’，２０’をバンプ１１’，２１’を介してボンディングする場合に、最大高さのバンプ１１Ａ’，２１Ａ’同士から接触が開始され、最小高さバンプ１１Ｃ’，２１Ｃ’同士が最後に接触する仮定とした場合の接触荷重Ｆ１は、Ｆ１’＋Ｆ１’’として算出される。これにより、実際のボンディング工程で、半導体チップ１０と半導体チップ２０とをボンディングする際には、最大高さのバンプ１１，２１同士以外が最初に接触したとしても、上記接触荷重Ｆ１まで押圧することで、全てのバンプ１１とバンプ２１とが接触すると考えられる。

本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程図（その１）である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するためのフローチャートである。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程図（その２）である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための荷重の変化を示すグラフ（１）と、ギャップの変化を示すグラフ（２）と、処理雰囲気内の温度変化を示すグラフ（３）である。 本発明の半導体製造装置を示す構成図である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための抵抗値の変化を示すグラフである。 本発明の半導体装置の製造方法にかかる変形例を説明するための構成図（１），（２）と、バンプの高さによる荷重変位曲線を示すグラフ（３）である。 従来の半導体装置の製造方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０，２０…半導体チップ、１１，２１…バンプ、３１…ボンディングステージ、３２…ボンディングヘッド、３３…制御部、３４…検査部、Ｆ１…接触荷重

Claims (11)

1. 複数の電極部が設けられた第１の基板と第２の基板とを、少なくとも一方の基板の電極部に設けられたバンプを介して積層状態に実装する半導体装置の製造方法であって、
   前記電極部側を対向させて前記第１の基板と前記第２の基板とを離間した状態で対向配置した後、前記第１の基板に向けて前記第２の基板を押圧することで、対向する前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部とを接触させる第１工程と、
   前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部とを接合する第２工程とを有し、
   全ての工程について前記第１の基板または前記第２の基板に係る荷重をモニタリングすることで、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部との接触状態および接合状態を検査する
   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、
   前記第１工程の前に、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部の全てが接触する場合の接触荷重を算出し、
   前記第１工程では、前記接触荷重となるまで、前記第１の基板に向けて前記第２の基板を押圧することで、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部とを接触させる
   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、
   前記第１工程において、所定時間内に前記接触荷重に達しない場合には、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部との接触状態が不良と判定する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第２工程では、加熱することで前記バンプを溶融し、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部とを接合する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第３工程では、前記荷重が０になることで前記バンプが溶融していることを検知し、前記荷重が０に達しないときは、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部の接合状態が不良と判定する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項４記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１工程の前に、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部の全てが接触する場合の接触荷重を算出し、
   前記第１工程では、前記接触荷重となるまで、前記第１の基板に向けて前記第２の基板を押圧し、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部とを接触させるとともに、
   前記第２工程では、前記接触荷重に達した後、加熱を開始する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１の基板または前記第２の基板には測定用の電極パッドが設けられており、
   全ての工程について前記電極パッドにプロービングを行い、抵抗値をモニタリングする
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１の基板および前記第２の基板が半導体チップである
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 複数の電極部が設けられた第１の基板と第２の基板とを、少なくとも一方の電極部に設けられたバンプを介して積層状態に実装する半導体製造装置であって、
   前記第１の基板を載置固定するためのボンディングステージと、
   前記第２の基板を保持した状態で当該第２の基板の表面を前記ボンディングステージのステージ面に対して押圧自在なボンディングヘッドと、
   前記ボンディングヘッドに保持された状態の前記第２の基板にかかる荷重を検出し、当該荷重に基づき、前記ボンディングヘッドの押圧状態を制御する制御部と、
   前記制御部からの情報により、前記バンプ同士または前記バンプと前記電極部との接触状態および接合状態の良否を判定する検査部とを備えた
   ことを特徴とする半導体製造装置。
10. 請求項９記載の半導体製造装置において、
    前記ボンディングステージおよび前記ボンディングヘッドには、加熱機構が設けられており、
    前記制御部は、検出された荷重に基づき、前記ボンディングヘッドの押圧状態を制御するとともに、前記ボンディングヘッドと前記ボンディングステージの温度を制御する
    ことを特徴とする半導体製造装置。
11. 請求項９記載の半導体製造装置において
    前記ボンディングステージに保持された状態の前記第１の基板または前記ボンディングヘッドに保持された状態の前記第２の基板に対して、電気的に接触し、抵抗値を測定する測定用端子を備えた
    ことを特徴とする半導体製造装置。
    

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