JP2007114107A - 半導体集積センサ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップをウェハレベルで積層して３次元半導体装置を製造する場合、加圧及び加熱を伴う電極接合工程がある。この工程では、ウェハ上の電極を所定の加圧・加熱条件により処理する必要があるが、ウェハ全体の圧力分布を加圧時間の関数として、また温度分布を加熱時間の関数として測定する手段がなく、加熱装置、加圧装置の機械的な動作パラメータの設定が正確に出来なかった。その結果、電極接合処理の歩留まりの低下を招いていた。
【解決手段】半導体ウェハ上にアツリョクセンサとしてピエゾ抵抗素子を集積化し、同時に測温素子を一体的に作りつけることにより、圧力分布及び温度分布を処理時間の関数として測定が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、ウェハレベルでの半導体装置の電極接合技術に関するものであり、特には電極接合工程での加熱・加圧条件を最適化する技術に関するものである。

半導体装置の高性能化のために、半導体装置をウェハレベルで必要な層数分だけ貼り合わせて実装する技術の開発が近年盛んになっている。このウェハレベルでの実装工程では、チップとチップ、チップと配線基板との接続はフリップチップ方式を用いて行われるのが一般的であり、電極どうしを直接加圧・加熱して接続する方法、接合樹脂を介して接続する方法が採られている。また、清浄面の金属間結合力を利用した常温接続方式も開発されている。

このようなフリップチップ接続を利用した実装においては、各々の電極面（貼り合わせ面）の平坦性や電極面間の平行度が重要になり、これらの条件を満足したうえで、さらに加圧条件や加熱条件を最適化する必要がある。このために、貼り合わせ面間の圧力及び温度の測定が必須である。例えば、特許２９６５９８１号公報には圧力を測定して加圧力を一定速度で上昇させ、接続すべき電極間の接触抵抗を測定して加圧力増加限度を定め、加熱開始のタイミングを設定している。また、特開平５−６７６４４号公報（特許文献１）にはボンディングツールの押圧面が被圧接面に平行になるように平行度を出す平行度出し方法が開示されている。同様に、特開平１０−３２１６７４号公報（特許文献２）には、ボンディングツールの平行出しを行うために、感圧抵抗性物質が被覆された２次元の圧力センサアレイを使用する技術が開示されている。さらに、接合するプリント基板と接合すべき部品との平行度を調整するために、ピエゾ抵抗素子や静電型圧力センサアレイを使用する方法が特開平７−１２２８９５号公報（特許文献３）に開示されている。

以上は、実装工程関連において用いられている平行度測定に関する技術であるが、半導体ウェハを研磨して配線層を露出させる工程においても研磨圧の分布の測定と測定値を基にした圧力調整方法が特開平１１−７０４６０号公報（特許文献４）に開示されている。

このような測定方法・測定装置のセンシングの基本は、圧力に伴う変形により変化するセンサの抵抗値や静電容量を電気回路により検出することである。このような圧力センサは接触センサとしても使用されている。例えば、特開２００１−２５５２２１号公報（特許文献５）に、顕微鏡の対物レンズに取りつけた接触センサが開示されている。

センサ自体の構成・製造法・周辺回路構成に関しては、特開平１０−１４２０８６号公報（特許文献６）、特許２８３８０４９号公報（特許文献７）、特開２００２−１１６１０６号公報（特許文献８）に関連技術の開示がなされている。
特開平５−６７６４４号公報 特開平１０−３２１６７４号公報 特開平７−１２２８９５号公報 特開平１１−７０４６０号公報 特開２００１−２５５２２１号公報 特開平１０―１４２０８６号公報 特許２８３８０４９号公報 特開２００２−１１６１０６号公報

積層型半導体装置の製造における貼り合わせ工程においては、加熱温度、加圧力等の制御が必要である。特に微小なバンプによる半導体基板どうしの貼り合わせ工程においては温度や圧力を与える手順（加熱時間に対する温度変化、加圧時間に対する圧力変化を含む）や加える圧力、温度の精度がデバイス製造の歩留まりに大きく影響する。

従来開発されている圧力測定方法を積層型半導体装置のデバイス製造工程での圧力・温度の管理に使用しようとした場合、特許文献１〜３に開示された方法・センサでは、柱状突起が形成されておらず、即ち積層すべきウェハに形成されたバンプに働く圧力を測定する機能を有しないために、正しくマイクロバンプに働く圧力を測定出来ないという問題があった。特許文献４に開示された圧力分布測定方法では、突起に働く力が測定されるが、歪みが単なる圧縮作用によるものであり、圧力検出感度が低かった。また、このセンサの大きさ等の条件に関する記載はない。特許文献５に記載された接触センサはその突起部が半球状であり、ウェハの電極に働く力の測定を行っても、加圧条件を設定するには測定値の精度が不足であった。

即ち、上記特許文献に開示された技術は、平面を有する２つのボンディングツール間の大まかな圧力分布を検出するためには好適なものであるが、微小なマイクロバンプに働く圧力分布を測定する方法としては満足のいく結果をもたらさなかった。結果として、従来の圧力測定装置・方法では、マイクロバンプに働く圧力分布を高精度に測定し得ず、結果として加圧装置、加熱装置を制御するパラメータの設定を適切に行えなかった。

本願発明は、上記課題を解決するためになされたもので、積層型半導体装置の製造工程における貼り合わせ工程、特に微小電極を圧力と熱により接合する工程での貼り合わせ面の温度と圧力分布を正確に測定し、目的加熱のための温度制御、目的加圧のための圧力制御、の各最適条件を見出す方法を提供することを目的としている。

上記問題点のために、ウエハ上に歪抵抗および温度補正抵抗をアレイ状に、プレーナ技術により形成して圧力・温度を同時に計測する圧力センサを作成する。この圧力センサを用いて制御パラメータと圧力・温度の関係を求め、所定の加熱・加圧のために必要な温度制御、圧力制御の各最適条件を見出すものである。

上記課題を解決するための、本願発明の手段は、
複数の圧力センサ及び複数の温度センサを有する、圧力測定装置であって、
前記圧力センサは
撓み部に形成されたピエゾ抵抗素子又は静電容量可変部、及び被測定物に接触する微小な柱状突起を有する圧力測定装置である。

本手段では、被測定ウェハ面と接する部材として柱状突起を用い、この柱状突起が受ける圧力を撓み部に形成されたピエゾ抵抗素子又は静電容量可変部により検出している。このため、実際のウェハに形成されたマイクロバンプに働く圧力分布に近い値を測定できる。

この手段において、前記圧力センサと前記温度センサが一体的に形成されているようにすると、圧力測定点と温度測定点とが同じになり、測定後の処理が容易になる。なお、一体的とは、圧力センサと温度センサがほほ同じ場所に形成されている、という意味である。

また、上記手段において、ピエゾ抵抗素子と所定の抵抗値を有する抵抗体によって組まれたホイートストーンブリッジがさらに圧力センサに集積化されているようにするとピエゾ素子の抵抗値を高精度に測定出来るようになる。特に、ピゾ抵抗素子の温度変化に伴う抵抗値変化を分離する場合に必要な手段となる。

更に、上記手段において柱状突起の形状が半導体装置のフリップチップ接合用のマイクロバンプと同じであるようにすると、マイクロバンプに働く圧力を正確に測定出来るようになる。

更にまた、上記手段において、温度センサが半導体のＰＮ接合を利用したものであるようにすると、集積化が容易であり、圧力センサの形成、温度センサの形成をウェハ上に形成する際に同じ半導体ウェハの加工技術により行える。従って、センサを製造する装置のコスト点、製造するための時間短縮の点から効果のある手段となる。

先の課題を解決するための、更なる他の手段は、
ウェハレベルでの電極接合により積層型半導体装置を製造する工程に使用される加熱・加圧装置の調整方法であって、
請求項１乃至５のいずれかに記載された圧力測定装置とウェハ基板を重ね合わせて該加熱・加圧装置に装着する工程、
予め設定された加圧条件及び加熱条件により圧力測定装置とウェハ基板を加熱及び加圧する工程、
該加熱・加圧工程中に該加圧測定装置より温度データ及び圧力データを得る工程、
得られた温度データ及び圧力データに基づいて前記加圧条件及び加熱条件を修正する工程を有する調整方法である。

先にも記したように、ウェハレベルで電極接合を行う場合、所定の圧力分布を実現する制御、所定の温度分布を実現する制御が重要であるが、本発明の圧力測定装置を用いて制御パラメータと実際の圧力・圧力分布及び実際の温度分布を予め求めれば制御パラメータを適切に設定することが可能になる。

本発明による半導体集積センサは、積層型半導体装置の電極接合工程中の加熱・加圧装置を調整する時に、加圧力、加熱状態をリアルタイムで正確に計測できる。従って、加圧・加熱装置の動作調整用として他に代え難い効果をもたらすものである。

本願発明の圧力測定装置の実施形態として、Ｓｉウエハ上に必要な箇所のみ拡散歪ゲージを形成し、その拡散層の抵抗値が応力によって変化する効果、所謂ピエゾ抵抗素子を用いた圧力測定装置の説明を行う。

図１（ａ），（ｂ）を参照する。図１（ａ）は圧力測定装置の圧力センサ１０の斜視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の一点鎖線ＡＡ’に沿った断面図である。
圧力により変形するセンサ部をなすのは撓み部３０であり、形状は三角形に近い台形状で、台形の底辺部がウェハに一体的に固定されている。この部分は半導体ウェハをエッチングにより薄片化されたものである。この撓み部３０の三角形の頂点付近には測定時の接触端子となる柱状突起２１が形成され、撓み部３０の三角形の底辺付近（固定部付近）にはピエゾ抵抗素子２２（Ｒｓ１）と２３（Ｒｓ２）とが形成されている。これらの要素部材の製造方法であるが、柱状突起２１を形成する方法は、例えばシード電極を形成後に無電解めっき法を用いてビルドアップさせる方法や金属層又は半導体層を形成した後にエッチングにより不要な部分を削る方法がある。ピエゾ抵抗素子２２，２３を形成する方法はＳｉウェハに不純物を拡散させて形成する方法である公知の技術が利用可能である。（例えば特許文献６、特許文献７参照）。本願発明はこのようにピエゾ抵抗素子を基本要素とし、このピエゾ抵抗素子に接触圧測定用の接触端子としての柱状突起が取り付けられている。非測定面に柱状突起２１が接触すると加圧力により撓み部３０が変形し、その変形量に応じてピエゾ抵抗素子２２，２３の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を測定することにより柱状突起２１に働く圧力を求めることが出来る。このように微小な柱状突起を設けることにより、電極接合の加圧工程における貼り合わせ面でマイクロバンプに働く加圧力を確実に測定することが可能になる。

ピエゾ抵抗素子を用いて圧力を測定する場合の注意点として以下の点が挙げられる：半導体に不純物（例えばボロン）を拡散してピエゾ抵抗素子を形成した場合、一般にその出力電圧の変化は数mV〜数10mV程度と小さく、また基準圧力値（圧力無印加時）での出力値（オフセット）や環境温度による温度依存性が有り、印加圧力に対する出力変動の感度（出力感度）特性にばらつきを有する場合がある。そのため、精密な測定においては、それら変動分を補正する必要がある。ここで、本発明におけるデジタル信号処理方式によるセンシング回路構成の一例を図２に示す。図２の圧力センサ抵抗Rs1及びRs２は、例えば、図１に示すように柱状突起２１を頂点としたセンサ抵抗Rs1 ２２及びRs２ ２３である。図２中、リファレンス抵抗２４（Ｒref１）、２５（Ｒref２）は前述の圧力センサ抵抗の近辺に配置すれば良く、また、例えばレーザトリミングが可能な特性補償抵抗であっても良い。尚、ピエゾ抵抗素子の温度補償に関しては、温度特性が正のものと負のものを組み合わせる方法、サーミスタを組み込んだ補正回路が公知であり、利用できる。（例えば、特許文献６〜８参照）。

図１に戻って本願発明の圧力測定装置の説明を続ける。リファレンス抵抗２４、２５は撓み部３０の近傍ではあるが、圧力により変形しない部分に配置されている。センサ抵抗２２，２３とリファレンス抵抗２４，２５はブリッジ回路を形成するように金属配線５１，５２，５３，５４，５５，５６により図２のように結線され、金属配線５３と５６が共通の電源の正極に、金属配線５１と５５は共通電源の負極に接続され、金属電極５４及び５２はＡ／Ｄコンバータに接続されている。ピエゾ抵抗素子２２，２３と金属配線５３，５１とは層間絶縁膜３３の貫通孔を介してそれぞれ接続され、その上には、誘電体の保護膜３５が形成されている。このようにブリッジをピエゾ抵抗素子と共に集積化することにより、各圧力素子の配線抵抗値や検出装置の電源や測定回路の内部抵抗の影響が低減され、高精度な抵抗値の測定が可能になる。また、先にも記したように、半導体基板を用いてピエゾ抵抗素子を形成した場合、半導体の抵抗の温度変化を補償する必要があり、この対応にも好適である。

圧力センサ１０は、図３のように、半導体ウェハ２０上に必要な個数だけアレイ状に形成されている。このようにアレイ状に配置されたセンサに対して、上述のブリッジ回路を組む場合、電源と電圧測定端子への配線はマトリクス配線とし、順次出力センサを切り替えていくことにより、基板上に配線が容易になる。

本願発明の圧力測定装置の温度測定素子は温度によって変化する抵抗体を用いており、図１（a）に示されているように、測温抵抗体２７に金属配線２８により定電流を流し、抵抗体の両端にかかる電圧を測定用金属配線２９より測定している。測定用の抵抗体としては白金抵抗体等の安定した金属抵抗体や半導体基板に不純物を拡散させて形成したＰＮ接合が利用可能である。特に、ＰＮ接合部の抵抗は簡単に半導体加工プロセスにより形成できるのでより好ましいと言える。

次に、信号処理部に関して記す。前述の圧力センサ抵抗Rs１、Rs２の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化することにより、リファレンス抵抗とのブリッジ回路の信号電圧が変化する。この時、前述したように、各抵抗は温度依存性やオフセットがあるため、圧力センサ部からのアナログ信号出力をA／D変換した後、デジタル信号処理部ではそれらを補正するためのデータを入力することにより検出信号を補正し、更にゲイン調整等により検出信号の出力値を最適化する。

また、デジタル信号処理部では、デジタル信号出力Doutの他に、出力信号をD／A変換することによりアナログ信号出力Voutを得ることが可能である。アナログ信号出力は直接的に制御機器を動作させる場合に有利なことがある。

尚、絶対値の計測においては、これらの補償回路が必要となるが、温度、圧力の変動値だけを求める場合、あらかじめ存在するオフセット量を他の測定手段にて補償することで補償回路の組み込みを回避できる。例えば、上記ＴＣウエハと温度抵抗値との相関、加圧力と感圧紙との相関を取ることで簡便に処理できる。 温度測定回路としては、拡散抵抗値を多端子法を用いた電圧出力計測で達成できる。

加圧力の測定については、歪量（ε）と出力電圧（e）には一般に下記の関係を利用できる
e=(1/4)KsEε
ここで、Ｋｓは歪ゲージのゲージ率、Ｅはブリッジ電圧である。ゲージ率を2.00とすると
２e=ε
となり、歪出力と出力電圧との間には、常に2倍の関係を有することがわかる。

これらから出力電圧をモニターすることで歪、つまり加圧力変動を容易に同定することができる。
温度の測定に関しては、一例として、図４にピエゾ抵抗素子の持つ温度特性を利用できる。

また、圧力測定の感度上昇も可能である。ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量は、その撓み量に比例するため、圧力センサを形成する基板の厚さを、図１（ｂ）に示すように、基板裏面よりエッチングを行って、センサ部の基板厚を薄くし、ピエゾ抵抗部を撓み易くすることにより、抵抗値の変化量を大きくし、出力信号の変化量を大きくし、検出感度を上げることも可能である。同様に、図１（a）の様に、基板裏面に到達する貫通溝２６を開け、より撓み易くしても良い。

次に本願発明の圧力測定装置の他の実施例を示す。圧力センサとしては、ピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化を測定するものではなく、静電容量値の変化を測定するものである。

静電容量の変化を利用して圧力センサの構造とその作り方の例を図５に示す。半導体基板４１上に層間絶縁層４２（例えばシリコン酸化層）を形成し、その上に金属パターン化されたパッド４３，４４、さらにシリコン酸化膜などで層間絶縁膜４５を形成する。その後、犠牲層としてレジストを形成し、その上に導電性ポリシリコン４６を配す。この時、前記導電性ポリシリコン４６を電気的に基板上の前記金属パターン４４に接続し、この前記導電性ポリシリコン４６先端部の柱状突起を形成する部分に無電解メッキの際のシードとなる金属層４７を配した後、無電解メッキによりバンプ４８を形成した後、最後に犠牲層を除去することで簡便なダイアフラム構造を持つ静電容量型圧力センサが形成できる。これにより上部から圧力を掛けた場合、導電性ポリシリコン４６と基板上金属電極４３間の静電容量を測定することで、やはりウエハ上での圧力を測定することができる。

更に、本願発明の加熱・加圧装置の調整法を説明する。
図６は本願発明の調整法を適用するに適した加熱・加圧装置である。
テーブル５０５は、２軸回りの回転機構を有する傾き調整機構５０３上に配置され、油圧シリンダ５０１により上下方向に移動させられて被加圧物（５０７，５０９．５１０，５１３）を上部加圧板５３０に押圧する。この加熱加圧装置には傾き調整機構５０３と油圧シリンダ５０１に加える力を制御する加圧制御機構５５０が備わっている。また、この加圧制御機構５５０には加熱装置５１３を制御する機能も備わっている。

この加熱・加圧装置の調整工程を以下に説明する。調整工程は図７（ａ）に示したような５つの工程Ｓ１〜Ｓ５からなる。この工程をフローチャートにより表したものが図７（ｂ）である。本調整工程に入る前段の工程において、ウェハホルダ５０７に保持された積層対象ウェハ５０９とウェハホルダ５０８に保持された本発明の圧力測定装置５１０とが位置合わせされて重ね合わされ、バネを有する仮固定具５２０により仮固定された状態になされる。尚、ここで積層対象ウェハは加工前のウェハであっても、表面に電極がすでに形成されたウェハでも良い。工程Ｓ１では、この重ね合わされて仮固定された圧力測定装置−積層ウェハの積層体を上記説明の加熱・加圧装置に装着する。装着はテーブル５０５に真空吸着により行う。
工程Ｓ２においては、油圧シリンダ５０１を初期設定条件で上昇させ、適切な時点で加熱を始める。この時、圧力測定装置５１０により積層ウェハにかかる面内圧力分布及び面内温度分布をリアルタイムで測定を行う。面内で、所定の最高設定圧力又は最高設定温度が検出されたら更なる加熱・加圧は行わず、設定時間維持する。
工程Ｓ３では、圧力分布、温度分布、圧力の上昇曲線、温度の上昇曲線が規定内に収まっているか、否かの判断を行う。
工程Ｓ４では、工程Ｓ３において判断結果がＮＯの場合には加圧制御機構５５０での傾き機構の制御パラメータ、加熱ヒータの発熱制御パラメータの修正を行う。
そして、再度Ｓ２の工程を実行して、最適制御パラメータを求めるように調整工程のサイクルを回す。
工程５では、圧力分布、温度分布、圧力上昇曲線、温度上昇曲線が所定の規定内に収まれば調整完了とする。

上記のように、本願発明の圧力測定装置は積層型半導体装置の貼り合わせ時に接合すべき電極に働く圧力と温度を加圧・加熱時間の関数として測定することが可能な構成になされている。従って、本願発明の圧力測定装置を用いて加圧時間に対する電極に働く実際の圧力、及び加熱時間に対する電極の温度を測定すれば、その測定結果を基に加圧装置の加圧パラメータ、加熱パラメータの最適化が可能になる。

柱状突起とピエゾ抵抗の斜視図、及び図中Ａ−Ａ’の断面図 本発明におけるデジタル信号処理方式によるセンシング回路構成図 半導体基板に複数個の圧力センサを配置した斜視図 ピエゾ抵抗の温度特性グラフ 本発明における静電容量型センサを示す断面図 本発明の圧力センサを適用するに好適な加圧装置 本発明の加圧装置の調整方法を示すフローチャート

符号の説明

２１，４８ ・・・・・ 柱状突起
２２，２３，３２ ・・・・ ピエゾ抵抗
２４ ・・・・ リファレンス抵抗
２５，３４，３５，４３，４４ ・・・・ 金属配線
２６，３６ ・・・・ 貫通溝
２７ ・・・・ 温度計測用抵抗
２８ ・・・・ 電圧印加用金属配線
２９ ・・・・ 計測用金属配線
３０ ・・・・ 撓み部（基板薄膜化領域）
３１，４１ ・・・・ 半導体基板
３３，４２，４５ ・・・・ 層間絶縁膜
４６ ・・・・ 導電性ポリシリコン膜
４７ ・・・・ メッキシード層

Claims (6)

1. 複数の圧力センサ及び複数の温度センサを有し接触圧を測定する、圧力測定装置であって、
   前記圧力センサは
   撓み部に形成されたピエゾ抵抗素子又は静電容量可変部、及び被測定物に接触する微小な柱状突起を有する
   ことを特徴とする圧力測定装置。
2. 請求項１に記載の圧力測定装置であって、
   前記圧力センサと前記温度センサが一体的に形成されている
   ことを特徴とする圧力測定装置。
3. 請求項１又は２に記載された圧力測定装置であって、
   前記ピエゾ抵抗素子と所定の抵抗値を有する抵抗体によって組まれたホイートストーンブリッジがさらに圧力センサに集積化されている
   ことを特徴とする圧力測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された圧力測定装置であって、
   前記柱状突起の形状が半導体装置のフリップチップ接合用のマイクロバンプと同じであることを特徴とする圧力測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された圧力測定装置であって、
   前記温度センサが半導体のＰＮ接合を利用したものであることを特徴とする圧力測定装置。
6. ウェハレベルでの電極接合により積層型半導体装置を製造する工程に使用される加熱・加圧装置の調整方法であって、
   請求項１乃至５のいずれかに記載された圧力測定装置とウェハ基板を重ね合わせて該加熱・加圧装置に装着する工程、
   予め設定された加圧条件及び加熱条件により圧力測定装置とウェハ基板を加熱及び加圧する工程、
   該加熱・加圧工程中に該加圧測定装置より温度データ及び圧力データを得る工程、
   得られた温度データ及び圧力データに基づいて前記加圧条件及び加熱条件を修正する工程を有する
   ことを特徴とする調整方法。