JP2012216616A - 半導体接合装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】応力を軽減して、薄いシリコンチップを基板にはんだバンプ接続可能な半導体接合装置を提供する。
【解決手段】５０μｍ以下の厚さのシリコンチップ上のコンタクトと、基板上の複数のコンタクトのはんだバンプ接続において、厚さが７５μｍ〜１２５μｍのＰＧＳ(Pyrolytic Graphite Sheet)を接着したツールヘッドを使用して、加熱溶融と、空気の強制対流に基づいた徐熱によって、電気的機械的接合を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体シリコンチップ(Ｓｉ chip)のボンディングに関し、より詳しくは、薄いシリコンチップを基板にボンディングするに際して、微細バンプ（はんだ）の加熱による溶融と、徐熱による固体化とを通じて、コンタクト部分での接続に生じてしまう応力を軽減できるボンディング技術に関する。
近年、電子回路の高度な集積化、３次元にわたる立体的な集積化も進んでいる。立体的な集積化では、シリコン積層(Ｓｉ stacking)を構成する複数のチップ間において、相互接続(interconnection)のバンド幅を増加させる必要性から、細かいＴＳＶ（スルー・シリコン・バイア）の設計が求められている。細かいＴＳＶの作製を実現しようとすると、シリコンチップ自体も薄くする必要に迫られる。
シリコンチップを薄くしていくことは、ＴＳＶの製造の歩留まりを向上させるためには、好ましいことである。一方で、シリコンチップが薄くなってくると、次のようなことを考慮する必要に迫られることになる。
− シリコンチップ自体が変形し易くなるため、残留応力が生じ易い。
− シリコン、内部配線としてのワイヤリング、パッシベーション等、内部を構成している複数の材料の異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）の差異に起因して、温度変化に伴う熱応力が生じて、曲げや歪みが生じ易い。
特に、ボンディングプロセスの間じゅう、薄いシリコンチップには、加熱と徐熱（冷却）という温度変化のサイクルが加わり、これは大きなストレスである。また、シリコンチップと基板とを固定しておくためには圧力も加わっている。すなわち、熱的応力や機械的応力が加わり続けることになるため、その取扱いにはより一層の注意が求められることになる。
特許文献１〜６には、チップ実装方法において、グラファイトなどの高い熱伝導性を有する素材を用いることについて開示されている。
特許文献７〜１２には、ボンディングツールにおいて高い熱伝導性を有するダイアモンド皮膜等を用いることの公知例などが開示されている。
しかし、これらの特許文献の何れにおいても、薄いシリコンチップをボンディングする際に生じる応力を軽減するという、本発明が対象としているような独特の取扱いに着目してはいない。具体的には、特に、取扱っているシリコンチップ等の「薄さ」についてのスケール観が大きく異なっている。
日本国 特許第４１４６８８８号 （国際特許出願ＰＣＴ／ＪＰ２００７／０６７８４１について指定国ＪＰにおける国内段階で特許されたもの、国際段階における国際公開は、ＷＯ２００８／０３５６１４） 日本国 特許第３０９７６４４号 日本国 特開２００７−２９４５２０号公報 日本国 特開２００５−３０３２０９号公報 日本国 特開２００３−２２９４５２号公報 日本国 特開平１１−３４０２８６号公報 日本国 特許第３４１３９４２号 日本国 特許第３２８６４４８号 日本国 特許第３１８０４１９号 日本国 特開２０１０−１８２７８０号公報 日本国 特開２０１０−１２０８１８号公報 日本国 特開２００７−１５０２０４号公報
本発明の目的は、薄いシリコンチップを基板にボンディングするに際して、微細バンプ（はんだ）の加熱による溶融と、徐熱による固体化とを通じて、コンタクト部分での接続に生じてしまう応力を軽減できるボンディングを実現する半導体接合装置を提供することにある。
５０μｍ以下の厚さであるシリコンチップ上にある複数のコンタクトと、基板上にある複数のコンタクトとの間において、シリコンチップまたは基板の何れの複数のコンタクト上にセットされた１００箇所以上の複数のはんだバンプの加熱による溶融と、主としてシリコンチップを取り囲んでいる部分からの空気の強制対流に基づいた徐熱によって、それら溶融されたはんだバンプを固体化させることとによって、シリコンチップと基板との間に１００箇所以上の電気的機械的接合を形成する。このためのツールヘッドとして、シリコンチップに直接的に接触させて、その厚さが７５μｍ〜１２５μｍの範囲である、ＰＧＳ(Pyrolytic
Graphite Sheet)を使用する。
本発明に従えば、薄いシリコンチップを基板にボンディングするに際して、微細バンプ（はんだ）の加熱による溶融と、徐熱による固体化とを通じて、コンタクト部分での接続に生じてしまう応力を軽減できる。
図１は、ボンディングすべき対象物と、本発明が適用されるボンディングツール（ボンダ）の基本構成図である。 図２は、従来のＡＩＮツールヘッドによって薄いチップをボンディングした結果として、シリコンチップの変形によって出来た複数の歪みとその影響を説明する図である。 図３は、本発明の主要な構成を示す図である。 図４は、本発明の主要な構成をボンディングツールのツールヘッドに適用してボンディングをする場合の、熱フローを模式的に示す図である。 図５は、本発明のＰＧＳツールヘッドによって薄いチップをボンディングした結果のテストを説明する図である。 図６は、３０μｍ厚のシリコンチップの接合の結果として、従来型ＡＩＮツールヘッドによる接合の結果を、シリコンチップ表面において示す斜視図である。 図７は、３０μｍ厚のシリコンチップの接合の結果として、本発明によるＰＧＳツールヘッドによる接合の結果を、シリコンチップ表面において示す斜視図である。 図８はＰＧＳツールヘッドの斜視図である。
図１は、ボンディングすべき対象物と、本発明が適用されるボンディングツール（ボンダ）の基本構成図である。
図１（Ａ）のように、ボンディングツール（ボンダ）は、ボンディングすべき対象物をセットして支えておくステージ(stage)と、ステージにセットされた対象物に対して、相対的に熱と圧力とを加えるツールヘッド(tool head)とを有している。ボンディングすべき対象物としては様々なものが可能であるが、本明細書においては以下、ステージにセットされる側の対象物は基板であるものとして扱うことにする。
ボンディングするプロセスの技術的意義は、複数の微細なバンプ（はんだ）を溶融させて、それらが基板(substrate)上の複数の（金属）コンタクト部分との間で固体化させて固着させて、電気的接続かつ機械的接続を確立させることにある。
図１（Ｂ）のように、基板の側の表面上、（場合によっては、シリコンチップの側の表面上であることもある）の金属コンタクト部分の上には、複数の（はんだ）バンプの配列が用意されている。配列を構成する（はんだ）バンプの数は、２次元的な平面にわたって１００個（１０個×１０個）以上にも及んでいる。本発明における実施例では、約２８０００個（≒１６９個×１６９個）にも及ぶものまでが実現されている。
本発明の実施例において説明するものでは、配列されている（はんだ）バンプ同士の間隔（ピッチ）は４０μｍであって、１つの（はんだ）バンプの径は２５μｍであるような、集積度の非常に高いものを実現している。このような状況では、接合する対象となる複数のはんだバンプが、１ｍｍ2（１平方ミリメートル）あたり６２５個以上、２次元な平面にわたって配列されている。
もっとも、（はんだ）バンプ同士の間隔 ＞ （はんだ）バンプの径 でなければならず、さらには、シリコンチップと基板との位置決め精度まで考慮して、（はんだ）バンプが溶融したときに配列中で隣接する（はんだ）バンプと融合してしまうことにならないようにする必要がある。この点、ピッチが必ずしも規則的である必要はない。
このように、（はんだ）バンプの径が５０μｍ以下のように小さくなり、それらの配列を構成する（はんだ）バンプの数が、２次元的な平面にわたって１００個（１０個×１０個）以上という程度にまで密集してくると、（はんだ）バンプの径が７０μｍ以上程度の場合には想いもよらなかった取り扱い上の独特の難しさが生じてくる。
ツールヘッドには、（はんだ）バンプを溶融させるに十分な程度に、内蔵されるパルスヒータなどを通じて、熱が加えられる。すず−銀系の（はんだ）バンプの融点は、その組成にも依るが、大体２３２℃〜２３３℃程度である。このため、２０℃〜３０℃程度のマージンを含めるようにして、ツールヘッドは、２６０℃〜２８０℃程度にまで加熱される。マージンを必要以上に多くとりすぎると、金属間化合物(intermetallic
compound)の状態の形成を促進させてしまうため、注意する必要がある。また、徐熱にも余計なエネルギーを費やすことになる。
（はんだ）バンプを固体化(solidification)させるためには、その熱を除去することが必要となる。自然に冷却されることを待つなど、時間をかけてゆっくりと冷却させた方が、熱的応力や機械的応力を生じにくいという点では好ましいであろう。しかし、ボンディング製造のターンアラウンド時間を考慮に入れて、すなわち歩留まりを考えると効率的ではないため、通常、何らかの強制的な冷却手法が準備される。
ツールヘッド内に冷媒（水などの液体）を循環させる手法も利用されてはいるようである。しかし、小さいシリコンチップの小さい表面積に放熱器のような機構を設けることは難しいであろうし、冷媒の微細な流路を複雑に配管させる必要があろう。さらには、ボンディングツールが全体として大がかりなものになってしまうという点で、好ましいものではない。
そこで、本発明が適用されるところのボンダの冷却は、ツールヘッド内部の空気循環と外部からの冷却空気(cooling
air)の吹き付けで行われる。風量的には外部吹きつけの寄与が大きく、主としてシリコンチップ周囲からの強制対流による徐熱になる。
他にも、熱を除去するための代替技術として、サーマルグリースを注入して熱的カップリングを向上させる手法が考えられるであろう。しかし、ボンディングツールが汚れてしまうため、環境保護の観点からも避けた方が望ましい。
このように、加熱と徐熱という熱のサイクルの存在が、時間的に熱的応力や機械的応力を生んでしまう主要な原因となってくる。
従来技術としてのＡＩＮ（窒化アルミ）ツールヘッドにおいても、温度差を平面的に均一にして低減するために補助的に熱を伝える層が用意されるものはある。
例えば、図１の（Ｃ）のように、高熱伝導性材料(High thermal conductive
material)が用意される。この材料から成る層は、ボンダのツールヘッドに固定されて、シリコンチップに直接的に接触させながらも、繰返して使用されることが望ましいので、弾性のある耐熱接着剤(elastic adhesive)の層として固定されたりする。
ＡＩＮ（窒化アルミ）は、優れた放熱性、シリコンにマッチした膨張率を備え、微細な結晶組織を持ち、強度・靭性にも優れた材料として知られている。そのため、半導体製造装置やその他周辺部品などで、急速加熱、急冷、放熱が要求される用途に用いられることが多いものであって、優れたラップ面、高い面精度を実現できるものも出現している。
市販品のＡＩＮ（窒化アルミ）の一例を示すと、以下のような物性のものがある。
１．熱伝導率： 170〜180W/m・k
２．曲げ強度： 400MPa
３．硬さ： HV1000、HRＡ89
４．熱膨張係数： 5.0×10-6（マイナス６乗）/℃（シリコン:4.2×10-6/℃）
図２は、従来のＡＩＮツールヘッドによって薄いチップをボンディングした結果として、シリコンチップの変形によって出来た複数の歪みとその影響を説明する図である。バンプが固体化(solidification)する経過において、歪み(distortion)が生じてしまっている。
図２の（Ａ）は、歪みの模式図を示す。この模式図は、積層するシリコンチップ厚みが30μmのものであるが、この表面の凹凸の構造は、積層するシリコンチップ厚みが70μm程度から発生してしまうことが確認できており、50μm以下では明確に現れてくることが確認できている。この模式図は、この表面の凹凸の構造を強調して図解したものであり、実施例における図６でも説明する。
また、この凹凸構造はツールヘッドの表面形状によるものではないことが確認できている。このことはチップの（空気）吸着穴がこの形状に反映されてないことから明らかに分かる。凹凸の配列を観察すると、中心から放射状になっており、接合時の熱温度の放射状不均一性から発生したものと考えられる。
やはり、図１（Ａ）に示しているように、外部からの冷却空気(cooling air)の外部吹きつけの寄与が大きく、主としてシリコンチップ周囲からの強制対流による徐熱を積極的に行うと、シリコンチップの外周部から先に温度が下がりバンプ（はんだ）の固体化が始まり進行していくためであろうことが推測できる。
接合時の熱温度の放射状不均一性を生じさせてしまい、時間的にも、空間的（平面での方位）にも、シリコンチップ上の平面的な温度分布は不均一な状態にさせてしまっているためであろうことが推測される。
はんだバンプが、２次元的な平面にわたって１００個（１０個×１０個）以上という程度にまで密集していることとも関係が深いようであり、シリコンチップの中心部の方向へと進んでいき逃げ場を失った歪みが、円周上に現れてくるのではないかと推測できる。実際の冷却空気は、シリコンチップの４つの頂点の部分から（４箇所から）吹き付けられている。
このような歪が見られる（図６でも後述）ようであると、微細バンプが接続される複数のコンタクト部に大きな応力を発させてしまっていることが推測され、クラック等の発生による断線（機械的接続または電気的接続の失敗）が懸念される。
図２の（Ｂ）は、シリコンチップと基板との間が正常に電気的接続した場合を模式的に示す図である。溶融して固体化した後の（はんだ）バンプは、シリコンチップと基板とを電気的に接続するが、同時に、シリコンチップと基板とを機械的に接続して固定していることになる。
図２の（Ｃ）は、シリコンチップと基板との間に電気的接続の不良がある場合を模式的に示す図である。図２の（Ｃ）のように歪み（凹凸の構造）が外部表面から見えてしまうような部分では、その部分またはその周辺において、このような電気的接続の不良が生じている可能性が高い。
電気的接続が正常に成功しているかどうかは、デイジーチェイン(daisy chain)と呼ばれるところの、予め設定しておいた配線パターンにおいて、導通があるかどうかということで（ボンディング後に）テストされる。図２（Ｃ）での導通が確認されるルートは、デイジーチェインの一部としての、予め設定しておいた配線パターンを模式的に示したものである。図２の（Ｂ）では導通あり（ＯＫ）または低抵抗という結果になり、図２の（Ｃ）では導通なし（ＮＧ）または高抵抗という結果になる。
図３は、本発明の主要な構成を示す図である。
本発明においては、シリコンチップの外周部と中心部との温度差（不均一性）を低減するために、補助的に熱を伝える層を用意する。また、チップとの熱的カップリング（熱結合）に優れた材料が望ましいことになる。このため、本発明においては、柔軟で高い熱伝導率を持つＰＧＳ(Pyrolytic Graphite Sheet)を採用する。このＰＧＳを、シリコンチップに直接的に接触させて、ボンディングに使用する。詳細については、本発明の実施例において説明する。
図４は、本発明の主要な構成をボンディングツールのツールヘッドに適用してボンディングをする場合の、熱フローを模式的に示す図である。
ＰＧＳとツールヘッドとは、コンフォーマルな性質であるエラストマである耐熱接着層を介して固定されている。ツールヘッドと基板(substrate)との間には機械的圧力が加えられるため、このエラストマが緩衝材としての役割を果たすことを期待できる。
機械的圧力をどの程度に設定するかということは、熱伝導性にも影響してくる。一般的には、圧力を加えすぎると、熱伝導性は向上する方向に働くが、薄いシリコンチップにとっては機械的応力を多く受けることになる。逆に、圧力をあまり加えないと、熱伝導性はあまり期待できなくなるものの、機械的応力をあまり受けないで済むことになる。
この点、ＰＧＳが、コンフォーマル(conformal)な性質を果たすのであれば、そのなじみ性(conformability)に従って、熱伝導性を期待すると同時に、機械的応力を最小化することができるというバランスにおいて、ボンディングに最適な条件を期待できることになる。
そもそも、ＰＧＳ表面およびシリコンチップ表面の何れも、ミクロレベルでは表面が凸凹しており、これら表面は点接触に近い形（点接触の集まり）でしか接触しておらず、熱的カップリングが好ましいものではない。この点、ＰＧＳのコンフォーマル(conformal)な性質を利用すれば、接触の状態をより向上させることができ、たとえサーマルグリースのようなものが介在しなくても、熱的カップリングが向上することが期待できる。
また、ＰＧＳ自身にもエラストマとしての緩衝材としての性質が期待できるが、耐熱接着層がＰＧＳに加わる圧力を逃がして、ＰＧＳ自身の塑性変形を抑え、ＰＧＳを再利用できるようにすることにも寄与している。
今回用いたものは、１００μｍ厚のＰＧＳシートの表面に１００μｍ厚のシリコン層（耐熱接着層）を持つものである。これをＡＩＮツールヘッドとの接着に用いている。実際にはＰＧＳよりも相対的に熱伝導性が劣るシリコン層は不要ともいえるが、接着のための親和性という点ではシリコン層が存在している方が好ましい。
具体的には、ＰＧＳ(PyrolyticGraphite Sheet)として、次のような市販品を用いている。よって、当業者であれば入手可能であって、本発明の実施例に従って再現・追試することができる。：
Ｐａｎａｓｏｎｉｃ社製 “ＰＧＳ”グラファイトシート Type: ＥＹＧＭ
品番： EYGM131810SS
タイプ： シリコン積層品 片面タイプ
このＰＧＳグラファイトシートの特性としては、以下のように記載されている。
厚さ： 0.10±0.05mm
密度： 1 g/cm3（立方センチメートル）
熱伝導率： 面方向 600〜800W/(m・K)
引っ張り強度： 19.6MPa
線膨張率： 面方向 9.3× 10-7（マイナス７乗） 1/K
線膨張率： 厚さ方向 3.2× 10-5（マイナス５乗） 1/K
耐熱性： 400℃
７５μｍ〜１２５μｍ厚のＰＧＳシートであれば効果的な熱的カップリングが期待できるが、あまりにも薄いものであると、コンフォーマル(conformal)な性質を利用して、効果的な熱的カップリングが期待できなくなることが予想される。５０μｍ厚、２５μｍ厚のＰＧＳシートについては実験していない。
接合実験においては、５０μｍ厚、 ３０μｍ厚のシリコンチップに対して良好な低抵抗接続性を得ることができた。すなわち、少なくとも３０μｍ〜５０μｍ厚の範囲では良好な結果を得ているが、３０μｍ未満の厚さにおいても良好な結果が得られるであろうことが推認される。シリコンチップは７ｍｍ×７ｍｍの正方形である。基板の厚さは７２０μｍである。
はんだバンプとしては、基板側における４０μｍの間隔（ピッチ）の２次元平面に、２５μｍ径の球体として配されたものである。
はんだバンプへの加熱は、ツールヘッドへのパルスヒートを用いており、圧力は５Ｎ（ニュートン）から１０Ｎを加えている。
図５は、本発明のＰＧＳツールヘッドによって薄いチップをボンディングした結果のテストを説明する図である。
電気的接続が正常に成功しているかどうかを、デイジーチェイン(daisy chain)の長さと、その長さに対する抵抗値とを観測してプロットした図にしている。全ての観測されたプロットが、線形なラインに沿って分布しており、図２（Ｂ）の模式図で示したような形で、電気的機械的接続が成功していることが分かる。予め設定しておいた配線パターンとしては、最大１３０００箇所にも及ぶ（はんだ）バンプを介しているデイジーチェインについてもテストされている。
図６は、３０μｍ厚のシリコンチップの接合の結果として、従来型ＡＩＮツールヘッドによる接合の結果を、シリコンチップ表面において示す斜視図である。
図７は、３０μｍ厚のシリコンチップの接合の結果として、本発明によるＰＧＳツールヘッドによる接合の結果を、シリコンチップ表面において示す斜視図である。
図６と図７とを比較すると、図６の従来型ＡＩＮツールヘッドによる接合の結果では、図２で模式的に示した歪み(distortion)が見られる。一方で、図７の本発明によるＰＧＳツールヘッドによる接合の結果では、そのような歪みが見られない。
図８はＰＧＳツールヘッドの斜視図である。図３の構成に対応している。

Claims (8)

  1. ５０μｍ以下の厚さであるシリコンチップ上にある複数のコンタクトと、基板上にある複数のコンタクトとの間において、シリコンチップまたは基板の何れの複数のコンタクト上にセットされた１００箇所以上の複数のはんだバンプの加熱による溶融と、主としてシリコンチップを取り囲んでいる部分からの空気の強制対流に基づいた徐熱によって、それら溶融されたはんだバンプを固体化させることとによって、シリコンチップと基板との間に１００箇所以上の電気的機械的接合を形成するボンディングを実行する、ツールヘッドであって、
    シリコンチップに直接的に接触させて使用され、その厚さが７５μｍ〜１２５μｍの範囲である、ＰＧＳ(Pyrolytic Graphite Sheet)を有する、
    ツールヘッド。
  2. ＰＧＳの厚さが１００μｍである、請求項１に記載のツールヘッド。
  3. ツールヘッドとＰＧＳとの間に、耐熱接着層として、厚さが１００μｍのシリコン層を有する、請求項２に記載のツールヘッド。
  4. 接合する対象となるシリコンチップの厚さが、３０μｍ〜５０μｍの範囲である、請求項１に記載のツールヘッド。
  5. 接合する対象となる複数のはんだバンプが、１ｍｍ2（１平方ミリメートル）あたり６２５個以上、２次元な平面にわたって配列されている、請求項１に記載のツールヘッド。
  6. 請求項１〜５の何れかに記載のツールヘッドと、
    ボンディングすべき対象物をセットして支えておくステージ(stage)とを有しており、
    ステージにセットされた対象物に対して、ツールヘッドが相対的に熱と圧力とを加え、
    主としてシリコンチップを取り囲んでいる部分からの空気の強制対流に基づいた徐熱を行う、
    ボンディングツール（ボンダ）。
  7. 請求項６に記載のボンディングツール（ボンダ）によるボンディングによって電気的機械的接合が形成された、シリコンチップおよび基板。
  8. 請求項６に記載のボンディングツール（ボンダ）によってボンディングされた後に、シリコンチップと基板との間の電気的接続の状態をテストする方法であって、
    予め配線パターンを設定するステップと、
    予め設定しておいた配線パターンにおいて導通があるかどうかをテストするステップとを有する、
    方法。
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