JP2015072236A - 半導体デバイス製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体チップのボンディングと導通検査とを短時間で行う半導体デバイス製造装置を提供する。
【解決手段】半導体デバイス製造装置は、加熱部が設けられたボンディングヘッド１１と、ボンディングヘッド１１を駆動するヘッド駆動部１２と、ボンディングヘッド１１に取り付けられて半導体チップを吸着するアタッチメントと、アタッチメントから突出して半導体チップの電極に接触するプローブ１３と、制御部１０とを有する。制御部１０は、加熱部及びヘッド駆動部１２を制御して半導体チップを他の半導体チップに接合し、プローブ１３を介して半導体チップにテスト信号を供給して導通検査を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造装置に関する。

近年、半導体デバイスのより一層の高集積化にともない、半導体チップの電極と回路基板の電極との間をはんだにより直接接続するフリップチップ接続が使用されるようになった。

また、半導体チップの実装密度のより一層の向上を図るために、複数の半導体チップを積層し、半導体チップ間をＴＳＶ（Through Silicon Via）を介して電気的に接続する三次元実装技術も開発されている。

三次元実装技術で用いられるフリップチップボンディングでは、半導体チップを積層する方法として、フリップチップボンダを使用して回路基板の上にＴＳＶが設けられた半導体チップを１個ずつ積層していく方法が主に検討されている。

特開２０１０−２１９３３４号公報 特開平１１−１０２９４５号公報

半導体チップのボンディングと導通検査とを短時間で行う半導体デバイス製造装置を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、加熱部が設けられたボンディングヘッドと、前記ボンディングヘッドを駆動するヘッド駆動部と、前記ボンディングヘッドに取り付けられて半導体チップを吸着するアタッチメントと、前記アタッチメントから突出して前記半導体チップの電極に接触するプローブと、前記加熱部及び前記ヘッド駆動部を制御して前記半導体チップを他の半導体チップの上に接合し、前記プローブを介して前記半導体チップにテスト信号を供給して導通検査を行う制御部とを有する半導体デバイス製造装置が提供される。

上記一観点に係る半導体デバイス製造装置によれば、１つの装置で半導体チップの接合と導通検査とを行うので、製造及び検査に要する時間が短縮される。これにより、半導体デバイスの製造コストが低減されるという効果を奏する。

また、実施形態で開示した方法においては、半導体チップの接続中に導通検査できるので、時間短縮によるコスト減だけでなく、複数の半導体チップを積層する場合、いち早く不良判定ができ、接続不良チップの上に良品チップを積層することがなくなる。その結果、半導体チップの効率的使用が可能となり、製造コストが低減される。

図１は、第１の実施形態に係る半導体デバイス製造装置の構成を示すブロック図である。 図２は、同じくその半導体デバイス製造装置のボンディングヘッド及びその近傍の状態を示す模式的断面図である。 図３は、半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 図４は、半導体デバイスの製造方法をステップ毎に示す模式図（その１）である。 図５は、半導体デバイスの製造方法をステップ毎に示す模式図（その２）である。 図６は、半導体デバイスの製造方法をステップ毎に示す模式図（その３）である。 図７（ａ），（ｂ）は、ボンディングヘッド及びその近傍の状態を示す模式断面図である。 図８は、接触子としてコイルばねを用いたプローブの例を示す模式図である。 図９は、図８のプローブがアタッチメントに固定された状態を示す模式断面図である。 図１０は、第２の実施形態に係る半導体デバイス製造装置のボンディングヘッド及びその近傍の状態を示す模式図である。 図１１は、同じくその半導体デバイス製造装置のプローブを示す模式図である。 図１２は、冷却部内を通流する冷却媒体を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、三次元実装技術では、フリップチップボンダを使用して回路基板の上に半導体チップを１個ずつ積層していく、フリップチップボンディングの手法が開発されている。この半導体チップの積層工程では、位置ずれや半導体チップの反りなどの原因により接続不良が発生するおそれがある。そこで、半導体チップの積層工程が完了した後、検査装置を使用して導通検査を行い、接続状態の良否を判定している。

この導通検査で不良と判定された半導体デバイスでは、積層した全ての半導体チップが無駄となってしまう。積層する半導体チップの数が多くなるほど不良が発生する確率は高くなり、製造コストが急激に上昇する。

このような問題を回避するために、半導体チップを積層するたびに導通検査を行い、不良が検出された半導体デバイスでは、その後の積層工程を中止することが考えられる。しかし、その場合は製造途中の半導体デバイスをボンディング装置と検査装置との間に頻繁に移動させることになり、製造に要する時間が著しく長くなって製造コストが上昇するという新たな問題が発生する。

以下の実施形態では、半導体チップのボンディングと導通検査とを短時間で行う半導体デバイス製造装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体デバイス製造装置の構成を示すブロック図である。また、図２は、同じくその半導体デバイス製造装置のボンディングヘッド及びその近傍の状態を示す模式的断面図である。

本実施形態に係る半導体デバイス製造装置は、図１に示すように、制御部１０、ボンディングヘッド１１、ヘッド駆動部１２、プローブ１３、プローブ駆動部１４、フリッパ１５、フリッパ駆動部１６、スライダ１７、スライダ駆動部１８、ピッカ１９、ピッカ駆動部２０、真空吸着制御機構２１及び加熱制御機構２２を有する。

図２に示すように、ボンディングヘッド１１の下側には、ヒータ（図示せず）が内蔵された加熱部３１が配置されている。加熱部３１には、ボンディングヘッド１１の下側に開口する吸着穴３２が設けられている。この吸着穴３２は真空吸着制御機構２１を介して真空ポンプ（図示せず）に接続される。

ボンディングヘッド１１の下には、アタッチメント３３が取り付けられる。このアタッチメント３３は、例えばセラミックにより形成されている。アタッチメント３３にはボンディングヘッド１１の吸着穴３２に接続する吸着穴３３ａ，３３ｂが設けられており、これらの吸着穴３３ａ，３３ｂを介してアタッチメント３３の下に半導体チップを吸着するようになっている。

また、アタッチメント３３の内部には、プローブ１３が配置される空間が設けられている。本実施形態では、プローブ１３として、図２に示すように板ばね状の部材の先端に針状の接触子が設けられた構造を有するカンチレバー型プローブを使用する。プローブ１３は例えばタングステン又はタングステン合金により形成されており、プローブ駆動部１４により駆動されてプローブ１３の長手方向（横方向）及び上下方向に移動する。

使用されるプローブの材質に関しては、上記の材質の他に、例えばレニウム・タングステン（ＲｅＷ）、ベリリウム・カッパー（ＢｅＣｕ）、及びパラジウム（Ｐｄ）合金等がある。

ここで、アタッチメント３３に設けられた吸着穴３３ａは後述する検査工程においてプローブ１３の先端が配置される吸着穴であり、吸着穴３３ｂはプローブ１３の先端が配置されない吸着穴である。アタッチメント３３は半導体チップに応じて複数種類用意されており、積層する半導体チップに対応するアタッチメント３３がボンディングヘッド１１に取り付けられる。

制御部１０は、ヘッド駆動部１２を介してボンディングヘッド１１の位置を制御したり、ボンディング時にボンディングヘッド１１を介して半導体チップに印加される圧力を制御したりする。また、制御部１０は、プローブ駆動部１４を介してプローブ１３を半導体チップの電極に接触させて、導通検査を行う。更に、制御部１０は、プリッパ駆動部１６、スライダ駆動部１８及びピッカ駆動部２０を介してフリッパ１５、スライダ１７及びピッカ１９を駆動する。

更にまた、制御部１０は、真空吸着制御機構２１を介して半導体チップの吸着・脱着を制御する。更にまた、制御部１０は、加熱制御機構２２を介してボンディングヘッド１１の加熱部３１に設けられたヒータや、半導体チップが載置されるステージに設けられたヒータを駆動制御する。

図３は、上述の半導体デバイス製造装置を使用した半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。また、図４〜図６は、同じくその半導体デバイスの製造方法をステップ毎に示す模式図である。更に、図７（ａ），（ｂ）はボンディングヘッド及びその近傍の状態を示す図である。ここでは、ステージ上に載置された半導体チップ４０ａの上に別の半導体チップ４０ｂを積層する場合について説明している。

まず、ステップＳ１１において、図４（ａ）に示すように、ボンディングヘッド１１の下側にアタッチメント３３が取り付けられる。その後、ステップＳ１２において、図４（ｂ）に示すように、制御部１０はプローブ駆動部１４を制御してプローブ１３をその長手方向に移動し、プローブ１３をアタッチメント３３内に挿入する。

図７（ａ）は、ボンディングヘッド１１の下側に取り付けたアタッチメント３３内にプローブ１３を挿入した状態を示している。なお、図４（ｂ）では２方向からアタッチメント３３の側部にプローブ１３を挿入しているが、４方向からアタッチメント３３の側部にプローブ１３を挿入することにより、より多くのプローブ１３を使用した導通検査を行うことができる。

次に、ステップＳ１３において、図４（ｃ）に示すように、制御部１０は、フリッパ駆動部１６を制御して、ウェハシート４１（又はトレイ）から半導体チップ４０ｂをピックアップする。

次に、ステップＳ１４において、図４（ｄ）に示すように、制御部１０は、フリッパ駆動部１６を制御してフリッパ１５を反転させ、フリッパ１５の上側に半導体チップ４０ｂが配置された状態とする。そして、制御部１０は、ピッカ駆動部２０を制御してピッカ１９の下に半導体チップ４０ｂを吸着することにより、半導体チップ４０ｂをフリッパ１５からピッカ１９に移動させる。

次に、ステップＳ１５において、制御部１０はピッカ駆動部２０及びスライダ駆動部１８を制御して、図５（ａ）に示すように、半導体チップ４０ｂをピッカ１９からスライダ１７に移動させる。そして、ステップＳ１６において、図５（ｂ）に示すように、制御部１０は、スライダ駆動部１８を制御してスライダ１７を移動し、半導体チップ４０ｂをボンディングヘッド１１の下方に配置する。

次に、ステップＳ１７において、図５（ｃ）に示すように、制御部１０はスライダ駆動部１８を制御してスライダ１７を移動し、例えばカメラを使用して、プローブ１３の接触子と半導体チップ４０ｂの表面の電極との位置合わせを行う。その後、ステップＳ１８において、制御部１０は、真空吸着制御機構２１を制御して、アタッチメント３３に半導体チップ４０ｂを吸着する。

次に、ステップＳ１９において、図５（ｄ）に示すように、制御部１０は、ヘッド駆動部１２を制御して、半導体チップ４０ａの上までボンディングヘッド１１を移動し、半導体チップ４０ａと半導体チップ４０ｂとの位置合わせを行う。

次に、ステップＳ２０において、制御部１０は、図６（ａ）に示すようにヘッド駆動部１２を制御してボンディングヘッド１１を下降し、半導体チップ４０ａと半導体チップ４０ｂの電極上に付着しているはんだを接触させる。その後、制御部１０は、加熱制御機構２２を介してボンディングヘッド１１の加熱部２１及び半導体チップ４０ａを載置したステージに内蔵されたヒータに通電して半導体チップ４０ａ，４０ｂを加熱する。これにより各半導体チップ４０ａ，４０ｂの電極上のはんだを溶融した後、接合したまま窒素ガス等を吹き付けるなどの方法ではんだの凝固温度以下まで冷却する。これにより、半導体チップ４０ａ，４０ｂの電極が相互に電気的且つ機械的に接続（はんだ付け）される。

次に、ステップＳ２１に移行し、制御部１０は、図７（ｂ）に示すように、プローブ駆動部１４を制御してプローブ１３を下側に移動し、プローブ１３の先端を半導体チップ４０ｂの電極４３ｂに接触させる。

なお、図７（ｂ）において、符号４２ａは半導体チップ４０ａの配線層に設けられた配線を模式的に示し、符号４２ｂは半導体チップ４０ａの上側に設けられた電極を模式的に示している。また、符号４３ａは半導体チップ４０ｂの下側に設けられた電極を模式的に示しており、符号４３ｂは半導体チップ４０ｂの上側に設けられた電極を模式的に示している。更に、符号４４は半導体チップ４０ａに設けられたＴＳＶを示しており、符号４５は電極４２ｂ，４３ａ間を接続するはんだを示している。

その後、制御部１０は、プローブ１３を介して半導体チップ４０ｂの電極４３ｂにテスト信号を供給し、導通検査を実施する。

次に、ステップＳ２２に移行し、図６（ｂ）のように制御部１０は真空吸着制御機構２１を制御して半導体チップ４０ｂの吸着を停止した後、ヘッド駆動部１２を制御してボンディングヘッド１１を上昇させる。

次に、ステップＳ２３に移行し、導通検査の結果が良か否かを判定する。ステップＳ２３で不良と判定された場合（ＮＯの場合）、不良と判定された半導体デバイスについては、以降の積層処理を中止し、それ以降の段の積層を行わない。そのため、ステップＳ２３からステップＳ２５に移行する。

一方、ステップＳ２３で良と判定された場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４において、制御部１０は、次の段の積層の有無、すなわち所定数の積層が終了したか否かを判定する。ここで、制御部１０が所定数の積層が終了していないと判定した場合（ＮＯの場合）はステップＳ１３に戻り、上述した処理を繰り返して半導体チップ４０ｂの上に他の半導体チップを積層する。

ステップＳ２４で制御部１０が所定数の積層が終了したと判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２５では、規定数の半導体デバイスの製造が終了しているかを判定する。ここで、規定数に達していないと制御部１０が判定した場合（ＮＯの場合）は、次の半導体デバイスの製造を開始するためにステップＳ１３に戻り、フリッパ１５で次の半導体チップをピックアップし、ステップＳ１４からステップＳ２４までの各ステップを繰り返す。

ステップＳ２５で規定数の半導体デバイスの製造が完了したと制御部１０が判定した場合（ＹＥＳの場合）は、ステップＳ２６に移行し、図６（ｃ）に示すように、制御部１０はプローブ駆動部１４を制御して、アタッチメント３３からプローブ１３を取り出す。

次いで、ステップＳ２７において、図６（ｄ）に示すように、ボンディングヘッド１１からアタッチメント３３が取り外される。

ステージ上に並べた複数の半導体チップに対して、積層するチップが全て一つのアタッチメントに対応している場合は、上記プロセスのように一つの半導体デバイスにおける所定数のチップを全て積層し、次の半導体デバイスの積層を開始する。または、ステージ上の全ての半導体デバイスの１段目のチップを積層した後、２段目、３段目と同様に積層し、所定数に達するまで積層していく。

それに対して積層するチップが異なり、対応するアタッチメントが違う場合、例えば１段目と２段目で異なるアタッチメントを使用する必要がある場合は、ステージ上の全てのチップに１段目のチップを積層した後、一度ボンディングを終了し、アタッチメントを交換した後に２段目のボンディングを再開する。一つのチップに対して、アタッチメントの交換をしながら所定数の積層を完了させ、次のチップの積層を行うという方法もある。

このようにして、ボンディングを繰り返すことで、複数の半導体チップが積層された半導体デバイスの製造が完了する。

完成した半導体デバイスはモールドで固定するなどの加工を施した後、回路基板に実装される。

本実施形態では、上述したようにボンディングヘッド１１に取り付けられたアタッチメント３３内にプローブ１３を挿入し、半導体チップ４０ｂを積層するたびに導通検査を実施する。そして、導通検査で不良と判定された半導体デバイスについては、その後の工程を実施しない。このため、半導体チップを無駄に消費することがなく、所定数の半導体チップの積層が完了してから導通検査を実施する方法に比べて、製造コストを低減することができる。

また、本実施形態では、半導体チップをボンディングした装置で導通検査を実施するので、製造途中の半導体デバイスをボンディング装置と検査装置との間に何度も移動させる必要はない。このため、製造及び検査に要する時間が短縮されるという利点がある。

（変形例）
上述の第１の実施形態では、半導体チップ４０ｂを半導体チップ４０ａ上にボンディングした後、窒素ガス等を吹き付けて冷却することにより、半導体チップ４０ａの温度がある程度低下してから導通検査を実施している。これは、高温環境で導通検査を行うとプローブ１３の接触子が急激に劣化して検査の信頼性が低下することを防止するとともに、半導体チップ４０ｂの電極表面にダメージを与えることを防止するためである。

そのようなおそれがない場合は、図８に示すように、接触子４６ａとしてコイルばねを用いたプローブ４６を使用してもよい。この場合、接触子４６ａ自体が弾力性を有するため、図９に示すようにプローブ４６の先端を除く部分がアタッチメント３３に固定されていてもよい。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る半導体デバイス製造装置のボンディングヘッド及びその近傍を示す模式図である。なお、図１０において、図２と同一物には同一符号を付している。

図１０に示すように、ボンディングヘッド１１の上部には、冷却部５１が設けられている。また、プローブ５２は、図１１に模式的に示すように、棒状に形成された接触子５２ａ及びリード部５２ｃと、接触子５２ａとリード部５２ｃとの間に配置されたコイルばね５２ｂとを有する。接触子５２ａはその下端部が半導体チップの電極に接触する。また、リード部５２ｃは、冷却部５１を挿通して制御部１０に電気的に接続される。

これらの接触子５２ａ、リード部５２ｂ、及びコイルばね５２ｃは、例えば銅又は銅合金により形成されている。また、図１０に示すように、コイルばね５２ｃは加熱部３１よりも上方であって冷却部５１の近傍に配置される。

プローブ５２は、ヘッド１１（冷却部５１及び加熱部３３を含む）及びアタッチメント３３を挿通する孔内に挿入される。

冷却部５１内には、図１２に模式的に示すように冷却媒体５３が通流する。冷却媒体５３として気体又は液体を使用することができる。本実施形態では、冷却媒体５３として、水にエチレングリコール等の凍結防止剤とリン酸塩系の防錆剤とを添加した冷却液を使用する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、半導体チップを積層するたびに導通検査を行う。そして、導通検査で不良と判定された半導体デバイスについては、その後の工程を実施しない。これにより、半導体チップの無駄な消費が回避され、製造コストが低減される。

また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に半導体チップをボンディングした装置で導通検査を実施するので、製造及び検査に要する時間が短縮される。

更に、本実施形態に係る半導体デバイス製造装置では、冷却部５１内に流れる冷却媒体によりプローブ５２を冷却するため、ボンディング時にプローブ５２及びＴＳＶにかかる熱負荷が低減される。このため、ボンディングと同時に導通検査を行うことができる。そして、ボンディングと同時に導通検査を行うことにより、加熱時の抵抗変化を測定することができるため、半導体デバイスのより詳細な検証が可能となる。

更にまた、本実施形態では、冷却部５１の近傍にプローブ５２のコイルばね５２ｃが配置されるため、熱によるコイルばね５２ｃのばね特性の劣化を防ぐことができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）加熱部が設けられたボンディングヘッドと、
前記ボンディングヘッドを駆動するヘッド駆動部と、
前記ボンディングヘッドに取り付けられて半導体チップを吸着するアタッチメントと、
前記アタッチメントから突出して前記半導体チップの電極に接触するプローブと、
前記加熱部及び前記ヘッド駆動部を制御して前記半導体チップを他の半導体チップの上に接合し、前記プローブを介して前記半導体チップにテスト信号を供給して導通検査を行う制御部と
を有することを特徴とする半導体デバイス製造装置。

（付記２）更に、前記制御部により制御され、前記プローブを前記アタッチメントに設けられた空間内に挿入し、前記半導体チップに離接する方向に移動するプローブ駆動部を有することを特徴とする付記１に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記３）前記アタッチメントは真空吸着機構に接続される吸着穴を有し、前記プローブの先端が前記吸着穴に配置されることを特徴とする付記２に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記４）前記プローブが、前記アタッチメントに固定されていることを特徴とする付記１に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記５）前記制御部は、前記半導体チップを前記他の半導体チップに接合した後、前記半導体チップの温度が所定の温度以下になるまで冷却した後、前記導通検査を行うことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記６）前記プローブが、前記ボンディングヘッド及び前記アタッチメントを挿通する孔内に配置されることを特徴とする付記１に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記７）前記ボンディングヘッドには、前記プローブを冷却する冷却部が設けられていることを特徴とする付記１に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記８）前記制御部は、前記半導体チップと前記他の半導体チップとの接合と同時に前記導通検査を実施することを特徴とする付記６又は７に記載の半導体デバイス製造装置。

（付記９）前記アタッチメントが、前記半導体チップに応じて交換可能であることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の半導体デバイス製造装置。

１０…制御部、１１…ボンディングヘッド、１２…ヘッド駆動部、１３，４６，５２…プローブ、１４…プローブ駆動部、１５…フリッパ、１６…フリッパ駆動部、１７…スライダ、１８…スライダ駆動部、１９…ピッカ、２０…ピッカ駆動部、２１…真空吸着制御機構、２２…加熱制御機構、３１…加熱部、３３…アタッチメント、４０ａ，４０ｂ…半導体チップ、４２ａ…配線、４２ｂ，４３ａ，４３ｂ…電極、４４…ＴＳＶ、５１…冷却部、５３…冷却媒体。

Claims (5)

1. 加熱部が設けられたボンディングヘッドと、
   前記ボンディングヘッドを駆動するヘッド駆動部と、
   前記ボンディングヘッドに取り付けられて半導体チップを吸着するアタッチメントと、
   前記アタッチメントから突出して前記半導体チップの電極に接触するプローブと、
   前記加熱部及び前記ヘッド駆動部を制御して前記半導体チップを他の半導体チップの上に接合し、前記プローブを介して前記半導体チップにテスト信号を供給して導通検査を行う制御部と
   を有することを特徴とする半導体デバイス製造装置。
2. 更に、前記制御部により制御され、前記プローブを前記アタッチメントに設けられた空間内に挿入し、前記半導体チップに離接する方向に移動するプローブ駆動部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス製造装置。
3. 前記プローブが、前記ボンディングヘッド及び前記アタッチメントを挿通する孔内に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス製造装置。
4. 前記ボンディングヘッドには、前記プローブを冷却する冷却部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス製造装置。
5. 前記アタッチメントが、前記半導体チップに応じて交換可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体デバイス製造装置。

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