JP3850352B2

JP3850352B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3850352B2
Application number: JP2002225097A
Authority: JP
Inventors: 和孝柴田
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: CN1983544A; JP2004071648A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体チップの上に別の半導体チップを接合したチップ・オン・チップ構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるマルチ・チップ型半導体装置の一形態として、複数個の半導体チップを重ね合わせたチップ・オン・チップ構造がある。チップ・オン・チップ構造の半導体装置では、外部接続される親チップの表面に、この親チップよりも小さな子チップが接合される。１つの親チップの表面に複数個の子チップが接合される場合もある。
【０００３】
親チップおよび子チップは、それぞれ活性面に複数の金属突起（バンプ）を備えている。これらの金属突起は、主として金（Ａｕ）などの高融点金属からなり、親チップの金属突起および子チップの金属突起の双方または一方には、先端部に錫（Ｓｎ）などの低融点金属からなる層が形成されている。
チップ・オン・チップ構造の半導体装置の製造工程において、親チップの活性面と子チップの活性面とが対向され、親チップおよび子チップが低融点金属の融点（固相線温度）以上の温度に加熱される。これにより、金属突起の先端部に形成された低融点金属からなる層は溶融する。その後、親チップの金属突起と子チップの金属突起とが位置合わせされて近接（接触）され、親チップおよび子チップの温度が、低融点金属の融点以下に下げられる。
【０００４】
これにより、低融点金属は固化して親チップの金属突起と子チップの金属突起とが、低融点金属を介して電気的および機械的に接合される。上記の接合は、親チップを切り出す前のウエハの状態で行われることもある。この場合、半導体ウエハと子チップとの接合後、半導体ウエハが切断されて、チップ・オン・チップ構造を有する半導体チップの個片にされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の接合方法では、親チップの金属突起と子チップの金属突起とが近接されたとき、溶融した低融点金属が親チップの金属突起と子チップの金属突起との間から押し出されて側方に流れ出す。これにより、極端な場合には隣接した金属突起間が電気的に短絡されてしまう。
また、親チップの代わりに半導体ウエハを用いて、上記の方法により接合を行う場合、半導体ウエハ上に多量（たとえば数千個）の子チップを接合することになる。したがって、すべての子チップが接続されるまでの長い時間、ウエハや子チップは高い温度に過熱された状態にされる。これにより、親チップおよび子チップの特性が劣化する。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、第１の半導体基板に形成された金属突起と第２の半導体基板に形成された金属突起とを、良好に接合できる半導体装置の製造方法を提供することである。
この発明の他の目的は、半導体基板の特性が劣化しにくい半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、第１の半導体基板（２，３）に形成された第１の金属突起（５，６）と第２の半導体基板（Ｗ）に形成された第２の金属突起（４）とを接合する半導体装置の製造方法であって、上記第２の金属突起の先端部に低融点金属からなる層（２０）を形成する低融点金属層形成工程と、上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板とを離間させた状態で、上記第１の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以上の第１の温度にし、かつ、上記第２の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以下の第２の温度にする基板温度調整工程と、この基板温度調整工程の後、上記第１の金属突起と上記第２の金属突起とを近接させる金属突起近接工程と、この金属突起近接工程の後に、上記第１の半導体基板および上記第２の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以下にする工程とを含み、上記低融点金属からなる層が、上記第２の金属突起の先端部に形成されており、上記第１の金属突起の先端部には形成されていないことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【０００８】
なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表す。以下、この項において同じ。
この発明によれば、第２の金属突起は、基板温度調整工程において、低融点金属の固層線温度以下の温度にされる。金属突起近接工程により、溶融した低融点金属は熱を奪われて固化する。低融点金属の融液は、完全に固化しない場合でも、温度が下がることにより流動しにくくなる。
【０００９】
したがって、第１の金属突起と第２の金属突起との間から、低融点金属の融液が流れ出すことはない。
その後、第１の半導体基板および第２の半導体基板を低融点金属からなる層の固相線温度以下にする工程により、低融点金属の融液は固化し、第１の金属突起と第２の金属突起とは、低融点金属からなる層を介して電気的および機械的に接合される。
【００１０】
半導体基板の形態は、たとえば、半導体チップ（親チップ、子チップ）や半導体チップを切り出すための半導体ウエハとすることができる。金属突起は、たとえば、金からなるものとすることができ、低融点金属からなる層は、たとえば、錫、錫−鉛からなる合金、錫−銀−銅からなる合金、インジウムなどの半田からなるものとすることができる。第２の温度は、室温であってもよい。
【００１１】
第１の温度と第２の温度との差は、ある程度大きい方が上述の効果が得られやすい。このため、第１の温度と第２の温度との差は、たとえば、１００℃以上とすることができる。また、第１の温度と第２の温度との差は、２００℃以上であってもよい。
上記基板温度調整工程は、上記第１の半導体基板および上記第２の半導体基板をほぼ水平に上下に対向させて配置する対向配置工程を含んでいてもよい。
【００１２】
対向配置工程により、第１の半導体基板と第２の半導体基板とは、ほぼ水平にされ互いに上下に対向される。第１の半導体基板と第２の半導体基板とは、金属突起近接工程において、この状態を保ったまま近接されるものとすることができる。この場合、低融点金属の融液は上下方向から、第１の金属突起と第２の金属突起とに挟まれる。このため、低融点金属の融液は、第１の金属突起と第２の金属突起との間から流れ出しにくい。
【００１３】
基板温度調整工程において、第２の半導体基板は低融点金属の固相線温度以下にされるので、低融点金属からなる層は溶融しない。一方、第１の金属突起は、基板温度調整工程において、低融点金属の固相線温度以上にされる。そして、金属突起近接工程により、第１の金属突起が第２の金属突起に形成された低融点金属からなる層に接触すると、接触部近傍の低融点金属からなる層は第１の金属突起から熱を与えられて、温度が低融点金属の固相線温度以上になり、融液が生ずる。
【００１４】
その後、第１の半導体基板および第２の半導体基板を低融点金属からなる層の固相線温度以下にする工程により、低融点金属の融液は固化し、第１の金属突起と第２の金属突起とは、低融点金属からなる層を介して電気的および機械的に接合される。
この際、金属突起近接工程により、第２の金属突起上の低融点金属層は第１の金属突起が接触する部分およびその近傍のみが溶融する。このため、第１の金属突起と第２の金属突起との間から、低融点金属の融液が流れ出すことはない。このように、第１の金属突起と第２の金属突起とは、良好に接合される。
【００１５】
第１および第２の半導体基板に垂直な方向から見て、第１の金属突起は、第２の金属突起より面積が小さく、第１の金属突起は、第２の金属突起に完全に重なるように接合されることが好ましい。この場合、低融点金属からなる層全体に占める第１の金属突起の接触部が小さくなり、上記の効果が顕著になる。
請求項２記載の発明は、上記第１の半導体基板が半導体チップ（２，３）であり、上記第２の半導体基板が半導体ウエハ（Ｗ）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法である。
【００１６】
半導体ウエハは、多数（たとえば数千個）の半導体チップに対応する領域を含んだものとすることができる。
この発明によれば、半導体ウエハ上で半導体チップの接合を行うことができる。基板温度調整工程において、第２の半導体基板である半導体ウエハは、第２の温度、すなわち、低融点金属の融点以下の低い温度にされる。したがって、たとえば、数千個の半導体チップを半導体ウエハに接合するのに要する長い時間、半導体ウエハが第２の温度にされても、半導体ウエハの特性は劣化しにくい。
【００１７】
半導体ウエハにすべての半導体チップが接合された後、半導体ウエハから半導体チップを切り出すことができる。これにより、チップ・オン・チップ構造を有する第１および第２の半導体チップが得られる。このような半導体装置の製造方法において、半導体チップの接合は、一方の半導体チップがウエハレベルで行われるので、生産性がよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下では、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る製造方法により得られる半導体装置の図解的な断面図である。
この半導体装置は、第１の半導体基板としての子チップ２および子チップ３と、第２の半導体基板としての親チップ１とを、重ね合わせて接合した、いわゆるチップ・オン・チップ(Chip-On-Chip)構造を有している。子チップ２，３は、親チップ１より小さい。
【００１９】
親チップ１および子チップ２，３の互いに対向する表面は、それぞれ、機能素子や配線などが形成された活性面１ａ，２ａ，３ａとなっている。親チップ１の活性面１ａには、複数の金属突起（バンプ）４が設けられている。金属突起４は金（Ａｕ）からなる。活性面１ａの周縁部近傍で、活性面２ａ，３ａが対向していない部分には、外部取出用電極７が設けられている。
子チップ２，３の活性面２ａ，３ａには、金属突起４に対応する位置に金属突起５，６が設けられている。金属突起５，６は金（Ａｕ）からなる。金属突起４と金属突起５，６との間には、錫（Ｓｎ）からなる薄い層（図示せず。）が存在しており、金属突起４と金属突起５，６とは、この錫の層を介して接合されている。
【００２０】
親チップ１の側方には、親チップ１と間隔をあけて、側方へ延びるリードフレーム９が配されている。外部取出用電極７とリードフレーム９とは、ボンディングワイヤ８により接続されている。親チップ１、子チップ２，３、ボンディングワイヤ８、およびボンディングワイヤ８とリードフレーム９との接続部を含む領域は、封止樹脂１０で保護されている。
図２（ａ）〜（ｃ）は、図１の半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図であり、図３（ａ）（ｂ）は、その金属突起４，５近傍の拡大図である。図３（ａ）は図２（ａ）に対応しており、図３（ｂ）は図２（ｂ）に対応している。
【００２１】
先ず、半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗが、ほぼ水平に載置台１１の上に載置される（図２（ａ））。ウエハＷは、親チップ１に対応する単位領域Ｕを多数（たとえば数千個）含んでいる（隣接する単位領域Ｕの境界を図２（ａ）（ｂ）に破線で示す。）。ウエハＷの一方表面は、活性面１ａに対応する活性面Ｗａとなっており、活性面Ｗａには金属突起４が形成されている。金属突起４の先端部はほぼ平坦な面となっており、その面には錫からなる層（錫層）２０が形成されている（図３（ａ））。ウエハＷは、活性面Ｗａが上方に向けられて載置台１１の上に載置される。
【００２２】
載置台１１の内部にはヒータ１２および温度センサ１３が設けられており、載置台１１の上に載置されたウエハＷを、温度センサ１３の出力に基づいて所定の温度に加熱可能である。
続いて、子チップ２が吸着コレット１４により、活性面２ａの反対側の面が吸着され、活性面２ａを下方に向けられてほぼ水平な状態でウエハＷに対向配置される（図２（ａ））。金属突起５の先端部は、ほぼ平坦な面になっている。金属突起５の表面には、錫からなる層は形成されていない。また、金属突起５の幅は、金属突起４の幅より狭く（図３（ａ））、活性面１ａ、２ａに垂直な方向から見て、金属突起５の面積は金属突起４の面積より小さくなっている。
【００２３】
吸着コレット１４は、たとえば、真空吸着により子チップ２を吸着可能なものとすることができる。吸着コレット１４の内部で、子チップ２に接触する面近傍の部分には、ヒータ１５および温度センサ１６が設けられている。温度センサ１６の出力に基づいてヒータ１５により、吸着コレット１４に吸着された子チップ２を、所定の温度に加熱できるようになっている。
次に、ヒータ１５により、子チップ２が錫の融点２３２℃より高い第１の温度Ｔ１に加熱され、ヒータ１２によりウエハＷが錫の融点２３２℃より低い第２の温度Ｔ２に加熱される。第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との差ΔＴは、たとえば、１００℃とすることができる。
【００２４】
この状態で、子チップ２の金属突起５と、対応するウエハＷの金属突起４とが位置合わせされ、吸着コレット１４が下降されて、金属突起４と金属突起５とが接合される（図２（ｂ））。この際、平面視において（活性面１ａ，２ａに垂直な方向から見て）、金属突起４は、金属突起５にほぼ完全に重なるようにされる。
このとき、錫層２０は、錫の融点より高い第１の温度Ｔ１を有する金属突起５が接触することにより、接触部近傍が錫の融点以上となり溶融する（図３（ｂ）に、錫層２０の溶融した部分に斜線を付して示す。）。同時に、金属突起５は金属突起４を介して熱を奪われ温度が下がる。その後、子チップ２は、吸着コレット１４から離される。これにより、子チップ２には熱が与えられないようになり、金属突起５や溶融した錫層２０は、金属突起４から急激に熱を奪われる。
【００２５】
このため、子チップ２は錫の融点以下になり、溶融した錫層２０は固化する。これにより、金属突起４と金属突起５とは機械的および電気的に接合される。
錫層２０は、金属突起５に接触する限られた部分の近傍のみが溶融するので、金属突起４と金属突起５とが近接（接触）されても、溶融した錫層２０が、金属突起４と金属突起５との間から流れ出すことはない。換言すれば、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２とは、錫層２０が部分的に十分溶融し、かつ、溶融した錫層２０が流れ出さないような温度に設定されている。
【００２６】
たとえば、第１の温度Ｔ１や第２の温度Ｔ２が低すぎた場合は、金属突起５は、錫層２０に接触した直後に熱を奪われて錫の融点以下になってしまうので、錫層２０は十分に溶融しない。したがって、金属突起４と金属突起５との間の大きな接合強度が得られない。また、第１の温度Ｔ１や第２の温度Ｔ２が高すぎた場合は、金属突起５が錫層２０に接触すると、金属突起５が錫の融点以下になるまでに、錫層２０に大量の熱が与えられ、錫層２０の全体が溶融し金属突起４と金属突起５との間から流れ出してしまう。
【００２７】
上述のように、錫層２０のうち金属突起５の接触部近傍のみを溶融するためには、第１の温度Ｔ１と第２の温度Ｔ２との差ΔＴは、ある程度大きくされている方が好ましい。第１および第２の温度Ｔ１，Ｔ２は、これらのことを考慮して決定される。
その後、子チップ３がウエハＷに接合される。子チップ３の金属突起６は、子チップ２の金属突起５と同様、先端部がほぼ平坦になっており、表面に錫からなる層は形成されていない。また、金属突起６の幅は、金属突起４の幅より狭く、活性面１ａ、３ａに垂直な方向から見て、金属突起６の面積は金属突起４の面積より小さくなっている。子チップ３は、子チップ２と同様の方法により、ウエハＷに接合される。
【００２８】
このようにして、１つの単位領域Ｕに、子チップ２，３が接合されたウエハＷが得られる。同様にして、ウエハＷのすべての単位領域Ｕに、子チップ２，３が接合される。
この間、子チップ２，３は、ウエハＷと接合するための短い時間のみ、錫の融点以上の高い温度（第１の温度Ｔ１）にされる。また、ウエハＷは、すべての単位領域Ｕに子チップ２，３が接合される間加熱されるが、その温度は錫の融点より低い第２の温度である。したがって、ウエハＷ（親チップ１）および子チップ２，３の特性は、ほとんど劣化しない。
【００２９】
この後、図２（ｃ）に示すように、隣接した単位領域Ｕの境界に沿って、ウエハＷをダイシングソー２１で切断することにより、子チップ２，３が接合された親チップ１が、ウエハＷから切り出される。さらに、外部取出用電極７とリードフレーム９とが、ボンディングワイヤ８により接続された後、親チップ１、子チップ２，３などのまわりに封止樹脂１０がモールド成形されて、図１に示す半導体装置が得られる。
【００３０】
以上の半導体装置の製造方法において、子チップ２，３の接合は、親チップ１がウエハＷのレベルで行われるので、生産性がよい。
この発明の一実施形態の説明は、以上の通りであるが、この発明は他の形態でも実施することもできる。たとえば、ウエハＷを厳密に温度調整する必要がない場合は、温風を吹きつけることによりウエハＷを加熱してもよい。また、錫層２０が十分に溶融する限り、ウエハＷは加熱しなくても（室温にされていても）よい。
【００３１】
錫層は、親チップ１の金属突起４に形成されておらず、子チップ２，３の金属突起５，６に形成されていてもよい。また、金属突起４および金属突起５，６の双方に錫層２０が形成されていてもよい。この場合、子チップ２，３が吸着コレット１４のヒータ１５で第１の温度Ｔ１に加熱されることにより、錫層２０は溶融する。そして、溶融した錫層２０は、第２の温度Ｔ２を有する金属突起４に接触すると、金属突起４から熱を奪われ、すぐに固化して、金属突起４と金属突起５，６との間から流れ出すことはない。錫層２０の融液は、完全に固化しない場合でも、温度が下がることにより流動しにくくなる。
【００３２】
錫層２０は、金属突起５の一部および金属突起６の一部に形成されており、かつ、錫層２０が形成されていない金属突起５，６に対応する金属突起４に形成されていてもよい。
半導体装置は、１つの親チップ１の上に、１つの子チップ２（３）のみが接合されたものであってもよく、３つ以上の子チップが接合されたものであってもよい。さらに、子チップ２（３）の上に別の子チップが接合されたものであってもよい。
【００３３】
また、子チップ２，３の接合前にウエハＷを切断し、親チップ１に子チップ２，３を接合するようにしてもよい。この場合、親チップ１を第１の温度Ｔ１にし、子チップ２，３を第２の温度Ｔ２にしてもよい。親チップ１に２つの子チップ２，３を接合するための時間は短いので、親チップ１を第１の温度Ｔ１に加熱しても、親チップ１の特性はほとんど劣化しない。
錫層２０の代わりに、他の低融点金属またはその合金（半田）、たとえば、インジウム（Ｉｎ）や、錫−鉛（Ｐｂ）系の合金、錫−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）系の合金などからなる層が形成されていてもよい。合金の場合は、第１の温度はその合金の固相線温度以上とすることができ、第２の温度はその合金の固相線温度以下とすることができる。
【００３４】
子チップ２，３の接合の順序は、ウエハＷのすべての単位領域Ｕに子チップ２を接合した後、ウエハＷのすべての単位領域Ｕに子チップ３を接合することとしてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法により得られる半導体装置の図解的な断面図である。
【図２】図１の半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図３】金属突起近傍の拡大図である。
【符号の説明】
１親チップ
２，３子チップ
４，５，６金属突起
１１，１５ヒータ
２０錫層
Ｗウエハ

Claims

第１の半導体基板に形成された第１の金属突起と第２の半導体基板に形成された第２の金属突起とを接合する半導体装置の製造方法であって、
上記第２の金属突起の先端部に低融点金属からなる層を形成する低融点金属層形成工程と、
上記第１の半導体基板と上記第２の半導体基板とを離間させた状態で、上記第１の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以上の第１の温度にし、かつ、上記第２の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以下の第２の温度にする基板温度調整工程と、
この基板温度調整工程の後、上記第１の金属突起と上記第２の金属突起とを近接させる金属突起近接工程と、
この金属突起近接工程の後に、上記第１の半導体基板および上記第２の半導体基板を上記低融点金属の固相線温度以下にする工程とを含み、
上記低融点金属からなる層が、上記第２の金属突起の先端部に形成されており、上記第１の金属突起の先端部には形成されていないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
上記第１の半導体基板が半導体チップであり、上記第２の半導体基板が半導体ウエハであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。