JP4009505B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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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ている。１つの親チップの表面に複数個の子チップが接合されたものもある。
【０００３】
親チップおよび子チップは、それぞれ機能素子や配線が形成された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せられ、親チップの金属突起と子チップの金属突起とが押しつけられるように、親チップおよび子チップに荷重がかけられる。この状態で、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、金属突起の先端に形成された低融点金属からなる層は溶融する。
【０００４】
その後、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。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。親チップの金属突起や子チップの金属突起の表面に酸化膜が形成されている場合でも、親チップの金属突起と子チップの金属突起とが押しつけられることにより、酸化膜が破られて、第１および第２の金属突起は低融点金属により良好に接合される。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、半導体ウエハは多数（たとえば、数千個）の親チップに相当する領域を有しており、すべての親チップに相当する領域に、子チップを同時に押しつけて加熱することはできない。このため、吸着コレットにより、半導体ウエハ上の所定の位置に子チップを運び、この子チップに荷重をかけながら昇温および降温するという工程を子チップの数だけ繰り返さねばならず、生産性が悪かった。
【０００７】
また、親チップと子チップとの接合を行う際、親チップの金属突起と子チップの金属突起とを正確に位置合わせしなければならないが、昇温および降温に伴う熱履歴により、接合に用いる装置に狂いが生じるため、位置合わせの精度を高くすることができなかった。
さらに、親チップと子チップとの接合時に、たとえば、子チップが帯電している場合、親チップの金属突起と子チップの金属突起との接触時に、親チップに形成された機能素子が、子チップからの放電により静電破壊される。このような事態を回避するため、親チップには、金属突起に接続された保護ダイオードが設けられている。しかし、保護ダイオードは本来不要なものであり、保護ダイオードを設けると他の機能素子を形成する領域が少なくなる。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、生産性が高い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、位置ずれを少なくして複数の半導体基板を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。
この発明のさらに他の目的は、複数の半導体基板を接合する際の静電破壊を防止するための保護ダイオードを半導体基板に設ける必要がない半導体装置の製造方法を提供することである。
【０００９】
【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の半導体基板の一方表面に形成された第１の金属突起と、第２の半導体基板の一方表面に形成された第２の金属突起とを接合して構成される半導体装置の製造方法であって、上記第１および第２の金属突起のうちの少なくとも一方の先端に低融点金属からなる層を形成する工程と、上記第１および第２の金属突起のうちの少なくとも一方の先端にフラックスを塗布するフラックス塗布工程と、このフラックス塗布工程の後、上記第１の半導体基板の上記一方表面と上記第２の半導体基板の上記一方表面とを対向させ、上記第１の金属突起と上記第２の金属突起とを、上記フラックスで仮固定する仮固定工程と、この仮固定工程の後、上記第１および第２の半導体基板を、上記低融点金属からなる層の固相線温度以上の温度に加熱する加熱工程とを含み、上記仮固定工程が、上記第１の金属突起または上記第１の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層と、上記第２の金属突起または上記第２の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層とが接触しないように行われることを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１０】
この発明によれば、第１の金属突起と第２の金属突起とは、絶縁体であるフラックスを介して仮固定される。このため、第１および第２の半導体基板の一方が帯電している場合でも、この仮固定時には放電が起こらないから、他方の半導体基板に形成された機能素子が静電破壊されることがない。したがって、第１および第２の半導体基板には、これらの接合時の静電破壊を防止するための保護ダイオードを設ける必要がない。
【００１１】
仮固定の後、第１および第２の半導体基板を、低融点金属の固相線温度以上にすることにより、低融点金属の融液が生じる。その後、第１および第２の半導体基板を、低融点金属の固相線温度以下にすることにより、第１の金属突起と第２の金属突起とは、低融点金属の層を介して電気的および機械的に接合される。この際、第１の金属突起や第２の金属突起の表面に酸化膜が形成されている場合でも、フラックスの作用により酸化膜は除去され、低融点金属の融液は第１および第２の金属突起に対して良好な濡れ性を有することができる。したがって、第１および第２の金属突起は、低融点金属の層により良好に接合される。
【００１２】
第１および第２の金属突起は、たとえば、金からなるものであってもよく、低融点金属からなる層は、たとえば、錫からなるものであってもよい。
第１および第２の半導体基板は、実質的に無荷重の状態、たとえば、第１および第２の半導体基板のうち一方の半導体基板が水平に置かれ、その上に他方の半導体基板が載置されて加熱される。この状態では、第１および第２の半導体基板は、上方の半導体基板が自重のみで下方の半導体基板に押し付けられており、外部荷重によって互いに強制的に押しつけられていないので、相対的に移動することができる。このため、仮固定工程により、第１の金属突起と第２の金属突起とが、多少ずれて仮固定されていた場合でも、加熱工程により低融点金属の融液が生じると、低融点金属の融液の表面張力により、第１の金属突起と第２の金属突起とは、ずれが少なくなるように移動（セルフアライン）する。これにより、第１の半導体基板と第２の半導体基板とを位置ずれを少なくして接合できる。
【００１３】
また、第１および第２の半導体基板に荷重をかける工程を省くことができるので、生産性がよい。
請求項２記載の発明は、上記仮固定工程が、上記第２の半導体基板の上記一方表面上に複数の上記第１の半導体基板を仮固定する工程を含む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。
この発明によれば、第２の半導体基板上に複数の第１の半導体基板が仮固定された状態とした後に、第１および第２の半導体基板を一括して加熱することができる。すなわち、子チップの数だけ昇温および降温を繰り返す必要がない。これにより、第２の半導体基板と複数の第１の半導体基板とを、一括して接合することができるので、生産性がよい。
【００１４】
第１の半導体基板は、たとえば、半導体チップであってもよく、第２の半導体基板は、たとえば、半導体ウエハであってもよい。これらの場合、接合後、第２の半導体基板を切断して、チップ・オン・チップ構造を有する半導体チップの個片に切り出すことができる。
請求項３記載の発明は、上記仮固定工程は、上記第１および第２の半導体基板を保持した状態で、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工程を含み、上記近接させる工程が、上記第１および第２の金属突起のうちの一方の先端に塗布された上記フラックスと、上記第１および第２の金属突起のうちの他方もしくはその先端に形成された低融点金属からなる層または上記第１および第２の金属突起のうちの他方の先端に塗布された上記フラックスとが接触した後、上記第１の金属突起または上記第１の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層と、上記第２の金属突起または上記第２の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層とが接触する前に終了されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法である。
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
親チップ１および子チップ２，３には、親チップ１と子チップ２，３との接合時に、親チップ１や子チップ２，３に形成された素子を静電破壊から保護するため保護ダイオード（金属突起４，５，６に接続されたダイオード）は形成されていない。このため、親チップ１および子チップ２，３は、このような保護ダイオードが形成された半導体チップと比べて、他の機能素子を多く形成できる。
親チップ１の活性面１ａとは反対側の面は、リードフレーム９の支持部（アイランド）９ａに接合されている。支持部９ａの側方には、支持部９ａと間隔をあけて、側方へ延びるリードフレーム９のリード端子部９ｂが配されている。外部取出用電極７とリード端子部９ｂ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、支持部９ａ、ボンディングワイヤ８、およびボンディングワイヤ８とリード端子部９ｂとの接続部を含む領域は、封止樹脂１０で保護されている。
【００１８】
図２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）に対応しており、図３（ｃ）は図２（ｃ）に対応している。
半導体装置の製造に用いる半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）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の活性面Ｗａは、親チップ１の活性面１ａに対応している。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が予め形成されている（図３（ａ）参照）。
【００１９】
先ず、ウエハＷの活性面Ｗａに形成された金属突起４の先端に、ディッピング、転写等によりフラックス２２が塗布される。次に、ウエハＷが、活性面Ｗａが上方に向けられて、ほぼ水平に載置台１１の上に載置される。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。
【００２０】
続いて、図２（ａ）に示すように、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に対向される。金属突起５の先端は、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（図３（ａ）参照）。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。
【００２１】
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が下降される。この際、金属突起４と金属突起５とは、図３（ａ）に示すように多少位置がずれていてもよい。金属突起４と金属突起５とが、ある程度近接されると、子チップ２の下降速度は小さくされる。
そして、金属突起５の下端が、フラックス２２の表面に接した後、錫層２０の表面に接触する前に、子チップの下降は停止され（図２（ｂ）および図３（ｂ）参照）、子チップ２は吸着コレット１４から離され、ウエハＷの上に載置される。これにより、金属突起５は、フラックス２２で金属突起４に仮固定された状態となる。
【００２２】
このように、吸着コレット１４により子チップ４がウエハＷに押しつけられないようにし、ウエハＷや子チップ２に荷重がかからないようにされる。これにより、ウエハＷや子チップ２が破損することを回避することができる。ウエハＷや子チップ２に多少の荷重がかかっても問題はない。
以上の工程において、たとえば、仮固定する前の子チップ２が帯電している場合がある。しかし、仮固定された状態で金属突起４と金属突起５とは、絶縁体であるフラックス２２により電気的に絶縁されているので、子チップ２からウエハＷへの放電は生じない。したがって、ウエハＷ（親チップ１）の金属突起４および子チップ２の金属突起５に接続された保護ダイオードが形成されていなくても、ウエハＷ（親チップ１）に形成された機能素子が静電破壊されることはない。
【００２３】
その後、子チップ２と同様にして、子チップ３がウエハＷに仮固定される。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、先端がほぼ平坦になっており、その表面には錫からなる層は形成されていない。
このようにして、１つの単位領域Ｕに、子チップ２，３が仮固定されたウエハ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が仮固定される。この状態で、ウエハＷには、子チップ２，３の重量による荷重のみがかかっており、ウエハＷおよび子チップ２，３は実質的に無荷重である。以上の工程は、常温で行われる。
【００２４】
次に、載置台１１に設けられたヒータ１２により、ウエハＷが所定時間錫の融点以上の温度（たとえば、２４０℃以上）に加熱される。これにより、錫層２０は溶融、固化し、すべての子チップ２，３の金属突起５，６は、錫層２０を介してウエハＷの金属突起４に接合される。この際、金属突起４，５，６の表面などに酸化膜が形成されている場合でも、フラックス２２の作用により、酸化膜は除去され、金属突起４，５，６の表面は錫の融液に対する濡れ性が十分高くなり、金属突起４と金属突起５，６とは、錫層２０により良好に接合される。
【００２５】
さらに、ウエハＷおよび子チップ２，３は実質的に無荷重であるので、子チップ２，３はウエハＷに対して位置を変えることができる。このため、金属突起４に対して金属突起５，６がずれていた場合、錫の融液の表面張力により、金属突起４と金属突起５，６とは、ずれが少なくなるように移動（セルフアライン）する（図３（ｃ）参照）。すなわち、ウエハＷ（親チップ１）と子チップ２，３とを位置ずれを少なくして接合できる。
【００２６】
この後、ウエハＷは洗浄され、フラックス２２の残渣が除去される。続いて、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がダイシングソー２１で切断されることにより、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、親チップ１の活性面１ａとは反対側の面が支持部９ａに接合され、外部取出用電極７とリード端子部９ｂ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。
【００２７】
以上の半導体装置の製造方法において、親チップ１と子チップ２，３との接合は、すべての単位領域Ｕに子チップ２，３が仮固定されたウエハＷが加熱されることにより、一括して行われるので生産性がよい。また、従来の製造方法では、子チップの数だけウエハに対して加重および加熱が繰り返されるので、ウエハ等が破損しやすいが、以上の製造方法ではこのような問題は生じない。
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実施することもできる。たとえば、ウエハＷおよび子チップ２，３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および子チップ２，３を加熱してもよい。
【００２８】
錫層２０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。フラックス２２は、親チップ１の金属突起４に塗布されず、子チップ２，３の金属突起５，６に塗布されてもよい。また、金属突起４および金属突起５，６の双方にフラックス２２が塗布されてもよい。
【００２９】
フラックス２２は、金属突起５の一部および金属突起６の一部に塗布され、かつ、フラックス２２が塗布されていない金属突起５，６に対応する金属突起４に塗布されてもよい。
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。
【００３０】
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。
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、親チップ１（ウエハＷ）および子チップ２，３の加熱温度は、その合金の固相線温度以上とすることができる。
【００３１】
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】図２の金属突起４，５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
１２ ヒータ
２０ 錫層
２２ フラックス
Ｗ ウエハ

Claims (3)

  1. 第１の半導体基板の一方表面に形成された第１の金属突起と、第２の半導体基板の一方表面に形成された第２の金属突起とを接合して構成される半導体装置の製造方法であって、
    上記第１および第２の金属突起のうちの少なくとも一方の先端に低融点金属からなる層を形成する工程と、
    上記第１および第２の金属突起のうちの少なくとも一方の先端にフラックスを塗布するフラックス塗布工程と、
    このフラックス塗布工程の後、上記第１の半導体基板の上記一方表面と上記第２の半導体基板の上記一方表面とを対向させ、上記第１の金属突起と上記第２の金属突起とを、上記フラックスで仮固定する仮固定工程と、
    この仮固定工程の後、上記第１および第２の半導体基板を、上記低融点金属からなる層の固相線温度以上の温度に加熱する加熱工程とを含み、
    上記仮固定工程が、上記第１の金属突起または上記第１の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層と、上記第２の金属突起または上記第２の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層とが接触しないように行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 上記仮固定工程が、上記第２の半導体基板の上記一方表面上に複数の上記第１の半導体基板を仮固定する工程を含む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。
  3. 上記仮固定工程は、上記第１および第２の半導体基板を保持した状態で、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工程を含み、
    上記近接させる工程は、上記第１および第２の金属突起のうちの一方の先端に塗布されたフラックスと、上記第１および第２の金属突起のうちの他方もしくはその先端に形成された低融点金属からなる層または上記第１および第２の金属突起のうちの他方の先端に塗布されたフラックスとが接触した後、上記第１の金属突起または上記第１の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層と、上記第２の金属突起または上記第２の金属突起の先端に形成された上記低融点金属からなる層とが接触する前に終了されることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
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