JP5119948B2

JP5119948B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5119948B2
Application number: JP2008013851A
Authority: JP
Inventors: 昌明田中; 君治粥川; 隆重齋藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: JP2009176938A

Description

本発明は、複数個のバンプを介して２枚の半導体チップを超音波接合してなる半導体装置の製造方法に関する。

従来より、この種の製造方法としては、複数個のバンプが一面側に平面的に配置された第１の半導体チップと、第１の半導体チップのバンプに対応する複数個のバンプが一面側に平面的に配置された第２の半導体チップとを用意し、第１の半導体チップの他面にホーンを当てて当該両半導体チップの一面を対向させた状態で、各バンプ同士を接触させ、ホーンによって第１の半導体チップのバンプに超音波を印加することにより、両半導体チップの各バンプ同士を接合する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００７−３５９１８号公報

しかしながら、このように複数のバンプを一括して接合する場合、個々のバンプに対して超音波エネルギーを調整することができず、また、複数のバンプの接合順序はランダムなものとなる。そのため、最後に接合を始めたバンプには、超音波エネルギーが伝達されにくく、当該バンプの接合率が低下することから、全体として個々のバンプの接合状態が不均一になる問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、複数のバンプを一括して超音波接合するにときに、各バンプの接合状態を均一化するのに適した製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は鋭意検討を行った。その結果、両半導体チップの複数個のバンプ同士の接合状態は、超音波が印加される第１の半導体チップのうち超音波により第１の半導体が振動する方向において当該第１の半導体チップの一面の中央部に位置するバンプでは、接合状態が良好であるのに対し、当該一面の周辺部に位置するバンプでは、接合状態が悪い傾向にあることがわかった。

すなわち、請求項１に記載の発明では、ホーン（１００）からの超音波により第１の半導体チップ（１０）が振動する方向を振動方向としたとき、第１の半導体チップ（１０）の複数個のバンプ（３１）のうち第１の半導体チップ（１０）の一面の振動方向における中央部に位置するバンプよりも当該一面の振動方向における周辺部に位置するバンプの方が、印加される超音波エネルギーが大きくなるように、超音波の印加を行うことを特徴とする。

それによれば、ホーン（１００）から直接超音波が印加される第１の半導体チップ（１０）の複数個のバンプ（３１）のうち当該振動方向の中央部に位置するバンプに比べて接合されにくい周辺部に位置するバンプに印加される超音波エネルギーが、従来よりも十分に確保され、当該周辺部のバンプの接合状態を向上させることができる。そのため、複数のバンプ（３１、３２）を一括接合するにときに各バンプ（３１、３２）の接合状態を均一化するのに適した製造方法を提供することができる。

ここで、請求項１に記載の発明のように、第１の半導体チップ（１０）の一面の振動方向における中央部に位置するバンプよりも当該一面の振動方向における周辺部に位置するバンプの方が、印加される超音波エネルギーが大きくなるように、超音波の印加を行うことは、当該中央部に位置するバンプよりも当該周辺部に位置するバンプの方が、第２の半導体チップ（２０）側のバンプ（３２）との接触圧を大きくすることにより行えばよい。

そして、請求項１に記載の発明では、上記接触圧を大きくすることは、ホーン（１００）を、第１の半導体チップ（１０）の他面の全体に接触させた状態で超音波の印加を行いつつ、ホーン（１００）のうち中央部に位置するバンプに正対する部位よりも周辺部に位置するバンプに正対する部位の方が、質量が大きくなるように、ホーン（１００）の質量を部分的に異ならせることにより行っている。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置Ｓ１の概略断面図、図１（ｂ）は同半導体装置Ｓ１における第１の半導体チップ１０の一面側の概略平面図、図１（ｃ）は同半導体装置Ｓ１における第２の半導体チップ２０の一面側の概略平面図である。

ここでは、両半導体チップ１０、２０は板状をなすものである。第１の半導体チップ１０は、加速度や角速度、圧力、湿度、ガス、光などのセンシングを行うセンサ素子であり、第２の半導体チップ２０は、このセンサ素子からの信号を出力するなどの機能を果たす回路素子である。

第１の半導体チップ１０は、たとえばシリコン半導体基板に圧力検出用のダイアフラムや、加速度あるいは角速度検出用の櫛歯状の電極などを形成したものである。また、第２の半導体チップ２０は、たとえばシリコン半導体基板にトランジスタ素子などによる回路部を形成したものである。これら両チップ１０、２０は一般的な半導体プロセスにより形成される。

第１の半導体チップ１０と第２の半導体チップ２０とは、互いの一面を対向させて配置されており、バンプ３１、３２を介して電気的および機械的に接合されている。バンプ３１は第１の半導体チップ１０の一面に平面的に配置され、バンプ３２は第２の半導体チップ２０の一面に平面的に配置されている。

第１の半導体チップ１０のバンプ３１および第２の半導体チップ２０のバンプ３２は、互いに正対する位置に形成されており、ここでは、図１（ｂ）、（ｃ）に示されるように、矩形をなす各半導体チップ１０、２０の各一面において、対向する辺部に沿って配列されている。

これらバンプ３１、３２は、この種の一般的なバンプであり、たとえば、ワイヤボンディング装置を用いて形成されるスタッドバンプや、メッキにより形成されるバンプである。その材質は、金や銅などである。

そして、半導体装置Ｓ１においては、第１の半導体チップ１０のバンプ３１の突出先端部と第２の半導体チップ２０のバンプ３２の突出先端部とが、後述する超音波接合により固相接合されている。それにより、両半導体チップ１０、２０は固定され、互いに電気的に接続されている。

次に、図２を参照して、本半導体装置Ｓ１の製造方法を述べる。図２は、本製造方法における両半導体チップ１０、２０の接合工程をワーク断面にて示す工程図である。

本製造方法では、まず、複数個のバンプ３１が一面側に平面的に配置された第１の半導体チップ１０と、複数個のバンプ３２が一面側に平面的に配置された第２の半導体チップ２０とを用意する。

次に、図２（ａ）に示されるように、第１の半導体チップ１０の一面と第２の半導体チップ２０の一面とを対向させる。そして図２（ｂ）に示されるように、第１の半導体チップ１０における他面に、超音波を発振するホーン１００を当てて、当該両半導体チップ１０、２０の各バンプ３１、３２同士を接触させる。このとき、第１の半導体チップ１０の他面はホーン１００に真空吸着などにより固定されており、第２の半導体チップ２０の他面側はステージ２００にて支持されている。

ここで、ホーン１００やステージ２００は、この種の一般的な超音波接合装置のものと同様である。たとえば、ホーン１００は、炭素鋼などの鉄系金属の超硬材であり、図２（ｂ）中の第１の半導体チップ１０を覆う矩形板状をなす。

そして、ホーン１００は、図２（ｂ）中の矢印Ｘ方向に超音波を発振するものであり、このホーン１００からの超音波によって、第１の半導体チップ１０は、当該矢印Ｘ方向を振動方向として振動する。なお、この振動方向Ｘは、図１（ｂ）にも示されている。

このように、ホーン１００によって第１の半導体チップ１０のバンプ３１に超音波を印加することにより、両半導体チップ１０、２０の各バンプ３１、３２同士が固相接合され、本半導体装置Ｓ１ができあがる。

ここで、本実施形態では、図２（ａ）に示されるように、用意される第１の半導体チップ１０において一面に設けられる複数個のバンプ３１の高さを異ならせている。具体的には、第１の半導体チップ１０の一面のうち上記振動方向Ｘの中央部に位置するバンプ３１よりも上記振動方向Ｘの周辺部に位置するバンプ３１の方が、第１の半導体チップ１０の一面からの突出高さが大きくなっている。

このことについて、上記図１（ｂ）を参照して述べると、矩形状をなす第１の半導体チップ１０の一面のうち振動方向Ｘに沿う２個の辺部に沿って、複数個のバンプ３１が配置されているが、これらバンプ３１のうち当該辺部の振動方向Ｘに沿った両端に近いバンプほど、突出高さが大きく、当該両端から中央部に近いバンプほど、突出高さが小さくなっている。

このような突出高さの分布を第１の半導体チップ１０のバンプ３１に持たせることにより、振動方向Ｘにおいて第１の半導体チップ１０の一面の中央部に位置するバンプ３１よりも当該一面の周辺部に位置するバンプ３１の方が、第２の半導体チップ２０側のバンプ３２との接触圧が大きくなる。

接触圧の大きな方が、超音波エネルギーの接合部への伝達がなされやすいため、ホーン１００による超音波の印加のときに、第１の半導体チップ１０の複数個のバンプ３１のうち上記中央部に位置するバンプ３１よりも上記周辺部に位置するバンプ３１の方が、印加される超音波エネルギーが大きくなる。

このように、本実施形態の製造方法によれば、第１の半導体チップ１０の複数個のバンプ３１のうち従来では接合されやすい中央部に位置するバンプ３１に比べて接合されにくい周辺部に位置するバンプ３１に印加される超音波エネルギーが、従来よりも十分に確保される。

そのため、当該周辺部のバンプ３１の接合状態を従来よりも向上させることが可能となる。こうして、本実施形態によれば、複数個のバンプ３１、３２を介して２枚の半導体チップ１０、２０を超音波接合するにあたって、複数のバンプ３１、３２を一括接合するにときに各バンプ３１、３２の接合状態を均一化するのに適した製造方法が提供される。

ここで、第１の半導体チップ１０の一面における複数個のバンプ３１の突出高さを異ならせることは、たとえば、ワイヤボンディング装置を用いたバンプ形成方法においては、ワイヤを接続、切断するキャピラリの押しつけのストロークを、個々のバンプ３１毎に変えることにより、行える。

また、次のように、複数個のバンプ３１を一括加工する方法でもよい。図３は、複数個のバンプ３１を一括加工して突出高さを異ならせる工程を示す工程図である。この場合、まず、一般的な方法で第１の半導体チップ１０の一面に、従来と同様に複数個のバンプ３１を形成しておく（図３（ａ）参照）。

次に、このバンプ形成方法では、凸面３１０を有する凸面部材３００を用意する。ここで、凸面３１０は、図３（ｂ）に示されるように、複数個のバンプ３１の突出高さの分布に対応して中央部が頂部であり周辺部が低くなっている。この凸面部材３００は、たとえば鉄系金属などのバンプ３１よりも硬く変形しにくい金属などにより構成する。

そして、図３（ｂ）に示されるように、この凸面部材３００の凸面３１０に、荷重を加えるなどにより、第１の半導体チップ１０の一面における複数個のバンプ３１を押しつけて、当該複数個のバンプ３１を変形させる。このようにして、本方法によれば、第１の半導体チップ１０の一面の複数個のバンプ３１の突出高さを異ならせることを、当該複数個のバンプ３１に対して一括して行える。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における両半導体チップ１０、２０の接合工程をワーク断面にて示す工程図である。上記第１実施形態との相違点を中心に述べる。

上記第１実施形態では、上記したような突出高さの分布を第１の半導体チップ１０のバンプ３１に持たせることにより、振動方向Ｘにおいて第１の半導体チップ１０の一面の中央部に位置するバンプ３１よりも当該一面の周辺部に位置するバンプ３１の方が、第２の半導体チップ２０側のバンプ３２との接触圧が大きくなるようにしていた。

それに対して、本実施形態の接合工程では、上記接触圧を大きくすることは、ホーン１００のうち上記第１の半導体チップ１０の一面の中央部に位置するバンプ３１に正対する部位よりも当該一面の周辺部に位置するバンプ３１に正対する部位の方が、質量が大きくなるように、ホーン１００の質量を部分的に異ならせることにより行っている。

図４に示される例では、ホーン１００のうち上記中央部に位置するバンプ３１に正対する部位と、上記周辺部に位置するバンプ３１に正対する部位とで、材質を変え、前者を後者よりも比重の大きな材質にて構成することにより、ホーン１００の質量を部分的に異ならせている。

ここで、ホーン１００のうち上記周辺部に位置するバンプ３１に正対する部位を、ホーン周辺部１１０ということにする。具体的にホーン周辺部１１０とは、上記図１（ｂ）中の左右の２個の破線四角形で囲まれた領域に対応するホーン１１０の部分である。

そして、ホーン１００は上述のように炭素鋼などにより構成されるが、図４に示される例では、たとえば、ホーン周辺部１１０をそれ以外のホーン１００の部位に比べて、鉄成分が多い組成として比重を大きくすればよい。

これにより、第１の半導体チップ１０の一面の上記中央部に位置するバンプ３１よりも上記周辺部に位置するバンプ３１の方が、ホーン１００から大きな荷重を受けるため、第２の半導体チップ２０側のバンプ３２との接触圧が大きくなる。

そのため、本実施形態においても、超音波印加時に、第１の半導体チップ１０の上記中央部に位置するバンプ３１よりも上記周辺部に位置するバンプ３１の方が、印加される超音波エネルギーが大きくなる。それゆえ、上記実施形態と同様に、当該周辺部のバンプ３１の接合状態を従来よりも向上させることが可能となり、複数のバンプ３１、３２を一括接合するにときに各バンプ３１、３２の接合状態を均一化するのに適した製造方法が提供される。

なお、ホーン１００の質量を部分的に異ならせることは、上記図４に示される例に限定されるものではなく、次の図５や図６に示されるように、ホーン１００の形状を部分的に変えることにより行ってもよい。

図５に示される例では、ホーン１００において、ホーン周辺部１１０に突起１２０を設けることにより、ホーン周辺部１１０をそれ以外のホーン１００の部位よりも体積の大きなものとしている。それにより、上記同様に、ホーン１００の質量を部分的に異ならせ、ホーン周辺部１１０が部分的に重いものになっている。

図６に示される例では、ホーン１００において、ホーン周辺部１１０とホーン周辺部１１０との間に、切り欠き部１３０を設けることにより、ホーン周辺部１１０をそれ以外のホーン１００の部位よりも体積の大きなものとしている。この場合も、上記同様に、ホーン１００の質量を部分的に異ならせ、ホーン周辺部１１０が部分的に重いものになっている。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、ホーン１００に当たる第１の半導体チップ１０はセンサ素子であり、第２の半導体チップ２０は回路素子であったが、これら両半導体チップ１０、２０はその一面に平面的に配置された複数個のバンプ３１、３２を有するものであればよく、たとえば、ホーン１００に当たる第１の半導体チップ１０が回路素子、第２の半導体チップ２０が回路素子でもよいし、さらには両半導体チップ１０、２０ともにセンサ素子でもよいし、両半導体チップ１０、２０ともに回路素子でもよい。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略断面図、（ｂ）は同半導体装置における第１の半導体チップの一面側の概略平面図、（ｃ）は同半導体装置における第２の半導体チップの一面側の概略平面図である。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における半導体チップの接合工程を示す工程図である。複数個のバンプを一括加工して突出高さを異ならせる工程を示す工程図である。本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における半導体チップの接合工程を示す工程図である。第２実施形態の他の例を示す概略断面図である。第２実施形態のもう一つの他の例を示す概略断面図である。

符号の説明

１０第１の半導体チップ
２０第２の半導体チップ
３１第１の半導体チップのバンプ
３２第２の半導体チップのバンプ
１００ホーン
３００凸面部材
３１０凸面

Claims

複数個のバンプ（３１）が一面側に平面的に配置された第１の半導体チップ（１０）と、前記第１の半導体チップ（１０）の前記バンプ（３１）に対応する複数個のバンプ（３２）が一面側に平面的に配置された第２の半導体チップ（２０）とを用意し、
前記第１の半導体チップ（１０）における前記一面とは反対側の他面に、超音波を発振するホーン（１００）を当てて、前記第１の半導体チップ（１０）の前記一面と前記第２の半導体チップ（２０）の前記一面とを対向させた状態で、当該両半導体チップ（１０、２０）の前記各バンプ（３１、３２）同士を接触させ、前記ホーン（１００）によって前記第１の半導体チップ（１０）の前記バンプ（３１）に超音波を印加することにより、当該両半導体チップ（１０、２０）の前記各バンプ（３１、３２）同士を接合する半導体装置の製造方法において、
前記第１の半導体チップ（１０）の前記複数個のバンプ（３１）のうち前記第１の半導体チップ（１０）の前記一面の前記超音波により前記第１の半導体チップ（１０）が振動する振動方向における中央部に位置するバンプよりも当該一面の前記振動方向における周辺部に位置するバンプの方が、前記第２の半導体チップ（２０）側の前記バンプ（３２）との接触圧を大きくすることにより、
前記中央部に位置するバンプよりも前記周辺部に位置するバンプの方が、印加される超音波エネルギーが大きくなるように、前記超音波の印加を行うものであり、
前記ホーン（１００）を、前記第１の半導体チップ（１０）の前記他面の全体に接触させた状態で前記超音波の印加を行いつつ、前記ホーン（１００）のうち前記中央部に位置するバンプに正対する部位よりも前記周辺部に位置するバンプに正対する部位の方が、質量が大きくなるように、前記ホーン（１００）の質量を部分的に異ならせることにより、前記接触圧を大きくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。