(57)【要約】【課題】ウェハ状態で積層を行った後にダイシングする積層チップ形成方法において歩留まりを向上させる。【解決手段】半導体チップを形成されるウェハＷ１の上面に複数のはんだボール２０を形成する。次に、半導体チップを形成されるウェハＷ２の下面を、ウェハＷ１の上面と接触させることなくはんだボール２０に接触させる。このはんだボール２０を溶解させることにより、ウェハＷ１とウェハＷ２を接着する。ウェハＷ１の周縁にはんだボール２０を形成してもよいし、ウェハＷ１にランドを設けてそこにはんだボール２０を形成してもよい。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のウェハの第１の面上に複数の熱溶解素子を形成し、
前記第１のウェハの前記第１の面に接せず、前記複数の熱溶解素子のみに接するように、第２のウェハの第２の面を前記第１のウェハに重ねることを特徴とする積層チップ形成方法。
【請求項２】
前記第１のウェハに重ねる工程によって前記第１のウェハの前記第１の面と前記第２のウェハの前記第２の面との間の空間にクリーニングガスを流すことを特徴とする請求項１記載の積層チップ形成方法。
【請求項３】
前記クリーニングガスを流す工程の後に、前記複数の熱溶解素子を熱溶解させ、前記第１のウェハの前記第１の面と前記第２のウェハの前記第２の面とを貼り合わせることを特徴とする請求項１または２記載の積層チップ形成方法。
【請求項４】
前記複数の熱溶解素子のそれぞれは、前記第１のウェハの端部に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層チップ形成方法。
【請求項５】
前記複数の熱溶解素子のぞれぞれは、前記第１のウェハの前記第１の面上に形成されるランド領域に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の積層チップ形成方法。
【請求項６】
前記熱溶解素子は、はんだボールまたは樹脂ボールであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の積層チップ形成方法。
【請求項７】
前記第１のウェハに重ねる工程の後に、前記第１ウェハ及び前記第２ウェハからなる積層ウェハを個片化することによって、複数の積層チップを生成することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の積層チップ形成方法。
【請求項８】
半導体チップを形成される第１のウェハに複数の熱溶解素子を形成するステップと、
半導体チップを形成される第２のウェハを、前記第１のウェハと接触させることなく前記第１のウェハの前記熱溶解素子に接触させるステップと、
前記熱溶解素子を溶解させることにより、前記第１のウェハと前記第２のウェハを接着するステップと、を備えることを特徴とする積層チップ形成方法。
【請求項９】
前記第１のウェハの表面には第１の金属バンプを含む第１のバンプ層が形成され、
前記第２のウェハの表面にも第２の金属バンプを含む第２のバンプ層が形成され、
前記熱溶解素子の高さは、前記第１および第２の金属バンプの高さの合計よりも高く、
前記第２のウェハの前記第２のバンプ層を前記第１のウェハの前記第１のバンプ層と接触させることなく前記第２のウェハを前記熱溶解素子に接触させることを特徴とする請求項８に記載の積層チップ形成方法。
【請求項１０】
前記第１のウェハに形成される半導体チップは第１の貫通電極を含み、
前記第２のウェハに形成される半導体チップは第２の貫通電極を含み、
前記第１の貫通電極は前記第１の金属バンプと接続され、
前記第２の貫通電極は前記第２の金属バンプと接続されることを特徴とする請求項９に記載の積層チップ形成方法。
【請求項１１】
前記第１のウェハと前記第２のウェハを接着するステップの後に、前記第１ウェハ及び前記第２ウェハからなる積層ウェハを個片化することによって、複数の積層チップを生成することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の積層チップ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の積層方法に関し、特に、金属バンプにより上下の半導体装置を積層する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の半導体チップを高密度にパッケージングする技術として、マルチチップパッケージとよばれるパッケージング方法が知られている。マルチチップパッケージにおいては、パッケージ基板上に複数の半導体チップを積層し、ボンディングワイヤを用いて各半導体チップとパッケージ基板とを接続する。
【０００３】
しかしながら、マルチチップパッケージには多数のボンディングワイヤが用いられるため、ボンディングに必要なエリア分だけパッケージの平面サイズが増大するだけでなく、ボンディングワイヤの寄生インダクタンス成分によって信号品質が悪化するという問題がある。このような問題を解決すべく、近年においては上下の半導体チップを金属バンプによって接合するタイプの積層型半導体装置も提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２１０１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
金属バンプを用いた積層型半導体装置を製造する方法として、２つの方法が知られている。第１の方法は、ウェハを切断することによって多数の半導体チップを個片化した後、いくつかの半導体チップを積層することによって作製する。第２の方法は、ウェハ状態で積層を行い、積層されたウェハを切断する。
【０００６】
上述の第１の方法は、半導体チップに対して積層工程が必要となるため工程数が多く、製造コストが高いという問題がある。他方、上述の第２の方法は、第１の方法の問題を解決する。第２の方法では、ウェハを上下に重ね合わせ、ウェハ表面に形成されるすべての金属バンプをまとめて接続している。しかし、ウェハの貼り合わせ工程は、金属バンプのアライメントがずれやすいなど製造上の難所となりやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、積層チップの形成方法に関するものであり、第１のウェハの第１の面上に複数の熱溶解素子を形成し、第１のウェハの第１の面に接せず、複数の熱溶解素子のみに接するように、第２のウェハの第２の面を第１のウェハに重ねる。
【０００８】
また、本発明は、積層チップの形成方法に関するものであり、半導体チップを形成される第１のウェハに複数の熱溶解素子を形成するステップと、半導体チップを形成される第２のウェハを、第１のウェハと接触させることなく第１のウェハの熱溶解素子に接触させるステップと、熱溶解素子を溶解させることにより、第１のウェハと第２のウェハを接着するステップと、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積層型の半導体装置の製造工程における歩留まりを改善できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の好ましい実施形態による積層チップの製造工程を説明するためのフローチャートである。
【図２】積層されるウェハＷ１，Ｗ２の部分断面図である。
【図３】各半導体チップに設けられた貫通電極と表面バンプ及び裏面バンプとの接続関係を説明するための図である。
【図４】金属バンプの形成及びウェハの積層の具体的方法の一例を説明するための工程図である。
【図５】積層されたウェハがダイシングされた状態を示す模式図である。
【図６】比較例における貼り合わせ工程を示す第１の模式図である。
【図７】比較例における貼り合わせ工程を示す第２の模式図である。
【図８】本実施形態における貼り合わせ工程を示す第１の模式図である。
【図９】本実施形態における貼り合わせ工程を示す第２の模式図である。
【図１０】ランド領域にはんだボールを形成する変形例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の好ましい実施形態による積層チップの製造工程を説明するためのフローチャートである。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態による積層チップの製造工程においては、複数の半導体チップを有するウェハを作製する（ステップＳ１）。
【００１４】
次に、各半導体チップの主面と裏面に金属バンプを形成する（ステップＳ２）。
【００１５】
このステップＳ２では、図２に示すように、金属バンプＢはウェハＷの両面に形成される。ウェハＷは回路素子が形成された主面Ｗｆと裏面Ｗｂを有しており、主面Ｗｆに形成された金属バンプＢは表面バンプＦＢとよばれ、裏面Ｗｂに形成された金属バンプＢは裏面バンプＢＢと呼ばれる。図２には示されていないが、表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢは、当該半導体チップを貫通して設けられた貫通電極を介して電気的に接続されている。ここで、貫通電極は、ビア、貫通ビア、貫通基板ビア、貫通基板電極、TSV、Through-Silicon Via、Through-Substrate Via等の名称で呼ばれる素子を用いることができる。
【００１６】
次に、複数のウェハを積層する（ステップＳ３）。
【００１７】
このステップＳ３では、図２に示すように、ウェハの積層は、一方のウェハＷ１の裏面バンプＢＢと他方のウェハＷ２の表面バンプＦＢとが接合されるように行う。ただし、表面バンプＦＢ同士、あるいは、裏面バンプＢＢが接合されるように積層しても構わない。また、３以上のウェハを積層する場合には、積層するウェハごとにステップＳ３，Ｓ４を実行しても構わない。
【００１８】
最後に、複数のウェハを積層した後、図２に示すダイシングラインＤに沿って複数のウェハを切断することにより、個片化された複数の積層チップを取り出すことができる（ステップＳ４）。
【００１９】
本実施形態における製造方法の特徴は、主として、ステップＳ３のウェハ積層工程に関する。
【００２０】
図３は、各半導体チップＣ１，Ｃ２に設けられた貫通電極と表面バンプＦＢ及び裏面バンプＢＢとの接続関係を説明するための図である。
【００２１】
ウェハＷ２は複数の半導体チップを含み、その上に積層されるウェハＷ１も複数の半導体チップを含む。ここでは、ウェハＷ２に含まれる半導体チップＣ２と、ウェハＷ１に含まれる半導体チップＣ１の積層構造を示している。半導体チップＣ１，Ｃ２は、それぞれ半導体基板１０と配線層１２を有する。半導体チップＣ１の半導体基板１０は貫通電極１４−１〜１４−３を含み、半導体チップＣ２の半導体基板１０は貫通電極１４−４〜１４−６を含む。半導体チップＣ１には表面バンプＦＢ１〜ＦＢ３，裏面バンプＢＢ１〜ＢＢ３が形成され、半導体チップＣ２には表面バンプＦＢ４〜ＦＢ６，裏面バンプＢＢ４〜ＢＢ６が形成される。
【００２２】
貫通電極１４−１〜１４−３はそれぞれ表面バンプＦＢ１〜ＦＢ３及び裏面バンプＢＢ１〜ＢＢ３と接続されている。貫通電極１４−４〜１４−６は、それぞれ表面バンプＦＢ４〜ＦＢ６及び裏面バンプＢＢ４〜ＢＢ６と接続されている。そして、半導体チップＣ２の表面バンプＦＢ４〜ＦＢ６は、半導体チップＣ１の裏面バンプＢＢ１〜ＢＢ４と接続される。これにより、図３に示す領域には貫通電極１４−１〜１４−６を含む３本の伝送パスが形成され、半導体チップＣ１，Ｃ２の配線層１２に形成される各種回路に信号が伝送される。
【００２３】
図４は、図１に示す金属バンプの形成（ステップＳ２）及びウェハの積層（ステップＳ３）の具体的な方法を示す。
【００２４】
まず、図４（ａ）に示すように、ウェハＷ１の配線層１２側の表面に感光性樹脂２１を塗布し、露光によってパターニングすることにより、配線層１２に設けられたパッド電極（図示せず）上の感光性樹脂２１を除去する。これにより、パッド電極が感光性樹脂２１から露出した状態となる。ここで、感光性樹脂２１は、絶縁材料、絶縁膜、又はパターン形成された絶縁膜で良く、感光性樹脂２１は、たとえば、ポリイミド樹脂等を含む。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、スパッタリングにより全面に給電膜２２を形成する。
【００２６】
給電膜２２を形成した後、図４（ｃ）に示すように、給電膜２２を用いた電解めっきによってめっき層２３を形成する。めっき層２３を構成する金属は、たとえば、銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などである。
【００２７】
次に、図４（ｄ）に示すように、ＣＭＰ法などによって感光性樹脂２１の上面に形成されためっき層２３を除去する。残存するめっき層２３が表面バンプＦＢとなる。
【００２８】
このような工程を他のウェハＷ２，Ｗ３・・・に対しても行い、これによって表面バンプＦＢが形成された複数のウェハを作製する。
【００２９】
次に、図４（ｅ）に示すように、表面バンプＦＢ同士が接合されるように２つのウェハＷ１，Ｗ２を貼り合わせる。ここで、ウェハＷ１の表面には、一定の高さ幅を有するバンプ層１８（感光性樹脂２１と表面バンプＦＢ）が存在する。図４（ｅ）では、ウェハＷ１の表面上に上述の感光性樹脂２１等が残った状態で、ウェハＷ２とウェハＷ１を貼り合わせる。ウェハＷ１とウェハＷ２は表面バンプＦＢ同士を接続するが、ウェハＷ２とウェハＷ３、ウェハＷ３とウェハＷ４など他のウェハＷ同士は表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢを接続する。
【００３０】
本実施形態における製造方法の特徴は、図１のＳ４工程のうち、特に、図４（ｅ）に示す貼り合わせ工程に関する。図４（ｅ）の貼り合わせ工程における問題点とその解決方法については、図６以降に関連して後述する。
【００３１】
次に、図４（ｆ）に示すように、ウェハＷ２を裏面Ｗｂ側から研削することにより、ウェハＷ２を構成する半導体基板を薄型化する。研削後における半導体基板の厚さについては特に限定されないが、例えば１００μｍ程度とすることができる。なお、半導体基板を薄型化は、研磨やエッチングなどを他の方法を用いても構わない。
【００３２】
次に、図４（ｇ）に示すように、薄型化されたウェハＷ２の裏面Ｗｂに感光性樹脂３１を塗布し、露光によってパターニングすることにより、貫通電極１４を形成すべき領域の感光性樹脂３１を除去する。
【００３３】
次に、図４（ｈ）に示すように、パターニングされた感光性樹脂３１をマスクとしてウェハＷ２をエッチングすることにより、貫通電極１４用の貫通孔１４Ｘを形成する。
【００３４】
次に、図４（ｉ）に示すように、ＣＶＤ法などを用いて全面に絶縁膜３２を形成した後、エッチバックを行うことによって、貫通孔１４Ｘの内壁に絶縁膜３２を残存させる。かかるエッチバックを行うと、貫通孔１４Ｘの底部には、貫通電極１４の端部１４ｆに接続されるべき内部導体（図示せず）露出する。
【００３５】
次に、全面に給電膜を形成した後、図４（ｊ）に示すように、電解めっきによって貫通孔１４Ｘの内部に金属からなる貫通電極１４を形成する。貫通電極１４を構成する金属は、たとえば、銅（Ｃｕ）である。その後、ＣＭＰ法などによって感光性樹脂３１の上面に形成された不要なめっき層を除去する。
【００３６】
次に、図４（ｋ）に示すように、貫通電極１４が形成されたウェハＷ２の裏面Ｗｂに感光性樹脂４１を塗布し、露光によってパターニングすることにより、金属バンプ（裏面バンプＢＢ）を形成すべき領域の感光性樹脂４１を除去する。これにより、裏面バンプＢＢを形成すべき領域においては、貫通電極１４の端部１４ｂが露出する。
【００３７】
この状態で全面に給電膜を形成した後、図４（ｌ）に示すように、電解めっきにより裏面バンプＢＢを形成する。裏面バンプＢＢを構成する金属は、表面バンプＦＢと同様、銅（Ｃｕ）や金（Ａｕ）などである。そして、ＣＭＰ法などによって感光性樹脂４１の上面に形成された不要なめっき層を除去する。これにより、ウェハＷ１とウェハＷ２の貼り合わせが完了する。
【００３８】
次に、図４（ｍ）に示すように、ウェハＷ２の裏面バンプＢＢとウェハＷ３の表面バンプＦＢが接合されるよう、ウェハＷ２，Ｗ３を貼り合わせ、図４（ｆ）〜（ｌ）に示す工程を実行すれば、ウェハＷ２とウェハＷ３の貼り合わせが完了する。その後は、図４（ｆ）〜（ｌ）に示す工程を繰り返し、所望の枚数のウェハＷ１，Ｗ２・・・を貼り合わせる。
【００３９】
ウェハの貼り合わせが完了した後、図５に示すように、積層された状態の複数のウェハをダイシングラインＤに沿って切断し、個片化された複数の積層チップＳＴを取り出す。
【００４０】
図６および図７は、比較例における貼り合わせ工程を示す模式図である。
【００４１】
貼り合わせ工程の一例として想定される図６，図７の比較例においては、ウェハＷａとウェハＷｂを向かい合わせるとき、ウェハＷａの周縁にスペーサ１６を挿入する。ウェハＷａのバンプ層１８ａ（表面バンプＦＢと感光樹脂２１）とウェハＷｂのバンプ層１８ｂ（裏面バンプＢＢと感光樹脂２１）はスペーサ１６により非接触にて向かい合う。
【００４２】
ここで、バンプ層１８ａとバンプ層１８ｂの間に窒素などのクリーニングガスを送り、バンプ層１８ａ，１８ｂの表面をクリーニングする。このときアニール処理を施してもよい。クリーニング後、スペーサ１６を引き抜き、ウェハＷａとウェハＷｂを貼り合わせる。
【００４３】
しかし、スペーサ１６を引き抜くとき摩擦でウェハＷが動く可能性があり、表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢのアライメントずれが生じる可能性がある。また、スペーサ１６の引き抜き時にウェハＷが削られて塵が出る可能性もある。
【００４４】
なお、スペーサ１６は、後述するような熱溶解素子ではない。そのため、上述した引き抜き作業が必要になり、アライメントずれ等の問題が懸念される。
【００４５】
図８，図９は、本実施形態における貼り合わせ工程を示す模式図である。ここでは、図１のＳ４工程のうち、特に、図４（ｅ）に示す貼り合わせ工程を詳述する。
【００４６】
図４（ｄ）に示す工程の後、図８に示すように、ウェハＷａ（第１のウェハ）およびウェハＷｂ（第２のウェハ）の周縁領域２４には、バンプ層１８は形成されない。図４（ａ）に示した感光樹脂２１を周縁領域２４においてもエッチングすれば、バンプ層１８のない周縁領域２４を形成できる。
【００４７】
図４（ｅ）に示す貼り合わせ工程の第１ステップで、図８に示すように、ウェハＷａの周縁領域２４には、はんだボール２０（熱溶解素子）が設置される。
【００４８】
ここで、熱溶解素子は、はんだボール２０に限らず、ポリイミド、エポキシ、アクリル等の樹脂からなる樹脂ボールであってもよいし、他の素材であってもよいが、いずれにしても熱を加えることによって溶解する素材により形成されていればよい。インクジェットにより樹脂等を周縁領域２４に滴下することにより熱溶解素子を周縁領域２４に形成してもよい。はんだボール２０は、複数個形成されてよく、複数個のはんだボールのそれぞれは、外周縁に沿って、互いに等間隔に設置されてよい。また、はんだボール２０を形成することにより、２つウェハの間（すなわち、２つのパンプ層の間）に、図９で示すように、空間が形成される。
【００４９】
本実施形態におけるバンプ層１８ａ（第１のバンプ層）とバンプ層１８ｂ（第２のバンプ層）の高さｈ１，ｈ２はいずれも約５μｍであり、はんだボール２０の高さｈ３は約２００μｍである。このため、ウェハＷｂははんだボール２０と接触しても、バンプ層１８ａとバンプ層１８ｂは非接触となる。このためには、ｈ３＞ｈ１＋ｈ２の関係が成立する必要がある。
【００５０】
ウェハＷｂの裏面バンプＢＢ（第２の金属バンプ）とウェハＷａの表面バンプＦＢ（第１の金属バンプ）が対向するように位置合わせをした上で、ウェハＷａのはんだボール２０の上にウェハＷｂが載せられている。上述のように、ウェハＷａの表面バンプＦＢは、ウェハＷａに形成される貫通電極１４（第１の貫通電極）と接続され、ウェハＷｂの裏面バンプＢＢは、ウェハＷｂに形成される貫通電極１４（第２の貫通電極）と接続される。
【００５１】
貼り合わせ工程の第２ステップで、バンプ層１８ａとバンプ層１８ｂの間にクリーニングガスを流し、各バンプ層１８の表面をクリーニングする。
【００５２】
貼り合わせ工程の第３ステップで、クリーニングした後に、はんだボール２０を熱によって溶解させる。
【００５３】
ここで、はんだボール２０が溶解するとウェハＷｂははんだボール２０による支えを失うので、バンプ層１８ａとバンプ層１８ｂが接着され、表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢも接続される。上述のアニール処理により溶解させてもよい。
【００５４】
上述した図４（ｅ）に示す貼り合わせ工程の第１から第３ステップに示すように、本実施形態における貼り合わせは、はんだボール２０を溶解させてウェハＷｂをまっすぐに降ろす方法であるため、表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢのアライメントがずれにくい。また、スペーサ１６の引き抜き時のような発塵の要因もない。はんだボール２０が溶解した後も周縁領域２４からこぼれないように、はんだボール２０の容量や周縁領域２４の大きさを調整することが望ましい。図８では８個のはんだボール２０を使用しているが、はんだボール２０はウェハＷｂの台座になればいいので４個〜数個程度あればよい。
【００５５】
図１０は、本実施形態におけるはんだボール２０の配置方法の変形例を示す模式図である。
【００５６】
図１０に示すように、ウェハＷａにおいて半導体チップＣが形成されない領域に複数のランド領域２６を形成してもよい。ランド領域２６も、周縁領域２４と同じく、図４（ａ）に示した感光樹脂２１をランド領域２６においてもエッチングすればよい。あるいは、レーザー等により感光樹脂２１を削ることでランド領域２６を形成してもよい。ランド領域２６にははんだボール２０が設置される。ランド領域２６に形成されたはんだボール２０は、ウェハＷｂを支え、クリーニング処理後に熱溶解されるというプロセスは同じである。
【００５７】
いずれにしても、ウェハＷａに形成された熱溶解素子によってウェハＷｂを支え、バンプ層１８ａとバンプ層１８ｂの表面をクリーニングしたあと、熱溶解素子を溶かすため、表面バンプＦＢと裏面バンプＢＢのアライメントがずれにくい。このような貼り合わせ方法によれば、ウェハ状態で積層を行った後にダイシングする積層チップ形成方法における歩留まりを向上させることができる。
【００５８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１０  半導体基板
１２  配線層
１４  貫通電極
１６  スペーサ
１８  バンプ層
２０  はんだボール
２１  感光樹脂
２２  給電膜
２３  めっき層
２４  周縁領域
２６  ランド領域
３１  感光性樹脂
３２  絶縁膜
４１  感光性樹脂
Ｂ  金属バンプ
ＦＢ  表面バンプ
ＢＢ  裏面バンプ
Ｗ  ウェハ
Ｗｆ  主面
Ｗｂ  裏面
Ｄ  ダイシングライン
Ｃ  半導体チップ
ＳＴ  積層チップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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