(57)【要約】【課題】圧接の際にバンプを接合する圧力に圧力不足が起こらないウエハ接合装置を提供する。【解決手段】  ２枚のウエハ１を、そのバンプ２同士を対面させて重ね合わせ挟み込む２枚の加圧板３，４と、加圧板同士３，４に圧力がかかるように加圧するプレス装置と、バンプ２，３を加熱する加熱装置を有するウエハ接合装置であって、加圧板３，４の少なくとも一方のウエハ１に面する表面部分３ａ，４ａが、ウエハ１のパターン形成部分１ａと略同一の形状をしていることを特徴とするウエハ接合装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚のウエハを、そのバンプ同士を対面させて重ね合わせ挟み込む２枚の加圧板と、前記加圧板同士に圧力がかかるように加圧するプレス装置と、前記バンプを加熱する加熱装置を有するウエハ接合装置であって、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とするウエハ接合装置。
【請求項２】
２枚のウエハを、そのバンプ同士を対面させて重ね合わせ挟み込む２枚の加圧板と、前記加圧板同士に圧力がかかるように加圧するプレス装置と、前記バンプを加熱する加熱装置を有するウエハ接合装置であって、前記プレスの押圧面の少なくとも一方が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とするウエハ接合装置。
【請求項３】
前記２枚のウエハの位置合わせ装置を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のウエハ接合装置。
【請求項４】
重ね合わされた前記２枚のウエハと、前記プレス装置との位置合わせ装置を有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のウエハ接合装置。
【請求項５】
前記プレスの押圧面を構成する部材は、一方のみが可動で、他方は固定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のウエハ接合装置。
【請求項６】
２枚のウエハを加圧板の間に挟んで加圧装置により加圧し、それぞれの前記ウエハに形成されたバンプ同士を、加熱加圧接合により接合する工程を有する積層形半導体装置の製造方法であって、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とする積層形半導体装置の製造方法。
【請求項７】
２枚のウエハを加圧板の間に挟んで加圧装置により加圧し、それぞれの前記ウエハに形成されたバンプ同士を、加熱加圧接合により接合する工程を有する積層形半導体装置の製造方法であって、前記加圧装置の、前記加圧板を押圧する部材の表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とする積層形半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ接合装置及び積層形半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置においては、その集積度を上げる技術が日夜進歩しており、これまで、主として回路パターンの微細化の促進により集積度が高められてきた。しかしながら、論文（岡本和也：電子情報通信学会論文誌  J88-C pp.839-850 (2005)）に記述されているように、（１）トランジスタの物理限界、（２）半導体システムとしての性能限界、（３）装置、マスク等の高騰に起因する経済性限界、により、微細化そのものが限界を迎え、それ以上集積度を上げるために、従来の２次元から３次元構造へ展開することが一つの解として期待されている。
【０００３】
３Ｄ−ＬＳＩを大きく分類すると、ＫＧＤ（Known-Good-Die）のみを低精度のダイボンダで積層しワイヤボンドで半導体チップ間を接続する「簡易Chip積層」、バーンイン・テストを行った良品パッケージを積層する「パッケージ型積層」、そして、Siウエハ上に素子間の貫通電極を設けウエハもしくは半導体チープ同士を直接接続して形成する「貫通電極型積層（以下、ＴＳＶ：Through Si Via積層と称する）」に分類できる。
【０００４】
前２者は既に実用化の域にあり、ＴＳＶ積層が最終的な形態として期待されている。例えば、ＤＲＡＭの場合、高度な微細化を待たずにメモリセルアレイウエハの単純な積層により、チップサイズや設計線幅の変更なく容量を増大できるためである。
【０００５】
さて、ＴＳＶ積層を以下の３つの方法に分類する。
【０００６】
（１）Chip-to-Chip（Ｃ２Ｃ）：ＫＧＤ(Known-Good-Die)同士を積層する簡便な手法である。
（２）Chip-to-Wafer（Ｃ２Ｗ）：ウエハ上にＫＧＤを搭載するもので（１）と類似の系といえる。
（３）Wafer-to-Wafer（Ｗ２Ｗ）：高歩留まりウエハを前提とし、ウエハ同士を直接張り合わせる方式であり最終的な積層形態といえる。本特許請求の範囲及明細書で取り上げるものは、Ｗ２Ｗ方式の一種である。その場合のウエハとウエハを接合方法するウエハ接合装置の概要を図３に示す。なお、ウエハ接合装置全体の概要は、例えば特開２００５−２５１９７２号公報（特許文献１）に記載されており、公知のものであるので、図示と説明を省略し、本発明に関係のある部分のみを図示し説明する。
【０００７】
２枚のウエハ２１には、図３（ａ）の平面図に示すように、パターンが形成されたパターン領域２１ａが設けられ、その周囲は何も設けられないブランク領域となっている。パターン形成部２１ａには、図３（ｂ）に示すように、バンプ２２と呼ばれる導電体が形成されており、バンプ２２同士を接合することによりウエハ間での電気的接合を図っている。バンプ２２の中には、電気的導通には寄与せず、接合の強度を保つためのダミーバンプも含まれている。Ｗ２Ｗにおいては、ウエハ２１同士の対応するバンプ２２同士が接するようにウエハを重ね合わせて接合する。接合には、バンプ２２を加熱し、加圧して接合する加熱加圧接合が一般的に使用される。
【０００８】
図３（ｂ）は、ウエハ２１のバンプ２２同士が接する様にして加圧板２３，２４の間に挟み、図示しないプレス装置によって、上下から加圧板２３，２４を加圧することによって、バンプ２２同士の接合を行っている様子を示す。接合に際しては図示しない加熱装置によって、バンプ２２を加熱している。
【特許文献１】特開２００５−２５１９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このような方法においては、以下のような問題点がある。一般に加圧板２３，２４の直径は、ウエハ２１の直径Ｄと同じとされている。これは、パターン形成部２１ａの外寸Ｂ、則ちバンプ２２群の外寸Ｂより大きい。そのため、ウエハ２１の外周部（ブランク部分）にかかる圧力が、バンプ２２群で受け止められない。これに対応して加圧板２３，２４及びウエハ１の外周部のハッチングをした部分の圧力は、受け止めるもののない余剰圧力となる。
【００１０】
そのため、バンプ２２群での圧力分布は、図３（ｃ）に示したようなものとなる。則ち、バンプ２２群の端部に応力集中が起こり、過剰圧力となると共に、その少し内側ではそのリバウンドで圧力が低くなり、目標圧力に達しなくなる。目標圧力に達しないバンプ２２においては、十分な接合が行われない。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧接の際にバンプを接合する圧力に圧力不足が起こらないウエハ接合装置及び積層形半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための第１の手段は、２枚のウエハを、そのバンプ同士を対面させて重ね合わせ挟み込む２枚の加圧板と、前記加圧板同士に圧力がかかるように加圧するプレス装置と、前記バンプを加熱する加熱装置を有するウエハ接合装置であって、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とするウエハ接合装置である。
【００１３】
本手段においては、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしているので、このような加圧板に加えられた力はほぼ全てがバンプで受け止められる。よって、バンプでの圧力分布が均一となり、圧力不足の領域が発生しない。よって、バンプの全領域をほぼ目標圧力で加圧できる。
【００１４】
前記課題を解決するための第２の手段は、２枚のウエハを、そのバンプ同士を対面させて重ね合わせ挟み込む２枚の加圧板と、前記加圧板同士に圧力がかかるように加圧するプレス装置と、前記バンプを加熱する加熱装置を有するウエハ接合装置であって、前記プレスの押圧面の少なくとも一方が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とするウエハ接合装置である。
【００１５】
本手段においては、前記プレスの押圧面の少なくとも一方が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしているので、前記第１の手段と同様に、対面する加圧板に加えられた力はほぼ全てがバンプで受け止められる。よって、バンプでの圧力分布が均一となり、圧力不足の領域が発生しない。よって、バンプの全領域をほぼ目標圧力で加圧できる。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記２枚のウエハの位置合わせ装置を有することを特徴とするものである。
【００１７】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかであって、重ね合わされた前記２枚のウエハと、前記プレス装置との位置合わせ装置を有することを特徴とするものである。
【００１８】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記プレスの押圧面を構成する部材は、一方のみが可動で、他方は固定されていることを特徴とするものである。
【００１９】
前記課題を解決するための第６の手段は、２枚のウエハを加圧板の間に挟んで加圧装置により加圧し、それぞれの前記ウエハに形成されたバンプ同士を、加熱加圧接合により接合する工程を有する積層形半導体装置の製造方法であって、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とする積層形半導体装置の製造方法である。
【００２０】
本手段においては、前記加圧板の少なくとも一方の前記ウエハに面する表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしているので、このような加圧板に加えられた力はほぼ全てがバンプで受け止められる。よって、バンプでの圧力分布が均一となり、圧力不足の領域が発生しない。よって、バンプの全領域をほぼ目標圧力で加圧できる。
【００２１】
前記課題を解決するための第７の手段は、２枚のウエハを加圧板の間に挟んで加圧装置により加圧し、それぞれの前記ウエハに形成されたバンプ同士を、加熱加圧接合により接合する工程を有する積層形半導体装置の製造方法であって、前記加圧装置の、前記加圧板を押圧する部材の表面部分が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしていることを特徴とする積層形半導体装置の製造方法。
【００２２】
本手段においては、前記プレスの押圧面の少なくとも一方が、前記ウエハのパターン形成部分と略同一の形状をしているので、前記第１の手段と同様に、対面する加圧板に加えられた力はほぼ全てがバンプで受け止められる。よって、バンプでの圧力分布が均一となり、圧力不足の領域が発生しない。よって、バンプの全領域をほぼ目標圧力で加圧できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、圧接の際にバンプを接合する圧力に圧力不足が起こらないウエハ接合装置及び積層形半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態であるウエハ接合装置及びそれを使用した積層形半導体装置の製造方法の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例であるウエハ接合装置の概要を示す図である。ウエハ接合装置は、ウエハのバンプを加熱装置により加熱し、プレス装置により対面接触したバンプ同士を加圧して加熱加圧接合を行うものであるが、プレス装置と加熱装置の本体部分については、特許文献１に記載されるように、従来広く用いられているものと同じであるので、その図示と説明を省略する。
【００２５】
図１において、（ａ）は、ウエハ接合装置の本発明に関係する部分を示す概要図であり、１はウエハ、２はウエハに設けられたバンプ（電気導通をとるための通常のバンプの他に、バンプ同士の接合によりウエハ同士の接合強度を高めるために設けられたダミーバンプを含む）、３，４は加圧板、５，６はプレス装置の押圧部材である。
【００２６】
まず、図示しない位置合わせ装置により、２枚のウエハ１のバンプ２同士が正確に重なり合うように、ウエハの位置合わせを行って重ね合わせる。この位置合わせは、例えばウエハ１に設けられた位置合わせマークを、顕微鏡により観察してこれらが重なり合うようにウエハ１の位置を調整することにより行う。そして、重ね合わせた２枚のウエハ１を加圧板３と加圧板４の間に挟み込む。そして、加熱装置によりバンプ２を加熱し、プレス装置の押圧部材５，６により、上下より加圧板３，４を加圧し、それによって、２枚のウエハ１のバンプ２に圧接力をかけて加熱圧接する。
【００２７】
図１（ｂ）はウエハ１の表面を示したもので、ウエハ１の中央部には、パターンが形成されたパターン形成部１ａが存在し（各正方形のエリアが１ショットで形成されるパターンとなっており、パターン形成部１ａはこれが集まったものである）、その周囲は、パターンの形成されていない部分となっている。パターン形成部１ａの周辺領域にはバンプも形成されていない。
【００２８】
図１（ｃ）は、加圧板３，４をウエハ１のバンプ２と接する表面側から見た図である。加圧板３，４は、ほぼウエハ１と同型の円柱状の形状をしているが、そのウエハ１と接する表面部分には、凸部３ａ，４ａをそれぞれ有している。この凸部３ａ，４ａの形状は、パターン形成部１ａの形状と同一とされている。
【００２９】
ウエハ１を加圧板４の上に載置するときは、パターン形成部１ａと加圧板４の凸部４ａとがウエハ１を通して重なり合うように位置合わせをして載置する。これは、例えば、ウエハ１に設けられた位置合わせマークと加圧板４に設けられた位置合わせマークが重なり合うように位置調整することによってなされる。この方法の１例は、特許文献１に詳しく記載されていて公知のものであるので、その説明を省略する。加圧板３と加圧板４との関係は、互いを接触させたとき、凸部３ａと凸部４ａが重なり合うような関係とされている。従って、上述のようにウエハ１を加圧板４の上に載置すると、パターン形成部１ａと加圧板３とがウエハ１を通して重なり合うように載置させる。
【００３０】
このような状態で押圧を行うと、ほぼ加圧板３，４に形成された凸部３ａ、４ａのみに圧力がかかり、又、ほぼウエハ１のパターン形成部１ａ内のみに圧力がかかる。則ち、ウエハ１のパターン形成部１ａの外部にある領域（ブランク領域）には圧力がかからない。
【００３１】
図１（ｄ）は、このときのバンプ２にかかる圧力分布を示す概念図である。従来の方法と異なり、ウエハ１のパターン形成部１ａの外部にある領域（ブランク領域）には圧力がかからないので、ウエハ１の変形がなく、バンプ２での圧力分布はほぼ一様となって、従来起こっていたリバウンドによる圧接力の低下を防止することができる。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態の他の例であるウエハ接合装置の概要を示す図である。図２において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して、その説明を省略する。図２（ａ）は、ウエハ接合装置の本発明に関係する部分を示す概要図である。
【００３３】
まず、図示しない位置合わせ装置により、前述のように、２枚のウエハ１のバンプ２同士が正確に重なり合うように、ウエハの位置合わせを行って重ね合わせ、この加圧板３と加圧板４の間に挟み込む。そして、加熱装置によりバンプ２を加熱し、プレス装置の押圧部材５、６により、上下より加圧板３，４を加圧し、それによって、バンプ２に圧接力をかけて加熱圧接する。
【００３４】
図１（ｂ）はウエハ１の表面を示したもので、ウエハ１の中央部には、パターンが形成されたパターン形成部１ａが存在し（各正方形のエリアが１ショットで形成されるパターンとなっており、パターン形成部１ａはこれが集まったものである）、その周囲は、パターンの形成されていない部分（ブランク部分）となっている。パターン形成部１ａの周辺領域にはバンプも形成されていない。
【００３５】
このウエハ接合装置においては、加圧板３と加圧板４は単なる円柱であるが、押圧部材５，６の形状が特殊な形状とされている。則ち、図２（ｃ）は、押圧部材５、６を加圧板３，４と接する表面側から見た図である。押圧部材５，６は、ほぼウエハ１と同径の円柱状の形状をしているが、加圧板３，４と接する先端部には凸部５ａ，６ａが設けられている。この凸部５ａ，６ａの形状は、パターン形成部１ａの形状と同一とされている。
【００３６】
ウエハ１を加圧板４の上に載置するときは、特許文献１に記載される方法と同様の方法により、パターン形成部１ａと凸部６ａとが加圧板４とウエハ１を通して重なり合うように位置合わせをして載置する。これは、ウエハ１に設けられた位置合わせマークと凸部６ａに設けられた位置合わせマークが重なり合うように位置調整することによってなされる。凸部５ａと凸部６ａの関係は、互いを接触させたとき、これらが重なり合うような関係とされている。従って、上述のようにウエハ１を加圧板４の上に載置すると、パターン形成部１ａと凸部５ａとが、加圧板３とウエハ１を通して重なり合うように載置させる。なお、ウエハ１同士の位置合わせは、前述した方法と同じ方法で行う。
【００３７】
このような状態で押圧を行うと、ほぼ押圧部材５，６内に形成された凸部５ａ、６ａのみに圧力がかかり、又、ほぼウエハ１のパターン形成部１ａ内のみに圧力がかかる。則ち、ウエハ１のパターン形成部１ａの外部にある領域（ブランク領域）には圧力がかからない。
【００３８】
図１（ｄ）は、このときのバンプ２にかかる圧力分布を示す概念図である。従来の方法と異なり、ウエハ１のパターン形成部１ａの外部にある領域（ブランク領域）には圧力がかからないので、ウエハ１の変形がなく、バンプ２内では圧力はほぼ一様となって、従来起こっていたリバウンドによる圧接力の低下を防止することができる。
【００３９】
以上説明したように、本発明の実施の形態であるウエハ接合装置を使用してウエハ１のバンプ１ａ同士の接合を行うと、バンプ１ａにかかる圧力分布をほぼ一様にして目標値に近づけることができ、接合不良の発生を防止することができる。
【００４０】
なお、プレス装置において、押圧部材５と押圧部材６は両方を可動としても良いが、例えば押圧部材６を固定定盤とし、押圧部材５のみを可動として押圧を行うようにすれば、機構が簡単となる。
【００４１】
なお、以上の説明においては、２枚のウエハを接合する場合について説明したが、３枚以上のウエハを接合する場合も同様にして行うことができる。この場合には、ウエハ１の両面にバンプ１ａを形成しておき、２枚のウエハの接合が終わった後、もう一方の側のバンプ１ａと３枚目のウエハのバンプ１ａを重ね合わせて、同様の手順でこれらのバンプ１ａ同士を加熱加圧接合する。このようにして、ウエハの両面にバンプ１ａを形成することにより、順次複数枚のウエハの接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態の１例であるウエハ接合装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の例であるウエハ接合装置の概要を示す図である。
【図３】従来のウエハ接合装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…ウエハ、１ａ…パターン形成部、２…バンプ、３…加圧板、３ａ…凸部、４…加圧板、４ａ…凸部、５…押圧部材、５ａ…凸部、６…押圧部材、６ａ…凸部
【図１】
2009170514.tif 000003
【図２】
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【図３】
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