(57)【要約】【課題】フリップチップボンディングにおいて、基板と半導体チップの接合位置ずれを正確に検出して補正する。【解決手段】基板４および半導体チップ１に相互に接触可能な複数の基板側検査用電極６および半導体チップ側検査用電極３を形成し、基板４と半導体チップ１とを接合位置に合致させた際に基板側検査用電極６に対して半導体チップ側検査用電極３を接触させて、基板側検査用電極６の複数の細分化電極に導通状態と非導通状態を作り出し、導通状態と非導通状態を検査用端子８とプローブ９と検出回路１０を通して接合ずれ検出部１１に情報として伝え、さらにボンディングヘッド制御部１２で接合位置補正情報として出力し、ボンディングヘッド駆動部１３で基板４に対する半導体チップ１の位置を補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップと、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板とを接合する半導体装置において、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極を有し、基板側検査用電極が複数に分割分離された平行な細分化電極からなり、半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極との接触により相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とが存在することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記基板側検査用電極および前記半導体チップ側検査用電極は、それぞれ２つ以上の箇所に設け、かつ少なくとも２つの基板側検査用電極が双方の細分化電極を相互に直交する方向に向けて配置してなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記細分化電極の配置間隔は、前記基板電極の配置間隔未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板側検査用電極は、突起形状をなすか、もしくは前記基板と前記半導体チップとが接合位置に合致する状態で前記半導体チップ側検査用電極と接触する形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記基板側検査用電極は、その高さが前記基板電極と同等以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体チップ側検査用電極は、突起形状をなし、前記半導体チップ電極と同じ製造プロセスで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体チップ側検査用電極は、前記細分化電極の配列方向に沿った長さが前記細分化電極の配置間隔以上であり、かつ前記細分化電極の配置間隔と許容する接合ずれ量とを合わせた寸法未満であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体チップ側検査用電極は、前記基板と前記半導体チップを正規の接合位置に合致させた状態で、前記基板側検査用電極の中央に配置されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記チップ側検査用電極の高さは、前記半導体チップ電極と同等以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップを、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板に実装するのに際し、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に設けた半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極とが接触する状態で、基板側検査用電極の複数に分割分離された平行な細分化電極のうちで、相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とを検出することにより、前記基板と前記半導体チップとの接合位置ずれ量を検知し、検知した接合位置ずれ量に基づいて前記基板に対する前記半導体チップの接合位置を補正することを特徴とする半導体チップの実装方法。
【請求項１１】
表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップを、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板に実装する装置であって、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に設けた半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極とが接触する状態で、基板側検査用電極の複数に分割分離された平行な細分化電極のうちで、相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とを検出して基板側検査用電極と半導体チップ側検査用電極の接合位置ずれ情報を出力する接合ずれ検出部と、前記接合位置ずれ量に基づいて前記半導体チップ側検査用電極が前記基板側検査用電極の中央に配置されるように接合位置補正情報を出力するボンディングヘッド制御部と、接合位置補正情報に基づいて前記基板と前記半導体チップの相対位置を補正するボンディングヘッド駆動部を備えることを特徴とする半導体チップの実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップをフリップチップボンディングにて基板に搭載する半導体装置および半導体チップの実装方法および半導体チップの実装装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器市場では商品の小型・軽量化が求められており、電子機器を構成する半導体デバイスに対しても同様の要望が強くなっており、基板やチップの微細化に伴って高い接合精度も求められるようになった。
【０００３】
このため、半導体チップの電極パッドにバンプと呼ばれる突起物を形成し、バンプを介して基板上に直接実装することにより小型・軽量化を実現できるフリップチップボンディング工法が広く利用されている。
【０００４】
フリップチップボンディングにて半導体チップを基板に実装する場合には、半導体チップと基板との双方の電極が均一な高さを持ち、半導体チップ表面と基板表面とが互いに平行となる位置合わせが必要となる。
【０００５】
しかしながら、この位置合わせの確認は、従来のワイヤーボンディングを行うパッケージと異なって困難である。つまり、フリップチップボンディングを行う場合には、基板と半導体チップとの双方の電極が互いに向かい合った状態で位置合わせされるので、その位置合わせ状態を直接観察することができない。このため、半導体チップ裏面からの外形観察により接合部の相対位置関係を推測するなどしていた。
【０００６】
このように、半導体チップと基板の正確な接合位置合わせが困難であることは、接合状態に異常が発生する原因の一つとなり、信頼性低下や歩留まり低下の大きな要因となっており、その後の実装工程へ大量の不良が流出するという問題があった。
【０００７】
このような課題を解決するために、基板と半導体チップの接合位置合わせ手法が種々報告されており、例えば、特許文献１に記載するものがある。これは図６に示すようなものである。
【０００８】
図６において、基台１２４に保持された基板ホルダ１２２が基板１２０を水平に保持すし、ボンディングヘッド１１２がチップ１１０を吸引して保持する。ボンディングヘッド１１２は、ボンディングヘッド駆動部１１６に機械的に結合されたボンディングヘッド保持部１１４が保持しており、ボンディングヘッド駆動部１１６は、ボンディングヘッド駆動制御部１１８により制御する。
【０００９】
チップ１１０と基板１２０には、その相互間の接続状態を検出するための検出用接合部材１２６が各角部にそれぞれ配置してある。基板１２０に配置した検出用接合部材１２６は基板接合領域１２５の外側に配置してあり、内部配線１３３によって検出用端子１３２と接続してある。チップ１１０に配置した検出用接合部材１２６はチップ接合領域１１５の外側に配置してあり、内部配線１１３によって相互に接続してある。
【００１０】
接触状態検出部１３４はプローブ１３０を介して検出用端子１３２に接続し、チップ１１０と基板１２０とが検出用接合部材１２６（導電性部材）を介して接合する前に、検出用接合部材１２６が非固化状態であるときに、チップ１１０と基板１２０との電気的な接触状態を検出する。
【特許文献１】特開２００７−１５７９７０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した構成における位置合わせ確認は、基板とチップとの検出用接合部材の接触状態から双方の垂直方向距離を検出し、双方の検出用接合部材の接合面の平行度を調整するものであり、基板とチップの平面方向の接合位置のずれ量は検出できないので、基板の接合面とチップの接合面との接合位置を平面方向において高精度に位置合わせすることが困難であった。また、チップと基板との双方の接合面の平行度は、検出用接合部材の非固化状態でしか検出できないので、接合部材や接合条件によっては適用できない場合がある。
【００１２】
本発明は上記した課題を解決するものであり、基板とチップの双方の接合面の平面方向における接合位置ずれ量を、電極が固化状態であるときにおいても高精度に検出でき、信頼性の高い接続構造を実現できる半導体装置および半導体チップの実装方法および半導体チップの実装装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップと、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板とを接合する半導体装置において、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極を有し、基板側検査用電極が複数に分割分離された平行な細分化電極からなり、半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極との接触により相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とが存在することを特徴とする。
【００１４】
また、前記基板側検査用電極および前記半導体チップ側検査用電極は、それぞれ２つ以上の箇所に設け、かつ少なくとも２つの基板側検査用電極が双方の細分化電極を相互に直交する方向に向けて配置してなることを特徴とする。
【００１５】
本発明の半導体チップの実装方法は、表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップを、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板に実装するのに際し、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に設けた半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極とが接触する状態で、基板側検査用電極の複数に分割分離された平行な細分化電極のうちで、相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とを検出することにより、前記基板と前記半導体チップとの接合位置ずれ量を検知し、検知した接合位置ずれ量に基づいて前記基板に対する前記半導体チップの接合位置を補正することを特徴とする。
【００１６】
本発明の半導体チップの実装装置は、表面に複数の半導体チップ電極を有する半導体チップを、前記半導体チップ電極と相対する位置に基板電極を有する基板に実装する装置であって、前記基板と前記半導体チップの双方の相対する複数箇所に設けた半導体チップ側検査用電極と基板側検査用電極とが接触する状態で、基板側検査用電極の複数に分割分離された平行な細分化電極のうちで、相互に通電状態となる複数の細分化電極と、非通電状態を維持する細分化電極とを検出して基板側検査用電極と半導体チップ側検査用電極の接合位置ずれ情報を出力する接合ずれ検出部と、前記接合位置ずれ量に基づいて前記半導体チップ側検査用電極が前記基板側検査用電極の中央に配置されるように接合位置補正情報を出力するボンディングヘッド制御部と、接合位置補正情報に基づいて前記基板と前記半導体チップの相対位置を補正するボンディングヘッド駆動部を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明は、基板と半導体チップの接合する直前に基板側検査用電極と半導体チップ側検査用電極との接触状態から、接合面にそった方向での接合ずれ量を検出することができるので、基板に対する半導体チップの接合位置ずれ量を精密に検出して正確に接合することができる。且つ、基板と半導体チップの双方の検査用電極は各々の接合部の電極と同一の製造プロセスで構成されているため、新規プロセス追加によるコストアップや、回路電極との相対的な位置ずれや高さばらつきに起因した接合位置合わせ精度の低下を懸念する必要がない。
【００１８】
よって、非破壊状態で確認しにくいフリップチップボンディングの接合位置ずれをリアルタイムに検出し、ボンディング装置のトラブルや初期セッティングのミスを早期に発見することが可能で、組立加工不良ロスを最小限に食い止めることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明にかかる半導体装置、半導体チップの実装方法および半導体チップ実装装置の最良の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を示す平面図であり、ここでは接合前の半導体チップ１と基板４を開示している。
【００２０】
半導体チップ１は基板４の半導体チップ接合領域７にフリップチップボンディングにて実装するものであり、半導体チップ１の半導体チップ電極２が基板４の基板電極５に対応して電気的に接続することによって、半導体装置として所望の機能を有する構成となる。
【００２１】
基板４には基板側検査用電極６を設けており、半導体チップ１には基板側検査用電極６と相対する位置に半導体チップ側検査用電極３を設けてある。
基板側検査用電極６は、基板４の表面の少なくとも２つ以上の任意の箇所に設けており、ここでは基板４の四隅の各角部に対応する位置に配置している。しかしながら、基板側検査用電極６は、それを可能な限り多数箇所に配置し、かつ配置箇所の相互間の距離を長くとることで接合ずれ量の検出精度が高まることは言うまでもない。
【００２２】
基板側検査用電極６は、少なくとも３つ以上の細分化電極に分割分離してあり、ここでは５つの細分化電極に分割分離している。１つの箇所に配置する基板側検査用電極６は全ての細分化電極を平行に配置してあり、対角位置の箇所に配置した双方の基板側検査用電極６の細分化電極は同方向を向いており、隣接する箇所に配置した双方の基板側検査用電極６の細分化電極は相互に直交する方向を向いている。
【００２３】
本実施の形態１では、基板側検査用電極６の細分化電極の間隔は、基板電極５の配列間隔未満としており、このことで基板電極５に対する半導体チップ電極２の微小な接合ずれ量を検出できるようになる。
【００２４】
さらに、基板側検査用電極６は突起形状をなしているが、その形状は限定されるものではなく、接合位置に配置した際に半導体チップ側検査用電極３と接触できる形状であれば良い。基板側検査用電極６は、例えば金，銅，ニッケル，パラジウム等を主成分とする材料が好ましい。
【００２５】
一方、半導体チップ１の半導体チップ側検査用電極３は、半導体チップ１の表面の少なくとも２つ以上の任意の箇所に設けられており、ここでは半導体チップ１の四隅の各角部に対応する位置に配置している。しかしながら、半導体チップ側検査用電極３は、それを可能な限り多数箇所に配置し、かつ配置箇所の相互間の距離を長くとることで接合ずれ量の検出精度が高まることは言うまでもない。
【００２６】
また、半導体チップ側検査用電極３は矩形をなしており、その４辺の長さは基板側検査用電極６の細分化電極の配列間隔以上であり、基板側検査用電極６の４辺の寸法未満にすることで、基板電極４に対して微小な接合ずれを検出できる。
【００２７】
また、基板４に対して半導体チップ１を正規の接合位置に合致する状態に配置した場合に、基板側検査用電極６の中央位置に半導体チップ側検査用電極３が平行に配置されるように、基板４における基板側検査用電極６の位置と半導体チップ１における半導体チップ側検査用電極３の位置を定めている。
【００２８】
半導体チップ検査用電極３は突起形状をなしているが、その形状は限定されるものではなく、接合位置に配置した際に基板側検査用電極６と接触できる形状であれば良い。
基板４の角部付近には複数の検査用端子８が設けてあり、検査用端子８は基板側検査用電極６の分割分離した各細分化電極毎に一対を配置し、細分化電極両端のそれぞれに接続している。各検査用端子８はプローブ９およびリボン導線等の検出回路１０を介して接合ずれ検出部１１に接続している。
【００２９】
このため、基板４と半導体チップ１が接合位置に合致して基板側検査用電極６と半導体チップ側検査用電極３とが接触する状態において、基板側検査用電極６の複数の細分化電極のうちで半導体チップ側検査用電極３に接触する基板側検査用電極６の細分化電極の相互間が半導体チップ側検査用電極３を介して導通する。
【００３０】
半導体チップ側検査用電極３および基板側検査用電極６は、いずれも基板電極５と半導体チップ電極２と同じ製造プロセスで作製可能であるため、新規プロセス追加によるコストアップや、回路電極との相対的な位置ずれや高さばらつきに起因した接合位置合わせ精度の低下を懸念する必要がない。
【００３１】
図２は、本実施の形態１に係る半導体装置の製造工程における断面図である。
図２（ａ）は、基板電極５と半導体チップ電極２が正規の接合位置に接合した状態を示しており、半導体チップ側検査用電極３は基板側検査用電極６の中央に接合されている。
【００３２】
図２（ｂ）は、基板電極５に対して半導体チップ電極２が右方向へ偏移してずれて接合した状態を示しており、半導体チップ側検査用電極３も基板側検査用電極６に対して右方向に偏移してずれて接合されている。
【００３３】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態よりもさらに半導体チップ電極２が基板電極５に対して右方向へ偏移して接合ずれが発生した状態を示しており、半導体チップ電極２が本来接合すべき正規の基板電極５および正規の基板電極５に隣接する右隣の基板電極５の両方とに接合している。また、図２（ｂ）と同様に半導体チップ側検査用電極３も基板側検査用電極６に対してさらに右方向へ偏移してずれて接合されている。
【００３４】
このように、基板電極５と半導体チップ電極２の接合状態に連動して、その接合状態を反映するように基板電極５に対して半導体チップ電極２の接合状態が変化し、基板側検査用電極６の複数の細分化電極のうちで半導体チップ側検査用電極３に接触する基板側検査用電極６の細分化電極が変化するので、半導体チップ側検査用電極３を介して導通する基板側検査用電極６の細分化電極を接合ずれ検出部１１で検出することで、接合位置のずれ量および偏移方向を検知することが可能となる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の実装方法を示す概念図である。
【００３５】
図３（ａ）は、先の図２（ａ）に対応するものであり、基板側検査用電極６の各細分化電極２９，３０，３１，３２，３３は各々に検出回路１０の各回路配線２４，２５，２６，２７，２８に接続しており、チップ側検査用電極３が正規の接合位置で、つまり基板側検査用電極６の複数の細分化電極２９，３０，３１，３２，３３のうちで中心の細分化電極３１およびその両側の細分化電極３０、３２の中央部に接合している。この時、細分化電極３０、３１、３２に接続した検出回路１０の各回路配線２５，２６，２７間が、接合ずれ検出部１１で導通ありと検出される。
【００３６】
図３（ｂ）は、先の図２（ｂ）に対応するものであり、チップ側検査用電極３が基板側検査用電極６の一側へ偏移した接合位置で、つまり基板側検査用電極６の複数の細分化電極２９，３０，３１，３２，３３のうちで中心の細分化電極３１および一側の二つの細分化電極３２、３３の中央部に接合している。この時、細分化電極３１、３２、３３に接続した検出回路１０の各回路配線２６，２７，２８間が、接合ずれ検出部１１で導通ありと検出される。
【００３７】
図３（ｃ）は、先の図２（ｃ）に対応するものであり、チップ側検査用電極３が基板側検査用電極６の一側へさらに偏移した接合位置で、つまり基板側検査用電極６の複数の細分化電極２９，３０，３１，３２，３３のうちで中心の細分化電極３１を含まずに一側の二つの細分化電極３２、３３だけの中央部に接合している。この時、細分化電極３２、３３に接続した検出回路１０の各回路配線２７，２８間が、接合ずれ検出部１１で導通ありと検出される。
【００３８】
このように、基板側検査用電極６の各細分化電極２９，３０，３１，３２，３３と半導体チップ側検査用電極３との接触により、基板４と半導体チップ１の接合位置が特定される。
【００３９】
図４は、上述した接合ずれ検出部１１で検出された検出回路１０の各回路配線２４，２５，２６，２７，２８の導通状態と、基板４と半導体チップ１の接合状態の概要を表にしたものである。
【００４０】
この表中での接合状態は、不適切、適切、最適と定量化して示していないが、予め基板側検査用電極６の各細分化電極２９，３０，３１，３２，３３の配置間隔を決定しておけば、接合ずれ量が容易に定量化して検出できる。
【００４１】
さらに、対角位置の箇所に配置した双方の基板側検査用電極６の細分化電極は同方向を向いており、隣接する箇所に配置した双方の基板側検査用電極６の細分化電極は相互に直交する方向を向いているので、隣接する箇所に配置した双方の基板側検査用電極６、つまり相互に直交する方向に並んだ細分化電極に対する半導体チップ側検査用電極３の接合位置の接合ずれ量は、それぞれ接合面のＸ方向の接合ずれ量およびＹ方向の接合ずれ量となり、接合位置のずれ量および偏移方向を検知することが可能となり、接合ずれ精度の検出はさらに高まることになる。
（実施の形態３）
図５は、基板４に対する半導体チップ１の実装方法および実装装置を断面図で示したものである。
【００４２】
図５（ａ）は、基板電極５に対して半導体チップ電極２が右方向へ偏移してずれた接合位置に位置合わせされた状態を示しており、同様に基板側検査用電極６に対して半導体チップ側検査用電極３も右方向へ偏移してずれている。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の接合位置でボンディング状態が開始されると、基板側検査用電極６と半導体チップ検査用電極３が接触し、基板側検査用電極６の各細分化電極および検出回路１０の各回路配線の相互間の導通状態と非導通状態が接合ずれ検出部１１で検出される。
【００４４】
この検出結果は基板４と半導体チップ１の接合位置ずれ情報としてボンディングヘッド制御部１２に入力される。さらにボンディングヘッド制御部１２からボンディングヘッド駆動部１３へ正規の接合位置まで移動するための接合位置補正情報が出力される。
【００４５】
そして、図５（ｃ）に示すように、上述したように接合位置ずれ情報に基づいてボンディングヘッド制御部１２で制御してボンディングヘッド駆動部１３により半導体チップ１を移動させて接合位置を正規の接合位置まで補正し、正規の接合位置でボンディングを実行する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の半導体装置は、基板と半導体チップの接合位置合せずれによる歩留低下及び信頼性低下を防止することができ、突起電極がめっきで形成されたフリップチップボンディング用の接合ずれ検査用パターンとその検査方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の半導体装置の構成を示すものであり、半導体チップ表面および基板表面を示す平面図
【図２】本発明における基板に対する半導体チップの接合状態を示すものであり、（ａ）は正規の接合位置に接合した状態を示す断面図、（ｂ）は基板に対して半導体チップの右方向へ偏移した接合ずれが発生した状態を示す断面図、（ｃ）は（ｂ）よりさらに基板に対して半導体チップの右方向へ偏移した接合ずれが発生し、半導体チップ電極が本来接合すべき基板電極およびその隣接する基板電極の両方と接合した状態を示す断面図
【図３】本発明における基板側検査用電極に対する半導体チップ側検査用電極の接合位置と検出回路の導通状態との関係を示すものであり、（ａ）は正規の接合位置に接合した状態を示す平面図、（ｂ）は基板に対して半導体チップの一側方向へ偏移した接合ずれが発生した状態を示す平面図、（ｃ）は（ｂ）よりさらに基板に対して半導体チップの一側方向へ偏移した接合ずれが発生した状態を示す平面図
【図４】本発明における基板側検査用電極に対する半導体チップ側検査用電極の接合位置と、検出回路の導通状態と、接合ずれの関係を示した図表
【図５】本発明における基板に対する半導体チップの実装方法と実装装置を示すものであり、（ａ）は基板に対して半導体チップが右方向へ偏移して接合ずれした接合位置に位置合わせされた状態を示す模式図、（ｂ）は（ａ）の接合位置での接合位置ずれ検出状態を示す模式図、（ｃ）は（ｂ）の接合位置ずれ情報をもとに半導体チップの接合位置を補正して、本来接合すべき接合位置でボンディング中の状態を示す模式図
【図６】従来の技術を示すものであり、（ａ）は半導体チップの表面構造を示す平面図、（ｂ）は基板の表面構造を示す平面図、（ｃ）は基板に対する半導体チップの実装装置を示す断面図
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体チップ
２  半導体チップ電極
３  半導体チップ側検査用電極
４  基板
５  基板電極
６  基板側検査用電極
７  半導体チップ接合領域
８  検査用端子
９  プローブ
１０  検出回路
１１  接合ずれ検出部
１２  ボンディングヘッド制御部
１３  ボンディングヘッド駆動部
２４、２５、２６、２７、２８  回路配線
２９、３０、３１、３２、３３  基板検査用電極の細分化電極
【図１】
2009117724.tif 000003
【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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