半導体装置の製造方法及び接合方法
【課題】簡易な手法で、半導体素子等の被接合部材を搭載側部材に対して平行度調整しつつ接合することが可能な半導体装置の製造方法及び接合方法を提供する。
【解決手段】受け側部材２０に仮搭載された半導体素子１０を、半導体素子１０を取り囲む液体３０を介して加圧加熱し、前記加熱加圧による静水圧により、半導体素子１０を受け側部材２０に対して押圧するとともに、半導体素子１０の接続端子１５を受け側部材２０に溶融接合する。
【解決手段】受け側部材２０に仮搭載された半導体素子１０を、半導体素子１０を取り囲む液体３０を介して加圧加熱し、前記加熱加圧による静水圧により、半導体素子１０を受け側部材２０に対して押圧するとともに、半導体素子１０の接続端子１５を受け側部材２０に溶融接合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法と接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子（ＬＳＩ）のパッケージ基板への接合方法として、多端子化が可能なフリップチップ接合が主流となってきている。さらに、電子機器の小型化、高密度化に伴い、接続端子の微細化が進行している。現在の接合部のディメンションとして、半導体素子同士を接合するＣＯＣ（チップオンチップ接続）において、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍ以下の接合体が検討され始めている。
【０００３】
接続端子の高密度化、微細化が進むにつれて、半導体素子（チップ）と基板との間の平行度におけるθ方向のずれ（「θずれ」と称する）の問題が顕在化している。図１はθずれの問題を説明するための図である。たとえば、フリップチップボンダで半導体チップ１１０を回路基板あるいは搭載相手側チップ１３０に圧着接合する場合を考える。
【０００４】
図１（Ａ）に示すように、チップボンダヘッド１２０とステージ１４０との間に、相対的に角度θのずれがある場合、半導体チップ１１０は、ステージ１４０に対する平行度にθずれが含まれた状態でチップボンダヘッド１２０に吸着される（図１（Ｂ））。この状態で、半導体チップ１１０は相手側基板またはチップ１３０に対して位置あわせされ（図１（Ｃ））、相手側基板またはチップ１３０上に搭載される（図１（Ｄ））。しかし、チップボンダヘッド１２０と相手側基板またはチップ１３０との平行度が一致していないと、搭載時に、半導体チップ１１０の電極端子１１２が搭載時に相手側基板またはチップ１３０の電極１３２に片当たりして、位置ずれ、接合不良の原因となる。
【０００５】
この問題は、接続端子の微細化により、６０μｍ以下の接合部を有する半導体チップで顕著になる。たとえば、微細なバンプでは、チップ内の平行度が数μｍ程度ずれた場合でも、許容できるバンプ高さが少なくなるため、片当たりによって接合不良が発生する確率が高くなる。
【０００６】
また、ウェハ上に形成された回路に複数のチップを搭載するＣＯＷ（チップオンウェハ）接合では、一般に、ウェハ上に仮搭載したチップを大面積の押圧ジグで一括加圧する。この場合、平行度が正確に出ていないとチップによっては片当たりし、加圧部分に差異が生じる。その結果、接合不良のあるチップが発生する。また、高さの異なる複数のチップを一括して押圧する場合は、それぞれのチップ高さに対応したザグリを入れたジグで押圧する必要があり、ジグの寸法精度が要求される。近年、チップスタックなど三次元チップ積層技術も注目されてきており、チップを積み重ねていくごとに、最表層のチップの平坦度が変化し、ボンダでの接合時の平行度調整が非常に難しくなってきている。
【０００７】
半導体チップの基板に対する機械的、電気的な接続状態を向上するために、樹脂成分内に導電成分を分散させた異方性導電接着剤を介して、半導体チップのバンプ端子を基板に接続し、半導体チップと異方性導電接着剤を封止するように熱硬化性樹脂の樹脂パッケージを形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、熱硬化性樹脂の硬化、収縮により半導体チップの基板への加圧を保持する。しかし、異法性樹脂内で導電性成分が均等に分散しているとはかぎらず、加圧の均等化が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００-３０６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、簡易な手法で、半導体素子の搭載側部材に対する平行度調整を実現することのできる半導体装置の製造方法と、平行度調整を要する任意の部材間の接合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】
【００１０】
第１の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法において、
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する。
【００１１】
第２の側面では、接合方法を提供する。接合方法において、
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する。
【発明の効果】
【００１２】
簡易な手法で、半導体素子等の被接合部材を、搭載側部材に対して平行度調整しつつ接合することができる。この結果、接合の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の接合方法の問題点を説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態の原理を説明するための図である。
【図３】実施形態における半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図４】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５】実施例１におけるプロセス条件を示す表である。
【図６】実施例２の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７】実施例２におけるプロセス条件を示す図である。
【図８】実施例１及び２の製造方法による半導体装置の抵抗値を従来方法と比較したテスト結果を示す図である。
【図９】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例１の図である。
【図１０】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例２の図である。
【図１１】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例３の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の最適な実施形態について説明する。実施形態では、第１部材をその接続部により第２部材に接合する際に、第１部材の周りに充填した液体又はゲル状液体を加圧することによって、静水圧により第１部材に圧力を印加しつつ、第１部材の接続部を第２部材に溶融接合する。静水圧とは、静止している液体中において働く圧力であり、液体中のある点に作用する圧力は方向によらず同じ大きさとなる。
【００１５】
静水圧を利用し、第１部材に均一な圧力が印加される状態で接続部を溶融接合することにより、第１部材を第２部材上に仮搭載した際の平行度に依存せずに、高い平行度で部材間の接合を実現することができる。第１部材を取り囲む材料としてゲル状液体を用いる場合は、加圧時の温度、すなわち第１部材の接続部が溶融する温度で液体となる材料を選択するのが望ましい。接続後の溶融接合後は、静水圧での加圧に用いた液体は液状であっても固体であってもかまわない。
【００１６】
図２は、実施形態の原理を説明するための図である。第１部材として半導体チップ１０を回路基板２０上にフリップチップ接合する場合を考える。半導体チップ１０は、その接続端子１５が受け側部材である基板２０の電極２２に対して一応の位置あわせがされた状態で、基板２０上に仮搭載されている。仮搭載は、図１のようなチップボンダを用いるなど、任意の方法ですることができる。半導体チップ１０の周囲は液体３０で満たされている。液体３０を加圧することで、図中の矢印で示すように、静水圧により半導体チップ１０に均等な圧力が印加される。これとともに、半導体チップ１０に熱を与えることにより接続端子１５が溶融し、均等加圧の下で、接続端子１５が基板２０の電極２２に対して自己整合的に溶融接合される。これにより基板２０に対する平行度が確保される。
【００１７】
加熱加圧の方法としては、あらかじめ接続端子１５の溶融温度あるいはそれ以上に熱した液体樹脂３０を枠４０内に注入して圧力を印加する、常温で液体またはゲル状液体３０を充填してからヒーター内蔵の加圧プレス（不図示）で加熱加圧するなど、液体３０に対する加圧と半導体チップ１０に対する加熱の両方を行なうことができれば、任意の手法を採用することができる。
【００１８】
液体３０は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリエチレン、低融点ポリエステルなどの熱可塑性樹脂、あるいは低融点フッ素樹脂、パラフィンワックス、フロリナート、シリコンオイルなどを用いることができる。
【００１９】
熱硬化性樹脂を用いる場合は、静水圧下での溶融接合の後に、そのままパッケージ樹脂として用いることができる。他方、高度の接合平行度を要するがパッケージ化は不要な場合には、静水圧下での溶融接合の後に液体３０を除去してもよい。パラフィンワックスや熱可塑性樹脂は、溶融接合後に固化又は硬化して剥離・除去することができる。剥離・除去したパラフィンワックスや熱可塑性樹脂は、熱を加えることにより液化するので、何度も繰り返し使用可能であり、コスト面で有利である。また、パッケージ化を行なう場合でも、加熱加圧後の液体３０を除去した後に、新たにパッケージ用の樹脂を塗布して封止してもよい。
【００２０】
半導体チップ１０の接続端子１５は、静水圧下での加熱により溶融する材料で形成されている。接続端子１５として、（Ａ）で示すように金属パッド１１上のはんだバンプ１３を含む端子１５ａ、あるいは（Ｂ）で示すように、Ｃｕピラー１２上のはんだ材１３を含む端子１５ｂなどが挙げられる。Ｃｕピラー１２とはんだ１３を組み合わせた接続端子１５ｂを用いると、静水圧によるつぶれ度合いを制御することができる。半導体チップ１０の搭載時に、接続端子１５ａ、１５ｂが基板２０の電極２２に対して片当たりしていた場合でも、静水圧による均等加圧と加熱によって、接続端子１５ａ、１５ｂのはんだ１３が溶融して電極２２上を移動し、半導体チップ１０と基板２０との間の平行度を自律的に回復する。これにより、半導体チップ１０を基板２０に対して平行に配置し、溶融接合部１６ａ、１６ｂの接合不良を防止することができる。
【００２１】
はんだ１３の材料は、１００℃〜２５０℃の間で融点を持つものが好ましい。特に、ＳｎＢｉ共晶はんだは、融点が１３９℃であり、液化した樹脂３０が熱分解しない温度での加圧が可能である。また、はんだを用いることによって、加熱加圧時の熱により接続端子１５の端部の粘度が小さくなり、小さい静水圧で均一加圧が可能になる。
【００２２】
図３は、図２の接合方法を用いた半導体装置の製造プロセスの一例を示す図である。まず、図３（Ａ）に示すように、たとえばフリップチップボンダヘッド１２０で半導体チップ１０を保持し、基板２０に位置あわせして半導体チップ１０を仮搭載する。このときフリップチップボンダヘッド１２０の保持面１２０ａが必ずしも基板２０の搭載面に対して平行であるとはかぎらないため、基板２０の搭載面に対してθずれがある状態で半導体チップ１０は基板２０上に仮搭載される。仮搭載時に、半導体チップ１０を基板２０に対して仮圧着してもよい。
【００２３】
次に、図３（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダヘッド１２０をリリースする。仮搭載時にθずれがあると、半導体チップ１０は、その接続端子１５が基板２０上の電極２２に片当たりした状態にある。
【００２４】
次に、図３（Ｃ）に示すように、接続端子１５と基板２０の間にアンダーフィル材３２を充填して、Ｂステージ化（半硬化）する。アンダーフィル材３２には、静水圧下での接合端子の溶融接合温度で軟化する材料を選択する。
【００２５】
次に、図３（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０上に枠４０を設置し、図３（Ｅ）に示すように、枠４０内にモールド樹脂３０Ａを注入する。この工程例では、後述するように静水圧加圧に用いる液体とパッケージ封止用の液体を兼用する。モールド樹脂３０Ａはあらかじめ半導体チップ１０の接続端子１５の溶融温度以上に加熱されている。
【００２６】
次に、図３（Ｆ）に示すように、枠４０内に注入された液体のモールド樹脂３０Ａを加圧する。図３（Ｇ）に示すように、液体モールド樹脂３０Ａの静水圧により、半導体チップ１０に対して均等な圧力が印加される。このとき、モールド樹脂３０Ａからの加熱により、アンダーフィル材３２は軟化する。また、半導体チップ１０の接続端子１５の先端が溶融し、静水圧による均等加圧下で基板２０の電極２２面上をスライドする。このとき、アンダーフィル材３２の粘度は低下しているので、半導体チップ１０の接続端子１５が基板２０の電極２２上で移動することを妨げない。これにより、半導体チップ１０は基板２０に対して平行調整されつつ正しい接合位置に到達し、半導体チップ１０の接続端子１５は、基板２０の電極２２に対して自己整合する。
【００２７】
最後に、図３（Ｈ）に示すように、室温まで冷却してモールド樹脂３０Ａを硬化させ、枠４０を除去する。これにより、半導体チップ１０と基板２０がモールド樹脂３０Ａでパッケージ化された半導体装置１が得られる。
【実施例１】
【００２８】
図４は、半導体装置の製造方法の実施例１を示す図であり、図５は実施例１の条件を示す表である。実施例１では、図３と同様に、半導体チップの仮搭載後にアンダーフィル材を充填する手法をとる。
【００２９】
まず、図４（Ａ）に示すように、3.5mm×7mmの半導体チップ１０を、15mm×15mmのシリコン（Ｓｉ）搭載基板２０上にフリップチップボンダ（不図示）で配置する。半導体チップ１０には、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのＳｎ-58Ｂｉ共晶はんだ接続電極１５が形成されている。Ｓｎ-58Ｂｉはんだの融点は１３９℃である。Ｓｉ搭載基板２０上にも、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのはんだ電極２２が形成されている。図示の便宜上、θずれは省略してあるが、ボンダ吸着面のＳｉ搭載基板２０に対する位置関係によっては半導体チップ１０の保持位置にθずれが含まれている。
【００３０】
次に、図４（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダ（不図示）により、１２０℃で半導体チップ１０の仮付け（仮圧着）を行なった。このときの仮付けは固相拡散接合であり、半導体チップ１０のはんだ接続電極１５とＳｉ搭載基板２０上のはんだ電極２２は、ともに固体の状態である。この工程は、図５の表の工程１に対応する。なお、図４（Ｂ）においてもθずれ成分を省略してあるが、図４（Ａ）のθずれ成分は、図４（Ｂ）の仮圧着時にも引き継がれ、片当たりした状態のまま固相接合されることになる。
【００３１】
次に、図４（Ｃ）に示すように、半導体チップ１０とＳｉ搭載基板２０の間の隙間に、１００℃で半硬化するアンダーフィル樹脂３２を充填し、１２０℃以上、１２５℃未満の温度範囲、１５分で半硬化させた。このアンダーフィル樹脂３２は、１２５℃以上の温度で軟化する性質を有する。この工程は、図５の表の工程２に対応する。
【００３２】
次に、図４（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０を仮搭載したＳｉ搭載基板２０をジグ（不図示）にセットし、チップ中心を合わせて、１０mm×１０ｍｍの枠４０を配置した。その後、図４（Ｅ）に示すように、枠４０内にモールド樹脂３０を注入して、半導体チップ１０の周囲をモールド樹脂３０で取り囲んだ。モールド樹脂３０の充填開始温度及び充填完了温度は１２５℃、充填時のモールド樹脂３０に対する圧力は５ＭＰａとした。モールド樹脂３０の充填により、アンダーフィル樹脂３２の軟化が始まる。ここまでの工程は、図５の表の工程３及び４に対応する。充填完了後、モールド樹脂３０を１８０℃、１ＭＰａの圧力で３分間、加熱加圧した。この加熱加圧によりアンダーフィル樹脂３２の粘度がさらに低下し、接続電極１５が溶融する。接続電極１５は、モールド樹脂３０の静水圧下で、基板２０のはんだ電極２２上を移動して、自己整合的にその位置を調整する。このときにアンダーフィル樹脂３２は接続電極１５の動きを妨げない。この工程は図５の表の工程５に対応する。
【００３３】
次に、図４（Ｆ）に示すように、圧力１ＭＰａのままで全体を１２５℃まで冷却する。これにより、アンダーフィル樹脂３２は硬化し始める。また、半導体チップ１０のはんだ接続電極１５と基板側はんだ電極２２が固化して、接合部１６を形成する。この工程は、図５の表の工程６に対応する。さらに、圧力の印加を解いて、室温付近（たとえば５０℃）まで冷却してモールド樹脂３０を硬化し、枠４０から離型した。これにより、パッケージ封止３１がされた半導体装置１Ａを得た。
【実施例２】
【００３４】
図６は、半導体装置の製造方法の実施例２を示す図であり、図７は実施例２の条件を示す表である。実施例２では、先供給型アンダーフィルが形成された半導体チップを接合する。先供給型アンダーフィルを用いる場合は、半導体チップの電極端子（接続端子）を相手側部材に接合する前に、半導体チップ上にあらかじめアンダーフィルを形成しておく。
【００３５】
まず、図６（Ａ）に示すように、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのＳｎＢｉ共晶はんだ接続電極１５が形成された3.5mm×7mmの半導体チップ１０に対して、１００℃以上で半硬化するアンダーフィル材を塗布し、１２５℃、１５分で半硬化（Ｂステージ化）させて、先供給アンダーフィル３６を形成した。この工程は、図７の表の工程１に対応する。先供給アンダーフィル３６を有する半導体チップ１０は、たとえば、複数の半導体素子が並んで形成されたウェハ上に、はんだバンプ１５とウェハレベルアンダーフィルを形成して、ブレードダイシングによってチップに切断して得たものである。先供給アンダーフィル３６が形成された半導体チップ１０を、はんだ接続電極又はコンタクトパッド（不図示）が形成された１５ｍｍ×１５ｍｍのＳｉ搭載基板２０に対して位置あわせする。このときも図示はしないが実施例１と同様に、フリップチップボンダ（不図示）の吸着面とＳｉ搭載基板２０の間のθ方向での位置ずれ成分が含まれている。
【００３６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダ（不図示）を用いて、先供給アンダーフィル３６付きの半導体素子１０を、Ｓｉ搭載基板２０上に１２０℃で仮付けをした。仮付け（仮圧着）は、実施例１と同様に固相拡散接合であり、半導体チップ１０のはんだバンプ１５は固相にある。また、先供給アンダーフィル３６は、Ｂステージ化によりその表面は不粘着となっているが、多少のタッキング性は有するため、仮固定は可能である。この工程は、図７の表の工程２に対応する。
【００３７】
次に、図６（Ｃ）に示すように、半導体チップ１０を仮搭載したＳｉ搭載基板２０をジグ（不図示）にセットし、チップ中心を合わせて、１０ｍｍ×１０ｍｍの枠４０を配置する。
【００３８】
次に、図６（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０上にモールド樹脂３０を充填する。モールド樹脂３０の充填開始温度及び充填完了温度は１２５℃、印加圧力は５ＭＰａである。モールド樹脂３０の充填により、Ｂステージ化していた先供給アンダーフィル３６は軟化するが、はんだバンプ１５の溶融温度には達していない。モールド樹脂３０の充填完了後に、モールド樹脂３０を１８０℃で加熱するとともに、１ＭＰａの圧力を印加する。この加熱加圧により、半導体チップ１０に静水圧がかかる。他方、先供給アンダーフィル３６の粘度は低下し、はんだバンプ１５は溶融する。溶融したはんだバンプ１５は、均等な加圧下でＳｉ搭載基板２０の接続電極又はコンタクトパッド（不図示）上を移動し、自己整合的に平行配置する。この工程は、図７の表の工程３−５に対応する。
【００３９】
最後に、図６（Ｅ）に示すように、１ＭＰａの圧力下で１２５℃まで冷却して先供給アンダーフィル３６を硬化させ、溶融していたはんだバンプ１５とコンタクトパッド（不図示）を固化した。この工程は、図７の表の工程６に対応する。さらに、圧力の印加を解いて室温まで冷却し、モールド樹脂３０を硬化して、枠４０を除去した。これにより、半導体装置１Ｂを得た。
【００４０】
図８は、実施例１で得たサンプルと、実施例２で得たサンプルの抵抗値比較テストの結果を示す表である。比較例として、実施例１及び２と同じピッチ、同じサイズで接続端子を形成した半導体素子を、同サイズのＳｉ搭載基板に熱圧着したサンプルについてもテストを行なった。比較例では、チップボンダで接触圧を０．２Ｎに設定し、この圧力で位置制御し、はんだ溶融温度以上に加熱して接合を行なった。この従来方法では、チップボンダにθずれが含まれている場合は、最終的なはんだ接合時にも片当たりの発生等によりθずれの影響が現れる。
【００４１】
実施例１、２及び比較例のサンプルには、チップの最外周の列に、チップの接続端子と基板電極とでデイジーチェーンを形成しておいた。今回の評価では、接合部の抵抗値が測定できたものを良品とし、抵抗値を測定できなかったものをＮＧとした。抵抗値は、チップの１辺の１ラインで測定すると、約９〜１０Ωとなる。これは、接続端子のデイジーチェーンと、抵抗測定端子までの配線の抵抗値も含んだ値である。サンプル数は、各１０個とした。
【００４２】
図８の表から明らかなように、静水圧による均等加圧下で溶融接合を行なった実施例１及び２では、全サンプルについて抵抗値を測定することができた。すなわち、導通不良のない良好な接合を得られたことを意味する。他方、比較例としての従来方法では、半数のサンプルが接触不良により抵抗値の測定をすることができなかった。
【００４３】
以上から、静水圧を利用して均等加圧を行なうことで、従来制御が難しかった微細ピッチのバンプを、信頼性良く接合することが実証された。この方法は、高さの異なる複数チップの加圧接合や、ウェハレベルパッケージのような大面積ウェハの一括接、３Ｄ実装にも適用可能である。
【００４４】
図９は、実施形態の製造プロセスの適用例１として、半導体装置５１の概略構成を示す図である。高さの異なる半導体チップ５０Ａと５０Ｂが、Ｓｉ搭載基板２０上に配置されている。半導体装置５１の製造方法は、Ｓｉ搭載基板２０上に半導体チップ５０Ａと５０Ｂを仮搭載した後にアンダーフィル材３２を充填し、半導体チップ５０Ａと５０Ｂの双方を液体又はゲル状液体３０で取り囲む。この状態で、液体又はゲル状液体３０を加圧するとともに、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂの接続端子１５ａ、１５ｂを加熱する。一例として、液体３０を加熱加圧する、あるいは、あらかじめ加熱された液体３０を半導体素子５０Ａ、５０Ｂ上に供給して加圧してもよい。
【００４５】
このときの加熱温度は、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂの接続端子１５Ａ、１５Ｂが溶融する温度以上である。また、アンダーフィル材３２を用いる場合は、アンダーフィル材３２が軟化する温度である。
【００４６】
液体３０を加圧することにより、半導体チップ５０Ａと５０Ｂの各々に対して、等方性の静水圧がかかる。したがって、チップの高さが異なっていても、各チップ５０Ａ、５０Ｂに独立して均一な圧力が印加される。静水圧により、溶融した接続端子１５ａ、１５ｂが対向電極２２上を移動し、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂが独立して、基板２０に対して平行に位置する。
【００４７】
押圧用の液体３０をパッケージ化に用いるモールド樹脂と兼用する場合は、生産効率が向上する。もっとも、本発明は接合対象物（たとえば半導体チップ）に対する均一加圧に主眼をおいているので、モールド樹脂以外の樹脂や、パラフィンワックス、シリコンオイルなどを用いてもよい。
【００４８】
図１０は、実施形態の製造プロセスの適用例２として半導体装置６１の概略構成を示す図である。適用例２では、チップオンウェハや、ウェハレベルパッケージのような大面積ウェハの一括接合でも、平行度良くチップを接合する。半導体装置６１の製造方法では、ウェハ６０上に複数の半導体チップ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを仮搭載し、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの周囲を液体３０で取り囲む。たとえば、ウェハ６０の周囲に沿った枠４０を配置して、液体又はゲル状液体３０を充填する。液体３０を加圧するとともに、各半導体チップ５０Ａ〜５０Ｄの接続端子１５ａ〜１５ｄに熱を与える。あらかじめ所定の温度に加熱した液体３０を充填して加圧してもよい。適用例１と同様に、静水圧により、各チップ５０Ａ〜５０Ｄの各々が独立して均等加圧される。均等加圧下で接続端子１５ａ〜１５ｄを溶融させることにより、各チップ５０Ａ〜５０Ｄをウェハ６０に対して自己整合的に平行配置することができる。
【００４９】
従来の方法では、各チップ５０Ａ〜５０Ｄに応じたザグリの入った高精度なジグによる押圧が必要であったが、適用例２では、高精度なジグは不要になる。
【００５０】
図１１は、実施形態の製造プロセスの適用例３として半導体装置７１の概略構成を示す図である。半導体装置７１は、３Ｄ（三次元）実装された半導体装置である。この例では、スルーシリコンビア７５を有する半導体チップ７２上に別の半導体チップ７２を重ねたチップスタック７０Ａと、チップサイズの異なる半導体チップ７４、７６を積層したチップスタック７０Ｂを、基板２０上に仮搭載する。図示の便宜上、２層のスタックを描いているが、積層スタック数に制限はない。
【００５１】
各チップスタック７０Ａ、７０Ｂを取り囲んで、液体３０を配置する。液体３０を加圧するとともに、チップスタック７０Ａ、７０Ｂの接続端子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを加熱する。加熱温度は、接続端子１５ａ〜１５ｄが対向する電極２２やスルーシリコンビア７５上の電極（不図示）に対して溶融接合が可能な温度である。
【００５２】
チップスタックの場合、積み重ねていくにしたがって平行度が変化するが、液体３０を加圧した静水圧を利用することにより、チップスタック７０Ａ、７０Ｂを構成する半導体チップ７２、７３、７４、７６の各々に対して、独立して均等加圧することができる。そして、均等加圧の下で接続端子（はんだ接続電極など）１５ａ〜１５ｄを溶融されることによって、接続端子１５ａ〜１５ｄを相手側の接続電極に対して移動させ、半導体チップ７２、７３、７４、７６の各層において、仮搭載時の平行度に依存せず、自己整合的に平行度を出すことができる。
【００５３】
以上、特定の実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されない。半導体チップを基板、ウェハ等に接続するだけではなく、極微細な接続端子を有し、高度の平行度を有する機器の物品間の接合にも適用可能である。
【００５４】
また、半導体素子の接続端子としては、Ｓｉ-Ｂｉ共晶はんだのみならず、Ｓｉ-Ｂｉ-Ａｇ系はんだ、銅入りはんだ等、適切な材料を選択することができる。受け側の基板、ウェハ、チップなどに形成されている接続電極は、はんだ電極のほか、金、銀、銅、ニッケル等、はんだ溶融接合に適した任意の金属材料を用いることができる。液体３０はあらかじめ加熱して充填してもよいし、ゲル状で充填してから加熱により液体としてもよい。
【００５５】
以上の説明に対して以下の付記を提示する。＊付記の修正にあわせて請求項をご修正ください。
（付記１）
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体又はゲル状液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）
前記半導体素子を前記受け側部材上の接続部に位置あわせして仮搭載し、
前記受け側部材上に仮搭載された半導体素子上に前記液体又はゲル状液体を供給し、
前記液体又はゲル状液体を加熱加圧して前記静水圧を生じさせる
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）
前記半導体素子の前記接続端子と、前記受け側部材の前記接続部の少なくとも一方に、前記液体又はゲル状液体の加熱加圧温度で溶融する材料を用いることを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）
前記半導体素子を前記液体又は前記ゲル状液体で取り囲む工程の前に、前記半導体素子の前記接続端子が形成されている面に、Ｂステージ化されたアンダーフィル材を配置する工程をさらに含むことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）
前記アンダーフィル材として、前記液体又は前記ゲル状液体の加熱温度により粘度が低下する材料を選択することを特徴する付記４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記接続端子を前記受け側部材に溶融接合した後に、前記液体又はゲル状液体を硬化させてパッケージ樹脂として用いる付記１〜５のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）
前記接続端子の溶融接合後に、前記ゲル状液体を除去することを特徴とする付記１〜５のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する
ことを特徴とする接合方法。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
ベースチップ、配線回路基板、インタポーザ基板、ウェハ基板等への半導体チップの接合のほか、微細な精密加工部品、計測用部品、電子部品など、微細な接続部を有し接続の際に高度の平行度調整を要する任意の部品間の接合に適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ、１Ｂ 半導体装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、７２、７３、７４、７６ 半導体素子
１３ はんだ
１５、１５ａ、１５ｂ 接続端子
２０、６０ 基板（受け側部材）
２２ 受け側電極
３０ 液体又はゲル状液体
４０ 枠
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法と接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子（ＬＳＩ）のパッケージ基板への接合方法として、多端子化が可能なフリップチップ接合が主流となってきている。さらに、電子機器の小型化、高密度化に伴い、接続端子の微細化が進行している。現在の接合部のディメンションとして、半導体素子同士を接合するＣＯＣ（チップオンチップ接続）において、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍ以下の接合体が検討され始めている。
【０００３】
接続端子の高密度化、微細化が進むにつれて、半導体素子（チップ）と基板との間の平行度におけるθ方向のずれ（「θずれ」と称する）の問題が顕在化している。図１はθずれの問題を説明するための図である。たとえば、フリップチップボンダで半導体チップ１１０を回路基板あるいは搭載相手側チップ１３０に圧着接合する場合を考える。
【０００４】
図１（Ａ）に示すように、チップボンダヘッド１２０とステージ１４０との間に、相対的に角度θのずれがある場合、半導体チップ１１０は、ステージ１４０に対する平行度にθずれが含まれた状態でチップボンダヘッド１２０に吸着される（図１（Ｂ））。この状態で、半導体チップ１１０は相手側基板またはチップ１３０に対して位置あわせされ（図１（Ｃ））、相手側基板またはチップ１３０上に搭載される（図１（Ｄ））。しかし、チップボンダヘッド１２０と相手側基板またはチップ１３０との平行度が一致していないと、搭載時に、半導体チップ１１０の電極端子１１２が搭載時に相手側基板またはチップ１３０の電極１３２に片当たりして、位置ずれ、接合不良の原因となる。
【０００５】
この問題は、接続端子の微細化により、６０μｍ以下の接合部を有する半導体チップで顕著になる。たとえば、微細なバンプでは、チップ内の平行度が数μｍ程度ずれた場合でも、許容できるバンプ高さが少なくなるため、片当たりによって接合不良が発生する確率が高くなる。
【０００６】
また、ウェハ上に形成された回路に複数のチップを搭載するＣＯＷ（チップオンウェハ）接合では、一般に、ウェハ上に仮搭載したチップを大面積の押圧ジグで一括加圧する。この場合、平行度が正確に出ていないとチップによっては片当たりし、加圧部分に差異が生じる。その結果、接合不良のあるチップが発生する。また、高さの異なる複数のチップを一括して押圧する場合は、それぞれのチップ高さに対応したザグリを入れたジグで押圧する必要があり、ジグの寸法精度が要求される。近年、チップスタックなど三次元チップ積層技術も注目されてきており、チップを積み重ねていくごとに、最表層のチップの平坦度が変化し、ボンダでの接合時の平行度調整が非常に難しくなってきている。
【０００７】
半導体チップの基板に対する機械的、電気的な接続状態を向上するために、樹脂成分内に導電成分を分散させた異方性導電接着剤を介して、半導体チップのバンプ端子を基板に接続し、半導体チップと異方性導電接着剤を封止するように熱硬化性樹脂の樹脂パッケージを形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、熱硬化性樹脂の硬化、収縮により半導体チップの基板への加圧を保持する。しかし、異法性樹脂内で導電性成分が均等に分散しているとはかぎらず、加圧の均等化が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００-３０６９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、簡易な手法で、半導体素子の搭載側部材に対する平行度調整を実現することのできる半導体装置の製造方法と、平行度調整を要する任意の部材間の接合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】
【００１０】
第１の側面では、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法において、
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する。
【００１１】
第２の側面では、接合方法を提供する。接合方法において、
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する。
【発明の効果】
【００１２】
簡易な手法で、半導体素子等の被接合部材を、搭載側部材に対して平行度調整しつつ接合することができる。この結果、接合の信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の接合方法の問題点を説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態の原理を説明するための図である。
【図３】実施形態における半導体装置の製造プロセスを示す図である。
【図４】実施例１の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５】実施例１におけるプロセス条件を示す表である。
【図６】実施例２の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図７】実施例２におけるプロセス条件を示す図である。
【図８】実施例１及び２の製造方法による半導体装置の抵抗値を従来方法と比較したテスト結果を示す図である。
【図９】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例１の図である。
【図１０】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例２の図である。
【図１１】実施形態の製造プロセスにより作製される半導体装置の適用例３の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の最適な実施形態について説明する。実施形態では、第１部材をその接続部により第２部材に接合する際に、第１部材の周りに充填した液体又はゲル状液体を加圧することによって、静水圧により第１部材に圧力を印加しつつ、第１部材の接続部を第２部材に溶融接合する。静水圧とは、静止している液体中において働く圧力であり、液体中のある点に作用する圧力は方向によらず同じ大きさとなる。
【００１５】
静水圧を利用し、第１部材に均一な圧力が印加される状態で接続部を溶融接合することにより、第１部材を第２部材上に仮搭載した際の平行度に依存せずに、高い平行度で部材間の接合を実現することができる。第１部材を取り囲む材料としてゲル状液体を用いる場合は、加圧時の温度、すなわち第１部材の接続部が溶融する温度で液体となる材料を選択するのが望ましい。接続後の溶融接合後は、静水圧での加圧に用いた液体は液状であっても固体であってもかまわない。
【００１６】
図２は、実施形態の原理を説明するための図である。第１部材として半導体チップ１０を回路基板２０上にフリップチップ接合する場合を考える。半導体チップ１０は、その接続端子１５が受け側部材である基板２０の電極２２に対して一応の位置あわせがされた状態で、基板２０上に仮搭載されている。仮搭載は、図１のようなチップボンダを用いるなど、任意の方法ですることができる。半導体チップ１０の周囲は液体３０で満たされている。液体３０を加圧することで、図中の矢印で示すように、静水圧により半導体チップ１０に均等な圧力が印加される。これとともに、半導体チップ１０に熱を与えることにより接続端子１５が溶融し、均等加圧の下で、接続端子１５が基板２０の電極２２に対して自己整合的に溶融接合される。これにより基板２０に対する平行度が確保される。
【００１７】
加熱加圧の方法としては、あらかじめ接続端子１５の溶融温度あるいはそれ以上に熱した液体樹脂３０を枠４０内に注入して圧力を印加する、常温で液体またはゲル状液体３０を充填してからヒーター内蔵の加圧プレス（不図示）で加熱加圧するなど、液体３０に対する加圧と半導体チップ１０に対する加熱の両方を行なうことができれば、任意の手法を採用することができる。
【００１８】
液体３０は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリエチレン、低融点ポリエステルなどの熱可塑性樹脂、あるいは低融点フッ素樹脂、パラフィンワックス、フロリナート、シリコンオイルなどを用いることができる。
【００１９】
熱硬化性樹脂を用いる場合は、静水圧下での溶融接合の後に、そのままパッケージ樹脂として用いることができる。他方、高度の接合平行度を要するがパッケージ化は不要な場合には、静水圧下での溶融接合の後に液体３０を除去してもよい。パラフィンワックスや熱可塑性樹脂は、溶融接合後に固化又は硬化して剥離・除去することができる。剥離・除去したパラフィンワックスや熱可塑性樹脂は、熱を加えることにより液化するので、何度も繰り返し使用可能であり、コスト面で有利である。また、パッケージ化を行なう場合でも、加熱加圧後の液体３０を除去した後に、新たにパッケージ用の樹脂を塗布して封止してもよい。
【００２０】
半導体チップ１０の接続端子１５は、静水圧下での加熱により溶融する材料で形成されている。接続端子１５として、（Ａ）で示すように金属パッド１１上のはんだバンプ１３を含む端子１５ａ、あるいは（Ｂ）で示すように、Ｃｕピラー１２上のはんだ材１３を含む端子１５ｂなどが挙げられる。Ｃｕピラー１２とはんだ１３を組み合わせた接続端子１５ｂを用いると、静水圧によるつぶれ度合いを制御することができる。半導体チップ１０の搭載時に、接続端子１５ａ、１５ｂが基板２０の電極２２に対して片当たりしていた場合でも、静水圧による均等加圧と加熱によって、接続端子１５ａ、１５ｂのはんだ１３が溶融して電極２２上を移動し、半導体チップ１０と基板２０との間の平行度を自律的に回復する。これにより、半導体チップ１０を基板２０に対して平行に配置し、溶融接合部１６ａ、１６ｂの接合不良を防止することができる。
【００２１】
はんだ１３の材料は、１００℃〜２５０℃の間で融点を持つものが好ましい。特に、ＳｎＢｉ共晶はんだは、融点が１３９℃であり、液化した樹脂３０が熱分解しない温度での加圧が可能である。また、はんだを用いることによって、加熱加圧時の熱により接続端子１５の端部の粘度が小さくなり、小さい静水圧で均一加圧が可能になる。
【００２２】
図３は、図２の接合方法を用いた半導体装置の製造プロセスの一例を示す図である。まず、図３（Ａ）に示すように、たとえばフリップチップボンダヘッド１２０で半導体チップ１０を保持し、基板２０に位置あわせして半導体チップ１０を仮搭載する。このときフリップチップボンダヘッド１２０の保持面１２０ａが必ずしも基板２０の搭載面に対して平行であるとはかぎらないため、基板２０の搭載面に対してθずれがある状態で半導体チップ１０は基板２０上に仮搭載される。仮搭載時に、半導体チップ１０を基板２０に対して仮圧着してもよい。
【００２３】
次に、図３（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダヘッド１２０をリリースする。仮搭載時にθずれがあると、半導体チップ１０は、その接続端子１５が基板２０上の電極２２に片当たりした状態にある。
【００２４】
次に、図３（Ｃ）に示すように、接続端子１５と基板２０の間にアンダーフィル材３２を充填して、Ｂステージ化（半硬化）する。アンダーフィル材３２には、静水圧下での接合端子の溶融接合温度で軟化する材料を選択する。
【００２５】
次に、図３（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０上に枠４０を設置し、図３（Ｅ）に示すように、枠４０内にモールド樹脂３０Ａを注入する。この工程例では、後述するように静水圧加圧に用いる液体とパッケージ封止用の液体を兼用する。モールド樹脂３０Ａはあらかじめ半導体チップ１０の接続端子１５の溶融温度以上に加熱されている。
【００２６】
次に、図３（Ｆ）に示すように、枠４０内に注入された液体のモールド樹脂３０Ａを加圧する。図３（Ｇ）に示すように、液体モールド樹脂３０Ａの静水圧により、半導体チップ１０に対して均等な圧力が印加される。このとき、モールド樹脂３０Ａからの加熱により、アンダーフィル材３２は軟化する。また、半導体チップ１０の接続端子１５の先端が溶融し、静水圧による均等加圧下で基板２０の電極２２面上をスライドする。このとき、アンダーフィル材３２の粘度は低下しているので、半導体チップ１０の接続端子１５が基板２０の電極２２上で移動することを妨げない。これにより、半導体チップ１０は基板２０に対して平行調整されつつ正しい接合位置に到達し、半導体チップ１０の接続端子１５は、基板２０の電極２２に対して自己整合する。
【００２７】
最後に、図３（Ｈ）に示すように、室温まで冷却してモールド樹脂３０Ａを硬化させ、枠４０を除去する。これにより、半導体チップ１０と基板２０がモールド樹脂３０Ａでパッケージ化された半導体装置１が得られる。
【実施例１】
【００２８】
図４は、半導体装置の製造方法の実施例１を示す図であり、図５は実施例１の条件を示す表である。実施例１では、図３と同様に、半導体チップの仮搭載後にアンダーフィル材を充填する手法をとる。
【００２９】
まず、図４（Ａ）に示すように、3.5mm×7mmの半導体チップ１０を、15mm×15mmのシリコン（Ｓｉ）搭載基板２０上にフリップチップボンダ（不図示）で配置する。半導体チップ１０には、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのＳｎ-58Ｂｉ共晶はんだ接続電極１５が形成されている。Ｓｎ-58Ｂｉはんだの融点は１３９℃である。Ｓｉ搭載基板２０上にも、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのはんだ電極２２が形成されている。図示の便宜上、θずれは省略してあるが、ボンダ吸着面のＳｉ搭載基板２０に対する位置関係によっては半導体チップ１０の保持位置にθずれが含まれている。
【００３０】
次に、図４（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダ（不図示）により、１２０℃で半導体チップ１０の仮付け（仮圧着）を行なった。このときの仮付けは固相拡散接合であり、半導体チップ１０のはんだ接続電極１５とＳｉ搭載基板２０上のはんだ電極２２は、ともに固体の状態である。この工程は、図５の表の工程１に対応する。なお、図４（Ｂ）においてもθずれ成分を省略してあるが、図４（Ａ）のθずれ成分は、図４（Ｂ）の仮圧着時にも引き継がれ、片当たりした状態のまま固相接合されることになる。
【００３１】
次に、図４（Ｃ）に示すように、半導体チップ１０とＳｉ搭載基板２０の間の隙間に、１００℃で半硬化するアンダーフィル樹脂３２を充填し、１２０℃以上、１２５℃未満の温度範囲、１５分で半硬化させた。このアンダーフィル樹脂３２は、１２５℃以上の温度で軟化する性質を有する。この工程は、図５の表の工程２に対応する。
【００３２】
次に、図４（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０を仮搭載したＳｉ搭載基板２０をジグ（不図示）にセットし、チップ中心を合わせて、１０mm×１０ｍｍの枠４０を配置した。その後、図４（Ｅ）に示すように、枠４０内にモールド樹脂３０を注入して、半導体チップ１０の周囲をモールド樹脂３０で取り囲んだ。モールド樹脂３０の充填開始温度及び充填完了温度は１２５℃、充填時のモールド樹脂３０に対する圧力は５ＭＰａとした。モールド樹脂３０の充填により、アンダーフィル樹脂３２の軟化が始まる。ここまでの工程は、図５の表の工程３及び４に対応する。充填完了後、モールド樹脂３０を１８０℃、１ＭＰａの圧力で３分間、加熱加圧した。この加熱加圧によりアンダーフィル樹脂３２の粘度がさらに低下し、接続電極１５が溶融する。接続電極１５は、モールド樹脂３０の静水圧下で、基板２０のはんだ電極２２上を移動して、自己整合的にその位置を調整する。このときにアンダーフィル樹脂３２は接続電極１５の動きを妨げない。この工程は図５の表の工程５に対応する。
【００３３】
次に、図４（Ｆ）に示すように、圧力１ＭＰａのままで全体を１２５℃まで冷却する。これにより、アンダーフィル樹脂３２は硬化し始める。また、半導体チップ１０のはんだ接続電極１５と基板側はんだ電極２２が固化して、接合部１６を形成する。この工程は、図５の表の工程６に対応する。さらに、圧力の印加を解いて、室温付近（たとえば５０℃）まで冷却してモールド樹脂３０を硬化し、枠４０から離型した。これにより、パッケージ封止３１がされた半導体装置１Ａを得た。
【実施例２】
【００３４】
図６は、半導体装置の製造方法の実施例２を示す図であり、図７は実施例２の条件を示す表である。実施例２では、先供給型アンダーフィルが形成された半導体チップを接合する。先供給型アンダーフィルを用いる場合は、半導体チップの電極端子（接続端子）を相手側部材に接合する前に、半導体チップ上にあらかじめアンダーフィルを形成しておく。
【００３５】
まず、図６（Ａ）に示すように、Φ３０μｍ、ピッチ６０μｍのＳｎＢｉ共晶はんだ接続電極１５が形成された3.5mm×7mmの半導体チップ１０に対して、１００℃以上で半硬化するアンダーフィル材を塗布し、１２５℃、１５分で半硬化（Ｂステージ化）させて、先供給アンダーフィル３６を形成した。この工程は、図７の表の工程１に対応する。先供給アンダーフィル３６を有する半導体チップ１０は、たとえば、複数の半導体素子が並んで形成されたウェハ上に、はんだバンプ１５とウェハレベルアンダーフィルを形成して、ブレードダイシングによってチップに切断して得たものである。先供給アンダーフィル３６が形成された半導体チップ１０を、はんだ接続電極又はコンタクトパッド（不図示）が形成された１５ｍｍ×１５ｍｍのＳｉ搭載基板２０に対して位置あわせする。このときも図示はしないが実施例１と同様に、フリップチップボンダ（不図示）の吸着面とＳｉ搭載基板２０の間のθ方向での位置ずれ成分が含まれている。
【００３６】
次に、図６（Ｂ）に示すように、フリップチップボンダ（不図示）を用いて、先供給アンダーフィル３６付きの半導体素子１０を、Ｓｉ搭載基板２０上に１２０℃で仮付けをした。仮付け（仮圧着）は、実施例１と同様に固相拡散接合であり、半導体チップ１０のはんだバンプ１５は固相にある。また、先供給アンダーフィル３６は、Ｂステージ化によりその表面は不粘着となっているが、多少のタッキング性は有するため、仮固定は可能である。この工程は、図７の表の工程２に対応する。
【００３７】
次に、図６（Ｃ）に示すように、半導体チップ１０を仮搭載したＳｉ搭載基板２０をジグ（不図示）にセットし、チップ中心を合わせて、１０ｍｍ×１０ｍｍの枠４０を配置する。
【００３８】
次に、図６（Ｄ）に示すように、半導体チップ１０上にモールド樹脂３０を充填する。モールド樹脂３０の充填開始温度及び充填完了温度は１２５℃、印加圧力は５ＭＰａである。モールド樹脂３０の充填により、Ｂステージ化していた先供給アンダーフィル３６は軟化するが、はんだバンプ１５の溶融温度には達していない。モールド樹脂３０の充填完了後に、モールド樹脂３０を１８０℃で加熱するとともに、１ＭＰａの圧力を印加する。この加熱加圧により、半導体チップ１０に静水圧がかかる。他方、先供給アンダーフィル３６の粘度は低下し、はんだバンプ１５は溶融する。溶融したはんだバンプ１５は、均等な加圧下でＳｉ搭載基板２０の接続電極又はコンタクトパッド（不図示）上を移動し、自己整合的に平行配置する。この工程は、図７の表の工程３−５に対応する。
【００３９】
最後に、図６（Ｅ）に示すように、１ＭＰａの圧力下で１２５℃まで冷却して先供給アンダーフィル３６を硬化させ、溶融していたはんだバンプ１５とコンタクトパッド（不図示）を固化した。この工程は、図７の表の工程６に対応する。さらに、圧力の印加を解いて室温まで冷却し、モールド樹脂３０を硬化して、枠４０を除去した。これにより、半導体装置１Ｂを得た。
【００４０】
図８は、実施例１で得たサンプルと、実施例２で得たサンプルの抵抗値比較テストの結果を示す表である。比較例として、実施例１及び２と同じピッチ、同じサイズで接続端子を形成した半導体素子を、同サイズのＳｉ搭載基板に熱圧着したサンプルについてもテストを行なった。比較例では、チップボンダで接触圧を０．２Ｎに設定し、この圧力で位置制御し、はんだ溶融温度以上に加熱して接合を行なった。この従来方法では、チップボンダにθずれが含まれている場合は、最終的なはんだ接合時にも片当たりの発生等によりθずれの影響が現れる。
【００４１】
実施例１、２及び比較例のサンプルには、チップの最外周の列に、チップの接続端子と基板電極とでデイジーチェーンを形成しておいた。今回の評価では、接合部の抵抗値が測定できたものを良品とし、抵抗値を測定できなかったものをＮＧとした。抵抗値は、チップの１辺の１ラインで測定すると、約９〜１０Ωとなる。これは、接続端子のデイジーチェーンと、抵抗測定端子までの配線の抵抗値も含んだ値である。サンプル数は、各１０個とした。
【００４２】
図８の表から明らかなように、静水圧による均等加圧下で溶融接合を行なった実施例１及び２では、全サンプルについて抵抗値を測定することができた。すなわち、導通不良のない良好な接合を得られたことを意味する。他方、比較例としての従来方法では、半数のサンプルが接触不良により抵抗値の測定をすることができなかった。
【００４３】
以上から、静水圧を利用して均等加圧を行なうことで、従来制御が難しかった微細ピッチのバンプを、信頼性良く接合することが実証された。この方法は、高さの異なる複数チップの加圧接合や、ウェハレベルパッケージのような大面積ウェハの一括接、３Ｄ実装にも適用可能である。
【００４４】
図９は、実施形態の製造プロセスの適用例１として、半導体装置５１の概略構成を示す図である。高さの異なる半導体チップ５０Ａと５０Ｂが、Ｓｉ搭載基板２０上に配置されている。半導体装置５１の製造方法は、Ｓｉ搭載基板２０上に半導体チップ５０Ａと５０Ｂを仮搭載した後にアンダーフィル材３２を充填し、半導体チップ５０Ａと５０Ｂの双方を液体又はゲル状液体３０で取り囲む。この状態で、液体又はゲル状液体３０を加圧するとともに、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂの接続端子１５ａ、１５ｂを加熱する。一例として、液体３０を加熱加圧する、あるいは、あらかじめ加熱された液体３０を半導体素子５０Ａ、５０Ｂ上に供給して加圧してもよい。
【００４５】
このときの加熱温度は、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂの接続端子１５Ａ、１５Ｂが溶融する温度以上である。また、アンダーフィル材３２を用いる場合は、アンダーフィル材３２が軟化する温度である。
【００４６】
液体３０を加圧することにより、半導体チップ５０Ａと５０Ｂの各々に対して、等方性の静水圧がかかる。したがって、チップの高さが異なっていても、各チップ５０Ａ、５０Ｂに独立して均一な圧力が印加される。静水圧により、溶融した接続端子１５ａ、１５ｂが対向電極２２上を移動し、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂが独立して、基板２０に対して平行に位置する。
【００４７】
押圧用の液体３０をパッケージ化に用いるモールド樹脂と兼用する場合は、生産効率が向上する。もっとも、本発明は接合対象物（たとえば半導体チップ）に対する均一加圧に主眼をおいているので、モールド樹脂以外の樹脂や、パラフィンワックス、シリコンオイルなどを用いてもよい。
【００４８】
図１０は、実施形態の製造プロセスの適用例２として半導体装置６１の概略構成を示す図である。適用例２では、チップオンウェハや、ウェハレベルパッケージのような大面積ウェハの一括接合でも、平行度良くチップを接合する。半導体装置６１の製造方法では、ウェハ６０上に複数の半導体チップ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを仮搭載し、半導体チップ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄの周囲を液体３０で取り囲む。たとえば、ウェハ６０の周囲に沿った枠４０を配置して、液体又はゲル状液体３０を充填する。液体３０を加圧するとともに、各半導体チップ５０Ａ〜５０Ｄの接続端子１５ａ〜１５ｄに熱を与える。あらかじめ所定の温度に加熱した液体３０を充填して加圧してもよい。適用例１と同様に、静水圧により、各チップ５０Ａ〜５０Ｄの各々が独立して均等加圧される。均等加圧下で接続端子１５ａ〜１５ｄを溶融させることにより、各チップ５０Ａ〜５０Ｄをウェハ６０に対して自己整合的に平行配置することができる。
【００４９】
従来の方法では、各チップ５０Ａ〜５０Ｄに応じたザグリの入った高精度なジグによる押圧が必要であったが、適用例２では、高精度なジグは不要になる。
【００５０】
図１１は、実施形態の製造プロセスの適用例３として半導体装置７１の概略構成を示す図である。半導体装置７１は、３Ｄ（三次元）実装された半導体装置である。この例では、スルーシリコンビア７５を有する半導体チップ７２上に別の半導体チップ７２を重ねたチップスタック７０Ａと、チップサイズの異なる半導体チップ７４、７６を積層したチップスタック７０Ｂを、基板２０上に仮搭載する。図示の便宜上、２層のスタックを描いているが、積層スタック数に制限はない。
【００５１】
各チップスタック７０Ａ、７０Ｂを取り囲んで、液体３０を配置する。液体３０を加圧するとともに、チップスタック７０Ａ、７０Ｂの接続端子１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを加熱する。加熱温度は、接続端子１５ａ〜１５ｄが対向する電極２２やスルーシリコンビア７５上の電極（不図示）に対して溶融接合が可能な温度である。
【００５２】
チップスタックの場合、積み重ねていくにしたがって平行度が変化するが、液体３０を加圧した静水圧を利用することにより、チップスタック７０Ａ、７０Ｂを構成する半導体チップ７２、７３、７４、７６の各々に対して、独立して均等加圧することができる。そして、均等加圧の下で接続端子（はんだ接続電極など）１５ａ〜１５ｄを溶融されることによって、接続端子１５ａ〜１５ｄを相手側の接続電極に対して移動させ、半導体チップ７２、７３、７４、７６の各層において、仮搭載時の平行度に依存せず、自己整合的に平行度を出すことができる。
【００５３】
以上、特定の実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されない。半導体チップを基板、ウェハ等に接続するだけではなく、極微細な接続端子を有し、高度の平行度を有する機器の物品間の接合にも適用可能である。
【００５４】
また、半導体素子の接続端子としては、Ｓｉ-Ｂｉ共晶はんだのみならず、Ｓｉ-Ｂｉ-Ａｇ系はんだ、銅入りはんだ等、適切な材料を選択することができる。受け側の基板、ウェハ、チップなどに形成されている接続電極は、はんだ電極のほか、金、銀、銅、ニッケル等、はんだ溶融接合に適した任意の金属材料を用いることができる。液体３０はあらかじめ加熱して充填してもよいし、ゲル状で充填してから加熱により液体としてもよい。
【００５５】
以上の説明に対して以下の付記を提示する。＊付記の修正にあわせて請求項をご修正ください。
（付記１）
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体又はゲル状液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記２）
前記半導体素子を前記受け側部材上の接続部に位置あわせして仮搭載し、
前記受け側部材上に仮搭載された半導体素子上に前記液体又はゲル状液体を供給し、
前記液体又はゲル状液体を加熱加圧して前記静水圧を生じさせる
ことを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記３）
前記半導体素子の前記接続端子と、前記受け側部材の前記接続部の少なくとも一方に、前記液体又はゲル状液体の加熱加圧温度で溶融する材料を用いることを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記４）
前記半導体素子を前記液体又は前記ゲル状液体で取り囲む工程の前に、前記半導体素子の前記接続端子が形成されている面に、Ｂステージ化されたアンダーフィル材を配置する工程をさらに含むことを特徴とする付記２に記載の半導体装置の製造方法。
（付記５）
前記アンダーフィル材として、前記液体又は前記ゲル状液体の加熱温度により粘度が低下する材料を選択することを特徴する付記４に記載の半導体装置の製造方法。
（付記６）前記接続端子を前記受け側部材に溶融接合した後に、前記液体又はゲル状液体を硬化させてパッケージ樹脂として用いる付記１〜５のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）
前記接続端子の溶融接合後に、前記ゲル状液体を除去することを特徴とする付記１〜５のいずれか１に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する
ことを特徴とする接合方法。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
ベースチップ、配線回路基板、インタポーザ基板、ウェハ基板等への半導体チップの接合のほか、微細な精密加工部品、計測用部品、電子部品など、微細な接続部を有し接続の際に高度の平行度調整を要する任意の部品間の接合に適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ、１Ｂ 半導体装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、５０Ａ、５０Ｂ、７２、７３、７４、７６ 半導体素子
１３ はんだ
１５、１５ａ、１５ｂ 接続端子
２０、６０ 基板（受け側部材）
２２ 受け側電極
３０ 液体又はゲル状液体
４０ 枠
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体又はゲル状液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体素子を前記受け側部材上の接続部に位置あわせして仮搭載し、
前記受け側部材上に仮搭載された半導体素子上に前記液体又はゲル状液体を供給し、
前記液体又はゲル状液体を加熱加圧して前記静水圧を生じさせる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体素子の前記接続端子と、前記受け側部材の前記接続部の少なくとも一方に、前記液体又はゲル状液体の加熱加圧温度で溶融する材料を用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体素子を前記液体又は前記ゲル状液体で取り囲む工程の前に、前記半導体素子の前記接続端子が形成されている面に、Ｂステージ化されたアンダーフィル材を配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記アンダーフィル材として、前記液体又は前記ゲル状液体の加熱温度により粘度が低下する材料を選択することを特徴する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する
ことを特徴とする接合方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法で製造された半導体装置。
【請求項１】
受け側部材に仮搭載された半導体素子を、前記半導体素子を取り囲む液体又はゲル状液体を介して加圧加熱し、
前記加熱加圧による静水圧により、前記半導体素子を前記受け側部材に対して押圧するとともに、前記半導体素子の接続端子を前記受け側部材に溶融接合する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記半導体素子を前記受け側部材上の接続部に位置あわせして仮搭載し、
前記受け側部材上に仮搭載された半導体素子上に前記液体又はゲル状液体を供給し、
前記液体又はゲル状液体を加熱加圧して前記静水圧を生じさせる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記半導体素子の前記接続端子と、前記受け側部材の前記接続部の少なくとも一方に、前記液体又はゲル状液体の加熱加圧温度で溶融する材料を用いることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体素子を前記液体又は前記ゲル状液体で取り囲む工程の前に、前記半導体素子の前記接続端子が形成されている面に、Ｂステージ化されたアンダーフィル材を配置する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記アンダーフィル材として、前記液体又は前記ゲル状液体の加熱温度により粘度が低下する材料を選択することを特徴する請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
第１部材の接続部を第２部材上に仮搭載し、
前記第２部材上に仮搭載された前記第１部材を液体又はゲル状液体で取り囲み、
前記液体又は前記ゲル状液体を加熱加圧して前記第１部材に対する静水圧を発生させるとともに、前記第１部材の接続部を前記第２部材に対して溶融接合する
ことを特徴とする接合方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法で製造された半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−８９７４０（Ｐ２０１２−８９７４０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３６４３３（Ｐ２０１０−２３６４３３）
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]