JP2012503884A - ３次元ｉｃ積層のための、ウェハとダイとの低コストのアライメント及びボンディング - Google Patents

Abstract

【解決手段】積層ＩＣ装置におけるアライメントに関するコストは、アライメント工程の間、１つのダイの代わりに複数のダイをアライメントすることで減少しうる。一実施形態において、アライメント構造は、ダイ自身の中ではなく、スクライブラインの中に配置される。１つの代わりに４つのダイをアライメントする事は、多くのアライメントインジケータとしての必要性を排除し、ウェハ上のより多くのシリコンがアクティブ領域のために使用され得る。加えて、この方法は、同じ歩留まりの構成を有するダイのビンを介して歩留まりの向上を許容する。
【選択図】図６

Description

本開示は、集積回路（ＩＣｓ）に関する。より具体的には、この開示は、多層のＩＣ装置、及び更により具体的には低コストのウェハとダイとのアライメントに関する。

ＩＣ技術において、多層（３Ｄ）のＩＣ装置（多レイヤー（multi-layer）または積層ＩＣ装置とも呼ぶ）を形成するため互いのチップを積層する必要がある。これは、大抵２つの方法のうちいずれか１つ、すなわちウェハとウェハとのボンディング、またはウェハとダイとのボンディングのいずれかを用いて成し遂げられる。

一般的に、ウェハとウェハとのボンディングとは、ウェハが表面と表面とでまたは表面と裏面とでアライメント及びボンディングされ、更なる積層プロセスまたはダイシングの前に、薄膜化されつつ配線がなされる、技術をいう。ウェハとウェハとのボンディングは、高スループットという利点を有するが、一般的に低率の歩留まりという結果になる。その低い歩留まりは、積層されるウェハ内のうち欠陥のあるサブデバイスがランダムに配置されることに起因する。積層プロセスで蓄積される歩留まりは、およそ積層内における個々の層（tier）の歩留まりの結果であり、更にウェハとウェハとのボンディングでは、ボンディングされる層と層との間でダイの大きさが同じであるといった必要性がある。

一般的に、ウェハとダイとのボンディングとは、“ドナー”ウェハから個々のダイが、ドナーウェハから切り出され、その後“レシーバ”ウェハからの（切り出されてはいない）ダイとアライメントされる、技術を言う。ウェハとダイとのボンディングは、ウェハとウェハとのボンディングよりも高い歩留まりを有し、また同一のサイズのダイを必要としないが、各々のダイがレシーバウェハ上のダイに対応するようアライメントされる必要があるので低スループットという結果となる。従って、生じる課題は、レシーバウェハに各々のダイをアライメントさせることに関連した時間とコストとの低減とされる。

本開示は、３次元ＩＣ装置のためウェハとダイとの積層において、ダイのアライメントに関連したコストを低下させるように、し向けられている。具体的には、一実施形態は、一度のアライメントで１つのダイをボンディングする従来手法ではなく、むしろ一度のアライメントでウェハと複数（Ｎ）のダイとをボンディングさせるように、し向けられている。従って、アライメント及びボンディングステップのスループットは、Ｎ倍だけ増加するだろう。

一実施形態において、ダイのアライメント方法は、第１グループが対称軸を有するように、積層ＩＣ装置の第１層に、第１のダイのグループの方向を合わせることを備える。その手法はまた、第２グループが対称軸を有するように、積層ＩＣ装置の第２層に、第２のダイのグループの方向を合わせることを含む。その方法は、更に積層ＩＣ装置の製造中に、ダイの第１及び第２グループを積層可能とするよう第２グループの対称軸に第１グループの対称軸をアライメントすることを含む。

前述した記載は、以下の詳細な説明がより理解されうるよう、特徴や技術的な利点をやや広く概説した。発明のクレームのテーマを形作る更なる特徴及び利点は、以下記述されるだろう。本発明と同じ目的を達成するため他の構造を変形またはデザインするためのベースとして、コンセプト及び記載された具体的な実施形態は容易に活用され得ると、当業者によって理解されるべきである。また、添付したクレームにおいて述べたように発明の精神及び意図からはそのような同等の構成が逸れることはないこともまた当業者は気付くべきである。機構及び動作方法に関して、本開示における特徴であるべきだと確信している新規な特徴は、更なる目的及び利点と共に、添付した図に関連して考慮すると以下記述からより理解されるであろう。しかし、各々の図は単に例示や説明を目的として提供され、本発明の範囲を限定するものとして定義されることを意図してはいないことを明白に理解されるべきである。

本発明における実施形態を完全に理解するため、添付図面と併せて用いられた次の記述によって、今述べる。
図１は、多層ＩＣ装置の概念図である。 図２は、従来手法で使用する“レシーバ”ウェハの概念図である。 図３は、従来手法で使用する“ドナー”ウェハの概念図である。 図４は、従来手法で使用する“ドナー”ウェハから切り出されたダイの概念図である。 図５は、従来手法で使用するアライメントの概念図である。 図６は、本発明の一実施形態で使用する“レシーバ”ウェハの概念図である。 図７は、本発明の一実施形態で使用する“ドナー”ウェハの概念図である。 図８は、本発明の一実施形態で使用する“ドナー”ウェハから切り出された後のダイの概念図である。 図９は、本発明の一実施形態で使用するアライメントの概念図である。 図１０は、本発明の代替的な一実施形態の概念図である。

図１は、トップ層１１と２つのダイ１２ａ及びダイ１２ｂを含むボトム層とを備えた多層ＩＣ装置１０の概念図である。トップ層１１とボトム層１２ａからのダイの１つとは、技術的に知られる従来の技術を用いて互いにボンディングされる。このボンディングは、積層ＩＣ装置１１／１２ａを形成する。そのような積層ＩＣ装置の利点は、技術的に知られ、そのような積層ＩＣ装置は、装置を小さな形状係数（form factor）で維持させ、システム分割能力及びパフォーマンスの改善を可能とする。しかし、上述したように、ダイ１１及びダイ１２ａをアライメントし、ボンディングするために必要とされるコストを最小とするなど積層ＩＣ装置の組み立てに関し多数の課題がある。図１に示すように実施形態において、ダイ１２ｂは積層構造の一部ではない。

図２は、従来手法を用いたモノリシックレシーバウェハ２１上のダイの配置の概念図である。図示するように、ダイ２０１、２０２、２０３、及び２０４は全て同一の方向を有する。具体的には、アライメントインジケータａは、レシーバウェハ２１に対する各々のダイ２０１、２０２、２０３、及び２０４の方向を定義するために用いられる。基準とされる構造ａは、ダイ２０１、２０２、２０３、及び２０４の下端右角に見ることが出来る。これらアライメントインジケータは、ＩＣのデザインによって決定されるように、ダイ上の他の位置で見つけることも出来、この記述のため下端右角にのみ例示される。

図３は、従来手法を用いたモノリシックドナーウェハ３１の概念図である。図示するように、ダイ３０１、３０２、３０３、及び３０４は同一の方向を有する。具体的には、基準とされる構造ｂは、それぞれ３０１、３０２、３０３、及び３０４の下端右角に見ることが出来る。これらアライメントインジケータは、ＩＣのデザインによって決定されるように、ダイ上で見つけることも出来、この記述のため下端右角に例示される。

図４は、ウェハ３１から切り出した後の図３のダイ３０１の概念図である。従来の切断工程は、技術的に周知なものであり、一例としてレーザやダイアモンドカッターを含む。特に、従来手法は、一度で１つのダイを裁断する製造工程を要する。従って、図４に示すように、ダイ３０２、３０３、及び３０４はそれぞれ同じように、順次個片化され、次いでウェハ３１から切り出されるであろう。

図５は、従来手法を用いたボンディング工程の間に行われるアライメントの概念図である。アライメント工程は、複数の技術を使用する。一例として、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、絶縁膜と絶縁膜との接合、ＣｕとＣｕとの接合、Ｘを介したＣｕとＣｕとの接合、マイクロバンプ接合、及びその組み合わせを含む。それは、１つのダイの領域にアライメントを納めるアライメント工程の物理的方向付けである。すなわち、１アライメント工程の後、ドナーウェハ３１から切り出された単一のダイが、レシーバウェハ２１から切り出された１つのダイとアライメントされ、結果、単一の完成されたダイスタック５０１とされる。図５によって図示される工程は、引き続きダイ３０２をダイ２０２に、ダイ３０３をダイ２０３に、そしてダイ３０４をダイ２０４に、繰り返してアライメントする必要がある。

図６は、本開示の典型的な手法を用いたモノリシックレシーバウェハ６１の概念図である。図示するように、ダイ６０１、６０２、６０３、及び６０４は同一の方向を有してはいない。具体的には、基準となる構造ａは、レシーバウェハ６１に対しダイ６０１、６０２、６０３、及び６０４のそれぞれの方向を定義するために使用される。基準となる構造ａは、それぞれダイ６０１の下端左角、ダイ６０２の下端右角、ダイ６０３の上端左角、及びダイ６０４の上端右角に見つけられる。

方向におけるこの差異は、ダイの配置を裏返し、回転させることで実現する。そのため、すべて４つのダイは共通の始点（origin）を共有する。この配置は、製造工程において必要とされるフォトリソグラフィレチクルに変形を加えることによって実現され得る。この変形によりダイの方向におけるそのような差異が可能となるだろう。仮に、そのプロセスが１ショット当たり１つのダイのみのレチクルを含むものであるものとすると、この方向の差異は、ステッパーへの変更によって実現しうる。そのため、レチクルは、各々のショット間で正確な方向を供給するために回転される。もっとも多いケースでは、１レチクルは、複数のダイを含み、その対称性は、レチクルの製造期間で操作され得る。

図７は、本開示の一手法を用いたモノリシックドナーウェハ７１の概念図である。図示するように、ダイ７０１、７０２、７０３、及び７０４は同一の方向を有していない。具体的には、基準となる構造ｂは、レシーバウェハ７１に対し、ダイ７０１、７０２、７０３、及び７０４のそれぞれの方向を定義するために用いられる。基準となる構造ｂは、ダイ７０１の下端左角に、ダイ７０２の下端右角に、ダイ７０３の上端左角に、そしてダイ７０４の上端右角にそれぞれ見ることが出来る。方向におけるこの差異は、ダイの位置を裏返し、回転させることで得られる。そのため、すべて４つのダイは、共通の始点を共有する。これは、上述したように、製造工程において必要とされる全てのフォトリソグラフィのレチクルへの変形によって実現し得る。

図８は、ダイ７０１、７０２、７０３、及び７０４をウェハ７１から切り出した後であって、図７におけるダイ７０１、７０２、７０３、及び７０４の１グループの概念図である。図４を参照して上述したように、切断工程の一例として、レーザ、及びダイアモンドカッターを含む。周知の従来手法と異なるが、本願手法は、製造者に一度に複数のダイを切断することを可能とする。従って、（図４に図示するように）従来手法は、１つずつ各々のダイを切り取ることを製造者に要求していたが、本開示は、同一のアライメントインジケータ（例えば、ａグループ）を持つ複数のダイを同時に切り出すことを教示している。

図９は、本開示を用いた一例のボンディング工程の間に行われるアライメントの概念図である。アライメント工程の例は、顕微鏡を通じて、ボトム層及びトップ層のそれぞれの表面上に設けられるアライメントキー、又は固有のパターンをトラッキングし、トップ層とボトム層とのアライメントキーが、特定の許容値内に並ぶように一層を移動させることを含む。本開示は、同時に複数のダイをアライメントさせる。つまり、１アライメント工程の後、ドナーウェハ７１から切り取られた複数のダイがレシーバウェハ６１から切り取られた複数のダイとアライメントされる。その結果、ダイの積層９０１、９０２、９０３、及び９０４が完成する。この方法は、図５に関連して上記記載した方法と比較したようにアライメントに必要とされる時間を減少させることで、スループットを増加させる。

４つのダイが図６〜図９に図示されているが、この数字は、単に例示を目的としたものであることに気付くことが重要である。本開示は、複数のダイを各々のアライメント工程においてアライメント可能とし、また４つに限定されない。例えば、２つのダイのグループは、ドナーウェハにおいて使用され得る。一例として、各々の層の角が位置合わせされたダイの積層を示しているが、ドナーウェハのダイの間に使用されることのないシリコン（または同様の材料）を提供することで、層と層とのアライメントにおいて、角のアライメントを必要としなくなる。更に、ウェハから切り出したダイを積層することを記述したが、ダイにダイを積層することも考えられる。

他の実施形態では、欠陥があるダイが影響を与える歩留まりの問題が扱われる。様々なビン（bin）は、（たとえあるとしても）１つのグループにおいて、どのダイが欠陥であるかに基づいてダイのグループを保持し得る。例えば、図６を再度参照し、ダイ６０１が欠陥とし、これに対し他のダイは良品であると想定する。欠陥として左上のダイを有する他のグループと共にそのような１つのグループは、１つのビンの中に蓄積されるだろう。同様に、他のビンは欠陥／良品ダイなど、さまざまな構成を保持する。

ドナーダイにつき対応するビンもまた、グループの中の良品／欠陥のダイの構成に基づきドナーダイのグループを保持する。歩留まりを改良するため、レシーバビン及びドナービンは、各々のビン内のグループ構成に基づき合致させられる。言い換えれば、左上のダイが欠陥であるドナーダイのグループを保持するドナービンは、左上に欠陥があるダイでレシーバダイのグループを保持するレシーバビンと合致される。一致したビンからダイのグループを選択することで、積層ＩＣは、欠陥であるダイが互いに積み重ねられて作成され得る。従って、欠陥とされたダイを備えたＩＣ積層を除去することができる。そのような改良なしでは、良品のダイの上に欠陥のダイが積層され、たとえ層のうち１つが良品のダイを含んでいても、結果として欠陥が積層されたＩＣとなり得る。

代替的な実施形態では、ドナーダイの複数集合体（第１層からの１つのダイのグループ）が、同時に取り上げられる（picked up）。ダイのグループである複数集合体は、あらかじめテンプレートブロック上にアライメントされ、そのテンプレートブロックはレシーバダイ又は第２層のウェハにアライメントされ得る。具体的には、図１０は、距離幅ｘが第２層のレシーバダイグループ１００１とレシーバダイグループ１００２との間で得られ得ることを例示している。テンプレートブロックは、続いて、レシーバダイグループ１００１及びレシーバダイグループ１００２をそれぞれ結合するため、ドナーダイグループ１００３及びドナーダイグループ１００４（例えば、第１層のドナーダイグループの集合体）をｘ距離だけ離れた位置に配置させるよう作成され得る。従って、単一のアライメントで、ダイグループである複数集合体をアライメントさせ得る。レシーバダイグループについて記述したが、レシーバウェハもまた用いられ得る。

また別の代替的な実施形態では、アライメント構造は、ダイの上にそれら自体が反対となるようにスクライブライン上に配置され得る。この実施形態は、アライメント構造のためにシリコンを使用しなければならない事よりも、むしろより多くのシリコンがこの実施形態によりアクティブ領域として利用可能とさせることである。この実施形態の利点は、より少数のアライメント工程の要求によって、より少数のアライメントインジケータが必要であるということであり、それにより、アクティブ領域で使用されるより多くのシリコンを利用可能とするものである。

本開示及びその利点が詳細に述べられたが、添付されたクレームによって定義された本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、ここでは、多種多様に変化、置換、及び変更することがなされ得ることを理解すべきである。また、本アプリケーションの範囲は、明細書に記載したプロセス、機構、製造、組成物、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定するべきことは意図していない。当事者であれば、本開示の開示から、プロセス、機構、製造、組成物、手段、方法、及びステップを容易に理解すると共に、現在存在するものまたは後に開発されるものが、本開示に従って使用され得る、ここで記述された実施形態と一致する実質同じ機能を果たし、又は実質同じ結果を達成するということを容易に理解するだろう。その結果、添付したクレームは、プロセス、機構、製造、組成物、手段、方法、及びステップのようなそれら範囲内で含むことを意図している。

Claims (18)

1. 積層ＩＣ装置のためにダイを配置する方法であって、
   第１の複数のダイが対称軸を有するように前記積層ＩＣ装置の第１の層についての前記第１の複数のダイの方向を合わせることと、
   第２の複数のダイが対称軸を有するように、前記積層ＩＣの第２の層についての前記第２の複数のダイの方向を合わせることと、
   前記積層ＩＣ装置の製造中に前記第１及び前記第２の複数のダイを積層可能とするよう、前記第２の複数のダイの前記対称軸に前記第１の複数のダイの前記対称軸をアライメントさせることと、を備えた方法。
2. 前記第１及び前記第２の複数のダイの前記対称軸は、水平方向で対称である請求項１の方法。
3. 前記第１及び前記第２の複数ダイに対する他の対称軸は、垂直方向に対して対称である請求項２の方法。
4. 前記第１及び前記第２の複数のダイに対する前記対称軸は、垂直方向に対して対称である請求項１の方法。
5. 前記第１の複数のダイは、少なくとも２つのダイを備え、
   前記第２の複数のダイは、少なくとも２つのダイを備える請求項１の方法。
6. 前記第１の複数のダイは、前記第２の複数のダイと同じ数のダイを含む請求項１の方法。
7. 前記第１のダイは、少なくとも４つのダイを備え、
   前記第２の複数のダイは、少なくとも４つのダイである請求項１の方法。
8. 前記第１の複数のダイは、ウェハから切り取られたダイである請求項１の方法。
9. 前記第２の複数のダイは、ウェハから切り取られたダイである請求項８の方法。
10. 前記第２の複数のダイは、ウェハから切り取られていないダイである請求項８の方法。
11. 前記第１の複数のダイは、モノリシックウェハから切り取れられる請求項８の方法。
12. スクライブされる際に、スクライブラインが切り取られるよう、前記複数のダイの各々の前記スクライブラインに前記アライメントインジケータが配置される請求項１の方法。
13. 第１の複数のダイの個々のダイの各々の歩留まりに基づいて第１の層について第１のビン（bin）に前記第１の複数のダイを入れること（binning）と、
    第２の複数のダイの歩留まりに対応する前記第１の複数のダイ、及び前記第２の複数のダイの個々のダイの各々の歩留まりに基づいて、第２の層のために第２のビンに第２の複数のダイを入れることと、を備えた積層ＩＣ装置の製造工程における歩留まりの改良方法。
14. 更に、第１の共通の始点を有するよう、前記第１の複数のダイの方向を合わせ、第２の共通の始点を有するよう、前記第２のダイの方向を合わせること、を備えた請求項１３の方法。
15. 更に、単一アライメントに基づいて、前記第２のダイから取り出した前記第２の複数のダイと前記第１のビンから取り出した前記第１の複数のダイとを積層させること、を備える請求項１４の方法。
16. 第１のアライメントポイントに基づいて積層ＩＣ装置の第１の層についての、第１のダイのグループをアライメントことと、
    前記第１のアライメントポイントに基づいて前記第１のダイのグループを備えた前記積層ＩＣ装置の第２の層についての、第２のダイのグループをアライメントすることと、を備えた複数のダイをアライメントする方法。
17. 第１の複数のダイが、水平方向及び垂直方向に対して対称軸を有するよう、積層ＩＣ装置の第１層についての前記第１の複数のダイの方向を合わせることと、
    第２の複数のダイが、水平方向及び垂直方向に対して対称軸を有するよう、前記ＩＣ装置の第２層についての前記第２の複数のダイの方向を合わせることと、
    前記積層ＩＣ装置の製造中に前記第１及び前記第２の複数のダイを積層可能とするよう、前記第２の複数のダイの前記対称軸に対して前記第１の複数のダイの前記対称軸をアライメントすること
    と、を備えたステップによって製造される積層ＩＣ装置。
18. レシーバダイグループ間の距離に基づき、テンプレートブロック上に予めドナーダイグループの集合体をアライメントすることと、
    前記集合体の単一のドナーダイグループ及び単一のレシーバダイグループのアライメントに基づき複数のレシーバダイグループをドナーダイグループの集合体に積層することと、を備えた積層ＩＣ装置の製造方法。

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