JP2000349111A - はんだ接合用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、鉛フリーはんだを用いてはんだバン
プを形成する場合でも、電極食われによる電極（バリア
メタル層）の消失が起こらない、はんだ接合用電極の構
造を提供することを目的とする。 【構成】本発明では、はんだ接合電極のバリアメタル層
の構造を、無電解めっきニッケル層と電解めっきニッケ
ル層の積層構造とし、まず下地層（給電層）の上に無電
解めっきニッケル層を形成し、前記無電解めっきニッケ
ル層に接して電解めっきニッケル層を形成する。この構
造により、良好なはんだ濡れ性を確保し、はんだ接合部
の信頼性を確保すると同時に、はんだバンプ形成の際に
電極食われにより電極（バリアメタル層）が消失するこ
とを防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ接合用電
極、特に、半導体装置又は回路配線基板の上に形成さ
れ、その表面には、半導体装置と回路配線基板とを機械
的及び電気的に接続するはんだバンプが載置されるはん
だ接合用電極の構造に関する。

【０００２】近年、半導体装置に対する更なる高集積
化、小型化、高機能化の要求から、半導体装置の入出力
端子に関し、端子面積の縮小化及び多端子化が進み、そ
の端子間ピッチも狭くなっている。また、複数の半導体
装置をその表面に実装する回路配線基板に対しては、電
子機器の小型化の要求に伴い、更なる実装密度の向上が
要求されている。更に、半導体装置をより高速化するた
めに、その動作周波数はますます増加しているが、これ
に伴う電気特性の劣化を防止するためには、半導体装置
と回路配線基板の間の配線距離はより短くすることが必
要である。

【０００３】以上のような要求に対応するため、近年で
は、回路配線基板に対する半導体装置の実装方式とし
て、金属リード線を介することなく、はんだバンプによ
り回路配線基板に半導体装置を直接実装するフリップチ
ップ実装方式が採用されている。このフリップチップ実
装方式では、半導体装置又は回路配線基板の上にはんだ
接合用電極を形成し、続いて前記はんだ接合電極の表面
にはんだバンプを形成する必要がある。

【０００４】

【従来の技術】図６は、従来のはんだ接合用電極、特に
その表面にはんだバンプが載置されるはんだ接合用電極
の構造を説明するための図である。図中、１１は半導体
装置や回路配線基板などの基材の上に形成された配線
層、１２は下地層（給電層）、１３はバリアメタル層
（電解めっき層）、１４ははんだバンプを表す。

【０００５】従来のはんだ接合用電極は、図６（ａ）に
示すように、配線層１１の上に膜厚０．７μｍ程度のチ
タンからなる下地層（給電層）１２をスパッタ法により
形成し、更に前記下地層１２の表面にニッケルからなる
バリアメタル層１３を電解めっき法により、３μｍ程度
形成した構造となっている。この電解めっきニッケル層
１３は、はんだの濡れ性に優れた膜であり、その表面に
はんだバンプを形成した際に良好な機械的強度を示すの
で、優れたはんだ接合性を実現することができる。ここ
で、更にはんだ濡れ性を高めるために、バリアメタル層
（電解めっき層）１３の上に適宜金めっき層を形成する
ことも可能であるが、図６（ａ）では省略している。

【０００６】次に、図６（ｂ）に示すように、図６
（ａ）に示したはんだ接合用電極の上に、例えば直径１
００μｍ程度のはんだバンプ１４を形成する。このはん
だバンプ１４の形成方法には、いくつかの方法が提案さ
れている。例えば、特開平７−２４９６３１号公報の 〔発明の詳細な説明〕の項に記載されているように、真
空蒸着法、はんだめっき法、はんだボールを使用する方
法などが挙げられる。はんだバンプ形成に使用するはん
だの種類については、従来より、成分中に鉛を多量に含
有したはんだ、例えば重量比でおよそ３７％の鉛を含有
する６３Ｓｎ−３７Ｐｂはんだが使用されている。

【０００７】上記はんだバンプ形成の際には、上記いず
れの方法の場合でも、はんだバンプ１４を電極と接合さ
せるために加熱工程が不可欠である。そして、この加熱
の際には、はんだの成分として含まれる錫がはんだ接合
用電極の電解めっきニッケル層１３内に拡散することに
より、電解めっきニッケルめっき層１３がはんだバンプ
１４内に取り込まれてしまう現象、いわゆる、はんだに
よる電極食われ（溶食）が起こる。但し、この電極食わ
れによりはんだバンプ内に取り込まれる電極の割合は、
従来より使用されている多量の鉛を含有するはんだの場
合には、実際のはんだバンプ形成において問題となる程
度ではなく、電極を構成する電解めっきニッケル層１３
のうち表面側の一部分が取り込まれるにすぎない。（図
６（ｂ）を参照） 一方で、近年、半導体装置及び回路配線基板、及びこれ
らを内部に組み込まれた電子機器が廃棄される場合に、
その内部のはんだの中に含有されている鉛が土壌に溶け
出し、土壌に溶け出した鉛が周囲の水源を汚染するなど
の、鉛による環境汚染の問題がクローズアップされてき
た。これに対応して、近年では、半導体装置及び回路配
線基板に使用するはんだに対しては、錫を主成分とし、
全く鉛を含まない鉛フリーはんだ（錫の含有率が重量比
で９０％以上。）を採用することが検討されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
多量の鉛を含有するはんだを使用した場合には、上記電
極食われが実際上、問題となることはなかった。しかし
ながら、上記鉛フリーはんだを使用した場合は、錫の含
有量が増加したこと、及びそれに伴ってはんだの融点が
上昇するため前記加熱の温度が高くなったことの相乗効
果により、電解めっきニッケル層１３に対する錫の拡散
が著しく進行するようになる。そのため、鉛フリーはん
だの場合、はんだによる電極食われの程度が著しく増大
してしまい、その結果、電極食われによりはんだバンプ
形成の加熱中に電解めっきニッケル層１３が完全に消失
してしまうといったことが問題となるようになった。

【０００９】通常、はんだバンプとバリアメタル層であ
るニッケル層の界面には、中間層として錫とニッケルの
合金が形成され、この錫−ニッケル合金によりはんだバ
ンプと電極の間の機械的強度が保持されている。従っ
て、上述のごとく、バリアメタル層である電解めっきニ
ッケル層１３が消失してしまうと、中間層である錫−ニ
ッケル合金が形成されないため、電極とはんだバンプと
の接合が形成されなかったり、接合させたはんだバンプ
が後で剥がれてしまうなど、機械的強度の面ではんだ接
合部の信頼性が大きく低下してしまう。

【００１０】また、鉛フリーはんだの場合、上記述べた
ように、はんだによる電極食われの程度が大きいため、
はんだバンプ形成の際に電極材料であるニッケルがはん
だの中に多量に溶け込んでしまう。このことにより、は
んだ自身の弾性係数の増加（はんだの硬質化）など、は
んだ自身の機械的性質が大きく劣化してしまう。このた
め、後の製造工程におけるヒートサイクルに対する、は
んだ接合部の耐性が大きく劣化してしまう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
鑑みてなされたもので、鉛フリーはんだを用いてはんだ
バンプを形成する場合でも、電極食われによる電極（バ
リアメタル層）の消失が起こらない、はんだ接合用電極
の構造を提供することを目的とする。

【００１２】図１は、本発明の原理説明図である。図
中、１は半導体装置や回路配線基板などの基材の上に形
成された配線層、２は下地層（給電層）、３は第１の金
属層である無電解めっき層、４は第２の金属層である電
解めっき層を表す。

【００１３】本発明では、図１に示すように、はんだ接
合用電極のバリアメタル層の構造を、無電解めっき層３
と電解めっき層４の積層構造とし、まず下地層（給電
層）２の上に無電解めっきニッケル層３を形成し、鉛フ
リーはんだにより形成されたはんだバンプがその上部に
載置される電解めっきニッケル層４を、前記無電解めっ
きニッケル層３に接して形成するように構成する。

【００１４】無電解めっきニッケル層は柱状結晶相を有
する多結晶構造を有しており、ニッケルの場合、柱状結
晶相で析出するとはんだの濡れ性が著しく劣化すること
が知られている。このことは、無電解めっきニッケル層
では、膜中への錫の拡散速度は小さくなることに対応し
ている。これに対し、電解めっきニッケル層は通常の結
晶粒を有する多結晶構造を有しており、膜質の安定し
た、はんだの濡れ性の良好な膜として知られている。こ
のため逆に、電解めっきニッケル層では、膜中への錫の
拡散速度は大きくなる。

【００１５】以上のように、柱状結晶相を有する無電解
めっきニッケル層は電解めっきニッケル層に比べて錫の
拡散速度が小さく、およそ１／３ほどであるため、電極
食われの程度を著しく小さく抑えることを可能にする。
そのため、電極として無電解めっきニッケル層を用いれ
ばはんだバンプ形成の際に電極（バリアメタル層）自身
の消失を防止することができる。

【００１６】しかしながら、上記述べたように、無電解
めっきニッケル層は電解めっきニッケル層に比べてはん
だの濡れ性において劣る。そのため、無電解めっきニッ
ケル層の表面に直接はんだバンプを形成した場合、本明
細書の

【従来の技術】の項で説明したような、電解めっきニッ
ケル層の表面にはんだバンプを形成する構造と比較する
と、はんだとニッケル層の間の中間層である錫−ニッケ
ル合金の形成が不十分となり、はんだバンプの剥がれな
ど、機械的強度の面ではんだ接合部の信頼性が低下する
ことが推測される。この問題を解決するために、本発明
では、無電解めっきニッケル層３の表面に、更に、はん
だ濡れ性に優れた電解めっきニッケル層４を形成するよ
うに構成している。

【００１７】従って、本発明では、無電解めっきニッケ
ル層３の表面に電解めっきニッケル層４を形成すること
により、良好なはんだ濡れ性を確保し、はんだ接合部の
信頼性を確保すると同時に、はんだバンプ形成の際に電
極食われにより電極（バリアメタル層）が消失すること
を防止することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２及び図３は、本発明の第１の
実施の形態を示す構成図であり、本発明のはんだ接合用
電極の構造及び形成方法を示している。図中、図１で示
したものと同一のものは同一の記号で示してあり、５は
レジスト、６ははんだバンプを表す。

【００１９】図２及び図３を用いてはんだ接合用電極の
形成方法を説明する。まず、半導体装置や回路配線基板
などの基材上の配線層１の表面に、電解めっきの際の給
電層となる下地層２として、チタンをスパッタ法により
膜厚０．７μm程度成膜する。次に、全面にレジスト５
を塗布し、続いてはんだ接合用電極を形成する領域のみ
レジストを除去し開口する。（図２（ａ）を参照。） 次に、下地チタン層２を形成した基板を、ニッケルリン
溶液又はニッケルボロン溶液を主たる成分とする無電解
めっき液で満たされためっき浴の中に浸せきさせ無電解
めっきを行い、下地チタン層２の表面に第１の金属膜と
して膜厚２μm程度の無電解めっきニッケル層３を形成
する。このときの無電解めっきの条件は、例えば温度８
０℃、浸せき時間１５分である。このとき、前記無電解
めっきニッケル層３は、図２（ａ）においてレジストが
開口された領域にのみ形成される。（図２（ｂ）を参
照。） 次に、無電解めっきニッケル層３を形成した基板を、電
解めっきの際の給電層である下地チタン層２において、
電解めっき用の外部電源からの電気配線と電気的に接続
させ、前記基板自身によりカソード（負極）を形成す
る。続いて、カソード化した基板を、硫酸ニッケル溶液
を主たる成分とする電解めっき液で満たされためっき浴
の中に浸せきさせる。次に、予め前記めっき浴の中に浸
せきさせてあるニッケルからなるアノード（正極）と、
前記基板からなるカソードの間に通電して、第１の金属
層として膜厚１μｍ程度の電解めっきニッケル層４を形
成する。このときの電解めっきの条件は、例えば、電流
密度１．５Ａ／ｃｍ²、温度６０℃、通電時間５分であ
る。このとき、電解めっきニッケル層４は、レジストが
開口された領域に形成された無電解めっきニッケル層３
の表面にのみ形成される。これで、無電解めっきニッケ
ル層３と電解めっきニッケル層４からなる積層構造を有
するバリアメタル層が形成される。（図２（ｃ）を参
照。） 次に、全面に塗布されたレジストをすべて除去する。そ
の後、無電解めっきニッケル層３と電解めっきニッケル
層４の積層構造を有するバリアメタル層をマスクとし
て、希フッ酸により下地チタン層２のエッチングを行
い、下地チタン層２のうち露出している部分を除去す
る。これで、本発明のはんだ接合用電極が形成される。
（図３（ａ）を参照。） 最後に、図３（ａ）で形成したはんだ接合用電極の上
に、例えば直径１００μｍ程度のはんだバンプ６を形成
する。はんだバンプ６は、特開平７−２４９６３１号公
報の

【発明の詳細な説明】の項に記載されているのと同様の
方法に従い、鉛フリーはんだとしてＳｎ−３．５Ａｇは
んだ（錫含有率、約９６．５％）を用いて、はんだボー
ルを使用する方法により形成する。この際、はんだボー
ルを電極と接合させるために、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ
の融点（２２１℃）以上の約２６０℃の温度で、１０分
程度加熱する。この加熱の際、無電解めっきニッケル層
３と電解めっきニッケル層４の積層構造を有するバリア
メタル層のうち、電解めっき層３ははんだによる電極食
われによりほとんど消失してしまうが、無電解めっきニ
ッケル層４は消失することはなく、はんだバンプ６との
界面に中間層として錫−ニッケル合金が形成され、はん
だバンプ６との接合が保持される。これで、本発明のは
んだ接合用電極の上にはんだバンプ６が形成される。
（図３（ｂ）を参照。） 図４及び図５は、本発明の第２の実施の形態を示す構成
図であり、本発明のはんだ接合用電極の構造及び形成方
法を示している。図中、図１、２及び３で示したものと
同一のものは同一の記号で示してあり、７は電解めっき
ニッケル層を表す。図４及び図５では、第１の実施の形
態で示したはんだ接合用電極の構造に加え、下地チタン
層２と無電解めっきニッケル層３の間に更に電解めっき
ニッケル層７が挿入され、バリアメタル層を電解めっき
ニッケル層７、無電解めっきニッケル層３と電解めっき
ニッケル層４からなる３層の積層構造としている。同時
にこの構造は、バリメタル層が電解めっきニッケル層の
みからなる従来の電極構造（図6参照。）に対して、そ
の中間部に無電解めっきニッケル層３を挟み入れた構造
となっている。すなわち、図４及び図５に示す第2の実
施の形態は、第1の実施の形態に比べて、従来の電極構
造及びその形成プロセスに対してより整合性が高いもの
となっており、従来の電極形成プロセスに安価かつ平易
な無電解めっきのプロセスを追加することで、はんだ接
合部の信頼性を大幅に向上させることが可能となる。

【００２０】図４及び図５を用いてはんだ接合用電極の
形成方法を説明する。まず、第１の実施の形態の場合と
同様に、半導体装置や回路配線基板などの基材上の配線
層１の表面に下地層２としてチタンを膜厚０．７μm程
度成膜し、続いて全面にレジスト５を塗布してはんだ接
合用電極を形成する領域のみレジスト５を除去し開口す
る。（図４（ａ）を参照。） 次に、下地チタン層２を形成した基板を、硫酸ニッケル
溶液を主たる成分とする電解めっき液で満たされためっ
き浴の中に浸せきさせ、ニッケルからなるアノード（正
極）と、前記基板からなるカソード（負極）の間に通電
して、下地チタン層２の表面に膜厚１μｍ程度の電解め
っきニッケル層７を形成する。このときの電解めっきの
条件は、例えば、電流密度１．５Ａ／ｃｍ²、温度６０
℃、通電時間５分である。このとき、電解めっきニッケ
ル層７はレジストが開口された領域にのみ形成される。
（図４（ｂ）を参照。） 次に、電解めっきニッケル層７を形成した基板を、ニッ
ケルリン溶液又はニッケルボロン溶液を主たる成分とす
る無電解めっき液で満たされためっき浴の中に浸せきさ
せ、電解めっきニッケル層７の表面に膜厚２μm程度の
無電解めっきニッケル層３を形成する。このときの電解
めっきの条件は、例えば温度８０℃、浸せき時間１５分
である。（図４（ｃ）を参照。） 次に、無電解めっきニッケル層３を形成した基板を、再
び硫酸ニッケル溶液を主たる成分とする電解めっき液で
満たされためっき浴の中に浸せきさせ、ニッケルからな
るアノード（正極）と、前記基板からなるカソード（負
極）の間に通電して、前記無電解めっきニッケル層３の
表面に、膜厚１μｍ程度の電解めっきニッケル層４を形
成する。このときの電解めっきの条件は、例えば、電流
密度１．５Ａ／ｃｍ²、温度６０℃、通電時間５分であ
る。これで、電解めっきニッケル層７、無電解めっきニ
ッケル層３、及び電解めっきニッケル層４からなる積層
構造を有するバリメタル層が形成される。（図５（ａ）
を参照。） 次に、第１の実施の形態の場合と同様に、全面に塗布さ
れたレジスト５をすべて除去した後、希フッ酸により下
地チタン層２のエッチングを行う。これで、本発明のは
んだ接合用電極が形成される。（図５（ｂ）を参照。） 最後に、鉛フリーはんだとしてＳｎ−０．７Ｃｕはんだ
（錫含有率、約９９．３％）を用いて、はんだ接合用電
極の上に例えば直径１００μｍ程度のはんだバンプ６を
形成する。この際、はんだボールを電極と接合させるた
めに、Ｓｎ−０．７Ｃｕはんだ（錫含有率、約９９．３
％）の融点（２２７℃）以上の約２７０℃の温度で、１
０分程度加熱する。この加熱の際にも、第１の実施の形
態の場合と同様に、バリアメタル層のうち、電解めっき
層３ははんだによる電極食われによりほとんど消失して
しまうが、無電解めっきニッケル層４は消失することは
なく、はんだバンプ６との界面に中間層として錫−ニッ
ケル合金が形成され、はんだバンプとの接合が保持され
る。これで、本発明のはんだ接合用電極の上にはんだバ
ンプ６が形成される。（図５（ｃ）を参照。） ここで、第１及び第２の実施の形態で示した形成方法に
よりはんだ接合用電極の上にはんだバンプを形成したも
のについて断面形状の観察を行い、本発明のはんだ接合
用電極においてはんだによる電極の食われがどの程度起
こるのかについて実際に検証を行ったので、その結果に
ついて言及する。

【００２１】まず、鉛フリーはんだとしてＳｎ−３．５
Ａｇはんだ（錫含有率、約９６．５％）を用いた第１の
実施の形態の電極に関して断面の観察を行った結果、前
記第１の金属膜である無電解めっきニッケル層３が残存
することを確認することができた。また、鉛フリーはん
だとしてＳｎ−０．７Ｃｕはんだ（錫含有率、約９９．
３％）を用いた第２の実施の形態の電極に関して断面の
観察を行った結果、この場合にも、前記第１の金属膜で
ある無電解めっきニッケル層３が残存することを確認す
ることができた。

【００２２】以上の観察の結果、本発明のはんだ接合用
電極では、確かに、電極内への錫の拡散はバリアメタル
層のうち無電解めっきニッケル層３で抑制することがで
きており、はんだによる電極食われも無電解めっきニッ
ケル層３で防止することができることが確認できた。従
って、本発明のはんだ接合用電極を用いれば、鉛フリー
はんだを用いた場合でも、はんだバンプ形成の際に電極
食われにより電極（バリアメタル層）が消失することを
防止することができるという、本発明に特有の効果を確
認することができた。

【００２３】尚、上述の第１及び第２の実施の形態で
は、積層構造を有するバリアメタル層の最上層が電解め
っきニッケル層４となっているが、この電解めっきニッ
ケル層４の表面に更に金めっき層を、例えば０．２μｍ
程度形成してもよい。

【００２４】また、鉛フリーはんだとして、上述の第１
の実施の形態ではＳｎ−３．５Ａｇはんだを、上述の第
２の実施の形態ではＳｎ−０．７Ｃｕはんだを使用して
いるが、これらのはんだに限定されるものではない。上
述の第１及び第２の実施の形態において、鉛フリーはん
だとしては、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ及びＳｎ−０．７
Ｃｕはんだを使用することができることはもちろん、こ
れら以外のもの、例えばＡｇ、Ｃｕ及びＢｉの中の１種
類以上の元素とＳｎを組み合わせたものからなる成分を
有するはんだを使用することができる。

【００２５】また、上述の第1及び第2の実施の形態で
は、バリアメタル層の材料としてはニッケルを用いてい
るが、代わりにＰｔ（白金）を用いてもよい。

【００２６】更に付言すれば、本発明には以下に示す事
項も含まれる。 (1)前記基材が半導体装置又は回路配線基板であること
を特徴とする請求項1又は請求項２記載のはんだ接合用
電極。 (2)請求項１又は請求項２記載のはんだ接合用電極を備
えたことを特徴とする半導体装置。 (3)請求項１又は請求項２記載のはんだ接合用電極を備
えたことを特徴とする回路配線基板。 (4)請求項１又は請求項２記載のはんだ接合用電極であ
って、前記第２の金属膜の上にはんだバンプが設けられ
たはんだ接合用電極。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、は
んだ接合用電極を電解めっき層と無電解めっき層の積層
構造とし、下地層（給電層）の上に無電解めっき層を形
成し、続いて前記無電解めっき層の表面に電解めっき層
を形成しているので、鉛フリーはんだを用いてはんだバ
ンプを形成する場合でも、電極食われによる電極（バリ
アメタル層）の消失を防止することができる。従って、
本発明は、鉛フリーはんだを用いたはんだバンプの場合
においても、はんだ接合部の信頼性を充分に確保できる
という効果を奏し、係るはんだ接合用電極の性能向上に
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理説明図

【図２】 本発明の第１の実施の形態を示す構成図（そ
の１）

【図３】 本発明の第１の実施の形態を示す構成図（そ
の２）

【図４】 本発明の第２の実施の形態を示す構成図（そ
の１）

【図５】 本発明の第２の実施の形態を示す構成図（そ
の２）

【図６】 従来のはんだ接合用電極の構造を説明するた
めの図

【符号の説明】 １ 配線層、 ２ 下地層（給電層）、 ３ 第１の金属層（無電解めっき層）、 ４ 第２の金属層（電解めっき層）、 ５ レジスト、 ６ はんだバンプ、 ７ 電解めっきニッケル層 １１ 配線層、 １２ 下地層（給電層）、 １３ バリアメタル層（電解めっき層）、 １４ はんだバンプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】基材の上に形成された第１の金属膜と、 前記第１の金属膜上に形成され、表面側に錫の含有率が
   重量比で９０％以上であるはんだにより形成されたはん
   だバンプが載置される第２の金属膜を有するはんだ接合
   用電極であって、 前記第1の金属膜が、無電解めっき法により形成された
   金属膜であり、 前記第２の金属膜が、主たる成分が前記第１の金属膜と
   同一の元素からなり、電解めっき法により形成された金
   属膜であることを特徴とするはんだ接合用電極。
2. 【請求項２】前記第1の金属膜及び第2の金属膜が、主た
   る成分がニッケルよりなる金属膜であることを特徴とす
   る請求項1記載のはんだ接合用電極。