JP2002324776A

JP2002324776A - 半導体素子のバンプ形成方法

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Publication number: JP2002324776A
Application number: JP2001128688A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Yamamoto; 幸弘山本; Hideji Hashino; 英児橋野; Kohei Tatsumi; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、アンダーバンプメタル上への均一
性・密着性・信頼性の高いバンプの形成方法及び、その
方法による信頼性の高い半導体装置を提供することを目
的とする。【解決手段】半導体素子の電極表面上のアンダーバン
プメタル上に導電性バンプを形成する方法であって、バ
ンプ形成前に前記半導体素子のアンダーバンプメタル表
面を一回以上溶媒で洗浄する工程を含むことを特徴とす
る半導体素子のバンプ形成方法、及びこの方法により形
成されたバンプ付半導体装置である。さらにUVオゾン洗
浄する工程を含む。さらにバンプ形成材料を搭載しリフ
ローする際に、バンプ形成材料の溶融する温度よりも50
〜160℃高い温度でリフローする工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子をフリ
ップチップ方式やフィルムキャリア方式などのワイヤレ
スボンディング方式を用いて実装する場合に必要な、半
導体素子のバンプ形成方法、及びこれにより形成された
バンプを有する半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウェハ上に製作されたアルミニ
ウムや銅の電極上にメッキ法またはスパッタ法で形成さ
れたアンダーバンプメタル(Under Bump Metal: UBM)上
に突起電極(バンプ)を形成する方法には、(1) 半田メッ
キを行い、加熱する事により半田バンプを形成する方
法、(2) UBM上に半田ワイヤーによりスタッドバンプを
形成し、加熱する事でバンプを形成する方法、そして
(3) あらかじめ導電性ボールを作っておき、UBM上にフ
ラックス塗布後、ボール搭載し、適温でリフローする事
でバンプを形成する方法、(4) UBM上に半田ペーストを
適量印刷し、適温でリフローする事でバンプを形成する
方法とが有る。

【０００３】これらのバンプ形成方法の内、特に(2)、
(3)及び(4)の場合において、リフロー後にバンプ形成材
料が充分に接合できず、UBM上に丸いまま残り、フラッ
クスの洗浄と共にバンプ形成材料が流れ去ってしまうと
言う所謂付き残り現象が生じる場合があった。加熱また
はリフローによりUBMと半田との接合処理を行う前の前
処理を十分に行っておかないと、接合処理時に、汚れの
ためにUBM上でのフラックスの活性度が阻害されたり、
リフロー時に半田のUBMとのぬれ具合が阻害されたりす
る事が有る。そのため、一個のUBM内・チップ上の個々
のUBM間・ウェハ上でのチップ間・あるいは同時処理す
るウェハ間でUBMへの半田のぬれ性が異なるという事態
が生じ易い。この現象は、結果としてチップ上の電極の
所々にボールバンプの抜けが発生する事を引き起こすこ
とになる。またバンプの抜けが生じないまでも個々のボ
ールのUBMとの密着性に差が出るため、バンプ高さやバ
ンプのシェア強度に差が生じる場合がある。さらにボー
ル抜けの部分をリペアするのに手間がかかり、はなはだ
しい場合はリペアのために生産障害が生じる場合もあ
る。また、半導体装置として使用出来ない程抜けがある
ものが出来たりして、歩留まり低下を招いていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この原因としては、一
つにはウェハやチップの取り扱い時における小さなゴミ
や油分や水分が考えられる。したがって、それらの不均
一状態を取り除き、全てのUBM部分が小さなゴミや油分
や水分等の有機成分・無機成分の無い均一な面となるよ
うに前処理を十分に行う必要がある。さらにUBMと半田
との密着性を向上させ、シェア強度も十分にあり、バン
プの高さにも差が出来るだけ少ない様にして、後のフリ
ップチップボンディングが容易に行えるようにする必要
が有る。

【０００５】本発明は、上記問題点を除去し、UBM上に
バンプを形成する際に、一個のUBM内の各部分，チップ
上の個々のUBM間，ウェハ内でのチップ間でのUBMとバン
プ形成材料との密着性の差を出来るだけ小さくし、均一
で信頼性に優れたバンプを形成する方法を提供すること
を目的とする。また、そのようにして作製された均一で
信頼性に優れた導電性バンプ付半導体装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下のような手段を用いる。 (1) 半導体素子の電極表面上のアンダーバンプメタル
上に導電性バンプを形成する際に、バンプ形成前に上記
半導体素子のアンダーバンプメタル表面を1回以上溶媒
で洗浄する半導体素子のバンプ形成方法。 (2) 半導体素子の電極表面上のアンダーバンプメタル
上に導電性バンプを形成する際に、バンプ形成前に上記
半導体素子のアンダーバンプメタル表面を1回以上溶媒
で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗浄する工程とを行
う半導体素子のバンプ形成方法。 (3) 半導体素子の電極表面上のアンダーバンプメタル
上に導電性バンプを形成する際に、バンプ形成前に上記
半導体素子のアンダーバンプメタル表面を1回以上溶媒
で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗浄する工程と、ア
ンダーバンプメタル上に、必要に応じてフラックスを塗
布してから、バンプ形成材料を搭載しリフローする際
に、該バンプ形成材料の溶融する温度よりも50〜160℃
高い温度でリフローする工程とを行う半導体素子のバン
プ形成方法。 (4) 半導体素子の電極表面上のアンダーバンプメタル
上に導電性バンプを形成する際に、バンプ形成前に上記
半導体素子のアンダーバンプメタル表面を1回以上溶媒
で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗浄する工程と、ア
ンダーバンプメタル上に、必要に応じてフラックスを塗
布してから、バンプ形成材料を搭載しリフローする際
に、バンプ形成材料の溶融する温度以上かつ溶融する温
度＋160℃以下の温度範囲での加熱時間を30秒から400秒
としてリフローする工程とを行う半導体素子のバンプ形
成方法。 (5) 前記溶媒が、硝酸・硫酸・フッ酸またはリン酸か
ら選ばれる一種または二種以上、または有機溶媒である
上記(1)〜(4)に記載の半導体素子のバンプ形成方法。 (6) リフローを２回以上行う上記(3)または(4)に記載
の半導体素子のバンプ形成方法。 (7) アンダーバンプメタル上にバンプ形成材料を搭載
する前に、アンダーバンプメタル表面に対し還元性雰囲
気、酸化性雰囲気または不活性雰囲気で、プラズマ処理
を行う上記(1)〜(6)に記載の半導体素子のバンプ形成方
法。 (8) 上記(1)〜(7)の形成方法で作製したバンプで接合
されている半導体装置において、アンダーバンプメタル
上に搭載しリフローにより接合した導電性ボールの頂上
からアンダーバンプメタルの中心部への断面で、バンプ
の横方向の最大長さをaとし、縦方向のバンプの高さをb
とし、バンプ断面でaとbの交点から下の部分をcとした
時、a≧b≧c≧0、b≧a/2である導電性バンプ付半導体装
置。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。本発明について、アルミニウムや銅
の電極上のニッケル・金のUBM上へのバンプ形成材料に
よるバンプ形成法を例に説明する。

【０００８】アルミニウム電極をパターニングし、その
上にニッケル及び金をメッキしUBMを形成したシリコン
基板へのバンプ形成を行ったものについて説明する。表
面清浄化処理として以下の工程を行う。

【０００９】第一に、少なくとも1回以上有機溶媒中及
びまたは酸性溶液中でウェハまたはチップ等のUBM表面
を洗浄する工程を導入する。有機溶媒中の洗浄はそれぞ
れ1〜30分とし、超音波をかけても良い。この処理工程
は、1分未満では効果が乏しく、30分超行っても効果は
同じである。有機溶媒としては、例えば、アセトンやメ
チルエチルケトン等のケトン系のもの、エタノール、メ
タノールやプロパノール等のアルコール系のもの、ある
いはそれらを適当な比率で混合した混合物を用いる。そ
の他、テトラヒドロフラン等、ウェハ上に付着したごみ
・油分・水分を溶かすまたは流し去る各種の溶媒を使用
しても良い。複数回洗浄を行う時は、溶媒として比誘電
率の低いものと高いもののように、比誘電率の異なるも
のを選択するのが良い。酸性溶液としては、硝酸・硫酸
・りん酸及びそれらの混合物が用いられる。濃度は、濃
硝酸・濃硫酸・濃りん酸から10分の1まで希釈したもの
が用いられる。酸性溶液中の洗浄では、超音波洗浄は特
に必要としない。

【００１０】上記の洗浄だけでは不十分の場合は、第二
に、前記有機溶媒または酸性溶液を乾燥後、さらにUVオ
ゾン洗浄を行い、ウェハまたはチップ等のUBM上の有機
物を完全に除去する工程を導入する。これは、大気中ま
たは酸素雰囲気中または酸素をわずかでも含む雰囲気中
で紫外線を1〜30分間当てることにより、有機物を分解
除去する工程である。この処理工程は、1分未満では効
果が乏しく、30分超行っても効果は同じである。ここで
いうUVオゾン洗浄とは、UBM表面に酸素の存在下でUV(紫
外)光を当て、紫外線及び紫外線により発生したオゾン
で有機物を分解洗浄する工程である。

【００１１】また、さらに密着性を確実とするために、
アンダーバンプメタル上にバンプ形成材料を搭載する前
に、アンダーバンプメタルに対し還元性雰囲気(H₂、C
H₄、等のガス)、または酸化性雰囲気(O₂、O₃、空気また
はO₂を含むAr、N₂等の気体)または不活性雰囲気(N₂また
はAr等の希ガス)において、プラズマ処理を行って、表
面の0.5〜20nm程度の厚みで表面を削る事により、電極
最上層のニッケルを多く含む部分を削り取り、金の含有
量の多い層を表面に出す工程を導入しても良い。このこ
とにより、アンダーバンプメタルとバンプ形成材料との
接着性と密着性が向上する。UBM形成のメッキにおいて
は、アルミまたは銅の電極上にニッケルそして金の順に
メッキが施されるが、この置換型金メッキ膜の上にニッ
ケルが酸化物や塩の形で20nm以下の薄い層として存在し
ている場合が多い。この層が存在すると、UBM上にバン
プ形成材料を搭載しリフローしても接合しにくい場合が
多いからである。

【００１２】以上の処理により、UBM上の無機物及び有
機物は全て除去される。この工程はバンプ形成時のフラ
ックス塗布処理前に行うことが好ましい。フラックス塗
布を行わない場合は、半田ボール搭載前や半田ペースト
印刷前に行う。

【００１３】バンプ形成材料としては、共晶半田や各種
鉛フリー半田のペーストまたはボール、コアが銅で周囲
が半田のボール、金ボール、金合金ボール等を使用する
ことが出来る。

【００１４】ここまでは、UBMとバンプ形成材料との接
合反応の開始をし易くする処理方法を説明したが、次
に、接合反応を進め、完全に接合し易くする条件に付い
て説明する。バンプ形成に際し、アンダーバンプメタル
上に、必要に応じてフラックスを塗布してから、バンプ
形成材料を搭載しリフローする際に、バンプ形成材料の
溶融する温度よりも50〜160℃高い温度でリフローする
工程を行うことにより、半導体素子のバンプを形成する
と接合反応が開始し易くなり、バンプ形成材料の付き残
りが減少する。その溶融温度よりも50℃高い温度よりも
低いとUBMとバンプ形成材料との間に十分な密着性が得
られない。また、溶融する温度＋160℃より高いとバン
プ形成材料が溶けて流れてバンプ形成ができない場合が
ある。また、アンダーバンプメタル上に、必要に応じて
フラックスを塗布してから、バンプ形成材料を搭載しリ
フローする際に、バンプ形成材料の溶融する温度以上か
つ溶融する温度＋160℃以下の温度範囲での加熱時間を
長くしてリフローすることにより、十分な密着性を持つ
半導体素子のバンプを形成する。通常は30〜60秒程度で
リフローが行われているが、400秒まで時間延長すると
密着性が向上し、バンプ形成材料の付き残り数が減少す
る。30秒より短いと十分な密着性が得られず、400秒超
では、効果が飽和すると共に生産性を阻害する恐れが有
る。

【００１５】バンプ形成材料を搭載する前のフラックス
塗布は必要に応じて行う。通常はフラックスを塗布する
ことが好ましいが、例えばレーザーによる加熱を行う場
合にはフラックスを塗布しなくてもバンプ形成を行うこ
とができる。

【００１６】また、上記におけるリフローを2回以上行
うことにより、半導体素子のバンプ形成反応を十分に行
わせる。しかし、5回以上行っても効果は変わらず、か
えってバンプのシェア強度が減少する場合があるので、
リフローのくり返しは4回までが望ましい。

【００１７】上記の方法で作製したバンプで接合されて
いる半導体装置において、図1に示すように、アンダー
バンプメタル２上に搭載しリフローにより接合したバン
プ１の頂上からアンダーバンプメタル２の中心部への断
面におけるバンプ１の横方向の最大長さをa、縦方向の
バンプの高さをbとし、バンプ断面でaとbの交点から下
の部分をcとした時、 a≧b≧c≧0 (式1) b≧a/2 (式2) となるように作製した導電性バンプ付半導体装置とす
る。(式1)、(式2)は、形成されたバンプ形状が半球状以
上である事を示す。両式を満たす場合、半導体装置とし
て使用する際に密着性の良いフリップチップボンディン
グが行える。半球状より小さい場合は平坦なバンプ形状
となり、密着性の良いチップとして使用しにくくなる。

【００１８】以上、アルミニウム電極を例に説明した
が、銅電極の場合にも同じプロセスで処理を行えば、同
様の導電性バンプ付半導体装置が得られる。

【００１９】本方法によれば、UBM上にバンプ形成材料
を搭載し、リフローすれば、密着性の良い均一な高さの
信頼性の高いバンプを形成することが出来、密着性の良
いバンプ形成材料付半導体装置が得られる。作成したバ
ンプのシェア強度試験においても均一な値が得られる。

【００２０】

【実施例】以下に、実施例を用いて本発明を説明する。
処理条件等はこれら実施例のみにとらわれるものではな
い。

【００２１】(実施例1)アルミニウム電極(厚さ1μm)の
上に無電解メッキにより作製したUBM(Ni-P(P含量11mass
%):5μm/Au:0.05μm)の付いた8インチ(200mm)ウェハ(61
9個のテストチップがあり、一つのチップごとに625個の
100×100μm角のUBM付電極が140μmピッチで並んでい
る。)を用いた。まず、アセトン中で5分、エタノール中
で5分それぞれ超音波洗浄を行った。乾燥後、UVオゾン
洗浄器で5分間洗浄処理を行った。その後、フラックス
を適量塗布し、100μmφの共晶半田ボールを搭載した。
窒素雰囲気下130℃2分→230℃40秒→130℃1分の条件で
リフローを行った。フラックス残さを洗浄し、バンプの
評価を行った。リフロー後のバンプ形状の測定(図1の
a、b、cの測定)、シェア強度の測定をそれぞれ表1-1、
表1-2に示す。バンプ形状のbはバンプ高さに相当する。
リフロー後のボールの付き残り数は、100個程度であっ
た。なお、UBM上の金メッキは、リフローにより半田内
へ拡散する。

【００２２】

【表１】

【００２３】(実施例2)実施例1において、熱処理条件を
130℃2分→310℃40秒→130℃1分の条件でリフローを行
った以外はすべて同様の処理を行い、半田バンプを形成
し、バンプの評価を行った。リフロー後のバンプ形状の
測定(図1のa、b、cの測定)、シェア強度の測定をそれぞ
れ表２−１、表２−２に示す。シェア強度が上記実施例
よりもよく揃っている。ボールの付き残り数は、80個程
度であった。

【００２４】

【表２】

【００２５】(実施例3)実施例2のウェハよりチップを切
り出し、130℃2分→310℃40秒→130℃1分の条件で再リ
フローを行った以外はすべて同様の処理を行い(フラッ
クス洗浄は、再リフロー後行った。)、半田バンプを形
成し、バンプの評価を行った。リフロー後のバンプ形状
の測定(図1のbの測定)、シェア強度の測定をそれぞれ表
３、表４に示す。シェア強度・バンプ高さともによく揃
っている。

【００２６】

【表３】

【００２７】

【表４】

【００２８】(実施例4)実施例2のウェハよりチップを切
り出し、130℃2分→310℃360秒→150℃1分の条件で再リ
フローを行った以外はすべて同様の処理を行い、半田バ
ンプを形成し、バンプの評価を行った。リフロー後のバ
ンプ形状の測定(図1のbの測定)、シェア強度の測定をそ
れぞれ表３、表４に示す。シェア強度・バンプ高さとも
によく揃っている。

【００２９】(実施例5)アルミニウム電極(厚さ1μm)の
上に無電解メッキにより作製したUBM(Ni-P(P含量11mass
%):5μm/Au:0.05μm)の付いた8インチ(200mm)ウェハ(61
9個のテストチップがあり、一つのチップごとに625個の
80×80μm角の穴あけパッシベーション膜付UBM電極が14
0μmピッチで並んでいる。)を用いた。まず、アセトン
中で5分、エタノール中で5分それぞれ超音波洗浄を行っ
た。乾燥後、UVオゾン洗浄器で5分間洗浄処理を行っ
た。その後、フラックスを適量塗布し、100μmφの共晶
半田ボールを搭載した。窒素雰囲気下130℃2分→230℃4
0秒→130℃1分の条件でリフローを行った。フラックス
残さを洗浄し、バンプの評価を行った。リフロー後の
バンプ形状の測定(図1のbの測定)、シェア強度の測定を
それぞれ表３、表４に示す。付き残りは、350個程度で
あった。

【００３０】(実施例6)実施例5において、130℃2分→23
0℃40秒→130℃1分の条件で再リフローを行った以外は
すべて同様の処理を行い、半田バンプを形成し、バンプ
の評価を行った。リフロー後のバンプ形状の測定(図1の
bの測定)、シェア強度の測定をそれぞれ表３、表４に示
す。シェア強度・バンプ高さともによく揃っている。シ
ェア強度はやや向上している。ボールの付き残りは300
個であった。

【００３１】(比較例)実施例1に示した各種洗浄を全く
行わずに、窒素雰囲気で130℃2分→230℃40秒→130℃1
分リフローを行った。ボールの付き残りは、1000個以上
あった。バンプ形成した部分のシェア強度・バンプ高さ
に付いては、実施例1のデータと大差なかった。

【００３２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、UBM上に均一な高さとシェア強度を持つバンプ
を簡便な処理をすることで容易に形成することが出来、
均一高さのバンプを持つ信頼性のあるバンプ付半導体装
置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】リフロー後の半田バンプ形状の模式図

【符号の説明】

1 半田バンプ 2 アンダーバンプメタル（ニッケル） 3 電極（アルミニウム） 4 シリコン基板 a バンプ幅 b バンプ高さ c 基板より最大バンプ幅までの高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者巽宏平富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子の電極表面上のアンダーバン
プメタル上に導電性バンプを形成する方法であって、バ
ンプ形成前に前記半導体素子のアンダーバンプメタル表
面を1回以上溶媒で洗浄する工程を含むことを特徴とす
る半導体素子のバンプ形成方法。
【請求項２】半導体素子の電極表面上のアンダーバン
プメタル上に導電性バンプを形成する方法であって、バ
ンプ形成前に上記半導体素子のアンダーバンプメタル表
面を1回以上溶媒で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗
浄する工程とを含むことを特徴とする半導体素子のバン
プ形成方法。
【請求項３】半導体素子の電極表面上のアンダーバン
プメタル上に導電性バンプを形成する方法であって、バ
ンプ形成前に上記半導体素子のアンダーバンプメタル表
面を1回以上溶媒で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗
浄する工程と、アンダーバンプメタル上に、必要に応じ
てフラックスを塗布してから、バンプ形成材料を搭載し
リフローする際に、バンプ形成材料の溶融する温度より
も50〜160℃高い温度でリフローする工程とを含むこと
を特徴とする半導体素子のバンプ形成方法。
【請求項４】半導体素子の電極表面上のアンダーバン
プメタル上に導電性バンプを形成する方法であって、バ
ンプ形成前に上記半導体素子のアンダーバンプメタル表
面を1回以上溶媒で洗浄する工程と、さらにUVオゾン洗
浄する工程と、アンダーバンプメタル上に、必要に応じ
てフラックスを塗布し、バンプ形成材料を搭載しリフロ
ーする際に、バンプ形成材料の溶融する温度以上かつ溶
融する温度＋160℃以下の温度範囲での加熱時間を30秒
から400秒としてリフローする工程とを含むことを特徴
とする半導体素子のバンプ形成方法。
【請求項５】前記溶媒が、硝酸・硫酸・フッ酸または
リン酸から選ばれる一種または二種以上、または有機溶
媒であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに
記載の半導体素子のバンプ形成方法。
【請求項６】リフローを2回以上行うことを特徴とす
る請求項3または4に記載の半導体素子のバンプ形成方
法。
【請求項７】アンダーバンプメタル上にバンプ形成材
料を搭載する前に、アンダーバンプメタル表面に対し還
元性雰囲気、酸化性雰囲気または不活性雰囲気で、アン
ダーバンプメタル表面にプラズマ処理を行うことを特徴
とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体素子の
バンプ形成方法。
【請求項８】上記請求項１乃至７のいずれかの形成方
法で作製したバンプで接合されている半導体装置であっ
て、アンダーバンプメタル上に搭載しリフローにより接
合した導電性バンプの頂上からアンダーバンプメタルの
中心部への断面において、バンプの横方向の最大長さを
a、縦方向のバンプの高さをbとし、バンプ断面でaとbの
交点から下の部分をcとした時、a≧b≧c≧0、 b≧a/2で
あることを特徴とする導電性バンプ付半導体装置。