JP2004266146A - はんだバンプの形成方法、半導体装置及び半導体装置の実装方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板10の電極を含む表面にめっき用の第1の導体層14を形成し、該めっき用の第1の導体層に通電して電気めっきを行い、めっき用の第2の導体層20を形成し、該めっき用の第2の導体層の上に該電極の位置に開口部22を有するマスク24を形成し、該めっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行い、はんだ金属層30を形成し、該マスク、及びめっき用の第1及び第2の導体層の該電極のまわりの部分を除去する構成とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電気めっき法によるはんだバンプの形成方法、半導体装置および半導体装置の実装方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置(例えばLSIベアチップ)を回路配線基板に実装する際、半導体装置に多数の微小なはんだバンプ(はんだ突起電極)を形成しておき、半導体装置のはんだバンプをその融点以上の温度で回路配線基板の電極に突き当て、半導体装置のはんだバンプを回路配線基板の電極に接合する。これによって、半導体装置は機械的及び電気的に回路配線基板に接続される。この場合、はんだバンプは半導体装置の表面に対して同じ高さで形成されていることが必要である。
【0003】
従来のはんだバンプはしばしば鉛成分を含む金属材料で形成されている。近年、鉛成分を含む金属材料の代わりに、鉛成分を含まない金属材料を使用してはんだバンプを形成する提案がある(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
この方法では、次の手順でLSIウエハにはんだバンプを形成している。図6を参照してまずLSIウエハ1の表面にスパッタ法によってTi膜を形成し、次いでNi又はCuの膜を形成し、めっき用の導体層2とする。それからこのめっき用の導体層の上に液状の感光性レジスト4をスピンコートし、フォトリソ法により感光性レジストの所望の位置に開口部を設ける。それから、このLSIウエハを電気めっき浴に浸漬し、めっき用の導体層2に通電して電気めっきを行い、Sn−Agはんだバンプ5を形成する。その後、感光性レジストを剥離液で除去し、めっき用の導体層をエッチングにより除去する。
【0005】
電気めっきによりはんだバンプを形成する場合、LSIウエハに高さの揃ったはんだバンプを形成するためには、めっき用の導体層の電流密度を均一にする必要がある。しかし、LSIウエハの大口径化に伴って、めっき用の導体層の電流密度を均一にすることが困難になりつつある。そのため、図6(F)の様にLSIウエハの表面に形成されたはんだバンプの高さが不均一になりやすいという問題がある。
【0006】
また、高集積のLSIデバイスは多種多様な材料によって構成されており、内部構造が複雑でしかも微細であることから、応力を受けると不具合や損傷を生じることが懸念される。特に、LSIベアチップをはんだバンプによってプリント配線基板に実装する場合、両者の線膨張係数の差が大きいと、はんだ付けした後に室温まで温度降下する過程でかなりの応力が生じる。このようなことから、バンプ接合プロセスでの熱応力によるLSI回路の破損を防止するために、低加熱温度で接合することができるようにすることが求められている。
【0007】
【非特許文献1】
新井進他2名、「電気めっき法による鉛フリーはんだバンプの作製」、雑誌「エレクトロニクス実装技術」、Vol.17 No12号、2001年12月、p.44−49
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、半導体基板に電気めっきによってはんだバンプを形成する際、めっき用の導体層の電流密度を均一にでき、それによって高さの揃ったはんだバンプを形成することができるようにしたはんだバンプの形成方法およびそのようにして形成されたはんだバンプを有する半導体装置を提供することである。
【0009】
また、本発明の目的は、低加熱温度で接合することができるようにした半導体装置の実装方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によるバンプの形成方法は、半導体基板の電極を含む表面にめっき用の第1の導体層を形成し、該めっき用の第1の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第1の導体層の上にめっき用の第2の導体層を形成し、該めっき用の第2の導体層の上に該電極の位置に開口部を有するマスクを形成し、該めっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第2の導体層の該マスクの開口部から露出した表面にはんだ金属層を形成し、該マスクを除去し、該めっき用の第1及び第2の導体層の該電極のまわりの部分を除去することを特徴とするものである。
【0011】
本発明による半導体装置は、半導体基板の電極の上に形成された第1の導体層と、該第1の導体層の上に電気めっきによって形成された第2の導体層と、該第2の導体層の上に電気めっきによって形成されたはんだ金属層とを含むはんだバンプを備えることを特徴とするものである。
【0012】
上記構成によれば、めっき用の第2の導体層を用いて電気めっきを行い、はんだバンプを形成する。めっき用の第2の導体層は電気めっきによって形成されたものであり、スパッタリングや蒸着によって形成されためっき用の導体層よりも容易に厚く形成することができる。また、めっき用の第1及び第2の導体層からなる積層体はより厚くなる。大きな半導体基板に電気めっきを行ってはんだバンプを形成する場合に、薄いめっき用の導体層を使用すると、電荷が導体層の周辺部に集まり、電荷が導体層の中央部で少なくなる傾向があるので、電流密度が均一になりにくいが、厚いめっき用の導体層を使用すると電流密度が均一になる。従って、電気めっきにより形成した厚いめっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行うことにより、高さの揃ったはんだバンプを形成することができる。
【0013】
本発明による半導体装置の実装方法は、半導体基板のはんだバンプを該はんだバンプの融点以下の温度で回路配線基板の電極に突き当てて加圧し、該はんだバンプを樹脂封止することを特徴とするものである。
【0014】
この構成によれば、半導体基板と回路配線基板とを低加熱温度で接合することができるので、バンプ接合プロセスでの熱応力によるLSI回路の破損を防止することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【0016】
図1は本発明の実施例によるはんだバンプの形成方法及びそれによって得られた半導体装置を示す図である。図1(A)において、LSIウエハ(半導体基板)10を準備する。図2及び図3はLSIウエハ10を示している。LSIウエハ10には集積回路製造プロセスがすでに行われており、集積回路(図示せず)が形成されている。図3においては、LSIウエハ10には表面に電極(例えばアルミ電極)12が形成されており、電極12は公知のようにして集積回路に接続されている。
【0017】
図1(B)において、LSIウエハ10の電極12を含む表面にめっき用の第1の導体層14を形成する。めっき用の第1の導体層14はスパッタリング、蒸着、又は無電解めっきによって形成することができる。例えば、8インチのシリコンウエハに、5000オングストロームの厚さのTi膜をスパッタリングにより形成する。図3に、めっき用の第1の導体層14が破線で示されている。
【0018】
図1(C),(D)において、LSIウエハ10をめっき槽16に入れ、電気めっきを行う。このとき、めっき用の第1の導体層14ともう一つのめっき用の導体18との間に通電して電気めっきを行う。従って、めっき用の第1の導体層14の上にめっき用の第2の導体層20を形成する。例えば、めっき槽16はNiめっきを行うのに適しためっき液を含み、めっき用の第2の導体層20として厚さ4μmのNiめっき膜を得ることができる。めっき終了後、LSIウエハ10をめっき槽16から取り出す。
【0019】
めっき用の第2の導体層20は電気めっきによって形成されたものであり、スパッタリングや蒸着によって形成されためっき用の第1の導体層14よりも容易に厚く形成することができる。
【0020】
図1(E)において、めっき用の第2の導体層20の上に電極12の位置に開口部22を有するマスク24を形成する。マスク24は感光性ドライレジストフィルムからなり、感光性ドライレジストフィルムをめっき用の第2の導体層20に貼り付けた後、フォトリソグラフプロセスにより開口部22を形成する。開口部22はその他の手段、例えばレーザー加工によって形成することもできる。実施例においては、マスク24に開口部22を設けた後、酸素プラズマ処理を行って、開口部22の内部のNi面を清浄にした。そして、再度開口部22の内部のみに5000オングストロームの厚さのNi電気めっき膜(図示せず)を形成した。
【0021】
図1(F)において、LSIウエハ10をめっき槽26に入れ、電気めっきを行う。このとき、めっき用の第2の導体層20ともう一つのめっき用の導体28との間に通電して電気めっきを行う。こうして、めっき用の第2の導体層20に通電して電気めっきを行い、めっき用の第2の導体層20のマスク24の開口部22から露出した表面にはんだ金属層30を形成する。例えば、めっき槽26はInのはんだを形成するのに適しためっき液を含み、厚さ100μmの柱状のはんだ金属層30が形成される。めっき終了後、LSIウエハ10をめっき槽26から取り出す。
【0022】
この場合、めっき用の第2の導体層20とめっき用の第1の導体層14を用いて電気めっきを行い、はんだ金属層30を形成する。
【0023】
電気めっきにより形成した厚いめっき用の第2の導体層20とめっき用の第1の導体層14に通電して電気めっきを行うことにより、半導体基板全面で電流密度が均一となるため高さの揃ったはんだバンプを形成することができる。
【0024】
また、はんだ金属層30は純In、InとSnとの合金、InとBiとの合金、InとAgとの合金、InとCuとの合金を含むグループの中の一つからなるのが好ましい。Inを含むはんだはSn−Agはんだと比べて融点が低く、且つ弾性率が小さい(軟らかい)。従って、後ではんだバンプを有する半導体装置を回路配線基板に実装するときに、低い加熱温度で半導体装置を回路配線基板に接合することができる。
【0025】
図1(G)において、感光性ドライフィルムレジストからなるマスク24をアルカリ剥離液で溶解除去する。図1(H)において、めっき用の第1の導体層(Tiスパッタ膜)14及びめっき用の第2の導体層(Niめっき膜)20をエッチング液で溶解除去する。こうして、柱状のはんだバンプ32が形成される。
【0026】
その結果、はんだバンプ32を有するLSIウエハ10が得られた。はんだバンプ32は、半導体基板(LSIウエハ10)の電極の上に形成された第1の導体層(めっき用の第1の導体層14の部分)と、第1の導体層の上に電気めっきによって形成された第2の導体層(めっき用の第2の導体層20の部分)と、第2の導体層の上に電気めっきによって形成されたはんだ金属層30とを含む。
【0027】
そして、柱状のはんだバンプ(Inバンプ)32にフラックスを塗布し、Inの融点以上である180℃に加熱してバンプ形状を半球状にした。それから、LSIウエハ10をダイシングして多数のLSIチップに分離する。図4ははんだバンプ32を有するLSIチップ34を示す図である。
【0028】
なお、上記した実施例は種々に修正することができる。例えば、上記実施例においては、めっき用の第1の導体層14はTiスパッタ膜で形成されているが、めっき用の第1の導体層14は1000オングストロームの厚さのTiスパッタ膜と5000オングストロームの厚さのNiスパッタ膜とからなるものとすることができる。あるいは、めっき用の第1の導体層14は5000オングストロームの厚さのCu無電解めっき膜とすることができる。
【0029】
また、はんだバンプ32にフラックスを塗布して加熱した後に、マスク24を除去して第一、第二の導体層14,20をエッチング除去するという手順にすると、バンプ形状を柱状にでき、背高のバンプを得ることができる。
【0030】
図5はこうして形成されたはんだバンプ32を有するLSIチップ(半導体基板)34を電極36を有するプリント配線基板38に実装する例を示す図である。40は加熱ステージを示す。
【0031】
図5(A),(B)において、LSIチップ34とプリント配線基板38とを位置合わせして、LSIチップ34をプリント配線基板38に向かって押しつける。このとき、LSIチップ34及びプリント配線基板38又はその一方を加熱ステージ40で加熱する。加熱温度ははんだバンプ32の融点以下の温度とし、はんだバンプ32をプリント配線基板38の電極32に突き当てて加圧する。このとき、はんだバンプ32がIn又はIn合金を含むはんだ材料で作られていると、はんだバンプ32は比較的に低い温度で軟らかくなり、はんだバンプ32の頭頂部が潰れながらはんだバンプ32が電極36に接合される。こうして、全てのはんだバンプ32がプリント配線基板の電極36に確実に接触する。
【0032】
図5(C)において、はんだバンプ32がプリント配線基板の電極36に押しつけられている状態で、アンダーフィル材42をLSIチップ34とプリント配線基板38との間ではんだバンプ32と電極36との接合部を含む領域に充填する。つまり、はんだバンプ32及び電極36を樹脂封止する。はんだバンプ32と電極36とは温度及び圧力をかけた接合により機械的及び電気的に接続されるが、接合部を樹脂封止することにより、はんだバンプ32と電極36との機械的な接続はより強化される。
【0033】
このようにしてLSIチップ34をプリント配線基板38に実装することにより、はんだバンプ32と電極36との接合時の加熱温度及び荷重を低く抑えることができ、熱的な歪みを低減することができるとともに、歪みをアンダーフィル材42で吸収緩和するため、LSI回路にダメージが生じることもない。従って、LSIチップ34をプリント配線基板38に信頼性よく接続することができる。
【0034】
以上説明した例は、下記の特徴を含む。
【0035】
(付記1)半導体基板の電極を含む表面にめっき用の第1の導体層を形成し、
該めっき用の第1の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第1の導体層の上にめっき用の第2の導体層を形成し、
該めっき用の第2の導体層の上に該電極の位置に開口部を有するマスクを形成し、
該めっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第2の導体層の該マスクの開口部から露出した表面にはんだ金属層を形成し、
該マスクを除去し、
該めっき用の第1及び第2の導体層の該電極のまわりの部分を除去することを特徴とするはんだバンプの形成方法。(1)
(付記2)該はんだ金属層の厚さは該めっき用の第2の導体層の厚さより厚く、該めっき用の第2の導体層の厚さは該めっき用の第1の導体層の厚さより厚いことを特徴とする付記1に記載のはんだバンプの形成方法。(2)
(付記3)該めっき用の第1の導体層は半導体基板の表面にスパッタリング、蒸着、無電解メッキの1つによって形成されることを特徴とする付記1に記載のはんだバンプの形成方法。
【0036】
(付記4)該マスクが感光性ドライレジストフィルムからなることを特徴とする付記1に記載のはんだバンプの形成方法。
【0037】
(付記5)半導体基板の電極の上に形成された第1の導体層と、該第1の導体層の上に電気めっきによって形成された第2の導体層と、該第2の導体層の上に電気めっきによって形成されたはんだ金属層とを含むはんだバンプを備えることを特徴とする半導体装置。(3)
(付記6)該はんだ金属層が、In、InとSnとの合金、InとBiとの合金、InとAgとの合金、InとCuとの合金を含むグループの中の一つからなることを特徴とする付記5に記載の半導体装置。(4)
(付記7)半導体基板のはんだバンプを該はんだバンプの融点以下の温度で回路配線基板の電極に突き当てて加圧し、
該はんだバンプ及び該電極を樹脂封止し、該はんだバンプを該電極に接合することを特徴とする半導体装置の実装方法。(5)
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電気めっきにより形成された厚いめっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行うことにより、集積回路及び電極を有する半導体基板全面で電流密度を均一にすることができるため、高さの揃ったはんだバンプを形成することができる。よって、はんだバンプを有する半導体基板を電極を有する回路配線基板に信頼性よく接続することができる。
【0039】
また、Sn−Agに比べて融点が低く、且つ弾性率が低い材料をはんだバンプに用いることで、接合プロセスでの加熱温度荷重を低く抑えることができ、且つ発生する熱的な歪みをアンダーフィル剤で吸収緩和するため、LSI回路にダメージを与えることが無い。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の実施例によるはんだバンプの形成方法及びそれによって得られた半導体装置を示す図である。
【図2】図2は図1のLSIウエハを示す斜視図である。
【図3】図3は図1のLSIウエハを示す部分拡大断面図である。
【図4】図4ははんだバンプを有するLSIチップを示す図である。
【図5】図5ははんだバンプを有するLSIチップを電極を有するプリント配線基板に実装する例を示す図である。
【図6】図6は従来技術を示す図である。
【符号の説明】
10…LSIウエハ
12…電極
14…めっき用の第1の導体層
16…めっき槽
18…めっき用の導体
20…めっき用の第2の導体層
22…開口部
24…マスク
26…めっき
28…めっき用の導体
30…はんだ金属層
32…はんだバンプ
34…LSIチップ
36…電極
38…プリント配線基板
40…加熱ステージ
42…アンダーフィル材
Claims (5)
- 半導体基板の電極を含む表面にめっき用の第1の導体層を形成し、
該めっき用の第1の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第1の導体層の上にめっき用の第2の導体層を形成し、
該めっき用の第2の導体層の上に該電極の位置に開口部を有するマスクを形成し、
該めっき用の第2の導体層に通電して電気めっきを行い、該めっき用の第2の導体層の該マスクの開口部から露出した表面にはんだ金属層を形成し、
該マスクを除去し、
該めっき用の第1及び第2の導体層の該電極のまわりの部分を除去することを特徴とするはんだバンプの形成方法。 - 該はんだ金属層の厚さは該めっき用の第2の導体層の厚さより厚く、該めっき用の第2の導体層の厚さは該めっき用の第1の導体層の厚さより厚いことを特徴とする請求項1に記載のはんだバンプの形成方法。
- 半導体基板の電極の上に形成された第1の導体層と、該第1の導体層の上に電気めっきによって形成された第2の導体層と、該第2の導体層の上に電気めっきによって形成されたはんだ金属層とを含むはんだバンプを備えることを特徴とする半導体装置。
- 該はんだ金属層が、In、InとSnとの合金、InとBiとの合金、InとAgとの合金、InとCuとの合金を含むグループの中の一つからなることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 半導体基板のはんだバンプを該はんだバンプの融点以下の温度で回路配線基板の電極に突き当てて加圧し、
該はんだバンプ及び該電極を樹脂封止し、該はんだバンプを該電極に接合することを特徴とする半導体装置の実装方法。
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