JP2006147847A - バンプ形成方法およびボンディング用構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄膜配線であっても、バンプボンディングないしフィップチップボンディング後において、高い接合強度が得られ、その後の熱履歴によっても劣化および経時変化が少ないものとすることができる、バンプ形成方法およびボンディング用構造体を提供する。
【解決手段】 基板１上に、基板上にバッファー層２を形成し、このバッファー層上にバンプ接合部３を形成し、さらにバンプ接合部上にバンプ４を形成して、バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金を基板中に拡散することを特徴とするバンプ形成方法により上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本技術は、バンプ形成方法およびボンディング用構造体等に関するものである。詳しく述べると本技術は、バンプボンディングないしはフィリップチップボンディングにおいて良好な接合強度を得ることができ、かつ基板に与えるダメージの少ないバンプ形成方法およびボンディング用構造体等に関する。

従来より、半導体装置等においては、ワイヤボンディング工法を用いた実装工法が用いられてきた。そして、現在においては、近年の電子機器の薄型、軽量、高機能化に対応し、バンプボンディングないしはフリップチップボンディング工法が実装の手段として広まりつつある。

このバンプボンディングないしはフリップチップボンディング工法は、半導体チップ表面の電極上または配線基板表面の電極上にバンプと呼ばれる突起電極を接合し、半導体チップの表裏を逆にして、いわゆるフェイスダウンボンディングにより、配線基板の電極とバンプと半導体チップの電極とを位置あわせし、超音波、圧力または熱をかけて実装を行うものである。

現在、半導体装置等のうち、一般ＬＳＩ（大規模集積回路；large-scale integration）に対しては、特許文献１に開示されるように、超音波を用いたフリップチップボンディング工法が確立されつつある。一方、半導体装置等のうち、ＬＥＤ（発光ダイオード；light-emitting diode）、ＬＤ（レーザダイオード；laser diode）等、また、水晶、あるいはサファイア等の複合結晶などの基板材料を用いる半導体装置等においても、今後、フェイスダウンボンディングが見込まれており、これらの半導体装置に用いられるフリップチップボンディング工法の確立が望まれている。

一般に、超音波での金属間接合は、ＧＧＩ（Gold to Gold Interconection)と呼ばれる金−金接合およびＡｌ配線（バッド）へのＡｕ−バンプ形成が一般的であると考えられる。

しかし、基板として、上記したような、水晶基板や、サファイア等の複合結晶を用いた場合、基板上に形成される電極、パッド、配線等のバンプ接合部となる金属薄膜が、比較的薄くかつ硬い層であるため、金属間接合における所期の拡散が得られない、もしくは接合強度が取れないのが実情であり、フィリップチップボンディングにおいてマイクロクラック等の欠陥が生じる可能性があり、問題とされていた。
特開２００２−４３３５４

そこで、本願は、上述の背景技術において生ずる不都合を解消し、薄膜配線であっても、バンプボンディングないしフィップチップボンディング後において、高い接合強度が得られ、その後の熱履歴によっても劣化および経時変化が少ないものとすることができる、バンプ形成方法およびボンディング用構造体を提供することを課題の一例とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載のバンプ形成方法は、基板上に、バンプと接合されるバンプ接合部を形成し、このバンプ接合部上にバンプを形成する方法において、基板上にバッファー層を形成し、このバッファー層上にバンプ接合部を形成し、さらにバンプ接合部上にバンプを形成して、バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金を基板中に拡散することを特徴とする。

また、請求項２に記載のバンプ形成方法は、バンプ接合部が、バッファー層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Wおよびこれらの金属の合金からなる群から選ばれてなる少なくとも一種材料からなるものであることを特徴とする。

さらに請求項３に記載のバンプ形成方法においては、水晶、サファイア、複合結晶からなる群から選ばれてなるいずれか１つの結晶材料であることを特徴とする。

さらに請求項４に記載のバンプ形成方法においては、前記バンプ接合部が、Ａｌを含有するものであることを特徴とする。

また請求項５に記載のバンプ形成方法においては、前記バンプ接合部が膜厚１００〜２００００Åのものであることを特徴とする。

さらに上記の課題を解決するために、請求項６に記載のボンディング用構造体は、基板上に、バンプと接合されるバンプ接合部を有し、このバンプ接合部上にバンプが形成されてなるボンディング用構造体において、基板上に形成されたバッファー層と、このバッファー層上に形成されたバンプ接合部と、バンプ接合部上に形成されたバンプとを備え、前記バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金が、基板中に拡散されていることを特徴とする。

本研究者らは、基板上に形成される電極、パッド、配線などのバンプと接合されるバンプ接合部が、例えば、１０００Å以下の薄膜であっても、フィリップチップボンディング後において所期の接合強度が得られるバンプ形成方法につき、鋭意研究をおこなった結果、薄膜配線パターン（バンプ接合部）の下地にバッファー層を故意に形成し、フィリップチップボンディング前に、バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材質からなる合金を熱により基板中へ拡散させると、フィリップチップボンディング後において所期の接合強度が得られ、しかも一端と合金層を形成すると、その後の熱履歴によっても接合強度の劣化、経時変化が少ないことを見出し、本技術に至ったものである。

以下に、図面を参照して、本技術に係るバンプ形成方法について具体的に説明する。

図１に示す実施形態においては、図１（ａ）に示すように、基材１の表面上に、バッファー層２を形成し、電極、パッド、配線などのバンプと接合されるバンプ接合部２を形成し、さらにバンプ接合部２上にバンプ３を形成する。

本技術において用いられる基材としては、例えば水晶、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の結晶材料等を用いることができる。あるいは、バンプは、半導体装置において実装される、ＬＳＩ、ＬＥＤ、ＬＤ等の種々の半導体チップ側に設けることもできる。従って、本明細書において、「基板」なる用語は、このような半導体チップを包含する意味で用いられるものである。なお、本技術に係るバンプ形成方法は、特に、水晶、サファイア、複合結晶等の結晶材料からなる基板における接合方法に応用される上で有利である。

また、バッファー層２を構成する材料は、上記したような水晶等の基板１に対して良好な拡散性を有すると共に、バッファー層の上部に形成されるバンプ接合部３を構成する材料、およびバンプ４を形成する材料と、固溶体もしくは金属間化合物を形成して基板へ熱拡散できるものであれば良く、具体的には、例えば、バンプ接合部３をＡｌ、バンプ４をＡｕないしＡｕ合金とした場合には、バッファー層としては、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Wおよびこれらの金属の合金からなる群から選ばれてなる少なくとも一種のものを用いることが望ましい。

また、バンプ接合部２を構成する材料は、用いる基板の種類、実装しようとするチップの種類などによっても左右されるので、特に限定されるものではないが、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄからなる群から選ばれてなる少なくとも一種の金属を含む材料が用いられる。なお、このようなバンプ接合部は、複数の金属からなる合金によって形成することも、あるいはまた、異種金属層を複数積層させた複合金属層とすることも可能である。

なお、このバンプ接合部２の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜２００００Å程度のものとすることができる。特に、本技術においては、バンプ接合部２が、例えば、膜厚１０００Å以下のものであっても、良好な接合強度を得ることができるので、このような薄膜形成することが可能である。

なお、バンプ接合部の形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、メッキ等の各種製膜方法を用いることができる。

また、バンプを形成するバンプ材料としては、例えば、ＡｕおよびＡｕ合金等を使用することができる。

なお、本技術に係るバンプ形成方法において、基材、バッファー層、バンプ接合部、およびバンプをそれぞれ構成する材質の組み合わせとして、好ましいものをいくつか例示すると、次のようなものが挙げられるが、もちろんこれらに何ら限定されるものではない。

本技術に係るバンプ形成方法においては、上記したように基材１上に、バッファー層２、バンプ接合部３およびバンプ４を形成した後に、フィリップチップボンディングに先立ち、熱処理を行って、図１（ｂ）に示すように、バッファー層２とバンプ接合部３とバンプ４とをそれぞれ構成する材質からなる合金を熱により基板１中へ拡散させる。

この熱処理条件としては、基板１中への合金拡散が生じるものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、１５０〜３００℃の温度で３０分間〜３時間の熱処理が例示できる。

このようにして、基板１上に形成されたバッファー層２と、このバッファー層２上に形成されたバンプ接合部３と、バンプ接合部３上に形成されたバンプ４とを備え、前記バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金が、基板中に拡散されてなる本技術に係るボンディング用構造体を得ることができる。

本技術に係るバンプ形成方法においては、上記したように、基板１上にバッファー層２を形成し、このバッファー層２上に形成されたバンプ接合部３、バンプ４を形成し、フィリップチップボンディング前に、前記バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金が、基板中に拡散されるものであるが、その後におけるバンプボンディングないしフィリップチップボンディングとしては、従来公知の操作と同様にして行われ得る。

図２（ａ）〜（ｃ）は本技術に係るボンディング用構造体を用いた半導体装置１０の製造例を示すものである。図２（ａ）に示するように、まず、上記したように、バッファー層（図示せず）を介してバンプ接合部としての第一電極薄膜（図示せず）が形成された基板１５上に、ワイヤボンダ２０を用いて上記したようなバンプ１２を形成し、さらに熱処理により基板に合金層を拡散させるバンプ形成工程（ａ）を経た後、各ボンディング用構造体を切り出し、図２（ｂ）に示すように、第一電極薄膜が形成された基板１５にバンプ１２を介して、半導体チップ１１を超音波、加重（圧力）または熱等を加えて、接合するフリップチップ接合工程（ｂ）を行うことにより実施することができる。なお、本技術に係るバンプ形成方法により形成されたバンプに関しては、フィリップチップ接合時に加える力としては超音波が最も適当である。また、半導体チップ１１は、例えば、ＬＳＩ、ＬＥＤ、ＬＤ等の種々のチップが用いられる。これらの半導体チップ１１は、通常、半導体基板１５に実装するものとして知られているものである。半導体チップ１１のバンプ１２と接合する部位には、第二電極薄膜（図示せず）が形成されている。さらに、必要に応じて、フリップチップ接合工程（ｂ）の後に、図２（ｃ）に示すように、熱処理工程（ｃ）を行うことができる。例えば、熱処理工程（ｃ）は、アニール、ドライリング、また、携帯電話用の半導体装置の場合には、温度特性、フィルタリングまたは周波数特性の測定等により、加熱または冷却の少なくともいずれかが行われる。

以下、本技術に係るバンプ形成方法を、実施例によりさらに具体的に説明する。

（実施例１）
まず、ＬＴ基板（LiTaO₃）上に、膜厚５００ÅのＣｒからなるバッファー層、膜厚２００ÅのＡｌ−Ｃｕ合金からなるバンプ接合部を形成し、この上部に、ワイヤボンダ（新川社製、ＳＢＢ−５）を用いて、ボンディング金線（田中貴金属社製ＧＢＣワイヤー）をボンディングして、バンプを形成した。

ついでこのようにして形成した積層構造体を、大気雰囲気中、２００℃にて１時間熱処理し、基板へ合金拡散を行った。

ついで、このようにして形成したボンディング用構造体を、フィリップチップボンダーを用いて、セラミックスパッケージのＡｕ電極に実装した。

さらに、その後、得られた試料に対し、半導体製造工程における熱履歴を想定して２００℃にて１時間熱処理した。

このようにして得られた試料を、上記熱処理前後において、引き剥がし試験にかけ、接合界面を破壊し、その際の剥離強度と、剥離モードとを調べた。

なお、剥離モードは、引き剥がし試験により半導体チップと基板とを引き剥がしたとき、バンプと半導体チップの電極薄膜との界面において両者が分離される場合をＡモード、バンプの内部で両者が分離される場合をＢモード、バンプとバンプ接合部との境界において両者が分離される場合をＣモード、基板とバッファー層ないしバンプ接合部との境界において両者が分離される場合をＤモード、基板の内部で両者が分離される場合をＥモードとした。

その結果、剥離強度は、熱処理後において熱処理前とくらべて、１試料当たり約１．５倍程度の強度向上が確認された。また、剥離モードは熱処理前はＣモードであったが、熱処理後は、Ｄモードであった。

（比較例）
バッファー層を形成しない以外は、実施例１と同様にして、ＬＴ基板（LiTaO₃）上に、膜厚３７００ＡのＡｌ−Ｃｕ合金からなるバンプ接合部、バンプを形成した。ついで、このようにして形成したボンディング用構造体を、フィリップチップボンダーを用いて、セラミックスパッケージのＡｕ電極に実装した。

さらに、その後、得られた試料に対し、半導体製造工程における熱履歴を想定して２００℃にて１時間熱処理した。

このようにして得られた試料を、実施例１と同様に引き剥がし試験に供し、その際の剥離強度と、剥離モードとを調べた。

なお、剥離モードは、引き剥がし試験により半導体チップと基板とを引き剥がしたとき、バンプと半導体チップの電極薄膜との界面において両者が分離される場合をＡモード、バンプの内部で両者が分離される場合をＢモード、バンプとバンプ接合部との境界において両者が分離される場合をＣモード、基板とバンプ接合部との境界において両者が分離される場合をＤモード、基板の内部で両者が分離される場合をＥモードとした。

その結果、剥離強度は、熱処理後において熱処理前とくらべて、平均値レベルでの変化はみられないが、測定不可（強度０ｇ）のバンプが半数程発生しており、また、剥離モードは熱処理前はＣモードであったが、熱処理後も、Ｃモードであった。

（ａ）、（ｂ）は、本技術に係るバンプ形成方法の一例を模式的に示す概略図である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体装置の製造工程を示す概略図である。

符号の説明

１、１５…基板
２…バッファー層
３…バンプ接合部
４、１２…バンプ
１０…半導体装置
１１…半導体チップ
２０…ワイヤボンダ
２５…フィリップチップボンダー

Claims (6)

1. 基板上に、バンプと接合されるバンプ接合部を形成し、このバンプ接合部上にバンプを形成する方法において、基板上にバッファー層を形成し、このバッファー層上にバンプ接合部を形成し、さらにバンプ接合部上にバンプを形成して、バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金を基板中に拡散することを特徴とするバンプ形成方法。
2. バッファー層が、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Wおよびこれらの金属の合金からなる群から選ばれてなる少なくとも一種材料からなるものである請求項１に記載のバンプ形成方法。
3. 基板が、水晶、サファイア、複合結晶からなる群から選ばれてなるいずれか１つの結晶材料である請求項１または２に記載のバンプ形成方法。
4. 前記バンプ接合部が、Ａｌを含有するものである請求項１〜３のいずれか１に記載のバンプ形成方法。
5. 前記バンプ接合部が膜厚１００〜２００００Åのものである請求項４に記載のバンプ形成方法。
6. 基板上に、バンプと接合されるバンプ接合部を有し、このバンプ接合部上にバンプが形成されてなるボンディング用構造体において、基板上に形成されたバッファー層と、このバッファー層上に形成されたバンプ接合部と、バンプ接合部上に形成されたバンプとを備え、前記バッファー層とバンプ接合部とバンプとをそれぞれ構成する材料からなる合金が、基板中に拡散されていることを特徴とするボンディング用構造体。

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