JP2007048919A - バンプの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バンプを構成するはんだ量を均一にするとともに均一な高さのバンプを形成するバンプの形成方法を提供する。
【解決手段】基板１上に設けられた電極部２の表面を露出させる状態で、開口部５ａが設けられたレジストマスク５を、基板１上に形成する工程を行う。次いで、開口部５ａの少なくとも側壁を覆う状態で、はんだ濡れ性を有する密着膜７を形成する工程を行う。続いて、密着膜７が設けられた開口部５ａに、レジストマスク５の表面よりも上方にはみ出す状態で、はんだを埋め込んではんだ層８を形成するとともに、はんだ層８のリフロー処理を行う。その後、研磨により、レジストマスク５の表面と略同等の高さになるまで、リフロー処理後のはんだ層８’の余剰部分を除去することで、はんだ層８’からなるバンプ９を形成した後、レジストマスク５を除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バンプの形成方法に関し、特に、印刷方式または堆積方式により、電極部表面を露出するマスクパターンの開口部をはんだで埋め込むバンプの形成方法に関する。

フリップチップ接合に用いられるバンプの形成方法としては、様々な方法が報告されている。

例えば、はんだペーストを用いた印刷方式によるバンプの形成方法が知られている。一般的な方法として、印刷部分が開口されたメタルマスクを用い、メタルマスクの開口部を基板上の電極に重ねた後、スキージにより、メタルマスクの開口部をはんだペーストで埋め込む方法が報告されている（例えば、下記特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に記載されたバンプの形成方法では、メタルマスクからのはんだペーストの版離れ性にムラがあり、バンプの高さばらつきが生じ易い。特に、狭ピッチで高いアスペクト比を有する微細なバンプの形成にこの方法を適用した場合には、はんだペーストの版離れ性の安定化が難しく、バンプの高さばらつきが顕著になってしまう。

そこで、メタルマスクを用いずに、レジストマスクを用いたバンプの形成方法が開発されている。例えば、基板上に設けられた導体配線（電極部）上を開口する状態でレジストマスクを形成し、印刷方式によりレジストマスクの開口部にはんだペーストを刷り込み、熱処理後にレジストマスクを除去するバンプの形成方法が報告されている（例えば、下記特許文献２参照）。

また、レジストマスクを用いたはんだ堆積法によるバンプの形成方法も検討されている。例えば、基板上に設けられた導体配線（電極部）上を開口する状態でレジストマスクを形成し、開口部内に溶融状態のはんだを堆積させた後、スキージによってはんだを埋め込む方法が報告されている（例えば、下記特許文献３参照）。

特開２００２−１３４５３８号公報 特開平７−２７３４３９号公報 特開２００４−１２８３５４号公報

しかし、特許文献２に記載された印刷方式のバンプの形成方法では、はんだペーストを開口部内に刷り込む際に気泡を巻き込むため、ボイドが形成され易い。そして、その後リフロー処理を行っても開口部の側壁を構成するレジストとはんだペーストとの濡れ性が悪いため、はんだが開口部内に十分に引き込まれずに、バンプ内にボイドが残存してしまう。このため、バンプを構成するはんだ量がばらつくという問題がある。また、レジストマスク上にはみ出したはんだペーストが、熱処理により開口部内に引き込まれたり、引き込まれずにレジストマスク上に残存したりするため、バンプの高さの均一性も十分ではない、という問題がある。

一方、特許文献３に記載された堆積方式のバンプの形成方法であっても、開口部の側壁を構成するレジストとはんだとの濡れ性が悪いため、開口部内の側壁付近に隙間が生じた状態ではんだが堆積されてしまう。そして、この後スキージによってはんだを刷り込んだとしても、レジストとはんだとの濡れ性が悪いため、隙間が十分に埋め込まれずにバンプ内にボイドとなって残存し易い。これにより、バンプを構成するはんだ量にばらつきが生じる、といった問題がある。

かかる問題点を改善するため、本発明は、バンプを構成するはんだ量を均一にするとともに均一な高さのバンプを形成するバンプの形成方法を提供することを目的としている。

上述したような目的を達成するために、本発明のバンプの形成方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられた電極部の表面を露出させる状態で、開口部が設けられたマスクパターンを、基板上に形成する。次に、第２工程では、開口部の少なくとも側壁を覆う状態で、はんだ濡れ性を有する密着膜を形成する。次いで、第３工程では、密着膜が設けられた開口部に、マスクパターンの表面よりも上方にはみ出す状態で、はんだを埋め込んではんだ層を形成するとともに、はんだ層のリフロー処理を行う。続いて、第４工程では、研磨により、マスクパターンの表面と略同等の高さになるまではんだ層の余剰部分を除去することで、はんだ層からなるバンプを形成した後、マスクパターンを除去する。

このようなバンプの形成方法によれば、マスクパターンの開口部の少なくとも側壁を覆う状態ではんだ濡れ性を有する密着膜を形成した後、マスクパターンの表面よりも上方にはみ出す状態で、はんだを埋め込んではんだ層を形成する。このため、開口部にはんだを埋め込む際に気泡を巻き込んだとしても、その後のリフロー処理により、マスクパターンの表面よりも上方にはみ出したはんだが密着膜に沿って開口部内に引き込まれる。これにより、バンプ内へのボイドの残存が防止される。また、研磨により、マスクパターンの表面と略同等の高さになるまではんだ層の余剰部分を除去してはんだ層からなるバンプを形成することから、均一な高さのバンプを形成することが可能となる。

以上説明したように、本発明のバンプの形成方法によれば、バンプ内へのボイドの残存を防止することができるため、バンプを構成するはんだ量を均一にすることができるとともに、均一な高さのバンプを形成することができる。

本発明のバンプの形成方法にかかる実施の形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。ここでは、アスペクト比１以上であり、３０ｎｍ以下の径を有する微細なバンプの形成に好適に用いられるバンプの形成方法について説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）に示すように、半導体ウェーハからなる基板１上に、例えばアルミニウム（Ａｌ）からなるパッド状の電極部２が設けられている。基板１上にはこの電極部２の表面を開口する状態で、例えばシリコン窒化膜からなるパッシベーション膜３が設けられている。

まず、スパッタリング法により、このパッシベーション膜３を覆う状態で、導電膜４を形成する。この導電膜４は、例えば下層４ａがチタン（Ｔｉ）またはチタンタングステン（ＴｉＷ）、上層４ｂが例えば銅（Ｃｕ）からなる積層膜で構成されている。下層４ａは電極部２との密着層として機能し、上層４ｂは後述する電解メッキの際の電極およびシードメタルとして機能する。

次に、図１（ｂ）に示すように、導電膜４上にフォトレジスト（図示省略）を塗布し、通常のリソグラフィ技術を用いて、電極部１２の表面を露出する開口部５ａが設けられたレジストマスク（マスクパターン）５を形成する。この開口部５ａの孔径と深さが、後工程で形成するバンプの径と高さとなる。開口部５ａの孔径は、例えば２０μｍ〜３０μｍであり、深さは、例えば３０μｍ〜４０μｍであることとする。

ここで、上記レジストマスク５を構成するフォトレジストとしては、後工程で行うウェットバック処理による熱や、研磨の際の機械的衝撃に耐えうる高耐熱で強度の高い材料を使用する。ここでは、フォトレジスト用いることとするが、高耐熱で強度の高い材料であり、かつ所定の処理後に除去可能な材料であれば、フォトレジスト以外の材料を用いてもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、電解メッキ法により、開口部５ａの途中まで埋め込む状態で、導電膜４上にメッキ層６を形成する。このメッキ層６は、後工程で開口部５ａ内に形成されるはんだ層との濡れ性を有する金属で、比較的厚い膜厚で形成される。ここでは、例えばニッケル（Ｎｉ）からなるメッキ層６を１０μｍ〜１５μｍの膜厚で形成することとする。また、このメッキ層６は、アスペクト比の高いバンプを形成する際の高さを稼ぐ役割も有している。なお、ここでは、メッキ層６をＮｉで形成することとしたが、例えば銅（Ｃｕ）であってもよい。

次に、図１（ｄ）に示すように、少なくとも開口部５ａの側壁を覆う状態で、はんだ濡れ性を有する密着膜７を形成する。ここでは、底面側にメッキ層６が露出した開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上に密着膜７を形成する。これにより、開口部５ａの内壁面全体にはんだとの濡れ面が形成される。

この密着膜７は、後工程で密着膜７上に形成するはんだ層との濡れ性を有する材質で構成されることとする。ここでは、後述するはんだが錫（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）とで構成されることから、密着膜７として、はんだ濡れ性を有するＮｉと、Ｎｉの酸化を防止するＡｕとがこの順に積層された積層膜を形成する。厚みとしては、Ｎｉが数十ｎｍ〜１００ｎｍ程度、Ａｕは５０ｎｍ程度（フラッシュＡｕ程度の厚み）の極薄膜で形成する。

これにより、Ａｕは後工程で行うはんだペーストの埋め込みの際にはんだペーストが付着した途端拡散され、酸化されていないフレッシュな面のＮｉ層が露出される。また、密着膜７は上述したような極薄膜で形成されるため、後工程で行うウェットバック処理（熱処理）にて、はんだ層中に拡散し、バンプ同士の接合の際、密着膜７がバンプの側壁に残存することが防止される。

なお、ここでは、密着膜７をＮｉとＡｕの積層膜で形成することとするが、密着膜７がはんだ濡れ性を有し、かつ酸化され難い材質で構成される場合には、単層膜であってもよい。また、３層以上の積層膜であってもよい。

次に、図２（ｅ）に示すように、印刷方式により、レジストマスク５の開口部５ａに、レジストマスク５の表面よりも上方にはみ出す状態で、例えばＳｎとＡｇとからなるはんだペーストを埋め込んで、はんだ層８を形成する。この際、気泡を巻き込んで開口部５ａ内のはんだ層８にボイドＶが形成される場合がある。なお、ここでは、はんだ材料として、ＳｎとＡｇとの混合材料を用いることとするが、はんだ材料は特に限定されるものではなく、Ｓｎと鉛（Ｐｂ）との混合材料であってもよい。

次いで、図２（ｆ）に示すように、ウェットバック処理（熱処理）により、はんだ層８（前記図２（ｅ）参照）をリフローさせる。この際、上述したように、開口部５ａの内壁を覆う状態で、はんだとの濡れ性を有する密着膜７が形成されていることから、はんだペーストを埋め込んだ際に気泡の巻き込み等によりボイドＶ（前記図２（ｅ）参照）が形成されていても、開口部５ａからはみ出す状態で形成されたはんだ層８が、密着膜７に沿って開口部５ａ内に引き込まれボイドが無い状態ではんだ層８’が形成される。

また、開口部５ａの内壁を覆う状態で、はんだとの濡れ性を有する密着膜７が形成されていることで、開口部５ａ内のはんだ層８への引き込み力が安定して作用し、開口部５ａ内に引き込んだはんだを一体化させることが可能となる。これにより、開口部５ａ内のはんだ量のばらつきが抑えられる。

また、この工程において、密着膜７は１００ｎｍ程度以下の極薄膜で形成されていることから、はんだ層８に接している密着膜７は、この熱処理によりはんだ層８’内に拡散され、残存しない。

続いて、図２（ｇ）に示すように、研磨により、レジストマスク５の表面と略同等の高さになるまで、はんだ層８’（前記図２（ｆ）参照）の余剰部分と密着膜７を除去する。ことで、開口部５ａ内にメッキ層６とはんだ層８’とを積層してなるバンプ９が形成される。ここで、研磨をすることにより、バンプ９の高さが均一に揃うとともに、表面が平坦化されたバンプ９が形成される。ここでの研磨は、物理的な研磨であってもよく、化学的機械的研磨（Chemical Mechanical Polishing（ＣＭＰ））法による研磨であってもよい。

その後、図２（ｈ）に示すように、レジストマスク５（前記図２（ｇ）参照）を剥離液等で除去する。続いて、導電膜４を酸やアルカリ等のエッチング液を用いてエッチング除去する。

以上のようにして、電極部２上に導電膜４を介してバンプ９が形成される。このバンプ９は、接合時にはんだ層８’部分が溶融する。

このようなバンプ９の形成方法によれば、図１（ｄ）を用いて説明したように、開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上に、はんだ濡れ性を有する密着膜７を形成することから、開口部５ａの内壁面全体が濡れ面となる。これにより、図２（ｅ）を用いて説明したように、開口部５ａにはんだペーストを埋め込む際に気泡を巻き込み、はんだ層８内にボイドＶが生じたとしても、その後の熱処理により、レジストマスク５の表面よりも上方にはみ出す状態で形成されたはんだ層８が密着膜７に沿って開口部５ａ内に引き込まれる。これにより、バンプ９内へのボイドＶの残存が防止される。また、図２（ｇ）を用いて説明したように、研磨により、レジストマスク５の表面と略同等の高さになるまではんだ層８’の余剰部分を除去してバンプ９を形成することから、均一な高さのバンプ９を形成することが可能となる。したがって、バンプ９を構成するはんだ量を均一にすることができるとともに、均一な高さのバンプ９を形成することができる。

また、研磨により、バンプ９の表面を平坦化させるため、バンプ９の先端形状がフラットになることから、バンプ形状の認識がし易く、高さ測定等の検査がし易くなる。さらに、実装時のアライメントも、バンプ９をダイレクトに見てアライメントが可能となるので、より精度の良い実装を行うことができる。

また、本実施形態では、印刷方式により複数金属の混合材料からなるはんだを開口部５ａ内に埋め込むため、メッキ方式によりはんだを埋め込む場合と比較して、バンプ間の組成ばらつきが抑制される。

（第２実施形態）
本実施形態では、堆積法によるバンプ形成方法に、本発明を適用した例について、図３を用いて説明する。なお、図１（ａ）から図１（ｄ）を用いて説明した密着膜７の形成までは、第１実施形態と同様の方法により行うこととする。

まず、図３（ａ）に示すように、第１実施形態と同様の方法により、底面側にメッキ層６が露出された開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上にはんだ濡れ性を有する密着膜７が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、堆積法により、密着膜７（前記図３（ａ）参照）上にはんだ層８’を形成する。ここでは、例えば熱処理雰囲気下で、溶融したはんだを噴霧により基板１の上方から供給することから、はんだの堆積によるはんだ層の形成とはんだ層のリフローとが同一工程で行われる。

この際、密着膜７は、開口部５ａの内壁を覆う状態で形成されていることから、開口部５ａ内にはんだ層８’が隙間なく形成され、開口部５ａの側壁とはんだ層８’との間にボイドが発生することが防止される。また、密着膜７は極薄膜であることから、はんだ堆積時の熱により、はんだ層８’内に拡散され、残存しない。

この後の工程は、第１実施形態と同様であり、図３（ｃ）に示すように、研磨により、レジストマスク５の表面と略同等の高さになるまではんだ層８’の余剰部分および密着膜７（前記図３（ａ）参照）を除去する。これにより、開口部５ａ内にメッキ層６とはんだ層８’とで構成されたバンプ９が形成される。次いで、図３（ｄ）に示すように、レジストマスク５（前記図３（ｃ）参照）を剥離液等で除去し、露出した導電膜４をエッチング除去する。

このようなバンプの形成方法によっても、開口部５ａの内壁を覆う状態で密着膜７を形成することから、第１実施形態と同様に、バンプ９を構成するはんだ量を均一にすることができるとともに、均一な高さのバンプ９を形成することができる。また、研磨により、バンプ９の表面を平坦化させるため、バンプ９の先端形状がフラットになることから、バンプ形状の認識がし易く、高さ測定等の検査がし易くなる。

（変形例１）
なお、上述した第２実施形態では、底面側にメッキ層６が露出された開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上に密着膜７を形成したが、開口部５ａの内壁のみに密着膜７を形成してもよい。

この場合には、例えば図４（ａ）に示すように、底面側にメッキ層６が露出された開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上に密着膜７を形成した後、図４（ｂ）に示すように、密着膜７が設けられた開口部５ａを埋め込む状態で、レジスト層１１を形成する。この際、このレジスト層１１を構成するレジスト材料としては、レジストマスク５を構成するレジスト材料とエッチング選択比のとれるものを用いることとする。

次いで、図４（ｃ）に示すように、例えばウェットエッチングにより、レジスト層１１をマスクとして、開口部５ａ外のレジストマスク５上の密着膜７をエッチング除去する。その後、図４（ｄ）に示すように、レジスト層１１（前記図４（ｃ）参照）を除去する。これにより、開口部５ａの内壁のみに密着膜７が形成された状態となる。

この後の工程は、図３（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明した第２実施形態と同様に行う。すなわち、堆積法により、熱処理雰囲気下で、溶融したはんだを噴霧により基板１１の上方から供給する。この際、開口部５ａの内壁面にのみ密着膜７が設けられていることから、はんだをリフローさせつつ、開口部５ａ内のみに選択的にはんだが堆積され、はんだ層８’が形成される。ここで、はんだ層８’はレジストマスク５の表面よりも上方にはみ出すように形成することとする。

この際、密着膜７は、開口部５ａの内壁を覆う状態で形成されていることから、開口部５ａ内にはんだ層８’が隙間なく形成され、開口部５ａの側壁とはんだ層８’との間にボイドが発生することが防止される。また、密着膜７は極薄膜であることから、はんだ堆積時の熱により、はんだ層８’内に拡散され、残存しない。

その後、研磨により、レジストマスク５と略同等の高さになるまで、はんだ層８’の余剰部分を除去する。この際、レジストマスク５上にははんだ層８’が形成されないことから、第２実施形態と比較して研磨工程が容易になる。

なお、この変形例１は、第１実施形態であっても適用可能である。

また、上述した第１実施形態、第２実施形態および変形例１では、開口部５ａ内の導電膜４上にメッキ層６を介してはんだ層８（８’）を形成することとしたが、メッキ層６は特に形成しなくてもよい。この場合には、底面側に電極部２が露出した開口部５ａの内壁を覆う状態で、レジストマスク５上に密着膜７を形成する。密着膜７の最下層は、例えばＡｌからなる電極部２との密着性を有する例えばＴｉまたはＴｉＷ等の材質で形成され、最下層上の中間層にはＮｉ等のはんだ濡れ性を有する層を形成する。そして、中間層上の最上層には例えばＡｕからなるＮｉの酸化防止層を形成する。

本発明のバンプの形成方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その１）である。 本発明のバンプの形成方法に係る第１実施形態を説明するための製造工程断面図（その２）である。 本発明のバンプの形成方法に係る第２実施形態を説明するための製造工程断面図である。 本発明のバンプの形成方法に係る第２実施形態の変形例を説明するための製造工程断面図である。

符号の説明

１…基板、２…電極部、５…レジストマスク、５ａ…開口部、６…メッキ層、７…密着膜、８、８’…はんだ層、９…バンプ

Claims (8)

1. 基板上に設けられた電極部の表面を露出させる状態で、開口部が設けられたマスクパターンを、基板上に形成する第１工程と、
   前記開口部の少なくとも側壁を覆う状態で、はんだ濡れ性を有する密着膜を形成する第２工程と、
   前記密着膜が設けられた前記開口部に、前記マスクパターンの表面よりも上方にはみ出す状態で、はんだを埋め込んではんだ層を形成するとともに、当該はんだ層のリフロー処理を行う第３工程と、
   研磨により、前記マスクパターンの表面と略同等の高さになるまで前記はんだ層の余剰部分を除去することで、当該はんだ層からなるバンプを形成した後、前記マスクパターンを除去する第４工程とを有する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
2. 請求項１記載のバンプの形成方法において、
   前記第１工程と前記第２工程との間に、
   前記開口部の途中までをメッキ層で埋め込む工程を行い、
   前記第４工程では、前記メッキ層と前記はんだ層とを積層してなるバンプを形成する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
3. 請求項１記載のバンプの形成方法において、
   前記第３工程では、前記開口部に前記はんだを埋め込んで前記はんだ層を形成した後、当該はんだ層のリフロー処理を行う
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
4. 請求項３記載のバンプの形成方法において、
   前記第３工程では、印刷方式により、前記開口部に前記はんだを埋め込んではんだ層を形成する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
5. 請求項３記載のバンプの形成方法において、
   第２工程では、前記開口部の内壁を覆う状態で、前記マスクパターン上に前記密着膜を形成する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
6. 請求項１記載のバンプの形成方法において、
   前記第３工程では、熱処理雰囲気下で、前記はんだのリフロー処理を行いつつ、前記開口部に前記はんだを埋め込んで前記はんだ層を形成する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
7. 請求項１記載のバンプの形成方法において、
   前記第３工程では、前記開口部に選択的に前記はんだを埋め込んで前記はんだ層を形成するとともに、当該はんだ層のリフロー処理を行う
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
8. 請求項１記載のバンプの形成方法において、
   前記第３工程では、前記開口部を埋め込む状態で、前記マスクパターン上に前記はんだ層を形成するとともに、当該はんだ層のリフロー処理を行い、
   前記第４工程では、研磨により、前記マスクパターンの表面が露出するまで前記はんだ層の余剰部分を除去することで、前記バンプを形成する
   ことを特徴とするバンプの形成方法。
   

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