JP2014229797A - バンプ電極の製造方法及びバンプ電極 - Google Patents

Abstract

【課題】下地金属層の界面付近での気泡の残存を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造する。
【解決手段】基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、めっき工程後に下地金属層７の界面付近のはんだめっき層１３内にめっき液成分１４を包含する金属間化合物１５を形成する金属間化合物形成工程と、金属間化合物形成工程後にはんだめっき層１３を溶融して下地金属層７の上にはんだバンプを形成するリフロー工程とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体デバイスをフリップチップ実装等により基板に接続するために用いられるバンプ電極を製造する方法、及びその方法により製造されるバンプ電極に関する。

近年、ネットワーク情報社会の急速な進展に伴い、半導体デバイスの高機能・小型化に対応した高密度実装としてフリップチップ実装が普及している。このフリップチップ実装において半導体デバイスを接続するために基板に設けられるバンプ電極は、めっき法による場合、基板上に形成されたバンプ形成用下地金属層（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌ）に対してはんだをめっきした後、リフロー処理することにより形成される。
この種のバンプ電極の問題点として、リフロー処理後のバンプの内部にボイドと呼ばれる空隙が形成されることがあり、このボイドが発生していると、接合不良を生じるおそれがある。

このボイドの発生を防止するために、以下の技術が提案されている。
特許文献１では、リフロー加熱工程の前に予熱工程を経ることにより、低沸点成分、水分を蒸発させておき、リフロー工程での蒸発分を低減させてボイドの発生を防止している。
特許文献２には、はんだ材料を載せたウエハを、はんだ材料の融点より５℃から１０℃低い温度範囲内で予め加熱する予熱工程を経て、線状または細帯状の加熱領域を通過させることで、急峻な温度勾配を付与しながら、固相、液相界面を一方向に移動させることにより、はんだ材料内に残存した気泡を外部に放出させることが開示されている。
特許文献３は、はんだペーストを用いてバンプを形成するものであるが、はんだペーストを２回の溶融工程で溶融しており、第１溶融工程でペーストに含まれるフラックスを揮発させ、第２溶融工程でリフロー温度ではんだを溶融している。

特開２０００−６８６３９号公報 特開２００３−１２４２４４号公報 特開２００７−２２７４９３号公報

これら特許文献記載の方法は、はんだ層内部の気泡の除去に有効であるが、下地金属層との界面付近にわずかに気泡が残存するという問題があり、さらなる改良が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、下地金属層の界面付近での気泡の残存を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造することを目的とする。

電解めっきにより形成したはんだ層にボイドが生じる場合、バンプ内に取り込まれたスルホン酸、水分、錯化剤、添加剤などのめっき液成分がリフロー処理中にガス化することが原因と考えられる。この場合、下地金属層とはんだめっき層との界面付近以外の部分はめっきの結晶が界面から端面に向けて細長く形成されるためにめっき液成分が残りにくい上、若干のめっき液成分が残存していた場合でも、はんだの溶融時に、ガスが溶融はんだから抜け出て外部に放出されるのに対して、下地金属層の界面付近においては、めっきの結晶が小さいために結晶粒界にめっき液成分が残存し易く、また、はんだが溶融してもガスが下地金属層の界面付近から離脱できずに界面付近に吸着したまま残存してボイドとなることを見出した。
本発明者は、この下地金属層の界面付近でガス化するめっき液成分については、これを除去するのではなく、リフロー工程時にガス化してボイドに進展しないように固めてしまうことを考え、以下の解決手段とした。

すなわち、本発明のバンプ電極の製造方法は、基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、該めっき工程後に前記下地金属層の界面付近の前記はんだめっき層内にめっき液成分を包含する金属間化合物を形成する金属間化合物形成工程と、該金属間化合物形成工程後に前記はんだめっき層を溶融して前記下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー工程とを有することを特徴とする。

はんだめっき層の溶融前に、下地金属層の界面付近のめっき液成分を金属間化合物内に包含させる。この金属間化合物ははんだよりも融点が高く、リフロー工程において加熱されても安定した状態であるため、めっき液成分の膨張を拘束して、めっき液成分を包含した状態を保持することができる。このため、リフロー工程にてはんだめっき層を溶融した際にも、金属間化合物内に包含しためっき液成分はガス化せず、ボイドの発生を防止することができる。
なお、このリフロー工程は、はんだ溶融温度に到達するまでの間に、はんだ溶融温度以下の温度で所定時間保持する予熱処理を伴う場合も含むものとする。

本発明のバンプ電極の製造方法において、前記金属間化合物は、前記下地金属層の界面から０．３μｍ〜１．５μｍの厚さで形成するとよい。
金属間化合物の厚さが０．３μｍ未満ではその効果が乏しく、１．５μｍを越える厚さとするのは製造上無駄である。

本発明のバンプ電極の製造方法において、前記金属間化合物形成工程は、前記はんだめっき層をリフロー工程時のはんだ溶融温度より低い６５℃〜２２０℃の温度で３時間〜１００時間熱処理するものである。ここで６５℃未満の場合には、金属間化合物の形成が起こらない、若しくは形成速度が非常に遅くなるため、製造コスト上問題がある。また、２２０℃を超える場合には、はんだが溶融するため、めっき液成分がガス化してしまう。

また、本発明のバンプ電極の製造方法において、前記下地金属層は銅又は銅合金からなるものであるとよい。
銅又は銅合金は、はんだのＳｎと金属間化合物を形成し易く、その金属間化合物の融点もはんだ溶融温度より高いので、本発明の方法に好適である。

そして、本発明のバンプ電極は、基板の下地金属層上にはんだバンプが形成されてなり、前記下地金属層の界面付近の前記はんだバンプ内にめっき液成分を包含する金属間化合物が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、はんだ溶融前に下地金属層界面付近のめっき液成分を金属間化合物に包含し、はんだ溶融時のガス化を拘束するので、ボイドの発生を防止し、接合信頼性の高いバンプ電極を製造することができる。

本発明の方法が適用されるバンプ電極を示す断面図である。 図１のバンプ電極を形成する工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示した断面図である。 （ａ）が下地金属層の界面付近のはんだめっき層内に液滴状のめっき液成分が残存した状態、（ｂ）がそのめっき液成分を金属間化合物に包含した状態を模式的に示した拡大断面図である。 下地金属層とはんだバンプとの界面付近のＥＰＭＡ分析写真である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の方法が適用されるバンプ電極を示しており、基板１の電極パッド２の上にバンプ電極３が形成されている。
基板１は、シリコンウエハ５の表面に回路層、絶縁層等が形成されたもので、図１には、シリコンウエハ５の表面に電極パッド２が積層され、このパッド２の中央部を除き、シリコンウエハ５の表面に絶縁層６が形成されている。
電極パッド２の中央部は絶縁層６が被覆されない状態とされ、この電極パッド２の中央部に下地金属層（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌ）７を介してはんだが球状に形成されてなるはんだバンプ８が形成され、バンプ電極３を構成している。下地金属層７は、Ｎｉ又はＮｉ合金を使用することも可能であるが、Ｃｕ又はＣｕ合金を用いるのが好適であり、中央部が下方に向けて凹状に窪んだ皿状に形成されている。
また、はんだバンプ８となるはんだには、純Ｓｎの他、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等が適用される。

次に、このように構成されたバンプ電極３を基板１の上に製造する方法について図２に示す工程順に説明する。
（レジスト形成工程）
予め、シリコンウエハ５の表面に電極パッド２及び絶縁層６が形成された基板１を形成し、その表面を覆うようにＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層７ａを形成しておく。この場合、絶縁層６は電極パッド２の中央部を避けて周縁部のみを覆い、その上に形成される金属層７ａが電極パッド２の中央部と接合状態に形成される。
そして、図２（ａ）に示すように、基板１の上にレジスト１１を形成し、このレジスト１１に露光、現像処理を施すことにより、電極パッド２の上面を露出させた状態に開口部１２を形成する。

（はんだ層積層工程）
次に、基板１をめっき槽（図示略）に浸漬し、金属層７ａに通電して電解めっき処理にて、電極パッド２の上に金属層７ａを介してはんだめっきを施し、図２（ｂ）に示すようにはんだめっき層１３により開口部１２内を埋めた状態とする。
このはんだめっき層１３の形成のために用いられるめっき液は、例えばＳｎ−Ａｇ合金用めっき液では以下の配合とされる。
アルキルスルホン酸；１００〜１５０ｇ／Ｌ
Ｓｎ^２＋；４０〜９０ｇ／Ｌ
Ａｇ^＋；０．１〜３．０ｇ／Ｌ
錯化剤；１８０〜２２０ｇ／Ｌ
添加剤；４０〜６０ｍｌ／Ｌ
電解めっき条件としては、例えば、めっき槽の浴温を２５℃に設定し、３Ａ／ｄｍ^２の電流密度（ＡＳＤ）で、電解量として約１２０Ａ・ｍｉｎとされる。
（レジスト除去工程）
次に、レジスト１１を除去するとともに、金属層７ａの不要部分をエッチングにより除去し、はんだめっき層１３の下方に配置される下地金属層７とする。このレジスト１１の除去により、図２（ｃ）に示すように、下地金属層７の上にはんだめっき層１３が積層された状態に露出する。

（熱処理工程）
次に、加熱して下地金属層７とはんだめっき層１３との界面付近に、下地金属層７のＣｕとはんだめっき層１３のＳｎとの合金からなる金属間化合物を形成する。加熱の条件としては、下地金属層７の界面から０．３μｍ〜１．５μｍの厚さで金属間化合物が形成されるように、はんだ金属の共晶点又は融点以下の６５℃〜２２０℃の範囲内の温度で３時間〜１００時間保持する。
はんだめっき層１３のＳｎと下地金属層７のＣｕとは金属間化合物を形成し易く、この熱処理工程により、下地金属層７の界面付近に金属間化合物が形成され、その際に、界面付近に残留していた液滴状のめっき液成分が金属間化合物に包含される。

図３は、この状態を模式化して示しており、熱処理工程前の状態で下地金属層７の界面付近に微小な液滴状のめっき液成分１４が存在しており、熱処理工程を経ることにより、下地金属層７の界面付近に生成された金属間化合物１５の中にめっき液成分１４が包含されている。この金属間化合物１５は、下地金属層７のＣｕとはんだのＳｎとの合金であるＣｕ_６Ｓｎ_５であり、はんだより融点が高く、Ｓｎ−Ａｇ合金はんだの共晶点が２２１℃であるのに対して、４００℃以上である。
この金属間化合物１５の厚さを下地金属層７の界面から０．３μｍ〜１．５μｍとしたのは、厚さが０．３μｍ未満ではめっき液成分を包含する効果が乏しく、１．５μｍを越えても、その効果に差はなく、製造上無駄だからである。
前述したはんだめっき層１３に用いる各種金属、その共晶点又は融点、下地金属層７のＣｕとの間で金属間化合物１４を形成する熱処理の温度条件、形成される金属間化合物１４の種類について表１に示す。

なお、下地金属層７としてＮｉ又はＮｉ合金を用いる場合は、Ｓｎ−Ｎｉ系の金属間化合物が生成される。

（リフロー工程）
次に、はんだめっき層１３を溶融させるまで加熱してリフロー処理を行う。このリフロー処理としては、窒素雰囲気あるいは低酸素雰囲気または還元雰囲気中で２３０℃〜２５０℃に数十秒間加熱する。
このリフロー処理において、加熱により溶融したはんだが下地金属層７の上で表面張力によりボール状に丸くなり、冷却されることにより、図１に示すようにボール状のまま固化してはんだバンプ８となり、基板１の電極パッド２の上に、下地金属層７表面にはんだバンプ８を形成したバンプ電極３が構成される。
なお、このリフロー工程において、リフロー温度（２３０℃〜２５０℃）に至る昇温を二段階以上の温度プロファイルとなるように加熱してもよく、はんだ溶融温度に到達するまでの間に、はんだ溶融温度より低い温度で所定時間保持する予熱処理を伴うものも含むものとする。

このようにして形成されるバンプ電極３は、全体としては下地金属層７の上にはんだバンプ８が球状に形成されるが、その内部においては、前述したように下地金属層７の界面付近の液滴状のめっき液成分１４が金属間化合物１５により包含された状態となっている。この金属間化合物１５は融点が例えばＣｕ_６Ｓｎ_５合金であると４００℃以上と高いため、はんだめっき層１３のリフロー温度では溶融することはなく、このため、内部に包含しためっき液成分１４がリフロー工程において膨張してガス化することが拘束される。したがって、ボイドの発生のないバンプ電極３として提供することができ、部品実装において高い接合信頼性を有することができる。
なお、金属間化合物１５内に包含しためっき液成分１４は、はんだめっき層１３を形成するための前述した成分であり、例えば、昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ）により、リフロー工程後のバンプ電極３に対して金属間化合物１５の溶解温度（４００℃）より高温で放出されたガス成分を測定して、水が含有されているか否かにより確認することができる。

はんだ合金としてＳｎ−Ａｇ合金、下地金属層として純Ｃｕを用い、基板表面の直径１１０μｍの下地金属層の上に、高さ６０μｍのバンプ電極を形成した。その際、実施形態で述べた製造方法のうち、熱処理工程の条件を表２に示すように変化させて、各熱処理条件ごとにバンプ電極を１００個作製した。リフロー工程は窒素雰囲気下で２４０℃６０秒間とした。
得られた試料につき、下地金属層界面付近の金属間化合物の厚み、はんだバンプ中のめっき液成分の有無、ボイドの面積率を測定した。
金属間化合物の厚みは、バンプ電極の縦断面のＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いた元素マッピングからＣｕ面積割合を算出し、厚みの平均値を算出した。
はんだバンプ中のめっき液成分の有無は、前述した昇温脱離ガス分光法（ＴＤＳ）により、水の有無により確認した。
ボイドの面積率は、はんだバンプの横断面を観察し、その観察視野内におけるはんだバンプの断面積に対するボイドの断面積の総和の比率として算出した。
これらの結果を表２に示す。金属間化合物の厚み及びボイドの面積率は、１００個のバンプ電極の平均値である。

表２に示されるように、熱処理時間が多いほど、金属間化合物の厚みが増し、ボイド面積率が小さくなっており、はんだが溶融する前に熱処理工程を設けることにより、ボイド発生の低減に効果があることがわかる。
図４は下地金属層とはんだバンプとの界面付近のＥＰＭＡ分析写真であり、左から熱処理なし、熱処理温度が１００℃で、熱処理時間が２５時間後（実施例２）、５０時間後（実施例３）、１００時間後（実施例４）をそれぞれ示している。熱処理することにより、界面付近の点状のめっき液成分１４が金属間化合物１５に包含されており、熱処理時間が長くなるほど顕著になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１ 基板
２ 電極パッド
３ バンプ電極
５ シリコンウエハ
６ 絶縁層
７ 下地金属層
８ はんだバンプ
１１ レジスト
１２ 開口部
１３ はんだめっき層
１４ めっき液成分
１５ 金属間化合物

Claims (5)

1. 基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、該めっき工程後に前記下地金属層の界面付近の前記はんだめっき層内にめっき液成分を包含する金属間化合物を形成する金属間化合物形成工程と、該金属間化合物形成工程後に前記はんだめっき層を溶融して前記下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー工程とを有することを特徴とするバンプ電極の製造方法。
2. 前記金属間化合物は、前記下地金属層の界面から０．３μｍ〜１．５μｍの厚さで形成することを特徴とする請求項１記載のバンプ電極の製造方法。
3. 前記金属間化合物形成工程は、前記はんだめっき層をリフロー工程時のはんだ溶融温度より低い６５℃〜２２０℃の温度で３時間〜１００時間熱処理することを特徴とする請求項１又は２記載のバンプ電極の製造方法。
4. 前記下地金属層は銅又は銅合金からなるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のバンプ電極の製造方法。
5. 基板上の下地金属層表面にはんだバンプが形成されてなり、前記下地金属層の界面付近の前記はんだバンプ内にめっき液成分を包含する金属間化合物が形成されていることを特徴とするバンプ電極。