JP2015170661A - バンプ電極の製造方法及びバンプ電極形成用基板 - Google Patents

Abstract

【課題】下地金属層の界面付近での気泡の残存によるボイドの発生を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造する。
【解決手段】基板上のレジスト層の開口部内に、電解めっきにより、開口部内に露出する金属層の表面に積層させてはんだめっき層を形成するめっき工程と、めっき工程後にレジスト層を除去するレジスト層除去工程と、レジスト層を除去した後に金属層をエッチングすることにより、はんだめっき層の外径よりも小さい外径の下地金属層を形成するエッチング工程と、下地金属層の上方のはんだめっき層を溶融して下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー処理工程とを有する。
【選択図】 図２

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バンプ電極形成用基板に関する。

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、接合信頼性低下を招くおそれがある。

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はあるが、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によるボイドの発生を防止して、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。

本発明のバンプ電極の製造方法は、基板表面の金属層上に形成したレジスト層の開口部内に、電解めっきにより、前記開口部内に露出する前記金属層の表面に積層させて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レジスト層を除去するレジスト層除去工程と、前記レジスト層を除去した後に前記金属層を前記はんだめっき層の前記はんだめっき層の外周縁より内方位置までエッチングすることにより、前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積が前記はんだめっき層の横断面の面積よりも小さい下地金属層を形成するエッチング工程と、前記下地金属層の上方の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処理工程とを有することを特徴とする。

バンプ電極のボイドは、めっき工程においてはんだめっき層内に取り込まれためっき液中の一部の成分が、リフロー処理工程においてガス化して気泡として残存することが原因と考えられる。この場合、はんだめっき層の中間位置の気泡は浮力により溶融はんだ中を上昇して表面から外部に放出され易いが、下地金属層とはんだめっき層との界面付近では気泡が界面に付着し易いためにボイドとして残存し易く、特に、バンプ電極の外周部に多く発生し易いことを見出した。

本発明では、エッチング工程時に、はんだめっき層の下方の下地金属層をはんだめっき層の横断面の面積よりも投影面積が小さくなるまでエッチングし、はんだめっき層の外周部の下面を下地金属層が存在せず、はんだめっき層と下地金属層との界面がない状態とする。これにより、次のリフロー処理工程においては、はんだめっき層の外周部では、気泡が発生したとしても、界面が存在しないため、浮力により溶融はんだ内を上昇することが自由な状態となり、溶融はんだの表面から外部に放出され易くなる。

本発明のバンプ電極の製造方法において、前記エッチング工程後の前記下地金属層と前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積は、前記はんだめっき層の横断面の面積に対する面積減少率が１０％以上であるとよい。

はんだめっき層の横断面よりも下地金属層の投影面の面積が小さくなれば、その分、界面が減少するのでボイドを低減することができるが、はんだめっき層に対する面積減少率を１０％以上とすることにより、ボイドの低減効果を大きくすることができる。１０％未満では、はんだめっき層と下地金属層との界面の面積が大きいため、ボイドの低減効果が小さい。
ただし、面積減少率が大き過ぎると、はんだバンプを支持し得る下地金属層の投影面積に対してはんだめっき層の横断面の面積が相対的に大きくなって、バンプ電極のピッチが大きくなり、半導体デバイスの高密度実装を損なうので、現実的には５０％までとするのが好ましい。

また、本発明のバンプ電極形成用基板は、バンプ電極を形成するためのはんだめっき層を有するバンプ電極形成用基板であって、前記はんだめっき層は、基板表面の下地金属層の上に形成されるとともに、前記下地金属層は、前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積が前記はんだめっき層の横断面の面積よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、はんだめっき層の外周部の下面を下地金属層との界面がない状態とした後にリフロー処理するので、ボイドが残存し易いバンプ電極の外周部のボイドの発生を防止して、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）〜（ｄ）の順に示した断面図である。 下地金属層とはんだめっき層との面積の関係を示す断面図である。 比較例における下地金属層とはんだバンプとの界面付近の透過Ｘ線顕微鏡による断面写真である。

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合金等のＳｎ系合金が適用される。

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。
（レジスト層形成工程）
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の金属層７ａの上にレジスト層１１を形成し、このレジスト層１１に露光、現像処理を施すことにより、電極パッド２の上方で金属層７ａの上面を露出させた状態に開口部１２を形成する。このレジスト層１１の開口部１２の内径は、得られるバンプ電極３の外径に対応して設定される。

（はんだめっき層積層工程）
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；８０〜３５０ｇ／Ｌ
Ｓｎ^２＋；４０〜９５ｇ／Ｌ
Ａｇ^＋；０．１〜３．０ｇ／Ｌ
錯化剤；１４０〜３００ｇ／Ｌ
添加剤；３０〜８０ｍｌ／Ｌ
電解めっき条件としては、めっき槽の浴温を例えば２５℃に設定し、３Ａ／ｄｍ^２の電流密度で、電解量として約１２０Ａ・ｍｉｎとされる。

（レジスト層除去工程）
次に、レジスト層剥離液によりレジスト層１１を溶解して除去し、図２（ｃ）に示すように、金属層７ａの表面及びはんだめっき層１３を露出する。

（エッチング工程）
はんだめっき層１３の周囲の金属層７ａをエッチングにより除去し、はんだめっき層１３の下方に図２（ｄ）に示すように下地金属層７を形成する。
このときのエッチング条件は、エッチング液としては過酸化水素とリン酸の混合物として、過酸化水素５質量％以下、リン酸１０〜２０質量％の水溶液を使用し、液温３０℃のエッチング液に所定時間浸漬する。このエッチング条件は、はんだめっき層１３の周囲の下地とならない金属層７ａの不要部分を除去するだけでなく、はんだめっき層１３の外周縁よりも内方位置までエッチングし、はんだめっき層１３の外周部直下の部分まで金属層７ａを除去できる条件とする。具体的には、図３に拡大して示したように、はんだめっき層１３の横断面の面積Ａ１に対して、エッチングにより残る下地金属層７におけるはんだめっき層１３側（図３の上方）から視た投影面の面積Ａ２、言い換えればはんだめっき層１３と下地金属層７との界面におけるはんだめっき層１３側（図３の上方）から視た投影面の面積が、１０％以上５０％以下の面積減少率となるようにエッチングする。
このエッチング工程により、図２（ｄ）に示すように、下地金属層７の上に、この下地金属層７の外径よりも大きい外径のはんだめっき層１３が積層された状態となる。
本発明のバンプ電極形成用基板は、このエッチング工程までの工程により製造されたもので、下地金属層の上にはんだめっき層が形成された状態の基板をいう。

（リフロー処理工程）
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、このリフロー処理工程において、リフロー処理温度（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、面積の小さい下地金属層７の上に、外径の大きいはんだバンプ８が球状に形成される。
前述したように下地金属層７の面積Ａ２がはんだめっき層１３の横断面の面積Ａ１に対して１０％以上５０％以下の面積減少率で小さくなるように形成したので、図３に示すように、はんだめっき層１３の外周部においては、その直下に下地金属層７との界面が存在しない状態となり、このため、リフロー処理工程中に気泡ｇが発生したとしても、浮力により上昇することが自由な状態であり、溶融はんだ中を矢印で示すように上昇して表面から外部に放出される。

特にはんだめっき層１３の外周部は、はんだめっき層積層工程において、レジスト層１１の開口部１２の内周面付近であった部分であり、その部分にはんだめっき液が停滞し易いためにめっき液中の成分が偏在するなどの理由により、リフロー処理工程時に気泡が生じ易い傾向にある。
この実施形態の方法では、このはんだめっき層１３の外周部の界面を除去するように、下地金属層７の外径をはんだめっき層１３の横断面の外径よりも小さく形成するので、はんだめっき層１３の外周部におけるボイドの発生を有効に防止することができる。
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、実際の設計に際しては、下地金属層７の外径を、はんだバンプ８を支持し得る大きさに設定し、この下地金属層７の面積が、はんだめっき層１３の横断面の面積に対して前述した面積減少率となるように、レジスト層１１に所定面積の開口部１２を形成する。そして、その開口部１２内に必要量のはんだめっき層１３を形成するとよい。
この場合、はんだめっき層１３は、従来の下地金属層とはんだめっき層とを同じ外径に形成する場合に比べて、同じはんだ量とする場合は、外径が大きく厚さが小さくなる。このため、下地金属層形成のためのエッチング時間は従来よりも多く必要になるが、めっき工程の時間は従来に比べて短縮することができる。

はんだ合金としてＳｎ−Ａｇ合金、金属層として純Ｃｕを用い、基板表面の金属層の上にレジスト層を形成して、直径１１０μｍの開口部内に電解めっきによって高さ６０μｍのはんだめっき層を形成した。はんだめっき層形成後にレジスト層を除去し、エッチング液に浸漬することにより、はんだめっき層の周囲の金属層を除去した。エッチング液としては、過酸化水素５質量％以下、リン酸１５質量％の混合物を使用した。液温は３０℃とした。
下地金属層がはんだめっき層の外径と同じ外径となるまでのエッチング時間は４５秒であった。これを比較例とし、下地金属層のはんだめっき層に対する面積減少率が表１の複数のものを本発明例として作製した。そのときの過剰エッチング時間を、比較例を基準にして（比較例を「０」として）、（発明例のエッチング時間−比較例のエッチング時間）として求めた。下地金属層の面積減少率は、中心軸を通る縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、下地金属層の外径からエッチング幅を求め、そのエッチング幅で下地金属層の全周がエッチングされているものとして環状のエッチング面積を算出し、（エッチング面積／はんだめっき層の横断面積）により求めた。

エッチング後に、リフロー処理して、エッチング処理条件ごとに１００個ずつのバンプ電極を作製した。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、ボイドの面積率を測定した。
ボイドの面積率は、はんだバンプの横断面を透過Ｘ線顕微鏡により観察し、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１に示す。ボイドの面積率は、１００個のバンプ電極の平均値である。

表１に示されるように、エッチング時間を過剰にしてはんだめっき層の横断面の面積よりも下地金属層の面積を減少させることにより、ボイド面積率が小さくなり、ボイド発生の低減に効果があることがわかる。特に、面積減少率が１０％以上でボイド低減効果が顕著になる。
図４は、比較例１における下地金属層とはんだバンプとの界面付近の透過Ｘ線顕微鏡による断面写真であり、はんだバンプの外周部付近にボイドが残存しているのがわかる。
この実施例により面積減少率が大きいほどボイドの低減効果が大きくなることがわかるが、面積減少率が大きくなり過ぎると、ボイド低減効果には好ましいものの、はんだバンプを支持する下地金属層としてはある程度の面積が必要であることから、相対的にはんだバンプの横断面の面積が大きくなり、バンプ電極としてのピッチが大きくなるので、半導体デバイスの高密度実装には好ましくない。現実的には面積減少率は５０％までとするのが好ましい。

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。
実施形態では、はんだめっき層の横断面が円形のものとしているが、矩形状の他、多角形状等の横断面としてもよく、下地金属層も、投影面の形状が矩形状、多角形状等としてもよい。

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 レジスト層
１２ 開口部
１３ はんだめっき層
ｇ 気泡

Claims (3)

1. 基板上のレジスト層の開口部内に、電解めっきにより、前記開口部内に露出する金属層の表面に積層させて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レジスト層を除去するレジスト層除去工程と、前記レジスト層を除去した後に前記金属層を前記はんだめっき層の外周縁より内方位置までエッチングすることにより、前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積が前記はんだめっき層の横断面の面積よりも小さい下地金属層を形成するエッチング工程と、前記下地金属層の上方の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処理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. 前記エッチング工程後の前記下地金属層と前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積は、前記はんだめっき層の横断面の面積に対する減面率が１０％以上であ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. バンプ電極を形成するためのはんだめっき層を有するバンプ電極形成用基板であって、前記はんだめっき層は、基板表面の下地金属層の上に形成されるとともに、前記下地金属層は、前記はんだめっき層との界面における前記はんだめっき層側から視た投影面の面積が前記はんだめっき層の横断面の面積よりも小さいことを特徴とするバンプ電極形成用基板。