JP2015198193A - はんだバンプ用めっき方法及びバンプ電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだバンプを電解めっき法によって形成する際の高さばらつきをさらに抑制し、高さの均一性をより向上させる。
【解決手段】基板上に、複数の開口部を有するレジスト層を形成しておき、各開口部に、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、電解めっき時の電流とは逆方向に電流を流して各開口部のはんだめっき層のうち、厚さが大きいはんだめっき層の一部を溶解して薄くするはんだ溶解工程とを備える。
【選択図】 図１

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はんだバンプを電解めっき法で製造する場合の高さばらつきを抑える方法に関する。

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はんだバンプは、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。
この場合、高密度実装のために、はんだバンプの高さを限りなく揃える必要があり、従来では、その高さの制御等のために、例えば、以下の特許文献記載の方法が提案されている。

特許文献１には、微細孔にめっきする際に、１００Ｈｚ〜１０ＫＨｚのパルス電流を用いて電気めっきを行うことにより、高さばらつき（めっき厚のばらつき）を抑えた柱状のバンプを形成することが開示されている。
特許文献２には、はんだに代わる低融点金属をバンプとする技術として、銀系合金めっき浴を用いて、電流を矩形パルス波または多段矩形波の繰り返しで与えることが開示されており、これにより、異常析出や粒状析出が抑制され、微視的なレベルでの均一かつ平滑な電気めっき被膜が得られると記載されている。
特許文献３には、ボンディングするのに十分な高さと体積を確保するために、マッシュルーム形状にめっきすることが開示されており、めっき時の電流をパルス交互電流にすると、バンプの均一性及び堆積組成の点で有益であると記載されている。
特許文献４には、めっき膜の異常成長を防ぐために、順方向電流が逆方向電流より小さくなる条件のパルス電圧を印加することが開示されている。この場合、順方向電圧が印加される時間は逆方向電圧が印加される時間より長くなるようにすることが記載されている。

特開平１０−２２３６８９号公報 特開２０００−１００８５０号公報 特開２００１−３０８１２９号公報 特開２００７−３２９４０９号公報

本発明は、このような背景の下、はんだバンプを電解めっき法によって形成する際の高さばらつきをさらに抑制し、高さの均一性をより向上させることを目的とする。

本発明のはんだバンプ用めっき方法は、基板上に、複数の開口部を有するレジスト層を形成しておき、各開口部に、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、前記電解めっき時の電流とは逆方向に電流を流して前記各開口部のはんだめっき層のうち、厚さが大きいはんだめっき層の一部を溶解して薄くするはんだ溶解工程とを備えることを特徴とする。

めっき工程においては、レジスト層の各開口部の開口面積が異なる場合や、レジスト層の開口部が相互に密接している部分とそうでない部分とが存在する場合等には、めっき高さにばらつきが生じ易い。そこで、はんだ溶解工程にて、電解めっき時の電流とは逆方向に電流を流すことではんだめっき層の一部を溶解する。このとき、はんだめっき層の厚さが大きい箇所（電極に近い箇所）に優先的に電流が流れるため、各開口部のうち、厚さが大きいはんだめっき層が優先的に溶解する。これにより、各開口部内のはんだめっき層は、高さの小さいはんだめっき層に高さが揃えられることになり、その高さばらつきを小さくすることができる。

本発明のはんだバンプ用めっき形成方法において、前記逆方向の電流は矩形パルス電流又は正弦波形電流であるとよい。

はんだ溶解工程においては、はんだめっき層の溶解により、レジスト層の開口部の周辺で溶解したはんだめっきの金属イオン濃度が高くなり、このため、そのはんだめっき層の溶解が妨げられる反面、その状態で連続的に電流を流していると、本来溶解する必要のない、高さの低いはんだめっき層も溶解させてしまうことになる。そこで、矩形パルス電流又は正弦波形電流とすることにより、電流が流れない時間、又は電流が小さいためにはんだめっき層が溶解しない時間を断続的に生じさせることで、はんだめっき層付近の金属イオンをめっき液中に分散させる時間を確保しつつ、高さの大きいはんだめっき層を優先的に溶解することができる。

本発明のはんだバンプ用めっき形成方法において、前記厚さが大きいはんだめっき層は、前記レジスト層の厚さよりも大きい厚さに形成しておくとよい。
厚さが大きいはんだめっき層をレジスト層より厚く形成しておくことにより、その一部を溶解した後に、ほぼ全体をレジスト層の厚さ程度に揃えることができる。

そして、本発明のバンプ電極の製造方法は、上記のめっき方法によりはんだめっき層を形成し、前記はんだ溶解工程後に前記レジスト層を除去してリフロー処理することにより前記基板上にはんだバンプを形成することを特徴とする。

本発明によれば、めっき工程の後にはんだ溶解工程を設けて、電解めっき時の電流とは逆方向に電流を流すことで、厚さの大きいはんだめっき層の一部を溶解するようにしたので、各開口部内のはんだめっき層の高さが揃えられ、その高さばらつきを小さくすることができる。

本発明の方法を適用してバンプ電極を形成する工程のうち、レジスト形成工程〜はんだ溶解工程の途中までを（ａ）〜（ｃ）の順に示した断面図である。 はんだ溶解工程の終了後からレジスト除去工程、リフロー工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示す断面図である。 はんだめっき工程及びはんだ溶解工程の電流密度と時間と関係を示すグラフである。

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２（ｃ）が本発明の方法を適用して形成したバンプ電極１０を示しており、基板１の複数個所に設けられた各電極パッド２の上にはんだバンプ３がそれぞれ形成されている。
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２（ｂ）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、この電極パッド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３が形成され、バンプ電極１０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３となるはんだの材料としては、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、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金が好適である。

次に、このように構成されたバンプ電極１０を基板１の上に製造する方法について図１及び図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１（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、各電極パッド２の上方で金属層７ａの上面を露出させた状態に複数の開口部１２を形成する。このレジスト層１１の各開口部１２の内径は、得られるはんだバンプ３の外径に対応して設定される。

（めっき工程）
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す。このとき、図１（ａ）に示すように、金属層７ａにカソード電極Ｑが接続され、めっき液中に、基板１の上方に基板１と対向するように平板状のアノード電極Ｐが配置される。そして、図１（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。
遊離酸（例えば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。

なお、レジスト層１１の各開口部１２においてはんだめっき層１３の高さのばらつきが生じる場合、その最も高さが大きいはんだめっき層では、レジスト層１１の開口部１２だけでなく、図１（ｂ）の左側２個のはんだめっき層のように、レジスト層１１の上方までめっきし、開口部１２の上方に突出した、いわゆるマッシュルーム状に形成しておいてもよい。

（はんだ溶解工程）
次に、めっき工程とは逆方向の電流を流してはんだめっき層１３の一部を溶解する。このときの電流は、矩形パルス電流とする。例えば、図３に示すように、電流密度は、めっき工程時の陰極電流密度Ａと同じか、その電流密度Ａより大きい陽極電流密度Ｂに設定し、通電と遮断とがそれぞれ０．５ｓｅｃ以下となるパルス時間Ｃに設定する。

このような逆方向電流を流すことにより、各開口部１２のはんだめっき層１３のうち、高さの大きいはんだめっき層（つまりアノード電極Ｐに近いはんだめっき層であり、図１（ｂ）の左側２個のはんだめっき層）１３に優先的に電流が流れて、そのはんだめっき層１３の上端部を溶解する。これに対して、高さの小さいはんだめっき層（図１（ｂ）の右側のはんだめっき層）１３には相対的に電流が流れにくいため、高さの変化は少ない。これにより、高さが大きいはんだめっき層１３の高さが図１（ｃ）に示すように小さくなり、最終的には図２（ａ）に示すように、高さが低いはんだめっき層１３の高さとほぼ揃えられる。
一部のはんだめっき層１３を前述したマッシュルーム状に形成しておいた場合は、レジスト層１１の上方に突出しているため、その部分に電流が集中し易く、その突出している部分が優先的に溶解される。

また、このはんだめっき層１３の溶解工程においては、溶解して生じる金属イオン（Ｓｎ^２＋， Ａｇ^＋）がはんだめっき層１３の上面からめっき液内に分散していくことになるが、その分散の速度より溶解速度が大きいと、はんだめっき層１３の上面付近のめっき液中の金属イオン濃度が高まり、それにより、はんだめっき層１３の上面が高濃度めっき液で覆われた状態となる（図１（ｃ）に二点鎖線で模式的に示した）。このため、そのはんだめっき層１３の以降の溶解が妨げられる。一方、その状態で連続的に電流を流していると、本来溶解する必要のない、高さの低いはんだめっき層１３も溶解させてしまうことになる。

そこで、本実施形態では矩形パルス電流とすることにより、電流が流れない時間、又は電流が小さいためにはんだめっき層１３が溶解しない時間を断続的に生じさせることで、その間に、はんだめっき層１３付近の金属イオンをめっき液中に分散させる。このはんだめっき層１３の溶解と、その溶解により生じた金属イオンの分散とを交互に生じさせることにより、目標とするはんだめっき層１３の溶解を促進させ、高さの大きいはんだめっき層１３を優先的に溶解することができる。

（レジスト層除去及びエッチング工程）
はんだ溶解工程により、図２（ａ）に示すように各開口部１２のはんだめっき層１３の高さがほぼ揃えられたら、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、金属層７ａの表面及び各はんだめっき層１３を露出した後、金属層７ａの不要部分をエッチングにより除去し、各はんだめっき層１３の下方に下地金属層７を形成する。この工程により、図２（ｂ）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設けられる。

（リフロー処理工程）
次に、はんだめっき層１３を加熱して溶融させる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２（ｃ）に示すようにボール状のまま固化してはんだバンプ３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３を形成したバンプ電極１０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１０は、全体としては下地金属層７の上にはんだバンプ３が球状に形成される。
前述したようにはんだ溶解工程において、高さの大きいはんだめっき層１３の一部を溶解し、各開口部１２のはんだめっき層１３の高さをほぼ揃えた状態としているので、リフロー処理工程において形成されるはんだバンプ３も高さが揃った状態となる。
したがって、このはんだバンプ３を有するバンプ電極１０は、はんだバンプ３の高さばらつきが小さいことから、高密度実装に有利である。

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、基板表面の下地金属層の上に、開口部の直径が１１０μｍ、厚みが８０μｍのレジスト層を形成した。このレジスト層の開口部は相互間隔をあけて多数形成し、各開口部に電解めっきによりはんだめっき層を形成した。この場合、その相互間隔を変えることにより、場所によってバンプ密度が異なるように形成し、バンプが密に形成される領域と、疎に形成される領域とを作製した。具体的には、一枚の基板にバンプ密度が２０％、５％、１％の領域を作製した。バンプ密度は、基板の単位面積あたりのバンプ形成面積の割合で定義した。

めっき液としては、以下の成分とした。（）内の数値はモル濃度を示す。浴温は３０℃に設定した。このめっき時の陰極電流密度は８Ａ／ｃｍ^２とした。
遊離酸；１００ｇ／Ｌ（１．０４）
Ｓｎ^２＋；８５ｇ／Ｌ（０．７２）
Ａｇ^＋；１．５ｇ／Ｌ（０．０１５）
錯化剤；２２０ｇ／Ｌ（０．２２）
添加剤；６０ｍｌ／Ｌ（０．０６）

この場合、はんだめっき層の目標高さを７０μｍとしたものと、７５μｍの目標高さとしたものの二種類作製した。
その結果、目標高さを７０μｍとしたものは、開口部の密度にかかわらず、すべてが開口部の上端にまで達しないストレートの柱状のはんだめっき層が形成された。目標高さを７５μｍとしたものは、バンプ密度が１％の領域において一カ所のみ、マッシュルーム状に形成されたはんだめっき層が確認されたが、他はストレートの柱状であった。

次に、前述のめっき液に浸漬した状態で、めっき時とは逆方向の電流を流すことにより、はんだめっき層の一部を溶解した。そのときの電流として、パルス間隔及び陽極電流密度を表１の通り変量し、パルス間隔を２秒、０．５秒、０．０５秒、陽極電流密度を５Ａ／ｃｍ^２、８Ａ／ｃｍ^２、１５Ａ／ｃｍ^２とした。溶解時間は、最も高さが大きいはんだめっき層で高さ１０μｍ溶解される時間とした。比較のため、この逆方向の電流によるはんだめっき層の溶解をしなかったものも作製した（比較例１、比較例２）。

得られた試料につき、窒素雰囲気下で２４０℃６０秒間のリフロー処理工程を経た後、密度の異なる三領域ごとに１０個ずつ、デジタルマイクロメータではんだバンプの高さを測定し、測定したはんだバンプの最大高さ、最小高さ、算術平均高さを求め、これらの値から次式により、高さ均一性を算出した。
高さ均一性（％）＝｛（最大高さ−最小高さ）／算術平均高さ｝×１００
その結果を表１及び表２に示す。表１は目標高さを７０μｍとした試料であり、表２は目標高さを７５μｍとした試料である。

これらの表に示されるように、パルス電流によってはんだめっき層の一部を溶解することにより、はんだバンプの高さばらつきが抑制されることがわかる。特に、発明例４〜１０では、高さ均一性の大幅な改善が認められた。
比較例１と発明例１，２を比較すると、はんだ溶解工程を取り入れることにより、高さばらつきが抑制されることがわかる。
また、発明例１，４，５の比較からわかるように、はんだ溶解工程での電流密度が、めっき工程での電流密度と同じか、これより大きいと、高さばらつきが顕著に改善した。これは、溶解時の電流密度がめっき時の電流密度と同じか、これより大きいと、極間距離が短く高さの大きいはんだめっき層に溶解電流が集中し、高さの大きいはんだめっき層が優先的に溶解したためと考えられる。
しかし、発明例２，３の比較より、パルス間隔が２ｓｅｃと長い場合では、はんだ溶解工程での電流密度が大きい場合においても、顕著な改善効果が見られなかった。これは、溶解時間が長いため、優先的に溶解する高さの大きいはんだめっき層だけでなく、高さの小さいはんだめっき層をも溶解してしまい、その結果、高さばらつきを改善する効果が小さくなるものと考えられる。
一方、パルス間隔が０．５ｓｅｃ以下、かつ、はんだ溶解工程での電流密度が、めっき工程での電流密度と同じか、これより大きい場合（発明例４〜１０）では、高さ均一性の大幅な改善が認められた。

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。
めっき工程において、高さの大きいはんだめっき層を必ずしもマッシュルーム状としなくてもよい。
はんだ溶解工程におけるパルス電流の形状は、実施形態の矩形パルス電流以外にも正弦波形電流とすることも可能である。
また、図３に示す溶解時の陽極電流密度Ｂの大きさは一定である必要はなく、段階的に変動するステップ形状であってもよい。

１…基板
２…電極パッド
３…はんだバンプ
５…シリコンウエハ
６…絶縁層
７…下地金属層
７ａ…金属層
１０…バンプ電極
１１…レジスト層
１２…開口部
１３…はんだめっき層

Claims (4)

1. 基板上に、複数の開口部を有するレジスト層を形成しておき、各開口部に、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、前記電解めっき時の電流とは逆方向に電流を流して前記各開口部のはんだめっき層のうち、厚さが大きいはんだめっき層の一部を溶解して薄くするはんだ溶解工程とを備えることを特徴とするはんだバンプ用めっき方法。
2. 前記逆方向の電流は矩形パルス電流又は正弦波形電流であることを特徴とする請求項１記載のはんだバンプ用めっき方法。
3. 前記厚さが大きいはんだめっき層は、前記レジスト層の厚さよりも大きい厚さに形成しておくことを特徴とする請求項１又は２記載のはんだバンプ用めっき方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載のはんだバンプ用めっき方法によって形成したはんだめっき層に対して、前記はんだ溶解工程後に前記レジスト層を除去してリフロー処理することにより前記基板上にはんだバンプを形成することを特徴とするバンプ電極の製造方法。
   
   
   
   
   
   

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