JP2016146392A - バンプ電極の製造方法 - 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】基板上の下地金属層表面にはんだめっき層を形成するめっき工程と、めっき工程後に前記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し、リフロー処理工程は、はんだめっき層の上部を冷却した状態で下地金属層に接している下部を加熱することにより下部を先に溶融し、次いで、下部から上部にかけて順次溶融する。【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。

従来、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、コンベアで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、基板上の下地金属層表面に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し、前記リフロー処理工程は、前記はんだめっき層の上部を冷却した状態で前記下地金属層に接している下部を加熱することにより該下部を先に溶融し、次いで、前記下部から前記上部にかけて順次溶融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いことを見出した。

本発明では、リフロー処理工程時にはんだめっき層の上部を冷却した状態で下地金属層と接しているはんだめっき層の下部を先に溶融し、下部から上部にかけて順次溶融することとしたので、はんだめっき層の固相と液相との界面（以下、固液界面という）が下部から上部に移動することになる。このため、下地金属層との界面付近が最初に溶融して界面付近にガスが発生したとしても、はんだめっき層の固液界面の上昇に伴って界面付近から引き離され、はんだ溶融中に上昇し、溶融はんだの表面から外に放出され、下地金属層との界面付近にボイドとして残存することが防止される。

本発明のバンプ電極の製造方法において、前記リフロー処理工程時に加熱源を前記はんだめっき層の下部に徐々に接近させるようにしてもよい。
また、加熱源を前記はんだめっき層の下部に間欠的に接近させてもよい。
いずれの場合も、はんだめっき層の上部に比べて下部を効率的に加熱して溶融することができる。

本発明によれば、リフロー処理工程時にはんだめっき層の下部が先に溶融してから上部が溶融するので、下地金属層との界面付近でガスが発生したとしてもはんだめっき層の固液界面の上昇により下地金属層との界面から引き離され、はんだ溶融中から外に放出される。したがって、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。 はんだめっき層の溶融状態と気泡の挙動を模式的に示した拡大断面図である。 本発明の方法を実施するためのリフロー処理装置の概略平面図である。 図４のリフロー処理装置の各チャンバにおける処理形態を示す模式図である。

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、図示例では、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。下地金属層７の形状は皿状に限定されず、フラットの板状等でもよい。
また、はんだバンプ８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。

（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。
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３０℃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。

（レジスト層除去及びエッチング工程）
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、金属層７ａの表面及びはんだめっき層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、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（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。
図４及び図５はリフロー処理装置を示している。このリフロー処理装置２１は、複数のチャンバ２２が円周上に所定の間隔で並んで設けられているとともに、その中心部に、各チャンバ２２に順次基板１を移送する移送機２３が設けられている。この移送機２３には、水平方向に沿う複数のアーム２４が放射状に設けられ、各アーム２３の先端に基板１を載置する支持枠２５が設けられている。これら支持枠２５は、基板１の周縁部のみを支持し、その中央の大部分を上下方向に露出した状態で基板１を載置することができる。各チャンバ２２に、両側壁から移送機２３側に向けられた内壁に亘ってスロット状の開口部２７が形成されており、移送機２３のアーム２４端の支持枠２５及び支持枠２５上に保持した基板１を図４の矢印で示す円周方向（図５では水平方向）に通過させることができるようになっている。

また、周方向に並んでいるチャンバ２２の列の一部に、チャンバのない空間が設けられており、その空間が基板１の搬入及び搬出部２８とされている。そして、この搬入及び搬出部２８から円周方向に順に、予備加熱ゾーンＺ１、冷却ゾーンＺ２、本加熱ゾーンＺ３、冷却固化ゾーンＺ４とされる。図５には、左から順に予備加熱ゾーンＺ１、冷却ゾーンＺ２、本加熱ゾーンＺ３、冷却固化ゾーンＺ４を示す。

予備加熱ゾーンＺ１では、チャンバ２２内の基板通過位置（開口部１２の高さ位置）より下方にホットプレート等のヒータ３１が設けられている。冷却ゾーンＺ２では、チャンバ２２内の基板通過位置より上方に冷却板３２が上下移動可能に設けられている。本加熱ゾーンＺ３では、基板通過位置より下方にホットプレート等のヒータ３３が上下移動可能に設けられるとともに、基板通過位置より上方に冷却板３４が上下移動可能に設けられている。冷却固化ゾーンＺ４では、窒素ガス等の冷却ガスがチャンバ２２内の基板通過位置に吹き付けられる。また、各チャンバ２２内は窒素雰囲気あるいは低酸素雰囲気または還元雰囲気とされる。

そして、搬入及び搬出部２８から搬入した基板１を移送機２３の各アーム２４先端の支持枠２５に載置し、移送機２３が周方向に間欠的に旋回しながら、各ゾーンＺ１〜Ｚ４のチャンバ２２に基板１を移送しながらリフロー処理する。
まず、予備加熱ゾーンＺ１では、基板１の下面にヒータ３１が接近し、はんだの融点以下の温度（例えば１５０℃〜１７０℃）に加熱して、はんだめっき層１３表面の酸化物を還元除去する。
次の冷却ゾーンＺ２では、予備加熱ゾーンＺ１ではんだめっき層１３が加熱されているので、一旦、冷却する。この場合、はんだめっき層１３の上面に冷却板３２を接近させることにより、特にはんだめっき層１３の上部を冷却する。この冷却ゾーンＺ２を設けたのは、予備加熱ゾーンＺ１ではんだめっき層１３が融点以下の温度まで加熱されているので、そのまま本加熱ゾーンＺ３にて加熱すると、はんだめっき層１３の全体が溶融してしまうためである。

本加熱ゾーンＺ３では、はんだめっき層１３の上面に冷却板３４を接近させてはんだめっき層１３の上部を冷却した状態とし、基板１の下面にヒータ３３を接近させることにより、はんだめっき層１３の下部をはんだの融点（例えば１８３℃）以上に加熱する。これにより、まず、はんだめっき層１３の下部が先に溶融する。その後、下部から順次上部にかけて溶融していく。
この溶融状態を図３に模式化して示したように、破線で示す固液界面Ｓが白抜き破線矢印で示すように上部に向けて上昇することにより、下地金属層７との界面付近に気泡ｇが発生した場合でも、その固液界面Ｓの上昇に伴って下地金属層７との界面から実線矢印で示すように引き離され、はんだ溶融中から外部へ放出される。はんだめっき層１３の上部を溶融させる際には冷却板３４は退避させる。先にはんだめっき層１３の下部が溶融しているので、この下部が溶融した段階で冷却板３４を退避させてもよい。
また、この本加熱ゾーンＺ３では、ヒータ３３を基板１の下面に接近させた状態としたが、ヒータ３３を徐々に基板１の下面に接近させてもよい。あるいは、基板１の下面へのヒータ３３の接近、離間を繰り返すことにより、ヒータ３３を基板１の下面に間欠的に接近させるようにしてもよい。

そして、このようにして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るまで加熱（例えば２３０℃〜２５０℃に加熱）を続けた後、冷却固化ゾーンＺ４に移行する。冷却固化ゾーンＺ４では、冷却ガスによって全体が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。

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。
前述したようにリフロー処理工程においてはんだめっき層１３の下部から先に溶融して、下地金属層７の界面付近での気泡の残存が抑制されているので、ボイドの発生のないはんだバンプ８が形成され、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。

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のはんだめっき層を形成した。
めっき液としては、以下の成分とした。浴温は３０℃に設定した。
遊離酸；１００ｇ／Ｌ
Ｓｎ^２＋；８５ｇ／Ｌ
Ａｇ^＋；１．５ｇ／Ｌ
錯化剤；２２０ｇ／Ｌ
添加剤；６０ｍｌ／Ｌ

また、リフロー処理工程は予備加熱を１６０℃で６０秒とし、その後の冷却は、２０℃の冷却板をはんだめっき層の上面に３０秒間接触させた。本加熱では、２０℃の冷却板をはんだめっき層の上面に接触させた状態で基板の下面に３００℃のホットプレートを接触させ、３０秒後に冷却板を退避させた後、さらに６０秒間加熱した。次いで、窒素ガスを吹き付けて全体を冷却し、はんだバンプを固化させた。以上の雰囲気は窒素雰囲気とした。
比較のために、窒素雰囲気下で２４０℃６０秒間全体を加熱する従来法によるリフロー処理を施したはんだバンプも作製した。

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、はんだめっき層の下部から上部にかけて溶融することにより、ボイド発生の低減に効果があることがわかる。
このように、リフロー処理において、はんだめっき層の下部から上部に溶融することにより、ボイド発生を低減することができる。

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 レジスト層
１２ 開口部
１３ はんだめっき層
２１ リフロー処理装置
２２ チャンバ
２３ 移送機
２４ アーム
２５ 支持枠
２７ 開口部
２８ 搬入及び搬出部
３１ ヒータ
３２ 冷却板
３３ ヒータ
３４ 冷却板
Ｚ１ 予備加熱ゾーン
Ｚ２ 冷却ゾーン
Ｚ３ 本加熱ゾーン
Ｚ４ 冷却固化ゾーン
Ｓ 固液界面
ｇ 気泡

Claims (3)

1. 基板上の下地金属層表面に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し、前記リフロー処理工程は、前記はんだめっき層の上部を冷却した状態で前記下地金属層に接している下部を加熱することにより該下部を先に溶融し、次いで、前記下部から前記上部にかけて順次溶融することを特徴とするバンプ電極の製造方法。
2. 前記リフロー処理工程時に加熱源を前記はんだめっき層の下部に徐々に接近させ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. 前記リフロー処理工程時に加熱源を前記はんだめっき層の下部に間欠的に接近させ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。
   
   
   
   
   
   

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