JP3947144B2 - 半導体素子又は配線基板へのバンプ形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、フリップチップ実装法にて回路基板を製造する際に、半導体素子又は配線基板上の電極にバンプを形成するための方法に関する。

近年の回路基板の実装技術として、フリップチップ実装法が知られている。この方法は、半導体素子（ＬＳＩチップ、ウエハー）の入出力端子、又は、半導体素子を搭載する配線基板の少なくともいずれか一方に、はんだ、金等からなるバンプ（突起電極）を形成し、端子と配線基板とが対向するように半導体素子をフェイスダウンして基板上に載置し、端子と電極とを一括接続する実装方法である。このフリップチップ法は、ワイヤボンディングを行うことなく半導体素子を配線基板に実装することができることから、比較的簡易な実装方法であると共に、半導体素子チップとほぼ同じサイズでのパッケージングを可能とし、回路基板の小型化、薄型化を測るのに有効な方法である。そのため、近年のマルチメディア時代を反映した電子機器の小型化のためのチップサイズに近い実装が可能な手法であるとされている。

ここで、従来のバンプの形成方法としては、所定のめっき液から金属を析出させるめっき法、真空中で金属を蒸発させて成膜する蒸着法、更に、ワイヤ、テープからバンプを順次形成するスタッドバンプ法等が知られている（これらの方法に関して本出願人は、下記特許文献１〜３記載の発明を開示している）。これらのうち、特にめっき法は、製造コスト、製造効率の面で優れておりもっとも一般的に利用されている方法である。
特開平５−１６０１３４号公報 特開平６− ５６０９号公報 特開平６−１０４２６４号公報

しかし、これらの方法には以下のような問題がある。即ち、めっき方法によるバンプ形成では、バンプの硬度にばらつきが生じるという問題がある。この硬度のばらつきが生じる原因としては、めっき工程中に基板上のレジスト、感光剤に由来有機物の混入や、濃度変化によりめっき液組成が液建浴直後から変化するため、バンプの組成にも微妙な変化が生じることによる。そして、バンプ硬度にばらつきがある場合、フリップチップ接合時において、均一な接合が困難となり接合不良が生じ装置の安定的駆動の障害となる。

一方、真空蒸着法、スタッドバンプにおいては、バンプの製造効率、製造コストにおいて問題がある。即ち、真空蒸着法においてはバンプ形成時に系内を真空にする必要があり、また、真空蒸着による成膜速度は比較的低く、十分な厚さのバンプを形成するためには効率的ではない。更に、真空蒸着は、装置コストも高価であり、バンプ製造コストも上昇する傾向がある。そして、スタッドバンプは、微細なパターンの形成に不向きであり、今後より進行する半導体素子の高密度化に対応できない。

本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、フリップチップ接合用のバンプ形成方法について、従来の方法とは異なる方法であって、低コストで効率的なパンプ形成が可能で、かつ微細なパターン形成にも対応できる方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意検討を行い、バンプ形成の新たな手法として溶射による方法を見出した。溶射とは、基材へ金属、セラミックス等の皮膜を形成させるコーティング技術の１つであり、金属、セラミックス等を溶融又は半溶融の液滴とし、これを高線速ガスで基材表面へ吹き付け、積層し被覆層を形成する方法である。

即ち、本発明は、半導体素子又は配線基板の少なくともいずれかにバンプを形成する方法であって、溶射により、バンプを構成する金属又は合金を形成するパンプより小径の溶融状態、半溶融状態、又は、固体状態の飛行粒子とし、前記飛行粒子を半導体素子又は配線基板に吹き付けて積層させるバンプ形成方法である。

ここで、飛行粒子をバンプ径よりも小径とするのは、飛行粒子の径が過大となるとバンプの微細化を図ることが困難であることに加え、飛行粒子が基板等に衝突する際のダメージを考慮するものである。つまり、飛行粒子の径が大きいと飛行粒子の運動量も大きくなるが、これにより半導体素子へのダメージの他、パターン形成のために予め塗布したレジストへのダメージが生じ、所望のパターンを有するバンプを形成することができなくなるからである。

飛行粒子の径の調整は、溶融前の金属源の調整により行う。通常、溶射の際に溶融する金属源は、金属線材や金属粉末が用いられるが、本発明においては、金属線材を用いて線材の径を調整することで、飛行粒子の径を調整する。詳細には、線材の直径を０．１〜１．５ｍｍとして溶射を行うのが好ましい。０．１ｍｍ未満の線材は取り扱い性に劣ることに加え、バンプの形成効率に乏しいからである。また、１．５ｍｍを超える線材を用いる場合、飛行粒子径が大きくなりすぎ、微細なパターンの形成が困難となるからである。そして、作業性を加味すると、この線径の特に好ましい値は、０．１〜１．４ｍｍである。

また、線材を加熱して溶融させ飛行粒子とする際の熱源としては、アーク式、ガスフレーム式、プラズマ式等があり、いずれを適用しても良い。但し、本発明においては、ガスフレーム式の熱源で飛行粒子を形成する溶射がより好ましい。プラズマ式の溶射では熱源が高温となるため、飛行粒子も高温となるために、バンプを形成する半導体素子、配線基板にダメージを与えることとなるからである。また、バンプに使用される金属（合金）は、金等比較的融点の低い金属であり、金属源の溶解にはさほど高温度とする必要がないからであり、プラズマ等あまりに高温の熱源を用いると飛行粒子形成の制御が困難となるからである。尚、ガスフレーム式溶射とは、アセチレンガスやプロピレンガス及び酸素を燃料とし、これらにより高温フレームを発生させ、高温フレーム中心部の熱により供給した金属源を溶融させ、これを高線速空気で飛行粒子として吹き付ける方法である。

また、本発明においては、飛行粒子径を小径とすることで微細なパターン形成及び基板の損傷の防止を図っているが、飛行粒子径が小さい場合、半導体素子又は回路基板と衝突する時に急冷され硬化し易くなる。更に、運動量が小さいと、飛行粒子は半導体素子又は回路基板と衝突時に変形し難くなる。そして、これらの現象から緻密なバンプが形成され難くなり、その表面平滑性が損なわれることがある。そこで、これら飛行粒子を小径とした際の弊害を軽減するために、バンプを形成する半導体素子又は配線基板を加熱しつつ飛行粒子を積層させるのが好ましい。これにより、飛行粒子の急冷を抑制しバンプの平滑性を確保することができる。この際の過熱温度は、室温以上とするのが好ましく、５０〜３００℃が好ましい。３００℃を超えると基板となる半導体素子等に悪影響を及ぼすおそれがあるからである。

尚、バンプのパターン形成のため、本発明では半導体素子又は配線基板上の電極以外の個所をマスクして溶射を行う。この際のマスク材料は、特に制限はない。ノボラック系等の樹脂や、エポキシ樹脂、ポリイミド等の耐熱性樹脂等の各種材料が適用できる。

本発明により形成可能なバンプの構成材料は特に限定されるものではなく、金、金合金等各種の電子材料からなるバンプを形成することができる。金合金としては、例えば、Ｐｄを０．１〜１．５重量％含有する金合金がある。尚、これらの材料については、不純物量が０．１重量％以下の金又は金合金の適用が好ましい。また、半導体素子又は配線基板の電極のバンプ形成面の材質についても特に限定はない。金の他、アルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウム−シリコン−銅合金、銅が最表面にあれば形状、付きまわり性の良好なバンプが形成できる。

本発明によれば、飛行粒子の金属源である線材を細くすることで、微小な飛行粒子を生成し、均質なバンプを積層させることができる。従って、本発明により製造されるバンプは均一な品質であり、バンプ形成初期から終了まで不純物を含有することなく均一な硬度を有する。また、溶射による成膜速度は、真空蒸着法、めっき法よりも高く、効率的なバンプ形成が可能となる。更に、本発明のように、飛行粒子径を制御しつつ溶射を行うことで配線パターンの微細化にも対応ができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。

シリコンウェハー（寸法：直径１５０ｍｍ）の表面にスパッタ法でＴｉＷ薄膜及びＡｕ薄膜からなる多層膜を形成した。この際の膜厚は、ＴｉＷ薄膜３０００Å、Ａｕ薄膜１０００Åとした。多層膜形成後、ノボラック系樹脂にて図１のようなパターンを形成した。このとき、樹脂の厚さは２０μｍとし、バンプを形成する開口部の幅を４０μｍとした。そして、パターン形成後、溶射によりバンプを形成した。溶射によるバンプ形成は、ガスフレーム式の溶射装置を用い、直径１．３ｍｍの金線を用い溶射ガンをスキャンさせながら行った。条件は以下の通りである。また、ここではウェハーを溶射工程時に加熱した場合と加熱しない場合の２種類のバンプを形成し、加熱の有無による相違を検討した。ウェハー加熱をする場合の加熱温度は５０℃とした。

燃焼ガス流量比 プロピレン：酸素＝１：５
空気流量 ５００Ｌ／分
溶射ガン移動速度 ８００ｍｍ／秒
溶射ガン送りステップ １ｍｍ

図２は、溶射後のウェハー表面の状態を示す写真である。ウェハー表面の外観はウエハーの加熱の有無によらず同様であり、開口パターンに沿って金が積層していた。そして、溶射後のウェハーをアセトンに浸漬し樹脂を溶解除去することで金バンプとした。図３及び４は、本実施形態で形成した金バンプを側面から観察したときの写真である。図３は、ウェハー加熱を行うことなく形成したバンプであるが、表面に若干の凹凸が見られる。一方、図４はウェハー加熱を行いつつ形成したバンプの側面である。図４から分かるように、ウェハーを加熱しつつ形成しバンプは表面が滑らかである。但し、バンプの形状は、ウェハー加熱の有無によらず安定している。即ち、バンプ形成時のウエハー表面の温度は樹脂の軟化点（１５０℃）を超えていないことが分かる。

本実施形態使用したウェハーの外観を示す図。 溶射後のウェハーの表面の写真。 本実施形態で形成したバンプの側面の写真（ウェハー加熱なし）。 本実施形態で形成したバンプの側面の写真（ウェハー加熱５０℃）。

Claims (7)

1. 半導体素子又は配線基板の電極上へ、溶射によりバンプを形成する方法であって、
   バンプを構成する金属又は合金からなり、直径０．１〜１．５ｍｍの線材を加熱して、バンプを構成する金属又は合金を、形成するパンプより小径の溶融状態、半溶融状態、又は、固体状態の飛行粒子とし、前記飛行粒子を半導体素子又は配線基板に吹き付けて積層させるバンプ形成方法。
2. ガスフレーム式溶射により飛行粒子を形成する請求項１記載のバンプ形成方法。
3. バンプを形成する半導体素子又は配線基板を５０〜３００℃に加熱しつつ飛行粒子を積層させる請求項１又は請求項２に記載のバンプ形成方法。
4. バンプを構成する金属は、不純物量が０．１重量％以下の金である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
5. バンプを構成する金属は、Ｐｄを０．１〜１．５重量％含有し、不純物量が０．１重量％以下の金である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
6. 半導体素子又は配線基板の電極の最表面が金からなる請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のバンプ形成方法。
7. 半導体素子又は配線基板の電極の最表面がアルミニウム、アルミニウム−シリコン合金、アルミニウム−シリコン−銅合金、銅のいずれからなる請求項１〜請求項５いずれか１項に記載のバンプ形成方法。
   

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