JP4140140B2 - 金属バンプの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属バンプの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光やミリ波領域での低損失な接続方法として、バンプを用いたフリップチップボンディングがある。バンプの種類には、めっきバンプとスタッドバンプの2種類が主流である。このうち、より高い位置精度が求められる場合、半導体フォトプロセスが適用できる、めっきバンプが有効である。めっきバンプの形成に電解めっき法を用いる場合、めっきバンプは、下地のパッド電極上に形成される。バンプの形状は円柱状で、大きさが直径30〜60μmで、高さが10〜40μmと微小かつ両者の接触面積が小さいため、パッド電極とめっきバンプ界面の密着性に問題がある。
【0003】
また、ミリ波領域のデバイスに有望なInP系デバイスは、350℃以上の熱工程により、簡単にキャリア濃度劣化することが知られており、熱工程についての考慮も必要となる。
【0004】
これに対し、従来技術として特開平10−32224号公報等がある。これは、図13に示すように、微小面積の接続部にはんだを用い、かつ、樹脂50で被覆している。つまり、はんだにより接続を取るが、電極51とバンプ52の接触面積が小さく密着性に問題があるため、接続部を樹脂50で被覆して、密着性を向上させている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平10−32224号公報等の方法では、密着性の問題は解決できるものの、はんだとバンプの位置精度に問題がある。つまり、樹脂を用いるため、はんだリフロー時、セルフアラインによる位置精度向上が期待できない。よって、位置精度はチップマウント装置の能力に依存することとなり、高額なチップマウンタを用いることは、密着性向上のために位置精度向上および低コスト化を犠牲にすることを意味する。
【0006】
そこで、この発明の目的は、位置精度向上かつ低コストを維持しながら、接続部が微小面積であっても、パッド電極とめっきバンプの密着性を向上させることができる金属バンプの構造および製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1〜3に記載の金属バンプの製造方法によれば、パッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプが形成され、その後、合金界面形成用金属に対しアロイングが施され、その界面が合金化される。この金属バンプを有する半導体チップが基板上においてはんだリフローを伴うフリップチップボンディングに供される。このように、めっきバンプ形成には半導体フォトプロセスが適用でき、また、はんだリフロー時のセルフアライメント効果により、位置精度向上かつ低コストを維持しながら、接続部が微小面積であっても、パッド電極とめっきバンプの密着性を向上させることができることとなる。
【0009】
ここで、請求項1に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Ge12%合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
【0010】
また、請求項2に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Sn20%合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
【0011】
また、請求項3に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のSnを主成分とする合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
【0012】
請求項4〜6に記載の金属バンプの製造方法によれば、少なくとも一方の半導体チップのパッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプが形成され、その後、合金界面形成用金属に対しアロイングが施され、その界面が合金化される。この金属バンプを有する半導体チップがはんだリフローを伴うフリップチップボンディングに供される。このように、めっきバンプ形成には半導体フォトプロセスが適用でき、また、はんだリフロー時のセルフアライメント効果により、位置精度向上かつ低コストを維持しながら、接続部が微小面積であっても、パッド電極とめっきバンプの密着性を向上させることができるようになる。
【0013】
ここで、請求項4に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Ge12%合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
【0014】
また、請求項5に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Sn20%合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
【0015】
また、請求項6に記載の金属バンプの製造方法ように、前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のSnを主成分とする合金を用いることにより、熱による劣化を抑えられる。
また、請求項7に記載のごとく、InP系化合物半導体を半導体チップとして用いた場合には熱にて劣化しやすいので、請求項1〜6に記載の金属バンプの製造方法の採用は好適である。
【0018】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、この発明を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。
【0019】
図1には、高周波ハイブリッド回路(モジュール)の断面図を示す。また、図2には、図1での左側面図(図1のA矢視図)を示す。
図1,2において、シリコン基板1の上面にはV溝2が直線状に延設されている。このシリコン基板1のV溝2の内部には光ファイバー3が固定支持されている。また、シリコン基板1の上面には半導体チップ4がフリップチップボンディングされている。
【0020】
つまり、図3に示すように、信号線(導体パターン)5が形成されているシリコン基板1の上に、半導体チップ4がフリップチップボンディングされている。ここで、半導体チップ4における信号線(導体パターン)の一部がパッド電極(引出し電極)6となっており、そのパッド電極6にはめっきバンプ7が形成され、このめっきバンプ7がシリコン基板1の信号線5と半田付けされている。パッド電極6には金(Au)を用いている。
【0021】
なお、これ以外にも、図4,5に示すように、信号線が形成されている半導体チップ10,11同士をフリップチップボンディングする場合であって、図4のように一方の半導体チップ11にめっきバンプ12が形成されている場合、あるいは、図5のように両方の半導体チップ10,11にめっきバンプ12,13が形成されている場合にも適用できる。
【0022】
図1,2において、半導体チップ4には光応答型デバイスが形成されている。詳しくは、半導体チップ4にはInP基板(InP系化合物半導体)が用いられており、そのInP基板の上にはInGaAs/InAlAsがエピタキシャル成長法にて積層されている。InGaAs/InAlAs積層体にてHEMT等が構成され、この積層体においてその一部がInGaAs光吸収層4aとなるとともにInAlAsドープキャリア供給層4bとなっている。InGaAs光吸収層4aに対し光ファイバー3からの光が照射され、InAlAsドープキャリア供給層4bを用いて電気信号に変換される。この半導体チップ4のInAlAsドープキャリア供給層4bは、熱により簡単にキャリア濃度が劣化するので、モジュール製造の際に350℃以下にする必要がある。
【0023】
ここで、図8に示すように、この半導体チップ、つまり、Auパッド電極21の上に、めっきによる金属バンプ(Auめっきバンプ)25が形成された半導体チップにおいて、Auパッド電極21とAuめっきバンプ25との界面26a,26bが低融点金属24により合金化されている。つまり、金属24は、その融点がAuパッド電極21やAuめっきバンプ25の融点1064℃よりも低いものを用いており、例えば、Au−Ge12%合金、Au−Sn20%合金、Snを主成分とする合金(Sn系合金)を例示することができる。Au−Sn系合金の場合、融点は280℃程度である。
【0024】
次に、金属バンプの製造方法を説明する。
まず、図6(a)に示すように、半導体チップ20の上にAuパッド電極21を形成する。そして、図6(b)に示すように、Auパッド電極21の上に電解用配線材(バイアス電極)22を形成する。電解用配線材(バイアス電極)22は、Ti/Auを真空蒸着により形成し、電解めっき時の引出電極として用いるものである。
【0025】
さらに、図6(c)に示すように、レジスト23を塗布し、半導体フォト工程により、図6(d)に示すように、パターニングを行い、現像する。これにより、直径40μmのめっきバンプ形成領域Z1が開口する。
【0026】
この後、図7(a)に示すように、合金界面形成用金属24を真空蒸着により形成する。これにより、めっきバンプ形成領域Z1における電解用配線材22の上に合金界面形成用金属24が配置される。この合金界面形成用金属24として、融点が350℃以下の低融点金属を用いる。具体的には、Au−Ge12%合金、Au−Sn20%合金、Snを主成分とする合金(Sn系合金)のいずれかを用いる。
【0027】
この後、図7(b)に示すように、電解めっき工程により、めっきバンプ形成領域Z1における合金界面形成用金属24の上に、高さ20μmのAuめっきバンプ25を形成する。
【0028】
そして、レジスト除去工程により、レジスト23と該レジスト23上の合金界面形成用金属24を除去する。その結果、図7(c)に示すようになる。
さらに、図8に示すように、合金界面形成用金属24に対しアロイングを施し、その界面26a,26bを合金化する。このアロイングにより、下地パッド電極21(22)とAuめっきバンプ25の強度が向上し、信頼性が向上する。アロイングに関して、より詳しくは、雰囲気は、N2 雰囲気、Ar雰囲気、H2 雰囲気のいずれかを用いる。また、アロイング温度は、Au−Ge12%合金の場合、350℃であり、Au−Sn20%合金の場合、280℃であり、Sn系合金の場合、合金の添加物により異なるが、200℃以下の温度である。
【0029】
以上の工程により形成したAuめっきバンプ25を用いて、即ち、同半導体チップを図3,4,5のように、はんだリフローを伴うフリップチップボンディングにて実装する。
【0030】
このとき、図8のようになっており、図9に示す従来方式(合金界面が無いもの)に比べ密着性(強度)を向上させることができるので、直径40μm、高さ20μmと突起が大きくても、強度、信頼性を向上させたバンプを用いたフリップチップボンディングを行うことができる。また、InP基板を半導体チップとして用いた場合には熱にて劣化しやすいが(詳しくは、InAlAsドープキャリア供給層4bが熱によりキャリア濃度劣化しやすいが)、合金界面形成用金属24は融点が350℃以下の低融点金属であり、アロイング温度も低く劣化が抑えられる。
【0031】
以上のように、図3のようなチップ・基板間、図4,5のようなチップ・チップ間のフリップチップボンディングにおいて、図6,7に示すように、Auパッド電極21上のめっきバンプを形成する位置に、融点が350℃以下の合金界面形成用金属24を真空蒸着(もしくはスパッタ)により形成し、次に、電解めっき法にて、合金界面形成用金属24上にAuめっきバンプ25を形成し、このバンプ形成後に、合金界面形成用金属24に適する条件(温度、時間)にてアロイングを行うようにした。よって、Auめっきバンプ25の直下に合金界面形成用金属24を挿入してアロイングによる合金化を行うため、Auめっきバンプ25とAuパッド電極21の間の密着性を向上させることができる。その結果、Auパッド電極21とAuめっきバンプ25の界面の信頼性を高めることができる。また、電解めっきが半導体フォトプロセスにて行われ、高い位置精度かつ低コストを維持できる。さらに、この構造を有する半導体チップがはんだリフローを伴うフリップチップボンディングに供されるが、このとき、セルフアライメント効果により高い位置精度を確保することができる。このように、めっきバンプ形成には半導体フォトプロセスが適用でき、また、はんだリフロー時のセルフアライメント効果により、高額なチップマウンタは不要となり、位置精度向上かつ低コストを維持しながら、接続部が微小面積であっても、Auパッド電極21とAuめっきバンプ25の密着性を向上させることができる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態を、第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【0032】
本実施の形態における金属バンプの製造方法を、図10,11,12を用いて説明する。
本実施形態は、第1の実施の形態で示した、パッド電極21上において不要な電解用配線材(バイアス電極)22が除去されずに残ることが許されない場合に、有効なものである。
【0033】
まず、図10(a)に示すように、半導体チップ20上に、Auパッド電極21を形成する。
そして、図10(b)に示すように、下地用レジスト(下層レジスト)30を塗布し、パターニングおよび現像により、図10(c)に示すように、直径40μmのめっきバンプ形成領域Z1を開口する。さらに、図10(d)に示すように、下地用レジスト30をポストベーク(レジストのガラス転移点Tgよりも若干低く加熱)する。これにより、めっきバンプ形成領域Z1の周囲の下地用レジスト30がテーパ状になる。
【0034】
その後、図10(e)に示すように、Auパッド電極21の上のめっきバンプ形成領域Z1の周囲に下地用レジスト30を配置した状態で、その上に電解用配線材(バイアス電極)22を真空蒸着により堆積する。電解用配線材(バイアス電極)22は、Ti/Auよりなり、めっきバンプ形成領域Z1でのみAuパッド電極21に接触している。次に、上層レジスト23を塗布する。
【0035】
そして、図11(a)に示すように、半導体フォト工程により、パターニングを行い、現像する。これにより、直径40μmのめっきバンプ形成領域Z1が開口する。
【0036】
この後、図11(b)に示すように、合金界面形成用金属24を真空蒸着により形成する。この合金界面形成用金属24は、Au−Ge12%合金、Au−Sn20%合金、Snを主成分とする合金(Sn系合金)のいずれかを用いる。この工程により、めっきバンプ形成領域Z1での電解用配線材22の上に合金界面形成用金属24が配置される。
【0037】
そして、図11(c)に示すように、電解めっき工程により、めっきバンプ形成領域Z1での電解用配線材22の上に、合金界面形成用金属24を介して、高さ20μmのAuめっきバンプ25を形成する。
【0038】
この後、レジスト除去工程により、上層レジスト23と該レジスト23上の金属24を除去する。これにより、図12(a)に示すようになる。
続いて、図12(b)に示すように、Auめっきバンプ25の下の部分以外の電解用配線材22をエッチングにより除去し、さらに、図11(c)に示すように、下地用レジスト30をレジスト除去工程により除去する。このようにして、めっきバンプ形成領域Z1の周囲の下地用レジスト30及びその上の電解用配線材22を除去する。これにより、Auパッド電極21上において不要となった電解用配線材(バイアス電極)22が除去される。
【0039】
次に、図8のごとく、合金界面形成用金属24に対しアロイングを施し、その界面26a,26bを合金化する。これにより、下地パッド電極21とAuめっきバンプ25の強度が向上し、信頼性を向上させることができる。アロイングの雰囲気は、N2 雰囲気、Ar雰囲気、H2 雰囲気のいずれかを用いる。アロイング温度は、Au−Ge12%合金の場合、350℃であり、Au−Sn20%合金の場合、280℃であり、Sn系合金の場合、合金の添加物により異なるが、200℃以下の温度である。
【0040】
以上の工程により形成したAuめっきバンプ25を用いて、図3,4,5に示すように、はんだリフローを伴うフリップチップボンディングにて半導体チップが実装される。
【0041】
このように、本実施形態においては、めっきバンプ形成領域Z1以外に電解用配線材22を残してはいけない場合において有効な手法である。
なお、これまでの説明においては半導体チップとしてInP基板を用いたもので説明してきたが、それ以外にも、シリコン基板やGaAs基板等を挙げることができる。シリコン基板による半導体チップには表面部にICが形成されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態における高周波ハイブリッド回路(モジュール)の断面図。
【図2】 図1のA矢視図。
【図3】 フリップチップ実装を説明するための図。
【図4】 フリップチップ実装を説明するための図。
【図5】 フリップチップ実装を説明するための図。
【図6】 第1の実施の形態における金属バンプの製造工程を示す図。
【図7】 第1の実施の形態における金属バンプの製造工程を示す図。
【図8】 金属バンプの構造を示す図。
【図9】 比較のための金属バンプの構造を示す図。
【図10】 第2の実施の形態における金属バンプの製造工程を示す図。
【図11】 第2の実施の形態における金属バンプの製造工程を示す図。
【図12】 第2の実施の形態における金属バンプの製造工程を示す図。
【図13】 従来技術を説明するためのバンプ構造を示す図。
【符号の説明】
4…半導体チップ、10…半導体チップ、11…半導体チップ、20…半導体チップ、21…Auパッド電極、22…電解用配線材、24…合金界面形成用金属、25…Auめっきバンプ、26a,26b…界面、30…下地用レジスト、Z1…めっきバンプ形成領域。
Claims (7)
- 信号線が形成されている基板の上に半導体チップをフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
パッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Ge12%合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 信号線が形成されている基板の上に半導体チップをフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
パッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Sn20%合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 信号線が形成されている基板の上に半導体チップをフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
パッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のSnを主成分とする合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 信号線が形成されている半導体チップ同士をフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
少なくとも一方の半導体チップのパッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Ge12%合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 信号線が形成されている半導体チップ同士をフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
少なくとも一方の半導体チップのパッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のAu−Sn20%合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 信号線が形成されている半導体チップ同士をフリップチップボンディングする際の金属バンプの製造方法であって、
少なくとも一方の半導体チップのパッド電極の上に、合金界面形成用金属を介してめっきバンプを形成する工程と、
前記合金界面形成用金属に対しアロイングを施し、その界面を合金化する工程とを備え、
前記合金界面形成用金属として、融点が350℃以下のSnを主成分とする合金を用いたことを特徴とする金属バンプの製造方法。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の金属バンプの製造方法において、
InP系化合物半導体を前記半導体チップとして用いていることを特徴とする金属バンプの製造方法。
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