JP4255847B2 - 金属ペーストを用いた半導体ウェハーへのバンプの形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、金属ペーストおよび当該金属ペーストを用いた半導体ウェハーへのバンプの形成方法に関する。
チップオンボード（ＣＯＢ）やチップオングラス（ＣＯＧ）など、配線回路基板に半導体チップを直付けする基板の製造方法では、電極用のバンプが形成された半導体チップが用いられる。そして、半導体ウェハー（半導体チップ）の電極パッド上にバンプを形成する方法としては、これまで、めっき法を用いるバンプ形成方法が一般的であった。当該バンプ形成方法とは、概略的には、電極パッド表面に下地金属を蒸着した後、半導体ウェハー表面全体をレジストで被覆して当該レジストの電極パッドの位置に貫通穴を形成し、貫通穴内の下地金属上にバンプとなる金属を所定厚さめっきし、その後、レジストおよび下地金属の不要部分をエッチング除去するという方法である。
ところが、めっき法を用いてバンプを形成すると、めっき処理中にレジスト成分がめっき液中に溶出し、溶出したレジスト成分がバンプ中に入るという「レジスト成分の巻き込み」が発生し、結果として十分な硬度を有していないバンプが形成されることがある。また、めっき法を用いるバンプ形成方法では、めっき処理前に行われる下地金属の蒸着工程や、バンプ形成後に行われる下地金属のエッチング除去工程などの煩雑な工程が必要であり、バンプの形成に手間がかかる。そして、めっき法では、最終的には殆どが除去されることになる下地金属を用いる必要があり、その分、コストがかかってしまう。
そこで、本発明の発明者らは、めっき法を用いる替わりに、電子回路基板製造の分野において配線パターン等を形成する際に広く用いられている金属ペースト（例えば、特許文献１参照）を充填する方法を用いることについて検討した。ここでの検討に用いた金属ペーストは、銀粉と、当該銀粉１００重量部に対してガラスフリット（ホウケイ酸鉛ガラス）を１．０重量部混合したものを有機溶剤に含有させてなる金属ペーストであった。
特開平１１−２１４８２９号公報
このような金属ペーストをレジストに設けた貫通穴内にスピンコート法を用いて充填し、有機溶剤を乾燥させてレジストを除去し、半導体ウェハー表面上に残された金属粉からなる凸状物を焼結させて半導体ウェハーにバンプを形成した。ところが、このような金属ペーストを用いても、必要な硬度を有していないバンプが形成されることがあった。
このような問題点に鑑み、本発明は、硬度のばらつきが少なく且つ必要な硬度を有する範囲でできるだけ軟らかいバンプを形成できる金属ペーストを提供すること、そして当該金属ペーストを用いて上記軟らかのバンプを簡単に半導体ウェハーに形成できるバンプ形成方法を提供することを課題とする。
本発明の発明者らは、上記課題を解決するために、貫通穴に充填する金属ペーストについて検討することとした。先に説明したテストで用いたものは、ガラスフリットおよび導電性向上に寄与する金粉を含有する有機溶剤であった。そこで、ガラスフリットの好適な含有率について検討した。その結果、当初必須の成分と考えていたガラスフリットは硬度を上昇させる成分であり、ガラスフリットを含有していない金属ペーストを用いて形成したバンプの方が適当な軟らかさの硬度である点で優れていることが解った。また、硬度のばらつきが小さい点においても、ガラスフリットを含有させない方が優れていた。つまり、バンプ形成に用いる金属ペーストとしては、配線パターン形成で用いられている従来のものと異なり、ガラスフリットを含有しない金属ペーストが好ましいことを見出し、本発明に想到するに至った。
本発明は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである金（Ａｕ）粉、銀（Ａｇ）粉またはパラジウム（Ｐｄ）粉から選択される一種以上の金属粉と、有機溶剤と、からなる金属ペーストである。このように金属粉と有機溶剤のみからなりガラスフリットを含有していない金属ペーストを用いると、先に説明したように、半導体ウェハー上にバンプを形成する際に適当な軟らかさの硬度を有するバンプを形成できる。金属粉は純度が９９．９％以上のものが好ましいが、これは純度が９９．９重量％未満であると必要な通電性を確保できないおそれがあるからである。そして、金属粉の平均粒径は０．００５μｍ〜１．０μｍが好ましい。金属ペーストの充填工程において、当該有機溶剤が充填される貫通穴の直径（あるいは開口幅）は２０μｍ程度であるところ、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、貫通穴に充填したときに大きな隙間が生じ、最終的に必要な通電性を確保できない。他方、０．００５μｍ未満の粒径では、金属ペースト中で凝集しやすく、また粉末の表面積増大に伴い所定粘度にするためには多くの溶剤を加える必要があり、結果的に金粉含有率が高くならないという不具合が生ずることがあり、必ずしも好ましくない。なお、金属ペーストの粘度は、用いる充填方法に応じて適宜定めることができる。
そして、金属ペーストで用いる有機溶剤としては、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトールが好ましい。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３）、を挙げることができる。本溶剤は、５０℃以下ではレジスト（ノボラック系樹脂）を溶解させず、且つ５０℃未満でも揮発するものであり、本発明に係る金属ペースト用として好適である。
次に、ここまで説明した本発明に係る金属ペーストを用いて形成したバンプの硬度について詳細に検討した。その結果、バンプとしての軟らかさ（硬度）は十分であるが、硬度にばらつきがあることが解った。そして、この硬度のばらつきは、金属ペーストを充填したときに生じた金属粉の偏りに起因すると考えられることが解った。そこで、バンプ充填時の金属の偏りを防止する観点で金属粉以外の成分を検討した。その結果、金属ペーストとしては、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有しているものが好ましいことが解った。例えば、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。
このような樹脂等を有機溶剤に加えると金属ペーストを貫通穴に充填したとき金属粉の凝集が防止され、金属ペースト全体がより均質になるからである。貫通穴に充填される金属ペーストが均質であればあるほど金属粉の偏りの発生が防止され、バンプ全体の硬度等の品質がより均質になり、結果として、硬い部分がない軟らかいバンプを形成できる。ただし、含有量が多量になるとバンプを構成する金属粉の含有率が相対的に低下することとなり、結果として焼結し難くなってバンプの硬度等の品質が低下する。したがって、硬度が軟らかく、しかも硬度がより安定したバンプを形成する目的では、含有率は合計で５．０重量％以下が好ましく、２．０重量％以下がより好ましい。また、上記樹脂等を含有させれば、その含有率に応じた凝集防止効果が得られるが、安定した凝集防止効果を得るためには、含有率は０．１０重量％以上がより好ましい。そして、先に説明したように、ガラスフリットを含まない金属ペーストが好ましい。すなわち、有機溶剤と、金属粉と、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上のものとのみからなる金属ペーストが好ましい。
ここまで説明した本発明に係る金属ペーストを用いて半導体ウェハー上にバンプを形成する場合、次のようなバンプ形成方法が好ましい。すなわち、 電極パッドが設けられた半導体ウェハーの表面をレジストで被覆する被覆工程と、当該レジストの前記電極パッドに対応する位置に貫通穴を形成する穴開け工程と、金属ペーストを前記貫通穴に充填する充填工程と、充填した有機溶剤の乾燥工程と、半導体ウェハー表面からレジストを取り除く除去工程と、半導体ウェハー表面上に残された金属粉からなる凸状物を焼結する焼結工程とを有する半導体ウェハーへのバンプの形成方法であって、前記充填工程で貫通穴に充填する金属ペーストが、先に説明した本発明に係る金属ペーストである半導体ウェハーへのバンプの形成方法が好ましい。
上記工程から解るように、本発明に係るバンプ形成方法によれば、めっき法を用いることなくバンプを形成できる。したがって、本発明を用いれば、めっき法を用いる場合に問題になったレジスト成分の巻き込みが発生することがなく、硬度等の品質が安定したバンプを形成できる。また、本発明のバンプ形成方法では、通電工程が必要ないので、下地金属の蒸着や除去といった手間がかかる工程が不要であり、めっき法を用いる従来の方法と比べて簡単にバンプを形成できる。
そして、乾燥工程における乾燥温度は５０℃以下が好ましい。乾燥工程５０℃を超える温度に加熱すると、金属ペースト中の有機溶剤に接触しているレジストが流動し、レジスト成分が金属ペースト側（バンプ側）に流入するおそれがあるからである。なお、乾燥温度は、乾燥さえできれば低温でよいが、生産性を考慮すると、３０℃以上が好ましい。
焼結工程における加熱温度は２００℃〜４００℃が好ましい。このように焼結工程における好ましい加熱温度は、金粉、銀粉またはパラジウム粉などを溶融させない温度である。２００℃未満では、貫通穴内に残った金属粉を十分に焼結できないばかりか、電極パッド金属膜との密着性を挙げることができない。また、４００℃を超えると、半導体素子への熱損傷が考えられる。そして、凝集防止剤として添加した樹脂を確実に熱分解させるには加熱温度は２５０℃以上が好ましい。
また、充填工程後、半導体ウェハーを減圧チャンバーに入れる空気抜き工程を行っても良い。当該空気抜き工程を行うと、貫通穴に充填した金属ペーストに混入した空気をより確実に抜くことができ、結果として充填度を向上できる。
以上のように、本発明に係る金属ペーストを用いれば、バンプ形成の際に硬度のばらつきを少なくすることができ、且つ適当な軟らかさの硬度を有するバンプを半導体ウェハーに形成できる。そして、本発明に係るバンプ形成方法を用いればこのような軟らかさのバンプを簡単に半導体ウェハーに形成できる。
以下、本発明に係る金属ペーストおよびこれを用いて行うバンプ形成方法の好適な実施形態を説明する。
第１実施形態：電極パッドを表面に有する半導体ウェハーを用意した。この半導体ウェハーの表面にフォトレジスト層を形成し（被覆工程）、当該フォトレジスト層の電極パッドに対応する位置に、通常のフォトリソグラフ技術を用いて貫通穴を形成した（穴開け工程）。また、湿式還元法により製造された金粉、エチルセルロースおよび有機溶剤を用意し、これらを混合して金粉が分散状態で含有されている金ペースト（金属ペースト）を調製した。
そして、調製した金ペーストをフォトレジスト層の表面に滴下し、スピンコート法によってフォトレジスト層に開けた貫通穴内に金ペーストを充填した（充填工程）。なお、充填方法としては、スピンコート法に限らず、例えば、フォトレジスト層上に滴下した金ペーストをシリコンゴム製のへらで広げることで貫通穴内に充填する方法、スクリーン印刷法あるいはインクジェット法など、種々の方法を用いることができる。
充填後、貫通穴からはみ出た金粉等を除去した。本実施形態では、レジスト表面上の金粉等をへらやスポンジで擦り取ることによって除去した。次に、半導体ウェハーを電気炉にて乾燥させた（乾燥工程）。乾燥させると、有機溶剤が蒸発し、貫通穴内の金粉は凝集状態になる。その後、半導体ウェハーをアセトンに浸漬させてレジストを剥離した。レジスト剥離後、半導体ウェハーを電気炉に入れて電極パッド上に残った金粉を焼結させてバンプを形成した（焼結工程）。
実施例１：本実施例では、半導体ウェハーとして、下層がＡｌ層（厚さ１．０μｍ）、中層がＴｉＷ層（３００ｎｍ）で、上層がＡｕ層（１００ｎｍ）である多層構造の電極パッドを有するものを用いた。そして、純度９９．９９重量％の金粉と、有機溶剤であるエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３））と、凝集防止剤であるエチルセルロースとを用いて、金ペーストを調製した。金ペーストにおける金粉の含有率および平均粒径、凝集防止剤の含有率、バンプ形成時の乾燥条件および焼結条件は、表１に示される通りである。また、本実施例で形成したバンプを図１に示した。図示されるように、ここでは、水平断面形状が正方形のバンプ（縦６０μｍ×横６０μｍ×高さ２０μｍ）と、長方形のバンプ（縦６０μｍ×横４０μｍ×高さ２０μｍ）を形成した。
実施例２〜７および比較例１〜４：各実施例および比較例は、実施例１とは、金粉の平均粒径、有機溶剤の種類、凝集防止剤の種類および含有率、バンプ形成時の乾燥条件および焼結条件のうち１つ以上の条件が異なる。各実施例および比較例のこれらの条件は、表１に示される通りである。これら以外の条件は実施例１と同じであった。
バンプの評価：各実施例および比較例で形成したバンプについて、硬度（Ｈｖ）および比抵抗（μΩｃｍ）を測定して評価すると共に、電極パッドとの密着性を評価した。硬度については、ビッカース硬度計（荷重２５ｇ、保持時間１５秒）を用いて測定した。そして、比抵抗については、各実施例または比較例の金ペーストを用いてアルミナ基板上に焼成したペースト配線（１２０ｍｍ長×３ｍｍ幅×０．１ｍｍ厚）について、直流四端子法を用いて測定した。また、電極パッドとの密着性については、ピンセットによって押すことで評価した。測定結果および評価結果は表１に示される通りである。
表１に示されるように、実施例１〜５のバンプは、ビッカース硬度（Ｈｖ）で４１〜５５という適当な軟らかさ（硬度）を有しており、バンプの硬度のばらつきが小さかった（標準偏差値は８以下であった）。このように、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールおよびカルビトールは、いずれも金ペースト（金属ペースト）の有機溶剤として適していた。そして、バンプ形成時の焼結工程における焼結温度としては、２００℃〜４００℃の範囲は好ましい範囲であった。また、メタクリル酸メチル重合体などのアクリル系樹脂、エチルセルロース等のセルロース系樹脂、無水フタル酸樹脂等のアルキッド樹脂は凝集剤として適していた。
ただし、凝集防止剤の含有率が比較的高い実施例４のバンプは、電極パッドの密着性が、実用上問題ないレベルであるが、実施例１や実施例２のバンプよりやや劣っていた。また、凝集防止剤の含有率がさらに高い比較例１のバンプはバンプ硬度のばらつきが大きく、電極パッドの密着性が著しく悪かった。このように、凝集防止剤の含有率は５．０重量％以下が好ましく、２．０重量％以下がより好ましい。
比較例２（乾燥温度６０℃）は、バンプ硬度のばらつきが大きく、電極パッドとの密着性が著しく悪かった。これに対し、実施例１（乾燥温度３０℃）や他の実施例（乾燥温度５０℃）は、バンプ硬度のばらつきが小さく、密着性も良好であった。このように、バンプ形成時の乾燥工程における乾燥温度は５０℃以下が好ましい。
実施例６，７および比較例３のバンプは、硬度の平均値、硬度のばらつきおよび電極パッドとの密着性について良好であった。ただし、実施例６の金ペーストは、実用上問題はないが凝集しやすく、その意味で取扱いは多少容易でなかった。さらに、比較例３のバンプは、比抵抗値が実施例のバンプと比べて大きかった。このように、金ペーストで用いる金粉としては平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍのであるものが好ましい。
そして、ガラスフリットを含まない金ペーストを用いた実施例のバンプは、先に説明した通り、適当に軟らかい硬度を有し、硬度のばらつきが少なかったが、ガラスフリットが用いられた比較例４のバンプは、硬度が高く、硬度のばらつきが大きく、比抵抗値が大きかった。このように、金ペースト（金属ペースト）としては、ガラスフリットを含まないものが好ましい。
また、各実施例で得られたバンプは、いずれも、図１の写真に示される実施例１のバンプ同様、バンプ全体に金が密に充填されており、金の密度が均一であり、しかも輪郭がはっきりしており、良好なバンプであった。各実施例で用いた金属ペーストが、粘度および金粉含有率ともに適当であると共に凝集が防止されたものであり、その結果、貫通穴に金ペーストを充填する際、隙間なく金ペーストを充填できたからであると考えられる。
第２実施形態：本実施形態では、金属粉が銀粉（純度９９．９９重量％）である銀ペースト（金属ペースト）を用いてバンプを形成した。バンプ形成方法、バンプを形成する半導体ウェハーおよび電極パッドの条件は第１実施形態と同じであった。
実施例８〜１４および比較例５〜８：各実施例および比較例における銀粉の平均粒径、有機溶剤の種類、凝集防止剤の種類および含有率、バンプ形成時の乾燥条件および焼結条件は、次の表２に示される通りである。そして、第１実施形態で用いた方法と同様の方法で、各実施例および比較例で形成したバンプについて、硬度（Ｈｖ）及び比抵抗（μΩｃｍ）を測定し、電極パッドとの密着性を評価した（表２参照）。次の表２から解るように、銀ペーストを用いる場合も、金ペースト（第１実施形態）の場合と同様の結果であった。
第３実施形態：本実施形態では、金属粉が金粉（純度９９．９９重量％）およびパラジウム粉（純度９９．９９重量％）である金／パラジウムペースト（金属ペースト）を用いてバンプを形成した。バンプ形成方法、バンプを形成する半導体ウェハーおよび電極パッドの条件は第１実施形態と同じであった。
実施例１５〜２１および比較例９〜１２：各実施例および比較例における金粉およびパラジウム粉の平均粒径、有機溶剤の種類、凝集防止剤の種類および含有率、バンプ形成時の乾燥条件および焼結条件は、次の表３に示される通りである。そして、第１実施形態で用いた方法と同様の方法で、各実施例および比較例で形成したバンプについて、硬度（Ｈｖ）および比抵抗（μΩｃｍ）を測定し、電極パッドとの密着性を評価した（表３参照）。次の表３から解るように、金／パラジウムペーストを用いる場合も、金ペースト（第１実施形態）の場合と同様の結果であった。
Claims (3)
- 電極パッドが設けられた半導体ウェハーの表面をレジストで被覆する被覆工程と、当該レジストの前記電極パッドに対応する位置に貫通穴を形成する穴開け工程と、金属ペーストを前記貫通穴に充填する充填工程と、充填した有機溶剤の乾燥工程と、半導体ウェハー表面からレジストを取り除く除去工程と、半導体ウェハー表面上に残された金属粉からなる凸状物を焼結する焼結工程とを有する半導体ウェハーへのバンプの形成方法であって、
前記充填工程で貫通穴に充填する金属ペーストは、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉またはパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉と有機溶剤のみからなる金属ペーストであり、
前記乾燥工程における乾燥温度を５０℃以下とする、半導体ウェハーへのバンプの形成方法。 - 充填工程で使用する金属ペーストの有機溶剤は、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレートである請求項１に記載の半導体ウェハーへのバンプの形成方法。
- 充填工程で使用する金属ペーストは、更に、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を合計で５．０重量％以下含有している請求項１または請求項２に記載の半導体ウェハーへのバンプの形成方法。
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