JP4873321B2

JP4873321B2 - はんだバンプの形成方法

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Publication number: JP4873321B2
Application number: JP2007212932A
Authority: JP
Inventors: 倉内　　利春
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: JP2009049131A

Description

本発明は、リフトオフ法を用いたはんだバンプの形成方法に関する。

半導体デバイスや半導体レーザの実装には、ＳｎＰｂ（錫−鉛）合金やＳｎＡｕ（錫−金）合金等のはんだ材料が用いられている。特に、Ｓｎ系はんだは、アルミニウム等の電極層中への錫成分の拡散が著しく、はんだ接合部の信頼性に大きな影響を与える。このため、Ｓｎ系はんだバンプを形成するに際しては、下地の電極層に対してバンプを直接形成せずに、錫成分の拡散を防止するためのバリア層を介して、はんだバンプを形成するようにしている（特許文献１参照）。

図６は、従来のはんだバンプの形成方法を模式的に示す工程断面図である。まず、下地電極層２が表面に形成された基板１を準備する。そして、基板１及び下地電極層２の上に、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン３を形成する（図６Ａ）。レジストパターン３は、はんだバンプの形成部位を露出させるための開口部３ａを有している。なお、レジストパターン３の側面部には、露光・現像の過程でアンダーカットが入るため、開口部３ａの断面形状は、逆擂り鉢状を有している。

次に、基板１の表面に、レジストパターン３をマスクとしてバリア層４、密着層５及びはんだ層６を順に真空蒸着法によって形成する（図６Ｂ）。バリア層４としては例えばニッケル（Ｎｉ）金属膜が、密着層５としては例えば金（Ａｕ）膜がそれぞれ用いられる。なお、はんだ層６の形成方法は、真空蒸着法ではなく、印刷法などによっても形成可能である。

そして、基板１の表面に形成されているレジストパターン３を除去する（図６Ｃ）。この方法はリフトオフ法として広く知られており、レジストパターン３を除去する際、レジストパターン３の上に積層された蒸着膜をも同時に除去して、所定形状の蒸着パターンを基板１上に形成することができる。その後、はんだ層６を加熱溶解させることで、所定形状のはんだバンプが形成される。

特開２００６−２６９４５８号公報

しかしながら、従来のリフトオフ法を用いたはんだバンプの形成方法においては、以下の問題点を有している。

第１に、バリア層４として形成される金属蒸着膜の多くは内部応力（引張り応力）が大きいため、蒸着後、バリア層４がその内部応力によって基板１から剥離し、はんだ接合部の信頼性が損なわれるおそれがある。

第２に、バリア層４を真空蒸着法によって形成する際、図７に模式的に示すように、バリア層４の内部応力（引張り応力）や蒸着時の輻射熱によって、レジストパターン３の形成幅Ｗ１がＷ２に収縮してしまい、レジストパターン３の開口部３ａの開口幅が大きくなる。開口部３ａの開口幅が徐々に大きくなると、図７Ｃに示すように、その後の形成される密着層５やはんだ層６の周縁部７が下地電極層２に接触することがある。この場合、はんだバンプが下地電極層２に接触することになるため、下地電極層２へのはんだ材の拡散を防止できずに接合部の信頼性が大幅に低下する。

この第２の問題は、レジストパターン３で区画される下地電極層２の露出領域をその全域にわたってバリア層４で被覆することによって解消することができる。しかし、バリア層４は蒸着時の付き回り性が悪いため、レジストパターン３の側部のアンダーカット領域に蒸発粒子を到達させることができない。

一方、バリア層の内部応力を緩和するために、引張り応力の大きいバリア層（ニッケル膜）に、あらかじめ圧縮応力を有する応力緩和層（アルミニウム膜）を積層する方法が知られている（上記特許文献１参照）。しかしながら、この種の応力緩和層を別途形成することは、プロセスの複雑化と工程数増による製造コストの上昇をもたらすため、好ましくない。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、工程を複雑化することなくバリア層の内部応力に起因する弊害を防止して、接合部の信頼性を高めることができるはんだバンプの形成方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明は、基板上の導体層にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとして前記基板上にバリア層を形成する工程と、前記レジストパターンをマスクとして前記基板上にはんだ層を形成する工程と、前記レジストパターンを前記基板の上から除去する工程と、を備えたはんだバンプの形成方法であって、前記バリア層の形成を、不活性ガス雰囲気中における真空蒸着法によって行うことを特徴とする。

本発明においては、バリア層を真空蒸着法で形成するに際して、成膜雰囲気を減圧下の不活性ガス雰囲気とする。これにより、基板上に形成されるバリア層の密度は低下するため、不活性ガスを導入せずにバリア層を形成する場合に比べてバリア層の内部応力を低減させ、工程数を増加させることなく内部応力に起因するバリア層の剥離やレジストパターンの収縮作用を抑制することができる。

さらに、不活性ガス雰囲気中における真空蒸着法でバリア層を形成することにより、蒸発粒子の付き回り性が改善され、レジストパターンの開口部を介して露出する基板の表面領域を高精度に被覆することができる。

したがって本発明によれば、レジストパターンの収縮に起因するマスク精度の劣化によるはんだ層と下地電極層との直接的な接触を効果的に回避して、はんだ接合部の信頼性向上を図ることが可能となる。

蒸着時における不活性ガスの圧力は、０．０３Ｐａ以上０．１３Ｐａ以下であることが好ましい。不活性ガスの圧力が０．０３Ｐａ未満の場合、バリア層の内部応力の緩和効果はほとんど現れない。また、不活性ガスの圧力が０．１３Ｐａを越えると、バリア層の安定した成膜が困難になるとともに膜質の低下が顕著となる。

なお、不活性ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）が好適であるが、これ以外にも、ヘリウム（Ｈｅ）やキセノン（Ｘｅ）などの他の不活性ガスも適用可能である。

以上述べたように、本発明のはんだバンプの形成方法によれば、バリア層の内部応力を効果的に低減できるので、接合信頼性に優れたはんだバンプを形成することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態によるはんだバンプの形成方法を説明する工程断面図である。まず、所定形状にパターニングされた下地電極層２２が表面に形成された基板２１を準備する（図１Ａ）。

基板２１は、シリコンウエハ等の半導体基板やガラス基板、プリント配線板用の絶縁基板等で構成されている。下地電極層２２は、基板２１の表面に形成された電極パターンあるいは配線パターンに対応し、銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等の単層金属、あるいはチタン／金（Ｔｉ／Ａｕ）等の金属積層膜で構成された導体層である。

そして、基板２１および下地電極層２２の上にフォトレジスト層を形成し、これに露光、現像処理を施すことで所定形状のレジストパターン２３を形成する（図１Ａ）。

フォトレジスト層は液状レジストでもよいし、ドライフィルムレジストでもよい。レジストパターン２３は、下地電極層２２上の所定位置に所定の形状、大きさの開口部２３ａが形成されるように基板２１および下地電極層２２の表面に形成される。開口部２３ａを介して露出する下地電極層２２の表面領域には、後述するようにしてはんだバンプが形成される。なお、レジストパターン２３の側面部には、露光・現像の過程でアンダーカットが入るため、開口部２３ａの断面形状は、逆擂り鉢状を有している。

次に、基板２１の表面に、レジストパターン２３をマスクとしてバリア層２４を形成する（図１Ｂ）。

バリア層２４は、後工程で形成されるはんだ層２６と下地電極層２２との間の直接的な接触を防止するために設けられる中間層であり、はんだ層２６の構成材料（錫成分）が下地電極層２２へ拡散し脆弱な金属間化合物を形成することによるはんだ接合部の機械的接合信頼性の低下を防止するために設けられる。本実施形態においてバリア層２４には、錫との合金化を起こしにくい金属ニッケル（Ｎｉ）膜が用いられる。

バリア層２４の成膜法には、真空蒸着法が用いられる。一般に、金属蒸着膜の多くは内部応力が大きいため、蒸着後、バリア層がその内部応力によって剥離したり、レジストパターン２３を収縮させてパターン精度を低下させたりする。また、真空蒸着法は蒸発源から基板に向かう蒸発粒子の直進性が高いため、レジストパターン２３のアンダーカット部分にまで蒸発粒子が到達せず、開口部２３ａから露出する下地電極層２２の表面領域全域にわたって蒸着膜を形成できない。

そこで、本実施形態では、バリア層２４の形成を、不活性ガス雰囲気中における真空蒸着法によって行う。すなわち、バリア層２４を真空蒸着法で形成するに際して、成膜雰囲気を減圧下の不活性ガス雰囲気とする。これにより、基板２１上に形成されるバリア層２４の密度は低下するため、不活性ガスを導入せずにバリア層を形成する従来の方法に比べてバリア層の内部応力を低減させ、内部応力に起因するバリア層の剥離やレジストパターンの収縮作用を抑制できる。

また、不活性ガス雰囲気中における真空蒸着法でバリア層２４を形成することにより、不活性ガス粒子との衝突効果によって蒸発粒子の付き回り性が改善され、レジストパターン２３の開口部２３ａを介して露出する基板２１（下地電極層２２）の表面領域を全域にわたって被覆することができる（図１Ｂ参照）。

次に、バリア層２４の上に密着層２５およびはんだ層２６を順に形成する（図１Ｃ）。密着層２５は、ニッケル膜からなるバリア層２４に対するはんだ層２６の密着性および濡れ性向上を図るために設けられる。はんだ層２６は、ＳｎＰｂ系はんだのほか、ＳｎＡｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＺｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＢｉＣｕなどの無鉛はんだが用いられる。

本実施形態では、密着層２５およびはんだ層２６はいずれも真空蒸着法によって形成される。この場合、真空チャンバ内は所定の真空度に維持され、バリア層２４の形成の際に導入された不活性ガスは必要とされない。なお、密着層２５の形成工程とはんだ層２６の形成工程は同一の真空蒸着装置を用いて行ってもよいし、異なる真空蒸着装置を用いて行ってもよい。密着層２５およびはんだ層２６の形成方法は真空蒸着法に限られず、めっき法や印刷法などの他の成膜方法も適用可能である。

続いて、基板２１の表面からレジストパターン２３を除去するリフトオフ工程が行われる（図１Ｄ）。この工程では、基板２１を薬液の中に浸漬して、基板２１からレジストパターン２３およびこのレジストパターン２３上に形成された蒸着膜を同時に除去する。その後、リフロー炉等で加熱処理を実施してはんだ層２６を溶解させることで、基板２１上に所定形状のはんだバンプが形成される。

図２は、バリア層２４の形成工程に用いられる真空蒸着装置１０の概略構成図である。真空蒸着装置１０は、真空チャンバ１１を備えている。真空チャンバ１１は、排気バルブ１２を介して真空ポンプ１３に接続されており、この真空ポンプ１３によって所定の真空度に真空排気される。

真空チャンバ１１の内部には、蒸発材料１５を収容した蒸発源１４が設置されている。蒸発源１４は、電子ビーム蒸発源で構成されるが、これに限られず、抵抗加熱源や誘導加熱源、プラズマガン等で蒸発源が構成されていてもよい。蒸発源１４は、単一である場合に限られず、複数設置されていてもよい。この場合、蒸発源ごとに蒸発材料を異ならせてもよい。

蒸発材料１５は、形成すべき蒸着膜の種類に応じて適宜選択され、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などの金属材料のほか、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＺｎ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＢｉＣｕなどのＳｎ系はんだ材料が用いられる。

また、真空チャンバ１１の内部には、蒸発源１４に対向してステージ１６が設置されている。ステージ１６は、基板２１をその成膜面を蒸発源１４に向けて保持する。図では簡略的に示しているが、ステージ１６は、静電チャックやメカニカルクランプ等の基板２１を保持するための保持機構を備えている。

なお、蒸発源１４とステージ１６の間にはシャッタ１７が設置されている。シャッタ１７は、図示しないシャッタ開閉機構によって、蒸発源１４とステージ１６の間を遮蔽する位置と、蒸発源１４とステージ１６の間を開放する位置をとる。

更に、本実施形態の真空蒸着装置１０においては、真空チャンバ１１に不活性ガス導入ライン１８が接続されている。不活性ガス導入ライン１８は、真空チャンバ１１の内部に不活性ガスを導入するための導入配管と、流量調整バルブ１９等を備えている。不活性ガスにはアルゴン（Ａｒ）が用いられるが、これ以外にも、ヘリウム（Ｈｅ）やキセノン（Ｘｅ）、クリプトン（Ｋｒ）等の他の不活性ガスあるいは希ガスが適用可能である。

バリア層２４の形成時における不活性ガスの圧力は、０．０３Ｐａ以上０．１３Ｐａ以下であることが好ましい。不活性ガスの圧力が０．０３Ｐａ未満の場合、バリア層の内部応力の緩和効果がほとんど現れない。また、不活性ガスの圧力が０．１３Ｐａを越えると、バリア層の安定した成膜が困難になるとともに膜質の低下が顕著となる。特に、蒸発源が電子ビーム蒸発源で構成される場合、電子ビームの安定化の観点から、不活性ガスの圧力の上限は、０．０７５Ｐａ以下であることが好ましい。なお、ニッケル膜からなるバリア層２４の膜厚は特に限定されないが、２０００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下が好ましい。

本発明者は、真空チャンバ１１の内部におけるアルゴンガス雰囲気の圧力を変えて、膜厚２０００ｎｍのニッケル膜からなるバリア層（以下「Ｎｉバリア膜」という。）を形成した。そして、不活性ガス雰囲気の圧力下で形成された各々のＮｉバリア膜の内部応力を測定した。蒸着条件を表１に示すとともに、内部応力の測定結果を図３に示す。

図３に示すように、蒸着中にアルゴンを導入しない場合の内部応力は、１．３ＧＰａ以上と非常に大きな値となり、成膜後、Ｎｉバリア膜が基板から容易に剥離した。一方、蒸着中にアルゴンを０．０３Ｐａまで導入することにより、Ｎｉバリア膜の内部応力が８００ＭＰａまで低減することが確認された。更にアルゴンの導入圧力を増加させるに従って、Ｎｉバリア膜の内部応力が低減し、０．１３Ｐａでは１５０ＭＰａとなり、蒸着中にアルゴンを導入しない場合に比べて内部応力を約１／１０まで低減できた。

これらの結果から、Ｎｉバリア膜の蒸着中にアルゴン雰囲気圧力が少なくとも０．０３Ｐａ以上存在することにより、Ｎｉバリア膜の膜剥離を防止できる程度に内部応力を低減させることが可能であることが確認された。

表２は、図１Ｃに示したバリア層（Ｎｉ膜）２４と、密着層（Ａｕ膜）２５と、はんだ層（ＳｎＰｂ膜）２６のそれぞれの蒸着条件の一例を示す。バリア層２４は、蒸着中にアルゴン雰囲気が０．０５Ｐａ以上の圧力で形成することにより、下地電極膜２２の表面に付き回りよく形成された。引き続き、アルゴンを導入しない高真空で密着層２５とはんだ層２６を形成した後、リフローしてはんだバンプを形成した。

その結果、密着層２５およびはんだバンプをいずれも下地電極層２２に接触させることなく形成することができた。これは、レジストパターンの開口部２３ａに臨む下地電極層２２の表面領域の全域にわたってバリア層２４を形成できたことが主な理由である。つまり、アルゴンガス原子との衝突により蒸発粒子の直進性が低下して、レジストパターン２３のアンダーカット領域にも付き回り性よく蒸発粒子が蒸着したことに依る。更に、バリア層２４の内部応力が低減されているため、レジストパターン２３の上部に堆積したバリア膜の内部応力による当該レジストパターンの変形が抑えられ、マスクパターンを高精度に維持できたことにも依る。

以上のように、本実施形態によれば、バリア層２４の形成をアルゴンガス雰囲気下における真空蒸着法によって行うようにしているので、形成されるバリア層２４の内部応力を低減して基板２１からの剥離を効果的に防止し信頼性向上を図ることができる。特に、蒸着時に真空チャンバ１１内へアルゴンガスを導入するのみで目的とする効果を得ることができるので、応力を緩和するための特別な層を別途形成する必要はなく、工程の複雑化や生産コストの上昇を回避することができる。

また、本実施形態によれば、バリア層２４の内部応力を効果的に低減できるので、当該バリア層２４の内部応力を原因とするレジストマスク２３の収縮変形を抑えてマスクパターンのパターン精度を維持することができる。これにより、バリア層２４を高精度に形成することができるとともに、密着層２５やはんだ層２６が直接、下地電極層２２へ接触することを回避して、はんだ接合部の信頼性向上を図ることができる。

更に、本実施形態によれば、バリア層２４を構成する蒸発粒子の付き回り性を高めることができるので、レジストマスク２３のアンダーカット領域のように、基板に対して垂直方向から入り込めない領域にも安定して成膜が可能となる。これにより、密着層２５やはんだ層２６が直接、下地電極層２２へ接触することを確実に防止できる。

ところで、バリア層２４の構成金属はニッケルに限られず、例えば、白金（Ｐｔ）膜でバリア層を形成してもよい。この場合も、バリア層を真空蒸着法で形成するに際して、成膜雰囲気を減圧下の不活性ガス雰囲気とすることにより、形成される白金バリア層の内部応力を低減させることができる。白金バリア層の好適な膜厚は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

図４にアルゴンガスの雰囲気圧力と白金バリア層（膜厚２５０ｎｍ）の内部応力との関係を示す。図４から明らかなように、アルゴンガスの導入圧力が高くなるに従って、白金バリア層の内部応力が低減する。特に、アルゴンガスの導入圧力が０．０３Ｐａ以上で、アルゴンガス導入前（５．０×１０^-4Ｐａ）に比べて白金バリア層の内部応力を半減させることができる。

また、バリア層を白金で形成する場合、バリア層をニッケルで形成する場合に比べて、はんだ層との密着性が高いので、密着層の形成を省略することができる。この場合、図５に示すように、バリア層２４の上に直接はんだ層２６を形成することができる。これにより、工程数を削減できるので生産性の向上と生産コストの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、バリア層の構成材料としてニッケルおよび白金を例に挙げて説明したが、これに代えて、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）等、はんだ材の錫成分との反応が比較的少ない他の金属材料を用いることができる。

本発明の実施形態によるはんだバンプの形成方法を説明する工程断面図である。本発明の実施形態において用いられる真空蒸着装置の概略構成図である。アルゴンガスの雰囲気圧力とＮｉバリア層の内部応力の大きさとの関係を示す図である。アルゴンガスの雰囲気圧力とＰｔバリア層の内部応力の大きさとの関係を示す図である。本発明の他の実施形態によるはんだバンプの形成方法を説明する工程断面図である。従来のリフトオフ法を用いたはんだバンプの形成方法を説明する工程断面図である。従来技術の問題点を説明する工程断面図である。

符号の説明

１０真空蒸着装置
１１真空チャンバ
１３真空ポンプ
１４蒸発源
１５蒸発材料
１６ステージ
２１基板
２２下地電極層
２３レジストパターン
２４バリア層
２５密着層
２６はんだ層

Claims

基板上の導体層にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記基板上にバリア層を形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記基板上にはんだ層を形成する工程と、
前記レジストパターンを前記基板の上から除去する工程と、を備えたはんだバンプの形成方法であって、
前記バリア層の形成を、不活性ガス雰囲気中における真空蒸着法によって行い、
前記不活性ガスの圧力は、０．０３Ｐａ以上０．１３Ｐａ以下であることを特徴とするはんだバンプの形成方法。
前記バリア層の形成後前記はんだ層の形成前に、密着層を形成する工程を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプの形成方法。
前記バリア層は、ニッケル膜である
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプの形成方法。
前記バリア層は、白金膜である
ことを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプの形成方法。