JP5056674B2 - 接合不良のないバンプの形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、基板にバンプを確実に形成する接合不良のないバンプの形成方法に関するものである。

近年、半導体チップと基板との接合にはフリップチップ接合が行われている。このフリップチップ接合方法は、まず、ガラス、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、セラミックスなどで構成されている基板に鉛フリーはんだバンプを形成する。基板に鉛フリーはんだバンプを形成するには図５の断面図に示されるように、まず、基板１の表面に溝７を有するソルダーレジスト６を形成する。次に、図６の断面図に示されるように、ソルダーレジスト６とソルダーレジスト６の間の溝７内の基板１の表面にまずＣｕ配線５を形成したのち、該Ｃｕ配線５上にＳｎ下地層２を形成する。Ｃｕ配線５の上に形成されるＳｎ下地層２は一般に置換メッキによって形成される。その後、図７に示されるように溝７に鉛フリーはんだペースト８を印刷などの方法により充填する。鉛フリーはんだペースト８は鉛フリーはんだ粉末にフラックスを混合したものであり、これは市販されている。この図７に示される鉛フリーはんだペースト８を充填したものをリフロー処理すると、鉛フリーはんだペースト８は溶融し、図８に示されるようにバンプ３が形成される。得られたバンプ３はその後押しつぶし処理（コイニング処理）を施してその頭部の高さ４を揃える。このようにして作製した基板１の上のバンプ３に半導体チップに形成されたバンプ（図示せず）を下向きにして基板１に形成されたバンプ３と接触させ、リフロー処理して半導体チップと基板を接合することによりフリップチップ接合が行われる（特許文献１参照）。

半導体チップおよび基板に形成されるバンプは通常Ｐｂ−Ｓｎはんだにより構成されているが、近年、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだにより構成されることが多い。そして、この鉛フリーはんだはＳｎ：４０〜１００質量％を含有し、残部がＡｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｓｂ，ＩｎおよびＺｎの群よりえらばれた１種または２種以上からなる成分組成を有することが知られている。この鉛フリーはんだから放射されるα線量が多いと、半導体装置の誤動作を引き起こすことから、α線が放射されることの少ない鉛フリーはんだを使用する必要であり、α線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の低α線放射量を示すことが必要であることも知られている。
特開２００３−３１６１６号公報

しかし、置換めっき法により形成したＳｎ下地層２は鉛フリーはんだペースト８に対する濡れ性が十分でなく、鉛フリーはんだペースト８をリフロー処理して鉛フリーはんだバンプを形成しようとしても確実な接合が得られないことがある。そのために、バンプ３を形成した基板１を移送する際などに、接合性が不十分なバンプ３が落下して半導体装置の不良品が発生することがあった。

そこで、本発明者らは、鉛フリーはんだペーストをリフロー処理して形成したバンプが落下することは鉛フリーはんだのＳｎ下地層に対する濡れ性が劣ることが原因であるとの考え、鉛フリーはんだのＳｎ下地層に対する濡れ性が一層優れた下地層を開発し、形成された鉛フリーはんだのバンプの接合性を高めて基板の搬送中などにバンプが落下することが無いようにすべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、Ｓｎ下地層に比べて鉛フリーはんだに対する濡れ性が一層優れ、したがって、Ｃｕ配線５に対して一層確実に接合して接合不良のないバンプを形成することができる、
（ロ）このＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成するには、図１に示されるように置換メッキにより形成されたＳｎ下地層２の上に極めて薄いＡｇ層９を形成し、このＡｇ層９およびＳｎ下地層２からなる複合層を加熱してＡｇをＳｎ下地層２に拡散させることにより図２に示されるようにＳｎ−Ａｇ合金下地層１０を形成することができ、また、このＳｎ−Ａｇ合金下地層１０はＳｎ−Ａｇ合金を置換めっきすることにより直接Ｃｕ配線５に形成することができる、
（ハ）形成されたＳｎ−Ａｇ合金下地層１０から放射されるα線量についてもバンプと同様に少ないことが好ましく、０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の低α線放射量を示すことが好ましい、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果にもとづいてなされたものであって、
（１）基板の上に形成されているＣｕ配線に下地層を形成し、この下地層上に鉛フリーはんだバンプを形成する方法において、前記下地層はＳｎ−Ａｇ合金下地層であり、
前記Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、置換めっき法によりＳｎ下地層を形成し、このＳｎ下地層の上にＡｇ層を形成して複合層を形成し、得られた複合層を加熱してＡｇをＳｎ下地層に拡散させることにより形成する接合不良のないバンプの形成方法、
（２）前記Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、α線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の低α線放射量を示す前記（１）に記載の接合不良のないバンプの形成方法、に特徴を有するものである。

この発明の接合不良のないバンプの形成方法を図面に基づいて具体的に説明する。この発明の接合不良のないバンプの形成方法において基板に鉛フリーはんだバンプを形成するには図５に示されるように、まず、基板１の表面に溝７を有するソルダーレジスト６を形成し、次に、図６に示されるように、ソルダーレジスト６とソルダーレジスト６の間の溝７にまずＣｕ配線５を形成したのち、該Ｃｕ配線５上にＳｎ下地層２を形成する。Ｃｕ配線５の上に形成されるＳｎ下地層２は一般に置換メッキによって形成される。この工程までは従来技術と同じである。
この発明の接合不良のないバンプの形成方法は、図３に示されるように、従来のＳｎ下地層２に代えてＳｎ−Ａｇ合金下地層１０を形成する点が相違する。このＳｎ−Ａｇ合金下地層１０を形成するには、先に述べたように、図１に示されるように置換メッキにより形成されたＳｎ下地層２の上にさらに極めて薄いＡｇ層９を形成し、このＡｇ層９およびＳｎ下地層２からなる複合層を加熱してＡｇをＳｎ下地層２に拡散させることにより図２に示されるようにＳｎ−Ａｇ合金下地層１０を形成する。このＳｎ−Ａｇ合金下地層１０はＳｎ−Ａｇ合金を置換めっきすることにより直接Ｃｕ配線５に形成することによっても形成することができる。
次に、図２に示されるソルダーレジスト６とソルダーレジスト６の間の溝７内部に形成されたＳｎ−Ａｇ合金下地層１０の上に、図３に示されるようにはんだペースト８を印刷法などの方法により充填する。鉛フリーはんだペースト８は鉛フリーはんだ粉末にフラックスを混合したもの従来法で使用されたものと同じであり、市販されている。この図３に示される鉛フリーはんだペースト８を充填したものをリフロー処理すると、鉛フリーはんだペースト８は溶融し、図４に示されるようにＳｎ−Ａｇ合金下地層１０の上に接合不良のないバンプ３が生成する。このとき形成されるＳｎ−Ａｇ合金下地層１０はＡｇ：２〜５質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが好ましい。Ｓｎ−Ａｇ合金下地層に含まれるＡｇを２〜５質量％に定めたのは、Ａｇ含有量が２質量％未満では鉛フリーはんだペーストに対する十分な濡れ性が得られないからであり、一方、５質量％を超えて含有すると融点が上昇して鉛フリーはんだペーストのリフロー処理温度程度の加熱では下地層として機能しなくなるので好ましくないからである。
前記Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、通常、市販の置換めっき液を購入し、この置換めっき液を使用してＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成している。しかし、市販の置換めっき液を使用して形成したＳｎ−Ａｇ合金下地層からは大量のα線が放射され、半導体装置の誤作動を引き起こすことがある。したがって、この発明で使用する置換めっき液はα線放射量の少ないＳｎ原料およびＡｇ原料を使用して作製した置換めっき液を使用する必要があり、この置換めっき液を使用して形成したＳｎ−Ａｇ合金下地層から放射されるα線放射量を０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下に抑える必要がある。

この発明の方法によると、確実に接合した鉛フリーはんだのバンプを形成することができ、半導体装置の不良品を一層少なくすることができる。

α線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の塩化錫、α線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の硝酸銀およびα線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の酢酸銀を用意し、これらを用いて、
塩化錫：１０ｇ／Ｌ、チオ尿素酸：８０ｇ／Ｌ、塩酸：１５ｇ／Ｌおよび次亜リン酸Ｎａ：１５ｇ／Ｌを含むＳｎ置換めっき液、
硝酸銀：２ｇ／Ｌ、Ｎ−アセチル−Ｌ−システイン：４．９ｇ／Ｌ、２−アミノエタンチオール：７．９ｇ／Ｌを含むＡｇ置換めっき液、
塩化錫：１０ｇ／Ｌ、酢酸銀：１．３ｇ／Ｌ、チオ尿素酸：８０ｇ／Ｌ、塩酸：１５ｇ／Ｌおよび次亜リン酸Ｎａ：１５ｇ／Ｌを含むＳｎＡｇ置換めっき液を作製した。
さらに、純度：９９．９９質量％以上の純銅板を用意した。

実施例１
純銅板を温度：６５℃に加熱されたＳｎ置換めっき液に１０分間浸漬してＳｎ置換めっき層を形成し、さらにこのＳｎ置換めっき層を形成した純銅板を温度：２５℃に保持された先のＡｇ置換めっき液に１分間浸漬してＳｎ置換めっき層の上にＡｇ置換めっき層を形成して複合めっき層を形成し、この複合めっき層を温度：２４０℃で１０秒間に加熱することによりＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成した。このＳｎ−Ａｇ合金下地層のα線放射量を測定した結果、０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下であった。
さらに、平均粒径：４．５μｍを有し、Ａｇ：３質量％、Ｃｕ：０．５質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有する鉛フリーはんだ合金粉末とフラックスとからなる市販の鉛フリーはんだペーストを用意した。
この市販の鉛フリーはんだペースト：０．００１ｍｍ^３を、Ｓｎ−Ａｇ合金下地層を形成した純銅板の上に載せ、純銅板を温度：２４０℃で２分間保持し、鉛フリーはんだペーストに含まれる鉛フリーはんだ粉末が溶融してＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成した純銅板の上に予め用意した直径：０．６ｍｍのパターンを完全に覆う時間を測定し、その結果を表１に示して濡れ性を評価した。

参考例１
純銅板を温度：６５℃に加熱された先のＳｎ−Ａｇ置換めっき液に１０分間浸漬して純銅板の表面にＳｎ―Ａｇ合金下地層を形成した。このＳｎ−Ａｇ合金下地層のα線放射量を測定した結果、０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下であった。さらに、実施例１で用意した市販のはんだペースト：０．００１ｍｍ^３を、Ｓｎ−Ａｇ合金層を形成した純銅板の上に載せ、純銅板を温度：２４０℃で２分間保持し、鉛フリーはんだペーストに含まれる鉛フリーはんだ粉末が溶融してＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成した純銅板の上に予め用意した直径：０．６ｍｍのパターンを完全に覆う時間を測定し、その結果を表１に示して濡れ性を評価した。

従来例１
純銅板を温度：６５℃に加熱されたＳｎ置換めっき液に１０分間浸漬して純銅板の上にＳｎ下地層を形成した。このＳｎ下地層のα線放射量を測定した結果、０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下であった。実施例１で用意した市販のはんだペースト：０．００１ｍｍ^３を、Ｓｎ下地層を形成した純銅板の上に載せ、純銅板を温度：２４０℃で２分間保持し、ペーストに含まれる鉛フリーはんだ合金が溶融してＳｎ下地層を形成した純銅板の上に予め用意した直径：０．６ｍｍのパターンを完全に覆う時間を測定し、その結果を表１に示して濡れ性を評価した。

表１に示される結果から、鉛フリーはんだペーストが溶融して純銅板の表面に形成されたＳｎ−Ａｇ合金下地層の上に予め用意した直径：０．６ｍｍのパターンを完全に覆う時間は、純銅板の表面に形成されたＳｎ下地層の上に予め用意した直径：０．６ｍｍのパターンを完全に覆う時間よりも大きいことから、Ｓｎ下地層よりもＳｎ−Ａｇ合金下地層の方が溶融した鉛フリーはんだに対する濡れ性が優れており、したがって従来のＳｎ下地層よりもこの発明のＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成する方が、確実に接合した鉛フリーはんだバンプを得ることができることがわかる。

基板表面のソルダーレジストの溝内部に形成されたＣｕ配線の上にＳｎ下地層およびＡｇ層からなる複合層を形成された状態を示すこの発明の方法を説明するための断面説明図である。 基板表面のソルダーレジストの溝内部に形成されたＣｕ配線の上にＳｎ−Ａｇ合金下地層を形成した状態を示すこの発明の方法を説明するための断面説明図である。 Ｓｎ−Ａｇ合金下地層の上にはんだペーストを塗布した状態を示すこの発明の方法を説明するための断面説明図である。 Ｓｎ−Ａｇ合金下地層の上にこの発明の方法により接合不良のないバンプを形成した状態を示す断面説明図である。 基板表面にソルダーレジストを形成した状態を示す断面説明図である。 基板表面のソルダーレジストの溝内部に形成されたＣｕ配線の上にＳｎ下地層が形成された状態を示す断面説明図である。 Ｓｎ下地層の上にはんだペーストを塗布した従来法を説明するための断面説明図である。 Ｓｎ下地層の上にバンプを形成した従来法を説明するための断面説明図である。

符号の説明

１：基板、２：Ｓｎ下地層、３：バンプ、４：頭部の高さ、５：Ｃｕ配線、６：ソルダーレジスト、７：溝、８：鉛フリーはんだペースト、９：Ａｇ層、１０：Ｓｎ−Ａｇ合金下地層、

Claims (2)

1. 基板の上に形成されているＣｕ配線に下地層を形成し、この下地層上に鉛フリーはんだバンプを形成する方法において、前記下地層はＳｎ−Ａｇ合金下地層であり、
   前記Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、置換めっき法によりＳｎ下地層を形成し、このＳｎ下地層の上にＡｇ層を形成して複合層を形成し、得られた複合層を加熱してＡｇをＳｎ下地層に拡散させることにより形成することを特徴とする接合不良のないバンプの形成方法。
2. 前記Ｓｎ−Ａｇ合金下地層は、α線放射量が０．０２ｃｐｈ／ｃｍ^２以下の低α線放射量を示すことを特徴とする請求項１に記載の接合不良のないバンプの形成方法。