JP6552040B2 - 半導体用ウェハの処理液、および半導体用ウェハの処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体用ＵＢＭ形成とはんだ接合またはワイヤボンディングされる半導体用ウェハの処理液、及び処理された半導体用ウェハ並びに半導体用ウェハの処理方法に関する。

ＬＳＩやＩＣなどのチップの接合方法としてワイヤボンディング法やフリップチップ法が広がっており、フリップチップ法においては金属パッドとはんだの接合を目的としたＵＢＭ（アンダーバンプメタル）の形成が必須とされている。

ＵＢＭの形成方法としては、低コストが期待される無電解めっき法により形成することが増えてきている。無電解めっきによりＵＢＭを形成する仕様としては、Ｎｉめっきを行った後にＡｕめっきを行うＮｉ／Ａｕ皮膜が一般的である。しかしながら、めっきしたウェハが高温に晒される場合には、ＮｉがＡｕ皮膜中に拡散し、表面にＮｉ酸化物等のＮｉ化合物が形成され、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなるという問題がある。このような高温下におけるＮｉの拡散を防止するために、Ｐｄ皮膜をＮｉ皮膜とＡｕ皮膜の間に入れる。すなわち、無電解でＮｉめっき、Ｐｄめっき、Ａｕめっきを順次行い、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜とする。

Ｎｉ拡散に対するＰｄ皮膜のバリア性については、時間にもよるが３００℃未満である。したがって、通常の鉛フリーはんだのリフロー条件（Ｍａｘ２６０℃）ではＮｉは拡散せず良好な結果が得られるが、高温はんだの接合において３００℃以上の温度でリフローするとＮｉがＰｄ皮膜やＡｕ皮膜中を拡散し、表面にＮｉ化合物が形成され、その後のはんだ接合やワイヤボンディングに際して、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる場合がある。また、無電解めっきを行った後、ポリイミドなどを塗布・硬化する際にも３００℃以上の熱がかかる場合があり、上記と同様に表面にＮｉ化合物が形成され、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる場合がある。
一方、高湿に晒される場合には、Ｎｉ／Ａｕ皮膜仕様でもＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜仕様でもパッドの外周部のめっき／パシベーションの隙間から水分が浸み込み、Ｎｉ皮膜が腐食し、表面にＮｉ化合物が析出することがあり、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる場合がある。

このようなＡｕ皮膜上に析出したＮｉ化合物によるはんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなることを改善する方法としては、特許文献１に、Ｎｉ化合物をエッチングにより除去することが記載されている。エッチングはドライエッチングが好ましいが、ウェットエッチングでも可能であることが記載されている。しかし、ウェットエッチングの具体的な方法についての記載はない。
また、Ａｕ皮膜上に析出したＮｉ化合物の除去は、リフロー前やワイヤボンディング前にプラズマ処理（ドライエッチング）による除去が一般的である（特許文献２参照）。しかしながら、Ｎｉ化合物は電位差の影響で特定のパッドにしか発生していない場合があり、プラズマ処理のようなドライエッチングを行うと正常部の表面のＡｕ皮膜も除去される恐れがあり、Ａｕ皮膜が除去された箇所は特性が悪くなる場合がある。
また、Ａｕ皮膜上のめっき液残留物を除去するために過酸化水素水を含む洗浄液で処理する方法が提案されているが（特許文献４、特許文献５参照）、これらの文献にはＮｉ化合物の記載がなく、またＮｉ化合物を除去するのは適さない。

特許第３０００８７７号公報 特開２０００−２５２３１３号公報 特開平１０−１６３２４１号公報 特開平７−３２６８４８号公報 特開２００２−８３８３５号公報

上記のように高温または高湿化に置かれたウェハの電極表面にＮｉ酸化物等のＮｉ化合物が形成され、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる。はんだ搭載やワイヤボンディング前にプラズマ処理等のドライエッチングは一般的に実施されているが、Ｎｉ化合物が特定パッドに形成されている場合、正常パッドのＡｕ皮膜がプラズマ処理により除去され、Ａｕ皮膜が除去された箇所の特性が悪くなる場合がある。
本発明は、正常パッドのＡｕ皮膜を除去することなく、ウェハの電極表面に形成されたＮｉ化合物のみを除去することができ、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性を改善することができる処理液を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討を行った結果、以下により上記課題が解決されることを見出し、本発明に至った。
即ち、本発明は以下のとおりである。
（１）Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に処理する処理液であって、０．１質量％〜１０質量％の酸性の水溶液であることを特徴とする処理液。
（２）前記処理液が、ハロゲン化水素、硫酸、ホウ酸、リン酸、有機スルフォン酸、有機カルボン酸の中から選ばれる１種類以上を含有することを特徴とする前記（１）に記載の処理液。
（３）前記処理液が、界面活性剤を含有することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の処理液。
（４）前記Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜が、無電解めっきで形成されてなることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の処理液。
（５）Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に前記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の処理液を用いて処理することを特徴とする半導体用ウェハの処理方法。
尚、本発明においてめっき皮膜の層構成を「／」を用いて表す。例えば、前記Ｎｉ／Ａｕ皮膜は、Ｎｉ皮膜と、Ａｕ皮膜が順に積層されていることを表す。

本発明の処理液を用いて、Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に処理することにより、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が改善する。さらに、歩留りが向上する。

本発明の処理液は、Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に処理する処理液であって、酸性の水溶液である。
高温または高湿化に置かれたウェハは、前記Ａｕ皮膜表面にＮｉ化合物が形成され、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる。
本発明においては、Ａｕ皮膜表面を、酸性水溶液で処理することにより、Ｎｉ化合物が発生していない正常部の表面のＡｕ皮膜を除去することなく、Ｎｉ化合物を十分に除去することができ、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が改善する。
前記Ｎｉ化合物としては、Ｎｉ酸化物（Ｎｉ₂Ｏ₃、ＮｉＯ）、Ｎｉ水酸化物（Ｎｉ(ＯＨ)₂）が挙げられる。

酸性水溶液は、表面のＮｉ化合物が溶解し、Ａｕ皮膜が溶解しないように、酸の種類、酸濃度や処理温度、処理時間を調整すればよい。本発明においては、Ｎｉ化合物はＡｕ上に形成されているので、酸処理によりきれいに除去することができる。また、比較的弱い酸でマイルドな条件で処理することが可能である。ここで、アルカリ溶液では、Ｎｉ化合物はほとんど溶解しないため、好ましくない。
酸の種類は、無機酸や有機酸のどちらでもよく、ハロゲン化水素（フッ酸、塩酸、臭化水素酸）、硫酸、ホウ酸、リン酸、有機スルフォン酸（メタンスルフォン酸、エタンスルフォン酸、ベンゼンスルフォン酸、トルエンスルフォン酸等）、有機カルボン酸（ギ酸、酢酸、プロピオン酸、クエン酸等）等が挙げられる。このなかで、硫酸、塩酸、リン酸、メタンスルフォン酸が安価でウェハへのダメージが少ないため好ましい。これら酸は単独またはそれらの混合物を水溶液にしたものを用いる。
酸濃度は酸の種類によって異なるが、０．１質量％〜５０質量％程度が好ましい。ウェハダメージの観点から、より好ましくは、０．１質量％〜１０質量％である。温度は１０〜６０℃程度が取り扱いやすいため好ましい。
処理時間は、特に規定はないが、表面に存在するＮｉ化合物の量によって時間を変えることが必要である。短すぎるとＮｉ化合物が一部残存し、長すぎるとウェハへのダメージが懸念される。一般的には数秒から数十分が適当である。ウェハへのダメージの影響がなければ、Ｎｉ化合物が完全に除去できる時間よりも長めに設定することが好ましい。
処理方法は、浸漬や、シャワーやスプレーで吹き付ける方法で処理を行うことができる。処理を行ってあとは、酸の成分が残存しないように十分に水洗することが必要である。

また、本発明の処理剤に、界面活性剤等の水濡れ性を向上させるような添加剤を加えるとより効果的になる。界面活性剤の種類としては、非イオン性、カチオン性、アニオン性のいずれでもよい。
添加剤の濃度は、界面活性剤の種類によって異なるが、水濡れ性の向上の観点から０．１〜１０％が好ましい。

前記電極は、半導体用ウェハの電極となるものであり、Ａｌ、Ａｌ合金、ＣｕまたはＣｕ合金であることが好ましい。
上述したＡｌまたはＡｌ合金としては、半導体用ウェハの電極として用いられている公知のアルミニウム系のものでよく、例えば純アルミニウム、ＡｌＣｕ（０．５％）、ＡｌＳｉ（１％）等のアルミニウム合金等が使用できる。前記電極のＣｕまたはＣｕ合金としては、半導体用ウェハの電極として用いられている公知の銅系のものでよく、例えば、純銅、リン青銅等の銅および銅合金が使用できる。
前記Ａｌ合金は、Ａｌの含有量が５０質量％を超えるものが好ましく、Ｃｕ合金は、Ｃｕの含有量が５０質量％を超えるものが好ましい。
ウェハの内部構造及び表面にＡｌ電極またはＣｕ電極を形成する工程は、半導体デバイスの製造に必要な公知のウェハ加工工程であり、例えば、フォトリソグラフィー、エッチング、イオン注入、スパッタリング、ＣＶＤ等の公知の方法によって行うことができる。また、この工程に用いる装置としても、公知の任意の装置を用いることができる。

前記電極を被覆するＮｉ／Ａｕ皮膜、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜のＮｉ皮膜、Ｐｄ皮膜、Ａｕ皮膜は、どのような方法で形成しても良く、スパッタ、蒸着、電気めっき、無電解めっきのいずれの方法で形成してもよい。
スパッタ、蒸着、電気めっき、無電解めっきについては、既存の方法、条件で形成することができる。
低コストで形成できることから、前記Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜が無電解めっきで形成されることが好ましい。
無電解Ｎｉめっき、無電解Ｐｄめっき、無電解Ａｕめっきに用いられるめっき液、めっき条件としては、ＵＢＭ形成に用いられる一般的なめっき液、及びめっき条件でよい。

上記Ｎｉ／Ａｕ皮膜、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜のＮｉ皮膜、Ｐｄ皮膜、Ａｕ皮膜の膜厚は、半導体デバイスの用途や要求特性により変わってくるが、Ｎｉ皮膜は、はんだ接合の際には、はんだの拡散防止の観点から、０．３〜１０μｍが好ましく、より好ましくは、０．８〜５μｍである。
Ｐｄ皮膜の厚さは、Ｎｉの拡散防止の観点から、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは、０．０１〜０．１μｍである。
Ａｕ皮膜の厚さは、半田濡れ性の観点から、０．０１〜０．５μｍが好ましく、より好ましくは、０．０１〜０．１μｍである。

本発明の半導体用ウェハは、Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有し、前記Ａｕ皮膜表面が、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に本発明の処理液を用いて処理されてなる。
本発明の処理液を用いて処理することにより、Ｎｉ化合物が発生していない正常部の表面のＡｕ皮膜を除去することなく、Ｎｉ化合物を十分に除去することができ、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が改善する。

以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
実施例１〜実施例８
パッド径２００μｍ、Ｎ型パッド、Ｐ型パッドの抵抗が１ｋΩ、電位差が１００Ｌｕｘで０．４ＶのＴＥＧウェハに、Ｎｉ（３μｍ）／Ａｕ（０．０５μｍ）皮膜、またはＮｉ（３μｍ）／Ｐｄ（０．０５μｍ）／Ａｕ（０．０３μｍ）皮膜を、無電解めっきでめっきを行い形成した。そのウェハを表１に示した熱処理、または恒温恒湿槽に入れることにより、Ｎｉ化合物をめっき表面に形成させた。このＮｉ化合物が形成されたＴＥＧウェハを表１に示した酸性溶液および条件で処理し、その後水洗を行った。外観を顕微鏡で確認した。その結果を表１に示す。
その後、はんだ接合性とワイヤボンディング性について以下の条件で評価した。その結果も表１に示す。

はんだ接合性：
前記酸性溶液で処理したパッド上にＷＦ−６３００ＬＦ（千住金属製水溶性フラックス）を塗布し、ＳｎＡｇ（３％）Ｃｕ（０．５％）の半田ボール（ボール径４５０μｍ）を載せた。その後ピーク温度２６０℃（４０秒）、酸素濃度６００〜８００ｐｐｍの条件でリフローを行い、はんだをパッドに接合させた。
はんだ接合性は、シェア試験を行い、はんだ内部の破壊の場合良好であると判断した。めっき／はんだ界面の破壊やはんだが接合しない場合は不良と判断した。シェア試験の条件は、シェア速度３００μｍ／秒、シェア高さ１５μｍとした。

ワイヤボンディング性：
Ａｕワイヤ径２５μｍ、ヒーター温度１２０℃とし、１ｓｔボンド条件を超音波２００ｍＶ、荷重２２０ｍＮ、２００秒とし、２ｎｄボンド条件を超音波２２０ｍＶ、荷重２４０ｍＮ、２００秒として、Ａｕワイヤを前記酸性溶液で処理したパッドと接合した。
ワイヤボンディングの接合性評価についてはプル試験を行い、Ａｕワイヤでちぎれた場合良好であると判断した。めっき／Ａｕワイヤ界面の破壊やワイヤが接合しない場合は不良と判断した。

比較例１〜７
表２に示した条件で無電解めっき、熱処理または恒温恒湿処理を行い、めっき表面にＮｉ化合物を形成させた以外は実施例１と同様にＮｉ化合物が形成されたＴＥＧウェハを得た。その後、表２に示した方法および条件で処理し、水洗を行った。その後、外観、はんだ接合性、ワイヤボンディング性を実施例と同じ方法で評価した。それぞれの結果を表２に示す。

Claims (5)

1. Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に処理する処理液であって、０．１質量％〜１０質量％の酸性の水溶液であることを特徴とする処理液。
2. 前記処理液が、ハロゲン化水素、硫酸、ホウ酸、リン酸、有機スルフォン酸、有機カルボン酸の中から選ばれる１種類以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の処理液。
3. 前記処理液が、界面活性剤を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の処理液。
4. 前記Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜が、無電解めっきで形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の処理液。
5. Ｎｉ／Ａｕ皮膜またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ皮膜で被覆された電極を有する半導体用ウェハの前記Ａｕ皮膜表面を、ワイヤボンディングまたははんだ接合前に請求項１〜４のいずれか一項に記載の処理液を用いて処理することを特徴とする半導体用ウェハの処理方法。