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

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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。
)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(Ni23、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。
Figure 0006552040
Figure 0006552040

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。
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