JPH0282624A - はんだバンプ付半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明ははんだバンプ付半導体素子及びその製造方法に
関し、特に半導体工業で使用されるものである。

（従来の技術） 半導体素子のボンディング技術はワイヤボンディング技
術と、ワイヤレスボンディング技術との２つに大別され
る。

前者はワイヤで半導体チップの電極とリードフレームの
リード端子とを接続するものである。この技術は、接続
数が少ない場合には充分対応できるが、素子の高集積化
に伴い、電極の寸法が１００ｐ口以下となり、かつ高密
度となるにつれ、特に信頼性の点で問題が多くなる。

これに対して、後者の方法は半導体チップの電極と、リ
ードフレームのリード端子又はガラス、セラミックス基
板上の電極とを一括してボンディングするものであり、
素子の高集積化に対応して信頼性を確保するために実用
化がなされている。

このワイヤレスボンディング技術としては、例えばテー
プオートメーテツドボンディング方式（ＴＡＢ方式）、
フリップチップ方式などが知られており、これらの方法
では通常半導体チップの電極上にバンプを形成する。

このバンプとしては、従来から安価なＰｂ−８ｎはんだ
が検討されており、電極上に下地金属膜を形成し、この
下地金属膜上にＰｂ−８ｎはんだを蒸着又はめっきする
ことによりはんだバンプを形成する方法が考えられてい
た。しかし、従来の方法は、下地金属を用い、しかも電
極部以外の部分にはんだが蒸着あるいはめっきされない
ようにマスクを形成しなければならないという問題があ
った。

そこで本発明者らは、超音波を利用して下地金属なしに
直接ＡＪ電極上にはんだバンプを形成する方法を開示し
た（例えば特願昭８１−４８６０７号など）。これらの
方法でははんだバンプを構成するはんだとして種々の組
成を有するものが用いられている。しかし、従来はｌ電
極上に直接形成されたはんだバンプの接合強度は必ずし
も充分ではなく、この接合強度を向上させることが要望
されていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は前記問題点を解決するためになされたものであ
り、ＡΩ電極上に直接形成されるはんだバンプの接合強
度を向上したはんだバンプ付半導体素子及びその製造方
法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明のはんだバンプ付半導体素子は、ｉｌｌを主成分
とする電極を有する半導体素子と、前記電極上に直接形
成されたはんだバンプとを具備したはんだバンプ付半導
体素子において、前記はんだバンプの成分が、Ｚｎが１
０ｗｔ％以下、Ｓｎが０〜２０ｗｔ％、Ａｇ及び／又は
Ａｕが０〜１０ｗｔ％、残部が実質的にＰｂからなり、
前記電極とはんだバンプとの界面に非酸化状態のＺｎの
濃縮相が形成されていることを特徴とするものである。

本発明に係るはんだバンプ付半導体素子は例えば第１図
に示すような構造を有している。第１図において、シリ
コン基板１上には酸化膜２を介して電極３が形成され、
この電極３の一部を露出させるように全面にパッシベー
ション膜４が被覆されている。そして、前記電極３上に
ははんだバンプ５が形成され、はんだバンプ５と電極３
との界面にはＺｎの濃縮相６が形成されている。

また、本発明のはんだバンプ付半導体素子の製造方法は
、非酸化性雰囲気下で、半導体素子表面に形成されたＡ
ｆｉを主成分とする電極上に、ＺｎがＬＯｗｔ％以下、
Ｓｎが０〜２０ｗｔ％、Ａｇ及び／又はＡｕが０〜１０
νｔ％、残部が実質的にＰｂからなり、３５０℃を超え
る温度の溶融はんだを接触させ、はんだ、はんだ槽、半
導体素子の少なくともいずれか１種に超音波を印加し、
前記電極上に選択的に非酸化状態のＺｎの濃縮相を介し
てはんだバンプを形成することを特徴とするものである
。

以下、本発明においで用いられるはんだの各成分の作用
及び含有率の限定理由について説明する。

ＺｎははんだバンプとＡ［電極との界面に集中し、はん
だバンプとＡｌとの接合を強固にするとともに、耐湿性
を向上させる作用を有する元素である。この集中したＺ
ｎは非酸化状態でなければならず、酸化されていると強
度が弱くなる。Ｚｎの含有率が１０ｗｔ％を超えると、
はんだに光沢がなくなり、ぬれも悪くなる。Ｚｎの含有
率は０．２〜６シｔ％であることが望ましい。

ＳｎはＡｌ１−Ｓｎの共晶反応によりはんだバンプーＩ
Ｑ電極間の接合を形成する作用を有する元素である。Ｓ
ｎの含有率が２０ｗｔ％を超えると、Ａｌ１が溶解して
しまい、電極が薄くなるか、あるいはなくなってしまう
。Ｓｎの含有率は３〜１５ｗｔ％であることが望ましい
。

Ａｇ及び／又はＡｕはＺｎをはんだ相内に有効に溶解さ
せ、かつＺｎをはんだバンプと電極との間に集中させる
作用を有する元素である。これらの元素は添加されてい
なくてもよいが、添加されていれば効果的である。Ａｇ
及び／又はＡｕが１０ｗｔ％を超えると、Ｓｎと金属間
化合物を形成する可能性があり、しかも材料が高価であ
るためコストが上昇する。Ａｇ及び／又はＡｕの含有率
は１〜５ｗｔ％であることが望ましい。

本発明において用いられるはんだは、前述した成分以外
の残部が、不可避不純物を除き、実質的にＰｂからなっ
ている。

本発明方法では、以上の各成分からなるはんだを溶融さ
せ、３５０℃を超える温度に保持し、Ａｇ電極と接触さ
せ、はんだ、はんだ槽、半導体素子の少なくともいずれ
か１種に超音波を印加すると、電極上に選択的に非酸化
状態のＺｎの濃縮相を介してはんだバンプが形成される
。はんだ温度を３５０℃を超える温度としたのは、３５
０℃以下でははんだバンプと電極との界面に両者の接合
強度の向上に寄与するＺｎの濃縮相を形成することがで
きないためである。はんだ温度はＡｇ−Ｚｎの反応が容
易に起る３８６℃以上であることが望ましい。

また、温度条件は半導体素子の耐熱温度を考慮して決定
される。

前記Ｚｎの濃縮相は、ＺｎのほかにＡｇ及び／又はＡｕ
を含み、更にＰｂが含まれていてもよい。

特に、Ｚｎの濃縮相中にＡｇ及び／又はＡｕが含まれる
場合には、接合強度がより一層向上するだけでなく、耐
食性も向上する。Ｚｎの濃縮相中のＺｎの含有率は特に
限定されないが、２０〜８０ｗｔ％であることが望まし
い。また、こうしたＺｎの濃縮相ははんだバンプと電極
との界面に一様に分散していることが望ましいが、両者
の界面に析出相として存在していてもよい。

本発明方法において、はんだづけを実施するための具体
的な手段としては、基板をはんだ槽内の溶融はんだ中に
浸漬し、超音波振動子を挿入して溶融はんだに超音波を
印加するか、又は溶融はんだ槽目体を超音波振動させて
溶融はんだに超音波を印加してもよいし、超音波振動で
きるはんだごてを用い、電極に溶融はんだを接触させる
と同時に溶融はんだに超音波を印加してもよい。

本発明方法は、基板が半導体素子であってもガラスある
いはセラミックスなどの絶縁基板であっても同様に適用
できる。これらの基板を前記のように溶融はんだに浸漬
する場合、基板全体を浸漬してもよいし、部分的に浸漬
してもよい。また、電極以外の絶縁膜にははんだが付着
しないので、ポリイミドなどで覆う必要はないが、電極
以外の金属が露出している場合には保護する必要がある
。

なお、半導体ウェハを溶融はんだ中に浸漬する場合、ブ
レードダイシングを行った後であると、ダイシングライ
ンに沿って割れて半導体チップが分離することがあるの
で、これを防止するために、ウェハの裏面に高温用の粘
着テープを貼付け、更に金属やガラスなどに接着したり
、ウェハの裏面を真空チャックなどで吸着しておくこと
が望ましい。また、はんだバンプを形成した後、ブレー
ドダイシングを行ってもよい。

また、はんだづけ操作は、不活性ガスを流して非酸化性
雰囲気下で行う。これは雰囲気ガスが５％以上の酸素を
含む場合、Ａｆｉが酸化を起してはんだとのぬれが悪く
なり、最悪の場合にはバンプどうしが接続する不良が発
生するためである。

本発明において、溶融はんだに印加する超音波の周波数
はｌ０〜８０　ｋ　Ｈｚ程度でよく、好ましくは１５〜
４０ｋＨｚである。これは、周波数が低すぎると、Ａｊ
７電極上の自然酸化膜の破壊及びＡｆｉ−はんだの接合
が困難となり、逆に高すぎると電極などの剥離を起すお
それがあるためである。

なお、超音波はんだづけ法により形成したはんだバンプ
の高さが低い場合には、更に融点の低いはんだにデイツ
プするか、あるいは同様な超音波はんだづけをして２段
以上のはんだバンプを形成してもよい。特に、インナー
リードと接合する場合、非酸化雰囲気でないと、Ｚｎを
含んでいるためバンプ表面が酸化されて接合しにくくな
るため、Ｐｂ−８ｎ共晶はんだのようにぬれのよいはん
だを２段目のバンプに使用することが望ましい。

以上のようにしてはんだバンプが形成された基板はワイ
ヤレスボンディング技術で実装される。

例えば、ＴＡＢ方式では、はんだバンプが形成された半
導体基板とリードフレーム（テープ）とを位置合わせし
て熱圧着する。この場合、リードフレームを構成する導
体金属としてはＣｕＳＦｅ。

Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、表面処理層としてはＡｕ。

Ａｇ　ｓ　Ｓ　ｎはんだなどが用いられる。これらの金
属をめっきしたものでもよい。ただし、リードフレーム
側がＦｅ−Ｎｉ合金の場合にはフラックスを使用する。

また、八Ωの場合にははんだを同様な方法で付着させて
おくことが望ましい。この場合、リード間の間隔が狭い
時には、基板の場合と同様に油や界面活性剤を付着させ
ることが効果的である。また、フリップチップ方式では
はんだバンプが形成された半導体チップとはんだバンプ
が形成されたガラス又はセラミックス基板のバンプどう
しを熱融着する。

以上のような本発明によれば、ＡΩ電極上に非酸化状態
のＺｎの濃縮相を介してはんだバンプを形成しているの
で、Ａρ電極−はんだバンプ間の接合強度を大幅に向上
することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 通常のウェハプロセスにより配線・電極の形成を行った
後、全面に絶縁膜を堆積し、更にコンタクトパッド用の
開孔部を形成したシリコンウェハ１１を用意した。前記
配線・電極はスパッタリング装置により形成された膜厚
約１ｐのＡｆｉ−２％５ｉ−２％Ｃｕからなり、またパ
ッシベーション膜としては窒化シリコン膜が用いられて
いる。そして、このシリコンウェハ１１に形成された各
チップには３ｏＩｊＭ口の電極（コンタクトパッド）が
それぞれ２００個形成されている。なお、このシリコン
ウェハ１１についてはブレードダイシングを行っていな
い。

次に、第２図に示すような超音波はんだづけ装置を用い
て、このシリコンウェハ１１の電極上にはんだバンプを
形成した。第２図において、はんだ槽２１内にははんだ
の還流路２２が形成され、溶融はんだ２３が収容されて
いる。この溶融はんだ２３は図示しないモータにより回
転される撹拌棒２４により還流路２２内を通って液面よ
り上に噴出して還流する。前記シリコンウェハ１１は裏
面に高温用の両面接着テープを貼付し、更に図示しない
ガラス板に接着した状態で縦にして、噴出している溶融
はんだ２３に浸漬される。そして、シリコンウェハ１１
近傍の溶融はんだ２３中に超音波振動子２５を挿入して
溶融はんだ２３に超音波を印加する。

なお、はんだとしてはＰｂ−５Ｓｎ−５２ｎ−０，２Ａ
ｇはんだを使用し、はんだ槽温度を３９５℃に維持した
。また、はんだ槽全体を窒素ガスで封入し、酸素温度を
（１，５％以下におさえた。

この操作により第１図に示すようなはんだバンプが形成
された。はんだバンプと１電極との接合界面をＸ線マイ
クロアナライザで調べると、Ａｇが２０〜４０ｗｔ％、
Ｐｂが０〜３０ｗｔ％、残部が実質的にＺｎからなる相
が分散していた。ただし、この相は単一相として界面に
一様に存在するものではなかった。

次に、このシリコンウェハを非酸化性雰囲気下で２４０
℃のＰｂ−８ｎ共晶はんだに２秒間デイツプし、ＰＰｂ
−３ｎ−Ｚｎ−Ａはんだ上にＰｂ−３ｎ共品はんだが形
成された２段はんだバンプとした。

次いで、このシリコンウェハをブレードダイシングして
個々のチップに分離した後、接合強度の評価及び実装試
験を行った。

まず、接合強度は、Ｃｕリードの表面に共晶はんだを被
覆したＴＡＢ方式のテープを用意し、チップのバンプと
テープのリード端子とを位置合わせして２４０℃で両者
を熱融着し、引張り試験機によりリードを引張ることに
より評価した。その結果、いずれのバンプでも３　ｋｇ
／　ｓｒｓ　２程度の値を示し、充分な接合強度を有す
ることがわかった。また、実装試験は、Ｃｕリードの表
面に金めつきを施したＴＡＢ方式のテープを用意し、チ
ップのバンプとテープのリード端子とを位置合わせして
２４０℃で両者を熱融着した。このインナーリードボン
ディング工程でも全く問題は生じなかった。

比較のために、Ｐｂ−５Ｓｎ−３０Ｚｎはんだを用いて
同様な検討を行ったが、はんだのブリッジが多く、本実
施例のようなファインピッチのバンプには不適当であっ
た。

実施例２ 実施例１と同様なシリコンウェハ１１を用意した。

この場合、配線・電極としてはＡｇ−１％Ｓｉが用いら
れ、シリコンウェハ１１に形成された各チップには５０
０ｕＭ口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ２個形
成されている。

第３図に示すような超音波を印加することができるはん
だごて３１を用い、シリコンウェハ１１の電極上に溶融
はんだ３２を滴下するとともに、超音波を印加してはん
だバンプを形成した。

はんだ材としては、以下に示すものをそれぞれ使用した
。

■Ｐｂ−５Ｓｎ−１０Ｚｎ ■Ｐｂ−１０Ｓｎ−３Ｚｎ　−０，５Ａｇ−０，５Ａｕ
■Ｐｂ−３Ｓｎ−２Ｚｎ　−０，３Ａｇはんだが溶融し
ている部分はＡｒガスで封入し、Ｚｎが酸化されるのを
防止した。また、はんだ温度は、■、■については３９
０℃、■については４１５℃であった。

形成されたはんだバンプとＡｆＩ電極との界面には非酸
化状態のＺｎの濃縮相が集中していた。特に、■の場合
はＡｇとＡｕとの両者を含んでいるＺｎの濃縮、相が顕
著であった。また、■ではＺｎの分散が良好であった。

次いで、シリコンウェハ１１をブレードダイシングして
個々のチップに分離した後、ＴＡＢ方式のテープとの間
で実施例１と同様にインナーリードボンディングを行っ
たが、全く問題は生じなかった。

なお、前記実施例１．２では、本発明をＴＡＢ方式のワ
イヤレスボンディングに適用した場合について説明した
が、これに限らず本発明はフリップチップ方式など他の
ワイヤレスボンディングにも同様に適用できる。この場
合、まず第４図（ａ）に示すようにシリコン基板１上に
絶縁膜を介して電極３を形成し、全面をパッシベーショ
ン膜４で被覆した後、電極３上に開孔部を設けたものと
、第４図（ｂ）に示すようなガラスあるいはセラミック
ス基１ｆ４１上に電極４２を形成し、全面を絶縁膜４３
で被覆した後、電極４２上に開孔部を設けたもののそれ
ぞれについて、実施例１．２で説明したような方法で電
極３．４２上にはんだバンプ５を形成する。この場合も
実施例１．２と同様にはんだバンプ５と電極３．４２と
の界面には図示しないＺｎの濃縮相が形成されている。

次に、第４図（ｅ）に示すように、両者のはんだバンプ
５どうしを熱融着することにより接合する。

［発明の効果コ 以上詳述した如く本発明によれば、ＡｊｌｌｌＥ極−は
んだバンプ間の接合強度を大幅に向上することができ、
素子の微細化に対応してボンディングの信頼性の高い半
導体装置を製造できるなど産業上極めて顕著な効果を奏
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るはんだバンプ付半導体素子の断面
図、第２図は本発明の実施例１におけは本発明の実施例
２におけるはんだバンプの形成方法を示す説明図、第４
図（ａ）〜（ｃ）は本発明の他の実施例におけるワイヤ
レスボンディングの工程を示す断面図である。 １・・・シリコン基板、２・・・絶縁膜、３・・・電極
、４・・・バッ、シベーション膜、５・・・はんだバン
プ、６・・・Ｚｎの濃縮相、１１・・・シリコンウェハ
、２１・・・はんだ槽、２２・・・還流路、２３・・・
溶融はんだ、２４・・・撹拌棒、２５・・・超音波振動
子、３１・・・はんだごて、３２・・・溶融はんだ、４
１・・・ガラス又はセラミックス基板、４２・・・電極
、４３・・・絶縁膜。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 第 図 （ａ） （ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌを主成分とする電極を有する半導体素子と、
   前記電極上に直接形成されたはんだバンプとを具備した
   はんだバンプ付半導体素子において、前記はんだバンプ
   の成分が、Ｚｎが１０ｗｔ％以下、Ｓｎが０〜２０ｗｔ
   ％、Ａｇ及び／又はＡｕが０〜１０ｗｔ％、残部が実質
   的にＰｂからなり、前記電極とはんだバンプとの界面に
   非酸化状態のＺｎの濃縮相が形成されていることを特徴
   とするはんだバンプ付半導体素子。
2. （２）非酸化性雰囲気下で、半導体素子表面に形成され
   たＡｌを主成分とする電極上に、Ｚｎが１０ｗｔ％以下
   、Ｓｎが０〜２０ｗｔ％、Ａｇ及び／又はＡｕが０〜１
   ０ｗｔ％、残部が実質的にＰｂからなり、３５０℃を超
   える温度の溶融はんだを接触させ、はんだ、はんだ槽、
   半導体素子の少なくともいずれか１種に超音波を印加し
   、前記電極上に選択的に非酸化状態のＺｎの濃縮相を介
   してはんだバンプを形成することを特徴とするはんだバ
   ンプ付半導体素子の製造方法。