JPS62104143A

JPS62104143A - はんだバンプの形成方法

Info

Publication number: JPS62104143A
Application number: JP24433485A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Inaba; 道彦稲葉; Hisaharu Sakurai; 桜井　寿春; Kazuyoshi Saito; 和敬斎藤; Nobuo Iwase; 岩瀬　暢男; Sumiyo Uzawa; 鵜沢　澄代; Isao Suzuki; 功鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-10-31
Filing date: 1985-10-31
Publication date: 1987-05-14

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】〔発明の技術分野〕本発明ははんだバンプの形成方法の改良に関し、特に半
導体工業で使用されるものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

半導体装置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ｆｆ１ｆｆｌ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十分対応できるが、素
子の高集積化に伴い、電極の寸法が１００−０以下とな
り、かつ高密廓となるにつれ、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、セラミック基板
上のｌｔｉ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
プオートメイテイツドボンデイング方式（ＴＡＢ方式）
、フリップチップ方式あるいはＣＣＢ方式などが知られ
ており、これらの方式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−Ｓｎはんだ
が検討されている。

従来、半導体チップの電極上に形成されるＰｂ−Ｓｎは
んだからなるバンプは、第７図に示すようなものである
。第７図において、シリコン基板１上には酸化シリコン
躾等の絶縁１１２を介してＡ２又はＡ２合金等からなる
電極３がパターニングされて形成され、全面に窒化シリ
コン膜等のパラ）ベーション膜４を被覆した後、電極３
上のパラｊ多゛ベーション！［４を選択的にエツチング
して電・′　１極３を露出させている。露出した電極３上にはＱｒ、Ｎ
　ｉ　、ＭＯ，Ｃｕ、ＡＵ、ＡＱ等からなる下地金属５
が形成されている。更に、下地金属５上にははんだバン
プ６が形成されている。

前記下地金属５ははんだとの接合性を改善するために設
けられるものである。この目的のために下地金ｌ１１５
としては１層〜３層の金属層が設けられ、種々の組合せ
が検討されている。

ところで、はんだバンプ６は通常めっき又は蒸着により
形成され、種々の方法が提案されているが、これらの方
法は以下に述べるようにいずれも欠点がある。

めっきによる方法では、例えば電極孔あけ工程が終了し
た後、Ｎ極上の自然酸化膜を反応性イオンエツチングに
より除去し、全面に１〜３層の下地金属を蒸着し、電極
部が開孔しためつきレジストを被覆し、電極上の下地金
属上にのみはんだめっきを行ない、めっきレジスト及び
下地金属の不要部分をエツチングするという工程がとら
れる。

ところが、このような方法は金バンブの形成の場合には
問題がないが、はんだバンプの形成に適用しようとする
と、はんだの耐薬品性がよくないため下地金属をエツチ
ングする際、はんだもエツチング液に侵されるという欠
点がある。したがって、５ｎ１Ｐｂを順次めっきし、下
地金属のエツチング後に加熱して合金化するという方法
がとられる。

また、蒸着による方法では、例えば１ｉ？４４孔あけ工
程が終了した後、電極上の自然酸化膜を反応性イオンエ
ツチングにより除去し、全面に１〜３層の下地金属を蒸
着し、バターニングし、更に電極上の下地金属上のみが
開孔したレジストを被覆した後、はんだを蒸着し、レジ
スト除去とともに不要部分のはんだを除去するという工
程がとられる。

しかし、蒸着法を用いる場合、はんだ中のｐｂとＳｎと
の蒸気圧が異なるため、共晶組成をもつはんだバンプを
形成することが困難であるという欠点がある。

いずれにしても従来の方法は、下地金属を用い、しかも
電極部以外の部分にはんだがめつきあるいは蒸着されな
いようにマスクを形成しなければな゛らない等、工程の
煩雑化につながる基本的な問題点がある。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであ
り、電極上に下地金属を設けることなく、直接はんだバ
ンプを形成することができ、工程を簡略化できる方法を
提供しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明のは゛んだバンプの形成方法は、電極が形成され
た基板の少なくとも電極部に溶融はんだを接触させ、前
記溶融はんだに超音波を印加して電極表面の自然酸化膜
を破壊するとともに、電極上に選択的にはんだを付着さ
せることを特徴とするものである。

本発明の作用を原理的に説明すると、以下のようになる
。すなわち、電極部に接触した溶融はんだに超音波を印
加すると、超音波エネルギーにより溶融はんだ中に金属
蒸気の気泡が発生する。この気泡はｖ４時に成長・消滅
し、局部的に高温・高圧となる。この高圧の気泡が破壊
する時、電極表面に強い衝撃を与え、これにより電極表
面の自然酸化膜が破壊されるとともに、露出した電極の
新生面に選択的にはんだづけが行われる。このようにし
て電極上に直接接合してはんだバンプが形成される。

本発明方法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（ディップ）し、
超音波撮動子を挿入して溶融はんだに超音波を印加する
か、又は溶融はんだ槽自体を超音波撮動させて溶融はん
だに超音波を印加してもよいし、超音波撮動できるはん
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。また、は／Ｖだ
バンプ形成後、バンプ高さが足りない場合には超音波を
印加しない一般のはんだ槽にディップしてバンプ高さを
高くしてもよい。

本発明方法は、基板が半導体基板であってもガラスある
いはセラミックス等の絶縁基板であっても同様に適用で
きる。これらの基板を上記のように溶融はんだ中にディ
ップする場合、基板全体をディップしてもよいし、部分
的にディップしてもよい。また、電極以外のパッシベー
ション躾等の絶縁膜にははんだが付着しないので、ポリ
イミド等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ディップする場合、ブレードダイシ
ングを行なった後であると、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、つＩハの裏面に高温用の粘着テープを
貼付け、更に金属やガラス等に接着したり、ウェハの裏
面を真空チャック等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
行なってもよい。

また、半導体素子では通常電極として八λ又はＡ２を主
成分として３ｉやＣｕを添加したものが用いられること
が多い。これらの材質からなる電極に対応して用いられ
るはんだはＳｎを含んでいればどのようなものでもよい
が、通常は３７Ｐｂ−Ｓｎの共晶はんだあるいは銀入り
のはんだを利用する。また、古くなった電極でははんだ
が付着しにくいこともあるため、ｚｎを添加したはんだ
を用いてもよい。上記のような電極及びはんだの組合せ
では、電極とはんだバンプとの間にＡａ′と′Ｓｎとの
合金層が形成される。なお、古くなった電極では、その
表面が固い酸化膜で覆われていることがあり、この場合
には前処理としてオゾンをふきかけてもよい。

また、本発明の処理は、不活性ガスを流して非酸化性雰
囲気中で行なうことが望ましい。これは雰囲気ガスが５
％以上の酸素を含む場合、八２が酸化を起こしてはんだ
とのぬれが悪くなり、最悪の場合にはバンプ同士が接続
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１０〜６０ｋＨｚ程度でよく、好ましくは１５〜４０
ｋＨｚである。これは、周波数が低すぎると、上記のよ
うな作用が起こりにくく、逆に高すぎると電極等の剥離
を起こすおそれがあるためである。また、超音波の出力
は２〜５００Ｗ程度でよいが、好ましくは１０〜３００
Ｗである。一方、溶融はんだの温度は２３０〜３５０℃
程度、処理時間は０．１〜１０秒程度である。これは温
度が高く、処理時間が長いと電極の構成元素であるＡ２
の溶解が起こり、逆に温度が低く、形成時間が短いとＡ
２とＳｎの合金化が行なわれなくなるためである。好ま
しくは、溶融はんだ温度２４０〜３２０℃程度、処理時
間０．５〜５秒程度がよい。なお、ガラス又はセラミッ
クス基板はシリコン又は化合物半導体基板と比較して割
れにくいため、超音波の周波数、出力、溶融はんだの温
度等を高くすることができる。また、はんだ成分によっ
て液体となる温度が異なるため、はんだ成分に合わせた
温度を選ぶことがよい。

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
体金属はＣｕ、Ｆｅ、Ａｌ１、Ｆｅ−Ｎｉ合金、ＡＵ、
ＡＱ、Ｓｎ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
フラックスを使用し、ＡＲ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。

また、フリップチップ方式やＣＣＢＣＢｒ４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同士を位置合わ
せして熱融着する。

以上のように本発明によれば、下地金属を使用すること
なく、電極上に直接はんだバンプを形成することができ
るので、工程を簡略化して、大幅な時間短縮を達成でき
る。また、フラックスを使用しないので、ハロゲン化物
による半導体素子への悪影響をなくすことができる。ま
た、後のワイヤレスボンディング工程も容易に行なうこ
とができる。

〔発明の実施例〕

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まず、通常のウェハプロセスにより配線・電極の形成を
行なった後、全面にパッシベーション膜を堆積し、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的１１ａのＡＱ−２％５ｉ−２％Ｃ
ＬＩからなり、またパッシベーション膜としては窒化シ
リコン躾が用いられている。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８０ｔＩＩｒＬ口のＷ
ｉ極（コンタクトパッド）がそれぞれ６４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
ドダイシングを行なっていない。

このシリコンウェハ１１のｌ［上に、第１図に示すよう
な超音波はんだづけ装置を用いてはんだバンプを形成し
た。第１図において、はんだ横２）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（ディップ）される。

そして、シリコンウェハ１１近傍の？７Ｆ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−Ｓｎの共晶はんだを使用し
、はんだ槽温度を２８０℃に維持した。

また、超音波振動子２５により溶融はんだ２３に周波数
２０ｋ）−１ｚ、出力８０Ｗの超音波を印加し、シリコ
ンウェハ１１のディップ時間は１秒間とした。このはん
だづけ操作中、周囲に窒素ガスを１０Ｑ／分の流量で流
し、電極の構成元素であるアルミニウム及びはんだ中の
スズの酸化を防止した。

この操作により第Ｌ３／図に示すように、はんだバンプ
が形成された。すなわち、ディップ前にはシリコン基板
３１上には酸化ｌｌ３２を介して電極３３が形成され、
全面を被覆するパッシベーション膜３４から電極３３が
露出しているが、ディップ後にこの電極３３上にはんだ
バンプ３５が直接接合して山型に形成された。このバン
プ高さは２５戸であった。なお、電極３３とはんだバン
プ３５との接合面にはＡ℃とＳｎの合金層が薄く生成し
ていた。

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。これと別に銅リードフレーム
が形成され、その表面に金めつきが施されたＴＡＢ方式
のテープを用意した。そして、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２７０℃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。

実施Ｖ１４２まず、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・電極としては八λ−１％３ｉ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６
０−口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ１２８個
形成されている。なお、このシリコンウェハ１１は素子
形成慢、かなりの期間を経ており、Ｗｉ極表面が固い酸
化膜で覆われていることが予想されたので、オゾン洗浄
を行なった。また、一部に電極以外の金属が露出してい
るので、ポリイミドで電極以外の金属をマスりした。

このシリコンウェハ１１の電極上に、第３図に示すよう
な超音波はんだづけ装置を用いてはんだバンブを形成し
た。第３図において、はんだ横４１内にははんだの還流
路４２が形成され、溶融はんだ４３が収容されている。

この溶融はんだ４３は図示しないモータにより回転され
る撹拌棒４４により還流路４２内を通ってはんだ槽４１
中央部で液面より上に噴出して還流する。前記シリコン
ウェハ１１は裏面をバキュームチュックにより吸着され
た状態で、電極が形成されている表面の全面が噴出した
溶融はんだ４３の液面に浸漬（ディップ）される。そし
て、はんだ槽４１の底面から超音波振動子４５を挿入し
、シリコンウェハ１１近傍の溶融はんだ４３に超音波を
印加する。

なお、はんだとしてはＡＱを２％含むＰｂ−８ｎの共晶
はんだを使用し、は／Ｖだ槽温度を２６０℃に維持した
。また、超音波振動子４５により溶融はんだ４３に周波
数３０ｋＨ２、出力５０Ｗの超音波を印加し、シリコン
ウェハ１１のディップ時間は３秒間とした。このはんだ
づけ操作中１周囲にＡｒガスを２０Ｑ／分の流量で流し
た。

この操作により第４図に示すようなバンブ高さ１５戸の
はんだバンブ３５が形成された。更に、超音波を印加し
ない一般のはんだ槽内に２秒間ディップしてバンブ高さ
を２５−とした。

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な
ったが、全く問題は生じなかった。

実施例３まず、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・電橋としてはＡＱ−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５
００−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。

斗次に、第瞭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５１を用−い、シリコンウェハ１１上に溶
融はんだ５２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。

なお、はんだとしてはｐｂ−ｓｎの共晶はんだを使用し
、はんだ温度を２４０℃に維持した。また、溶融はんだ
５２には周波数４０ｋＨ２，出力３０Ｗの超音波を印加
し、はんだづけＲＩＷｌは５秒間とした。また、この場
合には、はんだづけ面積が大きいため、周囲に不活性ガ
スを流す必要がなかった。

？この操作により第合図に示すような、バンブ高さ１００
虜のはんだバンプ３５が形成された。

次いで、シリコンウェハ１１をプ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な
ったが、全く問題は生じなかった。

なお、本発明において用いられる超音波はんだづけ装置
は、上記実施例１〜３で用いたものに限らす、例えば第
５図に示すようなものでもよい。

第５図図示の超音波はんだづけ装置は、はんだ槽６１内
体が超音波１！動し、溶融はんだ６２に超音波を印加す
るものである。

また、上記実施例１〜３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あるいは
ＣＣＢ方式等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６図（ａ）に示すようなシ
リコン基板３１上に電ｗ１３３を形成し、全面をパッシ
ベーション１３４で被覆した後、電極３３上に開孔部を
設けたものと、第６図（ｂ）に示すようなガラスあるい
はセラミックス基板７１上に電極７２を形成し。

全面を絶縁ｌｌ７３で被覆した後、電極７２上に開孔部
を設けたもののそれぞれについて、実施例１〜３で説明
したような方法で電極３３．７２上にはんだバンプ３５
を形成する。次に、第６図（Ｃ）に示すように、両者の
はんだパン１３５同大を熱圧着することにより接合する
。

更に、上記実施例１〜３では、本発明をＡＱを主成分と
してＳｉ、Ｃｕ等の添加物を含む電極上でのはんだバン
プ形成について説明したが、本発明は電極がタングステ
ン、モリブデン等の金属又はこれらの金属のシリサイド
であっても同様に通用できる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明のはんだバンプの形成方法によ
れば、穫めて簡便な工程で電極上にはんだバンプを直接
形成することができ、ワイヤレスボンディング技術の導
入を゛容易にし、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等産業上極めて
顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１におけるはんだバンプの形成
方法を示す説明図、第２図は本発明方法によりはんだバ
ンプが形成されたシリコンウェハの断面図、第３図は本
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図は本発明の実施例３におけるはんだバン
プの形成方法を示す説明図、第５図は本発明の他の実施
例におけるはんだバンプの形成方法を示す説明図、第６
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、第７図は従来の
はんだバンプが形成されたシリコンウェハの断面図であ
る。１１・・・シリコンウェハ、２）・・・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・・・シリコン基板
、３２・・・絶縁膜、３３・・・電極、３４・・・パッ
シベーション躾、３５・・・はんだバンプ、４１・・・
はんだ槽、４２・・・還流路、４４・・・撹拌棒、４５
・・・超音波振動子、５１・・・はんだごて、５２・・
・溶融はんだ、６１・・・はんだ槽、６２・・・溶融は
んだ、７１・・・ガラス又はセラミックス基板、７２・
・・電極、７３・・・絶縁膜。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板を被覆する絶縁膜から電極を露出させた基板
の、少なくとも電極部に溶融はんだを接触させ、該溶融
はんだに超音波を印加して電極表面の自然酸化膜を破壊
するとともに、電極との合金化により選択的にはんだを
付着させることを特徴とするはんだバンプの形成方法。
（２）基板を溶融はんだ槽に浸漬することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のはんだバンプの形成方法。
（３）基板が半導体基板又はガラスもしくはセラミック
ス基板であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のはんだバンプの形成方法。
（４）電極がアルミニウムを主成分とし、はんだがＳｎ
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のは
んだバンプの形成方法。
（５）非酸化性雰囲気中で処理することを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載のはんだバンプの形成方法。