JPS63289947A - はんだバンプ付き基板及びその製造方法 - 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き基板及びその製造法に関し、
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つに大別をれ
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ＶＣは主弁対応できるが、素子の高集積
化に伴い、電極の寸法が１００μｍ口以下となり、かつ
高密度となるしてっれ、特Ｖこ信軸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、例えばチー
ブオートメ−ティラドボンディング方式（ＴＡＢ方式）
、フリラグチップ方式あるいはＣＣＢ方式等が知られて
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−８ｎはんだが検「すきれている。

従来、半纏体チップの電極上に形成されるｐｂ−８ｎは
んだからなるバンプは、第６図に示すようなものである
。第６図において、シリコン基板１上には酸化シリコン
膜等の絶縁膜２を介してＡｌ又はＡ７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
ン膜等の絶縁膜４を被覆した後、電極３上の絶縁膜４を
選択的にエツチングして電極３を露出させている。露出
した電極３上にはＣｒ、Ｎｉ　、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａ
ｇ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属５とし
ては１層〜３層の金属層が設けられ、極々の組合わせが
検討されている。

ところで、はんだバンプ６は通常メッキ又は蒸着によυ
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、例えば磁極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、電極部が開孔しためっ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
バンプ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
グ液に浸されるといり欠点がある。

したがってｓ　Ｓｎ、Ｐｂ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、例えば電極孔あけ工程が紙
工した後、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ＶＣ１〜３層の下地金属を蒸着し
、パターニングし、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めるいは蒸着されな
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。

このため、超音波を利用したはんだづけによりＡｌ１ｍ
極上にバンプを形成する方法が提案されている（特開昭
５３−８９３６８）。しかし、この方法で用いられてい
るはんだはＳｎ　、Ｚｎ　、Ｍｏ　、　Ｂ　ｉ　、　Ｓ
ｂを基準成分とするため、Ａｌ電極以外の部分にも付着
してし１うし、バンプの高石も低いという欠点がある。

ものであり、基板に設けられた電極上に下地金属ケ設け
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全提供することを目的とするも
のである。

〔発明の構成〕 （問題を解決するだめの手段と作用） 本発明のはんだバンプ付き基板は第１図に示す様に基板
上Ｃ３ｔ）を被なする絶縁膜（ロ）から露出したＡｊ又
はｈｌ　＠金からなる［　ｃ！ｋＷ上にＰｄ、Ｐｔ、Ａ
ｕ、の電イう うち少なくとも一種を含んだはんだバンプ（ハ）が形成
されておシ、この接合層はＰｄ、Ｐｔ、Ａｕのうち少な
くとも一種及びＡｌの合金（至）からなる事を特徴とす
るもので、さらに超音波はんだづけを利用し、はんだ中
のＰｄ、Ｐｔ、ＡｕとＡｌを強制的に反応させる製造方
法を特徴とするものである。

なお本発明においてｂ　Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕを選択したの
は、Ａｕ、Ｐｄ、ＰｔはＡｌへ、の拡散係数が大きくな
いので薄いＡｌ電極を用いた場合でも電極をつきぬけて
基板へ拡散する事がなく、特Ｋ　Ｐｄ、Ｐｔを用いた場
合には強固な金属間化合物が形成される為接合強度が強
くなる。

接合層は通常のはんだに含まれるＳｎ、ＺｎとＡｌとの
共晶反応生成物をつくってもよいが、よシ以上の信頼性
を確保するためには、Ｐｄ、Ａｕ、ＰｔとＡｌの反応を
させた方がよい。しかし、従来のめっきや蒸着では工程
も複雑で歩留シも悪いため、はんだ中にあらかじめＰｄ
、Ａｇ、Ｐｔを入れＡｌと反応させるのがよい６特に強
制的に反応させるためには超音波はんだづけがよい。接
合層の厚さは、ＡＩの膜厚にもよるが、５μｍ以下がよ
く、それ以上ではもろい金属間化合物ができるため破壊
が生じる。望しくけ加ｍ以下がよい。さて、接合層の種
別であるが、Ｐｄの場合、Ａｌ−ＰｄＡｌ３の混在組織
が一般的であるが、一部Ｐｄ　２Ａｌ　３　、ＰｄＡｌ
．Ｐｄ　２Ａｌができてもうすい場合はよい。ｐｔの場
合Ａｌ−ＰｔＡｌ３の混在組織が主であるが、一部Ｐｔ
Ａｌ２ができてもうすい場合はよい。Ａｕの場合Ａｌ−
ＡｕＡｌ２の混在組織であるが、ＡｕＡｌ．Ａｕ２Ａｌ
．Ａｕ５Ａ＃２　、Ａｕ４Ａｌもうすい場合はできても
よい。またいずれの場合もＡｌにＰｔ、Ｐｄ、Ａｕの固
溶度がある場合は固溶していてもよい。

次に、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
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、′＆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或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浸漬する場合、ブレ
ードダイシングを行なった後であると、ダイシンダライ
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−極としてＡｌ又はＡｌを主
成分としてＳｉ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Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕを含む純度のよいはんだで
あればどの様なものでもよいが、Ｓｎ系でいえば１０ｗ
ｔ％までのＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｂ−８ｎ系ででいえば
１０ｗｔ％ｔでＡｕ、Ｐｄ、Ｐｔを含んだはんだ（望ま
しくは５ｗｔ％以下）　Ｐｂ系では、７ｗｔ％までこれ
ら成分をふくんだはんだが一般的である。

特別なものとしてはＡｕを７υ〜９０ｗｔ％含＾、残部
ＶＣＳｔ　、Ｇｅ、Ｓｎを含んだものや、Ｉｎ系で１０
ｗｔ％までＡｕ、Ｐ＄、Ｐｄを含んだものもあるが、こ
れらのはんだでもよい。

また、はんだづけ操作は、不活性カ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、　Ａ６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同士が接
続する不良かうε生ずるためである。

本発明において、浴融けんだに印加する超音波の周波数
はｌＯ〜６０　）Ｇ（ｚ程度でよく、好°ましくけ１５
〜４０　ＫＦ（ｚである。これは、周波数が低すさると
、上記のような作用が起υに＜＜、逆に高すぎると電極
等の剥離を起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、好丑
しくはｌＯ〜３００Ｗである。またはんだの温度は融点
よりも３０゛Ｃ以上望ましくは５０°Ｃ以上の温度を選
ぶと効率的にバンプ形成が行える。

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、１゛肺方では、はんだバンプが形成された十６
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？構成する導体
金属はＣｕ　、Ｆｅ　、Ａｌ　、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ａｕ
、Ａｇ、Ｓｎ等が用いられる。これらの金属をめっきし
またものでもよい。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、Ａｌ
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やＣＯＤ方式で
ははんだバンプが形成きれた半導体チップとはんだバン
プが形成されたカラス又はセラミックス基板のバンプ同
士を熱融着する。

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、また絶縁膜を破壊することなく、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、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。

（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 通常のウエハグロセスにより配線・電極の形成を行なっ
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シ形成された膜
厚的１μｍのＡｌ　−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１ＩＶｃ形成された各チップには３
０μｍ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なっていない。

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。ｉ１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、Ｚ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シ回
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５ｎ−３７Ｐｂ−２Ａｕはんだを
使用し、はんだ槽温度を２８０°ＯＫ維持した。また、
超音波振動子２５により溶融はんだ２３１Ｃ周波数２０
　ＫＨｚ　ｓ出力８０Ｗの超音波を印加し、シリコンウ
ェハ１１の浸漬時間は１秒間とした。このはんだづけ操
作中、周囲に窒素ガスをｌＯｌ／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。

この操作によシ第１図に示すように、はんたバンプが形
成された。すなわち、浸漬前にはシリコン基板３１上に
は酸化膜３２を介して電極３３が形成され、全面を被覆
する絶縁膜３４から電極３３が露出しているが、浸漬後
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２５μｍでおった。

なお、電極３３とはんだバンプ３５との接合面にはＡｌ
のＡｕの化合物ができていた。と＜１ｃＡｕは２０〜３
０ｗｔ％濃縮しており、　ＡｌとＡｕＡｌ２が混在した
層が０．３〜０．６μｍの厚さで生成していた。これに
よシ接合は充分だもたれていた。

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、その表面に金めっきが施された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°０で両者を熱
融着した。このイン矢−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、配線中電極としてはＡｌ−１チ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４０μｍ
口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ１６３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
後、かなりの期間を経ており、′成極表面が固い酸化膜
で覆われていることが予想きれた。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
金属をマスクした。

次に、菓３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３図において、はんだ槽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
転される攪拌棒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υ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ャックによシ吸
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５ｎ−ＩＰｔはんだを使用し、は
んだ槽温度を３３０°Ｃに維持した。また、超音波系動
子４５により溶融はんだ４３に周波数３０　ＫＨｚ、出
力５０Ｗの超音波を印加し、シリコンウェハ１１の浸漬
時間は３秒間とした。このはんだづけ操作中、周囲にＡ
ｒガスを２０１／分の流量で流した。

この操作により第２図に示すようなバンプ高石１５μｍ
のはんだバンプが形成ぜれた。更に、超音波を印加しな
い一般のはんだ槽内に２秒間浸漬してバンプ高さを２５
μｍとした。

バンプと成極界面にはＡｌ−Ｐｔの化合物が約１０００
Ｘ成長しており、Ｐｔの濃度は約１０ｗｔ％と計算芒れ
た。

次いで、シリコンウェハ１１をブレードダイシングして
ず面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 実施例１と同様なシリコンウェハｌｌｋ用意した。この
場合、配線＠電極としてはＡｌ−１％Ｓｉが用いられ、
シリコンウニノー１１に形成された各チップには５００
μｍ口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ２僧形成
されている。

第４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、シリコンウニノー１１の一極上に溶
融ばんだ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。

はんだ材としては、以下に示すものをそれぞれ使用した
。

１）　Ｃｄ−１６Ｚｎ−２Ｐｄ ２）Ｓｎ−４６Ｐｂ−２Ｐｄ−２Ｐｔ ３１　Ａｕ−１５５ｎ−９Ｐｂ いずれの場合でもはんだ温度はそれぞれの液相線より５
０゛Ｃ高い温度に保持した。また、溶融はんだ５２には
周波数１５　ＫＨｚ　、出力１３０Ｗの超音波を印加し
、はんだづけ時間は５〜２０秒間とした。この操作によ
り第１図に示すような、バンプ高さ１００μｍのはんだ
バンプ３５が形成された。バンプとＡｌ　’成極界面に
は、ＡｌとＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ中の少なくとも一種の化合
物が生成きれていた。

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。

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インクにも同様に適
用できる。この場合、まず第５図（ａ）に示すようにシ
リコン基板３１上に絶縁膜を介して電極３３を形成し、
全面を絶縁膜３４で被覆した後、電極３３上に開孔部を
設けたものと、第５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″α櫃７２を形成し、全面
を絶縁膜７３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５図（ｃ）に示すように、両者のはんだ
バンブ３５同士を熱融着することにより接せする。

更に、上記実施例１〜３では、本発明をＡｌ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１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適用できる。

〔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、絶縁膜の破壊を招くことなく、極めて簡便な工程
で電極上にはんだバンプを直接形晟することができ、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擬するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によシはんだバンプが形成てれたシ
リコンウェハ断面図、第２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（ａ）〜（ｃ）は本発
明の他の実施例におけるワイヤレスポンディングの工程
を示す断面図、第６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、２１・・・はんだ槽、２２
・・・還流路、２３・・・溶融はんだ、２４９０．撹拌
棒、２５・・・超音波振動子、３１・・・シリコン基板
、３２・・・？縁膜、３３・・・−ｉ［極、３４・・・
）（ツシベーション膜、３５・・・はんだバンプ、４１
・・・はんだ槽、４２・・・還流路、４４・・・攪拌棒
、４５・・・超音波振動子５１・・はんだごて、５２・
・・溶融はんだ、ｔｉｌ・・・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。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　松山光之 第１図 ３！：１ 第２図 （ａ）　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板を被覆する絶縁膜から露出したＡｌ又はＡｌ合
   金からなる電極と、前記電極上にＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、の
   少なくても一種及びＡｌの合金からなる接合層を介して
   、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕの少なくとも一種を含むはんだバン
   プとを備えた事を特徴とするはんだバンプ付き基板。 ２）接合部の厚さが５μｍ以下である事を特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のはんだバンプ付き基板。 ３）基板が半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板
   のいずれかである事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付き基板。 ４）Ａｌ又はＡｌ合金からなる電極表面に、Ｐｄ、Ｐｔ
   、Ａｕの少なくとも一種を含む溶融はんだを接触させた
   後、前記溶融はんだに超音波を印加し、溶融はんだと電
   極表面部との合金化によりはんだを付着させる事を特徴
   とするはんだバンプ付き基板の製造方法。 ５）非酸化性雰囲気中で付理する事を特徴とした特許請
   求の範囲第４項記載のはんだバンプ付き基板の製造方法
   。