JPS6358946A - はんだバンプの形成方法 - 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の形成方法に関し、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十分対応できるが、素子の高集積化
に伴い、電極の寸法が１００ｕ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ポンデイ信頼性を確保するため
に実用化がなされている。

このワイヤレスポンディング技術としては、例えばテー
プオートメ−ティラドポンディング方式（ＴＡＢ方式）
、フリップ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（バッ
ド）上にバンプを形成する。このバンプとしては、従来
がら安価なＰｂ−８ｎはんだが検討されている。

従来、半導体チップのＮ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
ｍ等の絶縁膜２を介してＡｕ又はｌＪ２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
コン膜等のパッシベーション膜４を被覆した後、電極３
上のパッシベーション膜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、ｌ
’Ｊ　！　、ＭＯｌＣｕ、Ａｕ、ＡＱ等からなる下地金
ＷＡ５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、種々の組合わせが
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、電極上の自然酸化膜を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
同順がないが、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、３ｎ。

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終
了した後、電極上の自然酸化膜を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、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。

これを改善するために、超音波を溶融はんだ中に印加し
て、このはんだ中に半導体基板を挿入し、電極上に直接
はんだバンプを形成する方法が知られている（特開昭５
３−８９３６８）。しかし、この方法で用いられている
はんだは５ｎ−７ｎを主成分としているため、Ａ２電極
以外の部分にもはんだが付着するという不具合が生じる
ことがある。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解決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選択的に直接は
んだバンプを形成することができ、工程を簡略化できる
方法を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段と作用）本発明のはんだ
バンプの形成方法は、基板を被覆する絶Ｉ！膜から電極
を露出させ、少なくとも電極部にはんだを接触させて前
記基板に超音波を印加し、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、電極部にはんだを接触させた状態で基板に超
音波を印加すると、超音波エネルギーにより電極表面の
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なわれる。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し超音波撮動子等
により基板を超音波撮動させてもよいし、基板の電極上
にはんだペーストやはんだボールを設けておき外部から
加熱するとともに超音波振動子等により基板を超音波撮
動させてもよい。

上記のように基板を溶融はんだ中に浸漬する場合、基板
全体を浸漬してもよいし、部分的に浸漬してもよい。こ
の場合、電極以外のパッシベーション膜等の絶縁膜には
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。

また、基板上にはんだペーストを塗布する場合、基板全
面に塗布してもよいし、ポリイミド等で表面を被覆した
後、電極部だけエツチング除去しはんだペーストを塗布
してもよい、また、はんだボールは通常の方法で電極上
に載せればよい。はんだペーストやはんだボールを用い
る場合、雰囲気を加熱してもよいし、超音波撮動子自体
を加熱してもよい。

更に、はんだバンプ形成後、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浸漬してバン
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。なお、半導体ウェハの場合には、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模、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Ａｌ１又は八２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ｐｂ−８ｎ系の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
、Ｎ極とはんだバンプとの間にＡｌ１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、Ａｌ２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が発生する
ためである。

本発明において、基板に印加する超音波の周波数は１０
ｋＨｚ〜１ＭＨ２程度でよく、好ましくは１５〜４００
ｋＨｚである。これは、周波数が低すぎると超音波の撮
動作用が起りにくく、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１０〜３００Ｗで
ある。

一方、はんだの温度は２３０〜３５０℃程度、処理時間
は１．０〜６０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の溶解が起り、逆
に温度が低く処理時間が短いとＡ２とはんだとの合金化
が行なわれなくなるためである。好ましくは、はんだ温
度２４０〜３２０℃程度、処理時間３〜２０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、はんだの濃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、Ａｆｆｉ、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ａｕ
、ＡＱ、５ｎ等が用いられる。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−Ｎ
ｉ合金の場合にはフラックスを使用し、ＡＪ２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ＣＣＢ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同士を熱ｍ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
なく電極上に選択的に直接はんだバンプを形成できるの
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 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１１ｉｉＩｔのＡ℃−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８０−口の電極
（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。

次に、第１図に示すような超音波はんだづけ装置を用い
、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１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ａ部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に
当接するように超音波振動子２５を設置してシリコンウ
ェハ１１に超音波を印加する。

なお、はんだとしては９０Ｐｂ−８ｎのはんだを使用し
、はんだ槽温度を３００℃に維持した。

また、超音波振動子２５によりシリコンウェハ１１に周
波数２０ｋＨｚ、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５秒間とした。このはんだづ
け操作中、周囲に窒素ガスを’（０１２７分の流ｍで流
し、′Ｒ橿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。また、パッシベーション膜３
４へのダメージはほとんどなかった。

この操作により第２図に示すように、はんだバンプが形
成された。すなわち、操作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
するパッシベーション膜３４から電極３３が露出してい
るが、操作後にこの電極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。このはんだバンプ３５の
高さは２５譚であった。なお、電極３３とはんだバンプ
３５との接合面にはＡ２と３ｎと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塵された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。

実施例２ 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・電極としては八２−１％Ｓ１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１
００ｘ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は素子形成後、がなりの
期間を経ており、電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クした。

次に、第３図に示すように、シリコンウェハ１１の電極
上に直径８０−に調整されたはんだボール（図示せず）
を設置し、これを超音波振動子４１上に載せて加熱炉４
２内に挿入した。なお、はんだボールとしてはＡＱを２
％含むＰｂ−８ｎの共晶はんだからなるものを使用した
。そして、ヒータ４３により加熱炉４２内の湿度を２６
０℃に維持した。また、超音波振動子４１によりシリコ
ンウェハ１１に周波数３０ｋＨｚ、出力５０〜■の超音
波を５秒間印加した。このはんたづけ操作中、炉内にＡ
ｒガスを２０Ｑ／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さ１２譚の
はんだバンプ３５が形成された。更に、シリコンウェハ
１１を超音波を印加しない一般のはんだ槽内に２秒間＋
ｅしてバンプ高さを２５譚とした。

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・電極としてはＡβ−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２
００−口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ７個形
成されている。

次に、シリコンウェハ１１の全面にポリイミド５１を塗
布し、電極部をエツチング除去した後、ローラ５２によ
りはんだペースト５３をすり込み、更に第３図と同様に
シリコンウェハ１１を超音波振動子上に載せて加熱炉内
に挿入し、はんだづけ操作を行なった。

なお、はんだとしてはＳ　ｎ　−Ａ　Ｑの共晶はんだを
使用し、炉内温度を２４０’Ｃに維持した。また、シリ
コンウェハ１１には周波数４０ｋＨｚ、出力３０Ｗの超
音波を印加し、はんだづけ時間は１５秒間とした。また
、この場合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２図に示すようなバンプ高さ１００ｇ
Ｒのはんだバンプが形成された。

次いで、シリコンウェハ１１をブレードダイシングして
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ず、例えば超
音波を印加することができるはんだごてのようなもので
もよい。

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５図（ａ）に示すようにシ
リコン基板６１上に絶縁膜を介して電極６２を形成し、
全面をパッシベーションＷＡ６３で被覆した後、電極６
２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上に電極７２を
形成し、全面を絶縁ＩＩＩ　７３で被覆した後、電極７
２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６２．７２上にはん
だバンプ６４．７４を形成する。次に、第５図（Ｃ）に
示すように、両者のはんだバンプ６４．７４同士を熱融
着することにより接合部８０を形成する。

更に、上記実施例１〜３では、本発明を八２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
であっても同様に適用できる。

［発明の効果コ 以上詳述した如（本発明のはんだバンプの形成方法によ
れば、極めて簡便な工程で電極上に選択的にはんだバン
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電橿部の断面図、第
３図は本発廚の実施例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の一部を示す説明図、第５図（ａ
）〜（Ｃ）は本発明の他の実施例におけるワイヤレスボ
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電橿部の断面図で
ある。 １１・・・シリコンウェハ、２１・・・はんだ槽、２２
・・・速流路、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
シベーション膜、３５・・・はんだバンプ、４１・・・
超音波振動子、４２・・・加熱炉、４３・・・ヒータ、
５１・・・ポリイミド、５２・・・ローラ、５３・・・
はんだペースト、６１・・・シリコン基板、６２・・・
電極、６３・・・パッシベーション膜、６４・・・はん
だバンプ、７１・・・ガラス又はセラミックス基板、７
２・・・電極、７３・・・絶縁膜、７４・・・はんだバ
ンプ、８０・・・接合部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板を被覆する絶縁膜から電極を露出させ、少な
   くとも電極部にはんだを接触させて前記基板に超音波を
   印加し、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. （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. （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. （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. （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。