JPS6358947A - 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ｖＲ圏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１００−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−ティラドボンディング方式（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〈パッ
ド）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−３ｎ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−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
腹等の絶縁膜２を介して八２又はＡ　Ｉ２Ａ金等からな
る電極３がバ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Ｃｒ１
Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＡｕｌＡｇ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、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１〜３１１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′ｆＩ４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、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、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３ｎ
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３ｎ−７ｎを主成分としているため、ＡＪ２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。また、超音波のエネルギーが大きすぎる
とパッシベーション膜にキャビティーを発生させる等の
損傷を与え、半導体特性等を劣化させるという問題があ
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と
ともに、基板の特性を劣化させることがないはんだバン
プの形成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、基板を被覆する絶縁膜から電極を
露出させ、該基板を軟質材料を介して剛体からなる支持
体に装着し、少なくとも電極部に溶融はんだを接触させ
て該溶融はんだに超音波を印加し、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
んだ層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ｉ！電極表面強い衝撃
が与えられ、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
づけが行なわれる。このようにしてＭ極上に直接接合し
てはんだバンプが形成される。この際、超音波エネルギ
ーの一部は軟質材料によって吸収されるので、半導体基
板のパッシベーション膜等に損傷を与えるような悪影響
は少なくなる。

本発明方法を実施するための具体的な手段としては、基
板を軟質材料を介して剛体からなる支持体に装着し、こ
れ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
極部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。

本発明方法において、軟質材料としては、はんだ温度に
耐えうるちのであれば何でもよい。具体的には、シリコ
ーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴムが望ましいが、他の
ゴム、例えばスチレン−ブタジェンゴム、ブタジェンゴ
ム、イソプレンゴム、ニトリルゴム、塩素系ゴム、アク
リル系ゴムでもよい。また、ゴム以外では、高温まで耐
えうるポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹
脂等の樹脂でもよい。

本発明方法において、支持体を構成する剛体は、セラミ
ックス、ステンレス鋼、チタン合金、鉄合金等、はんだ
と直接接合しないものが用いられるが、加工性がよく入
手が容易なステンレス鋼が望ましい。

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。、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も
、両面に粘着剤を塗布したゴム等の軟’ｉ材料を用い、
ウェハを軟質材料を介して支持体に接着しておくことが
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Ａ２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３ｎを含んでいればどのようなものでもよい
が、通常はＰｂ−８ｎ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、電極とはんだバ
ンプとの間にＡ２と３ｎ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、Ａλ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
ｋＨ２〜１　Ｍ　Ｈｚ程度でよく、好ましくは１５〜４
００ｋＨｚ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クク、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１０〜３０
０Ｗである。

一方、はんだの温度は２３０〜３５０℃程度、処理時間
は１．０〜３０秒程度である。これは温度が高く処理時
間が長いと電漫の構成元素である八２の溶解が起り、逆
に温度が低く処理時間が短いと八λ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＠
度２４０〜３２０℃程度、処理時間２〜１５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Ｓ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、ＡＱ。

Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ａｕ、ＡＱ、Ｓｎ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−Ｎｉ合金の場合にはフラックスを使
用し、八２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、基板を軟質材料を介して支持体に装着しているので
、基板の特性への悪影響を軽減することができる。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。

（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
により形成された躾厚約１−のＡ２−２％５ｉ−２％Ｃ
Ｕからなり、またパッシベーション膜としては窒化シリ
コン摸が用いられている。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８ＯＪｉＩｔ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、シリコンウェハ１１は両面に
高温用の接着テープを貼付したシリコーンゴムからなる
軟質材料１２を介してガラス板からなる支持体１３に装
着されている。

一方、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は縦にした状態で噴出して
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９０Ｐｂ−３ｎ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により溶融はんだ２３に周波数
２００ｋＨｚ、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１０β／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２図に示すように、はんだパン゛ブが
形成された。すなわち、浸漬前にはシリコン基板３１上
には絶縁膜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、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。このはんだバンプ３５
の高さは２５−であった。なお、電極３３とはんだバン
プ３５との接合面にはＡＱとＳｎとの合金層が薄く生成
していた。また、パッシベーション膜３４を顕微鏡観察
したところ、キャビティーの発生密度は３個／ＩＭ２で
あった。

これと比較するために、シリコーンゴム１２を用いない
で、シリコンウェハ１１をガラス板１３に直接接着した
以外は上記と同一の条件ではんだバンプを形成した場合
、パッシベーション膜３４のキャビティーの発生密度は
２０個／ｍ”であり、本発明に係る方法よりもはるかに
損傷が多かった。

次いで、本発明に係る方法ではんだバンプが形成された
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Ａ之−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６
０ＩＩＲ口の電極（コンタクトパッド）がそれぞれ１２
８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、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
で電極以外の金属なマスクした。

このシリコンウェハ１１の電極上に、第３図に示すよう
なはんだづけ装冒を用いてはんだバンプを形成した。第
３図において、シリコンウェハ１１は両面に高温用の接
着テープを貼付したポリイミドからなる軟質材料１２を
介してステンレス鋼板からなる支持体１３に装着されて
おり、この支持体１３は図示しない真空チャックで吸着
されている。一方、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
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、電極が形成されている表面の全面が噴出し
ている溶融はんだ４３の液面に浸漬される。そして、は
んだ櫂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Ａｇを２％含むＰｂ−８ｎの共晶
はんだを使用し、はんだ槽温度を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の浸漬時間は３秒問とした。このはんだづけ操
作中、周囲にＡｒガスを２０β／分の８ｉ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１５ｐＲ
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一〇のはんだ槽内に２秒間
浸漬してバンプ高ざを２５，１１１１１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
購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及び２で用いたものに限らず、例えば
第４図に示すようなものでもよい。

第４図図示の超音波はんだづけ装置は、はんだ槽５１自
体が超音波撮動し、溶融はんだ５２に超音波を印加する
ものである。

ま・た、以上の実施例では溶融はんだに超音波を印加し
たが、これに限らず、基板や支持体に超音波を印加して
も同様の効果を得ることができる。

また、上記実施例１及び２では、本発明をＴ　Ａ　Ｂ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膜６３で被覆した後、電
極６２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７
２を形成し、全面を絶縁ｖｉＩ７３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及び２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Ｗ１看することにより接合部８０を形成する。

更に、上記実施例１及び２では、本発明をＡ２を主成分
として３ｉ、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 以上詳述した如く本発明のはんだバンプの形成方法によ
れば、基板の特性の劣化を招くことなく、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署な効果を
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極部の断面図、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極部の断面図である
。 １１・・・シリコンウェハ、１２川軟質材料、１３・・
・支持体、２１・・・はんだ槽、２２・・・還流路、２
３・・・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・・・はんだ槽、４２・
・・還流路、４４・・・撹拌棒、４５・・・超音波撮動
子、５１・・・はんだ槽、５２・・・溶融はんだ、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、７２・・・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 (7)

【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、該基
   板を軟質材料を介して剛体からなる支持体に装着し、少
   なくとも電極部に溶融はんだを接触させて該溶融はんだ
   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層を付着さ
   せることを特徴とするはんだバンプの形成方法。
2. （２）軟質材料がゴム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。
3. （３）支持体を構成する剛体が超音波を印加してもはん
   だと接合しない金属又はセラミックスのいずれかの材料
   からな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）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。
5. （５）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。
6. （６）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。
7. （７）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。