JPS6366949A - はんだバンブの形成方法 - 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ざンディング技
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１００βｍ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ビ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）上にバンプをうなものである。第９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ＡＪ又はＡＩ金合金からなる電極３がバターニングさ
れて形成され、全面に窒化シリフン膜等のバッジページ
璽ン膜４を被覆した後、電極３上のパッジベージ冒ン膜
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。

ＮｉｌＭｏ、Ｃｕ、人ｕＳＡｇ等からなる下地金Ｗ４５
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１はん属のエツチン
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、
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。

このため、超音波を利用したはんだづけによりｋｌ電極
上にバンプを形成する方法が提案されている（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ＳｎＳｚｎＳｎ５ｚｎＳ。

ｓｂを基準成分とするため、Ａｌ電極の溶解あるいは電
極以外の部分にも付着してしまう不良が発生し、バンプ
の高さも低いという問題がある。

（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消するためになされたものであ
り、電極上に下地金Ｋを設けることなく、直接バンプ高
さの高い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ものである
。

〔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、少なくとも１！極部にアルミニウムを含む溶
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。

はんだ層を形成する際の作用を原理的に説明すると以下
のようになる。まず、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。こあ気泡は瞬時に成長
・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なわれる。

このようにして電極上に直接接合してはんだ層が形成さ
れる。

この際、超音波の衝撃が大きすぎるとＡＪ組電極溶解す
る事がある。このため事前にはんだ中にＡｌを溶解して
おくとはんだ中へのＡ／の溶解腐が低くなるためＡｌ電
極の溶解がおこりにくくなる。

高温で使用するはんだとしては７０〜９５Ｚｎ−５〜３
０ＡＡ！・低温で使用するはんだとしては４０〜７０８
ｎ−３０〜５０Ｚｎ−１〜５Ａｇ−１〜５Ａｌを使用し
てもよい。この他にＺｎ、Ｓｎ、Ｃｄ　。

Ｐｂｓ　Ｂｉｓ　Ｉｎ５Ｃｕ等の成分にＡｌを添加する
場合もよい。また人ｌだけでなく人ｌの化合物たとえば
人１２０．　、ＡＩＮ等の化合物を添加したはんだでも
よい。この場合化合物は主として粉末で添加される事が
よいが、この粉末からはんだ中にＡｌが拡散して、結果
的にＡｌの溶解度を下げるのである。はんだ層を形成す
るための具体的方法としては、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、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。なお、古くなった電極では、その表面が汚染物で覆
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。

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、電極以外のパッジベージ四ン膜等の絶
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、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、本発明方法の処理、特にはんだ層を形成する処理
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、電極の構成元素であるｋｌ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。

本発明方法においてはんだ層を形成する際、溶である。

これは、周波数が低すぎると、上記のような作用が起り
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、好ましくは１０〜３００Ｗである。一方、溶
融はんだの温度は２３０〜３Ｓ＼０°Ｃ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Ａｌの溶解が起り、逆
に温度が低く処理時間が短いと人ｌ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、溶融はん
だ温度２４０〜３２０’Ｃ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Ｏ 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　％　Ｆ　ｅ　ｓ　Ａ　ｌ　ｓＦｅ、Ｎｉ
合金、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ等が用いられる。これらの金属
をめっきにしたものでもよい。

ただし、リードフレーム側がＦｅ−Ｎｉ合金の場合には
７ラツクスを使用し、ＡＩ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、電極上に直接はんだバンプを形成し、更に第２層
目以降の金属層を付着させてバンプ高さを高くすること
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ｉ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、全面にパッジページ曹ン膜を堆積し、更に
フ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ＩＡｍのＡＩ−２％８ｉ−２％Ｃ
ｕからなり、またバッジベージ璽ン膜としては窒化シリ
コン膜が用いられている。そして、このシリコンウニ１
１に形成された各チップには８０μｍ口電極（コンタク
トパッド）がそれぞれ６４個形成されている。

ナオ、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
される攪拌棒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ｇ５Ｚｎ−ｋｌの高温はんだを使
用し、はんだ槽温度を４００’Ｃ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２０ＫＨ
ｚ、出力１８０Ｗの超音波を印加し、シリコンウェハ１
１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１０１／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６図に示すように、ＡＩ極の溶解もほ
とんどなくはんだ層が形成された。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、全面を被覆するバッジベージ曹ン膜３４か
ら電極３３が露出しているが、浸漬後にこの電極３３上
にはんだ層３５が直接接合して山型に形成された。この
はんだ層３５の高さは２５μｍであった。なお、電極３
３とはんだ層３５との接合面にはＡＩとＳｎ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１９０°Ｃで両者を熱
融着した。このインナーリードざ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Ａｌ−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６
０μｍ口の電極（コンパクトパッド）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、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をマスクした。

このシリフンウェハ１１の電極上に、第２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２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
れる撹拌棒４４により還流路４２内を通ってはんだ槽４
１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ャックにより吸着さ
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Ａｌを４％含む６０８ｎ−Ｚｎの
はんだを使用し、はんだ槽温度を３７０°Ｃ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３０　ＫＨｚ、出力１００Ｗ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。このはんた
づけ操作中、周囲に人ｒガスを２０１／分の流量で流し
た。

この操作により人ノ電極の溶解もほとんどなくはんだ層
が形成された。このはんだ層３５の高さは１５μｍ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ざンディングを行な
ったが、全く問題は生じなかった。

実施例３ まず１実施例１と同様なシリコンウェハ１１を用意した
Ｏこの場合、配線・電極としてはＡｌ−１％Ｓｉが用い
られ、シリコンウェハ１１に形成された各チップには５
００μｍ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。

次に、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５１を用い、シリコンウェハ１１上に溶融
はんだ５２を低下するとともに、超音波を印加した。

なお、はんだとしては０．２５μｍ径に調整されたＡＪ
ｔＯ，を３％含んだｃ＋５ｓｎ−人ｇのはんだを使用し
、はんだ温度を２８０ｃｃに維持した。また、溶融はん
だ５２には周波数４０　ＫＨｚ　、出力１３０Ｗの超音
波を印加し、はんだづけ時間を５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Ａ７１！極の溶解もほとんどなくはんだ
層が形成された。このはんだ層の高さは１００μｍ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
藺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、全く問題が生じなかった。

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６１内
体が超音波振動し、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７リツプチツプ方式あるいは
ＣＣＢ方式等他のワイヤレスビ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７１上に絶縁膜を介して電極７２を形成し、
全面をバッジページ冒ン膜７３で被覆した後、電極７２
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８１上に電極８２を形
成し、全面を絶縁膜８３で被覆した後、電極８２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７２．８２上に複数層からな
るはんだバンプ７４．８４を形成する。次に、第６図（
Ｃ）に示すように、両者のはんだバンプ７４．８４同士
を熱融着することにより接合部９０を形成する。

更に、上記実施例１〜３では、本発明をＡＪを主成分と
してＳｔ、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、モリブデンチタ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、極めて簡便な工程で電極上にバンプ高さの高いは
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３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÷÷÷〜十尋÷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、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・・・シリコン基
板、　３２・・・絶縁膜、３３・・・を極、　　　　　
　　　３４・・パッジベージ冒ン膜１３５・・・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・・・シリコン基板、７
２・・・電極、７３・・・パッジベージ目ン膜、８１・
・・ガラス又はセラミックス基板、８２・・・電極、８
３・・・絶縁膜、９０・・・接合部。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　　　竹　　花　　喜久男 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６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
   くとも電極部にアルミニウムを含んだ溶融はんだを接触
   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）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）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。