KR20080034514A - 전자제품 제조에 있어서 주석-은 솔더 범핑 - Google Patents

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크리스티안 리트만
이고르 자바린
오르트루트 스타이니우스
윤 장
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Abstract

Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 티오우레아 화합물 및/또는 4차 암모늄 화합물을 함유하는 전기도금조(electrolytic bath)에 하부범프금속 구조(under bump metal structure)를 노출시키는 단계; 및 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는, 마이크로전자 장치(microelectronic device)의 제조에 있어서 하부범프금속 구조 상에 솔더 범프를 형성하는 방법.
솔더, 하부범프금속, 전기도금조, 티오우레아, 4차 암모늄

Description

전자제품 제조에 있어서 주석-은 솔더 범핑{TIN-SILVER SOLDER BUMPING IN ELECTRONICS MANUFACTURE}
본 발명은 주석-계 합금의 도금을 위한 전기도금조(electroplating bath) 및 도금 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로, 본 발명은 마이크로 전자 장치(microelectronic device)의 제조에 있어서 주석-은(Sn-Ag)계 합금의 솔더 웨이퍼 범핑(solder waper bumping)에 관한 것이다.
솔더 웨이퍼 범프는 전형적으로 주석-납(Sn-Pb)계 합금의 솔더를 함유한다. Sn-Pb 솔더는, Sn 63% 및 납 37%를 함유하는 저비등점의 공융혼합물(eutectic)을 포함하여 다양한 조성으로 형성될 수 있다. Sn 함량이 높은 합금은 미세 솔더(fine solder)라 불리고, 전기적 작업에 있어서 광범위하게 이용되고 있다. 많은 Sn-Pb 합금 조성물은 이들의 워커빌리티(workability)를 향상시키는 광범위한 페이스트화 온도(pasty temperature)를 나타낸다.
최근의 규제 및 환경을 고려한 기술개발에 있어서, Pb-무함유 솔더에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서, 순수한 Sn, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Ag, 및 3원 Sn 합금이 Sn-Pb 합금에 잠재적인 대안으로서 탐구되어왔다. 그중 특히 관심의 대상이 된 것은 Sn-Ag 합금인데, 이는 낮은 저항성, 안정성, 광범위한 용융점을 달성하는 능 력, 및 순수한 Sn 공급원에 의한 알파 입자 방출의 제거와 같은 성능적 유리함 때문이다.
Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범핑에 있어서 Ag의 사용에 관계된 특정 문제는 전기도금조에서 Ag 이온의 자발적인 감소에 관한 것이다. 예를 들어, 매우 귀금속인 Ag의 이온은 특정 UBM 층, 구체적으로 Cu 층에 노출될 경우 침지/치환 도금을 하려는 경향이 있다. 따라서, 전기도금 용액 내에 Ag 이온 농도의 정밀한 제어가 어렵게 되고, 이에 따라 Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 내에 Ag 금속 함량 및 균일성의 제어가 어렵게 된다. 용액 내에서 Ag 이온 함량의 제어 및 이에 의해 합금 솔더 웨이퍼 범프 내에 Ag 금속 함량의 제어를 가능하게 하는 도금 방법이 요구된다.
Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프를 이용하는 마이크로 전자 장치 제조자가 직면하는 또 다른 문제점은 종래의 전기도금조를 이용하여 달성될 수 있는 제한된 전류밀도에 기인한 낮은 작업처리량이다. 예를 들어, 미국특허 제6,638,847호에서는 Sn-Ag를 포함하여 Sn-기반 합금을 전기도금하는데 적절한 전류밀도는 3-5ASD 범위라고 보고되어 있다. 김(Kim) 외 다수는 착화제(complexing agent)로서 티오우레아(thiourea)를 이용하여 Sn-Ag 솔더를 도금하기 위한 1 내지 3ASD 범위의 전류밀도를 보고하고 있다. 참조문헌[Effects of Electroplating Parameters on Composition of Sn-Ag Solder, J. Electronic Materials, Dec. 2004]. 따라서, 고도의 작업처리량을 달성하기 위해 높은 전류밀도에서 도금할 수 있는 도금 조성물에 대한 요구가 존재한다.
발명의 개요
Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프를 도금하기 위한 전기도금조 및 방법을 제공하는 본 발명의 다양한 양태가 언급되어 있는데, 상기 도금조는 높은 전류밀도에서 도금을 가능하게 하고, 범프와 Cu UBM 사이에 실질적으로 감소된 또는 전체적으로 제거된 보이딩(voiding)을 보유하는 Sn-Ag 웨이퍼 범프를 도금하는 것을 가능하게 하는, 용액 내 Ag+ 이온의 안정성을 증대시키는 첨가제를 특징으로 한다.
따라서, 요컨대, 본 발명은 Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 N-알릴-티오우레아(N-allyl-thiourea) 화합물을 함유하는 전기도금조에 하부범프금속 구조(under bump metal structure)를 노출시키는 단계, 및 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는 솔더 범프의 형성방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 전기도금조에 하부범프금속 구조를 노출시키는 단계; 및 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는 솔더 범프의 형성방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한, Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 아미디노티오우레아(amidinothiourea) 화합물을 함유하는 전기도금조에 하부범프금속 구조를 노출시키는 단계; 및 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는 솔더 범프의 형성방법에 관한 것이다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 솔더 범프의 침착을 위한 Sn-Ag 전기도금조를 형성하는 방법에 관한 것인데, 상기 방법은 Ag+ 이온의 공급원을 Ag+ 이온에 대한 컴플렉서(complexor) 및 물과 혼합하여 임의의 Sn2+ 이온 공급원이 실질적으로 부존재하는 Ag 착물 함유 도금조 전구체(precursor)를 형성하는 단계; 및 Ag 착물을 함유하는 도금조 전구체에 Sn2+ 이온의 공급원을 첨가하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원, N-알릴-티오우레아 화합물 및 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 Sn-Ag 솔더 범프 도금용 전기도금 조성물에 관한 것이고; 또한 Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 아미디노티오우레아 화합물 및 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 Sn-Ag 솔더 범프 도금용 전기도금 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 특징은 하기에 부분적으로 자명할 것이고 부분적으로는 지적될 것이다.
도 1A, 1B, 및 1C는 실시예 11에 기술된 방법에 따라 제조된 솔더 범프의 SEM 사진이다.
도 2A, 2B, 및 2C는 실시예 12에 기술된 방법에 따라 제조된 리플로(reflow) 후 솔더 범프의 SEM 사진이다.
도 3A는 다이(die)의 패턴화된 분포를 보유한 웨이퍼를 나타낸다. 도 3B는 각각의 다이 내에 5개 웨이퍼 범프의 측정 지점을 나타낸다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명에 따르면, 마이크로 전자 장치를 제조하는데 이용하기 위하여 Sn-Ag 합금 솔더 범프가 전기도금조에서 유래하여 하부범프금속 구조, 예컨대 금속화층에 의해 도금된 실리콘 웨이퍼 기판 상에 침착된다. 예를 들어, Sn-Ag 합금 솔더 범프는 균일한 범프 높이, 범프 내에 균일한 Ag 함량 및 분포, 및 양호한 리플로 특성을 보유하도록 침착될 수 있다. 유리하게도, 전기도금조는 Cu 하부범프금속 또는 용해성 Sn 애노드(anode)의 Ag 침지/치환에 대하여 양호한 안정성을 나타내고, 높은 전류밀도에서 Sn-Ag 합금을 도금한다. 예를 들어, 실제로, 도금조는 Cu UBM 또는 용해성 Sn 애노드 상에 실질적으로 Ag 치환 없이, 1제곱데시미터 당 20amp(Amp/dm2, 이하 "ASD"라 한다)까지의 전류밀도에서 Sn-Ag 합금을 도금할 수 있다. 놀랍게도, 도금조는 범프와 Cu UBM 사이에 실질적으로 감소된 또는 제거된 보이딩을 보유하는 Sn-Ag 합금 범프를 도금한다. 본 발명은 마이크로 전자 장치 기판 상의 Sn-Ag 합금 솔더 범프에 관하여 기술되어 있고, 이때 솔더 범프는 일정 패턴으로 침착되어 예컨대 도 1A, 1B 및 1C에 나타낸 침착된 범프의 패턴을 형성한다. 이러한 범프는 리플로되어 도 2A, 2B, 및 2C에 나타낸 리플로 후 범프의 패턴을 생 성한다. 그러나, 전자 장치 기판으로서의 기판의 특성은 본 발명의 응용에 주요사항은 아니다.
본 발명은 Sn-Ag 전기도금조에 대한 특정 첨가제가 Ag+ 이온의 안정성을 증대시키고 높은 전류밀도에서 도금을 가능하게 한다는 발견에서 유래한다. 발견된 첨가제는 의도되지 않은 표면 상에 Ag+ 이온의 자발적 환원이라는 상기 언급한 문제점을 실질적으로 감소시키는데, Ag+ 이온의 자발적 환원은 도금조의 안정성 및 의도된 침착에 있어서 Sn-Ag 비율의 균일성을 손상시킨다. 일 구체예에서, Ag+ 이온의 안정성을 증대시키고 이용가능한 전류밀도를 확장시킴으로써 상기 유리한 효과를 달성하기 위하여, Ag+ 이온과 강하게 착화된 N-알릴 티오우레아 화합물이 도금조에 함유된다. 그러한 특정 화합물 중 하나는 N-알릴-N'-하이드록시알킬 티오우레아 화합물이다. 일 구체예에서, 알킬 그룹은 에틸이고, 하이드록실 그룹이 에틸 그룹의 β위치에 존재한다. 이러한 화합물, N-알릴-N'-β-하이드록시에틸-티오우레아는 이하 "HEAT"라 한다. Ag+ 이온과 강하게 착물을 형성하는 N-알릴 티오우레아 화합물은 Cu UBM 및 용해성 Sn 애노드 상에 Ag+ 이온 치환을 실질적으로 억제한다. 일 구체예에서, Ag+ 이온의 안정성은, Ag+ 이온과 강하게 착물을 형성하는 아미디노티오우레아 화합물을 도금조 내에 포함시킴으로써 증강된다. 바람직한 일 구체예에서, 아미디노티오우레아 화합물은 아미디노티오우레아이다.
안정한 은 착물의 형성은 전류밀도가 급속한 Ag+ 이온 확산 속도에 의해 제한되지 않도록 Sn2+의 환원전위에 근접하도록 환원전위를 감소시킨다. 대신에, 전류밀도는 Sn2+ 이온의 확산 속도에 의해 제한을 받는데, Sn2+ 이온은 전형적으로 매우 높은 전류밀도가 이용될 수 있는 약 50g/L 내지 약 60g/L 또는 그 이상까지 높은 농도로 존재한다.
선택된 N-알릴 티오우레아 화합물은 산성 pH에서 Ag+ 이온과 착물을 형성하여 도금조 내의 Ag+ 이온의 용해도를 증대시키는 작용을 하고, Ag+ 이온과 Cu UBM 또는 용해성 Sn 애노드 사이의 치환 반응을 억제하는 작용을 한다. 또한, 이러한 N-알릴 티오우레아 화합물은 Ag+의 환원전위를 Sn2+의 환원전위에 근접하게 이동시켜, 높은 전류밀도에서 도금을 가능하게 한다. 예시적인 N-알릴 티오우레아 화합물에는 N-알릴 티오우레아, 및 HEAT가 포함된다. 적절한 N-알릴 티오우레아 화합물을 선택하는데 있어서, 산성 pH에서 Ag+ 이온과 수용성 착물을 수득할 수 없는 또는 독성인 화합물은 회피된다. HSAB(강-약-산-염기(hard-soft-acid-base)) 개념 및 황-함유 화합물의 파이-역결합(Pi-back bonding)을 기초로 할 때, HEAT와 같은 N-알릴 티오우레아 화합물이 Ag+ 이온과 착물을 형성하여 Ag-S-AG 사이에 다리걸친(bridged) 2e-3 중심결합을 보유한 정사면체 착물을 수득하기 위한 유용한 첨가제라고 생각된다. 일반적으로, 적절한 N-알릴 티오우레아 화합물은 하기의 화학식 (1)로 표현된다:
Figure 112008018405167-PCT00001
상기 식에서 R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌(hydrocarbyl), 치환된 하이드로카빌, 헤테로시클로알킬(heterocycloalkyl), 치환된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로아릴이다.
임의의 R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6은 헤테로시클로알킬 또는 헤테로아릴인데, 고리 치환체가 O, S, 또는 N 원자를 함유할 수 있다. 치환된 R 그룹 상의 예시적인 치환체에는 할라이드, 하이드록실, 알콕시, 아릴, 헤테로아릴, 니트로, 시아노, 및 머캅탄이 포함된다. 바람직한 일 구체예에서, R2, R3, R4, R5 및 R6는 H이다. 또 다른 바람직한 구체예에서, R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 H이고, 화합물은 N-아릴 티오우레아이다. 특히 바람직한 구체예에서, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 H이고, R1은 -CH2CH2OH이며, N-아릴 티오우레아 화합물은 하기의 화학식 (2)를 갖는 HEAT이다:
Figure 112008018405167-PCT00002
선택된 아미디노티오우레아 화합물은 산성 pH에서 Ag+ 이온과 착물을 형성함으로써 도금조 내에 Ag+ 이온의 용해도를 증가시키는 작용을 하고, Ag+ 이온 및 Cu UBM 또는 용해성 Sn 애노드 사이의 치환 반응을 억제하는 작용을 한다. 적절한 아미디노티오우레아 화합물을 선택함에 있어서, 산성 pH에서 Ag+ 이온과 수용성 착물을 수득할 수 없거나 또는 독성인 화합물은 회피된다. 적절한 아미디노티오우레아 화합물의 화학식은 하기의 화학식 (3)으로 표현된다:
Figure 112008018405167-PCT00003
상기 식에서,
R8 및 R9는 S 또는 N인데, R8이 S인 경우 R9은 N이며, R8이 N인 경우에는 R9은 S이고;
R10, R11, R12, 및 R13은 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌, 치환된 하이드 로카빌, 헤테로시클로알킬, 치한된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로 아릴이다.
치환된 R10, R11, R12, 및 R13 상의 예시적 치환체에는 할라이드, 하이드록실, 알킬, 알콕시, 아릴, 헤테로아릴, 니트로, 시아노, 및 머캅탄이 포함된다. 바람직한 일 구체에에서, R10, R11, R12 및 R13은 모두 수소이고, 아미디노티오우레아 화합물은 하기의 화학식 (4)를 갖는 아미디노티오우레아이다:
Figure 112008018405167-PCT00004
.
본 발명의 도금조에 있어서, N-알릴-티오우레아 화합물 또는 아미디노티오우레아 화합물의 농도는 약 0.5g/L 내지 약 24g/L 사이이다. 너무 많은 양의 화합물을 사용하면 유리 티오우레아(free thiourea) 유도체로의 분해를 유발한다. 너무 적은 양의 화합물을 이용하면 Ag의 착물 형성이 불충분하게 된다. 일 구체예에서, 농도는 약 1g/L 이상, 예컨대 약 1.4g/L, 약 1.5g/L, 약 1.75g/L, 또는 약 2.2g/L이다. 일 구체예에서, 농도는 약 8g/L 이하, 예컨대 약 8g/L, 약 6g/L, 약 4g/L, 또는 약 3g/L이다. 일 구체예에서, 약 0.5g/L 내지 약 16g/L의 HEAT가 첨가되어 Ag+ 이온과 착물을 형성하고 이들의 용해도를 증가시킴과 동시에, 또한 Ag+ 이온과 Cu UBM 또는 용해성 Sn 애노드 사이의 치환 반응을 억제한다. 일 구체예에서, 약 0.5g/L 내지 약 16g/L, 에컨대 약 1 내지 약 8g/L의 아미디노티오우레아가 첨가되어 Ag+ 이온과 착물을 형성하고 이들의 용해도를 증가시킨다.
은 침지 도금(또한 "치환" 도금으로 알려져 있음)은 Ag+ 이온의 높은 귀금속성 때문에 전기도금조 내에서 자발적으로 일어난다. Ag의 환원은 하기의 반응식으로 설명된다:
1) Ag+ + e- ---> Ag E°= +0.80V v. S.H.E.
반응에 대한 E°의 양의 값은 매우 양성인 Ag+의 산화환원 전위를 나타낸다. Cu2+ 및 Sn4+는 하기의 환원 반응의 낮은 환원전위에 의해 나타난 바와 같이 Ag+보다 귀금속성이 낮다:
2) Cu2 + + 2e- ---> Cu E°= +0.34V v. S.H.E.
3) Sn4 + + 2e- ---> Sn2 + E°= +0.15V v. S.H.E.
따라서, 수성 Ag+ 이온을 수성 Sn2+ 이온 및/또는 Cu UBM에 노출시킬 경우에, Ag+ 이온은 자발적으로 Sn2+ 이온을 Sn4+ 이온으로 산화시키고, Cu 금속을 Cu2+ 이온으로 산화시킨다. 동시에 Ag+ 이온은 Ag 금속으로 환원되는데, 이는 용액 내에 부유하는 미세하게 분리된 금속이 되거나 또는 기판, 도금 탱크의 벽면, 또는 용해성 Sn 애노드에 자발적으로 침착될 수 있다. 자발적인 Ag+ 이온 치환 도금은 전기도금조 내에 Ag+ 이온의 농도를 제어하기 어렵게 하고, 이는 전기도금 합금, 예컨대 Sn계 솔더 웨이퍼 범프에 Ag를 이용하는데에 심각한 제한을 가한다. 따라서, HEAT 및 아미디노티오우레아와 같은 티오우레아 화합물이 Sn-Ag 도금조에 첨가되어 Ag+ 이온과 착물을 형성하고 이로써 도금조 내에 Ag+ 이온의 용해도 및 안정성을 모두 제어하게 된다. 유리하게는, HEAT 및 아미디노티오우레아는 또한 Ag+ 이온의 환원전위를 낮추어 Sn2+ 이온의 환원전위에 근접하도록 전위를 이동시키는데, 이는 Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프 내에 Ag 금속의 농도 및 균일성의 보다 양호한 제어를 가능하게 하고, 높은 전류밀도에서 도금하는 것을 가능하게 한다.
이용 가능한 전류밀도 범위를 확장시키기 위한 티오우레아 화합물의 효과를 추가적으로 증진시키기 위해서, 당해 바람직한 구체예에서는 특정 4차 암모늄 계면활성제가 도금조에 첨가된다. 본 발명의 도금조에 첨가하기에 유용한 것으로 밝혀진 4차 암모늄 계면활성제에는 알킬 디메틸 벤질 암모늄염이 포함되는데, 상기 염 내에 알킬 그룹의 탄소 길이는 10 내지 18개 사이의 길이, 바람직하게는 알킬 그룹의 탄소 길이는 12 내지 14개 사이의 길이이다. 알킬 그룹은 치환되거나 또는 치환되지 않을 수 있다. 특히 바람직한 4차 암모늄 계면활성제는 상표명 Dodigen 226 하에 판매되는 C12/C14 디메틸 벤질 암모늄 클로라이드 염인데, 상기 염에는 라우릴 디메틸 벤젠 암모늄 클로라이드 염 및 미리스틸 디메틸 벤질 암모늄 클로라이드 염을 함유한다. 유리하게도, 상기 화합물은 추가적으로 그레인 리파이너(grain refiner)로서 작용하고, 결정 성장을 방지한다. 4차 암모늄 계면활성제는 유용한 전류밀도의 범위를 추가적으로 확장하고, 그레인 리파이너로서 작용하며, 결정 성장을 억제한다. 특정 이론으로 고수하려는 것은 아니지만, 4차 암모늄 계면활성제가 추가적으로 전류밀도를 확장하는 것으로 생각되는데, 왜냐하면 염이 Sn2+ 및 Ag+ 이온에 모두 결합할 수 있어서, 상기 금속 이온의 확산을 억제하고 이로써 도금 전류밀도 범위가 확장될 수 있게 하기 때문이다.
본 발명의 도금조 내에, 4차 암모늄 계면활성제의 농도는 약 0.1g/L 내지 약 20g/L 사이, 바람직하게는 약 0.8 내지 약 15g/L 사이, 예컨대 약 0.8 g/L, 약 1.6 g/L, 또는 약 2.0 g/L이다. 예를 들어, 약 0.5g/L 내지 약 10g/L 사이의 Dodigen 226이 첨가되어 유용한 전류밀도 범위를 확장하고, 그레인의 크기를 미세하게 하며, Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 내에 결정 성장을 방지한다. 상기 화합물을 너무 많이 이용하면, 도금조의 불안정성을 유발하고 웨이퍼의 중앙에 결정의 형성을 증대시킨다. 상기 화합물을 너무 적게 이용하면, 높은 전류밀도 도금을 불충분하게 억제하고, 따라서 높은 전류밀도 영역에서의 결정 성장의 위험을 증대시킨다.
종래의 Sn-Ag 전기도금조에서, 도금 속도는 낮은 전류밀도에 의해 제한되었다. 종래의 도금조에서 실질적으로 달성 가능한 전류밀도는 약 1ASD 이하였다. 제한된 전류밀도는 도금 작업처리량에 역효과를 주었다. 종래의 도금조는 도금조 내에 Ag+ 이온의 급속한 확산 속도 때문에 낮은 전류밀도에 의해 제한을 받았다. HEAT 및 아미디노티오우레아와 같은 티오 우레아 화합물 및 Dodigen 226과 같은 4차 암 모늄을 함유한 당해 발명의 전기도금조는 약 20ASD까지의 전류밀도에서 도금될 수 있다. 상기 첨가제를 혼입함으로써, 도금조 내에 Ag+ 이온의 증가된 용해도 및 안정성이 전체 속도결정요소로서 Ag+ 이온의 확산 속도를 대량으로 감소시키며, Sn2+ 확산 속도가 전체 속도결정요소가 되게 한다. Sn2+ 이온 농도가 약 50g/L 내지 약 60g/L 범위이므로, 확산 속도에 의해 제한되는 전류는 보다 높다. 이러한 발견을 이용하면, 본 발명의 방법은 약 4ASD보다 큰 전류밀도를 이용하게 된다. 바람직한 일 구체예는 8ASD 이상의 전류밀도를 이용하고, 또 다른 바람직한 높은-작업처리량의 구체예는 10ASD 이상의 전류밀도를 이용한다.
도금조에는 다른 Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원, 산화-방지제, 및 계면활성제가 첨가될 수 있다.
Sn2+ 이온의 공급원은 Sn2+ 염을 함유하는 용해성 애노드일 수 있거나, 또는 비용해성 애노드가 이용될 경우에는, 용해성 Sn2+ 염일 수 있다. 바람직한 일 구체예에서, 상기 모든 경우에 있어서, Sn2+ 염은 Sn(CH3SO3)2(주석 메탄 설폰산(Tin methane sulfonic acid, 이하 "Sn(MSA)2"라 한다)이다. Sn(MSA)2는 높은 용해도 때문에 Sn2+ 이온의 바람직한 공급원이다. 추가적으로, 본 발명의 Sn-Ag 도금조의 pH는 메탄설폰산을 이용함으로써 낮아질 수 있고, Sn 공급원으로서 예컨대 Sn(X)보다 Sn(MSA)2를 이용하는 것은 불필요한 추가 음이온, 예컨대 X2-, 특히 Ag+를 실질적으로 난용성으로 만드는 음이온들이 도금조에 포함되는 것을 방지한다. 전형적으로, Sn2+ 이온의 공급원은 도금조 내에 약 10g/L 내지 약 100g/L 사이, 바람직하게는 약 15g/L 내지 약 95g/L 사이, 보다 바람직하게는 40g/L 내지 약 60g/L 사이의 농도를 제공하기에 충분하다. 예를 들어, Sn(MSA)2가 첨가되어 도금조에 약 30g/L 내지 약 60g/L 사이의 Sn2+ 이온을 제공할 수 있다.
Ag+ 이온은 대부분의 음이온과 용해되기 어렵다. 따라서, Ag+ 이온의 공급원은 니트레이트, 아세테이트 및 바람직하게는 메탄 설포네이트의 염으로 국한된다. 전형적으로 Ag+ 이온의 농도는 약 0.1g/L 내지 약 1.5g/L 사이, 바람직하게는 약 0.3g/L 내지 약 0.7g/L 사이, 보다 바람직하게는 약 0.4g/L 내지 약 0.6g/L 사이의 Ag+ 이온을 도금조에 공급하기에 충분하다. 예를 들어, Ag(MAS)는 도금조에 약 0.2g/L 내지 약 1.0g/L의 Ag+ 이온을 제공하도록 첨가될 수 있다.
용액 내 Sn2+ 이온의 산화에 대하여 도금조를 안정화시키기 위하여 산화-방지제가 본 발명의 도금조에 첨가될 수 있다. Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프를 위한 전기도금조에서, Sn2+보다 귀금속인 Ag+ 이온은 상기 설명한 바와 같이, Sn2+를 Sn4+로 자발적으로 산화시킬 수 있다. 이러한 자발적인 산화환원 반응은 Ag 금속이 Cu UBM 상에, 도금 탱그의 벽면에, 또는 용해성 Sn 애노드 상에 침착하게 하고, 용액 내에 미세하게 분리된 Ag 금속 입자를 형성하게 할 수 있게한다. 게다가, 안정한 하이드록사이드 및 옥사이드를 형성하게 되는 Sn4+의 Sn 금속으로의 환원은 4개의 전자가 관여하는 반응으로서 반응의 동역학을 저속화한다. HEAT 및 다른 티오우레아 화합물이 도금조에 첨가되어 Ag+의 자발적인 환원/Sn2+의 산화를 억제할 수 있다고 하더라도, 산화-방지제를 도금조에 첨가하여 상기 산화환원 반응에 대하여 도금조를 추가로 안정화시키는 것이 바람직하다. 따라서, 하이드로퀴논, 카테콜(catechol), 및 하이드록실, 디하이드록실, 또는 트리하이드록실 벤조산 중 임의의 것과 같은 바람직한 산화방지제가 바람직하게는 약 0.1g/L 내지 약 10g/L 사이, 보다 바람직하게는 약 0.5g/L 내지 약 3g/L 사이의 농도로 첨가될 수 있다. 예를 들어, 하이드로퀴논이 약 2g/L의 농도로 도금조에 첨가될 수 있다.
계면활성제가 첨가되어 하부범프금속 구조 및 저항성 물질의 웨팅(wetting)을 촉진하고, 웨이퍼 범프의 침착을 증대시킬 수 있다. 계면활성제는 넓은 영역으로의 3차원적 성장을 억제함으로써 필름의 형태 및 표면형태를 개선하는 온화한 침착 억제제로서 작용하는 것으로 생각된다. 계면활성제는 또한 그레인 크기를 정련하는데 도움을 주어, 보다 균일한 범프를 생성할 수 있게 한다. 예시적인 음이온성 계면활성제에는 알킬 포스포네이트(alkyl phosphonate), 알킬 에테르 포스페이트(alkyl ether phosphate), 알킬 설페이트(alkyl sulfate), 알킬 에테르 설페이트, 알킬 설포네이트(alkyl sulfonate), 알킬 에테르 설포네이트, 카르복시산 에테 르, 카르복시산 에스테르, 알킬 아릴 설포네이트, 아릴 알킬에테르 설포네이트, 아릴 설포네이트, 및 설포석시네이트가 포함된다. 특히 바람직한 음이온성 계면활성제는 Ralufon NAPE 14-90(독일 루드비그사펜 소재 라쉬크 게엠베하(Raschig GmbH)에서 입수가능)으로서, 이는 β-나프톨 하이드록실 그룹에 결합된 프로필렌 옥사이드 단위의 블록, 프로필렌 옥사이드 블록에 결합된 에틸렌 옥사이드 단위의 블록, 및 터미널 프로판 설포네이트 그룹을 보유한 술폰화된 β-나프톨 프로폭실레이트/에톡실레이트이다. 예시적인 양이온성 계면활성제에는 4차 암모늄염, 예컨대 도데실 트리메틸 암모늄 클로라이드, 세틸 트리메틸 암모늄 클로라이드, 및 이들의 유사체가 포함된다. 예시적인 비-이온성 계면활성제에는 글리콜 및 글리콜 에스테르, 폴리에틸렌 글리콜, 및 폴리프로필렌 글리콜/폴리에틸렌 글리콜이 포함된다. 바람직한 비-이온성 계면활성제에는 β-나프톨 하이드록실 그룹에 결합된 1 내지 약 24개의 에틸렌 옥사이드 단량체 단위, 보다 바람직하게는 약 8 내지 약 16개 사이의 에틸렌 옥사이드 단량체 단위를 보유한 β-나프톨에톡실레이트와 같은 β-나프톨 유도체가 포함된다. 특히 바람직한 비-이온성 계면활성제는 나프톨 하이드록실 그룹에 결합된 12개의 에틸렌 옥사이드 단량체 단위를 보유한 β-나프톨에톡실레이트인 Lugalvan BNO12이다. 계면활성제는 약 0.1g/L 내지 약 50g/L 사이, 바람직하게는 약 5g/L 내지 약 20g/L 사이의 농도로 도금조 내에 존재할 수 있다.
본 발명의 전기도금조는 바람직하게는 산성 pH를 보유하여 애노드성 부동화를 억제하고, 보다 양호한 캐소드(cathode)의 효율성을 달성하며, 보다 연성의 침착을 달성한다. 따라서, 도금조의 pH는 바람직하게는 약 0 내지 약 3 사이이다. 바 람직한 구체예에서, 도금조의 pH는 0이다. 산의 선택은 대부분의 Ag 염의 불량한 용해도 또는 실질적 난용성에 의해 제한된다. 따라서, 바람직한 산성 pH는 질산, 아세트산, 및 메탄술폰산을 이용하여 달성될 수 있다. 바람직한 일 구체예에서, 산은 메탄술폰산이다. 산의 농도는 바람직하게는 약 50g/L 내지 약 200g/L 사이, 보다 바람직하게는 약 70g/L 내지 약 120g/L 사이이다. 예를 들어, 약 50g/L 내지 약 160g/L 사이의 메탄술폰산이 도금조에 첨가되어 pH 0의 도금조를 달성하고 도전성 전해질로서 작용할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 도금조를 이용하여 Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프를 인쇄배선기판(printed wiring board)(PWB)과 같은 마이크로 전자 장치의 제조에 이용되는 Cu UBM에 도금할 수 있다. 그러나, 도금조는 Sn계 솔더 웨이퍼 범프를 필요로 하는 임의의 용도에 이용될 수 있다. 유리하게는, 도금조는 도금조의 안정성 및 적용될 수 있는 높은 전류밀도 때문에 고속으로 도금할 수 있다.
본 발명에 대한 용도에 있어서, 방법의 목적은 도 1 및 도 2의 생성물을 생산하는 것인데, 상기 생성물은 그 표면상에 개별적인 솔더 범프를 보유한 전자 장치의 기판이다. 특정 방법에 관하여, 제1단계는 기판의 제조 단계이다. 기판의 제조는 본 발명에 대하여는 밀접하게 관련이 있지는 않지만, 본 발명에 있어서 일정 부분을 차지하며, 검사를 통하여 기판의 제조 단계에서부터 하기의 전체적인 내용의 과정을 본 발명이 포함한다는 것을 주지하는 바이다:
1) 스퍼터링된 Cu 시드(seed) 층 또는 Cu UBM(상기 층의 두께는 통상 300Å 내지 3000Å 사이이다)을 보유한 포토레지스트성(photoresist) 패턴화된 웨이퍼를 수취하는 단계
2) 제2 UBM 층을 침착하여 Cu가 SnAg와 같은 솔더 범프로 확산되는 것을 방지하는 단계(상기 층의 두께는 통상 1 내지 3미크론이다)
3) SnAg와 같은 솔더 범프를 통상 버섯 형상으로 침착하는 단계(범프 높이는 50 미크론 내지 100미크론으로 다양하다)
4) 포토레지스트를 벗기는 단계
5) Cu UBM을 에칭하는 단계
6) SnAg 범프를 리플로하는 단계
7) 범프 높이 및 Ag 합금의 균일성 측정, 보이딩 분석 등과 같은 특성을 검사하는 단계.
범핑을 위한 본 발명의 전기도금 작업 동안에, 도금 용액은 바람직하게는 약 15℃ 내지 약 50℃ 사이의 온도로 유지된다. 바람직한 일 구체예에서, 온도는 약 25℃ 내지 약 35℃ 사이이다. 기판은 도금조에 침지되거나 또는 도금조에 노출된다. 적용된 전류밀도는 상기 설명한 바와 같이 약 1A/dm2 내지 약 20A/dm2, 바람직하게는 약 1A/dm2 내지 약 16A/dm2이다. 이러한 전류밀도에서는, 도금 속도가 약 1㎛/min 내지 약 10㎛/min 사이이다. 전형적으로, 전기적으로 침착된 Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프의 두께는 약 10㎛ 내지 약 100㎛ 사이인데, 이는 상기 도금 속도의 관점에서 볼 때, 약 10분 내지 약 30분 동안 용액에 침치된 기판에 상응하는 것이다.
애노드는 용해성 애노드 또는 난용성 애노드일 수 있다. 용해성 애노드가 이용된다면, 바람직하게는 도금조 내에 Sn2+ 이온의 공급원이 용해성 애노드가 되도록, 애노드는 Sn(MSA)2를 함유한다. 용해성 애노드를 이용하면 Sn2+ 이온이 너무 낮은 농도 또는 너무 높은 농도가 되지 않도록 도금조 내의 Sn2+ 이온 농도의 조심스러운 제어가 가능하게 되기 때문에, 용해성 애노드를 이용하는 것이 유리하다. 난용성 애노드가 Sn계 용해성 애노드 대신 이용될 수 있다. 바람직한 난용성 애노드에는 Pt/Ti, Pt/Nb, 및 DSA전극(dimensionally stable anode)이 포함된다. 난용성 애노드가 이용되면, Sn2+ 이온이 용해성 Sn2+ 염으로서 주입된다.
도금 작업 동안에, Sn2+ 이온 및 Ag+ 이온이 전기도금 용액에서 방출된다. 급속한 방출은 특히 본 발명의 도금조를 이용하여 달성될 수 있는 높은 전류밀도에서 발생한다. 따라서, Sn2+ 이온 및 Ag+ 이온이 다양한 방법에 따라 보충될 수 있다. Sn계 용해성 애노드가 이용될 경우, Sn2+ 이온은 도금 작업 동안 애노드의 용해에 의해 보충된다. 만약 난용성 애노드가 이용될 경우, 전기도금 용액이 연속식 도금 방법 또는 사용-및-폐기(use-and-dispose) 도금 방법에 따라 보충될 수 있다. 연속식 방법에서는, 동일한 도금조 부피가 이용되어 대량의 기판을 처리하게된다. 이러한 방식에 있어서, 반응물은 주기적으로 보충되어야 하고, 반응 생성물이 축적되는데, 이는 도금조 내에서의 주기적인 여과를 필연적으로 동반한다. 대안적으로, 본 발명에 따른 전기도금 조성물은 소위 "사용-및-폐기" 침착 방법에 적합하다. 사용-및-폐기 방식에서, 도금 조성물은 기판을 처리하기 위해 이용되고, 이후 도금조에 남은 양은 폐기 스트림으로 배출된다. 이러한 후자의 방법이 보다 비용이 더 많이 들긴 하지만, 사용-및-폐기 방식은 계측이 불필요한데; 즉, 도금조의 안정성을 유지하기 위한 용액 조성물의 측정 및 조절이 요구되지 않는다.
SnAg 솔더 범프의 전기도금이 완료된 후에, 스프레이를 이용하여 플럭스(flux)가 풍부하게 도포되어 전체 웨이퍼를 코팅한다. 바람직하게는, 충분한 플럭스가 도포되어 모든 범프가 플럭스로 포화된다. 플럭스의 도포 이후에, 범프는 당해 기술분야에 공지된 방법에 따라 리플로될 수 있다.
본 발명의 전기도금조는 유리하게도 Ag+ 이온의 자발적인 환원에 대하여 안정하고, 종래의 도금조로써 달성할 수 있는 전류밀도보다 높은 전류밀도에서 도금될 수 있다. 전기도금조는 Ag 금속 함유량이 약 1중량% 내지 약 4중량% 사이, 바람직하게는 약 2중량% 내지 약 3중량% 사이의 Sn-Ag 합금을 도금하는데 이용될 수 있으며, 따라서, 본 방법은 약 221℃ 내지 약 226℃ 사이의 광범위한 용융점을 보유하는 Sn-Ag 합금을 도금할 수 있는 능력을 제공한다. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프는 범프와 Cu UBM 사이에 실질적으로 감소 또는 제거된 보이딩을 보유하도록 도금된다. 게다가, Ag+ 이온이 본 발명의 도금조의 성분을 안정화시키므로, Ag 금속은 Sn-Ag 합금 내에 균일하게 분포된다. 이러한 균일성은 성공적인 리플로를 위해서 중요하다. 균일성은 또한 범프 특성 및 웨이퍼 또는 다른 기판의 기계적 강도를 균일하게 한다.
하기의 실시예는 본 발명을 추가적으로 예증한다.
실시예 1. Sn - Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조 및 이의 제조방법
Sn-Ag 합금 솔더 웨이퍼 범프의 전기도금을 위해 하기의 성분을 함유하는 Sn-Ag 도금조를 제조했다:
HEAT 2.22g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 100mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO12 7.0 g/L
Dodigen 226 1.6g/L
pH 0
경우에 따라, 도금조는 소포제 SF를 0.5g/L 함유할 수 있다.
상기 도금조 1L를 하기의 프로토콜에 따라 제조했다:
1) 1L 플라스크에 물(약 400mL)을 첨가한다.
2) MSA(70% 용액 100mL) 첨가하고 용액을 교반한다.
3) HEAT(2.22g)을 첨가하고 용액을 약 5분간 교반한다.
4) Ag(MSA) (0.84g)을 첨가하고 용액을 약 5분간 교반한다.
5) 하이드로퀴논(2g)을 첨가하고 용액을 약 5분간 교반한다.
6) Sn(MSA)2 (156g)을 첨가하고 용액을 약 5분간 교반한다.
7) Lugalvan BNO12(7.0g)을 첨가하고 용액을 약 5분간 교반한다.
8) 격렬한 혼합과 함께, Dodigen 226(수용액 내 1.6g)을 적상(dropwise)으로 첨가한다.
9) 물을 첨가하여 1L로 만든다.
이러한 혼합 순서가 증대된 안정성을 수득하는데 유리하다고 밝혀졌다. 특히, 착화제 및 Ag 공급원을 함께 혼합하고, Sn 공급원을 첨가하기 전 및 계면활성제를 첨가하기 전에 혼합 기간을 제공하는 것이 안정성을 증대시키는 것으로 밝혀졌다. 모의실험에서는 특정 기타 성분의 주입 이전에 컴플렉서(complexor)와 Ag+ 이온 사이의 초기 친밀한 접촉을 가능하게 하는 것이 착물의 형성에 있어서 유리한 효과를 제공하는 것으로 나타났다. 따라서, 이러한 바람직한 방법은 Ag+ 이온의 공급물을 Ag+ 이온에 대한 컴플렉서 및 물과 혼합하여 Sn2+ 이온의 공급원이 실질적으로 존재하지 않은 Ag+ 이온 착물 함유 도금조 전구체(precursor)를 형성하는 것을 포함한다. "실질적으로 존재하지 않는다"는 것은 컴플렉서와 Ag+ 이온의 공급원을 친밀하게 혼합한 후까지도 Sn2+ 이온의 전체 공급원의 90% 이상이 첨가되지 않는 것 을 의미한다. 이러한 바람직한 구체예에서, 도금조 전구체는 실질적으로 계면활성제를 함유하지 않고, 상기 방법은 Ag 착물이 형성된 후에 도금조 전구체에 계면활성제를 첨가하는 단계를 포함하는 것을 알 수 있다.
실시예 2. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 Sn-Ag 도금조를 제조했다:
HEAT 1.75g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 100mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO12 7.0 g/L
Dodigen 226 1.6g/L.
실시예 3. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
HEAT 2.22g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 100mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO12 7.0g/L
Dodigen 226 1.6g/L
소포제 SF 0.5g/L.
실시예 4. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
HEAT 1.4g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 140mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO12 6.7g/L
Dodigen 226 0.8g/L.
실시예 5. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
HEAT 8g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 160mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Ralufon NAPE 1490 8g/L.
실시예 6. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
HEAT 6g/L
Sn2+ 40g/L, Sn(MSA)2로서 104g/L
Ag+ 0.4g/L, Ag(MSA)로서 0.75g/L
MSA 300mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Ralufon NAPE 1490.
실시예 7. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
N,N'-디에틸티오우레아(DETU) 3g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 180mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO12 7g/L
Dodigen 226 2g/L.
실시예 8. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
아미디노티오우레아 1.5g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 1g/L, Ag(MSA)로서 1.88g/L
MSA 180mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L.
실시예 9. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
N,N'-디메틸티오우레아 3g/L
Sn2+ 30g/L, Sn(MSA)2로서 78g/L
Ag+ 0.3g/L, Ag(MSA)로서 0.56g/L
MSA 150mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Ralufon NAPE 1490 8g/L.
실시예 10. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 전기도금조
하기의 성분을 함유하는 또 다른 도금조를 제조했다:
N-알릴-티오우레아 4g/L
Sn2+ 60g/L, Sn(MSA)2로서 156g/L
Ag+ 0.5g/L, Ag(MSA)로서 0.94g/L
MSA 100mL/L (70% 용액)
하이드로퀴논 2g/L
Lugalvan BNO 12 7g/L,
Dodigen 226 2g/L.
실시예 11. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 침착
실시예 1의 도금조를 이용하여 Cu UBM 상에 Sn-Ag 웨이퍼 범프를 도금했다. 실리콘 웨이퍼 및 Cu UBM 다이 패턴을 상기 설명한 바와 같이 준비했다. 메틸렌 클로라이드 및 30 내지 60분 사이의 초음파 교반을 이용하여, 가교결합되지 않은 광 저항성 물질(photo resistant material)을 웨이퍼로부터 벗겨냈다. 금속화된 Cu는 탈이온수(60mL), 암모늄 하이드록사이드(60mL, 20 내지 24% 용액), 및 과산화수소(10mL, 3% 용액)을 함유하는 용액으로 에칭했다.
Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프를 실시예 1의 도금조에서 패턴화된 실리콘 웨이퍼 상의 다이에 도금했다. 웨이퍼 상의 다이 위치 및 각 다이 내의 범프 위치는 도 3A 및 3B에 나타냈다. 범프는 12ASD에서 도금했다. 범프 높이 분포를 표면 프로필로메 트리(profilometry)(DEKTAK 8000)로 측정했다. 표 I은 프로필로미터에서 수득된 범프 높이 분포 데이터를 나타낸다. 범프 조성물은 SEM/EDS(20kV)에 의해 측정했다. 표 II는 SEM/EDS에 의해 수득된 Ag 함량(중량%) 데이터를 나타낸다. 웨이퍼 범프 표면형태는 SEM(20 kV, 45°기울기)를 이용하여 측정했다. 도 1A, 1B, 1C는 침착된 상태의 Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프를 각각 200x, 800x, 및 3000x 배율로 나타낸 SEM 사진이다. 각각의 측정 기법에 대하여, 5 범프(도 3B에 나타낸 범프 패턴 및 하기의 표 I 및 표 II에 수평줄에 1, 2, 3, 4, 및 5로 지정함)를 각각 3개의 다이 위치에서 분석했다(도 3A에 다이 패턴을 나타냈고, 하기의 표 I 및 표 II 내에 세로칸에 3, 6, 7로 지정함).
Figure 112008018405167-PCT00005
Figure 112008018405167-PCT00006
실시예 12. Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프 리플로
실시에 3의 Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프를 글로브 박스(glove box) 내에 핫 플레이트(hot plate)를 이용하여 리플로시켰다. 실행 단계:
1. 플럭스 도포 : Lonco 3355-11
2. 예열 : 휘발성 물질의 증발, 플럭스가 활성화되어 표면에 결합하게 함
3. 리플로 : 핫플레이트의 온도는 260℃이고, 질소 대기
4. 냉각 : 공기 냉각
리플로된 웨이퍼 범프를 SEM(20kV, 75°기울기)를 이용하여 사진 촬영했다. 도 2A, 2B, 2C는 리플로된 Sn-Ag 솔더 웨이퍼 범프를 각각 200x, 800x, 및 3000x 배율로 나타낸 SEM 사진이다. 리플로된 범프는 매끈했고, 균일한 공 형상을 나타냈으며, 보이딩이 없었다.
상기 설명한 견지에서, 본 발명의 몇몇 목적이 달성되었다는 것 및 다른 유리한 결과가 수득되었다는 것이 이해될 것이다.
본 발명 또는 이의 바람직한 구체예(들)의 원소를 소개하는 경우에, 관사 "한", "그" 및 "상기"는 하나 이상의 원소가 존재한다는 것을 의미하도록 의도하였다. 예를 들어, 상기 상세한 설명 및 하기의 청구의 범위에서 "한" 웨이퍼 범프는 그러한 범프가 1 이상 존재한다는 것을 의미한다. "함유하는", "포함하는" 및 "보유하는"이란 용어는 포괄적인 의미로 의도하였고, 열거된 원소 이외에도 추가적인 원소가 존재할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 상기에서 다양한 변화가 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되고 첨부된 도면에 나타낸 모든 요소는 제한적인 의미가 아닌 예증적인 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (48)

  1. Sn2+ 이온의 공급원;
    Ag+ 이온의 공급원; 및
    N-알릴-티오우레아(N-allyl-thiourea) 화합물을 함유하는, Sn-Ag 솔더 범프(solder bump) 도금용 전기도금 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (I)을 갖는 것이 특징인, 전기도금 조성물:
    [화학식 I]
    Figure 112008018405167-PCT00007
    상기 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌(hydrocarbyl), 치환된 하이드로카빌, 헤테로시클로알킬(heterocycloalkyl), 치환된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로아릴이다.
  3. 제2항에 있어서, 상기 R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6가 H인 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  4. 제2항에 있어서, 상기 R2, R3, R4, R5, 및 R6는 H이고, R1은 -CH2CH2OH인 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 알킬 디메틸 벤질 암모늄 계면활성제가 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  7. 제6항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 라우릴 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드 및 미리스틸 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드가 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 β-나프톨 유도체를 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 β-나프톨 유도체에는 β-나프톨에톡실레이트, 술폰화된 β-나프톨 프로폭실레이트/에톡실레이트, 또는 이들의 조합이 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 하이드로퀴논(hydroquinone)을 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  11. Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 N-알릴-티오우레아 화합물을 함유하는 전기도금조(electrolytic bath)에 하부범프금속 구조(under bump metal structure)를 노출시키는 단계; 및
    상기 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는, 마이크로전자 장치(microelectronic device)의 제조에 있어서 하부범프금속 구조 상에 솔더 범프의 형성방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (I)을 갖는 것이 특징인 방법:
    [화학식 I]
    Figure 112008018405167-PCT00008
    상기 식에서, R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6는 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌, 치환된 하이드로카빌, 헤테로시클로알킬, 치환된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로아릴이다.
  13. 제12항에 있어서, 상기 R1, R2, R3, R4, R5, 및 R6가 H인 것이 특징인 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 R2, R3, R4, R5, 및 R6는 H이고, R1은 -CH2CH2OH인 것이 특징인 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물의 농도가 약 0.5g/L 내지 약 24g/L 사이인 것이 특징인 방법.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 전자의 외부 공급원을 공급하는 단계가 약 8A/dm2 이상의 전류밀도를 이용하는 것이 특징인 방법.
  17. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가적으로 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 것이 특징인 방법.
  18. 제18항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 알킬 디메틸 벤질 암모늄 계면활성제가 포함되는 것이 특징인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 라우릴 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드 및 미리스틸 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드가 포함되는 것이 특징인 방법.
  20. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가적으로 β-나프톨 유도체를 함유하는 것이 특징인 방법.
  21. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가적으로 하이드로퀴논을 함유하는 것이 특징인 방법.
  22. Sn2+ 이온의 공급원;
    Ag+ 이온의 공급원; 및
    4차 암모늄 계면활성제를 함유하는, Sn-Ag 솔더 범프 도금용 전기도금 조성물.
  23. 제22항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 알킬 디메틸 벤질 암모늄염이 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  24. 제22항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 라우릴 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드 및 미리스틸 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드가 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 N-알릴-티오우레아 화합물을 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  26. 제25항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물에는 N-알릴-티오우레아가 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  27. 제25항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물에는 N-알릴-N'-β-하이드록시에틸-티오우레아가 포함되는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  28. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 β-나프톨 유도체 를 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  29. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 하이드로퀴논을 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  30. Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 전기도금조에 하부범프금속 구조를 노출시키는 단계; 및
    전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는, 마이크로전자 장치의 제조에 있어서 하부범프금속 구조 상에 솔더 범프의 형성방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 알킬 디메틸 벤질 암모늄염이 포함되는 것이 특징인 방법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 4차 암모늄 계면활성제에는 라우릴 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드 및 미리스틸 벤질 디메틸 암모늄 클로라이드가 포함되는 것이 특징인 방법.
  33. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가 적으로 N-알릴-티오우레아 화합물을 함유하는 것이 특징인 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물에는 N-알릴-티오우레아가 포함되는 것이 특징인 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 N-알릴-티오우레아 화합물에는 N-알릴-N'-β-하이드록시에틸-티오우레아가 포함되는 것이 특징인 방법.
  36. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 전자의 외부 공급원을 제공하는 단계가 약 8A/dm2 이상의 전류밀도를 이용하는 것이 특징인 방법.
  37. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가적으로 β-나프톨 유도체를 함유하는 것이 특징인 방법.
  38. 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가적으로 하이드로퀴논을 함유하는 것이 특징인 방법.
  39. Sn2+ 이온의 공급원;
    Ag+ 이온의 공급원; 및
    아미디노티오우레아(amidinothiourea) 화합물을 함유하는, Sn-Ag 솔더 범프 도금용 전기도금 조성물.
  40. 제39항에 있어서, 상기 아미디노티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (II)를 갖는 것이 특징인, 전기도금 조성물:
    [화학식 II]
    Figure 112008018405167-PCT00009
    상기 식에서,
    R8 및 R9는 S 또는 N인데, R8이 S인 경우 R9은 N이며, R8이 N인 경우에는 R9은 S이고;
    R10, R11, R12, 및 R13은 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌, 치환된 하이드로카빌, 헤테로시클로알킬, 치한된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로 아릴이다.
  41. 제39항에 있어서, 상기 아미디노티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (III)을 갖는 것이 특징인, 전기도금 조성물:
    [화학식 III]
    Figure 112008018405167-PCT00010
    .
  42. 제39항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 추가적으로 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 것이 특징인, 전기도금 조성물.
  43. Sn2+ 이온의 공급원, Ag+ 이온의 공급원 및 아미디노티오우레아 화합물을 함유하는 전기도금 조성물에 하부범프금속 구조를 노출시키는 단계; 및
    상기 전기도금조에 전자의 외부 공급원을 공급하여 하부범프금속 구조 상에 Sn-Ag 합금을 침착하는 단계를 포함하는, 마이크로전자 장치의 제조에 있어서 하부범프금속 구조 상에 솔더 범프의 형성방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 아미디노티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (II)를 갖는 것이 특징인 방법:
    [화학식 II]
    Figure 112008018405167-PCT00011
    상기 식에서,
    R8 및 R9는 S 또는 N인데, R8이 S인 경우 R9은 N이며, R8이 N인 경우에는 R9은 S이고;
    R10, R11, R12, 및 R13은 각각 독립적으로 H, OH, 하이드로카빌, 치환된 하이드로카빌, 헤테로시클로알킬, 치한된 헤테로시클로알킬, 알콕시, 치환된 알콕시, 아릴, 치환된 아릴, 헤테로아릴, 또는 치환된 헤테로 아릴이다.
  45. 제43항에 있어서, 상기 아미디노티오우레아 화합물이 하기의 화학식 (III)을 갖는 것이 특징인 방법:
    [화학식 III]
    Figure 112008018405167-PCT00012
    .
  46. 제43항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기도금 조성물이 추가 적으로 4차 암모늄 계면활성제를 함유하는 것이 특징인 방법.
  47. Ag+ 이온의 공급원을 Ag+ 이온에 대한 컴플렉서(complexor) 및 물과 혼합하여 임의의 Sn2+ 이온 공급원이 실질적으로 존재하지 않는 Ag 착물 함유 도금조 전구체(precursor)를 형성하는 단계; 및
    Ag 착물을 함유하는 도금조 전구체에 Sn2+ 이온의 공급원을 첨가하는 단계를 포함하는, 마이크로전자 장치의 제조에 있어서 하부범프금속 구조 상에 솔더 범프를 침착하기 위한 Sn-Ag 전기도금조의 형성방법으로서, 상기 전기도금조가 Ag+ 이온의 공급원, Sn2+ 이온의 공급원, 및 Ag+ 이온에 대한 컴플렉서를 함유하는 것인 방법.
  48. 제47항에 있어서, Ag+ 이온의 공급원을 Ag+ 이온에 대한 컴플렉서 및 물과 혼합하여 생성된 상기 도금조 전구체가 실질적으로 계면활성제를 함유하지 않으며, 상기 방법이 상기 도금조 전구체에 계면활성제를 첨가하는 단계를 추가적으로 포함하는 것이 특징인 방법.
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