TWI385281B - Gold bump or gold wiring formation method - Google Patents

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TWI385281B TW095134066A TW95134066A TWI385281B TW I385281 B TWI385281 B TW I385281B TW 095134066 A TW095134066 A TW 095134066A TW 95134066 A TW95134066 A TW 95134066A TW I385281 B TWI385281 B TW I385281B
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Description

金凸塊或金配線之形成方法
本發明係關於使用規定的電解鍍金浴而於晶圓上形成金凸塊或金配線之方法。進而更詳細地，本發明係關於一種金凸塊或金配線之形成方法，其係可抑制起因於護層膜膜厚不平均所產生之鍍金的段差，且可形成平坦的金皮膜之金凸塊或金配線。
使用非氰系或氰系電解鍍金浴而形成之鍍金皮膜，不僅具電氣傳導性、熱壓接性等物理特性，亦具優越之耐氧化性、耐藥品性等化學特性。因此，自過去即適用於矽晶圓上之凸塊形成，及Ga/As晶圓等化合物晶圓上之配線形成等。
使用於矽晶圓上之凸塊形成，及Ga/As晶圓等化合物晶圓上之配線形成之非氰系電解鍍金浴，係例如由基本浴之做為金離子來源之亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨、用作安定劑之水溶性胺、結晶調整劑之微量Tl化合物、Pb化合物或As化合物、用作傳導鹽之亞硫酸鹽以及硫酸鹽、緩衝劑所構成。
氰系電解鍍金浴，係例如由基本浴之做為金離子來源之氰化金鹼鹽或氰化金銨、微量的結晶調整劑、用作傳導鹽之磷酸鹽、硼酸鹽等之無機酸鹽、有機酸(羧酸、羥羧酸、草酸)鹽等所構成。
藉由電解鍍金形成金凸塊之晶圓其一例示於圖1。
圖1中，1為矽或Ga/As晶圓，於其向上面形成有微小的Al電極3。於晶圓1以及Al電極3之上方，形成有被覆於晶圓以及Al電極3週邊之護層膜5。進而，於護層膜5之上方以及Al電極3之上方中央部分層積有金濺鍍膜7。
於金濺鍍膜7上方層積有光罩材9，藉由該光罩材9，於Al電極3之上方形成有開口之光罩圖案。於光罩材9之開口部10，藉由電解鍍金而形成金凸塊11。圖1中，13為金球或銲錫球。
金凸塊及金配線電鍍用之細小的經圖案化之矽晶圓至Ga/As晶圓上，一般，為保護金濺鍍膜7與晶圓1之絕緣以及週邊配線，形成有上述之護層膜5。該護層膜5係如圖1所示，於Al電極3之週邊部較其中央部突出而產生凹凸(x為護層段差)。
過去之非氰系或氰系電解鍍金，一般係於40~65℃的溫度條件下，大多保持於電流密度為0.3~1.2A/dm2 之範圍內之一定值而進行電鍍。於該條件下進行電鍍時，於光罩材9之開口部10所形成之金凸塊11，會依著護層膜5的凹凸形狀而形成為中央部陷落之形狀。
於該形狀的金凸塊11之表面，放置接合時所使用之金球或銲錫球13時，金球或銲錫球13大多會掉入凹部15。於此狀態下，將金配線壓接接合於金凸塊11時，球介於金配線與金凸塊11之間而無法獲得平均的壓接面。其結果為金配線與金凸塊11無法獲得充分的緊密度，而於二者間發生黏著不良的狀況。
以電解鍍金而形成金凸塊之方法係一周知之方法。例如專利文件1所記載之藉由使用氰化金鉀之鍍金之形成方法。
專利文件1：特開2003－7762號公報(段落編號(0021)、(0022))
本發明有鑑於上述現狀，係以提供於凸塊與配線接合時，為獲得介有金球或銲錫球之凸塊與配線之間充分的緊密度，並抑制起因於護層膜膜厚不平均所產生金皮膜之段差，且可形成平坦的金凸塊或金配線之金凸塊或金配線形成方法為目的。
本發明之發明者，為解決前述課題，經反複檢討後，使用規定之非氰系或氰系電解鍍金浴，於獲得規定膜厚前，以0.1A/dm2 以下之電流密度進行電鍍，其後，再以0.3~1.2A/dm2 以下之電流密度進行電鍍直到獲得所期望之厚度。根據該方法，保持平均且緻密、良好的外觀特性與皮膜硬度以及接合強度特性的同時，可抑制起因於護層膜之鍍金段差，且可形成平坦的金皮膜之金凸塊或金配線。本發明之發明者發現上述方法，本發明遂至完成。
亦即，解決上述課題之本發明係如下述者。
〔1〕一種金凸塊或金配線之形成方法，係使用含有做為金離子來源之亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨、用作安定劑之水溶性胺、結晶調整劑、用作傳導鹽之亞硫酸鹽以及硫酸鹽、及緩衝劑之非氰系電解鍍金浴，於圖案化之晶圓上進行電解鍍金，其特徵係由於晶圓上以0.1A/dm2 以下之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟1，與以0.3~1.2A/dm2 之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟2所構成，以使步驟1之合計鍍金層厚度為0.1~5 μ m，步驟1與步驟2之合計鍍金層厚度為所期望厚度，而於晶圓上進行鍍金之方法。
〔2〕一種金凸塊或金配線之形成方法，係使用含有做為金離子來源之氰化金鹼鹽或氰化金銨、結晶調整劑、用作傳導鹽之無機酸鹽或有機酸鹽、及緩衝劑之氰系電解鍍金浴，於圖案化之晶圓上進行電解鍍金，且該於晶圓上進行電解鍍金之方法，其特徵係由以0.1A/dm2 以下之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟1，與於進行步驟1後，以0.3~1.2A/dm2 之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟2所構成，以使步驟1之合計鍍金層厚度為0.1~5 μ m，步驟1與步驟2之合計鍍金層厚度為所期望厚度，而於晶圓上進行鍍金之方法。
根據本發明，因使用非氰系或氰系電解鍍金浴，於形成規定膜厚前，以規定之電流密度進行電鍍，而可抑制起因於晶圓上所形成之底層(護層膜)其不平均的膜厚，所造成之金凸塊以及金配線之段差至1 μ m以下。
根據本發明所形成之金凸塊、金配線本身，係具平均且緻密、良好的外觀特性與皮膜硬度及接合強度特性之鍍金皮膜。
以下針對本發明所使用之非氰系電解鍍金浴、氰系電解鍍金浴之組成加以說明。
〔非氰系電解鍍金浴〕
本發明所使用之非氰系電解鍍金浴，係以做為金離子來源之亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨、用作安定劑之水溶性胺、微量的結晶調整劑、用作傳導鹽之亞硫酸鹽以及硫酸鹽、及緩衝劑所構成之非氰系電解鍍金浴為基本組成。該電鍍浴之組成係為人所周知者。
(1)亞硫酸金鹼鹽、亞硫酸金銨(金離子來源)亞硫酸金鹼鹽可無所限制地使用周知之亞硫酸金鹼鹽。亞硫酸金鹼鹽可舉出例如亞硫酸金(I)鈉、亞硫酸金(I)鉀等。可以單獨1種，或是併用2種以上。
於本發明所使用之非氰系電解鍍金浴，金離子來源係混合上述之亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨，其混合量以金量而言，一般係1~50g/L，以8~15g/L為佳。亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨之混合量未達1 g/L時，會有電鍍皮膜厚度不平均的情形出現。超過50g/L時，電鍍皮膜之物性等並不會出現問題，但不經濟。
(2)水溶性胺(安定劑)水溶性胺可使用例如1,2－乙二胺、1,2－丙二胺、1,6－己二胺等。可以單獨1種而使用，亦可併用2種以上而使用。
水溶性胺之混合量一般為1~30g/L，以4~20g/L為佳。水溶性胺之混合量超過30g/L時，金錯合物之安定性會增大。然而，會有電鍍皮膜過度緻密化，接合性變差的情形出現。未達1g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
(3)Tl化合物、Pb化合物、As化合物(結晶調整劑)結晶調整劑可舉出例如蟻酸鉈、丙二酸鉈、硫酸鉈、硝酸鉈等Tl化合物；檸檬酸鉛、硝酸鉛、丙烯基磺酸鉛等Pb化合物；三氧化二砷等As化合物。可將這些Tl化合物、Pb化合物、As化合物以單獨1種而使用，亦可組合2種以上而使用。
結晶調整劑之混合量可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地加以設定，金屬濃度一般為0.1~100mg/L，以0.5~50mg/L為佳，3~25mg/L特佳。結晶調整劑之混合量未達0.1mg/L時，電鍍附著性、電鍍浴之安定性、以及耐久性會惡化，電鍍浴之構成成份會分解。超過100mg/L時，會使電鍍附著性惡化，以及電鍍皮膜外觀產生不平均。
(4)亞硫酸鹽、硫酸鹽(傳導鹽)做為傳導鹽所使用之亞硫酸鹽、硫酸鹽可舉出例如亞硫酸鈉、亞硫酸鉀、焦亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉等亞硫酸鹽；硫酸鈉等硫酸鹽。其中，以亞硫酸鈉與硫酸鈉之組合為佳。
於電解鍍金浴中上述之亞硫酸鹽以及硫酸鹽之混合量，可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地加以設定。而以下述之混合量為佳。
亞硫酸鹽以SO3 2 － 而言，一般係5~100g/L，但以10~80g/L為佳，20~60g/L特佳。亞硫酸鹽之混合量未達5g/L時，附著性以及液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過100g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
硫酸鹽以SO4 2 － 而言，一般係1~120g/L，但以1~60g/L為佳，1~40g/L特佳。未達1g/L時，液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過120g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
(5)緩衝劑緩衝劑若為一般使用於電解鍍金浴者則無特別限制。例如可使用磷酸鹽、硼酸鹽等無機酸鹽、檸檬酸鹽、酞酸鹽、乙二胺四乙酸鹽等有機酸(羧酸、羥羧酸)鹽等。
於非氰系電解鍍金浴中緩衝劑之混合量，一般係1~30g/L，但以2~15g/L為佳，2~10g/L特佳。緩衝劑未達1g/L時，因pH降低，液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過30g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
於非氰系電解鍍金浴中，可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地使用pH調整劑及安定劑等。
pH調整劑可舉出酸例如硫酸、亞硫酸、磷酸等、鹼例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水等。安定劑可舉出重金屬(Tl、Pb、As等)離子等。
非氰系電解鍍金浴之pH一般係7.0以上，以7.2~10.0為佳。電鍍浴之pH未達7.0時，電鍍浴會顯著地不安定且產生電鍍浴之分解。相反的pH為10.0以上時，會使做為電鍍素材之光罩劑之鄰甲酚系正型光阻溶解，而無法形成所期望圖案之電鍍皮膜。
[氰系電解鍍金浴]
氰系電解鍍金浴係以做為金離子來源之氰化金鹼鹽或氰化金銨、微量的結晶調整劑、傳導鹽、及緩衝劑為基本組成，係周知者。
(1)氰化金鹼鹽、氰化金銨(金離子來源)氰化金鹼鹽可無所限制地使用周知之氰化金鹼鹽。例如可舉出氰化金鉀、氰化金鈉、氰化金銨等。以單獨1種而使用，或可併用2種以上。
本發明所使用之氰系電解鍍金浴，以上述之氰化金鹼鹽或氰化金銨做為金離子來源，其混合量以金量而言，一般係1~50g/L，以8~15g/L為佳。混合量未達1 g/L時，會有電鍍皮膜厚度不平均的情形出現。超過50g/L時，電鍍皮膜特性等並無問題，但不經濟。
(2)Tl化合物、Pb化合物、As化合物(結晶調整劑)結晶調整劑可舉出例如蟻酸鉈、丙二酸鉈、硫酸鉈、硝酸鉈等Tl化合物；檸檬酸鉛、硝酸鉛、丙烯基磺酸鉛等Pb化合物；三氧化二砷等As化合物。可將這些Tl化合物、Pb化合物、As化合物以單獨1種而使用，亦可組合2種以上而使用。
結晶調整劑之混合量可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地加以設定，金屬濃度一般為0.1~100mg/L，以0.5~50mg/L為佳，3~25mg/L特佳。結晶調整劑之混合量未達0.1mg/L時，電鍍附著性、電鍍浴之安定性、以及耐久性會惡化，電鍍浴之構成成份會分解。超過100mg/L時，會使電鍍附著性惡化，以及電鍍皮膜外觀產生不平均。
(3)無機酸鹽、有機酸鹽(傳導鹽)做為傳導鹽所使用之無機酸鹽可舉出例如磷酸鹽、硼酸鹽等。有機酸鹽可舉出檸檬酸鹽、草酸鹽等。
於電解鍍金浴中無機酸鹽或有機酸鹽之混合量，可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地加以設定。而以下述之混合量為佳。
無機酸鹽一般係50~250g/L，但以100~200/L為佳。混合量未達50g/L時，附著性以及液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過250g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
有機酸鹽一般係50~250g/L，但以100~200g/L為佳。未達50g/L時，液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過250g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
(4)緩衝劑緩衝劑若為一般使用於電解鍍金浴者則無特別限制。例如可使用磷酸鹽、硼酸鹽等無機酸鹽、檸檬酸鹽、酞酸鹽、乙二胺四乙酸鹽等有機酸(羧酸、羥羧酸)鹽等。
緩衝劑之混合量，一般係1~30g/L，但以2~15g/L為佳，2~10g/L特佳。緩衝劑未達1g/L時，因pH降低，液體安定性會惡化，產生電鍍浴之分解。超過30g/L時，會減低限界電流密度而變成燒焦電鍍。
氰系電解鍍金浴中，可於未損及本發明之目的的範圍內適宜地使用pH調整劑及安定劑等。
pH調整劑可舉出酸例如硫酸、磷酸等無機酸及檸檬酸、草酸等有機酸，鹼例如氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水等。安定劑可舉出重金屬(Tl、Pb、As等)離子等。
氰系電解鍍金浴之pH一般係3.0以上，以4.0~7.0為佳。
本發明之金凸塊或金配線之形成方法，係使用上述非氰系電解鍍金浴或氰系電解鍍金浴，藉由以下所述之步驟1與步驟2而進行電解鍍金。
步驟1係以0.1A/cm2 以下，更佳係以0.01~0.05 A/cm2 之低電流密度，於金凸塊或金配線上形成膜厚為0.1~5 μ m之步驟。
步驟2係以0.3~1.2A/cm2 之電流密度，於金凸塊或金配線上形成所期望厚度為止之步驟。
步驟1鍍金皮膜之膜厚以0.1~5 μ m為佳，0.5~3 μ m更佳，1~2 μ m最佳。步驟1所形成之電鍍層厚度，係可依據護層段差大小及底層金屬狀態、處理狀態，而可於上述範圍中適當地選擇。
自電鍍開始至完成期間，電流密度為0.1A/cm2 以下之步驟1其次數可為1次，亦可為數次。
步驟2與步驟1相同，可為1次，亦可分為數次進行本發明之電解鍍金，可以步驟1與步驟2至少一次交互地進行，其順序何者為先均可。
自電鍍開始至完成期間，經過數次以步驟1進行電鍍時，每次所使用之電流密度，於各次鍍金時，未損及量產時之輸出量，且若為於上述範圍內則無特別限制。例如，第1次之步驟1之電流密度為0.02A/dm2 ，而第2次步驟1之電流密度改為0.05A/dm2 亦可。
護層段差小至0.5 μ m以下時，使用上述之鍍金浴，以步驟1形成金皮膜時，皮膜上表面相反地會出現凸狀而產生接合上的問題。護層段差超過3 μ m大時，以步驟1所形成之金皮膜膜厚為1 μ m以下時，鍍金皮膜上表面之段差不會降為1 μ m，會出現即使鍍金後仍無法充分消除段差之情形。
設定步驟1之電流密度極低且由步驟1所得之金皮膜膜厚合計很厚，電解浴溫度高時，會出現金皮膜表面之過於粗大化。
形成金凸塊、金配線時之電解浴溫度，一般為40~65℃為佳，45~60℃更佳。
電解浴溫度超過40~65℃之範圍時，會出現不易析出電解皮膜，及無法充分消除護層段差之情形，電解皮膜外觀異常時，電解液變為不安定而分解，會有於電解浴產生沉澱之情形出現。
依據本發明形成金凸塊或金配線用之電解皮膜時，特別為以高效率消除護層段差，且將金凸塊或金配線之段差降至1 μ m以下，而將電解浴溫度設定於50~60℃之範圍，以便於步驟1形成當作基底之金皮膜後，再藉由步驟2形成金皮膜。
藉由步驟1與步驟2之電解膜厚度合計以1~30 μ m，特別以1~25 μ m為佳。
本發明所適用者，若為表面經金屬噴鍍導通之晶圓，則不特別選擇被電鍍物，例如特別適用於鄰甲酚系正型光阻、丙烯系負型光阻等圖案化之矽晶圓上之凸塊形成，及Ga/As晶圓等化合物晶圓上之配線形成。
 實施例1~12，比較例1~4
依表1~3所示之混合量而調整非氰系電解鍍金浴或氰系電解鍍金浴。各原料之混合濃度單位若無特別註明則為g/L。使用各電解浴，依照步驟A~E或F~K之順序，以各步驟所記載之電流密度，進行電解鍍金直至膜厚為表中所載。
使用之被電鍍物係鄰甲酚系正型光阻，其具經圖案化凸塊開口部之矽晶圓(表面剖面組成係金濺鍍膜/TiW/SiO2 )。其剖面圖示於圖2(A)。圖2中，21為光阻，23為金濺鍍膜，25為護層膜(TiW)，27為矽晶圓，29為Al電極。將被電鍍物浸漬於1L中調整後之非氰系電解鍍金浴或氰系電解鍍金浴，藉由施以通電而形成具15 μ m膜厚之電鍍皮膜。
形成具規定膜厚之鍍金皮膜後，將所得皮膜表面段差程度、電鍍浴安定性、電鍍皮膜外觀、皮膜硬度(未熱處理以及經300℃、30分鐘熱處理後)，以Au濺鍍膜之碘系蝕刻劑，針對蝕刻性以下述方法及基準進行評價。結果併示於表1~3。
[凸塊皮膜表面段差程度]
如圖2(A)所示，使用鄰甲酚系正型光阻21，以觸針式表面形狀測定器測定圖案化凸塊圖案之護層段差a後，得知為1.5 μ m。
使用非氰系或氰系電解鍍金浴形成金凸塊後，將鄰甲酚系正型光阻以專用溶劑之丁酮溶解。電鍍後之晶圓剖面圖示於圖2(B)。將凸塊31端緣部之最大高度值與中央之最小高度值之差b視為電鍍後段差(μ m)，使用觸針式表面形狀測定器測定段差。一般凸塊所要求之特性係段差在1 μ m以下。
[鍍金浴安定性]
觀察依表1~3之電鍍條件對被鍍物施以電鍍後之電鍍浴情況，並以下述基準評價。
分解：電解液產生分解。
×：以肉眼判斷之程度觀察到電解浴中之金沉澱。
△：僅觀察到電解浴中之金沉澱。以0.2 μ m過濾膜過濾而可觀察程度。
○：未觀察到電解浴中之金沉澱。
[鍍金皮膜外觀]
觀察被鍍物上被電鍍之金凸塊的表面皮膜外觀，並以下述基準評價。
×：顏色為紅色，可見樹枝狀析出，觀察到不均勻，還發生燒焦情形。
△：無異常析出，外觀具光澤。
○：顏色為檸檬黃，外觀無至半光澤且均勻。
[鍍金皮膜硬度(Vickers硬度；Hv)]
使用於被鍍物上形成特定的角凸塊部位，以Vickers硬度計測定其皮膜硬度(未熱處理以及經300℃、30分鐘熱處理後)。
一般用於凸塊電鍍所要求之特性係回火後之皮膜硬度為60 Hv以下。測定條件係將測定壓頭荷重25gf下保持10秒之條件而進行。
[藉由Au電鍍凸塊之之碘系蝕刻劑之蝕刻性]
將被鍍物浸漬於在常溫下充分被攪拌後之碘系蝕刻劑中90秒後，以酒精系沖洗液洗淨，以乙醇噴霧再以乾燥機進行乾燥。
其後，使用金屬顯微鏡，以50~150倍之倍率觀察被鍍物上所形成之全凸塊表面狀態，並以下述基準評價。
×：觀察到50%以上之凸塊表面上有不均勻。
△：局部區域觀察到凸塊表面上有不均勻。
○：被鍍物上之全凸塊表面未觀察到不均勻。
[綜合評價]
自上述之各評價結果，以下述之評價基準評價。
×：關於所形成之鍍金皮膜(金凸塊)以及電鍍處理後之鍍金浴之上述結果中，包含不佳之結果者。
△：關於所形成之鍍金皮膜(金凸塊)以及電鍍處理後之鍍金浴之上述結果中，均為良好結果，但考慮極限後認為無法判斷為良好者。
○：關於所形成之鍍金皮膜(金凸塊)以及電鍍處理後之鍍金浴之上述結果中，均為良好結果者。
1、27‧‧‧晶圓
3、29‧‧‧A1電極
5、25‧‧‧護層膜
7、23‧‧‧金濺鍍膜
9、21‧‧‧光罩材
10‧‧‧開口部
11、31‧‧‧金凸塊
13‧‧‧球
15‧‧‧凹部
x‧‧‧護層段差
a‧‧‧凸塊圖案之護層段差
b‧‧‧凸塊31端緣部之最大高度值與中央之最小高度值之差
[圖1]顯示形成金凸塊後之以往之晶圓之一例之剖面圖。
[圖2]電鍍前晶圓之剖面圖(A)與電鍍後晶圓之剖面圖(B)。
1．．．晶圓
3．．．Al電極
5．．．護層膜
7．．．金濺鍍膜
9．．．光罩材
10．．．開口部
11．．．金凸塊
13．．．球
15．．．凹部
x．．．護層段差

Claims (2)

  1. 一種金凸塊或金配線之形成方法，係使用含有做為金離子來源之亞硫酸金鹼鹽或亞硫酸金銨、用作安定劑之水溶性胺、結晶調整劑、用作傳導鹽之亞硫酸鹽以及硫酸鹽、及緩衝劑之非氰系電解鍍金浴，於圖案化之晶圓上進行電解鍍金，其特徵係由於晶圓上以0.1A/dm2 以下之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟1，與以0.3~1.2A/dm2 之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟2所構成，以使步驟1之合計鍍金層厚度為0.1~5 μ m，步驟1與步驟2之合計鍍金層厚度為所期望厚度，而於晶圓上進行鍍金之方法。
  2. 一種金凸塊或金配線之形成方法，係使用含有做為金離子來源之氰化金鹼鹽或氰化金銨、結晶調整劑、用作傳導鹽之無機酸鹽或有機酸鹽、及緩衝劑之氰系電解鍍金浴，於圖案化之晶圓上進行電解鍍金，且該於晶圓上進行電解鍍金之方法，其特徵係由以0.1A/dm2 以下之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟1，與於進行步驟1後，以0.3~1.2A/dm2 之電流密度進行至少一次電解鍍金的步驟2所構成，以使步驟1之合計鍍金層厚度為0.1~5 μ m，步驟1與步驟2之合計鍍金層厚度為所期望厚度，而於晶圓上進行鍍金之方法。
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