(57)【要約】      （修正有）【課題】改良された機械的特性を有するＰｂフリーのハンダ・バンプ形成方法及びそれを用いた半導体デバイスを提供する。【解決手段】第１の接点と、第１の接点上に形成された非ドープの電気メッキされた鉛フリーのハンダ・バンプ６１０とを有する半導体基板と、第２の接点と、ドーパントを含む第２の接点上のドープした鉛フリーのハンダ層５１０とを有するデバイス・パッケージ基板であり、ドーパントが鉛フリーのハンダ・バンプ内に組み入れられると、ドーパントは、非ドープの鉛フリーのハンダ・バンプの凝固過冷却温度を縮小する。非ドープの電気メッキされた鉛フリーのハンダ・バンプとドープした鉛フリーのハンダ層とが溶融され、それにより、ドーパントが非ドープの鉛フリー・ハンダの中に組み入れられ、ドープしたハンダ・バンプ１４０が形成される。ハンダ・バンプは、第１の接点と第２の接点との間に電気的接続をもたらす。【選択図】図７
2014160822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスを形成する方法であって、
第１の接点と、前記第１の接点上に形成された非ドープの電気メッキされた鉛フリーのハンダ・バンプとを有する半導体基板を提供し、
第２の接点と、前記第２の接点上に、第４列遷移金属のドーパントを含むドープした鉛フリーのハンダ層とを有するデバイス・パッケージ基板を提供し、
前記ハンダ・バンプと前記ハンダ層とが接触している間に前記ハンダ・バンプと前記ハンダ層を溶融し、それにより、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、前記第４列遷移金属のドーパントとで基本的に構成されるドープしたハンダ・バンプを形成する、ことを含む方法。
【請求項２】
前記ドープしたハンダ・バンプ内の前記ドーパントの濃度が、Ｓｎの融点においてＳｎ内の前記ドーパントの溶解限度を超える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ドープしたハンダ・バンプが少なくとも１０個の結晶粒を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ハンダ層が前記ドープしたハンダ・バンプ内の前記ドーパントの濃度より約４倍高い前記ドーパントの濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ドーパントが、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＭｎからなる表から選択された元素を含む、請求項１、２または４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板と、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板と、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第４列遷移金属のドーパントとで基本的に構成される、電子デバイス。
【請求項７】
前記ハンダ・バンプが前記ドーパントの約０．３５重量％と約２重量％との間を含む、請求項６に記載の電子デバイス。
【請求項８】
前記ハンダ・バンプが少なくとも１０個の結晶粒を含む、請求項６に記載の電子デバイス。
【請求項９】
前記ドープしたハンダ・バンプ内の前記ドーパントの濃度が、Ｓｎの融点におけるＳｎ内の前記ドーパントの溶解限度を超える、請求項６または８に記載の電子デバイス。
【請求項１０】
前記ドーパントが、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、およびＭｎからなる表から選択された元素を含む、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に半導体の製造に関し、より詳細には改良された機械的特性を有するハンダ・バンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハンダ・バンプは、いくつかの半導体デバイスをデバイス・パッケージ基板と接合し、電気的に接続するために使用される。典型的には、半導体デバイスは、パッケージ基板上の電気的接点と対応する電気的接点と共に形成される。ハンダ・バンプは、半導体デバイスの接点を基板の接点と電気的および機械的に接続する。基板は、電気的接点から例えば回路ボードに接続されうるパッケージのリード線まで、信号および電力を経路指定する導電性パスを含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本開示は、一実施形態において半導体デバイスを形成する方法を提供する。第１の接点と、第１の接点上に形成された非ドープの電気メッキされた鉛フリーのハンダ・バンプとを有する半導体基板が提供される。第２の接点と、ドーパントを含む第２の接点上のドープした鉛フリーのハンダ層とを有するデバイス・パッケージ基板が提供される。ドーパントが鉛フリーのハンダ・バンプ内に組み入れられると、ドーパントは、非ドープの鉛フリーのハンダ・バンプの凝固過冷却温度を縮小する。非ドープの電気メッキされた鉛フリーのハンダ・バンプとドープした鉛フリーのハンダ層とが溶融され、それにより、ドーパントが非ドープの鉛フリー・ハンダの中に組み入れられて、ドープしたハンダ・バンプを形成する。ハンダ・バンプは、第１の接点と第２の接点との間に電気的接続をもたらす。
【０００４】
別の実施形態は、電子デバイスである。電子デバイスは、半導体基板およびデバイス・パッケージを含む。半導体基板は、半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有し、デバイス・パッケージ基板は、デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有する。Ｓｎを含む鉛フリーのハンダ・バンプは、第１および第２の金属パッドの間に接触状態で存在し、約５×１０−４ｃｍ３以下の体積を有する。ドーパントがハンダ・バンプ内に組み入れられ、ハンダ・バンプの凝固過冷却温度を縮小する。ハンダ・バンプは、Ｓｎの融点において、Ｓｎ内のドーパントの溶解限度より高いドーパントの濃度を含む。
【０００５】
前述の内容は、当業者が、後述する本発明の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の特徴を略述したものである。本発明の特許請求の範囲の主題を形成する、本発明の付加的な特徴が、以下の本明細書に記載される。当業者が、開示された構想および具体的な実施形態を、本発明と同じ目的を遂行するために、他の構造を設計し改変するための基礎として容易に使用できることを、当業者には理解されたい。また、そのような同等の構築物が、本発明の趣旨および範囲から逸脱しないことを、当業者には理解されたい。
【０００６】
本発明をより完全に理解するために、以下の説明を添付の図面と併せて参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本開示により形成された電子デバイスを示す図である。
【図２】高度に相関づけられた結晶方位を有する少数の結晶粒を有する従来技術のハンダ・バンプを示す図である。
【図３】不十分に相関づけられた結晶方位を有する多数の結晶粒を有する、本開示により形成されたハンダ・バンプを示す図である。
【図４】本開示による方法を示す図である。
【図５】パッケージ基板上に形成されたハンダ層を有するパッケージ基板の金属接触を示す図である。
【図６】電子デバイス上に形成された非ドープのハンダ・バンプを有する電子デバイスの接点を示す図である。
【図７】図Ａ及びＢは、本開示のドープしたハンダ・バンプを生成するために、電子デバイスとパッケージ基板とを接合することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書の実施形態は、ハンダ・バンプの機械的特性を改良するためのドーパントを含むハンダ・バンプを記載する。ドーパントは、ドープしたバンプ内に、比較可能な非ドープのバンプ内よりも多数の結晶粒の形成を促進するものと考えられる。ドープしたバンプ内のより多数の粒子が、非ドープのバンプが有するよりも多くの等方性の（ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）機械的特性をドープしたバンプに与え、電気故障につながる可能性のある、パッケージされた半導体デバイス内のバンプの機械的故障の割合を低減すると考えられる。
【０００９】
以下の説明における種々の理論的考察が、本開示を解明するための背景を提供することを制限することなく、提示される。理論の説明は、本説明に関連するそれらの考察に限定される。ある要因が、本説明を分かりやすくまたは簡単にするために、無制限に省略されることがある。
【００１０】
これまで鉛（Ｐｂ）−スズ（Ｓｎ）ハンダが使用され、広い温度範囲にわたる動作に適合する電気的特性と機械的特性との組合せを提供してきた。この適合性の一側面は、不十分に相関づけられた結晶方位を有する、多数の不規則に方向づけられた結晶粒の形成である。不十分な相関性は、広い温度範囲にわたって、等方性の機械的特性および延性挙動を結果としてもたらす。これらの特性は、過度の応力を構成部品に移すことなく、電子組立体の構成部品間の熱応力を吸収する。
【００１１】
しかし、環境保護に反する鉛の影響に対する環境への懸念が、世界の種々の地域において、電子機器内の鉛の使用を明示的に規制する法律を結果としてもたらした。例えば、２００３年に欧州連合によって採択され、２００６年に発効した、特定有害物質使用の制限命令（ｔｈｅ  Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  （ＲｏＨＳ）  ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ）は、任意の均質な構成部品内の鉛の濃度を０．１重量％（１０００ｐｐｍ）以下に制限する。０．１重量％以下の鉛を有するハンダは、本明細書では鉛フリー（またはＰｂフリー）と呼ばれる。一般に、認可された鉛の濃度は、Ｓｎベースのハンダに所望の結晶構造を与えるには低すぎる。
【００１２】
ハンダの結晶構造は、部分的には、ハンダの凝固過冷却温度（本明細書では簡潔にするために「過冷却」と呼ぶ）によって決定される。本明細書で使用されるように、過冷却は、元素金属または合金金属の公称融点と、金属を凝固させるために融点より低く下げなければならない温度との間の温度差である。一般に、以下に詳細に記載するように、より小さい過冷却が、ハンダの所望の機械的特性に好都合な結晶特性と関連する。過冷却に影響する要因は、例えばハンダ試料の不純物および大きさを含む。
【００１３】
本明細書で使用される場合、ハンダは、少なくとも約９５重量％のＳｎを含む金属組成物であり、例えば銅または銀などの合金金属を含んでよい。この定義は、以下に詳細に説明されるように、１つまたは複数のドーパントの存在を無視する。例示的なハンダは、例えば純粋なＳｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−ＣｕおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ（ＳＡＣ）を含む。ドープしたハンダは、ハンダ、例えば上述の組成のうちの１つのハンダと、ドーパントとを含む。以下に詳細に記載するように、種々の実施形態では、ドーパントは、（標準的な、元素のメンデレーエフ周期表で求められるような）第４列遷移金属、例えばＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉおよびＺｎのうちの１つから選択されてよい。Ｃｕは、過冷却を縮小することにおいて効果がないことが示されており、ドーパントの表から明確に排除されている。上述の遷移金属のうちのいくつかが推奨されうる。例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、ＮｉおよびＺｎは酸化されにくく、それゆえ、あるデバイスにおいて、より多く利用されうる。以下に詳細に記載するように、本明細書の実施形態によって企図されるドーパントの濃度は、約２重量％以下である。
【００１４】
ＰｂフリーのＳｎベースのハンダ組成物の過冷却を縮小するために、いくつかのドーパントが発見されているが、本明細書の実施形態で開示された範囲内の濃度を有するハンダ・バンプを形成する方法は、捕らえどころがないままである。本明細書で使用されるように、ハンダ・バンプは、バンプ下地金属化（ｕｎｄｅｒ  ｂｕｍｐ  ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ：ＵＢＭ）パッドに付着した若干のＰｂフリーのＳｎベースのハンダ組成物であり、約２５０μｍの最大直径、約５×１０−４ｃｍ３の最大体積、または約３ｍｇの最大質量を有する。以下に詳細に記載するように、バンプの形成は、ドープしたハンダ組成物をＵＢＭパッド上に電気メッキすることを含む。いくつかの場合では、バンプは、バンプ列の一部であってよい。
【００１５】
最初に図１を参照すると、本開示によって形成され、全体として１００で指示される電子デバイスが示される。電子デバイス１００は、デバイス・パッケージ基板１２０に電気的および機械的に接続された半導体基板１１０を含む。基板１１０は、例えば電子デバイス・ダイであってよい。デバイス１００は、例えば基板１１０を周囲環境から保護するために、従来の蓋１３０を含むように、限定することなく示されている。いくつかの実施形態では、基板１１０は、代替としてまたは付加的にカプセル材料で保護される。基板１１０とパッケージ基板１２０との間の電気的接続は、半導体基板１１０および基板１２０の上に形成された電気的接点（例えば図２参照）に接続されたハンダ・バンプ１４０によってもたらされる。従来のアンダーフィル１５０が、基板１１０と基板１２０との間に形成される。基板１２０は、その上に形成された接点を、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）として限定することなく示されたパッケージ接点１６０と電気的に接続するように構成された導電性パス（図示せず）を含む。
【００１６】
図２は、従来技術のハンダ・バンプ２１０と、従来技術のハンダ・バンプ２１０の直近のパッケージ１００の構造的要素との詳細な断面図を示す。半導体基板１１０は、ＵＢＭパッド２２０を含む。ＵＢＭパッド２２０は、半導体基板１１０の回路に電気的に接続されてよく、または半導体基板１１０への電源およびアースの接続を提供することができる。基板１２０は、例えば銅から形成されてよい従来のポスト２３０を含む。ＵＢＭパッド２２０またはポスト２３０は、任意選択で障壁金属層、例えばニッケルを含んでよい。ハンダ・マスク２４０は、従来技術のハンダ・バンプ２１０が、ポスト２３０と電気的に接触することができる開口を含む。
【００１７】
従来技術のハンダ・バンプ２１０は、従来の（非ドープの）ハンダ配合、例えばＳｎ−ＡＧまたはＳｎ−Ｃｕから形成される。従来技術のハンダ・バンプ２１０の直径は、例えば約２５０μｍ以下であり、高密度バンプ列と矛盾しない。この規模において、従来技術のハンダ・バンプ２１０の結晶体の熱力学は、比較的少数の粒子２５０の形成を促進する。粒子２５０は、高度に相関づけられた結晶方位を有することができる。言い換えると、粒子２５０は、全体的に粒子２５０に関連する格子軸が同じ方位を有するように整列されうる。そのような方位は、従来技術のハンダ・バンプ２１０および／または半導体基板１１０の信頼性に悪影響を与える可能性がある。とりわけ、そのように整列された粒子は、従来技術のハンダ・バンプ２１０の破壊破損につながる可能性がある。
【００１８】
スズは、体心立方の単位格子を有する。正方の単位格子は、その弾性特性および熱膨張特性に著しい異方性を結果としてもたらす。この異方性が、方向づけられたハンダ・バンプ内で熱サイクルによる損傷の蓄積を結果としてもたらし、そのことが、結果としてバンプの破壊、およびバンプがその一部をなすパッケージされた電子デバイスの関連故障をもたらす可能性があることが考えられる。さらに、［００１］の結晶学的方向が基板パッドとほぼ平行であるようにＳｎ粒子が方向づけられると、いくつかの方位が、強められたせん断ひずみを結果としてもたらす可能性がある。対照的に、［１００］または［０１０］が基板パッドと平行であるように粒子が方向づけられる場合は、せん断ひずみは最小化されるものと考えられる。さらに、この異方性は、基板１１０内の誘電体層の限界応力を超えるせん断応力につながり、誘電体の接着破壊もしくは凝集破壊および層間剥離を結果としてもたらす可能性がある。層間剥離の危険性は、［００１］方向がハンダ・パッドおよび誘電体層とほぼ平行であるときに特に重大であるが、［１００］または［０１０］の方向が同様に方向づけられているときは重大ではないと考えられる。この危険性は、基板１１０が、有機誘電体または多孔質誘電体など、いくつかの「低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）」誘電体層を使用するときに、特に顕著である。
【００１９】
高度に相関づけられた粒子を有する高度に相関づけられたスズ・ベースのハンダ・バンプの上述の欠陥が、ハンダ・バンプ内の結晶粒の大きさを低減し、粒子配向の相関性を低減することによって緩和されうることが考えられる。これらの改良された特性を達成する１つの方法は、ハンダ・バンプの過冷却温度を縮小することである。
【００２０】
一般に、スズの凝固を開始するために必要な過冷却の量は、例えば表面エネルギー効果および利用可能な核形成部位が原因で、溶融スズの試料の大きさが減少するにつれて増加する。例えば非ドープのスズでは、不規則な熱運動が、十分に大きな数のスズ原子を固体のスズ格子の正しい位置に落ち込ませ、エンブリオ（ｅｍｂｒｙｏ）を形成させる位置において、粒子が核形成するものと考えられる。溶融スズの試料の大きさが減少するにつれて、より少ない数のエンブリオが溶融物の中に存在するものと推測される。合金および試料の大きさに応じて、必要な過冷却は、５０℃以上である可能性がある。したがって、凝固のための駆動エネルギーはかなり大きくなる可能性がある。粒子の核形成が発生すると、駆動力が、粒子を急速に成長させることができる。さらに、前進する凝固先端において凝固するスズ粒子によって放出された融解熱が、隣接する核形成する粒子を融解する可能性がある。したがって、要因のこの組合せが、小さな試料の中のほんのわずかな粒子の形成を促進し、いくつかの粒子の方位が高度に相関づけられるのを促進するものと考えられる。
【００２１】
図３は、本開示によって形成されたハンダ・バンプ１４０を示す。ハンダ・バンプ１４０は、その結晶方位が不十分に相関づけられた多くの小さな粒子を含む。スズ溶融物の過冷却を縮小することが、スズ溶融物中の粒子の数を増加させ、非ドープのスズと比べて、その大きさを低減するものと考えられる。いくつかの場合では、ハンダ・ボール１４０は、１０以上の粒子を有することができる。核形成および粒子の成長がより低い過冷却で発生すると、成長する粒子によって放出されるエネルギーがより小さくなり、前進する固体／液体界面がより遅く進行する。他のエンブリオが粒子を核形成するための時間がより多くの存在し、成長する粒子が、再溶融によって互いに消費しあう可能性がより小さくなる。このようにして、改良されたバンプの機械的特性が得られる。
【００２２】
ドーパントの有益な濃度は、過冷却を縮小するのに十分であるが、ドープしたハンダと非ドープのハンダとの融点の差が小さく、例えば約５℃未満であるのに十分なだけ低い。
一般に、この濃度は、ドーパントの約２重量％未満である。いくつかの場合では、例えば２重量％より高い濃度において可能性のある悪影響に対して処理余裕を確保するために、１重量％未満の濃度が好まれる。
【００２３】
ドーパントは、スズの融点、約２３２℃において、Ｓｎ内の溶解限度を有する。本明細書では、溶解限度におけるドーパントの濃度を有するハンダ・バンプは、飽和と呼ばれる。この限度より低いドーパントの濃度は、本明細書では不飽和と呼ばれ、この限度より高いドーパントの濃度は過飽和と呼ばれる。いくつかの場合では、ハンダ・バンプ内に過飽和濃度のドーパントを有することが望ましい。理論によって限定されることなく、そのような濃度が、飽和または不飽和のハンダ・バンプによって可能な核形成部位の数より大きい数の核形成部位をハンダ・バンプ内に形成することにつながり、より多数の粒子と、粒子の結晶方位の不十分な相関性をもたらすことが考えられる。この効果は、約２５０μｍ以下の直径、または約５×１０−４ｃｍ３以下の体積、または約３ｍｇ以下の質量を有するハンダ・バンプ内で特に有利である。
【００２４】
過飽和のドーパントの濃度は、記載された寸法特性を有する知られているハンダ・バンプに対して不利である。例えばハンダ・バンプは、ＵＢＭパッドの一部を溶解し、それによりパッド中の元素をハンダ・バンプ内に導入する可能性がある。しかし、そのような元素の濃度は、溶解制限される。例えばＮｉは、２３２℃のＳｎ中で、約０．２重量％以下の溶解限度を有する。この濃度は、一般に、ハンダ・バンプの機械的特性に十分な利益を与えるには不十分であると考えられる。
【００２５】
現在の最新式のハンダ・バンプ形成は、典型的には、電気メッキを使用してデバイス基板のＵＢＭパッド上にハンダ組成物を堆積させる。ドープしたＳｎベースのハンダを、例えば約２重量％未満の所望のドーパントの濃度を有する制御可能な混合物の中で電気メッキすることは、元素の電気陰性度の差が原因で技術的に困難であり、多くの場合、現在のところ実現不可能である。例えば、Ｓｎの電気陰性度は約１．９６（ポーリング単位）であり、一方、Ｚｎの電気陰性度は約１．６５である。多くの電気メッキ処理では、より高い電気陰性度が原因で、処理は、Ｓｎを優先的に堆積させる傾向がある。この処理の偏りは、濃度、メッキ電流およびメッキ浴混合などの処理の変動に敏感であり、例えば、メッキされた層の中のＳｎとＺｎとの相対濃度の制御を難しくする。この難しさは、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−ＣｕまたはＳＡＣなど、二元合金または三元合金をドープするときに増大する。
【００２６】
本開示は、従来技術の電気メッキされたハンダ・バンプおよびハンダ・バンプを形成する方法の欠陥が、ハンダ・バンプ１４０を所望の濃度で間接的にドープすることによって克服されうるという認識を熟考する。ドーパントは、基板１１０と基板１２０とを接合する前に、基板１２０の上に形成されたハンダ層の中に供給されうる。それにより、ハンダ・バンプ１４０は、実際的または実現可能な、電気メッキの間にハンダ・バンプを直接ドープすることより高度に制御された状態で、より低い濃度においてドープされうる。
【００２７】
図４を参照すると、全体として４００で指示される、ハンダ・バンプをドープする方法におけるステップが示される。図４は、方法の種々のステップを示す図５、図６および図７Ａ／図７Ｂを同時に参照して記載される。図５は、基板１２０の上に形成されたハンダ層５１０を有する基板１２０の断面図を示す。図６は、ＵＢＭパッド２２０上に形成された非ドープのハンダ・バンプ６１０を有する基板１１０の断面図を示す。図７Ａおよび図７Ｂは、処理４００によって接合する間のハンダ層５１０および非ドープのハンダ・バンプ６１０の断面図を示す。
【００２８】
最初に、ステップ４１０で、例えば基板１２０などの基板が、図５に示すように、基板の上に形成された接点２３０、および接点２３０の上に形成されたハンダ層５１０を設けられる。ハンダ層５１０は、基板１１０と基板１２０とを接合した後のハンダ・バンプ１４０内の濃度より高い、ハンダ層５１０内のドーパントの濃度を反映するように、濃く網掛けされた（ｈｅａｖｉｌｙ  ｓｈａｄｅｄ）領域として示される。この特徴は、以下により詳細に説明される。
【００２９】
本明細書では、提供されたものは、局所製造環境の外の源から基板を得ることを含み、方法４００の中でさらなるステップが実施される。また、提供されたものは、局所製造環境内で基板上にハンダ層を形成することを含む。局所製造環境の外から得られるとき、基板上に形成されたハンダ層５１０を有する基板は、以下のステップを実施する第三者から、または事業体の事業単位から得ることができる。
【００３０】
いくつかの実施形態におけるハンダ・バンプ１４０内のドーパントの有利な濃度は、約０．３５重量％から約２．０重量％に及ぶ。濃度が低すぎると、ドーパントは所望の過冷却の縮小をもたらすことはなく、および／または、堆積処理は、所望の制御許容誤差を提供することが困難であるかまたは技術的に実現不可能であることが考えられる。いくつかの場合では、例えば、全ハンダ・バンプが少なくとも０．１重量％までドープされることを保証するのに十分な高いドーパントの濃度を提供することが有利である。そうでない場合は、大きな過冷却を有する、接合部の局部的領域が存在する可能性がある。この場合は、ドーパントを加える利点が、大幅に縮小されるかまたはなくなる可能性がある。ドーパントの分布は一様でない可能性があるので、ハンダ・バンプ全体にわたって濃度が少なくとも約０．１重量％であることを確実にするために、０．３５重量％以上の濃度が望ましいであろう。別の考察は、処理の均一性である。いくつかの実施形態では、基板にわたる、または基板間のドーパントの濃度の偏差を、ドーパントの平均濃度の約２０％以下に制限することが望ましい。これらの場合では、より低い有利な濃度である０．２５重量％が、多くの場合において、この目的にかなうものと考えられる。
【００３１】
高すぎる濃度においては、ドーパントは、延性など、ハンダの機械的特性に望ましくない影響を与えるほどの大きさの析出物を形成する可能性があり、または融点などの温度特性、または酸化安定性などの化学的特性に影響を及ぼす可能性がある。一般に、この上限は、異なるドーパントに対して異なるが、本開示の範囲内のドーパントに対して約２．０重量％までであることが推測される。いくつかの場合では、その濃度を超えるとドーパントによってさらなる有益性が与えられることのない最大濃度が存在すること、または有益な最大濃度を超えると上述のような望ましくない影響が著しくなることのいずれかのために、限界はより低くなるであろう。このより低い最大ドーパントの濃度は、約０．５重量％であるものと考えられる。
【００３２】
ハンダ層５１０は、関心のあるドーパントでオーバードープされる。オーバードープされることは、ハンダ層が、上述のドーパントのうちの１つを、処理４００で形成されたハンダ・バンプ１４０の濃度より高い濃度で含むことを意味する。ハンダ層５１０は、例えば細かく分割された粒子でよく、または溶融物から凝固されてよい。いくつかの実施形態では、ハンダ層は、ハンダの融点において、ハンダ層５１０内のドーパントの溶解限度より高い、例えば過飽和溶液の濃度のドーパントを供給する。ハンダ層５１０が細かく分割された粒子を含むときは、ハンダ層５１０は、例えばハンダ・ペーストで形成されてよい。ハンダ・ペーストは、例えばシルク・スクリーン印刷法など、従来の方法を使用して塗布されうる。粒子の広い表面積が、過飽和溶液の形成を助ける自由エネルギーを供給する。
【００３３】
ハンダ層５１０内のドーパントの濃度が、ハンダ・バンプ内に所定の濃度をもたらすために増減されてよい。例えば、ハンダ層５１０は、典型的には、ハンダ・バンプ１４０の全体積のうちの一定の所定の部分を提供する。例示的一実施形態では、例えば、ハンダ層が、ハンダ・バンプ１４０の全体積のうちの約２５％を提供するように構成され、非ドープのハンダ・バンプ６１０が全体積のうちの約７５％を提供するように構成される。この場合は、ハンダ層５１０は、ハンダ・バンプ１４０内のドーパントの望ましい所定の濃度の約４倍を含むことができる。例えば、ハンダ・バンプ１４０内のドーパントの濃度が、約０．３５重量％から約２重量％まで及ぶ場合、ハンダ層５１０内のドーパントの濃度は、約１．４重量％から約８重量％まで及んでよい。ハンダ層５１０が、ハンダ・バンプ１４０の体積の異なる割合をもたらす場合は、ハンダ層内のドーパントの濃度は、ハンダ・バンプ１４０内の所望のドーパントの濃度を結果としてもたらすために、必要に応じて増減されてよい。
【００３４】
ハンダ層５１０は、非ドープのハンダ・バンプ６１０と同じかまたは異なる濃度の非ドーパント元素を有してよい。例えば、ハンダ層５１０は、ＣｕまたはＡｇを、非ドープのハンダ・バンプ６１０内に存在する濃度とほぼ同じ濃度で含んでよい。他の場合では、ハンダ層５１０は、異なるハンダ組成である。例えば、ハンダ層６１０は、基本的にＳｎだけからなることができ、ハンダ層５１０は、ドーパントに加えてＣｕおよび／またはＡｇを含み、所望のハンダ合金、例えばＳＡＣなどを結果としてもたらすことができる。
【００３５】
図６の参照を継続しながら図４に戻ると、ステップ４２０で、電子デバイス基板１１０は、ＵＢＭパッド２２０上に形成された非ドープのハンダ・バンプ６１０を供給される。
非ドープのハンダ・バンプ６１０は、電気メッキによって形成され、例えばＳｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−ＡｇまたはＳＡＣなど、任意のＳｎの鉛フリー合金であってよい。非ドープのハンダ・バンプ６１０は、任意選択のリフロー処理の後を図示され、非ドープのハンダ・バンプ６１０は、回転楕円体を呈する。他の場合では、リフロー処理が省略されてよく、その場合は、非ドープのハンダ・バンプ６１０は、一般に、回転楕円体ではないであろう。
【００３６】
図４、図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、ステップ４３０で、非ドープのハンダ・バンプ６１０およびハンダ層５１０が、図７Ａに示すように物理的接触状態に至る。非ドープのハンダ・バンプ６１０およびハンダ層５１０の温度が、両者を溶融するのに十分な温度、例えば約２３２℃まで引き上げられる。液相では、非ドープのハンダ・バンプ６１０およびハンダ層５１０の両者によって供給された元素が急速に互いに混ざり合い、所望のドーパントの濃度を有する溶融したハンダ・バンプ１４０を有する組立体７１０を生成する。したがって、組立体７１０の温度は、融点より下に下げられる。いくつかの実施形態では、溶融したハンダ・バンプ１４０は、ドーパントの溶融物を激減させる可能性のある固体の析出物の数と大きさとを低減するために、長くても約１０秒の間、溶融温度より高く維持される。ハンダ・バンプ１４０が冷えるにつれて、ドーパントの存在が、上記の特性、例えばより等方性の機械的特性、を有する多数の粒子の核形成を促進する。例えばアンダーフィル１５０および蓋１３０を設けることなど、付加的な従来のパッケージング・ステップが、電子デバイス１００を完成するために実施されてよい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、ハンダの融点において、ハンダ・バンプ１４０内のドーパントの溶解限度より高い、例えばドーパントで過飽和にある濃度でハンダ・バンプ１４０内に、ドーパントが存在することを確実にする濃度で、ハンダ層５１０がドーパントを供給する。ハンダ・バンプ１４０が過飽和であるとき、ドーパントは、溶融ハンダが冷えるにつれて多数のナノ析出物を形成するものと思われる。次に、これらの析出物は、前に記載したようにスズの粒子に対する核形成部位として働き、非ドープのスズに比べて、観測された縮小された過冷却につながる。いくつかの場合では、ドーパント粒子は、溶融ハンダ内に完全には溶解できず、ドーパントのさらなる析出を伴って、または伴うことなく、核形成部位として働く可能性がある。いくつかの実施形態では、ハンダ・ペーストは、基板１１０と基板１２０とを接合する前に、部分的にまたは完全にリフローされてよい。
【００３８】
上に記載された方法では、非ドープのハンダ・ボール６１０とドープしたハンダ層５１０とが、ハンダ・バンプ１４０を形成するために協働する。ハンダ層５１０は、機械的混合物から形成されるので、本明細書における組成は、電気メッキされた層の組成を制限する影響のような影響によって制限されることはない。したがって、本方法は、ハンダ・バンプ形成の従来の方法よりも大きな自由度の、ドーパントの選択および濃度範囲を提供する。さらに、ハンダ・バンプ内のドーパントの濃度の制御は、従来の処理を上回って改良される。記載された方法によって形成されたハンダ・バンプは、従来のハンダ・バンプの機械的特性より優れた機械的特性を有し、より高い特性の均一性を有するものと期待される。
【００３９】
本発明を詳細に記載してきたが、本発明の趣旨および範囲を、その最も広範な形態において逸脱することなく、当業者が、種々の変更、置き換えおよび改変を加えることができることを、当業者には理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年3月26日(2014.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板と、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板と、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第４列遷移金属のドーパントとで構成され、
前記ドープしたハンダ・バンプは、０．１重量％以上２重量％以下の範囲のドーパントの濃度を有し、
前記ドープしたハンダ・バンプは、前記ドープしたハンダ・バンプ全体にわたって、前記濃度の平均の２０％以下の偏差を有する、電子デバイス。
【請求項２】
前記ドーパントの濃度が０．１重量％以上０．５重量％以下の範囲である、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記ドーパントの濃度が１重量％以上２重量％以下の範囲である、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記ドープしたハンダ・バンプが少なくとも１０個の結晶粒を含む、請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項５】
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板と、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板と、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第４列遷移金属のドーパントとで構成され、
前記ドープしたハンダ・バンプ内の前記ドーパントの濃度が、Ｓｎの融点におけるＳｎ内の前記ドーパントの溶解限度を超える、電子デバイス。
【請求項６】
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板と、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板と、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、第１の濃度のＳｎと、第２の濃度のＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第３の濃度のドーパントとで構成され、
前記ドープしたハンダ・バンプは、第１の過冷却温度を有し、
前記第１の過冷却温度は、前記第１の濃度と同じ濃度のＳｎと前記第２の濃度と同じ濃度のＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方とで構成される非ドープのハンダ・バンプが有する第２の過冷却温度未満である、電子デバイス。
【請求項７】
前記ドーパントは第４列遷移金属のドーパントである、請求項６に記載の電子デバイス。
【請求項８】
電子デバイスを形成する方法であって、
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板を提供し、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板を提供し、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第４列遷移金属のドーパントとで構成される、ドープしたハンダ・バンプを提供し、
前記ドープしたハンダ・バンプは、０．１重量％以上２重量％以下の範囲のドーパントの濃度を有し、
前記ドープしたハンダ・バンプは、前記ドープしたハンダ・バンプ全体にわたって、前記濃度の平均の２０％以下の偏差を有する、電子デバイスを形成する方法。
【請求項９】
電子デバイスを形成する方法であって、
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板を提供し、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板を提供し、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、Ｓｎと、ＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第４列遷移金属のドーパントとで構成される、ドープしたハンダ・バンプを提供し、
前記ドープしたハンダ・バンプ内の前記ドーパントの濃度が、Ｓｎの融点におけるＳｎ内の前記ドーパントの溶解限度を超える、電子デバイスを形成する方法。
【請求項１０】
電子デバイスを形成する方法であって、
半導体基板の上に形成された第１の金属パッドを有する半導体基板を提供し、
デバイス・パッケージ基板の上に形成された第２の金属パッドを有するデバイス・パッケージ基板を提供し、
前記第１の金属パッドと前記第２の金属パッドとの間に接触状態で配置されたドープしたハンダ・バンプとを備え、前記ドープしたハンダ・バンプは、第１の濃度のＳｎと、第２の濃度のＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方と、第３の濃度のドーパントとで構成される、ドープしたハンダ・バンプを提供し、
前記ドープしたハンダ・バンプは、第１の過冷却温度を有し、
前記第１の過冷却温度は、前記第１の濃度と同じ濃度のＳｎと前記第２の濃度と同じ濃度のＡｇおよびＣｕのうちの一方または両方とで構成される非ドープのハンダ・バンプが有する第２の過冷却温度未満である、電子デバイスを形成する方法。