(57)【要約】【課題】下地金属層の界面付近での気泡の残存によるボイドの発生を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造する。【解決手段】基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、めっき工程後にはんだめっき層を溶融して下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー処理工程とを有し、リフロー処理工程は、はんだめっき層の下地金属層に接している下部から上部にかけて順次溶融することを特徴とする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、該めっき工程後に前記はんだめっき層を溶融して前記下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー処理工程とを有し、前記リフロー処理工程は、前記はんだめっき層の前記下地金属層に接している下部から上部にかけて順次溶融することを特徴とするバンプ電極の製造方法。
【請求項２】
前記めっき工程は、前記はんだめっき層中の結晶粒を上部より下部が小さくなるように形成することを特徴とする請求項１記載のバンプ電極の製造方法。
【請求項３】
前記はんだバンプの材料として、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金を用い、前記めっき工程は、前記はんだめっき層の上部形成時よりも下部形成時の電流密度を小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載のバンプ電極の製造方法。
【請求項４】
前記はんだバンプの材料として、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金を用い、前記はんだめっき層の下部の前記添加成分濃度を上部よりも高くすることを特徴とする請求項１又は２記載のバンプ電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスをフリップチップ実装等により基板に接続するために用いられるバンプ電極を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ネットワーク情報社会の急速な進展に伴い、半導体デバイスの高機能・小型化に対応した高密度実装としてフリップチップ実装が普及している。このフリップチップ実装において半導体デバイスを接続するために基板に設けられるバンプ電極は、めっき法による場合、基板上に形成されたバンプ形成用下地金属層（Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌ）に対してはんだをめっきした後、リフロー処理することにより形成される。
この種のバンプ電極の問題点として、リフロー処理後のバンプの内部にボイドと呼ばれる空隙が形成されることがあり、このボイドが発生していると、接合信頼性低下を招くおそれがある。
【０００３】
このボイドの発生を防止するために、以下の技術が提案されている。
特許文献１では、リフロー加熱工程の前に予熱工程を経ることにより、低沸点成分、水分を蒸発させておき、リフロー工程での蒸発分を低減させてボイドの発生を防止している。
特許文献２には、はんだ材料を載せたウエハを、はんだ材料の融点より５℃から１０℃低い温度範囲内で予め加熱する予熱工程を経て、コンベアで線状または細帯状の加熱領域を通過させることで、急峻な温度勾配を付与しながら、固相、液相界面を一方向に移動させることにより、はんだ材料内に残存した気泡を外部に放出させることが開示されている。
特許文献３は、はんだペーストを用いてバンプを形成するものであるが、はんだペーストを２回の溶融工程で溶融しており、第１溶融工程でペーストに含まれるフラックスを揮発させ、第２溶融工程でリフロー温度ではんだを溶融している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６８６３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１２４２４４号公報
【特許文献３】特開２００７−２２７４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これら特許文献記載の方法は、はんだ層内部の気泡の除去に有効ではあるが、下地金属層との界面付近にわずかに気泡が残存するという問題があり、さらなる改良が望まれていた。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、下地金属層の界面付近での気泡の残存によるボイドの発生を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のバンプ電極の製造方法は、基板上の下地金属層表面に電解めっきによりはんだめっき層を形成するめっき工程と、該めっき工程後に前記はんだめっき層を溶融して前記下地金属層の上にはんだバンプを形成するリフロー処理工程とを有し、前記リフロー処理工程は、前記はんだめっき層の前記下地金属層に接している下部から上部にかけて順次溶融することを特徴とする。
【０００８】
バンプ電極のボイドは、めっき工程においてはんだめっき層内に取り込まれためっき液中の一部の成分が、リフロー処理工程においてガス化して気泡として残存することが原因と考えられる。この場合、はんだめっき層の中間位置の気泡は浮力により溶融はんだ中を上昇して表面から外部に放出され易いが、下地金属層とはんだめっき層との界面付近では気泡が界面に付着し易いためにボイドとして残存し易いことを見出した。
【０００９】
本発明では、リフロー処理工程時に下地金属層と接しているはんだめっき層の下部から上部にかけて順次溶融することとしたので、はんだめっき層の固相と液相との界面（以下、固液界面という）が下部から上部に移動することになる。このため、下地金属層との界面付近が最初に溶融して界面付近にガスが発生したとしても、はんだめっき層の固液界面の上昇に伴って界面付近から引き離され、はんだ溶融中に上昇し、溶融はんだの表面から外に放出され、下地金属層との界面付近にボイドとして残存することが防止される。
【００１０】
本発明のバンプ電極の製造方法において、前記めっき工程は、前記はんだめっき層中の結晶粒を上部より下部が小さくなるように形成するとよい。
結晶粒が小さいと多くの結晶粒界が形成され、リフロー処理工程時の熱が結晶粒界を通って伝達し易く、このため、結晶粒が小さい下部が上部より先に溶融し易くなり、前述したように、固液界面の上昇に伴って下地金属層との界面から気泡を引き離すことができる。
【００１１】
本発明のバンプ電極の製造方法において、前記はんだバンプの材料として、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金を用い、前記めっき工程は、前記はんだめっき層の上部形成時よりも下部形成時の電流密度を小さくするとよい。
また、本発明のバンプ電極の製造方法において、前記はんだバンプの材料として、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金を用い、前記はんだめっき層の下部の前記添加成分濃度を上部よりも高くするとよい。
【００１２】
Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金はんだの電解めっきにおいては、めっき層中の添加成分濃度は電流密度に依存し、その電流密度が小さいと、電流密度を大きくした場合に比べて添加成分の濃度が高くなって析出し易くなり、その析出により結晶粒界が増え、その結晶粒界を通って熱伝達し易くなる。このため、リフロー処理工程において溶融し易くなる。
例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金はんだの場合は、はんだめっき層の下部のＡｇ濃度が高くなり、Ａｇ濃度が高いはんだめっき層の下部がＡｇ濃度の低い上部に比べて先に溶融する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、リフロー処理工程時にはんだめっき層の下部が先に溶融してから上部が溶融するので、下地金属層との界面付近でガスが発生したとしてもはんだめっき層の固液界面の上昇により下地金属層との界面から引き離され、はんだ溶融中から外に放出される。したがって、下地金属層の界面付近での気泡の残存によるボイドの発生を防止して、接合信頼性の高いバンプ電極を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の方法が適用されるバンプ電極を示す断面図である。
【図２】図１のバンプ電極を形成する工程を（ａ）〜（ｃ）の順に示した断面図である。
【図３】はんだめっき層の溶融状態と気泡の挙動を模式的に示した拡大断面図である。
【図４】発明例のはんだめっき層の結晶粒をＥＢＳＤ法によって観察した断面解析図である。
【図５】比較例のはんだめっき層の結晶粒をＥＢＳＤ法によって観察した断面解析図である。
【図６】リフロー処理の開始直後のはんだめっき層の溶融状態を観察した側面写真であり、（ａ）が発明例、（ｂ）が比較例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の方法が適用されるバンプ電極を示しており、基板１の電極パッド２の上にバンプ電極３が形成されている。
基板１は、シリコンウエハ５の表面に回路層、絶縁層等が形成されたもので、図１には、シリコンウエハ５の表面に電極パッド２が積層され、このパッド２の中央部を除き、シリコンウエハ５の表面に絶縁層６が形成されている。
【００１６】
電極パッド２の中央部は絶縁層６が被覆されない状態とされ、この電極パッド２の中央部に下地金属層（Ｕｎｄｅｒ  Ｂｕｍｐ  Ｍｅｔａｌ）７を介してはんだが球状に形成されてなるはんだバンプ８が形成され、バンプ電極３を構成している。下地金属層７は、Ｎｉ又はＮｉ合金を使用することも可能であるが、Ｃｕ又はＣｕ合金を用いるのが好適であり、中央部が下方に向けて凹状に窪んだ皿状に形成されている。
また、はんだバンプ８となるはんだの材料としては、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金が好適である。
【００１７】
次に、このように構成されたバンプ電極３を基板１の上に製造する方法について図２に示す工程順に説明する。
（レジスト層形成工程）
予め、シリコンウエハ５の表面に電極パッド２及び絶縁層６が形成された基板１を形成し、その表面を覆うようにＣｕ又はＣｕ合金からなる金属層７ａを形成しておく。この場合、絶縁層６は電極パッド２の中央部を避けて周縁部のみを覆い、その上に形成される金属層７ａが電極パッド２の中央部と接合状態に形成される。
そして、図２（ａ）に示すように、基板１の金属層７ａの上にレジスト層１１を形成し、このレジスト層１１に露光、現像処理を施すことにより、電極パッド２の上方で金属層７ａの上面を露出させた状態に開口部１２を形成する。このレジスト層１１の開口部１２の内径は、得られるバンプ電極３の外径に対応して設定される。
【００１８】
（めっき工程）
次に、基板１をめっき槽（図示略）に浸漬し、金属層７ａに通電して電解めっき処理にて、電極パッド２の上に金属層７ａを介してはんだめっきを施し、図２（ｂ）に示すようにはんだめっき層１３により開口部１２内を埋めた状態とする。
このはんだめっき層１３の形成のために用いられるめっき液は、例えばＳｎ−Ａｇ合金用めっき液では以下の配合とされる。
遊離酸（例えばアルキルスルホン酸）；８０〜３５０ｇ／Ｌ
Ｓｎ２＋；４０〜９５ｇ／Ｌ
Ａｇ＋；０．１〜３．０ｇ／Ｌ
錯化剤；１４０〜３００ｇ／Ｌ
添加剤；３０〜８０ｍｌ／Ｌ
【００１９】
電解めっき条件としては、めっき槽の浴温を例えば３０℃に設定し、電流密度（ＡＳＤ）をはんだめっき層１３の上部形成時よりも下部形成時の方が小さくなるように制御する。例えば、形成すべきはんだめっき層１３の膜厚を三等分して、上部、中部、下部の三層に分け、下部形成時の電流密度が最も小さく、上部形成時の電流密度が最も高くなるようにする。一例を挙げると、はんだめっき層１３の膜厚が６０μｍである場合、上部、中部、下部の膜厚をそれぞれ２０μｍとし、下部の２０μｍ膜厚のはんだめっき層形成時の電流密度を０．５Ａ／ｄｍ２〜４Ａ／ｄｍ２、中部の２０μｍ膜厚のはんだめっき層形成時の電流密度を３Ａ／ｄｍ２〜８Ａ／ｄｍ２、上部の２０μｍ膜厚のはんだめっき層形成時の電流密度を７Ａ／ｄｍ２〜１１Ａ／ｄｍ２の範囲内で、下部から上部にかけて順次大きくなるように設定する。
このように電流密度を変えてはんだめっき層１３を形成することにより、電流密度が最も小さい下部ではＡｇ濃度の高いはんだめっき層が形成され、電流密度が大きい上部ではＡｇ濃度が低いはんだめっき層となる。つまり、電流密度により、めっきされる速度が決まり、電流密度が小さいとめっき速度が遅く、ゆっくり析出するためＡｇがより多く析出するのに対して、電流密度が大きいとめっき速度が速いためＡｇの析出が追い付かず析出Ａｇ濃度が低くなるのである。
本実施形態では電流密度を厚さ方向に三段階に分けたことにより、このはんだめっき層１３は、その下部から上部にかけてＡｇ濃度が低くなる濃度勾配が生じている。
【００２０】
（レジスト層除去及びエッチング工程）
次に、レジスト層剥離液によりレジスト層１１を溶解して除去し、金属層７ａの表面及びはんだめっき層１３を露出した後、金属層７ａの不要部分をエッチングにより除去し、はんだめっき層１３の下方に下地金属層７を形成する。この工程により、図２（ｃ）に示すように、下地金属層７の上にはんだめっき層１３が積層された状態が設けられる。
【００２１】
（リフロー処理工程）
次に、はんだめっき層１３を加熱して溶融させるリフロー処理を行う。このリフロー処理としては、窒素雰囲気あるいは低酸素雰囲気または還元雰囲気中で２３０℃〜２５０℃に数十秒間加熱する。
前述したようにはんだめっき層のＡｇ濃度が下部において最も高く、上部にかけて低くなっているので、このリフロー処理工程においては、Ａｇ濃度の最も高い下部が上部よりも先に溶融する。これは、Ａｇ濃度が高い下部においては、Ａｇの析出により結晶粒界が多くなり、この結晶粒界を通って熱伝達し易い状態となっており、このため、下部が上部より先に溶融し易くなるのである。そして、このはんだめっき層１３の下部が先に溶融し、その後、図３に模式化して示したように、破線で示す固液界面Ｓが白抜き破線矢印で示すように上部に向けて上昇することにより、下地金属層７との界面付近に気泡ｇが発生した場合でも、その固液界面Ｓの上昇に伴って下地金属層７との界面から実線矢印で示すように引き離され、はんだ溶融中から外部へ放出される。
【００２２】
そして、このようにして溶融したはんだが下地金属層７の上で表面張力によりボール状に丸くなり、冷却されることにより、図１に示すようにボール状のまま固化してはんだバンプ８となり、基板１の電極パッド２の上に、下地金属層７表面にはんだバンプ８を形成したバンプ電極３が構成される。
なお、このリフロー処理工程において、リフロー温度（２３０℃〜２５０℃）に至る昇温を二段階以上の温度プロファイルとなるように加熱してもよく、はんだ溶融温度に到達するまでの間に、はんだ溶融温度より低い温度で所定時間保持する予熱処理を伴うものも含むものとする。
【００２３】
このようにして形成されるバンプ電極３は、全体としては下地金属層７の上にはんだバンプ８が球状に形成される。
前述したようにリフロー処理工程においてはんだめっき層１３の下部から先に溶融して、下地金属層７の界面付近での気泡の残存が抑制されているので、ボイドの発生のないはんだバンプ８が形成され、部品実装において高い接合信頼性を有することができる。  
【実施例】
【００２４】
はんだ合金としてＳｎ−Ａｇ合金、下地金属層として純Ｃｕを用い、基板表面の直径１１０μｍの下地金属層の上に、高さ６０μｍのはんだめっき層を形成した。その際、はんだめっき層を下部、中部、上部の厚さ２０μｍずつの三層に分け、各部の電流密度を表１に示すように設定した。
めっき液としては、以下の成分とした。（）内の数値はモル濃度を示す。浴温は３０℃に設定した。
遊離酸；１００ｇ／Ｌ（１．０４）
Ｓｎ２＋；８５ｇ／Ｌ（０．７２）
Ａｇ＋；１．５ｇ／Ｌ（０．０１５）
錯化剤；２２０ｇ／Ｌ（０．２２）
添加剤；６０ｍｌ／Ｌ（０．０６）
また、リフロー処理工程は窒素雰囲気下で２４０℃６０秒間とした。
【００２５】
得られた試料につき、ボイドの面積率を測定した。
ボイドの面積率は、はんだバンプの横断面を透過Ｘ線顕微鏡により観察し、その観察視野内におけるはんだバンプの断面積に対するボイドの断面積の総和の比率として算出した。
これらの結果を表１に示す。ボイドの面積率は、１００個のバンプ電極の平均値である。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
また、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて縦断面の定量分析により、はんだめっき層の各部のＡｇの原子濃度を求めた。さらに、結晶粒の粒径を測定した。この粒径は、はんだめっき層の結晶粒をＳＥＭ−ＥＢＳＤによって観察し、その観察画像にバンプ上部、中部、下部の三本の線を引き（参考に図４にＡ，Ｂ，Ｃで上部、中部、下部の線を示した）、各線上に重なっている結晶粒の個数を測定し、バンプの直径（１１０μｍ）をその結晶粒の個数で割った値とした。
その結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表１に示されるように、はんだめっき層の下部から上部にかけて電流密度を高くすることにより、ボイド発生の低減に効果があることがわかる。
その場合、表２に示されるように、はんだめっき層中のＡｇ濃度が下部において最も高く、上部にかけて低くなっているのがわかる。比較例１においては、逆に、はんだめっき層の上部が最もＡｇ濃度が高く、下部にいくほど低くなっていた。また、結晶粒は、比較例では全体的に大きい粒径であるが、発明例でははんだめっき層の上部に比べて下部が微細であり、粒径が小さくなっていることがわかる。
【００３０】
図４は発明例１、図５は比較例１のはんだめっき層の結晶粒をＳＥＭ−ＥＢＳＤによって観察した断面解析図である。図５の比較例１においては、はんだめっき層の下部は柱状晶のように厚さ方向に延びる大きな結晶粒であるのに対して、図４の発明例１では、はんだめっき層の下部の結晶粒が等軸的で微細なものであることがわかる。
さらに、図６は、リフロー処理開始直後のはんだめっき層の側面観察の写真である。この図６においては、上方からヒータによって加熱されているため、はんだめっき層の上面が光っている。また、シリコンウエハ表面が鏡面であるため、はんだめっき層が反射して写っている。この図６によれば、（ａ）で示す発明例１では下部が溶融しており、（ｂ）で示す比較例１では上部が溶融しているのがわかる。
このように、Ｓｎ−Ａｇ合金はんだにおいて、その電解めっき時の電流密度を小さくしたはんだめっき層の下部は、電流密度を大きくした上部に比べてＡｇ濃度が高く、結晶粒も小さくなり、リフロー処理において、はんだめっき層の下部から上部に溶融し、その結果、ボイド発生を低減することができる。
【００３１】
この実施例ではＳｎ−Ａｇ合金はんだを用いたが、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金はんだであれば、Ｓｎ−Ａｇ合金はんだの場合と同様に、電解めっき時の電流密度をはんだめっき層の下部において小さくして上部にかけて大きくすることにより、はんだめっき層の下部で添加成分が析出して結晶粒も小さくなり、リフロー処理において、はんだめっき層の下部から上部に溶融し、その結果、ボイド発生を低減することができると考えられる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
実施形態では、電解めっき時の電流密度をはんだめっき層の下部、中部、上部と三段階に分けて制御したが、下部から上部にかけて連続的に電流密度を変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１  基板
２  電極パッド
３  バンプ電極
５  シリコンウエハ
６  絶縁層
７  下地金属層
８  はんだバンプ
１１  レジスト層
１２  開口部
１３  はんだめっき層
Ｓ  固液界面
ｇ  気泡
【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】
2015201541.tif 000009
【図６】
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