(57)【要約】  第１材料を含む第１材料層（９３）と、第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層（９３）の間に形成されている第２材料層（９５）と、を備えたＵＢＭパッド（９１）。第１材料及び第２材料は、はんだ材料に対して、第２材料層（９５）の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料（９３）とはんだ材料（２５）との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作温度範囲全体において防止するような特性を示している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接触子のためのＵＢＭパッド（９１）であって、
第１材料を含む第１材料層（９３）と、
第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層（９３）の間に形成されている第２材料層（９５）と、を備え、
第１材料及び第２材料は、はんだ材料（２５）に対して、第２材料層（９５）の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料とはんだ材料（２５）との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作温度範囲全体において防止するような特性を示すこと、
を特徴とするＵＢＭパッド。
【請求項２】
はんだ材料（２５）、第１材料及び第２材料は、
金属反応において、第２材料とはんだ材料（２５）が金属間化合物を生成する速度の方が、第１材料とはんだ材料（２５）が金属間化合物を生成する速度よりも速く、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物内のはんだ材料（２５）の割合は、第１材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物内のはんだ材料（２５）の割合よりも小さく、
第２材料層（９５）は、金属反応において、はんだ材料（２５）と第２材料からなる金属間化合物の層がはんだ材料（２５）と第１材料層（９３）の間に形成され、第１材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物の生成が起こらないことを保証する厚さを有していること、
を特徴とする請求項１に記載のＵＢＭパッド。
【請求項３】
第１材料はニッケルを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＵＢＭパッド。
【請求項４】
第２材料は銅を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項５】
はんだ材料（２５）はすず又はすずの合金を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項６】
第２材料層（９５）は第１材料層（９３）よりも薄いことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項７】
第２材料層（９５）の厚さは、技術的製造許容誤差を考慮すれば、第２材料のはんだへの最高溶解度は全工程中の最高温度で確実に達成されるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項８】
第１材料層（９３）の第２材料層（９５）から離れた側に配置された密着拡散バリア層（２１）をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項９】
密着拡散バリア層（２１）は１μｍ未満の厚さの層であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１０】
はんだ材料（２５）と第１材料層（９３）との間に、複数の材料層が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１１】
第１材料層（９３）の第２材料層（９５）から離れた側に配置された電着開始層（５７）をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１２】
端子パッド（１７）を有するＵＢＭパッド（９１）であって、
電気的に第１材料層（９３）に接続された端子パッド（１７）と、
端子パッド（１７）と第２材料層（９５）の間に配置された第１材料層（９３）と、
を備えたことを特徴とするＵＢＭパッド。
【請求項１３】
末端層上にはんだ材料（２５）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１４】
はんだ相手がはんだ材料（２５）を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１５】
請求項１３に記載のはんだ接触子（５１）を使用したはんだ接合方法であって、
第１はんだ相手上に、請求項１３に記載のはんだ接触子（５１）を形成する工程と、
はんだ接触子（５１）上に第２はんだ相手を載置する工程と、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物を生成し、第１はんだ相手と第２はんだ相手を接合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程と、
を備えたことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のＵＢＭパッド（９１）とはんだ材料を有するはんだ相手とをはんだ接合する方法であって、
請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のＵＢＭパッド（９１）を形成する工程と、
はんだ相手のはんだ材料をＵＢＭパッド（９１）に載置する工程と、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物を生成し、ＵＢＭパッド（９１）とはんだ相手を接合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程と、
を備えたことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項１７】
前記接合工程は、第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物がほぼ連続状態で形成され、第１材料とはんだ材料（２５）との金属間化合物が生成されないように、予め設定された温度で予め設定された時間実行することを特徴とする請求項１５又は請求項１６に記載のはんだ接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、微小電子接続方法（フリップチップ接続）分野における、はんだ接触子のためのＵＢＭパッド（ＵＢＭ＝アンダーバンプメタライゼーション）、はんだ接触子、及びＵＢＭパッド及び／又ははんだ接触子と別のはんだ相手との間のはんだ接合を行う方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ接続は、例えば、半導体チップなどの電子機器を電気的及び機械的に接続するための一般的な方法である。この際、いわゆるフリップチップバンプ（フリップチップはんだバンプ）が使用される。これらのフリップチップバンプは、電子機器（ＩＣチップ）又は基板上に形成される。チップとは、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）、りん化インジウム（ＩｎＰ）や他の材料で形成された電子部品を意味するものである。ここで、フリップチップバンプは、チップを対応する基板上に機械的に接着するために、そして、チップ及び／又は電子部品と基板上の端子パッドとの間の電気接続を行うために機能する。環境保護のための規定があるので、将来、鉛を含まない化合物を使用してフリップチップバンプ及び／又ははんだバンプを形成することが要求されるであろう。従って、例えば、基板上でのフリップチップ技術のためのチップや他の電子部品のために、鉛を含まない材料がますます使用されてきている。
【０００３】
鉛不使用のはんだ付けをフリップチップ接続システムに応用するには、アンダーバンプメタライゼーション（ＵＢＭｓ）、はんだ材料、メタライゼーションの分野、さらに、これらの部品間の相互作用に関する分野での広範囲の技能が必要である。多様な鉛不使用のはんだ付けシステムにおいて、これに適する一般的なＵＢＭが試験的に実施され、金属間化合物（ＩＭＣｓ）の生成についてそれらの信頼性に関して研究されている。銅をベースとする標準的なＵＢＭｓは、非常に小さいはんだ接合部を有する機器に対する高温状態での鉛不使用のはんだ付けには適さない。それは、材料の金属的反応が起こり、それによりＩＭＣｓが形成されるからである。本発明の要点は、ＵＢＭ層とはんだの界面においてＩＭＣｓ形成が制限／制御されたＵＢＭ構成を説明するものである。
【０００４】
図６は従来のバンプ１１の構成を示すものである。この従来のバンプ１１はＵＢＭ（アンダーバンプメタライゼーション）層２０を含み、このＵＢＭ層２０は密着拡散バリア層２１、はんだ濡れ層２３及びはんだ２５からなる。
【０００５】
図６は、基板１３及び／又はチップのウェハ状の組立構成を示している。表面はパッシベーション１９によって保護されており、比較的多数の端子パッド１７を支持している。パッシベーション１９は開放的であり、これは、外部との電気接続部であることを示している。密着拡散バリア層２１は端子パッド１７の上に、導電状態で接続されている。はんだ濡れ層２３は密着拡散バリア層２１の上に配置され、はんだ２５は濡れ層２３の上に位置している。
【０００６】
密着拡散バリア層２１、濡れ層２３及びはんだ２５は、例えば、ウェハ構造の端子接触子及び／又はＩＣのＩ／Ｏパッド上に載置される。はんだ２５は、例えば、適当な方法で電着され、ＵＢＭ層２０は例えばスパッタリング及び／又は電着などの方法で形成される。ＵＢＭ層２０の一部分は、濡れ層２３を強化するための次の電気的工程において電極として機能する。この強化は、一層のメタライゼーションとして実施される。ＵＭＢ層２０は、密着層／拡散バリア層２１及びはんだ２５のための濡れ部分として機能する。同時に、ＵＢＭ層２０は、ウェハ上に物理的、化学的及び／又は電子化学的工程ではんだ２５又ははんだバンプを形成する際に技術的機能を発揮する。ＵＢＭ層２０及び／又はＵＢＭ構造を実施する方法は複数ある。現在、製造元により、極めて多様なＵＢＭ構造が存在する。
【０００７】
バンプ材料により、異なるアンダーバンプメタライゼーションシステムつまりＵＢＭ層２０が使用される。使用される材料は、例えば、クロム・銅・金（Ｃｒ／Ｃｕ／Ａｕ）の層状システム、クロム・クロムと銅の化合物・銅（Ｃｒ／ＣｒＣｕ／Ｃｕ）の層状システム、チタン・タングステン・銅−銅（ＴｉＷＣｕ−Ｃｕ）の層状システム、ニッケル又はバナジウムと銅を含むニッケル（Ｎｉ／Ｃｕ及び／又はＮｉＶ／Ｃｕ）の層状システム、チタン・ニッケル又はりんを含むニッケル（Ｔｉ／Ｎｉ及び／又はＴｉ／ＮｉＰ）の層状システム、ニッケルとバナジウムの化合物を含むチタンとタングステンの化合物（ＴｉＷ−ＮｉＶ）の層状システム、アルミニウム・ニッケル（Ｎｉ，ＮｉＰ）・金（Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ及び／又はＡｌ／ＮｉＰ／Ａｕ）の層状システム、チタン・チタンとニッケルの化合物・銅とニッケルの合金（Ｔｉ／ＴｉＮｉ／Ｃｕ−Ｎｉ）の層状システム、チタン・ニッケル・パラジウム（Ｔｉ／Ｎｉ／Ｐｄ）の層状システム、又は、ニッケル・りん、パラジウム、金を含むニッケル（Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ及び／又はＮｉＰ／Ｐｄ／Ａｕ）の層状システムである。はんだは、すず／銅のはんだ（Ｓｎ−Ｃｕ）、すず／銀（Ｓｎ−Ａｇ）、すず／金（Ｓｎ−Ａｕ）、すず／亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）、すず／鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）、すず／ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）又はすず／インジウム（Ｓｎ−Ｉｎ）の混合物として形成してもよい。
【０００８】
密着拡散バリア層２１は、例えば、クロム（Ｃｒ）、クロムと銅の混合物（Ｃｒ−Ｃｕ混合物及び／又はＣｒ−Ｃｕ化合物）、チタン（Ｔｉ）、チタンとタングステンの化合物（ＴｉＷ）、チタン、タングステン、窒素の化合物（ＴｉＷＮ）又はアルミニウム（Ａｌ）から形成される。
【０００９】
例えば、リフロー工程で起こる濡れ層２３とはんだ２５の金属反応において、直接的又は間接的な熱の影響でいわゆる金属間化合物（ＩＭＣ）が形成される。これらの金属間化合物は、はんだ接合の金属的な全体構造の信頼性に影響を与える。ある状況下においては、接続が脆くなり、はんだ接合がはがれたり、電気接続が失われたりする可能性がある。金属間化合物の生成量は、金属層状システムの選択及び／又はＵＢＭ層２３とはんだ２５の形状に大きく左右される。（例えばＰｂＳｎに比べて）すずの割合を増加させたために界面エネルギーに変化が生じ、その結果、例えば、すずの化合物（Ｓｎ）、すず・銀の化合物（ＳｎＡｇ）、すず・銀・銅の化合物（ＳｎＡｇxＣｕy）又はすず・銅の化合物（ＳｎＣｕ）のような鉛不使用のはんだ接合を行うことによって、その下に存在する金属層との反応が強められる場合もあり得る。例えば、５μｍの厚さの銅からなる濡れ層２３は、この工程で完全に消費されてしまうかもしれない。
【００１０】
サイズの小さいバンプでは、ＵＢＭはんだ反応による金属間化合物（ＩＭＣ）の生成を制限することは、電気接続の信頼性を高めるためには必須である。例えば、ＵＢＭと鉛不使用はんだとの間の液相反応及び固相反応の際に起こるＩＭＣ生成を抑える方法がいくつかある。あるＵＢＭ材料を使用する方が他の材料を使用するよりもＩＭＣ生成が抑えられる場合があり、実際、銅に比べてニッケルを使用する場合の方がＩＭＣ生成を抑えられる。この場合、ＵＢＭ消費は抑制されるが、完全に止められるわけではない。
【００１１】
（例えばニッケル、銅の）一層ＵＢＭの信頼性は、ＵＢＭの層の厚さを増すことによって高められる。バンプを形成するために、ＵＢＭ消費を抑えるはんだ合金を使用することも可能である。例えば、６０μｍ〜８０μｍの高さで適当なはんだ合金のはんだ接触子を形成する場合、Ａｌ／Ｎｉ（Ｖ）／ＣｕのＵＢＭは鉛不使用はんだのための潜在的なＵＢＭとして証明されている。しかし、薄膜Ａｌ／Ｎｉ（Ｖ）／ＣｕのＵＢＭは、そのＣｕの割合が十分に高くなければ、鉛不使用はんだと共に用いることはよくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、はんだ接触子のためのＵＢＭパッド、はんだ接触子、及び高い信頼性を有するはんだ接合を可能にするはんだ接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的は、請求項１に記載されているＵＢＭパッド、請求項１３に記載されているはんだ接触子、請求項１５，１６に記載されている方法によって達成される。
【００１４】
本発明は、はんだ接触子のためのＵＢＭパッドを提供するものであり、該ＵＢＭパッドは、第１材料を含む第１材料層、及び第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層の間に形成されている第２材料層を有している。第１材料及び第２材料は、はんだ材料に対して、第２材料層の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料とはんだ材料との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作温度範囲全体において防止するような特性を示す。また、本発明は、末端層上にはんだ材料を有するこのようなＵＢＭパッドを使用したはんだ接触子を提供する。
【００１５】
さらに、本発明は、第１材料を含む第１材料層、及び第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層の間に形成されている第２材料層を有するＵＢＭパッドを使用してはんだ接合を行う方法を提供する。第１材料及び第２材料は、はんだ材料に対して、第２材料層の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料とはんだ材料との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作温度範囲全体において防止するような特性を示し、はんだ材料は末端層上に配置されている。前記方法は、第１のはんだ相手上にはんだ接触子を形成する工程、該はんだ接触子上に第２のはんだ相手を配置する工程、及び、第２材料とはんだ材料からなる金属間化合物を形成し、第１及び第２はんだ相手を結合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程を含む。
【００１６】
また、本発明は、第１材料を含む第１材料層、及び第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層の間に形成されている第２材料層を有するＵＢＭパッドとはんだ材料を含むはんだ相手との間のはんだ接合をする方法を提供する。ＵＢＭパッドに関して、第１材料及び第２材料は、はんだ材料に対して、第２材料層の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料とはんだ材料との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作の温度範囲全体において防止するような特性を示す。前記方法は、前述の特徴を有するＵＢＭパッドを形成する工程、はんだ相手のはんだ材料をＵＢＭパッド上に配置する工程、及び、第２材料とはんだ材料からなる金属間化合物を形成し、ＵＢＭパッドとはんだ相手を結合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程を含む。
【００１７】
本発明は、はんだ材料と、第１材料の第１層と第２材料の第２層を有する二層濡れ構造のアンダーバンプメタライゼーション（ＵＢＭ）層からなるはんだ接触子を形成する方法を提供する。第２濡れ材料層ははんだ材料と第１濡れ材料層との間に配置され、はんだ材料、第１材料及び第２材料は、金属反応において、第２材料とはんだ材料が金属間化合物を生成する速度の方が、第１材料とはんだ材料が金属間化合物を生成する速度よりも速くなるものである。また、第２材料とはんだ材料からなる金属間化合物内のはんだ材料の割合は、第１材料とはんだ材料からなる金属間化合物内のはんだ材料の割合よりも小さくなる。さらに、第２アンダーメタライゼーション層は、金属反応において、はんだ材料と第２材料からなる金属間化合物の層がはんだ材料と第１濡れ材料層の間に形成され、第１材料とはんだ材料からなる金属間化合物の生成が起こらないことを保証する厚さを有している。はんだ材料と第２材料からなる金属間化合物層は例えばほぼ連続的であり、その結果、第１材料とはんだ材料からなる金属間化合物は形成されない。
【００１８】
また、本発明は、第１はんだ相手上の前述の特徴を有するはんだ接触子を使用してはんだ接合を行う方法を提供する。この方法は、第１はんだ相手のはんだ接触子上に第２はんだ相手を配置する工程、第１及び第２はんだ相手の信頼性のあるはんだ接合を行う工程を含み、第２濡れ材料と第１のはんだ相手のはんだ材料からなる金属間化合物が形成され、第１のはんだ相手の第１濡れ材料の消費を阻止し、リフローの間に適当なはんだ合金が形成される。
【００１９】
本発明は、予め規定された特性を有し、はんだ材料と第１濡れ材料との間に配置された第２濡れ材料が、第１濡れ材料とはんだ材料とからなる金属間化合物の形成を阻止するか又は極めて抑止するという発見に基づくものである。
【００２０】
本発明は、例えば、スパッタリング、蒸着、電着などの物理化学的工程によって鉛不使用のはんだに対して多様な金属的特性を示す金属多層システムとして形成され得るはんだ接触子を提供する。この多層システムの適切な構造と各層の厚さの適切な設定により、下地金属システムに対して、はんだ、例えば、Ｓｎ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇ(x)Ｃｕ(y)のような鉛不使用のはんだのための安定的な界面を達成することができる。適切な層の厚さとメタライゼーションシステムを設定することによって、金属間化合物の生成が初期段階で制限、抑制及び／又は停止されるので、部品の作動中に、前記濡れメタライゼーション層のうちの少なくとも一つ、好ましくはウェハ及び／又はチップに対向し、はんだから離れたメタライゼーション層が、完全に金属間化合物に変わってしまうことがない。換言すると、再溶融工程（例えばリフローはんだ付け）の液相においてもその次の工程での固相においても、濡れメタライゼーション層のうちの少なくとも一つの完全な変換が阻止される。
【００２１】
層の厚さの設定は、必要なはんだ量と、金属反応が行われる温度での各金属のはんだへの溶解度による。溶解度に関するそれぞれのデータは文献からわかる。
【００２２】
説明を簡略化するために、ＵＢＭに関して、第１濡れ材料層の第１材料をＭ１とし、第２濡れ材料層の第２材料をＭ２とする。さらに、はんだ材料とＭ１との金属間化合物（金属間段階）をＩＭＣ  Ｍ１とし、はんだ材料とＭ２との金属間化合物をＩＭＣ  Ｍ２とする。
【００２３】
原則として、Ｍ１，Ｍ２のどちらのメタライゼーション／材料も、はんだ材料と金属間化合物を形成することができる。本発明において、金属反応において、第２材料とはんだ材料が金属間化合物を生成する速度の方が第１材料とはんだ材料が金属間化合物を生成する速度よりも速い。第２材料は、はんだと直接接触する及び／又は対向する金属層の材料を意味している。このように、液相反応（及び／又は固相反応）において、ＩＭＣ  Ｍ２の生成速度はＩＭＣ  Ｍ１の生成速度より速く、その結果、Ｍ２はリフローはんだ付けにおいて犠牲的な層として役割を果たしＩＭＣ  Ｍ２に変換され、はんだと下部のメタライゼーションＭ１の間に存在する。金属反応が起こる温度で、比較的速い速度ではんだとの金属間化合物を生成するというＭ２の特徴により、形成される金属間化合物がほぼ不浸透性の層になり、はんだから離れている第１の濡れ材料層（Ｍ１）のメタライゼーションは直接はんだとは接しないという効果が得られる。
【００２４】
本発明において、Ｍ１とはんだ間の液相反応による金属間化合物内のはんだ由来の成分の比率の方が、Ｍ２とはんだ間の液相反応による金属間化合物内のはんだ由来の成分の比率よりも高い。従って、ＩＭＣ  Ｍ２とＭ１の界面におけるＩＭＣ  Ｍ１の生成が阻止される。また、金属間化合物ＩＭＣ  Ｍ２内の材料Ｍ２は、部分的にのみ、材料Ｍ１に飽和状態にまで取って代わられてもよい。しかしなお、この３段階システムは、ほぼ閉鎖的な別々の層を形成する。
【００２５】
濡れ材料層とはんだ間の界面で形成される金属間化合物の形態は、その形成における成分と組成による。液相反応中、濡れ材料層とはんだ間の界面で形成される金属間化合物の形成は、はんだ内に与えられたメタライゼーションの溶解に匹敵する。この事実のために、リフローはんだ付けが行われる温度でのはんだの材料Ｍ２の溶解度と共に考慮すべき点は、金属間化合物の形態である。本発明においては、はんだとＭ２を含む金属間化合物は、はんだとＭ１の間のほぼ不浸透性の層となるべきものであり、その結果、これら二つの成分間のいかなる反応をも阻止される。
【００２６】
本発明において、第２の濡れ材料層は、金属反応で、はんだ材料と第２材料からなる金属間化合物の連続的な層がはんだ材料と第１材料層の間に確実に形成されるような厚さを有している。金属間化合物の層は、広く連続するように形成されてもよく、それによりＭ２とはんだからなる金属間化合物が一つだけ形成される。リフローはんだ付けの間に一つ又は複数の金属間化合物に変換されるべき第２濡れ材料層は、その質量のはんだの質量に対する割合が、特に、リフローはんだ付けが行われる温度での、つまり、はんだのリフローの際のその金属のはんだシステム内での溶解度に相当するか又はそれよりも大きくなるように概ね設計されている。理想的な場合において、Ｍ２とはんだからなる金属間化合物がただ一つだけ形成されることが保証されるように、層の厚さを設計することが可能である。
【００２７】
換言すると、システム、つまり、リフローはんだ付け後のはんだ接触子の安定化のために、金属間化合物の閉鎖的な層がリフローはんだ付けにより得られ、その形成において、Ｍ２とはんだ材料が主として使用される。つまり、この金属間化合物内のＭ１の割合は、Ｍ２とはんだ材料の金属間化合物内へのＭ１の最高溶解度よりも小さいか又は等しいものである。従って、この層ははんだとＭ１の原子配列的分離を引き起こし、理想的な場合には、はんだが液体として存在する温度においてＭ１とはんだ材料との間の直接変換を阻止するかはんだとＭ１の直接接触を防止し、はんだがＭ１に溶け出すのを防ぐ。これにより、リフローはんだ付けにおいて、主にＭ１とはんだ材料からなる金属間化合物の形成が阻止される。さらに、部品の動作中、はんだとＭ２からなる金属間化合物は拡散バリアとして機能し、理想的な場合には、この金属間化合物と非変換メタライゼーション層との間の界面での新たな金属間化合物の生成を防ぐ。
【００２８】
前述した形態の金属間化合物の閉鎖的な層の生成を可能にするために、関連するメタライゼーションの層の厚さと主に犠牲となる層の厚さは、はんだの量と組成に適合されるべきである。目標となる厚さは、メタライゼーションＭ２の質量のはんだの質量に対する割合が、バンプに存在する比率に基づき、そのバンプ内のリフローはんだ付け中の最高温度におけるはんだのＭ２への最高溶解度に相当するような厚さとして定義されてもよい。
【００２９】
本発明の実施形態において、第１濡れ材料層として提示される第１材料はニッケルであり、第２濡れ材料層として提示される第２材料は銅である。Ｓｎ又はＳｎＡｇとＣｕＳｎの合金システムがはんだとして使用可能である。前述したように本発明が有利に活用できるのは鉛不使用はんだシステムであるが、その代わりに、鉛不使用ではないはんだシステム、例えば、ＰｂＳｎにＵＢＭシステムを使用することも可能である。
【００３０】
本発明に係る多層ＵＢＭシステムは、物理的、電子化学的及び／又は化学的工程を組み合わせることで得られる。本発明の実施形態では、多層ＵＢＭシステムはスパッタリングと電着によって形成される。本発明の多層ＵＢＭシステムは、二つの濡れ材料層を含むものとは限らない。それが適度な安定性をもたらすのであれば、三つ以上の濡れ材料層を含むものであってもよい。第１濡れ材料層ははんだ材料から最も離れた位置にある濡れ材料層であり、それらの間にある層は第２濡れ材料層に関して前述したような特性を有している。また、これらの層のうちのいずれか（はんだ材料からより離れた互いに隣接する層）が、第２及び第１の濡れ材料層に関して前述したような特性を有していてもよい。
【００３１】
前述したように、ＵＢＭシステムの構造、特に、第２濡れ材料層の厚さの設計は、はんだの質量つまりバンプのサイズ及びはんだの組成により調整されるべきである。ここで非常に重要なことは、はんだ質量の、第２濡れ材料層の質量に対する割合、実施形態では銅に対する割合である。はんだ接触子と基板上に配置された端子パッドの間の密着層として、Ｎｉ：Ｖ，Ｔｉ，Ｃｒ，ＣｒＣｕなどの薄膜システムを使用してもよい。本発明にとって重要なものは、はんだに晒される多層システムであり、本実施形態ではＮｉとＣｕの二層システムである。
【００３２】
本発明に係るＵＢＭシステムは、小型薄型接触システムを使用する電子部品や半導体チップの組み立て、好ましくは、はんだ付けに応用可能である。原則として、フリップチップ接続外であっても基本的にはあらゆるはんだ接合に応用可能であるが、好ましくは、半導体及びマイクロシステム技術に使用されるものである。
【００３３】
本発明に係るＵＢＭ構造は、多様な進歩と効果をもたらす。達成されるもののうちの一つの例は、工程に即した安定的な界面の達成である。つまり、一般的にいわゆるウェハ工程において、半導体デバイスのフリップチップ組み立ての鉛不使用のはんだ接合のためのＵＢＭで、安定的な接触パッドが得られることである。この接触システムの信頼性は、はんだとＵＢＭの間の界面での化合物の生成を抑え安定化させることによって高められる。また、多層ＵＢＭシステムの層の厚さを変えることによって、ＳｎＡｇ，ＳｎＣｕなどのはんだ合金のような多種の鉛不使用のはんだシステムに合わせて調整することができる。適切な層厚さの比率により、はんだ組成そのもの、例えば、ＳｎxＣｕyも影響を受けるかもしれない。この構造によるはんだ組成の調整は、ＳｎxＣｕyのようなはんだ合金を堆積させそれをチェックするための手間のかかる工程を省略し、あるいは完全にそれらの工程に取って代わるものである。このことはコストダウンにつながり、また同時にフリップチップ接触システムの信頼性を高めるものである。さらに、本発明によれば、工程時間の短縮（層の厚さが小さい）によりウェハバンピングにおけるコスト面の利点が得られ、同時に安定性のある接触パッドにより信頼性が高まる。
【００３４】
本発明は、多数の好ましくは小さいはんだ接触子（例えば、マイクロセンサシステム、微小電子工学における３Ｄ集積）が使用される分野において、特に意義深いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の好ましい実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。
【００３６】
図１は、基板１３上の本発明の一実施形態に係るバンプ構造５１を示す。以下の好ましい実施形態の説明において、同じ要素又は同じ機能を有する要素に対して、同じ符号を付与する。特に、図６の要素と同一のもの又は同一の機能を有するものは同じ符号を付与する。以下の図１に示す実施形態の説明は、図６の構造に比べて相違するものに限られる。
【００３７】
本発明の一実施形態に係るバンプ構造５１と従来のバンプ構造１１の相違点は、特に、第1材料層５３と第２材料層５５からなる二重濡れ層が材料層２３の代わりに配置されていることである。また、図１では、随意の電着開始層５７が密着拡散バリア層２１と第１濡れ材料層５３の間に配置されている。本発明に係るバンプ構造は、半導体ウェハ上に載置してもよいし（図１）、他のいかなる基板（シリコン、回路基板、ガラス、金属薄片、セラミックなど）上にも載置可能である。
【００３８】
ここに示すＵＢＭ５０（金属及び／又は金属層からなる多層システム）は、密着拡散バリア層２１、電着開始層５７、第1濡れ材料層５３及び第2濡れ材料層５５から成り、例えば、スパッタリングや電気的工程のような物理化学的工程によって形成され、多種の金属層がはんだ２５に対して多様な金属的特性を示す。はんだ２５は、鉛不使用として形成されることが好ましい。電着開始層５７は任意のものであり、第１濡れ材料層５３が電気的工程で形成される場合、設置される。
【００３９】
メタライゼーションシステムの層厚さと材料又は／及び第１濡れ材料層５３と第２濡れ材料層５５の材料の適切な選択により、金属反応で第１濡れ材料層５３とはんだ材料からなる金属間化合物の生成が阻止され得る。第２濡れ材料層５５の材料の液相反応における金属間化合物の生成は、第１濡れ材料層５３の材料のうちの一つのそれよりも速い。既に述べたように、第１の濡れ材料層５３のはんだとの変換は、第２濡れ材料層５５の材料とはんだ材料からなる金属間化合物により阻止される。応用例において、この金属間化合物はほぼ不浸透性の層を形成する。
【００４０】
本実施形態に係る図１に示すＵＢＭ構造５０及び／又はバンプ構造５１は、特に、鉛不使用のはんだ付けの場合に相成長に関して安定的であり、半導体や電子機器のウェハバンピングのための工程期間に迅速にそして経済的に使用でき得るはんだ接触子の形成を可能にする。
【００４１】
図１に示すバンプ構造５１はここに示されているはんだ相手を別のはんだ相手に接続するために使用できる。この場合、第２のはんだ相手（図示せず）は、はんだ接触子及び／バンプ構造５１に配置され、リフローはんだ付けが続いて行われる。これにより、第２材料とはんだ材料からなる金属間化合物が形成され、ここに図示されているはんだ相手は第２のはんだ相手と接続される。リフローはんだ付けは予め決められた温度で予め決められた一定時間の間に行われるように、この方法が実施されてもよい。これにより、連続的な及び／又は広く連続する第２濡れ材料層５５の第２材料とはんだ材料２５との金属間化合物が形成され、第１濡れ材料層５３の第１材料とはんだ材料２５との金属間化合物は全く形成されない。
【００４２】
図２は、本発明の別の実施形態に係るはんだ接触子６１の模式図であり、金属反応後の状態を示す。このはんだ接触子６１は、第１濡れ材料層、第２濡れ材料層及びはんだ層からなる、リフローはんだ付けによって形成された層構造を有する。第２濡れ材料層は、金属反応後に、第１材料層６３が密着拡散バリア層と電着開始層６２を有する基板上に配置され、第２材料層の一部６５が第１材料層６３上に残るような厚さである。この部分的層６５上には、第２材料層６５の材料とはんだとの金属反応により金属間化合物６７が形成されている。
【００４３】
図２に示すはんだ接触子において、第２濡れ材料層は、金属反応以前には、それが金属反応で完全に消費されず、その一部分６５が残るほどの大きな厚みを有している。従って、金属間化合物６７は、第２材料とはんだ材料だけからなる化合物である。第２材料層が銅から成り、はんだ材料がすずからなる場合、Ｃｕ6Ｓｎ5の化合物が生成される。第１濡れ材料層とはんだ材料からなる金属間化合物（ニッケルとすずの場合はＮｉ3Ｓｎ4）が形成されることはなく、その結果、信頼性の高いはんだ接触子が得られる。
【００４４】
図３は、本発明のさらに別の実施形態に係るはんだ接触子７１の模式図であり、高温での金属反応後の状態を示している。はんだ接触子７１は、第１濡れ材料層、第２濡れ材料層及びはんだ材料の層状のリフローはんだ付けにより形成されたものである。第２材料層は、液相反応でそれが完全に消費されてしまい、金属間化合物７３、つまり、ＩＭＣ  Ｍ２がはんだ層２５と第１材料層６３の間に配置されるほどの厚みであった。
【００４５】
本発明によれば、金属間化合物７３内のはんだの割合は、第１材料層６３の材料Ｍ１とはんだ材料から金属間化合物ＩＭＣ  Ｍ１が形成された場合のそのＩＭＣ  Ｍ１内のはんだの割合よりも小さいものであり、それゆえに、金属間化合物ＩＭＣ  Ｍ１はＩＭＣ  Ｍ２とＭ１の界面においては形成されない。使用される材料により、ＩＭＣ  Ｍ２とＭ１の界面において、金属間化合物ＩＭＣ  Ｍ２内でＭ２とＭ１の交換が飽和値まで起こり得る。
【００４６】
Ｍ１がニッケル、Ｍ２が銅、はんだ材料がすずである場合、金属間化合物は（Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5層として形成される。
【００４７】
図３に示す実施形態は図２に示した例よりも薄い第２濡れ材料層２の使用を可能とし、なおも信頼性の高いはんだ接触子を得ることを可能とするものである。図３はさらに、リフローはんだ付けにより基板６２に接続された第２はんだ相手７９を示している。両方のはんだ相手とも、例えば、電子機器、集積回路又は基板であってもよい。
【００４８】
図４は比較例８１のリフローはんだ付け後の状態を示し、この例において、第２濡れ材料層の厚さは小さすぎるものである。図４に示すように、第２材料層とはんだ材料２５の間に形成された金属間化合物８３は連続的なものではなく、層８３は、濡れ材料層６３つまり材料Ｍ１にまで達する針状のはんだ８５によって遮られている。従って、はんだは第１材料層６３にまで達し、そこで金属間化合物ＩＭＣ  Ｍ１が形成される可能性があり、はんだ接触子の信頼性はもはや保証されない。
【００４９】
図５は、本発明の一実施形態に係るＵＢＭパッド及び／又は端子接触子９１を示す。図１に示すバンプ構造とは異なり、ＵＢＭパッド９１にははんだ材料２５は存在せず、第１濡れ材料層は符号９３で示され、第２濡れ材料層は符号９５で示されている。ＵＢＭパッド９１を介して、はんだ相手（図示せず）との電気的及び／又は機械的接続が確立されている。はんだ材料（図示せず）は、はんだ相手のはんだ接触子上に配置されている。
【００５０】
図１に示したシステムを使用した実施形態を用いて、本発明に関する実験を行った。スパッタリングによって形成されたＴｉＷspと称するＴｉＷ層が密着拡散バリア層５７として使用された。電着開始層２１として、Ｃｕ層Ｃｕspをスパッタリングで形成した。続いて、電着開始層２１上に、ニッケル層Ｎｉepを第１濡れ材料層５３として、銅層Ｃｕepを第２濡れ材料層５５として形成した。
【００５１】
Ｓｎ、ＳｎＡｇ合金及び共晶ＳｎＣｕ合金をはんだ材料として使用した。高さが２３μｍの小さいＳｎバンプを評価の中心とした。ニッケル層Ｎｉepは厚さ１．５μｍであった。第１例では、厚さ１５０ｎｍの銅層Ｃｕepを使用し、第２例では、厚さ５００ｎｍの銅層Ｃｕepを使用した。厚さ５００ｎｍの銅層とは、リフローはんだ付け中のこのバンプ高さを有するＳｎ（２３μｍのＳｎ）へのＣｕの溶解度の上限を示している。はんだ付けは２５０℃の温度で行われた。それぞれの溶解度は、Ｕ．Ｒ．Ｋａｔｔｎｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（Ｚ．Ｍｅｔａｌｌｋｄ．，９２巻７号、２００１年７月、７４０〜７４６ページ）によるフェーズダイアグラムから読み取れる。厚さ１５０ｎｍのＣｕ層がＳｎに完全に解けた場合、これは共晶組成に相当する。
【００５２】
このように構成されたはんだバンプに対して、２５０℃で１２０秒間リフロー処理（液相反応）を施し、その後エージングを施した。この熱エージング（固相反応）は１５０℃で１０００時間行われた。
【００５３】
アンダーメタライゼーションとして説明したメタライゼーション構成ＴｉＷspＣｕsp−Ｎｉep−ＣｕepとはんだとしてのＳｎを基に、金属間化合物（ＣｕＮｉ）6Ｓｎ5を生成することによって、Ｎｉとはんだの間に安定的な界面が得られた。（ＣｕＮｉ）6Ｓｎ5は、充分な量のＣｕが境界層に含まれているならば（Ｃｕ層が最適な厚さのものであれば）、そのＣｕを変換させることによって得られる。次の熱エージングの間、界面には何の変化も見られず、このことは、接触子に対してエージングとは逆の効果を与えた。
【００５４】
それに対して、薄すぎるＣｕ層を有する比較例では、長時間の間に、減速したとしても、ニッケルからなる第１材料層Ｍ１は完全に消費されることが明らかになった。
【００５５】
行われた調査については、Ｃ．ユレンカ、ヴォルフ、エンゲルマン、ライフル等による「Ｃｕ厚さの、液相及び固相エージング中鉛不使用マイクロバンプのＮｉ／Ｃｕ二層ＵＢＭの安定性に対する影響」（第５５回電子機器テクノロジー学会（ＥＣＴＣ２００５）、レイク・ブエナビスタ、フロリダ（米国）、２００５年５月３１日〜６月３日、会報８９〜９３ページ）に記載されている。ここには、Ｃｕの第２材料層の厚さを適切に設定することで、はんだとニッケルの間に（Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5からなるほぼ連続的な隔絶層が形成され、この隔絶層の組成は以後の熱エージングの間も変化しなかったことが記載されている。この組成は、リフロー工程の時間と温度及び層の厚さにより左右される。
【００５６】
第１濡れ材料層５３及び第２濡れ材料層５５は、例えば、スパッタリング、蒸着、他の電気的又は電子化学的処理（図１）によって形成され得る。しかし、本発明においては、第１濡れ材料層５３及び第２濡れ材料層５５の形成方法はこれらに限らず、他の望ましい方法を用いてもよい。はんだは、例えば、電気的処理、蒸着、はんだペースト圧着又ははんだ荒地（例えばはんだボール）を載置することによって形成され得る。前記実施形態において、バンプ構造５１内のはんだ材料と接着層との間に、二つの材料層５３，５５（図１）が配置されている。しかし、第１材料層とはんだの間に、第１材料層に対して、第２材料層の第１材料層に対する特性と類似の特性を有する多数の材料層を配置してもよい。
【００５７】
前記実施形態において、層の厚さは、リフローはんだ付けの温度、はんだの材料と質量に合わせて規定された。しかし、状況によっては、前述したような隔絶層が濡れ材料層のうちの一つとはんだの間に確実に形成されるならば、他の厚さにしてもよい。前記実施形態において、バンプ構造５１はフリップチップ接続を実施するために使用されるのが好ましい。しかし、さらなる応用として、バンプ構造５１に相当するメタライゼーションはいかなる望ましい態様でも使用され得る。
【００５８】
第１及び第２濡れ材料層のためにニッケルと銅を使用する代わりに、互いに前述のような特性を有する適当な金属、金属層システム又は合金を用いてもよい。
【００５９】
密着拡散バリア層及び電着開始層はそれぞれ異なる層厚さを有していてもよい。微小電子分野への応用において、これらは、典型的には数ナノメーターの範囲である。第１濡れ材料層の厚さはさほど重要ではなく、この分野への応用において、それは数マイクロメーター（典型的には１〜１００μｍ）の範囲である。第２濡れ材料層の厚さは数ナノメーター〜数マイクロメーターの範囲でよい。できる限り薄い層構造を実現する（工程時間を短縮して）ためには、第２濡れ材料層は第１濡れ材料層よりも薄いことが好ましい。それぞれの場合において、第２材料層２の厚さは、はんだ量つまりバンプのサイズに合わせて設定される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態に係るバンプ構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るはんだ接触子の模式図であり、液相反応後を示しており、第２濡れ材料層の一部が残っている。
【図３】本発明の他の実施形態に係るはんだ接触子の模式図であり、液相反応後を示しており、第２濡れ材料層は全て（連続的な）金属間化合物層に変換されている。
【図４】薄すぎる第２濡れ材料層を有するはんだ接触子の模式図であり、液相反応後を示している。
【図５】はんだバンプのためのはんだ相手としてのＵＢＭパッドを示す模式図である（はんだを除いて図１に対応している）。
【図６】従来のバンプ構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１７…端子パッド
２１…密着拡散バリア層
２５…はんだ材料
５１…はんだ接触子（バンプ構造）
５７…電着開始層
９１…ＵＢＭパッド
９３…第１材料層
９５…第２材料層
【図１】
2008543035.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年12月21日(2007.12.21)
【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】
はんだ接触子のためのＵＢＭパッド（９１）であって、
第１材料を含む第１材料層（９３）と、
第２材料を含みそれ自身が末端層であるか又は末端層と第１材料層（９３）の間に形成されている第２材料層（９５）と、を備え、
第１材料及び第２材料は、はんだ材料（２５）に対して、第２材料層（９５）の存在が、全体的な接続の信頼性を損なうような第１材料とはんだ材料（２５）との金属的反応を、接続工程及び組み立てられた電子機器の動作温度範囲全体において防止するような特性を示し、
はんだ材料（２５）、第１材料及び第２材料は、
金属反応において、第２材料とはんだ材料（２５）が金属間化合物を生成する速度の方が、第１材料とはんだ材料（２５）が金属間化合物を生成する速度よりも速く、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物内のはんだ材料（２５）の割合は、第１材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物内のはんだ材料（２５）の割合よりも小さく、
第２材料層（９５）は、金属反応において、はんだ材料（２５）と第２材料からなる金属間化合物の層がはんだ材料（２５）と第１材料層（９３）の間に形成され、第１材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物の生成が起こらないことを保証する厚さを有していること、
を特徴とするＵＢＭパッド。
【請求項２】
第１材料はニッケルを含むことを特徴とする請求項１に記載のＵＢＭパッド。
【請求項３】
第２材料は銅を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＵＢＭパッド。
【請求項４】
はんだ材料（２５）はすず又はすずの合金を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項５】
第２材料層（９５）は第１材料層（９３）よりも薄いことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項６】
第２材料層（９５）の厚さは、技術的製造許容誤差を考慮すれば、第２材料のはんだへの最高溶解度は全工程中の最高温度で確実に達成されるものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項７】
第１材料層（９３）の第２材料層（９５）から離れた側に配置された密着拡散バリア層（２１）をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項８】
密着拡散バリア層（２１）は１μｍ未満の厚さの層であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項９】
はんだ材料（２５）と第１材料層（９３）との間に、複数の材料層が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１０】
第１材料層（９３）の第２材料層（９５）から離れた側に配置された電着開始層（５７）をさらに含むことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のＵＢＭパッド。
【請求項１１】
請求項１に記載のＵＢＭパッド（９１）であって、
電気的に第１材料層（９３）に接続された端子パッド（１７）を有し、
第１材料層（９３）は端子パッド（１７）と第２材料層（９５）の間に配置されていること、
を特徴とするＵＢＭパッド。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のＵＢＭパッド（９１）を含むはんだ接触子であって、
末端層上にはんだ材料（２５）を有すること、
を特徴とするはんだ接触子。
【請求項１３】
はんだ相手がはんだ材料（２５）を含むことを特徴とする請求項１２に記載のはんだ接触子。
【請求項１４】
請求項１２に記載のはんだ接触子（５１）を使用したはんだ接合方法であって、
第１はんだ相手上に、請求項１２に記載のはんだ接触子（５１）を形成する工程と、
はんだ接触子（５１）上に第２はんだ相手を載置する工程と、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物を生成し、第１はんだ相手と第２はんだ相手を接合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程と、
を備えたことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のＵＢＭパッド（９１）とはんだ材料を有するはんだ相手とをはんだ接合する方法であって、
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載のＵＢＭパッド（９１）を形成する工程と、
はんだ相手のはんだ材料をＵＢＭパッド（９１）に載置する工程と、
第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物を生成し、ＵＢＭパッド（９１）とはんだ相手を接合するために、リフローはんだ付け、熱接着、拡散はんだ付け（固相反応）又は他の接合方法を実行する工程と、
を備えたことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項１６】
前記接合工程は、第２材料とはんだ材料（２５）からなる金属間化合物がほぼ連続状態で形成され、第１材料とはんだ材料（２５）との金属間化合物が生成されないように、予め設定された温度で予め設定された時間実行することを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のはんだ接合方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記目的は、請求項１に記載されているＵＢＭパッド、請求項１２に記載されているはんだ接触子、請求項１４，１５に記載されている方法によって達成される。
【国際調査報告】
2008543035.tif 000009
2008543035.tif 000010
2008543035.tif 000011
2008543035.tif 000012