(57)【要約】【課題】バンプ電極の形成にあたり物理的被着法とめっき法の２種類の方法を用いることによって、半導体装置の小型化、高集積化及び鉛（Ｐｂ）フリー化への対応を図りつつ製造の歩留まりを上げて生産性の向上を図るとともに、高い信頼性を確保した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板３上の外部端子５を覆う絶縁膜６に外部端子５に通じる開口Ｈを形成する工程と、開口Ｈ内において外部端子５上に物理的被着法によりバンプ電極７を生成する第１の金属膜９を形成する工程と、第１の金属膜９及び絶縁膜６の開口Ｈ周縁上において無電解めっき法によりバンプ電極７を生成する第２の金属膜１１を形成する工程と、第１の金属膜９と第２の金属膜１１を溶融しつつ、絶縁膜６上の第２の金属膜１１を開口Ｈ内に集めてバンプ電極７を形成する工程とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の外部端子を覆う絶縁膜に前記外部端子に通じる開口を形成する工程と、
前記開口内において前記外部端子上に物理的被着法によりバンプ電極を生成する第１の金属膜を形成する工程と、
前記第１の金属膜及び前記絶縁膜の前記開口周縁上において無電解めっき法により前記バンプ電極を生成する第２の金属膜を形成する工程と、
前記第１の金属膜と前記第２の金属膜を溶融しつつ、前記絶縁膜上の前記第２の金属膜を前記開口内に集めてバンプ電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の金属膜を形成する物理的被着法は、蒸着法またはスパッタ法であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第１の金属膜または前記第２の金属膜の少なくとも一方は、前記開口の開口面積より大きい面積で形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の金属膜は、錫、銀または銅である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半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の金属膜は、錫である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半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の外部端子にバンプ電極を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の実装にはフリップチップ方式が採用されている。このフリップチップ方式は、半導体チップの外部端子（ボンディングパッド）と配線基板の外部端子との間をバンプ電極により電気的に接続しかつ機械的に接合する方式である。フリップチップ方式は、この半導体チップと配線基板との実装に限らず、半導体チップ同士の実装や配線基板同士の実装にも採用されている。フリップチップ方式においては、ボンディングワイヤ方式のワイヤの引き回しがなくなるので、実装面積を縮小することができ、半導体装置の小型化を実現することができる。
【０００３】
バンプ電極には一般的にはんだが使用されており、バンプ電極ははんだを印刷法またはめっき法を用いることにより形成されることが多い。印刷法によるバンプ電極の形成方法は、下記特許文献１にも開示されているが、例えば、まず図８に示すような半導体基板１０１を用意する。この半導体基板１０１上には、基板１０２上に複数層の配線等をまとめて示した下地層１０３、さらに下地層１０３上に外部電極端子１０４が形成されている。また、下地層１０３上には、外部電極端子１０４上に開口Ａを設けるように形成されたソルダーレジスト１０５も設けられている。
【０００４】
次に、図９に示すように開口Ａと同じ平面サイズの開口を有するマスク１０６を開口Ａの上部に位置を合わせて設け、この上をスキージ１０７を、例えば矢印方向に動かしてはんだ１０８を印刷していく。はんだ１０８はマスク１０６の開口の下に形成されている開口Ａに印刷され、このはんだ１０８をリフロー工程にかけてバンプ電極１０９ａを形成する（図１０参照）。
【０００５】
また、めっき法では、図１１に示すように開口Ａにはんだを無電解めっき法を用いてめっきし、図１２に示すようなバンプ電極１０９ｂを形成する。
【特許文献１】特開２００３−１６３２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている印刷法によると、はんだ１０８が印刷されて開口Ａ内に印刷されるが、開口Ａを十分に満たすだけのはんだ１０８が印刷されない場合も生じうる。すなわち、図９に示すように、はんだ１０８が開口Ａ内に充填されず、はんだ１０８が外部電極端子１０４の上面に接しないではんだ１０８と外部電極端子１０４との間に空隙Ｘができてしまう。この空隙Ｘが存在する状態のままリフロー工程を経ると、はんだ１０８が溶融するときに空隙Ｘにある空気を取り込んでしまい、バンプ電極１０９ａは空気溜（ボイド）を内包したまま形成される。空気溜（ボイド）を内包したバンプ電極１０９ａは、強度が低下するため信頼性に欠けるバンプ電極となる。
【０００７】
また、近年、半導体装置の小型化、高集積化が進んでおり、例えば、半導体装置によってはバンプ電極間のピッチが２００μｍの場合に５０００ものバンプ電極が設けられることもある。このように多数のバンプ電極が設けられ、バンプ電極間が狭ピッチとなる場合に、印刷法により歩留まり良く半導体装置のバンプ電極を設けることは困難であることも多い。また、印刷時に使用するマスクを剥がす際にはんだがマスクと一緒に剥がれてしまうこともある。
【０００８】
一方、めっき法によっても、開口Ａにバンプ電極の大きさを考慮した所望の膜厚をもつはんだ１０８を設けるには、その厚みによってはめっきに非常に時間がかかるため、生産効率の低下を招くことになる。この生産効率の低下を防ぐため時間を短縮してめっきをすると、はんだ１０８の量が足りず高さの不足したバンプ電極１０９ｂが生成される（図１２参照）。
【０００９】
さらに、近年、環境への影響を考慮して、フリップチップ方式においても基本的に鉛（Ｐｂ）を含まない、例えば錫（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）との合金等、いわゆる鉛（Ｐｂ）フリーはんだ材料が用いられることも多い。めっき法では現在のところ実用的なめっき液が開発されていないことから、上述の鉛（Ｐｂ）フリーはんだ材料を用いてのめっきを行うことができない。そのため、鉛（Ｐｂ）フリーのはんだ材料を用いる際にはめっき法を採用することができない。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、バンプ電極の形成にあたり物理的被着法とめっき法の２種類の方法を用いることによって、半導体装置の小型化、高集積化及び鉛（Ｐｂ）フリー化への対応を図りつつ製造の歩留まりを上げて生産性の向上を図るとともに、高い信頼性を確保した半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る特徴は、半導体装置の製造方法において、基板上の外部端子を覆う絶縁膜に外部端子に通じる開口を形成する工程と、開口内において外部端子上に物理的被着法によりバンプ電極を生成する第１の金属膜を形成する工程と、第１の金属膜及び絶縁膜の開口周縁上において無電解めっき法によりバンプ電極を生成する第２の金属膜を形成する工程と、第１の金属膜と第２の金属膜を溶融しつつ、絶縁膜上の第２の金属膜を開口内に集めてバンプ電極を形成する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バンプ電極の形成にあたり物理的被着法とめっき法の２種類の方法を用いることによって、半導体装置の小型化、高集積化及び鉛（Ｐｂ）フリー化への対応を図りつつ製造の歩留まりを上げて生産性の向上を図るとともに、高い信頼性を確保した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
本発明の実施の形態に係る半導体装置１は、図１に示す基板を備えており、フリップチップ方式において接合される半導体チップ２として使用される。図１に示す半導体チップ２は、例えば、ガラスエポキシや単結晶シリコンでできた基板３を主体に形成されている。図１では図示していないが、基板３の主面にはトランジスタ、抵抗、容量等の素子が配設されるとともに、素子間を結線する配線が配設され、集積回路が構築されている。
【００１５】
なお、図１においては、複数層の配線とこの上下配線間に配設される層間絶縁膜等を総称して下地層４とし、簡略化して図示している。また、以下では、半導体チップ２に形成されるバンプ電極を例に挙げて説明するが、配線基板にバンプ電極を形成する場合も同様である。
【００１６】
基板３上には、下地層４を介在して外部端子（ボンディングパッド）５が配設されている。外部端子５は、図示していないが、配線を通じて集積回路に電気的に接続されている。外部端子５は、複数層の配線のうち最終層の配線と同一層に同一材料により形成されており、例えばシリコンやタングステンが微量に添加されたアルミニウム合金膜を主体として形成されている。また、例えば、外部端子５は、アルミニウム合金膜の単層膜か、バリアメタル膜、アルミニウム合金膜、反射防止膜のそれぞれを順次積層した複合膜により形成されている。
【００１７】
外部端子５上を含み、下地層４の全域には絶縁膜６が配設されている。この絶縁膜６としては、パッシベーション膜（最終保護膜）であってもレジストであっても良い。パッシベーション膜の場合は、例えば、緻密な膜質を有するプラズマＣＶＤ法により成膜されたシリコン窒化膜と、このシリコン窒化膜上のポリイミドとを積層した複合膜により形成されている。レジストの場合は、例えば、エポキシ樹脂を主成分とするソルダーレジストである。絶縁膜６の厚さは、通常、１０ないし１００μｍ程度であるが、例えば、バンプ電極のピッチが２００μｍ以下となる半導体チップの場合は２０μｍ程度である。
【００１８】
絶縁膜６の外部端子５の上には、絶縁膜６を部分的に取り除いて形成された開口Ｈが配設されている。本発明の実施の形態においては、この開口Ｈの開口面積は、製造プロセス上のアライメントの余裕寸法を加味して、外部端子５が配設された領域と重複する領域内において、外部端子５の面積に比べて小さく設定されている。但し、この開口Ｈの開口面積は必ずしも外部端子５の面積に比べて小さく設定されている必要はない。具体的には、例えば、バンプ電極のピッチが２００μｍ以下となる半導体チップの場合、開口Ｈの開口面積は８０ないし１００μｍ程度である。
【００１９】
外部端子５及び絶縁膜６上にはバンプ電極７が形成されている。図１に示すバンプ電極７は、リフロー処理が行われて、溶融、凝固させて球体に成型されている。バンプ電極７は、鉛（Ｐｂ）を含まない錫（Ｓｎ）または錫（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）若しくは銅（Ｃｕ）の合金が好適に用いられる。なお、バンプ電極は上述した合金ではなく、例えば錫（Ｓｎ）の単体で構成されていても良い。
【００２０】
次に、図１ないし図６を使用し、上述の半導体装置１の製造方法を説明する。まず最初に、図２に示す半導体チップ２を準備する。この半導体チップ２は、基板３の主面に、層間絶縁膜、集積回路、集積回路の素子間を結線する配線等を有する下地層４、外部端子５及び外部端子５上に開口Ｈを設けて絶縁膜６が形成された状態である。すなわち、基板３は、半導体製造プロセスにおいて、ダイシング工程前の前処理プロセスの大半が終了したシリコンウエハ状態である。なお、ダイシング工程後においては、基板３は、細分化され、半導体チップ２になる。そしてさらに、外部端子５及び絶縁膜６上には、図１に示すようなバンプ電極７が形成されることになる。
【００２１】
次に、図３に示すように、絶縁膜６上にマスク８を被せて物理的被着法を用いて第１の金属膜９を形成する。ここで、物理的被着法とは、例えば、蒸着法やスパッタ法のように被着対象に粒子を堆積させて成膜処理する方法のことである。
【００２２】
第１の金属膜９は、外部端子５上であって開口Ｈ内に設けられ、例えば、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）が好適に使用される。マスク８の開口面積は、生成するバンプ電極の体積に応じて任意に決めることができ、本発明の実施の形態においては開口Ｈの開口面積よりも大きな面積を有しているため、第１の金属膜９は開口Ｈ内のみならず絶縁膜６上にも形成されている。通常は、図３にも示すように、開口Ｈは絶縁膜６の表面から外部端子５に向かって狭くなるようなテーパ状をしていることから、開口Ｈを形成する絶縁膜６上にも錫（Ｓｎ）等が被着されて第１の金属膜９が形成される。その後に図４に示すように、第１の金属膜９の周縁であって絶縁膜６上にレジスト１０を設ける。
【００２３】
さらに図５に示すように第１の金属膜９および絶縁膜６の開口Ｈ周縁上の領域に対して無電解めっき法により第２の金属膜１１を形成する。本発明の実施の形態においては、生成するバンプ電極７の体積を考慮して第１の金属膜９の周縁にもめっきされるようにされている。
【００２４】
そして、図６に示すようにレジスト１０を剥離した後、フラックスを塗布し、第１の金属膜９および第２の金属膜１１を、例えば２６０℃程度の温度で３０秒加熱、溶融することによって図１に示すバンプ電極７を形成する。第１の金属膜９および第２の金属膜１１を溶融しても絶縁膜６上の金属膜は濡れないので、開口Ｈ内に溶融した金属が集まることになり、バンプ電極７は表面張力により球形に形成される。また、第１の金属膜９が錫であり、第２の金属膜１１も錫である場合には錫のバンプ電極７が形成され、第１の金属膜９が金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）またはビスマス（Ｂｉ）である場合には、それぞれ錫金（Ｓｎ−Ａｕ）合金、錫銀（Ｓｎ−Ａｇ）合金、錫ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）合金からなるバンプ電極７が形成されることになるため、鉛（Ｐｂ）フリーのバンプ電極７を得ることができる。
【００２５】
さらに図７に示すように、配線基板２０の外部端子２１にバンプ電極７を接触させリフロー処理を行うことにより、半導体チップ２の外部端子５と配線基板２０の外部端子２１との間をバンプ電極７及びバンプ電極２２ににより電気的に接続し、かつ機械的に接合することができる。そして、半導体パッケージ３０が完成する。
【００２６】
このようにバンプ電極の形成にあたり物理的被着法とめっき法の２種類の方法を用いることによって、半導体装置の小型化、高集積化及び鉛（Ｐｂ）フリー化への対応を図りつつ製造の歩留まりを上げて生産性の向上を図るとともに、高い信頼性を確保した半導体装置の製造方法を提供することができる。
【００２７】
なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の第１の基板の要部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第２の工程断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第３の工程断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第４の工程断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第５の工程断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する第６の工程断面図である。
【図８】従来の半導体装置の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図９】従来の半導体装置の製造方法を説明する第２の工程断面図である。
【図１０】従来の半導体装置の製造方法を説明する第３の工程断面図である。
【図１１】従来の半導体装置の別の製造方法を説明する第１の工程断面図である。
【図１２】従来の半導体装置の別の製造方法を説明する第２の工程断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…半導体装置、２…半導体チップ、３…基板、４…下地層、５…外部端子、６…絶縁膜、７…バンプ電極、８…マスク、９…第１の金属膜、１０…レジスト、１１…第２の金属膜、２０…配線基板、２１…外部端子、３０…半導体パッケージ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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