(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の電極上に金属メッキにより形成したアンダーバンプメタルであって、中央部分が凹み外周部分がせり上がった形状であり、外周部分が中央部分より厚い部分を有することを特徴とするアンダーバンプメタル。
【請求項２】
請求項１記載のアンダーバンプメタル上に、導電性ボールを搭載後、接着またはリフローして形成したものであることを特徴とする半導体装置用バンプ。
【請求項３】
前記導電性ボールが、該導電性ボールの粒径を ２ｒとし、各アンダーバンプメタルのメッキパッドの面積をS1とした時、
（S1／π）3/2 < ２（ｒ3 ） （式１）
を満たす粒径２ｒの導電性ボールであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置用バンプ。
【請求項４】
前記導電性ボールが、該導電性ボールの粒径と使用する導電性ボールの平均粒径２ｒm との差を△ｒとした時、個々のボールが
| △ｒ|／２ｒm < 0.0５ （式２）
である条件を満たす導電性ボールであって、
前記アンダーバンプメタルが、各アンダーバンプメタルパッドの表面積をS1とし、 Smを全アンダーバンプメタルパッドの平均の面積とした時、
０ < |{S1− Sm}|／Sm < 0.1 （式３）
である条件を満たすアンダーバンプメタルであることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体装置用バンプ。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体装置用バンプを有する半導体装置であって、アンダーバンプメタル上に搭載し接合した導電性ボールの頂上からアンダーバンプメタルの中心部への断面におけるボールの横方向の最大長さをｄ、縦方向のボールの高さをｃとし、ボール断面でｄとｃの交点から上の部分をaとし、交点の下の部分をｂとした時、０．５ ≦ ｃ／ｄ <１かつ、０ ≦ｂ／a < １ となることを特徴とする導電性ボール付半導体装置。
【請求項６】
請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体装置用バンプを有する半導体装置におけるアンダーバンプメタル上に接合された導電性ボールに、更に他の電極が接合され、前記のアンダーバンプメタルの面積をSとし、導電性ボールの接合後の高さをｈとした時、
S < ４πｈ2 （式４）
となることを特徴とする導電性ボール付半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子をフリップチップ方式やフィルムキャリア方式などのワイヤレスボンディング方式を用いて実装する場合に必要な、半導体素子のアンダーバンプメタルまたはバンプ形成方法、及びそれを有する半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェハのアルミニウム電極上にウェット方法でアンダーバンプメタル（UBM）あるいは突起電極（バンプ）を無電解メッキ法で形成する方法は、（１）ウェハ上のアルミニウム薄膜電極にジンケート処理によりアルミニウムと亜鉛とを置換する処理を行った後、無電解ニッケルメッキでUBMまたはバンプを形成する方法（Proceedings of IEEE Multi-Chip Module Conference MCMC-93,Santa Cruz 74 1993, Electronic Components and Technology Conference 412 1990, ISHM １９９３ Proceedings 439ページ、信技報  CPM87−37 13ページ）と、（２）アルミニウム電極表面をパラジウムにより活性化させた後、無電解ニッケルメッキを行う方法（Proceedings of IEEE Multi-Chip Module Conference MCMC-93,Santa Cruz  74 1993, 信技報 CPM87−40）と、（３）アルミニウムとニッケルを直接置換させ、自己触媒型無電解ニッケルメッキを行う方法（SHM会誌  １0巻、2号、21ページ）が用いられている。
【０００３】
以下に一般に行われるUBMやバンプ作成法のうち上記（１）の方法を説明する。通常のフォトリソプロセスを経て作成されたアルミニウム電極付きシリコン基板を図１（a）に示す。図１（a）のアルミニウム電極付シリコン基板を酸性液（硫酸、硝酸、リン酸あるいはそれらの混合液）またはアルカリ性液（水酸化ナトリウム水溶液または水酸化カリウム水溶液）でライトエッチングを行う。次に酸性あるいはアルカリ性のジンケート（亜鉛）処理液で表面のアルミニウムの一部を亜鉛に換える（図１（ｂ））。アルミニウム電極の凸凹が大きい場合は酸洗し再度ジンケート処理を行う。２度３度この処理を繰り返す場合もある。無電解ニッケルメッキ（図１（ｃ））、さらに適宜無電解金メッキ（図１（ｄ））を行い、UBMやバンプを作製する。
図２(b)及び図３(b)には、さらにUBM上にハンダボールを搭載しリフローすることにより、ハンダバンプを形成したものを示している。
銅電極表面へのニッケルバンプ形成も類似の方法で処理が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ジンケート処理やパラジウム処理を行う前の前処理を十分に行っておかないと、ジンケート処理やパラジウム処理時に、電極上でのアルミニウムと亜鉛やパラジウムとの置換反応の速度あるいは銅とパラジウムとの置換反応の速度が、一個の電極内，チップ上の個々の電極間，ウェハ上でのチップ間，あるいは同時処理するウェハ間で異なるという事態が生じ易い。この現象は、次工程の無電解ニッケルメッキ工程や、場合により行われる酸洗工程，２回目以降のジンケート処理工程の均一性に影響し、ニッケルメッキ層の厚みや密着性に差を生じさせていた。はなはだしい場合には、ニッケルが全くメッキ膜として生成しない事態も起きていた。この為に出来上がったUBMやバンプの高さにバラツキや表面の凹凸に差が出たりして、半導体装置として使用出来ないものが出来たりしていた。この原因としては、ウェハやチップ取り扱い時における小さなゴミや油分や水分が考えられる。したがって、それらの不均一状態を取り除き、全てのアルミニウムや銅の電極部分が小さなゴミや油分や水分等の無い均一な面となるように前処理を十分に行う必要がある。
【０００５】
これまではアルカリ脱脂や酸エッチング等が行われてきたが、不十分であったり、アルカリ脱脂時に電極金属が溶けてしまったりした。また、プラズマエッチングも行われた例があるが、真空装置が必要であり、コスト高である。
【０００６】
本発明は、上記問題点を除去し、ウェットプロセスによりUBMやバンプを形成する際に、一個の電極内の各部分，チップ上の個々の電極間，ウェハ内でのチップ間，異なるウェハ間での電極上のニッケル膜厚及び密着性の差を出来るだけ小さくし、均一で信頼性に優れたUBMやバンプを形成する方法を提供することを目的とする。またそのようにして作製されたUBM上に均一で信頼性に優れた金属バンプを付けた半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下のような手段を用いる。
（１）半導体素子の電極上に金属メッキにより形成したアンダーバンプメタルであって、中央部分が凹み外周部分がせり上がった形状であり、外周部分が中央部分より厚い部分を有することを特徴とするアンダーバンプメタル。
（２）（１）記載のアンダーバンプメタル上に、導電性ボールを搭載後、接着またはリフローして形成したものである特徴とする半導体装置用バンプ。
（３）前記導電性ボールが、該導電性ボールの粒径を ２ｒとし、各アンダーバンプメタルのメッキパッドの面積をS1とした時、
（S1／π）3/2 < ２（ｒ3 ） （式１）
を満たす粒径２ｒの導電性ボールであることを特徴とする（２）記載の半導体装置用バンプ。
（４）前記導電性ボールが、該導電性ボールの粒径と使用する導電性ボールの平均粒径２ｒm との差を△ｒとした時、個々のボールが
| △ｒ|／２ｒm < 0.0５ （式２）
である条件を満たす導電性ボールであって、前記アンダーバンプメタルが、各アンダーバンプメタルパッドの表面積をS1とし、 Smを全アンダーバンプメタルパッドの平均の面積とした時、
０ < |{S1− Sm}|／Sm < 0.1 （式３）
である条件を満たすアンダーバンプメタルであることを特徴とする（２）又は（３）に記載の半導体装置用バンプ。
（５）（２）乃至（４）のいずれかに記載の半導体装置用バンプを有する半導体装置であって、アンダーバンプメタル上に搭載し接合した導電性ボールの頂上からアンダーバンプメタルの中心部への断面におけるボールの横方向の最大長さをｄ、縦方向のボールの高さをｃとし、ボール断面でｄとｃの交点から上の部分をaとし、交点の下の部分をｂとした時、０．５ ≦ ｃ／ｄ <１かつ、０ ≦ｂ／a < １ となることを特徴とする導電性ボール付半導体装置。
（６）（２）乃至（４）のいずれかに記載の半導体装置用バンプを有する半導体装置におけるアンダーバンプメタル上に接合された導電性ボールに、更に他の電極が接合され、前記のアンダーバンプメタルの面積をSとし、導電性ボールの接合後の高さをｈとした時、
S < ４πｈ2 （式４）
となることを特徴とする導電性ボール付半導体装置。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
図１を用いて本発明におけるアルミニウム電極上へのUBM及びバンプ形成法を例に説明する。
【０００９】
図１（a）に、アルミニウム電極をパターニングしたシリコン基板（アルミニウム電極の厚みは例えば  0.5〜２μｍ）を示す。表面清浄化処理としての以下の２工程を行う。
【００１０】
第一に、少なくとも１回以上有機溶媒中でウェハまたはチップ等の電極表面を洗浄する工程を導入する。有機溶媒中の洗浄はそれぞれ１〜３０分とし、超音波をかけても良い。この処理工程は、１分以下では効果が乏しく、３０分以上行っても効果は同じである。有機溶媒としては、例えばアセトンやメチルエチルケトン等のケトン系のもの、エタノールやメタノールやプロパノール等のアルコール系のもの、あるいはそれらを適当な比率で混合した混合物を用いる。その他テトラヒドロフラン等ウェハ上に付着したごみ・油分・水分を溶かすまたは流し去る各種の溶媒を使用しても良い。複数回洗浄を行う時は、溶媒として比誘電率の低いものと高いもののように、比誘電率の異なるものを選択するのが良い。
【００１１】
洗浄が不十分の場合は、第二に、前記有機溶媒を乾燥後、さらにUVオゾン洗浄を行い、ウェハまたはチップ等の電極上の有機物を完全に除去する工程を導入する。これは、大気中または酸素雰囲気中または酸素をわずかでも含む雰囲気中で紫外線を１分〜30分間当てることにより、有機物を分解除去する工程である。この処理工程は、１分以下では効果が乏しく、３０分以上行っても効果は同じである。ここでいうUVオゾン洗浄とは、電極表面に酸素の存在下でUV（紫外）光を当て、紫外線及び紫外線により発生したオゾンで有機物を分解洗浄する工程である。
【００１２】
以上の処理により金属電極上の無機物及び有機物は全て除去される。この工程はメッキの脱脂処理前に行うことが好ましい。上記処理後は通常の前処理をしてメッキ処理を行う。一例を下記に示す。
【００１３】
酸性液またはアルカリ性液でライトエッチングを行う。酸性液は主として希硫酸液が用いられる。リン酸や硝酸を含んでいても良い。硫酸の濃度は１０〜６０％のものを使用する。界面活性剤を含んでいても良い。あるいは、有機酸を含んでいても良い。アルカリ性の液の場合は、１〜５０％の水酸化ナトリウムや水酸化カリウム水溶液が用いられる。次にジンケート（亜鉛）処理液またはパラジウム処理液で表面のアルミニウムの一部を亜鉛またはパラジウムに換える（図１（ｂ））。本発明において、ジンケート処理とは亜鉛に置換する処理のことをいう。一度亜鉛またはパラジウム置換したものを酸洗し再びジンケート処理またはパラジウム処理する工程を１回以上行って、より平滑性に優れた表面を得ることも出来る。一般にこのジンケート処理液は、アルカリ性のものが使用されるが、ｐHが１０以上である場合が多く、アルミ電極のロットによっては均一な表面が得られないことがある。この際には、アルカリ強度の低い処理液を使用したり、酸性の処理液を使用したり、複数回のジンケート処理の場合は濃度の異なるものや液性の異なる処理液を使用して均一な処理面とする。この後、無電解ニッケルメッキ、適宜無電解金メッキを順次行い、UBMやバンプを作成する。無電解ニッケルメッキ液としては、Ni-P系のメッキ液やNi-B系メッキ液を使用することが出来る。ジンケート処理液・無電解ニッケルメッキ液・無電解金メッキ液は、一般書、例えば、{「無電解めっき」 神戸徳蔵著  槇書店  １９８４年刊 } を参考にメッキ液を作成して使用しても良い。金メッキは必要に応じて行う。
【００１４】
Ni-Pメッキの際に錯化剤を変えたり、ニッケル濃度を高く変えることにより、電極パッドの中央部が凹んだ形状のUBMを作製することが出来る。酸性のメッキ液を用いる条件では、ニッケルの濃度を例えば3.4g／ｌ以上にしたメッキ液を用いる等の手段を行えば、上記形状のUBMを形成することが出来る。この形状のUBMを使用した場合はマウンターにより導電性ボールを搭載した時に、ボールが転がったりせず、バンプの信頼性を向上させることが出来る。図４及び図５に電極パッドの中央部が凹んだ形状のUBMの模式図を示す。電極パッドの中央部が凹んだ形状のUBMを使用した場合、ボール高さ・シェア強度とも表面が平坦なものと同様の値が得られる。
銅電極の場合もアルミニウム電極とほぼ同様の処理を行えば良い。
【００１５】
図３ (b)には、上記手法で作成したUBM上に、導電性ボールとして半田ボールを搭載し、リフローすることにより、半田バンプを形成したものを示している。半田は共晶半田，各種鉛フリー半田，コアが銅で周囲が半田のボール等を使用することが出来る。
【００１６】
図２、３及び６を用いて本発明におけるUBMを使用しバンプを形成する方法、及びバンプ形成した半導体装置について説明する。
半田ボールを搭載するニッケルあるいはニッケル金メッキのUBMにおいて、半田ボールとUBMの接合面は、図２（a）と図３（a）の部分９で示す様な形状をしており、UBMの大きさと同じ大きさである。ここで、使用する導電性ボールの粒径を ２r とし、UBMのニッケルあるいはニッケル金メッキパッドの面積をS1とした時、（式１） の条件を満たす粒径２ｒの導電性ボールを使用することにより、金属ボールをUBM上に接続した際に、半導体素子における接着した導電性ボールの縦断面形状が、少なくとも半球状（図２の (a)及び(ｂ)）より大きい形状（例えば図３の (a)及び(ｂ)）となり、半導体装置として使用する際に密着性の良いボンデングが行える。それより小さい場合は平坦なバンプ形状となり、密着性の良いチップとして使用しにくくなる。
【００１７】
UBM上に導電性ボールを接続させる際に、使用する平均直径２ｒmの導電性ボールの平均値からのずれを△ｒとした時、個々のボールが、（式２）の条件を満たす導電性ボールを使用することにより導電性バンプを形成すれば、高さの揃ったバンプが得られ、半導体装置として使用する際に密着性の良いボンデングが行える。0.05より大きいとバンプ高さのバラツキのため、接合不良が出やすくなる。さらに、各UBMパッドの表面積をS1とし、 Smを全UBMパッドの平均の面積とした時、（式３）の条件を満たすUBMを使用することにより導電性バンプを形成すれば、高さの揃ったバンプが得られ、半導体素子として使用する際に密着性の良いボンデングが行える。0.1より大きい時はボール搭載後にバンプ高さのバラツキのために、接合不良が出やすくなる。
【００１８】
バンプ形成の際に、導電性ボールをUBM上に搭載し接合した後に、図６に示すようにボールの頂上からUBMの中心部への断面において、ボールの横方向の最大長さをｄ、縦方向のボールの高さをｃとし、ボールのｄとｃの交点から上の部分をaとし、交点の下の部分をｂとした時、０．５ ≦ ｃ／ｄ < １かつ、０ ≦ｂ／a  < １ となるように導電性ボールを付けた半導体装置とする。ｃ／ｄが０．５より小さいと接続後のボールは半球状より小さくなり、ボンデイングし難くなる。ｃ／ｄが１より大きいと密着性の良い接合が得られない。ｂ／aが０の場合は接続後のボールが半球状であり、ｂ／aが１以上では密着性が悪く好ましくない。
【００１９】
作製したUBM上に導電性ボールが搭載または接合されている半導体装置において、バンプを使用してボンデイングする際に、そのアンダーバンプメタルの面積をSとし、導電性ボールの接合後の高さをｈとした時、（式４）を満たすように導電性ボールを付けると密着性に優れた半導体装置が得られる。S=πｈ2で半球状のまま接合する状態であり、S  >  ４πｈ2では、接合性が悪くなる。
銅電極の場合にも同様なプロセスで処理を行い、半導体装置が得られる。
【００２０】
本方法によれば、均一な高さとシェア強度をもつUBMやバンプを形成することが出来る。またUBM上にハンダボールを搭載し、リフローすれば、密着性の良い均一な高さの信頼性の高いハンダバンプを形成することが出来、それによる半導体装置が得られる。ハンダボール使用の場合にはチップやウェハの希望の位置にハンダバンプを形成することも出来る。作成したバンプのシェア強度試験においても均一な値が得られる。
【００２１】
【実施例】
以下に本発明を実施例を用いて説明する。処理条件等はこれら実施例のみにとらわれるものではない。
【００２２】
（参考例１）
図１（a）に示すようなパターニングしたアルミニウム電極（厚さ１μｍ）の付いたチップ（周囲に１００μｍ角のアルミニウム電極を持ち、８０μｍ角で電極部分にアルミニウムが出ており、１４０μｍピッチで全部で２００ピンの電極がある。）を用いた。前処理としてアセトン中で５分、エタノール中で５分それぞれ超音波洗浄を行った。乾燥後、UVオゾン洗浄器で５分間洗浄処理を行った。その後、５０％硫酸水溶液を用いて５５℃で３分間エッチングする。水洗後、市販のジンケート処理液：サブスターAZ（奥野製薬製）を用いて２５℃で１２０秒間亜鉛置換を行った。水洗後、無電解ニッケルメッキ液：トップケミアロイ６６（奥野製薬製）を用いて、６５℃で３０分間ニッケルメッキを行った。ニッケルメッキ厚は５〜5.5μｍであった。水洗後、無電解金メッキ液：フラッシュゴールドNB（奥野製薬製）を用いて９０℃で１５分間金メッキした。メッキ後のUBMの面積は平均値が９５2μｍ2であり、各々のUBMのパッド面積S1は、９２．５2〜９７．５2μｍ2であった。これは、各UBMパッドの表面積S1 と、全UBMパッドの平均の面積Smが（式３）条件を満たす。金メッキ厚は０．０５μmであった。水洗後、乾燥した。UBMの高さは５〜5.5μｍであった。
【００２３】
１００±２μｍφの共晶ハンダボールを使用した。ここで使用したボール径の平均値は１００μｍであり、使用した個々の導電性ボールは９８〜１０２μｍ以内に入っていた。これは、（式２）の条件を満たしている。
また、上記パッド面積と導電性ボールの粒径は、前記（式１）を満たす。
【００２４】
そのボールを搭載し、リフローした。リフロー後、ハンダバンプのシェア強度を測定した。任意に測定した１０個のシェア強度測定値を表１に示す。測定値にバラツキが少なく、十分な強度を持っている。またボール高さは、77.8 ± 1.5 μｍであり、バラツキが2％以内になっていた。
【００２５】
図６において、ｃ／ｄ＝０．６５〜０．６６、ｂ／a＝０．４５であった。また、このバンプを使用して８０μｍ角の電極を持つチップにフリップチップボンデイングした際に、そのUBMの面積Sは、S = ９２．５2〜９７．５2μｍ2 、導電性ボールの接合後の高さｈは、ｈ＝５４μｍとなり、 （式４） を満足していた。
【００２６】
（参考例２）
参考例１において、１８０秒間のジンケート処理の後水洗し、２５％硝酸水溶液で３０秒間酸洗処理を行い、水洗後、第二のジンケート処理を１２０秒間行う以外は、全て同様の条件でハンダバンプを作成した。その後、シェア強度の測定を行った。任意に測定した１０個の測定値を表１に示す。測定値にバラツキが少ない。UBMの高さは、５〜5.5μｍであった。ボール高さは、77.3±1.6μｍであった。
図６において、ｃ／ｄ＝０．６５〜０．６６、ｂ／a＝０．４５であった。
【００２７】
（参考例３）
参考例１において、１２０秒間のジンケート処理の後水洗し、２５％硝酸水溶液で３０秒間酸洗処理を行い、水洗後、第二のジンケート処理を１５秒間行う以外は、全て同様の条件でハンダバンプを作成した。その後、シェア強度の測定を行った。任意
に測定した１０個の測定値を表１に示す。測定値にバラツキが少ない。UBMの高さは、５〜5.5μｍであった。ボール高さは、77.3±1.6μｍであった。
図６において、ｃ／ｄ＝０．６５〜０．６６、ｂ／a＝０．４５であった。
【００２８】
（実施例４）
参考例１において、１２０秒間のジンケート処理の後水洗し、２５％硝酸水溶液で１５秒間酸洗処理を行い、水洗後、第二のジンケート処理を１２０秒間行い、無電解ニッケルメッキ液としてICPニコロン−USD（奥野製薬製：８５℃で３０分メッキ）を使用した以外は、全て同様の条件でハンダバンプを作成した。中央部が凹んだUBMが得られた。その後、シェア強度の測定を行った。任意に測定した１０個の測定値を表１に示す。測定値にバラツキが少ない。UBMの高さは、５〜5.5μｍであった。ボール高さは、77.2±1.7μｍであった。
図６において、ｃ／ｄ＝０．６５〜０．６６、ｂ／a＝０．４５であった。
【００３１】
（比較例）
前処理において有機溶媒洗浄とUVオゾン洗浄を行わない以外は、全て参考例１と同様の処理を行い、ハンダバンプを形成した。シェア強度の測定を行った。任意に測定した１０個の測定値（シェア強度測定値（単位：ｇｆ／ピン））を表１に示す。測定値にバラツキが大きい。UMBの高さは、4.5〜5.5μｍであり、ややバラツキが大きかった。ボール高さは、77.3±2.7μｍで、バラツキが大きい。
【００３２】
【表１】
0004703835.tif 000002
【００３３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することが出来る。本方法によれば、アルミニウムや銅の電極上に均一な高さのUBMやバンプを形成することが出来る。またUBM上にハンダボールを搭載し、リフローすれば、均一な高さのハンダバンプを形成することが出来る。また、この様にして均一高さのバンプを持つ信頼性のある半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無電解メッキによるニッケル金のUBM作成を示す図であり、（a）はアルミ電極パターニング後、（b）はジンケート処理（亜鉛置換）またはパラジウム処理、（c）は無電解ニッケルメッキ、（d）は無電解金メッキを示す。
【図２】リフロー後のハンダボール形状差を示す図であり、（a）はUBMを上から見た所（小さいボール）、（b）はUBMを横から見た断面図（小さいボール）である。
【図３】リフロー後のハンダボール形状差を示す図であり、（a）はUBMを上から見た所（大きいボール）、（b）はUBMを横から見た断面図（大きいボール）である。
【図４】周辺の盛上った電極
【図５】周辺の盛上った電極（断面図）
【図６】  UBM上に半田ボールをリフローした断面図
【符号の説明】
１．       SiO2酸化膜付シリコン基板
２．       アルミニウム電極
３．       窒化珪素膜または酸化珪素膜（パッシベーション膜）
４．       Zn膜
５．       Ni-BまたはNi-P膜またはそれらの混合膜
６．       Au膜
７．       半田ボール
８．       電極上のパッシベーション膜の外枠
９．       UBM部分
【図１】
0004703835.tif 000003
【図２】
0004703835.tif 000004
【図３】
0004703835.tif 000005
【図４】
0004703835.tif 000006
【図５】
0004703835.tif 000007
【図６】
0004703835.tif 000008