(57)【要約】【課題】  基板側にバンプを形成するとともに、フリップチップ側のトレイを形成し、さらにその上に接続溶融部を同時に形成して、フリップチップ単体の状態で基板に直接接続できるようにする、はんだバンプによるフリップチップ接続法を提供する。【解決手段】  Ｓn１−ＸＭＸ（Ｍ：Ｓn以外の一つ以上の金属）の合金からなるはんだバンプを基板１上に形成する際、溶融してはんだバンプとはんだバンプ金属層５の上に、金属膜の分離層７をはさみ、分離層７の上にフリップチップ２１のパッド２２との接続用はんだとなる融着接続金属層８を形成して、フリップチップ２１と基板１とを接続する。【選択図】  図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓn１−ＸＭＸ（Ｍ：Ｓn以外の一つ以上の金属）の合金からなるはんだバンプを基板（１）上に形成する際、溶融してはんだバンプとなるはんだバンプ金属層（５）の上に、金属膜の分離層（７）をはさみ、
前記分離層（７）の上にフリップチップ（２１）のパッド（２２）との接続用はんだとなる融着接続金属層（８）を形成して、フリップチップ（２１）と前記基板（１）とを接続することを特徴とするはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項２】
前記分離層（７）として、ＴiとＰtとを含む積層膜を用いることを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項３】
前記はんだバンプ金属層（５）の上に、ＳiＮＸＯ１−Ｘ（０≦ｘ≦１）の組成の絶縁膜を形成することを特徴とする請求項１または２に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項４】
前記接続用はんだとして、Ｓn１−ＸＭＸ（Ｍ：Ｓn以外の一つ以上の金属）の合金を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項５】
前記基板（１）に、パターニングするマスクを形成し、
前記マスクの上からはんだの組成となる金属膜を蒸着し、
その後、前記マスクを除去して、バンプ前駆体（Ａ）を形成することを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項６】
前記パターニングするマスクとして有機レジスト材を用い、リフトオフ法によりこのマスクを除去することを特徴とする請求項５に記載のフリップチップ接続法。
【請求項７】
フラックス液を用いてリフローして、前記はんだバンプを形成することを特徴とする請求項５に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【請求項８】
水素プラズマを用いてリフローして、前記はんだバンプを形成することを特徴とする請求項５に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板側にはんだバンプを形成して、チップ側のパッドと直接接続する、はんだバンプによるフリップチップ接続法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高速通信システム用の各種モジュールを実装するためには、それを構成するデバイスの電気的特性を劣化させることなく実装し、モジュールとしての高速、広帯域特性が保持できることが重要である。高密度な配線基板に超高速ＩＣを電気的に接続するためには、その接続長を極力短くした高密度実装技術が必要である。
【０００３】
従来のワイヤボンディングでは、浮遊インダクタンスが大きくなり、高周波領域では、良好な特性を示さないことが知られている。このような問題を回避するためには、微少はんだバンプを用いた電気的接続が有効である。
【０００４】
最も一般的なはんだバンプ接続方法であるコントロール・コラプス・チップ接続（controlled collapse chip connection）では、チップ側にある「はんだ濡れ性」の良い金属パッドの上に形成したはんだと、基板側にある「はんだ濡れ性」の良いパッドに形成したはんだとを利用して接続する。つまり、裏返しチップ（フリップチップ）基板にチップを位置合わせした後、はんだを溶かすことによって、全ての接続が完了する。
【０００５】
フリップチップのはんだバンプ接続では、ＩＣチップ側にはんだバンプを形成する。このため、このような方法では、任意のＩＣチップ単体を基板の上に接続することを想定すると、大変煩雑な工程を経ることになり、生産性が悪く、コスト高となる。つまり、フリップチップ接続を形成するためには、ＩＣチップがウエハーの状態にあるときに、ＩＣチップ表面にバンプを形成するプロセスが付け加わる。このため、ＩＣチップの歩留まりが下がったり、価格が高くなってしまうことが大きな問題であった（非特許文献１）。
【非特許文献１】「マイクロエレクトロニクス  パッケージ  ハンドブック」、１９９１年、和訳版発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、基板側にバンプを形成するとともに、フリップチップ側にトレイを形成し、さらにその上に接続溶融部を同時に形成して、フリップチップ単体の状態で基板に直接接続できるようにする、はんだバンプによるフリップチップ接続法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、Ｓn１−ＸＭＸ（Ｍ：Ｓn以外の一つ以上の金属）の合金からなるはんだバンプを基板上に形成する際、溶融してはんだバンプとなるはんだバンプ金属層の上に、金属膜の分離層をはさみ、前記分離層の上にフリップチップのパッドとの接続用はんだとなる融着接続金属層を形成して、フリップチップと前記基板とを接続することを特徴とするはんだバンプによるフリップチップ接続法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、前記分離層として、ＴiとＰtとを含む積層膜を用いることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、前記はんだバンプ金属層の上に、ＳiＮＸＯ１−Ｘ（０≦ｘ≦１）の組成の絶縁膜を形成することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、前記接続用はんだとして、Ｓn１−ＸＭＸ（Ｍ：Ｓn以外の一つ以上の金属）の合金を用いることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、前記基板に、パターニングするマスクを形成し、前記マスクの上からはんだの組成となる金属膜を蒸着し、その後、前記マスクを除去して、バンプ前駆体を形成することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載のフリップチップ接続法において、前記パターニングするマスクとして有機レジスト材を用い、リフトオフ法によりこのマスクを除去することを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、フラックス液を用いてリフローして、前記はんだバンプを形成することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項５に記載のはんだバンプによるフリップチップ接続法において、水素プラズマを用いてリフローして、前記はんだバンプを形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、通常のバンプ金属上に隔壁層としてのトレイ、つまり金属膜の分離層を形成する。さらに、フリップチップのパッド部分の金と溶融できるはんだ金属を薄く堆積する。この後、フリップチップを基板に位置合わせして配置し、リフローを行うことで、フリップチップ接続を行なう。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、はんだバンプの上にＳiＯ２もしくはＳiＮもしくはＳiＯＮのような絶縁膜を挿入し、その上に隔壁層となる分離層をはさみ、その上にフリップチップのパッドとの接続のためのはんだを形成して、フリップチップと基板とを直接接続することができる。つまり、本発明により、フリップチップ側にパッドを形成することなく、はんだバンプにより基板とフリップチップ単体とが直接接続できることは、化合物系超高速半導体デバイスのパッケージ化において、低価格化に特に大きく貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施形態について、本発明をなすに際して得た知見とともに説明する。
【００１１】
はんだバンプを基板上に形成後、フリップチップのパッドに直接接続させると、はんだの主成分であるスズが、フリップチップのパッドの金に吸い込まれて用をなさない。そこで、はんだバンプ前駆体の上に、隔壁層としてのトレイ、つまり金属膜の分離層を形成して、Ｓn（スズ）とＡu（金）との反応を止めることが可能である。
【００１２】
しかし、分離層の金属は通常、金との融着性がないため、基板とフリップチップとの接続はできない。そこで、この分離層の上に、スズを主成分とする第２のはんだ層を形成することで、フリップチップのパッドの金を融着接続させることが可能である。
【００１３】
ところが、このようなプロセスの実験を繰り返しても、満足なフリップチップ接続は得られなかった。理由は、仮止めの時の加圧により、バンプ用はんだ金属が、フリップチップ側の金パッドと接触してしまうため、リフロー時に大量のはんだが金に吸い込まれるためであった。いわゆる「金食われ」が起こってしまい、満足なフリップチップ接続ができない。
【００１４】
上述の問題を回避するためには、バンプ用のはんだ金属とフリップチップ側のパッドの金とを接触させないように、はんだバンプ金属の蒸着後に、ＳiＯ２のような、スズとの濡れ性が悪く、かつ耐熱性のある無機系絶縁膜を、両者の分離層として用いると、有効であることが予想された。
【００１５】
このような検討結果を基に、本発明者らは、はんだバンプと分離層および融着接続はんだを、基板上に一挙に形成するために、幾多の実験を重ねる過程において、スズとの濡れ性の悪い無機材料として、ＳiＯ２もしくはＳiＮもしくはＳiＯＮのような絶縁膜を挿入し、その上に分離層としてＴiとＰtの積層膜を用い、さらに、融着接続用はんだ金属をその上に同時に形成して、はんだバンプ金属と融着接続金属とを分離することにより、良好なフリップチップ接続を形成できることを見い出し、本発明をなすに至った。
【実施例】
【００１６】
つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例は一つの例示であって、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行い得ることは言うまでもない。
［実施例１］
【００１７】
本実施例では、図１に示すように、チップ接続用のＧaＡs基板１上に、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いた一層配線の配線層２を形成する。配線層２を形成した後、ＳiＯ２を１００ｎｍスパッタ法により積層して、ＳiＯ２の絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は無機系絶縁膜である。さらに、絶縁膜３に開口を形成した後、台座４を形成する。
【００１８】
この後、図２に示すように、有機レジスト材３１を塗布し、有機レジスト材３１を用いてパターニングを行い、図３に示すように、有機レジスト材３１に開口３１Ａを形成する。その上に、Ｓn：６００ｎｍ→Ａu：２０ｎｍを１０回繰り返し、図４に示すように、約６.２μｍのはんだ合金（組成：Ｓn０.９５Ａu０.０５、融点：２１７℃）膜厚にして、はんだバンプ金属層５を形成した。
【００１９】
はんだバンプ金属層５の形成後、図５に示すように、ＳiＯ２を２００ｎｍスパッタ法により堆積させて、絶縁膜６を形成した。絶縁膜６は、はんだバンプ金属層５とフリップチップ側のパッドの金とを接触させないようにするための、スズとの濡れ性の悪い無機材料である。絶縁膜６の形成後、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、図６に示すように、８０μｍφの微小なバンプ前駆体Ａを形成した。
【００２０】
つぎに、図７に示すように、有機レジスト材３２を用いて、２４μｍφのパターニングを行い、開口３２Ａを形成する。この後、図８に示すように、ドライエッチングにより絶縁膜６の一部を除去し、ＳiＯ２の絶縁膜６に２４μｍφの開口６Ａを形成する。これにより、図９に示すように、バンプ前駆体Ａに開口６Ａが形成される。
【００２１】
つぎに、図１０に示すように、有機レジスト材３３を用いて、３６μｍφのパターニングを行い、開口３３Ａを形成する。この後、図１１に示すように、Ｔi（１００ｎｍ）／Ｐt（２００ｎｍ）／Ａu（２０ｎｍ）のトレイ、つまり、金属膜の分離層７を形成する。分離層７の形成後、図１２に示すように、Ｓn：３００ｎｍ→Ａu：１０ｎｍを４回繰り返し、約１.３μｍのはんだ合金膜厚にして、融着接続金属層８を形成する。この後、図１３に示すように、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、３６μｍφの微小な溶着接続金属前駆体Ｂを形成した。
【００２２】
こうして、バンプ前駆体Ａの上に溶着接続金属前駆体Ｂが設けられた基板１を形成した後、図１４に示すように、パッド２２が形成されているフリップチップ２１を基板１に位置決めし、フリップチップ２１を基板１に仮止めする。そして、溶着接続金属前駆体Ｂの溶着接続金属表面である融着接続金属層８の酸化膜を除去するための水素プラズマリフロー法により、２２０℃、３ｍｉｎの条件により、図１５に示すように、フリップチップ接続を行った。図１５では、はんだバンプ金属層５が溶融して、はんだ合金層５Ａになり、また、融着接続金属層８が溶融して、はんだ合金層８Ａになった。
【００２３】
本実施例では、８０個バンプで直列接続したＴＥＧ（テスト・エレメント・グループ）により電気的導通を確認した試料について、走査型電子顕微鏡で微少バンプの形状を観察して、１０個の平均高さを測定すると、３０±２μｍであった。
［実施例２］
【００２４】
本実施例では、リフローの方法が実施例１と異なり、他は実施例１と同じである。つまり、ＧaＡs基板上に一層配線を形成し、ＳiＯ２を１００ｎｍスパッタ法により積層した後、有機レジスト材を用いて、パターニングを行う。その上にＳn：６００ｎｍ→Ａu：２０ｎｍを１０回繰り返し、約６.２μｍのはんだ合金（組成：Ｓn０.９５Ａｕ０.０５、融点：２１７℃）膜厚にした。その後に、ＳiＯ２を２００ｎｍスパッタ法により堆積させ、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、８０μｍφの微小なバンプ前駆体を形成した。
【００２５】
つぎに、有機レジスト材を用いて、２４μｍφのパターニングを行い、ドライエッチングによりＳiＯ２を除去して、２４μｍφの開口を行う。有機レジスト材を用いて、３６μｍφのパターニングを行い、Ｔi（１００ｎｍ）／Ｐt（２００ｎｍ）／Ａu（２０ｎｍ）の分離層を形成した。この後、Ｓn：３００ｎｍ→Ａu：１０ｎｍを４回繰り返し、約１.３μｍのはんだ合金膜厚を形成し、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、３６μｍφの微小な溶着接続金属前駆体を形成した。
【００２６】
このようにして基板を形成した後、チップと仮止めして、実施例１の水素プラズマリフロー法の代わりに、次にようにする。つまり、本実施例では、チップと仮止めして、溶着接続金属表面の酸化膜を除去するためにフラックス液（ソルボンドＲ５００３）を塗布し、さらに、約２００℃、１０ｍｉｎのアニールにより組成の均一化を行った。この後、温度を２１８度に上げてリフローを行い、フリップチップ接続を行った。
【００２７】
本実施例では、８０個バンプで直列接続したＴＥＧにより電気的導通を確認した試料について、走査型電子顕微鏡で微少バンプの形状を観察して、１０個の平均高さを測定すると、２８±４μｍであった。
［実施例３］
【００２８】
本実施例では、ＳiＯ２の堆積が実施例１と異なり、他は実施例１と同じである。つまり、ＧaＡs基板上に一層配線を形成した後、本実施例では次のようにする。つまり、配線の形成後に、実施例１ではＳiＯ２を堆積した。これに対して、本実施例では、ＳiＮを１００ｎｍスパッタ法により堆積し、図１のＳiＯ２の絶縁膜３の代わりに、ＳiＮの絶縁膜を形成した。この後、有機レジスト材を用いて、パターニングを行い、その上にＳn：６００ｎｍ→Ａu：２０ｎｍを１０回繰り返し、約６.２μｍのはんだ合金（組成：Ｓn０.９５Ａu０.０５、融点２１７℃）膜厚にした。
【００２９】
その後に、実施例１ではＳiＯ２を堆積させた。これに対して、本実施例では、ＳiＮを２００ｎｍスパッタ法により堆積させ、図５のＳiＯ２の絶縁膜６の代わりに、ＳiＮの絶縁膜を形成した。ＳiＮを堆積した後、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、８０μｍφの微小なバンプ前駆体を形成した。
【００３０】
つぎに、有機レジスト材を用いて、２４μｍφのパターニングを行い、ドライエッチングにより、ＳiＮの絶縁膜を除去して、２４μｍφの開口を行う。有機レジスト材を用いて、３６μｍφのパターニングを行い、Ｔi（１００ｎｍ）／Ｐt（２００ｎｍ）／Ａu（２０ｎｍ）の分離層を形成した。この後、Ｓn：３００ｎｍ→Ａu：１０ｎｍを４回繰り返し、約１.３μｍのはんだ合金膜厚を形成し、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、３６μｍφの微小な溶着接続金属前駆体を形成した。
【００３１】
このようにして基板を形成した後、チップと仮止めして、溶着接続金属表面の酸化膜を除去するための水素プラズマリフロー法により、２２０℃、３ｍｉｎの条件により、フリップチップ接続を行った。
【００３２】
本実施例では、８０個バンプで直列接続したＴＥＧにより電気的導通を確認した試料について、走査型電子顕微鏡で微少バンプの形状を観察して、１０個の平均高さを測定すると、３０±３μｍであった。
［実施例４］
【００３３】
本実施例では、はんだバンプ金属層５が実施例１と異なり、他は実施例１と同じである。つまり、ＧaＡs基板上に一層配線を形成し、ＳiＯ２を１００ｎｍスパッタ法により積層した後、有機レジスト材を用いてパターニングを行う。
【００３４】
パターニングの後、実施例１では、その上にＳn：６００ｎｍ→Ａu：２０ｎｍを１０回繰り返した。これに対して、本実施例では、Ｓn：９００ｎｍ→Ａu：１６ｎｍ→Ｉn：１３ｎｍを６回繰り返し、約５.５μｍのはんだ合金（組成：Ｓn０.９５Ａu０.０３Ｉn０.０２、融点：２１５℃）膜厚にした。つまり、本実施例では、図４に示すはんだバンプ金属層５の代わりに、前記のはんだ合金膜厚のはんだバンプ金属層を用いた。
【００３５】
その後に、ＳiＯ２を２００ｎｍスパッタ法により堆積させ、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、８０μｍφの微小なバンプ前駆体を形成した。
【００３６】
つぎに、有機レジスト材を用いて、２４μｍφのパターニングを行い、ドライエッチングによりＳiＯ２を除去して、２４μｍφの開口を行う。有機レジスト材を用いて、３６μｍφのパターニングを行い、Ｔi（１００ｎｍ）／Ｐt（２００ｎｍ）／Ａu（２０ｎｍ）の分離層を形成した。この後、Ｓn：３００ｎｍ→Ａu：１０ｎｍを４回繰り返し、約１.３μｍのはんだ合金膜厚を形成し、有機溶剤を用いてリフトオフを行い、３６μｍφの微小な溶着接続金属前駆体を形成した。
【００３７】
このようにして基板を形成した後、チップと仮止めして、溶着接続金属表面の酸化膜を除去するための水素プラズマリフロー法により、２２０℃、３ｍｉｎの条件により、フリップチップ接続を行った。
【００３８】
本実施例では、８０個バンプで直列接続したＴＥＧにより電気的導通を確認した試料について、走査型電子顕微鏡で微少バンプの形状を観察して、１０個の平均高さを測定すると、２５±２μｍであった。
【００３９】
以上、本発明の実施形態と実施例を詳述してきたが、具体的な構成は実施形態と実施例とに限られるものではない。たとえば、前記の実施例では、絶縁膜としてＳiＯ２またはＳiＮを用いたが、これらの代わりに、ＳiＯＮの絶縁膜を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１の台座形成を説明する断面図である。
【図２】実施例１のレジスト塗布を説明する断面図である。
【図３】実施例１のレジストパターン形成を示す断面図である。
【図４】実施例１のＳn-Ａuの多層膜蒸着を説明する断面図である。
【図５】実施例１のＳiＯ２堆積を説明する断面図である。
【図６】実施例１のバンプ前駆体を示す断面図である。
【図７】実施例１のレジストパターン形成を示す断面図である。
【図８】実施例１のドライエッチングを示す断面図である。
【図９】実施例１のリフトオフを示す断面図である。
【図１０】実施例１のレジストパターン形成を示す断面図である。
【図１１】実施例１の分離層形成を示す断面図である。
【図１２】実施例１のＳn-Ａuの多層膜蒸着を説明する断面図である。
【図１３】実施例１のリフトオフを示す断面図である。
【図１４】実施例１のフリップチップの位置決めを示す断面図である。
【図１５】実施例１のフリップチップ接続を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  基板
２  配線層
３、６  絶縁膜
４  台座
５  はんだバンプ金属層
７  分離層
８  融着接続金属層
Ａ  バンプ前駆体
Ｂ  溶着接続金属前駆体
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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