(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】ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層８と、ニッケル金属層８の表面に厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下で形成された銅又は銅合金からなる銅薄膜層９とを有する下地金属層６を形成しておき、下地金属層６の銅薄膜層９の上にはんだめっき層１３を形成した後、はんだめっき層１３を溶融してはんだバンプ１０を形成する。【選択図】      図２
2016178217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層と、該ニッケル金属層の表面に厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下で形成された銅又は銅合金からなる銅薄膜層とを有する下地金属層を形成しておき、前記下地金属層の前記銅薄膜層の上にはんだめっき層を形成した後、前記はんだめっき層を溶融してはんだバンプを形成することを特徴とするバンプ電極の製造方法。
【請求項２】
下地金属層の上にはんだめっき層が形成されているバンプ電極形成用中間体であって、前記下地金属層は、ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層と、該ニッケル金属層の表面に厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下で形成された銅又は銅合金からなる銅薄膜層とを有し、前記はんだめっき層は前記銅薄膜層の上に形成されていることを特徴とするバンプ電極形成用中間体。
【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。
【０００３】
従来、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、電極（下地金属層）の表面に凸部を形成しておき、リフロー工程で気泡が浮力によって凸部の側面に沿って上昇することにより、はんだバンプと電極との界面から気泡を離してボイドの発生を防止すると記載されている。
特許文献２には、先ずはんだバンプを減圧雰囲気中で加熱溶融し、続いて、その減圧雰囲気よりも加圧した加圧雰囲気中で加熱し、次に、その加圧雰囲気を略維持しつつ冷却してはんだバンプを凝固させることが開示されている。これによれば、はんだバンプ中にボイドが存在していても、ボイドの体積は（減圧雰囲気時の圧力）／（加圧雰囲気時の圧力）に収縮するため、実質的にボイドを消滅させることができると記載されている。
【０００４】
特許文献３には、銅を含む電極の上に錫、ニッケルの一方を含む亜鉛拡散防止層を形成し、その上に錫−亜鉛系はんだ合金からなるはんだバンプを形成することが開示されており、亜鉛拡散防止層により亜鉛の拡散を防止して、脆弱な銅−亜鉛金属間化合物層の生成及びボイドの生成を防止すると記載されている。
特許文献４には、溶融はんだ内をボイドが移動して表面に達したときに、リフロー雰囲気を還元雰囲気とすることにより、はんだ表面の酸化膜を除去してボイドを放出することが開示されており、ボイドを内包したままはんだが固化されることを防止すると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３５３９１５号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３２１３号公報
【特許文献３】特開２００１−２９８０５１号公報
【特許文献４】特開２００９−８１３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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は依然として残されている。特に、下地金属層が銅からなる場合に顕著であり、さらなる改良が望まれていた。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明のバンプ電極の製造方法は、ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層と、該ニッケル金属層の表面に厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下で形成された銅又は銅合金からなる銅薄膜層とを有する下地金属層を形成しておき、前記下地金属層の前記銅薄膜層の上にはんだめっき層を形成した後、前記はんだめっき層を溶融してはんだバンプを形成する。
【０００９】
下地金属層としては一般には電気伝導性の高い銅が用いられる。この銅の上にはんだめっき層を形成してリフロー処理すると、銅の一部が溶融はんだ中に拡散する。この銅とはんだ中の錫とは金属間化合物を形成し易く、溶融はんだが凝固するときに、下地金属層とはんだめっき層との界面部分に、銅と錫とが金属間化合物（銅錫合金）の層を形成する。この金属間化合物の層は微細な凹凸形状に形成されるため、溶融はんだ内に発生した気泡を凝固の際に金属間化合物の凹凸にトラップするように付着させ、これが界面付近のボイドの原因となる。
【００１０】
本発明では、下地金属層の少なくとも表面部をニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層と、その上に薄く形成した銅薄膜層とからなる二層構造としておくことにより、はんだめっき層を溶融させた際に、銅薄膜層の銅が溶融はんだ内に拡散して、銅と錫との間で金属間化合物が形成されるとしても、銅薄膜層を薄い層としておいたために、金属間化合物が下地金属層の表面に層状に堆積せずに、下地金属層から剥がれ易く、したがって、気泡が発生したとしても界面部に留めることなく溶融はんだ中を浮上させて放出することができる。
【００１１】
この場合、銅薄膜層の厚さが０．１μｍ未満では、その効果を十分に発揮させることができず、逆にリフロー処理の途中ですべてが拡散してしまって、露出したニッケル金属層に気泡が吸着するおそれがある。一方、銅薄膜層の厚さが０．５μｍを超えると、凝固した後の金属間化合物の層が厚くなって凹凸が大きくなるため、リフロー処理後も下地金属層の上に残って気泡が残存し易い。
なお、はんだバンプ形成後には、銅薄膜層はほぼ消失するが、極わずかな厚さで残る場合もある。
また、下地金属層としては、ニッケル金属層の下に、従来と同様な銅又は銅合金からなる銅金属層が形成されていてもよく、下地金属層の少なくとも表面部がニッケル金属層と銅薄膜層とにより形成されていればよい。
【００１２】
また、本発明は、下地金属層の上にはんだめっき層が形成されているバンプ電極形成用中間体であって、前記下地金属層は、ニッケル又はニッケル合金からなるニッケル金属層と、該ニッケル金属層の表面に厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下で形成された銅又は銅合金からなる銅薄膜層とを有し、前記はんだめっき層は前記銅薄膜層の上に形成されている。
【００１３】
このバンプ電極形成用中間体をリフロー処理することにより、下地金属層の上に、ボイドのない良好なバンプ電極を形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、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】
【００１５】
【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）〜（ｄ）の順に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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４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４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４の表面に絶縁層５が形成されている。
【００１７】
電極パッド２の中央部は絶縁層５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）６を介してはんだが球状に形成されてなるはんだバンプ１０が形成され、バンプ電極３を構成している。下地金属層６は、図示例では、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が、その形状は皿状に限定されず、フラットの板状等でもよい。図２に示す例では、下地金属層６は、銅又は銅合金からなる銅金属層７と、この銅金属層７の上に形成されたニッケル又はニッケル合金（純ニッケルが好ましい）からなるニッケル金属層８と、このニッケル金属層８の上にわずかな厚さで形成された銅又は銅合金（純銅が好ましい）からなる銅薄膜層９とからなる三層構造とされているが、これについては後述する。
また、はんだバンプ１０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。
【００１８】
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。
（銅金属層形成工程）
予め、シリコンウエハ４の表面に電極パッド２及び絶縁層５が形成された基板１を形成し、その表面を覆うように銅又は銅合金からなる銅金属層７ａを形成しておく。この場合、絶縁層５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銅金属層７ａが電極パッド２の中央部と接合状態に形成される。この銅金属層７ａは一般にはスパッタリングにより形成される。
【００１９】
（レジスト層形成工程）
次に、図２（ａ）に示すように、基板１の銅金属層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の上方で銅金属層７ａの上面を露出させた状態に開口部（パターン部）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。
【００２０】
（ニッケル金属層、銅薄膜層形成工程）
基板１をニッケルめっき槽（図示略）に浸漬し、銅金属層７ａに通電して電解めっき処理にて、レジスト層１１の開口部１２から露出する銅金属層７ａの上にニッケル金属層８ａを形成する。次いで、ニッケル金属層８ａの上に銅薄膜層９ａを厚さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下となるように薄く形成する（図２（ｂ）参照）。この銅薄膜層９ａを電解めっきにより形成する場合、例えば硫酸銅（ＣｕＳＯ４）及び硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を主成分とした硫酸銅浴等を用いることができる。めっき浴の温度は２０℃以上５０℃以下、電流密度は１Ａ／ｄｍ２以上２０Ａ／ｄｍ２以下とされる。
また、電解めっきに代えて、スパッタリング等による方法で銅薄膜層９ａを形成してもよい。スパッタリングによる場合、レジスト層の上にも銅薄膜層が形成される。
【００２１】
（はんだめっき工程）
次に、基板１をはんだめっき槽（図示略）に浸漬し、銅金属層７ａに通電して電解めっき処理にて、電極パッド２の上の銅薄膜層９ａの上にはんだめっきを施し、図２（ｃ）に示すようにはんだめっき層１３によりレジスト層１１の開口部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
【００２２】
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、３Ａ／ｄｍ２の電流密度で、電解量として約１２０Ａ・ｍｉｎとされる。
【００２３】
（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、はんだめっき層１３を露出した後、レジスト層１１に覆われていた銅金属層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、銅金属層７、ニッケル金属層８、銅薄膜層９の三層構造を有する下地金属層６を形成する。この工程により、図２（ｄ）に示すように、電極パッド２の上に下地金属層６、その上にはんだめっき層１３が積層された状態に設けられたバンプ電極形成用中間体２０が得られる。
【００２４】
（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。
【００２５】
このリフロー処理により、はんだめっき層１３が溶融するとともに、銅薄膜層９の銅が溶融はんだに拡散する。また、溶融はんだは表面張力によりボール状に丸くなり、次いで冷却されることにより、ボール状のまま固化する。このとき、銅薄膜層９中から拡散した銅とはんだの錫との間で金属間化合物（主としてＣｕ６Ｓｎ５）を形成し、この金属間化合物は、残存する銅薄膜層９との界面付近で凝固しようとするが、銅薄膜層９中の銅が拡散するのに伴い、薄い銅薄膜層９が下地金属層６の表面部から消失していくので、金属間化合物の層が界面付近に堆積されにくく、したがって、溶融はんだ内に気泡が生じたとしても、界面に留まることなく浮上して表面から放出される。
【００２６】
そして、図１に示すように、基板１の電極パッド２の上に、下地金属層６表面にはんだバンプ３を形成したバンプ電極１０が構成される。この場合、銅薄膜層９の膜厚を適切に設定しておくことにより、リフロー処理中に拡散してすべて消失するが、図１に示すように、ニッケル金属層８の上に極わずかな厚さで銅薄膜層９が形成されることもある。
なお、このリフロー処理工程において、リフロー処理温度（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。
【００２７】
このようにして形成されるバンプ電極３は、下地金属層６の上にはんだバンプ１０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下地金属層６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１０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】
【００２８】
はんだ合金として錫銀（Ｓｎ−Ａｇ）合金を用い、銅金属層の上に有機膜で形成したレジスト層を形成し、レジスト層の開口部（パターン部）内の銅金属層の上に、ニッケル金属層及び銅薄膜層として純ニッケル、純銅の電解めっきを行い、さらにはんだめっきを施すことで直径１１０μｍの下地金属層の上に、高さ４０μｍのバンプ電極を形成した。その際、ニッケル金属層及び銅薄膜層の厚みを実施例に示すように変更してバンプ電極を形成した。次にレジストを剥離した後、下地とならない不要な部分の銅金属層をエッチングによって除去した。リフロー処理工程は窒素雰囲気下で２４０℃×６０秒間とした。
なお、ニッケル金属層と銅薄膜層との積層構造を逆にして、銅薄膜層の上にニッケル金属層を形成したものも作製した。また、参考として、銅薄膜層を形成せずに、銅金属層の上にニッケル金属層のみを形成したものも作製した。
【００２９】
得られた試料につき、平均ボイド面積率を測定した。
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。ボイドの面積率は、１００個のバンプ電極の平均値である。
その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2016178217.tif 000003
【００３１】
表１に示されるように、下地金属層の表面部として、ニッケル金属層の上に０．１μｍ〜０．５μｍで銅薄膜層を形成したものは、平均ボイド面積率が小さく、ボイド発生の低減に効果があることがわかる。
このように、ニッケル金属層上に適切な厚みで銅薄膜層を形成していることにより、ボイド発生を低減することができる。
【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。
【符号の説明】
【００３３】
１  基板
２  電極パッド
３  バンプ電極
４  シリコンウエハ
５  絶縁層
６  下地金属層
７  銅金属層
８  ニッケル金属層
９  銅薄膜層
１０  はんだバンプ
１１  レジスト層
１２  開口部
１３  はんだめっき層
２０  バンプ電極形成用中間体
【図１】
2016178217.tif 000004
【図２】
2016178217.tif 000005