JPH07501419A - 金属クラスターイオン堆積を利用して半導体ボンディング隆起を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称　金属クラスターイオン堆積を利用して半導体ボンディング隆起を製 造する方法 技術的分野 本発明は、テープ−自動−ボンディングあるいはフリップチップ技術などの技術 を用いて接続ボードにチ・ンプが結合される半導体チップなどの電気基板上に、 例えば、全隆起などのボンディング隆起を製造するための金属イオンクラスター 堆積の利用に関するものである。

背景技術 最近、高性能電子装置の多くは、チップリードを高密度接続ボードに取りつける ために、ワイヤボンディングより、テープ−自動−ボンディング（ＴＡＢ）ある いはフリップチップボンディングの利用をめている。これらのタイプのボンディ ングにおいては、より厚めの（通常ワイヤボンディングのためにめられる厚さ１ ミクロンのアルミニウムより、１ミクロンから２０ミクロンの範囲でより厚めの ）金属隆起をつくるため（こ、チップの接続パッドがそのチップの残りの部分よ り高くなっていることが必要である。

しかしながら、チップは通常ワイヤボンディング用の薄い金属パッドを持ってい るだけで、厚い隆起と一緒に用いることはできない。厚い隆起は隆起めっきプロ セスあるいはリフト−オフプロセスを用いる光食刻法という時間のかかるプロセ スによってつくることができる。言うまでもなく、マイクロエレクトロニクス装 置においてはチップや他の基板上に隆起を急速につくる必要がある。

発明の開示 本発明は局所化金属クラスターイオン堆積によりパッド領域上に金属隆起を堆積 させることを特徴とする、電気基板のパッド領域上に電気接続隆起を製造するた めの方法に関するものである。

好ましくは、堆積される金属隆起は集光液体金属クラスターイオンビームなどの 直接金属書き込みツールで加工され、金、インジウム、鉛、錫、メッキ、銅、ニ ッケルおよびアルミニウムで構成されるグループから選択され、１から２０ミク ロンの範囲の厚さで、工程度の縦横比を有しており、そして、基板の表面上のパ ッドの厚さより厚めである。

ひとつの実施例はパッド領域を含む基板の表面上に金属製物質の層を堆積させ、 集光クラスターイオンビームによってパッド領域上に金属性隆起を堆積させ、そ して、堆積された隆起の外側の表面から金属性物質の層を取り去ることにより、 電気基板のパッド領域上に電気接続隆起をつくる方法を含んでいる。

もうひとつの実施例は各節１の金属隆起上に第２の金属性隆起を堆積させるステ ップを含んでいる。好ましくはこの第２の金属性隆起は鉛、錫、ニッケル、およ び金で構成されるグループから選択され、第１の金属性隆起の厚さより大きな厚 さを有しており、そのことによって隆起製造のプロセスを速めており、そして、 第１の隆起を、非電気めっき、低温溶融合金などのはんだに浸すことによって形 成される。

さらに別の実施例はパッドを含むチップの表面上に金属性接着性物質の層を堆積 させ、パッドに衝突する集光金属クラスターイオンビームを発生させる液体金属 イオンソースを用いてパッドのそれぞれの上に金属性隆起を堆積させ、そして堆 積された隆起の外側のチップの表面から金属性物質の層を化学的に取り除くこと を含んでいる。好ましくは、パッド領域を走査するためにクラスターソースの集 光スポットに対してチップを動かしながら、この金属性隆起が堆積させられる。

金属性接着性物質を堆積させる前に、プラズマエツチング、化学的エツチング、 あるいはそのふたつの組み合わせによってパッシベーション層はすべてパッドか ら除去される。

開示を目的として示す現在の段階で好ましい実施例についての以下の説明と、添 付図面とから、他の、そしてさらなる目的、および利点が明らかになるであろう 。

図面の簡単な説明 図１−４は電気チップ上にボンディング隆起を製造するひとつの方法の連続的ス テップを示す概略立面図である。

図５−９は電気チップ上に隆起を製造する別の方法の連続的ステップを示す概略 立面図である。

図１０は図９と入れ替えることができる、チップ上の隆起の製造におけるひとつ のステップを示す概略立面図である。

図１１は本発明による隆起製造に適した液体金属イオンソースの概略金属イオン ソースである。

図１２は図１１の針の拡大図である。

発明を実施するための最良の形態 これらの図面、特に図１において、ＩＯは、一般的に、その上にＴＡＢあるいは フリップチップ技術などを用いる接続ボードに結合される電気接続部を設けるた めの複数のパッド領域１２あるいは、従来の場合のように、アルミニウム金属パ ッド１４を有する半導体チップなどの電気基板を示している。通常、アルミニウ ムパッド１４は１ミクロン程度と比較的薄く、ワイヤボンディングには適してい るが、ＴＡＢあるいはフリップチップボンディングに適したチップ接続パッドは 提供してくれない。さらに、チップ１０はそのチップの上部に広がったパッシベ ーション層Ｉ６を含む場合もある。したがって、図１に示される構造は従来のも のである。

さて、図２において、チップ接続ボンディング隆起の製造するプロセスにおいて 、接着性／遮断材料でできた第１の層あるいは複数の層１８が、むきだしのチッ プＩＯ上に、通常の方法でスパッター、あるいは蒸着される。パッシベーション 層１６がパッド１４を覆っている場合は、このステップの前にパッド１４からパ ッシベーション層を取り除がねばならない。

パッド冶金およびチップＩＯのタイプに応じて、層１０のために用いられる素材 としては、クロム、チタン、チタン−タングステン合金、ニッケルまたは上記の うちの２つ以上の素材の組み合わせなどがある。また、この素材として、窒化チ タン、窒化ハフニウム、窒化ジルコニム、およびチタン−窒化タングステンなど の化合物であってもよく、その場合、その化合物は単独、あるいは上に挙げた金 属のうちのひとつ、あるいは複数と組み合わせて用いられる。好ましい実施例に おいては、層１８はスパッタリングによる５００オングストロームのチタンであ ってもよい。

金属性接着層１８はいくつかの目的を有している。第１に、層１８は、基本的に 、後で用いられる帯電イオンおよびクラスターの高エネルギービームがチップ内 の壊れやすいデバイスを壊さないようにするために、チップ１０上のすべてのパ ッド１４のために電気的短絡を提供する。第２に、層１８はチップパッド金属１ ４（通常アルミニウム）および適用される金あるいははんだなどの隆起金属との 間の接着層としての役割を果している。第３に、層１８はパッド１４の下にホッ トスポットの形成を避けるために、大きな面積に対して適用されるクラスタービ ームの熱の伝達に役立つ。第４に、通常アルミニウムであるパッド１４は、その 表面上に薄い、天然の酸化膜を有している。この酸化物はパッド１４への接着に 影響を及ぼす。例えば、はんだがアルミニウムパッド１４上に直接溶着されるこ とはあり得ない。さらに、アルミニウムパッド１４をはんだ内につけても、隆起 が作成されることはあり得ない。第５に、層１８はパッドと適用される隆起金属 の間の拡散隔膜としての役割を果す。層１８の全体的な役割はパッド１４の上に ひとつの面をつくって、その上に隆起が沈着できるようにし、非常に小さな隆起 において特に重要である非常に低い接触抵抗を実現することにある。

図では層１８が用いられているが、他の一定のチップあるいは基板の場合、層１ ８を用いる必要なしに本発明を実施することも可能である。つまり、いくつかの 例においては、層１８を適用、腐刻せずに、金属クラスターイオンビームによっ て、金属隆起をパッド上に直接堆積させることも可能である。この方法の場合、 加ニステップが減るが、上に述べたような層１８を使用する場合の利点が失われ る。

図３において、集光クラスターイオンビームを用いてパッド領域あるいはパッド １４上に金属隆起を堆積させるために、後でより詳しく述べる、液体金属クラス ターソース直接書き込みツール２０が設けられている。好ましくは、隆起のため の金属素材は、金、インジウム、鉛、錫、はんだ、銅、ニッケル、およびアルミ ニウムで構成されるグループから選択され、好ましい素材は金である。直接書き 込みツール２０はＴＡＢあるいはフリップチップボンディングのために特に有益 なチップ接続ボンディング隆起として使用するために必要なより大きな厚みを持 った隆起を製造する方法を提供してくれる。例えば、隆起２２を、ｌから２０ミ クロンの間の厚み、必要があればより大きな厚みでつくることができる。さらに 、隆起２２を１前後の縦横比で製造することも可能である。隆起２２は直接書き 込みツールをチップ１０に対して動かすことでつくることができるが、ツール２ ０を静止しておいて、チップ１０をＸ−Ｙ水平方向に動かす方がより好ましい。

いくつかの例においては、直接書き込みツール２０からの集光ビームスポットの 下でチップｌＯが動かされると、電気的偏向によってビームを微動させて、ビー ムスポットより大きな隆起２２をつくることも可能である。

直接書き込みツール２０の商業的実用性はその処理能力によって判断される。１ ０５立方ミクロン／秒の全体的処理能力をもった毛管タイプのソースは、１秒あ たり＋００　Ｘ　１００　Ｘ　１０ミクロンのサイズの隆起ひとつを書き込むこ とができる。このことは、２００パッドチップ１個を４分間以下の時間で書き上 げることができることを意味する。実際に、ＶＬＳＩチップの分野における最近 の傾向に見られるように、隆起のサイズを小さくした方が処理能力が増大するの である。非常に小さい隆起の場合（ｌミルのサイズの隆起をつくるのは容易であ ろう）、針状のソース（処理能力＋　１０００立方ミクロン／秒）が用いられる であろう。

図４に示す通り、パッド領域あるいはパッド１４上に隆起２２を適切な寸法まで 堆積させた後、例えば、適切な湿式腐刻溶液内で、接着層１８を腐刻により取り 去る。例えば、層Ｉ８がチタンでできている場合、ふつ化水素酸による湿式腐刻 法を用いることができる。これにより、隆起２２の下を除く金属層１８のすべて が取り除かれる。層１８の厚さが非常に小さいので、隆起２２の下のアンダカッ トが最小限となる。

直接書き込みツール２０は、例えば、シー、デー、クルゾおよびケー、ボウルエ ザイエ″イオン　クラスター　二ミッション　アンド　デポジション　フロム　 リキド　イオン　ソース″ジャーナル　オブ　アプライド　フィジックス　５８ （７）巻　１９８５年１０月１日刊、ｐｐ、２７２４−２７３０に述べられでい るようなイオンビームの集光クラスター堆積を利用するなど、いずれの適切な液 体金属イオンソースであっても構わない。

この資料の開示は参照のため本資料中に組み入れられている。

しかしながら、隆起を製造するために、本発明を非集光液体金属イオンビームと して用いることも可能である。これは、沈着スポットが望ましいサイズの隆起よ り小さくなるように、液体イオン金属ソースに対して、例えば、１ミリ以下など 、非常に近い距離に、電気基板を近づけることによって行うことができる。

図１１および１２に最も良く示されているように、直接書き込みツールは、一対 のタングステンワイヤーループ３２の間にスポット溶接された先の尖った３８０ ミクロンの真っ直ぐなタングステンワイヤー３０で構成することもできる。タン グステン針３０の表面は金など適切な金属隆起素材で被覆されている。

金が溶けるまで針３０が加熱されて、エクストラクター３２に１０キロボルト程 度の正直流電圧がかけられると、針３０の先端の溶けた金の強いイオン化が起き る。こうして、チップ１０上に金属隆起をつくるためのクラスターイオンビーム が提供される。

図１−４の方法に関連して述べたように、計算上、２００バツドチツプ１０に１ ００　Ｘ　１００　Ｘ　１０ミクロンのサイズの隆起を４分間で設けることがで きる。しかしながら、必要な厚さの隆起をそれ以下の時間でつくるためには、図 ５−９で述べた方法を用いることができる。

図５は、パッド領域あるいはアルミニウムパッド１４ａと、パッド１４ａを除く チップＩＯａの上側表面上にオプションのパッシベーション層１６ａを有する、 図１に示されているものと同じ、種板チップとしてのチップｌｏａを示している 。図６において、図２の層１８と同じであっても差し支えない接着／遮断層＋８ ａが設けられており、その好ましい実施例としては５００オングストロームのタ ングステンで、通常、パッドｌｏａの上部の表面上にスパッターされる。

図７で、金属性の第１の隆起４０は、パッド領域あるいはパッド１４ａ上に堆積 される。隆起４０は金、インジウム、錫、はんだ、銅、ニッケルおよびアルミニ ウムなどのいずれの適切な素材であってもよいが、好ましいのは金である。しか しながら、第１の金属性隆起４０は、隆起の製造を速めるために、薄い形態で堆 積される。つまり、例えば、第１の金属性隆起４０は、図３に示すように、集光 クラスターイオンビームによって隆起を堆積させることにより形成される。第１ の金属性隆起４０の厚さの故に、それらをパッド１４ａの全域で短時間で製造す ることができる。

図８の、次のステップ８は、堆積された第１の金属性隆起４０の外部のチップｌ ｏａの表面からの、金属性素材１８の層の除去である。

さて、図９で、第２の金属性隆起４２は、図８に述べられているステップで、液 体金属イオンソースを用いる直接書き込みツールより高速のプロセスで第１の金 属性隆起４０に圧着させることができる。例えば、第２の金属性隆起は金、錫、 あるいは鉛などいずれかの適切な金属を用いる通常の非電気めっきプロセスによ って第１の隆起４０に圧着させることができる。したがって、図５−９のプロセ スは、図１−４のプロセスと比較して、より高い隆起製造処理能力を有している 。しかしながら、図５−９の非電気めっきプロセスは一定のチップを劣化させて しまう可能性があり、したがって、用いることができない。

図１０に、第２の隆起をつくるさらに別の方法が示されている。図１Ｏに示され ている方法は、図９に示されているステップの代わりに用いることができる。つ まり、数字につけた文字が”ｂ″′であることを除けば、図８の構造と同じチッ プ１０ｂが示されている。しかしながら、図１０で、第２の隆起４４は通常のは んだ浴プロセスによって、第１の隆起４０ｂに堆積される。つまり、第１の金属 性隆起４０は適切な鉛−錫はんだ浴に浸される。低融点金属合金を有するはんだ であればいずれでも適している。例えば、インジウム−ビスマス−錫の合金もは んだ浴としての材料として適するであろう。

いずれにせよ、図９および１０に示す最終ステップは、第１の隆起４０および４ ０ｂが金などの層でできているので、それぞれ、図９および１０の追加筒２の金 属隆起のための台となり、より短時間で圧着できるという点で、隆起製造のプロ セスがより迅速化されるという利点がある。なお、図８−１０のステップは、第 １の金属性隆起４０と４０ｂが、それぞれ、第２の金属性隆起４２および４４よ り厚いという事実によって、さらに迅速化される。つまり、必要な厚みを出すた めには、第１の金属性隆起４０および４０ｂによりゆっくり圧着される素材はよ り薄く、一方、より迅速に圧着される第２の金属性隆起４２と４４はより厚めで ある。

したがって、本発明は上に述べた、さらには、それと本質的に関連した課題を実 行し、目的および利点を達成するのに適している。上に、現在の段階で好ましい 実施例を開示の目的で述べたが、素材、構造の詳細、およびプロセスのステップ における多数の修正が可能であることは当業者には明らかであろうし、それらの 修正は以下に示す特許請求の範囲内にある。

国際調査報告 ：　Ａ　ＪＰ、Ａ、　５，８８７，８４８　（ＭＡ？５ＩＪＫＡＷＡ）　Ｍａｙ ８３　（ＳＥＥＥＭｒＩＲＥ　１−１４１　０迦ゞ） □ フロントページの続き （７２）発明者　クマー、ナリン アメリカ合衆国　７８７２７　テキサス、オースチン　スクライブ　ドライブ　 １２１１６（７２）発明者　ゴルガンタ、ラーマ、アー。

アメリカ合衆国　７８７２８　テキサス、オースチン　ロバト　アイ、ウォーカ ー　ブラヴアド　１４５７２ （７２）発明者　ガージ、モウハマド、ケイ。

アメリカ合衆国　７８７５９　テキサス、オースチン　アパアトメント　５２２ ．ドレイパレイン　１１２８２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．局所化金属クラスターイオン堆積によりパッド領域（１２）上へ金属性隆起 （２２）を堆積させることよりなる改良された：電気基板（１０）のパッド領域 （１２）上に電気接続隆起（２２）をつくる方法。 ２．局所化金属クラスターが液体金属イオンソース（２０）からつくりだされる イオンビームによって行われる、特許請求の範囲第１項の方法。 ３．金属性隆起（２２）がイオンビームの集光スポットに堆積される、特許請求 の範囲第２項の方法。 ４．パッド領域（１２）とイオンソース（２０）との間の間隔が１ミリメーター 以下で、そのことにより、隆起が非集光イオンビームから堆積されることが可能 となる、特許請求の範囲第２項の方法。 ５．以下の順序で行われる工程によって改良された、電気基板（１０ａ）のパッ ド領域（１２ａ）上に電気接続隆起（４０）をつくる方法： パッド領域（１２ａ）を含む基板（１０ａ）の表面上に金属性素材の層（１８ａ ）を堆積させ、 集光クラスターイオンビームによってパッド領域（１２ａ）上に第１の金属性隆 起（４０）を堆積させ、そして、堆積された隆起（４０）外の基板（１０ａ）の 表面の金属性素材の層（１８ａ）を腐刻により取り除く。 ６．第１の金属性隆起（４０）が液体金属イオンソース（２０）を用いて堆積さ れる、特許請求の範囲第５項の方法。 ７．第１の金属性隆起（４０）が金、インジウム、鉛、鋸、はんだ、銅、ニッケ ル、およびアルミニウムで構成されるグループから選択される、特許請求の範囲 第５項の方法。 ８．基板（１０ａ）表面がパッド領域（１２ａ）を含み、堆積された第１の金属 性隆起（４０）がパッド領域（１２ａ）より厚い、特許請求の範囲第５項の方法 。 ９．第１の金属性隆起（４０）の縦横比が１前後である、特許請求の範囲第５項 の方法。 １０．堆積された第１の金属性隆起（４０）の厚さが１−２０ミクロンの間であ る、特許請求の範囲第５項の方法。 １１．第１の金属性隆起（４０）のそれぞれの上に第２の金属性隆起（４２）を 堆積させるステップを含む、特許請求の範囲第５項の方法。 １２．第２の金属性隆起（４２）が鉛、錫、ニッケル、および金で構成される、 特許請求の範囲第１１項の方法。 １３．第２の金属性（４２）が非電気めっきで形成される、特許請求の範囲第１ １項の方法。 １４．第２の金属性隆起（４４）が第１の金属性隆起（４０）をはんだ浴に浸す ことによって形成される、特許請求の範囲第１１項の方法。