JPH09283527A - はんだバンプの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フラックスを使用しないでも良好なはんだバ
ンプを形成することができる、はんだバンプの製造方法
の提供にある。 【解決手段】 フリップチップＩＣの接合部に成膜され
たはんだを、ウエットバックによりはんだボールバンプ
にするはんだバンプの製造方法において、前記ウエット
バックは、はんだ膜表面に形成された自然酸化膜を除去
する高周波スパッタエッチング処理をおこなう工程Ａ
と、エッチング処理されたあと減圧下で加熱処理をして
はんだボールを形成する工程Ｂとを備える。なお、加熱
処理をする工程は、還元性ガス雰囲気中でおこなうこと
が望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フリップチップＩ
Ｃの接合部に成膜されたはんだを、ウェットバック工程
によりはんだボールバンプにする、はんだバンプの製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の小型化をより一層進展させる
ためには、部品実装密度をいかに向上させるかが重要な
ポイントとなる。こと半導体ＩＣに関しても、従来のパ
ッケージ実装の代替として、フリップチップによる高密
度実装技術の開発が世の中で盛んに行なわれている。フ
リップチップ実装法の一つとして、半導体ｌＣのＡｌ電
極パッド上にはんだボールバンプを形成して、ＩＣチッ
プを直接プリント配線基板上に実装する方法がある。こ
のはんだバンプを所定の電極上に形成する方法として
は、電解メッキを用いた方法もあるが、この場合、下地
材料層の表面状態や電気抵抗のわずかなバラツキによっ
て成膜されるはんだの厚みが影響を受け、ＩＣチップ内
で均一に高さの揃ったはんだボールバンプの形成を行な
うことが基本的に難しいという問題がある。

【０００３】このような、はんだの高さバラッキを抑制
できる製法としては、真空蒸着による成膜とフォトレジ
スト膜のリフトオフとを用いたパターン形成方法があ
る。この方法によるはんだボールバンプの製造工程の一
例を図３に示しながら、以下に説明する。

【０００４】図３（ａ）に示すように、フリップチップ
ＩＣの接合部は、シリコン等の半導体基体１２上にＡｌ
−Ｃｕ合金等の電極パッド１４をスパッ夕リングやエッ
チングを用いて形成し、更にシリコン窒化膜やポリイミ
ド等によって表面保護膜１６を全面に被覆した後、電極
パッド１４上に開口を形成して、ＢＬＭ（Ball Limitti
ng Metal）膜１８と称せられるＣｒ，Ｃｕ，Ａｕ等から
成る金属多層膜をスパッタ成膜する。そして、図３
（ｂ）に示すように、このＢＬＭ膜１８の上に、開口部
２０を有するレジストパターン２２を形成した後、図３
（ｃ）に示すように、ウエハ１０の全面に、はんだ蒸著
膜２４を成膜する。レジストのリフトオフによって不要
なはんだ膜を除去することで、図３（ｄ）に示すような
所望のパターン形成を行なった後、熱処理を加えてはん
だを溶融させ、最終的に図３ｅに示すような、はんだボ
ールバンプ２６を形成する。

【０００５】この熱処理によって、はんだ蒸着膜を球状
に丸める工程は、ウェットバック工程と通常呼ばれてお
り、この時仮に成膜後のはんだ膜表面に自然酸化膜が厚
く形成されていると、熱処理を加えてもはんだの溶融が
均等に進まず、ボールバンプの形成が行なえなくなって
しまう。そこで、通常はパターン形成されたはんだ膜表
面に、予め還元作用や表面活性作用をもつフラックス
（主成分は、アミン系活性剤、アルコール溶媒、ロジン
やポリグリコール等の樹脂分）をウエハ全面に均一にコ
ーティングしておき、その状態から熱処理を加えてやる
ことで、はんだの溶融及び表面張力によってはんだが球
状に丸まることを促進させ、安定したボールバンプの形
成を実現している。

【０００６】ちなみに、従来のウェットバック工程にお
ける熱処理装置には、一例として図４に示すような、窒
素雰囲気下で温調されたホットプレート上に順次ウエハ
を連続搬送していくタイプのものが一般的に使われてい
る。このようにして、はんだボールバンプが形成される
のであるが、最初の工程で、予め還元作用や表面活性作
用をもつフラックスをウエハ全面にコーティングしてい
るので、バンプ形成後のウエハを、有機薬液洗浄するこ
とによってフラックスを洗い落としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、熱処理中に
フラックス内の有機成分が炭化してウエハ表面にこびり
ついてしまったり、洗浄方法が適切でないとフラックス
中の固形成分が洗浄後も除去しきれずに、残渣としては
んだバンプの近傍に残ってしまい、結果として接続不良
が頻繁に発生していた。本発明の課題は、フラックスを
使用しないでも良好なはんだバンプを形成することので
きる、はんだバンプの製造方法の提供にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述課題を解決するため
に、本発明は、次のような手段を採用した。すなわち、
本発明に係るはんだバンプの製造方法は、フリップチッ
プＩＣの接合部に成膜されたはんだを、ウェットバック
工程によりはんだボールバンプにするはんだバンプの製
造方法において、前記ウェットバック工程は、はんだ膜
表面に形成された自然酸化膜を除去する高周波スパッタ
エッチング処理をおこなう工程と、エッチング処理され
たあと減圧下で加熱処理をしてはんだボールを形成する
工程とを備えたことを特徴としている。

【０００９】また、本発明は、加熱処理をする工程が、
還元性ガス雰囲気中でおこなわれることを特徴としてい
る。本発明は、上述のように構成されているので、接合
部にはんだが成膜されたフリップチップＩＣのウエハ
は、先ず高周波スパッタエッチング処理によって、はん
だ膜表面に形成された自然酸化膜が除去される。その際
に、物理的イオン照射によって最表面のはんだ原子層は
化学的な活性状態になる。次に、このウエハは減圧下で
加熱処理をされて、接合部に成膜されていたはんだは溶
融し表面張力によってボール状になる。

【００１０】また、減圧下においても加熱処理室内に酸
素や水分が微量に残留しているので、従来は、これらが
はんだ溶融の際に取り込まれて、出来上がったはんだボ
ールバンプ内に局所的な酸化物や空穴を生じさせること
があるが、本発明は、加熱処理の工程を、還元性ガス雰
囲気中でおこうようにしているので、このような欠陥は
完全に防止される。また、前処理である高周波スパッタ
エッチング処理で除去しきれなかったり、一度除去され
ても再付着したような酸化物がごく僅かにはんだ膜表面
に残存していたとしても、これを還元しながらはんだ溶
融が進行するようになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態例
について、図面を参照して説明する。先ず、この実施形
態例の概要を説明する。フリップチップＩＣの接合部に
成膜されたはんだを、ウェットバック工程によりはんだ
ボールバンプにするはんだバンプの製造方法において、
減圧下に真空引きされたウエハ加熱装置を用い、かつは
んだ溶融のための熱処理を加える直前のはんだ膜面にＲ
Ｆプラズマ処理Ａを施すことによって、従来のフラック
ス塗布工程をおこなわずとも、はんだボールバンプを安
定して形成するようにした。

【００１２】すなわち、図１（ａ）に示すように、はん
だ溶融加熱の前処理として、Ａｒ等の不活性ガスを用い
たＲＦプラズマによるスパッタエッチングＡをおこなう
ことで、はんだ膜表面に形成されている自然酸化膜はス
パッタ除去されて清浄なはんだ面が露出すると同時に、
最表面のはんだ原子層は、イオンから衝突エネルギーを
受けて化学的に活性な状態になる。そして、この状態の
ウエハを大気解放させることなく、減圧下での真空搬送
によって加熱ステージに搬送し、高真空化ではんだ溶融
加熱Ｂをおこなう。これにより、はんだ蒸着膜成膜後
に、はんだ表面に形成された自然酸化膜が熱処理前に効
果的に除去され、清浄で活性な表面状態から高真空下で
はんだの溶融が始まるため、フラックスを使用せずとも
良好なボールバンプの形成をおこなうことが可能とな
る。そのため、フラックスに起因して従来多発していた
残渣不良がなくなり、高信頼性を有するウェットバック
工程を確立することができる。

【００１３】図２は、この実施形態例を適用するための
装置を示し、該装置は、ロードロック室３０、エッチン
グ前処理室３２、はんだ溶融加熱室３４が各々ゲートバ
ルブ３６を介して連結された構成になっており、これら
の室は図示されない真空ポンプによって減圧下に圧力制
御されている。

【００１４】実際のウエハ処理は、大気圧に窒素パージ
されたロードロック室３０に、ウエハカセット３８をセ
ットした後、ロードロック室３０が真空排気されて、隣
接の処理室とある程度圧力の釣り合いがとれたところ
で、ゲートバルブ３６が開いて、１枚ずつウエハ１０が
搬送されていき、各室で随時対応する処理がおこなわれ
る。具体的には、先ずロードロック室３０からエッチン
グ前処理室３２に入ったウエハ１０は、エッチング前処
理室３２で、例えば、Ａｒの流量：２５sccm、圧力：５
mTorr(0.67Pa) 、ＲＦパワー：３００Ｗ 13.56MHz によ
ってスパッタされる。ＲＦプラズマ４０からＡｒ＋イオ
ン照射を受けて、はんだ膜表面に形成されている自然酸
化膜はスパッタ除去されて清浄なはんだ面が露出すると
同時に、最表面のはんだ原子層は、イオンから衝突エネ
ルギーを受けて化学的に活性な状態となる。

【００１５】その後、隣の加熱処理室３４にウエハ１０
が搬送されて、減圧下で温調加熱されているウエハステ
ージ４２上で、はんだ膜の溶融処理がおこなわれる。こ
のとき、仕上がり後のボールバンプをより緻密なものに
形成することや急激な熱拡散によってバリアメタルとの
界面での欠陥発生を防止する目的で、徐熱徐冷による段
階的な熱処理が施される。例えば、１５０℃→２５０℃
→３５０℃→２００℃のように４段階で熱を加える。こ
の加熱処理は、ウエハステージ４２に内蔵した抵抗加熱
ヒーター４４、並びにウエハステージ４２に対向する形
で設置された赤外光ランプ４６の照射によって、迅速か
つ均一なウエハ温度制御をおこなっている。

【００１６】前述した前処理工程によって清浄なはんだ
膜表面の得られているウエハ１０に対して、減圧下でこ
れら一連の加熱処理をおこなった結果、はんだボールバ
ンプが良好に形成された。なお、溶融加熱室３４のプロ
セス圧力は、Ｎ２流量：２００sccm、圧力：７５mTorr
(10Pa) とした。

【００１７】このようにして、バンプが形成されたＩＣ
チップをプリント配線基板上にフリップチップ実装して
組み立てられた製品セットは、信頼性及び耐久性が従来
のものに比べて大幅に改善されることが確認された。

【００１８】次に、本発明の第２の実施形態例について
説明する。この実施形態例は、上述した先の実施形態例
に加えて、図１（ｂ）に示すように、ウエハ加熱をおこ
なう際の処理室に水素等の還元ガスを導入し、減圧下に
圧力制御された雰囲気中ではんだの溶融処理Ｂ′をおこ
なう。これにより、高真空下でも処理室内に微量に残留
している酸素や水分がはんだ溶融の際に取り込まれて、
出来上がり後のはんだボールバンプ内に局所的な酸化物
や空孔を生じさせてしまうことを、完全に防止する。

【００１９】また、前処理のスパッタエッチングで除去
しきれなかったり、一度除去されて再付着したような酸
化物がごく僅かにはんだ膜表面に残存していたとして
も、これを還元しながらはんだの溶融が進行するように
なる。この結果、先の実施形態例以上に高信頼性を有す
るはんだボールバンプの形成が可能となる。

【００２０】図２は、この実施形態例を適用するための
装置を示し、該装置は、先の実施形態を適用した場合と
同様、ロードロック室３０、エッチング前処理室３２、
はんだ溶融加熱室３４が各々ゲートバルブ３６を介して
連結された構成になっており、これらの室は図示されな
い真空ポンプによって減圧下に圧力制御されている。は
んだ溶融加熱室３４で処理をおこなう前のエッチング処
理室３２までは、先の実施形態例を同様な処理をおこな
うことで、ウエハ１０には、予めはんだ膜表面の自然酸
化膜除去と最表面層の活性化処理が施されている。この
状態のウエハ１０をはんだ溶融加熱室３４に搬送し、加
熱処理室のプロセス圧力を、例えば、Ｈ２流量：２００
sccm、圧力：７５ mTorr(10Pa)で、１５０℃→２５０℃
→３５０℃→２００℃のように４段階で熱を加える。こ
の結果、先の実施形態例と同様、図３（ｅ）に示すよう
な、はんだボールバンプが良好に形成された。

【００２１】本実施形態例では、はんだの溶融加熱処理
を減圧下の水素雰囲気中で行なっているため、真空加熱
を行なう処理室内３４に微量に残留している酸素があっ
たとしても、これを還元してやりながら、表面酸化を抑
制して、はんだの溶融が行なわれる。また、エッチング
前処理室３２でスパッ夕除去しきれなかったり、一度除
去されてから再付着した様な酸化物がごく僅かにはんだ
膜表面に残存していたとしても、これを還元しながらは
んだの溶融が進行するようになる。これにより、でき上
がり後のはんだボールバンプ内には、従来見られた様な
局所的な酸化物や空孔の取り込みで生じる欠陥の形成が
完全に防止された。

【００２２】この結果、フラックスフリーのウェットバ
ック工程で、先の実施形態例以上に高信頼性を有するは
んだボールバンプの形成が可能となった。そして、この
ようにしてバンプが形成されたＩＣチップをプリント配
線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製品
セットは、先の例と同様に、信頼性及び耐久性が従来の
ものに比べて大幅に改善されることが確認された。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
高周波プラズマによるスパッタエッチによって、はんだ
膜表面に形成されている自然酸化膜を除去して清浄なは
んだ面を露出させると共に、物理的なイオン照射によっ
て最表面のはんだ原子層を化学的に活性な状態としてか
ら、減圧下ではんだの溶融が始まるため、フラックスを
使用せずとも良好にボールバンプの形成を行なうことが
可能となる。このため、フラックスに起困して従来多発
していた残渣不良がなくなり、高信頼性を有するウェッ
トバックプロセスを確立することができる。そして、こ
のようにしてバンプが形成されたＩＣチップをプリント
配線基板上にフリップチップ実装して組み立てられた製
品セットは、その信頼牲及び耐久性を従来に比べて大き
く向上させることができる。したがって、本発明は、微
細なデザインルールに基づいて設計され、高集積度、高
性能、高信頼性を要求される将来の半導体装置の製造に
極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の第１の実施形態例を示す
ブロック図、図１（ｂ）は第２の実施形態を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明を適用した、エッチング前処理室を具備
する真空ウエハ加熱装置の例を示す装置概略図である。

【図３】はんだボールバンプの製造工程を示す概略断面
図で、（ａ）は半導体ＩＣ上にはんだボールバンプの下
地となるＢＬＭ膜がパターニングされた状態、（ｂ）は
はんだ蒸着膜をリフトオフによってパターニングするた
めの厚膜レジストパターンが形成された状態、（ｃ）は
ウエハ全面にはんだ蒸着膜が成膜された状態、（ｄ）は
レジストパターンのリフトオフによって、不要なはんだ
が除去された状態、（ｅ）はウェットバック工程の熱処
理によってはんだ膜が溶融し、ボールバンプが形成され
た状態、をそれぞれ示す。

【図４】従来のウェットバック工程に用いられる熱処理
装置の例を示す装置概略図である。

【符号の説明】

１０……ウエハ、１２……半導体基体、１４……電極パ
ッド、１６……表面保護膜、１８……ＢＬＭ膜、２０…
…開口部、２２……フォトレジスト膜、２４……はんだ
金属膜、２６……はんだボールバンプ、３０……ロード
ロック室、３２……エッチング前処理室、３４……溶融
加熱室、３６……ゲートバルブ、３８……ウエハカセッ
ト、４０……ＲＦ放電プラズマ、４２……ウエハステー
ジ、４４……抵抗加熱ヒータ、４６……赤外光ランプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フリップチップＩＣの接合部に成膜され
   たはんだを、ウェットバック工程によりはんだボールバ
   ンプに形成するはんだバンプの製造方法において、 前記ウェットバック工程は、はんだ膜表面に形成された
   自然酸化膜を除去する高周波スパッタエッチング処理を
   おこなう工程と、エッチング処理されたあと減圧下で加
   熱処理をしてはんだボールを形成する工程とを備えたこ
   とを特徴とするはんだバンプの製造方法。
2. 【請求項２】 前記加熱処理の工程は、還元性ガス雰囲
   気中でおこなわれることを特徴とする請求項１に記載の
   はんだバンプの製造方法。