バンプ及び該バンプの形成方法並びに該バンプが形成された基板の実装方法
【課題】フリップチップ法で用いられる基板上に形成されるバンプであって、バンプ高さのバラつきを補償可能なもの及びこれを用いた基板を適用した実装方法を提供する。
【解決手段】本発明に係るバンプは、基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層とからなる２層構造を有する。第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものである。ここで、第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものである。そして、第２バンプ層のヤング率は、第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍とする。
【解決手段】本発明に係るバンプは、基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層とからなる２層構造を有する。第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものである。ここで、第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものである。そして、第２バンプ層のヤング率は、第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等に形成されるバンプ及びその形成方法に関する。詳しくは、金属ペーストを用いて製造されるバンプであって、その平坦度を補償することができ、実装時において過度の加圧を要することのないものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体回路の高集積化より、その構造としてチップオンボード（ＣＯＢ）やチップオンチップ（ＣＯＣ）等が採用される傾向にあり、その実装方法としてフリップチップ法の適用が多くなっている。フリップチップ法による実装方法では、基板に形成された電極（バンプ）を直接、回路基板へ接合するものであるが、そのバンプの形成方法としては、メッキ法によるものが主流となっている。
【０００３】
メッキ法は、緻密な電極を安定的に製造することができ、また、適切な条件設定により膜厚（バンプ高さ）の制御や微細なパターン形成も可能である。但し、如何に条件設定を調整しても、完全に均一な膜厚を形成することは困難であり、バンプの高さに多少のバラつきが生じることまで回避できるわけではない。そして、バンプの高さにバラつきがある場合、実装の際に接触不良となるバンプが生じる。
【０００４】
バンプ高さのバラつきに対する対策としては、実装時に全てのバンプが密着するように加圧を行うことが挙げられるが、過度の加圧はバンプ内部に歪を残すこととなり、これが半導体回路の使用による熱サイクルによる伸縮と相俟って破損が生じるおそれがある。また、そもそも、過度の加圧による基板の損傷のおそれもある。
【０００５】
そこで、メッキ後のバンプを研削・研磨してバラつきを解消することが提案されている。例えば、特許文献１では、バンプ形成後の基板表面に樹脂を被覆して、これをバンプが表出するまで研削して、バンプの平坦化をはかる方法が開示されている。これにより、導通安定性を確保すると共に、低圧で実装が可能となるためバンプ内の歪残留のおそれもなくなる。
【０００６】
また、本願出願人は、上記とは別の視点からメッキバンプの問題点を解消する手法を提案している（特許文献２）。この手法は、バンプの構成を変更し、所定粒径・純度の金属粉を焼結してバンプを形成するものである。この焼結体からなるバンプは、メッキ等で形成される緻密なバルク状金属よりも多孔質で比較的柔らかく弾力性を有するものとなる。そして、バンプに弾力性を具備させることで、バンプ高さにバラつきがあっても、その高低差に追従して収縮し一定の高さでの接合が可能となる。また、内部に歪を残すこともなく、膨張・収縮しても破損のおそれが低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１１７７号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、研削・研磨によるバンプの平坦化では、研削された微細な粉末が隣接するバンプに付着し、バンプ間をショートさせるおそれがある。また、ＣＭＰ研磨機等は、装置コストの問題がある。
【０００９】
他方、焼結体からなるバンプを適用する場合には、上記のような問題はないが、バンプに弾性を持たせたために、実装の際の横方向の変形のおそれがあり、バンプ間隔（ピッチ）を損ねることがある。
【００１０】
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、フリップチップ法に用いられる基板上のバンプであって、バンプ高さのバラつきによる問題を解消し得るもの、及び、これを用いた基板の実装方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行い、新たなバンプの構造として、バンプの剛性を確保するためのバルク状金属からなる層と、バンプ高さのバラつきを吸収するための焼結体からなる層とからなる２層構造とすることを見出した。即ち、本発明は、基板上に所定パターンで形成され、導電性金属からなるバンプであって、基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、前記第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層と、からなる２層構造を有し、前記第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものであり、
前記第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものであり、前記第２バンプ層のヤング率が、前記第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍である、バンプである。
【００１２】
本発明は、バルク状金属をバンプの主要部としつつ、上記した本出願人による焼結体からなるバンプの弾力性に着目し、これをバンプ先端部に配するものである。本発明に係るバンプは、その剛性は第１バンプ層により担保されており、フリップチップ接合時のバンプの横方向の変形を抑制しピッチを維持することができる。また、上部の第２バンプ層は弾力性を有することから、バンプ高さのバラつきに追従して変形し得ることから、低圧で平坦度の良好な接合を可能とする。
【００１３】
ここで、第１バンプ層は、剛性を有する緻密なバルク状金属であり、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものである。
【００１４】
一方、上記第１バンプ層上に形成される、焼結体からなる第２バンプ層としては、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉を焼結したものである。金属粉の純度を９９．９重量％以上の高純度とするのは、純度が低いと粉末の硬度が上昇し、塑性変形し難くなり弾力性が低下するからである。また、金属粉の平均粒径については、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、焼結が困難となるからであり、０．００５μｍを下限とするのは、その取扱性を考慮するものである。
【００１５】
そして、この第２バンプ層は、そのヤング率が、第１バンプ層のヤング率より低いことを要する。第１バンプ層より軟らかい第２バンプ層を上部に設けることで、バンプ高さのバラつきに追従しつつ安定的な接合が可能となる。具体的には、第２バンプ層のヤング率が第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍とする。０．１倍未満の場合、第２バンプ層が軟らかすぎて接合時の変形が著しくバンプとしての形状に問題が生じ得るからであり、０．４倍を超えると第１バンプ層の方に変形が生じるおそれがあるからである。
【００１６】
そして、第１、第２バンプ層を構成する第１、第２の導電性金属は、いずれも電極として導電性を有することが必要であり、更に、それぞれのバルク体と焼結体が上記したヤング率比を具備し得る金属の組合せが必要となる。これらの観点から、第１の導電性金属は、金、銅、ニッケルのいずれかが選択される。また、第２の導電性金属は、金、銀のいずれかが選択される。
【００１７】
上記の通り、第１の導電性金属と第２の導電性金属とは同じ金属（金）を選択しても良く、金メッキ層を第１バンプ層として、その上に金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成しても良い。また、第１の導電性金属と第２の導電性金属とが異なる種類の金属であっても良い。例えば、ニッケルや銅のメッキ層を第１バンプ層として、その上に金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成しても良い。異種金属を選択することで、金等の高価な金属の使用量を低減し、基板のコスト低減を図ることができる。
【００１８】
また、第１バンプ層のバンプ全体に対する高さ比は、０．１〜０．９とするのが好ましい。バンプの剛性を確保すると共に第２バンプ層の作用を発揮させるためである。この第１バンプ層の全体に対する高さ比は、０．５〜０．９とするのがより好ましい。
【００１９】
そして、各バンプ層を異種金属とする場合においては、第１バンプ層と第２バンプ層との間に、両層の密着性を向上させるバルク状の中間層を少なくとも１層備えたものが好ましい。これにより異種金属接合の際に懸念される密着性の低下（両バンプ層の剥離）を抑制することができる。例えば、銅メッキ層を第１バンプ層として、その上に金をメッキして中間層を形成し、その後、金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成する。これらバルク状の中間層は、メッキ（電解メッキ、無電解メッキ）、スパッタリング、ＣＶＤ法等により形成されたものが好ましい。中間層を構成する金属としては導電性金属であることが必要であるが、好ましくは、金、銀、白金、パラジウム、チタン、クロム、銅、ニッケルである。
【００２０】
尚、密着性を更に向上させるため、中間層は多層設けても良く、複数種の金属からなる複数層の中間層が形成されても良い。そして、中間層は少なくとも第２バンプ層に接触する面が第２の導電性金属と同じ導電性金属であることが好ましい。よって、単層の中間層の場合は全体が第２の導電性金属からなり、多層の中間層については最上層が第２の導電性金属からなるものが好ましい。また、中間層の厚さは、全体で５〜１０００ｎｍとするのが好ましい。中間層は密着性確保を目的とするものであり、さほどの厚さは必要ない。
【００２１】
本発明に係るバンプの製造方法は、基板上に、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより第１バンプ層を形成する工程、前記第１バンプ層上に、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる粉末を含む金属ペーストを塗布し、前記金属ペーストを乾燥させた後、７０〜３２０℃の温度で加熱焼結させて第２バンプ層を形成する工程、を含むものである。
【００２２】
第１バンプ層の形成のためのメッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の条件については、特に限定されることはなく、これらの方法について一般的に適用されるバンプ形成のための条件、方法が適用できる。
【００２３】
一方、第２バンプ層形成のために適用される金属ペーストは、上記特性の金属粉末を適宜の分散媒に分散させたスラリーである。金属ペーストを適用するのは、金属粉末の取り扱い性確保のためである。金属ペースト中の金属粉（第２の導電性金属）について、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍとしたのは上記で説明したとおりである。
【００２４】
金属粉末を分散する分散媒としては、通常、有機溶剤が用いられ、例えば、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトール等が挙げられる。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３）、を挙げることができる。これらの溶剤は、比較的低温で乾燥させることができるからである。
【００２５】
尚、この金属ペーストは、添加剤として、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有していても良い。これらの樹脂等を更に加えると金属ペースト中の金属粉の凝集が防止されてより均質となる。尚、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。
【００２６】
金属ペーストを基板に塗布する方法としては、スピンコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ペーストを滴下後にヘラ等で広げる方法等、目的とするバンプのサイズやパターンに対応させて種々の方法を用いることができる。
【００２７】
塗布した金属ペーストを乾燥させるのは、ペースト中の有機溶剤を除去するためである。この乾燥は、−２０℃以上５℃以下で行なうのが好ましい。乾燥工程における雰囲気を減圧雰囲気としても良い。これにより乾燥過程において大気中の水分が金属粉末表面に結露するのを防止することができる。減圧雰囲気とする場合、好ましくは１００Ｐａ以下、より好ましくは１０Ｐａ以下とするが、この雰囲気の真空度は、金属ペースト中の有機溶剤の揮発性に応じて設定する。
【００２８】
金属ペーストを乾燥した後、焼結することでペースト中の金属粒子同士、及び、第１バンプ層の表面と金属粒子との間に、互いに点接触した近接状態が形成された焼結体となる。焼結温度は、第１バンプ層を構成する金属（第１の導電性金属）の種類によるが、７０〜３２０℃の範囲内とする。７０℃未満では焼結が不完全であり、バンプとしての使用に耐えない。また、本発明に係るバンプは、第１バンプ層と第２バンプ層と間で所定のヤング率比が具備される必要があるが、下限未満の温度では第２バンプ層が軟らかすぎてヤング比率を適切なものにすることができず、接合時に第２バンプ層の変形が著しくなりバンプとしての形状に問題が生じ得るからである。また、上限値を超える温度では、第２バンプ層が固くなりすぎヤング比率を適切に保てず、接合時に第１バンプ層の方が変形するおそれがあるからである。そして、第１バンプ層の構成金属に対応した焼結温度の具体的な範囲としては、第１バンプ層が金の場合は７０〜３００℃とし、銅の場合は８０〜３００℃とし、ニッケルの場合は９０〜３２０℃とする。このように第１バンプ層の構成金属により焼結温度を調整するのは、バルク体の各金属のヤング率の相違を考慮するものである。尚、焼結の際の加熱時間は、１０〜６０分とするのが好ましい。短時間では焼結炉の温度が安定せず十分な焼結ができず、また、あまりに長時間とすると生産性が損なわれるからである。この焼結は無加圧で行なうのが好ましい。
【００２９】
尚、以上の第１及び第２バンプ層形成の前に、フォトレジストによるパターン形成を行っても良い。フォトレジストの適用は、微細なパターン形成のために通常用いられるものである。また、このようなレジストを適用したバンプパターンを形成する場合、焼結工程を複数としても良い。例えば、露光により形成された孔（パターン）に金属ペーストを充填し、まず、比較的低温（８０〜１００℃）で焼結させた後、レジストを剥離し比較的高温（２００〜３００℃）で再度焼結してもよい。この２段階の焼結は、レジストを保護するため低温で仮焼結し、レジスト除去後に仕上げ的に焼結させるものであり、強固なバンプ形成に有効である。
【００３０】
また、上記の中間層を備えるバンプを形成する場合、メッキ等により第１バンプ層を形成した後、中間層を形成する工程を含む。この中間層の形成方法は、メッキ、スパッタリング、ＣＶＤ等が適用できるが、メッキ、特に、無電解メッキが好ましい。安価に薄い薄膜の製造が可能だからである。
【００３１】
本発明に係るバンプが形成された基板を用いて、フリップチップ法により前記基板を対向基板に実装する方法としては、少なくとも第２バンプ層を加熱しながら前記基板の一方向又は双方向から加圧しバンプを接合する。本発明に係るバンプの第２バンプ層である焼結体は、加圧されることで接触部に塑性変形が生じると共に、その変形界面で金属原子間の結合が生じ、緻密な接合部となる。この加圧は、一方向で行っても良いし双方向から行っても良い。また、加圧する際の圧力は、接合部の緻密化のため、焼結体の降伏強度より大きくするのが好ましい。
【００３２】
そして、この接合工程の際には、少なくとも焼結体を加熱しながら加圧することが必要である。加熱しない場合、接合部の緻密化が不十分となり、接合強度が不足するからである。このときの加熱温度は、７０〜３００℃とするのが好ましい。７０℃未満では接合ができないからであり、３００℃を超えると冷却時の熱歪の影響が大きくなるからである。
【００３３】
また、この接合工程においては、加熱に加えて超音波を印加しても良い。加熱又は加熱と超音波との組合わせにより、金属粉末の塑性変形及び結合を促進することができ、加熱温度を低くすることができる。但し、バンプのサイズが極微小の場合、振動によりバンプ全体が変形するおそれもあることから、ピッチ幅の狭いパターンで形成された微小なバンプについては超音波印加することなく加熱のみで接合することが好ましい。超音波を印加する場合、その条件は、振幅０．５〜５μｍとし、印加時間を０．５〜３秒とするのが好ましい。過大な超音波印加はバンプ全体を損傷させるからである。
【００３４】
接合工程における上記加熱及び超音波印加は、その目的から少なくとも第２バンプ層である焼結体に対して行なえばよいが、バンプ全体に行っても良い。加熱の方法としては、所定温度の雰囲気炉中で加圧する他、接合時に基板（又は対向基板）を載せるステージを加熱し、その際の伝熱を利用しても良い。同様に、超音波の印加は、ステージから超音波発振させるのが簡易である。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係るバンプを適用することで、バンプ高さのバラつきを考慮することなく、フリップチップ法による回路実装をすることができる。このときのバンプ接合は、低圧ですることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態におけるバンプ形成工程を概略説明する図。
【図２】本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真。
【図３】本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真（拡大）。
【図４】第１及び第２バンプ層のヤング率測定方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係るバンプ形成の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、まず、第２バンプ層を形成する金属粉末の粒径、焼結条件と焼結後のバンプ層の強度との関係について検討した。この検討は、第２の導電性金属である各金属（金、銀）の粒径の相違する金属粉末から金属ペーストを複数製造し、これを塗布後に焼結してその強度を評価した。金属ペーストは、湿式還元法により製造された粒径０．００５、０．３、１．０、２．０μｍの金属粉末（純度９９．９９重量％）を、有機溶剤であるエステルアルコールに混合して調整したものを用いた。そして、この金属ペーストを、レジストによる孔を形成した基板（Ｓｉ／Ａｕメッキ）に塗布し、真空乾燥し（５℃）。焼結温度を２３０℃として焼結させ、その後レジストを除去した後に、ヤング率を測定した。ヤング率の測定は、形成したバンプについてせん断試験を行い、応力−ひずみ曲線を作成してその直線部の傾きを求めることにより行った。各種金属ペーストにより製造されるバンプのヤング率を表１に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１から、金属粉末の粒径が０．００５〜１．０μｍまでの金属粉末においては、ヤング率が比較的安定しているのに対し、２．０μｍは著しく低くなっている。２．０μｍのものについて実際に製造されたバンプは、形状として一応は立体的な状態を保っているものの、容易に崩壊し易いものであった。これは、焼結温度が低すぎることにより、焼結が不十分であることによると考えられる。また、粒径０．００５μmの金属粉末については、焼結後の強度面では問題がなかったが、ペースト状態の凝集が酷く、使用直前までの十分な攪拌を要した。よって、取扱い性を考慮すると、これより小さい粒径の金属粉末のペーストはあまり好まれないといえる。
【００４０】
次に、焼結の際の焼結温度の適正範囲について検討した。各金属の粒径０．３μｍの金属ペーストを用いて、焼結温度を６０〜３４０℃としてバンプを形成し、そのヤング率を測定した。バンプの形成工程、ヤング率測定方法は、上記と同じくした。その結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表２から、焼結温度としては７０℃以上とすることで実用的な強度を有する焼結体を得ることができると考えられる。これは７０℃以上の焼結温度で焼結が進行しネッキングの促進等により緻密化が図られたためと考えられる。そして、６０℃未満の温度では焼結が生じることなく、焼結工程後のバンプはボロボロで形状を留めないものであった。従って、ある程度の強度を有するバンプを形成するためには、少なくとも７０℃以上での焼結が必要である。また、焼結体の強度は、３００℃を超えたときに急激に上昇するが、第１バンプ層の強度（ヤング率）に基づき、適切なヤング率比を設定して焼結温度の上限を定めることが必要であるといえる。
【００４３】
以上の予備試験を経て、本発明における２層構造のバンプの製造、評価を行った。図１は、本実施形態におけるバンプの製造工程を説明するものである。予め、Ｔｉ膜（０．５μｍ）及びＡｕ膜（１．０μｍ）をスパッタ法により形成した半導体ウェハー（材質：シリコン）の表面に、フォトレジスト膜（化薬マイクロケム株式会社製：ＡＺＰ４９０３)をスピンコートし、プリベーク（１００℃×１２０秒）後、パターニングした。パターニングは、ｇ線（波長４３６ｎｍ）を照度２１００ｍＪ/ｃｍ２、露光時間１５０秒の照射条件で行った。この基板のレジスト膜厚さは、触針式膜厚計による測定で２０μｍであり、面内バラつきは±１μｍであった。そして、開孔の径は２０μｍであった。
【００４４】
この基板について、開孔部内に金メッキ層（第１バンプ層）を形成した。金メッキは、電解金めっき液（日本エレクトロプレイティングエンジニヤーズ株式会社製：テンペレックス２０９Ａ）を用いた。そして、金メッキ層を１０μｍ高さまで形成した。
【００４５】
次に、金属ペーストとして金ペーストをフォトレジスト層の表面に滴下し、スピンコート法によって開孔内に金ペーストを充填した。ここで、使用した金ペーストは、純度９９．９９重量％の金粉（平均粒径：０．３μｍ）と、有機溶剤としてエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３））を混合して調整されたものである。ペースト塗布後、これを乾燥器にて＋５℃で真空乾燥した。
【００４６】
そして、余剰な金属ペーストをブレードで除去し、半導体ウェハーを電気炉に入れて金粉を焼結させた（焼結温度は８０℃で３０分間とした。）。その後、半導体ウェハーをアセトンに浸漬させてレジストを剥離し、２３０℃で３０分間、再度焼結させた。
【００４７】
図２、３は、本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真である。この写真からわかるように、本実施例で形成されたバンプは、金メッキ層（第１バンプ層）に粉末焼結体（第２バンプ層）を冠した形態を有し、バンプ間のブリッジ形成もなく、綺麗に揃った形状であった。
【００４８】
また、製造したバンプの第１バンプ層、第２バンプ層それぞれについて、ヤング率を測定した。ヤング率の測定は、図４で示すようなせん断試験を行い、応力−ひずみ曲線を作成してその直線部の傾きを求めることにより行った。
【００４９】
以上のようにして製造したバンプパターン形成シリコンウェハーを用いて接合試験を行った。この検討は、Ｔｉ膜（０．５μｍ）及びＡｕ膜（１．０μｍ）をスパッタ法により形成したガラス基板を対向基板とし、この対向基板のＡｕ膜面に、シリコンウェハーのバンプ形成面を対向させて接合するものである。接合の際には、２３０℃に加熱したヒートステージ上にガラス基板を載置し、１バンプ辺り０．０１５Ｎの圧力となるように１０分間加圧して熱と圧力を負荷した。
【００５０】
以上のバンプ形成・接合試験は、第１バンプ層を金（めっき）とし、第２バンプ層を金（焼結）とするものである。本実施形態では、上記と同様の工程により、第１、第２バンプ層の金属を変更し、また第２バンプ層の焼結温度を調整しつつバンプ形成、接合試験を行い、両バンプ層のヤング率比と接合性との関係を検討した。表３〜表７は、その結果を示す。
【００５１】
【表３】
【００５２】
【表４】
【００５３】
【表５】
【００５４】
【表６】
【００５５】
【表７】
【００５６】
【表８】
【００５７】
以上の各種金属の組み合わせにおいて、接合性を良好なものとするためには、第１、第２バンプ層の強度（ヤング率）の比が重要であり、いずれの金属を適用するにもヤング率比を０．１〜０．４の範囲内とすることが必要であることがわかる。また、金、銅、ニッケルのバルク体は、強度が相違することから、第１バンプ層をこれらの金属で構成するときには、第２バンプ層となる焼結体の焼結温度範囲を適宜調整することが好ましいといえる。
【００５８】
尚、上記フリップチップ法によるウェハー接合後、各バンプの接合状態（安定性）を確認するために、隣接するバンプ接合部間の導通を室温下で測定したところ、電気抵抗は１．５±０．１Ωであった。これに対する比較として、従来例として、バンプ全体を金メッキにより形成し、同様の評価を行った。バンプの形成は、本実施形態と同様の電解金メッキ液を用い、メッキ時間を調整してレジストの開孔全体にメッキ層を形成した。そして、本実施形態と同様にレジスト除去してバンプを形成したが、バンプ高さは２０μｍ±２μｍであった。
【００５９】
また、このメッキバンプを有するシリコンウェハーについて、本実施形態と同様の接合試験を行った。接合後、隣接するバンプ接合部間の導通を室温下で測定したが、全ての端子の導通を採ることができなかった。そして、導通が取れる箇所についても、電気抵抗は２．１±０．６Ωであった。本実施形態と比較例とを対比すると、比較例は明らかに導通安定性に劣ることがわかる。即ち、本実施形態では全ての端子で導通がとれた上に、抵抗値も低く、また、そのバラつきも小さい。このような相違は、比較例のメッキによるバンプを備える基板では、バンプ高さのバラつきにより各バンプの接合状態が不均一であることによるものと考えられる。そして、これを解消するためには、接合時の圧力を高くすることも考えられるが、それでは基板に対する影響が懸念される。よって、この対比から、本発明は、従来技術にとっては不十分である低圧での接合が可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る二重構造のバンプは、フリップチップ法による接合の際、バンプ高さのバラつきによる問題を解消し得るものである。本発明を用いた基板の実装方法は、高集積化が望まれる各種の半導体回路の製造に好適である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ等に形成されるバンプ及びその形成方法に関する。詳しくは、金属ペーストを用いて製造されるバンプであって、その平坦度を補償することができ、実装時において過度の加圧を要することのないものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体回路の高集積化より、その構造としてチップオンボード（ＣＯＢ）やチップオンチップ（ＣＯＣ）等が採用される傾向にあり、その実装方法としてフリップチップ法の適用が多くなっている。フリップチップ法による実装方法では、基板に形成された電極（バンプ）を直接、回路基板へ接合するものであるが、そのバンプの形成方法としては、メッキ法によるものが主流となっている。
【０００３】
メッキ法は、緻密な電極を安定的に製造することができ、また、適切な条件設定により膜厚（バンプ高さ）の制御や微細なパターン形成も可能である。但し、如何に条件設定を調整しても、完全に均一な膜厚を形成することは困難であり、バンプの高さに多少のバラつきが生じることまで回避できるわけではない。そして、バンプの高さにバラつきがある場合、実装の際に接触不良となるバンプが生じる。
【０００４】
バンプ高さのバラつきに対する対策としては、実装時に全てのバンプが密着するように加圧を行うことが挙げられるが、過度の加圧はバンプ内部に歪を残すこととなり、これが半導体回路の使用による熱サイクルによる伸縮と相俟って破損が生じるおそれがある。また、そもそも、過度の加圧による基板の損傷のおそれもある。
【０００５】
そこで、メッキ後のバンプを研削・研磨してバラつきを解消することが提案されている。例えば、特許文献１では、バンプ形成後の基板表面に樹脂を被覆して、これをバンプが表出するまで研削して、バンプの平坦化をはかる方法が開示されている。これにより、導通安定性を確保すると共に、低圧で実装が可能となるためバンプ内の歪残留のおそれもなくなる。
【０００６】
また、本願出願人は、上記とは別の視点からメッキバンプの問題点を解消する手法を提案している（特許文献２）。この手法は、バンプの構成を変更し、所定粒径・純度の金属粉を焼結してバンプを形成するものである。この焼結体からなるバンプは、メッキ等で形成される緻密なバルク状金属よりも多孔質で比較的柔らかく弾力性を有するものとなる。そして、バンプに弾力性を具備させることで、バンプ高さにバラつきがあっても、その高低差に追従して収縮し一定の高さでの接合が可能となる。また、内部に歪を残すこともなく、膨張・収縮しても破損のおそれが低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３１１７７号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、研削・研磨によるバンプの平坦化では、研削された微細な粉末が隣接するバンプに付着し、バンプ間をショートさせるおそれがある。また、ＣＭＰ研磨機等は、装置コストの問題がある。
【０００９】
他方、焼結体からなるバンプを適用する場合には、上記のような問題はないが、バンプに弾性を持たせたために、実装の際の横方向の変形のおそれがあり、バンプ間隔（ピッチ）を損ねることがある。
【００１０】
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、フリップチップ法に用いられる基板上のバンプであって、バンプ高さのバラつきによる問題を解消し得るもの、及び、これを用いた基板の実装方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行い、新たなバンプの構造として、バンプの剛性を確保するためのバルク状金属からなる層と、バンプ高さのバラつきを吸収するための焼結体からなる層とからなる２層構造とすることを見出した。即ち、本発明は、基板上に所定パターンで形成され、導電性金属からなるバンプであって、基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、前記第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層と、からなる２層構造を有し、前記第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものであり、
前記第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものであり、前記第２バンプ層のヤング率が、前記第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍である、バンプである。
【００１２】
本発明は、バルク状金属をバンプの主要部としつつ、上記した本出願人による焼結体からなるバンプの弾力性に着目し、これをバンプ先端部に配するものである。本発明に係るバンプは、その剛性は第１バンプ層により担保されており、フリップチップ接合時のバンプの横方向の変形を抑制しピッチを維持することができる。また、上部の第２バンプ層は弾力性を有することから、バンプ高さのバラつきに追従して変形し得ることから、低圧で平坦度の良好な接合を可能とする。
【００１３】
ここで、第１バンプ層は、剛性を有する緻密なバルク状金属であり、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものである。
【００１４】
一方、上記第１バンプ層上に形成される、焼結体からなる第２バンプ層としては、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉を焼結したものである。金属粉の純度を９９．９重量％以上の高純度とするのは、純度が低いと粉末の硬度が上昇し、塑性変形し難くなり弾力性が低下するからである。また、金属粉の平均粒径については、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、焼結が困難となるからであり、０．００５μｍを下限とするのは、その取扱性を考慮するものである。
【００１５】
そして、この第２バンプ層は、そのヤング率が、第１バンプ層のヤング率より低いことを要する。第１バンプ層より軟らかい第２バンプ層を上部に設けることで、バンプ高さのバラつきに追従しつつ安定的な接合が可能となる。具体的には、第２バンプ層のヤング率が第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍とする。０．１倍未満の場合、第２バンプ層が軟らかすぎて接合時の変形が著しくバンプとしての形状に問題が生じ得るからであり、０．４倍を超えると第１バンプ層の方に変形が生じるおそれがあるからである。
【００１６】
そして、第１、第２バンプ層を構成する第１、第２の導電性金属は、いずれも電極として導電性を有することが必要であり、更に、それぞれのバルク体と焼結体が上記したヤング率比を具備し得る金属の組合せが必要となる。これらの観点から、第１の導電性金属は、金、銅、ニッケルのいずれかが選択される。また、第２の導電性金属は、金、銀のいずれかが選択される。
【００１７】
上記の通り、第１の導電性金属と第２の導電性金属とは同じ金属（金）を選択しても良く、金メッキ層を第１バンプ層として、その上に金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成しても良い。また、第１の導電性金属と第２の導電性金属とが異なる種類の金属であっても良い。例えば、ニッケルや銅のメッキ層を第１バンプ層として、その上に金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成しても良い。異種金属を選択することで、金等の高価な金属の使用量を低減し、基板のコスト低減を図ることができる。
【００１８】
また、第１バンプ層のバンプ全体に対する高さ比は、０．１〜０．９とするのが好ましい。バンプの剛性を確保すると共に第２バンプ層の作用を発揮させるためである。この第１バンプ層の全体に対する高さ比は、０．５〜０．９とするのがより好ましい。
【００１９】
そして、各バンプ層を異種金属とする場合においては、第１バンプ層と第２バンプ層との間に、両層の密着性を向上させるバルク状の中間層を少なくとも１層備えたものが好ましい。これにより異種金属接合の際に懸念される密着性の低下（両バンプ層の剥離）を抑制することができる。例えば、銅メッキ層を第１バンプ層として、その上に金をメッキして中間層を形成し、その後、金粉末を焼結したものを第２バンプ層として形成する。これらバルク状の中間層は、メッキ（電解メッキ、無電解メッキ）、スパッタリング、ＣＶＤ法等により形成されたものが好ましい。中間層を構成する金属としては導電性金属であることが必要であるが、好ましくは、金、銀、白金、パラジウム、チタン、クロム、銅、ニッケルである。
【００２０】
尚、密着性を更に向上させるため、中間層は多層設けても良く、複数種の金属からなる複数層の中間層が形成されても良い。そして、中間層は少なくとも第２バンプ層に接触する面が第２の導電性金属と同じ導電性金属であることが好ましい。よって、単層の中間層の場合は全体が第２の導電性金属からなり、多層の中間層については最上層が第２の導電性金属からなるものが好ましい。また、中間層の厚さは、全体で５〜１０００ｎｍとするのが好ましい。中間層は密着性確保を目的とするものであり、さほどの厚さは必要ない。
【００２１】
本発明に係るバンプの製造方法は、基板上に、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより第１バンプ層を形成する工程、前記第１バンプ層上に、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる粉末を含む金属ペーストを塗布し、前記金属ペーストを乾燥させた後、７０〜３２０℃の温度で加熱焼結させて第２バンプ層を形成する工程、を含むものである。
【００２２】
第１バンプ層の形成のためのメッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法の条件については、特に限定されることはなく、これらの方法について一般的に適用されるバンプ形成のための条件、方法が適用できる。
【００２３】
一方、第２バンプ層形成のために適用される金属ペーストは、上記特性の金属粉末を適宜の分散媒に分散させたスラリーである。金属ペーストを適用するのは、金属粉末の取り扱い性確保のためである。金属ペースト中の金属粉（第２の導電性金属）について、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍとしたのは上記で説明したとおりである。
【００２４】
金属粉末を分散する分散媒としては、通常、有機溶剤が用いられ、例えば、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトール等が挙げられる。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３）、を挙げることができる。これらの溶剤は、比較的低温で乾燥させることができるからである。
【００２５】
尚、この金属ペーストは、添加剤として、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有していても良い。これらの樹脂等を更に加えると金属ペースト中の金属粉の凝集が防止されてより均質となる。尚、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。
【００２６】
金属ペーストを基板に塗布する方法としては、スピンコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ペーストを滴下後にヘラ等で広げる方法等、目的とするバンプのサイズやパターンに対応させて種々の方法を用いることができる。
【００２７】
塗布した金属ペーストを乾燥させるのは、ペースト中の有機溶剤を除去するためである。この乾燥は、−２０℃以上５℃以下で行なうのが好ましい。乾燥工程における雰囲気を減圧雰囲気としても良い。これにより乾燥過程において大気中の水分が金属粉末表面に結露するのを防止することができる。減圧雰囲気とする場合、好ましくは１００Ｐａ以下、より好ましくは１０Ｐａ以下とするが、この雰囲気の真空度は、金属ペースト中の有機溶剤の揮発性に応じて設定する。
【００２８】
金属ペーストを乾燥した後、焼結することでペースト中の金属粒子同士、及び、第１バンプ層の表面と金属粒子との間に、互いに点接触した近接状態が形成された焼結体となる。焼結温度は、第１バンプ層を構成する金属（第１の導電性金属）の種類によるが、７０〜３２０℃の範囲内とする。７０℃未満では焼結が不完全であり、バンプとしての使用に耐えない。また、本発明に係るバンプは、第１バンプ層と第２バンプ層と間で所定のヤング率比が具備される必要があるが、下限未満の温度では第２バンプ層が軟らかすぎてヤング比率を適切なものにすることができず、接合時に第２バンプ層の変形が著しくなりバンプとしての形状に問題が生じ得るからである。また、上限値を超える温度では、第２バンプ層が固くなりすぎヤング比率を適切に保てず、接合時に第１バンプ層の方が変形するおそれがあるからである。そして、第１バンプ層の構成金属に対応した焼結温度の具体的な範囲としては、第１バンプ層が金の場合は７０〜３００℃とし、銅の場合は８０〜３００℃とし、ニッケルの場合は９０〜３２０℃とする。このように第１バンプ層の構成金属により焼結温度を調整するのは、バルク体の各金属のヤング率の相違を考慮するものである。尚、焼結の際の加熱時間は、１０〜６０分とするのが好ましい。短時間では焼結炉の温度が安定せず十分な焼結ができず、また、あまりに長時間とすると生産性が損なわれるからである。この焼結は無加圧で行なうのが好ましい。
【００２９】
尚、以上の第１及び第２バンプ層形成の前に、フォトレジストによるパターン形成を行っても良い。フォトレジストの適用は、微細なパターン形成のために通常用いられるものである。また、このようなレジストを適用したバンプパターンを形成する場合、焼結工程を複数としても良い。例えば、露光により形成された孔（パターン）に金属ペーストを充填し、まず、比較的低温（８０〜１００℃）で焼結させた後、レジストを剥離し比較的高温（２００〜３００℃）で再度焼結してもよい。この２段階の焼結は、レジストを保護するため低温で仮焼結し、レジスト除去後に仕上げ的に焼結させるものであり、強固なバンプ形成に有効である。
【００３０】
また、上記の中間層を備えるバンプを形成する場合、メッキ等により第１バンプ層を形成した後、中間層を形成する工程を含む。この中間層の形成方法は、メッキ、スパッタリング、ＣＶＤ等が適用できるが、メッキ、特に、無電解メッキが好ましい。安価に薄い薄膜の製造が可能だからである。
【００３１】
本発明に係るバンプが形成された基板を用いて、フリップチップ法により前記基板を対向基板に実装する方法としては、少なくとも第２バンプ層を加熱しながら前記基板の一方向又は双方向から加圧しバンプを接合する。本発明に係るバンプの第２バンプ層である焼結体は、加圧されることで接触部に塑性変形が生じると共に、その変形界面で金属原子間の結合が生じ、緻密な接合部となる。この加圧は、一方向で行っても良いし双方向から行っても良い。また、加圧する際の圧力は、接合部の緻密化のため、焼結体の降伏強度より大きくするのが好ましい。
【００３２】
そして、この接合工程の際には、少なくとも焼結体を加熱しながら加圧することが必要である。加熱しない場合、接合部の緻密化が不十分となり、接合強度が不足するからである。このときの加熱温度は、７０〜３００℃とするのが好ましい。７０℃未満では接合ができないからであり、３００℃を超えると冷却時の熱歪の影響が大きくなるからである。
【００３３】
また、この接合工程においては、加熱に加えて超音波を印加しても良い。加熱又は加熱と超音波との組合わせにより、金属粉末の塑性変形及び結合を促進することができ、加熱温度を低くすることができる。但し、バンプのサイズが極微小の場合、振動によりバンプ全体が変形するおそれもあることから、ピッチ幅の狭いパターンで形成された微小なバンプについては超音波印加することなく加熱のみで接合することが好ましい。超音波を印加する場合、その条件は、振幅０．５〜５μｍとし、印加時間を０．５〜３秒とするのが好ましい。過大な超音波印加はバンプ全体を損傷させるからである。
【００３４】
接合工程における上記加熱及び超音波印加は、その目的から少なくとも第２バンプ層である焼結体に対して行なえばよいが、バンプ全体に行っても良い。加熱の方法としては、所定温度の雰囲気炉中で加圧する他、接合時に基板（又は対向基板）を載せるステージを加熱し、その際の伝熱を利用しても良い。同様に、超音波の印加は、ステージから超音波発振させるのが簡易である。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係るバンプを適用することで、バンプ高さのバラつきを考慮することなく、フリップチップ法による回路実装をすることができる。このときのバンプ接合は、低圧ですることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態におけるバンプ形成工程を概略説明する図。
【図２】本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真。
【図３】本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真（拡大）。
【図４】第１及び第２バンプ層のヤング率測定方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、本発明に係るバンプ形成の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、まず、第２バンプ層を形成する金属粉末の粒径、焼結条件と焼結後のバンプ層の強度との関係について検討した。この検討は、第２の導電性金属である各金属（金、銀）の粒径の相違する金属粉末から金属ペーストを複数製造し、これを塗布後に焼結してその強度を評価した。金属ペーストは、湿式還元法により製造された粒径０．００５、０．３、１．０、２．０μｍの金属粉末（純度９９．９９重量％）を、有機溶剤であるエステルアルコールに混合して調整したものを用いた。そして、この金属ペーストを、レジストによる孔を形成した基板（Ｓｉ／Ａｕメッキ）に塗布し、真空乾燥し（５℃）。焼結温度を２３０℃として焼結させ、その後レジストを除去した後に、ヤング率を測定した。ヤング率の測定は、形成したバンプについてせん断試験を行い、応力−ひずみ曲線を作成してその直線部の傾きを求めることにより行った。各種金属ペーストにより製造されるバンプのヤング率を表１に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１から、金属粉末の粒径が０．００５〜１．０μｍまでの金属粉末においては、ヤング率が比較的安定しているのに対し、２．０μｍは著しく低くなっている。２．０μｍのものについて実際に製造されたバンプは、形状として一応は立体的な状態を保っているものの、容易に崩壊し易いものであった。これは、焼結温度が低すぎることにより、焼結が不十分であることによると考えられる。また、粒径０．００５μmの金属粉末については、焼結後の強度面では問題がなかったが、ペースト状態の凝集が酷く、使用直前までの十分な攪拌を要した。よって、取扱い性を考慮すると、これより小さい粒径の金属粉末のペーストはあまり好まれないといえる。
【００４０】
次に、焼結の際の焼結温度の適正範囲について検討した。各金属の粒径０．３μｍの金属ペーストを用いて、焼結温度を６０〜３４０℃としてバンプを形成し、そのヤング率を測定した。バンプの形成工程、ヤング率測定方法は、上記と同じくした。その結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
表２から、焼結温度としては７０℃以上とすることで実用的な強度を有する焼結体を得ることができると考えられる。これは７０℃以上の焼結温度で焼結が進行しネッキングの促進等により緻密化が図られたためと考えられる。そして、６０℃未満の温度では焼結が生じることなく、焼結工程後のバンプはボロボロで形状を留めないものであった。従って、ある程度の強度を有するバンプを形成するためには、少なくとも７０℃以上での焼結が必要である。また、焼結体の強度は、３００℃を超えたときに急激に上昇するが、第１バンプ層の強度（ヤング率）に基づき、適切なヤング率比を設定して焼結温度の上限を定めることが必要であるといえる。
【００４３】
以上の予備試験を経て、本発明における２層構造のバンプの製造、評価を行った。図１は、本実施形態におけるバンプの製造工程を説明するものである。予め、Ｔｉ膜（０．５μｍ）及びＡｕ膜（１．０μｍ）をスパッタ法により形成した半導体ウェハー（材質：シリコン）の表面に、フォトレジスト膜（化薬マイクロケム株式会社製：ＡＺＰ４９０３)をスピンコートし、プリベーク（１００℃×１２０秒）後、パターニングした。パターニングは、ｇ線（波長４３６ｎｍ）を照度２１００ｍＪ/ｃｍ２、露光時間１５０秒の照射条件で行った。この基板のレジスト膜厚さは、触針式膜厚計による測定で２０μｍであり、面内バラつきは±１μｍであった。そして、開孔の径は２０μｍであった。
【００４４】
この基板について、開孔部内に金メッキ層（第１バンプ層）を形成した。金メッキは、電解金めっき液（日本エレクトロプレイティングエンジニヤーズ株式会社製：テンペレックス２０９Ａ）を用いた。そして、金メッキ層を１０μｍ高さまで形成した。
【００４５】
次に、金属ペーストとして金ペーストをフォトレジスト層の表面に滴下し、スピンコート法によって開孔内に金ペーストを充填した。ここで、使用した金ペーストは、純度９９．９９重量％の金粉（平均粒径：０．３μｍ）と、有機溶剤としてエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ１２Ｈ２４Ｏ３））を混合して調整されたものである。ペースト塗布後、これを乾燥器にて＋５℃で真空乾燥した。
【００４６】
そして、余剰な金属ペーストをブレードで除去し、半導体ウェハーを電気炉に入れて金粉を焼結させた（焼結温度は８０℃で３０分間とした。）。その後、半導体ウェハーをアセトンに浸漬させてレジストを剥離し、２３０℃で３０分間、再度焼結させた。
【００４７】
図２、３は、本実施形態で製造したバンプの外観を示すＳＥＭ写真である。この写真からわかるように、本実施例で形成されたバンプは、金メッキ層（第１バンプ層）に粉末焼結体（第２バンプ層）を冠した形態を有し、バンプ間のブリッジ形成もなく、綺麗に揃った形状であった。
【００４８】
また、製造したバンプの第１バンプ層、第２バンプ層それぞれについて、ヤング率を測定した。ヤング率の測定は、図４で示すようなせん断試験を行い、応力−ひずみ曲線を作成してその直線部の傾きを求めることにより行った。
【００４９】
以上のようにして製造したバンプパターン形成シリコンウェハーを用いて接合試験を行った。この検討は、Ｔｉ膜（０．５μｍ）及びＡｕ膜（１．０μｍ）をスパッタ法により形成したガラス基板を対向基板とし、この対向基板のＡｕ膜面に、シリコンウェハーのバンプ形成面を対向させて接合するものである。接合の際には、２３０℃に加熱したヒートステージ上にガラス基板を載置し、１バンプ辺り０．０１５Ｎの圧力となるように１０分間加圧して熱と圧力を負荷した。
【００５０】
以上のバンプ形成・接合試験は、第１バンプ層を金（めっき）とし、第２バンプ層を金（焼結）とするものである。本実施形態では、上記と同様の工程により、第１、第２バンプ層の金属を変更し、また第２バンプ層の焼結温度を調整しつつバンプ形成、接合試験を行い、両バンプ層のヤング率比と接合性との関係を検討した。表３〜表７は、その結果を示す。
【００５１】
【表３】
【００５２】
【表４】
【００５３】
【表５】
【００５４】
【表６】
【００５５】
【表７】
【００５６】
【表８】
【００５７】
以上の各種金属の組み合わせにおいて、接合性を良好なものとするためには、第１、第２バンプ層の強度（ヤング率）の比が重要であり、いずれの金属を適用するにもヤング率比を０．１〜０．４の範囲内とすることが必要であることがわかる。また、金、銅、ニッケルのバルク体は、強度が相違することから、第１バンプ層をこれらの金属で構成するときには、第２バンプ層となる焼結体の焼結温度範囲を適宜調整することが好ましいといえる。
【００５８】
尚、上記フリップチップ法によるウェハー接合後、各バンプの接合状態（安定性）を確認するために、隣接するバンプ接合部間の導通を室温下で測定したところ、電気抵抗は１．５±０．１Ωであった。これに対する比較として、従来例として、バンプ全体を金メッキにより形成し、同様の評価を行った。バンプの形成は、本実施形態と同様の電解金メッキ液を用い、メッキ時間を調整してレジストの開孔全体にメッキ層を形成した。そして、本実施形態と同様にレジスト除去してバンプを形成したが、バンプ高さは２０μｍ±２μｍであった。
【００５９】
また、このメッキバンプを有するシリコンウェハーについて、本実施形態と同様の接合試験を行った。接合後、隣接するバンプ接合部間の導通を室温下で測定したが、全ての端子の導通を採ることができなかった。そして、導通が取れる箇所についても、電気抵抗は２．１±０．６Ωであった。本実施形態と比較例とを対比すると、比較例は明らかに導通安定性に劣ることがわかる。即ち、本実施形態では全ての端子で導通がとれた上に、抵抗値も低く、また、そのバラつきも小さい。このような相違は、比較例のメッキによるバンプを備える基板では、バンプ高さのバラつきにより各バンプの接合状態が不均一であることによるものと考えられる。そして、これを解消するためには、接合時の圧力を高くすることも考えられるが、それでは基板に対する影響が懸念される。よって、この対比から、本発明は、従来技術にとっては不十分である低圧での接合が可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る二重構造のバンプは、フリップチップ法による接合の際、バンプ高さのバラつきによる問題を解消し得るものである。本発明を用いた基板の実装方法は、高集積化が望まれる各種の半導体回路の製造に好適である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に所定パターンで形成され、導電性金属からなるバンプであって、
基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、前記第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層と、からなる２層構造を有し、
前記第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものであり、
前記第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものであり、
前記第２バンプ層のヤング率が、前記第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍である、バンプ。
【請求項２】
第１バンプ層のバンプ全体に対する高さ比は、０．１〜０．９である請求項１記載のバンプ。
【請求項３】
第１の導電性金属と第２の導電性金属とが異なる種類の金属であり、第１バンプ層と第２バンプ層との間に、密着性向上のためのバルク状の中間層を少なくとも１層備える請求項１または請求項２記載のバンプ。
【請求項４】
中間層は、少なくとも第２バンプ層との接触面が第２の導電性金属と同じ導電性金属からなる請求項３記載のバンプ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のバンプの製造方法であって、
基板上に、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより第１バンプ層を形成する工程、
前記第１バンプ層上に、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属の粉末を含む金属ペーストを塗布し、前記金属ペーストを乾燥させた後、焼結温度を７０〜３２０℃として加熱焼結して第２バンプ層を形成する工程、
を含む方法。
【請求項６】
第１バンプ層の形成後、中間層を形成する工程を少なくとも１回含む請求項５記載のバンプの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のバンプが形成された基板を用いて、フリップチップ法により前記基板を対向基板に実装する方法であって、少なくとも第２バンプ層を加熱しながら前記基板の一方向又は双方向から加圧しバンプを接合する方法。
【請求項８】
接合時の加熱温度を７０〜３００℃とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
更に、少なくとも第２バンプ層に超音波を印加して加圧する請求項７又は請求項８記載の方法。
【請求項１】
基板上に所定パターンで形成され、導電性金属からなるバンプであって、
基板上に形成され、金、銅、ニッケルのいずれかである第１の導電性金属のバルク体からなる第１バンプ層と、前記第１バンプ層上に形成され、金、銀のいずれかである第２の導電性金属の粉末の焼結体からなる第２バンプ層と、からなる２層構造を有し、
前記第１バンプ層を構成するバルク体は、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより形成されるものであり、
前記第２バンプ層を構成する焼結体は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属からなる金属粉末を焼結して形成されたものであり、
前記第２バンプ層のヤング率が、前記第１バンプ層のヤング率の０．１〜０．４倍である、バンプ。
【請求項２】
第１バンプ層のバンプ全体に対する高さ比は、０．１〜０．９である請求項１記載のバンプ。
【請求項３】
第１の導電性金属と第２の導電性金属とが異なる種類の金属であり、第１バンプ層と第２バンプ層との間に、密着性向上のためのバルク状の中間層を少なくとも１層備える請求項１または請求項２記載のバンプ。
【請求項４】
中間層は、少なくとも第２バンプ層との接触面が第２の導電性金属と同じ導電性金属からなる請求項３記載のバンプ。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のバンプの製造方法であって、
基板上に、メッキ法、スパッタリング法、ＣＶＤ法のいずれかにより第１バンプ層を形成する工程、
前記第１バンプ層上に、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである第２の導電性金属の粉末を含む金属ペーストを塗布し、前記金属ペーストを乾燥させた後、焼結温度を７０〜３２０℃として加熱焼結して第２バンプ層を形成する工程、
を含む方法。
【請求項６】
第１バンプ層の形成後、中間層を形成する工程を少なくとも１回含む請求項５記載のバンプの製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のバンプが形成された基板を用いて、フリップチップ法により前記基板を対向基板に実装する方法であって、少なくとも第２バンプ層を加熱しながら前記基板の一方向又は双方向から加圧しバンプを接合する方法。
【請求項８】
接合時の加熱温度を７０〜３００℃とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
更に、少なくとも第２バンプ層に超音波を印加して加圧する請求項７又は請求項８記載の方法。
【図１】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−３０２５１１（Ｐ２００９−３０２５１１Ａ）
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３０８５（Ｐ２００９−５３０８５）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２１７２２８）ＴＡＮＡＫＡホールディングス株式会社 (146)
【公開日】平成２１年１２月２４日（２００９．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２１７２２８）ＴＡＮＡＫＡホールディングス株式会社 (146)
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