JP7805078B2 - バンプ構造の形成 - Google Patents

Description

本発明は、一般にバンプ形成技術に関し、詳細にはバンプ構造の作製方法、バンプ構造、バンプ構造を含む電子デバイス、および電子デバイスの製造方法に関する。

３Ｄおよび２．５Ｄチップ・パッケージングは、広帯域信号伝送および短い配線長を可能にする技術であり、将来のコンピュータ・システムの性能を向上させるために注目を集めている。３Ｄおよび２．５Ｄパッケージングにおけるバンプ・ピッチおよびバンプ・サイズが、従来のフリップチップ・パッケージングと比較して微細になるにつれて、はんだ接合部およびその界面における応力集中および高電流密度によるエレクトロマイグレーションに起因する信頼性の問題が生じている。

ＩＭＳ（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｅｄ Ｓｏｌｄｅｒ）技術は、レジスト・マスクの開口部に溶融はんだを直接注入することによって、基板上にはんだバンプを形成するバンプ形成技術である。ＩＭＳ技術は、はんだ合金組成が柔軟であるという利点を有し、これは、機械的特性およびエレクトロマイグレーションに対する耐性だけでなく微細ピッチ能力の向上にもつながる。

高密度相互接続における最近の傾向により、銅ピラー（またはポスト）バンプが使用されるようになった。しかしながら、はんだキャップの下に銅ピラーを作製するためには、高価な銅めっきプロセスが必要である。高価なめっきプロセスを使用せずにピラー・バンプを作製することができる別の技術があり、この技術では、典型的にはペーストの形態で提供される導電性粒子を焼結することによってピラーが作製される。焼結されたピラーは、ピラーが同じ材料から作られたコンタクト・パッド上に作製される場合、すなわち、焼結された銅ピラーが銅パッド上に作製される場合、良好な信頼性を示す。

しかしながら、ピラーとは異なる導電性材料、特にアルミニウムがコンタクト・パッドとして使用される場合は、バンプ形成前にアルミニウム・パッドの表面酸化物を除去しても、ピラーとコンタクト・パッドとの密着性が低下する。

したがって、基板上に形成されたバンプのセットを含むバンプ構造であって、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプが、導電性粒子とは異なる導電性材料から作られたパッドに強固に接合されたバンプ構造を作製することができる新規なバンプ形成技術が必要とされている。

本発明の一実施形態によると、バンプ構造を作製する方法が提供される。本方法は、表面に形成されたパッドのセットを含む基板を準備することを含み、パッドが第１の導電性材料を含む。本方法はまた、各パッド上に金属接着層をコーティングすることを含む。本方法は、モールド層を用いて導電性粒子を焼結することによって各パッド上にバンプを形成することをさらに含み、導電性粒子が第１導電性材料とは異なる第２導電性材料を含む。

これにより、パッドが導電性粒子とは異なる導電性材料から作られた場合であっても、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプが基板のパッドに強固に接合された、基板上のバンプのセットを含むバンプ構造を作製することができる。

一実施形態では、モールド層は、開口部のセットを有し、各開口部はパッドのうちの１つと整列している。本方法は、各パッド上にバンプを形成する際に、基板上にモールド層を配置することと、モールド層の開口部内に導電性粒子を充填することと、を含む。モールド層の開口部内に充填された導電性粒子を焼結して、各パッド上にバンプ下地を提供する。本方法は、バンプ下地の上方のモールド層の各開口部内の残りの空間にはんだ材料を充填して、各バンプ下地上にはんだキャップを形成することをさらに含む。

一実施形態では、第１の導電性材料はＡｌを含み、第２の導電性材料はＣｕを含む。半導体デバイスは、典型的には最外層にＡｌパッドを使用しているため、実用的な、パッドに強固に接合された焼結されたバンプ下地を作製することが可能である。

一実施形態では、導電性粒子は、ペーストの形態で提供される。各パッド上に形成されたバンプ下地は、モールド層の開口部の輪郭に適合するカップ形状を有し、金属接着層によってパッドに接合された底部を有する。これにより、頂部が平坦なピラー形状と比べてバンプ・サイズが微細になっても、バンプ下地上に十分なはんだ量を確保することが可能になる。また、カップ形状を有するバンプ下地は、このような形状のバンプでは電流の流れが分散されるため、エレクトロマイグレーションに対する耐性の点で有利である。

一実施形態では、本方法は、基板の表面上にレジスト層を塗布することをさらに含む。本方法はまた、レジスト層をパターニングして、モールド層を作製することを含む。本方法は、モールド層の輪郭に適合するようにパッドおよびモールド層上に金属接着材料をさらに堆積させ、各パッド上にコーティングされた金属接着層を提供することをさらに含む。レジスト剥離後のレジスト層下の金属層の除去プロセスがなくなるため、バンプの根元のアンダーカットが防止される。

一実施形態では、本方法は、はんだ材料を充填する際に、モールド層の頂面に堆積させた金属接着材料をはんだ材料中に溶解させることを含む。これにより、余分な金属接着材料を十分に除去しつつ、余分な金属接着材料の除去プロセスを省略することができる。この好ましい実施形態では、金属接着材料は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの任意の組合せからなる群から選択することができる。Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕは、はんだ材料の充填プロセス中に、溶融はんだなどのはんだ材料中に容易に溶解する。

一実施形態では、本方法は、モールド層を基板から剥離してモールド層を洗い流し、モールド層の頂面の金属接着材料をモールド層と一緒にリフトオフして洗い落とすことをさらに含む。これにより、金属接着材料の組成に関わらず、余分な金属接着材料の除去プロセスを省略することができる。したがって、溶融はんだなどのはんだ材料に対して不溶性の材料であっても、Ｔｉバリアなどの他の機能性材料を金属接着材料として用いることができる。また、モールド層の輪郭に適合する金属接着材料は、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリアとして機能する。

一実施形態では、本方法は、化学機械研磨（ＣＭＰ）、機械研磨、フライカッティング、および化学エッチングからなる群から選択された技術によって、モールド層の頂面に堆積させた金属接着材料を除去することをさらに含む。余分な金属接着材料の除去プロセスは行われるが、バンプの根元にアンダーカットを生じさせるレジスト剥離後の金属層の除去プロセスは省略される。溶融はんだなどのはんだ材料に対して不溶性の材料であっても、Ｔｉバリアなどの他の機能性材料を金属接着材料として用いることもできる。また、モールド層の輪郭に適合する金属接着材料は、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリアとして機能する。

一実施形態では、本方法は、各パッド上にコーティングされた金属接着層に対応する第１の部分と、パッドの外側領域に形成された第２の部分とを有するように、基板の表面に金属接着材料を堆積させることをさらに含む。本方法は、金属接着材料上にレジスト層を塗布することを含む。本方法はまた、レジスト層をパターニングして、モールド層を作製することを含む。本方法は、基板からモールド層を剥離し、それによってバンプを基板上に残すことを含み、各バンプは、はんだキャップと、パッド上に形成されたバンプ下地とを含む。本方法は、バンプから露出した金属接着材料の第２の部分を除去することをさらに含む。溶融はんだなどのはんだ材料に対して不溶性の材料であっても、Ｔｉバリアなどの他の機能性材料を金属接着材料として用いることもできる。本実施形態では、金属接着材料は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの任意の組合せからなる群から選択することができる。

一実施形態では、はんだ材料を充填することは、モールド層の各開口部に溶融はんだを注入することを含む。本実施形態では、バンプのセットを作製するために電解めっきおよび無電解めっきを必要とせず、それによって、高価なピラーおよびはんだキャップの作製プロセス、高価な設備、ならびにめっきプロセスの複雑な管理が回避される。

一実施形態では、本方法は、金属接着層のコーティングの前に、逆スパッタリングによってパッドから表面酸化物を除去することを含み、金属接着層は、スパッタリングによって各パッド上にコーティングされる。逆スパッタリングと金属接着層のスパッタリングとの組合せは、パッドの表面酸化物除去から表面コーティングまでの時間間隔を短縮するのに好ましい。

一実施形態では、基板は、半導体デバイスを含み、パッドのセットは、半導体デバイスの少なくとも活性表面上に形成されている。本方法は、バンプを用いて半導体デバイスを外部回路に相互接続することをさらに含み、したがって本方法は、電子デバイスの製造方法である。焼結の高温条件は、焼結されたピラーとパッドとの間の結合の強化に寄与する。しかしながら、半導体デバイスは、一般に、このような高温条件下では劣化する。これにより、高温条件を用いることなく、バンプ下地とパッドとの接合性を高めることができる。

本発明の別の実施形態によると、バンプ構造が提供される。バンプ構造は、表面に形成されたパッドのセットを含む基板を含み、パッドは第１の導電性材料を含む。バンプ構造はまた、それぞれがパッドのうちの１つに形成されたバンプのセットを含む。各バンプは、パッド上に形成された金属接着層と、金属接着層上に形成されたバンプ下地と、を含む。バンプ下地は、第１導電性材料とは異なる第２導電性材料を含む導電性粒子の焼結体である。

本発明の実施形態によるバンプ構造は、導電性粒子の焼結によって作られたバンプがパッドに強固に接合されているため、パッドが導電性粒子とは異なる導電性材料で作られていても、良好な信頼性を示す。また、高温条件を用いることなく、バンプ下地とパッドとの接合性を高めることができる。したがって、バンプ形成プロセスに起因する半導体デバイスの劣化を防止することができる。

一実施形態では、各バンプは、バンプ下地上に形成されたはんだキャップをさらに含む。バンプ下地は、金属接着層を介してパッドに接合された底部を有するカップの形状を有し、カップは、はんだキャップのはんだ材料で充填される。特定の実施形態では、第１の導電性材料は、Ａｌを含むことができ、第２の導電性材料は、Ｃｕを含むことができ、金属接着層は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択された材料を含むことができる。

一実施形態では、金属接着層は、側壁バリアとしてバンプ下地の側面を覆う。これにより、側壁バリアは、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡が防止される。

本発明の別の実施形態では、電子デバイスが提供される。電子デバイスは、活性表面上に形成されたパッドのセットを含む半導体デバイスを含み、パッドは第１の導電性材料を含む。電子デバイスはまた、それぞれがパッドのうちの１つに形成されたバンプのセットを含む。各バンプは、パッド上に形成された金属接着層と、金属接着層上に形成されたバンプ下地と、を含み、バンプ下地は、第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料を含む導電性粒子の焼結体である。電子デバイスは、バンプのセットを介して半導体デバイスに相互接続された回路をさらに含む。

本発明の実施形態による電子デバイスは、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプが、バンプ下地用の導電性粒子とは異なる導電性材料から作られたパッドであっても、パッドに強固に接合されるため、良好な耐久性を示す。

一実施形態では、金属接着層は、側壁バリアとしてバンプ下地の側面を覆う。側壁バリアを設けることにより、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡が防止される。

本発明の別の実施形態では、電子デバイスを製造する方法が提供される。本方法は、バンプ付き半導体デバイスを準備することを含む。バンプ付き半導体デバイスは、表面に形成されたパッドのセットを含む基板を含み、パッドは第１の導電性材料を含む。バンプ付き半導体デバイスはまた、それぞれがパッドのうちの１つに形成されたバンプのセットを含み、各バンプは、パッド上に形成された金属接着層と、金属接着層上に形成されたバンプ下地と、を含み、バンプ下地は、第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料を含む導電性粒子の焼結体である。本方法は、バンプのセットを介してバンプ付き半導体デバイスを外部回路に相互接続することをさらに含む。

本発明の実施形態による方法によって提供される電子デバイスは、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプが、バンプ下地用の導電性粒子とは異なる導電性材料から作られたパッドであっても、パッドに強固に接合されるため、良好な耐久性を示す。

さらなる特徴および利点は、本発明の技術によって実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書に詳細に記載されており、特許請求される発明の一部とみなされる。

本発明とみなされる主題は、本明細書の最後の特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。図面における要素および層のサイズおよび相対位置は、必ずしも縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。これらの要素または層のいくつかは、図面の読みやすさを向上させるために任意に拡大され、配置されている。

本発明の一実施形態によるバンプ構造の断面図である。 本発明の一実施形態によるバンプ構造の上面図である。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（１／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である（２／２）。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の別の実施形態によるバンプ形成プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の実施形態によるフリップチップ・ボンディング・プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 本発明の実施形態によるフリップチップ・ボンディング・プロセスのステップで得られる構造の断面図である。 ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの無電解めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの無電解めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの無電解めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 ピラーの無電解めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む別の関連するバンプ形成プロセスである。 金属接着層を使用しない導電性ペースト焼結に基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（１／２）。 金属接着層を使用しない導電性ペースト焼結に基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（１／２）。 金属接着層を使用しない導電性ペースト焼結に基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（１／２）。 金属接着層を使用しない導電性ペースト焼結に基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（１／２）。 金属接着層を使用しない焼結プロセスに基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（２／２）。 金属接着層を使用しない焼結プロセスに基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（２／２）。 金属接着層を使用しない焼結プロセスに基づく別の関連するバンプ形成プロセスである（２／２）。

以下では、本発明は、特定の実施形態に関して説明されるが、当業者であれば、以下に説明する実施形態は例示としてのみ言及されており、本発明の範囲を限定することは意図されていないことを理解するであろう。

本発明による１つまたは複数の実施形態は、バンプ構造の作製方法、関連付けられたバンプ構造、バンプ構造を含む関連付けられた電子デバイス、およびバンプ構造を含む電子デバイスの関連付けられた製造方法を対象とし、基板のそれぞれのパッドに強固に接合されたバンプのセットが達成される。

以下では、図１Ａおよび図１Ｂを参照して、本発明の一例示的実施形態によるバンプ構造について説明する。図１Ａは、バンプ構造１００の断面図を示す。図１Ｂは、バンプ構造１００の上面図を示す。図１Ａに示す断面図は、図１Ｂの上面図において、「Ａ」で示す断面に対応することに留意されたい。

図１に示すバンプ構造１００は、パッド１１２のセットを含む基板１１０と、基板１１０の表面に形成されたパッシベーション層１１４とを含む。バンプ構造１００は、バンプ１２０のセットも含み、これらのバンプのそれぞれがパッド１１２のうちの対応するパッド上に形成されている。バンプ１２０に関する参照番号は、便宜上、全ての構成要素ではなく、代表的な１つのバンプに関してのみ示されていることに留意されたい。

基板１１０は、半導体材料から作られた任意の基板であってもよい。特定の実施形態では、基板１１０は、複数の電子デバイスが組み込まれたウエハ（またはパネル）である。この特定の実施形態では、ウエハは、最終的に複数のチップ（またはダイ）に分離されることがある。他の特定の実施形態では、基板１１０は、ウエハから分離されたチップである。記載される実施形態では、ウエハおよびチップの両方が半導体デバイスである。ウエハおよびチップは、シリコン、ＩＩＩ－Ｖ族もしくはＩＩ－ＶＩ族化合物半導体材料、または他の半導体材料から作られてもよい。ウエハおよびチップは、ＦＥＯＬ（Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ Ｏｆ Ｌｉｎｅ）プロセスおよびＢＥＯＬ（Ｂａｃｋ Ｅｎｄ Ｏｆ Ｌｉｎｅ）プロセスを含む任意の標準的な半導体プロセスによって作製することができる。記載される実施形態では、基板１１０が半導体デバイスであると説明されているが、セラミック基板、ガラス基板、プリント基板などの任意の他の基板が基板１１０として用いられてもよい。

パッド１１２は、導電性材料から作られている。導電性材料の例としては、一般に、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）などの金属および他の金属材料が挙げられる。以下では、本バンプ形成技術が適用可能な例として、パッド１１２がＡｌから作られている場合を主に説明する。パッド１１２は、特定のピッチ（例えば、２０～３００マイクロメートル）で基板１１０の表面に配置されていてもよい。パッド１１２のセットは、図１Ｂに示すように、２次元アレイ状に形成されている。パッシベーション層１１４は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）などの絶縁材料を含むことができる。

図１Ａ～図１Ｂには示されていないが、基板１１０は、バンプ１２０のセットに加えて、電子素子、フォトダイオード（ＰＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光電子素子、またはバンプ１２０に接続された複数の配線層、あるいはその組合せを含んでもよい。基板１１０はまた、半導体基板のスタックを有してもよい。

図１Ａは、各バンプ１２０のより詳細な構造も示す。図１Ａに示すように、各バンプ１２０は、パッド１１２上に形成された金属接着層１２６と、金属接着層１２６を介してパッド１１２上に形成されたバンプ下地１２２とを含む。各バンプ１２０は、バンプ下地１２２上に形成されたはんだキャップ１２４をさらに含むことができる。金属接着層１２６は、一種のＵＢＭ（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）であることに留意されたい。

バンプ下地１２２は、一般に、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）または他の金属材料を含むことができる導電性材料から作られている。各バンプ下地１２２は、基板１１０上に配置されたモールド層またはレジスト層を用いて導電性粒子を焼結することによって作製される。そのため、バンプ下地１２２は、パッド１１２とは異なる導電性材料を含む導電性粒子の焼結体である。以下では、本バンプ形成技術が適用可能な例として、バンプ下地１２２が銅から作られている場合を主に説明する。したがって、導電性粒子は銅粒子であり、バンプ下地１２２は銅粒子の焼結体である。

好ましい実施形態では、銅ナノ粒子、銅マイクロ粒子およびこれらの混合物がバンプ下地形成に使用される。導電性粒子の焼結体は、多孔質の形態を有する。粒子のサイズは、１ｎｍ～１５μｍの範囲であってもよい。

バンプ下地１２２は、金属接着層１２６を介してパッド１１２に接合された底部を有するカップの形状を有する。バンプ下地１２２のカップは、はんだキャップ１２４のはんだ材料で充填される。

金属接着層１２６は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの元素の組合せからなる群から選択された金属材料から作られている。金属接着層１２６は、単一の層または複数の層（またはスタック）を含むことができ、各層は、上述した元素を純金属として、または２つ以上の上述した元素を合金として含む。特定の実施形態では、金属接着層１２６は、Ｔｉ／Ｃｕのスタック、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉあるいはその組合せの層もしくはスタックである。

はんだキャップ１２４のはんだ材料は、任意の適切な組成を有することができる。１つまたは複数の実施形態において、はんだ材料として、スズ、ビスマス、銀、インジウム、アンチモン、銅、亜鉛、ニッケル、アルミニウム、マンガンおよびパラジウムからなる群から選択された１つまたは複数の元素の二元系、三元系および四元系を含む鉛フリーはんだ合金のいずれもが使用されてもよい。鉛フリーはんだ合金の例には、いくつかの例を挙げると、Ｂｉ－Ｓｎ、Ｓｎ－Ａｇ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ、Ｓｎ－Ｃｕ合金などが含まれてもよい。はんだの組成に関する自由度が高いため、バンプ形成に適した任意の組成を選択することができる。

以下では、一連の図２Ａ～図２Ｅおよび図３Ａ～図３Ｄを参照して、本発明の一例示的実施形態によるバンプ構造を作製するためのバンプ形成プロセスを説明する。図２Ａ～図２Ｅおよび図３Ａ～図３Ｄは、図１Ａおよび図１Ｂに示すバンプ構造１００を作製するバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図２Ａに示すように、バンプ形成プロセスは、基板１１０の表面１１０ａに形成されたパッド１１２のセットおよびパッシベーション層１１４を含む基板１１０を準備するステップを含むことができる。特定の実施形態では、バンプ形成プロセスは、ウエハ・レベル・プロセスとして行われ、基板１１０は、複数の集積回路が組み込まれたウエハである。各パッド１１２は、導電性材料を含むことができる。パッド１１２がＡｌなどの容易に酸化される金属で形成される場合、バンプ形成プロセスは、パッド１１２から表面酸化物を除去するステップも含むことができる。表面酸化物の除去は、例えば逆スパッタリング、酸性溶液によるエッチングを含む実質的に任意の標準的な手段によって行うことができる。

図２Ｂに示すように、バンプ形成プロセスは、準備された基板１１０の表面１１０ａに金属接着材料１２８を堆積させるステップを含むことができる。堆積させた金属接着材料１２８は、第１の部分１２８ａおよび第２の部分１２８ｂを含むことができる。第１の部分は、パッド１１２上にコーティングされた金属接着層１２６に対応する。第２部分１２８ｂは、パッド１１２の外側領域に形成された部分であり、ここには、一般に、パッシベーション層１１４が形成されることがある。ピラーの電気めっきに典型的に使用される任意の既知のシード層を、金属接着材料１２８として使用することができる。金属接着材料は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択される。特定の実施形態では、金属接着層１２６は、Ｔｉ／Ｃｕのスタック、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉあるいはその組合せの層もしくはスタックである。金属接着材料１２８の堆積は、例えばスパッタリング、無電解めっきを含む実質的に任意の標準的な手段によって行うことができる。スパッタリングは、領域全体に金属接着層を提供することができるが、無電解めっきは、パッド１１２を含む限られた領域に金属接着層を提供することができることに留意されたい。

表面酸化物の除去および金属接着材料１２８の堆積は、実質的に任意の標準的な手段によって行われるが、パッド１１２がＡｌなどの容易かつ持続的に酸化される金属で形成される場合、表面酸化物の除去からパッド１１２の表面保護までの時間間隔を短縮するために、逆スパッタリングと金属接着材料のスパッタリングとの組合せが好ましくは採用される。長い時間間隔は、Ａｌパッドの接合の劣化を引き起こす。さらに、この組合せは、一般にそれ自体が高価であり、高価な設備およびめっきプロセスの複雑な管理を必要とするめっきプロセスを排除するという観点から有利である。

図２Ｃに示すように、バンプ形成プロセスはまた、金属接着材料１２８上にレジスト層１３０を塗布するステップを含むことができる。ポジ型またはネガ型の任意の既知の液体フォトレジストまたはフィルム・フォトレジストを使用することができる。レジスト層１３０は、スピン・コーティング、フィルム・ラミネーションを含む実質的に任意の標準的な手段によって塗布することができる。

図２Ｄに示すように、バンプ形成プロセスはまた、レジスト層１３０を貫いて形成された開口部１３０ａのセットを有するようにレジスト層１３０をパターニングするステップを含むことができる。各開口部１３０ａは、対応するパッド１１２と整列している。開口部１３０ａは、パッド１１２上の金属接着材料１２８の表面を露出させる。パターニングされたレジスト層１３０は、開口部１３０ａに充填される材料を成形するためのモールド層として機能することができる。開口部１３０ａは、任意の形状を有することができ、いくつか例を挙げると、円形、正方形、丸みを帯びた正方形を含むことができるが、これらに限定されない。金属接着材料１２８の堆積に無電解めっきを採用する場合は、このレジスト・パターニングの後に無電解めっきを行ってもよいことに留意されたい。

レジスト層１３０は、フォトリソグラフィを含む実質的に任意の標準的な手段によってパターニングすることができる。特定の実施形態では、パターニングするステップは、フォトマスク１３１を用いてフォトレジスト材料を露光するサブステップと、パッド１１２と整列した位置に開口部１３０ａを開けるように、露光されたフォトレジスト材料を現像するサブステップと、を含むことができる。図２Ｄに示す実施形態では、フォトマスク１３１は、暗視野マスクであり、レジスト材料は、ポジ型であるが、これに限定されない。

レジスト層１３０は、バンプ形成のための十分な高さを提供することができる設計された厚さを有することができる。開口部１３０ａの直径は、最終的に得られるバンプ１２０のサイズに影響を与えることがある。一実施形態において、開口部１３０ａの直径は、５マイクロメートル～１５０マイクロメートルの範囲であってもよい。また、開口部１３０ａの空間は、後続の充填ステップによって充填される導電性材料を収容するためのスペースを提供することができる。

バンプ形成プロセスは、図２Ｅに示すように、レジスト層１３０の開口部１３０ａ内に導電性粒子１３２を充填するステップを含むことができる。導電性粒子１３２は、パッド１１２とは異なる導電性材料を含んでいてもよい。導電性粒子の例としては、例えば、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などを挙げることができる。好ましい実施形態において、導電性粒子は、銅（Ｃｕ）粒子であってもよい。ナノ粒子、マイクロ粒子およびこれらの混合物を導電性粒子１３２として用いることができる。

導電性粒子の直径は、１ｎｍ～１５μｍの範囲であってもよい。

記載される実施形態では、導電性粒子は、ペーストの形態で提供される。導電性粒子（以下では、導電性ペーストとも呼ばれる）１３２の充填は、例えば、スクリーン印刷および注入技術を含む実質的に任意の標準的な手段によって行うことができる。導電性粒子は、有機溶媒に浸漬されていてもよい。導電性ペースト１３２の粘度および導電性ペースト１３２中の粒子分率は、ペーストの収縮、換言すれば、次のステップの焼結によって得られる導電層の厚さを考慮して決定されてもよい。

図３Ａに示すように、バンプ形成プロセスはまた、導電性ペースト１３２を焼結するステップを含むことができる。レジスト層１３０の各開口部１３０ａに充填された導電性ペースト１３２を焼結して、各パッド１１２上にバンプ下地１２２を形成する。開口部１３０ａの導電性ペースト１３２の焼結は、焼結後の金属表面の酸化を防止するために、導電性ペースト１３２を窒素ガスまたは蟻酸の雰囲気中で、１００～２５０℃で０．１～２．０時間加熱することで行われる。焼結を大気中で行うと、金属表面の酸化物層を除去することができる。

焼結は、材料を液化点まで溶融することなく、熱または圧力あるいはその両方によって材料の固体塊を形成するプロセスである。焼結プロセスでは、導電性ペースト１３２が収縮し、その結果、図３Ａに示すように、レジスト層１３０の開口部１３０ａの側壁およびパッド１１２（金属接着材料１２８）の表面を覆うようにバンプ下地１２２が形成される。その結果、各パッド１１２上に形成されたバンプ下地１２２は、開口部１３０ａの輪郭に適合したカップの形状を有し、底部が金属接着材料１２８を介してパッド１１２に強固に接合される。導電性ペーストを追加コーティングすることなく次のステップではんだ充填が行われるため、焼結後の導電性ペースト１３２の体積収縮率が最適化される。導電性ペースト１３２の体積収縮率は、バンプ径／高さの設計値に依存し、例えば、好ましくは５０％以上である。

バンプ下地１２２は、金属ピラー（またはポスト）に対応する。空間１３６ｂがバンプ下地１２２上に残り、開口部１３０ａの上端に達する。バンプ下地１２２は、図３Ａに示すように、円錐状の表面を有する。バンプ下地１２２の断面は、共形の形状を有する。

記載された実施形態では、導電性ペースト１３２を充填するステップと導電性ペースト１３２を焼結するステップとが、それぞれ一度に行われる。しかしながら、バンプ下地１２２の中央部の厚さが、例えば１～５０μｍの範囲内である場合が所定の厚さよりも薄い場合には、導電性ペースト充填ステップと焼結ステップとを交互に複数回行って、１つまたは複数の追加の導電層を形成して、バンプ下地１２２の所定の厚さを確保する。

図３Ｂに示すように、バンプ形成プロセスはまた、バンプ下地１２２の上方の各開口部１３０ａの残りの空間１３０ｂ内にはんだ材料を充填して、各バンプ下地１２２上にはんだキャップ１２４を形成するステップを含むことができる。好ましい実施形態では、はんだ材料は、溶融はんだをレジスト層１３０の各開口部１３０ａに注入することによって充填されてもよい。溶融はんだの注入は、例えば、ＩＭＳプロセスによって行われてもよい。レジスト層１３０の開口部１３０ａの側壁を覆うバンプ下地１２２が存在することにより、開口部１３０ａをはんだ材料で充填することが容易になる。ＩＭＳプロセスでは、真空または減圧条件下で、充填ヘッドを使用することによって各開口部１３０ａに溶融はんだが注入される。注入された溶融はんだは、各開口部１３０ａで固化する。充填ヘッドは、溶融はんだのリザーバと、溶融はんだが注入されるスロットとを含む。はんだキャップ１２４は、凸状の頂面を有してもよい。

図３Ｃに示すように、バンプ形成プロセスはまた、基板１１０からレジスト層１３０を剥離し、それによって基板１１０上にバンプ１２０を残すステップを含むことができる。

図３Ｄに示すように、バンプ形成プロセスはまた、バンプ１２０から露出した金属接着材料１２８の第２の部分１２８ｂを除去するステップを含むことができる。金属接着材料１２８の除去は、ウェット・エッチングまたはドライ・エッチングを含む任意の標準的な手段によって行うことができる。

図３Ｄのバンプ構造１００は、本発明の実施形態として使用することができる。バンプ構造１００は、基板１１０がウエハである場合、基板１１０が複数のチップに分割された後、フリップチップ・ボンディングに用いられてもよい。

本バンプ形成プロセスにより、基板１１０上にバンプ１２０のセットを含むバンプ構造を作製することができ、パッド１１２が焼結用の導電性粒子（本実施形態ではＣｕ）とは異なる導電性材料（本実施形態ではＡｌ）で作られていても、導電性ペースト１３２を焼結することによって作られたバンプ１２０は、基板１１０のパッド１１２に強固に接合される。一般に、半導体デバイスは、最外層にＡｌパッドを含む。それゆえ、実用的な、パッド１１２と強固に接合された焼結されたバンプ下地１２２を作製することが可能である。

さらに、バンプ下地１２２は、導電性粒子１３２を焼結することによって作製され、はんだキャップ１２４は、溶融はんだを注入することによって作製されるため、バンプの主要構造を作製するための電解めっきプロセスおよび無電解めっきプロセスが不要となり、それによって、高価なピラーおよびはんだキャップ作製プロセス、高価な設備、ならびにめっきプロセスの複雑な管理が回避される。

上述した実施形態では、余分な金属接着材料の除去は、レジスト剥離後に行われる。しかしながら、他の実施形態では、金属接着材料の除去は、省略されてもよい。

以下では、一連の図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａ～図５Ｄを参照して、金属接着材料の除去が省略された本発明の他の実施形態による改善されたバンプ形成プロセスを説明する。図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａ～図５Ｄは、改善されたバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図４Ａに示すように、バンプ形成プロセスは、パッド１１２のセットおよびパッシベーション層１１４が上に形成された基板１１０を準備するステップを含むことができる。図２Ｂに示すように、バンプ形成プロセスはまた、基板１１０の表面１１０ａ上にレジスト層１３０を塗布するステップを含むことができる。

図２Ｃに示すように、バンプ形成プロセスは、それぞれのパッド１１２と整列した開口部１３０ａのセットを有するようにレジスト層１３０をパターニングするステップをさらに含むことができる。開口部１３０ａは、パッド１１２の表面を露出させる。フォトマスク１３１を用いてフォトレジスト材料を露光し、現像することで、パッド１１２と整列した位置に開口部１３０ａを開く。パッド１１２がＡｌなどの容易に酸化される金属で形成される場合、バンプ形成プロセスは、パッド１１２から表面酸化物を除去するステップも含むことができる。

図４Ｄに示すように、バンプ形成プロセスは、パッド１１２の表面およびレジスト層１３０の頂面の上に金属接着材料１２８を堆積させるステップを含むことができる。金属接着材料１２８は、レジスト層１３０の輪郭に適合するように堆積させる。本実施形態では、金属接着材料は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択される。特定の実施形態では、金属接着層１２６は、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉあるいはその組合せの層もしくはスタックである。

パッド１１２がＡｌなどの容易かつ持続的に酸化される金属で形成される場合は、上述した実施形態と同様に、逆スパッタリングと金属接着材料のスパッタリングとの組合せが好ましくは採用される。

バンプ形成プロセスは、図５Ａに示すように、レジスト層１３０の開口部１３０ａ内に導電性ペースト１３２を充填するステップを含むことができる。図５Ｂに示すように、バンプ形成プロセスは、導電性ペースト１３２を焼結するステップを含むことができる。開口部１３０ａに充填された導電性ペースト１３２を焼結して、パッド１１２上にバンプ下地１２２を形成する。この焼結プロセスでは、導電性ペースト１３２が収縮し、その結果、図５Ｂに示すように、開口部１３０ａの側壁およびパッド１１２の表面を覆うようにバンプ下地１２２が形成され、両方の表面が金属接着材料１２８で覆われる。

図５Ｃに示すように、バンプ形成プロセスは、バンプ下地１２２上の各開口部１３０ａの残りの空間１３０ｂにはんだ材料を充填するステップを含むことができる。記載された実施形態では、溶融はんだをレジスト層１３０の各開口部１３０ａに注入して、各バンプ下地１２２上にはんだキャップ１２４を形成する。溶融はんだの注入は、例えば、ＩＭＳプロセスによって行われてもよい。本実施形態では、ＩＭＳプロセス中に、レジスト層１３０の頂面に堆積させた金属接着材料１２８は、金属接着材料１２８がＴｉなどの溶融はんだに対して不溶性の金属を含んでいないため、溶融はんだ中に溶解する。レジスト層１３０の開口部１３０ａの側壁に堆積させた金属接着材料１２８の一部（側壁金属１２９と呼ばれる）は、ＩＭＳプロセス後に残ってもよい。本実施形態では、側壁金属１２９は、バンプ下地１２２を取り囲み、バンプ下地１２２の側面を覆っている。側壁金属１２９は、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリア（例えばＮｉ）として機能することができる。

図５Ｄに示すように、バンプ形成プロセスはまた、基板１１０からレジスト層１３０を剥離し、それによって基板１１０上にバンプ１２０を残すステップを含むことができる。図２Ａ～図２Ｅおよび図３Ａ～図３Ｄに示すプロセスにおいて行われる金属接着材料１２８を除去するステップは省略される。

レジスト層１３０の形成に非剥離型のレジストを用いる場合は、剥離ステップが省略されてもよいことに留意されたい。したがって、図５Ｃに示す構造はまた、レジスト層１３０を除去することなく、その後のフリップチップ・ボンディング・プロセスに用いることができる。

図２Ａ～図２Ｅおよび図３Ａ～図３Ｄに示す実施形態では、金属接着材料の除去が導入されているため、溶融はんだなどのはんだ材料に対して不溶性の材料であっても、Ｔｉバリアなどの他の機能性材料を金属接着材料として用いることができるという利点がある。一方、図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａ～図５Ｄに示す実施形態では、Ｔｉなどの溶融はんだに対して不溶性の材料を使用しない場合は、余分な金属接着材料を十分に除去しつつ、金属接着材料の除去を省略することが可能である。レジスト剥離後のレジスト層下の金属層の除去プロセスがなくなるため、バンプの根元のアンダーカットが好ましくは防止される。また、関連付けられたプロセス・コストを低減することができる。Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕは、はんだ材料の充填プロセス中に、溶融はんだなどのはんだ材料中に容易に溶解する。

以下では、一連の図６Ａ～図６Ｃを参照して、本発明のさらなる他の実施形態による代替のバンプ形成プロセスを説明する。図６Ａ～図６Ｃは、代替のバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

このバンプ形成プロセスも、上述した実施形態と同様に、図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａで説明したステップを含むことに留意されたい。したがって、説明は、図５Ａのステップが完了した後に行われる。

図６Ａに示すように、バンプ形成プロセスは、導電性ペースト１３２を焼結するステップを含むことができる。図６Ｂに示すように、バンプ形成プロセスは、バンプ下地１２２の上方の各開口部１３０ａの残りの空間１３０ｂにはんだ材料を充填して、各バンプ下地１２２上にはんだキャップ１２４を形成するステップを含むことができる。本実施形態では、レジスト層１３０の頂面に堆積させた金属接着材料１２８は、ＩＭＳプロセス後であっても残る。

図６Ｃに示すように、バンプ形成プロセスは、基板１１０からレジスト層１３０を剥離するステップを含むことができる。本ステップでは、レジスト層１３０を洗い流す際に、レジスト層１３０の頂面の金属接着材料が下のレジスト層１３０と一緒にリフトオフされ、洗い落とされる。金属接着材料１２８を除去する別個のステップが省略される。本実施形態では、金属接着材料１２８は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択される。

図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａおよび図６Ａ～図６Ｃに示す実施形態では、図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａ～図５Ｄに示す実施形態と同様に、金属接着材料の組成にかかわらず、金属接着材料の除去を省略することができる。したがって、バンプの根元のアンダーカットが好ましくは防止される。また、関連付けられたプロセス・コストを低減することができる。したがって、金属接着材料としてＴｉバリアなどの他の機能性材料を使用することができる。さらに、本実施形態では、モールド層の輪郭に適合する金属接着材料が、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリアとして機能することができる。

以下では、一連の図７Ａ～図７Ｄを参照して、本発明の別の実施形態によるさらなる別のバンプ形成プロセスを説明する。図７Ａ～図７Ｄは、バンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

本バンプ形成プロセスも、上述の実施形態と同様に、図４Ａ～図４Ｄおよび図５Ａで説明したステップを含むことに留意されたい。したがって、説明は、図５Ａのステップが完了した後に行われる。

図７Ａに示すように、バンプ形成プロセスは、上述の実施形態と同様に、導電性ペースト１３２を焼結して各パッド１１２上にバンプ下地１２２を形成するステップを含むことができる。図７Ｂに示すように、バンプ形成プロセスは、レジスト層１３０の頂面に堆積させた金属接着材料１２８を除去するステップを含むことができる。金属接着材料１２８の除去は、化学機械研磨（ＣＭＰ）、機械研磨、フライカッティング、および化学エッチングからなる群から選択された技術によって行うことができる。

図７Ｃに示すように、バンプ形成プロセスは、各開口部１３０ａ内の残りの空間１３０ｂにはんだ材料を充填して、各バンプ下地１２２上にはんだキャップ１２４を形成するステップを含むことができる。図７Ｄに示すように、バンプ形成プロセスはまた、基板１１０からレジスト層１３０を剥離するステップを含むことができる。本実施形態では、金属接着材料１２８は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択される。

図４Ａ～図４Ｄ、図５Ａおよび図７Ａ～図７Ｄに示す実施形態では、レジスト剥離前に余分な金属接着材料の除去プロセスが行われるとしても、バンプの根元にアンダーカットを生じさせるレジスト剥離後の金属層の除去プロセスは排除されている。Ｔｉバリアなどの他の機能性材料を金属接着材料として用いることも可能である。さらに、本実施形態では、モールド層の輪郭に適合する金属接着材料が、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリアとして機能することができる。

以下では、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、本発明の一例示的実施形態による電子デバイスおよびこれを製造するためのフリップチップ・ボンディング・プロセスについて説明する。図８Ａおよび図８Ｂは、フリップチップ・ボンディング・プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図８Ａに示すように、フリップチップ・プロセスは、活性表面上に形成されたバンプ３２０のセットを含むバンプ付き半導体チップ３１０を準備するステップを含むことができる。フリップチップ・プロセスはまた、表面に形成されたコンタクト・パッド３５２のセットおよびはんだレジスト層３５４を含む有機基板３５０を準備するステップを含むことができる。フリップチップ・プロセスはまた、有機基板３５０の表面上にアンダーフィル３５６を塗布するステップを含むことができる。

本ステップで準備されたバンプ付き半導体チップ３１０は、上述したバンプ形成プロセスのいずれかによって作製され、その後、バンプ形成プロセスがウエハ・レベルで行われる場合には、ダイシング・プロセスが行われる。図１Ａおよび図１Ｂを参照してすでに説明したように、各バンプ３２０は、パッド３１２上に形成された金属接着層３２６と、金属接着層３２６を介してパッド３１２上に形成されたバンプ下地３２２と、バンプ下地３２２上に形成されたはんだキャップ３２４と、を有する。

図８Ｂに示すように、フリップチップ・プロセスは、チップ側のバンプ３２０が基板側のコンタクト・パッド３５２とそれぞれ接触するように、バンプ付き半導体チップ３１０を有機基板３５０上に実装するステップを含むことができる。半導体チップ３１０は、その活性面が下を向くように裏返され、バンプ３２０が有機基板３５０上のそれぞれのパッド３５２に整列するように配置される。

図８Ｂにも示すように、フリップチップ・プロセスは、バンプ３２０をパッド３５２に接合してフリップチップ接合部３６０を得るステップをさらに含むことができる。接合部の所望のサイズおよびピッチに応じて、マウント・リフロー法および熱圧着法のいずれか適切な方法を行うことができる。フリップチップ・プロセスはまた、半導体チップ３１０を有機基板３５０に堅固に固定するためにアンダーフィル３５６を硬化させるステップを含むことができる。

バンプ付き半導体チップ３１０を実装するステップおよびバンプ３２０をパッド３５２に接合するステップを実行することによって、バンプ付き半導体チップ３１０は、外部回路を含む有機基板３５０に相互接続される。

上述したフリップチップ・ボンディング・プロセスによって製造された電子デバイスは、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプ３２０が、バンプ用の導電性粒子とは異なる導電性材料から作られたパッド３１２であっても、パッド３１２に強固に接合されるため、良好な耐久性を示す。

以下では、一連の図９Ａ～図９Ｅ、図１０Ａ～図１０Ｅ、図１１Ａ～図１１Ｄ、図１２Ａ～図１２Ｄおよび図１３Ａ～図１３Ｃを参照して、様々な関連するバンプ形成プロセスを説明する。

図９Ａ～図９Ｅは、ピラーおよびはんだキャップの両方の電気めっきを含む関連するバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図９Ａに示すように、準備したウエハ５１０の表面に、Ｔｉ／Ｃｕ層などのシード層５１６が形成される。図９Ｂに示すように、孔５３０ａのセットを有するレジスト・マスク５３０がウエハ５１０上にパターニングされる。図９Ｃに示すように、孔５３０ａ内のシード層５１６上にＣｕを電解めっきして、孔５３０ａの途中までＣｕピラーを形成する。図９Ｃにも示すように、はんだ層５２４は、はんだ材料をレジスト・マスク５３０の孔５３０ｂの上限の上に電気めっきすることによって、Ｃｕピラー５２２上に堆積させる。図９Ｄに示すように、ウエハ５１０からレジスト・マスク５３０を剥離し、シード層５１６をエッチングする。次いで、図９Ｅに示すように、はんだ層５２４をフラックスでリフローして、ウエハ８１０上にはんだキャップされたバンプ５２０を形成する。

しかしながら、図９Ａ～図９Ｅに示す関連するバンプ形成プロセスでは、Ｃｕピラー・バンプを作製することはできるが、電気めっきはんだの組成を高い自由度で調整することは困難である。純粋なＳｎまたは二元系はんだ組成物のみが、電気めっき法によって安定して作製されることが知られている。また、ピラーおよびはんだキャップの両方に、高価な電気めっき、高価な設備およびめっきプロセスの複雑な管理が必要である。また、レジスト剥離後にシード層５１６を除去すると、バンプ５２０の根元にアンダーカットが生じる。

図１０Ａ～図１０Ｅは、ピラーの電気めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む他の関連するバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図１０Ａに示すように、Ｔｉ／Ｃｕ層などのシード層６１６がウエハ６１０の表面に形成される。図１０Ｂに示すように、孔６３０ａのセットを有するレジスト・マスク６３０がウエハ６１０上にパターニングされる。図１０Ｃに示すように、孔６３０ａ内のシード層６１６上にＣｕを電解めっきして、孔６３０ａの途中までＣｕピラーを形成する。図１０Ｄに示すように、ＩＭＳプロセスによって、レジスト・マスク６３０の孔６３０ａの残りの空間にはんだ材料を充填して、Ｃｕピラー６２２上にはんだキャップ６２４を形成する。図１０Ｅに示すように、ウエハ６１０からレジスト・マスク６３０を剥離し、シード層６１６をエッチングする。

図１０Ａ～図１０Ｅに示すバンプ形成プロセスでは、高価なはんだ材料の電気めっきを省略することができるが、それでも高価なＣｕピラーの電気めっき、高価な設備、およびめっきプロセスの複雑な管理が必要である。また、レジスト剥離後にシード層６１６を除去すると、バンプ６２０の根元にアンダーカットが生じる。

図１１Ａ～図１１Ｄは、ピラーの無電解めっきおよびはんだキャップのＩＭＳを含む、さらなる他の関連するバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図１１Ａに示すように、孔７３０ａのセットを有するレジスト・マスク７３０が、パッド７１２のセットおよびパッシベーション層７１４を含むウエハ７１０上にパターニングされる。図１１Ｂに示すように、無電解めっきによって、孔７３０ａ内のパッド７１２上にＮｉを堆積させて、孔７３０ａの途中までＮｉピラー７２２を形成し、Ｎｉピラー７２２上にＡｕ金属層７２８を堆積させる。図１１Ｃに示すように、ＩＭＳプロセスによって、レジスト・マスク７３０の孔７３０ａの残りの空間にはんだ材料を充填して、Ｎｉピラー７２２上にはんだキャップ７２４を形成する。図１１Ｄに示すように、レジスト・マスク７３０がウエハ７１０から剥離され、ウエハ７１０上に、Ｎｉピラー７２２およびはんだキャップ７２４を含むＮｉピラー・バンプ７２０のセットが残される。

レジスト剥離後のシード層の除去を省略することはできるが、高価なＮｉピラーの無電解めっき、高価な設備およびめっきプロセスの複雑な管理が必要である。

図１２Ａ～図１２Ｄおよび図１３Ａ～図１３Ｃは、金属接着層を用いない導電性ペースト焼結に基づく関連するバンプ形成プロセスの各ステップで得られる構造の断面図を示す。

図１２Ａに示すように、関連するバンプ形成プロセスでは、パッド８１２のセットおよびパッシベーション層８１４を含むウエハ８１０が用意される。図１２Ｂに示すように、ウエハ８１０の表面にレジスト・マスク８３０を形成する。図１２Ｃに示すように、孔８３０ａのセットを有するように、フォトマスク８３１を用いてレジスト・マスク８３０がパターニングされる。各孔８３０ａは、パッド８１２のうちの対応するパッドに整列している。

図１２Ｄに示すように、Ｃｕペースト８３２がレジスト・マスク８３０の孔８３０ａに孔８３０ａの上限まで充填される。図１３Ａに示すように、孔８３０ａに充填されたＣｕペースト８３２を硬化させて、Ｃｕ粒子の焼結体としてのカップ形状のピラー８２２を形成する。本プロセスでは、焼結プロセスを用いて銅ピラーを作製しているため、銅の電解めっきに必要なシード層が不要であることに留意されたい。むしろ、シード層の堆積およびレジスト剥離後のシード層の除去を含むそのような不必要なステップは、コストの観点から回避することができる。さらに、レジスト剥離後にシード層を除去すると、バンプの根元にアンダーカットが生じることがある。

次いで、図１３Ｂに示すように、カップ形状ピラー８２２の上方のレジスト・マスク８３０の孔８３０ａの残っている空間にＩＭＳプロセスによってはんだ材料を充填して、カップ形状ピラー８２２上にはんだキャップ８２４を形成する。図１３Ｃに示すように、レジスト・マスク８３０がウエハ８１０から剥離され、ウエハ８１０上に、それぞれがカップ形状ピラー８２２およびはんだキャップ８２４を含むＣｕピラー・バンプ８２０のセットが残される。

図１２Ａ～図１２Ｅおよび図１３Ａ～図１３Ｃに示すバンプ形成プロセスによって、Ｃｕピラーおよびはんだキャップの両方の高価なめっき、高価な設備、およびめっきプロセスの複雑な管理を回避することができる。

しかしながら、このプロセスは、パッド８１２およびピラー８２２が同じ材料、特に銅で作られている場合に限定される。本発明者らは、徹底的に研究した結果、逆スパッタによって自然酸化膜を除去した直後であっても、導電性ペーストの焼結体を、導電性ペーストとは異なる導電性材料から作られたパッドに接合すること、例えば焼結銅をＡｌパッドに接合することは、大気圧下では困難であることを見出した。焼結の高温条件は、焼結ピラーとパッドとの接合の強化に寄与することが期待される。しかしながら、半導体デバイスは、一般に、典型的なリフロー・プロセスの温度を超える、例えば＞３００℃のような高温条件下では劣化する。

図１２Ａ～図１２Ｄおよび図１３Ａ～図１３Ｃに示す上述した関連するバンプ形成プロセスとは対照的に、本発明の１つまたは複数の実施形態による技術により、高温条件を使用することなく、バンプ下地とパッドとの間の接合を強化することが可能になる。パッド１１２と導電性ペースト１３２（または焼結バンプ下地１２２）との間に作製された金属接着層またはＵＢＭ層は、導電性粒子とは異なる導電性材料をパッド材料として用いた場合でも、良好な接合性を維持する。したがって、バンプ形成プロセスに起因する半導体デバイスの劣化を防止することができる。

また、上述した図９Ａ～図９Ｅ、図１０Ａ～図１０Ｅ、図１１Ａ～図１１Ｄに示す関連するバンプ形成プロセスとは対照的に、本発明の１つまたは複数の実施形態によるバンプ形成プロセスは、バンプ下地およびはんだキャップの両方の高価な電気めっきの必要性、ならびにめっきプロセスの複雑な管理を排除し、それによってバンプの製造コストを低減する。

以上説明したように、本発明の１つまたは複数の実施形態によると、基板上に形成されたバンプのセットを含むバンプ構造を作製することができる新規なバンプ形成技術が提供され、導電性粒子を焼結することによって作られたバンプが、導電性粒子とは異なる導電性材料から作られたパッドに強固に接合されている。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も同様に含むことが意図されている。用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」あるいはその両方は、本明細書で使用される場合、述べられた特徴、ステップ、層、要素、または構成要素、あるいはその組合せの存在を指定するが、１つまたは複数の特徴、ステップ、層、要素、構成要素、またはこれらのグループ、あるいはその組合せの存在もしくは追加を排除しないことがさらに理解されよう。

以下の特許請求の範囲における全ての手段またはステップに加えて機能要素の対応する構造、材料、行為、および均等物は、もしあれば、具体的に特許請求されるような他の特許請求される要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、材料、または行為を含むことが意図されている。本発明の１つまたは複数の態様の説明は、例示および説明の目的で提示されたが、網羅的であること、または開示された形態の本発明に限定されることは意図されていない。

記載された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正形態および変形形態が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実際の適用または技術的改善を最もよく説明するために、または当業者が本明細書に開示された実施形態を理解できるようにするために選択された。

Claims (6)

1. バンプ構造であって、
   表面に形成されたパッドのセットを含む基板であり、前記パッドが第１の導電性材料を含む、前記基板と、
   それぞれが前記パッドのうちの１つに形成されたバンプのセットであり、前記バンプのそれぞれが、前記パッド上に形成された金属接着層と、前記金属接着層上に直接形成された、前記第１の導電性材料とは異なる第２の導電性材料を含む導電性粒子の焼結体とを含み、前記金属接着層は、前記パッドの上面を覆うとともに、前記焼結体の側面を覆う、前記バンプの前記セットと、
   を含む、バンプ構造。
2. 前記バンプのそれぞれが、前記焼結体上に形成されたはんだキャップをさらに含み、前記焼結体が、前記金属接着層を介して前記パッドに接合された底部を有するカップの形状を有し、前記カップが前記はんだキャップのはんだ材料で充填されている、請求項１に記載のバンプ構造。
3. 前記金属接着層の前記焼結体の側面を覆う部分が、イオン・マイグレーションによるバンプ間の短絡を防止する側壁バリアとして機能する、請求項１又は２に記載のバンプ構造。
4. 前記第１の導電性材料がＡｌを含み、前記第２の導電性材料がＣｕを含み、前記金属接着層がＣｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕおよびこれらの組合せからなる群から選択された材料を含む、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のバンプ構造。
5. 前記焼結体は、銅粒子が焼結した焼結体である、請求項１乃至４のいずれかに記載のバンプ構造。
6. 電子デバイスであって、請求項１乃至５のいずれかに記載のバンプ構造を有する半導体デバイスと、前記バンプの前記セットを介して前記基板に相互接続された回路と、を備える電子デバイス。