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ウエハー用高速バンプめっきプロセス

総合研究所
エレクトロニクス技術開発2部
佐藤 琢朗 Takuro SATO / 桜庭 美緒 Mio SAKURABA / 小坂 美紀子 Mikiko KOSAKA / 時尾 香苗 Kanae TOKIO

はじめに

半導体や基板のフリップチップ接続で主に使用されている突起電極、すなわち金属バンプの用途は、デバイスの多層化や微細化が進むにつれて、ますます存在感が増してきている。金属バンプは、すず、銅、ニッケル、金など多様な金属が用いられるが、実装においては、すず合金バンプと銅バンプが特に重要な位置を占めている。すず合金バンプはフリップチップの接続部に必須であり、銅バンプはその電気的特性や放熱性などから大きな需要がある。
近年、スマートフォンやタブレットなどの携帯デバイス機器では性能の向上は当然として、省電力化や発熱の低減が大きな課題となってきている。このような課題に対応したICチップの多層化・薄化や放熱性の向上は、必然的なアプローチであり、金属バンプの需要は今後も伸びる可能性が高い。
金属バンプの形成手法としては印刷やペースト充填などさまざまなものが検討されているが、電気的特性や均一な析出、狭ピッチパターンへの対応といった点では、やはりめっきによる手法が有効である。電気めっきによる析出は有機物などの不純物が少なく、電気伝導性、放熱性などの物性に優れる。また、印刷や金属ボールなどではバンプの形成が困難な微細部分にも、めっき液が入りさえすれば電極形成が可能である。
しかし、めっきでのバンプ形成において最も大きな課題のひとつに、時間がかかるという点が挙げられる。当社はこれまでに様々なバンプめっきプロセスを開発しており、この問題についても検討を進めてきた。本稿では当社がこれまでに開発してきたバンプめっきプロセスについて、新製品を含めて紹介する。

硫酸銅バンプめっきプロセス

銅バンプはその電気特性や放熱性などから半導体部品に多く用いられている。その性質上銅バンプの高さは100μm前後のものも多く、硫酸銅めっきプロセスで形成するにはかなりの時間が必要である。当社では、めっき時間やバンプ形状など様々な用途に応じた硫酸銅バンプ用めっきプロセスの開発を行ってきた。過去にラインナップされた製品プロセスの特長を以下に記す。

①CU-BRITE BU
低電流密度(5A/d㎡以下)でのストレートバンプに対応光沢でややトップが丸い形状のバンプが得られるプロセス
②XP-CS
低電流密度(5A/d㎡以下)でのストレートバンプに対応無光沢めっきプロセス
③CU-BRITE BU2HA
高電流密度(5~10A/d㎡)でのストレートバンプに対応光沢でフラットな形状のバンプが得られるプロセス ④CU-BRITE BUHD
高電流密度(10~20A/d㎡)でのストレートバンプに対応無光沢めっきプロセス

各プロセスのバンプ外観写真を図1に示す。このうちCU-BRITE BUHDに関しては前述した高速でのバンプ形成を目標として開発されたプロセスである。しかし、同様の電流密度での光沢外観の銅バンプも需要が大きく、新製品であるCU-BRITE HI-BUプロセスを開発した。

銅バンプはその電気特性や放熱性などから半導体部品に多く用いられている。その性質上銅バンプの高さは100μm前後のものも多く、硫酸銅めっきプロセスで形成するにはかなりの時間が必要である。当社では、めっき時間やバンプ形状など様々な用途に応じた硫酸銅バンプ用めっきプロセスの開発を行ってきた。過去にラインナップされた製品プロセスの特長を以下に記す。

①CU-BRITE BU
低電流密度(5A/d㎡以下)でのストレートバンプに対応光沢でややトップが丸い形状のバンプが得られるプロセス
②XP-CS
低電流密度(5A/d㎡以下)でのストレートバンプに対応無光沢めっきプロセス
③CU-BRITE BU2HA
高電流密度(5~10A/d㎡)でのストレートバンプに対応光沢でフラットな形状のバンプが得られるプロセス ④CU-BRITE BUHD
高電流密度(10~20A/d㎡)でのストレートバンプに対応無光沢めっきプロセス

各プロセスのバンプ外観写真を図1に示す。このうちCU-BRITE BUHDに関しては前述した高速でのバンプ形成を目標として開発されたプロセスである。しかし、同様の電流密度での光沢外観の銅バンプも需要が大きく、新製品であるCU-BRITE HI-BUプロセスを開発した。

硫酸銅バンプめっきプロセス CU-BRITE HI-BU

CU-BRITE HI-BUは光沢高速硫酸銅バンプめっきプロセスである。本プロセスは光沢めっきプロセスだが、CU-BRITE BUHDと同等である10~20A/d㎡という高電流密度での作業が可能である。また、通常のプリント配線板用硫酸銅めっきプロセスと比較しても遜色の無い物性を得ることが可能になっている。バンプ高さの均一性も優れ、20A/d㎡という高電流密度でも形状は光沢でフラットな外観が得られる。(図2参照)
本プロセスは20A/d㎡という条件では析出速度約4.4μm/minでのめっき製膜が可能であり、約23minで高さ100μmの銅バンプを形成できる。析出は緻密な結晶を持つ光沢外観であるため、バンプだけではなく再配線プロセスでの使用も可能である。
当社の試験装置を用いて行った300mmウエハー加工試験の結果では、WID%(パターン面内均一性)/WIW%(ウエハー面内均一性)共に良好であり、従来プロセスの低電流密度での結果と比較しても遜色の無いものとなっている。
添加剤は抑制剤/光沢剤の2成分構成で、共にCVSを用いての分析管理が可能である。また、電解量200Ah/Lでも安定しためっき性能を保つ事を確認している。

CU-BRITE HI-BUは光沢高速硫酸銅バンプめっきプロセスである。本プロセスは光沢めっきプロセスだが、CU-BRITE BUHDと同等である10~20A/d㎡という高電流密度での作業が可能である。また、通常のプリント配線板用硫酸銅めっきプロセスと比較しても遜色の無い物性を得ることが可能になっている。バンプ高さの均一性も優れ、20A/d㎡という高電流密度でも形状は光沢でフラットな外観が得られる。(図2参照)
本プロセスは20A/d㎡という条件では析出速度約4.4μm/minでのめっき製膜が可能であり、約23minで高さ100μmの銅バンプを形成できる。析出は緻密な結晶を持つ光沢外観であるため、バンプだけではなく再配線プロセスでの使用も可能である。
当社の試験装置を用いて行った300mmウエハー加工試験の結果では、WID%(パターン面内均一性)/WIW%(ウエハー面内均一性)共に良好であり、従来プロセスの低電流密度での結果と比較しても遜色の無いものとなっている。
添加剤は抑制剤/光沢剤の2成分構成で、共にCVSを用いての分析管理が可能である。また、電解量200Ah/Lでも安定しためっき性能を保つ事を確認している。

すず合金/純すずバンプめっきプロセス

すず合金または純すずの金属バンプは実装の接合部分に用いられており、その需要は非常に大きい。一昔前はすず-鉛を用いたものが一般的であったが、環境への配慮から現在はほとんど使用されていない。鉛フリーのはんだとしては、すず-銀合金、すず-銀-銅合金などが一般的に用いられている。すず合金を用いる理由のひとつは融点対策であり、リフローや実装接合時の加熱温度を純すずよりも下げる事でその他の部位への影響を少なくするのが目的である。
また、純すずバンプのプロセスは金属の融点こそやや高いがすず合金めっきと比較して管理が容易であり、めっき液の安定性も高い。
バンプ用としては、すず-銀の合金めっきプロセスと純すずめっきプロセスを中心に開発・拡販を進めている。

すず合金または純すずの金属バンプは実装の接合部分に用いられており、その需要は非常に大きい。一昔前はすず-鉛を用いたものが一般的であったが、環境への配慮から現在はほとんど使用されていない。鉛フリーのはんだとしては、すず-銀合金、すず-銀-銅合金などが一般的に用いられている。すず合金を用いる理由のひとつは融点対策であり、リフローや実装接合時の加熱温度を純すずよりも下げる事でその他の部位への影響を少なくするのが目的である。
また、純すずバンプのプロセスは金属の融点こそやや高いがすず合金めっきと比較して管理が容易であり、めっき液の安定性も高い。
バンプ用としては、すず-銀の合金めっきプロセスと純すずめっきプロセスを中心に開発・拡販を進めている。

すず- 銀合金バンプめっきプロセス JSOLDER BUHD

JSOLDER BUHDは高~中電流密度での対応が可能なすず-銀合金バンプめっきプロセスとして開発された。本プロセスは、15~8A/d㎡の電流密度で安定した銀の含有量のめっき析出が得られるのが特長である。15A/d㎡での金属析出速度は約7.5μm/minであり、高さ100μmのバンプが約13分で形成できる。更に、本プロセスは滴定や分光光度計を用いた分析により、精度の高い数値管理が可能である。
図3に本プロセスで形成したバンプ外観写真(リフロー前後)を示す。バンプ形状は非常に安定しており、面内均一性も良好である。バンプ形状や物性は電解量が200Ah/Lまで進んでもほぼ影響は無く、リフロー後のボイド発生が無いことを確認している。

JSOLDER BUHDは高~中電流密度での対応が可能なすず-銀合金バンプめっきプロセスとして開発された。本プロセスは、15~8A/d㎡の電流密度で安定した銀の含有量のめっき析出が得られるのが特長である。15A/d㎡での金属析出速度は約7.5μm/minであり、高さ100μmのバンプが約13分で形成できる。更に、本プロセスは滴定や分光光度計を用いた分析により、精度の高い数値管理が可能である。
図3に本プロセスで形成したバンプ外観写真(リフロー前後)を示す。バンプ形状は非常に安定しており、面内均一性も良好である。バンプ形状や物性は電解量が200Ah/Lまで進んでもほぼ影響は無く、リフロー後のボイド発生が無いことを確認している。

純すずバンプめっきプロセス EBASOLDER BUII

EBASOLDER BUⅡは純すずバンプめっきプロセスとして開発されたプロセスである。本プロセスは8~20A/d㎡と幅広い電流密度での対応が可能となっている。また、リフロー後の外観・バンプ高さも安定しており(図4参照)、管理もすず-銀めっきプロセスと比較すると容易である。
また、JSOLDER BUHDとEBASOLDER BUⅡは、共に低α線すずの使用も可能であり、半導体デバイスの信頼性向上にも対応できる。

EBASOLDER BUⅡは純すずバンプめっきプロセスとして開発されたプロセスである。本プロセスは8~20A/d㎡と幅広い電流密度での対応が可能となっている。また、リフロー後の外観・バンプ高さも安定しており(図4参照)、管理もすず-銀めっきプロセスと比較すると容易である。
また、JSOLDER BUHDとEBASOLDER BUⅡは、共に低α線すずの使用も可能であり、半導体デバイスの信頼性向上にも対応できる。

おわりに

今回紹介したプロセスの他にも、当社では様々な半導体用めっきプロセスの開発を進めている。今後5年のフリップチップ市場の成長率は年15%以上とも言われており、ますますの発展が期待できる。
このような需要の拡大に伴い、金属バンププロセスは用途がさらに細分化し、個々の要求にカスタマイズされたプロセスが求められる傾向がある。金属種も銅やすずだけではなくニッケル、貴金属など多岐に渡るものが要求されている。当社としても多様化するニーズに応え、より洗練された技術を提供できるよう研究開発を続けていきたい。

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JCUテクニカルレポート 99号 2016年1月