JP5522662B2 - 微細構造体形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスデポジション法を用いて金属バンプ等の微細構造体を形成する方法に関する。

半導体LSIチップの発展に伴い、電子部品の小型化、高密度化により、それを具備した各種機器の小型化と性能向上が同時に進行している。小型の電子部品を高密度に実装するときに最も重要な技術の一つに、電子部品と配線基板の電気的接続技術がある。

従来、はんだを例えば0.1mm程度のボール状に加工したものを電極上に搭載し、これをリフロー炉で溶解することで、電子部品の搭載密度を向上させることが行われている。現状では、はんだボールを用いて得られる接続ピッチはおよそ0.1mm程度であるが、はんだボールの微細化に伴い、ボールの作製、配置にかかわる技術的困難性が増し、この方法に替わる新たな微細電極接続法が求められている。

その一つに、金属電極上に微細な突起状金属バンプを形成し、これを対向する電極に押し付けて熱や超音波振動などにより物理的、機械的に接続するフリップチップ接続と呼ばれる方法がある。

この方法においては、いかに微細かつ高精度な形状で金属バンプを作製するか、また、微細な電極ピッチに対応するため作製したバンプが押しつぶされた時に周囲に広がらないこと、あるいは作製したバンプによる接合が機械的電気的に安定な接続をしていることなどが保証されることが必要になる。

国際公開番号WO2007-114314

本発明は、上記の事情に鑑み、機械的、電気的に安定した電極間接続を実現することのできる金属バンプ等の微細構造体を形成する方法の提供を目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、フォトレジストに設けられた開口部の上からガスデポジション法で金属ナノ粒子を吹き付け、開口部内に突起状の微細構造体を形成する方法であって、微細構造体を一方向に傾斜させるように、吹き付けノズルからの流路方向を変位させることを特徴とする微細構造体形成方法を提供する。

ここで、上記開口部は例えば穴または溝であり、上記突起状は例えば錐形状またはエッジ形状であり、微細構造体は例えばバンプである。

また、本発明は、中心から所望方向にずれた頂点を持つことを特徴とする金属バンプ、ならびに該金属バンプを備えた半導体チップも提供する。

（ａ）は従来のガスデポジション法によるバンプ、（ｂ）本発明によるバンプの一例を示した図である。 （ａ）は従来のガスデポジション法によるバンプ、（ｂ）本発明によるバンプについて説明するための図である。 （ａ）は従来のガスデポジション法によるバンプ、（ｂ）本発明によるバンプについて説明するための図である。 （ａ）（ｂ）は本発明によるバンプとチップについて説明するための図である。 本発明によるバンプ形成方法の一例を示す図である。 本発明によるバンプ形成方法の別一例を示す図である。 本発明によるバンプ形成方法のさらに別の一例を示す図である。 （ａ）（ｂ）は本発明によるバンプ形成方法のさらにまた別の一例を示す図である。 本発明により実際に作製した円錐金属バンプを示す図である。 図９の円錐金属バンプ形成のためのホールパターンを示す図である。 図９の実験条件について説明する図である。 図９の実験条件について説明する別の図である。 図９の円錐金属バンプ形成に用いたガスデポジション時のブロック体としてのチップ取付冶具を示す図である。 ノズルスキャンとバンプ形成の関係について説明するための図である。 バンプ形成プロセスの評価について説明するための図である。 バンプ成長速度及びバンプ形成時間の算出におけるレジストホール形状について説明するための図である。 バンプ成長速度及びバンプ形成時間の算出における円錐バンプ形状について説明するための図である。 ひさし成長速度の算出におけるレジストホール形状、円錐バンプ形状、及びひさし形状について説明するための図である。

［ガスデポジション法］
ガスデポジション法はすでに多くの特許で開示されているものであるが、その一つに微細な金属バンプを形成する方法が本出願人により既に出願されている（特許文献１）。この既出願の方法によれば、通常の半導体作製工程で用いられるフォトリソグラフィ技術を用いて基板上の金属電極を覆ったフォトレジスト膜に微細な穴を設け、この上からガスデポジション法によりナノ寸法の金属粒子をガスと共に減圧条件下で吹き付けを行うことにより、該穴内に金属の堆積を生じさせ、このとき同時に該穴の周囲からも金属の堆積つまり穴に覆いかぶさるひさしを生じさせることにより、該穴の開口径が縮小することで、最終的に該穴内に自己整合により錐形を持つ金属突起状のバンプを形成することができる。この方法の特徴は、フォトリソグラフィ技術を用いることからバンプの寸法を0.1ミクロンレベルで制御可能であること、フォトレジストの穴が自己完結的に閉じるため、同一形状の突起構造をガスデポジション法による金属堆積のみで自動的に形成できることにある。また、ガス吹き付け領域をフォトレジストの穴の部分に対してスキャンすることで、複数のバンプを均一に作製することができる。

［バンプ突起方向の制御］
上述のようにフォトレジストに形成した微細穴上にガスデポジション法によりナノ金属粒子を吹き付けたとき、吹き付けノズルの寸法が該穴径より大きい場合（通常、バンプ寸法数十μm以下、ノズル径：100μm以上）、作成されるバンプは等方的になり、穴の形が四角形であれば四角錐、円であれば円錐形になり、突起は穴の中心に形成される。図１（ａ）は頂点が円の中心にある円錐形のバンプ１の一例を示す。

ところで、近年のLSIチップなどでは、接続する金属電極のピッチの縮小による高密度化と同時にチップの厚みを薄くすることが求められる一方、接続時のチップの変形（反り）が問題とされている。この反りに関しては、微細バンプ１を金属電極上に形成してこれを対向電極上に押し付けて接続するフリップチップ法を用いた場合、例えば図２（ａ）に示すように、チップ２内への応力をチップ２の中心から放射線状に均一化することで、チップ２内へのひずみを等方的にすることができる。

しかしながら、例えば図３（ａ）に示すように、バンプ径ｄとバンプピッチpがp<2dという挟ピッチの関係にある場合、フリップチップ圧接時のバンプ１の変形により短絡が発生する場合がある。

そこで、本発明では、例えば図１（ｂ）に示すように、チップ２周辺に形成するバンプ１の突起方向をチップ２のある一方向に傾ける、つまりバンプ１全体を一方向に傾斜させてその頂点を円の中心から外すことで、図２（ｂ）に示すようにフリップチップ圧接時にチップ２本体に傾斜方向とは反対向きの引っ張り応力が加わり、一方で基板３に対して傾斜方向の引っ張り応力が加わり、即ちチップ２と基板３とが横滑りするように圧力が加わり、図３（ｂ）に示すように挟ピッチにおいても短絡の発生を防ぐことができる。

また、図４（ａ）（ｂ）の例では、それぞれ、バンプ１の頂点を内側方向または外側方向に傾けており、これにより内側方向傾斜の場合（図４（ａ））にはチップ２に内向きの引っ張り力、基板３に外向きの引っ張り力が加わり、また外側方向傾斜の場合（図４（ｂ））にはチップ２に外向きの引っ張り力、基板３に内向きの引っ張り力が加わり、結果、チップ２の変形を効果的に抑制ないし防止することができる。

さらに、超音波振動を与えるフリップチップにおいては、通常、超音波振動によるチップの位置ずれが問題となるが、バンプ１の突起方向（或いは頂点方向）を上記のような方向に変位させることで、振動による位置ずれを吸収する効果も得られる。

この突起方向の変位は、例えば図５に示したように、ガスデポジション吹き付けノズル６をフォトレジスト４の穴５の中心からずらすことにより実現できる。より具体的には、一例として、膜状のフォトレジスト４に形成した穴５に対してガスデポジションにより金属ナノ粒子を吹き付ける際に、吹き付けノズル６の位置を、吹き付けスキャン方向ｙ（紙面に直交する方向）に直交した軸方向ｘにずらす。これにより、ノズル６からのガス流に乗った金属粒子つまり金属粒子流の少なくとも一部が穴５の開口周辺のフォトレジスト４に衝突し、穴５への流路方向が変位することで、穴５の中心位置から見てある一定方向における金属粒子の堆積速度が他の方向と相対して遅くなるあるいは速くなり、穴５内に形成されるバンプ１が一定方向に傾いた、つまりバンプ１の頂点が突起中心軸から一方向に変位した形状を持つことになる。

すなわち、任意の傾きを持つバンプ１を形成するには、吹き付けノズル６からの噴出流路をある所望の方向に偏った流れとなるように変位させればよい。この具体的手法の一例が、上記図５に例示した吹き付けノズル６の軸ずらしである。他の手法としては、例えば図６〜図８に示したものが考えられる。

図５では、ノズル６の位置をずらすことにより、穴５周囲のフォトレジスト４が直接ガス流あるいは金属粒子流の壁となっているが、図６及び図７では、より積極的に流路変異を促すべく、流路ブロック体７を穴５の周辺に設けている。図６の流路ブロック体７は、穴５の外側近傍にて、フォトレジスト４上に形成された凸状体であり、図７の流路ブロック体７は、穴５の上方に一部位置して、フォトレジスト４とノズル６との間に設けられた板状体である。これら流路ブロック体７にノズル６からの噴出流路の少なくとも一部が当たるあるいは遮られることで、流路が変位して、穴５内に到達する金属ナノ粒子がある一定方向に偏って堆積することになり、形成されるバンプが全体的に傾いた形状となる。流路ブロック体７は、穴５の中心位置からスキャン方向ｙと平行な方向にずれた位置に設けても、スキャン方向ｙと直交する方向ｘにずれた位置に設けてもよい。

更に他の一例としては、図８（ａ）（ｂ）に示したように、ノズル６、または基板３や穴５等の被形成体を、スキャン方向ｙと平行な方向あるいは直交する方向ｘに角度θ傾斜させる。これにより、穴５の中心から見たノズル６からの噴出流路が傾斜角θの偏りを持って変位したものとなり、突起方向が傾斜したバンプを形成することができる。傾斜角θは所望のバンプ傾斜変位方向および変位量が得られるように設定する。

以上のノズル６の軸ずらし、ブロック体７の設置、ノズル６等の傾斜は、噴出流路をある一定方向に偏って変更できる位置ならびに形状および大きさ、あるいは傾斜角θをもって行うことで、穴５内での金属粒子の堆積速度を所望の方向にのみ相対的に低下あるいは増加させて、所望の変位方向及び変位量をもって傾いた突起形状を実現することができる。もちろん噴出流路を変位させる手段はこれらに限定されず、ノズル６からのガス流あるいは金属粒子流の少なくとも一部を遮る、衝突させるなどすることで、直接的あるいは間接的に流路を一定方向に偏った流れとすることができればよい。また、形成される構造体としては、錐形のバンプだけでなく、ライン状突起物など、穴や溝等の開口部内にガスデポジション法により形成することができる微細突起構造体を考慮できる。例えば、ライン状突起物は、グルーブ接続のためのライン状バンプや、チップのライン状封止剤などとして利用することができる。

［バンプ作製の実施例］
ここで、実際に本発明により作製した錐形金属バンプについて説明する。図９は、作製した円錐状Auバンプの電子顕微鏡像、図１０はこのバンプ形成のためのホールパターンの電子顕微鏡像である。

この実験では、ホールアレイを、図１１に示すチップとレジストパターンの詳細仕様に従って、ＵＶリソグラフィにより、膜厚３０．５μｍのレジストに、直径３４．５μｍ、ピッチ６０．０μmで形成し、バンプアレイを、図１２に示す成膜条件でガスデポジション法により作製した。ガスデポジション時には、前述したブロック体７として、図１３に示す高さ３ｍｍ、傾斜面角度４５°のチップ取付冶具を用いた。このチップ取付冶具とホールアレイ（バンプアレイ）中の最端のホール（バンプ）の中心との間には５１０μｍの間隔を設け、ノズルの高さ位置を４ｍｍとした。

これにより、図９に示すように頂点が中心軸から６．７μｍ変位した円錐状バンプを得ることができた。

［バンプの形成プロセス評価方法］
本発明による金属バンプは、フォトレジストに形成された穴内にAu等の金属ナノ粒子が堆積し、これとともに上部に成長するひさしによりその穴が閉じることで、自動的に自己整合により錐形状に形成される。このとき、成膜中の形成条件の安定化が重要である。

そこで、上述した実際の円錐Auバンプを詳細に観察したところ、前述の図９から明らかなように、表面にステップ構造が観察されることが判明した。図９に示すバンプの表面にはステップ構造を構成する等高線の縞模様が確認できる。このステップ構造は、図１４に例示したように、フォトレジスト４の穴５上に吹き付けノズル６をスキャンしたことにより、そのスキャンに伴って年輪のように発生したものであり、成膜速度、形成時間、ひさし成長速度と関係がある。

まず、実際の図９のバンプ表面に現れているステップ数をバンプ底面から頂点まで数えると、２８段ある。すなわち、２８のスキャンでバンプが形成されたことが分かる。レーザ顕微鏡による３次元形状計測からバンプ頂点の高さは３８．０μｍであることが分かっているので、スキャン毎の平均の成膜膜厚は１．４μｍと非常に高速であることが分かる。このときの成膜条件として、ステージのスキャン速度は２ｍｍ／ｓ、ストローク２０ｍｍとしており、７．５ｍｍ角チップ１辺に１列に並んだ１０５個のレジストホールを１０秒でスキャンしている。これにより、成膜速度は０．１４μｍ／ｓと算出され、６０μｍピッチで１０５個のバンプ１列をわずか４分４０秒（バンプ形成時間）で作製したことになる。チップサイズの７．５ｍｍ角に対してステージのスキャンストロークは２０ｍｍであり、１２．５ｍｍだけ余分に成膜していることになる。したがって、この分を除けばさらに形成時間を短縮することが可能であり、スキャンストロークをチップサイズの７．５ｍｍ角と同じにした場合は、１分４５秒で作製可能と算出できる。

また、成膜速度や形成時間だけでなく、バンプ形成中のひさしの成長速度も次のようにして算出可能である。円錐バンプの頂点高さは、レジストホールの高さに対して１．２５倍高いので、垂直方向の成膜速度が、ひさしの成長速度より１．２５倍速かったことが分かる。この速度比より、ひさしの成長速度は、０．１１２μｍ／ｓと算出できる。

このように、レジストホール、バンプの３次元形状、さらにステップの数を測定することで、平均の成膜速度、形成時間、ひさし成長速度を算出することが可能である。

さらに、平均の成膜速度などだけではなく、図１５のようにステップの形状および間隔をより精密に計測し、バンプ表面の３次元形状までをも得ることで、バンプ形成中のスキャン毎の成膜速度や成長方向などの情報を得ることができ、このデータに基づき、形成条件をガスデポジション法の各種パラメータにフイードバックすることで、安定したバンプ形成を行うことができる。ステップの形状および間隔の計測は、例えば、電子顕微鏡像や光学顕微鏡像から求めることができ、このデータから例えば中心軸からの傾き＋−α°といった成長方向情報を算出することができる。

ここで、成膜速度、形成時間、ひさし成長速度について更に具体的に説明する。

前述したようにガスデポジション法によって作製した円錐バンプの表面に現れる段数n_scanを数えることにより、
１．スキャン毎の平均の成膜速度（＝円錐バンプ成長速度） v_scan (= v_bump)
２．バンプの形成時間 T_bump
３．スキャン毎の平均のひさしの成長速度 v_visor
を算出できる。

図１６及び図１７に示したようなレジストホール形状及び円錐バンプ形状の場合、バンプ成長速度及びバンプ形成時間は、以下のように算出できる。

錐バンプ表面には縞模様があり、このステップはガスデポジション成膜中でノズル（又はステージ）を往復してスキャンする際の１回のスキャンで成膜される膜厚を現している。したがって、スキャン毎の平均の成膜膜厚h_scanは、円錐バンプ頂点の高さh_bumpとステップ数n_scanにより算出できる。

ノズル（又はステージ）を往復しスキャンして成膜するので、１スキャンにかかる時間をt_scan [s/scan]とすると、毎秒の成膜膜厚、すなわち成膜速度v_bumpは、数１のh_scanを用いて、次式で算出できる。

ここで、数２中のn_st_sは、ひさしが完全に塞がり、円錐バンプが形成されるまでの時間T_bumpを現している。すなわち、円錐バンプの形成時間T_bumpは、ステップ数n_scanを数えることで容易に算出することができる。１回のスキャン時間t_scanは、ノズル（又はステージ）の移動速度v_scan、スキャン距離d_scanに関係するので、下記数３が成り立つ。これより、v_scanを一定とした同じ成膜条件下では、円錐バンプの形成時間T_bumpはd_scanに比例して変化することが分かる。

数３を用いれば、数２は書き数４のように表わせる。

次にひさしの成長速度は、図１８に示したようなレジストホール形状、円錐バンプ形状、及びひさし形状の場合、以下のように算出できる。

まず、バンプおよびひさしの成長速度v_bump,v_visorはホールの形状に依らずそれぞれ一定と仮定し、それぞれの平均の成長速度は、次式で表わされる。ここで、ひさしが完全に塞がる時間とバンプが形成される時間は同じであることが注目すべき点である。

数６より、v_visorは、n_scanを数えることで容易に算出することができる。

数５、数６より、v_bump, v_visorの関係は、次式で与えられる。

数７より、v_bump, v_visorの比によって、円錐バンプのアスペクト比AR_bumpが決定される。すなわち、ガスデポジション法の成膜条件によって、 v_bump, v_visorを変化させることで、円錐バンプのテーパ角度を変化させることが可能となる。

例えば、レジストホール形状のアスペクト比AR_hole=1 (h_hole=d_hole)の場合で、円錐バンプ頂点の高さh_bumpが、レジスト膜厚h_holeと一致したときには、v_visorはちょうどv_bumpの半分になる。

１ バンプ
２ チップ
３ 基板
４ フォトレジスト
５ 穴
６ ノズル
７ 流路ブロック体

Claims (16)

1. フォトレジストに設けられた開口部の上からガスデポジション法で金属ナノ粒子を吹き付け、開口部内に突起状の微細構造体を形成する方法であって、
   微細構造体を一方向に傾斜させるように、吹き付けノズルからの流路方向を変位させることを特徴とする微細構造体形成方法。
2. 吹き付けノズルを開口部の中心からずらして、吹き付けノズルからの流路方向を変位させる、請求項１に記載の方法。
3. 吹き付けノズルからの流路方向を変位させる流路ブロック体を用いる、請求項１に記載の方法。
4. 流路ブロック体により吹き付けノズルからの流路の少なくとも一部を遮る、請求項３に記載の方法。
5. 流路ブロック体に吹き付けノズルからの流路を当てる、請求項３に記載の方法。
6. 流路ブロック体を開口部または吹き付けノズルの近傍に設ける、請求項２乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 吹き付けノズルまたは被形成体を傾斜させて、開口部から見た吹き付けノズルからの流路方向を変位させる、請求項１に記載の方法。
8. 開口部が穴または溝である、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 突起状が、錐形状またはエッジ形状である、請求項１ないし乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 微細構造体がバンプである、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 微細構造体がライン状突起である、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法により形成された微細構造体の形成プロセスの評価方法であって、ガスデポジション法により開口部内に形成された微細構造体の表面に現れたステップの数を求め、該数に基づいて微細構造体の成膜速度、微細構造体の形成時間、および前記開口部上のひさしの成長速度の少なくとも一つを得る、微細構造体の形成プロセスの評価方法。
13. 微細構造体の表面に現れたステップの形状及び間隔を求め、該形状及び間隔に基づいて微細構造体の成長方向を得る、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法により形成された微細構造体の形成プロセスの評価方法であって、ガスデポジション法により開口部内に形成された微細構造体の表面に現れたステップの形状及び間隔を求め、該形状及び間隔に基づいて微細構造体の成長方向を得る、微細構造体の形成プロセスの評価方法。
15. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法により形成された金属バンプであって、中心から所望方向にずれた頂点を持ち、その表面に等高線の縞模様を形成する複数段のステップを有することを特徴とする金属バンプ。
16. 請求項１５の金属バンプを備えた半導体チップ。