JP2005072253A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バリアメタル層の機能を維持しながら、被膜応力を低減し得るパッド電極構造を提供すること。
【解決手段】 半導体基板２０表面の絶縁層２上に形成されたパッド電極４と、
前記パッド電極４上と前記絶縁層２上に形成され、前記パッド電極部に開口部が設けられたパッシベーション膜５と、
前記パッシベーション膜５上と前記パッド電極４上に形成され、前記パッド電極部に開口部が設けられたポリイミド膜１１と、
前記パッド電極４上と前記ポリイミド膜１１上に形成され、Ti，Cr，TiW，Mo，Ta，W，Nb，Vのうちいずれか１種の金属からなる下地層と、Ni，Cu，Pdのうちいずれか１種の金属からなるシード層とで構成される第一のバリアメタル層７と、
前記第一のバリアメタル層７上に形成されたNiFe合金からなる第二のバリアメタル層１２と、
前記第二のバリアメタル層１２上に形成された突起電極９と
を備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体基板（ウェハ）のパッド電極に関するものであり、特に外部接続用の突起電極（以下バンプ電極という）を備えたパッド電極に関するものである。
バンプ電極を備えたパッド電極は、バンプ電極とパッド電極との間にバリアメタル層が形成される。配線層材料がSilk，SiOC等のLow k材で構成されている半導体素子においては、半導体素子実装時の熱ストレスや、バリアメタル層の応力等のストレスが配線層に加わり、実装性、電気的特性に影響を与える。よって、これらのストレスの発生を抑制あるいは配線層に与えるストレスを緩和することが必要となっている。

図１１は従来のパッド電極を示す。比誘電率の小さい配線層材料(例えばSilk，SiOC等のLow k材)で形成される配線層１は例えばSiO₂で形成される絶縁層２，３間に形成され、絶縁層２上には、AlあるいはCuで構成されるパッド電極４が形成される。

パッド電極４及び絶縁層２上には、パッド電極４の中央部を開口したパッシベーション膜５が形成され、そのパッシベーション膜５の開口部の周囲には、ポリイミド膜６が形成される。すなわち、ポリイミド膜６の開口部はパッシベーション膜５の開口部より大きくなっている。

次いで、パッド電極４の上面からポリイミド膜６にかけて、第一のバリアメタル層７が形成される。第一のバリアメタル層７は、Ti層上にCu層が形成される。Ti層は、パッド電極４とバリアメタル層との密着性を確保するために形成され、Cu層は電解めっきで第二のバリアメタル層８を形成するためのシード層として形成される。

第二のバリアメタル層８はNiで構成され、その上面にバンプ電極９が形成される。バンプ電極９は、Sn/Agで構成される。
第二のバリアメタル層８は、その下層へのSnの拡散を防止するために、５μｍ程の厚さが確保されている。すなわち、第二のバリアメタル層８のSnに対する耐拡散性が低いと、バンプ電極９からSnが拡散して、バンプ電極９自身の強度が低下するからである。

特許文献１，２には、類似のパッド電極構造が開示されている。
特開平５−５５２２８号公報（第２頁 図１） 特開平１−２１４１４１号公報（第３頁 図１）

上記のようなパッド電極では、Snに対する耐拡散性を確保するために、Niによる第二のバリアメタル層８の厚さが５μｍと厚くなっている。従って、実装時の熱的ストレスあるいは機械的ストレスによる第二のバリアメタル層８の被膜応力は１００〜３００MPaと大きくなる。

この結果、パッド電極４あるいは配線層１の近傍にストレスがかかる構造となっている。
この発明の目的は、バリアメタル層の機能を維持しながら、被膜応力を低減し得るパッド電極構造を備えた半導体装置を提供することにある。

パッド電極上にパッシベーション膜及びポリイミド膜の開口部を形成し、前記パッシベーション膜及びポリイミド膜の開口部にTi層及びCu層にてなる第一のバリアメタル層を形成し、該第一のバリアメタル層上に第二のバリアメタル層を介してバンプ電極を形成した半導体装置において、前記第二のバリアメタル層をNiFe層で形成する。

また、前記NiFe層のFe比率を、５〜１０wt％以外の値とする。
また、前記NiFe層と前記第一のバリアメタル層との間にNi層を介在させる。
また、前記ポリイミド膜の開口部を、前記パッシベーション膜の開口部より小さく形成して、前記パッシベーション膜の開口縁を前記ポリイミド膜で覆う。

本発明によれば、バリアメタル層の機能を維持しながら、被膜応力を低減し得るパッド電極構造を備えた半導体装置を提供することができる。

（第一の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第一の実施の形態を図１〜図２に従って説明する。前記従来例と同一構成部分は、同一符号を付して説明する。

図１に示すように、Silk，SiOC等のLow k材からなる配線層１は、半導体装置を構成する半導体基板２０の絶縁層２と同３間に形成され、絶縁層２上には、AlあるいはCuで構成されるパッド電極４が形成される。パッド電極４及び絶縁層２上には、パッド電極４の中央部を開口したパッシベーション膜５が形成され、そのパッシベーション膜５の上層にポリイミド膜１１が形成される。前記ポリイミド膜１１の開口部はパッシベーション膜５の開口部より小さくなるように形成され、パッシベーション膜５の開口縁がポリイミド膜１１で覆われている。

次いで、パッド電極４の上面からポリイミド膜１１にかけて、第一のバリアメタル層７が形成される。第一のバリアメタル層７は、Ti層上にCu層が形成される。Ti層は、パッド電極４とバリアメタル層との密着性を確保するために形成され、Cu層は電気抵抗が小さく、電解めっきで第二のバリアメタル層を形成するためのシード層として形成される。

前記第一のバリアメタル層７の上層には、NiFe層１２が第二のバリアメタル層として合金層で形成される。NiFe層１２を構成するFeの比率は、Snの耐拡散性に優れた20wt％(重量％)で構成され、膜厚は３μｍである。このような構成により、NiFe層１２の被膜応力は、４０MPa以下となる。

前記NiFe層１２の上面にバンプ電極（突起電極）９が形成される。バンプ電極９は、Sn/Agで構成される。
上記のようなパッド電極の製造プロセスを図２に従って説明する。図２（ａ）に示すように、絶縁層２上にパッド電極４が形成され、さらにパッシベーション膜５及びポリイミド膜１１がパターニングされて、パッド電極４上に開口部が形成される。ポリイミド膜１１の開口部はパッシベーション膜５の開口部より小さく開口され、パッシベーション膜５の開口部はポリイミド膜１１により覆われている。

次いで、図２（ｂ）に示すように、第一のバリアメタル層７がスパッタリング法により形成される。すなわち、第一のバリアメタル層７としてまずTi層が１００nmの膜厚で形成され、次いでCu層が２５０nmの膜厚で形成される。

次いで、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト１３がパターニングされ、第二のバリアメタル層を形成する領域以外がマスクされる。
次いで、図２（ｄ）に示すように、第二のバリアメタル層としてNiFe層１２が電解めっきにより３μｍの膜厚で形成され、続いてAu層にてなる酸化防止膜１４が電解めっきにより２００nmの膜厚で形成される。

次いで、図２（ｅ）に示すように、フォトレジスト１３が除去され、さらに露出している第一のバリアメタル層７がウェットエッチング法により除去される。このとき、酸化防止膜１４により、NiFe層１２及びその下層の第一のバリアメタル層７は侵食されない。次いで、図１に示すように、バンプ電極９がペースト印刷法にて形成される。

NiFe層１２を電解めっきで生成するためのめっき液は、硫酸を主体としたNiめっき液中に、Feを添加し、さらにFeの沈殿、濁りを抑制する添加剤を加える。この添加材として、アスコルビン酸、クエン酸、グルコン酸を使用すると、図３に示すように、めっき液の建浴後１ヶ月経過した場合にも、めっき液中でのFe成分の沈殿が抑制される。

上記のような添加剤を使用しない場合には、めっき液の建浴後数日で沈殿及び濁りが発生し、透明率は５０％以下となる。
また、NiFe層１２のめっき液中に、サッカリン、サッカリンナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム等の被膜応力緩和剤を添加すると、NiFe層１２の被膜応力が低下することがわかった。

図４は、被膜応力緩和剤としてサッカリンを使用した場合の添加量と被膜応力との関係を示す。添加量を調整することにより、被膜応力を４０MPa以下まで低下させることが可能となる。

また、NiFe層１２のめっき液のｐＨを調整することにより、被膜応力を低下させることができる。図５に示すように、めっき液のｐＨを４．２としたとき、被膜応力が最も小さくなる。

また、NiFe層１２のFe比率を調整することにより、バンプ電極９の材料であるSn/Agに対する耐食性を調整可能であることがわかった。調査条件は、NiFe層１２のFe比率を変化させた多数のパッド電極を形成し、印刷法にてバンプ電極９を形成して熱処理を行う。

そして、バンプ電極９を切断し、その切断面においてSn/Agに侵食されている膜厚を測定する。図６にその測定結果を示す。
同図に示すように、Fe比率が５〜１０％を除く範囲で、Niにてなる従来の第二のバリアメタル層の侵食量Ｘより少なくなり、Fe比率を増大させるにつれて、侵食量がさらに少なくなる。従って、Fe比率を調整することにより、NiFe層１２のバンプ電極９による侵食量を少なくすることができるので、NiFe層１２の膜厚を薄くすることが可能となる。

以上のことから、この実施の形態のNiFe層１２の電解めっき液は、Fe酸化防止剤としてグルコン酸を添加し、被膜応力緩和剤としてサッカリン、ラウリル硫酸ナトリウムを添加し、ｐＨは４．２とし、Fe比率を２０wt％とした。

上記のように構成されたパッド電極では、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）第二のバリアメタル層を電解めっきによるNiFe層１２で構成したので、被膜応力を小さくすることができる。
（２）第二のバリアメタル層を構成するNiFe層１２のFe比率を２０wt％以上とすることにより、バンプ電極９を構成するSn/Agに対する耐食性を向上させることができる。従って、第二のバリアメタル層の膜厚を３μｍと薄くすることができるので、被膜応力を小さくすることができる。
（３）NiFe層１２で構成される第二のバリアメタル層の被膜応力を小さくすることができる。従って、パッド電極４あるいは配線層１の近傍におけるクラックの発生を防止して、信頼性の高いパッド電極を構成することができる。
（４）NiFe層１２で構成される第二のバリアメタル層を電解めっきするめっき液に、酸化防止剤を添加することにより、めっき液の沈殿及び濁りの発生を抑制することができる。
（５）NiFe層１２で構成される第二のバリアメタル層を電解めっきするめっき液に、サッカリン、サッカリンナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム等の被膜応力緩和剤を添加することにより、第二のバリアメタル層の被膜応力を小さくすることができる。
（６）NiFe層１２で構成される第二のバリアメタル層を電解めっきするめっき液のｐＨを調整することにより、第二のバリアメタル層の被膜応力を小さくすることができる。
（７）ポリイミド膜１１の開口部を、パッシベーション膜５の開口部より小さくした。従って、パッド電極４近傍に作用する被膜応力を分散させることができる。従って、パッド電極４近傍あるいは配線層１近傍でのクラックの発生を防止することができる。
（第二の実施の形態）
図７及び図８は、第二の実施の形態を示す。この実施の形態のパッド電極は、図７に示すように、第二のバリアメタル層を前記第一の実施の形態と同様なNiFe層１２と、Ni層１５とからなる２層で構成したものであり、その他の構成は、第一の実施の形態と同様である。Ni層１５は、第一のバリアメタル層７とNiFe層１２との間に０．２μｍの膜厚で形成される。

図８は、第二の実施の形態のパッド電極の製造プロセスを示す。図８（ａ）〜（ｃ）は、前記第一の実施の形態と同様である。図８（ｄ）において、第一のバリアメタル層７上に第二のバリアメタル層としてNi層１５が電解めっきにより形成される。そして、Ni層１５上に電解めっきによりNiFe層１２が３μｍの膜厚で形成される。続いてAu層にてなる酸化防止膜１４が電解めっきにより２００nmの膜厚で形成される。

次いで、図８（ｅ）に示すように、フォトレジスト１３が除去され、さらに露出している第一のバリアメタル層７がウェットエッチング法により除去される。次いで、図7に示すように、バンプ電極９がペースト印刷法にて形成される。

上記のように構成されたパッド電極では、第一の実施の形態で得られた作用効果に加えて、次に示す作用効果を得ることができる。
（１）NiFe層１２と第一のバリアメタル層７との間に、Ni層１５を形成したので、第一のバリアメタル層７からNiFe層１２へのCuの拡散をNi層１５により阻止することができる。NiFe層１２へCuが拡散すると、そのNiFe層１２のCu拡散部にバンプ電極９からSnが拡散し、バンプ強度が低下してしまうが、この実施の形態ではバンプ電極９からNiFe層１２へのCuの拡散を防止することができる。従って、信頼性をさらに向上させることができる。

上記各実施の形態は、以下の態様で実施してもよい。
・第一のバリアメタル層７は、TiにNi、Cu若しくはPdを含む被膜で構成してもよい。
・第一のバリアメタル層７は、下地層をTi,Cr,TiW,Mo,Ta,W,Nb,Vのうちのいずれか一種の金属で構成し、その上層をNi,Cu,Pdのうちいずれか一種の金属で構成した二層構造、あるいは上層をNi,Cu,Pdのいずれかを組み合わせた三層構造としてもよい。
・第二のバリアメタル層を構成するNiFe層１２の上層に、Au,Pt,Pd等の酸化防止膜を電解めっき法あるいは無電解めっき法にて形成してもよい。
・バンプ電極９は、印刷法、転写法、電解めっき法で形成してもよい。
・バンプ電極９は、Sn/Pb，Sn/Ag，Sn/Ag/Cu，Sn/Bi，Sn/Bi/Ag，Au，Pd，Ni，Cuのいずれか１つ、あるいはいずれかの組み合わせによる金属で形成してもよい。
・図９及び図１０に示すように、多数のパッド電極が縦横に多数形成されるとき、ポリイミド膜１１は、各パッド層毎に独立するようにパターニングしても、被膜応力の分散効果を得ることができる。
（付記１）半導体基板表面の絶縁層上に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極上と前記絶縁層上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上と前記パッド電極上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたポリイミド膜と、
前記パッド電極上と前記ポリイミド膜上に形成され、Ti，Cr，TiW，Mo，Ta，W，Nb，Vのうちいずれか１種の金属からなる下地層と、Ni，Cu，Pdのうちいずれか１種の金属からなるシード層とで構成される第一のバリアメタル層と、
前記第一のバリアメタル層上に形成されたNiFe合金からなる第二のバリアメタル層と、
前記第二のバリアメタル層上に形成された突起電極と
を備えたことを特徴とする半導体装置。
（付記２）前記第二のバリアメタル層のNiFe合金のFe含有率が、５〜１０wt％の範囲を除くことを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記第二のバリアメタル層は、Niからなる下地層とNiFe層からなる合金層の２層からなることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記４）半導体基板表面の絶縁層上に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極上と前記絶縁層上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたパッシベーション膜と、
前記パッシベーション膜上と前記パッド電極上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたポリイミド膜と、
前記パッド電極上と前記ポリイミド膜上に形成された第一のバリアメタル層と、
前記第一のバリアメタル層上に形成された第二のバリアメタル層と、
前記第二のバリアメタル層上に形成された突起電極と
を備え、
前記ポリイミド膜に設けられた開口部は、前記パッシベーション膜に設けられた開口部より小さいことを特徴とする半導体装置。
（付記５）半導体基板表面のパッド電極上にパッシベーション膜とポリイミド膜の開口部を形成し、
前記パッシベーション膜及びポリイミド膜の開口部にTi層及びCu層にてなる第一のバリアメタル層をスパッタリングにより形成し、該第一のバリアメタル層上に電解めっき法により第二のバリアメタル層を形成し、該第二のバリアメタル層上にバンプ電極を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第二のバリアメタル層を形成するめっき液に、アスコルビン酸、クエン酸、グルコン酸の少なくともいずれか及びサッカリン、サッカリンナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウムの少なくともいずれかを添加したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記６）前記第二のバリアメタル層のNiFe合金のFe含有率を２０wt％以上としたことを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記７）前記第一のバリアメタル層は、
Ti，Cr，TiW，Mo，Ta，W，Nb，Vのうちいずれか１種の金属からなる下地層と、
Ni，Cu，Pdのうちいずれか１種の金属からなるシード層と
からなる２層構造または
前記金属のうちいずれかを組み合わせた３層構造からなることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記８）半導体基板表面のパッド電極上にパッシベーション膜とポリイミド膜の開口部を形成し、
前記パッシベーション膜及びポリイミド膜の開口部にTi層及びCu層にてなる第一のバリアメタル層をスパッタリングにより形成し、該第一のバリアメタル層上に電解めっき法により第二のバリアメタル層を形成し、該第二のバリアメタル層上にバンプ電極を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第二のバリアメタル層を形成するめっき液のｐＨを４．２としたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

第一の実施の形態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は第一の実施の形態の製造プロセスを示す断面図である。 NiFe層を形成するためのめっき液の透明率を示す説明図である。 めっき液の添加剤濃度に対する被膜応力の変化を示す説明図である。 めっき液のｐＨに対する被膜応力の変化を示す説明図である。 めっき液のFe比率に対するSnの侵食量を示す説明図である。 第二の実施の形態を示す断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は第二の実施の形態の製造プロセスを示す断面図である。 別例を示す平面図である。 別例を示す断面図である。 従来例を示す断面図である。

符号の説明

２ 絶縁層
４ パッド電極
５ パッシベーション膜
７ 第一のバリアメタル層
９ 突起電極（バンプ電極）
１１ ポリイミド膜
１２ 第二のバリアメタル層（NiFe層）
１４ 酸化防止膜
１５ Ni層
２０ 半導体基板

Claims (5)

1. 半導体基板表面の絶縁層上に形成されたパッド電極と、
   前記パッド電極上と前記絶縁層上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたパッシベーション膜と、
   前記パッシベーション膜上と前記パッド電極上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたポリイミド膜と、
   前記パッド電極上と前記ポリイミド膜上に形成され、Ti，Cr，TiW，Mo，Ta，W，Nb，Vのうちいずれか１種の金属からなる下地層と、Ni，Cu，Pdのうちいずれか１種の金属からなるシード層とで構成される第一のバリアメタル層と、
   前記第一のバリアメタル層上に形成されたNiFe合金からなる第二のバリアメタル層と、
   前記第二のバリアメタル層上に形成された突起電極と
   を備えたことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第二のバリアメタル層のNiFe合金のFe含有率が、５〜１０wt％の範囲を除くことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第二のバリアメタル層は、Niからなる下地層とNiFe層からなる合金層の２層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 半導体基板表面の絶縁層上に形成されたパッド電極と、
   前記パッド電極上と前記絶縁層上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたパッシベーション膜と、
   前記パッシベーション膜上と前記パッド電極上に形成され、前記パッド電極上に開口部が設けられたポリイミド膜と、
   前記パッド電極上と前記ポリイミド膜上に形成された第一のバリアメタル層と、
   前記第一のバリアメタル層上に形成された第二のバリアメタル層と、
   前記第二のバリアメタル層上に形成された突起電極と
   を備え、
   前記ポリイミド膜に設けられた開口部は、前記パッシベーション膜に設けられた開口部より小さいことを特徴とする半導体装置。
5. 半導体基板表面のパッド電極上にパッシベーション膜とポリイミド膜の開口部を形成し、
   前記パッシベーション膜及びポリイミド膜の開口部にTi層及びCu層にてなる第一のバリアメタル層をスパッタリングにより形成し、該第一のバリアメタル層上に電解めっき法により第二のバリアメタル層を形成し、該第二のバリアメタル層上にバンプ電極を形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記第二のバリアメタル層を形成するめっき液に、アスコルビン酸、クエン酸、グルコン酸の少なくともいずれか及びサッカリン、サッカリンナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウムの少なくともいずれかを添加したことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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