JP2005175128A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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浩久 松木
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Hisahiro Okamoto
九弘 岡本
Masamitsu Ikumo
雅光 生雲
Shuichi Chiba
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Abstract

【課題】 本発明は狭ピッチ化された突起電極を有する半導体装置及びその製造方法に関し、突起電極の狭ピッチ化を図りつつ突起電極の高背化をも図ることを課題とする。
【解決手段】 半導体基板11の電極15部に開口部があるレジストをアッシング処理、酸浸漬処理、シャワー水洗いした後、電解めっきによりはんだを開口部に形成することにより、はんだボール13の電極間ピッチをX1とし、バリアメタル12の直径をX2とし、はんだボール13の半導体基板11からの高さをX3としたとき、このX1,X2,X3が、X1/2≦X2≦(3X1/4)で、かつX1/2≦X3≦(3X1/4)となる半導体装置を製造する。
【選択図】 図1

Description

本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に狭ピッチ化された突起電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、電子機器の小型化を実現するため、これに組み込まれる半導体装置の小型化が図られている。この半導体装置を構成する半導体素子は、その表面に突起電極(バンプ)を配設すると共に実装基板にこの突起電極と対応する電極を形成し、突起電極を実装基板側の電極とフリップチップ実装する技術が多用されている。この半導体素子の小型化を図るには、半導体素子の表面上に形成される突起電極のピッチを更に超微細ピッチ化する必要がある。
従来、はんだよりなる突起電極(以下、バンプという)を半導体素子上に形成する場合、はんだペースト印刷、はんだボール転写、はんだめっき法を用いていた。また、バンプのピッチは、半導体素子の高密度化に伴い500μmから250μm,200μmと狭ピッチ化しており、近い将来には50μmを下回るピッチで格子状に形成することが要求されると考えられる。このような狭ピッチでは、搭載基板に対する半導体素子の搭載ずれが大きいと接続が困難になるが、バンプが球状のはんだでできているとセルフアラインの現象が発生する。このセルフアライン現象が発生すると、搭載基板への半導体素子の搭載時に両者間に多少のずれが発生してもこの搭載ずれは修復される。このため、バンプは球状はんだであることが望ましい。
一方、狭ピッチでフリップチップ接続する場合の構造上の問題は、搭載基板と半導体素子との間の熱膨張量の違いでバンプに大きなストレスが印加されることである。バンプに大きなストレスが印加された場合、半導体素子と搭載基板の接続部の信頼性は大きく低下することになる。このストレスを緩和するためには、バンプの高さをバンプピッチに対してできる限り大きくすることと、はんだの下地金属と下地層の密着性を保つことが必要である。
更に製造方法の面では、このような狭ピッチのバンプは、一般的な印刷ペーストのはんだ粒径にほぼ等しいため印刷法は応用できない。また、はんだボール転写法もボールが小径となるため保持することができないので、必然的にめっき法を選択する必要がある。電解めっき法により半導体素子上にバンプ(球状突起電極)を形成する場合、バンプ配列と同等の配置間隔を有したレジスト・パターンを形成した後、電解めっき法を用いてレジスト・パターン内にめっき金属を成長させる手法が一般的である(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−195665号公報(第7−8頁、図2)
しかしながら、バンプの配列が微細化しかつ格子状に配列する場合、これに伴いバンプを形成するためにレジストに形成するレジスト開口パターンも微細化する。これにより、レジストの膜厚寸法とレジスト開口パターンの開口寸法(直径)との比が大きくなり、レジスト開口パターン内への電解めっき液が進入し難くなる。これは、一般にレジストは疎水性が高く、よってめっき液をはじく性質があることに起因する。
このようにレジストに形成されたレジスト開口パターン内に十分な電解めっき液が供給されなかった場合、成長するめっきの厚さにバラツキが発生し、均一な形状のバンプを形成することができなくなるという問題点があった。このようにバンプ形状にバラツキが発生すると、搭載基板に対する半導体素子の接続信頼性が大きく低下してしまう。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、狭ピッチ化されても半導体基板からの高さが高い突起電極を有した半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
請求項1記載の発明は、
半導体基板の電極にバリアメタルが形成されると共に、該バリアメタルに突起電極が形成されてなる半導体装置において、
前記突起電極の突起電極間ピッチをX1とし、
前記バリアメタルの直径をX2とし、
前記突起電極の前記半導体基板からの高さをX3としたとき、
前記X1,X2,X3が、(X1/2)≦X2≦(3X1/4)で、かつ(X1/2)≦X3≦(3X1/4)となるよう構成したことを特徴とするものである。
上記構成とすることにより、突起電極の狭ピッチ化を図りつつ高背化を図ることができるため、半導体装置のフリップチップ実装時における実装信頼性を高めることができる。
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の半導体装置において、
前記バリアメタル層は、上層からNi層、Cu層、Ti層からなり、Ti層はCu層に対し100nm以上200nm以下のサイドエッチ構造を有することを特徴とするものである。
また、請求項3記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、
半導体基板上にシード層を形成するシード層形成工程と、
前記半導体基板に設けられた電極の形成位置と対応する位置にレジスト開口部を有したレジストを形成するレジスト形成工程と、
前記開口部内の前記シード層上にバリアメタルを形成するバリアメタル形成工程と、
前記開口部内の前記バリアメタル上に突起電極をめっき形成する突起電極形成工程とを含み、
前記レジスト形成工程後に、前記レジストに対して、少なくともアッシング処理、酸浸漬処理、シャワー水洗いのいずれか一つの処理を行なう前工程を実施することを特徴とするものである。
上記発明によれば、突起電極形成工程で用いるめっき液とレジストの濡れ性確保の為に、めっき前のレジスト開口に対してアッシング処理、酸浸漬処理、シャワー水洗処理を実施することにより、レジストとめっき液間の親性を高めることができる。これにより、高アスペクトのレジスト開口パターン内へめっき液を確実に進入させることができ、よって高背かつ均一高さを有した突起電極を形成することができる。
また、請求項4記載の発明は、
請求項3記載の半導体装置の製造方法において、
突起電極形成工程が終了した後、前記レジストを剥離すると共に、
前記バリアメタルをウェットエッチングで整形することを特徴とするものである。
また、請求項5記載の発明は、
請求項3記載の半導体装置の製造方法において、
前記突起電極形成工程において形成された突起電極に対し、カルボン酸を用いたフラックスレス・リフローを実施することにより突起電極を整形する突起電極整形工程を設けたことを特徴とするものである。
上記発明によれば、従来方式のフラックス・リフローと比較して、還元力のコントロールが容易となり、その結果、周辺へのはんだの広がりをコントロールできるため、はんだ溶融時に突起電極間でショートが発生することを防止することができる。
上述の如く本発明によれば、突起電極の狭ピッチ化を図りつつ高背化を図ることができ、また突起電極の整形時に隣接する突起電極間でショートが発生することを防止できるため、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
図1は、本発明の一実施例である半導体装置を示している。本実施例では半導体装置として半導体素子10を例に挙げて説明するが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
図1は半導体装置10のバリアメタル12近傍を拡大して示している。同図に示す半導体素子10は、例えばインターポーザ等の実装基板にフリップチップ接合されるものである。この半導体素子10は、大略すると半導体基板11,バリアメタル12,突起電極13,アルミ電極15,及びカバー膜16等を有した構成とされている。
半導体基板11は、シリコン基板の上面に所定の回路が形成された構成とされている。この半導体基板11の回路が形成された面(回路形成面)には、アルミ電極15及びカバー膜16が形成されている。アルミ電極15は回路形成面に形成された回路に接続されており、信号の入出力端子或いは電源端子として機能するものである。
このアルミ電極15は、回路形成面側にエリアアレイ状に複数形成されている。また、半導体素子10は高密度化されており、よってアルミ電極15の配設数も増大しているため、隣接するアルミ電極15間のピッチも50μm以下と狭ピッチ化されている。具体的には、本実施例ではアルミ電極15間のピッチは、35μmとされている。
また、カバー膜16はSiO2のような絶縁膜であり、回路形成面を保護する機能を奏するものである。このカバー膜16のアルミ電極15と対向する位置には、開口部17が形成されている。従って、アルミ電極15はカバー膜16から露出した状態となっている。尚、このカバー膜16はアルミ電極15の外周一部を覆うよう形成されている。
バリアメタル12は、アルミ電極15の上部に形成されている。このバリアメタル12は、突起電極13とアルミ電極15との間で拡散や反応が発生するのを防止するために設けられるものである。本実施例では、バリアメタル12は複数の金属を積層した構成とされている。
具体的には、バリアメタル12はアルミ電極15側から、Ti層20,Cu層21,Ni層22を順次積層した構成としている。また各層の厚さは、Ti層20が100nm、Cu層21が250nm、Ni層22が4.5μmとされている。尚、Ni層22の突起電極13と対峙する面にNi或いはNiを含む合金層を形成する構成としてもよい。
突起電極13は、はんだをボール状に整形した構成とされている(以下、突起電極13をはんだボール13という)。このはんだボール13の具体的な材質としては、PbSn合金、或いはSnAg合金とすることができる。また、インジウムを含むはんだを用いることもできる。このはんだボール13はバリアメタル12に接合され、これによりバリアメタル12を介してはんだボール13はアルミ電極15に電気的に接続される。尚、このはんだボール13は、後述するようにリフロー処理を用いてボール状(球状)に形成される。
ここで、半導体素子10に配設されるはんだボール13に関連する各構成要素の寸法に注目する。いま、はんだボール13のピッチ(突起電極間ピッチ)をX1とし、バリアメタル12の直径をX2とし、バリアメタル12の半導体基板11からの高さをX3とする。
はんだボール13はアルミ電極15上に形成されるため、はんだボール13のピッチX1はアルミ電極15のピッチと等しくなる。また、バリアメタル12の直径X2とは、前記したバリアメタル12を構成する各層20〜22の内、最も直径の大きい層の直径、本実施例ではNi層22の直径をいうものとする。更に、はんだボール13の半導体基板11からの高さX3は、具体的にはカバー膜16の上面からボール状のはんだボール13の上端部までの距離である。
本実施例では、上記した各寸法X1,X2,X3が、
(X1/2)≦X2≦(3X1/4)……(1)
で、かつ
(X1/2)≦X3≦(3X1/4)……(2)
となるよう構成している。
具体的には、本実施例でははんだボール13のピッチX1は35μm、バリアメタル12の直径X2は20μm(本実施例ではNi層22が最も大径である)、はんだボール13の高さX3は20μmである。よって、(X1/2)=17.5μmであるため、またバリアメタル12の直径X2及びボール13の高さX3(X2=X3=20μm)は上記の(1)式及び(2)式の条件を満たしている。この(1)式及び(2)式の条件を満たすようバリアメタル12及びはんだボール13を形成することにより、はんだボール13の狭ピッチ化を図りつつ、かつはんだボール13の高背化を図ることができるため、半導体素子10のフリップチップ実装時における実装信頼性を高めることができる。
続いて、上記構成とされた半導体素子10の製造方法について、図2乃至図16を参照して説明する。尚、半導体素子10の製造方法において、本願発明の特徴はバリアメタル12及びはんだボール13の形成工程にあり、他の製造工程は周知の方法を用いてる。このため、以下の説明ではバリアメタル12及びはんだボール13の形成工程を中心に説明し、他の製造工程については説明を省略するものとする。
半導体素子10を製造するには、先ず図2に示す半導体基板11を用意する。この半導体基板11は、周知の製造工程により製造された半導体素子であり、その回路形成面(図中、上面)にはアルミ電極15が形成されている。また、半導体基板11には回路形成面を覆うようにカバー膜16が形成されている。このカバー膜16は、前記したようにSiO2等の絶縁膜であり、アルミ電極15と対向する位置には開口部17が形成されている。
この半導体基板11の上面には、シード層となるTi層20及びCu層21が形成される(シード層形成工程)。具体的には、先ずTi層20がスパッタにより100nmの厚さで形成され、続いてCu層21がスパッタにより250nmの厚さで形成される。図3は、Ti層20及びCu層21が形成された状態を示している。
尚、Ti層20の厚さは、50nm以上100nm以下とすることが望ましい。また、本実施例ではTi層20の上部にCu層21を積層する構成としているが、この構成に代えてTi層20(厚さ100nm)の上部にNi層(厚さ250nm)を積層する構成としてもよい。この際、シリコンよりなる半導体基板11上に最初に形成する金属はTiでないとエッチング後の寸法管理が困難であり、また下地であるアルミ電極15との密着性を保つことができないことに注意を払う必要がある。
次に、Ti層20及びCu層21が形成された半導体基板11の上面全面に、図4に示すように、ポジタイプのフォトレジスト25(以下、単にレジスト25という)を均一の厚さでコーティングする。このレジストは例えば東京応化製のPMER−LA900(商品名)等の、はんだめっき液耐性のあるレジストを用いることが望ましい。
続いて、このレジスト25に対して露光・現像処理等を行なうことにより、図5に示すように、レジスト25にレジスト開口パターン26を形成する(レジスト形成工程)。この際、レジスト開口パターン26の直径は、上記した(1)式の条件を満たすよう設定される。具体的には、本実施例ではレジスト開口パターン26の直径は20μmとされており、バリアメタル12の直径X2と等しく設定されている。尚、上記したはんだめっき液耐性のあるレジスト25では、レジスト開口パターン26の直径X2を膜厚(20μm)と等しく設定することはレジストのパターニング性能のほぼ限界である。
上記のようにレジスト25にレジスト開口パターン26を形成すると、続いて電解めっき処理(後述するNi層22及びはんだ27の電解めっき処理)に対する前処理を実施する。本実施例ではこの前処理として、先ず図13に示した条件により第1のアッシング処理を実施し(第1のアッシング工程)、次に図14に示す条件により酸浸漬を実施し(酸浸漬工程)、次に再度図13に示す条件によりアッシング処理を実施し(第2のアッシング工程)、そしてその後に図15に示す条件によりレジスト25の表面の水洗処理を実施した(水洗工程)。
尚、二度目のアッシング条件は、レジスト25上における電解めっき被着面の酸化防止の為、図13に示したアッシング条件に比べ、図16に示すようにより弱い条件で実施することが望ましい。
上記の前処理が終了すると、上記の水洗処理によりレジスト25の表面が濡れたままの状態にて、Ni層22の電解めっき(厚さ4.5μm)を行なうことによりバリアメタル12を形成する(バリアメタル形成工程)。このNi層22の電解めっき処理は、Ti層20及びCu層21をシード層として実施される。図6は、レジスト25に形成されたレジスト開口パターン26内にNi層22が形成された状態を示している。尚、Ni層22の表面に、例えばNiFe,NiCo等のNiを含む合金めっきの層を形成する構成としてもよい。これにより、次に述べるはんだ27に対する濡れ性を高めることができる。
次に、図7に示すように、Ni層22の上部にSnAg合金よりなるはんだ27を電解めっきにより連続して形成する(突起電極形成工程)。このはんだ27の電解めっき処理もTi層20及びCu層21をシード層として実施され、はんだ27はレジスト25に形成されたレジスト開口パターン26内に形成される。尚、はんだ27の材質はSnAg合金に限定されるものではなく、PbSnはんだやインジウムはんだを用いることもできる。
ところで、上記したように本実施例ではレジスト開口パターン26内にNi層22及びはんだ27を形成する前に、アッシング、酸浸漬、水洗処理等の前処理を実施している。この前処理を実施することにより、レジスト25(特に、レジスト開口パターン26)の表面状態が充分に改質されめっき液に対する親めっき液性が大幅に改善される。
これにより、Ni層22及びはんだ27を電解めっきするための電解めっき液は、高アスペクトで微細なレジスト開口パターン26内へ確実に進入してゆき、高アスペクトで微細なパターンでありながら充分に均一高さのはんだ27を得る事が可能となる。
また上記した実施例では、1回目のアッシング、酸浸漬、2回目のアッシング、及び水洗処理の順で前処理を実施したが、前処理として実施されるこれらの各処理の組み合わせはこの順序に限定されるものではない。図17は、本実施例以外の組み合わせ例を示している。同図に示すように、前処理を実施することにより、従来に比べてある程度の改善が行なわれていることが判る。よって、この前処理の組み合わせを最適化することにより、レジスト25の親めっき液性を高め、Ni層22及びはんだ27を形成するめっき液のレジスト開口パターン26内への進入性をよくすることができる。
はんだ27の電解めっきが終了すると、次に図8に示すように電解めっき用のレジスト25を剥離すると共に、上記のNi層22及びはんだ27の電解めっき時にシード層として機能したTi層20及びCu層21のエッチングを行なうことによりバリアメタル12の整形を行なう(バリアメタル整形工程)。このシード層エッチングの際、ウェット方式でのエッチングでは、先ずNi層22をマスクとして過酸化水素水と酢酸の混合液で上層のCu層21をエッチングする(図9参照)。続いて、エッチングされたCu層21をマスクとして、下層であるTi層20をフッ酸水溶液でエッチングする(図10参照)。
上記のエッチング方法を用いることにより、レジスト開口パターン26の開口径が20μmであったのに対し、エッチング後のTi層20の直径を19.0μmとレジスト開口パターン26の開口径に近い値とすることができた。これにより、下地であるアルミ電極15との接触面積が確保でき、はんだボール13に加わるストレスでアルミ電極15が剥れる不具合をなくすことができる。
この際、フッ酸水溶液のフッ酸濃度を適切にすることで、図12に示すようにサイドエッチング量(図中、矢印Aで示す)を上層のマスク層(Cu層21)に対して100nm<以上200nm以下と少ない値にすることができる。この構成とすることにより、従来のウエットエッチのサイドエッチ量(通常1.5μm程度)よりも短くできるので、下地層との接触面積が広がり、密着強度が上がる効果がある。また、サイドエッチ量が短いので、その結果、バンプ内のSnのTi層からのアルミ電極への侵入を防ぎ、マイグレーションが発生しないという効果も実現できる。
また、上記したように、バリアメタル整形工程では、バリアメタル12を整形処理するのにウェットエッチングを用いて整形している。これにより、ドライエッチングの様に高価な装置が必要なくなるため、製造コストを下げる高価がある。
上記したバリアメタル整形工程が終了すると、続いてはんだ27の整形処理を実施する(突起電極整形工程)。このはんだ27の整形処理では、蟻酸(本実施例ではカルボン酸)を還元剤とし、フラックスを使わないリフローによりはんだ27を溶融させ、ボール状のはんだボール13を形成する。図11は、リフロー処理によりボール状のはんだボール13が形成された状態を示している。このように、フラックスを使わないリフロー処理を行なうことにより、はんだ溶融時に起こりがちなはんだボール13間のショートの発生を抑制することが可能となった。
このように、フラックスを使わないリフローによりショートの発生を抑制できるのは、従来方式のフラックス・リフローと比較して、還元力のコントロールが容易となり、その結果、周辺へのはんだの濡れ広がりをコントロールできるとの理由による。
また、上記した実施例では還元剤としてカルボン酸(蟻酸)を用いたが、これに代えて水素を還元剤としてフラックスレス・リフローを実施してもよい。また合成ロジンを含むある種のフラックスを用いれば、フラックスを用いたリフローでもはんだのショートを起こさずにボール状にバンプ形成できる。
リフロー完了後、本実施例により形成されたはんだボール13は、電極間ピッチ35μmを2とした場合、そのピッチとの寸法比率が約1.14に当たる20μmの高さとなる。また、この値は前記した(2)式の条件を満足している。よって、上記した方法によりはんだボール13を形成することにより、はんだボール13の狭ピッチ化を図りつつ、かつはんだボール13の高背化を図ることができ、これにより半導体素子10のフリップチップ実装時における実装信頼性を高めることが可能となる。
図1は、本発明の一実施例である半導体装置(半導体装置)のバリアメタル近傍を拡大して示す図である。 図2は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、半導体基板を示す図である。 図3は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、シード層であるTi層及びCu層を形成した状態を示す図である。 図4は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、レジストを形成した状態を示す図である。 図5は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、レジストにレジスト開口パターンを形成した状態を示す図である。 図6は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、バリアメタルを形成した状態を示す図である。 図7は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、はんだを形成した状態を示す図である。 図8は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、レジストを剥離した状態を示す図である。 図9は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、Ni層をマスクとしてCu層をエッチングした状態を示す図である。 図10は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、Cu層をマスクとしてTi層をエッチングした状態を示す図である。 図11は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、リフローによりはんだボールを整形した状態を示す図である。 図12は、本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図であり、Ti層のサイドエッチを説明するための図である。 図13は、前処理であるアッシング条件の一例を示す図である。 図14は、前処理である酸浸漬条件の一例を示す図である。 図15は、前処理であるシャワー水洗条件の一例を示す図である。 図16は、前処理である2回目のアッシング条件の一例を示す図である。 図17は、前処理の効果を示す図である。
符号の説明
10 半導体素子
12 バリアメタル
13 はんだボール
15 アルミ電極
16 カバー膜
17 開口部
20 Ti層
21 Cu層
22 Ni層
25 レジスト
26 レジスト開口パターン
27 はんだ

Claims (5)

  1. 半導体基板上の電極にバリアメタルが形成されると共に、該バリアメタルに突起電極が形成されてなる半導体装置において、
    前記突起電極の突起電極間ピッチをX1とし、
    前記バリアメタルの直径をX2とし、
    前記突起電極の前記半導体基板からの高さをX3としたとき、
    前記X1,X2,X3が、(X1/2)≦X2≦(3X1/4)で、かつX1/2≦X3≦(3X1/4)となるよう構成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記バリアメタル層は、上層からNi層、Cu層、Ti層からなり、Ti層はCu層に対し100nm以上200nm以下のサイドエッチ構造を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 半導体基板上にシード層を形成するシード層形成工程と、
    前記半導体基板に設けられた電極の形成位置と対応する位置にレジスト開口部を有したレジストを形成するレジスト形成工程と、
    前記開口部内の前記シード層上にバリアメタルを形成するバリアメタル形成工程と、
    前記開口部内の前記バリアメタル上に突起電極をめっき形成する突起電極形成工程とを含み、
    前記レジスト形成工程後に、前記レジストに対して、少なくともアッシング処理、酸浸漬処理、シャワー水洗いのいずれか一つの処理を行なう前工程を実施することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、
    突起電極形成工程が終了した後、前記レジストを剥離すると共に、
    前記バリアメタルをウェットエッチングで整形することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項3記載の半導体装置の製造方法において、
    前記突起電極形成工程において形成された突起電極に対し、カルボン酸を用いたフラックスレス・リフローを実施することにより突起電極を整形する突起電極整形工程を設けたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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