JP2008021950A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム(Al)−シリコン(Si)からなる電極パッド13上に、ニッケル(Ni)層17を無電解メッキ法により形成する際、触媒となる亜鉛(Zn)の析出に先行して、当該電極パッド13の表面に銅(Cu)を断続的な斑状或いは島状に形成し、Cu薄層15を配設する。
【選択図】図1
Description
このため、かかる高密度実装化という要求を満たす一つの手段として、半導体素子(半導体チップ)の実装形態としては、所謂ベアチップ実装が注目されている。
当該ベアチップ実装に於いては、半導体素子の電極と当該半導体素子が実装される基板に於ける電極配線とを接続する手段として、半導体チップの主面にバンプ電極を配設し、当該バンプ電極を基板の電極に接続することにより半導体素子を基板に搭載する、所謂フェイスダウン実装(フリップチップ実装)が適用される傾向にある。
そして、当該ニッケル層を覆うように金(Au)層を形成した後、当該ニッケル層上に、ハンダ等を材料としてバンプ電極を形成する(たとえば、特許文献1参照。)。
なお、同図に於いて、106は窒化シリコン或いはポリイミド等からなるパッシベーション層であり、106aは当該パッシベーション層106に形成された開口(窓)である。
本発明者は、前述の如きアルミニウム(Al)を主体とする材料からなる電極パッド表面に対するニッケル(Ni)からなる下地層の形成の際、触媒として機能する亜鉛(Zn)のメッキ被着性が低く、更には当該電極パッドと下地層との間に於いて密着性が低いという問題について検討した。
そして、当該亜鉛(Zn)を触媒としてニッケル(Ni)層を形成し、当該ニッケル層上に電極バンプを配設する。
この場合、銅(Cu)は、電極パッドの表面に斑状或いは島状の断続的な拡散領域として拡散され、且つ当該電極パッドの表面からその厚さ方向に濃度が低下する。
これにより、電極パッドの表面には、高密度部分を含んで分散配置された亜鉛(Zn)からなる触媒層が形成される。
この場合、銅(Cu)は、当該電極パッドの表面を連続的に被覆する皮膜として形成される。
かかる銅拡散層の配設により、電極パッドの表面の全域に於いて亜鉛(Zn)の均一な析出が可能となり、当該電極パッドとニッケル(Ni)からなる下地層との間に於いて高い密着性が確保される。
なお、かかる手法によれば、当該熱処理の後に、電極パッドの表面に残存する銅(Cu)を除去する必要がある。
以下、本発明の諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 以下の実施形態にあっては、半導体装置の構成を、その製造方法と共に説明する。
本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造方法を、図1、図2及び図3に示す。
一方の主面に半導体素子が複数個形成された半導体基板を準備する。当該半導体基板は半導体ウェーハとも称され、例えばシリコン(Si)からなる。
当該半導体基板の各半導体素子領域においては、その表面に絶縁層或いは多層配線層を介して外部接続用の電極パッドが配設されている。
なお、本実施形態では、前記半導体素子における能動素子、受動素子及び配線層の構成に関する説明及び図示を省略する。
即ち、半導体基板11の主表面を覆う絶縁層(或いは多層配線層上の絶縁層)12上に、電極パッド13が選択的に配設され、当該絶縁層12及び電極パッド13上を選択的に被覆して、窒化シリコン(SiN)層或いはポリイミド層等からなるパッシベーション層14が配設されている。
なお、14aは、電極パッド13上にあって、パッシベーション層14に形成された開口(窓)である。
当該パッシベーション層14の成長方法としては、通常の気相成長法を適用することができる。
また、当該パッシベーション層14の材料としては、ポリイミド等を適用することもできる。
即ち、スパッタリング法或いは蒸着法等を適用して、前記パッシベーション層14、及びその開口14a内に露出する電極パッド13上に、銅(Cu)を膜厚1nm〜20nm程に被着し、銅(Cu)層15を形成する。
また、本実施形態において、図1(b)以降は、半導体基板11部分を図示することを省略する。
当該亜鉛(Zn)層16の形成は、亜鉛(Zn)を含有するメッキ浴を用いたダブルジンケート法を適用し、半導体基板11を当該無電解メッキ浴中に浸漬することによりなされる。
当該亜鉛(Zn)層16は、後述するニッケル(Ni)の無電解メッキの際、触媒として機能する。
このため、図3(b)に示すように、被着される亜鉛(Zn)は、当該銅(Cu)層15が存在しない領域に於いて、電極パッド13の表面に析出される(図3(b)は、図1(c)に示す電極パッド13部を拡大して示す。)。
これにより当該電極パッド13の表面には、分散配置された亜鉛(Zn)層16からなる触媒層が配設される。
かかる無電解メッキ処理に於いては、前記亜鉛(Zn)層16が触媒として作用し、パッシベーション層14の開口14aに表出する電極パッド13の表面にニッケル(Ni)が析出されて、ニッケル(Ni)層17が形成される。
この時、当該ニッケル(Ni)は、電極パッド13の表面において、斑状或いは島状に被着された銅(Cu)層15の隙間に露出している電極パッド部に被着されている亜鉛(Zn)と置換されて析出され、一方、亜鉛(Zn)16が存在しない銅(Cu)層15上には析出されない。
かかる構成によれば、銅(Cu)層15の存在により、ニッケル(Ni)層17は電極パッド13表面に対し高い密着性をもって配設される。
なお尚、ここでは、ニッケル(Ni)層17の形成に伴い、亜鉛(Zn)層16が電極パッド13上から消失する場合を示すが、亜鉛(Zn)層16が消失することなく、有意に薄膜化した状態で電極パッド13上に残存しても良い。
即ち、前記パッシベーション層14上にあって、ニッケル(Ni)層17の周囲に残存する銅(Cu)層15を、ウェットエッチング法により除去する(図1(e)参照)。
当該ウェットエッチング処理は、例えば過酸化水素水を主成分としたエッチング液に半導体基板11を浸漬することにより行われる。
当該金(Au)層18は,ニッケル(Ni)層17の表面酸化を防止すると共に、後の工程において形成されるバンプ電極のハンダ濡れ性を向上させることを目的として配設され、ハンダ濡れ性が満足できる膜厚、例えば30nm〜70nm程度の厚さとされる。
これにより、ニッケル(Ni)層17の表面に金(Au)が析出され、当該ニッケル(Ni)17の表面を覆って金(Au)層18が形成される。
即ち、表面に金(Au)層18により被覆されたニッケル(Ni)層17及びその周辺を露出する開口20aを有するレジストマスク層20を形成する。
当該ハンダペースト21の充填に際しては、レジストマスク20の上面にハンダペーストが残存しないようにすることが望ましい。
このため、スキージ(図示せず)を用いて、開口部20a内へのハンダペーストの充填と共に、更に当該レジストマスク20上に塗着しているハンダペーストを掻き取る。
開口部20aに対して所定量のハンダペースト21を確実に充填するために、要すればかかるスキージング処理を複数回行う。
ハンダ粉末を構成する材料としては、錫(Sn),鉛(Pb),銅(Cu),銀(Ag),インジウム(In),亜鉛(Zn),ビスマス(Bi),アンチモン(Sb)或いは金(Au)などから選択される複数種の金属の合金が用いられる。
ここでは、当該ハンダペースト21の、ニッケル(Ni)層17との密着・一体化を目的としたリフロー処理を行う。 かかるリフロー処理は、窒素雰囲気中にて、ハンダの融点以上の所定温度に設定して行われる。
このリフロー処理の結果、ハンダペースト21は略球状体21aとなり、また前記金(Au)層18を構成していた金は当該ハンダペースト21a中に拡散する(図2(d)参照)。
レジストマスク層20の除去に必要な溶剤及び除去条件は、レジストマスク層20を構成するレジスト材料種により適宣選択される。
かかるリフロー処理も、窒素雰囲気中にて、ハンダの融点以上の温度に設定して行われる。
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。
本実施形態にあっては、前記第1の実施形態と同様に、電極パッドとバンプ電極とがニッケル(Ni)層を介して接続されてなる半導体装置及びその製造方法を開示するが、銅(Cu)の熱拡散工程が付加される点に於いて前記第1の実施形態と相違する。
尚、前記第1の実施形態に対応する構成部位については同一の符号を付し、同一の工程については詳しい説明を省略する。
なお、本実施形態において、図4(b)以降は、半導体基板11の図示を省略する。
この加熱処理条件は、真空雰囲気中において、例えば300℃で、3分間とされる。
また、当該銅(Cu)拡散領域15aは、当該電極パッド13の表面から、当該電極パッド13の厚さ方向に漸減する濃度分布を有する。
当該亜鉛(Zn)層16は、後述するニッケル(Ni)の無電解メッキの際、触媒として機能する。
従って、開口13a内に表出された電極パッド13の表面において、当該銅(Cu)拡散領域15a上に亜鉛(Zn)が高密度に析出され、また当該銅(Cu)拡散領域15a相互の間にあっては低密度に析出された状態をもって亜鉛(Zn)層16が形成される(図6(b)は、図4(d)の電極パッド13部を拡大して示す。)。
即ち、触媒である亜鉛(Zn)がニッケル(Ni)に置換されて、ニッケル(Ni)が析出し、ニッケル(Ni)層17が形成される。
以下、本発明の第3の実施形態について説明する。
本実施形態では、前述の実施形態と同様に、電極パッドとバンプ電極とがニッケル(Ni)層を介して接続されてなる半導体装置及びその製造方法を開示するが、銅(Cu)皮膜の形成状態、並びに銅の拡散形態に於いて前記実施形態と相違する。
尚、前記第1並びに第2の実施形態に対応する構成要件については同一の符号を付し、同一の工程については詳しい説明を省略する。
即ち、パッシベーション層14の開口14aから露出する電極パッド13の表面上を含む全面に、スパッタリング法或いは蒸着法により、銅(Cu)を被着し、銅(Cu)層25を形成する。
なお、本実施形態に於いて、図7(b)以降では、半導体基板11の図示を省略する。
この加熱処理条件は、真空雰囲気中に於いて、例えば300℃、3分間とされる。
即ち、開口14aに表出される電極パッド13の表面上に残存する部分、即ち上記の加熱処理で電極パッド13内に拡散しなかった未反応の銅(Cu)及び、開口14aの周囲に於けるパッシベーション層14上に存する銅(Cu)を、ウェットエッチング法により除去する。
この結果、電極パッド13の表面には銅(Cu)層25は残存せず、当該電極パッド13の表層部分は、拡散された銅(Cu)を含有するアルミニウム(Al)−シリコン(Si)合金状態とされている。
前述の如く、当該亜鉛(Zn)層16は、亜鉛(Zn)を含有するメッキ浴を用いたダブルジンケート法を適用して、当該無電解メッキ浴中に半導体基板11を浸漬させることにより、前記パッシベーション層14の開口14a内に露出し、その表層部に銅(Cu)拡散層25aを有する電極パッド13の表面に被着・形成される。
当該亜鉛(Zn)層16は、後述するニッケル(Ni)の無電解メッキの際、触媒として機能する。
従って、亜鉛(Zn)は、図9(b)に示すように、当該電極パッド13の露出表面の全域にわたってほぼ一様の分布状態をもって被着・形成される(図9(b)は、図7(e)の電極パッド電極13部を拡大して示す。)。
当該ニッケル(Ni)のメッキ処理は、ニッケル(Ni)と共にリン(P)、ホウ素(B)が含有された無電解メッキ液を用い、当該メッキ液に半導体基板11を浸漬させて行われる。
即ち、触媒である亜鉛(Zn)がニッケル(Ni)に置換されて、ニッケル(Ni)が析出し、ニッケル(Ni)層17が形成される。
この結果、電極パッド13の表面に於いて、当該ニッケル(Ni)層17を介して配設されたバンプ電極22を構成するハンダ成分の、電極パッド13への拡散が確実に防止される。
前記半導体基板の一方の主面に配設され、アルミニウムを主体材料としその表層部に銅層を有する電極パッドと、
前記電極パッド上に配設されたバンプ下地層と、
前記バンプ下地層を介して前記電極パッド上に配設されたバンプと
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記半導体基板の一方の主面に配設され、アルミニウムを主体材料としその表層部に前記表層部から厚さ方向に濃度が低下して含有された銅を含む電極パッドと、
前記電極パッド上に配設されたバンプ下地層と、
前記バンプ下地層を介して前記電極パッド上に配設されたバンプと
を具備することを特徴とする半導体装置。
前記電極パッドは、前記半導体基板の一方の主面に配設された絶縁層上に配設されてなることを特徴とする付記1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
半導体基板の一方の主面に、アルミニウムを主体材料とする電極パッドを形成する工程と、
前記電極パッド表面に銅層を形成する工程と、
前記銅層が形成された電極パッド上に亜鉛を被着する工程と、
前記亜鉛を触媒として、前記電極パッド上にバンプ下地層を形成する工程と、
前記バンプ下地層上にバンプを形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記電極パッド表層部に前記表層部から厚さ方向に濃度が低下するよう銅を含有せしめる工程を更に具備することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
12 絶縁層
13 電極パッド
14 パッシベーション層
14a 開口
15,25 銅(Cu)層
15a,25a 銅拡散領域
16 亜鉛(Zn)層
17 ニッケル(Ni)層
18 金(Au)層
19 レジスト
20 レジストマスク
21 ハンダペースト
22 バンプ電極
Claims (10)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に配設され、アルミニウムを主体材料としその表層部に銅層を有する電極パッドと、
前記電極パッド上に配設されたバンプ下地層と、
前記バンプ下地層を介して前記電極パッド上に配設されたバンプと
を具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記銅層は、斑状或いは島状の断続的な層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面に配設され、アルミニウムを主体材料としその表層部に前記表層部から厚さ方向に濃度が低下して含有された銅を含む電極パッドと、
前記電極パッド上に配設されたバンプ下地層と、
前記バンプ下地層を介して前記電極パッド上に配設されたバンプと
を具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記電極パッド表層部に、前記表層部から前記電極パッドの厚さ方向に濃度が低下して含有される銅は、前記電極パッドの表層部に斑状或いは島状に断続的に配設されてなることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記バンプ下地層は、ニッケル層からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 半導体基板の一方の主面に、アルミニウムを主体材料とする電極パッドを形成する工程と、
前記電極パッド表面に銅層を形成する工程と、
前記銅層が形成された電極パッド上に亜鉛を被着する工程と、
前記亜鉛を触媒として、前記電極パッド上にバンプ下地層を形成する工程と、
前記バンプ下地層上にバンプを形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記電極パッド表面に銅層を形成する工程の後に、
前記電極パッド表層部に前記表層部から厚さ方向に濃度が低下するよう銅を含有せしめる工程を更に具備することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記電極パッド表層部に前記表層部から厚さ方向に濃度が低下するよう銅を含有せしめる工程は、加熱処理により前記電極パッド表面に銅を拡散させることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記銅層は、スパッタリング法或いは蒸着法により形成することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記銅層が形成された前記パッド電極上に、無電解メッキ法によりニッケルからなる下地層を形成することを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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