JP2008258511A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】損傷の発生を抑え、信頼性を向上させることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置１Ａにおいて、基体２と、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとが交互に積層され、基体２上に形成されたニッケル電極６Ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル電極を備える半導体装置及びその半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置は、携帯電話やデジタルカメラ、コンピュータ等の様々な電子機器に搭載されて用いられている。この半導体装置としては、フリップチップ接続を行う半導体装置やウェハレベルパッケージ等のように、インターポーザ基板あるいはプリント配線基板に実装を行うための電極としてニッケル電極を有する半導体装置が提案されている。このニッケル電極は、スパッタリング法や電解めっき（電気めっき）法等により基板上に形成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２８６３１号公報

しかしながら、前述のニッケル電極を有する半導体装置においては、ニッケルの内部応力（引張応力）は高く、加えてニッケル層が厚くなるほど高くなるため、ニッケル電極界面での剥離や配線の亀裂（クラック）等の損傷が発生してしまうことがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、損傷の発生を抑え、信頼性を向上させることができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、半導体装置において、基体と、圧縮応力を有する第１ニッケル層と引張応力を有する第２ニッケル層とが交互に積層され、基体上に形成されたニッケル電極とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、半導体装置の製造方法において、圧縮応力を有する第１ニッケル層と引張応力を有する第２ニッケル層とを交互に積層し、基体上にニッケル電極を形成することである。

本発明によれば、損傷の発生を抑え、信頼性を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１乃至図３を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置１Ａは、基体となるシリコン基板２と、そのシリコン基板２上に設けられた配線３と、その配線３を覆うようにシリコン基板２上に積層された絶縁層４と、その絶縁層４が電極形成用に部分的に取り除かれ露出する配線３上に積層されたチタン層５と、そのチタン層５上に積層されたニッケル電極６Ａとを備えている。

シリコン基板２は半導体装置１Ａの半導体層として機能する。配線３は、例えばアルミニウム配線等の内部配線として形成されている。この配線３はシリコン基板２上に所定のパターンで配設されている。ここで、シリコン基板２の厚さは例えば数百μｍ程度であり、例えば２００〜７５０μｍ程度である。配線３の厚さは例えば数μｍ程度であり、例えば０．５〜１．０μｍ程度である。

絶縁層４は、例えば二酸化ケイ素により形成された二酸化ケイ素層である。なお、ニッケル電極６Ａを形成する部分の絶縁層４は除去されており、絶縁層４が除去された部分の配線３は露出することになる。ここで、絶縁層４の厚さは例えば数μｍ程度であり、例えば０．５〜１．０μｍ程度である。

チタン層５は、露出した配線３上及びその周囲の絶縁層４上に積層されている。このチタン層５は、例えばスパッタリング法により形成される。なお、チタン層５は、アルミニウムとニッケルとの密着性が良好でないため、配線３とニッケル電極６Ａとの間に設けられている。ここで、チタン層５の厚さは例えば数μｍ程度であり、例えば０．２〜１．０μｍ程度である。

ニッケル電極６Ａは、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとが交互に積層され、チタン層５上に形成されている。第１ニッケル層６ａがチタン層５上に積層され、その第１ニッケル層６ａ上に第２ニッケル層６ｂが積層されている。このニッケル電極６Ａの表面には、ニッケル電極６Ａを保護する保護層７が設けられている。この保護層７は、例えば金めっき層であり、例えば置換めっき法によりニッケル電極６Ａの表面全体に形成される。

このようなニッケル電極６Ａは、半導体装置１Ａの用途や構成に応じて１個あるいは複数個設けられている。ここで、ニッケル電極６Ａの直径は数十〜数百μｍ程度であり、例えば５０〜１００μｍ程度である。ニッケル電極６Ａの厚さは例えば数十μｍ程度であり、例えば１０〜２０μｍ程度である。

第１ニッケル層６ａは、圧縮方向に作用する圧縮応力を有する層である。この第１ニッケル層６ａは、例えば、無電解めっき法又は電解めっき法等により形成される。無電解めっき浴としては、例えば、次亜リン酸塩を還元剤に用いるめっき浴等を用いる。また、電解めっき浴としては、例えば、イオウを含む有機化合物、例えばサッカリンを添加しためっき浴を用いる。

第２ニッケル層６ｂは、圧縮方向と逆方向である引張方向に作用する圧縮応力を有する層である。この第２ニッケル層６ｂは、例えば、電解めっき法、無電解めっき法又はスパッタリング法等により形成される。電解めっき浴としては、例えば、ワット浴（硫酸ニッケル、塩化ニッケル、ホウ酸を主成分とするめっき浴）等を用いる。また、無電解めっき浴としては、例えば、水素化ホウ素化合物を還元剤に用いるめっき浴等を用いる。

第１ニッケル層６ａの内部応力の絶対値は、第２ニッケル層６ｂの内部応力の絶対値の１／１０程度であるため、膜厚比（層厚比）は、ニッケル電極６Ａの内部応力をほぼゼロとする場合、第１ニッケル層６ａの厚さ：第２ニッケル層６ｂの厚さ＝１０：１となる。これに基づいて、第１ニッケル層６ａの厚さは第２ニッケル層６ｂの厚さの１０倍に設定されている。

次に、前述の半導体装置１Ａの製造方法（製造工程）について説明する。

図２及び図３に示すように、半導体装置１Ａの製造工程は、配線３及び絶縁層４を有するシリコン基板２に対してチタン層Ｌ１を形成する工程と（ステップＳ１）、そのチタン層Ｌ１上に、圧縮応力を有する第１ニッケル層Ｌ２を形成する工程と（ステップＳ２）、その第１ニッケル層Ｌ２上に引張応力を有する第２ニッケル層Ｌ３を形成する工程と（ステップＳ３）、エッチング処理用のフォトレジストを塗布する工程と（ステップＳ４）、そのフォトレジストを露光する工程と（ステップＳ５）、露光後のフォトレジストを現像する工程と（ステップＳ６）、チタン層Ｌ１をエッチングする工程と（ステップＳ７）、第１ニッケル層Ｌ２及び第２ニッケル層Ｌ３をエッチングする工程と（ステップＳ８）、ニッケル電極６Ａを覆う保護層７である金めっき層を形成する工程と（ステップＳ９）を有している。

ステップＳ１では、例えばスパッタリング法により、配線３及び絶縁層４を有するシリコン基板２の全面にわたってチタン層Ｌ１を形成する（図３参照）。このとき、ニッケル電極６Ａを形成する部分の絶縁層４は除去されており、絶縁層４が除去された部分の配線３は露出している。

ステップＳ２では、例えば無電解めっき法あるいは電解めっき法によりチタン層Ｌ１上に第１ニッケル層Ｌ２を形成する（図３参照）。なお、ステップＳ２において、無電解めっき法を用いて第１ニッケル層Ｌ２を形成する場合には、チタン層Ｌ１の表面に存在する酸化膜を除去し、その後、触媒付与あるいは置換めっき法によりニッケル核をチタン層Ｌ１の表面に生成し、ニッケル核を成長開始点として第１ニッケル層Ｌ２を成長させる。また、電解めっき法を用いて第１ニッケル層Ｌ２を形成する場合には、チタン層Ｌ１が給電層として機能する。なお、無電解めっき法を用いることによって、電解めっき法に比べ、圧縮応力を有する第１ニッケル層Ｌ２を容易に形成することができる。

ステップＳ３では、例えば電解めっき法、無電解めっき法あるいはスパッタリング法により第１ニッケル層Ｌ２上に第２ニッケル層Ｌ３を形成する（図３参照）。なお、ステップＳ３において、電解めっき法を用いて第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合には、先に形成した第１ニッケル層Ｌ２が給電層として機能する。無電解めっき法を用いて第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合には、先に形成した第１ニッケル層Ｌ２が無電解めっき浴に対し活性であるため、先に形成した第１ニッケル層Ｌ２の表面に特別な前処理を行う必要がなく、第２ニッケル層Ｌ３を形成することができる。また、スパッタリング法を用いて第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合にも、無電解めっき法を用いる場合と同様に、先に形成した第１ニッケル層Ｌ２の表面に特別な前処理を行う必要はない。なお、電解めっき法を用いることによって、無電解めっき法に比べ、引張応力を有する第２ニッケル層Ｌ３を容易に形成することができる。ここで、第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合には、第１ニッケル層Ｌ２を形成する場合に用いためっき槽と異なるめっき槽を用いる。

ステップＳ４、Ｓ５及びＳ６では、チタン層Ｌ１、第１ニッケル層Ｌ２及び第２ニッケル層Ｌ３が積層されたシリコン基板２（図３参照）上に、フォトレジストによりニッケル電極６Ａを形成する部分を被覆するようにフォトレジストを塗布、露光及び現像してパターニングする。その後、ステップＳ７及びステップＳ８では、不要なチタン（チタン層Ｌ１のチタン）及び不要なニッケル（第１ニッケル層Ｌ２のニッケル及び第２ニッケル層Ｌ３のニッケル）をエッチング液により除去し、ニッケル電極６Ａを形成する。このとき、不要なチタン及びニッケルが除去されることによって、チタン層５、第１ニッケル層６ａ及び第２ニッケル層６ｂが形成され（図１参照）、ニッケル電極６Ａが完成する。最後に、ステップＳ９では、例えば置換めっき法によりニッケル電極６Ａの表面に保護層７である金めっき層を形成する（図１参照）。これにより、ニッケル電極６Ａを有する半導体装置１Ａが完成する。

このような半導体装置１Ａでは、ニッケル電極６Ａは、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとが積層されて形成されている。これにより、応力方向が異なる２つのニッケル層６ａ、６ｂにより応力が相殺され、ニッケル電極６Ａの内部応力が低減するので、ニッケル電極６Ａ界面の剥離や配線３の亀裂（クラック）等の損傷の発生を抑えることが可能になる。したがって、ニッケル電極６Ａの内部応力に起因する界面剥離や亀裂発生を防止し、信頼性の低下を抑制することができる。特に、ニッケルバンプのようにニッケル厚が大きくなる場合でも、その内部応力を低くすることができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとを交互に積層し、シリコン基板２上にニッケル電極６Ａを形成することによって、応力方向が異なる２つのニッケル層６ａ、６ｂにより応力が相殺され、ニッケル電極６Ａの内部応力が低減するので、ニッケル電極６Ａ界面の剥離や配線３の亀裂等の損傷の発生を抑えることが可能になる。これにより、損傷の発生を抑え、信頼性を向上させることができる。

また、第１ニッケル層６ａは無電解めっき又は電解めっきにより形成されていることから、複雑な製造工程を必要とせず、簡略な製造工程により第１ニッケル層６ａを生成することができる。なお、第１ニッケル層６ａを無電解めっきにより形成することによって、第１ニッケル層６ａはリンを含有することになり、第１ニッケル層６ａを電解めっきにより形成することによって第１ニッケル層６ａはイオウを含有することになる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図４乃至図６を参照して説明する。本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる部分、すなわちニッケル電極６Ｂについて説明する。なお、第２の実施の形態においては、第１の実施の形態で説明した部分と同じ部分の説明を省略する。

図４に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置１Ｂのニッケル電極６Ｂは、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとが交互に積層され、チタン層５上に形成されている。すなわち、第２ニッケル層６ｂがチタン層５上に積層され、その第２ニッケル層６ｂ上に第１ニッケル層６ａが積層されている。

次に、前述の半導体装置１Ｂの製造方法（製造工程）について説明する。

図５及び図６に示すように、半導体装置１Ｂの製造工程は、配線３及び絶縁層４を有するシリコン基板２に対してチタン層Ｌ１を形成する工程と（ステップＳ１１）、そのチタン層Ｌ１上に、引張応力を有する第２ニッケル層Ｌ３を形成する工程と（ステップＳ１２）、エッチング処理用のフォトレジストを塗布する工程と（ステップＳ１３）、そのフォトレジストを露光する工程と（ステップＳ１４）、露光後のフォトレジストを現像する工程と（ステップＳ１５）、チタン層Ｌ１をエッチングする工程と（ステップＳ１６）、第２ニッケル層Ｌ３をエッチングする工程と（ステップＳ１７）、エッチング後、第２ニッケル層６ｂ上に、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａを形成する工程と（ステップＳ１８）、ニッケル電極６Ｂを覆う保護層７である金めっき層を形成する工程と（ステップＳ１９）を有している。

ステップＳ１１では、第１の実施の形態と同様に、例えばスパッタリング法により、配線３及び絶縁層４を有するシリコン基板２上の全面にわたってチタン層Ｌ１を形成する（図６参照）。このとき、ニッケル電極６Ｂを形成する部分の絶縁層４は除去されており、絶縁層４が除去された部分の配線３は露出している。

ステップＳ１２では、例えば電解めっき法、無電解めっき法あるいはスパッタリング法によりチタン層Ｌ１上に第２ニッケル層Ｌ３を形成する（図６参照）。なお、ステップＳ１２において、電解めっき法を用いて第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合には、チタン層Ｌ１が給電層として機能する。また、無電解めっき法を用いて第２ニッケル層Ｌ３を形成する場合には、チタン層Ｌ１の表面に存在する酸化膜を除去し、その後、触媒付与あるいは置換めっき法によりニッケル核をチタン層Ｌ１の表面に生成し、ニッケル核を成長開始点として第２ニッケル層Ｌ３を成長させる。なお、電解めっき法を用いることによって、無電解めっき法に比べ、引張応力を有する第２ニッケル層Ｌ３を容易に形成することができる。

ステップＳ１３、Ｓ１４及びＳ１５では、チタン層Ｌ１及び第２ニッケル層Ｌ３が積層されたシリコン基板２（図６参照）上に、フォトレジストによりニッケル電極６Ｂを形成する部分を被覆するようにフォトレジストを塗布、露光及び現像してパターニングする。その後、ステップＳ１６及びステップＳ１７では、不要なチタン（チタン層Ｌ１のチタン）及び不要なニッケル（第２ニッケル層Ｌ３のニッケル）をエッチング液により除去する。このとき、不要なチタン及びニッケルが除去されることによって、チタン層５及び第２ニッケル層６ｂが形成される（図４参照）。

ステップＳ１８では、例えば無電解めっき法あるいは電解めっき法により第２ニッケル層６ｂ上に第１ニッケル層６ａを形成する（図４参照）。なお、ステップＳ１８において、無電解めっき法を用いて第１ニッケル層６ａを形成する場合には、先に形成した第２ニッケル層６ｂが無電解めっき浴に対し活性であるため、先に形成した第２ニッケル層６ｂの表面に特別な前処理を行う必要はなく、第１ニッケル層６ａを形成することができる。また、電解めっき法を用いて第１ニッケル層６ａを形成する場合には、先に形成した第２ニッケル層６ｂが給電層として機能する。ここで、無電解めっき法を用いることによって、電解めっき法に比べ、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａを容易に形成することができる。なお、第１ニッケル層６ａを形成する場合には、第２ニッケル層６ｂを形成する場合に用いためっき槽と異なるめっき槽が用いられる。

最後に、ステップＳ１９では、例えば置換めっき法によりニッケル電極６Ｂの表面に保護層７である金めっき層を形成する（図４参照）。これにより、ニッケル電極６Ｂを有する半導体装置１Ｂが完成する。

このような半導体装置１Ｂでは、ニッケル電極６Ｂは、第１の実施の形態と同様に、圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａと引張応力を有する第２ニッケル層６ｂとが積層されて形成されている。これにより、応力方向が異なる２つのニッケル層６ａ、６ｂにより応力が相殺され、ニッケル電極６Ｂの内部応力が低減するので、ニッケル電極６Ｂ界面の剥離や配線３の亀裂（クラック）等の損傷の発生を抑えることが可能になる。したがって、ニッケル電極６Ｂの内部応力に起因する界面剥離や亀裂発生を防止し、信頼性の低下を抑制することができる。特に、ニッケルバンプのようにニッケル厚が大きくなる場合でも、その内部応力を低くすることができる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、引張応力を有する第２ニッケル層６ｂと圧縮応力を有する第１ニッケル層６ａとを交互に積層し、シリコン基板２上にニッケル電極６Ｂを形成することによって、応力方向が異なる２つのニッケル層６ａ、６ｂにより応力が相殺され、ニッケル電極６Ｂの内部応力が低減するので、ニッケル電極６Ｂ界面の剥離や配線３の亀裂等の損傷の発生を抑えることが可能になる。これにより、損傷の発生を抑え、信頼性を向上させることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、ニッケル電極６Ａ及びニッケル電極６Ｂを２層構造にしているが、これに限るものではなく、第１ニッケル層６ａ及び第２ニッケル層６ｂを交互に積層し、２層以上の構造にするようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、各種の数値を挙げているが、それらの数値は例示であり、限定されるものではない。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を説明するための説明図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。 図３に示す半導体装置の製造工程を説明するための説明図である。 図３に示す半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…半導体装置、２…基体（シリコン基板）、６Ａ，６Ｂ…ニッケル電極、６ａ…第１ニッケル層、６ｂ…第２ニッケル層

Claims (5)

1. 基体と、
   圧縮応力を有する第１ニッケル層と引張応力を有する第２ニッケル層とが交互に積層され、前記基体上に形成されたニッケル電極と、
   を備えることを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１ニッケル層は無電解めっき又は電解めっきにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１ニッケル層はリン又はイオウを含有していることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。
4. 圧縮応力を有する第１ニッケル層と引張応力を有する第２ニッケル層とを交互に積層し、基体上にニッケル電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 前記第１ニッケル層を無電解めっき又は電解めっきにより形成することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。

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