JP2012038752A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
半導体装置のフリップチップ接続に用いられるはんだバンプは、鉛フリーはんだにより構成される場合がある。これにより環境負荷の低減を図ることができる。またはんだバンプは、電解めっき法を用いて形成することで、印刷やボールに比べて、半導体装置の微細化を図ることができる。 A solder bump used for flip chip connection of a semiconductor device may be composed of lead-free solder. This can reduce the environmental load. Further, by forming the solder bumps using an electrolytic plating method, the semiconductor device can be miniaturized as compared with printing or balls.
電解めっき法を用いて、鉛フリーはんだによってはんだバンプを形成する技術には、特許文献1〜3に記載のものがある。特許文献1に記載の技術は、はんだバンプとNi層との間にCu層を設け、Ni層の崩壊を防ぐというものである。特許文献2に記載の技術は、低温融解性金属析出電気めっきにおいて、析出電流波形を調整し、均一かつ平滑な電気めっき被膜を得るというものである。特許文献3に記載の技術は、純錫又は鉛を含まない錫合金を用いて、電気めっき法によりはんだバンプを形成するというものである。
There exist a thing of patent documents 1-3 in the technique which forms a solder bump by lead-free solder using an electroplating method. The technique described in
特許文献3に記載されるように、鉛フリーはんだとしてSnとAgを用いる場合、Ag濃度が20wt%以下であることが好ましい。これは一定の融点を保ち、半導体装置の安定した製造を行うためである。一方で、めっき膜中のAgとSnとの間において、局部電池効果が生じる場合がある。この場合めっき膜中のSnが溶解され、はんだバンプの表面モフォロジーは悪化してしまう。はんだバンプの表面モフォロジーが悪化することで、その後の工程において汚れが付着しやすく、かつ汚れが除去しにくくなる。 As described in Patent Document 3, when Sn and Ag are used as lead-free solder, the Ag concentration is preferably 20 wt% or less. This is because the semiconductor device is stably manufactured while maintaining a certain melting point. On the other hand, a local battery effect may occur between Ag and Sn in the plating film. In this case, Sn in the plating film is dissolved, and the surface morphology of the solder bump is deteriorated. Deteriorating the surface morphology of the solder bumps makes it easier for dirt to adhere to the subsequent process and makes it difficult to remove the dirt.
本発明によれば、電極パッド上において、電界めっき法によりはんだバンプを形成する工程を備え、
前記はんだバンプを形成する工程は、
前記電極パッド上に第1層を形成する工程と、
前記第1層上に第2層を形成する工程と、
を有し、
前記第1層と前記第2層は、SnとAgにより構成され、
前記第1層は、前記第2層よりもAg濃度が高く、
前記第2層は、Ag濃度が2wt%未満である半導体装置の製造方法が提供される。
According to the present invention, the method includes forming a solder bump on the electrode pad by electroplating,
The step of forming the solder bump includes
Forming a first layer on the electrode pad;
Forming a second layer on the first layer;
Have
The first layer and the second layer are composed of Sn and Ag,
The first layer has a higher Ag concentration than the second layer,
The second layer is provided with a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the Ag concentration is less than 2 wt%.
本発明によれば、Agを添加したSnによって構成されるはんだバンプにおいて、電極パッド上に設けられた第1の層上に、Ag濃度が2wt%未満である第2の層が設けられている。このため、めっき膜中のAgとSnとの間において、局部電池効果が生じることを抑制できる。また第1層は、第2層よりもAg濃度が高い。このため、はんだバンプの融点を一定に保つことが可能となる。従って、半導体装置の安定した製造を行いつつも、はんだバンプの表面モフォロジーが悪化することを抑制できる。 According to the present invention, in the solder bump composed of Sn to which Ag is added, the second layer having an Ag concentration of less than 2 wt% is provided on the first layer provided on the electrode pad. . For this reason, it can suppress that a local battery effect arises between Ag and Sn in a plating film. The first layer has a higher Ag concentration than the second layer. For this reason, the melting point of the solder bump can be kept constant. Accordingly, it is possible to suppress the deterioration of the surface morphology of the solder bumps while stably manufacturing the semiconductor device.
本発明によれば、半導体装置の安定した製造を行いつつも、はんだバンプの表面モフォロジーが悪化することを抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that the surface morphology of a solder bump deteriorates, performing the stable manufacture of a semiconductor device.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置10の製造方法を示す断面図である。半導体装置10の製造方法は、電極パッド40上において、電解めっき法によりはんだバンプ20を形成する工程を備えている。はんだバンプ20を形成する工程は、電極パッド40上に第1層22を形成する工程と、第1層22上に第2層24を形成する工程と、を有している。第1層22と第2層24は、Agを添加したSnにより構成されている。第1層22は、第2層24よりもAg濃度が高い。第2層24は、Ag濃度が2wt%である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the
図1を用いて半導体装置10の構成について説明する。図1に示すように、電極パッド40上には、はんだバンプ20が形成されている。はんだバンプ20は、電極パッド40上に形成された第1層22と、第1層22上に形成された第2層24により構成されている。第1層22の厚さは、例えば25um以上200um以下である。また第1層22のAg濃度は、例えば0.1wt%以上20wt%以下である。第2層24の厚さは、例えば0.1um以上5um以下である。
The configuration of the
また図1に示すように、製造の途中における半導体装置10は、絶縁膜50と、バリアメタル膜52と、レジスト膜54を備える。絶縁膜50は、パッシベーション膜であり、電極パッド40の上面が露出するように基板(図示せず)上に設けられている。この基板には、トランジスタ(図示せず)、及び多層配線層(図示せず)が形成されている。そして最上層の配線層上に電極パッド40が形成されている。電極パッド40上、および絶縁膜50上には、バリアメタル膜52が形成されている。バリアメタル膜52上には、開口部56を有するレジスト膜54が設けられている。はんだバンプ20は、開口部56の内部に設けられている。
As shown in FIG. 1, the
次に、図1、図3(a)、及び図4(a)を用いて、半導体装置10の製造方法を詳細に説明する。図3(a)、及び図4(a)は、図1に示す半導体装置10の製造方法を示すグラフである。なお、本実施形態におけるはんだバンプの成膜では、Snが反応律速となり、Agが拡散律速となる条件において成膜される。両方を反応律速とすると、Agの過剰析出が発生し、Ag濃度を20%以下とすることができないためである。また両方を拡散律速とすると、他のイオンとの電解反応が発生して析出効率が低下するためである。
Next, a manufacturing method of the
まず、電解めっき法を用いて、電極パッド40上に第1層22を成膜する。本実施形態では、図3(a)に示すように電極(図示せず)間に正バイアスの電圧を印加することで、電極パッド40上にめっき膜を成膜する。第1層22の成膜工程における電流密度は、例えば12A/dm2以下である。また第1層22の成膜工程における電解液の攪拌速度は、例えば100〜300mm/secである。
First, the
次いで図3(a)に示すように、第1層22の成膜工程時に印加された電圧と逆方向の電圧を印加する。すなわち、電極間に逆バイアスの電圧を印加する。これにより、第1層22の表面をエッチングする。この場合、エッチングは電界が集中する凸部において優先的に生じるため、第1層22の表面は平坦となる。第1層22のエッチング工程における電流密度は、例えば−13〜−5A/dm2である。また第1層22のエッチング工程は、例えば0.1〜20sの間行われる。
Next, as shown in FIG. 3A, a voltage in the opposite direction to the voltage applied during the film forming process of the
次いで、第1層22の成膜工程時に印加された電圧と同一方向の電圧を印加する。すなわち、電極間に正バイアスの電圧を印加する。これにより、第1層22上に、第2層24を成膜する。第2層24の成膜工程における電流密度は、第1層22の成膜工程における電流密度よりも10%以上大きく、例えば13A/dm2以上である。これにより第1層22の成膜工程よりもSn析出が促進され、Ag濃度が2wt%未満である第2層24が形成される。
Next, a voltage in the same direction as the voltage applied during the film forming process of the
また電流密度を上昇させることに代えて、第2層24の成膜工程における攪拌速度を第1層22の成膜工程における攪拌速度よりも10%以上遅くしてもよい。これにより、第1層22の成膜工程よりもAgの拡散速度は遅くなり、Ag濃度が2wt%未満である第2層24が形成される。このとき第2層24の成膜工程における攪拌速度は、めっき膜の異常成長が発生することを抑制するため、5mm/sec以上であることが好ましい。さらには、電流密度の上昇と、攪拌速度の低減を共に行ってもよい。
Further, instead of increasing the current density, the stirring speed in the film forming process of the
次いで図3(a)に示すように、第1層22の成膜工程時に印加された電圧と逆方向の電圧を印加する。すなわち、電極間に逆バイアスの電圧を印加する。これにより、第2層24の表面をエッチングする。この場合エッチングは、電界が集中する凸部において優先的に生じるため、第2層24の表面は平坦となる。第2層24のエッチング工程における電流密度は、例えば−13〜−5A/dm2である。また第2層24のエッチング工程は、例えば0.1〜20sの間行われる。
Next, as shown in FIG. 3A, a voltage in the opposite direction to the voltage applied during the film forming process of the
次いで、電解液を除去する。図3(a)に示すように電解液を除去する工程中に、第1層22の成膜工程時に印加される電圧と同一方向の電圧を印加する。すなわち、電極間に正バイアスの電圧を印加して、図4(a)に示すように電解液に電流を印加する。このとき第2層24のSn電位は、電解液中のAg電位よりも高くなる。このため、電解液中のAgが第2層24のSnを溶解して置換めっきすることを抑制できる。電解液を除去する工程中に、電解液に印加される電流を生じさせるための電圧は、例えば一定に制御される。これにより、電流集中によるめっき焼けを回避することができる。上記のようにして、図1に示す半導体装置10が形成される。
Next, the electrolytic solution is removed. As shown in FIG. 3A, during the step of removing the electrolytic solution, a voltage in the same direction as the voltage applied during the film forming step of the
次に、本実施形態の効果を説明する。図2は、比較例に係る半導体装置15の製造方法を示す断面図である。また図3(b)、及び図4(b)は、比較例に係る半導体装置15の製造方法を示すグラフである。図2に示すように、半導体装置15におけるはんだバンプ20は、単一の濃度を有した一つの層のみから構成される。これに対し、本実施形態に係る半導体装置10では、第1層22上に、Ag濃度が2wt%未満である第2層24が設けられている。このため、めっき膜中のAgとSnとの間において、局部電池効果が生じることを抑制できる。また第1層22は、第2層24よりもAg濃度が高い。このため、はんだバンプの融点を一定に保つことが可能となる。従って、半導体装置の安定した製造を行いつつも、はんだバンプの表面モフォロジーが悪化することを抑制できる。
Next, the effect of this embodiment will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the
また比較例では、図3(b)及び図4(b)に示すように、電解液を除去する工程中に電圧を印加しない。このため、電解液中のAgははんだバンプ20中のSnを溶解して置換めっきする。この場合、はんだバンプ20の表面モフォロジーは悪化する。さらに、半導体装置の生産性を向上させるためには電解めっきによる成膜速度を高くすることが求められるも、成膜速度の上昇には拡散律速により成膜されるAgの高濃度化が必要となる。この場合、Agによる置換めっきは著しくなり、表面モフォロジーはさらに悪化する。
In the comparative example, as shown in FIGS. 3B and 4B, no voltage is applied during the step of removing the electrolytic solution. For this reason, Ag in the electrolytic solution dissolves Sn in the
これに対し本実施形態では、図3(a)及び図4(a)に示すように、電解液を除去する工程中、第1層22の成膜工程時に印加される電圧と同一方向の電圧を印加する。これにより、電解液を除去する工程において、電解液中のAgが第2層24のSnを溶解して置換めっきすることを抑制できる。よってはんだバンプの表面モフォロジーが悪化することを抑制しつつ、半導体装置の生産性の向上を図ることができる。さらに、電解液を除去する工程中に印加される電圧は一定に制御される。これにより、電流集中によるめっき焼けを回避することができる。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIGS. 3A and 4A, the voltage in the same direction as the voltage applied during the film forming process of the
また本実施形態では、図3(a)及び図4(a)に示すように、第1層22の成膜工程後であって第2層24の成膜工程前において、また第2層24の成膜工程後において、第1層22の成膜工程時に印加された電圧と逆方向の電圧が印加される。よって第1層22、又は第2層24の表面はエッチングされ、平坦となる。よってはんだバンプの表面モフォロジーを改善することができる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 3A and 4A, the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
10 半導体装置
15 半導体装置
20 はんだバンプ
22 第1層
24 第2層
40 電極パッド
50 絶縁膜
52 バリアメタル膜
54 レジスト膜
56 開口部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記はんだバンプを形成する工程は、
前記電極パッド上に第1層を形成する工程と、
前記第1層上に第2層を形成する工程と、
を有し、
前記第1層と前記第2層は、Agを添加したSnにより構成され、
前記第1層は、前記第2層よりもAg濃度が高く、
前記第2層は、Ag濃度が2wt%未満である半導体装置の製造方法。 A process for forming solder bumps on the electrode pads by electroplating,
The step of forming the solder bump includes
Forming a first layer on the electrode pad;
Forming a second layer on the first layer;
Have
The first layer and the second layer are made of Sn added with Ag,
The first layer has a higher Ag concentration than the second layer,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second layer has an Ag concentration of less than 2 wt%.
前記第1層のAg濃度は、0.1wt%以上20wt%以下である半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the Ag concentration of the first layer is 0.1 wt% or more and 20 wt% or less.
前記第2層を形成する工程における電流密度は、前記第1層を形成する工程における電流密度よりも10%以上大きい半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1 or 2,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the current density in the step of forming the second layer is 10% or more larger than the current density in the step of forming the first layer.
前記第2層を形成する工程における攪拌速度は、前記第1層を形成する工程における攪拌速度よりも10%以上遅い半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the stirring speed in the step of forming the second layer is 10% or more slower than the stirring speed in the step of forming the first layer.
前記はんだバンプを形成する工程は、前記第2層を形成する工程の後において、電解液を除去する工程をさらに有しており、
前記電解液を除去する工程中、前記第1層を形成する工程時に印加される電圧と同一方向の電圧を印加する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The step of forming the solder bump further includes a step of removing the electrolytic solution after the step of forming the second layer,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a voltage in the same direction as a voltage applied during the step of forming the first layer is applied during the step of removing the electrolytic solution.
前記電解液を除去する工程中に印加される電圧を一定に制御する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a voltage applied during the step of removing the electrolytic solution is controlled to be constant.
前記はんだバンプを形成する工程は、前記第2層を形成する工程の後であって、前記電解液を除去する工程の前において、前記第1層を形成する工程時に印加された電圧と逆方向の電圧を印加する工程をさらに有する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The step of forming the solder bump is after the step of forming the second layer, and before the step of removing the electrolyte, in the direction opposite to the voltage applied during the step of forming the first layer. The manufacturing method of the semiconductor device which further has the process of applying the voltage.
前記はんだバンプを形成する工程は、前記第1層を形成する工程の後であって、前記第2層を形成する工程の前において、前記第1層を形成する工程時に印加される電圧と逆方向の電圧を印加する工程をさらに有する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The step of forming the solder bump is after the step of forming the first layer and before the step of forming the second layer, and is opposite to the voltage applied during the step of forming the first layer. The manufacturing method of the semiconductor device which further has the process of applying the voltage of a direction.
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