JP2017011243A - 電子デバイス装置及びその製造方法 - Google Patents

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Junya Ikeda
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小澤 美和
Miwa Kozawa
美和 小澤
剛司 神吉
Goji Kamiyoshi
剛司 神吉
中田 義弘
Yoshihiro Nakada
義弘 中田
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Abstract

【課題】電子デバイス装置及びその製造方法に関し、Cu拡散防止を維持した状態で配線と被覆絶縁層の密着性を向上する。
【解決手段】 基板上に設けたCuを含む配線層の露出表面を、Cuを含む配線層に達しない孔を有するCuの拡散を防止するバリアメタル層で被覆する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電子デバイス装置及びその製造方法に関する。
近年、回路基板、Fan Out WLP(ファンアウト ウェーハレベルパッケージ)、複数チップ間を樹脂基板上で再配線する技術(Multi Chip Package)などに用いられるビルトアップ配線には微細で高密度の配線が求められている。
例えば、主に銅配線を用いたビルトアップ配線においては、Line/Spaceとして、1μm〜5μmの微細配線が求められており、そのためには、配線の高信頼性化が必要になる。
これらの微細配線を高信頼性で製造するために、例えば、NiP等のメタルキャップをバリアメタルとしてCu配線に被覆させて長期間使用時のCuのイオンマイグレーション等の信頼性上の不具合を防ぐことが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
ここで、図11を参照して、従来の電子デバイス装置の製造工程を説明する。まず、図11(a)に示すように、下地絶縁膜42を設けた基板41上に例えば、スパッタ法等を用いてTi層等の密着層43及びCuメッキシード層44を順次成膜する。次いで、フォトレジストにより形成したメッキフレーム(図示は省略)を利用してCu配線層45を電解メッキ法により形成する。
次いで、図11(b)に示すように、メッキフレームを除去したのち、露出するCuメッキシード層44を除去する。次いで、図11(c)に示すように、Cu配線層45の表面にNiPバリアメタル層46を例えば、無電解メッキ法により形成する。
次いで、図11(d)に示すように、密着層43の露出部を選択的にエッチングして除去する。次いで、全面にエポキシ樹脂やポリイミド樹脂やフェノール樹脂を用いて樹脂層47を形成する。
特開2012−015405号公報
しかし、NiP等のメタルバリア層を設けた配線においては、それらに接する樹脂絶縁膜との密着が弱いという問題がある。この密着性の弱さにより、信頼性試験や接合時の半田リフロー時の加熱工程や高温加速信頼性試験時などに樹脂絶縁膜とバリアメタル界面での剥がれが起こり絶縁膜にクラックが生じ、配線構造物が部分的に破壊する等の問題があった。
したがって、Cu拡散防止を維持した状態で、電子デバイス実装装置における配線と被覆絶縁層の密着性を向上することを目的とする。
開示する一観点からは、基板と、前記基板上に設けたCuを含む配線層と、前記Cuを含む配線層の露出表面を覆いCuの拡散を防止するバリアメタル層と、前記バリアメタル層を覆う被覆絶縁層とを有し、前記バリアメタル層は、前記Cuを含む配線層に達しない孔を有し、前記孔に前記被覆絶縁層が入り込んでいることを特徴とする電子デバイス装置が提供される。
また、開示する別の観点からは、基板上にCuを含む配線層を形成する工程と、前記Cuを含む配線層の表面を水溶性有機物質を含む水溶液に浸漬する工程と、前記水溶液に浸漬したのちの前記Cuを含む配線層の露出表面を無電解メッキ法によってCuの拡散を防止するバリアメタル層で被覆する工程と、前記バリアメタル層の表面を被覆絶縁層で被覆する工程とを有することを特徴とする電子デバイス装置の製造方法が提供される。
開示の電子デバイス装置及びその製造方法によれば、Cu拡散防止を維持した状態で、配線と被覆絶縁層の密着性を向上することが可能になる。
本発明の実施の形態の電子デバイス装置の電極構造の説明図である。 本発明の実施の形態の電子デバイス装置の電極の製造工程の途中までの説明図である。 本発明の実施の形態の電子デバイス装置の電極の製造工程の図2以降の説明図である。 本発明の実施の形態の作用効果の説明図である。 本発明の実施例1の半導体装置の概略的断面図である。 本発明の実施例1の半導体装置の製造工程の途中までの説明図である。 本発明の実施例1の半導体装置の製造工程の図6以降の途中までの説明図である。 本発明の実施例1の半導体装置の製造工程の図7以降の途中までの説明図である。 本発明の実施例1の半導体装置の製造工程の図8以降の途中までの説明図である。 本発明の実施例1の半導体装置の製造工程の図9以降の説明図である。 従来の電子デバイス装置の電極の製造工程の説明図である。
ここで、図1乃至図4を参照して、本発明の実施の形態の電子デバイス装置及びその製造方法を説明する。図1は、本発明の実施の形態の電子デバイス装置の電極構造の説明図であり、図1(a)は電極構造の概略的断面図であり、図1(b)はバリアメタル層の断面の電子顕微鏡像であり、図1(c)は、バリアメタル層の表面の電子顕微鏡像である。
図1(a)に示すように、下地絶縁膜12を介して基板11上に設けたCuを含む配線層15の露出表面をCuの拡散を防止するバリアメタル層18で被覆する。バリアメタル層18にはCuを含む配線層15に達しない孔19を有している。Cuを含む配線層15とバリアメタル層18の界面の少なくとも一部に水溶性有機物質薄膜(17)が設けられており、この水溶性有機物質被膜によりバリアメタル層18が二次元的にではなく三次元的に島状に成長する。成長粒が成長すると、隣接する成長粒と衝突して界面に孔19が形成されると推定される。
図1(b)及び図1(c)に示すように、孔19は、バリアメタル層18の成長粒の界面に見られ、直径は5nm〜50nm程度であり、そのピッチは100nm程度である。したがって、Cuを含む配線層15の表面を被覆樹脂で覆った場合には、被覆樹脂がバリアメタル層18に設けられた孔19に入り込み、アンカー効果によって剥離が起きにくくなる。
基板11としては、ガラス基板等の絶縁性基板、プリント配線基板或いは半導体集積回路基板を樹脂モールドした樹脂モールド基板等が典型的なものである。なお、ガラス基板等の場合には、表面に樹脂絶縁膜を設けることが望ましい。また、樹脂モールド基板の場合には、半導体集積回路チップの表面に設けた電極とCuを含む配線層15とを接続する。その場合には、電極に対してTi層等の密着層及びCu等のメッキシード層を介してCuを含むメッキ層を設ければ良い。
次に、図2乃至図3を参照して、本発明の実施の形態の電子デバイス装置の電極の製造工程を説明する。まず、図2(a)に示すように、下地絶縁膜12を介して基板11上に例えば、スパッタ法等を用いてTi層等の密着層13及びCu等のメッキシード層14を順次成膜する。次いで、フォトレジストから形成したメッキフレーム(図示は省略)を利用してCuを含む配線層15を電解メッキ法により形成する。なお、Cuを含む配線層15としてはCu配線層或いはSiを含むCu系配線層等を用いる。なお、密着層13の厚さは、例えば、20nm〜30nm程度とし、メッキシード層14の厚さは50nm〜100nm程度とし、Cuを含む配線層15は厚さが1μm〜5μmで、幅が1μm〜5μmとする。
次いで、図2(b)に示すように、メッキフレームを除去したのち、露出するメッキシード層14を除去する。次いで、図2(c)に示すように、Cuを含む配線層15の表面を水溶性有機物質を含む水溶液16中に常温で3分間程度浸漬する。この場合の水溶性有機物質としては、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールt−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールエーテル、或いは、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリアクリルアミド或いはポリエチレンオキシド等の水溶性樹脂を用いる。
この時、水溶性有機物質を含む水溶液16における水溶性有機物質の濃度を0.5重量%〜1.0重量%にすることによって、図2(d)に示すように、Cuを含む配線層15の表面に水溶性有機物質被膜17がまばらに付着することになる。濃度が低すぎると水溶性有機物質被膜17を形成する意味がなく、また、高すぎると全面に付着するので、三次元成長が生じなくなり、孔19が形成されなくなる。
次いで、図3(e)に示すように、Pd触媒を用いた無電解メッキ法によりバリアメタル層18を形成する。Pd触媒はTiには付着しないので、メッキシード層14の側面及びCuを含む配線層15の表面にのみバリアメタル層18が形成される。この時、Cuを含む配線層15の表面に水溶性有機物質被膜17がまばらに付着しているので、バリアメタル層18は水溶性有機物質被膜17により部分的にバリアメタル成膜時の膜成長が阻害される。そのため、メタルバリア層18は、三次元的に島状に成長粒が成長し、大きく成長して隣接する成長粒との界面に孔19が形成される。この孔19の直径は、5nm〜50nm径程度となる。バリアメタル層18の厚さは、例えば、50nm〜200nmとする。また、バリアメタルとしては、NiP、NiWP、NiB、NiWB、CoP、CoB、CoWP或いはCoWB等を用いる。
次いで、図3(f)に示すように、密着層13の露出部を選択的にエッチングして除去する。この時、例えば、CFを用いたドライエッチングを用いる。次いで、図3(g)に示すように、全面に樹脂を用いて被覆絶縁層20を形成する。この場合の被覆絶縁層20としては、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂やフェノール樹脂を用いる。
この時、被覆絶縁層20がバリアメタル層18の表面に形成された孔19に入り込むので、信頼性試験時や長期間使用時の配線材料の絶縁膜への拡散を防止する機能は従来通り保ったままで、被覆絶縁層20との密着を向上することができる。
図4は、本発明の実施の形態の作用効果の説明図であり、図4(a)は水溶性有機物質としてエチレングリコールメチルエーテルを用いた場合の剥離強度の説明図である。また、図4(b)は、水溶性有機物質としてポリビニルピロリドンを用いた場合の剥離強度の説明図である。
図4(a)に示すように、水溶性有機物質としてエチレングリコールメチルエーテルを用いた場合には、水溶液中に浸漬しない場合に比べて剥離強度が高まることが確認された。特に、エチレングリコールメチルエーテルの濃度を0.5重量%〜1.0重量%とした場合に、水溶液中に浸漬しない場合に比べて5倍以上の剥離強度が得られた。
図4(b)に示すように、水溶性有機物質としてポリビニルピロリドンを用いた場合には、水溶液中に浸漬しない場合に比べて剥離強度が高まることが確認された。特に、ポリビニルピロリドンの濃度を0.5重量%〜1.0重量%とした場合に、水溶液中に浸漬しない場合に比べて5倍弱以上の剥離強度が得られた。
このように、本発明の実施の形態においては、バリアメタル層18にCuを含む配線層15に達しない孔19を形成しているので、ビルトアップ配線,ウェハーレベルパッケージ配線等の信頼性を向上することができる。
次に、図5乃至図10を参照して、本発明の実施例1の半導体装置を説明する。図5は本発明の実施例1の半導体装置の概略的断面図であり、チップ側電極22を設けた半導体集積回路チップ21をモールド樹脂でモールドして樹脂モールド半導体チップとする。この樹脂モールド半導体チップに対して、従来と同様に、ビルトアップ法を用いてCu配線層27を設け、このCu配線層27に対してCuパッド35を設け、このCuパッド35にハンダボール38を転写したのち、実装基板に実装する。
本発明の実施例1においては、Cu配線層27を孔31を有するNiPバリアメタル層30で被覆したのち、全面にエポキシ樹脂フィルムを貼り合せて樹脂層37を形成している。なお、Cu配線層27のNiPバリアメタル層30との界面にはグリコールエーテル被膜29が形成されている。
次に、図6乃至図10を参照して、本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を説明する。まず、図6(a)に示すように、チップ側電極22を設けた半導体集積回路チップ21をモールド樹脂23で覆った樹脂モールド半導体チップを用意する。次いで、図6(b)に示すように、スパッタ法を用いて、厚さが20nmのTi密着層24及び厚さが100nmのCuメッキシード層25を順次成膜する。
次いで、図6(c)に示すように、フォトレジストを塗布したのち、所定配線パターンを形成するように露光し、現像することによってメッキフレーム26を形成する。次いで、図7(d)に示すように、メッキフレーム26をマスクとして、厚さが3μmで幅が3μmのCu配線層27を形成する。
次いで、図7(e)に示すように、メッキフレーム26を除去する。次いで、図7(f)に示すように、Cu3930液(メルテック社製商品型番)を用いたウェットエッチングによりCuメッキシード層25の露出部を除去する。
次いで、図8(g)に示すように、1.0%のグリコールエーテル水溶液中に常温で3分間浸漬する。なお、ここでは、グリコールエーテルとして、エチレングリコールメチルエーテルを用いる。この時、図8(h)に示すように、Cu配線層27の表面にグリコールエーテル被膜29がまばらに形成される。
次いで、図8(i)に示すように、Pdを触媒に用いた無電解メッキ法により厚さが100nmのNiPバリアメタル層30を成膜する。この時、NiPバリアメタル層30には、Cu配線層27に達しない直径が5nm〜50nm程度の孔31が形成される。なお、Pd触媒はTi上には付着しないので、NiPバリアメタル層30はCu面のみに成膜することになる。
次いで、図9(j)に示すように、CFを用いたドライエッチングにより、Ti密着層24の露出部を選択的に除去する。次いで、図9(k)に示すように、厚さが10μmのエポキシ樹脂フィルムをラミネートして樹脂層32を形成する。次いで、Cu配線層27に対する開口部33を形成する。
次いで、図9(l)に示すように、スパッタ法により厚さが100nmのCuメッキシード層34を形成した後、メッキフレーム(図示は省略)をマスクとして厚さが30μmのCuメッキ層を電解メッキ法で形成する。次いで、メッキフレームを除去したのち、Cuメッキシード層34の露出部を除去してCuパッド35を形成する。
次いで、図10(m)に示すように、Pdを触媒とした無電解メッキ方法によりCuメッキシード層34の露出側面及びCuパッド35の表面に厚さが100nmのNiAuバリアメタル層36を選択的に形成する。
次いで、図10(n)に示すように、全面にフェノール樹脂を塗布して厚さが50μmの樹脂層37を形成する。次いで、Cuパッド35に対する開口部を設けたのち、開口部にハンダボール38を転写することによって本発明の実施例1の半導体装置の基本構成が完成する。以降は、この半導体装置を実装基板に実装することになる。
本発明の実施例1においては、樹脂モールド半導体装置を実装する際のビルトアップ配線を形成する際に、NiPバリアメタル層30にCu配線層27に達しない微小な孔31を形成しているので、樹脂層32との密着性が大幅に向上する。したがって、配線材料の絶縁膜への拡散を防止するために樹脂層との密着性が低いバリアメタル層を形成しても、信頼性試験時や長期間使用時に剥離が生ずることがない。
なお、上記の実施例1においては、ビルトアップ配線を樹脂モールド半導体チップに対して形成しているが、樹脂モールド半導体チップに限られるものではなく、回路基板やガラス基板上に形成して良いものである。この場合も表面に孔を有するメタルバリア層を設けることで、配線層と被覆絶縁層の密着性が向上するので、ビルトアップ配線構造の信頼性が向上する。
ここで、実施例1を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
(付記1)基板と、前記基板上に設けたCuを含む配線層と、前記Cuを含む配線層の露出表面を覆いCuの拡散を防止するバリアメタル層と、前記バリアメタル層を覆う被覆絶縁層とを有し、前記バリアメタル層は、前記Cuを含む配線層に達しない孔を有し、前記孔に前記被覆絶縁層が入り込んでいることを特徴とする電子デバイス装置。
(付記2)前記Cuを含む配線層と前記バリアメタル層の界面の少なくとも一部に有機物質被膜が設けられており、前記孔は前記バリアメタル層の成長粒の界面に形成されていることを特徴とする付記1に記載の電子デバイス装置。
(付記3)前記有機物質被膜が、グリコールエーテル或いは水溶性樹脂のいずれかからなる被膜であることを特徴とする付記2に記載の電子デバイス装置。
(付記4)前記グリコールエーテルが、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールt−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル或いはトリプロピレングリコールモノメチルエーテルのいずれかであることを特徴とする付記3に記載の電子デバイス装置。
(付記5)前記水溶性樹脂が、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリアクリルアミド或いはポリエチレンオキシドのいずれかであることを特徴とする付記3に記載の電子デバイス装置。
(付記6)前記孔の直径が、5nm〜50nmであることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の電子デバイス装置。
(付記7)基板が、半導体集積回路チップをモールド樹脂で被覆した樹脂モールド基板であり、前記Cuを含む配線層が前記半導体集積回路チップに設けられた電極と接していることを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1項に記載の電子デバイス装置。
(付記8)前記電極が、前記基板の表面に対する密着層とメッキシード層を介して前記Cuを含む配線層に接していることを特徴とする付記7に記載の電子デバイス装置。
(付記9)基板上にCuを含む配線層を形成する工程と、前記Cuを含む配線層の表面を水溶性有機物質を含む水溶液に浸漬する工程と、前記水溶液に浸漬したのちの前記Cuを含む配線層の露出表面を無電解メッキ法によってCuの拡散を防止するバリアメタル層で被覆する工程と、前記バリアメタル層の表面を被覆絶縁層で被覆する工程とを有することを特徴とする電子デバイス装置の製造方法。
(付記10)前記水溶性有機物質が、グリコールエーテル或いは水溶性樹脂のいずれかからなる被膜であることを特徴とする付記9に記載の電子デバイス装置の製造方法。
(付記11)前記グリコールエーテルが、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールt−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールプロピルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル或いはトリプロピレングリコールモノメチルエーテルのいずれかであることを特徴とする付記10に記載の電子デバイス装置の製造方法。
(付記12)前記水溶性樹脂が、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩、ポリアクリルアミド或いはポリエチレンオキシドのいずれかであることを特徴とする付記10に記載の電子デバイス装置の製造方法。
(付記13)前記水溶液中の水溶性有機物質の濃度が、0.5重量%〜1.0重量%であることを特徴とする付記11または付記12に記載の電子デバイス装置の製造方法。
(付記14)基板上にCuを含む配線層を形成する工程が、前記Cuを含む配線層を形成する側の面に電極を有する半導体集積回路チップをモールド樹脂で被覆した樹脂モールド半導体チップ上に密着層を形成する工程と、前記密着層上にメッキシード層を形成する工程と、前記メッキシード層上にCuを含むメッキ層を電解メッキする工程とを有することを特徴とする付記9乃至付記13のいずれか1に記載の電子デバイス装置の製造方法。
11 基板
12 下地絶縁膜
13 密着層
14 メッキシード層
15 Cuを含む配線層
16 水溶性有機物質を含む水溶液
17 水溶性有機物質被膜
18 バリアメタル層
19 孔
20 被覆絶縁層
21 半導体集積回路チップ
22 チップ側電極
23 モールド樹脂
24 Ti密着層
25 Cuメッキシード層
26 メッキフレーム
27 Cu配線層
28 グリコールエーテル水溶液
29 グリコールエーテル被膜
30 NiPバリアメタル層
31 孔
32 樹脂層
33 開口部
34 Cuメッキシード層
35 Cuパッド
36 NiAuバリアメタル層
37 樹脂層
38 ハンダボール
41 基板
42 下地絶縁膜
43 密着層
44 Cuメッキシード層
45 Cu配線層
46 NiPバリアメタル層
47 樹脂層

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に設けたCuを含む配線層と、
    前記Cuを含む配線層の露出表面を覆いCuの拡散を防止するバリアメタル層と、
    前記バリアメタル層を覆う被覆絶縁層と
    を有し、
    前記バリアメタル層は、前記Cuを含む配線層に達しない孔を有し、
    前記孔に前記被覆絶縁層が入り込んでいることを特徴とする電子デバイス装置。
  2. 前記Cuを含む配線層と前記バリアメタル層の界面の少なくとも一部に有機物質被膜が設けられており、
    前記孔は前記バリアメタル層の成長粒の界面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電子デバイス装置。
  3. 前記有機物質被膜が、グリコールエーテル或いは水溶性樹脂のいずれかからなる被膜であることを特徴とする請求項2に記載の電子デバイス装置。
  4. 基板が、半導体集積回路チップをモールド樹脂で被覆した樹脂モールド基板であり、
    前記Cuを含む配線層が前記半導体集積回路チップに設けられた電極と接していることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電子デバイス装置。
  5. 基板上にCuを含む配線層を形成する工程と、
    前記Cuを含む配線層の表面を水溶性有機物質を含む水溶液に浸漬する工程と、
    前記水溶液に浸漬したのちの前記Cuを含む配線層の露出表面を無電解メッキ法によりCuの拡散を防止するバリアメタル層で被覆する工程と、
    前記バリアメタル層の表面を被覆絶縁層で被覆する工程と
    を有することを特徴とする電子デバイス装置の製造方法。
  6. 前記水溶性有機物質が、グリコールエーテル或いは水溶性樹脂いずれかであることを特徴とする請求項5に記載の電子デバイス装置の製造方法。
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