JP2017183332A - めっき方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のドーム高さを実現することができるめっき方法を提供する。【解決手段】めっき方法は、バンプ高さに対するドーム高さの割合と、塩化物イオンの濃度との関係を示す相関データを用意し、バンプ高さに対するドーム高さの所望の割合と、相関データとに基づいて選択された濃度の塩化物イオンを含むめっき液を作成し、選択された濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ３〜３００ｍｇ／ｄｍ３の範囲内であり、基板を前記めっき液中に浸漬させ、めっき液中のアノードと基板との間に電流を流して基板をめっきする。【選択図】図１１

Description

本発明は、基板上にバンプを形成するためのめっき方法に関し、特にバンプ形状を制御することができる銅めっき方法に関する。

バンプは、ＬＳＩ等の集積回路を有するウェーハの表面に形成される。バンプは、集積回路の配線の一部を構成し、外部のパッケージ基板（回路基板）の回路への接続のための端子となる。バンプは、一般に、半導体チップ（ダイ）の周辺に沿って配置され、金線（ワイヤーボンディング方式）やリード（ＴＡＢ方式）によって外部回路に接続される。

近年、半導体デバイスの集積化・高密度化が進むにつれて、外部回路との接続のためのバンプの数が多くなり、半導体チップの表面全域にバンプを形成する必要性が生じてきている。また、配線距離を短縮させる必要性から、表面に多数のバンプを形成した半導体チップを裏返して、バンプを回路基板に直接接続する方法（フリップチップ方式）が採用されるようになってきている。

バンプの材料としては、金、銀、銅、ニッケル、はんだ、インジウム、またはそれらのいずれかを少なくとも含む合金種が用いられる。これらのバンプ材料のうち、はんだは導電性を持つとともに比較的低い融点をもち、電気配線材料や半導体材料にダメージを与えない温度で溶融して素子の接合を行うことができる。このため、はんだは、半導体チップの各電極とパッケージ基板の各電極との接続に広く用いられている。

電気めっきは、バンプを形成する方法として広く採用されている。集積回路を有するウェーハの表面にバンプを形成するプロセスは、半導体デバイス製造の最終段階で最も重要なプロセスの一つである。つまり、数多くの製造工程を経てウェーハに集積回路が形成されるため、それまでの全ての工程を合格してきたウェーハに対して行われるバンプ形成プロセスには極めて高い信頼性が要求される。半導体チップの小型化に伴って、外部回路との接続に使用されるバンプの数が増え、バンプ自体も小さくなりつつある。このため、半導体チップとパッケージ基板等の回路基板との接合のための位置合せ精度を高める必要が生じる。さらに、バンプが溶融して凝固する接合過程において欠陥が生じないようにすることが強く要求される。

銅バンプは、ウェーハの集積回路に電気的に接続されたシード層の上に形成される。シード層上には、開口部を有するレジストが形成されており、銅めっきにより銅が開口部内のシード層の露出面上で析出して銅バンプを形成する。シード層は、例えばＴｉからなるバリア層と、例えば銅からなる給電層を含んでおり、それぞれ、バリア層ではバンプ金属である銅の拡散を防ぎ、給電層では電解めっきを行うために基板へと給電するようにされている。すなわち、シード層は、電気めっきのための給電膜としての役割の他に、バンプ金属である銅の拡散を防止するための金属膜としての役割を果たす。レジストの開口部が銅で充填された後、レジストが除去され、さらに銅バンプに対してリフロー処理が行わる。

特表２００９−５３２５８６号公報 特開２０１０−２５５０７８号公報 特開２０１１−０５４８９０号公報

図１３は、めっき処理後であってリフロー処理前のバンプの断面図である。バンプ高さＨは、バンプ１の最低部から最頂部までの距離に相当する。レジストの開口部にめっきによってバンプ１を形成したとき、バンプ１の頂部にはドーム２が形成される。このドーム２は、内側に湾曲した側面を有する頂部である。図１３では、ドーム高さは、ｄｈで表されている。バンプ高さＨは、１０μｍ以上であることが好ましいとされている。これは、回路基板に接合されたバンプの均一な高さを確保するためである。

近時、ＴＳＶを作成する半導体デバイス製造工程において、銅めっきで形成されたビアの頭部を含んだウェーハの全面を、リフロー処理を行う前に、ＣＭＰ装置で研磨して平坦化し、その後化学的エッチングを行ってビアの頭部を出してからバンプを作るといった、ビアミドルの頭出し技術が、２．５次元実装技術の開発が行われている中で、検討されている（傳田精一「半導体の高次元化技術 貫通電極による３Ｄ／２．５Ｄ／２．１Ｄ実装」、１６頁〜１８頁、東京電機大学出版局）。

近年、こうした実装技術が検討されるにつれて、ビア頭部、すなわちめっきで形成される銅バンプのドーム高さｄｈをできるだけ小さくすることが望ましいことが分かってきた。つまり、バンプのドーム高さｄｈが小さければ、めっき後に行われる研磨工程の時間を短くすることができる。しかしながら、ドーム高さｄｈはバンプ高さＨに大きく依存するため、バンプ高さＨとは独立にドーム高さｄｈを制御することは難しい。さらに、要求されるドーム高さｄｈは、その後の処理条件によっても変わり得る。このような状況の中で、バンプ高さＨに依存せずにドーム高さｄｈを制御する技術が望まれている。

そこで、本発明は、所望のドーム高さを実現することができるめっき方法を提供する。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、基板を銅でめっきしてバンプを形成する方法であって、バンプ高さに対するドーム高さの割合と、塩化物イオンの濃度との関係を示す相関データを用意し、バンプ高さに対するドーム高さの所望の割合と、前記相関データとに基づいて選択された濃度の塩化物イオンを含むめっき液を作成し、前記選択された濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ^３〜３００ｍｇ／ｄｍ^３の範囲内であり、基板を前記めっき液中に浸漬させ、前記めっき液中のアノードと前記基板との間に電流を流して前記基板をめっきすることを特徴とする方法である。

本発明の好ましい態様は、バンプの高さが少なくとも１００μｍに達するまで、前記基板のめっきを行うことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板のめっき開始時に、電流密度を上昇させることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記電流密度は、１Ａ／ｄｍ^２から２０Ａ／ｄｍ^２の範囲内であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板のめっき中の前記めっき液の温度を３０℃から８０℃の範囲内に維持することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板のめっき中に、パドルを前記めっき液中で往復運動させることによって前記めっき液を攪拌し、前記パドルの往復動速度は、１００回／分から５００回／分の範囲内であることを特徴とする。

本発明によれば、相関データに基づいて決定された濃度の塩化物イオンを含むめっき液を用いることによって、バンプの高さが大きい場合（例えば、バンプの高さが１００μｍ以上の場合）であっても、所望のドーム高さを実現することができる。

めっき装置の一実施形態を示す縦断正面図である。 パドルの正面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 めっき液に含まれる塩化物イオンの濃度と、バンプ高さに対するドーム高さの割合との関係を示すグラフである。 図４に示す濃度の塩化物イオンを含むめっき液を使用して基板をめっきした結果として得られたバンプの形状を示す図である。 めっき液中の塩化物イオンの濃度が高い場合の塩化物イオンの作用を説明する模式図である。 めっき液中の塩化物イオンの濃度が過度に高い場合の塩化物イオンの作用を説明する模式図である。 めっき液中の塩化物イオンの濃度が低い場合の塩化物イオンの作用を説明する模式図である。 電流密度を段階的に上昇させる実施形態を示す図である。 電流密度を直線的に上昇させる実施形態を示す図である。 めっき方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 図１１に記載した実施形態に従って実施した実験のめっき条件と、比較例として実施した実験のめっき条件を示す図である。 めっき処理後であってリフロー処理前のバンプの断面図である。

図１は、めっき装置の一実施形態を示す縦断正面図である。本実施形態のめっき装置は、集積回路を有するウェーハなどの基板の表面に銅を析出させることができる銅めっき装置である。図１に示すように、めっき装置は、めっき液を内部に保持するめっき槽１０を有する。めっき槽１０の上部には、めっき槽１０の縁から溢れ出ためっき液を受け止めるオーバーフロー槽１２が設けられている。本実施形態に使用されるめっき液には、銅イオン、硫酸イオンが含まれており、さらに促進剤および抑制剤などの添加剤が含まれている。

オーバーフロー槽１２の底部には、ポンプ１４が設けられためっき液供給ライン１６の一端が接続され、めっき液供給ライン１６の他端は、めっき槽１０の底部に接続されている。オーバーフロー槽１２内に溜まっためっき液は、ポンプ１４の駆動に伴ってめっき液供給ライン１６を通ってめっき槽１０内に戻される。めっき液供給路１６には、ポンプ１４の下流側に位置して、めっき液の温度を調節する温調ユニット２０と、めっき液内の異物を除去するフィルタ２２が介装されている。

めっき装置は、ウェーハなどの基板（被めっき体）Ｗを着脱自在に保持して、基板Ｗを鉛直状態でめっき槽１０内のめっき液に浸漬させる基板ホルダ２４を備えている。さらに、めっき装置は、めっき槽１０内に配置されたアノード２６と、このアノード２６を保持するアノードホルダ２８を備えている。基板Ｗを保持した基板ホルダ２４がめっき槽１０に設置されると、基板Ｗとアノード２６とはめっき槽１０内で互いに対向する。この実施形態では、アノード２６の材料には、含リン銅が使用されている。アノード２６は電源３０の正極に電気的に接続されており、基板Ｗは基板ホルダ２４を介して電源３０の負極に接続されている。めっき電源３０によって、アノード２６と基板Ｗとの間に電流を流すことにより基板Ｗの表面に金属（銅）が析出する。

基板ホルダ２４に保持された基板Ｗとアノード２６との間には、基板Ｗの表面と平行に往復運動してめっき液を攪拌するパドル３２が配置されている。めっき液をパドル３２で攪拌することで、十分な銅イオンを基板Ｗの表面に均一に供給することができる。基板Ｗのめっき中におけるパドル３２の往復動速度（１分あたりの往復動回数）は、１００回／分から５００回／分である。パドル３２と基板Ｗとの距離は、好ましくは５ｍｍ〜１１ｍｍである。更に、パドル３２とアノード２６との間には、基板Ｗの全面に亘る電位分布をより均一にするための誘電体からなる調整板（レギュレーションプレート）３４が配置されている。

パドル３２は、図２及び図３に示すように、板厚ｔが３ｍｍ〜５ｍｍの一定の厚みを有する矩形板材で構成され、内部に複数の長穴３２ａを平行に設けることで、鉛直方向に延びる複数の格子部３２ｂを有するように構成されている。パドル３２の材質は、例えばチタンにテフロン（登録商標）コートを施したものである。パドル３２の垂直方向の長さＬ１及び長孔３２ａの長手方向の寸法Ｌ２は、基板Ｗの垂直方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。また、パドル３２の横方向の長さＭは、パドル３２が往復運動したときにパドル３２の両側端が基板Ｗの外側に位置するように、基板Ｗの横方向の寸法よりも十分に大きくなるように設定されている。ただし、撹拌機構は、本実施形態に記載したパドル撹拌に限定されず、他にも、空気撹拌、噴流撹拌、スキージ撹拌等を用いることができる。

基板Ｗのめっき中、温調ユニット２０は、めっき液の温度を、３０℃〜８０℃の範囲から選択された所定の温度に維持する。ただし、めっき液の温度調整システムは、上述した温調ユニット２０に限定されない。例えば、めっき槽１０内に温度センサーを設け、めっき槽１０とめっき液補給装置との間でめっき液を循環させるめっき液の配管経路中にヒーター（またはチラー）と熱交換器（またはクーラー）を設置してもよい。このような温度調整システムによれば、めっき槽１０内のめっき液の温度に応じて、配管経路中のめっき液を加温または冷却することで、温度調整されためっき液をめっき槽１０に投入することができる。

めっき液に用いられる促進剤としては、特に限定されないが、ＳＰＳ（ビス（３−スルホプロピル）ジスルファイド）、またはその２ナトリウム塩、３−メルカプト―１−プロパンスルホン酸またはそのナトリウム塩、Ｎ，Ｎ−ジメチルジチオカルバミン酸（３−スルホプロピル）ジスルフィド等が挙げられる。

めっき液に用いられるサプレッサー（抑制剤）としては、特に限定されないが、ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）、ポリプロピレングリコール、エチレングリコールとプロピレングリコールとの共重合体、及びそれらの誘導体ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等が挙げられる。

添加剤にはレベラーが含まれてもよい。使用されるレベラー（平滑剤）としては、特に限定されないが、ＰＥＩ（ポリエチレンイミン）、ヤーヌスグリーンＢ等の有機染料、ジグリシジルエーテルと窒素含有化合物の反応生成物、ポリアミン、水溶性樹脂等が挙げられる。

本実施形態に使用されるめっき液には、上記添加剤に加えて、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が含まれている。塩化物イオンは、めっきにより析出した銅の表面に吸着して、その機能を発揮すると考えられている。より具体的には、塩化物イオンは、めっき液中の抑制剤に働きかけて、抑制剤の機能を促進させるものと考えられる。本発明者は、めっきにより形成されるバンプのドーム高さ（図１３参照）は、めっき液に含まれる塩化物イオンの濃度に依存して変わること実験により見出した。

図４は、めっき液に含まれる塩化物イオンの濃度と、バンプ高さに対するドーム高さの割合との関係を示すグラフである。なお、バンプ高さに対するドーム高さの割合は、バンプ高さに対するドーム高さの比と同義である。図４のグラフは、塩化物イオンの濃度が異なる４つのめっき液中に、それぞれ基板を浸漬させてバンプを形成した実験結果を示している。

使用しためっき液は、硫酸銅五水和物、硫酸、促進剤、抑制剤、平滑剤、塩化物イオンを含むものであった。用意した４つのめっき液中の塩化物イオンの濃度は、それぞれ、５０ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）、１００ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）、２００ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）、３００ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）であった。塩化物イオンの濃度以外のめっき条件は同じであった。図４から分かるように、塩化物イオンの濃度に従って、バンプ高さに対するドーム高さの割合が減少する。

図５は、図４に示す濃度の塩化物イオンを含むめっき液を使用して基板をめっきした結果として得られたバンプの形状を示す図である。図５に示す４つのバンプ１の高さ、すなわちバンプ高さＨは、実質的に同じであった。より具体的には、バンプ高さＨは、１００μｍ以上であった。図５から分かるように、バンプ高さＨは実質的に同じであるにもかかわらず、塩化物イオンの濃度に従ってドーム高さｄｈが減少する。これは、塩化物イオンの濃度が増えるに従って、ドーム高さｄｈが小さくなることを意味している。

一般に、バンプ高さＨが小さい場合には、ドーム高さｄｈも小さく、ドームの形状はあまり問題とならない。しかしながら、ドーム高さｄｈはバンプ高さＨに大きく依存するため、バンプ高さＨが１００μｍ以上となると、ドーム高さｄｈも大きくなる。そこで、本実施形態によれば、バンプ高さＨが１００μｍ以上であっても、めっき液中の塩化物イオンの濃度を調整することによって、ドーム高さｄｈを小さくすることができる。

塩化物イオンは、水溶性塩素化合物をめっき液に投入することによってめっき液に添加することができる。したがって、めっき液中の塩化物イオンの濃度は、めっき液に投入される水溶性塩素化合物の量によって調整することができる。水溶性塩素化合物の具体例には、塩酸、塩化ナトリウム、塩化カリウム、またはこれらの組み合わせが挙げられる。

塩化物イオンの濃度によってドーム高さが変わる理由は、次の通りと考えられる。図６に示すように、バンプを構成する銅４２は、レジスト４０の開口部４０ａ内のシード層４１の露出面上に析出する。塩化物イオン４４は、析出した銅４２の表面に吸着される。抑制剤４５は、塩化物イオン４４を仲介として銅４２の表面に付着する。その結果、銅４２の局所的な析出が緩和され、核発生密度が向上する。塩化物イオン４４は、銅４２のボトムアップ成長に特に影響すると言われている。

めっき液中の塩化物イオン４４の濃度が高い場合、図６に示すように、塩化物イオン４４は銅４２の表面上に均一に付着し、これら塩化物イオン４４を介して抑制剤４５が付着する。結果として、銅４２の局所的な析出が緩和され、銅４２の表面の中央部はほとんど盛り上がらない。

めっき液中の塩化物イオン４４の濃度が過度に高い場合、図７に示すように、銅４２の表面上の一部に塩化物イオン４４が過度に存在し、電気的に弱い部分が発生する。電流は、その部分に集中し、局所的に電流密度が上昇する。この状態で、めっきが進行すると、銅４２の表面の一部にピットと呼ばれる凹部、またはノジュールと呼ばれる突起部（凸部）が形成される。

一方、めっき液中の塩化物イオン４４の濃度が低い場合、図８に示すように、塩化物イオン４４は、銅４２の表面に均一に付着せず、銅４２の表面の端部に集まりやすい。結果として、銅４２の表面の中央部が盛り上がる。

以上のような観点から、ドーム高さをコントロールするために適切な塩化物イオンの範囲が存在する。本実施形態では、めっき液中の塩化物イオンの濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）から３００ｍｇ／ｄｍ^３（またはｐｐｍ）の範囲から選択される。塩化物イオンの濃度が１００ｍｇ／ｄｍ^３未満であると、抑制剤に作用する塩化物イオンの量が少なすぎて、ドーム高さを制御することが難しい。一方、塩化物イオンの濃度が３００ｍｇ／ｄｍ^３を超えると、図７で説明したように、バンプの一部にピットと呼ばれる凹部またはノジュールと呼ばれる突起部が形成される。このような理由から、本実施形態のバンプめっきに使用されるめっき液の塩化物イオンの濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ^３から３００ｍｇ／ｄｍ^３の範囲内である。

一実施形態では、基板のめっき中、電流密度は、１Ａ／ｄｍ^２から２０Ａ／ｄｍ^２の範囲内に維持される。めっき時間を短縮してスループットを上げるためには、アノード２６（図１参照）から基板Ｗに流れる電流密度は高いことが好ましい。しかしながら、最初から電流密度を高くすると、銅の表面の一部に凹凸部が形成されることがある。そこで、めっき時間を短縮しつつ凹凸部の形成を防止するために、めっき開始時に電流密度を徐々に上昇させることが好ましい。図９は、電流密度を段階的に上昇させる実施形態を示す図であり、図１０は、電流密度を直線的に上昇させる実施形態を示す図である。これら図９及び図１０のようにめっき開始時に基板に印加される電流密度を徐々に上昇させることによって、ディフェクトを発生させることなく、めっき時間を短縮し、スループットを向上させることができる。なお、めっき開始時とは、めっき処理を開始してから、短いながらも所定の時間が経過するまでを意味する。

次に、図１１に示すフローチャートを参照しながら、めっき方法の一実施形態を説明する。ステップ１では、図４に示すような、めっき液に含まれる塩化物イオンの濃度と、バンプ高さに対するドーム高さの割合との関係を示す相関データが用意される。この相関データは、過去に行われた実験結果から作成することができる。相関データは、塩化物イオンの濃度と上記割合との関係を示すデータテーブルでもよく、または塩化物イオンの濃度と上記割合との関係を示す関数であってもよい。相関データは、めっき装置の図示しない記憶装置に記憶される。

ステップ２では、図示しない制御装置にて、バンプ高さに対するドーム高さの所望の割合と、上記記憶装置に保存されている相関データとに基づいて、めっき液に含まれるべき塩化物イオンの濃度が選択される。より具体的には、上記所望の割合を達成することができる塩化物イオンの濃度が、相関データに基づいて選択される。上述したように、選択される塩化物イオンの濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ^３から３００ｍｇ／ｄｍ^３の範囲内である。

ステップ３では、選択された濃度の塩化物イオンを含むめっき液が作成される。このめっき液には、塩化物イオンに加えて、銅イオン、硫酸イオンが含まれ、さらに促進剤および抑制剤などの添加物が含まれる。ステップ４では、基板を基板ホルダ２４（図１参照）で保持し、めっき液中に浸漬させる。ステップ５では、めっき液に浸漬されたアノード２６（図１参照）と基板との間に電流を流しながら、パドル３２を往復移動させることによって、基板をめっきする。基板のめっき中は、パドル３２（図１参照）は、予め設定された往復動速度（１分あたりの往復動回数）で往復運動する。なお、アスペクト比が高いビアを含む基板の場合であっても、パドルの往復動によって、基板近傍での液の拡散効果が生じることになり、基板のビアの底部付近にもめっき液が十分行き渡るようにされる。基板のめっきは、バンプの高さが少なくとも１００μｍに達するまで行われる。ステップ６では、予め設定されためっき時間に達した時点で、基板のめっきが終了する。

図１２は、図１１に記載した実施形態に従って実施した実験のめっき条件と、比較例として実施した実験のめっき条件を示す図である。比較例として実施した実験では、めっき中のめっき液の温度は３０℃、パドル３２の往復動速度は２５０回／分、めっき時間は約４時間、平均電流密度は４Ａ／ｄｍ^２、塩化物イオンの濃度は５０ｍｇ／ｄｍ^３であった。この実験では、バンプ高さに影響されてドーム高さが大きくなりすぎて、所望のドーム高さが達成できなかった。

本実施形態に従った実験では、めっき中のめっき液の温度は４５℃、パドル３２の往復動速度は３７５回／分、めっき時間は約１時間、平均電流密度は１４．５Ａ／ｄｍ^２、塩化物イオンの濃度は１００ｍｇ／ｄｍ^３または３００ｍｇ／ｄｍ^３であった。この実験では、塩化物イオンの濃度を調整することにより、所望のドーム高さを得ることができた。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ めっき槽
１２ オーバーフロー槽
１４ ポンプ
１６ めっき液供給ライン
２０ 温調ユニット
２２ フィルタ
２４ 基板ホルダ
２６ アノード
２８ アノードホルダ
３０ 電源
３２ パドル
３４ 調整板

Claims (6)

1. 基板を銅でめっきしてバンプを形成する方法であって、
   バンプ高さに対するドーム高さの割合と、塩化物イオンの濃度との関係を示す相関データを用意し、
   バンプ高さに対するドーム高さの所望の割合と、前記相関データとに基づいて選択された濃度の塩化物イオンを含むめっき液を作成し、前記選択された濃度は、１００ｍｇ／ｄｍ^３〜３００ｍｇ／ｄｍ^３の範囲内であり、
   基板を前記めっき液中に浸漬させ、
   前記めっき液中のアノードと前記基板との間に電流を流して前記基板をめっきすることを特徴とする方法。
2. バンプの高さが少なくとも１００μｍに達するまで、前記基板のめっきを行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基板のめっき開始時に、電流密度を上昇させることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記電流密度は、１Ａ／ｄｍ^２から２０Ａ／ｄｍ^２の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記基板のめっき中の前記めっき液の温度を３０℃から８０℃の範囲内に維持することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記基板のめっき中に、パドルを前記めっき液中で往復運動させることによって前記めっき液を攪拌し、前記パドルの往復動速度は、１００回／分から５００回／分の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
   

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