JP3373752B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係り、
特に回路配線基板に半導体チップをフリップチップ実装
する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置は高集積化が進行し
て、半導体実装技術も高密度化が求められている。この
半導体装置の高密度実装技術には、ワイヤーボンディン
グ技術、ＴＡＢ技術などが代表的には挙げられるが、最
も高密度の実装技術として、フリップチップ実装技術
が、コンピュータ機器などの半導体装置を高密度に実装
する技術として多く用いられている。

【０００３】フリップチップ実装技術は、米国特許第３
４０１１２６号公報、米国特許第３４２９０４０号公報
が開示されて以来、広く公知の技術になっている。その
基本的構造は、例えば図２６に示す様に、半導体チップ
１、半導体チップ１上に設けられたボンディングパッド
５、ボンディングパッド５周縁部及び半導体チップ１表
面を被覆するパッシベーション膜６、ボンディングパッ
ド５上からボンディングパッド５周縁部上のパッシベー
ション膜６上にかけて設けられたバリアメタル層３５及
びバリアメタル層３５上に突出形成されたバンプ電極２
と、配線基板１１、配線基板１１上に設けられた端子電
極１３、端子電極１３周縁部及び配線基板１１上に形成
されたソルダーレジスト膜１２とが、バンプ電極２と端
子電極１３とで接合された構成からなり、例えば半導体
チップ１と配線基板１１の間の空間には、封止樹脂１４
が設けられる。

【０００４】フリップチップ実装技術においては、半導
体チップの構成材料と半導体チップを実装する回路配線
基板の構成材料が異なるとき、熱膨張係数の相異に起因
する変位が半導体装置と回路配線基板にしばしば発生す
る。発生した変位は、半導体装置と回路配線基板とを接
続するバンプ電極に応力歪を発生させる。この応力歪
は、フリップチップ実装するバンプ電極を破壊させ、信
頼性寿命を低下させる。このため、従来より、例えばバ
ンプ電極配置を変更し、半導体装置中心点からバンプ電
極中心点までの距離を小さくすること、回路配線基板の
材料を考慮し、熱膨張係数を半導体装置の熱膨張係数と
類似または一致させること、特開昭５８−２３４６２号
公報の様に、フリップチップ実装した半導体装置の温度
変化を小さくすること、特開昭６１−１９４７３２号公
報の様に、半導体装置と回路配線基板の隙間に樹脂を充
填することなどの改良が行われてきた。

【０００５】また、バンプ電極自体を、応力歪に対して
強固な構造にする提案も行われている。従来のバンプ電
極周囲の構成の一例を表す該略図を図２７に示す。図２
７に示すように、通常、ボンディングパッド５が設けら
れた半導体チップ１上及びボンディングパッド５の周縁
部にパッシベーション膜６を形成した後ボンディングパ
ッド５上にバリアメタル層３５を設け、その上に例えば
はんだからなるバンプ電極２が形成される。

【０００６】例えば、Microelectronics Packaging Han
dbook に記載されている様に、バンプ高さを高くする提
案も多く行われてきた。また、バンプ材料のはんだとボ
ンディングパッド材料のアルミニウムとの拡散を防止す
るために形成するバリアメタルに関しても、バリアメタ
ル構造とその材料構成を、応力歪に対して強固な構造に
限定化することにより、信頼性寿命を向上させる提案が
多く行われている。

【０００７】例えば、特開平１−１２８５４５号公報、
及び特開平１−１２００３８号公報等の様に、形成する
バリアメタル寸法をボンディングパッドの開口寸法より
大きく形成したり、逆に、ボンディングパッド寸法より
小さく形成して、バンプに発生する応力歪を緩和させ、
信頼性を向上させる提案が行われている。

【０００８】また、特開昭５６−５５０６号、特開昭５
６−３７６３６号公報では、バンプ接続信頼性を向上さ
せるため、バンプ電極を高精度に形成するバリアメタル
製造方法が提案されている。

【０００９】さらに、米国特許４２９００７９号公報の
様に、バリアメタル端部に傾斜を形成して応力歪を順次
緩和させる方法、特開平１−２０９７４６号公報の様に
バリアメタル下層に樹脂から形成される応力緩和層を設
ける方法なども提案され、バンプ電極自体に発生する応
力歪の緩和と共にバリアメタルに対する応力緩和も行わ
れてきた。

【００１０】これは、応力歪によるバンプ電極破壊が起
こると共に、バリアメタル端部にも応力歪が発生し、こ
れにより、バリアメタルも破壊されることが明らかにな
ったためであり、信頼性を向上するためには、バンプ電
極及びバリアメタルの応力緩和が重要である。

【００１１】図２８には、従来のバンプ電極周囲の構成
の他の例を表す該略図を示す。この様な問題に対して、
特開昭５９−１２１９５５号公報では、図２８に示す様
に、第１のバリアメタル金属層として酸素を分散させた
チタン層３５を形成し、このチタン層３５上にはんだ接
続可能な金属層４５を形成し、その上にバンプ電極２を
設ける方法が提案されている。

【００１２】チタンはバリアメタルを構成する接着層金
属としては公知の金属であり、例えば、特開昭５８−１
６１３４６号公報にもチタンを用いた構造は記載されて
いる。

【００１３】また、このチタンに酸素を分散させた特開
昭５９−１２１９５５号公報の提案では、本来的に引張
応力を有する材料の引張応力を緩和させるため、圧縮応
力を有する酸素を含むチタン層を用いることが開示され
ている。ここでは、チタンに含有される酸素濃度を、５
×１０^-5〜５×１０^-6Ｔｏｒｒ分圧酸素を含む雰囲気中
でチタンを蒸着したときに得られる酸素濃度としてい
る。この様な濃度にすることでバリアメタル端部に発生
する応力歪に起因してバリアメタルが剥離しないという
効果が得られる。

【００１４】ところが、バンプ寸法が微細になってくる
と、特開昭５９−１２１９５５号公報に記載されている
方法では、不十分となり、バリアメタル端部におけるバ
リアメタル剥離が発生するという問題があった。これ
は、バンプ寸法の微細化に伴い、バリアメタルも微細に
なり、これまでの様にバリアメタル全体の均一的な引張
応力を緩和するという方法では、バリアメタル剥離の問
題に対応できなくなっていたことが原因である。

【００１５】これに対し、例えば特開昭５９−１２１９
５５号公報をもとに、チタン層に含有される酸素濃度を
増加させて、圧縮応力を増加させることも考えられる
が、チタン膜中の酸素濃度を増加すると、チタンが必要
以上に酸化され、バンプ電極の接続抵抗が増加されてし
まうため、電気特性上は有効ではない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】以上の様に、半導体チ
ップ上に形成されるバンプ電極と、回路配線基板の電極
パッドとを相互接続するフリップチップ実装技術では、
回路配線基板と半導体チップとの熱膨張係数の相異に起
因する応力歪がバンプ電極に集中し、このためにバンプ
電極の破壊及びバリアメタルの剥離が発生していた。こ
の問題は半導体装置の小型化に伴うバンプ電極の微細化
において、特に重要な問題となっていた。

【００１７】本発明は、上記の問題を鑑みてなされたも
のであり、回路配線基板に半導体チップをバンプ電極に
よりフリップチップ実装する技術を用いた半導体装置に
おいて、半導体チップと回路配線基板の熱膨脹係数の違
いにより発生する応力歪みを緩和し、バンプ電極の破壊
及びバリアメタルの剥離を防ぐことにより、半導体チッ
プと回路配線基板の接続信頼性寿命を向上し、かつ回路
配線基板、半導体チップ及びバンプ電極の微細化にも十
分対応し得る半導体装置を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、第１
に、半導体チップと、該半導体チップ上に設けられたボ
ンディングパッドと、及び該ボンディングパッド上に形
成され、少なくともその周縁領域にその内側の領域より
も高濃度の酸素が含まれる第１の金属層、及び該第１の
金属層上に突出形成された第２の金属層からなるバンプ
電極とを含むことを特徴とする半導体装置が提供され
る。

【００１９】本発明によれば、第２に、半導体チップ
と、該半導体チップ上に設けられたボンディングパッド
と、及び該ボンディングパッド上に形成され、少なくと
もその周縁領域にその内側の領域よりも高濃度の酸素が
含まれ、チタン、タングステン、及びクロムからなる群
から選択される少なくとも１種の金属を主成分とする第
１の金属層、及び該第１の金属層上に突出形成された第
２の金属層からなるバンプ電極とを含むことを特徴とす
る半導体装置が提供される。

【００２０】本発明においては、好ましくは、第１の金
属層と前記２の金属層との間に、はんだと濡れ性の良好
な第３の金属層をさらに設けることができる。本発明に
おいては、好ましくは、第３の金属層は、ニッケル、
銅、パラジウム、金、クロム、モリブデン、ルテニウ
ム、及びこれらの合金からなる群から選択される少なく
とも１種を含む。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明者らは、半導体チップのボ
ンディングパッド上に形成するバンプ電極のバリアメタ
ル構成の改良を行なった。本発明の第１の観点によれ
ば、ボンディングパッド上に薄膜金属群からなる第１金
属層と、第１金属層上に回路配線基板と電気的接続を行
う第２金属層とからなるバンプ電極を有する半導体チッ
プにおいて、第１金属層の内側よりも、周縁部に酸素が
高濃度に含まれている。

【００２２】このため、第１の観点にかかる半導体装置
では、バリアメタル端部における応力歪が効果的に緩和
され剥離を防止することができる。また、本発明の半導
体装置では、バリアメタル周辺部のみの酸素濃度を高く
しており、バリアメタル全体の酸素濃度を高くしていな
いため、バンプ部分の接続抵抗はこれまでと比較して増
加することなく、低抵抗な値でフリップチップ実装する
ことが可能になる。

【００２３】詳しく述べると、酸素が含有されない場合
は本来的には引張応力を有する薄膜金属に、圧縮応力を
有する酸素が含有された薄膜金属を用いることで、バリ
アメタル端部における応力歪が緩和される。特に、バリ
アメタル外周的のみに酸素が高濃度分散されている構造
となっていることにより、ボンディングパッド端部を被
覆するパッシベーション膜上のみに抵抗率の高い金属が
多く積層され、ボンディングパッド上には積層されない
構造となっているため、接続抵抗は増加することなく低
抵抗で接続可能となっている。

【００２４】尚、本発明では、第１の金属層のボンディ
ングパッドと接する金属膜として、チタン、タングステ
ン、あるいクロムを主成分とした金属膜が好ましく用い
られる。これらの金属を用いた場合には、その効果が他
の金属と比較して著しく向上する。

【００２５】更に、第１の金属層において、酸素が高濃
度に分散配置される面積領域は、形成する金属層の全体
の外形寸法から求められる面積領域に対して５０％以下
の値を有することが好ましい。

【００２６】また、含有される酸素濃度は５×１０^-5〜
５×１０^-6Ｔｏｒｒの真空度で形成されるときの濃度以
上の酸素濃度であることが好ましい。このとき、本発明
の効果は著しく向上して、これまでの問題を容易に解決
することが可能になる。

【００２７】以下、図面を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明に係る半導体装置の一部を表す
概略断面図である。図１に示すように、本発明の半導体
装置は、半導体チップ１上に設けられたボンディングパ
ッド５と、ボンディングパッド５の接続部を除くボンデ
ィングパッド５の周縁部及び半導体チップ１表面上に被
覆形成されたパッシベーション膜６と、ボンディングパ
ッド５上に設けられ、バリアメタル層としての役割を果
たす例えばチタンからなる第１の金属層３、第１の金属
層３上に設けられ、はんだ金属とぬれ性のよい金属から
なる第３の金属層４、及び第３の金属層４上に突出形成
された第２の金属層からなるバンプ電極２を有する。こ
の半導体装置の第１の金属層３では、図中、符号ａで表
される内側の領域よりも、符号ｂで表される周縁部の領
域の方が、高濃度の酸素を含む。

【００２８】図２は、上述の内側の領域と周縁部の領域
とを説明するための図であって、図１を上から透視して
見た様子を示す。図２に示すように、第１の金属層３の
うち、一点鎖線で囲まれた領域ａよりもその外側の領域
ｂは、高濃度の酸素を含む。

【００２９】図３及び図４は、図１に示すバンプ電極を
有する半導体チップを配線基板に実装した様子を示す図
である。図３に示すように、半導体チップ１は、図１に
示すような構成により複数のボンディングパッド５上に
接続されたバンプ電極２を有し、このバンプ電極を介し
て、配線基板１１上に形成された複数の端子電極１３と
接続されている。配線基板１１表面のうち、端子電極１
３を除く領域と、端子電極１３の周縁部は、ソルダーレ
ジスト膜１２で被覆されている。

【００３０】図４に示すように、図３の半導体チップ１
と配線基板１１との間隙には、封止樹脂１４を封入する
ことができる。封止樹脂１４を用いることにより、半導
体チップ１と配線基板１１との熱膨張係数の相違に起因
する応力歪みがバンプ電極及びバリアメタルに集中する
現象を緩和することができる。

【００３１】本発明によるバンプ電極を備えた半導体装
置は下記図５ないし図１１、図１３ないし図１５、及び
図２０ないし図２３に示す工程により実施される。図５
に示すように、先ず、半導体チップ１上にボンディング
パッド５が形成され、５０μｍ×５０μｍのボンディン
グパッド５の１部分を除いて例えばＰＳＧ（リン・シリ
カ・ガラス）またはＳｉＮ（窒化シリコン）から構成さ
れるパッシベーション膜６が形成されている半導体装置
ウェハーを用意し、その表面に、バリアメタルとなる第
１の金属層３として例えばＴｉを１０００オングストロ
ームの膜厚で全面に形成する。

【００３２】チタン膜３は、５×１０^-5〜５×１０^-6Ｔ
ｏｒｒ分圧よりも低い真空の酸素または水蒸気の存在で
形成される真空度よりも低い真空度で形成する。この真
空度でチタン膜を形成することにより、本来的には引張
応力を有するチタン膜は圧縮応力を有する特性を示す。

【００３３】尚、純粋な酸素、水蒸気、酸素＋窒素、酸
素＋ヘリウム、酸素＋アルゴンなどの特に限定されない
混合ガス下でチタン膜を形成することも可能である。チ
タン膜３が上記の条件下で蒸着されたとき、チタン膜３
の表面には酸素分子が吸着する。チタン膜３中における
酸素の格子溶解度は他の金属に比較して比較的高いた
め、酸素はチタン膜３中に侵入してチタン膜３中に圧縮
応力を生じさせる。尚、チタン膜３中への酸素分子の拡
散を増加させるためには、約１００〜３００℃の温度範
囲でチタン膜３を堆積させることが好ましい。

【００３４】また、第１の金属層としてチタンの他、タ
ングステン、あるいはクロム等を好ましく用いることが
できる。次いで、ポジ型レジストＯＦＰＲ−８００（東
京応化社製）をスピンコート法により全面に形成し、レ
ジスト層を得る。さらに、ボンディングパッド５を中心
に４０μｍ×４０μｍの開口を有するパターンを有する
図示しないガラスマスクを用いて露光後、現像液ＮＭＤ
−３（東京応化社製）を用いて、図６に示すように、チ
タン膜３上にボンディングパッド５を中心にした４０μ
ｍ×４０μｍの大きさの開口を有するレジストパターン
２１を形成する。

【００３５】その後、図７に示すように、この様なパタ
ーンが形成されたウェハーを、例えばＮ₂ ／Ｈ₂ ＝７／
３から構成される３５０℃のフォーミングガス雰囲気２
２中に配置して、レジストパターン２１から露出してい
るチタン膜部分２７を還元して、ボンディングパッド５
中央部に対応するチタン膜３中の酸素濃度を低下させ
る。

【００３６】続いて、図８に示すように、ウェハー上の
レジスト膜を、例えばアセトンを用いて溶解除去させ
る。尚、このレジスト膜除去には、剥離−１０（東京応
化社製）を用いることも可能である。

【００３７】次いで、図９に示すように、レジスト膜が
除去されたウエハ表面に、第３の金属層として、例えば
Ｃｕ膜４を１μｍ全面形成する。この全面に形成するＣ
ｕ膜４の膜厚は、特に限定されるものではないが、チタ
ン膜厚との比で、Ｃｕ膜厚／チタン膜厚＝１〜１０の値
を有する範囲であれば特に問題ない。ただし、このＣｕ
薄膜は、後に第２金属層として突出形成されるべきはん
だを電気めっきに供する場合のカソードメタルとなるた
め、ウェハー系が８インチを超える大口径の場合は、チ
タン膜厚との比が５〜１０の値を有する範囲であること
が好ましい。

【００３８】次いで、図１０に示すように、厚膜レジス
トＡＺ４９０３（ヘキストジャパン社製）をスピンコー
ト法により、膜厚１００μｍ厚のレジスト膜２３を形成
し、露光／現像により、５０μｍ平方のボンディングパ
ッド５よりも１辺が３０μｍ大きい寸法を有する８０μ
ｍ×８０μｍの開口部２４を、Ｃｕ／Ｔｉ上のレジスト
膜２３に形成する。露光は、レジスト膜２３の厚みが厚
くても、充分な量の露光エネルギーを照射して、現像は
ＡＺ４００Ｋデベロッパー（ヘキストジャパン社製）に
より行う。レジスト面の薄膜金属と接する部分の角度調
整は、例えば１３ｔｈ ＩＥＥＥ／ＩＥＭＴ Ｓｙｍｐ
ｏｓｉｕｍ ｐｐ２８８、１９９２に記載されているよ
うに、露光エネルギー及びレジスト面とガラスマスクと
の距離、及び現像液の濃度を調整することにより制御す
る。

【００３９】こうして、ボンディングパッドに対応する
部分に開口２４が設けられたレジスト膜２３を有するシ
リコンウェハーを、下記の溶液からなるスルホン酸はん
だメッキ液に浸漬し、Ｃｕ／Ｔｉを陰極としてメッキ液
に対応する組成の例えば高純度共晶はんだ板を陽極とし
て電気メッキを行う。電流密度は１〜４（Ａ／ｄｍ²）
で行い、図１１に示すように、浴温度２５℃で緩やかに
攪拌しながら、第２の金属層としてはんだ組成（Ｐｂ／
Ｓｎ）が共晶組成にほぼ等しい、あるいはＰｂ側または
Ｓｎ側にわずかに移行した組成のはんだ合金からなるメ
ッキ金属層をＣｕ上に７０μｍ析出させる。

【００４０】図１２に電気メッキ工程で使用する電気メ
ッキ装置の概略断面図を示す。図示するように、この装
置は、カップ型のメッキ処理槽を有するメッキ装置本体
５０と、メッキ処理槽の周壁上部に設けられたアノード
電極５５及びカソード電極５４と、メッキ処理槽の下部
に設けられ、アノード電極５５に接続された複数の開孔
をもつアノード板５１とを有する。

【００４１】駆動電源に接続されたアノードピン５２、
カソードピン５３を、各々、アノード電極５５、カソー
ド電極５４に接触することにより、所定の電圧が印加さ
れる。メッキに供される基板１００は、メッキ処理槽上
部に、アノード板５１と対向して、その主面１０１を下
方にして配置され、カソード電極５４と接続される。

【００４２】メッキ液は、メッキ処理槽底部の導入口６
８から導入され、アノード板５１の開孔７０を通ってカ
ソード電極５４と接続された基板１００に向かって流
れ、基板１００上でメッキ処理が行なわれ、メッキ金属
が析出される。その後、メッキ処理後の廃液は、メッキ
処理槽周壁上部に設けられた図示しない排出口から排出
される。

【００４３】このような装置を用いることにより、膜厚
の均一な電気メッキ金属層が得られる。使用されるメッ
キ液の組成の一例を以下に示す。

【００４４】 スルホン酸はんだメッキ液の組成 錫イオン（Ｓｎ²⁺） １２ 容量％ 鉛イオン（Ｐｂ²⁺） ３０ 容量％ 脂肪族スルホン酸 ４１ 容量％ ノニオン系界面活性剤 ５ 容量％ カチオン系界面活性剤 ５ 容量％ イソプロピルアルコール ７ 容量％ 以上の様にして、はんだ合金が半導体装置のボンディン
グパッド５上に電気メッキされた半導体ウェハーをアセ
トン溶液に浸漬して、ウェハー上のレジストＡＺ４９０
３を溶解除去する。

【００４５】次に、はんだ合金メッキ金属層が形成され
ている半導体ウェハー上に、例えば画像反転型レジスト
ＡＺ５２１４Ｅ（ヘキストジャパン社製）の粘度調整を
行った溶液をスピンコートして、エッチングレジスト膜
２６を形成する。粘度調整はメッキされる金属層の厚さ
が厚い場合でもエッチングを精度良く行うために高粘度
にする。このときのレジスト膜２６は、メッキ金属層の
表面形状に対応して形成される。レジスト膜厚は、メッ
キ金属層上で１０μｍ、バンプ金属が形成されていない
部分で５５μｍであった。

【００４６】次いで、バンプ電極寸法の８０μｍよりも
開口寸法が４μｍ大きい、１辺８４μｍの開口パターン
を有するガラスマスクを必要位置に位置合わせした後に
露光を行う。露光は露光エネルギー２０００ｍＪ／ｃｍ
² で行い、露光後１５０℃でウェハーをホットプレート
上でベークする。次に、ベークしたウェハーを現像液に
浸漬して現像する。

【００４７】以上の工程を行うことで、図１３に示すよ
うに、エッチングレジスト２６がバンプ金属上のみに選
択的に形成される。尚、本実施例では画像反転型レジス
トを用いたが、第１の金属層または第２金属層の側面部
分までレジスト形成が可能なアスペクト比形状では、ポ
ジ型レジストＯＦＰＲ−８００（東京応化社製）、また
はネガ型レジストＯＭＲ−８５（東京応化社製）を用い
ることも可能である。

【００４８】次いで、過硫酸アンモニウム、硫酸、エタ
ノールから構成される混合溶液、またはクエン酸、過酸
化水素水、界面活性剤から構成される混合溶液で銅の必
要部分をエッチング除去後、アンモニア、エチレンジア
ミン４酢酸、過酸化水素水から構成される混合溶液でチ
タンの必要部分をエッチング除去し、その後、被覆した
エッチングレジスト２６をアセトンを用いて溶解除去、
図１４に示すように、柱状のバンプ金属２５が得られ
る。

【００４９】尚、エッチングレジストは必ずしも必要で
はなく、第２金属層として形成するバンプ金属材料との
選択エッチングが可能な場合は、第２金属自体をマスク
としてカソードメタルをエッチングすることも可能であ
る。

【００５０】例えば、本実施例において記載したＣｕ／
Ｔｉカソードメタルを上記のエッチング液でエッチング
する場合は、はんだとＣｕ／Ｔｉの選択比がＮｉ／Ｔｉ
などと比較して高いため、エッチングレジストは必ずし
も必要ではない。

【００５１】Ｃｕ／Ｔｉは、バンプ電極を電気メッキで
形成後、必要部分をエッチングすることで最終的にはバ
ンプ電極のバリアメタルとなっている。薄膜金属はＣｕ
／Ｔｉに限定する必要はないが、説明のためＣｕ／Ｔｉ
とした。このチタン膜上に形成する金属は、例えばニッ
ケル、銅、パラジウム、モリブデン、ルテニウムから選
択される金属、またはこれらの合金から選択される少な
くとも１種であることが好ましい。更に、ウェハーはシ
リコンが好ましく用いられるが他の材料例えばガリウム
砒素、サファイア、ガラスエポキシ、アルミナセラミッ
ク、及び窒化アルミニウム等を用いることも可能であ
る。

【００５２】次いで、はんだ合金が形成されたウェハー
を窒素雰囲気で２５０℃に加熱して、はんだを溶融す
る。この様に加熱処理することで、図１５に示すよう
に、バンプ電極を球状にすると共に、バリアメタルとの
密着性を向上させ、信頼性の高いバンプ電極を形成す
る。

【００５３】以上の工程を行うことにより、ボンディン
グパッド上にバリアメタルの周辺部のみ選択的に含有酸
素濃度が高い構造を有する径１００μｍのバンプ電極が
形成された。

【００５４】尚、はんだ合金と濡れ性の高い金属は電気
メッキ法を用いて形成することも可能である。この場合
のカソードメタル材料は、酸素濃度が選択的に変化して
いるチタン膜を用いることが可能であるが、本実施例で
の記載の様にＣｕ／Ｔｉをカソードメタルとして形成す
ることが好ましい。

【００５５】電気メッキ法を用いた場合のはんだと濡れ
性の高いＣｕは下記の様に形成する。ボンディングパッ
ドに対応する部分のレジスト膜が開口されているシリコ
ンウェハーを、下記の溶液からなる硫酸銅メッキ液に浸
漬して、浴温度２５℃でＣｕ／Ｔｉを陰極として、リン
含有（０．０３〜０．０８重量％）高純度銅板を陽極と
して、電流密度１〜５（Ａ／ｄｍ² ）で緩やかに攪拌し
ながら銅を３０μｍ電気メッキで形成する。電気銅メッ
キ工程で使用する電気メッキ装置は図１２の概略断面図
に示した通りである。

【００５６】 硫酸銅５水和物 ２オンス／ガロン 硫酸 ３０オンス／ガロン 塩酸 １０ ｐｐｍ チオキサンテート−Ｓ−プロパンスルホン酸 （またはチオキサンテートスルホン酸） ２０ ｐｐｍ ポリエチレングリコール（分子量：４００，０００） ４０ ｐｐｍ ポリエチレンイミン（分子量：６００）と 塩化ベンジルとの反応生成物 ２ ｐｐｍ また、例えばニッケルは下記の様に形成する。

【００５７】ニッケルメッキは図１２に示したものと同
様の電気メッキ装置を用い、ウェハー上に形成されてい
るＣｕ／Ｔｉ膜を電気メッキ装置の陰極に接続して、高
純度ニッケル板を陽極として使用することで形成するこ
とができる。電気メッキする条件は、液温５５℃で、電
流密度１〜２（Ａ／ｄｍ² ）とし、ポンプでニッケルメ
ッキ液を緩やかに攪拌しながら、膜厚３０μｍ程度のニ
ッケルメッキ膜を形成する。

【００５８】ニッケルメッキ液として下記の溶液を用い
ることができる。 硫酸ニッケル６水和物 ３００ｇ／リットル 塩化ニッケル６水和物 ６０ｇ／リットル ホウ酸 ５０ｇ／リットル サッカリン ５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍ ホルマリン １０００ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍ この様に、電気メッキ法を用いることにより、カソード
メタルエッチング除去工程を必要としないで、はんだと
濡れ性の良好な金属を堆積できる。

【００５９】以上の様にして形成した半導体チップ上の
バンプ電極の密着強度評価を実施したところ、以下の結
果を得た。すなわち、半導体装置の製造方法を説明する
ために用いた、１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体チップ上に
Ｐｂ／Ｓｎ＝４０／６０で構成されるバンプ電極をＣｕ
／Ｔｉ上に２５６個、１００μｍ径で形成したバンプ電
極のシェア強度を測定したところ、本発明によるバンプ
電極では８０ｋｇ／ｍｍ² の強度を有していた。

【００６０】従来までの酸素が分散されていない構造で
は４０ｋｇ／ｍｍ² 、酸素濃度が均一に分散された構造
では６０ｋｇ／ｍｍ² の強度を有してしたことと比較す
ると、本発明による構造では明らかに半導体チップに対
するバンプの接続強度は向上しており、信頼性の高いこ
とが確認された。

【００６１】特に、第１金属層としてチタンを用いた場
合の密着強度はタングステンなどを用いて別途行った評
価結果と比較して約１０％程度の高い値を示しており、
チタン膜をバリアメタルの接着金属とすることの有効性
が確認された。

【００６２】更に、第１金属層の外形寸法から求められ
る面積に対するチタン膜中の酸素が高濃度に含まれる面
積領域の割合と、圧縮応力との関係、及び面積との割合
と、接続抵抗との関係について測定を行った。その結果
を表すグラフをそれぞれ図１６及び図１７示す。

【００６３】図１６に示すように、圧縮応力は、面積領
域の比の依存せず、約５２０ｋｇ／ｍｍ² の一定値を示
す。また、図１７に示すように、この割合が５０％以下
のとき、バンプ接続抵抗は約１０ｍΩの一定値を示す
が、面積領域が５０％を超えるとき、接続抵抗は面積領
域の増加に伴って、急激に増加する傾向を示す。

【００６４】このような結果から、チタン膜中の酸素が
高濃度に分散配置される領域は第１金属層の外形寸法か
ら求められる面積領域に対して５０％以下が好ましいこ
とが確認された。

【００６５】また、チタン膜形成時の酸素雰囲気の圧力
と圧縮応力との関係、及び圧力と接続抵抗との関係につ
いて測定を行なった。その結果を表すグラフ図を図１８
及び図１９に示す。

【００６６】これらの図から、５×１０^-5〜５×１０^-6
Ｔｏｒｒの真空度で形成されるときの濃度以上の酸素濃
度であるとき、チタン膜に残留する圧縮応力は５２０ｋ
ｇ／ｍｍ² となり、５×１０^-5〜５×１０^-6Ｔｏｒｒ以
下の真空度で形成される場合の３５０ｋｇ／ｍｍ² と比
較して約１．５倍の値を示し、バンプシェア強度が約３
倍向上することが確認された。

【００６７】また、接続抵抗は、第１の金属層の外形寸
法から求められる面積に対するチタン膜中の酸素が高濃
度に含まれる面積割合に依存し、面積割合が７５％の場
合、グラフ１９１に示すように、酸素雰囲気濃度の増加
に伴って増加するが、面積割合が５０％以下である２５
％の場合は、グラフ１９３に示すように、約１０ｍΩの
一定値を示すことが確認された。これは、面積割合が５
０％以下の場合は、酸素雰囲気分圧に接続抵抗が依存し
ないことを示すものである。

【００６８】一方、半導体チップを搭載する回路配線基
板は、例えば米国特許第４８１１０２８号公報あるいは
通常のガラスエポキシ基板の様に公知の方法である技術
を用いて形成する。

【００６９】例えば図２０に示すような、ガラスエポキ
シ基板１２０上に絶縁層と導体層をビルドアップさせた
方式のプリント基板ＳＬＣ（Surface Laminar Circuit
）基板１１を用意する。回路配線基板１１は半導体チ
ップ１のバンプ電極２に対応する接続端子部分１３に１
００μｍ径の開孔が設けられて、Ｃｕが露出している。
基板の端子部分１３以外にはソルダーレジスト１２が被
覆されている。

【００７０】次いで、図示しない公知の技術であるハー
フミラーを有する位置合わせを行うためのフリップチッ
プホルダー３１を用いて、図２１に示すように、半導体
チップ１と回路配線基板１１の位置合わせを行い、バン
プ電極２と回路配線基板１１との接続端子１３を電気
的、機械的に接触させる。このとき、回路配線基板１１
は、加熱機構を有するステージ３２上に保持されて、Ｐ
ｂ／Ｓｎ＝４０／６０の融点よりも高い２００℃に窒素
雰囲気中で予備加熱されている。

【００７１】さらに、半導体チップ１と回路配線基板１
１が接触された状態で半導体チップ１を保持するコレッ
ト３１を、基板１１を搭載するステージ３２と同じ温度
２００℃に窒素雰囲気中で加熱して、バンプ電極２を溶
融することで、半導体チップ１と回路配線基板１１の電
極１３とを電気的、機械的に仮接続させる。

【００７２】最後に窒素雰囲気を有する２５０℃に加熱
されたリフロー炉中に、半導体チップを搭載した回路配
線基板を通過させることで、電気的、機械的接続を実現
させる。図２２に示すように、このとき、はんだ表面張
力によりセルフアライン効果が発生し、マウント時に発
生した多少の位置ずれは修正され、正確な位置にボンデ
ィングが可能になる。

【００７３】尚、図２３に示すように、必要に応じてフ
リップチップ実装した半導体装置１と回路配線基板１１
が作る隙間の部分に公知の技術である、封止樹脂１４を
配置することも可能である。

【００７４】封止する樹脂として、例えば、ビスフェノ
ール系エポキシとイミダゾール硬化触媒、酸無水物硬化
剤と球状の石英フィラを重量比で４５重量％含有するエ
ポキシ樹脂を用いることができる。

【００７５】また、例えばクレゾールノボラックタイプ
のエポキシ樹脂（ＥＣＯＮ−１９５ＸＬ；住友化学社
製）１００重量部、硬化剤としてのフェノール樹脂５４
重量部、充填剤として溶熔シリカ１００重量部、触媒と
してベンジルメチルアミン０．５重量部、その他の添加
剤としてカーボンブラック３重量部、シランカップリン
グ剤３重量部を粉砕、混合、溶熔したエポキシ樹脂溶融
体を用いることも可能であり、その材質は特に限定され
ない。

【００７６】以上に示した工程を行うことにより、図４
に示す半導体装置を実現することができる。ここで、以
上の様にして形成した本発明による半導体装置の接続信
頼性を調べた。

【００７７】半導体装置の製造方法を説明するため用い
た１０ｍｍ×１０ｍｍの半導体チップの主面にＰｂ／Ｓ
ｎ＝４０／６０接続電極を２５６個、１００μｍ径で形
成して、回路配線基板に実装した試料を用いて信頼性を
評価した。

【００７８】２５６ピンの中で１箇所でも接続がオープ
ンになった場合を不良にして、縦軸に累積不良率、横軸
に温度サイクルを示した。サンプル数は１０００個、温
度サイクル試験の条件は（−５５℃（３０ｍｉｎ）〜２
５℃（５ｍｉｎ）〜１２５℃（３０ｍｉｎ）〜２５℃
（５ｍｉｎ））で行った。試験結果を表すグラフを図２
４に示す。

【００７９】なお、図中、２４１は、酸素を含まないチ
タン層、２４２は、酸素を含ませたチタン層、２４３
は、本発明にかかるチタン層の結果を表すグラフであ
る。バリアメタルに酸素が分散されていない構造を有す
る半導体装置は、１５００サイクルで接続不良が発生し
て、２０００サイクルで不良は１００％となった。ま
た、酸素を所定の濃度で均一分散させた半導体装置は、
２５００サイクルまで信頼性は向上するが３０００サイ
クルでは５０％の不良となっている。これらの不良は、
バンプ電極を構成するバリアメタルとボンディングパッ
ドの界面で発生しており、何れもバリアメタル界面の応
力歪に起因するものである。

【００８０】ところが、本発明による構造では３５００
サイクルまで不良は発生せず、信頼性が極めて向上する
ことが確認された。さらに、本発明による試料を８５
℃、８５％ＲＨ、Ｖ_DD＝５Ｖで保存して同様の試験を行
なった。その試験結果を表すグラフを図２５に示す。

【００８１】なお、図中、２５１は、酸素を含まないチ
タン層、２５２は、酸素を含ませたチタン層、２５３
は、本発明にかかるチタン層の結果を表すグラフであ
る。図２５から明らかなように、従来までのバリアメタ
ルに酸素が分散されていない構造を有する半導体装置で
は５００Ｈで腐食不良が発生し１５００Ｈで不良は１０
０％となった。また、酸素が均一分散された構造の半導
体装置では、２５００Ｈまで不良は発生せず信頼性は向
上するが、３０００Ｈで不良は１００％となる。これら
の不良は、何れもボンディングパッド上に形成するチタ
ン膜とボンディングパッド材料のアルミニウムの電気腐
食であった。

【００８２】ところが、本発明による構造では３０００
Ｈまで不良は発生せず、信頼性が極めて高いことが解っ
た。特に、バンプ応力歪に対して有効性を発揮するチタ
ン膜にははんだと濡れ性の良好な金属が配置され、その
金属がニッケル、銅、パラジウム、金、クロム、モリブ
デン、ルテニウムから選択される金属またはこれらの合
金であるとき接続信頼性は著しく向上することが確認さ
れた。更に、はんだと濡れ性の良好な金属はニッケル、
銅、パラジウム、金、クロム、モリブデン、ルテニウム
の順であることも確認された。

【００８３】従って以上の評価結果から、本発明による
半導体装置は熱サイクル、高温高湿試験に対して優れた
耐性を有する信頼性の高い実装構造であることが解っ
た。尚、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更可能であ
る。例えば回路配線基板構成はＳＬＣに限定されるもの
ではなく、セラミック基板を用いることも可能であり、
バンプ材料もＰｂ／Ｓｎに限定されるものではなく、種
々に変更可能である。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、ボンディングパッド上
にバリアメタル層として形成される第１の金属層のの周
縁部に、内周部に比較して酸素が高濃度に含まれている
ため、基本的に引張応力を有する第１金属層の応力を圧
縮応力に変換でき、バリアメタル端部における応力歪を
効果的に緩和することができる。従って、これまで微細
バンプ電極を形成した場合に問題となっていた応力歪に
起因するバリアメタル端部における剥離問題を信頼性高
く、容易に解決することができる。

【００８５】特に、本発明ではバリアメタル周縁部のみ
の酸素濃度を高くしており、バリアメタル全体の酸素濃
度を高くしていないため、バンプ部分の接続抵抗は従来
と比較して増加することなく、低抵抗な値でフリップチ
ップ実装することが可能になる。これは、ボンディング
パッド端部を被覆するパッシベーション膜上のみに選択
的に抵抗率の高い金属層が多く積層され、電気的接続を
果たすボンディングパッド上には積層されない構造とな
っているためである。

【００８６】更に、バリアメタル端部での膜密度が高く
なっているため、従来の構造に比較して耐湿性が向上す
る付加的な効果も発生する。従って、本発明の半導体装
置を用いることにより、従来の技術を用いた場合と比較
して微細なバンプ電極を信頼性高く、容易に高密度に実
装することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る半導体装置の一例を示す構成断
面図

【図２】 図１を上から見た透視図

【図３】 本発明の半導体チップを配線基板に実装した
様子を示す図

【図４】 本発明の半導体チップを配線基板に実装した
様子を示す図

【図５】 本発明の半導体装置の製造工程を説明するた
めの図

【図６】 本発明の半導体装置の製造工程を説明するた
めの図

【図７】 本発明の半導体装置の製造工程を説明するた
めの図

【図８】 本発明の半導体装置の製造工程を説明するた
めの図

【図９】 本発明の半導体装置の製造工程を説明するた
めの図

【図１０】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図１１】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図１２】 本発明の半導体装置の製造工程に使用され
る電気メッキ装置の一例を表す概略断面図

【図１３】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図１４】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図１５】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図１６】 酸素含有領域面積比と圧縮応力との関係を
表すグラフ図

【図１７】 酸素含有領域面積比と接続抵抗との関係を
表すグラフ図

【図１８】 酸素雰囲気真空度と圧縮応力との関係を表
すグラフ図

【図１９】 酸素雰囲気真空度と接続抵抗との関係を表
すグラフ図

【図２０】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図２１】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図２２】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図２３】 本発明の半導体装置の製造工程を説明する
ための図

【図２４】 累積不良率と温度サイクルとの関係を表す
グラフ図

【図２５】 累積不良率と温度サイクルとの関係を表す
グラフ図

【図２６】 従来の半導体チップを配線基板に実装した
様子を示す図

【図２７】 従来の半導体装置の一例を示す構成断面図

【図２８】 従来の半導体装置の他の一例を示す構成断
面図

【符号の説明】

１，１００…半導体チップ ２…バンプ電極 ３…第１金属層 ４…第２金属層 ５…ボンディングパッド ６…パッシベーション膜 ７…高濃度酸素分散領域 ８…低濃度酸素分散領域 １１…回路配線基板 １２…ソルダーレジスト １３…端子電極 １４…封止樹脂 ２１…濃度制御レジスト ２２…還元雰囲気 ２３…メッキレジスト ２４…バンプ形成孔 ２５…はんだ金属 ２６…エッチングレジスト ３１…コレット ３２…ヒーター ５０…メッキ槽 ５１…アノード板 ５２…アノードピン ５３…カソードピン ５４…カソード電極 ５５…アノード電極 ６８…導入口 １１０…メッキ液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本間 荘一 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株式会社東芝生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−121955（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−232287（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−151425（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 21/203 H01L 21/28 301

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体チップと、該半導体チップ上に設
   けられたボンディングパッドと、及び該ボンディングパ
   ッド上に形成され、少なくともその周縁領域にその内側
   の領域よりも高濃度の酸素が含まれる第１の金属層、及
   び該第１の金属層上に突出形成された第２の金属層から
   なるバンプ電極とを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体チップと、該半導体チップ上に設
   けられたボンディングパッドと、及び該ボンディングパ
   ッド上に形成され、少なくともその周縁領域にその内側
   の領域よりも高濃度の酸素が含まれ、チタン、タングス
   テン、及びクロムからなる群から選択される少なくとも
   １種の金属を主成分とする第１の金属層、及び該第１の
   金属層上に突出形成された第２の金属層からなるバンプ
   電極とを含むことを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 前記第１の金属層と前記２の金属層との
   間に、はんだと濡れ性の良好な第３の金属層がさらに設
   けられた請求項１に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】 前記第３の金属層は、ニッケル、銅、パ
   ラジウム、金、クロム、モリブデン、ルテニウム、及び
   これらの合金からなる群から選択される少なくとも１種
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。