JP4934002B2 - めっき方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板等の被めっき部材の表面（被めっき面）にめっきを施すめっき方法に関し、特に半導体ウェーハの表面に設けられた微細な配線パターンやパッケージの電極等と電気的に接続するバンプを形成したりするのに用いて好適なめっき方法に関するものである。

合金めっき膜を作成する際は、そのおのおののめっき金属の標準電極電位によって、析出し易さが決まってくる。従って合金としてめっき膜に析出させようとしたときにはめっき液中の金属イオン濃度及び添加剤によってその組成比をコントロールする必要がある。

一方近年、バンプめっきにおいてはＳｎ−Ｐｂ（錫−鉛）合金から環境面への影響を考慮してＰｂフリーめっきへその組成が移行しつつある。Ｓｎ−Ｐｂ合金においては、両者の標準電極電位が近く、組成のコントロールも比較的容易であった。ところがＰｂフリーめっきとして期待を集めている合金組成はＳｎ−Ｃｕ（錫−銅）やＳｎ−Ａｇ（錫−銀）などが主であるが、Ｓｎ、Ｃｕ又はＳｎ、Ａｇのそれぞれの標準電極電位は異なる。このため、その合金組成をコントロールするのに前述のようにめっき液中の金属イオン濃度、添加剤をコントロールする必要があった。

しかしながら金属イオン濃度や添加剤によって液組成をコントロールしためっき液であっても、形成されるめっき膜組成をコントロールすることは困難であった。

また一般に、合金めっき液（例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金）はめっき液の攪拌速度が大きいとめっき膜中の一方の貴な金属の金属濃度（Ａｇ濃度，Ｃｕ濃度）が高くなり、逆にめっき液の攪拌速度が小さいとめっき膜中の他方の卑な金属の金属濃度（Ｓｎ濃度）が高くなることが知られている。特に配線中のような微少領域においては配線深さと金属イオンの拡散の関係から配線中に濃度勾配ができるため、目標とする組成に到達しない。そのため異なる配線パターンにおいてはその都度、金属濃度及び添加剤濃度の調整が必要となる。

まためっき膜形成後、めっき膜中の組成を調べるのにＸ線を用いた場合、最表面層から数μｍしか検知できない。このため最表面層と中間層、下層の組成が異なると膜本来の組成を検査できない。

特許文献１では、めっき液の温度と印加する電流の電流密度とを連続的に制御することにより、めっき皮膜の膜厚方向に対する粒子含有量を異ならせると同時に密着性を向上させることが開示されている。しかしながら特許文献１は、めっき膜中の組成均一性を改善するものではない。
特開平８−３１１６９６号公報

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、容易にめっき膜の組成を所望の組成にすることができるめっき方法を提供することにある。

本願請求項１に記載の発明は、少なくとも２種類以上の金属イオンを含むめっき液中にレジスト開口部を有する被めっき部材を浸漬し、被めっき部材に電流を印加することで前記レジスト開口部に合金めっきによりバンプを形成するめっき方法において、前記印加する電流の電流密度をめっき時間の経過と伴に上昇させるとともに、前記被めっき部材に対するめっき液の攪拌速度をめっき時間の経過と伴に減少させてめっきを行うことを特徴とするめっき方法にある。

本願請求項２に記載の発明は、前記金属イオンは、錫イオンと銀イオンであるか、あるいは錫イオンと銅イオンであることを特徴とする請求項１に記載のめっき方法にある。

本願請求項１に記載の発明によれば、印加する電流の電流密度をめっき時間の経過と伴に上昇させるとともに、被めっき部材に対するめっき液の攪拌速度をめっき時間の経過と伴に減少させてめっきを行うことで、被めっき部材のレジスト開口部にめっき膜の組成が均一なバンプを形成できる。

本願請求項２に記載の発明によれば、バンプめっき（ストレートめっきやマッシュルームめっき）を行う場合でも、容易にめっき膜の組成を均一化することができる。

本願請求項２に記載の発明によれば、標準電極電位に差のある錫−銀めっき，錫−銅めっきであっても、容易にめっき膜の組成を所望の組成にすることができ、被めっき部材のレジスト開口部にめっき膜の組成が均一なバンプを形成できる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を適用しためっき装置２０を示す概略構成図である。同図に示すめっき装置２０は、少なくとも２種類以上の金属イオンを含んだめっき液Ｑを満たしためっき槽（以下「内槽」という）２１と、めっき液Ｑに浸漬される被めっき部材（以下「半導体ウェーハ」という）２３及びアノード２５と、半導体ウェーハ２３を保持するウェーハ治具２７と、前記半導体ウェーハ２３の被めっき面２３ａ近傍部分のめっき液Ｑを攪拌するめっき液攪拌手段（以下「パドル」という）２９と、半導体ウェーハ２３とアノード２５間に電流を流す電流供給装置３１と、前記内槽２１を収納する外槽３３と、ポンプ３５及びフィルタ３７を接続して外槽３３内のめっき液Ｑを内槽２１に循環させる配管３９とを具備して構成されている。以下各構成部品について説明する。

めっき液Ｑはこの実施形態では錫イオンと銀イオンとを含んでいる。アノード２５は金属アノードであり、めっき液Ｑに溶解している金属イオンと同じ溶解性金属か、或いは不溶解性金属で構成されている。不溶解性金属としては、例えば白金、チタンなどを用いる。パドル２９はこの実施形態では略棒状であり、半導体ウェーハ２３の被めっき面２３ａの直前に被めっき面２３ａに平行で上下方向を向いて設置されている。パドル２９はモータ及びその制御装置等によって構成される攪拌制御手段（以下「パドル駆動機構」という）４１によって、被めっき面２３ａと一定の距離を保って左右（図１では紙面手前奥方向）に移動（この実施形態では平行移動）してめっき液を攪拌し、半導体ウェーハ２３の被めっき面２３ａに新鮮なめっき液を供給する。

電流供給装置３１は導線によって半導体ウェーハ２３とアノード２５間に電気的に接続され、これによってメッキ液Ｑを通して半導体ウェーハ２３とアノード２５間に電流を通電するようにしている。また電流供給装置３１は、供給する電流値及び電流供給時間を、複数の組み合わせでプログラムできる電流制御手段を具備している。即ち例えば電流制御手段には、供給する電流値を徐々に増加していくパターンや、供給する電流値を所定時間徐々に増加した後にさらに急速に増加させていくパターンや、供給する電流値を徐々に減少していくパターン等をプログラムすることができる。電流制御手段は、演算手段や記憶手段等を有する。

本発明のめっき装置２０に供する半導体ウェーハ２３は特に大きさに制限はなく、直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ等の何れの径であってもよい。この実施形態に用いる半導体ウェーハ２３の表面は、バリア層、シード層を形成した後、レジスト（フォトレジスト）をパターンに応じて開口したものである。シード層は主に金、銀、銅、アルミニウム等の金属で、スパッタ、ＣＶＤ、ＡＬＤ等で作成される。

そして電流供給装置３１によって半導体ウェーハ２３とアノード２５間に電流を流せば、半導体ウェーハ２３の被めっき面２３ａに金属めっき（この実施形態では錫−銀合金めっき）が行われる。このときパドル駆動機構４１によってパドル２９を駆動し、半導体ウェーハ２３の被めっき面２３ａの直前のめっき液Ｑを攪拌し、被めっき面２３ａに新鮮なめっき液Ｑを供給する。またポンプ３５を駆動することによって外槽３３内のめっき液Ｑを内槽２１に供給し、内槽２１からオーバーフローしためっき液Ｑを再び外槽３３に戻して循環する。

そして本発明においては、前記めっきを行う際、半導体ウェーハ２３に対するめっき液Ｑの攪拌速度を変化させたり、印加する電流の電流密度を変化させたりすることで、形成されるめっき膜の厚み方向の組成を均一にした。以下具体的に、ストレートバンプの場合とマッシュルームバンプの場合のめっき方法について説明する。

〔ストレートバンプの場合〕
図２はストレートバンプを示す要部拡大概略断面図である。ストレートバンプは、めっき金属１を有機材料からなるレジスト２に設けた開口部２ａに埋め込むことによって形成される。レジスト２の下には、導電性を有する金属からなるシード層３と、前記めっき金属１やシード層３の下層への拡散を防止する金属からなるバリア層４とが形成されている。

そしてこのストレートバンプを形成する際の電流密度及びパドル２９によるめっき液Ｑの攪拌速度をめっき時間中一定とすれば、めっき金属１の上層５と中間層６と下層７とで合金組成が各々異なってしまう。これは開口部２ａの深さによって液攪拌に伴なうめっき液Ｑの交換効率が異なるためである。

例えば錫−銀合金めっき液では、めっき液交換効率が高くなるとめっき液Ｑ中の銀濃度が常に高い状態になるので膜中銀濃度も高くなる。即ちめっき液交換効率が高くなると貴な金属が析出し易くなる。そしてストレートバンプにおいて、下層７ではめっき液交換効率が低いので膜中銀濃度が低くなる。中間層６、上層５ではめっき液交換効率が下層７に比べて高くなるので、膜中銀濃度が徐々に高くなる。但し下層７において、シード層３に最も近い面はめっき液Ｑが未だ新鮮なときのめっきなので膜中銀濃度は高くなる。

つまり下層７の最も下側部分ではめっき液Ｑ中の銀濃度が高いため膜中銀濃度も高くなるが、その後下層７の上部や中間層６においてはめっき液Ｑ中の銀濃度が始めより減少する上にめっき液交換効率が低いため膜中銀濃度も低くなり、それ以降、上層５ではめっき液Ｑの攪拌の影響が大きくなるので、めっき液交換効率が高まり膜中銀濃度が上がる。

そこで本発明においては、これらストレートバンプ中の膜組成のばらつきを均一化するために、以下の方法（１），（２）をめっき中に行うこととした。
（１）めっき液Ｑの攪拌速度の制御による方法
図３に示すようにパドル２９によるめっき液Ｑの攪拌速度（この実施形態ではパドル２９の往復移動速度（往復移動回数／分））をめっき時間の経過と共に減少させていく方法である。即ちめっき液の攪拌について、攪拌が小さいと開口部２ａの上部におけるめっき液Ｑの交換効率が下がって膜中銀濃度が下がる。これを利用して図３に示すように、めっき始めからパドル２９の往復移動回数を徐々に低下していけば、めっき金属１の中間層６、上層５においてもめっき液交換効率が下層７に比べて高くならず均一化され、膜中銀濃度（膜組成）が均一化される。

（２）電流密度の制御による方法
図４に示すように印加する電流の電流密度をめっき時間の経過と共に上昇させていく方法である。即ちめっき液Ｑに印加する電流値（電流密度）について、電流値（電流密度）が大きいと膜中銀濃度は下がる。図５は電位に対する銀と錫の析出電流密度と実際の電流密度の関係、及び電位に対する析出銀濃度の関係を示す図である。同図に示すように、銀の析出（限界）電流密度が錫の析出（限界）電流密度より低いため、高電流密度では銀濃度が低くなる。これを利用して図４に示すように、めっき始めから電流密度を徐々に上げていけば、めっき金属１の中間層６、上層５においてめっき液交換効率が高くなって析出する膜中銀濃度が上昇しようとする分、電流密度を上げて析出する膜中銀濃度を下げ、ストレートバンプの厚み方向の膜組成を均一化するのである。

なお何れの方法（１），（２）の場合も、攪拌速度（パドル２９の往復移動速度）又は電流密度を直線状に変化させているが、階段状や曲線状など、他の各種変化状態で減少又は上昇させても良い。

〔マッシュルームバンプの場合〕
図６はマッシュルームバンプを示す要部拡大概略断面図である。マッシュルームバンプも、めっき金属１１を有機材料からなるレジスト１２に設けた開口部１２ａに埋め込むことによって形成される。レジスト１２の下には、導電性を有する金属からなるシード層１３と、前記めっき金属１１やシード層１３の下層への拡散を防止する金属からなるバリア層１４とが形成されている。さらにめっき金属１１はレジスト１２の上面を越えた後に放射状に成長してなるマッシュルーム部１５を有している。

そしてこのマッシュルームバンプを形成する際の電流密度及びパドル２９によるめっき液Ｑの攪拌速度をめっき時間中一定とすれば、前述のようにめっき金属１１のマッシュルーム部１５と上層１６と中間層１７と下層１８とでそれぞれ合金組成が異なってしまう。即ちマッシュルーム部１５はめっき液攪拌の影響を最も受け、めっき液Ｑの交換効率が最も高くなる。よって膜中銀濃度もマッシュルーム部１５が最も高く、以下上層１６、中間層１７、下層１８と徐々に低くなる。

そこで本発明においては、これらマッシュルームバンプ中の膜組成のばらつきを均一化するために、以下の方法（ａ），（ｂ）をめっき中に行うこととした。
（ａ）めっき液Ｑの攪拌速度の制御による方法
図７に示すようにパドル２９によるめっき液Ｑの攪拌速度（この実施形態ではパドル２９の往復移動速度（往復移動回数／分））を、所定のめっき時間ｔ１まで時間の経過と共に減少させた後、さらに所定のめっき時間まで時間の経過と共にさらに急速に減少させていく方法である。所定のめっき時間ｔ１はめっき金属１１がレジスト１２を超える時間（即ちマッシュルーム部１５が形成され始める時間）である。即ち前述のように、めっき液の攪拌について、攪拌が小さいと開口部１２ａの上部におけるめっき液Ｑの交換効率が下がって膜中銀濃度が下がる。これを利用して図７に示すように、めっき始めからパドル２９の往復移動回数を徐々に低下していけば、めっき金属１１の中間層１７、上層１６においてもめっき液交換効率が下層１８に比べて高くならず均一化され、膜中銀濃度（膜組成）が均一化される。さらにめっき金属１１がレジスト１２を超えると、めっき液Ｑの交換効率がさらに高くなるので、その分より急速にめっき液の攪拌速度を減少させて行き、これによってマッシュルーム部１５の膜中銀濃度も、下層１８、中層１７、上層１６の膜中銀濃度と均一化するようにした。

（ｂ）電流密度の制御による方法
図８に示すように印加する電流の電流密度を、所定のめっき時間ｔ２まで時間の経過と共に上昇させた後、さらに所定のめっき時間まで時間の経過と共にさらに急速に上昇させる。所定のめっき時間ｔ２はめっき金属１１がレジスト１２を超える時間（即ちマッシュルーム部１５が形成され始める時間）である。即ち前述のように、めっき液Ｑに印加する電流値（電流密度）が大きくなると膜中銀濃度が下がる。これを利用して図８に示すように、めっき始めから電流密度を徐々に上げていけば、めっき金属１１の中間層１７、上層１６においてめっき液交換効率が高くなって膜中銀濃度が上昇しようとする分、電流密度を上げて膜中銀濃度を下げ、厚み方向の膜組成を均一化する。さらにめっき金属１１がレジスト１２を超えると、めっき液交換効率がさらに高くなって膜中銀濃度をさらに上昇しようとするので、その分さらに電流密度を上げて膜中銀濃度をさらに下げ、厚み方向の膜組成を均一化する。

なお何れの方法（ａ），（ｂ）の場合も、攪拌速度（パドル２９の往復移動速度）又は電流密度を直線状に変化させているが、階段状や曲線状など、他の各種変化状態で減少又は上昇させても良い。

以上の各方法（１），（２），（ａ），（ｂ）によれば、めっき膜組成が均一化されたストレートバンプ、マッシュルームバンプ等のめっき膜が得られる。このためめっき膜表面近傍の組成を検査することで、そのめっき膜組成の正確な把握が可能となる。またこのめっき膜をリフローした後のめっき膜組成の均一化も図れる。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施形態では、めっき液に含む２種類の金属イオンとして、錫−銀イオンを用いたが、標準電極電位に差のある錫−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）イオン等、他の各種金属イオンの組み合わせを用いてもよい。また組み合わせる金属イオンは２種類に限られず、３種類以上であっても良い。

また上記実施形態ではめっき液攪拌手段としてパドルを用いたが、めっき液攪拌手段はめっき液を攪拌できるものであればどのような手段でもよく、例えば回転翼やノズルによってめっき液を被めっき部材の被めっき面に吹き付ける手段や、超音波振動によって被めっき面近傍のめっき液を振動攪拌する手段等、他の各種手段を用いても良い。

また上記各実施形態ではめっき膜のめっき膜組成を各部で均一化するようにめっきを制御する例を示したが、場合によってはめっき膜組成を厚み方向で均一化しないで所望の変化のあるめっき膜組成とするように制御することもできる。

また上記２つの実施形態にかかる、電流密度の変化によるめっき方法と、めっき液の攪拌速度の変化によるめっき方法とを同時に組み合わせて行なえば、さらに精度良く所望の組成のめっき膜を得ることができる。

めっき装置２０を示す概略構成図である。 ストレートバンプを示す要部拡大概略断面図である。 めっき時間とパドル２９によるめっき液攪拌速度の関係を示す図である。 めっき時間と印加する電流の電流密度の関係を示す図である。 電位に対する銀と錫の析出電流密度と実際の電流密度の関係、及び電位に対する析出銀濃度の関係を示す図である。 マッシュルームバンプを示す要部拡大概略断面図である。 めっき時間とパドル２９によるめっき液攪拌速度の関係を示す図である。 めっき時間と印加する電流の電流密度の関係を示す図である。

符号の説明

２０ めっき装置
２１ めっき槽
２３ 半導体ウェーハ（被めっき部材）
２３ａ 被めっき面
２５ アノード
２７ ウェーハ治具
２９ パドル（めっき液攪拌手段）
３１ 電流供給装置
４１ パドル駆動機構（攪拌制御手段）
Ｑ めっき液

Claims (2)

1. 少なくとも２種類以上の金属イオンを含むめっき液中にレジスト開口部を有する被めっき部材を浸漬し、被めっき部材に電流を印加することで前記レジスト開口部に合金めっきによりバンプを形成するめっき方法において、
   前記印加する電流の電流密度をめっき時間の経過と伴に上昇させるとともに、前記被めっき部材に対するめっき液の攪拌速度をめっき時間の経過と伴に減少させてめっきを行うことを特徴とするめっき方法。
2. 前記金属イオンは、錫イオンと銀イオンであるか、あるいは錫イオンと銅イオンであることを特徴とする請求項１に記載のめっき方法。

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