JP6217465B2 - 配線構造の作製方法、配線構造、及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、配線構造の作製方法と配線構造、及びこれを用いた電子機器に関する。

近年、電子機器に対する小型化、高性能化及び低価格化の要求に伴い、半導体チップの微細化や、多端子化が進められている。半導体チップの微細化や多端子化に伴って、半導体チップを搭載する回路基板の微細化、多層化や、実装の高密度化が求められている。近年では、回路配線に用いられる配線幅が５μｍを下回ってきており、従来にはなかった絶縁耐圧などの問題が浮上してきている。特に、配線間の間隔が小さくなると、配線断面の角部への電界集中によって電荷が放電され絶縁不良が生じる。

一般に、配線幅が１〜１０μｍのレベルの微細な配線は、サブトラクト法よりも微細化が可能なセミアディティブ法（ＳＡＰ）と呼ばれる工法で作製される。セミアディティブ法は、図１（Ａ）に示すように、基板上の下地絶縁膜１１１に、チタン（Ｔｉ）等の密着層１１２を介して銅（Ｃｕ）薄膜１１３を形成し、ＴｉとＣｕの積層上に配線形状を反映したレジストパターン１１４を形成する。一般的なレジストを用いると、現像時にレジスト膜の上部から溶け出すので、ほとんどの場合、レジストパターン１１４の開口１２５の上端が広く、底部が狭くなる。図１（Ｂ）に示すように開口１２５内に配線材料を形成して、その後にレジストパターン１１４と不要な部分のＣｕ薄膜１１３を除去すると、図１（Ｃ）に示すように、配線１１８の上面の幅が配線１１８の底部の幅よりも広くなる。配線１１８の下部では隣接する配線との間で適正な距離が保たれていても、配線１１８の上部で隣接する配線との距離が近接する。この状態で隣接する配線１１８間に電位差があると、配線１１８の角部Ｃに電界が集中して配線上部で絶縁破壊を起こす。

配線断面の鋭角部分への電界集中を防止するために、配線の断面形状で、底面の幅よりも配線高さ方向の中央部での配線幅を一定の割合で大きくし、配線上部の断面形状を円弧状にする構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この方法では、電気めっきで金属配線を形成する際に、光沢剤と平滑剤を適宜に添加して電流密度を調整することで配線のトップを円弧状にするか、あるいは配線形成後にソフトエッチングで円弧を形成している。

特開２００６−１９６６５６号公報

微細な配線サイズでも絶縁破壊を防止して信頼性を維持することのできる配線構造の作製技術を提供する。

一つの態様では、配線構造の作製方法は、
基板上の絶縁膜上にめっき用シード層を形成し、
前記めっき用シード層上に、配線パターンに対応する開口を有するレジストパターンを形成し、
電解めっきにより前記開口内に配線層を形成し、
前記レジストパターンの表面に撥水化処理を施し、
前記撥水化処理の後に、前記配線層の幅方向の断面で両端部を除く領域に、前記配線層と異なる金属材料の無電解めっき層を成長し、
前記レジストパターンを除去してから、前記無電解めっき層をマスクとして、前記配線層の露出する角部と前記シード層の不要部分とを同時にエッチング除去して断面形状が樽型の配線を形成する。

微細な配線サイズであっても絶縁破壊を防止して信頼性を維持することができる。

一般的なＳＡＰ法で形成される微細配線の問題点を示す図である。 実施形態の配線構造の作製工程図である。 実施形態の配線構造の作製工程図である。 実施形態の配線構造を示す図である。 撥水処理後の無電解めっき膜の形成を示す図である。 実施形態の変形例１による配線構造の作製工程図である。 実施形態の変形例２による配線構造の作製工程図である。

図２及び図３は、実施形態の配線構造の作製工程図である。実施形態では、セミアディティブ法で形成された微細な配線パターンを有する場合でも、隣接する配線間での絶縁耐性を維持することのできる配線構造の作製方法と、この方法により作製された配線構造を提供する。これを実現するために、電解めっきで形成される銅（Ｃｕ）等の良導体の配線の上面に、配線のエッジ又は角部を除く領域に無電解めっき膜を自己整合的に形成し、ウェットエッチングにて配線上部のエッジ（角部）とシード層とを溶解させる。この方法により、配線の底部と上面に配線材料とは異なる材料の金属膜を有し、かつ配線の断面形状が配線の底部と上端部よりも中央部の幅の方が大きい樽型の配線が形成される。さらに、配線上部の金属膜は、配線の幅方向に中央部が盛り上がった円弧状の断面形状を有する。この構成は電界が集中するコーナー部を排除し、隣接する配線間の近接化を防止して、絶縁耐性を向上することができる。

まず、図２（Ａ）に示すように、図示しない基板上に下地絶縁膜１１を形成する。基板は、半導体チップを搭載するコア基板、ウェハレベルパッケージ（ＷＬＰ）基板、マルチチップパッケージ（ＭＣＰ）基板、インターポーザ基板など、微細な配線パターンを有する層が形成される任意の基板である。下地絶縁膜１１は、耐熱性、耐薬性が良好なポリイミド等の樹脂材料、あるいは樹脂中にガラス繊維やガラス粒子を混合した絶縁材料等で形成されている。

次に、図２（Ｂ）に示すように、下地絶縁膜１１上にシード層１５を形成する。シード層１５は、たとえば下地金属膜１２とめっき電極となる薄膜１３の積層であり、スパッタ法、めっき法、蒸着など、任意の方法で成膜する。下地金属膜１２は、下地絶縁膜１１との密着性を確保する膜であり、一例としてＴｉ、Ｍｏ，Ｃｏ、Ｐｄ等のターゲットを用いたスパッタリングにより５〜３０ｎｍの厚さに形成する。続いて、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの良導性のターゲットを用いて厚さ８０〜３００ｎｍの薄膜１３を形成して、積層のシード層１５とする。

次に、図２（Ｃ）に示すように、シード層１５上にめっきレジストパターン１４を形成する。めっきレジストパターン１４は、シード層１５上にたとえばポジ型のフォトレジストを塗布し、配線パターンを露光転写し現像することで形成される。レジストパターン１４は、配線パターンに対応する開口２５を有するが、現像液によるレジスト材料の溶解の関係で、開口２５の上端部の幅が底部の幅よりも広くなっている。開口２５内にシード層１５の一部が露出する。

次に、図２（Ｄ）に示すように電解めっきにより開口２５内に配線層１６を成長する。電解めっき液に硫酸銅などを用いる場合、開口２５内にＣｕ層１６が成長する。成長するＣｕ層１６の厚さは、たとえば２〜５μｍである。

次に、図３（Ａ）に示すように、ウェハ表面に撥水化処理を施す。撥水化処理は、たとえばＣＦ4、ＣＨＦ3、Ｃ2ＨＦ5などのフッ化炭素ガスのプラズマ照射により行う。フッ化炭素ガスと窒素やアルゴン等の不活性ガスとの混合ガス、またはフッ化炭素ガスと酸素の混合ガスでプラズマ照射してもよい。有機樹脂材料で形成されるレジストパターン１４は、Ｃｕ層１６と比較して表面の水素基や炭化水素基がフッ素（Ｆ）ラジカルやＣＦ3ラジカルと置換されやすく、レジストパターン１４の表面が優先的に撥水化される。Ｃｕ層１６をマスクで覆ってレジストパターン１４の表面にゲル状の撥水剤を塗布して紫外線照射することにより撥水処理してもよいし、薬液処理による撥水化であってもよい。フッ化炭素ガスのプラズマ照射により撥水化処理を行う場合は、たとえば、ＣＦ4ガスを流量200 SCCMで供給し、13.56ＭＨｚの高周波、電源パワー500Ｗ、圧力１５Ｐａで３０秒間照射する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、無電解めっきにより、Ｃｕ層１６上に無電解めっき層１７を選択的に形成する。図３（Ａ）の工程で、レジストパターン１４が撥水化処理されているため、Ｃｕ層１６の表面のうち、レジストパターン１４との境界付近では無電解めっき液がつきにくく、中央部分から無電解めっき層１７が成長する。レジストパターン１４の撥水化により、Ｃｕ層１６の表面が相対的に親水性となり、無電解めっき時の液回りがＣｕ層１６上で良好になる。その結果、Ｃｕ層１６の端部（レジストパターン１４との境界）から離れた領域から無電解めっき層１７が自己整合的に成長し、断面が円弧状の形状が得られる。無電解めっき層１７として、たとえば、ＮｉＰ（ニッケル・リン），ＣｏＰ（コバルト・リン），ＣｏＷＰ（コバルト・タングステン・リン）、ＣｏＷＢ（コバルト・タングステン・ホウ素）等の膜を２０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成する。一例として、中央部の厚さが４０〜６０ｎｍのＮｉＰの無電解めっき層１７を形成する。

次に、図３（Ｃ）に示すように、レジストパターン１４を除去する。レジストパターン１４の除去後は、無電解めっき層１７で覆われていない領域のＣｕ層１６の上部エッジが露出して、鋭角の角部を構成している。

次に、図３（Ｄ）に示すように、無電解めっき層１７をマスクとして、Ｃｕ層１６の露出した上部エッジと、不要な部分のＣｕ薄膜１３をエッチング除去する。この例では、エッチング液として銅エッチング液を用いたウェットエッチングとする。このウェットエッチングにより、Ｃｕ層１６の角がとれて断面が樽型の配線層１８になる。

最後に、図４に示すように、Ｔｉ等の密着層１２をフッ酸等のエッチング液で除去して配線構造２０を得る。配線構造２０は、シード層１５の一部と配線層１８が一体となった断面形状が樽型のＣｕ配線１９を有し、Ｃｕ配線１９の底部に金属（密着）層１２を、Ｃｕ配線１９の上面に断面が円弧状の無電解めっき層１７を有する。その後、全面に絶縁膜２２を塗布して一層分の配線層が完成する。絶縁膜２２はたとえば、下地絶縁膜１１と同様に樹脂絶縁膜や、ガラス繊維入りの絶縁膜である。

図５は、撥水化処理後に形成される実施形態の無電解めっき層１７を、撥水化処理を行わないで形成される無電解めっき層１１７と比較して示す図である。図５（Ａ）では、撥水化処理が行われていないので、無電解めっき液がＣｕ層１６の表面に万遍なくゆきわたり、Ｃｕ層１６の表面に膜厚が均一な無電解めっき層１１７が形成される。

これに対し、図５（Ｂ）ではレジストパターン１４の撥水化によって、レジストパターン１４との境界近傍のＣｕ層１６には無電解めっき液が回りにくい。その結果、Ｃｕ層１６の中央部から優先的に無電解めっき層１７が成長して、配線幅方向に沿った断面で円弧状の無電解めっき層１７が形成される。無電解めっき層１７をマスクとしてウェットエッチングすることで、Ｃｕ層１６のエッジ（角）部と、シード層１５のうちの不要な部分のＣｕ薄膜１３を一度に除去することができる。また、無電解めっき層１７自体が円弧状の断面形状で角部を有しないため、配線構造２０の全体で電界の集中を防止することができる。

図６は、実施形態の変形例１の作製方法を示す図である。変形例１では、Ｃｕ層１６のエッチング速度を制御して、精度よく断面形状が樽型の配線構造を実現する。

図３（ｃ）の工程、すなわちウェハ表面を撥水化処理してレジストパターン１４との境界近傍を除くＣｕ層１６の表面領域に自己整合的に無電解めっき層１７を形成し、その後レジストパターン１４を除去する工程までは、上述した実施形態と同じなので説明を省略する。

レジストパターン４を除去した後、図６（Ａ）に示すように、エッチング液２６にプラスの電荷を印加し、シード層１５にマイナスの電荷を印可してエッチングを行う。エッチング液２６にプラスの電荷を印加することで、Ｃｕ層１６からＣｕ2+イオンが溶けにくい状態となって、エッチング速度を緩やかに制御することができる。その結果、図６（Ｂ）に示すように樽型のＣｕ配線１８を精度よく形成することができる。同時に、シード層１５のＣｕ薄膜１３の不要な部分を除去することができる。その後、Ｔｉ密着層１２の不要な部分をフッ酸等のエッチング液にて除去し、絶縁膜２２を形成することで、図６（Ｃ）の配線構造２０が実現する。

図７は、実施形態の変形例２の作製方法を示す図である。図７（Ａ）で、図３（Ａ）と同様に、ウェハ表面を撥水化処理する。これにより、レジストパターン１４の表面が撥水性となり、Ｃｕ層１６の表面が相対的に無電解めっき液に対して親水性となる。

次に、図７（Ｂ）で、図３（Ｂ）と同様に、Ｃｕ層１６上にレジストパターン１４との境界近傍を除く領域に自己整合的に無電解めっき層１７を形成する。ここまでは、上述した実施形態と同様である。

次に、図７（Ｃ）で、レジストパターン１４を除去した後に酸素プラズマ処理を施す。酸素プラズマ照射により、露出した部分のＣｕ層が酸化されて酸化銅３１が形成される。具体的には、無電解めっき層１７で覆われていないＣｕ層１６の角部と、シード層１５のＣｕ薄膜１３の露出部分が酸化銅３１となる。

次に、図７（Ｄ）で、希硫酸にて酸化銅３１をエッチング除去する。この方法によっても、精度よく幅方向の断面形状が樽型の配線を実現することができる。その後、Ｔｉ密着層１２の不要な部分をフッ酸で除去する。これによって、樽型のＣｕ配線１９の底部にＴｉ密着層１２を有し、上面に断面形状が円弧状の無電解めっき層１７を有する配線構造２０が得られる。その後、全面に樹脂、ガラスクロス等で絶縁膜２２を形成する。

実施形態あるいは変形例の手法により、従来は配線上部で絶縁破壊を起こしていた配線サイズでも、絶縁破壊を低減して信頼性の高い配線構造を形成することができる。従来構造と異なり、配線の角部（エッジ）への電界集中による配線材料のイオンの溶出（イオンマイグレーション）を防止して、隣接配線との短絡不良を低減することができる。

多層プリント基板、ＬＳＩパッケージ基板、ＷＬＰやＭＣＰ等の配線基板の配線の信頼性を向上することができ、中でも、ＨＡＳＴ（Highly Accelerated temperature and humidity Stress Test）試験による耐圧性能を向上することができる。従来構造では３μｍＬ／Ｓ（配線幅３μｍ、配線間スペース３μｍ）程度の配線密度がＨＡＳＴ耐性的に限界であったが、本発明の構造、手法をとることにより、２μｍＬ／Ｓ程度のサイズでも安定してＨＡＳＴ試験に耐える配線を製造することができる。これらの配線基板は、コンピュータ、サーバ、ルータ、光通信機器、医療機器などの電子機器に適用することができ、製品の信頼性も向上する。

上述した例では、Ｃｕ配線を例にとって説明したが、ＮｉやＡｕなどの良導性の配線を電解めっきにて形成してもよい。この場合も、電解めっき後のウェハに撥水化処理を施して、配線層１６上面のエッジを除く領域に自己整合的に無電解めっき層１７を成長することができる。無電解めっき層１７をマスクとして配線層１６のエッジ（角部）をエッチング除去するとともに、シード層となる薄膜の不要部分を除去することができ、効率良く樽型の配線を形成することができる。樽型の断面形状は電界集中を防止でき、隣接する配線間の間隔を適切に維持することができる。
以下の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
基板上の絶縁膜上にめっき用シード層を形成し、
前記めっき用シード層上に、配線パターンに対応する開口を有するレジストパターンを形成し、
電解めっきにより前記開口内に配線層を形成し、
前記レジストパターンの表面に撥水化処理を施し、
前記撥水化処理の後に、前記配線層の幅方向の断面で両端部を除く領域に、前記配線層と異なる金属材料の無電解めっき層を成長し、
前記レジストパターンを除去してから、前記無電解めっき層をマスクとして、前記配線層の露出する角部と前記シード層の不要部分とを同時にエッチング除去して断面形状が樽型の配線を形成する、
ことを特徴とする配線構造の作製方法。
（付記２）
前記エッチング除去はウェットエッチングであり、エッチング液にプラスの電荷を印加し、前記シード層にマイナスの電荷を印加してエッチング速度を制御することを特徴とする付記１に記載の配線構造の作製方法。
（付記３）
前記レジストパターンの除去後に、前記無電解めっき層をマスクとして、前記配線層の露出する角部と前記シード層の不要部分とを酸化して金属酸化物を形成し、前記金属酸化物をウェットエッチングにて除去することを特徴とする付記１に記載の配線構造の作製方法。
（付記４）
前記無電解めっき層は、前記撥水化処理により、前記配線層の上面の幅方向の中央部で盛り上がった断面が円弧状に形成されることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の配線構造の作製方法。
（付記５）
前記撥水化処理は、フッ化炭素ガスによるプラズマ照射であることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の配線構造の作製方法。
（付記６）
前記配線層は銅の配線層であり、前記無電解めっき層は、ＮｉＰ、ＣｏＰ、ＣｏＷＰ、及びＣｏＷＢから選択されることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の配線構造の作製方法。
（付記７）
幅方向の断面形状が樽型の配線層と、
前記配線層の上面に位置し、前記配線層と異なる金属材料で形成され、前記幅方向に円弧状の断面形状を有する第１金属層と、
を有することを特徴とする配線構造。
（付記８）
前記配線層は銅配線層であり、前記第１金属層は、ＮｉＰ、ＣｏＰ、ＣｏＷＰ、及びＣｏＷＢから選択されることを特徴とする付記７に記載の配線構造。
（付記９）
前記配線層の底部に位置し、前記配線層と異なる金属材料の第２金属層を有することを特徴とする付記７に記載の配線構造。
（付記１０）
付記７〜９のいずれかに記載の配線構造を有する基板と、
前記基板に搭載される電子部品と、
を有する電子機器。

１１ 下地絶縁膜
１２ 密着層
１３ 金属薄膜
１４ レジストパターン
１５ シード層
１６ 配線層
１７ 無電解めっき層（第１金属層）
１８ エッチング後の配線層
１９ 配線
２５ 開口
２６ エッチング液

Claims (6)

1. 基板上の絶縁膜上にめっき用シード層を形成し、
   前記めっき用シード層上に、配線パターンに対応する開口を有するレジストパターンを形成し、
   電解めっきにより前記開口内に配線層を形成し、
   前記レジストパターンの表面に撥水化処理を施し、
   前記撥水化処理の後に、前記配線層の幅方向の断面で両端部を除く領域に、前記配線層と異なる金属材料の無電解めっき層を成長し、
   前記レジストパターンを除去してから、前記無電解めっき層をマスクとして、前記配線層の露出する角部と前記シード層の不要部分とを同時にエッチング除去して断面形状が樽型の配線を形成する、
   ことを特徴とする配線構造の作製方法。
2. 前記エッチング除去はウェットエッチングであり、エッチング液にプラスの電荷を印加し、前記シード層にマイナスの電荷を印加してエッチング速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の配線構造の作製方法。
3. 前記レジストパターンの除去後に、前記無電解めっき層をマスクとして、前記配線層の露出する角部と前記シード層の不要部分とを酸化して金属酸化物を形成し、前記金属酸化物をウェットエッチングにて除去することを特徴とする請求項１に記載の配線構造の作製方法。
4. 前記無電解めっき層は、前記撥水化処理により、前記配線層の上面の幅方向の中央部で盛り上がった断面が円弧状に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線構造の作製方法。
5. 幅方向の断面形状が樽型の配線層と、
   前記配線層の上面に位置し、前記配線層と異なる金属材料で形成され、前記幅方向に円弧状の断面形状を有する第１金属層と、
   を有することを特徴とする配線構造。
6. 請求項５に記載の配線構造を有する基板と、
   前記基板に搭載される電子部品と、
   を有する電子機器。

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