JPH06224200A - 集積半導体デバイスおよび集積半導体デバイス上にバンプ構造を形成する方法 - Google Patents

集積半導体デバイスおよび集積半導体デバイス上にバンプ構造を形成する方法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積半導体デバイス上にバンプ構造物を形成
する方法において、そのバンプの下の層にひびを生じさ
せない。 【構成】 アルミニウムパッド14、それと部分的に重複
するパッシベーション層18、全面に亘る薄い層30および
金の薄層32がこの順に配され、パッド14に亘る区域のみ
に金を電気メッキして金の層38を形成したウェーハ10
に、新たなフォトレジスト層40を施し、マスキングし、
光に露出して、露出部分を除去し、残存するフォトレジ
スト層40中に開口部42を残す。ウェーハを再び金で電気
メッキして上側金バンプ部分44を形成する。レジスト層
40を除去し、次いでウェーハに亘る金の全体層32および
バリヤー層30をエッチングして取り去り、最終バンプを
残す。鉛接着の際に、バンプ部分44により伝達される圧
縮力は、パッシベーション層18にほとんど伝わらず、従
ってひびが生じない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は熱圧縮またはその他の方
法により半導体デバイスへ鉛を結合させるための改良さ
れたバンプ構造およびその構造を製造する方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】「可撓性担体を用いた半導体デバイスの
製造方法」と題した米国特許第3,689,991 号が発行され
た1972年より、鉛の集積回路への接着が知られている。
この特許はテープ自動操作接着を主題としており、ここ
でテープにより運ばれた一連の鉛が、熱と圧力の適用に
よって半導体デバイス上の小さく盛り上がった「バンプ
（bumps ）」に接着される。典型的に回路上に形成され
た鉛とバンプの両者は、金、はんだ、銅または他の金属
もしくは合金から作られる。
【０００３】典型的な鉛のバンプへの接着に関して従来
から続いている問題は、完全なジョイントを形成するた
めに通常高温と著しい圧力が用いられるので、バンプの
下の層にひびを生じる傾向があることである。そのひび
は、空気と水分を、バンプがその上に亘って形成された
非常に薄く、その下にあるアルミニウムメタライゼーシ
ョン層に到達させる。次いでこれらの層は酸化して事実
上消失し、前記バンプがそのデバイスから浮かび上が
り、そのデバイスの有用性を破壊する。
【０００４】上記問題が長い間知られており、その問題
を緩和するために様々な試みが行なわれている。例え
ば、ＩＥＥＥ／ＣＨＭＴ′91のＩＥＭＴシンポジウムで
発行された６頁のジェームズ Ｄ．ハワードによる「Ｔ
ａｂ内部鉛接着における不成功のメカニズムおよび設計
と信頼性との関係」と題された論文において、信頼性の
問題が論じられ、ひびの減少は様々な設計の研究により
達成できることが提案された。ひびの度合いがパッシベ
ーション重複の度合いと相関性があるが、パッシベーシ
ョン重複の減少もそのパッシベーション層の脆さをより
低減させることも完全にはその問題を解決しないことも
注目された。重複度合いの減少および脆くないパッシベ
ーション層の使用並びにさらなる封印のための適切な有
機ダイス被覆の使用が機構的完全性および信頼性を改善
することが提案されている。しかしながら、これらの方
法ではその問題を実際には解決しないことが分かった。
【０００５】
【発明の構成】したがって、本発明はその態様の１つと
して、表面、該表面上の伝導性終端パッド、および前記
表面を覆い、前記パッドの縁と重なる保護パッシベーシ
ョン層を有する集積半導体デバイスであって、前記パッ
シベーション層が前記パッドの寸法より小さな寸法の開
口部を有することにより、前記開口部を通じて前記パッ
ドの部分を露出して回路と鉛との連結のための改良バン
プ構造を形成し、該バンプ構造が、前記開口部の寸法よ
り大きな寸法の下側バンプ部分および前記開口部の寸法
より小さな寸法のステムを有する上側バンプ部分からな
り、前記下側バンプ部分が前記開口部に亘って位置して
該開口部の縁を超えて延び、前記パッシベーション層と
ともに前記パッドを密封し、前記ステムが前記第１のバ
ンプ部分に亘って、そして前記開口部のマージン内に前
記ステムのマージンがあるように前記開口部に亘って位
置し、鉛が前記上側バンプ部分上から下方に圧縮された
場合、前記ステムを通じて伝達された圧縮力が主に前記
パッドに直接加えられ、前記パッシベーション層を砕く
傾向のないことを特徴とするデバイスを提供する。
【０００６】本発明は別の態様として、表面、該表面上
の伝導性終端パッド、および前記表面を覆い、前記パッ
ドの縁と重なる保護パッシベーション層を有する種類の
集積半導体デバイス上にバンプ構造を形成する方法であ
って、前記パッシベーション層が前記パッドの寸法より
小さな寸法の開口部を有することにより、前記開口部を
通じて前記パッドの部分を露出し、前記方法が、前記開
口部に亘って伝導性金属の薄い層を蒸着させて前記開口
部の縁と重なって下側バンプ部分を形成し、前記下側バ
ンプ部分に亘って実質的により厚い金属層を蒸着して前
記開口部に亘って該開口部のマージン内に位置し該開口
部の寸法より小さな寸法の上側バンプ部分を形成する各
工程からなる方法を提供する。
【０００７】
【実施例】本発明のさらなる目的と利点を図面に示す実
施例に基づいて詳細に説明する。
【０００８】数多くの集積回路12を含むシリコン半導体
ウェーハ10を示す図１について最初に述べる。（ウェー
ハ10は直径が75から100 ｍｍである。）各集積回路12は
鉛が付着されなければならない多数の回路終端点（図示
せず）を含有する。
【０００９】図２に示すように（従来技術である）、鉛
付着点はウェーハ10の二酸化ケイ素基体17の表面16上の
薄いアルミニウムパッド14により形成される。薄いパッ
ド14が表面16上に蒸着された後に、回路の全表面（パッ
ド14を除く）が、回路を保護し、絶縁体として作用する
薄いパッシベーション層18で、典型的にはガラスまたは
セラミック材料で覆われる。パッシベーション層18はア
ルミニウムパッド14の縁と重なり、そのアルミニウムパ
ッド14を露出する開口部19を残す。その開口部19は、パ
ッド14の縁を封印するために常にパッド14の寸法より小
さい。（「寸法」という用語は、横の寸法を指す。）次
にチタニウムタングステン（ＴｉＷ）のバリヤー層（ba
rrier layer ）20をアルミニウムパッド14に亘って施
し、次いで金バンプ22（他の適した金属および合金もま
た用いられる）をそのバリヤー層20に亘って電気メッキ
する。その金バンプ22のステムはパッシベーション層18
の縁と重なるほど十分広い、すなわち金バンプ22のステ
ムは少なくともアルミニウムパッド14の寸法と同じぐら
いの寸法を有する。このことにより、アルミニウムパッ
ド14が完全に封印されることを確実にする。典型的にバ
ンプ22は、平面図で正方形であり、各辺が約100 ミクロ
ンの幅である。
【００１０】上述したように図２における難点は、鉛
（点線により24で示す）が加熱接着チップ26（これも点
線で示す）によりバンプ22上に圧縮される場合、バンプ
22のステムを通じて伝達される圧縮力がパッシベーショ
ン層18にひびを生じさせる傾向にあることである。この
ことは水分や酸素がアルミニウム層14に到達することを
容認し、そのアルミニウムを酸化および消失させる。
【００１１】次に、熱圧縮接着中のひびを生じる傾向を
減少させたバンプを製造する方法の第１段階を説明する
図３について述べる。この方法において、アルミニウム
パッド14を部分的に露出させながらパッシベーション層
18を施した後に、ウェーハ10をチャンバ中に配し、そこ
で露出したパッド14の表面はプラズマからの活性粒子で
衝撃されてそのアルミニウムから非常に薄い（サブミク
ロン）酸化物層が除去される。次いで、バリヤー材料
（ＴｉＷ）の非常に薄い層30（典型的に1,500 オングス
トローム）をウェーハの全表面上にスパッタリングす
る。これは従来から行なわれていることである。
【００１２】次に、同一のチャンバ中で、さらに金の薄
層32（典型的に1,500 オングストローム）を層30上にス
パッタリングしてその層が酸化するのを防ぐ。層32はま
たウェーハ全体を覆う。これも、従来からなされている
ことである。
【００１３】次にウェーハ10をフォトレジスト層34で被
覆し、次いでマスキングして光に露出する。パッド14に
亘る区域のみを露出する。露出したフォトレジストを次
いで洗い流し、パッド14と同じ寸法で、パッド14と直線
状にそのパッド14に亘って位置する開口部36を残す。こ
のことも従来から行なわれている。
【００１４】次に、ウェーハを金溶液中に配し、金をそ
の開口部36に電気メッキして金の層38を形成する。過去
においては、層38は約25ミクロン厚で設けられ、バンプ
22を形成していた。（１ミクロン＝10-6メートル＝10,0
00オングストローム）しかしながら本発明においては、
その層38は非常に薄いが、スパッタリングした層32より
は厚い。典型的に層38はスパッタリング層32の約３倍の
厚さ、すなわち典型的に約4,500 オングストローム厚で
ある。これから、見て分かるように、層38の部分は最終
金バンプの下側部分を形成する。
【００１５】次に、フォトレジスト層34を除去してウェ
ーハ全体を覆う金の薄い層32を残し、または部分的に形
成したバンプ38も残す。次いで、図４に示すように、新
たなフォトレジスト層40を施し、マスキングし、光に露
出して、露出部分を除去し、残存するフォトレジスト層
40中に開口部42を残す。開口部42は、パッシベーション
層18の開口部19に亘って中心に位置し、開口部19の寸法
と等しいかやや小さな寸法である。それゆえ、開口部42
のマージンは完全に開口部19のマージン内にある。
【００１６】次に、ウェーハを再び金で電気メッキして
典型的に25ミクロン厚の上側金バンプ部分44を形成す
る。
【００１７】上側金バンプ部分44が形成された後、レジ
スト層40を除去し、次いでウェーハに亘る金の全体層32
をエッチングして取り去る。これは約1,500 オングスト
ロームの金をエッチングして除去することにより達成さ
れる。エッチングはまた、4,500 オングストロームから
3,000 オングストロームまでのバンプ下側部分36の露出
マージンの厚さを減少させ、上側金バンプ部分44の高さ
を1,500 オングストロームまで減少させる。
【００１８】次に、ＴｉＷのバリヤー層30をエッチング
して取り去り（ＴｉＷのエッチング液は金を攻撃しな
い）、図５に示すように最終バンプ50を残す。そこに示
すように、バンプ50はパッシベーション層18の開口部19
に亘る上側またはステム部分44を有し、そのパッシベー
ション層とは重ならない。言い換えれば、ステム44のマ
ージンは完全に開口部19のマージン内にある。バンプ50
はより大きな寸法（フォトレジスト層を超えて流れ出た
電気メッキにより生じた）を有するトップキャップ52を
有するが、そのキャップ52は理由により問題を生じな
い。また、ステム44は完全に開口部19のマージン内にあ
り、各層の形状はその下の層の形状に従う傾向にあるの
で、キャップ52のトップ53は実質的に平らである。
【００１９】バンプ50はまた、パッシベーション層18と
重なり、アルミニウムパッド14が適切に封印されること
を確実にする下側の非常に薄い部分38を有する。
【００２０】鉛がバンプ50に接着されるときに、下方向
への圧縮力がステム44を通じて直接アルミニウムパッド
14に加えられる。ステム44のマージンは開口部19のマー
ジン内にあるので、非常に僅かな圧縮力がパッシベーシ
ョン層18の重なりあった縁に加えられる。下側バンプ部
分38およびバリヤー層30の存在のために、ある力がパッ
シベーション層の重なりあった縁に加えられる一方、こ
れらの層は非常に薄く、ほとんど力を伝達しない。金は
柔らかく低い剪断強さを有するので、下側バンプ部分38
のマージンにより伝達された力もまた小さい。バンプ部
分38のマージンは厚さ1,000 と10,000オングストローム
の間の範囲にあるが、できるだけほとんど力を伝達しな
いほどできるだけ薄いことが望ましい。
【００２１】したがって、力はパッシベーション層18に
ほとんど伝達されないので、ひびの傾向が著しく減少す
る。主な圧縮力は、これらの力によく耐えることのでき
るアルミニウムパッド14に直接加えられる。同時に、下
側バンプ部分38により提供されたパッシベーション層18
の重なり部は、そのパッシベーション層18が適切に封印
されることを確実にする。
【００２２】加えて、トップ53が現在平らであるので、
鉛24は、前述した場合と同様に、バンプトップ表面の上
がった縁のみというよりむしろ、バンプの全トップ表面
に接着される傾向にある。
【００２３】バンプ50を形成する好ましい方法を記載す
る一方、パッシベーション層と重ならない上側部分また
はステムを有するバンプおよびパッシベーション層と重
なりそれを封印するが実質的な力をそのパッシベーショ
ン層に伝達しない下側の非常に薄い部分を有するバンプ
に帰する限り、他の方法も用いられることが理解されよ
う。
【００２４】例えば、上述した方法のかわりに、上側バ
ンプ部分44は、図６に示すように金層32上に開口部19に
亘って直接形成される。バンプ部分44のマージンは前述
のように、開口部19のマージン内にある。次いで、金層
32がエッチングにより取り去られる前に、アルミニウム
パッド14（また上側バンプ部分44）の縁よりはみでたマ
ージンは図６に示したフォトレジストの小区域によりマ
スキングされる。次いで金層32はエッチングにより除去
され、バンプ50′の下側部分を形成し開口部19を封印す
る残りまたはスカート32′をとどめる。この第２の方法
に関する困難は、達成するのが困難である非常に適確な
耐久性を要求することである。
【００２５】上述したように、例えばはんだ銅のような
他の金属または合金、他の方法も用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各回路に作られる前の、従来の集積回路のアッ
センブリの平面図
【図２】典型的な従来のバンプ構造の断面図
【図３】製造工程途中の本発明のバンプ構造の断面図
【図４】さらなる製造工程の図３のバンプ構造の断面図
【図５】本発明による完成したバンプ構造の断面図
【図６】本発明による部分的に完成した別のバンプ構造
の断面図
【図７】完成後の図６のバンプ構造の断面図
【符号の説明】
10 ウェーハ 12 集積回路 14 アルミニウムパッド 16 表面 17 基体 18 パッシベーション層 19、36、42 開口部 20、30 バリヤー層 22、44、50 バンプ 32 金の薄層 34、40 フォトレジスト層 38 金層 52 キャップ 53 トップ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表面、該表面上の伝導性終端パッド、お
    よび前記表面を覆い、前記パッドの縁と重なる保護パッ
    ジベーション層を有する集積半導体デバイスであって、
    前記パッシベーション層が前記パッドの寸法より小さな
    寸法の開口部を有することにより、前記開口部を通じて
    前記パッドの部分を露出して回路と鉛との連結のための
    改良バンプ構造を形成し、該バンプ構造が、前記開口部
    の寸法より大きな寸法の下側バンプ部分および前記開口
    部の寸法より小さな寸法のステムを有する上側バンプ部
    分からなり、前記下側バンプ部分が前記開口部に亘って
    位置して該開口部の縁を超えて延び、前記パッシベーシ
    ョン層とともに前記パッドを密封し、前記ステムが前記
    第１のバンプ部分に亘って、そして前記開口部のマージ
    ン内に前記ステムのマージンがあるように前記開口部に
    亘って位置し、鉛が前記上側バンプ部分上から下方に圧
    縮された場合、前記ステムを通じて伝達された圧縮力が
    主に前記パッドに直接加えられ、前記パッシベーション
    層を砕く傾向のないことを特徴とするデバイス。
  2. 【請求項２】 前記下側バンプ部分と前記伝導性パッド
    との間にバリヤー層を含むことを特徴とする請求項１記
    載のデバイス。
  3. 【請求項３】 前記上側バンプ部分が前記下側バンプ部
    分の厚さより実質的に大きな厚さを有することを特徴と
    する請求項２記載のデバイス。
  4. 【請求項４】 前記上側バンプ部分を超えて延びる前記
    下側バンプ部分のマージンが1,000 から10,000オングス
    トロームの間の厚さであることを特徴とする請求項３記
    載のデバイス。
  5. 【請求項５】 前記マージンが約1,500 オングストロー
    ム厚であることを特徴とする請求項４記載のデバイス。
  6. 【請求項６】 前記上側バンプ部分が少なくとも数ミク
    ロン厚であることを特徴とする請求項３記載のデバイ
    ス。
  7. 【請求項７】 前記上側バンプ部分が約25ミクロン厚で
    あることを特徴とする請求項６記載のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記バンプが金またははんだから形成さ
    れることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  9. 【請求項９】 前記上側バンプ部分が実質的に平らな上
    面表面を有することを特徴とする請求項１から８いずれ
    か１項記載のデバイス。
  10. 【請求項１０】 表面、該表面上の伝導性終端パッド、
    および前記表面を覆い、前記パッドの縁と重なる保護パ
    ッジベーション層を有する種類の集積半導体デバイス上
    にバンプ構造を形成する方法であって、前記パッシベー
    ション層が前記パッドの寸法より小さな寸法の開口部を
    有することにより、前記開口部を通じて前記パッドの部
    分を露出し、前記方法が、前記開口部に亘って伝導性金
    属の薄い層を蒸着させて前記開口部の縁と重なって下側
    バンプ部分を形成し、前記下側バンプ部分に亘って実質
    的により厚い金属層を蒸着して前記開口部に亘って該開
    口部のマージン内に位置し該開口部の寸法より小さな寸
    法の上側バンプ部分を形成する各工程からなることを特
    徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 前記下側バンプ部分と前記伝導性パッ
    ドとの間にバリヤー層を形成する工程を含むことを特徴
    とする請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記下側バンプ部分の金属および前記
    上側バンプ部分の金属が電気メッキにより施されること
    を特徴とする請求項１１記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記デバイスの表面に亘って前記金属
    の第１の薄い層を設け、前記金属の第１の層に亘ってフ
    ォトレジスト材料の第１の層を設け、前記フォトレジス
    トの第１の層をマスキングして前記最初に述べた開口部
    と直線上に位置し該最初に述べた開口部より大きな寸法
    の第２の開口部を形成し、該第２の開口部内に前記金属
    を蒸着して前記金属の第１の層の厚さより厚い前記金属
    の第２の層を形成し、前記フォトレジストの第１の層を
    除去し、前記表面に亘ってフォトレジスト材料の第２の
    層を設け、前記フォトレジスト材料の第２の層をマスキ
    ングし前記最初に述べた開口部の中心に亘って該最初に
    述べた開口部の寸法より小さな第３の開口部を形成して
    該第３の開口部のマージン全体が前記最初に述べた開口
    部のマージン内にあるようにし、前記第３の開口部内の
    前記金属の第２の層に亘って前記金属の第３の層を蒸着
    し、該金属の第３の層が前記金属の第２の層より実質的
    に厚く、前記第２のフォトレジスト層および前記金属の
    第１の層を除去し、前記金属の第２の層および前記金属
    の第３の層の残りを残し、前記金属の第３の層が前記上
    側バンプ部分を構成し、前記金属の第２の層が前記下側
    バンプ部分を構成する各工程からなることを特徴とする
    請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記金属が金またははんだであること
    を特徴とする請求項１３記載の方法。
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