JPH10163590A - Ｃ４の薄膜メタラジーのスタック形成方法及び構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 【解決手段】 ベース金属層の上部にＮｉ／Ａｕ／Ｎｉ
／Ａｕの多層構造を含む薄膜メタラジーは、Ｃ−４はん
だリフローの接合問題による影響を受けにくい。また、
サンドイッチされた金層により、基板表面の金属シード
層の湿式エッチングが行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般にははんだを
使用して結合される集積回路チップ及び基板に用いられ
る薄膜メタラジーに関する。

【０００２】

【従来の技術】"Ｃ−４（Controlled Collapse Chip Co
nnection）"の特徴は、はんだをその融点以上に加熱
し、はんだを集積回路チップと基板上の相互接続パッド
に接合させることでチップと基板を接続するはんだボー
ルまたは同様の構造にある。通常、はんだはチップ・パ
ッド上に担持され、はんだのリフローにより、チップ・
パッドと基板上のパッドの両方が接合される。相互接続
パッド領域に隣接した相互接続回路はしばしば、ポリイ
ミドほかの種類の絶縁物で被覆されて保護される。チッ
プと基板の接続の品質を保証するため、数回のはんだリ
フロー操作が行われる。これらのリフロー操作により、
鉛／スズを含むはんだと、通常は銅及び（または）ニッ
ケルを含むチップまたは基板上の薄膜相互接続メタラジ
ーとの間に、銅／スズまたはニッケル／スズの金属間化
合物が形成される。その結果、これらの金属間化合物
は、下のメタライゼーションのスポーリングが起こるほ
ど堆積する、あるいは多数の小さなボイドや平面破面が
生じる。ボイドと平面破面は両方ともチップと基板間の
導電性を損なう。

【０００３】相互接続メタラジーに用いられる従来の薄
膜スタック構造には、フォトレジスト・マスクを通して
スパッタ被着された銅／クロム層に電気めっきされる銅
とニッケルの層がある。フォトレジスト・マスクはそこ
で除去され、シード層がエッチングされてラインとＣ−
４パッドが分離される。最後に、めっき液により当該部
分が金めっきされる。こうして、パッド領域に金めっき
のある薄膜相互接続メタラジーが得られる。

【０００４】Agarwalaによる米国特許第４９８５３１０
号では、電子素子の多層メタラジカル構造について詳し
く述べられており、クロム、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、銅、及び
（または）アルミニウム等を含むベース・メタラジー上
で金を被覆したコバルト層の使用に関する説明がある。
KounoによるIBM TDB Vol．36、No．10、Oct．1993、p
p．481-483は、Ｃ４バンプを形成するためのボール限定
環帯構造に述べ、Ｃｒ／Ｃｕ／ＮｉまたはＣｏ／Ａｕ／
Ｃｒの多層金属構造を開示している。Frankenthalらに
よる米国特許第５３５６５２６号は、Ｔｉ−ＴｉＰｄ−
Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｕのように積層されたチタン／パラジウ
ム合金を含むハイブリッド集積回路のための銅ベース・
メタライゼーションについて述べている。Williamsによ
る米国特許第５３６１９７１号は、中間温度拡散熔接に
ついて述べ、相互拡散で金めっきしたニッケル層の使用
例を示している。DiGiacomoらによる米国特許第５４４
２２３９号は、基板上のパッドに用いられ、クロム、ニ
ッケル、及び貴金属を含む耐食メタラジーを開示してい
る。Merrinらによる米国特許ＲＥ２７９３４号は、ボー
ル限定メタラジー、つまり加熱時にはんだボールの流れ
を制限するよう働くチップの下部のパッドの要件につい
て述べている。Merrinらにより提案されたボール限定メ
タラジーは、クロム、銅、そして金と続く層を含む。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、チッ
プ及び基板等の電気素子を接続するため、複数回のリフ
ローの後に信頼性が高くなり、平面破面及び複数の小さ
なボイドの形成に影響を受けにくい、改良されたスタッ
ク・メタラジーを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に従って、薄膜メ
タラジーは、電気めっきした銅等のベース・メタライゼ
ーション上に堆積されたＮｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ層を含
む。メタラジーは、従来のメタラジーと類似したニッケ
ル／金の上部拡散層を表し、従って従来の方法により処
理可能であるが、本発明のニッケル／金／ニッケルのサ
ンドイッチ素子は、品質検査及び、二重化チップとマル
チチップ・モジュールの再結合の際に行われる複数回の
はんだリフローにより生じる平面破面及び複数の小さな
ボイドの形成に対する耐性が強い。またサンドイッチさ
れた金層は、湿式エッチングの間のピットの形成に対し
て下のニッケルを保護する。

【０００７】

【発明の実施の形態】各図に、チップを基板に接続する
ため用いられる多層メタラジーを示している。層は実寸
ではなく、従来の技術の問題及び本発明の構造を示すた
めのものである。

【０００８】図１は、接着クロム層１、約４ｍの上部ス
タック銅層２、これに続く２ｍのニッケル層３を示す。
クロム層は基板にスパッタ被着され、次に銅及びニッケ
ルが、フォトレジスト・マスク（図示なし）を通してク
ロム層１上に電気めっきにより被着される。次にフォト
レジスト・マスクが除去され、フォトレジスト・マスク
の下にあった、スパッタされたクロム／銅シード層１の
部分がエッチングされて、相互接続ラインとチップ・パ
ッドまたは"Ｃ−４"パッドが分離される。スパッタされ
たシード層の除去にはイオン・ビーム・エッチングが用
いられる。その後、構造を金めっき液に浸すことによっ
て、ニッケル層３の上部に金層４がめっきされる。

【０００９】相互接続の信頼性を確認するため、Ｃ４接
合チップの引張テストが行われ、複数回のはんだリフロ
ーが行われる。複数回のリフローで複数の小さなボイド
と平面破面が生じることが観測されている。

【００１０】平面破面の１つの例を図２及び図３に示
す。図２では、基板２３上のメタラジー・スタック２２
に接続されたチップ２１の断面が示してある。チップ２
１には相互接続メタラジー２４とポリイミド２５があ
り、相互接続メタラジー２４に対する開口が画成され
る。本発明を適用する際、相互接続メタラジー２４は、
メタラジー・スタック２２と同じかまたは異なるもので
ある。チップ２１は、はんだボール２６または他の適切
なはんだ物質により、基板上のメタラジー・スタック２
２に接続される。スタック２２は通常、クロム層２７、
銅層２８、ニッケル層２９、及びチップ接合時に形成さ
れたニッケル／スズの金属間化合物３０の上部層を含
む。図２において、図１に示したようにスタックの上部
層を形成した金層（図示なし）は、はんだボール２６に
吸収されている。基板２３上のパッドも、ポリイミド３
１または他の適切な絶縁物により画成される。

【００１１】ニッケル／スズの金属間化合物３０は、は
んだボール２６のはんだ内のスズとスタック２２内のニ
ッケルから形成される。このニッケル／スズの金属間化
合物３０は、付加はんだリフローの関数として厚みが増
すことが観測されている。図３は平面破面とチップの除
去を示す。平面破面では、ニッケル２９とニッケル／ス
ズの金属間化合物３０の間の金属界面３２が破損してい
る。平面破面が起こるのは、ニッケル／スズの金属間化
合物３０がはんだボール２６からプルオフされたときで
ある。ニッケル／スズの金属間化合物３０にて中間レベ
ルの劣化が起こるのは、界面３２にて複数の小さなボイ
ドが現れるときである。平面破面、複数の小さなボイド
の形成のいずれかの場合も、チップと基板間の導電性が
妨げられ、最終製品のチップ引張り強さは許容できない
ほど低くなる。

【００１２】図４乃至図６は本発明の構造を示す。基板
４０（チップ、プリント回路基板、セラミック構造、多
層パッケージ、またはＣ４接続に用いられるパッドを有
する素子等）の相互接続メタラジー・スタック４１は、
好適にはクロム層４２、銅層４３、ニッケル層４４、金
層４５、ニッケル層４６、及びもう１つの金層４７を含
む。スタック４１は、クロム層４２上のスパッタリン
グ、フォトレジスト（図示なし）による基板の被覆、標
準リソグラフィによるフォトレジスト内の開口のパター
ン形成、及び電気めっきにより銅層４３、ニッケル層４
４、金層４５、ニッケル層４６をポリイミドまたは絶縁
物の開口を通してクロム・シード層４２に被着すること
により作製される。各層の適切な厚みは多少変動する
が、銅層４３で２μｍ乃至１５μｍ、好適には２μｍ乃
至６μｍ、ニッケル層４４で１μｍ乃至５μｍ、好適に
は１μｍ乃至３μｍ、金層４５、４７で２００μｍ乃至
２０００μｍ、好適には６００μｍ乃至１２００μｍ、
ニッケル層４６で０．１μｍ乃至１μｍ、好適には０．
１μｍ乃至０．５μｍである。

【００１３】基板上のベース金属層は、銅がめっきされ
るクロムのシード層として先に述べたが、金属の選択幅
はかなり変わり得ることを理解されたい。この発明で
は、接着層（Ｃｒ）が基板に被着され、導電層（Ｃｕ）
で被覆される。接着層はＣｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｈ
ｆ、Ｍｏ、及びそれらの混合物、導電層はＣｕまたはＡ
ｌ、及びそれらの混合物である。

【００１４】図４は、金めっきによりニッケル層４６に
被着され、次にポリイミドまたはその他の絶縁物４８で
部分的に被覆された上部金層４７を示す。図５は、ポリ
イミドまたはその他の絶縁物４８でスタックが部分的に
被覆された後、金めっきによりニッケル層４６に被着さ
れた上部金層４７を示す。図６は、ニッケル層４６に金
めっきにより被着された上部金層４７を示す。図４乃至
図６の金層４７は、電気めっきまたはその他の適切な手
段により被着できる。

【００１５】本発明の構造で、上部ニッケル層４６は、
電解金層４５と上部金層４７でサンドイッチされ、この
構造は、拡散プロセスを促進し、ニッケルと金がチップ
の接合に必要な良好な形で混合される。また、本発明の
構造は電解金層４５を含むため、図４乃至図６に示した
構造は、従来の絶縁物除去材と湿式エッチングの手法に
より簡単に効率よく処理できる。電解金層４５は、下位
のニッケル４４を保護し、溶剤や除去材によるピット等
の破損は上部ニッケル層４６に限定される。

【００１６】図７乃至図９は、チップの接合及びチップ
の除去のステップでの本発明の構造の断面図である。基
板８０上の相互接続メタラジーのスタック８１は図５の
スタックと類似である。図７のスタック８１は、クロム
層８２、銅層８３、ニッケル層８４、金層８５、ニッケ
ル層８６、及び金層８７を含む。ポリイミド８８はスタ
ックを囲み、最終の金層８７のエッジまでスタックを覆
う。はんだボール８９はチップ９１上の相互接続メタラ
ジー９０に接続される。相互接続メタラジー９０はスタ
ック８１に示したものと同じかまたは異なるものであ
る。チップ９１及び相互接続メタラジー９０はポリイミ
ド９２に囲まれる。

【００１７】図８からよくわかるが、はんだボール８９
はチップ９１をスタック８１に接合する。接合時、上部
金層８７ははんだボール８９に吸収され、はんだボール
８９とスタック８１のニッケル層８６からニッケル／ス
ズの金属間化合物９３が形成される。

【００１８】図９は、引張り操作後のチップ９１を示
す。求められるとおり、はんだボール８９には亀裂９４
がある。スタック８１とチップ９１は元のまま残り、複
数回のリフローの間、平面破面は生じないことになる。

【００１９】本発明の多層構造で数個の基板が作成さ
れ、エレクトロマイグレーション、湿潤性、及び破損率
がテストされた。基板は、エレクトロマイグレーション
・テストには合格し、破損率は１ｐｐｍ未満、湿潤性は
良好な範囲だった。表１に、Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕめ
っきが用いられたとき複数回のリフローにより破損が生
じなかったことを示す。

【表１】

【００２０】表１の信頼性テストは、破損がなく、複数
の小ボイドが減少したことを示す。Ｎｉ／Ａｕ／Ｎｉ／
Ａｕ素子がない場合、破損率は１０％に達し、かなり大
量の小ボイドが観測される。

【００２１】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。

【００２２】（１）チップを接続するための基板上の多
層メタラジカル構造であって、基板上のベース金属層
と、上記ベース金属上の第１ニッケル層と、上記第１ニ
ッケル層上の第１金層と、上記第１金層上の第２ニッケ
ル層と、上記第２ニッケル層上の第２金層と、を含む、
構造。 （２）上記ベース金属層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、
Ｈｆ、Ｍｏ、及びそれらの混合物で構成されたグループ
から選択される接着層と、Ｃｕ、Ａｌ、及びそれらの混
合物で構成されたグループから選択される導電層を含
み、上記導電層は上記接着層上に配置される、上記
（１）記載の構造。 （３）基板上に相互接続メタラジーのスタックを形成す
る方法であって、基板にベース金属層を提供するステッ
プと、上記ベース金属層上に第１ニッケル層を被着する
ステップと、上記第１ニッケル層上に第１金層を被着す
るステップと、上記第１金層上に第２ニッケル層を被着
するステップと、上記第２ニッケル層上に第２金層を被
着するステップと、を含む、方法。 （４）上記提供するステップは、上記基板上に金属シー
ド層としてクロムをスパッタし、上記クロム上に導電層
として銅を電気めっきするステップを含む、上記（３）
記載の方法。 （５）上記第２金層を被着するステップは無電解めっき
により行われることを除いて、上記被着ステップはそれ
ぞれ電気めっきにより行われる、上記（３）記載の方
法。 （６）上記基板上でフォトレジストのパターンを形成す
るステップを含む、上記（３）記載の方法。 （７）上記第２金層を被着するステップの後に、不動態
化ポリイミド層を上記基板に被着するステップを含む、
上記（３）記載の方法。 （８）上記第２金層を被着するステップの前に、上記基
板に不動態化ポリイミド層を被着するステップを含み、
上記被着ステップは、上記第２金層を被着するステップ
が行われる画成領域を形成する、上記（３）記載の方
法。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄膜メタラジーの従来の構造の断面図である。

【図２】チップを除去する前の図１の従来の構造の断面
であり、平面破面を示す図である。

【図３】チップを除去した後の図１の従来の構造の断面
であり、平面破面を示す図である。

【図４】本発明の構造の断面図である。

【図５】本発明の構造の断面図である。

【図６】本発明の構造の断面図である。

【図７】チップを接続する前の本発明の構造の断面図で
ある。

【図８】チップを接続した後の本発明の構造の断面図で
ある。

【図９】チップを除去した後の本発明の構造の断面図で
ある。

【符号の説明】

１、２７、４２、８２ クロム層 ２、２８、４３、８３ 銅層 ３、２９、４４、４６、８４、８６ ニッケル層 ４、４５、４７、８５、８７ 金層 ２１、９１ チップ ２２、４１、８１ スタック ２３、４０、８０ 基板 ２４、９０ 相互接続メタラジー ２５、３１、４８、８８、９２ ポリイミド ２６、８９ はんだボール ３０、９３ ニッケル／スズ金属間化合物 ３２ 金属界面 ９４ 亀裂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリック・ディ・パーフェクト アメリカ合衆国12603、ニューヨーク州ポ キプシ、パット・ドライブ １ (72)発明者 チャンドリカ・プラサド アメリカ合衆国12590、ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ、シェアウッ ド・ハイツ 29 (72)発明者 キム・エイチ・ルフィング アメリカ合衆国10510、ニューヨーク州ブ リアークリフ・マナー、オーチャード・ロ ード 83 (72)発明者 ポール・エイ・トッタ アメリカ合衆国12603、ニューヨーク州ポ キプシ、サンディ・ドライブ 29

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チップを接続するための基板上の多層メタ
   ラジカル構造であって、 基板上のベース金属層と、 上記ベース金属上の第１ニッケル層と、 上記第１ニッケル層上の第１金層と、 上記第１金層上の第２ニッケル層と、 上記第２ニッケル層上の第２金層と、 を含む、構造。
2. 【請求項２】上記ベース金属層は、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、
   Ｚｒ、Ｈｆ、Ｍｏ、及びそれらの混合物で構成されたグ
   ループから選択される接着層と、Ｃｕ、Ａｌ、及びそれ
   らの混合物で構成されたグループから選択される導電層
   を含み、上記導電層は上記接着層上に配置される、請求
   項１記載の構造。
3. 【請求項３】基板上に相互接続メタラジーのスタックを
   形成する方法であって、 基板にベース金属層を提供するステップと、 上記ベース金属層上に第１ニッケル層を被着するステッ
   プと、 上記第１ニッケル層上に第１金層を被着するステップ
   と、 上記第１金層上に第２ニッケル層を被着するステップ
   と、 上記第２ニッケル層上に第２金層を被着するステップ
   と、 を含む、方法。
4. 【請求項４】上記提供するステップは、上記基板上に金
   属シード層としてクロムをスパッタし、上記クロム上に
   導電層として銅を電気めっきするステップを含む、請求
   項３記載の方法。
5. 【請求項５】上記第２金層を被着するステップは無電解
   めっきにより行われることを除いて、上記被着ステップ
   はそれぞれ電気めっきにより行われる、請求項３記載の
   方法。
6. 【請求項６】上記基板上でフォトレジストのパターンを
   形成するステップを含む、請求項３記載の方法。
7. 【請求項７】上記第２金層を被着するステップの後に、
   不動態化ポリイミド層を上記基板に被着するステップを
   含む、請求項３記載の方法。
8. 【請求項８】上記第２金層を被着するステップの前に、
   上記基板に不動態化ポリイミド層を被着するステップを
   含み、上記被着ステップは、上記第２金層を被着するス
   テップが行われる画成領域を形成する、請求項３記載の
   方法。