WO2005041290A1 - ニッケル合金スパッタリングターゲット及びニッケル合金薄膜 - Google Patents

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nickel alloy
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thin film
pad
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Yasuhiro Yamakoshi
Ryo Suzuki
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Nikko Materials Co., Ltd.
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C23C14/3414Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel

Definitions

  • the present invention relates to a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit, or an underlayer or pad such as a wiring or an electrode formed on the substrate, and a Pb-free Sn solder or Sn Pb-based solder bump formed thereon.
  • the present invention relates to a nickel alloy sputtering target and a nickel alloy thin film for forming a noria layer, which can suppress the diffusion of Sn, which is a component of the Sn or Sn—Pb-based solder, between the sputtering target and the nickel alloy thin film.
  • an electrode pad of aluminum or copper is formed on a semiconductor wafer or an electronic circuit or on the substrate, and a conductive solder bump, a gold bump, a nickel bump, and the like are further formed thereon.
  • solder bumps are the current mainstream material because they are easy to mount and easy to repair.
  • the electrode base layer or pad of copper or the like easily reacts with the Pb-free Sn solder or Sn—Pb-based solder, after the solder bumps are formed, Sn diffusion in the solder is caused by heat in the manufacturing process or the use environment. This causes a problem that the electrode reacts with an underlying layer of copper or the like as an underlying layer or a pad, and the electrode layer or the pad is peeled off or the characteristics are deteriorated due to diffusion of solder into the element.
  • an intermediate barrier layer capable of preventing a reaction between a substrate or an electrode underlayer or pad such as copper and a Pb-free Sn solder or Sn-Pb-based solder bump is formed by a sputtering method.
  • a proposal was made.
  • the intermediate barrier layer is required to have good adhesion to the substrate or an electrode underlayer such as copper, and to have good wettability of Pb-free Sn solder or Sn-Pb solder bump.
  • Nickel was chosen as such a material. However, since this nickel is a ferromagnetic material, the sputtering efficiency is poor. To increase the sputtering efficiency, the nickel target must be extremely thin, and the production of the target is complicated, Target Short life and frequent replacement of targets, increasing production costs o
  • Ni—Cu alloy films have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the NiCu alloy film has a problem that the electrical resistance increases by reacting with the underlying film, which does not always have a sufficient Sn noria property.
  • Patent Document 1 JP-A-54-24231
  • Patent Document 2 JP-A-56-110230
  • Patent Document 3 JP-A-2000-169922
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-169957
  • Patent Document 5 JP-A-2000-169923
  • Patent Document 6 JP 2001-11612 A
  • the present invention provides a Pb-free substrate on a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit or an underlayer or pad formed on the substrate, such as a wiring and an electrode.
  • a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit or an underlayer or pad formed on the substrate, such as a wiring and an electrode.
  • Sn solder or Sn-Pb solder bump the Pb-free Sn solder Or, it has good wettability with Sn—Pb solder bumps, suppresses diffusion of Sn, which is a component of the Pb-free Sn solder or Sn—Pb solder, and effectively prevents reaction with the underlayer.
  • the present invention provides a nickel alloy sputtering target and a nickel alloy thin film for forming a nora layer that can be formed.
  • the present invention provides: l) Cu: 1 to 30 at%, at least one or more elements selected from V, Cr, Al, Si, Ti, and Mo: 2 to 25 at%, the balance being Ni and unavoidable impurities.
  • a nickel alloy sputtering target characterized by suppressing Sn diffusion between an underlayer or a pad and a solder bump; 2) Ni—Cu solid solution selected from V, Cr, Al, Si, Ti, and Mo
  • Nickel alloy thin film
  • the nickel alloy sputtering target for forming a layer of the present invention and the nickel alloy thin film formed by the same can be used for a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit or a wiring or electrode formed on the substrate.
  • FIG. 1 shows the results of measuring the strength of Sn in the depth direction of a film-formed sample of Example 6 with a Sn film-side force Auger electron spectrometer.
  • FIG. 2 shows the results of measuring the strength of Sn in the depth direction of a deposited sample of Comparative Example 1 using an Au film electron spectrometer.
  • a Sn—Pb solder bump is formed on a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit or an underlayer or pad formed on the substrate or a wiring or an electrode, particularly an underlayer or pad made of copper or a copper alloy.
  • a substrate such as a semiconductor wafer or an electronic circuit or an underlayer or pad formed on the substrate or a wiring or an electrode, particularly an underlayer or pad made of copper or a copper alloy.
  • l having good wettability of l: 30at%, V, Cr, Al, Si, Ti,
  • Ni-Cu alloy system consisting of the balance of Ni and unavoidable impurities
  • At least one or more elements selected from V, Cr, Al, Si, Ti, and Mo, the curative point of Ni, which is a ferromagnetic material, is reduced linearly by the addition of 2 to 25 at% of calorie. It became possible to make it magnetic.
  • Ni is a material having good solder wettability. To some extent, it also has a function as a solder diffusion barrier. However, there was a problem that magnetron sputtering was extremely difficult because of the ferromagnetic material!
  • This barrier layer need not be only one layer, but may be a composite layer with another material.
  • a Pb-free Sn-based solder bump or a Sn-Pb-based solder bump is further formed on a barrier layer formed by using the Ni-Cu alloy-based sputtering target of the present invention.
  • the diffusion of Sn, which is a component of the solder bump, can be effectively suppressed by the noria layer of the present invention, and the reaction with the substrate or the copper layer as the underlayer can be effectively prevented.
  • the addition of 110 at% of Cu to Ni has a function of preventing the diffusion of Sn. Since Cu has higher reactivity with Sn than Ni, a layer of a Cu—Sn intermetallic compound (Cu Sn, Cu Sn) is formed between the Cu and the solder by heat treatment. This layer acts as a diffusion barrier
  • the effect of suppressing the diffusion of Sn by such a Ni-Cu alloy-based barrier layer is that Sn is already saturated in the Ni-Cu film as the intermediate barrier, so that the Pb-free Sn-based solder bump or the Sn- It is considered that Sn movement and diffusion of Pb-based solder bumps are prevented. If the Cu—Sn intermetallic compound layer is too thick, cracks are liable to occur, causing solder to fall off or peel off. On the other hand, if it is too thin, it will lose its function as a barrier layer.
  • the Ni—Cu alloy-based noria layer has a feature that the wettability with the Pb-free Sn-based solder bump or the Sn—Pb-based solder bump is extremely good.
  • Ni-Cu-based alloy barrier layer As a component of a nickel alloy sputtering target for forming a Ni-Cu-based alloy barrier layer, Cu: 1-30at% is required.
  • Cu—Sn intermetallic compound Cu Sn
  • the effect as a diffusion barrier cannot be exhibited.
  • the content of Cu exceeds 30 at%, the thickness of the Cu-Sn intermetallic compound layer becomes thicker, and cracks are easily generated. Therefore, the content of Cu must be 30 at% or less.
  • the amount of one or more elements of V, Cr, Al, Si, Ti, and Mo in the Ni—Cu alloy of the present invention needs to be 2 to 25 at%. If the amount of soybean curd is less than 2 at%, the curry point will not be sufficiently reduced.
  • the target Since it is preferable that the target has a single-phase metal structure, it is necessary to suppress the addition amount of each additive element and Ni in the solid solution region. In a two-phase or higher organization, spatter Particles in the data are a problem.
  • the nickel alloy target for forming a noria layer of the present invention is formed into a target by a melting method, that is, dissolving a Ni-Cu alloy and performing steps such as forging, forging, and rolling.
  • a melting method that is, dissolving a Ni-Cu alloy and performing steps such as forging, forging, and rolling.
  • Cu in the alloy exists as a solid solution.
  • the nickel-based alloy target for forming a noria layer of the present invention can also be manufactured by powder metallurgy.
  • it is effective to use a nickel alloy powder produced by a fine powdering process such as an atomizing method to obtain a sintered nickel-based alloy target.
  • a target is manufactured using, for example, HP or HIP.
  • Such a nickel-based alloy sputtering target has a structure in which Cu is dissolved, depending on the composition and the manufacturing process.
  • the crystal structure has an average particle size of 100 m or less. Thereby, a uniform Noria film can be formed.
  • the nickel, copper and additive elements used as target materials have a purity of 3N (99.9%) or more, preferably 5N or more.
  • Ni block with a purity of 5N (99.999wt%) and Cu and V shots with a purity of 4N (99.99wt%) were used.
  • a vacuum high-frequency induction furnace equipped with a water-cooled copper crucible 1600 g of Ni was melted in a vacuum atmosphere.
  • Cu and the additional elements shown in Table 1 were added thereto little by little, and finally dissolved to obtain the alloy composition shown in Table 1.
  • a 5N-purity Ni block and a 4N-purity Cu shot were used as raw materials.
  • a vacuum high-frequency induction furnace equipped with a water-cooled copper crucible 1600 g of Ni was melted in a vacuum atmosphere.
  • Cu was added little by little to the mixture, and the mixture was finally dissolved to become Ni-50at% Cu.
  • Melt temperature 1400 The hot water was discharged at C to produce a steel ingot.
  • the ingot was subjected to plastic working by a method such as hot forging and hot rolling in the same manner as in Example 1 to produce a target.
  • a 5N-purity Ni block and a 4N-purity Cu shot were used as raw materials.
  • a vacuum high-frequency induction furnace equipped with a water-cooled copper crucible 1600 g of Ni was melted in a vacuum atmosphere. Then, Cu was added little by little to dissolve it so as to finally become Ni-2at% Cu.
  • Example 1 Melt temperature 1500.
  • the hot water was discharged at C to produce a steel ingot.
  • the ingot was subjected to plastic working by a method such as hot forging and hot rolling in the same manner as in Example 1 to produce a target.
  • a 5N-purity Ni block and a 4N-purity V-shot were used as raw materials.
  • a vacuum high-frequency induction furnace equipped with a water-cooled copper crucible 1600 g of Ni was melted in a vacuum atmosphere. V was added thereto little by little and dissolved so that Ni-5at% V was finally obtained.
  • Example 1 Melt temperature 1500.
  • the hot water was discharged at C to produce a steel ingot.
  • the ingot was subjected to plastic working by a method such as hot forging and hot rolling in the same manner as in Example 1 to produce a target.
  • a 5N-purity Ni block and a 4N-purity Cu shot were used as raw materials.
  • a vacuum high-frequency induction furnace equipped with a water-cooled copper crucible 1600 g of Ni was melted in a vacuum atmosphere. A1 and V were added little by little to the mixture, and the mixture was finally dissolved to obtain Ni-5at% Al-5at% V. Melt temperature 1400.
  • the hot water was discharged at C to produce a steel ingot.
  • the ingot was subjected to plastic working by a method such as hot forging and hot rolling in the same manner as in Example 1 to produce a target.
  • Table 1 similarly shows a list of the compositions of the nickel-based alloy targets of Comparative Examples 15 to 15, in comparison with Examples 14 to 42 above.
  • solder ball was placed on the sputtered film, heated to 240 ° C. in the air, and the spread of the solder ball diameter was measured.
  • Example 1-42 of the present invention the average diameter of the heated solder balls was in the range of 0.76-1.36 mm, which indicates that the wettability with Sn-Pb solder is good.
  • a Ni alloy film 5000A was formed by sputtering using the targets of Example 142 and Comparative Example 115, respectively.
  • the film was held at 250 ° C. for 3 minutes in a vacuum. Thereafter, the film-formed sample was cut into a predetermined size, and the intensity of Sn in the depth direction was measured from the Sn film side using an Auger electron spectroscope, and the diffusion tendency was observed.
  • Example 6 results of the audio measurement of Example 6 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the horizontal axis indicates the sputtering time
  • the vertical axis indicates the intensity.
  • the sputtering time of 40-50 minutes is considered to be the interface of the force Sn / Ni alloy film.
  • FIG. 1 of Example 6 it can be seen that the diffusion of Sn is suppressed by the force at which the presence of Sn is rapidly decreasing after 40-50 minutes.
  • FIG. 2 of the comparative example Sn was detected in a large amount even after sputtering for 40 to 50 minutes, and it can be seen that Sn was diffused into the inside by that much.
  • Comparative Example 1 had a problem that the solder wettability was good, and the cracks in the force mic opening, which suppressed the diffusion of Sn, occurred.
  • the nickel-based alloy sputtering target and the nickel-based alloy thin film of the present invention can be used as a substrate for a semiconductor wafer or an electronic circuit, or as an underlayer for wiring or electrodes formed on the substrate, or as a solder bump noalia layer formed on a pad.
  • a substrate for a semiconductor wafer or an electronic circuit or as an underlayer for wiring or electrodes formed on the substrate, or as a solder bump noalia layer formed on a pad.

Abstract

 Cu:1~30at%、V,Cr,Al,Si,Ti,Moから選択した少なくとも1種以上の元素:2~25at%、残部Ni及び不可避的不純物からなり、下地層又はパッドとハンダバンプとの間におけるSn拡散を抑制することを特徴とするニッケル合金スパッタリングターゲット。半導体ウエハや電子回路等の基板又はその上に形成された配線や電極等の下地層又はパッド上にPbフリーSnハンダ又はSn−Pb系ハンダバンプを形成するに際し、該PbフリーSnハンダ又はSn−Pb系ハンダバンプとの濡れ性が良好であると共に、該ハンダの成分であるSnの拡散を抑制し、前記下地層との反応を効果的に防止することのできるバリア層を形成するためのニッケル合金スパッタリングターゲット及びニッケル合金薄膜を提供する。

Description

明 細 書
「一ゲット及びニッケル合金薄膜
技術分野
[0001] 本発明は、半導体ウェハや電子回路等の基板又は該基板上に形成された配線や 電極等の下地層又はパッドと、さらにその上に形成された Pbフリー Snハンダ又は Sn Pb系ハンダバンプとの間の、該 Sn又は Sn— Pb系ハンダの成分である Snの拡散を 抑制することのできるノ リア層形成用ニッケル合金スパッタリングターゲット及び-ッケ ル合金薄膜に関する。
背景技術
[0002] 一般に、半導体ウェハや電子回路上又は該基板上にアルミニウムや銅の電極ゃパ ッドが形成され、さらにその上に導電性ノヽンダバンプ、金バンプ、ニッケルバンプ等 が形成されている。なかでもハンダバンプが実装の容易さやリペア性が容易であるこ とから、現在の主流な材料となっている。
しかし、銅等の電極下地層又はパッドが Pbフリー Snノヽンダ又は Sn— Pb系ハンダと 反応し易いため、ハンダバンプが形成された後、製造工程又は使用環境下の熱でノヽ ンダ中の Sn拡散が生じ、下地層である銅等の電極下地層又はパッドと反応して、電 極層又はパッドの剥離あるいは素子中へのハンダの拡散による特性劣化を起こすと いう問題があった。
[0003] このようなことから、基板又は銅等の電極下地層又はパッドと Pbフリー Snノヽンダ又 は Sn— Pb系ハンダバンプとの反応を防止できる中間のバリア層をスパッタリング法に より形成するという提案がなされた。
この中間のバリア層は、基板又は銅等の電極下地層との接着性が良好であり、 つ Pbフリー Snハンダ又は Sn— Pb系ハンダバンプの濡れ性が良好であることが必要 とされる。
このような材料として選ばれたのがニッケルである。し力し、このニッケルは強磁性 体であるためスパッタ効率が悪ぐこのスパッタ効率を上げるためにはニッケルターゲ ットを極端に薄くしなければならず、このためターゲットの製造が複雑であり、ターゲッ トライフが短くターゲット交換が頻繁となるため、製造コストも増大するという問題があ つた o
[0004] このため、 Niターゲットの磁性を低下させてスパッタ効率を上げるための材料として
Ni— Cu合金膜が提案された (例えば、特許文献 1、特許文献 2参照)。しかし、この Ni Cu合金膜は Snのノ リア性が必ずしも十分ではなぐ下地膜と反応して電気抵抗が 増加するなどの問題があった。
このように、中間層となるハンダ濡れ性が良ぐかつ効果的なバリア層を形成するこ とのできるスパッタリングターゲット材料が見出せないために、 Pbフリー Snノヽンダ又は
Sn— Pb系ハンダバンプを使用する場合には、しばしば基板又は下地銅層との反応 が起きるという問題があった。
[0005] 一方、セラミックス基板との密着性を上げるために、 Niに Mo、 V、 Wを添カ卩した-ッ ケル合金ターゲットの提案がある (例えば、特許文献 3、特許文献 4、特許文献 5参照
) oまた、 Snのノ リア特¾を上げ、エッチング特¾を上げる目的で、 Tiを添力!]した-ッ ケル合金の提案がなされて ヽる (特許文献 6参照)。
しかし、これらは Ni合金ターゲット及び Ni合金薄膜の形成ということではある力 中 間層となるハンダ濡れ性が良ぐかつ効果的なノ リア層を形成することのできるスパッ タリングターゲットとは言えなかった。
特許文献 1:特開昭 54— 24231号公報
特許文献 2:特開昭 56-110230号公報
特許文献 3:特開 2000— 169922号公報
特許文献 4:特開 2000— 169957号公報
特許文献 5:特開 2000— 169923号公報
特許文献 6:特開 2001— 11612号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] 本発明は、半導体ウェハや電子回路等の基板又はその上に形成された配線ゃ電 極等の下地層又はパッド、特に銅又は銅合金力もなる下地層又はパッドの上に Pbフ リー Snハンダ又は Sn— Pb系ハンダバンプを形成するに際し、該 Pbフリー Snハンダ 又は Sn— Pb系ハンダバンプとの濡れ性が良好であると共に、該 Pbフリー Snハンダ 又は Sn— Pb系ハンダの成分である Snの拡散を抑制し、前記下地層との反応を効果 的に防止することのできるノ リア層を形成するためのニッケル合金スパッタリングター ゲット及びニッケル合金薄膜を提供する。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、 l) Cu: 1— 30at%、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種 以上の元素: 2— 25at%、残部 Ni及び不可避的不純物からなり、下地層又はパッド とハンダバンプとの間における Sn拡散を抑制することを特徴とするニッケル合金スパ ッタリングターゲット、 2) Ni— Cu固溶体に、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少な くとも 1種以上の元素が添加されたニッケル合金であることを特徴とする 1記載の-ッ ケル合金スパッタリングターゲット、 3)ハンダバンプが Pbフリー Snノヽンダ又は Snノヽン ダであることを特徴とする 1又は 2記載のニッケル合金スパッタリングターゲット、 4) Cu : 1一 30at%、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素: 2— 2 5at%、残部 Ni及び不可避的不純物力もなることを特徴とする下地層又はパッドとノ、 ンダバンプとの間に形成されたニッケル合金薄膜、 5) Ni-Cu固溶体に、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素が添加されたニッケル合金である ことを特徴とする 4記載の下地層又はパッドとハンダバンプとの間に形成された-ッケ ル合金薄膜、 6)ハンダバンプが Pbフリー Snノヽンダ又は Snノヽンダであることを特徴と する 4又は 5記載の下地層又はノッドとハンダバンプとの間に形成されたニッケル合 金薄膜、 7) 下地層又はパッドとハンダバンプとの間に Cu— Sn金属間化合物層を備 えていることを特徴とする 4一 6のいずれかに記載のニッケル合金薄膜、 8)下地層又 はパッドとハンダバンプとの間に 0. 01— 5 μ mの Cu— Sn金属間化合物層を備えて いることを特徴とする 7記載のニッケル合金薄膜、に関する。
発明の効果
[0008] 本発明のノ リア層形成用ニッケル合金スパッタリングターゲット及びこれによつて形 成されたニッケル合金薄膜は、半導体ウェハや電子回路等の基板又は該基板上に 形成された配線や電極等の下地層又はパッドと、さらにその上に形成された Pbフリ 一 Snノヽンダ又は Sn— Pb系ハンダバンプとの間の、該 Sn又は Sn— Pb系ハンダの成 分である Snの拡散を効果的に抑制することのできるという優れた効果を有する。 また、ハンダの濡れ性に富み、常磁性又は弱磁性であるためにマグネトロンスパッ タリングが容易にできると 、う著 、効果を有する。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]実施例 6の成膜サンプルについて、 Sn膜側力 ォージェ電子分光装置にて Sn の深さ方向の強度を測定した結果である。
[図 2]比較例 1の成膜サンプルについて、 Sn膜側力 オージュ電子分光装置にて Sn の深さ方向の強度を測定した結果である。
発明を実施するための最良の形態
[0010] 半導体ウェハや電子回路等の基板又はこの上に形成された配線や電極等の下地 層又はパッド、特に銅又は銅合金力 なる下地層又はパッドの上に、 Sn— Pb系ハン ダバンプとの濡れ性が良好である、本発明の Cu: l— 30at%、 V, Cr, Al, Si, Ti,
Moから選択した少なくとも 1種以上の添加元素: 2— 25at%、残部 Ni及び不可避的 不純物からなる Ni— Cu合金系(以下「Ni— Cu合金系」という。)スパッタリングターゲッ トを用いてノリア層を形成する。
[0011] V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素 2— 25at%の添カロ により、強磁性体である Niのキューリ一ポイントを直線的に低下させ、常磁性とするこ とが可能となった。
元来、 Niはハンダ濡れ性が良好な材料である。またある程度、ハンダの拡散バリア としての機能も有する。しかし、強磁性体であるためにマグネトロンスパッタリングが著 しく困難であると!/、う問題があった。
上記 V, Cr, Al, Si, Ti, Moの添カ卩により、マグネトロンスパッタリングが可能となり 、生産性が向上するという著しい効果が得られた。 Cu自体も添カ卩により Niの磁性を 低下させる機能を有する力 多量の添加を必要とする点において十分ではない。 なお、このバリア層は 1層のみである必要はなぐ他の材料との複合層であっても良 い。
[0012] 本発明の Ni— Cu合金系スパッタリングターゲットを用いて形成したバリア層の上に、 さらに Pbフリー Sn系ハンダバンプ又は Sn— Pb系ハンダバンプが形成される力 この ハンダバンプの成分である Snの拡散を、本発明のノ リア層によって効果的に抑制し 、下地層である基板又は銅層との反応を効果的に防止することができる。
Niへの Cuの 1一 30at%の添加は、 Snの拡散防止機能を有する。 Cuは Ni比べて Snとの反応性に富むために、熱処理によりハンダとの間に Cu— Snの金属間化合物( Cu Sn、 Cu Sn)の層が形成される。この層は、拡散バリアとしての効果を発揮する
6 5 3
[0013] このような Ni— Cu合金系バリア層による Snの拡散の抑止効果は、中間バリアである Ni— Cu膜中において、すでに Snが飽和しているため、 Pbフリー Sn系ハンダバンプ 又は Sn— Pb系ハンダバンプカ の Sn移動、拡散が防止されるとためと考えられる。 この Cu— Snの金属間化合物の層は厚すぎるとクラックが発生し易くなり、ハンダの 脱落や剥離等の原因となる。また、薄すぎるとバリア層としての機能を失うので、通常 0. 01— 5 m程度が望ましい。
さらに、この Ni— Cu合金系ノ リア層は、上記の通り Pbフリー Sn系ハンダバンプ又は Sn— Pb系ハンダバンプとの濡れ性が極めて良好であるという特徴を有する。
[0014] Ni— Cu系合金バリア層を形成するためのニッケル合金スパッタリングターゲットの成 分として、 Cu: 1— 30at%が必要である。
lat%未満では、 Cu— Snの金属間化合物(Cu Sn
6 5、 Cu Sn)の層が十分に形成さ
3
れず、拡散ノ リアとしての効果を発揮することができない。また、 Cu30at%を超える と Cu— Snの金属間化合物層がより厚く形成されるようになり、クラックが発生し易くな るので、 30at%以下であることが必要である。
一方、本発明の Ni— Cu系合金における V, Cr, Al, Si, Ti, Moの 1種以上の元素 添力卩量は 2— 25at%であることが必要である。添カ卩量 2at%未満であると、十分なキ ユーリーポイントの低下がなぐ
Niの持つ強磁性体としての磁性が持続し、薄膜層を形成するためのマグネトロンス パッタ効率が低いからである。また、添カ卩量が 25at%を超えると本来 Niの持つハン ダ濡れ性、エッチング性等の有効な機能が低下するためである。
ターゲットとしては、金属組織が一相であることが好ましいため、各添加元素と Niの 固溶域に添加量を抑えることが必要である。二相又はそれ以上の組織になるとスパッ タ中のパーティクルが問題となる。
[0015] 本発明のノリア層形成用ニッケル合金ターゲットは、溶製法、すなわち Ni— Cu系合 金を溶解し、铸造、鍛造、圧延等の工程を経て、ターゲットに形成する。溶製ターゲッ ト品は、合金中の Cuが固溶体として存在する。
また、本発明のノリア層形成用ニッケル系合金ターゲットは、粉末冶金によっても製 造することができる。この場合、アトマイズ法などの微粉ィ匕プロセスを用いて作製した ニッケル合金粉を使用して焼結体ニッケル系合金ターゲットとすることが有効である。
[0016] このようなニッケル合金アトマイズ粉を使用した場合は、均一性に優れた焼結体が 得られる。通常のニッケル粉、銅粉、添加元素粉を用いて焼結体ターゲットとするより も品質の良いターゲットが作製できる。
焼結工程においては、例えば HP又は HIPを用いてターゲットを製造する。このよう なニッケル系合金スパッタリングターゲットは、組成や製造プロセスによって、 Cuが固 溶した組織を備えている。
結晶組織は、平均粒径が 100 m以下であることが望ましい。これによつて、均一 なノリア膜を形成することができる。
半導体又はその他の電子部品への汚染を防止するため、ターゲットの原料となる二 ッケル及び銅並びに添加元素の純度が 3N (99. 9%)以上、好ましくは 5N以上であ ることが望ましい。
実施例
[0017] 次に、実施例に基づいて説明する。なお、これらは本発明の理解を容易にするた めのものであり、本発明はこれらに制限されるものではなぐ本発明の技術思想の範 囲にある、他の実施例又は変形はいずれも本発明の範囲に含まれる。
[0018] (実施例 1一実施例 42)
原料として純度 5N (99. 999wt%)の Niブロックと純度 4N (99. 99wt%)の Cu及 び Vショットを使用した。水冷銅製ルツボを備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気 にて 1600gの Niを溶解した。その中に Cu及び表 1に示す添加元素を少量ずつ加え て、最終的に表 1に示す合金組成となるように溶解した。
溶湯温度 1500。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを 800。 C 一 1130° C未満で熱間鍛造'熱間圧延した。これらから、機械加工にて φ 80mm X 厚さ 10mmのターゲットを作製した。これらのニッケル系合金ターゲットの、 Cu、添カロ 元素(V, Cr, Al, Si, Ti, Mo)、残部 Niの組成一覧を表 1に示す。
[0019] (比較例 1)
原料として純度 5Nの Niブロックと純度 4Nの Cuショットを使用した。水冷銅製ルツ ボを備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気にて 1600gの Niを溶解した。その中 に Cuを少量ずつ加えて、最終的に Ni— 50at%Cuとなるように溶解した。
溶湯温度 1400。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを実施例 1 と同様に熱間鍛造'熱間圧延などの方法で塑性加工し、ターゲットを作製した。
[0020] (比較例 2)
原料として純度 5Nの Niブロックと純度 4Nの Cuショットを使用した。水冷銅製ルツ ボを備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気にて 1600gの Niを溶解した。その中 に Cuを少量ずつ加えて、最終的に Ni— 2at%Cuとなるように溶解した。
溶湯温度 1500。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを実施例 1 と同様に熱間鍛造'熱間圧延などの方法で塑性加工し、ターゲットを作製した。
[0021] (比較例 3)
原料として純度 5Nの Niブロックと純度 4Nの Vショットを使用した。水冷銅製ルツボ を備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気にて 1600gの Niを溶解した。その中に Vを少量ずつ加えて、最終的に Ni— 5at%Vとなるように溶解した。
溶湯温度 1500。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを実施例 1 と同様に熱間鍛造'熱間圧延などの方法で塑性加工し、ターゲットを作製した。
[0022] (比較例 4)
原料として純度 5Nの Niブロックと純度 4Nの Cuショットを使用した。水冷銅製ルツ ボを備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気にて 1600gの Niを溶解した。その中 に Cuと Vを少量ずつ加えて、最終的に Ni— 40at%Cu— 5at%Vとなるように溶解した 溶湯温度 1400。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを実施例 1 と同様に熱間鍛造'熱間圧延などの方法で塑性加工し、ターゲットを作製した。 [0023] (比較例 5)
原料として純度 5Nの Niブロックと純度 4Nの Cuショットを使用した。水冷銅製ルツ ボを備えた真空高周波誘導炉で、真空雰囲気にて 1600gの Niを溶解した。その中 に A1と Vを少量ずつ加えて、最終的に Ni— 5at%Al— 5at%Vとなるように溶解した。 溶湯温度 1400。 Cで出湯して铸造インゴットを作製した。このインゴットを実施例 1 と同様に熱間鍛造'熱間圧延などの方法で塑性加工し、ターゲットを作製した。
[0024] 比較例 1一 5のニッケル系合金ターゲットの組成一覧を、上記実施例 1一 42と対比 して、同様に表 1に示す。
[0025] [表 1]
ニッケル系合金 (at¾)
Figure imgf000011_0001
-Pb (Sn:Pb=4: 6)ハンダとの濡れ性評価試験) Si基板上に ΙΟΟΟΑの Ti膜をマグネトロンスパッタ成膜した後、実施例 1一 42及び 比較例 1一 5のターゲットを使用して、それぞれ Ni合金膜 4000Aをマグネトロンスパ ッタ成膜した。
このスパッタ膜上に、直径 0. 60mmの Sn— Pb (Sn: Pb=4 : 6)ハンダボールを置 いて、大気中で 240° Cに加熱し、ハンダボールの直径の広がりを測定した。
その結果、本発明の実施例 1一 42では、加熱ハンダボールの平均直径が 0. 76— 1. 36mmの範囲にあり、 Sn— Pbハンダとの濡れ性が良好であることが分力る。
これに対し、比較例 3及び比較例 5については、ハンダ濡れ性がやや不良であった
[0027] (Snの拡散評価試験)
Si基板上に Ti膜をスパッタ成膜した後、実施例 1一 42と比較例 1一 5ターゲットを使 用して、それぞれ Ni合金膜 5000Aをスパッタ成膜した。
その後、 Snターゲットを用いて Snを 3000 A成膜した後、真空中で 250° C、 3分 間保持した。その後、成膜サンプルを所定の大きさに切断し、 Sn膜側からォージェ 電子分光装置にて Snの深さ方向の強度を測定し、拡散傾向を見た。
[0028] この結果、実施例 1一 42はいずれも Snの拡散が少なく抑えられていた。また、マグ ネトロンスパッタリング性が良好であった。これに対して、比較例 1一 5は Snの拡散が 著しかった。
代表例として、実施例 6と比較例 1のオージ 測定結果を、図 1と図 2に示す。図中 横軸はスパッタ時間、縦軸は強度を示す。スパッタ時間 40— 50分のところ力 Sn/ Ni合金膜の界面と考えられる。
[0029] 実施例 6の図 1では 40— 50分を境として、 Snの存在が急速に減少している力 こ れによって Snの拡散が抑制されていることが分かる。これに対して、比較例の図 2で は、 40— 50分のスパッタ後でも Snが多く検出され、それだけ Snが内部にまで拡散し ていることが分かる。
また、比較例 1は、ハンダ濡れ性が良好であり、 Snの拡散が抑えられていた力 マ イク口クラックが発生するという問題を生じた。
比較例 2は、ハンダ濡れ性は良好であった力 Snの拡散が多く発生し、バリア層と しての効果がなかった。また、プラズマの安定'性に問題があった。
[0030] 比較例 3は、ハンダ濡れ性がやや悪ぐマグネトロンスパッタリングは著しく悪ィ匕した 。また、 Snの拡散が多く発生し、ノリア層としての効果もな力つた。
比較例 4は、ハンダ濡れ性及びスパッタリング性は良好であった力 ノリア性が劣り 、またクラックを発生した。
比較例 5は、クラックの発生はな力つた力 ハンダ濡れ性がやや不良であり、ノリア 性も劣り、スパッタリング性もやや不良であるという結果になった。
[0031] これに対して、上記に述べた通り、本願発明の実施例においては、バリア性に優れ ていると共に、ハンダ濡れ性、耐クラック性、スパッタリング性がいずれも良好であり、 優れたニッケル合金ターゲットであることが分かる。以上の評価試験の結果を表 2に 示す。
[0032] [表 2]
ハンダ濡れ性バリァ性 りつ、 Jり スパッタリング性
実施例 1 良好 優 4ff 良好
実施例 ϊ 良好 良好
実施例 3 良好 擄 舰 好
実施例 良好 瘙 良好
実施例 5 良好 優 鈕 良好
実施例 6 ¾好 僂 良好
実施例 7 良好 優 ¾E 良好
室施例 8 良好 舰
施例 9 i} 優 良好
施例 10 良好 μ 良好
旆例 1 1 良好 舰 良好
施例 12 良好 . 良好
施例 13 食好 瘙 脏 良好
施例 1 Λ 食好 is 4ΠΡ 良好
室施例 15 食好 優 良好
施例 16 食好 舰 良好
施例 17 良好 優 無 良好
Φ旆例 1 8 瘙 無 良好
Φ施例 1 q 瘟 良好
Φ施例 20 良好 瘙 被 良好
¾施例 21 良好 瘙 迹 食好
旆例 2 良好 僂 良好
寫旆例 23 良好 瘙 無 良
施例 4 瘙 良好
実施例 25 良好 瘙 良好
実施例 26 良好 寝 舰 良好
実施例 27 良好 鏗 無 良好
実施例 28 良好 儘 無 良好
実施例 29 良好 瘙 良奸
実施例 30 良好 瘙 te 良好
実施例 31 良好 .— 良好
実施例 32 良 優 胁
実施例 33 良好 優 良好
実施例 34 良好 優 良好
実施例 35 良 優 良好
実施例 36 良 優 良好
実施例 37 良好
実施例 38 良好 優 良好
実施例 39 胁 M 良好
実施例 40 良好 優 良好
実施例 41 優 良好
実施例 42 瘙 無 良好
比較例 1 良好 劣 有 良好
比較例 2 良好 劣 不
比較例 3 やや不良 劣 良好
比較例 4 劣 有 良好
比較例 5 やや不良 劣 無 やや不良 産業上の利用可能性
Pbフリー Snハンダ又は Sn— Pb系ハンダバンプとの濡れ性が良好であり、かつ該 P bフリー Snノヽンダ又は Sn— Pb系ハンダの成分である Snの拡散を抑制し、前記下地 層との反応を効果的に防止することができるという効果を有し、さらに本発明の-ッケ ル系合金ターゲットが常磁性又は弱磁性であるために、マグネトロンスパッタリングが 容易にできると 、う著 、効果を有する。
したがって、本発明のニッケル系合金スパッタリングターゲット及びニッケル系合金 薄膜は、半導体ウェハや電子回路等の基板又は基板上に形成された配線や電極等 の下地層又はパッド上に形成するハンダバンプのノ リア層として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] Cu: 1一 30at%、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素: 2— 25at%、残部 Ni及び不可避的不純物からなり、下地層又はパッドとハンダバン プとの間における Sn拡散を抑制することを特徴とするニッケル合金スパッタリングタ ーケット。
[2] Ni— Cu固溶体に、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素 が添加されたニッケル合金であることを特徴とする請求項 1記載のニッケル合金スパ ッタリングターゲット。
[3] ハンダバンプが Pbフリー Snノヽンダ又は Snノヽンダであることを特徴とする請求項 1又 は 2記載のニッケル合金スパッタリングターゲット。
[4] Cu: 1一 30at%、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素: 2 一 25at%、残部 Ni及び不可避的不純物力 なることを特徴とする下地層又はパッド とハンダバンプとの間に形成されたニッケル合金薄膜。
[5] Ni— Cu固溶体に、 V, Cr, Al, Si, Ti, Moから選択した少なくとも 1種以上の元素 が添加されたニッケル合金であることを特徴とする請求項 4記載の下地層又はパッド とハンダバンプとの間に形成されたニッケル合金薄膜。
[6] ハンダバンプが Pbフリー Snノヽンダ又は Snノヽンダであることを特徴とする請求項 4又 は 5記載の下地層又はパッドとハンダバンプとの間に形成されたニッケル合金薄膜。
[7] 下地層又はパッドとハンダバンプとの間に Cu— Sn金属間化合物層を備えているこ とを特徴とする請求項 4一 6のいずれかに記載のニッケル合金薄膜。
[8] 下地層又はパッドとハンダバンプとの間に 0. 01— の Cu— Sn金属間化合物 層を備えていることを特徴とする請求項 7記載のニッケル合金薄膜。
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