JP2006279034A - 半導体装置の製造方法、および半導体基板のめっき装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケルを含む金属膜と、この金属膜表面に形成する他の金属膜との密着性が優れることとなり、接続信頼性が向上した半導体装置が得られる半導体装置の製造方法、さらにそのための半導体基板のめっき装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する工程と、前記金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する工程と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体装置の製造方法および半導体基板のめっき装置に関するものである。とくに本発明はニッケル電極パッドをもつフリップチップ型半導体素子の製造方法、およびその製造方法に用いる製造装置に関するものである。

携帯電話や携帯用パソコンなどの電子機器の小型化、軽量化、高速化、高性能化の要求にそってフリップチップ型半導体デバイスが開発されている。
フリップチップ（FC）型半導体デバイスは上面に配置された複数の電極と電極に接続された複数の金属バンプを有する。各電極は適切な金属で形成され、たとえばアルミニウム、銅などが用いられる。一方、金属バンプはいろいろな材料から形成される。例えば、錫、錫合金、金、銅などから形成され、電極端子として機能する。

金属バンプのないＦＣ型半導体デバイスはボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）のような電子部品のパッケージの製作において普及すると考えられる。この場合、金属バンプはＦＣ型半導体デバイスの電極パッドにあとで接続される。金属バンプの材料に錫または錫合金が選ばれた場合、錫原子が電極パッドを通してＦＣ型半導体デバイスの内部に入り込み、半導体デバイスに損傷を与えることになる。特許文献１，２，３では、錫原子が半導体デバイス内部に侵入するのを防ぐバリア層として、ニッケル層が電極パッド上に形成されている。
ニッケル層の形成は電解、無電解めっきが用いられる。どちらの場合でもニッケル層は水溶性のめっき液で腐食するのでめっきしたあと純水で洗浄される。

特許文献１乃至３に記載されためっき方法は、まず、下地金属膜が形成された半導体基板をめっき液に浸漬し、下地金属膜上にニッケルを含む金属膜を形成する。次いで、半導体基板上に形成された前記金属膜の表面を純水により洗浄し、金属膜表面に付着しているめっき液を除去する。続いて、スズめっき等により他の金属膜を連続して形成する。さらに、他の金属膜表面を純水で洗浄し、乾燥させる。このようなめっき方法は、図３に示すようなめっき装置１００によって行われる。めっき装置１００は、下地金属膜の表面にめっき前処理を施す前処理部１０２と、前処理後の下地金属膜表面にニッケル含有金属膜を形成する第１めっき部１０４と、ニッケル含有金属膜を純水により洗浄する純水洗浄部１０６と、純水洗浄後のニッケル含有金属膜に、スズ合金を含む金属膜等を形成する第２めっき部１０８と、第２めっき部１０８において金属膜を形成した後に、この金属膜を純水により洗浄し、次いでスピン乾燥するめっき後処理部１１０と、半導体基板を収容しているカセット（図示せず）が設けられたロード・アンロード部１１２と、半導体基板を所定の位置に移動させるための搬送部１１４と、を備える。
特開平６−２３２１３６号公報 特開平９−６９５２４号公報 特開平１１−２１４４２１号公報

これらの特許文献に記載の方法においては、ニッケルを含む金属膜と、該金属膜表面に形成する他の金属膜との密着性が低下することがあった。そのため、接続信頼性の低下を招くことがあった。

本発明によれば、半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法によりを形成する工程と、
前記金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。

このような方法によれば、ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄しているため、ニッケルを含む金属膜の表面に付着しているめっき液の残留成分が除去される。そのため、ニッケルを含む金属膜と、この金属膜表面に形成する他の金属膜とが密着性に優れることとなり、接続信頼性も向上する。

このような製造方法におけるめっき工程は、半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する第１めっき部と、
前記金属膜を酸で洗浄する酸洗浄部と、
酸で洗浄された前記金属膜表面に、他の金属膜をめっき法により形成する第２めっき部と、
を備える半導体基板のめっき装置により実現される。

本発明によれば、ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄しているため、該金属膜の表面に付着しているめっき液の成分がほぼ完全に除去される。そのため、ニッケルを含む金属膜と、該金属膜表面に形成する他の金属膜とが密着性に優れることとなり、接続信頼性が向上した半導体装置の製造方法が実現され、さらにそのための半導体基板のめっき装置が実現される。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する工程と、前記金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する工程と、を含むものである。なお、半導体基板とは、基板上に金属膜や絶縁膜等が形成されたものを意味する。

このような方法によれば、半導体基板上に形成されたニッケルを含む金属膜と、該金属膜表面に形成する他の金属膜とが密着性に優れることとなり、接続信頼性が向上する。

一方、従来のめっき工程においては、ニッケルを含む金属膜と、この金属膜表面に形成する他の金属膜との密着性が低下する傾向があった。従来のめっき工程の概略を、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す。まず、基板１２２上に形成された下地金属膜１２４上に、パターニングされ開口部１２８が形成されたフォトレジスト膜１２６を積層し、半導体基板１２０を得る（図４（Ａ））。この半導体基板１２０をめっき液に浸漬し、所定のめっき法により、開口部１２８の底部に露出している下地金属膜１２４上に、ニッケルを含む金属膜１３０を形成する（図４（Ｂ））。その後、下地金属膜１２４上に形成された金属膜１３０表面を純水により洗浄し、金属膜１３０表面に付着しているめっき液を除去する。（図４（Ｃ））。続いて、金属膜１３０表面に、スズ合金を含有する金属膜等の他の金属膜１３６を所定のめっき法により連続して形成し、さらに純水洗浄を行い、さらに半導体基板を高速で回転させてスピン乾燥させる（図４（Ｄ））。

このように、従来のめっき工程においては、めっき法によりニッケルを含む金属膜を形成した後、この金属膜の表面を純水で洗浄している。つまり、従来のめっき工程においては、ニッケルを含む金属膜表面に存在するニッケルめっき液の成分は、純水洗浄により除去されると考えられていた。また、仮に除去されない残留成分が金属膜表面に存在しても、その後に行われるめっき工程において、半導体基板はめっき液に浸漬される。そのため、金属膜表面に付着するニッケルめっき液の残留成分は除去されることとなり、金属膜表面にニッケルめっき液の残留成分は付着していないと考えられていた。

このような状況において、本発明者が鋭意研究したところ、金属膜表面に付着していたニッケルめっき液は、純水洗浄により大部分が除去されるものの、図４（Ｃ）に示されるように、除去しきれない残留成分１３４が存在することを見いだした。さらに、この残留成分１３４は、次のめっき工程においても除去されず、この除去しきれない残留成分１３４が付着している状態で、金属膜１３０表面上に、さらにスズ合金や銅、または金めっきが行われていた。この残留成分１３４が存在することにより、金属膜１３０と他の金属膜１３６との界面において金属膜が腐食され、接続信頼性の低下を招くことが明らかになった。特に、高温雰囲気での長期保管下ではそのような傾向が顕著であった。

これに対し、本発明によれば、ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄している。したがって、金属膜の表面に付着しているめっき液の成分がほぼ完全に除去される。そのため、ニッケルを含む金属膜と、該金属膜表面に形成する他の金属膜との密着性に優れ、さらに接続信頼性も向上する。

本発明によれば、ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄している。一方、例えば、硝酸を用いてニッケルを含む金属膜を洗浄すると、除去効果には優れるものの、ニッケルを含む金属膜表面が若干エッチングされてしまう。近年の膜厚制御の厳しい半導体装置においては、このように金属膜表面がエッチングされてしまうと、所望の膜厚を有する金属膜を形成することができない。このような状況下において、本発明者は、硫酸または塩酸を用いて洗浄を行うことにより、金属膜の表面に付着しているめっき液の成分がほぼ完全に除去されるとともに、ニッケルを含む金属膜表面がエッチングされることがないことを見いだした。したがって、このような洗浄液を用いためっき方法は、近年の膜厚制御の厳しい半導体装置を製造する際においても好適に使用することができる。このような効果は、硫酸の濃度が、１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％である場合に特にバランスよく発揮される。一方、塩酸の濃度は、１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％である場合に特にバランスよく発揮される。

本発明の半導体装置の製造方法におけるめっき工程は、以下のようなめっき装置により実現することができる。以下、めっき工程およびめっき装置の実施形態について、図面を用いて説明する。すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本発明によるめっき装置の実施形態を示す概略平面図であり、図２（Ａ）〜（Ｅ）は、めっき工程の実施形態を示す概略断面図である。

図１に示すように、めっき装置１０は、半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する第１めっき部１４と、ニッケルを含む金属膜を、塩酸または硫酸で洗浄する酸洗浄部１８と、酸で洗浄されたニッケルを含む金属膜表面に他の金属膜をめっき法により形成する第２めっき部２０と、を備える。めっき装置１０は、半導体基板上にニッケルを含む金属膜を形成した後に、該金属膜を純水で洗浄するとともに、酸で洗浄されたニッケルを含む金属膜を純水で洗浄する純水洗浄部１６を、備えていてもよい。さらに、めっき装置１０は、他の金属膜を純水で洗浄し、次いで乾燥を行うめっき後処理部２２を備えていてもよく、また第１めっき部１４でニッケルを含む金属膜を形成する前に、例えば基板上に形成された下地金属膜の表面を脱脂や酸洗浄を行う前処理部１２を備えていてもよい。第１めっき部１４と、純水洗浄部１６と、酸洗浄部１８と、第２めっき部２０と、めっき後処理部２２と、前処理部１２は、めっき装置１０の長辺に沿って直列に配置されている。尚、これらの各部の配置は、特に限定されるものではない。

さらに、めっき装置１０には、めっきが行われる半導体基板を収容したカセット（図示しない）が設けられたロード・アンロード部２４と、所定の範囲を走行自在で、上記の各部間で、さらにロード・アンロード部２４に収容されたカセットとの間で基板の受渡しを行う搬送手段（図示せず）を有する搬送部２６とを備える。搬送部２６は、特に限定されないが、直列に配置された上記の各部と略並行になるように設けられている。

このめっき装置１０を用いためっき工程について、図１，２を参照して説明する。

まず、ロード・アンロード部２４のカセットに半導体基板３０を収容する。半導体基板３０は、下地金属膜３４上に、パターニングされ開口部４０を有するフォトレジスト膜３６が形成されている（図２（Ａ））。この半導体基板３０を製造するには、まず基板３２表面に下地金属膜３４を所定の方法により成膜する。この下地金属膜３４としては、通常、銅等の比抵抗の小さい金属が用いられる。さらに、下地金属膜３４上に、フォトレジストを塗布し、露光、現像、ベークを順次行って開口部４０が形成されたフォトレジスト膜３６を形成する。このフォトレジストとしては、耐酸性のものを用いることができる。

ロード・アンロード部２４のカセットに半導体基板３０が収容されると、カセットから、１枚の半導体基板３０を搬送部２６に備えられた搬送手段（図示せず）で取り出して前処理部１２に搬送する。この前処理部１２では、めっき前処理として、下地金属膜表面を活性化する処理を行う。具体的には、無機酸や有機酸等により、下地金属膜表面に脱脂処理を施したり、酸洗浄を行う。前処理後、半導体基板の表面に残った前処理液を純水等のリンス液で洗浄してもよい。

半導体基板３０を前処理した後、搬送部２６の搬送手段で第１めっき部１４に搬送し、開口部４０の底部に露出している下地金属膜３４の表面に、ニッケルめっき処理を施す。
第１めっき部１４は、特に限定されず、電解めっき法、無電解めっき法のいずれの方法によってもニッケルめっき処理を行うことができる。第１めっき部１４には、めっき槽（図示しない）が備えられている。このめっき槽にはめっき液が収容され、半導体基板を所望の時間浸漬してニッケルめっきを行うことができるように構成されている。めっき液は、従来公知のものを用いることができ、金属イオン供給源としてのニッケル化合物のほか、数種類の無機塩や有機添加剤等を含有している。本実施形態においては、スルファミン酸ニッケル浴による電解めっき法によりめっき処理を行うことが好ましい。このようなめっ
き処理により、開口部４０の底部に露出した下地金属膜３４にのみニッケルを含む金属膜４２を選択的に成長させることができる。ニッケルめっき処理が終了すると、半導体基板をめっき液から引き上げる。ニッケルめっき処理後の半導体基板は、図２（Ｂ）に示されるように、ニッケルを含む金属膜４２が開口部４０を埋めるように形成されており、この金属膜４２表面には、めっき液に含まれている無機塩や有機添加剤等が残留成分４４として付着している。

半導体基板をめっき液から引き上げた後、搬送手段により純水洗浄部１６に搬送し、ニッケルを含む金属膜４２表面を純水で洗浄する。純水洗浄により、ほとんどのめっき液由来の残留成分は除去されるが、一部の残留成分４４が除去されずに残る（図２（Ｃ））。

次いで、純水で洗浄された半導体基板を搬送手段で酸洗浄部１８に搬送し、ニッケルを含む金属膜４２表面を塩酸または硫酸で洗浄する。これらの酸で洗浄することにより、ニッケルを含む金属膜４２表面に付着していた残留成分４４はほぼ完全に除去される（図２（Ｄ））。塩酸としては、１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％の濃度のものが用いられる。一方、硫酸としては、１〜２０重量％、好ましくは５〜１５重量％の濃度のものが用いられる。このような濃度の塩酸または硫酸を用いることにより、金属膜４２の表面に付着しているめっき液由来の残留成分がほぼ完全に除去され、ニッケルを含む金属膜４２と、金属膜４２表面に形成する他の金属膜４６との密着性が低下することがなく、接続信頼性が向上する。さらに、これらの酸を用いた洗浄方法は、ニッケルを含む金属膜４２表面がエッチングされることがなく、膜厚制御の厳しい半導体装置を製造する際においても好適に使用することができる。一方、塩酸または硫酸の濃度が、１重量％未満であると、充分な洗浄効果が得られず、２０重量％を超えると、洗浄効果が向上することがなく、さらにコスト的にも好ましくない。

ニッケルを含む金属膜４２表面を、塩酸または硫酸の酸で洗浄した後、搬送手段により純水洗浄部１６に再度搬送し、金属膜４２表面を純水で洗浄し、酸を除去する。

このように、ニッケルを含む金属膜４２をめっき法により形成した後に、まず純水洗浄を行い、次いで酸洗浄を行い、さらに純水洗浄を行うことにより、金属膜の表面に付着しているめっき液の成分や酸洗浄液がほぼ完全に除去される。

半導体基板上のニッケルを含む金属膜４２表面を純水で洗浄した後、この半導体基板を搬送手段で第２めっき部２０に搬送し、ニッケルを含む金属膜４２表面に他の金属膜４６をめっき法により形成する。他の金属膜４６としては、スズ合金を含む金属膜、銅を含む金属膜、または金を含む金属膜が挙げられる。第２めっき部２０は、特に限定されず、電解めっき法、無電解めっき法のいずれの方法によってもめっき処理を行うことができる。
第２めっき部２０には、めっき槽（図示しない）が備えられている。このめっき槽にはめっき液が収容され、半導体基板を所望の時間浸漬してめっき処理を行うことができるように構成されている。めっき液は、従来公知のものを用いることができる。本実施形態においては、電解めっき法によりこれらの金属膜を形成することが好ましく、開口部４０に形成されたニッケルを含む金属膜４２表面に選択的に成長させることができる（図２（Ｅ））。

第２めっき部２０において、めっき処理が終了すると、半導体基板をめっき液から引き上げ、搬送手段でめっき後処理部２２に搬送し、他の金属膜４６表面を純水で洗浄する。
さらに、めっき後処理部２２は、半導体基板を高速で回転可能に構成されており、純水で洗浄された半導体基板をスピン乾燥させる。また、図示しない乾燥部に搬送して乾燥を行うように構成されていてもよい。半導体基板を乾燥すると、半導体基板を搬送手段でロード・アンロード部２４に設けられたカセットに戻す。

このような工程により、半導体基板のめっき工程が終了し、その後所定の製造工程を行うことにより、半導体装置を製造することができる。

図２においては示さなかったが、半導体基板３２には種々の素子、配線が形成されていてもよい。たとえば、トランジスタや抵抗、容量素子、配線が形成されていてもよい。製法は従来知られた方法で形成される。また半導体基板に多層の配線層／層間膜が形成されていてもよい。半導体基板に多層配線層が形成された場合は、ニッケルを含む金属層はその多層配線層の上に形成される。半導体基板としてはシリコン基板、ガリウム砒素基板などを用いることができる。また本発明はフリップチップ型半導体素子のニッケルめっき方法に有効である。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

図１は、本発明におけるめっき装置の実施形態を示す概略平面図である。 図２（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の半導体装置の製造方法におけるめっき工程の実施形態を示す概略断面図である。 図３は、従来のめっき装置の概略平面図である。 図４（Ａ）〜（Ｄ）は、従来のめっき工程を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ めっき装置
１２ 前処理部
１４ 第１めっき部
１６ 純水洗浄部
１８ 酸洗浄部
２０ 第２めっき部
２２ めっき後処理部
２４ ロード・アンロード部
２６ 搬送部
３０ 半導体基板
３２ 基板
３４ 下地金属膜
３６ フォトレジスト膜
４０ 開口部
４２ ニッケルを含む金属膜
４４ 残留成分
４６ 他の金属膜
１００ めっき装置
１０２ 前処理部
１０４ 第１めっき部
１０６ 純水洗浄部
１０８ 第２めっき部
１１０ めっき後処理部
１１２ ロード・アンロード部
１１４ 搬送部
１２０ 半導体基板
１２２ 基板
１２４ 下地金属膜
１２６ フォトレジスト膜
１２８ 開口部
１３０ ニッケルを含む金属膜
１３４ 残留成分
１３６ 他の金属膜

Claims (12)

1. 半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する工程と、
   前記金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記硫酸の濃度が１乃至２０重量％であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記塩酸の濃度が１乃至２０重量％であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する前記工程の前に、前記金属膜を純水で洗浄する工程を、含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   ニッケルを含む金属膜を塩酸または硫酸で洗浄する前記工程の後に、前記金属膜を純水で洗浄する工程を、含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
   ニッケルを含む前記金属膜の表面を塩酸または硫酸で洗浄し、さらに純水で洗浄した後に、該金属膜の表面に他の金属膜をめっき法により形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記他の金属膜が、スズ合金を含む金属膜、銅を含む金属膜、または金を含む金属膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 半導体基板上にニッケルを含む金属膜をめっき法により形成する第１めっき部と、
   前記金属膜を酸で洗浄する酸洗浄部と、
   酸で洗浄された前記金属膜表面に、他の金属膜をめっき法により形成する第２めっき部と、
   を備えることを特徴とする半導体基板のめっき装置。
9. 請求項８に記載の半導体基板のめっき装置において、
   前記酸洗浄部は、ニッケルを含む前記金属膜を硫酸で洗浄するように構成されていることを特徴とする半導体基板のめっき装置。
10. 請求項８に記載の半導体基板のめっき装置において、
    前記酸洗浄部は、ニッケルを含む前記金属膜を塩酸で洗浄するように構成されていることを特徴とする半導体基板のめっき装置。
11. 請求項８乃至１０のいずれかに記載の半導体基板のめっき装置において、
    前記半導体基板上にニッケルを含む前記金属膜を形成した後に、該金属膜を純水で洗浄するとともに、酸で洗浄された前記金属膜を純水で洗浄する、純水洗浄部を備えることを特徴とする半導体基板のめっき装置。
12. 請求項８乃至１１のいずれかに記載の半導体基板のめっき装置において、
    前記金属膜表面に、他の金属膜をめっきした後に、該金属膜を純水で洗浄し、次いで、乾燥を行うめっき後処理部を備えることを特徴とする半導体基板のめっき装置。

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