JP6485098B2 - Electronic device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電子デバイス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an electronic device and a manufacturing method thereof.
半導体素子、回路基板等の電子デバイスにおいて、はんだが接合される電極を形成する主導体材料として導電性が良好な低抵抗率の銅(Cu)が使用され、Cu膜の上にニッケル−リン(Ni−P)膜、金(Au)膜が順に形成された構造が知られている。Ni−P膜、Au膜を無電解めっきにより形成し、Ni−P膜を非磁性状態にするためにその中のPリン濃度を10%以上にすることが知られている。 In electronic devices such as semiconductor elements and circuit boards, low-resistance copper (Cu) having good conductivity is used as a main conductor material for forming an electrode to which solder is joined, and nickel-phosphorous ( A structure in which a Ni—P) film and a gold (Au) film are sequentially formed is known. It is known that the Ni-P film and the Au film are formed by electroless plating, and the P-phosphorus concentration in the Ni-P film is made 10% or more in order to make the Ni-P film non-magnetic.
Ni−P膜の上にAu膜を形成する積層構造は、ガリウムヒ素(GaAs)基板に形成したビアホールの内面のNiGaAs膜の上に形成されることも知られている。この場合、Ni−P膜に対するNiGaAs層の膜厚比が1.5未満とされる。このような層構造を採用する目的は、GaAs基板に対するNi−P膜の付着力を高くし、NiP膜によるGaAs基板へのストレスを小さくするためである。この場合のNi−P膜は、その上にAu膜を形成するためのめっき給電層として使用され、Ni−P膜中のP濃度が6重量%〜15重量%程度の範囲で設定される。 It is also known that a laminated structure in which an Au film is formed on a Ni-P film is formed on a NiGaAs film on the inner surface of a via hole formed in a gallium arsenide (GaAs) substrate. In this case, the thickness ratio of the NiGaAs layer to the Ni-P film is less than 1.5. The purpose of adopting such a layer structure is to increase the adhesion of the Ni-P film to the GaAs substrate and reduce the stress on the GaAs substrate by the NiP film. The Ni—P film in this case is used as a plating power supply layer for forming an Au film thereon, and the P concentration in the Ni—P film is set in the range of about 6 wt% to 15 wt%.
また、Cu膜の上にNi−P膜を無電解めっきにより形成した後に、Cu、Ag等のストライク膜を形成し、その後、ストライク膜上にAu膜を無電解めっきにより形成する方法が知られている。この場合のストライク膜は、Ni−P膜とAu膜の密着性を向上させ、ピンホール及び光沢ムラのないAu膜を形成するために形成される。 Further, a method is known in which a Ni-P film is formed on a Cu film by electroless plating, a strike film such as Cu or Ag is formed, and then an Au film is formed on the strike film by electroless plating. ing. The strike film in this case is formed to improve the adhesion between the Ni-P film and the Au film and form an Au film free from pinholes and gloss unevenness.
上記のNi−P膜では、外部環境やめっき条件により、その表面に酸化物や異常物が析出して黒く変色し、はんだ接合性が大きく低下するブラックパッドと呼ばれる腐食現象が発生する場合があり、特にP濃度が低い場合に発生しやすい。即ち、Ni−P膜の中のPは、ある程度の高い濃度を確保することによりNiの腐食を防止する効果が高くなる。 In the above Ni-P film, depending on the external environment and plating conditions, oxides and abnormal substances may be deposited on the surface and turn black, and a corrosion phenomenon called a black pad may occur where the solderability is greatly reduced. In particular, it tends to occur when the P concentration is low. That is, P in the Ni—P film has a high effect of preventing Ni corrosion by securing a certain high concentration.
これに対し、Ni−P膜中のP濃度を高くしすぎると、ブラックパッドのようなNi膜の腐食の発生を防止できる一方、Ni−P膜の上に形成される錫(Sn)合金はんだとの接合性が悪化するという不都合がある。これは、PとSnが合金を作らないからである。 On the other hand, if the P concentration in the Ni—P film is too high, the corrosion of the Ni film such as a black pad can be prevented, while the tin (Sn) alloy solder formed on the Ni—P film. There is an inconvenience that the bondability with the is deteriorated. This is because P and Sn do not form an alloy.
従って、ブラックパッドを防止しつつはんだとの接合性を向上するために、P濃度を7重量%〜9重量%として形成される中濃度リン型のNi−P膜が使用されるが、時には10重量%以上の高濃度リン型のNi−P膜も使用されることもある。その一方で、下地のCu膜との接合性を考慮し、P濃度を1%〜3%の範囲で設定される低リン型のNi−P膜を用いる場合もある。 Accordingly, in order to improve the bondability with the solder while preventing the black pad, a medium concentration phosphorus type Ni—P film formed with a P concentration of 7 wt% to 9 wt% is used. A high-concentration phosphorus-type Ni-P film having a weight percent or more may also be used. On the other hand, considering the bondability with the underlying Cu film, a low phosphorus type Ni—P film in which the P concentration is set in the range of 1% to 3% may be used.
ところで、積層構造となるCu膜、Ni−P膜及びAu膜には線熱膨張係数に差が存在する。例えば、Ni−P膜中のP濃度を7%にした場合、Cu膜、Ni−P膜、Au膜の熱膨張係数はそれぞれ16.8ppm、12.0ppm、4.80ppmとなる。このため、そのような線熱膨張係数の差が例えばリフロー時の加熱、冷却や実装後の熱サイクルによって膜の間に応力を発生させ、それらの膜が剥離し、電気的接続が不良になるおそれがある。なお、Cu膜上に形成されるNi合金膜として、Ni−Pの他にニッケル−ホウ素(Ni−B)も使用される。 By the way, there is a difference in the linear thermal expansion coefficient between the Cu film, the Ni-P film, and the Au film that have a laminated structure. For example, when the P concentration in the Ni—P film is 7%, the thermal expansion coefficients of the Cu film, the Ni—P film, and the Au film are 16.8 ppm, 12.0 ppm, and 4.80 ppm, respectively. For this reason, such a difference in coefficient of linear thermal expansion causes stress between the films by, for example, heating, cooling during reflow, and thermal cycle after mounting, and these films peel off, resulting in poor electrical connection. There is a fear. Note that nickel-boron (Ni-B) is also used in addition to Ni-P as the Ni alloy film formed on the Cu film.
本発明の目的は、Cu膜とNi合金膜の積層構造を有する電極のうちNi合金膜の腐食を防止し、Ni合金膜とはんだとの接合を良好にしつつ、Cu膜とNi合金膜の熱変化による剥離を防止するための電子デバイスとその製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to prevent the corrosion of the Ni alloy film among the electrodes having the laminated structure of the Cu film and the Ni alloy film, and to improve the bonding between the Ni alloy film and the solder, while maintaining the heat of the Cu film and the Ni alloy film. An object of the present invention is to provide an electronic device and a manufacturing method thereof for preventing peeling due to change.
本実施形態の1つの観点によれば、基板と、前記基板上に形成された下地金属膜と、前記下地金属膜の上に形成され、無電解めっきに使用される還元剤の元素の濃度が前記基板の一面に対して下から上の垂直方向で少なくとも3段で段階的に順に高くなる分布を有し、前記段階的な前記分布の最上層がそれより下の複数の層のそれぞれより厚く形成されたニッケル合金膜と、を有する電極と、前記電極における前記ニッケル合金層の前記元素の濃度が最高となる前記最上層に接合されたはんだと、を有する電子デバイスが提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。
According to one aspect of this embodiment, the concentration of the element of the reducing agent formed on the substrate, the base metal film formed on the substrate, and the base metal film and used for electroless plating is thicker than each of the vertical direction have a stepwise sequentially higher distribution in at least three stages, a plurality of layers of the top layer is below that of the stepwise the distribution from bottom to top with respect to one surface of the substrate a nickel alloy film formed, an electrode having an electronic device having a solder the joined to the top layer to be the highest concentration of the element of said nickel alloy layer in the electrode.
The objects and advantages of the invention will be realized and attained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims. It is to be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention.
本実施形態によれば、Cu膜とNi合金膜の積層構造を有する電極のうちNi合金膜の腐食を防止し、Ni合金膜とはんだとの接合を良好にしつつ、Cu膜とNi合金膜の熱変化による剥離を防止することができる。 According to the present embodiment, the corrosion of the Ni alloy film among the electrodes having the laminated structure of the Cu film and the Ni alloy film is prevented, and the bonding between the Ni alloy film and the solder is improved, while the Cu film and the Ni alloy film are formed. Peeling due to heat change can be prevented.
以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1、図2は、第1実施形態に係る電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
次に、図1(a)に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。
(First embodiment)
1 and 2 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an electronic device according to the first embodiment.
Next, steps required until a structure illustrated in FIG.
まず、基板として使用されるシリコン(Si)ウエハ1の上に銅拡散防止膜2として例えばTi膜をスパッタ法により例えば約100nmの厚さに形成する。Siウエハ1は、例えば約700μmの厚さで直径300mmの円板を基本形状とし、最終的に複数の領域に分割されて、例えば、半導体装置、回路基板、光モジュール、インターポーザ等の電子デバイスとして使用される。基板は、Siウエハ1に限られるものではなく、ガラスエポキシ樹脂基板、セラミック基板等を使用してもよい。なお、銅拡散防止膜2として、窒化シリコン、タンタル、窒化タンタル、窒化チタン等の膜を形成してもよい。
First, a Ti film, for example, is formed as a copper
次に、銅拡散防止膜2の上にめっき電極用金属膜として例えば銅シード膜3をスパッタ法により例えば約200nmの厚さに形成する。
Next, for example, a copper seed film 3 is formed on the copper
さらに、Siウエハ1の上にレジストパターン4を形成する。レジストパターン4は、銅シード膜3の上に例えばフォトレジストを塗布した後、これに露光、現像等を施すことにより形成され、開口部4aを有している。開口部4aは、複数の電極用パターンAとこれらに繋がる配線用パターン(不図示)の平面形状に形成されている。複数の電極用パターンAの開口部4aの各々の平面形状は例えば直径が約140μmの略円形で、互いのピッチが例えば約200μmとなるように形成される。
Further, a resist pattern 4 is formed on the
次に、銅拡散防止膜2と銅シード層3を電極に使用して電解めっき法によりレジストパターン4の開口部4aの中にCu膜5を例えば約4μmの厚さに形成する。図1(a)に示す開口部4aは電極用パターンAであり、この中に形成されたCu膜5のパターンは電極の一部となり、また、配線用パターン(不図示)の開口部の中のCu膜5のパターンは配線となる。これにより、複数の開口部4a内の電極用パターンAのCu膜5は、例えば直径約140μmの大きさとなり、ピッチが200μmとなるように形成される。なお、Cu膜5には他の元素、例えばニッケル、亜鉛が含まれる銅合金であってもよい。そのような金属として例えばCuに線熱膨張係数が近い金属、例えばCu55Ni45、Cu30Zn70が使用されてもよい。
Next, using the copper
次に、図1(b)に例示するように、フォトレジスト4を除去した後に、Cu膜5をマスクに使用し、露出した銅シード層3と銅拡散防止膜2を例えばスパッタ法によりエッチングし、除去する。この場合、Cu膜5もエッチングされて薄層化するのでその厚さはエッチング深さを見越して設定される。なお、Cuシード層3は、Cu膜5の一部となる。
Next, as illustrated in FIG. 1B, after removing the photoresist 4, using the
次に、図1(c)に示すように、Siウエハ1の上に絶縁膜6を形成する。絶縁膜6は、感光性を有するポリベンゾオキサゾール(PBO)をSiウエハ1上に例えば約8μmの厚さにスピンコーティングし、これに熱硬化、露光、現像等を施すことにより形成される。絶縁膜6は、Cu膜5のうち少なくとも電極用パターンAの一部を露出する開口部6aを有する。開口部6aは、例えば直径が80μmの略円形の平面形状に形成される。なお、絶縁膜6を形成する材料は、PBOに限られるものではなく、感光性を備えたポリイミドのような有機材料膜、或いはリソグラフィー技術、エッチング技術によりパターニングが可能な酸化シリコン、窒化シリコン等の無機材膜であってもよい、
Next, an insulating film 6 is formed on the
次に、誘電体膜6の開口部6a内において、Cu膜5を下地金属膜として使用し、その上にNi膜を無電解めっき法により形成する。無電解Niめっき液の還元剤の元素はP又はBであるが、最初にPを例に挙げて説明する。これにより、Ni膜はPを含み、Cu膜5上に形成される膜は、図2(b)に示すように、Ni−P膜7となる。Ni合金膜であるNi−P膜7は、Cu膜5と後述のはんだバンプ11の間に形成されるバリア膜として機能し、また、還元剤であるPの濃度分布はSiウエハ1の面に対して垂直方向の上方に階段状に増加する勾配を有している。
Next, in the
無電解Niめっき液は次亜リン酸を含有し、次亜リン酸の化学反応によりNi−P膜が形成される。以下に無電解Niめっきの反応化学式を式(1)、(2)、(3)で示す。無電解めっき液には、例えば、硫酸ニッケル(NiSO4)、次亜リン酸ナトリウム(NaH2PO2)、水(H2O)を含んでいる。反応化学式(1)によりNi−P膜7中のNiが形成され、反応化学式(3)によりNi−P膜7中のPが形成される。反応化学式(2)は、反応化学式(1)と同時に反応する。
このような反応が進むことにより開口部6a内のCu膜5の上にNi−P膜7が形成される。図3は、無電解Ni−Pめっき液の水素イオン濃度指数(pH)とNi−P膜中のP濃度の相関関係を示し、無電解めっき液のpH値が下がるほどP濃度が上昇する。この特性によれば、めっきを続けることによりpHが下がる。なお、無電解めっきによるNi−Pの形成は金属を成長核とするのでSiウエハ1や絶縁膜6の表面には成長しない。無電解Niめっき液の温度は約85℃程度に設定される。
As the reaction proceeds, the Ni—
本実施形態のNi−P膜7内では、なだらかにP濃度が変化するのではなく、図4に例示するように、厚さ方向に階段状のプロファイルを持つP濃度分布を有し、上面から底面にかけて厚さ方向にP濃度が例えば2.5重量%/μm程度で急峻に変化する。そのようなNi−P膜7は次のような方法により形成される。なお、以下に示すNi−x%P(0<x<100)は、Ni−P膜7中のPの濃度がx重量%であること意味する。なお、PをBに変えても同様な意味を有する。
In the Ni-
まず、図5(a)に例示するように、浴槽31内に入れた無電解Niめっき液32のpHを13に調整し、無電解Niめっき液32中にSiウエハ1を侵漬する。これにより、図1(d)に例示するように、Cu膜5の上にNi−1%P層7aを0.5μmの厚さに形成する。また、浴槽31の外には、ダミー被めっき体であるダミーウエハ30又はSiウエハ1を収納するラック33が置かれている。
First, as illustrated in FIG. 5A, the pH of the electroless
その後に、図5(b)に例示するように、無電解Niめっき液32内のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、ダミーウエハ30の表面にNi−P膜(不図示)を形成する。ダミーウエハ30として、例えば直径約300mmのSiウエハを使用するが、その表面にCu膜が形成されてもよい。また、ダミーウエハ30の代わりに無電解めっきが可能な金属体であってもよく、pHを調整するためのダミー被めっき体であればよい。これにより、無電解Niめっき液32のpHが11.5に下がるまでダミーウエハ30上のNi−P膜を形成し続ける。なお、無電解Niめっき液32から取り出されたSiウエハ1又はダミーウエハ30は例えば純水により洗浄される。
Thereafter, as illustrated in FIG. 5B, the
次に、図5(c)に例示するように、pHが11.5となった時点で無電解Niめっき液32の中のダミーウエハ30を電極形成対象のSiウエハ1に交換する。この状態で、図1(e)に例示するように、Siウエハ1上の誘電体膜6の開口部6a内のNi−1%P層7aの上にNi−3%P層7bを0.5μmの厚さになるまで形成する。
Next, as illustrated in FIG. 5C, when the pH reaches 11.5, the
次に、図5(b)に示したと同様に、無電解Niめっき液32内のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、ダミーウエハ30の表面のNi−P層(不図示)の上にさらにP濃度が高い新たなNi−P膜(不図示)を形成する。この場合、無電解Niめっき液32のpHが10.5に下がるまでダミーウエハ30上のNi−P膜を形成し続ける。
Next, as shown in FIG. 5B, the
次に、図5(c)に示したと同様に、pHが10.5になった時点で無電解Niめっき液32の中のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換する。これにより、図2(a)に例示するように、Siウエハ1上の誘電体膜6の開口部6a内のNi−3%P層7bの上にNi−5%P層7cを例えば約0.5μmの厚さになるまで形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, when the pH reaches 10.5, the
次に、図5(b)に示したと同様に、無電解Niめっき液32内のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、ダミーウエハ30の表面のNi−P層(不図示)の上にさらにP濃度が高い新たなNi−P膜(不図示)を形成する。この場合、無電解Niめっき液32のpHが8.5に下がるまでダミーウエハ30上のNi−P膜を形成し続ける。
Next, as shown in FIG. 5B, the
次に、pHが8.5になった時点で無電解Niめっき液32の中のダミーウエハ30を電極形成対象のSiウエハ1に交換する。この状態において、図2(b)に例示するように、Siウエハ1上の誘電体膜6の開口部6a内のNi−5%P層7cの上に最上のNi−7%P層7dを例えば約2.0μm以上の厚さになるまで形成する。最上層のNi−P層のP濃度は7%に限られるものではないが、後の工程で行われるはんだ11とNi−P膜7の接合を考えると、最もP濃度が高い最上層のNi−P膜7dのP濃度は10重量%以下、例えば9重量%に設定することが好ましい。
Next, when the pH reaches 8.5, the
Cu膜4上に形成されたNi−1%P層7a、Ni−3%P層7b、Ni−5%P層7c及びNi−7%P層7dによって厚さが約3.5μmを有する積層構造のNi−P層7が形成される。最上のNi−7%P層7dの厚さをその下のNi−1%P層7a、Ni−3%P層7b、Ni−5%P層7cより厚くしているのは、後の工程ではんだバンプ11と合金化される層だからであり、また、はんだバンプ11と合金化する層がブラックパッドとなることを防止するためである。これにより、Ni−P層7は、面に垂直な方向にP濃度が段階的に高くなる多層構造となる。
A layer having a thickness of about 3.5 μm formed by the Ni-1
次に、Ni−P膜7が形成された状態のSiウエハ1を洗浄した後に、Siウエハ1を無電解Auめっき液(不図示)に侵漬し、図2(c)に例示するように、Ni−P膜7の上にAu膜8を例えば約0.05μmの厚さに形成する。Au膜8は、例えば置換めっき法により形成され、Ni−P膜7が露出している状態でAuが析出し、Au膜8によりNi−P膜7の表面が覆われると自動的にAuの無電解めっきは停止する。なお、Ni−P膜7の最上層のP濃度によってはAu膜8の形成は省略される場合もある。
Next, after cleaning the
これにより、電極用パターンAにおいて、Cu膜5を露出する絶縁膜6の開口部6a内に形成されたNi−P膜7とAu膜8は、Cu/Ni−1%P/Ni−3%P/Ni−5%P/Ni−7%P/Auの多層構造の電極10として使用される。
Thereby, in the electrode pattern A, the Ni-
次に、メタルマスク(不図示)とはんだ印刷機を用いて電極10の上にはんだペーストを塗布し、ピーク温度を約250℃に設定してリフローを7回行い、図2(d)に例示するように、ハンダペーストから例えば錫銀(SnAg)からなるはんだバンプ11を形成する。
Next, a solder paste is applied onto the
このような電極10の形成方法によれば、Cu膜5とNi−P膜7の間に剥離は発生せず、さらにNi−P膜7とはんだバンプ11の接合も良好であり、剥がれは生じなかったことが試験により確認された。
According to such a method for forming the
以上述べたように本実施形態によれば、Cu膜5に接続するNi−P膜7の形成に使用される還元剤のPの濃度は、一層目が1重量%、二層目が約3重量%、三層目が約5重量%、四層目が約7重量%〜9重量%としている。これにより、Ni−P膜7内ではCu層5から遠ざかるにつれて段階的にP濃度が上昇する構造になっている。
As described above, according to the present embodiment, the concentration of P in the reducing agent used for forming the Ni—
換言すれば、Ni−P膜7の厚さ方向における還元剤Pの濃度は、Cu膜5に近いほど濃度が低く、Cu膜5から離れるほど濃度が高くなるような勾配を有するP濃度分布となるように調整される。この構造の例では、Cu膜5の線熱膨張係数が約16ppmであり、Cu膜5に接合されるNi−1%P層7aの線熱膨張係数が約14.88ppmであり、それらの差が約1.2ppmと小さくなって接合部分に生じる熱応力を大幅に低減することができる。これにより、Cu膜5とNi−P膜7の剥離を防止することができる。
In other words, the concentration of the reducing agent P in the thickness direction of the Ni-
また、二層目のNi−3%P層7bの線熱膨張係数は約13ppm、その上のNi−5%P層7cの線熱膨張係数は約13ppm、その上のNi−7%P層7dの線熱膨張係数は約12ppmである。このため、それぞれの線熱膨張係数の差は1ppm以下となるため、熱応力による互いの層の剥離を防止することができる。また、最上のNi−7%P層7dではPの濃度がNiのブラックパッドの発生のおそれ非常に少なくなる値に調整され、Pによるはんだ接合不良の発生も防止することができる。
Further, the linear thermal expansion coefficient of the second Ni-3
さらに、P濃度分布に傾斜勾配を設けたので、Ni−P膜7とCu膜5の間の剥離とNi腐食を防止しつつ、はんだ接合性も良好に確保できる構造を持つ電極10が実現される。なお、Ni−P層7は、4層構造に限定されるものではなく、Cu膜5との接合層と、はんだバンプ11との接合層と、それらの間のバッファ層というように、少なくとも3層あればよい。即ち、Ni−P膜7内ではSiウエハ1の面に垂直方向に少なくとも3段階でP濃度が変化すればよい。
Furthermore, since the slope of inclination is provided in the P concentration distribution, an
還元剤の元素濃度が異なるNi−1%P層7a、Ni−3%P層7b、Ni−5%P層7c及びNi−7%P層7dのそれぞれの厚みは特に限定されない。しかし、はんだ接合時のバリア性を確保するために最上のNi−7%P層7dの厚みとして例えば約2μm以上に形成し、Ni−1%P層7a、Ni−3%P層7b、Ni−5%P層7cより厚くすることが望ましい。
The thicknesses of the Ni-1
また、上記の例では無電解Pめっき液に侵漬するウエハとしてSiウエハ1とダミーウエハ30を交互に交換することによりpH調整の繰り返しを行っている。これによれば、Ni−P層のP濃度の数だけ無電解Ni−Pめっき液浴槽を準備することなく、Cu膜5からら垂直上にNi−P膜7のP濃度が段階的に上昇する構造を作成することができる。ただし、場所等の確保に余裕があれば、pHの異なる複数の無電解Pめっき液32を収納した複数のめっき液浴槽31を用意し、Siウエハ1を侵漬する浴槽をpHの高い浴槽に順次変える方法を採用してもよい。
In the above example, the pH adjustment is repeated by alternately exchanging the
Ni−P膜7とはんだバンプ11を接合すると、還元剤のPは、はんだバンプ11中に拡散せずNi−P膜7の中に凝集する。このため、はんだ接合を行うことによりNi−P膜7の最表層のPの濃度を高くすることができ、一部が露出しても腐食を防止できる。
When the Ni-
ところで、還元剤にホウ素(B)を用いてNi膜にBを含むNi−B膜をCu膜5上に形成する場合、上記のP濃度分布と同様に膜厚方向のB濃度分布に段階的な勾配を設けてもよい。例えば、図1(c)に示した構造を形成した後に、電極用パターンAを持つ開口部6a内のCu膜5の上に図4に示したと同様な膜厚方向のB濃度分布に階段状の勾配を有するNi−B膜9を形成する。その形成方法を次に説明する。
By the way, when forming a Ni-B film containing boron in the Ni film on the
まず、図1(b)に示したと同様に、Siウエハ1上に電極用パターンAと配線用パターン(不図示)を有するCu膜5を形成するが、その円形の電極用パターンAの直径を例えば約120μmとし、ピッチを150μmとする。その後に、図1(c)と同様に、電極用パターンAのCu膜5の一部を露出する直径60μmの円形の開口部6aを有する絶縁膜6をSiウエハ1の上に形成する。絶縁膜6として例えば感光性ポリイミドを約5μmの厚さでSiウエハ1上に塗布し、ベーク、露光、現像等によりパターニングするが、上記のようにPBO等を使用し、パターニングしてもよい。
First, as shown in FIG. 1B, a
次に、無電解Ni−Bめっき液を用いて開口部6a内のCu膜5にNi−B膜を形成する。厚さ方向にBの濃度勾配を有するNi−B膜の形成方法は、還元剤をBとした無電解Niめっき液を使用するとともに、上記と同様に、ダミーウエハ30とSiウエハ1を交互に取り替えて無電解Niめっき液に侵漬する方法を採用する。なお、pHの異なる複数の無電解Niめっき液を収納した複数のめっき液浴槽を用意し、pHの高い無電解Niめっき液を収納した浴槽にSiウエハ1を移動させるようにしてもよい。
Next, a Ni-B film is formed on the
還元剤をBとした無電解Niめっき液を使用してNi−B膜9を形成する時の反応化学式を以下の(4)、(5)、(6)で示す。還元剤としてジメチルアミンボラン((CH3)2NHBH3)を使用する。主反応は反応化学式(4)のようになり、下地金属膜であるCu膜5の表面にNiが析出する。副次的な反応として反応化学式(5)、(6)が生じ、反応化学式(6)の反応によりNi膜中にBが析出する。
無電解めっき法によりNi膜を形成する際の還元剤にBを用いる場合も同様にダミーウエハ30によるpH調整と、無電解Niめっき液に侵漬するウエハとしてダミーウエハ30とSiウエハ1の交換を繰り返すことにより膜厚方向のB濃度分布に勾配を付けることができる。この場合、無電解Niめっき液の温度は65℃程度に設定される。
Similarly, when B is used as the reducing agent when forming the Ni film by the electroless plating method, the pH adjustment by the
まず、図5(a)に示したと同様に、還元剤の元素をBとした無電解Niめっき液35のpHを10にし、その中にSiウエハ1を入れ、図6(a)に示すようにCu膜5を下地金属膜として使用し、その上にNi−0.5%B層9aを例えば約0.5μmの厚さに形成する。その後、図5(b)に示したと同様に、無電解Ni−Bめっき液35内のSiウエハ1を上記と同様にダミーウエハ30に交換し、pHを8まで下げる。
First, as shown in FIG. 5 (a), the pH of the electroless
次に、図5(c)に示したと同様に、無電解Niめっき液35内のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換し、図6(b)に示すようにNi−0.5%B層9aの上にNi−1.0%B層9bを例えば約0.5μmの厚さに形成する。その後、図5(b)に示したと同様に、無電解Ni−Bめっき液35内のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換し、pHを7まで下げる。
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図5(c)に示したと同様に、無電解Niめっき液35内のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換し、図6(c)に示すようにNi−1.0%B層9dの上にNi−3.0%B層9dを2.0μmの厚さに形成する。その後、Siウエハ1を洗浄する。
Next, as shown in FIG. 5C, the
これにより、Ni合金膜であるNi−B膜9のうち最も下層であってCu膜5と接するNi−0.5%B層9aのBの濃度は最も低く、その上のNi−1.0%B層9bのB濃度は上下の層の間の値である。また、Cu膜5から最も遠い最上のNi−3.0%B層9dは最もB濃度が高くなるように形成される。B濃度が高いとNi−Bの応力が低くなり、Ni−B膜9の剥離防止になる。
As a result, the concentration of B in the Ni-0.5
そのようなNi−B膜9を形成した後に、図6(d)に示すように、Ni−B膜9にはんだバンプ11を接合する。はんだバンプ11は上記と同様な方法により形成されるが、Bを還元剤に用いる場合、Ni−B膜9は、はんだバンプ11との塗れ性が非常に良好なため、それらの間にAu膜を形成しないが、形成してもよい。 After the Ni—B film 9 is formed, solder bumps 11 are bonded to the Ni—B film 9 as shown in FIG. The solder bumps 11 are formed by the same method as described above. However, when B is used as a reducing agent, the Ni-B film 9 has very good paintability with the solder bumps 11, and therefore an Au film is formed between them. Is not formed, but may be formed.
このように、Ni−B膜9から形成される電極10ではCu/Ni−0.5%B/Ni−1.0%B/Ni−3.0%Bの構造のように、膜厚方向に階段状プロファイルとなるB濃度分布を採用している。これにより、上記のNi−P膜7と同様に、Cu膜5との線熱膨張率の差を小さくして接合を良好にするとともにはんだバンプ11との接合も良好にすることができる。なお、Ni−B膜9は、B濃度の異なる少なくとも3層から形成される。即ち、Ni−B膜9内のB濃度分布はSiウエハ1の面に垂直方向で少なくとも3段階で変化している。
Thus, in the
また、ピーク温度250℃のリフローを行いNi−B膜9とはんだバンプ11を接合した。その結果、Ni−B層9中のNi成分がはんだバンプ11中に拡散してB成分がNi中に凝集し、最表層のNi−3.0%B層9cがNi−7.0%となるまでB濃度が上昇した。さらに、ピーク温度ピーク温度250℃のリフローを6回行ったが、Cu膜5とNi−B膜9の間で剥離は発生しなかった。
Further, reflow at a peak temperature of 250 ° C. was performed to join the Ni—B film 9 and the
(第2の実施の形態)
図7、図8は、第2実施形態に係る電子デバイスの製造方法を示す断面図である。
次に、図7(a)に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。
(Second Embodiment)
7 and 8 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing an electronic device according to the second embodiment.
Next, steps required until a structure illustrated in FIG.
まず、図1(a)、(b)に示したと同様な方法により、Siウエハ1上に電極用パターンAと配線用パターン(不図示)を有するCu膜5を約4μmの厚さに形成する。この場合、平面が円形の電極用パターンAにおけるCu膜5の厚さを約4μm、直径を例えば約120μmとし、ピッチを140μmとする。なお、Siウエハ1として、例えば、厚みが600μm、直径が150mmの大きさの略円状の大きさのものを使用するが、これに限られるものではない。
First, by a method similar to that shown in FIGS. 1A and 1B, a
次に、図5に示したと同様に、還元剤をPとした無電解Niめっき液32のpHを13にしてその中にSiウエハ1を入れる。これにより、図7(b)に示すように、銅膜5のパターンを下地金属膜に使用し、その表面にNi−1.0%P層17aを0.5μmの厚さに形成する。その後、無電解Ni−めっき液32中のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、pHを10.5まで下げる。
Next, as shown in FIG. 5, the pH of the electroless
その状態で、無電解Niめっき液32中のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換し、図7(c)に示すように、Ni−1.0%P層17aの露出面上にNi−5.0%P層17bを0.5μmの厚さに形成する。その後、図5に示したと同様に、無電解Ni−めっき液32中のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、pHを7.5まで下げる。
In this state, the
その状態で、無電解Niめっき液32中のダミーウエハ30をSiウエハ1に交換し、図7(d)に示すように、Ni−5.0%P層17bの露出面上にNi−9.0%P層17cを2.5μmの厚さに形成する。その後、図5に示したと同様に、無電解Ni−めっき液32中のSiウエハ1をダミーウエハ30に交換し、pHを7.5まで下げる。これによりCu膜5の表面に形成されるNi−P膜17の厚さは3.5μmとなる。
In this state, the
次に、図8(a)に示すように、電極用パターンAのCu膜5の一部を露出する直径80μmの円形の開口部16aを有する絶縁膜16をSiウエハ1の上に形成する。絶縁膜6として例えば感光性ポリイミドを約3μmの厚さでSiウエハ1上に塗布し、ベーク、露光、現像等によりパターニングするが、上記のようにPBO等を使用し、パターニングしてもよい。
Next, as shown in FIG. 8A, an insulating
次に、図8(b)に示すように、無電解Auめっき液を使用する第1実施形態に示したAu膜8の形成と同様な方法により、Ni−P膜17のうち開口部16aから露出している部分にAu膜18を0.05μmの厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the
これにより、Cu/Ni−1.0%P/Ni−5.0%P/Ni−9.0%P/Auの積層構造を有する電極20が形成される。 Thereby, the electrode 20 having a laminated structure of Cu / Ni-1.0% P / Ni-5.0% P / Ni-9.0% P / Au is formed.
次に、メタルマスクとはんだ印刷機を用いて電極上にはんだペーストを塗布し、図8(c)に示すように、ピーク温度250℃のリフローを7回行いはんだバンプ11を形成する。この場合、Au膜18は、はんだバンプ11と合金化する。はんだバンプ11の形成後に、ダイシングにより直径150mmのSiウエハ1を30mm×300mmの素子25に分割した。
Next, a solder paste is applied onto the electrodes using a metal mask and a solder printer, and as shown in FIG. 8C, reflow at a peak temperature of 250 ° C. is performed seven times to form solder bumps 11. In this case, the
この素子25は、図8(d)に示すように、40mm角、厚さ1.0μmの大きさの樹脂回路基板21の上に形成された直径80μm、ピッチ160μmの電極パッド22に対し、ボンディング装置(不図示)によりはんだバンプ11と位置合わせを行う。その後、ピーク温度250℃のリフローによりはんだバンプ11と電極パッド22を接合し、これにより、素子25と樹脂回路基板21によりパッケージ基板を作成した。その後、更にピーク温度250℃のリフローを5回行ったが、第1実施形態と同様に、Cu膜5とNi−P膜17の間の剥離は発生しなかった。
As shown in FIG. 8D, the
以上述べたように本実施形態によれば、Cu膜5とNi−P膜17を覆う絶縁膜16のうちCu膜5とNi−P膜17の一部の上に開口部16aを設け、その開口部16aを通してはんだバンプ11をNi−P膜17に接合している。この場合、Ni−P膜17内では、図4に示すと同様に、厚さ方向に階段状のプロファイルを持つP濃度分布を有し、Cu膜5と接合する層はNi−1.0P層17aであり、はんだバンプ11と接合する層はNi−9.0P層17cである。
As described above, according to the present embodiment, the opening 16 a is provided on a part of the
これにより、第1実施形態ど同様に、Ni−P膜17の厚さ方向における還元剤Pの濃度は、Cu膜5に近いほど濃度が低く、Cu膜5から離れるほど濃度が高くなるような勾配を有するP濃度分布となるように調整される。これにより、Cu膜5とNi−1.0%P層17aの線熱膨張係数の差を小さくして接合部分に生じる熱応力を大幅に低減することができ、Cu膜5とNi−P膜17の剥離を防止することができる。
Accordingly, as in the first embodiment, the concentration of the reducing agent P in the thickness direction of the Ni-
また、最上のNi−5.0%P層17bの線熱膨張係数は約13ppm、Ni−9.0%P層17cの線熱膨張係数の差は小さいため、熱応力による互いの層の剥離を防止することができる。また、最上のNi−9%P層17cではPの濃度がNiのブラックパッドの発生のおそれ非常に少なくなる値に調整され、Pによるはんだ接合不良の発生も防止することができる。
Further, since the linear thermal expansion coefficient of the uppermost Ni-5.0
このように、P濃度分布に傾斜勾配を設けたので、Ni−P膜17とCu膜5の間の剥離とNi腐食を防止しつつ、はんだ接合性も良好に確保できる構造を持つ電極10が実現される。なお、Ni−P層17は、第1実施形態と同様に、Cu膜5との接合層と、はんだバンプ11との接合層と、それらの間のバッファ層というように、少なくとも3層あればよい。また、ブラックパッドの発生を防止し、はんだバンプ11との接合を良好にするためには、最上のNi−9%p層17cは、その下のNi−5.0%P層17b、Ni−1.0%P層17aより厚く形成される。
As described above, since the slope of inclination is provided in the P concentration distribution, the
また、本実施形態においても、無電解Pめっき液に侵漬するウエハとしてSiウエハ1とダミーウエハ30を交互に交換することによりpH調整の繰り返しを行っている。これによれば、Ni−P層のP濃度の数だけ無電解Ni−Pめっき液浴槽を準備することなく、Cu膜5からら垂直上にNi−P膜7のP濃度が段階的に上昇する構造を作成することができる。ただし、場所等の確保に余裕があれば、pHの異なる複数の無電解Pめっき液32を収納した複数のめっき液浴槽31を用意し、Siウエハ1を侵漬する浴槽をpHの高い浴槽に順次変える方法を採用してもよい。
Also in this embodiment, the pH adjustment is repeated by alternately replacing the
なお、Ni−P膜17の代わりに、図6に示したと同様に、Siウエハ1の面に対してB濃度が垂直方向に段階的に変化する分布を有するNi−B膜をCu膜5の表面上に形成してもよい。
Instead of the Ni—
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。 All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It is interpreted without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it will be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the invention.
次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
(付記1)基板と、前記基板上に形成された下地金属膜と、前記下地金属膜の上に形成され、無電解めっきに使用される還元剤の元素の濃度が前記基板の一面に対して下から上の垂直方向で段階的に高くなる分布を有するニッケル合金膜と、を有する電極と、前記電極における前記ニッケル合金層の前記元素の濃度が最高となる最上層に接合されたはんだと、を有する電子デバイス。
(付記2)前記還元剤の前記元素は、リン、ホウ素のいずれかであることを特徴とする付記1に記載の電子デバイス。
(付記3)前記下地金属膜は、銅膜又は銅合金であることを特徴とする付記1又は付記2に記載の電子デバイス。
(付記4)前記電極において、前記ニッケル合金膜のうち前記はんだに接合する部分の前記還元剤の前記元素の前記濃度が最も高いことを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1つに記載の電子デバイス。
(付記5)前記はんだは、錫合金であることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1つに記載の電子デバイス。
(付記6)前記還元剤の前記元素の前記濃度は、前記基板の前記垂直方向に少なくとも3段階で変化することを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1つに記載の電子デバイス。
(付記7)前記ニッケル合金膜の中の前記還元剤の前記元素のうち最も前記濃度が高い最上のニッケル合金層は、前記最上のニッケル合金層と前記下地金属膜の間における複数のニッケル合金層のいずれよりも最も厚く形成されることを特徴とする付記1に記載の電子デバイス。
(付記8)還元剤の元素を含む無電解めっき液の中に、下地金属膜が形成された基板を侵着することにより、前記還元剤の前記元素を含む最下層のニッケル合金層を前記下地金属膜の上に形成する工程と、前記無電解めっき液の中の前記基板とダミー被めっき体を交互に交換し、pHを段階的に下げた前記無電解めっき液により前記第1のニッケル合金層の上方に前記還元剤の前記元素の濃度が段階的に高くなる複数の上側のニッケル合金層を形成することにより、前記下地金属膜及び前記最下層のニッケル合金層とともに電極を形成する工程と、を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
(付記9)前記電極の上にはんだを接合することにより、前記上側のニッケル合金層のうち前記はんだと接する部分の前記還元剤の前記元素の前記濃度を最も高くする工程を有することを特徴とする付記8に記載の電子デバイスの製造方法。
(付記10)前記上側のニッケル合金層のうち前記還元剤の前記元素の前記濃度が最も高く形成される最上層を最も厚く形成することを特徴とする付記8又は付記9に記載の電子デバイスの製造方法。
(付記11)前記複数の上側のニッケル合金層のうち最上層の上に金膜を形成する工程を有することを特徴とする付記8乃至付記10のいずれか1つに記載の電子デバイスの製造方法。
Next, features of the embodiment of the present invention will be described.
(Additional remark 1) The density | concentration of the element of the reducing agent which is formed on a board | substrate, the base metal film formed on the said board | substrate, and the said base metal film, and is used for electroless plating with respect to the one surface of the said board | substrate A nickel alloy film having a distribution that gradually increases in the vertical direction from bottom to top, an electrode having solder, and a solder bonded to the uppermost layer having the highest concentration of the element of the nickel alloy layer in the electrode; An electronic device.
(Supplementary note 2) The electronic device according to
(Appendix 3) The electronic device according to
(Appendix 4) In the electrode, the concentration of the element of the reducing agent in the portion of the nickel alloy film joined to the solder is the highest. Electronic devices.
(Supplementary note 5) The electronic device according to any one of
(Supplementary note 6) The electronic device according to any one of
(Supplementary Note 7) The uppermost nickel alloy layer having the highest concentration among the elements of the reducing agent in the nickel alloy film is a plurality of nickel alloy layers between the uppermost nickel alloy layer and the base metal film. The electronic device according to
(Additional remark 8) The lowermost nickel alloy layer containing the said element of the said reducing agent is made into the said foundation | substrate by invading the board | substrate with which the base metal film was formed in the electroless plating solution containing the element of a reducing agent. The first nickel alloy is formed by the step of forming on the metal film, the substrate and the dummy object to be plated in the electroless plating solution are alternately replaced, and the electroless plating solution whose pH is lowered stepwise. Forming an electrode together with the underlying metal film and the lowermost nickel alloy layer by forming a plurality of upper nickel alloy layers in which the concentration of the element of the reducing agent is increased stepwise above the layer; The manufacturing method of the electronic device characterized by having these.
(Additional remark 9) It has the process of making the said density | concentration of the said element of the said reducing agent highest in the part which contacts the said solder among the said upper nickel alloy layers by joining solder on the said electrode, It is characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the electronic device of Claim 8.
(Appendix 10) The electronic device according to appendix 8 or appendix 9, wherein the uppermost layer formed with the highest concentration of the element of the reducing agent is formed thickest among the upper nickel alloy layers. Production method.
(Supplementary note 11) The method of manufacturing an electronic device according to any one of supplementary notes 8 to 10, further comprising a step of forming a gold film on an uppermost layer of the plurality of upper nickel alloy layers. .
1 Siウエハ(基板)
2 銅拡散防止膜2
3 Cuシード膜
4 レジストパターン
4a 開口部
5 Cu膜
6、16 絶縁膜
6a 開口部
7 Ni―P膜
7a Ni−1%P層
7b Ni−3%P層
7c Ni−5%P層
7d Ni−7%P層
8 Au膜
9 Ni―B膜
9a Ni−0.5%B層
9b Ni−1.0%B層
9c Ni−3.0%B層
10、20 電極
11 はんだバンプ
17 Ni―P膜
17a Ni−1%P層
17b Ni−5%P層
17c Ni−9%P層
18 Au膜
30 ダミーウエハ
31 浴槽
32、35 無電解Niめっき液
1 Si wafer (substrate)
2 Copper
3 Cu seed film 4 Resist
Claims (5)
前記基板上に形成された下地金属膜と、前記下地金属膜の上に形成され、無電解めっきに使用される還元剤の元素の濃度が前記基板の一面に対して下から上の垂直方向で少なくとも3段で段階的に順に高くなる分布を有し、前記段階的な前記分布の最上層がそれより下の複数の層のそれぞれより厚く形成されたニッケル合金膜と、を有する電極と、
前記電極における前記ニッケル合金層の前記元素の濃度が最高となる前記最上層に接合されたはんだと、
を有する電子デバイス。 A substrate,
A base metal film formed on the substrate, and a concentration of a reducing agent element formed on the base metal film and used for electroless plating in a vertical direction from bottom to top with respect to one surface of the substrate. have a stepwise sequentially higher distribution in at least three stages, the electrode having a nickel alloy film which is thicker than each of the plurality of layers of the top layer is below that of the stepwise the distribution,
A solder concentration of the element of said nickel alloy layer in the electrode is bonded to the top layer to the highest,
An electronic device.
前記無電解めっき液の中の前記基板とダミー被めっき体を交互に交換し、pHを段階的に下げた前記無電解めっき液により前記第1のニッケル合金層の上方に前記還元剤の前記元素の濃度が段階的に高くなる複数の上側のニッケル合金層を形成することにより、前記下地金属膜及び前記最下層のニッケル合金層とともに電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする電子デバイスの製造方法。 The lowermost nickel alloy layer containing the reducing agent element is deposited on the underlying metal film by invading the substrate on which the underlying metal film is formed in an electroless plating solution containing the reducing agent element. Forming the step,
The substrate of the electroless plating solution and the dummy object to be plated are alternately exchanged, and the element of the reducing agent is disposed above the first nickel alloy layer by the electroless plating solution whose pH has been lowered stepwise. Forming a plurality of upper nickel alloy layers whose concentration increases stepwise to form an electrode together with the underlying metal film and the lowermost nickel alloy layer;
A method for manufacturing an electronic device, comprising:
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