(57)【要約】【課題】フリップ・チップ・ボンディング用の微細ピッチ導電パッド（バンプとも称する）を作製する方法を提供する。【解決手段】電子デバイスを基板または別の構造に結合するハンダ・バンプが、支持構造上で高アスペクト比の銅製のピンをメッキし、このピンをバリア材料中に封入し、バリア材料上にハンダをメッキし、次いで、ハンダをリフローすることによって形成される。  別の電気構造に連結されるように適合された電気接続部材を含む電気構造であって、  電気構造中の第１組の接点と、  前記接点の組に付着する少なくとも１つのインターフェース層と、  前記接点の組の上に配設され、前記インターフェース層を含む１組のパッドと、  前記パッドに直接付着する１組の導電ピンと、  前記ピンの組のすべての露出表面に付着するバリア層と、  前記バリア層を取り囲むハンダ層とを備える、構造である。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気構造上に電気接続部材を形成する方法であって、
１組の接点を備えた電気構造を提供するステップと、
前記１組の接点に付着する少なくとも１つのインターフェース層を形成するステップと、
前記インターフェース層をパターン化して、前記接点の組の上に配設された１組のパッドを形成するステップと、
フォトレジスト層を被着させ、リソグラフィにより前記フォトレジスト層をパターン化して前記パッドの組の上に１組の開口を設けるステップと、
前記パッドに直接付着する１組の導電ピンを形成するステップと、
前記ピンの組のすべての露出表面に付着するバリア層を形成するステップと、
前記バリア層を取り囲むハンダ層を形成するステップと、
前記ハンダ層をリフローするステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記バリア層の材料により前記ピンからの材料の移動が遮断され、それによって、前記ピンからの前記材料が前記ハンダの成分と反応することが妨げられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記インターフェース層が接着材料層およびシード層を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記インターフェース層が接着材料層およびシード層を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記インターフェース層が、ＴｉＷ、Ｔｉ、Ｔａ、ＣｒおよびＴａＮを含む群から選択される材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記インターフェース層が、ＴｉＷ、Ｔｉ、Ｔａ、ＣｒおよびＴａＮを含む群から選択される材料を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記インターフェース層が、ＴｉＷ、Ｔｉ、Ｔａ、ＣｒおよびＴａＮを含む群から選択される材料を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記インターフェース層が、ＴｉＷ、Ｔｉ、Ｔａ、ＣｒおよびＴａＮを含む群から選択される材料を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
前記ピンが、前記フォトレジスト内の開口中に材料を電気メッキすることによって形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ピンが、ハンダ層を形成するステップの前に、濡れ性のある層によってメッキされる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層の材料により前記ピンからの材料の移動が遮断され、それによって、前記ピンからの前記材料が前記ハンダの成分と反応することが妨げられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記インターフェース層が接着材料層およびシード層を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記インターフェース層が接着材料層およびシード層を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
別の電気構造に連結されるように適合された電気接続部材を含む電気構造であって、
電気構造中の第１組の接点と、
前記接点の組に付着する少なくとも１つのインターフェース層と、
前記接点の組の上に配設され、前記インターフェース層を含む１組のパッドと、
前記パッドに直接付着する１組の導電ピンと、
前記ピンの組のすべての露出表面に付着するバリア層と、
前記バリア層を取り囲むハンダ層とを備える、構造。
【請求項１５】
銅および金を含む群から選択される濡れ性のある層が前記バリア層上に形成される、請求項１４に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、集積回路のパッケージ化の分野であり、より詳細には、フリップ・チップ技術の分野である。
【背景技術】
【０００２】
以下では簡単に「ＰＣＢ」と称するプリント回路ボード（プリント配線ボードとも称する）は、広く普及している。一般に、ＰＣＢは、導体（例えば、銅）で片面または両面を被覆された誘電体基板（例えば、ファイバで強化された有機樹脂）の形態をとる。この誘電体基板は、配線および電気デバイスと接続を行うための所定のパターンの穴を備える。これらの穴の間で所定の電気的な経路が設けられるように導体がパターン化され、それによって配線および電気デバイスが機能的に相互接続される。
【０００３】
１９６０年代に、米国ＩＢＭ社は、すべてのインターフェースを配線によって接続することに対する代替技術を開発した。これは、一般に「controlled collapse chip connection」あるいは簡単に「Ｃ４」と称するものである。この技術によれば、チップは、ＰＣＢ上のインターフェース・パッドとチップ上のバンプを整合させて接触を行うことによってＰＣＢの電子回路に装着される。Ｃ４用の一連のバンプを備えたチップを、「フリップ・チップ」と称する。一般に、バンプは、バンプ・マスクによって濡れ性のあるバンプ・パッド上に被着されたハンダ合金（例えば、鉛９７％、すず３％）とされてきた。ＰＣＢ上のインターフェース・パッドも濡れ性（wettable）のあるものであり、そのため、バンプをリフローすることによって電気的かつ機械的な相互接続が同時に形成される。この技術の利点は、リフローにより、チップ搭載時に生じたチップと基板の位置合わせ不良が補償され、かつバンプが応力を吸収することである。
【０００４】
バンプは、バンプ・マスクを用いてバンプ・パッド上に被着させ、その後、このバンプ・マスクを除去する。この段階で、バンプは、上部を切り取られた円錐に形状が似ており、バンプ・パッドのところで幅が最も広い。次いで、これらのバンプに非酸化リフロー・プロセスを適用し、その後、これらのバンプを凸状に整形し、それによって上部が切り取られた卵の形状に似たものになる。
【０００５】
上記で詳細を説明したように、Ｃ４技術を用いてチップ上にバンプを設けることができるが、ＰＣＢ上にバンプが設けられるように、Ｃ４技術を同様にうまく実施することができることに留意されたい。この場合、ＰＣＢはインターフェース・パッドを備える。さらに、Ｃ４技術は、例えば小型のＰＣＢを大型のＰＣＢに装着するなど、チップ以外の電子構造を装着するのに実施することができる。
【０００６】
寸法が縮小するにつれ、ピッチを短くし、所与の面積内により多くの接点を詰め込むことが求められる。そのため、Ｃ４バンプ間で許容し得る間隔が狭くなり、隣接したバンプが短絡する可能性が高くなる。接点密度を高くする様々な試みがなされている。
【０００７】
「半導体チップ用のピラー（pillar）接続部およびそれを製作する方法（PillarConnections for Semiconductor Chips and Method of Manufacture）」（発明者：エフ・タン（F.Tung））という米国特許出願第２００２−０１７９６８９  Ａ１号には、共晶ハンダで覆われた銅製ピラーが示されている。この構造は、金属のスタックを順次メッキすることによって形成される。銅製のピンが露出し、ハンダに接触し、それによって、望ましくない銅−すず金属間化合物が形成される可能性がある。
【０００８】
「基板に集積回路を接続するための配線相互接続構造（Wire InterconnectStructures for Connecting an Integrated Circuit to a Substrate）」（発明者：ディー・ラブ（D.Love）ら）という米国特許第５，７７３，８８９号には、部分的にニッケルで覆われた銅製のピン状構造の製作が示されている。このピン構造の両方の基部のハンダ・フィレット（fillet）によってデバイスが基板に接続される。この構造は複雑であり、３枚のマスクを使用する必要がある。
【特許文献１】米国特許出願第２００２−０１７９６８９  Ａ１号
【特許文献２】米国特許第５，７７３，８８９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、フリップ・チップ・ボンディング用の微細ピッチ導電パッド（バンプとも称する）を作製する方法に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、シード層に直接メッキされた支持ピンである。
【００１１】
本発明の別の特徴は、リソグラフィによってフォトレジスト層中に画定された開口を貫通してピンをメッキすることである。
【００１２】
本発明の別の特徴は、ハンダに対して選択的にシード・スタックを選択エッチングして、ハンダを浸食せずに、このシード・スタックを除去することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１に、パターン化されていない層を備えた集積回路の上部区域を示す。その底部では、ボックス２００は、例えば、形成される接点によって結合される集積回路などの電子構造を示す。層３０は、この構造を封入し、それによって相互接続部を絶縁し、水分その他の望ましくない化学物質の浸入を遮断するポリイミドなどの誘電体層である。
【００１４】
ボックス３５は、図示しない相互接続部からポリイミドを貫通して上に延びるビアを概略的に示す。この構造の上部上の接点は、これらのビアに対して作製されることになる。
【００１５】
層２０は、バリア金属層または接着金属層あるいはその両方である。例えば、ＴｉＷ、Ｔｉ、ＴａＮまたは当業者に周知の他の材料を用いて、例えば銅などの接点材料の浸入の遮断または接点材料と相互接続部材料（一般に、アルミニウム合金）の付着の促進あるいはその両方を行う。
【００１６】
層１０は、形成されるピン用の材料の被着およびメッキを促進するシード層である。接点が小型になるにつれ、接点材料の電流容量はより重要になり、そのため、材料として銅が好ましい。
【００１７】
図２に、フォトレジスト層４０をパターン化した後の同じ区域を示す。レジスト４０は、従来の方法で被着させ、パターン化して接点３５の上にパッド区域を画定した。
【００１８】
図３に、下にあるバリア層２０を浸食しないエッチング液を用いて、シード層を貫通してエッチングした結果を示す。例として、プールベ（Pourbaix）線図によって確定される適切な電流および電解液を用いる電気エッチングがこのステップに適している。
【００１９】
図４に、フォトレジストを除去して、別の構造用の基部として働くことになるパッド１２を残した後の構造を示す。パッド１２は、接点３５と電気的に接触しており、ボックス２００に含まれるデバイスに電力および信号を搬送する。
【００２０】
図５に、例えば厚さ１００ミクロンまでの厚いフォトレジスト層７０を配置し、パターン化して、このレジストを、ピンが形成される区域の外側で重合させ、従来方式の現像ステップで溶解させる一連のステップの結果を示す。得られた開口は、ピン６０の寸法を有する。一般に、括弧６２で示すこのピンの直径は約２５ミクロンである。レジスト中の開口の厚さを括弧７２で示す。好ましくは、この開口のアスペクト比は、３〜１の範囲の値をとる。ピン６０は、ピン６０を形成するための電流経路として接点３５に結合された相互接続構造を用いて、この開口内で銅を電気メッキすることによって形成される。
【００２１】
ピン６０の銅を、シード層１０の銅に直接結合すると有利である。従来技術の構造では、これらのピンは、ハンダ・フィレットによって取り付けられる。こうすると、銅とハンダが直接接触するという欠点があった。
【００２２】
図６に、銅上にバリア金属をメッキした結果を示す。例えば、このバリア金属はニッケルである。ニッケルにより、銅が効果的に閉じ込められ、銅と、すずなどのハンダの成分との反応による望ましくない化合物の形成が妨げられる。本来、このメッキ・プロセスでは、すべての露出表面の上に、すなわち、パッド１２の垂直縁部、パッドの上部ならびに銅製のピン６０の上部および側面にバリア層が形成される。
【００２３】
図７に、リフローを行う前にハンダ層をメッキした結果を示す。ニッケル・バリア層の上を延び、接着層２０まで下に延びるようにハンダ９０を示す。接着層の材料に対して選択的にバリア層にメッキして、ハンダが層２０に付着しないように、このハンダの組成を選択すると有利である。こうすると、隣接したハンダ構造間が完全に分離されるという有益な結果が得られる。ハンダが層２０に十分に付着してしまうと、層２０の表面全体に被覆が形成されることになり、そのため、この被覆を除去して接点の短絡を防止することになろう。
【００２４】
図８に、接着層２０をエッチングした結果を示す。例として、エッチング液は、ハンダを大きく浸食しないが、比較的薄い（一般に、５０００オングストローム未満の）層２０を浸食し、それを除去する。図では、このエッチング・プロセスを継続させ、ハンダ９０がアンダーカットされ、バリア層に達するオーバー・エッチングが生じたことがわかる。
【００２５】
図９に、従来型の炉でハンダをリフローした結果を示す。ハンダの表面張力により構造が成形され、Ｃ４プロセスに適した滑らかな曲線になった。矢印８２に、バリア層の最近接部分間の公差間隔を示す。この公差間隔の典型的な値は５０ミクロンであるが、この値だけに限らない。矢印９４は、ハンダ９０の最も近接したところの対応する公差を示し、その値は５０ミクロンである。上部の矢印９５は設計ピッチを示し、例えば１００ミクロンである。この設計ピッチにより様々な層の厚さが決まり、それによって公差８２および９４が得られる。
【００２６】
寸法が縮小するにつれ、これら様々な層の厚さはそれに従って調節されることになる。
【００２７】
図１０に、代替実施形態におけるステップを示す。例として０．５ミクロンの銅または金の濡れ性のある層８５がメッキされ、それによって、ニッケル・バリアとハンダの付着性が向上する。ニッケルの下の銅製ポスト（post）は比較的厚く、ニッケルの上の銅は、バリア全体にわたって化学的な電位勾配を減少させるように働くので、外側の銅の層は、この実施形態では犠牲層とみなすことができる。
【００２８】
層８５は、バリア層を形成するステップの後、ハンダを被着させるステップの前にメッキまたは被着させることになる。
【００２９】
以下に、プロセス・ステップの順序をまとめる。
プロセスの順序
１．開始構造：絶縁体（ポリイミド）中の開口の下の端子と、シード金属スタックとを備えた集積回路
２．フォトレジストをパターン化してピンの基部を画定する
３．シード層をエッチングしてパッドを残す
４．ピン用の厚いフォトレジストをパターン化する
５．開口内でピンをメッキする
６．フォトレジストを除去する
７．ピンおよびパッド上にバリア層をメッキする
８．ハンダに選択的にバリアをメッキする
９．ハンダおよびバリアに選択的にシード・スタックをエッチングする
１０．ハンダをリフローする
【００３０】
当業者なら、上記の例を他の状況に容易に適合させることができよう。例えば、形成する、被着させる、メッキするという用語は、排他的な意味ではなく、同じまたは類似の結果を得るためのスパッタリング、化学気相蒸着法などの代替方法も含むことを意図している。
【００３１】
１つの好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる様々なバージョンで本発明を実施できることが当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】パターン化されていない層を備えた集積回路の上部区域を示す図である。
【図２】フォトレジスト層をパターン化した後の同じ区域を示す図である。
【図３】シード層を貫通してエッチングした結果を示す図である。
【図４】フォトレジストを除去した後の構造を示す図である。
【図５】銅製のピンをメッキした結果を示す図である。
【図６】銅上にバリア金属をメッキした結果を示す図である。
【図７】リフローを行う前にハンダ層をメッキした結果を示す図である。
【図８】接着層をエッチングした結果を示す図である。
【図９】ハンダをリフローした結果を示す図である。
【図１０】代替実施形態におけるステップを示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  シード層
１２  パッド
２０  バリア金属層、接着金属層
３０  誘電体層
３５  ビア、接点
４０  フォトレジスト層
６０  ピン
６２  ピンの直径
７０  フォトレジスト層
７２  開口の厚さ
８２  公差
８５  濡れ性のある層
９０  ハンダ
９４  公差
９５  設計ピッチ
２００  電子構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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