(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バンプの上層金属と配線あるいは電極との間に、ＴｉＷターゲットを用いガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上となるＮ2 流量でスパッタされて形成されたＴｉＷＮを介在させていることを特徴とするバンプ。
【請求項２】
バンプの上層金属と配線あるいは電極との間に、Ｎの原子濃度が３０％以上であるＴｉＷＮを介在させていることを特徴とするバンプ。
【請求項３】
前記バンプの上層金属がＡｕからなることを特徴とする請求項１または２記載のバンプ。
【請求項４】
前記バンプはフリップチップ実装される基板側電極上のＳｎ層と接続されてなることを特徴とする請求項１、２または３記載のバンプ。
【請求項５】
前記配線あるいは電極と、前記ガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上でスパッタされて形成されたＴｉＷＮとの間にＴｉ層を有し、前記ＴｉＷＮと前記バンプの上層金属との間にＴｉ層とＡｕ層とを有することを特徴とする請求項１、２、３または４記載のバンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の実装技術に関し、特に半導体装置をフリップチップ実装するためのバンプとその製造方法に関する。
高周波半導体素子として一般的に用いられるＧａＡｓＭＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を使ってミリ波帯のような超高周波回路を実現する場合、コプレーナ型伝送方式がよく用いられている。このコプレーナ型伝送線路方式では、ＭＭＩＣチップを基板に装着する方法としてフリップチップ実装が適用されている。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＭＩＣなどの半導体装置をフェイスダウンで基板に実装するフリップチップ実装法では、ＭＭＩＣあるいは基板の表面にＡｕなどからなるバンプを形成し、熱圧着法などによって接着する方法が一般に用いられている。このようなフリップチップ実装方法の改良法として、基板側の電極表面に形成されたＳｎ層とＭＭＩＣの電極表面に形成されたＡｕバンプとの間でＡｕＳｎ共晶合金を形成することによって、高いダイシェア強度を確保して接着する方法が知られている。
【０００３】
図８は従来のフリップチップ実装技術を説明する図である。図中５１はＭＭＩＣが形成されたＧａＡｓ基板、５２はＧａＡｓ基板５１上に形成された配線あるいは電極、５３は配線あるいは電極５２の上に形成されたメッキの種メタルであるＴｉ／Ａｕ層、５４はメッキの種メタル５３を介して電界メッキ法で形成されたＡｕバンプ、５５はＧａＡｓ基板５１がフリップチップ実装されるアルミナ基板、５６はアルミナ基板上に形成された配線あるいは電極、５７は配線あるいは電極５６上に形成されたＳｎ層である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図９は従来例の問題点を示す図であり、図８のＧａＡｓ基板５１をアルミナ基板５５に実装した例を示す。Ａｕバンプ５４をアルミナ基板５５上の配線あるいは電極５６に位置合わせして密着させたあと、所定の熱処理を行うことによってＡｕバンプ５４とＳｎ層５７とが共晶合金を形成してＧａＡｓ基板５１がアルミナ基板５５に実装される。図中５８はＡｕバンプ５４がアルミナ基板５５上のＳｎ層５７と共晶合金を形成したＡｕＳｎ層、５９はＡｕバンプ５４中を拡散してＧａＡｓ基板５１上の配線あるいは電極５２に混入するＳｎである。その他の符号は図８と同じものを表している。図に示すようにフリップチップ実装の熱処理により形成された共晶合金ＡｕＳｎ層５８から、Ｓｎ５９が容易にＡｕバンプ５４を経由してＧａＡｓ基板５１上の配線や電極５２に拡散してしまう。配線あるいは電極５２に拡散したＳｎ５９は、半導体装置の動作中に配線を断線させたり、あるいはオーミック電極に入り込んでオーミック抵抗を増加させたりする危険があり、半導体装置の信頼性を低下させるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであって、配線やオーミック電極等へのＳｎの拡散を防いで信頼性の高い半導体装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、バンプの上層金属と配線あるいは電極との間に、ＴｉＷターゲットを用いガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上となるＮ2 流量でスパッタされて形成されたＴｉＷＮを介在させていることを特徴とするバンプによって解決される。
また、バンプの上層金属と配線あるいは電極との間に、Ｎの原子濃度が３０％以上であるＴｉＷＮを介在させていることを特徴とするバンプによって解決される。
【０００７】
また、前記バンプの上層金属がＡｕからなることを特徴とするバンプによって解決される。
また、前記バンプはフリップチップ実装される基板側電極上のＳｎ層と接続されてなることを特徴とするバンプによって解決される。
また、前記配線あるいは電極と、前記ガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上でスパッタされて形成されたＴｉＷＮとの間にＴｉ層を有し、前記ＴｉＷＮと前記バンプの上層金属との間にＴｉ層とＡｕ層とを有することを特徴とするバンプによって解決される。
【０００９】
ＴｉＷＮは、特定の金属間での合成物形成を防止できるようなバリア性を持っていることが知られている。たとえば、ＴｉＷ／Ａｕ構造のようなＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ＦＥＴ）のゲート電極を形成する場合、ＴｉＷＮ層をＴｉＷ層とＡｕ層の間に挿入して、ＴｉＷ中へのＡｕの拡散を防ぎ、ショットキー特性を劣化させないようにすることができる。また、Ｓｉとのオーミックコンタクト電極構造としてＴｉＷ／ＴｉＷＮ／Ａｕを採用し、Ｓｉ中へのＡｕの拡散を防ぐなどの例もある。上記のショットキー接合電極構造やオーミックコンタクト電極構造は、いずれもＴｉＷＮ層はＡｕが拡散によって他の金属や半導体結晶と反応することを防止するためのバリア層として用いられている。
【００１０】
ところで、ＴｉＷＮによるＳｎに対するバリア特性について報告した例は今までにない。本願の発明者は、今回ＴｉＷＮがＳｎの拡散に対してバリア性を有することを見いだした。またＴｉＷＮ膜を形成するときのスパッタリング装置内のＮ2 ガス組成比に着目し、ＴｉＷＮ膜のＳｎに対するバリア性を調べた。
試料としてＧａＡｓ基板上に厚さ０．１μｍのＳｉＯＮ層、厚さ０．０１μｍのＴｉ膜、厚さ１μｍのＡｕ層、厚さ０．０１μｍのＴｉ層、厚さ０．２〜０．４μｍのＴｉＷＮ層、厚さ０．０１μｍのＴｉ層、厚さ０．５μｍのＡｕ層、厚さ０．５μｍのＳｎ層の積層構造を用いた。
【００１１】
ＴｉＷＮ層の形成は、スパッタリング法で行い、チャンバー内の気体はＮ2 とＡｒの混合ガスを用いた。この混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）を２０％から６０％の範囲で変え、ＴｉＷＮ膜のＮの量を変えて形成した数種類の試料を準備した。
これらの試料を３５０°Ｃで１０分間の熱処理を行い、オージェ分析法を用いて各試料の厚さ方向の元素の分布を調べた。図５〜図７は、混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）がそれぞれ２０％、４０％、６０％の条件におけるＳｎの量の分布を示す図である。混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％より小さくなるような条件でＴｉＷＮ膜を形成した試料では、ＳｎがＴｉＷＮを通過して下層のＡｕ層に達してしまい、４０％以上で形成した試料ではＳｎがＡｕ層に達していないことが分かる。
【００１２】
このことから、フリップチップ実装のときにＳｎが拡散によって移動して下層の電極に到達してしまうことを防ぐためには、ＴｉＷＮ層特にガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％より大きくなるような条件で形成したＴｉＷＮ層をバリア層として用いれば良いことが分かる。
つぎに、混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）を変えて形成した上記の試料について、Ｘ線分光法を用いてＴｉＷＮ層中の原子の含有量の比を調べた。その結果、混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％より大きくなるような条件でＴｉＷＮ膜を形成した試料ではＴｉＷＮ層中のＮの含有量は３０％より大きく、混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％に満たない条件でＴｉＷＮ膜を形成した試料ではＴｉＷＮ層中のＮの含有量は３０％に満たないことが分かった。
【００１３】
このことから、フリップチップ実装のときにＳｎが拡散によって移動して下層の電極に到達してしまうことを防ぐためには、ＴｉＷＮ層特にＮの含有量が３０％より大きなＴｉＷＮ層をバリア層として用いれば良いことが分かる。
Ｎ2 の添加によってバリア性が変化する理由は必ずしも明確ではないが、ＴｉＷ膜は通常は多結晶構造であって柱状結晶の粒界が存在し、Ｓｎはこの粒界に沿って拡散すると考えられる。そして、ＴｉＷ膜を形成する過程でＮ2 を添加すれば、Ｎがこの粒界を埋めるような形になるためにＳｎが拡散しにくくなるのではないかと考えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図４は本願発明の実施の形態で用いたスパッタ装置の概略を示している。図中２０はスパッタ装置のチャンバ、２１、２２および２３はたとえばそれぞれＴｉ、ＴｉＷおよびＡｕからなるターッゲト、２４は真空ポンプ（省略されている）に接続される配管、２５はＮ2 を供給する系のバルブ、２６はＡｒを供給する系のバルブ、２７はＮ2 を供給する系の流量コントローラー、２８はＡｒを供給する系の流量コントローラーである。
【００１５】
Ｔｉの形成はＴｉターゲット２１とＡｒガスを用いて行う。ＴｉＷＮの形成はバルブ２５、２６を経由し流量コントローラー２７および２８を制御することでＮ2 とＡｒの組成比を決定し、ＴｉＷターゲット２２を用い、所望のＮを含むように行われる。同様にしてＴｉターゲット２１とＡｕターゲット２３を用い、Ａｒガスを用いてＴｉとＡｕ層を連続形成する。なお、Ｔｉ、ＴｉＷＮ、Ａｕの各層を形成するときは、Ｔｉターゲット２１、ＴｉＷＮターゲット２２、Ａｕターゲット２３のそれぞれに相対する位置にＧａＡｓ基板１を移動してスパッタリングする。
【００１６】
つぎに図１〜図４をもとに、本願発明の実施の形態を説明する。
図１は本願発明を用いたバンプ構造を表す断面図である。図中１はＧａＡｓ基板、２はたとえばＡｕなどからなる配線あるいは電極金属、３はバリアメタルを構成するＴｉ、４はバリアメタルを構成するＴｉＷＮ、５はＡｕメッキをするための種メタル層を構成するＴｉ、６はＡｕメッキの種メタルを構成するＡｕ、７はＡｕバンプである。なお、バリアメタル層を構成するＴｉ層３とメッキ種メタル層を構成するＴｉ層５はいずれも密着性を上げるために用いられている。
【００１７】
バリアメタル層４のＴｉＷＮ膜は、ガス組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上の中で、ＴｉＷターゲットを用いてスパッタリングによって形成したものである。図１の構造のＡｕバンプを持つ半導体チップをたとえばアルミナ基板にフリップチップ実装する際、基板側のＳｎ層とＡｕバンプ７との間でＡｕＳｎの共晶合金層を形成して接着することで、ダイシェア強度の大きな信頼性の高いフリップチップ実装が実現できる。このとき前記ＴｉＷＮ膜はＳｎに対する良好なバリアメタルとして働き、Ａｕバンプ７の上部に形成された共晶合金であるＡｕＳｎ層からのＳｎが、半導体チップの配線あるいは電極金属の中に拡散することを防止できる。
【００１８】
つぎに、図２の（Ａ）と（Ｂ）および図３の（Ｃ）と（Ｄ）の工程断面図と図４をもとに、図１に示したＡｕバンプ構造を形成するための工程の概略を説明する。図中８はフォトレジスト膜、９はＡｕメッキをするためのフォトレジスト８の開口部、１０はメッキ種メタル５、６を除去するためのイオン、１１はバリアメタル３、４を除去するためのイオンである。なお図中の図１と同じ番号は図１と同じものを表している。
【００１９】
まず図２（Ａ）に示すようにＧａＡｓ基板１上にたとえばＡｕからなる配線あるいは電極２を形成しＴｉターゲット用いたスパッタ法によりＴｉ層３を０．０１μｍ形成する。つぎにＮ2 とＡｒの混合ガスを供給し、ＴｉＷターゲットを用いてスパッタ法によりＴｉＷＮ層４を約０．２μｍ成長させる。このときＮ2 はたとえば３００  ＳＣＣＭ、Ａｒはたとえば２００  ＳＣＣＭの混合ガスを用い、混合ガスの組成比Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が６０％となるようにしている。
【００２０】
つぎにＡｒを用い、ＴｉターゲットとＡｕターゲットをそれぞれ用いてスパッタ法でＴｉ層５を０．０１μｍ、Ａｕ層６を０．１μｍ成長する。
スパッタ法で積層された各層は順に、Ｔｉ３、ＴｉＷＮ４、Ｔｉ５、Ａｕ６の４層メタル構造になる。なお、Ｔｉ３および５の各層は、ＴｉＷＮ層４と下地の配線あるいは電極２との間およびＡｕ層６とＴｉＷＮ層４との間の接着力を強めるために用いられている。
【００２１】
つぎに、図２（Ｂ）に示すように周知のフォトリソグラフィ法を用いてフォトレジスト８を塗布し多層膜上に開口部９を形成する。つづいて周知の電界メッキ法によって開口部９内に厚さ約２０μｍのＡｕバンプ７を形成する。つぎに図２（Ｃ）に示すようにフォトレジスト８を除去したあと、Ａｕバンプ７をマスクにしてイオンミリング法によＡｕ層６およびＴｉ層５を除去する。
【００２２】
つぎに、図２（Ｄ）に示すようにＡｕバンプ７をマスクにしてドライエッチング法によりバリアメタルＴｉＷＮ層４およびＴｉ層３を除去してバリア性の高いバンプ構造を持った半導体装置が完成する。
上記混合比で形成された約０．２μｍの厚さのＴｉＷＮ膜は、Ｓｎに対して完全なバリアとすることができる。したがってフリップチップ実装したときにＡｕバンプの上部に形成された共晶合金ＡｕＳｎ層からのＳｎが、半導体チップの配線あるいは電極金属の中に拡散することを防止でき、断線やコンタクト不良の起きにくい信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００２３】
なお、上記実施例ではＮ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が６０％の条件でＴｉＷＮを成膜したが、４０％以上の条件であれば効果があるので、同じように適用できる。またＮ2 の組成比を高くすれば、ＴｉＷＮ層中の粒界を埋めるＮの量が増加してＳｎの拡散を抑える効果はさらに高くなると考えられるが、スパッタ成長時にＮ2 の比率を上げることはＡｒの量を相対的に減らすことになり、スパッタリング速度が低下するために、ＴｉＷＮ膜の成長速度が下がるという問題点がある。
【００２４】
また、ＴｉＷＮ膜はその厚さが厚いほどＳｎに対するバリア性は高くなる。しかしながら、厚さ０．４μｍを越えたＴｉＷＮ膜は、剥がれやすくなったりあるいはひび割れが発生したりするという問題があり、できるだけ薄い層が望まれる。さらに、このＴｉＷＮ膜を形成したりあるいは除去するためのスパッタリングやドライエッチング時においても、薄いほうが処理時間を短縮できるなど加工性の点においても薄膜化が望まれる。このようにその厚さに対して上記のような制限があるため、たとえば剥がれやひび割れが発生せず、また加工性においても適当な厚さである約０．２μｍ程度のＴｉＷＮ膜が採用されている。
【００２５】
【発明の効果】
本願発明によれば、Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％以上の混合ガス中でスパッタリングすることにより、Ｓｎに対するバリア性の高いＴｉＷＮ層を得ることができ、さらにこのようなＴｉＷＮ層を用いたＡｕバンプ構造を形成することにより、フリップチップ実装に適した信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明を用いたバンプ構造の断面を説明する図である。
【図２】本願発明を用いたバンプを形成する工程を説明する図である。
【図３】本願発明を用いたバンプを形成する工程を説明する図である。
【図４】本願発明の実施の形態で用いたスパッタ装置の概略を説明する図である。
【図５】Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が２０％で形成したＴｉＷＮ層を持つ試料のオージェ分析結果を説明する図である。。
【図６】Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が４０％で形成したＴｉＷＮ層を持つ試料のオージェ分析結果を説明する図である。
【図７】Ｎ2 ／（Ｎ2 ＋Ａｒ）が６０％で形成したＴｉＷＮ層を持つ試料のオージェ分析結果を説明する図である。
【図８】従来のフリップチップ実装技術を説明する図である。
【図９】従来例の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板 
２ 配線あるいは電極 
３ Ｔｉ層 
４ ＴｉＷＮ層 
５  Ｔｉ層
６ Ａｕ層 
７  Ａｕメッキ層
８  フォトレジスト層
９  フォトレジストの開口部
１０  イオン
１１  イオン
２０  チャンバ
２１  Ｔｉターゲット
２２  ＴｉＷターゲット
２３  Ａｕターッゲト
２４  真空ポンプに接続される配管
２５  Ｎ2 を供給する系のバルブ
２６  Ａｒを供給する系のバルブ
２７  Ｎ2 を供給する系の流量コントローラー
２８  Ａｒを供給する系の流量コントローラー
【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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