(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上にアルミニウム電極を形成すると共にその周囲に当該アルミニウム電極の周囲を覆うようにして保護膜を形成する第１の工程と、
前記保護膜上にフォトレジスト膜を形成する第２の工程と、
前記保護膜およびフォトレジスト膜とで囲まれた前記アルミニウム電極上にニッケル層を無電解メッキにより形成する第３の工程と、
この無電解メッキ後に前記フォトレジスト膜を除去すると共にこのフォトレジスト膜の除去によって露出した前記ニッケル層上に金層を形成する第４の工程と、
前記ニッケル層を前記金層を介して溶融はんだに接触させる第５の工程とを備え、
前記第２の工程において、前記アルミニウム電極上の空間に位置する前記フォトレジスト膜に対して斜め方向から光を当てることによって当該アルミニウム電極上の空間を円錐台状に形成することを特徴とする半導体装置用パット電極部の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置用パット電極部の構造及びその製造方法に係り、特に半球状のはんだバンプを有するＦＣ（flip chip ）やＢＧＡ（ball grid array ）などに用いられる半導体装置用パット電極部の構造及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化及び薄型化に伴い、電子部品の高密度実装技術が急速に進展している。この高密度実装を実現する半導体装置として、半球状のはんだバンプを有するものが広く使われている。図６は、このような従来の半導体装置を示す断面図である。
【０００３】
この図６において、半導体装置８０は、半導体チップ８２上に形成されたパッド電極８４と、パッド電極８４上に形成されたはんだバンプ８８とを備えている。パッド電極８４は、半導体チップ８２上に形成されたアルミニウム電極８４０と、アルミニウム電極８４０上に形成されたニッケル層８４１と、ニッケル層８４１上に形成された金層８４２とからなる。ニッケル層８４１及び金層８４２はＵＢＭ（under barrier metal ）層を構成する。はんだバンプ８８は錫合金からなる。半導体チップ８２上のパッド電極８４以外の部分は、保護膜９０で覆われている。
【０００４】
図７及び図８に、半導体チップ８２のパッド電極８４上に形成されるはんだバンプ８８の形成方法を示す。
【０００５】
この図７及び図８によると、まず、半導体チップ８２上にアルミニウム電極８４０を形成し、アルミニウム電極８４０以外の部分にポリイミド樹脂によって保護膜９０を形成する（図７［１］）。これらは、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成される。続いて、アルミニウム電極８４０表面にジンケート処理を施した後に、無電解めっき法を用いてアルミニウム電極８４０上にニッケル層８４１及び金層８４２を形成する（図７［２］）。ＵＢＭ層（ニッケル層８４１及び金層８４２）を設ける理由は、アルミニウム電極８４０にはんだ濡れ性を付与するためである。最後に、図７［２］に示すパッド電極８４を溶融はんだ９２に接触させることにより、パッド電極８４上にはんだバンプ８８を形成する（図８及び図７［３］）。このようにして得られた半導体装置８０は、はんだバンプ８８を介して、他の半導体チップや配線板に電気的及び機械的に接続される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体装置８０の更なる微細化によって、パッド電極８４の面積もますます小さくなっている。しかしながら、パッド電極８４の面積が小さくなればなるほど、はんだ濡れ性が低下して、はんだバンプ８８を形成できない場合が生じてきた。
【０００７】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、面積の小さいパッド電極上にも、はんだバンプを確実に形成できる半導体装置用パット電極部の構造及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、パッド電極の面積が小さいほど、はんだ濡れ性が低下する現象について、実験及び考察を繰り返すことにより次の知見を得た。
【０００９】
パッド電極の面積が小さいほど、そのパッド電極に接触する溶融はんだの表面積も小さくなる。その結果、パッド電極に接触する溶融はんだの凝集力（即ち、表面張力によって球になろうとする力）が大きくなるので、パッド電極に対する溶融はんだの付着力が小さくなる。このことは、例えばハスやサトイモの葉の上の水玉が小さいほど真球に近くなることからも、容易に理解できる。これが、パッド電極の面積が小さいほど、はんだ濡れ性が低下する理由と考えられる。
【００１０】
本発明は、この知見に基づきなされたものである。即ち、上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置用パット電極部の構造は、半導体チップ上に形成されたパッド電極と、このパッド電極上に形成された半球状のはんだバンプとにより構成されて成る半導体装置用パット電極部であって、前記パッド電極を、当該パッド電極の表面に垂直な面で断面した場合に、その断面形状が前記半導体チップに向かって幅広になるような等脚台形状に形成する、という構成を採っている。
【００１１】
この場合、このパッド電極自体が凸状体となっているので、その先端に力が集中することから溶融はんだの凝集力に打ち勝って、パッド電極が溶融はんだ中に入り込む。したがって、パッド電極と溶融はんだとの界面に、合金層が形成される。更に、パッド電極の側壁にもはんだが盛られるので、はんだバンプのはんだ量も増加する。
【００１２】
又、上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置用パット電極部の構造は、半導体チップ上に形成されたパッド電極と、このパッド電極上に形成された半球状のはんだバンプとにより構成されて成る半導体装置用パット電極部であって、前記パッド電極を、前記半導体チップに保持されているアルミニウム電極と、このアルミニウム電極上に積層されたニッケル層と、このニッケル層上に積層された金層とにより構成し、前記ニッケル層の断面を台形状としたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、前述したニッケル層は、前記アルミニウム電極に無電解メッキの手法により積層されたものであってもよい。
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体装置用パット電極部の形成方法は、半導体チップ上にアルミニウム電極を形成すると共にその周囲に当該アルミニウム電極の周囲を覆うようにして保護膜を形成する第１の工程と、前記保護膜上にフォトレジスト膜を形成する第２の工程と、前記保護膜およびフォトレジスト膜とで囲まれた前記アルミニウム電極上にニッケル層を無電解メッキにより形成する第３の工程と、この無電解メッキ後に前記フォトレジスト膜を除去すると共にこのフォトレジスト膜の除去によって露出した前記ニッケル層上に金層を形成する第４の工程と、前記ニッケル層を前記金層を介して溶融はんだに接触させ、これにより、当該ニッケル層上に金層を介してはんだバンプを形成する第５の工程とを備える。
【００１５】
更に、この半導体装置用パット電極部の形成方法は、前述した第２の工程において、前記アルミニウム電極上の空間に位置する前記フォトレジスト膜に対して斜め方向から光を当てることによって当該アルミニウム電極上の空間を円錐台状に形成する、という構成を採っている（請求項１）
【００１８】
（削除）
【００１９】
（削除）
【００２０】
（削除）
【００２１】
本発明者は、等脚台形の脚と底辺とのなす角度が様々なパッド電極を作成し、その角度とはんだバンプの形状との関係を調べた（このとき、スクリーン印刷又ははんだボールによって、パッド電極上にはんだバンプを形成したので、はんだバンプのはんだ量は一定とした）。その結果、等脚台形の脚と底辺とのなす角度を例えば０°から９０°まで変化させると、はんだバンプの高さは徐々に増加しある角度で最大値となって減少に転ずることが明らかになった。したがって、この現象を利用することにより、同じはんだ量でも高さの異なるはんだバンプが得られることを見いだした。
【００２２】
【発明の実施の形態】
最初に、本発明にかかる半導体装置用パット電極部の構造として発明者が同時に考案した周辺技術について説明し、その後に、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る半導体装置用パット電極部の構造における周辺技術の一例を示す断面図である。
この図１において、符号１０は半導体装置を示し、符号１２は半導体装置チップを示す。この半導体チップ１２のパッド電極１４上の一部１６１に突設された凸状体１８と当該凸状体１８上及び前記パッド電極１４上の残部１６２に形成されたはんだバンプ２０とにより、パット電極部が構成されている。パッド電極１４は、アルミニウム電極１４０、ニッケル層１４１及び金層１４２からなる。ニッケル層１４１及び金層１４２はＵＢＭ層である。凸状体１８は銅からなり、はんだバンプ２０は共晶はんだからなる。半導体チップ１２上のパッド電極１４以外の部分は、保護膜２２で覆われている。
【００２４】
パッド電極１４は、直径が５０μｍ程度の円板状である。ニッケル層１４１及び金層１４２（ＵＢＭ層）は、パッド電極１４のはんだ濡れ性を高めるために設けられている。凸状体１８の断面形状は、先端に力を集中させるために台形状又は三角形状が好ましい。
【００２５】
図２及び図３は、半導体装置１０の製造方法を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。
【００２６】
まず、アルミニウムによってアルミニウム電極１４０を形成し、ポリイミド樹脂や酸化膜によって保護膜２２を形成する（図２［１］）。これらは、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成される。続いて、アルミニウム電極１４０上にニッケル層１４１及び金層１４２を形成する（図２［２］）。このとき、アルミニウム電極１４０表面にジンケート処理を施した後に、無電解めっき法を用いてニッケル層１４１及び金層１４２を形成する。
【００２７】
続いて、パッド電極１４上の一部に凸状体１８を突設する（図２［３］）。例えば、パッド電極１４上及び保護膜２２上に銅をスパッタリングやめっきなどで成膜し、その上にフォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンを用いて銅をエッチングし、最後にフォトレジストパターンを除去することにより、凸状体１８を形成することができる。この銅をエッチングする際に、ウェットエッチングなどの等方性エッチングを用いれば、断面が台形状又は三角形状の鋭利な凸状体１８が容易に得られる。
【００２８】
最後に、図２［３］に示す状態の半導体チップ１２を溶融はんだ２４に浸漬することにより、パッド電極１４上にはんだバンプ２０を形成する（図３及び図２［４］）。このようにして得られた半導体装置１０は、はんだバンプ２０を介して、他の半導体チップや配線板に電気的及び機械的に接続される。
【００２９】
パッド電極１４の一部に凸状体１８を設ければ、凸状体１８の先端に力が集中するので、溶融はんだ２４の凝集力に打ち勝って、凸状体１８が溶融はんだ２４中に入り込む。これに引きずられるように、パッド電極１４も溶融はんだ２４に接触する。したがって、凸状体１８と溶融はんだ２４との界面及びパッド電極１４と溶融はんだ２４との界面に、合金層（図示せず）が形成される。また、凸状体１８は溶融はんだ２４表面の酸化膜（図示せず）を突き破る作用もあるので、これによってもはんだ濡れ性が向上する。更に、凸状体１８の側壁にもはんだが盛られるので、はんだバンプ２０のはんだ量も増加する。
【００３０】
なお、凸状体１８は、はんだバンプ２０と同じ融点のはんだ、又ははんだバンプ２０よりも高い融点のはんだからなるものとしてもよい。この場合も同様の作用及び効果を奏するが、製造された半導体装置１０には凸状体１８がない。この凸状体１８は、はんだバンプ２０内に溶融してしまうからである。
【００３１】
図４は、本発明に係る半導体装置用パット電極部の構造の他の周辺技術の一例を示す断面図である。
以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００３２】
図４において、半導体装置３０は、パッド電極３２の周囲が保護膜２２によって覆われ、パッド電極３２の表面３４が保護膜２２の表面から突出し、パッド電極３２上にはんだバンプ３６が形成されたものである。パッド電極３２は、その表面３４の周囲に保護膜２２の表面から突出する側壁３８を有する。パッド電極３２の表面３４に垂直な、パッド電極３２の断面が四角形状である。パッド電極３２の表面３４及び側壁３８に、はんだ濡れ性を向上させる金メッキ（金層３２２）が施されている。本実施形態の半導体装置３０によれば、パッド電極３２自体が前述した凸状体になっているので、前述した凸状体と同様の作用及び効果を奏する。
【００３３】
次に、半導体装置３０の製造方法の一例について説明する。まず、半導体チップ２２上にアルミニウム電極１４０を形成する。続いて、アルミニウム電極１４０の周囲に保護膜２２を形成する（第１の工程）。続いて、保護膜２２上にフォトレジスト膜（図示せず）を形成する（第２の工程）。続いて、アルミニウム電極１４０上の保護膜２２及びフォトレジスト膜で囲まれた空間に、ニッケル層３２１を無電解メッキにより形成する（第３の工程）。続いて、フォトレジスト膜を除去することにより、パッド電極３２の表面３４が保護膜２２の表面から突出した構造が得られる。続いて、ニッケル層３２１上に金層３２２を無電解メッキにより形成する（第４の工程）。最後に、パッド電極３２を溶融はんだ（図示せず）に接触させることにより、パッド電極３２上にはんだバンプ３６を形成する（第５の工程）。
【００３４】
また、パッド電極４２は次のように形成してもよい。まず、保護膜２２上にニッケルをスパッタリングや蒸着などで成膜し、その上にフォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンを用いてニッケルをエッチングし、最後にフォトレジストパターンを除去する。このニッケルをエッチングする際に、ＲＩＥ（reactive ion etching）などの異方性エッチングを用いれば、断面が四角状のニッケル層３２１が容易に得られる。
【００３５】
次に、本発明にかかる半導体装置用パット電極部の構造の一実施形態を、図５に基づいて説明する。ここで、図４と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
最初に、本発明者が本発明を完成するに至った知見について開示する。
本発明者は、等脚台形の脚と底辺とのなす角度が様々なパッド電極を作成し、その角度とはんだバンプの形状との関係を調べた（このとき、スクリーン印刷又ははんだボールによって、パッド電極上にはんだバンプを形成したので、はんだバンプのはんだ量は一定とした）。その結果、等脚台形の脚と底辺とのなす角度を例えば０°から９０°まで変化させると、はんだバンプの高さは徐々に増加しある角度で最大値となって減少に転ずることが明らかになった。したがって、この現象を利用することにより、同じはんだ量でも高さの異なるはんだバンプが得られることを見いだした（段落番号００２１参照）。
【００３６】
本実施形態における半導体装置４０は、パッド電極４２の周囲が保護膜２２によって覆われ、パッド電極４２の表面４４が保護膜２２の表面から突出し、パッド電極４２上にはんだバンプ４６が形成されたものである。パッド電極４２は、その表面４４の周囲に保護膜２２の表面から突出する側壁４８を有する。パッド電極４２の表面４４に垂直な、パッド電極４２の断面が等脚台形状である。パッド電極４２の表面４４及び側壁４８に、はんだ濡れ性を向上させる金メッキ（金層４２２）が施されている。本実施形態の半導体装置４０によれば、パッド電極４２自体が前述した凸状体になっているので、前述した周辺技術における凸状体と同様の作用及び効果を奏する。
【００３７】
半導体装置４０の製造方法は前述した他の周辺技術に準ずる（段落番号「００２６」乃至「００２８」参照）。
ただし、ニッケル層４２１を無電解メッキにより形成する際に、ニッケル層４２１を円錐台状に成長させる必要がある。そのため、このときに使用されるフォトレジスト膜には、斜め方向から光を当てるなどの方法によって、円錐台状の開口部が形成されている（空間側壁加工工程）。
【００３８】
また、パッド電極４２は次のように形成してもよい。まず、保護膜２２上にニッケルをスパッタリングや蒸着などで成膜し、その上にフォトレジストパターンを形成し、このフォトレジストパターンを用いてニッケルをエッチングし、最後にフォトレジストパターンを除去する。このニッケルをエッチングする際に、ウェットエッチングなどの等方性エッチングを用いれば、断面が台形状のニッケル層４２１が容易に得られる。
【００３９】
更に、本発明者は、等脚台形の脚と底辺とのなす角度θが様々なパッド電極４２を作成し、パッド電極４２を溶融はんだ（図示せず）に接触させてはんだバンプ４６を形成し、角度θとはんだバンプ４６のはんだ量ｖ及び高さｈ２との関係を調べた。
その結果、角度θを例えば０°から９０°まで変化させると、はんだバンプ４６のはんだ量ｖ及び高さｈ２は徐々に増加しある角度θmax で最大値となって減少に転ずることが明らかになった。従って、この現象を利用することにより、同じパッド電極４２の面積でもはんだ量ｖ及び高さｈ２の異なるはんだバンプ４６が得られる。尚、角度θが９０°の場合が図４に示すパッド電極３２であり、そのときのはんだバンプ３６の高さがｈ１（＜ｈ２）である。
【００４０】
尚、本実施形態において、はんだバンプは、無鉛はんだ等を用いてもよい。半導体チップ（ＦＣ）の代わりに、配線板（ＢＧＡ）を用いてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成され機能するので、これによると、パッド電極を断面等脚台形状に形成したので、図５からも明らかのように側壁周囲にもはんだが盛られることから、はんだバンプのはんだ量も増加でき、これがため、面積の小さいパッド電極上にも、はんだバンプを確実に形成できるという従来にない優れた半導体装置用パット電極部の構造及びその製造方法を提供することができる。
【００４２】
尚、凸状体の断面が台形状である場合は、凸状体の先端に力がより集中するので、はんだ濡れ性をより向上できることが、本発明を完成するに至った背景で知見し得ることとなった。
【００４３】
更に、凸状体となる材料をフォトレジストパターンで保護しつつ等方性エッチングすることにより、フォトレジストパターン下のサイドエッチングを利用して凸状体の断面を台形状に容易に形成できることも知り得た。
【００４４】
又、上述した周辺技術および実施形態によれば、パッド電極の周囲が前述したように保護膜によって覆われ、パッド電極の表面が保護膜の表面から突出し、パッド電極上にはんだバンプが形成されていることにより、凸状のパッド電極の角部が溶融はんだ中に容易に入り込み、これによりパッド電極も溶融はんだに容易に接触するので、はんだ濡れ性を向上できる。また、凸状のパッド電極の角部が溶融はんだ表面の酸化膜を突き破るので、これによってもはんだ濡れ性を向上できる。更に、凸状のパッド電極の側壁にもはんだが盛られるので、はんだバンプのはんだ量も増加できる。これらの相乗作用によって、面積の小さいパッド電極上にも、はんだバンプを確実に形成できる。
【００４５】
また、凸状のパッド電極の断面が台形状である場合は、凸状のパッド電極の先端に力がより集中するので、はんだ濡れ性をより向上できる。
【００４６】
更に、パッド電極の表面に垂直なパッド電極の断面が等脚台形状である場合に、等脚台形の脚と底辺とのなす角を変えてはんだバンプの形状を変えることにより、同じはんだ量に対して高さの異なるはんだバンプを得ることができる。このとき、パッド電極を溶融はんだに接触させてはんだバンプを形成することにより、同じパッド電極の面積でもはんだ量及び高さの異なるはんだバンプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にかかる半導体装置用パット電極部として発明者が同時に考案した周辺技術を示す断面図である。
【図２】  図１における半導体装置用パット電極部の製造方法（実装方法）を示す断面図であり、図２［１］〜図２［４］の順に工程が進行する。
【図３】  図１おける半導体装置用パット電極部の製造方法（実装方法）における一工程を示す断面図である。
【図４】  本発明にかかる半導体装置用パット電極部として発明者が同時に考案した他の周辺技術を示す断面図である。
【図５】  本発明にかかる半導体装置用パット電極部の構造を示す断面図である。
【図６】  従来例を示す断面図である。
【図７】  図６の従来例における半導体装置の製造方法を示す断面図であり、図７［１］〜図７［３］の順に工程が進行する。
【図８】  図６の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０，３０，４０  半導体装置
１２  半導体チップ
１４，３２，４２  パッド電極
１６１  パッド電極上の一部
１６２  パッド電極上の残部
１８  凸状体
２０，４６  はんだバンプ
３４，４４  パッド電極の表面
３６  はんだバンプ
３８，４８  パッド電極の側壁
４２１  ニッケル層
【図１】
0004047065.tif 000002
【図２】
0004047065.tif 000003
【図３】
0004047065.tif 000004
【図４】
0004047065.tif 000005
【図５】
0004047065.tif 000006
【図６】
0004047065.tif 000007
【図７】
0004047065.tif 000008
【図８】
0004047065.tif 000009