JP3400263B2 - Semiconductor device, circuit wiring board, and semiconductor device mounting structure - Google Patents
Semiconductor device, circuit wiring board, and semiconductor device mounting structureInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、回路配線
基板、およびそれらをフリップチップ実装技術により接
続した半導体装置実装構造体に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, a circuit wiring board, and a semiconductor device mounting structure in which they are connected by a flip chip mounting technique.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、半導体装置は高集積化が進行し、
その実装技術も高密度化が求められている。半導体装置
の高密度実装技術の代表的なものとして、ワイヤーボン
ディング技術、TAB技術などが挙げられるが、最も高
密度の実装技術として、近年、フリップチップ実装技術
が、コンピュータ機器などの半導体装置を高密度に実装
する技術として多く用いられるようになっている。例え
ば、図16に示すようなフリップチップ実装技術は、米
国特許第3401126号公報、米国特許第34290
40号公報等に開示されて以来、広く知られるに至って
いる。2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices have been highly integrated,
The packaging technology is also required to have high density. Wire-bonding technology and TAB technology are typical of high-density mounting technology for semiconductor devices. In recent years, flip-chip mounting technology has been used as the highest-density mounting technology for semiconductor devices such as computer equipment. It has come to be widely used as a technique for mounting at high density. For example, flip-chip mounting technology as shown in FIG. 16 is disclosed in US Pat. No. 3,401,126 and US Pat. No. 34290.
Since it was disclosed in Japanese Patent Publication No. 40, etc., it has become widely known.
【0003】フリップチップ実装技術では、半導体装置
1の構成材料と、半導体装置1を実装する回路配線基板
21の構成材料とが異なるため、熱膨張係数の相異に起
因する変位が半導体装置1と回路配線基板21に発生す
る。発生した半導体装置1と回路配線基板21の変位
は、半導体装置1と回路配線基板21とを接続するバン
プ電極8に応力歪を発生させる。この応力歪は、フリッ
プチップ実装するバンプ電極8を破壊し、信頼性寿命を
低下させるため、これまで、以下に示す様な方法を用い
て応力歪の緩和が図られてきた。In the flip-chip mounting technology, the constituent material of the semiconductor device 1 and the constituent material of the circuit wiring board 21 on which the semiconductor device 1 is mounted are different, so that the displacement caused by the difference in the thermal expansion coefficient is different from that of the semiconductor device 1. It occurs on the circuit wiring board 21. The generated displacement of the semiconductor device 1 and the circuit wiring board 21 causes stress strain in the bump electrodes 8 connecting the semiconductor device 1 and the circuit wiring board 21. This stress strain destroys the bump electrode 8 to be flip-chip mounted and shortens the reliability life. Therefore, the stress strain has been relaxed so far by using the following method.
【0004】例えば、バンプ電極の配置を変更して半導
体装置の中心点からバンプ電極の中心点までの距離を小
さくしたり、回路配線基板の材料を考慮して熱膨張係数
を半導体装置の熱膨張係数と類似または一致させたり、
特開昭58−23462号公報に示すように、フリップ
チップ実装した半導体装置の温度変化を小さくしたり、
特開昭61−194732号公報に示すように、半導体
装置と回路配線基板の隙間に樹脂を充填することが行わ
れてきた。For example, the arrangement of the bump electrodes may be changed to reduce the distance from the center point of the semiconductor device to the center point of the bump electrode, or the coefficient of thermal expansion of the semiconductor device may be set in consideration of the material of the circuit wiring board. Similar to or match the coefficient,
As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 58-23462, it is possible to reduce the temperature change of a semiconductor device mounted by flip chip,
As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-194732, resin has been filled in the gap between the semiconductor device and the circuit wiring board.
【0005】更に、バンプ電極自体を応力歪に対して強
固な構造にする提案も行われてきた。特に、マイクロエ
レクトロニクス パッケ−ジング ハンドブック(Micr
oelectronics Packaging Handbook )に記載されている
ように、フリップチップ実装構造のバンプ電極に加わる
応力歪は、バンプ高さに反比例して減少し、接続信頼性
はバンプ高さと共に増加するため、信頼性を向上させる
ため、バンプ高さを高くする提案が多く行われてきた。Further, it has been proposed that the bump electrode itself has a structure that is strong against stress strain. In particular, Microelectronics Packaging Handbook (Micr
o Electronics Packaging Handbook), stress strain applied to bump electrodes of flip chip mounting structure decreases in inverse proportion to bump height, and connection reliability increases with bump height. Many proposals have been made to increase the bump height in order to improve the bump height.
【0006】バンプ高さを高くする方法としては、特開
昭62−117346号公報に記載されているように、
ポリイミドテープを介在させた多段構造のバンプ電極構
造とすることが代表的であるが、ポリイミドテープを用
いると、バンプ形成が複雑であり、高度な技術を要する
と共に、多段化に伴い工程数が増加して、電極形成に費
やすためのコストが高くなるという問題があった。As a method for increasing the bump height, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 62-117346,
It is typical to use a bump electrode structure with a multi-stage structure in which a polyimide tape is interposed, but when a polyimide tape is used, bump formation is complicated, high technology is required, and the number of processes increases as the number of stages increases. Then, there is a problem that the cost for forming the electrode becomes high.
【0007】そこで、バンプ電極中に柱材となる金属を
形成して、この金属をスタンドオフとして用い、バンプ
高さを高くすることが提案されてきた。Therefore, it has been proposed to form a metal as a pillar material in the bump electrode and use this metal as a standoff to increase the bump height.
【0008】米国特許第3303093号には、銅ボー
ルをはんだ中に配置した構造が記載されている。この構
造によれば、銅ポールがスタンドオフとして作用し、バ
ンプ電極高さを高くすることができる。また、特開平5
−235102号公報には、マッシュルーム型の銅柱材
を配置した構造が記載されている。この構造によればマ
ッシュルーム型の銅柱材の高さを高くすることにより、
バンプ電極高さをこれまで以上に高くすることが可能で
ある。更に、特開昭60−57957公報では、アスペ
クト比の高い銅ポールをバンプ金属中に配置して高さの
高いバンプを形成すると共に、バンプ形状をつづみ型に
して信頼性を向上させる提案が行われている。US Pat. No. 3,030,093 describes a structure in which copper balls are placed in the solder. According to this structure, the copper pole acts as a standoff, and the bump electrode height can be increased. In addition, JP-A-5
Japanese Patent No. 235102 discloses a structure in which mushroom-type copper pillars are arranged. According to this structure, by increasing the height of the mushroom type copper pillar material,
It is possible to make the bump electrode height higher than ever. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 60-57957 proposes that a copper pole having a high aspect ratio is arranged in a bump metal to form a bump having a high height, and a bump shape is formed into a staggered shape to improve reliability. Has been done.
【0009】更に、1992年電子情報通信学会秋期大
会予稿集pp5−pp13には、図17に示すように、
バンプ電極8の内部に配置する銅柱材5の形状を逆台形
にして上面を湾曲させることにより接続強度を向上させ
る方法が提案されている。Further, in the proceedings pp5-pp13 of the 1992 Autumn Meeting of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, as shown in FIG.
There has been proposed a method of improving the connection strength by making the shape of the copper pillar material 5 arranged inside the bump electrode 8 into an inverted trapezoid and curving the upper surface.
【0010】これらの提案構造の多くによると、バンプ
電極8の高さを高くできるため、信頼性寿命をある程度
まで向上させることが可能となった。しかしながら、近
年のハイエンドのスーパーコンピュータなど、極めて高
い信頼性が要求される場合には、信頼性の観点から、必
ずしも充分な方法ではなかった。According to many of these proposed structures, since the bump electrode 8 can be increased in height, the reliability life can be improved to some extent. However, in the case where extremely high reliability is required such as high-end supercomputers in recent years, it is not always a sufficient method from the viewpoint of reliability.
【0011】これは、バンプ電極8の高さを高くするた
めに、バンプ電極8内に銅から構成される柱材5を配置
すると、バンプ電極8が微細な場合、柱材金属5に内在
する残留応力が特に顕在化して、バリアメタル剥離によ
るバンプ金属8の破壊を引き起こしていたためである。This is because when the pillar material 5 made of copper is arranged in the bump electrode 8 in order to increase the height of the bump electrode 8, when the bump electrode 8 is fine, it is present in the pillar material metal 5. This is because the residual stress is particularly noticeable and causes the bump metal 8 to break due to the peeling of the barrier metal.
【0012】そこで、特願平7−7079号公報では、
図18に示すように、半導体チップ上の微細なバンプ電
極の高さを高くするための柱材部分5に、10-4重量%
〜40重量%の炭素、10-4重量%〜30重量%の硫
黄、10-4重量%〜10重量%の酸素を含有させ、バン
プ電極8の材料構成を適切化することにより、信頼性を
向上させることが提案されている。Therefore, in Japanese Patent Application No. 7-7079,
As shown in FIG. 18, the pillar material portion 5 for increasing the height of the fine bump electrode on the semiconductor chip has a concentration of 10 −4 wt%.
-40% by weight of carbon, 10 -4 % by weight to 30% by weight of sulfur, 10 -4 % by weight to 10% by weight of oxygen, and by optimizing the material configuration of the bump electrode 8, reliability is improved. It is proposed to improve.
【0013】この方法によれば、これまでの方法に比較
して、ある程度まで信頼性を向上させることが可能であ
るが、熱膨張係数の異なる材料から構成される金属間に
発生する応力歪がバンプ電極内の柱材表面に集中的に加
わり、バンプ電極の柱材自体が破壊されるという問題が
新たに発生し、はんだ7と柱材5の界面で、図19に示
すような金属間剥離10が発生するという問題が起きて
いた。この問題は、柱材5に銅、接続金属7にPb/S
nはんだを用いているため、はんだ7と銅5の界面でC
u−Sn金属間化合物が形成されることが原因の一つに
もなっていた。また、近年の半導体集積回路の発達によ
り、回路配線基板内の配線も高密度化の方向にあり、種
々の方法を用いた微細化が進んでいる。しかしながら、
薄膜配線を微細に加工した場合、配線断面積が減少し、
これによって配線抵抗が増加するため、高速な信号伝送
を必要とする配線に適応することができなかった。According to this method, the reliability can be improved to some extent as compared with the conventional methods, but the stress strain generated between the metals composed of the materials having different thermal expansion coefficients is reduced. A new problem arises in that the pillar material surface of the bump electrode is intensively applied and the pillar material of the bump electrode itself is destroyed. At the interface between the solder 7 and the pillar material 5, intermetallic peeling as shown in FIG. There was a problem that 10 occurred. The problem is that the pillar material 5 is copper and the connecting metal 7 is Pb / S.
Since n solder is used, C at the interface between solder 7 and copper 5
It was also one of the causes that the u-Sn intermetallic compound was formed. Further, with the recent development of semiconductor integrated circuits, the wiring in the circuit wiring board is also in the direction of higher density, and miniaturization using various methods is progressing. However,
When the thin film wiring is finely processed, the wiring cross-sectional area decreases,
As a result, the wiring resistance increases, so that it cannot be applied to wiring that requires high-speed signal transmission.
【0014】この問題を解決する方法として、配線形成
部以外の部分をレジストにより被覆して電気メッキを行
う、パターンメッキ法が特公平2−40233号公報に
開示されている。As a method for solving this problem, Japanese Patent Publication No. 2-40233 discloses a pattern plating method in which a portion other than the wiring formation portion is covered with a resist and electroplated.
【0015】しかし、この方法によると、得られるメッ
キ膜厚は基板の表面状態に強く依存するため、メッキ膜
表面粗さが基板の表面粗さよりも大きくなる。更に、メ
ッキ膜の内部応力が大きくなり、配線が剥離したり、膜
中にクラックなどの欠陥が生じるという問題が生ずる。However, according to this method, the obtained plating film thickness strongly depends on the surface condition of the substrate, so that the surface roughness of the plating film becomes larger than the surface roughness of the substrate. Furthermore, the internal stress of the plated film becomes large, causing problems such as peeling of wiring and defects such as cracks in the film.
【0016】この問題は、メッキ膜の表面粗さを小さく
し、機械的性質も向上させる有機物を添加したメッキ液
を用いることにより解決されてきた。This problem has been solved by using a plating solution containing an organic substance that reduces the surface roughness of the plating film and improves the mechanical properties.
【0017】ところがこの方法を用いると、メッキ膜が
レジストパターンの側壁部分で厚くなり、均一な膜厚が
得られないという問題が発生していた。更に、物性の不
連続部分が形成されるため、配線にクラックが発生しや
すくなり、配線全体としての信頼性が低下するという問
題もあった。これらの問題は、メッキ配線と低誘電率ポ
リイミド絶縁膜を組み合わせて積層形成するMCM−D
のような場合に、特に顕在化していた。これは、基板全
体においてメッキ配線膜厚が一定でない場合、配線上に
形成されるビア金属の寸法を一定にすることが困難にな
り、多層配線金属を確実に電気的に接続することができ
なくなるためである。However, when this method is used, the plating film becomes thicker on the side wall portion of the resist pattern, and there is a problem that a uniform film thickness cannot be obtained. Further, since the discontinuous portion of the physical properties is formed, the wiring is likely to be cracked, and there is a problem that the reliability of the wiring as a whole is lowered. These problems are caused by MCM-D in which plated wiring and a low dielectric constant polyimide insulating film are combined to form a laminate.
In such cases, it was particularly apparent. This is because if the plating wiring film thickness is not constant over the entire substrate, it becomes difficult to make the size of the via metal formed on the wiring constant, and it becomes impossible to reliably electrically connect the multilayer wiring metal. This is because.
【0018】異なる多層配線層間の回路配線を電気的に
安定に接続するための方法が、特公平2−40233号
公報において提案されているが、工程数の増加及び歩留
りの低下を招くと共に、コスト高になるため、必ずしも
充分なものではなかった。A method for electrically and stably connecting circuit wirings between different multi-layer wiring layers is proposed in Japanese Patent Publication No. 2-40233, but it causes an increase in the number of steps and a decrease in yield and a cost reduction. It wasn't always enough because it would be high.
【0019】そこで、特願平6−19314号公報で
は、図20に示すような、銅及びニッケルを50重量%
以上含む材料から構成される配線23a,23b中に炭
素、及び硫黄を平均的に分散配置させる方法が提案され
た。Therefore, in Japanese Patent Application No. 6-19314, 50% by weight of copper and nickel as shown in FIG. 20 is used.
A method has been proposed in which carbon and sulfur are dispersed and arranged on average in the wirings 23a and 23b made of the above-described materials.
【0020】この方法によれば、メッキ膜厚及び機械的
性質に影響するメッキ膜中の炭素及び硫黄濃度をパター
ンの幅方向において均一にしているため、配線23a,
23bの幅寸法に依存せず、膜厚を基板全体で均一にす
ることができる。従って、配線23a,23bの機械的
性質も均質にでき、基板21全体としての膜厚分布も小
さくできるため、熱サイクルに対して強固な高い信頼性
を有する回路配線基板21を形成することが可能になる
ものである。According to this method, the carbon concentration and the sulfur concentration in the plating film, which affect the plating film thickness and the mechanical properties, are made uniform in the width direction of the pattern.
The film thickness can be made uniform over the entire substrate regardless of the width dimension of 23b. Therefore, the mechanical properties of the wirings 23a and 23b can be made uniform, and the film thickness distribution of the substrate 21 as a whole can be made small, so that it is possible to form the circuit wiring substrate 21 that is robust against thermal cycles and has high reliability. It will be.
【0021】この方法を多層配線基板に適応した場合、
ある程度までは信頼性を確保できるが、長期的な信頼性
試験を行い、その不良モードを解析したところ、図21
に示すような、回路配線金属23a表面でマイクロクラ
ック20が発生しており、部分的に配線がオープンにな
っているところがあった。更に、多層配線に接続される
配線でもあるビア金属23b部分でもクラック20が発
生しており、ビア接続がオープンになり、信頼性は必ず
しも充分なものではなかった。When this method is applied to a multilayer wiring board,
Although the reliability can be secured to some extent, a long-term reliability test was performed and the failure mode was analyzed.
In some cases, the microcracks 20 were generated on the surface of the circuit wiring metal 23a and the wiring was partially open, as shown in FIG. Further, the crack 20 is generated also in the via metal 23b portion which is also the wiring connected to the multilayer wiring, the via connection is opened, and the reliability is not always sufficient.
【0022】従って、これまでの方法を用いてフリップ
チップ実装した半導体装置構造体を搭載した電子機器
は、信頼性を充分に確保することができず、ハイエンド
のスーパーコンピュータなどの、極めて高い信頼性が要
求される電子機器に適応することには問題があった。Therefore, the electronic equipment mounted with the semiconductor device structure flip-chip mounted by using the conventional method cannot secure the reliability sufficiently, and the extremely high reliability of the high-end supercomputer and the like. There was a problem in adapting to the electronic equipment that is required.
【0023】[0023]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、半導体
チップ上に形成されるバンプ電極と回路配線基板の電極
パッドとを相互接続するフリップチップ実装では、熱膨
張係数の相異に起因する応力歪がバンプ電極に集中し、
バンプ電極の破壊を発生させていた。As described above, in the flip-chip mounting in which the bump electrodes formed on the semiconductor chip and the electrode pads of the circuit wiring board are interconnected, the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient is increased. Strain concentrates on the bump electrode,
The bump electrodes were broken.
【0024】このため、応力歪を緩和して接続信頼性向
上させるための方法がこれまで多く提案されてきたが、
例えば、バンプ電極の高さを高くするためバンプ電極中
に銅からなる剛性柱材金属を配置すると、柱材金属に内
在する残留応力が顕在化してバリアメタル剥離によるバ
ンプ電極破壊を引き起こしていた。Therefore, many methods have been proposed so far for alleviating the stress strain and improving the connection reliability.
For example, when a rigid pillar material metal made of copper is arranged in the bump electrode to increase the height of the bump electrode, the residual stress inherent in the pillar material metal becomes apparent, and the bump electrode is broken by peeling the barrier metal.
【0025】そこで、柱材として形成する金属に所定濃
度の炭素、硫黄、酸素を均一に分散配置させて信頼性を
向上させる提案が行われたが、柱材表面に加わる応力歪
によって柱材が破壊される問題が新たに発生していた。
これは、柱材となる銅とはんだの熱膨張係数に起因する
ばかりでなく、はんだと銅の金属間化合物であるCu−
Snの発生にも起因しており、信頼性上必ずしも充分な
ものではなかった。Therefore, a proposal was made to uniformly disperse carbon, sulfur and oxygen of a predetermined concentration in the metal to be formed as the pillar material to improve the reliability. However, due to the stress strain applied to the surface of the pillar material, the pillar material is There was a new problem of destruction.
This is due not only to the coefficient of thermal expansion of the copper and the solder, which are the pillar materials, but also to Cu-
It was also caused by the generation of Sn and was not always sufficient in terms of reliability.
【0026】また、高速の信号伝搬及び高密度の実装を
可能とする高性能の回路配線基板を実現するためには、
低抵抗で微細な幅寸法を有する配線を得ることが重要で
あるため、微細な幅寸法を有する配線の形成に有効な電
気メッキ法を用いても、有機添加剤の有無によってメッ
キ膜の表面粗さ、延性及び膜厚の均一性について問題が
あった。In order to realize a high-performance circuit wiring board that enables high-speed signal propagation and high-density mounting,
Since it is important to obtain wiring with low resistance and fine width, even if the electroplating method effective for forming wiring with fine width is used, the surface roughness of the plating film is However, there are problems in ductility and film thickness uniformity.
【0027】更に、低抵抗で微細な幅寸法の配線と低誘
電率の絶縁膜例えばポリイミド膜とを組み合わせた多層
配線基板を製造する際には、工程数を増加せずに電気的
な特性及び信頼性を確保することができなかった。Furthermore, when manufacturing a multilayer wiring board in which wiring having a low resistance and a fine width dimension and an insulating film having a low dielectric constant, such as a polyimide film, are manufactured, electrical characteristics and electrical characteristics can be obtained without increasing the number of steps. It was not possible to secure reliability.
【0028】そこで、銅及びニッケルを50重量%以上
含む材料から構成された配線中に、炭素、硫黄をパター
ンの幅方向において均一分散配置させる提案が行われ
た。この方法によれば、均一な膜厚と機械的特性に優れ
た回路配線を実現できるため、熱衝撃に強固な接続を有
する多層配線基板をある程度までは実現できる。Therefore, it has been proposed to uniformly disperse carbon and sulfur in the width direction of the pattern in the wiring made of a material containing 50% by weight or more of copper and nickel. According to this method, a circuit wiring having a uniform film thickness and excellent mechanical characteristics can be realized, so that a multilayer wiring board having a strong connection against thermal shock can be realized to some extent.
【0029】ところが、回路配線基板の長期信頼性試験
では配線金属表面にクラックが発生して、配線がオープ
ンになったり、ビア接続部分で接続不良が発生する問題
があり、必ずしも充分な方法ではなかった。However, in the long-term reliability test of the circuit wiring board, there are problems that cracks occur on the wiring metal surface, the wiring becomes open, and connection failure occurs at the via connection portion, and this is not always a sufficient method. It was
【0030】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、フリップチップ実装するバンプ電極に集中する応
力を緩和することができる、信頼性が高いバンプ電極構
造を有する半導体装置を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a highly reliable bump electrode structure capable of relieving stress concentrated on a bump electrode for flip-chip mounting. To aim.
【0031】本発明の他の目的は、高密度であり、優れ
た電気的特性と信頼性を有する回路配線基板を提供する
ことにある。Another object of the present invention is to provide a circuit wiring board having a high density and excellent electrical characteristics and reliability.
【0032】本発明の更に他の目的は、半導体装置を回
路配線基板上にフリップチップ実装した、信頼性が高い
半導体実装構造体を提供することにある。Still another object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor mounting structure in which a semiconductor device is flip-chip mounted on a circuit wiring board.
【0033】[0033]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明(請求項1)は、半導体チップと、この半導
体チップに形成されたボンディングパッドと、このボン
ディングパッド上に形成されたバンブ電極とを具備し、
前記バンブ電極は、前記ボンディングパッド上に形成さ
れた第1の金属層、この第1の金属層上に配置された第
2の金属層、およびこの第2の金属層上に形成され、回
路配線基板と接続されるための第3の金属層とを有し、
前記第2の金属層が前記第3の金属層と接する界面近傍
には、第2の金属層の内部領域よりも、炭素、硫黄、お
よび酸素からなる群から選ばれた少なくとも1種が高濃
度に分散している高濃度領域が存在することを特徴とす
る半導体装置を提供する。In order to solve the above problems, the present invention (claim 1) provides a semiconductor chip, a bonding pad formed on the semiconductor chip, and a bump electrode formed on the bonding pad. And
The bump electrode is formed on the first metal layer formed on the bonding pad, the second metal layer arranged on the first metal layer, and the second metal layer, and the circuit wiring is formed. A third metal layer for connecting to the substrate,
In the vicinity of the interface where the second metal layer contacts the third metal layer, at least one selected from the group consisting of carbon, sulfur, and oxygen has a higher concentration than the internal region of the second metal layer. There is provided a semiconductor device having a high-concentration region dispersed therein.
【0034】本発明(請求項2)は、上述の半導体装置
(請求項1)において、前記第2の金属層は、銅、ニッ
ケル、またはこれらの合金を50重量%以上含有する金
属材料からなることを特徴とする。According to the present invention (claim 2), in the above semiconductor device (claim 1), the second metal layer is made of a metal material containing 50% by weight or more of copper, nickel or an alloy thereof. It is characterized by
【0035】本発明(請求項3)は、上述の半導体装置
(請求項1または2)において、前記第2の金属層の高
濃度領域は、1×10-4重量%〜0.1重量%の炭素、
3×10-4重量%〜10重量%の硫黄、および1×10
-5重量%〜0.1重量%の酸素からなる群から選ばれた
少なくとも1種を含有することを特徴とする。According to the present invention (claim 3), in the semiconductor device (claim 1 or 2) described above, the high concentration region of the second metal layer is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt%. Of carbon,
3 × 10 −4 wt% to 10 wt% sulfur, and 1 × 10
It is characterized by containing at least one selected from the group consisting of -5 wt% to 0.1 wt% oxygen.
【0036】本発明(請求項4)は、上述の半導体装置
(請求項1〜3)において、前記第2の金属層の高濃度
領域は、第2の金属層の垂直断面における最大寸法の2
0%以下の厚さを有することを特徴とする。According to the present invention (claim 4), in the semiconductor device (claims 1 to 3) described above, the high concentration region of the second metal layer has a maximum dimension of 2 in a vertical cross section of the second metal layer.
It is characterized by having a thickness of 0% or less.
【0037】本発明(請求項5)は、基板表面または基
板内部のうち少なくとも一方に回路配線を具備する回路
配線基板であって、前記回路配線の表面には、その内部
領域よりも、炭素、硫黄、および酸素からなる群から選
ばれた少なくとも1種が高濃度に分散している高濃度領
域が存在すること特徴とする回路配線基板を提供する。The present invention (Claim 5) is a circuit wiring board comprising circuit wiring on at least one of the surface of the substrate and the inside of the substrate, wherein the surface of the circuit wiring is carbon, rather than its internal region. Provided is a circuit wiring board having a high-concentration region in which at least one selected from the group consisting of sulfur and oxygen is dispersed at a high concentration.
【0038】本発明(請求項6)は、上述の回路配線基
板(請求項5)において、前記回路配線は、銅、ニッケ
ル、またはこれらの合金を50重量%以上含有する金属
材料からなることを特徴とする。According to the present invention (claim 6), in the above-mentioned circuit wiring board (claim 5), the circuit wiring is made of a metal material containing 50% by weight or more of copper, nickel or an alloy thereof. Characterize.
【0039】本発明(請求項7)は、上述の回路配線基
板(請求項5または6)において、前記回路配線の高濃
度領域は、1×10-4重量%〜0.1重量%の炭素、3
×10-4重量%〜10重量%の硫黄、および1×10-5
重量%〜0.1重量%の酸素からなる群から選ばれた少
なくとも1種を含有することを特徴とする。According to the present invention (claim 7), in the above-mentioned circuit wiring board (claim 5 or 6), the high-concentration region of the circuit wiring is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt% carbon. Three
X10 -4 wt% to 10 wt% sulfur, and 1 x 10 -5
It is characterized by containing at least one selected from the group consisting of oxygen of 0.1% by weight to 0.1% by weight.
【0040】本発明(請求項8)は、上述の回路配線基
板(請求項5〜7)において、前記回路配線の高濃度領
域は、前記回路配線の垂直断面における最大寸法の20
%以下の厚さを有することを特徴とする。According to the present invention (claim 8), in the above-mentioned circuit wiring board (claims 5 to 7), the high-concentration region of the circuit wiring has a maximum dimension of 20 in a vertical cross section of the circuit wiring.
% Or less.
【0041】本発明(請求項9)は、上述の回路配線基
板(請求項5〜8)において、前記回路配線は、基板に
多層に設けられた多層回路配線、回路配線を相互接続す
るビア金属、および基板上に搭載された部品接続用金属
端子からなる群から選ばれた少なくとも1種であること
を特徴とする。According to the present invention (claim 9), in the above-mentioned circuit wiring board (claims 5 to 8), the circuit wiring is a multi-layer circuit wiring provided in multiple layers on the board, and a via metal interconnecting the circuit wiring. And at least one selected from the group consisting of metal terminals for component connection mounted on the substrate.
【0042】本発明(請求項10)は、上述の半導体装
置(請求項1〜4)を、基板表面または基板内部のうち
少なくとも一方に回路配線を具備する回路配線基板上に
フリップチップ実装してなることを特徴とする半導体装
置実装構造体を提供する。According to the present invention (claim 10), the semiconductor device (claims 1 to 4) described above is flip-chip mounted on a circuit wiring board having circuit wiring on at least one of the surface and the inside of the board. Provided is a semiconductor device mounting structure.
【0043】本発明(請求項11)は、半導体チップ
と、この半導体チップに形成されたボンディングパッド
と、このボンディングパッド上に形成されたバンブ電極
とを具備し、前記バンブ電極は、前記ボンディングパッ
ド上に形成された第1の金属層、この第1の金属層上に
配置された第2の金属層、およびこの第2の金属層上に
形成され、回路配線基板と接続されるための第3の金属
層とを有する半導体装置を、上述の回路配線基板(請求
項5〜9)上にフリップチップ実装してなることを特徴
とする半導体装置実装構造体を提供する。The present invention (claim 11) comprises a semiconductor chip, a bonding pad formed on the semiconductor chip, and a bump electrode formed on the bonding pad, wherein the bump electrode is the bonding pad. A first metal layer formed on the first metal layer, a second metal layer arranged on the first metal layer, and a second metal layer formed on the second metal layer for connecting to a circuit wiring board. Provided is a semiconductor device mounting structure, wherein a semiconductor device having a metal layer of No. 3 is flip-chip mounted on the above-mentioned circuit wiring board (claims 5 to 9).
【0044】本発明(請求項12)は、上述の半導体装
置(請求項1〜4)を、請求項1ないし4のいずれかの
項に記載の半導体装置を、上述の回路配線基板(請求項
5〜9)上にフリップチップ実装してなることを特徴と
する半導体装置実装構造体を提供する。The present invention (Claim 12) includes the above semiconductor device (Claims 1 to 4), the semiconductor device according to any one of Claims 1 to 4, and the above circuit wiring board (Claim 1). 5-9) A semiconductor device mounting structure is provided, which is flip-chip mounted on the semiconductor device mounting structure.
【0045】以下、本発明について、より具体的に説明
する
本発明の第1の態様は、半導体チップと、この半導体チ
ップに形成されたボンディングパッドと、このボンディ
ングパッド上に形成されたバンブ電極とを具備する半導
体装置を提供する。そして、バンブ電極は、ボンディン
グパッド上に形成された第1の金属層、この第1の金属
層上に配置された第2の金属層、およびこの第2の金属
層上に形成され、回路配線基板と接続されるための第3
の金属層とを有するものであり、第2の金属層が第3の
金属層と接する界面近傍には、第2の金属層の内部領域
よりも、炭素、硫黄、および酸素からなる群から選ばれ
た少なくとも1種が高濃度に分散している高濃度領域が
存在する。The first aspect of the present invention, in which the present invention is described more specifically below, is a semiconductor chip, a bonding pad formed on the semiconductor chip, and a bump electrode formed on the bonding pad. A semiconductor device comprising: The bump electrode is formed on the first metal layer formed on the bonding pad, the second metal layer arranged on the first metal layer, and the second metal layer. Third to be connected to the substrate
And a metal layer of the second metal layer near the interface where the second metal layer contacts the third metal layer, and is selected from the group consisting of carbon, sulfur, and oxygen rather than the internal region of the second metal layer. There is a high-concentration region in which at least one of them is dispersed in a high concentration.
【0046】かかる半導体装置において、第1の金属層
は、半導体チップとバンブ電極とを強固に接着させる役
割を果たすものであって、その材質としては、Cu/T
i、Cu/Cr、Ni/Ti、Ni/Cr、Ni/W/
Ti、Ni/W−Ti、Cu/W/Ti、Cu/W−T
i、Pt/Ni/Ti、Cu/Ni/Ti、Ni/Cu
/Ti等の積層膜を用いることができる。第1の金属層
の厚さは、0.1〜3μm程度が好ましい。In such a semiconductor device, the first metal layer plays a role of firmly adhering the semiconductor chip and the bump electrode, and the material thereof is Cu / T.
i, Cu / Cr, Ni / Ti, Ni / Cr, Ni / W /
Ti, Ni / W-Ti, Cu / W / Ti, Cu / WT
i, Pt / Ni / Ti, Cu / Ni / Ti, Ni / Cu
A laminated film of / Ti or the like can be used. The thickness of the first metal layer is preferably about 0.1 to 3 μm.
【0047】第2の金属層は、バンプ電極の柱材として
の役割を果たすものであって、その材質としては、銅、
ニッケル、銅合金、ニッケル合金、銅−ニッケル合金、
銅−ニッケル−チタン合金、銅−ニッケル−クロム合
金、銅−クロム合金、ニッケル−クロム合金、アルミニ
ウム−ニッケル合金、パラジウム−銅合金等を用いるこ
とができる。第2の金属層の厚さは、1〜50μm程度
が好ましい。The second metal layer plays a role as a pillar material of the bump electrode, and the material thereof is copper,
Nickel, copper alloy, nickel alloy, copper-nickel alloy,
Copper-nickel-titanium alloy, copper-nickel-chromium alloy, copper-chromium alloy, nickel-chromium alloy, aluminum-nickel alloy, palladium-copper alloy and the like can be used. The thickness of the second metal layer is preferably about 1 to 50 μm.
【0048】第3の金属層としては、PbSn、InA
g、InPb、BiInSn、BiInPb、SnA
g、AuSn等のはんだを用いることができる。はんだ
がPbSnである場合、その組成は、Pb/Snが20
/80〜45/5程度であることが好ましい。第3の金
属層の厚さは、3〜100μm程度が好ましい。As the third metal layer, PbSn, InA
g, InPb, BiInSn, BiInPb, SnA
A solder such as g or AuSn can be used. When the solder is PbSn, its composition is 20 Pb / Sn.
It is preferably about / 80 to 45/5. The thickness of the third metal layer is preferably about 3 to 100 μm.
【0049】好ましい第1、第2、第3の金属層の材質
の組合せは、Cu/Ti積層膜−銅−はんだである。A preferred combination of materials for the first, second and third metal layers is Cu / Ti laminated film-copper-solder.
【0050】第2の金属層の高濃度領域に含まれ得る炭
素、硫黄、酸素の濃度は、炭素が1×10-4重量%〜
0.1重量%、好ましくは1×10-3重量%〜0.01
重量%、硫黄が3×10-4重量%〜10重量%、好まし
くは3×10-3重量%〜0.01重量%、酸素が1×1
0-5重量%〜0.1重量%、好ましくは1×10-4重量
%〜0.001重量%である。これらの濃度が下限を下
回ると、本発明による応力緩和作用を妨げることとな
り、上限を越えると、金属抵抗が異常に上昇して、接続
オ−プン不良の原因となる。The concentration of carbon, sulfur and oxygen that can be contained in the high concentration region of the second metal layer is such that carbon is 1 × 10 −4 wt%.
0.1% by weight, preferably 1 × 10 −3 % by weight to 0.01
% By weight, sulfur 3 × 10 −4 % by weight to 10% by weight, preferably 3 × 10 −3 % by weight to 0.01% by weight, oxygen 1 × 1
0 -5 wt% to 0.1 wt%, preferably 1 × 10 -4 wt% to 0.001 wt%. If the concentration is below the lower limit, the stress relaxation effect of the present invention is hindered, and if it exceeds the upper limit, the metal resistance is abnormally increased, which causes a connection open failure.
【0051】第2の金属層の高濃度領域は、例えば所定
の組成のメッキ浴を用いて電気メッキにより第2の金属
層を構成する金属材料の膜を形成した後、それと同一の
材質の膜を、炭素、硫黄、酸素の濃度が高濃度となるよ
うにメッキ浴の組成を変えて、電気メッキを行うことに
より得ることが出来る。In the high-concentration region of the second metal layer, for example, a film of the same material as that of the metal material forming the second metal layer is formed by electroplating using a plating bath having a predetermined composition. Can be obtained by performing electroplating while changing the composition of the plating bath so that the concentrations of carbon, sulfur and oxygen are high.
【0052】第2の金属層の高濃度領域に含まれ得る炭
素、硫黄、酸素の濃度は、第2の金属層の内部に含まれ
る炭素、硫黄、酸素の濃度の1.5〜3倍程度であるの
が好ましい。The concentration of carbon, sulfur and oxygen that can be contained in the high concentration region of the second metal layer is about 1.5 to 3 times the concentration of carbon, sulfur and oxygen contained inside the second metal layer. Is preferred.
【0053】本発明の第1の態様に係る半導体装置によ
れば、バンプ電極の柱材となる第2の金属層の表面であ
る第3の金属と接する界面には、内部の領域に比較し
て、炭素、硫黄、酸素が高濃度に分散されているため、
最も応力の集中する第2の金属層の表面部分で延性が高
くなり、応力歪に対し、強固な材料構成とすることがで
きる。従って、これまでのように柱材となる金属が破壊
されることがなく、信頼性の高い半導体装置を実現する
ことが可能となる。According to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, the interface in contact with the third metal, which is the surface of the second metal layer serving as the pillar material of the bump electrode, is different from the internal region. And because carbon, sulfur and oxygen are dispersed in high concentration,
The ductility becomes high at the surface portion of the second metal layer where the stress is most concentrated, and the material structure can be made strong against stress strain. Therefore, it is possible to realize a highly reliable semiconductor device without the metal as the pillar material being destroyed as in the past.
【0054】特に、第2金属層として銅またはニッケル
を50重量%以上含有する金属材料を用いた場合には、
この構成材料は従来まで延性が低く、応力歪に対して充
分な信頼性を確保することが困難であったが、本態様に
よれば、第2金属層の表面近傍に炭素、硫黄、酸素が内
部領域に比較して高濃度に分散されている領域を形成し
ているので、延性が著しく向上する効果を有する。Particularly when a metal material containing 50% by weight or more of copper or nickel is used as the second metal layer,
This constituent material has low ductility until now, and it has been difficult to secure sufficient reliability against stress strain. However, according to this aspect, carbon, sulfur, and oxygen are not generated near the surface of the second metal layer. Since the region in which the concentration is higher than that of the internal region is formed, the ductility is significantly improved.
【0055】また特に、第2金属層の高濃度分散領域
を、炭素が1×10-4重量%〜0.1重量%、硫黄が3
×10-4重量%〜10重量%、酸素が1×10-5重量%
〜0.1重量%とすることにより、また、高濃度分散領
域の厚さを、第2金属層の垂直断面における最大寸法の
20%以下の寸法にすることにより、信頼性を著しく向
上させることが可能である。Particularly, in the high concentration dispersion region of the second metal layer, carbon is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt% and sulfur is 3 wt%.
× 10 -4 wt% to 10 wt%, oxygen is 1 x 10 -5 wt%
To 0.1% by weight, and the thickness of the high-concentration dispersion region is set to 20% or less of the maximum dimension in the vertical cross section of the second metal layer, thereby significantly improving reliability. Is possible.
【0056】本発明の第2の態様は、基板表面または基
板内部のうち少なくとも一方に回路配線を具備する回路
配線基板を提供する。この態様においても、第1の態様
と同様、回路配線の表面には、その内部領域よりも、炭
素、硫黄、および酸素からなる群から選ばれた少なくと
も1種が高濃度に分散している高濃度領域が存在するこ
とを特徴とする。A second aspect of the present invention provides a circuit wiring board having circuit wiring on at least one of the surface of the substrate and the inside of the substrate. Also in this aspect, as in the first aspect, the surface of the circuit wiring has a high concentration in which at least one selected from the group consisting of carbon, sulfur, and oxygen is dispersed in a higher concentration than in the internal region thereof. It is characterized by the existence of a density region.
【0057】かかる回路配線基板において、回路配線の
材質としては、銅、ニッケル、銅合金、ニッケル合金、
銅−ニッケル合金、銅−ニッケル−チタン合金、銅−ニ
ッケル−クロム合金、銅−クロム合金、ニッケル−クロ
ム合金、パラジウム−ニッケル合金、パラジウム−銅合
金等を用いることができる。In such a circuit wiring board, the material of the circuit wiring is copper, nickel, copper alloy, nickel alloy,
Copper-nickel alloy, copper-nickel-titanium alloy, copper-nickel-chromium alloy, copper-chromium alloy, nickel-chromium alloy, palladium-nickel alloy, palladium-copper alloy and the like can be used.
【0058】回路配線の高濃度領域に含まれ得る炭素、
硫黄、酸素の濃度は、炭素が1×10-4重量%〜0.1
重量%、好ましくは1×10-3重量%〜0.01重量
%、硫黄が3×10-4重量%〜10重量%、好ましくは
3×10-3重量%〜0.01重量%、酸素が1×10-5
重量%〜0.1重量%、好ましくは1×10-4重量%〜
0.001重量%である。これらの濃度が下限を下回る
と、本発明による応力緩和作用を妨げることとなり、上
限を越えると、金属抵抗が異常に上昇して、接続オ−プ
ン不良の原因となる。Carbon which may be contained in the high concentration region of the circuit wiring,
Regarding the concentration of sulfur and oxygen, carbon is 1 × 10 −4 wt% to 0.1.
% By weight, preferably 1 × 10 −3 % by weight to 0.01% by weight, sulfur 3 × 10 −4 % by weight to 10% by weight, preferably 3 × 10 −3 % by weight to 0.01% by weight, oxygen Is 1 × 10 -5
% By weight to 0.1% by weight, preferably 1 × 10 -4 % by weight
It is 0.001% by weight. If the concentration is below the lower limit, the stress relaxation effect of the present invention is hindered, and if it exceeds the upper limit, the metal resistance is abnormally increased, which causes a connection open failure.
【0059】回路配線の高濃度領域は、第1の態様にお
ける第2の金属層の高濃度領域と同様の方法により形成
することが出来る。The high concentration region of the circuit wiring can be formed by the same method as the high concentration region of the second metal layer in the first mode.
【0060】回路配線の高濃度領域に含まれ得る炭素、
硫黄、酸素の濃度は、回路配線の内部に含まれる炭素、
硫黄、酸素の濃度の1.5〜3倍程度であるのが好まし
い。本発明の第2の態様に係る半導体装置によれば、回
路配線の表面領域は、内部領域に比較して、炭素、硫
黄、酸素が高濃度に分散している構造になっているた
め、回路配線表面での応力歪に対する強度が向上し、温
度サイクルに起因する応力歪により発生する回路配線で
の不良を防止することができる。Carbon which may be contained in the high concentration region of the circuit wiring,
The concentration of sulfur and oxygen depends on the carbon contained inside the circuit wiring,
It is preferably about 1.5 to 3 times the concentration of sulfur and oxygen. According to the semiconductor device of the second aspect of the present invention, the surface region of the circuit wiring has a structure in which carbon, sulfur, and oxygen are dispersed at a higher concentration than in the internal region. The strength against the stress strain on the wiring surface is improved, and it is possible to prevent a defect in the circuit wiring caused by the stress strain caused by the temperature cycle.
【0061】特に、回路配線として銅またはニッケルを
50重量%以上含有する金属材料を用いた場合には、こ
の構成材料は従来まで延性が低く、応力歪に対して充分
な信頼性を確保することが困難であったが、本態様によ
れば、回路配線の表面近傍に、炭素、硫黄、酸素が内部
領域に比較して高濃度に分散されている領域が存在する
ため、その部分の延性が著しく向上する効果を有する。In particular, when a metal material containing 50% by weight or more of copper or nickel is used for the circuit wiring, this constituent material has low ductility until now, and sufficient reliability against stress strain must be ensured. However, according to this aspect, there is a region in which carbon, sulfur, and oxygen are dispersed in a higher concentration than the internal region in the vicinity of the surface of the circuit wiring. It has a significantly improved effect.
【0062】また特に、回路配線の高濃度分散領域を、
炭素が1×10-4重量%〜0.1重量%、硫黄が3×1
0-4重量%〜10重量%、酸素が1×10-5重量%〜
0.1重量%とすることにより、また、高濃度分散領域
の厚さを、第2金属層の垂直断面における最大寸法の2
0%以下の寸法にすることにより、信頼性を著しく向上
させることが可能である。In particular, the high-concentration dispersed region of the circuit wiring is
1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt% carbon, 3 × 1 sulfur
0 -4 wt% to 10 wt%, oxygen is 1 x 10 -5 wt%
By setting it to 0.1% by weight, the thickness of the high-concentration dispersion region is set to 2 times the maximum dimension in the vertical cross section of the second metal layer.
By setting the size to 0% or less, the reliability can be significantly improved.
【0063】更に、本発明の第2の態様に係る回路配線
は、多層回路配線基板を構成する回路配線、回路配線を
相互接続するビア金属、あるいは回路配線基板上に搭載
する部品端子用金属とすることができ、多層回路配線を
構成した場合における、従来まで問題であったビア部分
でのオープン不良を防止することができ、外部端子での
クラック発生を防止することが可能になり、信頼性が高
い半導体装置を実現することができる。Further, the circuit wiring according to the second aspect of the present invention is a circuit wiring forming a multilayer circuit wiring board, a via metal interconnecting the circuit wiring, or a component terminal metal mounted on the circuit wiring board. It is possible to prevent the open defect in the via part, which has been a problem until now, when the multilayer circuit wiring is configured, and it is possible to prevent the occurrence of cracks in the external terminal, which improves reliability. It is possible to realize a semiconductor device having high cost.
【0064】本発明の第3の態様は、半導体装置を回路
配線基板上にフリップチップ実装してなる半導体装置実
装構造体を提供する。この場合、半導体装置と回路配線
基板の少なくとも一方を、上述の本発明の第1の態様に
係る半導体装置、または第2の態様に係る回路配線基板
とすることができる。A third aspect of the present invention provides a semiconductor device mounting structure in which a semiconductor device is flip-chip mounted on a circuit wiring board. In this case, at least one of the semiconductor device and the circuit wiring board can be the semiconductor device according to the first aspect of the present invention or the circuit wiring board according to the second aspect.
【0065】本発明の第3の態様によれば、半導体装置
と回路配線基板の少なくとも一方を、すなわち、半導体
装置のバンプ電極の第2の電極表面に高濃度分散層を設
けるか、または回路配線基板の回路配線表面に高濃度分
散層を設けるか、或いは両者に高濃度分散層を設けるか
することにより、高い信頼性を保持した半導体装置実装
構造体を実現することができる。According to the third aspect of the present invention, a high-concentration dispersion layer is provided on at least one of the semiconductor device and the circuit wiring board, that is, on the second electrode surface of the bump electrode of the semiconductor device, or the circuit wiring is formed. By providing the high-concentration dispersion layer on the circuit wiring surface of the substrate, or by providing the high-concentration dispersion layer on both of them, a semiconductor device mounting structure having high reliability can be realized.
【0066】[0066]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0067】以下の実施例1〜3は、本発明の第1の態
様に係るものである。The following Examples 1 to 3 relate to the first aspect of the present invention.
【0068】[実施例1]図1は、本実施例に係るバン
プ電極を備えた半導体装置を示す断面図である。図1に
おいて、参照符号1は半導体チップを示し、この半導体
チップ1上に、アルミニウムあるいはアルミニウムを主
体とした合金からなるボンディングパッド2が形成さ
れ、このボンディングパッド2の部分を除いて、半導体
チップ1上に、例えばPSG(リン・シリカ・ガラス)
またはSiN(窒化シリコン)からなるパッシベーショ
ン膜3が形成されている。[Embodiment 1] FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor device having bump electrodes according to the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 indicates a semiconductor chip, and a bonding pad 2 made of aluminum or an alloy mainly composed of aluminum is formed on the semiconductor chip 1, and the semiconductor chip 1 except for the bonding pad 2 portion. Above, for example, PSG (phosphorus-silica-glass)
Alternatively, the passivation film 3 made of SiN (silicon nitride) is formed.
【0069】ボンディングパッド2上には、Cu/Ti
(Cu膜とTi膜の積層膜)からなる第1の金属層4が
形成され、また、その上には銅からなる第2の金属層5
が形成されている。更に、第2の金属層5の周囲には、
炭素、硫黄または酸素を高濃度に含む銅薄膜6が形成さ
れている。また、銅薄膜6の上には、はんだ合金からな
る第3の金属層7が形成されている。これら第1の金属
層4、第2の金属層5、銅薄膜6および第3の金属層7
により、バンプ電極8が構成されている。On the bonding pad 2, Cu / Ti
A first metal layer 4 made of (a laminated film of a Cu film and a Ti film) is formed, and a second metal layer 5 made of copper is formed on the first metal layer 4.
Are formed. Further, around the second metal layer 5,
A copper thin film 6 containing carbon, sulfur or oxygen in a high concentration is formed. Further, a third metal layer 7 made of a solder alloy is formed on the copper thin film 6. These first metal layer 4, second metal layer 5, copper thin film 6 and third metal layer 7
Thus, the bump electrode 8 is formed.
【0070】以上のように構成される半導体装置は、図
2〜図4に示す工程に従って製造される。以下、その製
造プロセスについて工程順に説明する。The semiconductor device configured as described above is manufactured according to the steps shown in FIGS. The manufacturing process will be described below in the order of steps.
【0071】先ず、図2(a)に示すように、半導体チ
ップ1上にボンディングパッド2が形成され、ボンディ
ングパッド2の部分を除いて例えばPSG(リン・シリ
カ・ガラス)またはSiN(窒化シリコン)から構成さ
れるパッシベーション膜3が形成されている半導体装置
チップ1上に、例えばCu/Ti積層膜2を全面に形成
し、バンプ電極を電気メッキで形成する場合のカソード
メタルを形成する。First, as shown in FIG. 2A, a bonding pad 2 is formed on a semiconductor chip 1 and, for example, PSG (phosphorus-silica-glass) or SiN (silicon nitride) is removed except for the bonding pad 2. For example, a Cu / Ti laminated film 2 is formed on the entire surface of the semiconductor device chip 1 on which the passivation film 3 composed of is formed, and a cathode metal for forming bump electrodes by electroplating is formed.
【0072】このCu/Ti積層膜4は、バンプ電極を
電気メッキで形成後、必要部分をエッチングすることで
最終的にはバンプ電極のバリアメタルとなる第1の金属
層を構成する。従って、材質はCu/Ti積層膜に限定
する必要はないが、説明のため、Cu/Ti積層膜とし
た。同様に、半導体チップ1はシリコンである必要はな
いが、本実施例においては説明のため、シリコンとし
た。The Cu / Ti laminated film 4 forms a first metal layer which finally becomes a barrier metal of the bump electrode by forming a bump electrode by electroplating and then etching a necessary portion. Therefore, the material is not limited to the Cu / Ti laminated film, but for the sake of explanation, the Cu / Ti laminated film is used. Similarly, the semiconductor chip 1 does not need to be silicon, but in the present embodiment, it is silicon for the sake of explanation.
【0073】次いで、図2(b)に示すように、厚膜レ
ジストAZ4903(ヘキストジャパン社製)をスピン
コート法により100μmの膜厚に形成して、露光およ
び現像により、40μm平方の開口寸法を有するボンデ
ィングパッドよりも1辺が5μm大きい寸法を有する、
45μmの開口部を有するレジストパタ−ン12をCu
/Ti積層膜上に形成する。露光はレジストの厚みが厚
くても充分な量の露光エネルギーを照射し、現像はAZ
400Kデベロッパー(ヘキストジャパン社製)を用い
て行う。このとき、レジスト面の薄膜金属と接する部分
の角度調整は、露光エネルギー、レジスト面とガラスマ
スクとの距離、及び現像液の濃度を調整することにより
制御することが出来る。これらの詳細は、13thIEM
T Symposium pp288,1992に記載されてい
る。Next, as shown in FIG. 2 (b), a thick film resist AZ4903 (manufactured by Hoechst Japan Co., Ltd.) was formed to a film thickness of 100 μm by a spin coating method, and an opening size of 40 μm square was formed by exposure and development. Has a dimension in which one side is 5 μm larger than the bonding pad it has,
The resist pattern 12 having an opening of 45 μm is formed by Cu.
/ Ti laminated film. The exposure is performed with sufficient amount of exposure energy even if the resist is thick, and the development is AZ.
This is performed using a 400K developer (manufactured by Hoechst Japan). At this time, the angle adjustment of the portion of the resist surface in contact with the thin film metal can be controlled by adjusting the exposure energy, the distance between the resist surface and the glass mask, and the concentration of the developing solution. For more details, see 13th IEM
T Symposium pp 288,1992.
【0074】このようにして、ボンディングパッドに対
応する部分にボンディングパッドよりも小さな寸法の開
口部を有するレジストパタ−ン11が形成された半導体
チップ1を、下記の溶液からなる硫酸銅メッキ液に浸漬
し、浴温度25℃でCu/Ti積層膜4を陰極とし、リ
ン含有(0.03〜0.08wt%)高純度銅板を陽極
として用い、電流密度1〜5(A/dm2 )で緩やかに
攪拌しながら電気メッキ操作を行い、図2(c)に示す
ように、銅からなる第2の金属膜5を30μmの厚さに
形成する。In this way, the semiconductor chip 1 having the resist pattern 11 having an opening smaller than the bonding pad in the portion corresponding to the bonding pad is dipped in a copper sulfate plating solution containing the following solution. Then, at a bath temperature of 25 ° C., the Cu / Ti laminated film 4 was used as a cathode, and a phosphorus-containing (0.03 to 0.08 wt%) high-purity copper plate was used as an anode, and the current density was 1 to 5 (A / dm 2 ) and was moderate. An electroplating operation is performed with stirring to form a second metal film 5 made of copper to a thickness of 30 μm, as shown in FIG.
【0075】図5に、電気メッキ工程で使用する電気メ
ッキ装置の概略断面図を示す。この装置は、ウェハー主
面を下方配置してメッキ処理する方式であり、メッキ槽
50に収容されるメッキ液はポンプより噴流され、矢印
の方向に流れるようになっている。このような電気メッ
キ装置によると、膜厚の均一な電気メッキ膜が得られ
る。なお、図中、参照符号51はアノ−ド板、52はア
ノ−ドピン、53はカソ−ドピン、54はカソ−ド電
極、55はアノ−ド電極をそれぞれ示す。FIG. 5 shows a schematic sectional view of an electroplating apparatus used in the electroplating process. This apparatus is of a type in which the main surface of the wafer is arranged downward and plating is performed. The plating solution contained in the plating tank 50 is jetted by a pump and flows in the direction of the arrow. With such an electroplating apparatus, an electroplating film having a uniform film thickness can be obtained. In the figure, reference numeral 51 is an anode plate, 52 is an anode pin, 53 is a cathode pin, 54 is a cathode electrode, and 55 is an anode electrode.
【0076】第2の金属層5は必ずしも30μmの厚さ
にメッキする必要はなく、第1の金属層の厚みとの相互
関係で、第1の金属層4の厚みよりも厚ければ問題な
い。The second metal layer 5 does not necessarily need to be plated to a thickness of 30 μm, and there is no problem if it is thicker than the thickness of the first metal layer 4 due to the mutual relationship with the thickness of the first metal layer. .
【0077】
硫酸銅5水和物 2オンス/ガロン
硫酸 30オンス/ガロン
塩酸 10 ppm
チオキシサンテート−S−プロパンスルホン酸
(またはチオキシサンテートスルホン酸) 20 ppm
ポリエチレングリコール(分子量:400,000) 40 ppm
ポリエチレンイミン(分子量:600)と
塩化ベンジルとの反応生成物 2 ppm
続いて、図3(a)に示すように、ボンディングパッド
部分が開口されているレジストパタ−ン11をアセトン
を用いて溶解除去する。次に、メッキ液を下記の混合溶
液からなる硫酸銅メッキ液に浸漬して、浴温度25℃
で、Cu/Ti積層膜を陰極とし、リン含有の(0.0
3〜0.08wt%)高純度銅板を陽極として、電流密
度1〜5(A/dm2 )で緩やかに攪拌しながら電気メ
ッキ操作を行い、図3(b)に示すように、銅膜6を5
μmの厚さに形成する。Copper sulphate pentahydrate 2 ounces / gallon Sulfuric acid 30 ounces / gallon hydrochloric acid 10 ppm Thioxysantate-S-propanesulfonic acid (or thioxysantate sulfonic acid) 20 ppm Polyethylene glycol (molecular weight: 400,000) ) 40 ppm Polyethyleneimine (molecular weight: 600) and reaction product of benzyl chloride 2 ppm Next, as shown in FIG. 3 (a), a resist pattern 11 having an opening in the bonding pad portion was formed using acetone. Dissolve and remove. Next, the plating solution is immersed in a copper sulfate plating solution consisting of the following mixed solution, and the bath temperature is 25 ° C.
Then, the Cu / Ti laminated film is used as a cathode, and phosphorus-containing (0.0
3 to 0.08 wt%) A high purity copper plate is used as an anode, and electroplating operation is performed while gently stirring at a current density of 1 to 5 (A / dm2) to form a copper film 6 as shown in FIG. 3 (b). 5
It is formed to a thickness of μm.
【0078】
硫酸銅5水和物 30オンス/ガロン
硫酸 8オンス/ガロン
塩酸 30 ppm
ジチオカルバメート−S−プロパンスルホン酸 30 ppm
ポリプロピレングリコール(分子量:700) 10 ppm
ポリエチレンイミンと臭化アリルまたは
ジメチル硫酸との反応生成物 0.3 ppm
上記に記載された電気メッキ液を用いて電気メッキされ
た銅薄膜6は、先に電気メッキされた銅からなる第2の
金属層5と比較して、炭素、硫黄、酸素がいずれも高濃
度に分散含有している組成を有している。Copper sulfate pentahydrate 30 oz / gallon Sulfuric acid 8 oz / gallon Hydrochloric acid 30 ppm Dithiocarbamate-S-propanesulfonic acid 30 ppm Polypropylene glycol (molecular weight: 700) 10 ppm Polyethyleneimine and allyl bromide or dimethylsulfate Reaction product of 0.3 ppm, the copper thin film 6 electroplated using the electroplating solution described above has a carbon content higher than that of the second metal layer 5 made of electroplated copper. It has a composition in which both sulfur and oxygen are dispersedly contained at a high concentration.
【0079】更に、厚膜レジストAZ4903を再度ス
ピンコート法により100μmの厚さに形成し、このレ
ジスト膜に、銅薄膜6の突起部分に対応する位置に、こ
の突起よりも1辺が10μm大きい寸法を有する60μ
mの開口部を露光/現像により形成し、図3(c)に示
すように、厚膜レジストパタ−ン12を得る。Further, a thick film resist AZ4903 was again formed to a thickness of 100 μm by a spin coating method, and a dimension of one side of the projection was larger than this projection at a position corresponding to the projection of the copper thin film 6 by 10 μm. With 60μ
An opening m is formed by exposure / development to obtain a thick film resist pattern 12 as shown in FIG. 3 (c).
【0080】次いで、メッキ液を下記に記載するスルホ
ン酸はんだメッキ液に浸漬して、電気銅メッキの場合と
同様に、Cu/Ti積層膜4を陰極として用い、かつメ
ッキ液に対応する組成である例えば高純度共晶はんだ板
を陽極として用い、電気メッキを行う。電流密度は1〜
4(A/dm2 )とし、浴温度25℃で緩やかに攪拌し
ながらはんだ組成(Pb/Sn)が共晶組成にほぼ等し
い、あるいはPb側またはSn側にわずかに移行した組
成のはんだ合金を、銅膜6上に15μmの厚さに析出さ
せ、図3(d)に示すように、第3の金属層7を形成す
る。Then, the plating solution is immersed in a sulfonic acid solder plating solution described below to use the Cu / Ti laminated film 4 as a cathode and a composition corresponding to the plating solution as in the case of electrolytic copper plating. Electroplating is performed using, for example, a high-purity eutectic solder plate as an anode. Current density is 1
4 (A / dm 2 ), a solder alloy having a composition in which the solder composition (Pb / Sn) is approximately equal to the eutectic composition or slightly shifted to the Pb side or the Sn side while gently stirring at a bath temperature of 25 ° C. , A thickness of 15 μm is deposited on the copper film 6, and a third metal layer 7 is formed as shown in FIG.
【0081】
スルホン酸はんだメッキ液の組成
錫イオン(Sn2+) 12 vol%
鉛イオン(Pb2+) 30 vol%
脂肪族スルホン酸 41 vol%
ノニオン系界面活性剤 5 vol%
カチオン系界面活性剤 5 vol%
イソプロピルアルコール 7 vol%
このようにして、第1〜第3の金属層からなるバンプ電
極炭素が、各金属層をボンディングパッド上に連続的に
メッキすることにより形成される。次いで、図3(e)
に示すように、ウェハー上のレジストパタ−ン12をア
セトンを用いて溶解除去する。Composition of Sulfonic Acid Solder Plating Solution Tin ion (Sn 2+ ) 12 vol% Lead ion (Pb 2+ ) 30 vol% Aliphatic sulfonic acid 41 vol% Nonionic surfactant 5 vol% Cationic surfactant 5 vol% isopropyl alcohol 7 vol% In this manner, bump electrode carbons composed of the first to third metal layers are formed by continuously plating each metal layer on the bonding pad. Then, FIG. 3 (e)
As shown in FIG. 3, the resist pattern 12 on the wafer is dissolved and removed by using acetone.
【0082】次に、Cu/Ti積層膜上のバンプ電極が
形成されているウェハー上に、例えば画像反転型レジス
トAZ5214E(ヘキストジャパン社製)の粘度調整
を行った溶液をスピンコートし、エッチングレジスト膜
を形成する。粘度調整は、メッキされる金属膜厚が厚い
場合でもエッチングを精度良く行うために高粘度にする
必要がある。このときレジスト膜は、バンプ金属に対応
した形状を表面に有しており、バンプ金属上で10μ
m、バンプ金属が形成されていない部分で55μmの膜
厚を有していた。Next, a solution in which the viscosity of an image reversal resist AZ5214E (manufactured by Hoechst Japan Co., Ltd.) is spin-coated on the wafer on which the bump electrodes on the Cu / Ti laminated film are formed, is used as an etching resist. Form a film. Viscosity adjustment requires high viscosity in order to perform etching accurately even when the metal film to be plated is thick. At this time, the resist film has a shape corresponding to the bump metal on the surface, and is 10 μm above the bump metal.
m, and the portion where the bump metal was not formed had a film thickness of 55 μm.
【0083】次いで、バンプ電極寸法の60μmよりも
開口寸法が4μm大きい、1辺64μmの開口パターン
を有するガラスマスクを必要位置に位置合わせした後に
露光を行う。露光は露光エネルギー2000mJ/cm
2 で行い、露光後150℃でウェハーをホットプレート
上でベークする。次に、ベークしたウェハーを現像液に
浸漬して現像する。Next, exposure is performed after aligning a glass mask having an opening pattern of 64 μm on each side with an opening size of 4 μm larger than the bump electrode size of 60 μm to a required position. Exposure energy is 2000 mJ / cm
Step 2 and bake the wafer on a hot plate at 150 ° C after exposure. Next, the baked wafer is immersed in a developing solution for development.
【0084】以上の工程を行うことで、図4(a)に示
すように、レジストパタ−ン13が第3の金属層7上の
みに選択的に形成される。By performing the above steps, the resist pattern 13 is selectively formed only on the third metal layer 7, as shown in FIG.
【0085】なお、本実施例では画像反転型レジストを
用いたが、第3の金属層の側面部分までレジスト形成が
可能なアスペクト比形状では、ポジ型レジストOFPR
−800(東京応化社製)またはネガ型レジストOMR
−85(東京応化社製)を用いることも可能である。Although the image reversal type resist is used in this embodiment, the positive type resist OFPR is used in the aspect ratio shape in which the resist can be formed up to the side surface portion of the third metal layer.
-800 (Tokyo Ohka Co., Ltd.) or negative resist OMR
It is also possible to use -85 (manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd.).
【0086】次いで、過硫酸アンモニウム、硫酸および
エタノールの混合溶液、またはクエン酸、過酸化水素水
および界面活性剤の混合溶液を用いて、Cu/Ti積層
膜2のうちCu膜の部分を選択的にエッチング除去した
後、さらにアンモニア、エチレンジアミン4酢酸および
過酸化水素水の混合溶液により、Cu/Ti積層膜2の
うちTi膜の部分をエッチング除去して、最後に第3の
金属層上に被覆したレジストパタ−ン13をアセトンを
用いて溶解除去して、図4(b)に示す構造を得る。Then, using a mixed solution of ammonium persulfate, sulfuric acid and ethanol, or a mixed solution of citric acid, hydrogen peroxide solution and a surfactant, the Cu film portion of the Cu / Ti laminated film 2 is selectively selected. After etching away, the Ti film portion of the Cu / Ti laminated film 2 was removed by etching with a mixed solution of ammonia, ethylenediamine tetraacetic acid and hydrogen peroxide solution, and finally the third metal layer was coated. The resist pattern 13 is dissolved and removed using acetone to obtain the structure shown in FIG.
【0087】以上の工程を行うことにより、ボンディン
グパッド上に、炭素、硫黄、または酸素の含有量が互い
に異なる第2の金属層5と銅薄膜6が形成され、周囲が
はんだ(第3の金属層7)で被覆された図1および図4
(c)に示す径100μmのバンプ電極8が形成され
た。By performing the above steps, the second metal layer 5 and the copper thin film 6 having different carbon, sulfur, or oxygen contents are formed on the bonding pad, and the surroundings are solder (third metal). 1 and 4 coated with layer 7)
The bump electrode 8 having a diameter of 100 μm shown in (c) was formed.
【0088】[実施例2]第2の金属層として銅の代わ
りにニッケルを用いたことを除いて、実施例1と同様に
して、バンプ電極を形成した。Example 2 A bump electrode was formed in the same manner as in Example 1 except that nickel was used instead of copper as the second metal layer.
【0089】ニッケルメッキは、図5に示したものと同
様の電気メッキ装置を用い、ウェハー上に形成されてい
るCu/Ti膜4を電気メッキ装置の陰極に接続して、
高純度ニッケル板を陽極として使用することで、行っ
た。For nickel plating, the Cu / Ti film 4 formed on the wafer was connected to the cathode of the electroplating apparatus by using the same electroplating apparatus as shown in FIG.
This was done using a high purity nickel plate as the anode.
【0090】電気メッキの条件は、液温55℃で、電流
密度1〜2(A/dm2 )とし、ニッケルメッキ液を緩
やかに攪拌しながら、30μm程度の膜厚にニッケルメ
ッキ膜を形成した。The electroplating conditions were a liquid temperature of 55 ° C., a current density of 1 to 2 (A / dm 2 ), and a nickel plating film having a thickness of about 30 μm was formed while gently stirring the nickel plating solution. .
【0091】ニッケルメッキ液として、下記の組成の溶
液を用いた。A solution having the following composition was used as the nickel plating solution.
【0092】
硫酸ニッケル6水和物 300g/リットル
塩化ニッケル6水和物 60g/リットル
ホウ酸 50g/リットル
サッカリン 500ppm〜5000ppm
ホルマリン 1000ppm〜2000ppm
続いて、銅メッキの場合と同様に、ウェハー上のレジス
ト膜をアセトンで溶解除去してメッキ液を下記からなる
混合溶液に浸漬し、第2のニッケルを5μmの膜厚に電
気メッキする。Nickel sulfate hexahydrate 300 g / liter Nickel chloride hexahydrate 60 g / liter Boric acid 50 g / liter Saccharin 500 ppm to 5000 ppm Formalin 1000 ppm to 2000 ppm Subsequently, similarly to the case of copper plating, a resist film on a wafer. Is dissolved and removed with acetone, and the plating solution is immersed in a mixed solution consisting of the following to electroplate second nickel to a film thickness of 5 μm.
【0093】第2のニッケルを電気メッキで形成する溶
液は、第1のニッケルを電気メッキするメッキ液と比較
して、炭素、硫黄または酸素を含有する添加剤濃度を増
加してある。The solution for forming the second nickel by electroplating has an increased concentration of the additive containing carbon, sulfur or oxygen as compared with the plating solution for electroplating the first nickel.
【0094】
硫酸ニッケル6水和物 300g/リットル
塩化ニッケル6水和物 60g/リットル
ホウ酸 50g/リットル
サッカリン 7000ppm〜20000ppm
ホルマリン 3000ppm〜8000ppm
以下の工程は、エッチング液として、メタノール、塩酸
および硫酸銅を含有する溶液を用いる以外は、第2の金
属層として銅を形成する場合と同様である。Nickel sulfate hexahydrate 300 g / liter Nickel chloride hexahydrate 60 g / liter Boric acid 50 g / liter Saccharin 7000 ppm to 20000 ppm Formalin 3000 ppm to 8000 ppm In the following steps, methanol, hydrochloric acid and copper sulfate were used as etching solutions. The procedure is the same as the case of forming copper as the second metal layer except that the contained solution is used.
【0095】尚、以上の実施例1および2では、第2の
金属層として銅、ニッケルを用いた例について記載した
が、銅またはニッケルを主体にした合金を用いても良
い。In the above Examples 1 and 2, an example using copper and nickel as the second metal layer is described, but an alloy mainly containing copper or nickel may be used.
【0096】[実施例3]第2の金属層として銅、ニッ
ケルの代わりに、銅/ニッケル合金を用いたことを除い
て、実施例1、2と同様にして、バンプ電極を形成し
た。Example 3 A bump electrode was formed in the same manner as in Examples 1 and 2 except that a copper / nickel alloy was used instead of copper and nickel as the second metal layer.
【0097】以上のようにして得た実施例1〜3に係る
半導体装置の信頼性評価を実施したところ、以下の結果
を得た。The reliability of the semiconductor devices according to Examples 1 to 3 obtained as described above was evaluated, and the following results were obtained.
【0098】すなわち、半導体装置の製造方法を説明す
るために用いた、10mm×10mmの半導体チップ上
に、第3の金属層としてPb/Sn=40/60の組成
のはんだを用い、第2の金属層として銅を用いたバンプ
電極を256個、径100μmφで形成し、実施例1に
係るバンプ電極のシェア強度を測定したところ、80k
g/mm2 の強度を有していた。That is, the solder having the composition of Pb / Sn = 40/60 was used as the third metal layer on the 10 mm × 10 mm semiconductor chip used for explaining the method for manufacturing the semiconductor device, and the second When 256 bump electrodes using copper as a metal layer were formed with a diameter of 100 μmφ and the shear strength of the bump electrode according to Example 1 was measured, it was 80 k.
It had a strength of g / mm 2 .
【0099】これに対し、銅からなる第2の金属層の表
面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層が設けられていない従
来のバンプ電極の構造では、シェア強度は40kg/m
m2であり、第2の金属層中に炭素、硫黄、酸素を均一
に分散させた構造ではシェア強度は60kg/mm2 で
あるのと比較すると、本実施例1に係るバンプ電極の構
造では、明らかに半導体チップに対する接続強度は向上
しており、信頼性の高いことが確認された。On the other hand, in the conventional bump electrode structure in which the high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is not provided on the surface of the second metal layer made of copper, the shear strength is 40 kg / m.
m 2 and the shear strength is 60 kg / mm 2 in the structure in which carbon, sulfur and oxygen are uniformly dispersed in the second metal layer, in comparison with the structure of the bump electrode in Example 1, It was confirmed that the connection strength to the semiconductor chip was improved and the reliability was high.
【0100】同様に、第2の金属層としてニッケルを用
いた実施例2に係るバンプ電極の構造では、シェア強度
は70kg/mm2 であるのに対し、ニッケルからなる
第2の金属層の表面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層が設
けられていない従来のバンプ電極の構造では、シェア強
度は30kg/mm2 であり、ニッケルからなる第2の
金属層中に炭素、硫黄、酸素を均一に分散させた構造で
はシェア強度は55kg/mm2 であった。このよう
に、本実施例2に係るバンプ電極の構造は、明らかに半
導体チップに対する接続強度は向上しており、信頼性の
高いことが確認された。Similarly, in the structure of the bump electrode according to Example 2 in which nickel is used as the second metal layer, the shear strength is 70 kg / mm 2 , whereas the surface of the second metal layer made of nickel is In the structure of the conventional bump electrode in which a high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is not provided in the above, the shear strength is 30 kg / mm 2 , and carbon, sulfur and oxygen are evenly distributed in the second metal layer made of nickel. The shear strength was 55 kg / mm 2 in the structure dispersed in. As described above, it was confirmed that the structure of the bump electrode according to the second embodiment had a clearly improved connection strength with respect to the semiconductor chip and had high reliability.
【0101】更に、第2の金属層として銅/ニッケル合
金を用いた実施例3に係るバンプ電極の構造では、合金
の比率により異なるが、シェア強度は75kg/mm2
であるのに対し、銅/ニッケル合金からなる第2の金属
層の表面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層が設けられてい
ない従来のバンプ電極の構造では、シェア強度は40k
g/mm2 であり、銅/ニッケル合金からなる第2の金
属層中に炭素、硫黄、酸素を均一に分散させた構造では
シェア強度は65kg/mm2 であった。このように、
本実施例3に係るバンプ電極の構造は、明らかに半導体
チップに対する接続強度は向上しており、信頼性の高い
ことが確認された。Further, in the structure of the bump electrode according to the third embodiment using the copper / nickel alloy as the second metal layer, the shear strength is 75 kg / mm 2 although it varies depending on the alloy ratio.
On the other hand, in the conventional bump electrode structure in which the high-concentration layer of carbon, sulfur, and oxygen is not provided on the surface of the second metal layer made of the copper / nickel alloy, the shear strength is 40 k.
a g / mm 2, carbon second metal layer made of copper / nickel alloy, sulfur, shear strength with oxygen and uniformly dispersing the structure was 65 kg / mm 2. in this way,
It has been confirmed that the structure of the bump electrode according to the third embodiment is clearly improved in connection strength with respect to the semiconductor chip and has high reliability.
【0102】以上の結果は、別途評価した第2の金属層
表面の残留応力が、従来までの炭素、硫黄、酸素を均一
分散させた構造による残留応力と比較して、約10%低
下していたことと、はんだバンプをリフローするときに
加わる熱により、第2の金属層を構成する銅が、はんだ
と反応して生成するCu−SnまたはNiSnが少な
く、金属拡散を充分に制御できたためと考えられる。The above results indicate that the residual stress on the surface of the second metal layer, which was separately evaluated, was reduced by about 10% as compared with the conventional residual stress due to the structure in which carbon, sulfur and oxygen were uniformly dispersed. In addition, due to the heat applied when the solder bumps are reflowed, the copper forming the second metal layer has little Cu-Sn or NiSn generated by reacting with the solder, and the metal diffusion can be sufficiently controlled. Conceivable.
【0103】また、銅からなる第2の金属層の表面に炭
素、硫黄、酸素の高濃度層を設けた実施例1に係る半導
体装置のバンプシェア強度を、150℃、1000H高
温保存試験後に評価したところ、シェア強度は75〜8
0kg/mm2 でほとんど変化しなかったのに対し、銅
からなる第2の金属層の表面に炭素、硫黄、酸素の高濃
度層が設けられていない従来のバンプ電極の構造では、
30kg/mm2 、銅からなる第2の金属層中に炭素、
硫黄、酸素を均一に分散させた構造では55kg/mm
2 と大きく低下した。Further, the bump shear strength of the semiconductor device according to Example 1 in which a high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen was provided on the surface of the second metal layer made of copper was evaluated after the 150 ° C., 1000 H high temperature storage test. As a result, the shear strength is 75 to 8
Although it hardly changed at 0 kg / mm 2 , in the conventional bump electrode structure in which the high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is not provided on the surface of the second metal layer made of copper,
30 kg / mm 2 , carbon in the second metal layer made of copper,
55 kg / mm for a structure in which sulfur and oxygen are evenly dispersed
It fell significantly to 2 .
【0104】また、ニッケルからなる第2の金属層の表
面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層を設けた実施例2に係
るバンプ電極の場合、シェア強度は65〜70kg/m
m2でほとんど変化はないのに対し、ニッケルからなる
第2の金属層の表面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層が設
けられていない従来のバンプ電極の構造では、25kg
/mm2 、ニッケルからなる第2の金属層中に炭素、硫
黄、酸素を均一に分散させた構造では40kg/mm2
と大きく低下した。Further, in the case of the bump electrode according to Example 2 in which a high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is provided on the surface of the second metal layer made of nickel, the shear strength is 65 to 70 kg / m.
There is almost no change in m 2 , whereas in the conventional bump electrode structure in which the high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is not provided on the surface of the second metal layer made of nickel, it is 25 kg.
/ Mm 2 , 40 kg / mm 2 for a structure in which carbon, sulfur and oxygen are uniformly dispersed in the second metal layer made of nickel
And fell significantly.
【0105】更に、銅とニッケルの合金からなる第2の
金属層の表面に炭素、硫黄、酸素の高濃度層を設けた実
施例3に係るバンプ電極の場合、シェア強度は70〜7
5kg/mm2 でほとんど変化はないのに対し、銅とニ
ッケルの合金からなる第2の金属層の表面に炭素、硫
黄、酸素の高濃度層が設けられていない従来のバンプ電
極の構造では、20kg/mm2 、銅とニッケルの合金
からなる第2の金属層中に炭素、硫黄、酸素を均一に分
散させた構造では45kg/mm2 と大きく低下した。Further, in the case of the bump electrode according to Example 3 in which the high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is provided on the surface of the second metal layer made of the alloy of copper and nickel, the shear strength is 70 to 7.
While there is almost no change at 5 kg / mm 2 , in the conventional bump electrode structure in which the high concentration layer of carbon, sulfur and oxygen is not provided on the surface of the second metal layer made of an alloy of copper and nickel, In the structure in which carbon, sulfur and oxygen are uniformly dispersed in the second metal layer of 20 kg / mm 2 and the alloy of copper and nickel, it is greatly reduced to 45 kg / mm 2 .
【0106】これは、本発明による構造では、高温保存
による金属間拡散がほとんど発生せず、信頼性の高いこ
とを示すものである。This shows that the structure according to the present invention hardly causes intermetallic diffusion due to high temperature storage and has high reliability.
【0107】以上の結果から、本発明による半導体装置
の構造(実施例1〜3)は、従来の半導体装置の構造に
比較して、信頼性が極めて高いことが確認された。From the above results, it was confirmed that the structure of the semiconductor device according to the present invention (Examples 1 to 3) is extremely high in reliability as compared with the structure of the conventional semiconductor device.
【0108】以下の実施例4〜7は、本発明の第2の態
様に係るものである。The following Examples 4 to 7 relate to the second aspect of the present invention.
【0109】[実施例4]図6は、本実施例に係る回路
配線基板を示す断面図およびその断面における炭素濃
度、硫黄濃度、酸素濃度の分布を示す図である。図6
(a)において、参照符号21はガラスエポキシ基板を
示し、このガラスエポキシ基板21上に、Cu/Ti積
層膜からなる接着金属層22を介して回路配線パタ−ン
23が配設されている。回路配線パタ−ン23の表面に
は、回路配線パタ−ン23と同一の材質からなり、炭
素、硫黄、および/または酸素の濃度が高い高濃度領域
24が形成されている。[Embodiment 4] FIG. 6 is a cross-sectional view showing a circuit wiring board according to this embodiment and a diagram showing distributions of carbon concentration, sulfur concentration and oxygen concentration in the cross section. Figure 6
In FIG. 1A, reference numeral 21 indicates a glass epoxy substrate, and a circuit wiring pattern 23 is arranged on the glass epoxy substrate 21 via an adhesive metal layer 22 made of a Cu / Ti laminated film. On the surface of the circuit wiring pattern 23, a high-concentration region 24 made of the same material as the circuit wiring pattern 23 and having a high concentration of carbon, sulfur, and / or oxygen is formed.
【0110】回路配線パターン23は、幅寸法が30μ
m以下の物と、30μmを越えるものとが形成されてい
る。図6(a)から、回路配線パターンの幅寸法に関わ
らず膜厚は一定であり、またレジストパターンの側壁近
傍で膜厚が厚くないこともわかる。The circuit wiring pattern 23 has a width of 30 μm.
Those having a diameter of m or less and those having a diameter of more than 30 μm are formed. From FIG. 6A, it can be seen that the film thickness is constant regardless of the width dimension of the circuit wiring pattern, and that the film thickness is not thick near the sidewall of the resist pattern.
【0111】図6(b)〜(d)に、この回路配線基板
の部分断面における炭素濃度、硫黄濃度、酸素濃度の分
布を示す。本実施例に係る回路配線基板においては、回
路配線パタ−ンの幅方向において、その外周部に含有さ
れる炭素が1×10-4重量%〜0.1重量%、硫黄が3
×10-4重量%〜10重量%、酸素が1×10-5重量%
〜0.1重量%の範囲内にあり、この高濃度領域24
は、回路配線パタ−ン23全体の幅寸法の20%以下の
寸法を有するものである。FIGS. 6B to 6D show distributions of carbon concentration, sulfur concentration and oxygen concentration in a partial cross section of this circuit wiring board. In the circuit wiring board according to the present embodiment, carbon contained in the outer peripheral portion of the circuit wiring pattern in the width direction is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt% and sulfur is 3 wt%.
× 10 -4 wt% to 10 wt%, oxygen is 1 x 10 -5 wt%
Is within the range of 0.1 wt.
Has a dimension of 20% or less of the width dimension of the entire circuit wiring pattern 23.
【0112】次に、以上のように構成される図6(a)
に示す回路配線基板の製造方法について図7及び図8を
参照して説明する。Next, FIG. 6A configured as described above.
A method of manufacturing the circuit wiring board shown in will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
【0113】まず、図7(a)に示すように、ガラスエ
ポキシ基板21の表面にCu/Ti積層膜22を連続的
に成膜する。尚、これらの金属膜は合計で、約1μm程
度になる様にする。ここで、銅膜はメッキ陰極として作
用するものであり、チタン膜は銅膜とガラスエポキシ基
板の密着性を高める金属層として作用する。従って、チ
タン膜の膜厚は薄くても良く、0.1μm程度で充分で
ある。銅とガラスエポキシの密着性は低いが、チタン膜
を接着層として形成することにより、銅膜の剥離を防止
できる。しかしながら、チタンは表面が酸化されやすい
ため、同一真空中で連続的に上層の銅膜を形成すること
が好ましい。この様に、チタン膜と銅膜の積層膜を形成
することにより、密着性の高い低抵抗のメッキ用陰極を
形成することができる。First, as shown in FIG. 7A, the Cu / Ti laminated film 22 is continuously formed on the surface of the glass epoxy substrate 21. The total thickness of these metal films is about 1 μm. Here, the copper film acts as a plating cathode, and the titanium film acts as a metal layer that enhances the adhesion between the copper film and the glass epoxy substrate. Therefore, the thickness of the titanium film may be small, and about 0.1 μm is sufficient. Although the adhesion between copper and glass epoxy is low, peeling of the copper film can be prevented by forming the titanium film as the adhesive layer. However, since the surface of titanium is easily oxidized, it is preferable to continuously form the upper copper film in the same vacuum. By thus forming the laminated film of the titanium film and the copper film, it is possible to form a low-resistance plating cathode having high adhesion.
【0114】次いで、ガラスエポキシ基板21の表面
に、例えばAZ4903(ヘキストジャパン社製)をス
ピンコート法により塗布して、膜厚20μmのメッキレ
ジスト膜を形成し、90℃でプリベークを行う。その
後、露光/現像により幅15μm〜10μmの所定の配
線パターンの形状の開口を形成し、図7(b)に示すよ
うに、メッキレジストパターン31を形成する。Then, for example, AZ4903 (manufactured by Hoechst Japan) is applied to the surface of the glass epoxy substrate 21 by a spin coating method to form a plating resist film having a film thickness of 20 μm, and prebaking is performed at 90 ° C. Then, an opening having a predetermined wiring pattern shape having a width of 15 μm to 10 μm is formed by exposure / development, and a plating resist pattern 31 is formed as shown in FIG. 7B.
【0115】この様にしてレジストパターン31が形成
されたガラスエポキシ基板21を、図5に示す電気メッ
キ装置に設置して銅配線パターン23を形成する。図5
に示す様に、電気メッキ装置にはメッキ槽中にメッキ液
が収容されており、この中に陽極と陰極が平行配置され
ている。The glass epoxy substrate 21 on which the resist pattern 31 is formed in this manner is installed in the electroplating apparatus shown in FIG. 5 to form the copper wiring pattern 23. Figure 5
As shown in, the electroplating apparatus contains a plating solution in a plating tank, in which an anode and a cathode are arranged in parallel.
【0116】電気メッキは、電気メッキ装置の陰極にガ
ラスエポキシ基板21上の銅膜を接続し、陽極としてリ
ン含有(0.03〜0.08wt%)高純度銅板を用い
て行う。メッキ条件は、液温25℃、電流密度1〜5
(A/dm2 )として、循環ポンプによりメッキ液を攪
拌しながら行うことにより、図7(c)に示すように、
膜厚18μm程度の電気メッキ銅膜23を形成する。こ
の電気メッキ銅膜23は、回路配線パタ−ンを構成す
る。The electroplating is carried out by connecting the copper film on the glass epoxy substrate 21 to the cathode of the electroplating apparatus and using a phosphorus-containing (0.03-0.08 wt%) high-purity copper plate as the anode. The plating conditions are a liquid temperature of 25 ° C and a current density of 1 to 5
As (A / dm 2 ), as shown in FIG.
An electroplated copper film 23 having a film thickness of about 18 μm is formed. The electroplated copper film 23 constitutes a circuit wiring pattern.
【0117】尚、メッキ液としては、下記の溶液を用い
ることができる。The following solutions can be used as the plating solution.
【0118】
硫酸銅5水和物 75g/リットル
硫酸 100ml/リットル
塩酸 0.15ml/リットル
チオキシサンテート−S−プロパンスルホン酸
(またはチオキシサンテートスルホン酸) 40 ppm
ポリエチレングリコール(分子量:400,000) 80 ppm
ポリエチレンイミン(分子量:600)と
塩化ベンジルとの反応生成物 4 ppm
続いて、ボンディングパッド部分が開口されているウェ
ハー上のレジストAZ4903をアセトンを用いて溶解
除去する。次に、メッキ液を下記の混合溶液からなる硫
酸銅メッキ液に浸漬して、浴温度25℃で、Cu/Ti
積層膜を陰極として用い、リン含有の(0.03〜0.
08wt%)高純度銅板を陽極として用いて、電流密度
1〜5(A/dm2 )で緩やかに攪拌しながら銅をウェ
ハー全面に5μmの厚さに電気メッキにより形成し、図
7(d)に示すように、銅薄膜24を形成する。Copper sulfate pentahydrate 75 g / l Sulfuric acid 100 ml / l Hydrochloric acid 0.15 ml / l Thioxysantate-S-propanesulfonic acid (or thioxysantate sulfonic acid) 40 ppm Polyethylene glycol (molecular weight: 400, 000) 80 ppm Reaction product of polyethyleneimine (molecular weight: 600) with benzyl chloride 4 ppm Subsequently, the resist AZ4903 on the wafer where the bonding pad portion is opened is dissolved and removed using acetone. Next, the plating solution is immersed in a copper sulfate plating solution consisting of the following mixed solution, and at a bath temperature of 25 ° C., Cu / Ti
Using the laminated film as a cathode, phosphorus-containing (0.03-0.
(8 wt%) Using a high-purity copper plate as an anode, copper was formed on the entire surface of the wafer by electroplating to a thickness of 5 μm while gently stirring at a current density of 1 to 5 (A / dm 2 ). A copper thin film 24 is formed as shown in FIG.
【0119】
硫酸銅5水和物 75g/リットル
硫酸 100ml/リットル
塩酸 0.15ml/リットル
ジチオカルバメート−S−プロパンスルホン酸 40 ppm
ポリプロピレングリコール(分子量:700 40 ppm
ポリエチレンイミンと臭化アリルまたは
ジメチル硫酸との反応生成物 1.2 ppm
更に、配線パターン23が形成されたガラスエポキシ基
板21上に、厚膜レジストAZ4903をスピンコート
法で塗布形成して、膜厚20μmのメッキレジスト膜を
形成し、90℃でプリベークを行う。その後、露光/現
像によりメッキレジスト膜のパターンニングを行い、図
8(a)に示すように、銅薄膜24が表面に形成された
配線パターン23をレジストパタ−ン27で被覆する。
尚、レジスト幅が配線幅よりも3μm大きくなる様に、
変換誤差も考慮したパターン寸法を有するガラスマスク
を用いて露光を行うことが好ましい。Copper sulfate pentahydrate 75 g / liter Sulfuric acid 100 ml / liter Hydrochloric acid 0.15 ml / liter Dithiocarbamate-S-propanesulfonic acid 40 ppm Polypropylene glycol (molecular weight: 700 40 ppm Polyethyleneimine and allyl bromide or dimethyl sulfate and Reaction product of 1.2 ppm, and further, a thick film resist AZ4903 is applied and formed on the glass epoxy substrate 21 on which the wiring pattern 23 is formed by a spin coating method to form a plating resist film having a film thickness of 20 μm. Prebaking is performed at a temperature of C. After that, the plating resist film is patterned by exposure / development, and a wiring pattern 23 having a copper thin film 24 formed on its surface is covered with a resist pattern 27 as shown in FIG. To do.
Note that the resist width is 3 μm larger than the wiring width,
It is preferable to perform exposure by using a glass mask having a pattern dimension in which a conversion error is also taken into consideration.
【0120】次いで、レジストパタ−ン27により被覆
された部分を除いてCu/Ti積層膜をエッチング除去
する。各々の薄膜の除去に用いられるエッチャントとし
ては、各々、次に記載する混合溶液を用いることができ
る。Then, the Cu / Ti laminated film is removed by etching except the portion covered with the resist pattern 27. As the etchant used for removing each thin film, the mixed solution described below can be used.
【0121】すなわち、過硫酸アンモニウム、硫酸およ
びエタノールを含む混合溶液で銅膜をエッチングした
後、エチレンジアミン4酢酸、アンモニアおよび過酸化
水素水を含む混合溶液でチタン膜をエッチングする。That is, after etching the copper film with a mixed solution containing ammonium persulfate, sulfuric acid and ethanol, the titanium film is etched with a mixed solution containing ethylenediaminetetraacetic acid, ammonia and hydrogen peroxide solution.
【0122】最後に、アセトンを用いてレジストパター
ンを除去することによって、図8(b)に示すように、
回路配線基板が得られる。Finally, by removing the resist pattern using acetone, as shown in FIG.
A circuit wiring board is obtained.
【0123】実施例5
配線金属としてニッケルを用いたことを除いて、実施例
4と同様にして、回路配線基板を作成した。なお、ニッ
ケルメッキ膜は、図5に示した装置と同様の電気メッキ
装置を用い、ガラスエポキシ基板21上の銅膜を電気メ
ッキ装置の陰極に接続し、高純度ニッケル板を陽極に接
続して形成する。電気メッキの条件は、液温55℃、電
流密度1〜2(A/dm2 )として、循環ポンプにより
電気メッキ液を攪拌しながら行い、膜厚18μm程度の
ニッケルメッキ膜を得る。Example 5 A circuit wiring board was prepared in the same manner as in Example 4 except that nickel was used as the wiring metal. For the nickel plating film, an electroplating device similar to the device shown in FIG. 5 was used, the copper film on the glass epoxy substrate 21 was connected to the cathode of the electroplating device, and the high purity nickel plate was connected to the anode. Form. The electroplating conditions are a liquid temperature of 55 ° C. and a current density of 1 to 2 (A / dm 2 ), and the electroplating solution is agitated by a circulation pump to obtain a nickel plating film having a thickness of about 18 μm.
【0124】尚、メッキ液として以下の組成の溶液を用
いることができる。A solution having the following composition can be used as the plating solution.
【0125】
硫酸ニッケル6水和物 300g/リットル
塩化ニッケル6水和物 60g/リットル
ホウ酸 50g/リットル
サッカリン 500ppm〜5000ppm
ホルマリン 1000ppm〜2000ppm
続いて、銅の場合と同様に、ウェハー上のレジスト膜を
アセトンで溶解除去してメッキ液を下記からなる混合溶
液に浸漬し、ニッケルからなる回路配線パタ−ンの表面
にニッケル薄膜を5μmの厚さに電気メッキする。Nickel Sulfate Hexahydrate 300 g / L Nickel Chloride Hexahydrate 60 g / L Boric Acid 50 g / L Saccharin 500 ppm-5000 ppm Formalin 1000 ppm-2000 ppm Subsequently, a resist film on a wafer was formed in the same manner as in the case of copper. It is dissolved and removed with acetone and the plating solution is immersed in a mixed solution consisting of the following, and a nickel thin film is electroplated to a thickness of 5 μm on the surface of the circuit wiring pattern made of nickel.
【0126】このニッケル薄膜を電気メッキで形成する
溶液は、ニッケルからなる回路配線パタ−ンを電気メッ
キするメッキ液と比較して、炭素、硫黄、酸素が含有さ
れている添加剤の濃度を増加してある。The solution for forming this nickel thin film by electroplating increases the concentration of the additive containing carbon, sulfur and oxygen, as compared with the plating solution for electroplating the circuit wiring pattern made of nickel. I am doing it.
【0127】
硫酸ニッケル6水和物 300g/リットル
塩化ニッケル6水和物 60g/リットル
ホウ酸 50g/リットル
サッカリン 7000ppm〜20000ppm
ホルマリン 3000ppm〜8000ppm
[実施例6]第2の金属層として銅、ニッケルの代わり
に、銅/ニッケル合金を用いたことを除いて、実施例
1、2と同様にして、回路配線基板を製造した。Nickel Sulfate Hexahydrate 300 g / L Nickel Chloride Hexahydrate 60 g / L Boric Acid 50 g / L Saccharin 7000 ppm to 20000 ppm Formalin 3000 ppm to 8000 ppm [Example 6] Instead of copper and nickel as the second metal layer A circuit wiring board was manufactured in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the copper / nickel alloy was used.
【0128】以上、実施例4〜6で得た回路配線基板上
の回路配線の幅方向について、断面を走査型電子顕微鏡
で観察したところ、図6(a)に示すように、基板全体
で均一な膜が得られ、パターンの側壁近傍で膜厚が厚く
なることもなかった。更に、炭素、硫黄、酸素の濃度分
布をオージェ電子分光法により測定したところ、図6
(b)〜(d)に示す様な結果が得られた。すなわち、
本実施例においては、電気メッキ法で配線形成する場
合、銅メッキ液に添加されるポリエーテル化合物、有機
硫黄化合物の濃度、あるいはニッケルメッキ液に添加さ
れる他の有機添加剤を所定の範囲に規定しているため、
メッキ液膜中に炭素、硫黄、酸素の濃度を相互に変化さ
せることができる。As described above, when the cross section of the circuit wirings on the circuit wiring boards obtained in Examples 4 to 6 was observed with a scanning electron microscope, as shown in FIG. A good film was obtained, and the film did not become thick near the side wall of the pattern. Further, the concentration distributions of carbon, sulfur and oxygen were measured by Auger electron spectroscopy.
The results shown in (b) to (d) were obtained. That is,
In the present embodiment, when the wiring is formed by the electroplating method, the concentration of the polyether compound, the organic sulfur compound added to the copper plating solution, or the other organic additive added to the nickel plating solution is set within a predetermined range. Because it is prescribed
The concentrations of carbon, sulfur and oxygen in the plating liquid film can be mutually changed.
【0129】従って、析出されるメッキ膜は配線の幅寸
法に依存せず、膜厚を一定にでき、機械的性質も均一に
できるため、膜厚分布が小さく、熱衝撃に強い信頼性の
高い回路配線を得ることができる。Therefore, the deposited plating film does not depend on the width dimension of the wiring and can have a uniform film thickness and uniform mechanical properties, so that the film thickness distribution is small and it is highly reliable against thermal shock. The circuit wiring can be obtained.
【0130】実施例7
図9に、本発明を用いて形成した多層配線基板の1例を
示す。図9に示す様に、ガラスエポキシ基板41上に
は、上述の実施例と同様に、Cu/Ti積層膜42が選
択的に形成されている。このCu/Ti積層膜42上
に、銅からなる配線パターン43aと、ポリイミドから
なる平坦化用絶縁膜44aとにより構成される第1の配
線層が設けられている。この第1の配線層上には、銅か
らなるビアスタッド45aとポリイミドからなる層間絶
縁膜46aとにより構成される第1のコンタクト層が設
けられている。Example 7 FIG. 9 shows an example of a multilayer wiring board formed by using the present invention. As shown in FIG. 9, the Cu / Ti laminated film 42 is selectively formed on the glass epoxy substrate 41 as in the above-described embodiment. A first wiring layer composed of a wiring pattern 43a made of copper and a planarization insulating film 44a made of polyimide is provided on the Cu / Ti laminated film 42. A first contact layer composed of a via stud 45a made of copper and an interlayer insulating film 46a made of polyimide is provided on the first wiring layer.
【0131】第1のコンタクト層上には、第1の配線層
と同様の構成からなる、すなわち配線パターン43b
と、平坦化用絶縁膜44bとにより構成される第2の配
線層が設けられている。更にその上に、ビアスタッド4
5bと層間絶縁膜46bとにより構成される第2のコン
タクト層が設けられ、最上層には、配線パターン43c
と平坦化用絶縁膜44cとにより構成される第3の配線
層が設けられて、多層配線基板が構成されている。な
お、最上層の配線パターン43c上には、外部接続端子
48が設けられている。The first contact layer has the same structure as that of the first wiring layer, that is, the wiring pattern 43b.
And a second wiring layer constituted by the planarization insulating film 44b. On top of that, via stud 4
5b and an interlayer insulating film 46b are provided as a second contact layer, and the wiring pattern 43c is provided on the uppermost layer.
And a planarization insulating film 44c are provided to form a third wiring layer to form a multilayer wiring board. External connection terminals 48 are provided on the uppermost wiring pattern 43c.
【0132】以上のように構成される多層配線基板は、
上記実施例4、5と同様の方法により、以下のようにし
て製造される。すなわち、まずガラスエポキシ基板41
上にチタン膜と銅膜を順次積層して、Cu/Ti積層膜
42を形成する。次いで、銅メッキ膜またはニッケルメ
ッキ膜を形成して、配線パタ−ン43aを得る。続い
て、この基板41上に例えばフォトニースUR−314
0(東レ社製)の感光性ポリイミド前駆体を塗布して、
110℃でプリベークを行った後、露光/現像により1
辺が10μm程度のコンタクトホールを形成する。更
に、400℃で30分程度の熱処理によるイミド化を行
って平坦化用絶縁膜44aを得る。The multilayer wiring board constructed as described above is
It is manufactured as follows by the same method as in Examples 4 and 5 above. That is, first, the glass epoxy substrate 41
A titanium film and a copper film are sequentially stacked on top to form a Cu / Ti stacked film 42. Then, a copper plating film or a nickel plating film is formed to obtain the wiring pattern 43a. Then, on this substrate 41, for example, Photo Nice UR-314
0 (manufactured by Toray) is applied as a photosensitive polyimide precursor,
After prebaking at 110 ° C, 1 by exposure / development
A contact hole having a side of about 10 μm is formed. Furthermore, imidization is performed by heat treatment at 400 ° C. for about 30 minutes to obtain the planarizing insulating film 44a.
【0133】ここで、ポリイミド前駆体は熱処理後の膜
厚が配線の膜厚と同程度となる様に塗布時の膜厚を設定
する。また、後に行われる導電膜形成時にコンタクトホ
ールでの導電膜の段切れを防ぐため、コンタクトホール
の底面とポリイミド膜側壁との角度が110℃以上とな
る様に、露光・現像条件を制御することが好ましい。こ
の様にしてポリイミド膜によって平坦化された基板に形
成されたコンタクトホール上に、1辺20μm、高さ1
5μm程度のスタッド45aを形成する。尚、スタッド
は配線材料と同じ金属を用い、上記の実施例と同様な工
程により得られる。更に、平坦化絶縁膜の形成工程と同
様にしてポリイミド膜による層間絶縁膜46aを形成す
る。Here, the film thickness of the polyimide precursor at the time of application is set so that the film thickness after the heat treatment becomes approximately the same as the film thickness of the wiring. Further, in order to prevent disconnection of the conductive film in the contact hole during the subsequent conductive film formation, the exposure and development conditions are controlled so that the angle between the bottom surface of the contact hole and the sidewall of the polyimide film is 110 ° C. or more. Is preferred. In this way, on the contact hole formed in the substrate flattened by the polyimide film, one side is 20 μm and the height is 1 μm.
A stud 45a of about 5 μm is formed. The stud is made of the same metal as the wiring material, and can be obtained by the same process as in the above embodiment. Further, an interlayer insulating film 46a made of a polyimide film is formed in the same manner as the step of forming the flattening insulating film.
【0134】配線層の形成から、この工程までを2回繰
り返した後、最上層に上記実施例と同様の方法を用いて
配線パターン43cと平坦化用絶縁膜44cを形成し、
図9に示すように多層配線基板を形成する。更に、必要
に応じて、配線層の形成から層間絶縁までの工程を繰り
返すことにより、所望の層数を有する多層配線基板を得
ることができる。After the steps from the formation of the wiring layer to this step are repeated twice, the wiring pattern 43c and the planarizing insulating film 44c are formed on the uppermost layer by the same method as in the above embodiment.
A multilayer wiring board is formed as shown in FIG. Further, if necessary, by repeating the steps from the formation of the wiring layer to the interlayer insulation, a multilayer wiring board having a desired number of layers can be obtained.
【0135】尚、この実施例においても、メッキ液にポ
リエーテル化合物と有機硫黄化合物とを所定の濃度で添
加しているので、配線パターン43a〜43cの幅方向
における炭素、硫黄、酸素の分布状態は、上記に記載し
た分布と同じになる。すなわち、配線の幅方向における
炭素、硫黄、酸素の濃度は回路配線の幅方向において、
外周部に含有される炭素が1×10-4重量%〜0.1重
量%、硫黄が3×10-4重量%〜10重量%、酸素が1
×10-5重量%〜0.1重量%の範囲内にあり、この高
濃度領域49は、配線パターン全体の幅寸法における2
0%以下の寸法を有しているものである。Incidentally, also in this embodiment, since the polyether compound and the organic sulfur compound are added to the plating solution at a predetermined concentration, the distribution state of carbon, sulfur and oxygen in the width direction of the wiring patterns 43a to 43c. Will be the same as the distribution described above. That is, the concentrations of carbon, sulfur and oxygen in the width direction of the wiring are
Carbon contained in the outer peripheral portion is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt%, sulfur is 3 × 10 −4 wt% to 10 wt%, and oxygen is 1
The concentration is in the range of 10 −5 wt% to 0.1 wt%, and the high concentration region 49 is 2 in the width dimension of the entire wiring pattern.
It has a size of 0% or less.
【0136】図22には15μmの厚さで配線を形成し
た場合の、配線幅と配線厚さの関係を示す。従来までの
回路配線を製造する場合の電気メッキ液には5ppmの
ポリエーテル化合物、5ppmの有機硫黄化合物を添加
している。図22に示す様に、本発明の回路配線基板に
おける配線膜厚の分布は3%以下に制御されている。特
に30μm以下の配線幅においても配線膜厚が増加しな
いのは注目すべき点である。これに対して、従来までの
回路配線における膜厚は30μmを境にしてこれ以下で
は厚くなっており、一方これを越えると膜厚は薄くなっ
ており、その分布は約15%程度である。FIG. 22 shows the relationship between the wiring width and the wiring thickness when the wiring is formed with a thickness of 15 μm. 5 ppm of a polyether compound and 5 ppm of an organic sulfur compound are added to the electroplating solution in the case of manufacturing the conventional circuit wiring. As shown in FIG. 22, the distribution of the wiring film thickness in the circuit wiring board of the present invention is controlled to 3% or less. It is noteworthy that the wiring film thickness does not increase even when the wiring width is 30 μm or less. On the other hand, the film thickness of the conventional circuit wiring is thicker than 30 μm at the boundary, and on the other hand, the film thickness becomes thin beyond this, and the distribution is about 15%.
【0137】この様に、本発明の回路配線基板において
は、基板全体における膜厚の均一性が大幅に向上した。
また膜厚の均一性が向上した結果、ポリイミド膜を用い
て配線を多層化する場合、配線幅の寸法に関わらず均一
なコンタクトホールをポリイミド膜に形成することが可
能になった。As described above, in the circuit wiring board of the present invention, the uniformity of the film thickness on the entire board is significantly improved.
Further, as a result of improving the uniformity of the film thickness, it becomes possible to form a uniform contact hole in the polyimide film regardless of the width of the wiring when the wiring is multi-layered using the polyimide film.
【0138】更に、ポリイミド膜を形成するための熱工
程において、加熱・冷却によって基板は膨張・収縮する
が、銅メッキ膜はその寸法によらず均質で延性が高いた
め、クラックの発生は制御されている。Furthermore, in the heat step for forming the polyimide film, the substrate expands and contracts by heating and cooling, but the copper plating film is homogeneous and has high ductility regardless of its size, so that the occurrence of cracks is controlled. ing.
【0139】信頼性評価試験として、−60℃(5mi
n)〜120℃(5min)で熱衝撃試験を行った。そ
の結果を図10に示す。図10から、従来の炭素、硫
黄、酸素が均一に分散配置されていた構造の配線に比較
して、本実施例による炭素、硫黄、酸素が外周部に高濃
度に分散配置されている構造の配線は、接続不良の発生
は約1/2まで減少しており、信頼性が向上したことが
確認された。As a reliability evaluation test, -60 ° C. (5 mi
n) -120 degreeC (5 min), the thermal shock test was done. The result is shown in FIG. From FIG. 10, as compared with the conventional wiring having a structure in which carbon, sulfur, and oxygen are uniformly dispersed and arranged, in the structure in which carbon, sulfur, and oxygen according to the present embodiment are dispersed and arranged in a high concentration in the outer peripheral portion. With respect to the wiring, the occurrence of poor connection was reduced to about 1/2, and it was confirmed that the reliability was improved.
【0140】更に、本実施例の回路配線基板と従来まで
の回路配線基板とについて、多層配線の異なる配線層間
の接続部分の接続抵抗と、この部分での剪断強度を測定
したところ、本実施例の回路配線基板の接続抵抗は約2
0%減少し、この部分の剪断強度は約30%増加してい
た。Further, with respect to the circuit wiring board of this example and the conventional circuit wiring board, the connection resistance of the connecting portion between different wiring layers of the multilayer wiring and the shear strength at this portion were measured. Circuit wiring board connection resistance is about 2
It was decreased by 0%, and the shear strength of this part was increased by about 30%.
【0141】従って、本実施例によれば、信頼性に優れ
た多層回路配線基板を実現することが可能となる。Therefore, according to this embodiment, it is possible to realize a multilayer circuit wiring board having excellent reliability.
【0142】以下の実施例8は、本発明の第3の態様に
係るものである。The following Example 8 relates to the third aspect of the present invention.
【0143】[実施例8]本実施例では、実施例1によ
り得た半導体装置を、実施例4により得た回路配線基板
上にフリップチップ実装することにより、半導体装置実
装構造体を実現する。図11は、本実施例に係る半導体
装置実装構造体の構成を示す断面図である。[Embodiment 8] In this embodiment, a semiconductor device mounting structure is realized by flip-chip mounting the semiconductor device obtained in Embodiment 1 on the circuit wiring board obtained in Embodiment 4. FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device mounting structure according to this embodiment.
【0144】尚、本発明の第2の態様に係る実施例4〜
6では、説明のためガラスエポキシ基板として記載を行
ったが、当然ながら回路配線基板材料はガラスエポキシ
に限定されるものではなく、例えばアルミナ基板を用い
てもよく、AlN基板、シリコンウェハーなどを当然な
がら用いることができる。In addition, Example 4 according to the second aspect of the present invention.
In the above description, the glass epoxy substrate is used for the description in 6, but the circuit wiring board material is not limited to glass epoxy as a matter of course. For example, an alumina substrate may be used, and an AlN substrate, a silicon wafer or the like may be used. It can be used while.
【0145】更に、基板上の半導体チップ搭載用接続端
子には、例えば鉛、錫から構成されるはんだ(Pb/S
n=40/60)が形成されていることが好ましいが、
特にこれに限定されるものではない。Further, the semiconductor chip mounting connection terminals on the substrate are provided with solder (Pb / S) made of, for example, lead or tin.
n = 40/60) is preferably formed,
It is not particularly limited to this.
【0146】尚、このはんだは、基板製造段階において
電気メッキ法を用いて堆積させても良く、また公知の技
術によるスクリーン印刷法を用いてもよく、その形成方
法は特に限定されない。The solder may be deposited by electroplating at the substrate manufacturing stage, or may be screen-printed by a known technique, and its forming method is not particularly limited.
【0147】以下、本実施例に係る半導体装置実装構造
体の製造工程について、図12および図13を参照して
説明する。The manufacturing process of the semiconductor device mounting structure according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 12 and 13.
【0148】先ず、公知の技術である、ハーフミラーを
用いて位置合わせを行うフリップチップボンダーによ
り、図12(a)に示すように、実施例1により得た半
導体装置Aを、実施例4により得た回路配線基板Bに対
して位置合わせを行う。次いで、図12(b)に示すよ
うに、半導体装置Aのバンプ電極8のはんだ層7(第3
の金属層)と回路配線基板Bの接続端子48を電気的、
機械的に接触させる。このとき、回路配線基板Bは加熱
機構を有するステージ58上に保持され、Pb/Sn=
40/60の融点よりも高い200℃に、窒素雰囲気中
で予備加熱されている。First, the semiconductor device A obtained according to the first embodiment is processed according to the fourth embodiment as shown in FIG. 12A by a flip-chip bonder which is a well-known technique for performing alignment using a half mirror. The obtained circuit wiring board B is aligned. Then, as shown in FIG. 12B, the solder layer 7 (third layer) of the bump electrode 8 of the semiconductor device A is formed.
Of the metal layer) and the connection terminal 48 of the circuit wiring board B,
Make mechanical contact. At this time, the circuit wiring board B is held on the stage 58 having a heating mechanism, and Pb / Sn =
It has been preheated to 200 ° C. above the 40/60 melting point in a nitrogen atmosphere.
【0149】さらに、半導体チップAと回路配線基板B
が接触した状態で、半導体チップAを保持するコレット
を基板を搭載するステージと同じ温度200℃に窒素雰
囲気中で加熱し、バンプ8のはんだ層7を溶融すること
で、半導体チップAと回路配線基板Bの接続端子48と
を電気的、機械的に仮接続させる。最後に、窒素雰囲気
を有する250℃に加熱されたリフロー炉中に半導体チ
ップを搭載した回路配線基板を通過させることで、電気
的、機械的接続を実現させる。このとき、はんだの表面
張力によりセルフアライン効果が発生し、マウント時に
発生した多少の位置ずれは修正され、正確な位置にボン
ディングが可能になる。Further, the semiconductor chip A and the circuit wiring board B
, The semiconductor chip A and the circuit wiring are melted by heating the collet holding the semiconductor chip A to the same temperature as the stage on which the substrate is mounted at 200 ° C. in a nitrogen atmosphere to melt the solder layer 7 of the bump 8. The connection terminal 48 of the board B is temporarily connected electrically and mechanically. Finally, the circuit wiring board on which the semiconductor chip is mounted is passed through a reflow furnace heated to 250 ° C. having a nitrogen atmosphere to realize electrical and mechanical connection. At this time, the self-alignment effect is generated due to the surface tension of the solder, a slight positional deviation generated at the time of mounting is corrected, and the bonding can be performed at an accurate position.
【0150】図12(c)は、接続された半導体装置の
断面構成図を示し、回路配線基板Bに対して半導体チッ
プAは垂直に搭載されている。FIG. 12C is a sectional view of the connected semiconductor devices, in which the semiconductor chip A is mounted vertically on the circuit wiring board B.
【0151】尚、必要に応じてフリップチップ実装した
半導体装置と回路配線基板が作る隙間部分に、公知の技
術である樹脂を封止することも可能である。樹脂による
封止は、図12(b)に示すように、回路配線基板上に
ディスペンサ−41から封止樹脂42を供給することに
より行われる。If necessary, it is also possible to seal a resin, which is a known technique, in the gap formed by the flip-chip mounted semiconductor device and the circuit wiring board. As shown in FIG. 12B, the sealing with the resin is performed by supplying the sealing resin 42 from the dispenser 41 onto the circuit wiring board.
【0152】封止する樹脂としては、例えば、ビスフェ
ノール系エポキシ、イミダゾール硬化触媒、酸無水物硬
化剤、及び球状の石英フィラを重量比で45wt%含有
するエポキシ樹脂を用いることができる。また、例えば
クレゾールノボラックタイプのエポキシ樹脂(ECON
−195XL;住友化学社製)100重量部、硬化剤と
してフェノール樹脂54重量部、充填剤として溶熔シリ
カ100重量部、触媒としてベンジルジメチルアミン
0.5重量部、その他の添加剤としてカーボンブラック
3重量部、およびシランカップリング剤3重量部を粉
砕、混合、溶熔したエポキシ樹脂溶融体を用いることも
可能であり、その材質は特に限定されない。更に、封止
樹脂は、半導体チップAと回路配線基板Bが作る隙間周
辺まで接続金属を覆う様に,延在配置させることも可能
である。この様に延在配置させることにより、半導体チ
ップの接続信頼性は著しく向上する。図12(c)に、
樹脂封止した半導体装置の断面構成図を示す。As the encapsulating resin, for example, an epoxy resin containing bisphenol epoxy, an imidazole curing catalyst, an acid anhydride curing agent, and spherical silica filler in a weight ratio of 45 wt% can be used. Also, for example, cresol novolac type epoxy resin (ECON
-195XL; manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) 100 parts by weight, phenol resin 54 parts by weight as curing agent, fused silica 100 parts by weight as filler, benzyldimethylamine 0.5 parts by weight, carbon black 3 as other additive. It is also possible to use an epoxy resin melt obtained by crushing, mixing and melting parts by weight and 3 parts by weight of the silane coupling agent, and the material thereof is not particularly limited. Further, the sealing resin can be arranged so as to extend so as to cover the connection metal up to the periphery of the gap formed by the semiconductor chip A and the circuit wiring board B. By thus extending and arranging, the connection reliability of the semiconductor chip is significantly improved. In FIG. 12 (c),
The cross-sectional block diagram of the resin-sealed semiconductor device is shown.
【0153】更に、この本発明による半導体装置実装構
造体の接続信頼性を評価したところ以下の結果を得た。Further, when the connection reliability of the semiconductor device mounting structure according to the present invention was evaluated, the following results were obtained.
【0154】半導体装置の製造方法を説明するため用い
た10mm×10mmの半導体チップの主面にPb/S
n=40/60接続電極を256個、径100μmφで
形成して、回路配線基板に実装した試料を用いて信頼性
を評価した結果である。256ピンの中で1箇所でも接
続がオープンになった場合を不良にして、縦軸に累積不
良率、横軸に温度サイクルを示した。サンプル数は10
00個、温度サイクル試験の条件は(−55℃(30m
in)〜25℃(5min)〜125℃(30min)
〜25℃(5min))で行った。その結果を図14に
示す。A Pb / S film was formed on the main surface of a 10 mm × 10 mm semiconductor chip used for explaining the method of manufacturing a semiconductor device.
This is a result of evaluating reliability using a sample in which 256 n = 40/60 connection electrodes were formed with a diameter of 100 μmφ and mounted on a circuit wiring board. The case where the connection was opened even at one of 256 pins was regarded as a defect, and the vertical axis shows the cumulative defective rate and the horizontal axis shows the temperature cycle. 10 samples
00, temperature cycle test conditions are (-55 ℃ (30m
in) to 25 ° C (5 min) to 125 ° C (30 min)
It was performed at -25 ° C (5 min)). The result is shown in FIG.
【0155】図14から次のことがわかる。すなわち、
バンプ電極中及び回路配線中に炭素、硫黄、酸素が分散
されていない構造を有する半導体装置実装構造体は、1
500サイクルで接続不良が発生して、2000サイク
ルで不良は100%となった。また、炭素、硫黄、酸素
を均一に分散させた半導体装置は、2500サイクルま
で信頼性は向上するが3000サイクルでは50%の不
良となっている。これらの不良は、バンプ電極中ではコ
ア材金属とはんだの界面、回路配線基板中では多層配線
接続部分において見られ、いずれも応力歪に起因するも
のであった。The following can be seen from FIG. That is,
The semiconductor device mounting structure having a structure in which carbon, sulfur and oxygen are not dispersed in the bump electrode and the circuit wiring is 1
Poor connection occurred at 500 cycles and 100% at 2000 cycles. A semiconductor device in which carbon, sulfur, and oxygen are evenly dispersed has improved reliability up to 2500 cycles, but has a defect of 50% at 3000 cycles. These defects were found in the interface between the core material metal and the solder in the bump electrode and in the multilayer wiring connection portion in the circuit wiring board, and all were caused by stress strain.
【0156】これに対し、本実施例による構造では、3
500サイクルまで不良は発生せず、信頼性が極めて向
上することが解った。On the other hand, in the structure according to this embodiment, 3
It was found that defects did not occur up to 500 cycles and the reliability was extremely improved.
【0157】更に、本実施例による試料を85℃、85
%RH、VDD=5Vで保存したところ、図15に示す結
果を得た。すなわち、図15から、従来までのバンプ電
極中及び回路配線中に炭素、硫黄、酸素が分散されてい
ない構造を有する半導体装置実装構造体は、500Hで
腐食不良が発生し、1500Hで不良は100%となっ
た。また、炭素、硫黄、酸素を均一に分散させた構造の
半導体装置では、2500Hまで不良は発生せず、信頼
性は向上するが、3000Hで不良は100%となるこ
とがわかる。Furthermore, the sample according to the present embodiment was tested at 85 ° C. and 85 ° C.
When stored at% RH and V DD = 5V, the results shown in FIG. 15 were obtained. That is, from FIG. 15, it can be seen from FIG. 15 that a semiconductor device mounting structure having a structure in which carbon, sulfur, and oxygen are not dispersed in bump electrodes and circuit wiring up to the present has a corrosion failure at 500H and a failure of 100H at 1500H. It became%. Further, it can be seen that in a semiconductor device having a structure in which carbon, sulfur, and oxygen are uniformly dispersed, no defects occur up to 2500H and reliability is improved, but defects are 100% at 3000H.
【0158】これらの不良はいずれも、銅またはニッケ
ルまたは銅とニッケルの合金であるバンプ電極中のコア
材金属あるいは回路配線の電気腐食であった。All of these defects were electrical corrosion of the core material metal in the bump electrode, which is copper or nickel or an alloy of copper and nickel, or the circuit wiring.
【0159】これに対し、本実施例による構造では、3
000Hまで不良は発生せず、信頼性が極めて高いこと
が解った。On the other hand, in the structure according to this embodiment, 3
It was found that no defects occurred up to 000H and the reliability was extremely high.
【0160】従って以上の評価結果から、本実施例によ
る半導体装置実装構造体は、熱サイクル、高温高湿に対
して優れた耐性を有する信頼性の高い実装構造であるこ
とが解った。Therefore, from the above evaluation results, it is understood that the semiconductor device mounting structure according to the present embodiment is a highly reliable mounting structure having excellent resistance to thermal cycles and high temperature and high humidity.
【0161】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変更可能
である。例えば柱材であるコア金属材料または配線材料
として形成される金属の膜厚は特に限定されるものでは
なく、種々に変更可能である。The present invention is not limited to the above embodiments, but can be variously modified without departing from the scope of the invention. For example, the film thickness of the core metal material that is the pillar material or the metal formed as the wiring material is not particularly limited, and can be variously changed.
【0162】[0162]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の第1の態
様に係る半導体装置によれば、バンプ電極の柱材となる
第2の金属層の表面である第3の金属と接する界面に
は、内部の領域に比較して、炭素、硫黄、酸素が高濃度
に分散されているため、最も応力の集中する第2の金属
層の表面部分で延性が高くなり、応力歪に対し、強固な
材料構成とすることができる。従って、これまでのよう
に柱材となる金属が破壊されることがなく、信頼性の高
い半導体装置を実現することが可能となる。As described above, according to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, the interface which comes into contact with the third metal, which is the surface of the second metal layer serving as the pillar material of the bump electrode, is formed. Since carbon, sulfur, and oxygen are dispersed in a higher concentration than in the internal region, the ductility becomes high at the surface portion of the second metal layer where the stress is most concentrated, and it is strong against stress strain. Can be made of various materials. Therefore, it is possible to realize a highly reliable semiconductor device without the metal as the pillar material being destroyed as in the past.
【0163】特に、第2金属層として銅またはニッケル
を50重量%以上含有する金属材料を用いた場合には、
この構成材料は従来まで延性が低く、応力歪に対して充
分な信頼性を確保することが困難であったが、本態様に
よれば、第2金属層の表面近傍に炭素、硫黄、酸素が内
部領域に比較して高濃度に分散されている領域を形成し
ているので、延性が著しく向上する効果を有する。In particular, when a metal material containing 50% by weight or more of copper or nickel is used as the second metal layer,
This constituent material has low ductility until now, and it has been difficult to secure sufficient reliability against stress strain. However, according to this aspect, carbon, sulfur, and oxygen are not generated near the surface of the second metal layer. Since the region in which the concentration is higher than that of the internal region is formed, the ductility is significantly improved.
【0164】また特に、第2金属層の高濃度分散領域
を、炭素が1×10-4重量%〜0.1重量%、硫黄が3
×10-4重量%〜10重量%、酸素が1×10-5重量%
〜0.1重量%とすることにより、また、高濃度分散領
域の厚さを、第2金属層の垂直断面における最大寸法の
20%以下の寸法にすることにより、信頼性を著しく向
上させることが可能である。Particularly, in the high concentration dispersion region of the second metal layer, carbon is 1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt%, and sulfur is 3 wt%.
× 10 -4 wt% to 10 wt%, oxygen is 1 x 10 -5 wt%
To 0.1% by weight, and the thickness of the high-concentration dispersion region is set to 20% or less of the maximum dimension in the vertical cross section of the second metal layer, thereby significantly improving reliability. Is possible.
【0165】また、本発明の第2の態様に係る半導体装
置によれば、回路配線の表面領域は、内部領域に比較し
て、炭素、硫黄、酸素が高濃度に分散している構造にな
っているため、回路配線表面での応力歪に対する強度が
向上し、温度サイクルに起因する応力歪により発生する
回路配線での不良を防止することができる。Further, according to the semiconductor device of the second aspect of the present invention, the surface region of the circuit wiring has a structure in which carbon, sulfur and oxygen are dispersed at a higher concentration than the internal region. Therefore, the strength against the stress strain on the surface of the circuit wiring is improved, and the defect in the circuit wiring caused by the stress strain caused by the temperature cycle can be prevented.
【0166】特に、回路配線として銅またはニッケルを
50重量%以上含有する金属材料を用いた場合には、こ
の構成材料は従来まで延性が低く、応力歪に対して充分
な信頼性を確保することが困難であったが、本態様によ
れば、回路配線の表面近傍に、炭素、硫黄、酸素が内部
領域に比較して高濃度に分散されている領域が存在する
ため、その部分の延性が著しく向上する効果を有する。In particular, when a metal material containing 50% by weight or more of copper or nickel is used for the circuit wiring, this constituent material has low ductility until now, and sufficient reliability against stress strain must be ensured. However, according to this aspect, there is a region in which carbon, sulfur, and oxygen are dispersed in a higher concentration than the internal region in the vicinity of the surface of the circuit wiring. It has a significantly improved effect.
【0167】また特に、回路配線の高濃度分散領域を、
炭素が1×10-4重量%〜0.1重量%、硫黄が3×1
0-4重量%〜10重量%、酸素が1×10-5重量%〜
0.1重量%とすることにより、また、高濃度分散領域
の厚さを、第2金属層の垂直断面における最大寸法の2
0%以下の寸法にすることにより、信頼性を著しく向上
させることが可能である。In particular, the high concentration dispersion area of the circuit wiring is
1 × 10 −4 wt% to 0.1 wt% carbon, 3 × 1 sulfur
0 -4 wt% to 10 wt%, oxygen is 1 x 10 -5 wt%
By setting it to 0.1% by weight, the thickness of the high-concentration dispersion region is set to 2 times the maximum dimension in the vertical cross section of the second metal layer.
By setting the size to 0% or less, the reliability can be significantly improved.
【0168】更に、本発明の第2の態様に係る回路配線
は、多層回路配線基板を構成する回路配線、回路配線を
相互接続するビア金属、あるいは回路配線基板上に搭載
する部品端子用金属とすることができ、多層回路配線を
構成した場合における、従来まで問題であったビア部分
でのオープン不良を防止することができ、外部端子での
クラック発生を防止することが可能になり、信頼性が高
い半導体装置を実現することができる。Further, the circuit wiring according to the second aspect of the present invention is the circuit wiring which constitutes the multilayer circuit wiring board, the via metal which interconnects the circuit wiring, or the metal for component terminals which is mounted on the circuit wiring board. It is possible to prevent the open defect in the via part, which has been a problem until now, when the multilayer circuit wiring is configured, and it is possible to prevent the occurrence of cracks in the external terminal, which improves reliability. It is possible to realize a semiconductor device having high cost.
【0169】更に、本発明の第3の態様によれば、半導
体装置と回路配線基板の少なくとも一方を、すなわち、
半導体装置のバンプ電極の第2の電極表面に高濃度分散
層を設けるか、または回路配線基板の回路配線表面に高
濃度分散層を設けるか、或いは両者に高濃度分散層を設
けるかすることにより、高い信頼性を保持した半導体装
置実装構造体を実現することができる。Further, according to the third aspect of the present invention, at least one of the semiconductor device and the circuit wiring board, that is,
By providing a high concentration dispersion layer on the second electrode surface of the bump electrode of the semiconductor device, or by providing a high concentration dispersion layer on the circuit wiring surface of the circuit wiring board, or by providing a high concentration dispersion layer on both of them. Thus, it is possible to realize a semiconductor device mounting structure having high reliability.
【0170】更にまた、本発明の第1〜第3の態様に係
る半導体装置、回路配線基板、半導体装置実装構造体を
構成する金属材料は、炭素、硫黄、酸素が高濃度に配置
された領域を外周部に有しているため、水分の侵入に対
して腐食を防止することが可能になり、信頼性が極めて
高い構造となっている。Furthermore, the metal material constituting the semiconductor device, the circuit wiring board, and the semiconductor device mounting structure according to the first to third aspects of the present invention is a region in which carbon, sulfur and oxygen are arranged in high concentration. Since it has an outer peripheral portion, it is possible to prevent corrosion against the intrusion of moisture, and the structure has extremely high reliability.
【0171】従って、本発明の第1〜第3の態様に係る
半導体装置、回路配線基板、及び半導体装置実装構造体
を用いれば、従来の技術を用いた場合と比較して、高密
度に半導体チップを高い信頼性で実装できることが可能
になる。Therefore, by using the semiconductor device, the circuit wiring board, and the semiconductor device mounting structure according to the first to third aspects of the present invention, semiconductors can be densely formed as compared with the case of using the conventional technique. It becomes possible to mount the chip with high reliability.
【図1】本発明の第1の態様に係る半導体装置の構成を
示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a first aspect of the present invention.
【図2】図1に示す半導体装置の製造工程をを示す断面
図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
【図3】図1に示す半導体装置の製造工程をを示す断面
図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
【図4】図1に示す半導体装置の製造工程を示す断面
図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
【図5】本発明に係る半導体装置を製造するための電気
メッキ装置を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an electroplating apparatus for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
【図6】本発明の第2の態様に係る回路配線基板を示す
断面図およびその断面における炭素濃度、硫黄濃度、酸
素濃度の分布を示す図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a circuit wiring board according to a second aspect of the present invention and a diagram showing distributions of carbon concentration, sulfur concentration, and oxygen concentration in the cross section.
【図7】図6に示す半導体装置の製造工程を示す断面
図。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
【図8】図6に示す半導体装置の製造工程を示す断面
図。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
【図9】本発明の第2の態様に係る回路配線基板の他の
例を示す断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view showing another example of the circuit wiring board according to the second aspect of the present invention.
【図10】本発明の第2の態様に係る回路配線基板と従
来の回路配線基板の信頼性評価試験の結果を比較して示
す特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of reliability evaluation tests of the circuit wiring board according to the second aspect of the present invention and the conventional circuit wiring board in comparison.
【図11】本発明の第3の態様に係る半導体装置実装構
造体を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a semiconductor device mounting structure according to a third aspect of the present invention.
【図12】図11に示す半導体装置実装構造体の製造工
程を示す断面図。12 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device mounting structure shown in FIG.
【図13】図11に示す半導体装置実装構造体の製造工
程を示す断面図。13 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device mounting structure shown in FIG.
【図14】本発明の第3の態様に係る半導体装置実装構
造体と従来の半導体装置実装構造体の信頼性評価試験の
結果を比較して示す特性図。FIG. 14 is a characteristic diagram showing a comparison of the results of reliability evaluation tests of the semiconductor device mounting structure according to the third aspect of the present invention and the conventional semiconductor device mounting structure.
【図15】本発明の第3の態様に係る半導体装置実装構
造体と従来の半導体装置実装構造体の信頼性評価試験の
結果を比較して示す特性図。FIG. 15 is a characteristic diagram showing the results of reliability evaluation tests of the semiconductor device mounting structure according to the third aspect of the present invention and the conventional semiconductor device mounting structure for comparison.
【図16】従来の技術を説明するための断面図FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining a conventional technique.
【図17】従来の技術を説明するための断面図FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a conventional technique.
【図18】従来の技術を説明するための断面図FIG. 18 is a sectional view for explaining a conventional technique.
【図19】従来の技術を説明するための断面図FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining a conventional technique.
【図20】従来の技術を説明するための断面図FIG. 20 is a sectional view for explaining a conventional technique.
【図21】従来の技術を説明するための図FIG. 21 is a diagram for explaining a conventional technique.
【図22】配線幅と配線厚さとの関係を本発明と従来技
術とで比較して示す特性図。FIG. 22 is a characteristic diagram showing the relationship between the wiring width and the wiring thickness in comparison between the present invention and the prior art.
1…半導体チップ 2…ボンディングパッド 3…パッシベーション膜 4…第1の金属層 5…第2の金属層 6…バンプ電極における高濃度領域 7…第3の金属層 8…バンプ電極 11,12,31…メッキレジスト 21…回路配線基板 22…接着金属 23…回路配線 24…高濃度領域 27…エッチングレジスト 41…ガラスエポキシ基板 42…Cu/Ti積層膜 43a,43b,43c…配線パターン 44a,44b,44c…平坦化用絶縁膜 45a,45b…ビアスタッド 46a,46b…層間絶縁膜 48…外部接続端子 50…メッキ層 51…アノード板 52…アノードピン 53…カソードピン 54…カソード電極 55…アノード電極 1 ... Semiconductor chip 2 ... Bonding pad 3 ... passivation film 4 ... First metal layer 5 ... second metal layer 6 ... High concentration region in bump electrode 7 ... Third metal layer 8 ... Bump electrode 11, 12, 31 ... Plating resist 21 ... Circuit wiring board 22 ... Adhesive metal 23 ... Circuit wiring 24 ... High concentration area 27 ... Etching resist 41 ... Glass epoxy substrate 42 ... Cu / Ti laminated film 43a, 43b, 43c ... Wiring pattern 44a, 44b, 44c ... Insulating film for planarization 45a, 45b ... Via stud 46a, 46b ... Interlayer insulating film 48 ... External connection terminal 50 ... Plating layer 51 ... Anode plate 52 ... Anode pin 53 ... Cathode pin 54 ... Cathode electrode 55 ... Anode electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/92 603A (56)参考文献 特開 平7−231151(JP,A) 特開 平5−152376(JP,A) 特開 平9−205096(JP,A) 特開 平9−129648(JP,A) 特開 平9−129647(JP,A) 特開 平8−45939(JP,A) 特開 平10−261642(JP,A) 特開 平7−211722(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01K 21/60 H01L 21/60 311 B23K 35/22 310 H05K 1/09 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 identification code FI H01L 21/92 603A (56) References JP-A-7-231151 (JP, A) JP-A-5-152376 (JP, A) JP-A-9-205096 (JP, A) JP-A-9-129648 (JP, A) JP-A-9-129647 (JP, A) JP-A-8-45939 (JP, A) JP-A-10-261642 (JP, A) JP-A-7-211722 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01K 21/60 H01L 21/60 311 B23K 35/22 310 H05K 1/09
Claims (12)
成されたボンディングパッドと、このボンディングパッ
ド上に形成されたバンプ電極とを具備し、前記バンプ電
極は、前記ボンディングパッド上に形成された第1の金
属層、この第1の金属層上に配置された第2の金属層、
およびこの第2の金属層上に形成され、回路配線基板と
接続されるための第3の金属層を有し、前記第2の金属
層が前記第3の金属層と接する界面近傍には、第2の金
属層の内部領域よりも、炭素、硫黄、および酸素からな
る群から選ばれた少なくとも1種が高濃度に分散してい
る高濃度領域が存在することを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor chip, a bonding pad formed on the semiconductor chip, and a bump electrode formed on the bonding pad, wherein the bump electrode is formed on the bonding pad. A metal layer, a second metal layer disposed on the first metal layer,
And this is formed on the second metal layer, a third metal layer to be connected to the circuit wiring board, near the interface of the second metal layer is in contact with the third metal layer, A semiconductor device having a high-concentration region in which at least one selected from the group consisting of carbon, sulfur, and oxygen is dispersed at a higher concentration than in the internal region of the second metal layer.
たはこれらの合金を50重量%以上含有する金属材料か
らなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal layer is made of a metal material containing 50% by weight or more of copper, nickel, or an alloy thereof.
10-4重量%〜0.1重量%の炭素、3×10-4重量%
〜10重量%の硫黄、および1×10-5重量%〜0.1
重量%の酸素からなる群から選ばれた少なくとも1種を
含有することを特徴とする請求項1または2に記載の半
導体装置。3. The high concentration region of the second metal layer is 1 ×
10 −4 wt% to 0.1 wt% carbon, 3 × 10 −4 wt%
-10 wt% sulfur, and 1 x 10 -5 wt% -0.1
3. The semiconductor device according to claim 1, which contains at least one selected from the group consisting of oxygen by weight.
の金属層の垂直断面における最大寸法の20%以下の厚
さを有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれ
かの項に記載の半導体装置。4. The high-concentration region of the second metal layer is the second
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the metal layer is 20% or less of the maximum dimension in the vertical cross section.
も一方に回路配線を具備する回路配線基板であって、前
記回路配線の表面には、その内部領域よりも、炭素、硫
黄、および酸素からなる群から選ばれた少なくとも1種
が高濃度に分散している高濃度領域が存在すること特徴
とする回路配線基板。5. A circuit wiring board having circuit wiring on at least one of the surface of the substrate and the inside of the substrate, wherein the surface of the circuit wiring has a group consisting of carbon, sulfur, and oxygen rather than an internal region thereof. A circuit wiring board having a high-concentration region in which at least one selected from the above is dispersed at a high concentration.
これらの合金を50重量%以上含有する金属材料からな
ることを特徴とする請求項5に記載の回路配線基板。6. The circuit wiring board according to claim 5, wherein the circuit wiring is made of a metal material containing 50% by weight or more of copper, nickel, or an alloy thereof.
-4重量%〜0.1重量%の炭素、3×10-4重量%〜1
0重量%の硫黄、および1×10-5重量%〜0.1重量
%の酸素からなる群から選ばれた少なくとも1種を含有
することを特徴とする請求項5または6に記載の回路配
線基板。7. The high concentration region of the circuit wiring is 1 × 10.
-4 wt% to 0.1 wt% carbon, 3 x 10 -4 wt% to 1
7. The circuit wiring according to claim 5, which contains at least one selected from the group consisting of 0% by weight of sulfur and 1 × 10 −5 % by weight to 0.1% by weight of oxygen. substrate.
配線の垂直断面における最大寸法の20%以下の厚さを
有することを特徴とする請求項5ないし7のいずれかの
項に記載の回路配線基板。8. The high-concentration region of the circuit wiring has a thickness that is 20% or less of a maximum dimension in a vertical cross section of the circuit wiring. Circuit wiring board.
た多層回路配線、回路配線を相互接続するビア金属、お
よび基板上に搭載された部品接続用金属端子からなる群
から選ばれた少なくとも1種であることを特徴とする請
求項5ないし8のいずれかの項に記載の回路配線基板。9. The circuit wiring is at least selected from the group consisting of multi-layer circuit wiring provided in multiple layers on a substrate, a via metal interconnecting the circuit wiring, and a component connecting metal terminal mounted on the substrate. Contracts characterized by being one type
9. The circuit wiring board according to any one of claims 5 to 8.
載の半導体装置を、基板表面または基板内部のうち少な
くとも一方に回路配線を具備する回路配線基板上にフリ
ップチップ実装してなることを特徴とする半導体装置実
装構造体。10. The semiconductor device according to claim 1 is flip-chip mounted on a circuit wiring board having circuit wiring on at least one of the surface of the substrate and the inside of the substrate. A characteristic semiconductor device mounting structure.
形成されたボンディングパッドと、このボンディングパ
ッド上に形成されたバンプ電極とを具備し、前記バンプ
電極は、前記ボンディングパッド上に形成された第1の
金属層、この第1の金属層上に配置された第2の金属
層、およびこの第2の金属層上に形成され、回路配線基
板と接続されるための第3の金属層を有する半導体装置
を、請求項5ないし9のいずれかの項に記載の回路配線
基板上にフリップチップ実装してなることを特徴とする
半導体装置実装構造体。11. A semiconductor chip, a bonding pad formed on the semiconductor chip, and a bump electrode formed on the bonding pad, the bump electrode being a first electrode formed on the bonding pad. metal layer, the first second metal layer disposed on the metal layer, and formed on the second metal layer, a semiconductor having a third metal layer to be connected to the circuit wiring board A semiconductor device mounting structure, wherein the device is flip-chip mounted on the circuit wiring board according to any one of claims 5 to 9.
載の半導体装置を、請求項5ないし9のいずれかの項に
記載の回路配線基板上にフリップチップ実装してなるこ
とを特徴とする半導体装置実装構造体。12. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 is flip-chip mounted on the circuit wiring board according to any one of claims 5 to 9. Semiconductor device mounting structure.
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JP24824296A JP3400263B2 (en) | 1996-09-19 | 1996-09-19 | Semiconductor device, circuit wiring board, and semiconductor device mounting structure |
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- 1996-09-19 JP JP24824296A patent/JP3400263B2/en not_active Expired - Lifetime
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