JPH0642485B2 - ボンデイング・パツド用合金層及びボンデイング・パツド構造体 - Google Patents

ボンデイング・パツド用合金層及びボンデイング・パツド構造体

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JPH0642485B2
JPH0642485B2 JP1043408A JP4340889A JPH0642485B2 JP H0642485 B2 JPH0642485 B2 JP H0642485B2 JP 1043408 A JP1043408 A JP 1043408A JP 4340889 A JP4340889 A JP 4340889A JP H0642485 B2 JPH0642485 B2 JP H0642485B2
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Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は、重合体（ポリマー）への金属の接着の分野に
関するものであり、特に、重合体に金属を接着する方法
に関するものである。
Ｂ．従来技術 現在の半導体加工技術では、半導体チップの金属相互接
続層を、たとえばチップ・キャリア・パッケージのリー
ドに接続するのに、鉛／スズはんだを使用している。こ
の技術では、複数の金属層（主としてクロム、銅及び金
の層）からなるパッド制限メタラジ（ＰＬＭ）を用い
て、リフロー中のはんだによる表面のぬれを良くすると
ともに、下層の金属層へのオーム接触を確実にする。Ｐ
ＬＭは機械的に強固で、接触抵抗が小さいことが特に重
要である。ＰＬＭ中に純チタンのバリア層を使用するこ
とにより、いわゆる「湿式クリーニング」法（たとえば
リン酸、三酸化クロムの水溶液）を使用して、ＰＬＭと
金属との接触抵抗を小さくすることが実現されている。
しかし、チタンＰＬＭの下層の有機物層に対する接着力
（インストロン引張り試験機で測定）が、後続の熱サイ
クル中（たとえば、付着したはんだバンプをチップ・キ
ャリアに接合する時）に、容認できないレベルにまで低
下する。この接着力の低下は、チップの接合を何回か繰
り返した後は、一層顕著になる。一般に、接着力の低下
はチタンとポリイミドの化学反応によるものと考えられ
ている。ファーマン(Furman)等、“チタンとポリイミド
の接着の機械的及び表面分析研究(Mechanical and Surf
ace Analytical Studies of Titanium/Polyimide Adhes
ion)”、多層メタライゼーション、相互接続及び接触技
術シンポジウム論文集(Proceedings of the Symposium
on Multilevel Metallization,Interconnection,and Co
ntact Technologies)、Ｖｏｌ．８７−４、ｐｐ．１４
４〜１４９に、チタンとポリイミドの接着の問題が詳細
に述べられている。
この接着力の欠如は、ＰＬＭ中に純粋なクロム・バリア
を形成させると解消する。しかし、クロムＰＬＭと金属
の接触抵抗を小さくするために必要なスパッタ・クリー
ニング（たとえばガス・プラズマ）により、下層の金属
層に電荷が蓄積し、そのため、この金属層によって相互
接続される能動デバイスまたは受動デバイスあるいはそ
の両方の性能が低下する。さらに、スパッタ・クリーニ
ングのサイクルはきわめて遅く、大量生産には適さな
い。
下記の参照文献は、クロムを主体とする合金により、Ｐ
ＬＭ中にバリア層を形成するＰＬＭ製作技術の現状を示
す例である。
米国特許第３５６７５０８号明細書には、チタン、バナ
ジウム、クロム、ニオブ、ジルコニウム、パラジウム、
タンタル、及びそれらの金属間化合物を含む多数の活性
金属からなるバリア層を用いて、半導体上に金属性電気
接点を形成させる方法が開示されている。
米国特許第４２３１０５８号明細書には、メタライゼー
ション層がＷ５６％、Ｔｉ２４％、Ｃｒ２０％で構成さ
れるトラパット（ＴＲＡＰＡＴＴ）ダイオードが開示さ
れている。
米国特許第４２６８８４９号明細書には、バリア層がニ
ッケル・クロム合金層からなる隆起したボンディング・
パッド構造が開示されている。この合金層は、最大８０
重量％までのニッケルを含む。
米国特許第４４６３０５９号明細書には、ＬＳＩチップ
・キャリア用の多層金属皮膜構造が開示されている。こ
の構造は、Ｃｒ、Ｔｉまたは他の第IVＢ族、第ＶＢ族ま
たは第VIＢ族の金属からなる薄い接着層を含む。この構
造の上面メタラジは、Ｃｕ、Ｃｒ及びＡｕの層を含む。
米国特許第４１６４６０７号明細書には、ニッケル、ク
ロム及び金からなる合金層を含む薄膜抵抗器が開示され
ている。
米国特許第３９５９０４７号明細書には、半導体集積回
路の製法が開示されている。この方法には、クロム、銅
及び金からなる複合金皮膜を付着させる工程が含まれて
いる。
ボド(Bodo)等、“蒸着チタンのポリエチレンに対する接
着力：イオン衝突前処理の栄光(Adhesion of Evaporate
d Titanium to Polyethylene:Effects of Ion Bombardm
ent Pretreatment)”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ
ｎｏｌ．Ａ、Ｖｏｌ．２、No.４、１９８４年１０月〜
１２月、ｐｐ．１４９８〜１５０２には、皮膜形成前に
Ａｒ+をポリエチレンの表面に衝突させたときの、蒸着
Ｔｉのポリエチレンへの接着力に対する影響が開示され
ている。
接触抵抗を小さくし、下層の有機層に対する接着力を強
くする従来のまたは既存のＰＬＭ構造はいずれも、湿式
予備クリーニング技術により実施することはできない。
その結果、湿式予備クリーニング技術によって実施で
き、小さな接触抵抗と最適の接着特性を示すＰＬＭ構造
用の技術が、依然として求められている。
Ｃ．発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、ＰＬＭの金属に対する接触抵抗が小さ
く、ＰＬＭと基板との間の引張り強さが容認できる大き
さのＰＬＭ構造、及び湿式予備クリーニング技術を使用
してそのようなＰＬＭ構造を製造する方法を提供するこ
とにある。
Ｄ．問題点を解決するための手段 上記の目的は、本発明により、接触開口部を有する有機
絶縁層の上にクロム・チタン合金を形成させ、合金と有
機絶縁層との境界面におけるチタン含有量が合金総量の
少なくとも５０原子パーセントを占める、導電性構造を
設けることによって達成される。本発明の方法は、湿式
エッチング剤で露出した金属をクリーニングした後、有
機絶縁層の上にチタン・クロム合金のバリア層を、合金
と有機絶縁層の境界面におけるチタン含有量が合金総量
の少なくとも５０原子パーセントになるように付着させ
る工程を含む。
Ｅ．実施例 第１図は、本発明による半導体チップのボンディング・
パッド構造体１を示す。この構造体１は、半導体チップ
の下層の回路を相互接続する金属の相互接続層２を含
む。金属相互接続層２の上に、有機絶縁体または誘電体
コーティング４がある。金属相互接続層２は、ＰＬＭ
（パッド下地層）１０を介して鉛／スズはんだボール８
に接続されている。ＰＬＭ１０は、下層への境界面６を
形成するバリア／接触層１２、中間層１４、厚い中間層
１６及び外層すなわちコーティング１８からなる。バリ
ア／接触層１２は、クロム・チタン合金から構成され
る。次に、ボンディング・パッド構造１の製作工程を詳
細に説明する。
半導体上に、通常の方法で金属の相互接続層２を形成さ
せる。この層は、半導体チップの下層回路用の相互接続
層として機能する。この金属の相互接続層は、たとえ
ば、アルミニウム、アルミニウムを主体とする合金（た
とえばＡｌ／Ｓｉ、Ａｌ／Ｃｕ、Ａｌ／Ｓｉ／Ｃｕ）、
耐火金属（たとえば第IVＢ族ないし第VIＢ族の金属）、
耐火金属のケイ化物、銀、銅、金及びそれらの金属間化
合物等、融点が約４００℃より高いどのような金属であ
ってもよい。これらのうち、アルミニウムを主体とする
合金が好ましい。この金属層２の上に、有機絶縁体また
は誘電体層４をコーティングする。有機層４は、市販の
ポリイミド（たとえば、デュポン(E.I.Dupont de Nemou
rs,Inc.)のＰＩ２５５５、日立化成のＰＩＱ等）、ポリ
シロキサン類、及びポリエチレンで作成することができ
るが、ＰＩ２５５５が好ましい。次に、通常の方法で、
金属相互接続層２の表面が露出するまで、有機層４に穴
をあける。次に、金属相互接続層２の露出部分を、適当
な酸エッチング／クリーニング溶液でクリーニングし
て、表面の不要な酸化物を除去する。詳細に説明すれ
ば、金属相互接続層２を、濃リン酸、二酸化クロム及び
水の１：１：５０（ｍ：ｇ：ｍ）混合液に、約７０
℃の温度で浸漬することにより、表面に残る酸化物の最
大厚みが２０ないし４０Åになり、金属相互接続層２が
被覆する金属とオーム接触を行なうようにクリーニング
する。次に、ボンディング・パッド構造体１のＰＬＭ１
０の層を通常の蒸着、スパッタリングまたは化学蒸着等
の真空付着技術により付着させる。これらの方法のう
ち、蒸着が好ましい。たとえば、バリア層１２は、有機
層４にクロムとチタンを共蒸着させて形成させる。詳細
に説明すれば、これはクロムとチタンの原料をタングス
テンのボート（すなわち支持材料）に載せ、ボートを抵
抗加熱して蒸発させることにより行なう。このクロム・
チタン合金層１２は、厚みが５００ないし２０００Å
（１５００Åが好ましい）となり、境界面６における合
金総量の少なくとも５０原子パーセントがチタンとなる
ように形成させる。クロムの蒸気圧が比較的高いため、
合金層の蒸発原料の少なくとも８７原子パーセントがチ
タンを含むようにする。こうすると、合金層１２と有機
絶縁層４との境界面における合金総量の少なくとも５０
原子パーセントがチタンとなる。クロム・チタン合金層
１２の蒸着の後、クロム・チタン合金層の次に比較的厚
い銅の層を形成させる。この結果、約５０体積％のＣｒ
−Ｔｉと約５０体積％の銅からなる約１０００Åの中間
層１４がバリア層１２の上に形成される。中間層１４の
次に、厚みが約１０，０００Åの純粋な銅の層を形成さ
せる。次に、銅の層１６上に薄い金の層１８を約１５０
０Åの厚みに蒸着させる。別法として、銅の層の次に金
の層１８を形成させ、これにより銅の層１６と金の層１
８との間に銅と金の第２の中間層を形成させてもよい。
次に、マスクを介して鉛とスズの原料を金の層１８上に
蒸着させて、基本的に円錐形の構造を形成させる。この
円錐形の鉛／スズ構造は通常チップを特定の基板に接続
するには不適当であるため、円錐形構造を有するチップ
を通常水素雰囲気中で約３６０℃のピーク温度でリフロ
ーさせて、鉛／スズ円錐形構造をはんだボール・パッド
構造８に変形させる。次に、得られた構造を、水素また
は窒素あるいはその両方を含む雰囲気で、約３６０℃の
ピーク温度で「チップ接合サイクル」（下記に説明す
る）を施して、チップを適当な基板に接続し、これによ
り外部接続を形成させる。「チップ接合サイクル」と
は、チップを炉または他の適当な加熱装置に入れ、チッ
プをはんだボールが溶融する温度に加熱した後、チップ
を冷却して接続を形成させることにより、チップを所期
の基板にはんだ付けする熱サイクルである。チップ接合
サイクル中に、構造体１のＰＬＭ１０は応力を受ける。
詳細に述べると、チップが加熱された後冷却されると、
ＰＬＭのメタラジは膨張した後収縮し、そのため、ＰＬ
Ｍと有機層の境界面における応力が増大する。たとえ
ば、製造中の欠陥やはんだボール接続位置の狂いを矯正
するために、チップに何回もチップ接合サイクルを施す
ことが多い。
以上述べたように、本発明は、ボンディング・パッド構
造のＰＬＭ中にクロム・チタン合金のバリア層を使用し
て、合金バリア層１２と有機絶縁層４との境界面におけ
る合金総量の少なくとも５０原子パーセントがチタンと
なるようにすることを含む。得られた本発明の構造体１
は、接触抵抗が小さく、ＰＬＭ１０中に純粋なクロムの
バリア層を形成させた時に得られる引張り強さと類似し
た引張り強さを示す。しかし、クロムとは違って、Ｃｒ
−Ｔｉ合金バリア層１２は、湿式予備クリーニングに対
して適合性がある。
第２図は、各種のバリア層組成を有するパッド構造の静
的引張り強さを示すグラフである。各直線の上限及び下
限は、それぞれバリア層組成が同じ５つのパッド構造の
最高及び最低の引張り強さを示す。各データ直線中の点
は、５つのパッド構造の平均引張り強さを示す。試験結
果は、パッド構造を６回のチップ接合サイクルにかけた
後に得たものである。データ直線Ａは、純粋なクロムの
バリア層を有するパッド構造の引張り強さの範囲を示
す。データ直線ＢないしＤは、種々の原子百分率のＣｒ
−Ｔｉバリア層を有するパッド構造（データ直線ＢはＴ
ｉが４４原子％、データ直線ＣはＴｉが５０原子％、デ
ータ直線ＤはＴｉが６８原子％）の引張り強さの範囲を
示す。最後に、データ直線Ｅは純粋なチタンのバリア層
を有するパッド構造の引張り強さの範囲を示す。純粋な
クロムのバリア層は、付着及び高周波スパッタ・クリー
ニングにより作成し、Ｔｉ及びＣｒ−Ｔｉバリア層は、
付着及び湿式クリーニングにより作成したものである。
一般に、これらのデータは、バリア層のすべてが、信頼
性のあるデバイスを形成するのに必要な約２０００プサ
イより高い引張り強さを有することを示している。約２
０００プサイより低いと、ＰＬＭとチップ基板との間の
接着力が、ハンダ柱自体の凝集力より弱くなる。純粋な
Ｃｒバリア層の引張り強さは、範囲、平均値ともＣｒ−
Ｔｉ合金及び純粋なＴｉのいずれよりも、はるかに大き
いことに注目されたい。さらに、Ｃｒ−Ｔｉ合金の最高
引張り強さは、範囲、平均値とも、チタンが合金の約６
０ないし約７０％の場合に得られることに注目された
い。チタン含有量が約７０％を超えると、Ｃｒ−Ｔｉ合
金の引張り強さは純粋なＴｉの引張り強さまで低下す
る。第３図に、接触抵抗（バイア１個当たりｍΩ）の範
囲と、皮膜と基板との境界面におけるＴｉ−Ｃｒ合金中
のチタンの原子百分率との関係を示すグラフを示す。第
３図に示すように、チタンの含有率が約５０％より低い
とき、リフロー後の接触抵抗はバイア１個当たり３００
ｍΩを超える。一般に、最新技術の論理素子及び記憶素
子に十分な信号伝播速度を得るには、接触抵抗はバイア
１個当たり２５０ｍΩ以下でなければならない。この基
準に合致するのは、チタンの原子百分率が少なくとも５
０％（すなわち、原料中Ｔｉが約８７ないし約８８原子
％、残部がＣｒ）の場合である。一般に、接触抵抗を最
低にし、引張り強さを最高にすることが望ましい。接触
抵抗は、ビア１個当たり１００ｍΩ以下にすることが好
ましい。第２図及び第３図を比較すると明らかなよう
に、接触抵抗と引張り強さのトレードオフが最適となる
のは、チタンが合金の約６０ないし約７０原子％のとき
である。上述のように、合金バリア層１２と下層の有機
絶縁層４との境界面が少なくとも５０％のチタンを含有
するには、原料中に少なくとも約８７原料％のチタンが
必要である。
Ｆ．発明の効果 上述のように本発明によれば、接触抵抗が小さく、接着
能力が大きいパッド下地層を提供できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による半導体構造の断面図、第２図
は、各種のバリア層組成を有するＰＬＭの静的引張り強
さ（６回のチップ接続サイクル後）を示すグラフ、第３
図は、接触抵抗とバリア層中のＴｉの原子百分率の関係
を示すグラフである。 １……ボンディング・パッド構造、２……金属相互接続
層、４……有機コーティング、８……はんだボール、１
０……パッド制限メタラジ（ＰＬＭ）あるいはパッド下
地層、１２……バリア／接触層、１４……中間層、１６
……銅層、１８……金属層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨセフ・ジヨージ・シエイフアー アメリカ合衆国ニユーヨーク州バークシヤ ー、ボツクス401、アール・デイ２番地 (72)発明者 エリツク・グレゴリイ・ワルトン アメリカ合衆国ヴアーモント州サウス・バ ーリントン、バツトラー・ドライブ14番地

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基体上に配置された有機物絶縁層から露出
    する導電体層の一部に接触するためのボンディング・パ
    ッド用合金層であって、下部表面層が少なくとも５０原
    子％のチタンであるようなチタンとクロムの合金である
    ことを特徴とするボンディング・パッド用合金層。
  2. 【請求項２】基体上に被覆された有機物絶縁層から露出
    する導電体層の一部への電気的接触を確立するためのボ
    ンディング・パッド構造体であって、バリア層及びこの
    バリア層の上の少なくとも１つの金属層を有し、前記バ
    リア層は下部表面が少なくとも５０原子％のチタンを含
    むチタン及びクロムの合金でありかつ前記有機物絶縁層
    及び前記導電体層に接触していることを特徴とするボン
    ディング・パッド構造体。
JP1043408A 1988-04-15 1989-02-27 ボンデイング・パツド用合金層及びボンデイング・パツド構造体 Expired - Lifetime JPH0642485B2 (ja)

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