JP2006295109A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の半導体装置のバンプは、柱状金属を厚く成膜することから、バンプから半導体基板に伝わる内部応力により、半導体基板内部にクラックを発生させてしまうという問題があった。
【解決手段】バンプを構成する柱状コアを導電性物質の積層膜で形成する。この積層膜を内部応力の方向が互いに異なる第１の導電性物質膜と第２の導電性物質膜とで構成することで、バンプの内部応力が緩和され、バンプから半導体基板に伝わる応力を緩和することができる。これにより、半導体装置と実装基板とを接続した後に高い信頼性を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボンディングパッド上に形成するバンプ構造を有する半導体装置とその製造方法とに関し、詳しくは、バンプを構成する柱状構造物を積層膜で構成する半導体装置に関する。

半導体装置上に設けるバンプは、半導体装置とこの半導体装置を実装する実装基板とを電気的に接続する役割を持っている。バンプは突起電極とも呼ばれ、通常は金属で構成する。バンプは、半導体装置のボンディングパッドなどの電極上に形成し、このバンプを介して半導体装置と実装基板とで電気信号の送受を行う。

半導体装置を実装基板に接続する工程において、接続後の接続信頼性を確保するため、半導体装置と実装基板との隙間を封止樹脂で充填する。
封止樹脂は、半導体装置を実装基板に接続後、熱衝撃時に発生する半導体装置と実装基板間との熱膨張差による熱応力の緩和、半導体装置と実装基板間との間への水分の侵入を防ぐなどの効果がある。

封止樹脂の充填により、半導体装置と実装基板との接続信頼性を十分に確保するためには、半導体装置と実装基板との隙間に封止樹脂が入り込まない部分（以下、空隙と称する）を発生させないようにすることが望ましい。

半導体装置と実装基板間との隙間を広くすることで、封止樹脂は容易にその隙間に入り込むことができるため、半導体装置と実装基板間との間に空隙を発生させることはない。このような方法は多くの提案を見るところであるが、特にバンプ形状を工夫したものが注目されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１に示した従来技術は、バンプ形状を柱状に形成したものである。図を用いて説明する。図１８は特許文献１に示した従来技術のバンプ構造を示す断面図である。

１０は開口部、１１は半導体基板、１２は絶縁膜、１３はボンディングパッド、１４はパッシベーション膜、３０は柱状金属、３１ははんだメッキ層、３２は接着層、３３は濡れ防止膜である。柱状金属３０とはんだメッキ層３１と濡れ防止膜３３とは柱状はんだバンプ４０を構成する金属である。
特許文献１に示した従来技術では、柱状金属３０に銅（Ｃｕ）を用いている。

半導体基板１１と所望の位置に形成されたボンディングパッド１３とは、絶縁膜１２によって電気的に絶縁されている。
半導体基板１１上には、パッシベーション膜１４が形成されている。パッシベーション膜１４は、柱状はんだバンプ４０が形成される箇所に開口部１０が設けてあり、その位置は、ボンディングパッド１３の上部である。
ボンディングパッド１３の上部には、柱状金属３０が形成されている。柱状金属３０の最上部は平坦な構造である。柱状金属３０とボンディングパッド１３との間には、接着層３２を設けている。これは、柱状金属３０とボンディングパッド１３との間に十分な接着強度を得るためになされるものであって、この接着層３２を介して両者は接続されている。
柱状金属３０の外壁には、実装時にはんだが柱状金属３０の外壁に付着しないようにするため、濡れ防止膜３３が形成してある。

柱状金属３０はその高さを高くすることで、高い柱状はんだバンプ４０を形成することができる。このような構成にしたことにより、柱状はんだバンプ４０を備えた半導体装置を実装基板と接続する際には、その隙間が広く確保されるので、封止樹脂を充填する工程において、半導体装置と実装基板との間に封止樹脂が入り込みやすい。したがって、半導体装置と実装基板との隙間に空隙が発生しない。

特開２００３−２３４３６７（第１４頁、第４図）

特許文献１に示した従来技術は、バンプを柱状にすることにより、その高さを高くすることができるので、半導体装置を実装基板に実装したのち、半導体装置と実装基板１１との隙間の封止樹脂は空隙無く充填することができる。
しかしながら、特許文献１に示した従来技術は、柱状金属３０の内部応力によって、半導体基板１１にクラックを生じてしまうという問題があった。

内部応力とは、ある構造体と接する別の構造体に及ぼしている単位面積当たりの力である。ある構造体において、その圧縮方向にかかる応力を圧縮応力、引っ張り方向にかかる応力を引っ張り応力と呼ぶ。

柱状はんだバンプ４０を形成している柱状金属３０は、単一金属から構成されている。このような場合、金属が持つ内部応力が、ボンディングパッド１３を介して半導体基板に伝わる。例えば、この柱状金属３０が発生する内部応力は圧縮応力である。その際に、その圧縮応力はそのまま接着層３２とボンディングパッド１３を介して半導体基板１１に伝達してしまう。特許文献１に示した従来技術では、柱状金属３０で発生した内部応力を緩和することができずに、発生した内部応力の総てを半導体基板に伝えてしまうのである。これによって、半導体基板１１にクラックが生じてしまう。

内部応力は、柱状金属３０の高さを高くするほど増加し、柱状金属３０が単一金属の場合はさらに増加することが知られている。したがって、半導体装置と実装基板との隙間の封止樹脂を空隙無く充填するために、柱状はんだバンプ４０の高さを高くすると、より大きな内部応力が発生してしまうのである。

半導体基板にクラックが発生すると、半導体装置を構成する半導体素子のリーク電流の発生による電気特性の低下、配線の断線による電気信号の伝達不良などを生じてしまう。その結果、半導体装置の信頼性を低下させてしまうのである。
つまり、特許文献１に示した従来技術は、封止樹脂による空隙の発生防止には効果があるものの、柱状金属の内部応力による半導体装置の信頼性低下については何ら考慮されていなかった。

この問題を解決するために、本発明の目的は、半導体装置のボンディングパッド上に形成するバンプの内部応力を低減させ、半導体装置と実装基板とを接続した後に高い実装信頼性を得ることができる半導体装置のバンプ構造を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の半導体装置は次のような構造を採用する。

ボンディングパッド上に複数の膜を積層してなる積層膜を有するバンプを備える半導体装置であって、
積層膜は、複数の導電性物質の膜からなるとともに重なり合う導電性物質の膜の内部応力特性が互いに異なることを特徴とする。

積層膜の最上層もしくは最下層の導電性物質の膜と接する他の膜とは、互いに内部応力特性が異なることを特徴とする。

内部応力特性は、圧縮応力または引っ張り応力であることを特徴とする。

積層膜の界面に凸部または凹部が形成されていることを特徴とする。

積層膜の周囲は、はんだで覆われていることを特徴とする。

積層膜の最上層は、金を主成分とする膜であることを特徴とする。

積層膜と金を主成分とする膜との間に、金属拡散防止膜を有することを特徴とする。

上記課題を解決するために本発明の半導体装置は次のような製造方法を採用する。

半導体基板の上部にボンディングパッドを形成する工程と、
ボンディングパッドの上部にパッシベーション膜を形成し、パッシベーション膜に第１の開口部を設ける工程と、
第１の開口部の前記ボンディングパッドの上部に共通電極膜を形成する工程と、
共通電極膜の上部に感光性樹脂を形成し、感光性樹脂に第２の開口部を設ける工程と、
第２の開口部の底部から内部応力特性が異なる導電性物質の膜を複数積層し、積層膜を形成する工程と、
積層膜の最上部にはんだを形成する工程と、
感光性樹脂を剥離除去する工程と、
積層膜とボンディングパッドとの間に挟まれている共通電極膜のみを残し、残りの共通電極膜を除去する工程とを有することを特徴とする。

はんだを形成する工程の後に、はんだの融点より高い温度で熱処理を行い、はんだを溶かす工程を有することを特徴とする。

積層膜を形成する工程の前に、第２の開口部の底部にはんだを形成する工程を有することを特徴とする。

半導体基板の上部にボンディングパッドを形成する工程と、
ボンディングパッドの上部にパッシベーション膜を形成し、パッシベーション膜に第１の開口部を設ける工程と、
第１の開口部の前記ボンディングパッドの上部に共通電極膜を形成する工程と、
共通電極膜の上部に感光性樹脂を形成し、感光性樹脂に第２の開口部を設ける工程と、
第２の開口部の底部から内部応力特性が異なる導電性物質の膜を複数積層し、積層膜を形成する工程と、
積層膜の上部に金属拡散防止膜を形成する工程と、
金属拡散防止膜の上部に金を主成分とする膜を形成する工程と、
感光性樹脂を剥離除去する工程と、
積層膜とボンディングパッドとの間に挟まれている共通電極膜のみを残し、残りの共通電極膜を除去する工程とを有することを特徴とする。

第２の開口部の底部に積層膜を構成するための第１層目の導電性物質の膜を形成する工
程と、
第1層目の導電性物質の膜の表面に第２の感光性樹脂を形成し、第２の感光性樹脂をマスクとして第1層目の導電性物質の膜の表面に凸部を形成する工程と、
第1層目の導電性物質の膜の上部に第２層目の導電性物質の膜を積層する工程とを有し、
積層膜を構成する導電性物質の膜同士の界面に凸部を有するようにすることを特徴とする。

第２の開口部の底部に積層膜を構成するための第１層目の導電性物質の膜を形成する工程と、
第１層目の導電性物質の膜の表面のほぼ全面にスパッタエッチング法を用いて凸部を形成する工程と、
第１層目の導電性物質の膜の上部に第２層目の導電性物質の膜を形成する工程と、
第２層目の導電性物質の膜の表面のほぼ全面にスパッタエッチング法を用いて凸部を形成する工程とを有し、
積層膜を構成する導電性物質の膜同士の界面に凸部を有するようにすることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、バンプを構成する柱状構造物を積層膜で構成する。この積層膜は、導電性物質の膜を重ねている。そして、互いに重なり合う導電性物質の膜同士の内部応力特性が異なるように積層する。
すなわち、積層膜は、圧縮応力を持つ導電性物質の膜と引っ張り応力を有する導電性物質の膜とを積層構造にする。
このような構成とすることにより、積層された導電性物質の膜同士の応力方向が異なるために、発生した内部応力が打ち消しあい、バンプ内に発生する内部応力を緩和するのである。したがって、バンプからパッド電極を介し半導体基板に伝わるバンプの内部応力を低減させることができ、半導体装置を実装基板に実装する際に半導体基板内に発生するクラックの発生を防止することができる。

さらに、内部応力の特性が異なる導電性物質間の界面を凹凸構造にすることにより、特性が異なる導電性物質間の界面での接着強度が強くなり、横からの力に対してバンプの強度が増加する。
横からの力とは、半導体基板を実装基板に実装したときに、熱膨張係数の違いにより発生する熱応力などであって、この横からの力の影響を低減することは、半導体装置の信頼性を向上させるのである。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最適な形態の半導体装置の構造とその製造方法とを説明する。なお、従来技術と同一の構成には同一の番号を付与しており、詳細な説明は省略する。

まず、本発明の半導体装置において、はんだを用いる構造のバンプについて説明する。

[本発明の第１の実施の形態の構造説明：図１]
まず、図１を用いて本発明の第１の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。図１は、その断面を模式的に示すものであって、１１は半導体基板、１２は絶縁膜、１３はボンディングパッド、１４はパッシベーション膜、１５は共通電極膜、１６は導電性物質の膜である第１の導電性物質膜、１７は導電性物質の膜である第２の導電性物質膜、１８はは
んだ、１９は柱状構造物である柱状コア、２０は第１の開口部、４０は柱状はんだバンプである。
柱状コア１９は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを積層している積層膜である。柱状はんだバンプ４０は、共通電極膜１５と柱状コア１９とはんだ１８とで構成している。

本発明の半導体装置は、図１に示すように、半導体基板１１と所望の位置に形成されたボンディングパッド１３とが絶縁膜１２によって電気的に絶縁されている。ボンディングパッド１３はアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属材料が用いられている。
半導体基板１１の上には、パッシベーション膜１４が形成されている。パッシベーション膜１４は、柱状はんだバンプ４０を形成する箇所に所定の形状で第１の開口部２０を設けている。つまり、第１の開口部２０は、ボンディングパッド１３上にパッシベーション膜１４が開口している部分である。
さらに、ボンディングパッド１３上とその上部のパッシベーション膜１４との上部に共通電極膜１５を設けている。この共通電極膜１５は、メッキ法を用いて第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質１７とを形成する際に共通電極として利用するものであるとともにボンディングパッド１３と柱状はんだバンプ４０との接続は、この共通電極膜１５を介してなされる。

図１に示す例では、柱状コア１９は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互に２層づつ計４層を積層する積層膜としている。
柱状はんだバンプ４０は、この柱状コア１９の上部にはみ出すことなくはんだ１８を積層した構造になっており、これが本発明の第1の実施の形態の半導体装置の構造上の特徴である。

このような構造にすることにより、実装基板の接続パッド（図示せず）の表面積が小さい場合においても、柱状コア１９の大きさではんだ１８の面積を取り決めることができるため、バンプが狭ピッチで形成されるような、より微細化した半導体装置の実装に対応することができるのである。

第１の導電性物質膜１６は、例えば、内部応力特性が引っ張り応力を持つ導電性物質を用い、第２の導電性物質膜１７は、例えば、内部応力特性が圧縮応力を持つ導電性物質を用いる。このような構成とすることにより、積層された導電性物質の膜同士の応力方向が異なるようになるため、発生する内部応力を打ち消しあって内部応力を緩和するのである。

積層された積層膜全体の内部応力は、内部応力特性が異なる導電性物質の膜を積層することで緩和することができるが、この積層膜と他の膜とが接する部分に関しても内部応力を考慮する。すなわち、積層膜の最上層もしくは最下層の導電性物質の膜と他の膜とが接する部分である。例えば、積層膜である柱状コア１９とボンディングパッド１３とが接する部分である。

つまり、柱状コア１９を構成する積層膜は、互いに内部応力特性が異なる導電性物質を交互に積層するとともにその最下層の導電性物質とボンディングパッドを構成する物質との応力特性が異なるようにしているのである。これもまた本発明の特徴的な部分である。

図１に示す例では、柱状コア１９とボンディングパッド１３との間には共通電極膜１５がある。もちろん、この共通電極膜１５の内部応力も考慮に入れて、内部応力特性をそれぞれ変えてもよい。しかしながら、共通電極膜１５の膜厚が非常に薄い場合は、この膜で発生する内部応力も少ないので、特に考慮する必要はない。

前述の通り、第１の導電性物質膜１６には、内部応力特性が引っ張り応力の導電性物質を用いているが、その理由は、ボンディングパッド１３の材料であるアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする金属が圧縮応力を有しているためである。したがって、ボンディングパッド１３に用いる金属材料の内部応力特性が引っ張り応力である場合は、第１の導電性物質膜１６は、内部応力特性をそれとは逆の圧縮応力を有する導電性物質を用いる。もちろん、この場合は、第２の導電性物質膜１７は、内部応力特性が引っ張り応力を有する導電性材料を用いるのである。

本発明の実施の形態では、第１の導電性物質膜１６としてニッケル（Ｎｉ）、第２の導電性物質膜１７として銅（Ｃｕ）を用いている。このような構造によって、柱状コア１９は、内部応力特性が引っ張り応力である第１の導電性物質膜１６と圧縮応力である第２の導電性物質膜１７とにより、特定の方向のみに強く内部応力がかかることがなく、半導体基板１１に応力が強くかかることもない。

図１に示す例では、柱状コア１９は、積層膜を４層構造とする場合を説明したが、もちろんこれに限定するものではない。第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層回数や材質は、柱状はんだバンプ４０の内部応力ができるだけ小さくなるように自由に選択することができる。第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とのそれぞれの膜厚は薄く形成し、積層数を多くした方が各膜当たりの内部応力を小さくすることができるので、好ましい。

[本発明の第１の実施の形態の製造方法の説明：図２〜図４]
本発明の第１の実施の形態の半導体装置の製造方法を図２から図４の断面図を用いて説明する。図２から図４は、柱状はんだバンプ４０を製造する方法を具体的に示す断面図である。

まず、図２に示すように、半導体基板１１上に絶縁膜１２を知られている常圧ＣＶＤ法を用いて形成する。絶縁膜１２は、半導体基板１１とボンディングパッド１３とを電気的に絶縁させるために設けるリンとボロンとをドーピングしたガラス膜である。

次に、絶縁膜１２の上にアルミニウム（Ａｌ）を主原料とする金属膜をスパッタ法を用いて成膜し、知られているホトリソ技術とエッチング技術とを用いて、ボンディングパッド１３を形成する。ボンディングパッド１３は、半導体基板１１上に形成する半導体素子による回路（図示せず）と電気的に接続されている。

さらに、半導体基板１１上に形成する図示しない半導体素子を保護するために、知られている減圧ＣＶＤ法を用いて、パッシベーション膜１４を成膜する。パッシベーション膜１４としては、リンをドーピングしたシリコンガラス膜とシリコン窒化膜とからなる２層膜を用いる。
ボンディングパッド１３の上部にパッシベーション膜１４がオーバーハングするように、知られているホトリソ技術とエッチング技術とを用いて、第１の開口部２０を形成する。第１の開口部２０は、ボンディングパッド１３よりやや小さく形成する。

次に、図３に示すように、共通電極膜１５と第１の導電性物質膜１６とを形成するのであるが、まず、半導体基板１１の上部に共通電極膜１５を知られているスパッタ法を用いて成膜する。共通電極膜１５は、のちにメッキ法で形成される第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との共通電極として用いる。共通電極膜１５は、チタンタングステン（ＴｉＷ）と銅（Ｃｕ）との２層膜を用いる。

その後、感光性樹脂２１を半導体基板１１上に成膜し、第１の開口部２０よりやや広く開口するように第２の開口部２２をホトリソ技術を用いて形成する。

次に、知られているメッキ法を用いて、第２の開口部２２の底部に第１の導電性物質膜１６を所望の厚みに形成する。第１の導電性物質膜１６としてニッケル（Ｎｉ）を用いる。

図４に示すように、第２の開口部２２の底部に露出している第１の導電性物質膜１６の上部に、知られているメッキ法を用いて、第２の導電性物質膜１７を所望の厚みに形成する。第２の導電性物質膜１７として銅（Ｃｕ）を用いる。その後、順次、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互にメッキ法を用いて成膜し、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜を形成する。この積層膜が柱状コア１９となる。この積層膜は、感光性樹脂２１の高さより低く形成する。その低さは、積層膜の上部に設けるはんだ１８の膜厚分だけ低くしてもよいし、それ以上低くしてもよい。

積層膜の形成後に、その最上部にはんだ１８をメッキ法を用いて形成する。図４では、感光性樹脂２１と同じ高さまで形成するように記載している。

次に、感光性樹脂２１を剥離剤を用いて除去した後、柱状コア１９とボンディングパッド１３とに挟まれた共通電極膜１５以外をエッチング除去することにより、図１に示した柱状はんだバンプ４０が形成される。

[本発明の第２の実施の形態の構造説明：図５]
図５を用いて本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。図５は、その断面を模式的に示すものであって、４１はマッシュルーム型はんだバンプである。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
図５に示す例では、柱状コア１９は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互に３層づつ計６層を積層する積層膜としている。マッシュルーム型はんだバンプ４１は、共通電極膜１５と柱状コア１９とはんだ１８とで構成しており、柱状コア１９の上部に半球形状にはんだ１８を形成している。これが本発明の第２の実施の形態の半導体装置の構造上の特徴である。

このような構造にすることにより、はんだ１８の量をより多くすることができる。はんだ１８の量が多くなると、実装基板の接続パッド（図示せず）の表面積が大きくなった場合でも、マッシュルーム型はんだバンプ４１からのはんだ１８供給が多くなり、はんだ１８不足による実装信頼性の低下を防止でき、実装信頼性を確保できる。

[本発明の第２の実施の形態の製造方法の説明：図６]
本発明の第２の実施の形態の半導体装置の製造方法を図６を用いて説明する。感光性樹脂２１を形成する工程までは、図２から図３を参照することでその説明は省略する
マッシュルーム型はんだバンプ４１の製造方法の特徴は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜を感光性樹脂２１の高さより高く形成した後、その上部にはんだ１８をメッキ法を用いて形成することにある。

図６に示すように、感光樹脂２１を形成後、開口部２２に感光性樹脂２１の上部より高く第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜をメッキ法を用いて形成する。

次に、はんだ１８をメッキ法を用いて、柱状コア１９の上部に形成する。

その後、感光性樹脂２１を除去し、半導体基板１１上部に図示しないフラックスを塗布した後、はんだ１８の融点以上の温度で熱処理を行い、はんだ１８を溶かす。積層膜である柱状コア１９を感光性樹脂２１の高さより高く形成しているため、はんだ１８は、表面張力により柱状コア１９の上部に半球形状に形成されるのである。これにより、はんだバンプの形状はマッシュルーム型となる。

次に、このはんだバンプをマスクとして、柱状コア１９とボンディングパッド１３とに挟まれた共通電極膜１５以外をエッチング除去することにより、図５に示すマッシュルーム型はんだバンプ４１が形成される。

[本発明の第３の実施の形態の構造説明：図７]
図７を用いて本発明の第３の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。図７は、その断面を模式的に示すものであって、４２は球状はんだバンプである。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
図７に示す例では、柱状コア１９は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互に２層づつ計４層を積層する積層膜としている。球状はんだバンプ４２は、共通電極膜１５と柱状コア１９とはんだ１８とで構成しており、柱状コア１９の周囲に球形状にはんだ１８を形成している。これが本発明の第３の実施の形態の半導体装置の構造上の特徴である。

球状はんだバンプ４２の特徴は、柱状コア１９の外周部が切れ目なくはんだ１８で覆われており、柱状コア１９が球状はんだバンプ４２の内部に入っている点である。

このような構造にすることにより、はんだ１８の量が多くなり、半導体装置を実装基板に接続する際に、はんだ１８の不足による接続不良を防ぐことができるとともに柱状コア１９が球状はんだバンプ４２の内部に入っていることで、半導体装置を実装基板に実装する際に、柱状コア１９がスペーサとなり、球状はんだバンプ４２のつぶれを防ぐことができる。このような構造をとることにより、半導体装置と実装基板との間に、柱状コア１９の高さ以上の隙間を形成する事ができ、さらに、はんだ１８の量を多くすることができることから、はんだ不足による接続信頼性の低下を防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性をより向上させることができる。

[本発明の第３の実施の形態の製造方法の説明：図８]
本発明の第３の実施の形態の半導体装置の製造方法を図８を用いて説明する。第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜を形成するまでの工程は図２から図４を参照することでその説明は省略する。
球状はんだバンプ４２の製造方法の特徴は、感光性樹脂２１の高さ近傍まで第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜を形成したのち、はんだ１８をメッキ法を用いて柱状コア１９となる積層膜の上部に形成し、感光性樹脂２１を除去した後、はんだ１８をはんだ１８の融点より高い温度で溶かす点にある。
図８に示すように、感光樹脂２１を形成後、開口部２２に感光性樹脂２１の上部と同一の高さあるいは、その下まで第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜をメッキ法を用いて形成する。

次に、はんだ１８をメッキ法を用いて、柱状コア１９の上部に形成する。

その後、感光性樹脂２１を除去し、半導体基板１１上部に図示しないフラックスを塗布した後、はんだ１８の融点以上の温度で熱処理を行い、はんだ１８を溶かす。これにより、はんだ１８は柱状コア１９の外周に切れ目なく形成される。

次に、このはんだバンプをマスクとして、柱状コア１９とボンディングパッド１３とに挟まれた共通電極膜１５以外をエッチング除去することにより、図７に示す球状はんだバンプ４２が形成される。

[本発明の第４の実施の形態の構造説明：図９]
図９を用いて本発明の第４の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。図９は、その断面を模式的に示すものであって、４３は図７に示す球状はんだバンプ４２とは異なる形状の球状はんだバンプである。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
図９に示す例では、柱状コア１９は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互に積層し、第１の導電性物質膜１６は３層、第２の導電性物質膜１７は２層、計５層を積層する積層膜としている。球状はんだバンプ４３は、共通電極膜１５と柱状コア１９とはんだ１８とで構成しており、柱状コア１９の周囲に球形状にはんだ１８を形成しているとともに柱状コア１９とボンディングパッド１３とは共通電極膜１５を介してはんだ１８で接続している。柱状コア１９がはんだ１８に包み込まれているような形状である。これが本発明の第４の実施の形態の半導体装置の構造上の特徴である。

柱状コア１９とはんだ１８との比重の差をできるだけ小さくするようにすることで、柱状コア１９は、はんだ１８のより中心に位置することができる。
本発明の実施の形態実施で用いる柱状コア１９を形成する第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とは、それぞれニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）とを用いている。ニッケル（Ｎｉ）の比重は８．９であり銅（Ｃｕ）は８．９３である。一方、はんだ１８は共晶はんだの場合、９．７程度になる。この場合、柱状コア１９は球状はんだバンプ４３のやや上の方の内部にとどまることになる。

柱状コア１９を球状はんだバンプ４３の内部のどの位置にとどまらせるかは、柱状コア１９を形成する金属の比重によって決まる。球状はんだバンプ４３の下の方にとどまらせる場合、比重の大きい金属をもちいる。例えば、比重の大きい金属として、金（Ａｕ）は１９．３２、白金（Ｐｔ）は２１．４５、タングステン（Ｗ）は１９．３などである。これらの金属を用いて柱状コア１９を形成すればよい。

このような構造にすることにより、はんだ１８の量が多くなり、半導体装置を実装基板に接続する際に、はんだ１８の不足による接続不良を防ぐことができるとともに柱状コア１９がはんだバンプ４３の内部に入っていることで、半導体装置を実装基板に実装する際に、柱状コア１９がスペーサとなり、球状はんだバンプ４３のつぶれを防ぐことができる。また、半導体装置と実装基板との間に、柱状コア１９の高さ以上の隙間を形成する事ができ、さらに、はんだ１８の量を多くすることができることから、はんだ不足による接続信頼性の低下を防ぐことができる。よって、半導体装置の信頼性をより向上させることができる。
さらに、柱状コア１９からの内部応力が直接ボンディングパッド１３に伝わらないため、半導体基板にはさらにクラックが生じにくく、半導体装置の信頼性をより向上させることができる。

[本発明の第４の実施の形態の製造方法の説明：図１０]
本発明の第４の実施の形態の半導体装置の製造方法を図１０を用いて説明する。感光性樹脂２１を形成する工程までは、既に説明してあるので省略する。
球状はんだバンプ４３の製造方法の特徴は、はんだを２回に分けてメッキ法で形成し、溶かす点である。
図１０に示すように、感光性樹脂２１を形成した後、開口部２２に第１のはんだ１８ａをメッキ法で成膜する。その後に、感光性樹脂２１の上部近傍まで第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との積層膜をメッキ法を用いて形成し、柱状コア１９を形成
する。

次に、第２のはんだ１８ｂをメッキ法を用いて、柱状コア１９の上部に形成する。

その後、感光性樹脂２１を除去し、半導体基板１１上部に図示しないフラックスを塗布した後、はんだの融点以上の温度で熱処理を行い、第１のはんだ１８ａと第２のはんだ１８ｂとを溶かす。これにより、これらのはんだは柱状コア１９の外周に切れ目なく形成されるとともに柱状コア１９ははんだの内部に包み込まれる。図９ではこの形成されたはんだをはんだ１８として示している。

次に、このはんだバンプをマスクとして、はんだとボンディングパッド１３とに挟まれた共通電極膜１５以外をエッチング除去することにより、図９に示す球状はんだバンプ４３が形成される。

図１０に示す例では、柱状コア１９は、感光性樹脂２１の上部端面よりやや下になるように設けているが、もちろんこれに限定するものではない。感光性樹脂２１より高く形成してしまうと、その形状は図５に示すマッシュルーム形状に近くなってしまい、はんだ１８が柱状コア１９の周囲を切れ目なく覆うことができなくなる場合があるため、柱状コア１９の高さは感光性樹脂２１の高さと同じかそれより低い方が好ましい。

次に、本発明の半導体装置において、はんだを用いない構造のバンプについて説明する。

[本発明の第５の実施の形態の構造説明：図１１]
図１１を用いて本発明の第５の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。図１１は、その断面を模式的に示すものであって、２３は金属拡散防止膜、２４は金を主成分とする膜、５０は柱状バンプである。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。

図１１に示す例では、柱状コア１９として、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを交互に２層づつ計４層を積層する積層膜としている。
柱状コア１９の上部に、金属拡散防止膜２３を所望の厚みに形成してある。金属拡散防止膜２３としてチタン（Ｔｉ）膜を形成している。
金属拡散防止膜２３の上部には、金を主成分とする膜２４を所望の厚みで形成している。この膜は、金（Ａｕ）膜を形成している。

金属拡散防止膜２３は金（Ａｕ）原子が、下層の金属へ拡散することを防止するために形成している。金（Ａｕ）が下層金属に拡散した場合、金（Ａｕ）の合金化反応により、柱状バンプ５０の力学的強度が低下してしまう。
例えば、金（Ａｕ）がニッケル（Ｎｉ）膜内に拡散すると、ニッケル（Ｎｉ）膜内にカーゲンタルボイドが発生し、力学的バンプ強度が低下してしまうのである。

このような構造は、いわゆるストレートウォールバンプ形状と呼ばれているものであって、バンプがより狭ピッチになった場合にも対応することができるという特徴を有している。ストレートウォールバンプ形状は、例えば、異方性導電性膜や導電性ペーストを用いた実装方法へ対応ができる。

[本発明の第５の実施の形態の製造方法の説明：図１２]
本発明の第５の実施の形態の半導体装置の製造方法を図１２を用いて説明する。
柱状コア１９を形成するまでの工程は、既に説明しているので簡単に説明する。まず、
感光性樹脂２１を半導体基板１１上に成膜したのち、第１の開口部２０よりやや広く開口するように第２の開口部２２をホトリソ技術を用いて形成する。
次に、知られているメッキ法を用いて第２の開口部２２の底部に第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを所望の厚みになるように交互にメッキ法を用いて成膜し、柱状コア１９を形成する。

次に、柱状コア１９の上部に、知られているメッキ法を用いて、金属拡散防止膜２３を所望の厚みに形成する。金属拡散防止膜２３としてチタン（Ｔｉ）膜を形成する。

金属拡散防止膜２３の上部に金を主成分とする膜２４をメッキ法で所望の厚みまで形成する。
次に、感光性樹脂２１を剥離剤を用いて除去した後に、最下層の第１の導電性物質膜１６とボンディングパッド１３とに挟まれた共通電極膜１５以外をエッチング除去することにより、図１１に示した柱状バンプ５０が形成される。

[本発明の第６の実施の形態の構造説明：図１３]
次に、柱状コア１９の積層している膜の界面に凸部を設ける構成について説明する。内部応力の特性が異なる導電性物質間の界面に凸部を有することでこの部分には凹凸ができ、特性が異なる導電性物質間の界面での接着強度が強くなり、横からの力に対してバンプの強度が増加するのである。

はんだを用いない構造のバンプを例にして、本発明の第６の実施の形態の半導体装置の構造を説明する。もちろん、異なる導電性物質間の界面に凸部を形成することは、はんだを用いる構造のバンプに適用してもよいことは言うまでもない。

図１３は、その断面を模式的に示すものであって、５１は凸部である。既に説明した同一の構成には同一の番号を付与している。
図１３に示す例では、柱状コア１９を構成する第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７と、金属拡散防止膜２３と金を主成分とする膜２４とに凸部５１を設けている。
このような構成とすることにより、互いの膜同士の接触面積が増加するとともに各膜の凹凸形状によるアンカー効果のために、横からの力に対してバンプの強度が増加する。
図１３に示す例では、ボンディングパッド１３のほぼ中央に凸部５１を設けるように図示しているが、もちろんこれに限定するものではない。凸部５１は複数設けてもよいし、凸部５１の代わりに凹部を設けても構わないのである。

ところで、図１３に示す例では、柱状バンプ５０の最上部の金を主成分とする膜２４にも凸部５１が形成されている。これは、下地の膜の段差の通りに成膜されるからである。本発明においては、この金を主成分とする膜２４の凸部５１の有無については問わない。金を主成分とする膜２４の膜厚を調整し、凸部５１のない形状でも構わないのである。

[本発明の第６の実施の形態の製造方法の説明：図１４]
本発明の第６の実施の形態の半導体装置の製造方法を図１４を用いて説明する。
感光性樹脂２１を形成し、第1の導電性物質膜１６を形成する工程までは、既に説明してあるので省略する。第1の導電性物質膜１６を形成後、感光性樹脂２１を剥離液を用いて除去する（図示せず）。
次に、図１４に示すように、第２の感光性樹脂６１を共通電極膜１５の上部と第1の導電性物質膜１６の上部とに知られているホトリソ技術を用いて形成する。

図１５に示すように、第２の感光性樹脂６１をマスクとして、第1の導電性物質膜１６の表面を知られているエッチング法によりエッチングする。この工程により、第1の導電性物質膜１６の表面は凸形状となる。その後、第２の感光性樹脂６１を剥離材を用いて除去する（図示せず）。

次に、図１６に示すように、感光性樹脂２１を再度形成し、開口部２２を形成する。
開口部２２の底部に露出した第1の導電性物質膜１６の表面に、既に知られているメッキ法を用いて、第２の導電性物質膜１７を所望の厚みに成膜する。すでに第1の導電性物質膜１６の表面には、凸部５１が形成されているので、第２の導電性物質膜１７にも凸部５１が形成される。つまり、下地の膜の段差の通りに成膜される。
開口部２２の底部に第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７とを所望の厚みになるように交互にメッキ法を用いて成膜し、柱状コア１９を形成する。金属拡散防止膜２３と金を主成分とする膜２４との形成方法は説明を省略する。

このような構造にすることにより、柱状バンプの横からの力に対して強度を増加させることができる。
柱状バンプは、半導体装置の仕様によってその高さを自由に選ぶことができる。柱状バンプの高さが増して積層回数が増加すると、第1の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との界面で密着不良が発生する場合がある。この密着不良の原因は、さまざまであるが、メッキ工程での不具合である場合が多い。したがって、積層回数が増加するほど密着不良が発生する可能性も高くなる。密着不良は、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との接着強度を低下させる。

しかし、図１３に示す本発明の構成のように、凸部５１を設けることによって、第１の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との接着強度を増加させることができるのである。

[本発明の第６の実施の形態の別の製造方法の説明：図１７]
第1の導電性物質膜１６や第２の導電性物質膜１７に設ける凸部５１は、１つだけではなく複数設けることができるとともにその大きさも自由に選ぶことができる。

本発明の第６の実施の形態の半導体装置の製造方法において、すでに説明した製造方法とは異なる製造方法を図１７を用いて説明する。第1の導電性物質膜１６や第２の導電性物質膜１７に形成する凸部５１をスパッタエッチング法を用いて形成するものであって、極めて小さな凸部５１を複数設け、第1の導電性物質膜１６や第２の導電性物質膜１７の表面に凹凸を形成する方法である。
感光性樹脂２１を形成し、第1の導電性膜１６を形成する工程までは、既に説明してあるので省略する。

第1の導電性物質膜１６を形成後、知られているスパッタエッチング法を用いて、第1の導電性物質膜１６の表面にイオンを当てて、そのほぼ全面に微小な凹凸形状を形成する。このときに用いるイオン種は、アルゴン（Ａｒ）である。
次に、第1の導電性物質膜１６の表面に第２の導電性物質膜１７をメッキ法で成膜する。
第２の導電性物質膜１７を形成後、同じくスパッタエッチング法を用いて、第２の導電性物質膜１７の表面のほぼ全面に凸部を形成する。
その後、順次、第1の導電性物質膜１６の成膜とスパッタエッチング法による処理と、第２の導電性物質膜１７の成膜とスパッタエッチング法による処理とを行って積層膜を形成し、柱状コア１９を形成する。
積層膜を形成する第1の導電性物質膜１６と第２の導電性物質膜１７との界面は、非常
に小さな凸部５１が複数設けられているから、ほぼ均一な凹凸形状になっている。図１７では、この凹凸を分りやすくするために、各導電性物質膜の表面はノコギリ歯状として表現している。もちろん、スパッタエッチング法のエッチング条件を選ぶことで、この図のように、凹凸をノコギリ歯状に加工することもできる。

柱状コア１９の上部に、金属拡散防止膜２３と金を主成分とする膜２４とを所望の厚みで形成するが、もちろんこれらの膜にもスパッタエッチング法による処理を行って微小な凸部５１を形成してもよい。

このような構造にすることにより、柱状バンプの横からの力に対して強度を増加させることができる。スパッタエッチング法により形成された各導電性物質膜の表面には、非常に多くの凸部５１が形成される。互いの導電性物質膜同士の界面は、非常に小さな凹凸により接しているので、その接着強度がより強くなるのである。

本発明の半導体装置は、互いに重なり合う導電性物質の膜の内部応力特性が異なる積層構造の柱状コア１９を用いている。これにより、バンプの内部応力を低減し、バンプから半導体基板に伝わる応力も低減することができる。
したがって、高い信頼性を要求される半導体装置に適している。特に、隣接するバンプ間の間隔が小さい狭ピッチ実装などが必要な精密電子機器用の半導体装置として好適である。

本発明の半導体装置の第１の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第１の実施の形態のボンディングパッドの形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第１の実施の形態の導電性物質膜の形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第１の実施の形態の導電性物質膜の形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第２の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第２の実施の形態の導電性物質膜とはんだの形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第３の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第３の実施の形態の導電性物質膜とはんだの形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第４の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第４の実施の形態の導電性物質膜とはんだの形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第５の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第５の実施の形態の柱状バンプの形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第６の実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の第６の実施の形態の導電性物質膜に設ける凸部の形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第６の実施の形態の導電性物質膜に設ける凸部の形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第６の実施の形態の導電性物質膜の形成を説明する断面図である。 本発明の半導体装置の第６の実施の形態の異なる製造方法による凸部の形成を説明する断面図である。 従来技術の半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 開口部
１１ 半導体基板
１２ 絶縁膜
１３ ボンディングパッド
１４ パッシベーション膜
１５ 共通電極膜
１６ 第１の導電性物質膜
１７ 第２の導電性物質膜
１８ はんだ
１８ａ 第１のはんだ
１８ｂ 第２のはんだ
１９ 柱状コア
２０ 第１の開口部
２１ 感光性樹脂
２２ 第２の開口部
２３ 金属拡散防止膜
２４ 金を主成分とする膜
３０ 柱状金属
３１ はんだメッキ層
３２ 接着層
３３ 濡れ防止膜
４０ 柱状はんだバンプ
４１ マッシュルーム型はんだバンプ
４２ 球状はんだバンプ
４３ 球状はんだバンプ
５０ 柱状バンプ
５１ 凸部
６１ 第２の感光性樹脂

Claims (13)

1. ボンディングパッド上に複数の膜を積層してなる積層膜を有するバンプを備える半導体装置であって、
   前記積層膜は、複数の導電性物質の膜からなるとともに重なり合う該導電性物質の膜の内部応力特性が互いに異なることを特徴とする半導体装置。
2. 前記積層膜の最上層もしくは最下層の前記導電性物質の膜と接する他の膜とは、互いに内部応力特性が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記内部応力特性は、圧縮応力または引っ張り応力であることを特徴とする請求項１から２のいずれか１つに記載の半導体装置。
4. 前記積層膜の界面に凸部または凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体装置。
5. 前記積層膜の周囲は、はんだで覆われていることを特徴とする請求項1から４のいずれか１つに記載の半導体装置。
6. 前記積層膜の最上層は、金を主成分とする膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の半導体装置。
7. 前記積層膜と前記金を主成分とする膜との間に、金属拡散防止膜を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 半導体基板の上部にボンディングパッドを形成する工程と、
   前記ボンディングパッドの上部にパッシベーション膜を形成し、該パッシベーション膜に第１の開口部を設ける工程と、
   前記第１の開口部の前記ボンディングパッドの上部に共通電極膜を形成する工程と、
   前記共通電極膜の上部に感光性樹脂を形成し、該感光性樹脂に第２の開口部を設ける工程と、
   前記第２の開口部の底部から内部応力特性が異なる導電性物質の膜を複数積層し、積層膜を形成する工程と、
   前記積層膜の最上部にはんだを形成する工程と、
   前記感光性樹脂を剥離除去する工程と、
   前記積層膜と前記ボンディングパッドとの間に挟まれている前記共通電極膜のみを残し、残りの前記共通電極膜を除去する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 前記はんだを形成する工程の後に、前記はんだの融点より高い温度で熱処理を行い、はんだを溶かす工程を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記積層膜を形成する工程の前に、前記第２の開口部の底部にはんだを形成する工程を有することを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置の製造方法。
11. 半導体基板の上部にボンディングパッドを形成する工程と、
    前記ボンディングパッドの上部にパッシベーション膜を形成し、該パッシベーション膜に第１の開口部を設ける工程と、
    前記第１の開口部の前記ボンディングパッドの上部に共通電極膜を形成する工程と、
    前記共通電極膜の上部に感光性樹脂を形成し、該感光性樹脂に第２の開口部を設ける工
    程と、
    前記第２の開口部の底部から内部応力特性が異なる導電性物質の膜を複数積層し、積層膜を形成する工程と、
    前記積層膜の上部に金属拡散防止膜を形成する工程と、
    前記金属拡散防止膜の上部に金を主成分とする膜を形成する工程と、
    前記感光性樹脂を剥離除去する工程と、
    前記積層膜と前記ボンディングパッドとの間に挟まれている前記共通電極膜のみを残し、残りの前記共通電極膜を除去する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 前記第２の開口部の底部に前記積層膜を構成するための第１層目の導電性物質の膜を形成する工程と、
    前記第1層目の導電性物質の膜の表面に第２の感光性樹脂を形成し、該第２の感光性樹脂をマスクとして前記第1層目の導電性物質の膜の表面に凸部を形成する工程と、
    前記第1層目の導電性物質の膜の上部に第２層目の導電性物質の膜を積層する工程とを有し、
    前記積層膜を構成する導電性物質の膜同士の界面に凸部を有するようにすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記第２の開口部の底部に前記積層膜を構成するための第１層目の導電性物質の膜を形成する工程と、
    前記第１層目の導電性物質の膜の表面のほぼ全面にスパッタエッチング法を用いて凸部を形成する工程と、
    前記第１層目の導電性物質の膜の上部に第２層目の導電性物質の膜を形成する工程と、
    前記第２層目の導電性物質の膜の表面のほぼ全面にスパッタエッチング法を用いて凸部を形成する工程とを有し、
    前記積層膜を構成する導電性物質の膜同士の界面に凸部を有するようにすることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。

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