JP2009147220A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】再配置配線および半田バンプを簡便なプロセスで作製することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体基板における半導体素子の電極端子が設けられた主面側に、電極端子を電気的に引き出す再配置配線およびバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の主面側に、電極端子と電気的に接続された第1の導電層を形成する工程と、第1の導電層上の所定の位置に開口を有するマスク層を第1の導電層上に形成する工程と、マスク層の開口内に第2の導電層を形成する工程と、マスク層を除去する工程と、第2の導電層をマスクとして用いて第1の導電層を異方性エッチングすることにより第1の導電層からなる再配置配線を形成する工程と、第2の導電層をリフローして再配置配線上バンプを形成する工程と、を含む。
【選択図】 図3

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。
近年、半導体デバイスの高集積化と高機能化を達成するためにデバイスの動作速度の向上やメモリの大容量化が要求されている。最近では、チップのeDRAM(Embedded Dynamic Random Access Memory)に代わってロジックチップと大容量DRAMを積層したCOC(Chip on Chip)のデバイスも開発されている。
通常、COCは、半田バンプや金バンプ等を用いてチップ同士の接続が行われている。また、COC接続したチップの電源供給等にはボンディングワイヤおよび金(Au)めっき配線、銅(Cu)めっき配線等の再配置配線が用いられている。ここで、Cuめっきによる再配置配線と半田バンプによる接続を行う場合、半導体デバイスの高集積化が進むと配線幅は細くなり、半田バンプ径は小さくなるため、配線抵抗やチップ間抵抗が増大する問題があり、抵抗を減らすことが要求される。
従来、このような再配置配線や半田バンプの作製に関する技術としては、開口を有するレジストマスクをウェハ上の通電層上に形成し、通電層に電流を供給してめっき法により開口内にめっき膜を形成してめっき膜の再配置配線、あるいは半田バンプを形成する技術が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記特許文献1に記載された技術によれば、再配置配線および半田バンプの形成に際して、それぞれレジストをパターニングしておき、そのパターン開口部に再配置配線および半田バンプをめっきすることになるため、工程が複雑になるという問題がある。
特開2006−237159号公報
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、再配置配線および半田バンプを簡便なプロセスで作製することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
本願発明の一態様によれば、半導体基板における半導体素子の電極端子が設けられた主面側に、前記電極端子を電気的に引き出す再配置配線およびバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の主面側に、前記電極端子と電気的に接続された第1の導電層を形成する第1の工程と、前記第1の導電層上の所定の位置に開口を有するマスク層を前記第1の導電層上に形成する第2の工程と、前記マスク層の開口内に第2の導電層を形成する第3の工程と、前記マスク層を除去する第4の工程と、前記第2の導電層をマスクとして用いて前記第1の導電層を異方性エッチングすることにより前記第1の導電層からなる前記再配置配線を形成する第5の工程と、前記第2の導電層をリフローして前記再配置配線上に前記バンプを形成する第6の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本願発明の一態様によれば、表面に半導体素子の電極端子が設けられた半導体基板と、前記半導体基板の前記半導体素子の電極端子が設けられた主面上に形成され、前記電極端子上の少なくとも一部の領域に開口を有する絶縁層と、少なくとも前記開口内を埋めて設けられ、前記電極端子と電気的に接続された再配置配線と、前記再配置配線上の全面に設けられたバンプと、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、再配置配線および半田バンプを簡便なプロセスで作製することができる、という効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法及び半導体装置を詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態について説明する。図1〜図3は、本発明の第1の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する模式図である。まず、本実施の形態で使用する半導体ウェハ(基板)について説明する。図1(a)に示されるように、シリコンなどの半導体基板にトランジスタ等の半導体素子(図示せず)が形成された半導体ウェハW(以下、単に「ウェハW」または「基板W」と称する。)表面上には、半導体素子の電極端子としての電極パッド1a、1bが形成されている。電極パッド1a、1bを構成する材料としては例えばアルミニウム(Al)等が挙げられる。本実施の形態では、電極パッド1a、1bがAlにより構成されている場合について説明する。このような電極パッド1a、1b等が形成されたウェハWを使用して、以下の工程を行う。
まず、図1(b)に示されるように、電極パッド1a、1b上の所定の位置に開口4a、4b、4cを有するパッシベーション膜2およびポリイミド膜3をこの順でウェハW上の全面に形成する。パッシベーション膜2を構成する材料としては例えば窒化シリコン(SiN)等が挙げられる。本実施の形態では、パッシベーション膜2がSiNにより構成されている場合について説明する。
パッシベーション膜2およびポリイミド膜3の形成方法について説明すると、まずウェハWの全面にパッシベーション膜2(SiN膜)およびポリイミド膜3を形成する。さらに、電極パッド1a、1b上の所定の位置(開口4a、4b、4cに対応する位置)に開口を有するレジストパターンをポリイミド膜3上に形成し、このレジストパターンをマスクとして用いてエッチング技術により電極パッド1a、1b上の所定の位置に開口4a、4b、4cを有するパッシベーション膜2およびポリイミド膜3を形成する。なお、本実施の形態では、パッシベーション膜2上にポリイミド膜3を形成しているが、ポリイミド膜3を形成しなくともよい。
次に、図1(c)に示されるように、ウェハWの全面に、アンダーバンプメタル(UBM)層として、バリアメタル層5および再配置配線層となる第1の導電層6の厚膜をスパッタリング法を用いて形成する。ここで、パッシベーション膜2とポリイミド膜3には、電極パッド1a、1b上の部分に開口4a、4b、4cが形成されているので、電極パッド1a、1b上の部分においては、バリアメタル層5が電極パッド1a、1bに接する。
バリアメタル層5を構成する材料としては、例えばチタン(Ti)やタングステンチタン(TiW)等のTi系材料等が挙げられる。また、第1の導電層6を構成する材料としては例えば銅(Cu)が挙げられる。本実施の形態では、バリアメタル層5がTi膜(膜厚100nm)により構成されており、第1の導電層6がCu膜(膜厚5μm)により構成されている場合について説明する。なお、バリアメタル層5は多層構造のものであってもよい。
バリアメタル層5および第1の導電層6を形成した後、レジスト塗布・露光・現像の通常のリソグラフィ工程により、図2(a)に示されるように開口7a、7bを有するマスク層としてのレジストパターン8を第1の導電層6上に形成する。この開口7a、7bは、再配置配線および半田バンプを形成する位置に形成され、開口7aは、電極パッド1aを含む領域上に形成されている。また、開口7bは、電極パッド1b上に形成されている。この開口7a、7bは、半田バンプ形成のための半田めっき開口部として使用する。
第1の導電層6上にレジストパターン8を形成した後、図2(b)に示されるように半田バンプ用のバリアメタル9として例えばニッケル(Ni)膜をめっき法により開口7a、7b内に350nmの膜厚で形成し、続けて半田めっき膜10として例えばCuと錫(Sn)とをこの順で、それぞれ0.12μm、6μmの膜厚でめっき法により開口7a、7b内に形成する。バリアメタル9は、後述する半田バンプ12a、12b中に含まれるSnの拡散を抑制する。
次に、図2(c)に示されるように例えばレジスト剥離液等の薬液によりレジストパターン8を剥離する。そして、図3(a)に示されるように半田めっき膜10をエッチングマスクとして異方性エッチングを行い、半田めっき膜10に覆われている部分以外の第1の導電層6のCu層とバリアメタル層5のTi層とを除去する。
これにより、第1の導電層6のCu層とバリアメタル層5のTi層とが半田めっき膜10と同じ形状にパターニングされ、半田めっき膜10と同じ形状にパターニングされた再配置配線層6a、6b(Cu配線層)およびバリアメタル層5a、5bが半田めっき膜10の下部に形成される。この再配置配線層6aは、バリアメタル層5aを介して電極パッド1aと電気的に接続されており、再配置配線層6bは、バリアメタル層5bを介して電極パッド1bと電気的に接続されている。また、ワイヤボンディング用のボンディングパッド11が、電極パッド1aに形成される。
その後、リフロー工程を実施して半田めっき膜10を溶融、凝固させる。このとき、バリアメタル9が半田めっき膜10中に溶解してもよい。これにより、ことで、図3(b)に示されるように、半田バンプ12a、12bを再配置配線層6a、6b上(バリアメタル9上)に直接形成することができる。
上述したように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、再配置配線層6a、6bをスパッタリング法を用いて形成しているため、めっき法で形成された膜よりも電気抵抗が低く、配線抵抗が低減された再配置配線層6a、6bが形成される。
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、半田バンプ12a、12bを再配置配線層6a、6b上(バリアメタル9上)に直接形成するため、Tiなどの電気抵抗の高い半田めっき用のUBM層が存在せず、チップ間抵抗が低減された半導体装置を製造することができる。
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、再配置配線層6a、6bを形成した後に半田バンプ12a、12bを形成するのではなく、半田めっき膜10をマスクとして用いて再配置配線層6a、6bを形成するため、再配置配線層6a、6bおよび半田バンプ12a、12bのそれぞれのパターニングにおいてレジストの形成を行う必要が無く、簡略な少ない工程数で再配置配線層6a、6bおよび半田バンプ12a、12bを製造することができる。
(第2の実施の形態)
以下、本発明の第2の実施の形態について説明する。図4および図5は、第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す模式図である。なお、第1の実施の形態と重複する説明は省略する。まず、図4(a)に、第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により作製された半導体装置の構成を示す。
第2の実施の形態にかかる半導体装置が第1の実施の形態にかかる半導体装置と異なる点は、再配置配線層6aの代わりに、スパッタリング法により形成された第1の導電層6a′とめっき法により形成された上層導電層(めっきCu層)21aとからなる再配置配線層22aを、再配置配線層6bの代わりに、スパッタリング法により形成された第1の導電層6b′とめっき法により形成された上層導電層(めっきCu層)21bとからなる再配置配線層22bを、有することである。
第1の導電層6a′および第1の導電層6b′は、それぞれ第1の実施の形態における再配置配線層6aおよび再配置配線層6bよりも薄い膜厚(1μm)で形成されている。また、再配置配線層22aおよび再配置配線層22bは、それぞれ第1の実施の形態における再配置配線層6aおよび再配置配線層6bよりも厚い膜厚で形成されている。
この第2の実施の形態にかかる半導体装置では、再配置配線層22aおよび再配置配線層22bがそれぞれ第1の実施の形態における再配置配線層6aおよび再配置配線層6bよりも厚い膜厚で形成されているため、第1の実施の形態にかかる半導体装置よりも配線抵抗を低減することができる。このような第2の実施の形態にかかる半導体装置は、半導体装置の高集積化が進んで配線幅が狭くなった場合においても、配線抵抗の増加を抑制することができ、半導体装置の高集積化に対応することができる。
この第2の実施の形態にかかる半導体装置は、第1の実施の形態において第1の導電層6をスパッタリング法により形成した後に、この第1の導電層6上に、めっき法により上層導電層(めっきCu層)21a、21bを形成することにより作製することができる。具体的には、第1の実施の形態の場合と同様にして、図1(b)に示される工程まで進める。次に、図4(b)に示されるように、ウェハWの全面にアンダーバンプメタル(UBM)層として、バリアメタル層5としてのTi膜(膜厚100nm)および第1の導電層6としてのCu膜(膜厚1μm)を、スパッタリング法を用いて形成する。
バリアメタル層5および第1の導電層6を形成した後、レジスト塗布・露光・現像の通常のリソグラフィ工程により、図4(c)に示されるように開口25a、25bを有するマスク層としてのレジストパターン26を第1の導電層6上に形成する。この開口25a、25bは、再配置配線および半田バンプを形成する位置に形成され、開口25aは、電極パッド1aを含む領域上に形成されている。また、開口25bは、電極パッド1b上に形成されている。
第1の導電層6上にレジストパターン26を形成した後、図5(a)に示されるように、上層導電層(めっきCu層)21a、21bをめっき法によりそれぞれ開口25a、25b内に5μmの膜厚で形成する。続けて、図5(b)に示されるように、半田バンプ用のバリアメタル9として例えばニッケル(Ni)膜をめっき法により開口25a、25b内に350nmの膜厚で形成し、さらに半田めっき膜10として例えばCuと錫(Sn)とをこの順で、それぞれ0.12μm、6μmの膜厚でめっき法により開口25a、25b内に形成する。
次に、例えばレジスト剥離液等の薬液によりレジストパターン26を剥離し、図5(c)に示されるように半田めっき膜10をエッチングマスクとして異方性エッチングを行い、半田めっき膜10に覆われている部分以外の第1の導電層6のCu層とバリアメタル層5のTi層とを除去する。すなわち、第1の導電層6のCu層とバリアメタル層5のTi層とを半田めっき膜10と同じ形状にパターニングする。このとき、第1の実施の形態よりも第1の導電層6が薄い膜厚で形成されているので、異方性エッチングにより容易にパターニングすることができる。
これにより、スパッタリング法により形成された第1の導電層6a′とめっき法により形成された上層導電層(めっきCu層)21aとからなる再配置配線層22a、およびスパッタリング法により形成された第1の導電層6b′とめっき法により形成された上層導電層(めっきCu層)21bとからなる再配置配線層22bが、半田めっき膜10の下部に形成される。また、ワイヤボンディング用のボンディングパッド11が、電極パッド1aに形成される。
その後、リフロー工程を実施して半田めっき膜10を溶融、凝固させることで、図4(a)に示されるように、半田バンプ12a、12bを再配置配線層22a、22b上(バリアメタル9上)に直接形成することができる。
上述した第2の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、スパッタリング法とめっき法とを組み合わせて再配置配線層用の導電層を形成しているため、スパッタリング法のみで再配置配線層用の導電層を形成する場合よりも、容易に且つ厚膜の再配置配線層を作製することが可能である。
(第3の実施の形態)
以下、本発明の第3の実施の形態について説明する。図6は、第1の実施の形態において説明した方法で基板Wの面内方向での平面形状が略矩形の再配置配線層を作製したロジックチップ31およびメモリチップ(例えばDRAM)32をフリップチップ接続した状態を示す模式図である。図6(a)は、ここでは、ロジックチップ31を下側、メモリチップ32を上側に配置して接続する状態を示している。図6(b)は、ロジックチップ31を上面(再配置配線層6aが形成された側)から見た状態を示している。この場合、ロジックチップ31では、再配置配線層6a上全体に半田が広がっている。
下側のロジックチップ31の半田バンプ12aと、上側のメモリチップ32の半田バンプ12cとを確実に接続するには、半田バンプ12aにおける半田バンプ12cとの接続部は、略球状の形状とされ、所定の高さを有していることが好ましい。しかしながら、図6においては再配置配線層6aの基板Wの面内方向における形状が略長方形とされており、半田は再配置配線層6a上全体に配置されている。このため、リフロー時には半田は再配置配線層6a上全体に広がり、略球状の形状とはならない。
図7(a)は、ロジックチップ31を上面(再配置配線層6aが形成された側)から半田バンプ12a、12bを透過させて見た図である。ここで、再配置配線層6aの基板Wの面内方向における形状について説明する。再配置配線層6aの長さ方向(図7(a)のX方向)において、半田バンプ12cと接続される一端側が略円形状の形状を呈する円形部41とされている。また、他端側が略長方形の形状を呈する長方形部42とされている。そして円形部41に連なり、且つ円形部41と長方形部42とを接続する部分は、円形部41より細くくびれた形状を有し、円形部41および長方形部42よりも幅方向(図7(a)のY方向)の寸法が細くされた細幅配線部43とされている。
このように、円形部41に連なる部分を円形部41より細くくびれた形状を有する細幅配線部43とすることで、リフロー時において、半田バンプ12cとの接続部近傍から半田が長方形部42の方向に流れることが抑制される。これにより、図7(b)に示されるように円形部41上に、略球状の形状とされ、所定の高さを有する半田バンプ12a(41)を形成することができる。
また、例えば図8(a)に示されるように、細幅配線部を細幅配線部44aと細幅配線部44bとの2本の細幅配線部により構成してもよい。この場合も、リフロー時において、半田バンプ12cとの接続部近傍から半田が長方形部42の方向に流れることを抑制できる。これにより、略球状の形状とされ、所定の高さを有する半田バンプ12a(41)を円形部41上に形成することができる。
また、例えば図8(b)に示されるように、細幅配線部を細幅配線部45aと細幅配線部45bと細幅配線部45cとの3本の細幅配線部により構成してもよい。この場合も、リフロー時において、半田バンプ12cとの接続部近傍から半田が長方形部42の方向に流れることを抑制できる。これにより、略球状の形状とされ、所定の高さを有する半田バンプ12a(41)を円形部41上に形成することができる。
このように、細幅配線部の本数を増やして細幅配線部の幅方向(Y方向)の寸法を大きくすることで、細幅配線部の断面積を大きくすることができ、細幅配線部の高抵抗化を抑制することができる。
(第4の実施の形態)
以下、本発明の第4の実施の形態について説明する。図9は、第4の実施の形態にかかるロジックチップ31およびメモリチップ32をフリップチップ接続した状態を示す模式図である。図9では、ロジックチップ31を下側、メモリチップ32を上側に配置して接続する状態を示している。
ここで、ロジックチップ31およびメモリチップ32は、第1の実施の形態において説明した方法で作製しているが、ロジックチップ31の半田バンプ12aの半田量をメモリチップ32の半田バンプ12cの半田量よりも少なくして半田バンプを形成している。ここでの半田量は、導電層(Cu層)上の単位面積あたりの半田量(平均)である。
これにより、チップ接続時(リフロー時)に、ロジックチップ31の半田バンプ12aにおいて、溶融した半田が半田バンプ12cとの接続部近傍から該接続部から離れる方向に流れることを抑制して、ロジックチップ31の半田バンプ12aとメモリチップ32の半田バンプ12cとを確実に接続することができる。
さらに、半田バンプ12cの融点が半田バンプ12aの融点よりも低くなるように、ロジックチップ31の半田バンプ12aの半田の組成と、メモリチップ32の半田バンプ12cの半田の組成と、を異ならせてもよい。
この場合、チップ接続時(リフロー時)に、半田バンプ12cの融点以上、半田バンプ12aの融点未満の温度で熱処理することで、半田バンプ12cのみを溶融させる。これにより、チップ接続時(リフロー時)に、半田バンプ12aの半田が半田バンプ12cとの接続部近傍から該接続部から離れる方向に流れることをより確実に抑制して、ロジックチップ31の半田バンプ12aとメモリチップ32の半田バンプ12cとを確実に接続することができる。
なお、上記の図9ではメモリチップ32においてもロジックチップ31と同様に、半田バンプ12cが電極パッド1c上にバリアメタル層5c、導電層6cを介して形成された構造を示した。しかしながら、メモリチップ32側では特に再配置配線を形成する必要はなく半田バンプ12cをUBM層としてのバリアメタル層5c(バリアメタル9)上に直接形成しても良い。また、図6〜図9においては、第1の実施の形態にかかる方法で作製したロジックチップ31の場合を説明したが、第2の実施の形態にかかる方法で再配置配線が作製されたロジックチップを使用してもよいことは言うまでもない。
この発明の一実施形態に従った半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置の製造方法を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置を説明する模式図である。 この発明の一実施形態に従った半導体装置を説明する模式図である。
符号の説明
1a、1b 電極パッド、2 パッシベーション膜、3 ポリイミド膜、4a、4b、4c 開口、5、5a、5b バリアメタル層、6 第1の導電層、6a、6b 再配置配線層、6a′、6b′ 第1の導電層、7a、7b 開口、8 レジストパターン、9 バリアメタル、10 半田めっき膜、11 ボンディングパッド、12a、12b、12c 半田バンプ、21a、21b 上層導電層、22a、22b 再配置配線層、25a、25b 開口、26 レジストパターン、41 円形部、42 長方形部、43 細幅配線部、44a、44b 細幅配線部、45a、45b、45c 細幅配線部、W 半導体ウェハ(基板)

Claims (5)

  1. 半導体基板における半導体素子の電極端子が設けられた主面側に、前記電極端子を電気的に引き出す再配置配線およびバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板の主面側に、前記電極端子と電気的に接続された第1の導電層を形成する第1の工程と、
    前記第1の導電層上の所定の位置に開口を有するマスク層を前記第1の導電層上に形成する第2の工程と、
    前記マスク層の開口内に第2の導電層を形成する第3の工程と、
    前記マスク層を除去する第4の工程と、
    前記第2の導電層をマスクとして用いて前記第1の導電層を異方性エッチングすることにより前記第1の導電層からなる前記再配置配線を形成する第5の工程と、
    前記第2の導電層をリフローして前記再配置配線上に前記バンプを形成する第6の工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1の工程では、前記第1の導電層をスパッタリング法により形成すること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第3の工程では、前記マスク層の開口内に第3の導電層をめっき法により形成した後に、前記第3の導電層上に前記第2の導電層を形成し、
    前記第5の工程では、前記第1の導電層を異方性エッチングすることにより、前記第1の導電層および前記第3の導電層からなる前記再配置配線を形成すること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記再配置配線は、前記半導体基板の面内方向における形状が略円形状とされた第1の領域と、前記第1の領域に連なる領域であって前記第1の領域より細くくびれた形状を有する第2の領域と、を有すること、
    を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 表面に半導体素子の電極端子が設けられた半導体基板と、
    前記半導体基板の前記半導体素子の電極端子が設けられた主面上に形成され、前記電極端子上の少なくとも一部の領域に開口を有する絶縁層と、
    少なくとも前記開口内を埋めて設けられ、前記電極端子と電気的に接続された再配置配線と、
    前記再配置配線上の全面に設けられたバンプと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
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