JP2010287750A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】Cu配線層上にCuワイヤを実装可能とする半導体装置を提供すること。
【解決手段】本発明の半導体装置は、シリコン基板1上に形成される保護層6と、前記保護層6に形成され、前記シリコン基板1に形成される半導体素子と電気的に接続するCu配線層9と、前記Cu配線層9を被覆し、前記保護層6上に形成される樹脂膜10と、前記樹脂膜10に形成される開口領域11を介して前記Cu配線層9と接続するパッド電極12と、前記パッド電極12上にワイヤボンディングされるCuワイヤ13とを有することを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】本発明の半導体装置は、シリコン基板1上に形成される保護層6と、前記保護層6に形成され、前記シリコン基板1に形成される半導体素子と電気的に接続するCu配線層9と、前記Cu配線層9を被覆し、前記保護層6上に形成される樹脂膜10と、前記樹脂膜10に形成される開口領域11を介して前記Cu配線層9と接続するパッド電極12と、前記パッド電極12上にワイヤボンディングされるCuワイヤ13とを有することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、銅配線層の段差を樹脂膜により解消し、銅配線層上にパッド電極を形成し銅ワイヤとの接合強度を向上させる半導体装置及びその製造方法に関する。
従来の半導体装置の製造方法の一実施例として、図10(A)〜図10(D)に示す製造方法が知られている。図10(A)〜図10(D)は、従来の半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
図10(A)に示す如く、シリコン基板31上面に、例えば、CVD法によりシリコン酸化膜等の層間絶縁膜32を形成する。次に、例えば、ダマシン法により層間絶縁膜32に溝33を形成し、溝33内をバリアメタル膜34、Cu配線層35により埋設する。
図10(B)に示す如く、層間絶縁膜32上の全面に、例えば、スパッタリング法によりバリアメタル膜36を形成する。そして、溝33内のCu配線層35上面を被覆するようにバリアメタル膜36を選択的に加工する。
図10(C)に示す如く、層間絶縁膜32上の全面にSiN膜37を形成し、バリアメタル膜36が露出するようにSiN膜37に開口部38を形成する。
図10(D)に示す如く、開口部38を埋設するようにSiN膜37上の全面にAl膜を堆積する。そして、Al膜を選択的に加工し、Cu配線層35上にAlパッド39を形成する。図示したように、Cu配線層35とAlパッド39との間にはバリアメタル膜36が配置されることで、Cu配線層35のCuがAlパッド39へと拡散することを防止できる。そして、Alパッド39が適した硬さに維持された状態にて、金属細線がAlパッド39へとワイヤボンディングされる(例えば、特許文献1参照。)。
従来の半導体装置の製造方法では、シリコン基板31上面に堆積された層間絶縁層32に溝33を形成し、溝33内をバリアメタル膜34及びCu配線層35により埋設する。そして、バリアメタル膜34及びCu配線層35は、スパッタリング法により堆積されるため、溝33の幅を狭めるとバリアメタル膜34及びCu配線層35が堆積されない領域が発生し、配線パターン内で断線し不良品となる問題が発生する。あるいは、配線パターンの形状により、溝33の個々の領域において、Cu配線層35の膜厚が異なり、膜厚の薄い領域にて電流集中が起こり断線し不良品となる問題が発生する。また、Cu配線層35の膜厚のばらつきにより、半導体素子毎に配線抵抗値がばらつくという問題が発生する。前述した問題を解決するためには、バリアメタル膜34やCu配線層35を堆積し易くするため、溝33を一定幅以上とする必要があり、微細加工が難しく、配線パターンにより半導体素子の微細化が図り難いという問題がある。
更に、配線パターンの微細化を実現しつつ、Cu配線層35の抵抗値を下げるためには、Cu配線層35の膜厚を厚くする必要がある。この場合、溝33の深さを深くする必要があり、微細化の観点から溝33の幅を狭くすると溝33のアスペクト比が大きくなる。その結果、前述したように、Cu配線層35の断線等の問題が発生し、Cu配線層35での抵抗値を下げ難いという問題がある。
また、Alパッド39と接続する金属ワイヤとして金ワイヤが用いられる場合、金ワイヤは銅ワイヤと比較して材料費が高く、原価コストを引き上げる問題がある。しかも、金ワイヤは銅ワイヤよりも許容電流密度が小さいため、大電流を扱う半導体素子では金ワイヤの径を太くする必要があり、材料コストが余分に掛かるという問題が発生する。
上述した各事情に鑑みて成されたものであり、本発明の半導体装置は、半導体層上に形成される絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記半導体層に形成される半導体素子と電気的に接続する銅配線層と、前記銅配線層を被覆し、前記絶縁層上に形成される樹脂膜と、前記樹脂膜に形成される開口領域を介して前記銅配線層と接続するパッド電極と、前記パッド電極上にワイヤボンディングされる銅ワイヤとを有することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体層に半導体素子を形成し、前記半導体層上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に前記半導体素子と電気的に接続する銅配線層を形成する工程と、前記銅配線層を被覆するように前記絶縁層上に樹脂膜を形成した後、前記樹脂膜に前記銅配線層が露出するように開口領域を形成する工程と、前記開口領域を介して前記銅配線層と電気的に接続するパッド電極を形成した後、前記パッド電極上に銅ワイヤをワイヤボンディングする工程とを有することを特徴とする。
本発明では、Cu配線層上にパッド電極を形成することで、Cu配線層上にCuワイヤを接続させることができる。そして、従来のようなAuワイヤを用いる場合に比べ材料コストの低減を図りつつ、大電流仕様品にも対応可能となる。
また、本発明では、Cu配線層が樹脂膜により被覆されることで、その段差が大幅に軽減される。
また、本発明では、パッド電極がAl膜またはAl合金膜により形成されることで、Cuワイヤとの接合強度が向上される。
また、本発明では、パッド電極の形状が丸形状となることで、パッド電極と樹脂膜との境界から樹脂膜へのクラックの発生が大幅に低減される。
また、本発明では、樹脂膜の開口領域の形状が丸形状となることで、樹脂膜へのクラックの発生が大幅に低減される。
また、本発明では、前述したように樹脂膜によるCu配線層の段差軽減が図られているため、パッド電極を形成するAl膜またはAl合金膜のエッチングによる加工が可能となり、レジスト残渣によるパターニング不良を防止できる。
以下に、本発明の実施の形態である半導体装置について、図1及び図2を参照し説明する。図1は、半導体装置を説明する断面図である。図2(A)は、パッド電極及びその周辺の構造を説明する断面図である。図2(B)は、パッド電極及びその周辺の構造を説明する平面図である。
図1に示す如く、シリコン基板1上には、絶縁処理用の絶縁層2が形成される。絶縁層2としては、例えば、シリコン酸化膜、NSG(Nondoped Silicate Glass)膜、BPSG(Boron Phospho Silicate Glass)膜等の少なくとも1層が選択される。尚、シリコン基板1としては、単結晶基板でなるもの、単結晶基板上にエピタキシャル層が形成されるものが考えられる。また、シリコン基板1としては、化合物半導体基板であってもよい。
配線層3が、絶縁層2上に形成され、シリコン基板1に形成された半導体素子と電気的に接続される。配線層3は、3層構造から成り、バリアメタル膜上に金属膜が形成され、その金属膜上に反射防止膜が形成される。そして、バリアメタル膜は、例えば、チタン(Ti)やチタンナイトライド(TiN)等の高融点金属から成る。また、金属膜は、例えば、アルミニウム(Al)膜やアルミニウム−銅(Al−Cu)膜やアルミニウム−シリコン−銅(Al−Si−Cu)膜等のAlを主体とする合金膜から成る。また、反射防止膜は、例えば、TiN、チタンタングステン(TiW)等の高融点金属から成る。そして、配線層3の膜厚は、例えば、0.4〜3.0μmである。
保護層6が、配線層3上を含め、絶縁層2上に形成される。保護層6は、平坦化膜4と、その平坦化膜4上に形成されたシリコン窒化膜5により形成される。平坦膜4は、例えば、TEOS酸化膜、SOG(Spin On Glass)膜及びTEOS酸化膜が積層されて成る。そして、シリコン窒化膜5は、半導体素子内への水分の浸入を防止し、配線層3等の腐食を防止する。そして、開口領域7が、配線層3上の保護層6に形成される。
メッキ用金属層8が、開口領域7を介して保護層6上にパターン配置される。メッキ用金属層8は、開口領域7内にも配置され、開口領域7内では配線層3と直接接続する。
このメッキ用金属層8は、例えば、クロム(Cr)層、Ti層またはTiW層等から成るバリアメタル膜と、メッキ用金属層8上にメッキ層を形成する際の種として用いられるCuシード層とが、それぞれスパッタリング法により形成される。
Cu配線層9が、メッキ用金属層8上面に、例えば、電解メッキ法により形成される。Cu配線層9の膜厚は、例えば、8.0〜10.0μmである。
樹脂膜10が、Cu配線層9上を含め、保護層6上面に形成される。樹脂膜10は、例えば、ポリベンズオキサゾール(PBO)膜またはポリイミド樹脂膜等から成り、スピンコート法により塗布される。尚、PBO膜は、感光性樹脂であり、高耐熱性、応力緩和特性及び低誘電性等の特性を有する膜である。
そして、樹脂膜10の膜厚は、例えば、10.0〜15.0μm程度であり、樹脂膜10はCu配線層9を完全に被覆する。そして、開口領域11が、Cu配線層9上の樹脂膜10に形成される。開口領域11からはCu配線層9の一部が露出する。
パッド電極12が、開口領域11内を介してCu配線層9上にパターン配置される。パッド電極12は、開口領域11内ではCu配線層9と直接接続する。そして、パッド電極12は、Al膜や前述したAl−Cu膜やAl−Si−Cu膜等のAl合金膜から成り、その膜厚は1.0μm程度である。尚、パッド電極12の膜厚は、使用される用途に応じて任意の設計変更が可能であり、例えば、1.0〜3.5μmの範囲で調整される。
Cuワイヤ13は、例えば、径が33〜50μm、99.9〜99.99wt%の銅から成るものが使用される。図示したように、Cuワイヤ13は、パッド電極12上にワイヤボンディングされる。そして、Cuワイヤ13を用いることで、材料特性としてAuワイヤよりも比抵抗が小さく単価も安いことから、Auワイヤを用いる場合よりも材料コストが低減される。尚、Cuワイヤ13の径は、使用される用途に応じて任意の設計変更が可能である。
次に、図2(A)では、図2(B)に示すA−A線方向の断面図を示す。図示の如く、Cuワイヤ13が、開口領域11内のパッド電極12上にワイヤボンディングされる。パッド電極12はCuワイヤ13との接合強度を向上させるために設けられ、その膜厚は、例えば、1.0μm程度である。そして、ワイヤボンディング時の荷重により、Cuワイヤ13のCuボール14は、若干、パッド電極12内へと食い込み、Cuボール14の周囲にはスプラッシュ15が発生する。しかしながら、パッド電極12の膜厚が薄いため、スプラッシュ15は、開口領域11側面のパッド電極12とCuボール14との間に、若干、発生する程度である。この構造により、隣り合うパッド電極12において、スプラッシュ15が接触し、ショートすることはない。
尚、Cuボール14の大きさを小さくすることでボンディング荷重を調整し、前述したスプラッシュ15の発生を極力抑えることもできる。また、パッド電極12の膜厚は、前述したCuワイヤ13との接合強度を向上させるため、ワイヤボンディング後にCuボール14とCu配線層9との間に残存する程度あれば良い。
次に、図2(B)に示す如く、点線で示すCu配線層9の上面には樹脂膜10が配置される。そして、一点鎖線は開口領域11を示し、一点鎖線の内側の実線はCuボール14を示し、一点鎖線の外側の実線はパッド電極12を示す。尚、図2(B)ではスプラッシュ15(図2(A)参照)は図示していない。
先ず、パッド電極12の下面に配置される前述した樹脂膜10は、その膜上に金属膜がスパッタ形成されるとその金属膜の応力によりクラックが発生し易い膜であり、製品品質上そのクラックの発生を防止することが望ましい。しかしながら、本発明では、Al膜やAl合金膜から成るパッド電極12を樹脂膜10上面に配置する必要がある。そこで、本発明では、前述したパッド電極12の形状を、例えば、円形、楕円形等の丸形状に形成した。そして、パッド電極12は、その外周面に鋭角な形状を有さない構造となることで、鋭角な箇所から樹脂膜10にクラックが発生することを抑止する。
同様に、開口領域11も、例えば、円形、楕円形等の丸形状に形成される。更に、図2(A)に示すように、開口領域11の側面は外側へ広がるように緩やかな傾斜となる。そして、開口領域11内にはパッド電極12が形成されるが、パッド電極12と樹脂膜10との境界に位置する開口領域11の形状に鋭角な箇所が配置されない構造とする。その結果、前述したように、樹脂膜10にクラックが発生することを抑止する。
次に、Cu配線層9の抵抗値を低減させるため、前述したようにCu配線層9の膜厚は厚くなる。そのため、Cu配線層9上に薄膜であるパッド電極12を形成する際に、Cu配線層9による段差が問題となる。
具体的には、パッド電極12は、シリコン基板1上の全面にAl膜やAl合金膜を堆積した後に、レジスト膜をマスクにしてエッチングによりパターニングすることで形成される。このとき、前述したCu配線層9上を含むシリコン基板1上にシリコン窒化膜等から成る絶縁膜を形成した場合には、その絶縁膜ではCu配線層9の側壁を埋めることができない。そして、その絶縁層によってはCu配線層9の側壁による段差が解消されない状態にて、その絶縁膜上にAl膜やAl合金膜が堆積される。一方、レジスト膜は、Al膜やAl合金膜をパターニングした後に全て除去されるが、前述したCu配線層9の段差により本来除去されるべきレジスト膜が、Cu配線層9の側壁に除去されずに残ってしまう。その結果、この残ったレジスト膜に被覆され、Cu配線層9の側壁にはAl膜やAl合金膜の残渣が発生し、パターニング不良となる問題がある。
そこで、本発明では、例えば、PBO膜から成る樹脂膜10の膜厚を、例えば、10.0μm〜15.0μm程度とすることで、Cu配線層9の段差を大幅に低減させ、上述したパターニング不良を抑止している。図2(A)の丸印16で示す領域は、図2(B)の点線上面に対応する。図示したように、樹脂膜10を用いることでCu配線層9の段差はほぼ解消され、樹脂膜10の表面は、実質、平坦化される。
尚、本実施の形態では、Cu配線層9の上面に直接Al膜等から成るパッド電極12を形成する場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、Cu配線層9とパッド電極12との間にバリアメタル膜を配置する場合でもよい。この場合には、パッド電極12を形成した後、ベーク処理によりCu配線層9とパッド電極12との境界に合金層を形成する工程を省くことができる。
また、Al膜やAl合金膜から構成される配線層3上にCu配線層9が形成される場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、シリコン基板1上にAl配線層を有することなく、Cu配線層のみにより配線パターンが形成される場合でも良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
次に、本発明の実施の形態である半導体装置の製造方法について、図3〜図8を参照し説明する。図3〜図8は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を説明する断面図である。尚、本実施の形態では、図1に示す構造の製造方法を説明するため、同一の構成部材には同一の符番を付している。
先ず、図3に示す如く、シリコン基板(ウエハ)1を準備し、シリコン基板1上に絶縁層2を形成する。尚、シリコン基板1(エピタキシャル層が形成されている場合には、エピタキシャル層も含む)には、拡散領域により半導体素子が形成される。また、絶縁層2としては、シリコン酸化膜、NSG膜、BPSG膜等の少なくとも1層が選択される。
次に、絶縁層2上に配線層3を形成する。具体的には、シリコン基板1上に、例えば、スパッタリング法により、バリアメタル膜、金属膜及び反射防止膜を積層する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用い、前述したバリアメタル膜、金属膜及び反射防止膜を選択的に除去し、配線層3を形成する。
次に、配線層3上面を含む、絶縁層2上面に保護層6を形成する。保護層6としては、例えば、TEOS酸化膜、SOG膜及びTEOS酸化膜から成る平坦化膜4と、シリコン窒化膜5とを3000〜10000Å程度積層する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用い、シリコン窒化膜5と平坦化膜4を選択的に除去し、開口領域7を形成する。
次に、図4に示す如く、前述した保護層6上面に、例えば、スパッタリング法により、バリアメタル膜21とCuシード層22とから成るメッキ用金属層8を堆積する。そして、メッキ用金属層8は、開口領域7を介して配線層3と電気的に接続する。その後、Cu配線層9(図5参照)を形成するため、Cu配線層9の形成領域を除いた部分にフォトレジスト層23を形成する。
次に、図5に示す如く、電解メッキ法により、Cu配線層9を形成した後、フォトレジスト層23(図4参照)を取り除く。その後、Cu配線層9をマスクとして用い、ウエットエッチングによりメッキ用金属層8を選択的に除去する。
前述したように、メッキ用金属層8としてのバリアメタル膜21及びCuシード層22(図4参照)上面に電解メッキ法によりCu配線層9を形成する。そのため、スパッタリング法によりCu配線層を形成する場合と比較して配線パターンの微細加工も容易であり、半導体素子の微細化も実現し易い。更に、電解メッキ法を用いることで、従前のように溝のアスペクト比も問題とならず、Cu配線層9の膜厚を容易に厚くすることができ、Cu配線層9の抵抗値の低減も実現される。
次に、図6に示す如く、Cu配線層9上を含む、絶縁層2上面に、例えば、スピンコート法により樹脂膜10を形成する。材料としては、PBO膜、感光性ポリイミド樹脂膜等が用いられる。そして、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用い、樹脂膜10を選択的に除去し、開口領域11を形成する。
このとき、Cu配線層9上面を被覆する膜として樹脂膜10を用いることで、Cu配線層9による段差を容易に解消でき、樹脂膜10の表面の平坦化が実現される。そして、ウエットエッチングにより開口領域11を形成することで、開口領域11側面の傾斜が緩やかとなる。
次に、図7に示す如く、逆スパッタリング法により、開口領域11から露出するCu配線層9表面の酸化膜を除去した後、スパッタリング法により樹脂膜10上面にAl膜24を形成する。その後、パッド電極12(図8参照)の形成領域の上面が被覆されるようにフォトレジスト層25を選択的に形成する。
最後に、図8に示す如く、例えば、ドライエッチングによりAl膜24を選択的に除去し、パッド電極12を形成する。そして、フォトレジスト層25(図7参照)を除去した後、ベーク処理を行い、Cu配線層9とパッド電極12との境界から合金層(図示せず)を形成する。その後、Cuワイヤ13をパッド電極12上にワイヤボンディングする。
前述したように、Cu配線層9の段差が解消され、樹脂膜10の表面が、実質、平坦化されることで、Al膜24は均一な膜厚で堆積され易い。そして、Al膜24をエッチング加工する際に、本来取り除くべきフォトレジスト層25(図7参照)が全て除去され、Cu配線層9の側壁にAl膜24の残渣が発生するといったパターニング不良を防止できる。また、パッド電極12は、Cuワイヤ13との接合強度を向上させることを目的とするため、その膜厚は、例えば、1.0μm程度有していれば良い。その結果、Al膜24はドライエッチングにより加工することが可能となる。
尚、本実施の形態では、Al膜24を加工する際にドライエッチングにより行う場合について説明したが、この場合に限定するものではない。例えば、Cuワイヤ13をパッド電極12上面にワイヤボンディングする際の衝撃をより緩和するために、Al膜24を、例えば、3.0μm程度堆積した場合には、ウエットエッチングによりAl膜24を加工する方がドライエッチングするよりも作業性が良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
以上の説明では、従来のAuワイヤに代わってCuワイヤ13をCu配線層9上に形成する実施形態について説明したが、以下の説明では、Cuワイヤ13に代わってCuから成るスタッドバンプ方式を使用した実施形態について、図9を参照しながら説明する。なお、上述した第1の実施形態と同様の構成については、同符号を用いることで重複した説明を省略する。
図9において、第1の実施形態と大きく異なる構成は、Cu配線層9上にパッド電極12を介してスタッドバンプ26が形成されていることである。なお、スタッドバンプ26はCuワイヤをワイヤボンディングした後、ワイヤを引き千切ったものである。更に言えば、スタッドバンプ26の高さは、ワイヤを引き千切った後、その上に更にワイヤボンディングを施し更にワイヤを引き千切る工程を複数回繰り返すことで、高さを任意に設定できる。
尚、上述したスタッドバンプ26が形成された半導体装置を回路基板に実装する場合の衝撃緩和を考慮して、前記Cu配線層9の下にスピンコート法により、PBO膜、感光性ポリイミド樹脂膜等から成る樹脂膜27を形成しておくことが好ましい。
1 シリコン基板
3 配線層
9 Cu配線層
10 樹脂膜
11 開口領域
12 パッド電極
13 Cuワイヤ
3 配線層
9 Cu配線層
10 樹脂膜
11 開口領域
12 パッド電極
13 Cuワイヤ
Claims (7)
- 半導体層上に形成される絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記半導体層に形成される半導体素子と電気的に接続する銅配線層と、
前記銅配線層を被覆し、前記絶縁層上に形成される樹脂膜と、
前記樹脂膜に形成される開口領域を介して前記銅配線層と接続するパッド電極と、
前記パッド電極上にワイヤボンディングされる銅ワイヤとを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記樹脂膜は、ポリベンズオキサゾール膜またはポリイミド樹脂膜から成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記パッド電極はアルミ膜またはアルミ合金膜から成り、前記パッド電極の形状は丸形状であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
- 前記開口領域の形状は丸形状であり、前記開口領域内は前記パッド電極により被膜されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 半導体層に半導体素子を形成し、前記半導体層上に絶縁層を形成し、前記絶縁層上に前記半導体素子と電気的に接続する銅配線層を形成する工程と、
前記銅配線層を被覆するように前記絶縁層上に樹脂膜を形成した後、前記樹脂膜に前記銅配線層が露出するように開口領域を形成する工程と、
前記開口領域を介して前記銅配線層と電気的に接続するパッド電極を形成した後、前記パッド電極上に銅ワイヤをワイヤボンディング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。 - 前記樹脂膜としてポリベンズオキサゾール膜またはポリイミド樹脂膜を用いることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記樹脂膜上にアルミ膜またはアルミ合金膜を堆積し、エッチングにより前記アルミ膜またはアルミ合金膜を加工し、前記パッド電極を形成することを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009140685A JP2010287750A (ja) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | 半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009140685A JP2010287750A (ja) | 2009-06-12 | 2009-06-12 | 半導体装置及びその製造方法 |
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2009
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---|---|---|---|---|
WO2014119045A1 (ja) * | 2013-02-01 | 2014-08-07 | 株式会社村田製作所 | 半導体装置 |
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