JP2016207707A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤボンディングやオンウェハの状態でのプローブ検査などを阻害することなく、集積回路への水分の侵入が抑制できるようにする。【解決手段】素子形成領域１０２に形成されている集積回路に接続するボンディングパッド部１０７の上に、第２表面保護膜１０５の開口部１０８を充填する上部ボンディングパッド部１０９を形成し、上部ボンディングパッド部１０９の上部１１０は、開口部１０８より広い面積に形成されて第２表面保護膜１０５の上に延在し、上部ボンディングパッド部１０９の上面１１０ａは、第２表面保護膜１０５の上面より高く形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板の上の素子形成領域より外側にボンディングバッドを備える半導体装置およびその製造方法に関する。

化合物半導体を用いたより高速に動作する集積回路の層間絶縁膜には、配線遅延を低減する目的で、低誘電率のポリイミドやベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）といった有機絶縁材料がよく用いられる（特許文献１、特許文献２参照）。ただし、酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機絶縁材料と比べて、有機絶縁材料は吸湿性・透水性が高く、有機絶縁材料を用いた層間絶縁膜では良好な耐湿性が得られにくい。このため、有機絶縁材料を層間絶縁膜に用いた集積回路では、セラミックパッケージのような高価な気密封止実装が用いられることが多く、このことが低コスト化の大きな妨げとなっていた。

しかし、近年、超高速用途の化合物半導体集積回路においても、低コスト化への要求が高まってきており、安価なプラスチックパッケージの適用が課題となってきている。プラスチックパッケージを用いる場合には、パッケージで気密性を確保することができないため、半導体集積回路のチップ自体で耐湿性を確保することが必須となる。層間絶縁膜に有機材料を用いた化合物半導体集積回路において耐湿性を確保する際には、ほとんど水を透過しない窒化シリコンなどの無機絶縁材料による表面保護膜を用いる。

例えば、図４に示すように、集積回路のチップは、半導体基板４０１の上の集積回路を構成する素子が形成されている素子形成領域４０２とこの周囲に配置されるボンディングバッド部４０５とを備え、ボンディングバッド部４０５は開口した状態で、素子形成領域４０２を覆うように表面保護膜４０３を形成している。表面保護膜４０３の周囲は、スクライブ（断裁）領域４０４となる。表面保護膜４０３を窒化シリコンから構成することで、素子形成領域４０２の集積回路への水分などの侵入を防ぐようにしている（特許文献２参照）。

なお、ボンディングパッド部は、ワイヤボンディングにより外部回路と接続する必要があるため、この領域に表面保護膜を形成することはできないが、ボンディングパッド部を金などの酸化されにくい金属で作製することにより耐湿性は確保される。無機絶縁材料による表面保護膜が、その後の工程で傷つくことを防ぐために、最表面に有機絶縁材料による表面保護膜が設けられることがある。

例えば、図５，図６に示すように、半導体基板５０１の上の集積回路を構成する素子が形成されている素子形成領域５０２を覆い、無機絶縁材料による第１表面保護膜５０４が形成された状態とする。なお、集積回路を構成する低誘電率の有機絶縁材料からなる層間絶縁膜５０３は、素子形成領域５０２の周囲にかけて形成されており、周囲においても第１表面保護膜５０４の下に層間絶縁膜５０３が存在する。図５は、図６の平面図におけるａａ’線の断面を示している。

第１表面保護膜５０４を貫通する開口部５０６により、ボンディングパッド部５０７の表面が露出する。ボンディングパッド部５０７は、配線５０８により素子形成領域５０２に形成されている集積回路より引き出されている。また、ボンディングパッド部５０７より内側において、第１表面保護膜５０４の上に、有機絶縁材料による第２表面保護膜５０５を形成する。なお、第１表面保護膜５０４の周囲は、スクライブ領域５０９となる。

特開平１０−０２２３８４号公報 特開２００７−２５０８１４号公報

ところで、最表面に設けられる第２表面保護膜５０５は、ある程度厚く堆積しなければ、第１表面保護膜５０４がその後の工程で損傷することを防ぐ効果は得られない。一方で、厚い第２表面保護膜５０５をボンディングパッド部５０７の直近まで形成してしまうと、後工程における金ワイヤのワイヤボンディングにおいて、ボンディング装置のツール先端部が第２表面保護膜５０５に接触してしまい、保護膜を損傷させてしまうこととなる。更に、オンウェハの状態で高周波特性を測定する必要がある場合には、厚い第２表面保護膜５０５が邪魔をして、高周波測定用のプローブを、ボンディングパッド部５０７に接触させることができなくなるおそれもある。これらの問題が生じないようにするには、図５，６に示すように、第２表面保護膜５０５は、ボンディングパッド部５０７からある程度離して形成する必要がある。

この場合においても、素子形成領域５０２の直上は、第２表面保護膜５０５で覆うことは可能である。しかしながら、高速用途の化合物半導体集積回路では、配線遅延時間短縮のために、層間絶縁膜５０３には誘電率の低い有機絶縁材料が使用されるが、有機絶縁材料は透水性が高いため、ボンディングバッド部５０７周辺の第２表面保護膜５０５がない領域の第１表面保護膜５０４に損傷が発生すると、周辺部の層間絶縁膜５０３を通じて、回路素子がある素子形成領域５０２まで水分は侵入してしまうことになり、問題となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ワイヤボンディングやオンウェハの状態でのプローブ検査などを阻害することなく、集積回路への水分の侵入が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上の素子形成領域に形成された化合物半導体から構成された素子および有機絶縁材料から構成された層間絶縁膜による集積回路と、無機絶縁材料から構成されて集積回路を覆って形成された第１表面保護膜と、有機絶縁材料から構成されて第１表面保護膜の上に接して第１表面保護膜を覆って形成された第２表面保護膜と、第１表面保護膜および第２表面保護膜に形成されて素子形成領域の外側に配置された集積回路のボンディングパッド部に到達する開口部と、開口部を充填してボンディングパッド部に接続して形成された上部ボンディングパッド部とを備え、上部ボンディングパッド部の上部は、開口部より広い面積に形成されて第２表面保護膜の上に延在し、上部ボンディングパッド部の上面は、第２表面保護膜の上面より高く形成されている。

上記半導体装置において、第１表面保護膜は、窒化シリコンから構成されていればよい。また、層間絶縁膜は、ベンゾシクロブテンもしくはポリイミドから構成されていればよい。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上の素子形成領域に化合物半導体から構成された素子およびベンゾシクロブテンもしくはポリイミドから構成された層間絶縁膜による集積回路を形成し、窒化シリコンから構成された第１表面保護膜を集積回路を覆って形成し、有機絶縁材料から構成された第２表面保護膜を第１表面保護膜の上に接して第１表面保護膜を覆って形成する第１工程と、第１表面保護膜および第２表面保護膜に、素子形成領域の外側に配置された集積回路のボンディングパッド部に到達する開口部を形成する第２工程と、開口部を充填してボンディングパッド部に接続する上部ボンディングパッド部を形成する第３工程とを備え、上部ボンディングパッド部の上部は、開口部より広い面積に形成して第２表面保護膜の上に延在させ、上部ボンディングパッド部の上面は、第２表面保護膜の上面より高く形成する。

以上説明したことにより、本発明によれば、ワイヤボンディングやオンウェハの状態でのプローブ検査などを阻害することなく、集積回路への水分の侵入が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の一部構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す平面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。 図３Ｄは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。 図３Ｅは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。 図４は、集積回路チップの構成を示す平面図である。 図５は、集積回路チップの一部構成を示す断面図である。 図６は、集積回路チップの構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の一部構成を示す断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す平面図である。図１は、図２の平面図におけるａａ’線の断面を示している。

まず、半導体基板１０１の上には、化合物半導体から構成された素子および有機絶縁材料から構成された層間絶縁膜１０３による集積回路（不図示）が、素子形成領域１０２に形成されている。また、半導体基板１０１の上には、集積回路を覆って無機絶縁材料から構成された第１表面保護膜１０４が形成されている。また、第１表面保護膜１０４の上には、有機絶縁材料から構成された第２表面保護膜１０５が、第１表面保護膜１０４の上に接して第１表面保護膜１０４を覆って形成されている。なお、第１表面保護膜１０４，第２表面保護膜１０５は、半導体基板１０１の上において、スクライブ領域１１２より内側に形成されている。

また、第１表面保護膜１０４，および第２表面保護膜１０５を貫通し、素子形成領域１０２の外側に配置された集積回路のボンディングパッド部１０７に到達する開口部１０８を備え、ボンディングパッド部１０７に接続する上部ボンディングパッド部１０７が開口部１０８を充填して形成されている。ボンディングパッド部１０７は、配線１１１により素子形成領域１０２に形成されている集積回路より引き出されている。なお、集積回路においては、配線１１１が形成されている一層に限らず、２層、３層、また、４層以上の多層配線構造とされていてもよい。

また、上部ボンディングパッド部１０９の上部１１０は、開口部１０８より広い面積に形成されて第２表面保護膜１０５の上に延在している。上部１１０は、庇のように開口部１０８の領域より外側にせり出し、上部１１０の半導体基板１０１の側の下面は、第２表面保護膜１０５の上面に密着している。なお、開口部１０８内部において、上部ボンディングパッド部１０９の側面は、開口部１０８内部における第２表面保護膜１０５の側面に密着している。

また、上部ボンディングパッド部１０９の上面１１０ａは、第２表面保護膜１０５の上面より高く形成されている。

例えば、層間絶縁膜１０３は、ベンゾシクロブテンもしくはポリイミドから構成され、第１表面保護膜１０４は、窒化シリコンから構成されている。また、第２表面保護膜１０５は、ポリイミドから構成されている。また、上部ボンディングパッド部１０９は、Ａｕから構成されている。なお、上部ボンディングパッド部１０９は、Ａｕに限らず、Ｃｕなどのめっきにより成長できる材料から構成しても良い。また、ボンディングバッド部１０９の平面視の形状は、矩形としているが、これに限るものではなく、八角形であってもよく、また、円形など他の形状であってもよい。

実施の形態１によれば、まず、ボンディングパッド部１０７の形成領域より内側の領域は、第１表面保護膜１０４により覆われている。また、半導体基板１０１の上のスクライブ領域１１２より内側の領域は、第２表面保護膜１０５で覆われ、また、ボンディングパッド部１０７の領域の開口部１０８は、上部ボンディングパッド部１０９により栓がされた状態となっている。この結果、素子形成領域１０２内への水分の侵入は抑制され、耐湿性が保たれた状態となる。

また、上部ボンディングパッド部１０９の上面１１０ａは、第２表面保護膜１０５の上面より高く形成されているので、ワイヤボンディングやオンウェハの状態でのプローブ検査などが阻害されることがない。また、より厚い第２表面保護膜１０５が形成可能であり、ワイヤボンディングなどにおける第１表面保護膜１０４の損傷が抑制できる。

次に、実施の形態における半導体装置の製造方法について、図３Ａ〜図３Ｅを用いて説明する。図３Ａ〜図３Ｅは、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するための、各工程における構成を示す構成図である。図３Ａ〜図３Ｅでは、断面を示している。

まず、図３Ａに示すように、半導体基板１０１の上の素子形成領域１０２に化合物半導体から構成された素子やこれらを接続する配線による集積回路（不図示）を、よく知られた半導体装置の製造プロセスにより形成する。よく知られているように、集積回路は、例えば多層配線構造とされ、各配線層間の各々に層間絶縁膜が形成されている。これらの複数層の層間絶縁膜の中の最上層を含む一部が、図示している層間絶縁膜１０３である。このような層間絶縁膜１０３として、ベンゾシクロブテンもしくはポリイミドを用いる。

例えば、ベンゾシクロブテンをスピンコート法などにより塗布して熱硬化させることで、層間絶縁膜１０３が形成できる。このようにして形成される複数の層間絶縁膜は、半導体基板１０１の全域に形成されるが、スクライブ領域１１２は除去しておく。例えば、各層間絶縁膜には、素子と配線とを接続するためのコンタクトホールや、異なる層の配線間を接続するためのスルーホールなどを、レジストマスクを用いた選択的なドライエッチング処理などにより形成するが、これらの開口部形成時に、同時にスクライブ領域１１２の層間絶縁膜を除去しても良い。

次に、窒化シリコンから構成された第１表面保護膜１０４を集積回路を覆って形成する。例えば、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法により窒化シリコンを堆積することで、第１表面保護膜１０４が形成できる。次に、第１表面保護膜１０４に、ボンディングパッド部１０７に到達する開口部１０８を形成する。次に、有機絶縁材料から構成された第２表面保護膜１０５を第１表面保護膜１０４の上に接して第１表面保護膜１０４を覆って形成する（第１工程）。例えば、ポリイミドをスピンコート法などにより塗布して熱硬化させることで、第２表面保護膜１０５が形成できる。

次に、第２表面保護膜１０５に、素子形成領域１０２の外側に配置された集積回路のボンディングパッド部１０７に到達する開口部１０８を形成する（第２工程）。

例えば、よく知られたフォトリソグラフィー技術により、開口部１０８の領域に開口部を備えたレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしたドライエッチングにより、層間絶縁膜１０３をパターニングして開口部を形成する。また、同様にして第１表面保護膜１０４をパターニングして同じ箇所に開口部を形成する。また、同様にして、第２表面保護膜１０５をパターニングして同じ箇所に開口部を形成する。これらのことにより、開口部１０８が形成できる。このとき、スクライブ領域１１２も同時に開口する。

なお、例えば、層間絶縁膜１０３や第２表面保護膜１０５は、感光性を有する有機絶縁材料を用いることで、フォトリソグラフィー技術により開口部１０８の箇所に開口部を形成しても良い。

次に、以下に示すことにより、開口部１０８を充填してボンディングパッド部１０７に接続する上部ボンディングパッド部１０９を形成する（第３工程）。

まず、図３Ｂに示すように、全域にＷからなる密着層２０１を形成し、この上にＡｕからなるシード層２０２を形成する。例えば、スパッタ法や蒸着法により、Ｗを堆積して密着層２０１を形成し、Ａｕを堆積してシード層２０２を形成すれば良い。

次に、図３Ｃに示すように、公知のフォトリソグラフィー技術により、開口部１０８の内側に開口２０４を備えるレジストパターン２０３を形成する。次いで、電解めっき法により、開口２０４の底部に露出するシード層２０２の上に、Ａｕをめっき成長させて金属パターン２０５を形成する。

次に、図３Ｄに示すように、レジストパターン２０３に、開口２０４をより広げた開口２０４ａを形成する。開口２０４ａは、開口部１０８より広い面積とする。次に、開口２０４ａの内側に露出しているシード層２０２、および金属パターン２０５の上に、Ａｕをめっき成長させて金属パターン２０６を形成する。金属パターン２０６は、この上部が開口部１０８より広い面積に形成され、第２表面保護膜１０５の上方に延在した状態に形成される。

ここで、１回目のめっきにより形成した金属パターン２０５と、第２表面保護膜１０５の側面に形成されているシード層２０２との間の溝は、全て２回目のめっきによるＡｕ（金属パターン２０６）で埋める。これは、１回目のめっきで形成する金属パターン２０５の領域を適切に設計することにより可能となる。具体的には、上記溝の幅を、２回目のめっき厚の２倍より小さくする。

次に、レジストパターン２０３を除去した後、金属パターン２０６をマスクとして密着層２０１およびシード層２０２をエッチングし、図３Ｅに示すように、エッチングされた密着層２０１およびシード層２０２と、金属パターン２０５と、金属パターン２０６とにより、上部ボンディングパッド部１０９が形成された状態とする。密着層２０１およびシード層２０２のエッチングは、例えば、イオンミリング法などにより実施すれば良い。

以上のことより、上部ボンディングパッド部１０９の上部１１０は、開口部１０８より広い面積に形成して第２表面保護膜１０５の上に延在した状態となる。また、上部ボンディングパッド部１０９の上面は、第２表面保護膜１０５の上面より高く形成されたものとなる。

また、上述では、金属パターン２０５を形成し、また金属パターン２０６を形成する２回のメッキにより、上部ボンディングパッド部１０９を形成している。このようにすることで、直径１００μｍ程度の上部ボンディングパッド部１０９の上面１１０ａを、中心部を下方にへこませることなく、より平坦な状態に形成することができる。１回のメッキにより形成することも可能であるが、この場合、上面の中心部がへこまない状態に形成できない場合が発生する。これに対し、上述したように２回に分けてメッキすることで、安定した状態でより容易に、上面１１０ａの全域を第２表面保護膜１０５の上面より高く形成することができる。

以上に説明したように、本発明では、集積回路のボンディングパッド部の上に、第２表面保護膜の開口部を充填する上部ボンディングパッド部を形成し、上部ボンディングパッド部の上部は、開口部より広い面積に形成されて第２表面保護膜の上に延在し、上部ボンディングパッド部の上面は、第２表面保護膜の上面より高く形成されているようにした。この結果、本発明によれば、ワイヤボンディングにおいて、ボンディング装置のツール先端部が表面保護膜に当たることが抑制され、また、オンウェハの状態でのプローブ検査などを阻害することなく、集積回路への水分の侵入が抑制できるようになる。

本発明によれば、例えば、透水性が大きい有機材料を層間絶縁膜に用いた化合物半導体集積回路においても、水分が集積回路内部へ侵入するのを防ぐことが可能となり、集積回路チップでの耐湿性を確保することができるため、プラスチックパッケージの適用による低コスト化が可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…半導体基板、１０２…素子形成領域、１０３…層間絶縁膜、１０４…第１表面保護膜、１０５…第２表面保護膜、１０７…ボンディングパッド部、１０８…開口部、１０９…上部ボンディングパッド部、１１０…上部、１１０ａ…上面、１１１…配線、１１２…スクライブ領域。

Claims (4)

1. 半導体基板の上の素子形成領域に形成された化合物半導体から構成された素子および有機絶縁材料から構成された層間絶縁膜による集積回路と、
   無機絶縁材料から構成されて前記集積回路を覆って形成された第１表面保護膜と、
   有機絶縁材料から構成されて前記第１表面保護膜の上に接して前記第１表面保護膜を覆って形成された第２表面保護膜と、
   前記第１表面保護膜および前記第２表面保護膜に形成されて前記素子形成領域の外側に配置された前記集積回路のボンディングパッド部に到達する開口部と、
   前記開口部を充填して前記ボンディングパッド部に接続して形成された上部ボンディングパッド部と
   を備え、
   前記上部ボンディングパッド部の上部は、前記開口部より広い面積に形成されて前記第２表面保護膜の上に延在し、
   前記上部ボンディングパッド部の上面は、前記第２表面保護膜の上面より高く形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１表面保護膜は、窒化シリコンから構成されていることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記層間絶縁膜は、ベンゾシクロブテンもしくはポリイミドから構成されていることを特徴とする半導体装置。
4. 半導体基板の上の素子形成領域に化合物半導体から構成された素子およびベンゾシクロブテンもしくはポリイミドから構成された層間絶縁膜による集積回路を形成し、窒化シリコンから構成された第１表面保護膜を前記集積回路を覆って形成し、有機絶縁材料から構成された第２表面保護膜を前記第１表面保護膜の上に接して前記第１表面保護膜を覆って形成する第１工程と、
   前記第１表面保護膜および前記第２表面保護膜に、前記素子形成領域の外側に配置された前記集積回路のボンディングパッド部に到達する開口部を形成する第２工程と、
   前記開口部を充填して前記ボンディングパッド部に接続する上部ボンディングパッド部を形成する第３工程と
   を備え、
   前記上部ボンディングパッド部の上部は、前記開口部より広い面積に形成して前記第２表面保護膜の上に延在させ、
   前記上部ボンディングパッド部の上面は、前記第２表面保護膜の上面より高く形成する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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