JP2017130616A

JP2017130616A - 半導体装置、半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2017130616A
Application number: JP2016010671A
Authority: JP
Inventors: 泰弘松尾; Yasuhiro Matsuo
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: JP6638421B2

Abstract

【課題】本発明は、簡単な方法ではんだバンプとアンダーバリアメタルの接合強度を高めることができる半導体装置とその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】基板と、該基板の上に形成された導電層と、該導電層に接し、該基板表面と平行方向に突出するオーバーハング部を有するアンダーバリアメタルと、該アンダーバリアメタルに接し、該オーバーハング部の上面、側面及び下面に接し、該オーバーハング部を包み込むはんだバンプと、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、はんだバンプを備えた半導体装置と、その半導体装置の製造方法に関する。

特許文献１には、引き出し電極とバンプ電極との間に、これらの相互拡散を防止するためのＵＢＭ（Under Barrier Metal）を形成したことが開示されている。また、特許文献１には、バンプ電極の材料ははんだであることが開示されている。

特開２００８−０１６５１４号公報

導電層、その表面保護膜、及びアンダーバリアメタルなど表面構造を形成し、はんだペースト印刷又はフラックス印刷によりはんだボールを搭載した後、リフロー処理を行うことではんだバンプが製造される。リフロー処理は、加熱によりはんだとアンダーバリアメタルを界面反応させ金属間化合物を形成することで両者を接合するとともに、はんだを表面張力により球形状にさせてはんだバンプを形成するプロセスである。

アンダーバリアメタルには、はんだが導電層金属へ拡散することを防止し、はんだと良好な接合を形成することが求められる。アンダーバリアメタルにはＮｉあるいはＮｉ合金などがよく利用されている。はんだ材には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ又はＳｎ−Ｂｉ合金などＳｎを主成分とする合金がよく利用されている。

はんだバンプとアンダーバリアメタルを安定的に接合するためには、接合界面の反応の制御が重要である。はんだ材とリフロー処理の内容などの条件が同じである場合、はんだバンプとアンダーバリアメタルの接合強度は、両者の接触面積で一義的に決まる。特許文献１には、アンダーバリアメタルの上面及び側面に接するはんだバンプが開示されている。

しかしながら、電子機器の小型化に伴い、はんだバンプとアンダーバリアメタルの接合部の微細化が進んでいるため、はんだバンプとアンダーバリアメタルの接合強度を更に高める必要がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な方法ではんだバンプとアンダーバリアメタルの接合強度を高めることができる半導体装置とその半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本願の発明に係る半導体装置は、基板と、該基板の上に形成された導電層と、該導電層に接し、該基板表面と平行方向に突出するオーバーハング部を有するアンダーバリアメタルと、該アンダーバリアメタルに接し、該オーバーハング部の上面、側面及び下面に接し、該オーバーハング部を包み込むはんだバンプと、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の上に導電層を形成する導電層形成工程と、該導電層の上に、該導電層の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、該開口により露出した該導電層と接する平坦部、該平坦部につながり該絶縁層の側面に接する側壁部、及び該側壁部につながり該絶縁層の上に位置し上面、側面及び下面が外部に露出するオーバーハング部とを有するアンダーバリアメタルを形成するＵＢＭ形成工程と、該平坦部の上面、該側壁部の内壁、並びに該オーバーハング部の該上面、該側面及び該下面に接するはんだバンプを形成するはんだバンプ形成工程と、を備えたことを特徴とする。

本願の発明に係る他の半導体装置の製造方法は、基板の上に導電層を形成する導電層形成工程と、該導電層の上に、該導電層の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、めっき法により、該開口により露出した該導電層の上、該絶縁層の側面及び該絶縁層の上に一体的に下層アンダーバリアメタルを形成する第１メタル工程と、該下層アンダーバリアメタルのうち、該絶縁層の上に位置する部分の上に中間金属を形成する中間金属形成工程と、該下層アンダーバリアメタルに接する接触部と、該中間金属の上に乗り上げた乗り上げ部とを有する上層アンダーバリアメタルを形成する第２メタル工程と、該上層アンダーバリアメタルの上にはんだ材を供給するはんだ工程と、リフロー処理により該はんだ材と該中間金属を溶融させ、該はんだ材と該中間金属ではんだバンプを形成する工程と、を備え、該はんだバンプは、該乗り上げ部の上面、側面及び下面に接することを特徴とする。

本発明によれば、アンダーバリアメタルの一部であり基板と平行方向に伸びるオーバーハング部が、はんだバンプに包み込まれるので、はんだバンプとアンダーバリアメタルの接合強度を高めることができる。

実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。めっき工程を説明する図である。エッチバック工程を説明する図である。実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。レジスト形成工程を説明する図である。めっき工程を説明する図である。実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。中間金属を形成する工程等を説明する図である。上層アンダーバリアメタルを形成する工程を説明する図である。

本発明の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。図１は半導体装置のうち、はんだバンプ１５の周辺部を拡大した図である。半導体装置は基板１１を備えている。基板１１は特に限定されないが、例えば、エピタキシャル成長が行われたウエハ、又は注入処理等が行われた基板である。基板１１の上には、絶縁層１２を介して導電層１３が形成されている。導電層１３は例えば基板１１に形成された半導体素子の配線層である。

導電層１３の上には絶縁層１４ａが形成されている。絶縁層１４ａには開口１４Ａが形成されている。この開口１４Ａの中にはアンダーバリアメタル１６が形成されている。アンダーバリアメタル１６は、平坦部１６Ａ、側壁部１６Ｂ及びオーバーハング部１６Ｃが一体的に形成された金属である。平坦部１６Ａは、開口１４Ａに露出した導電層１３に接する。側壁部１６Ｂは、平坦部１６Ａに接し上方向に伸びる部分である。側壁部１６Ｂの外壁が絶縁層１４ａの側面に接している。

オーバーハング部１６Ｃは側壁部１６Ｂと接する。オーバーハング部１６Ｃは、基板１１表面と平行方向に突出する凸部である。オーバーハング部１６Ｃは平面視で環状に形成される。平面視すると、オーバーハング部１６Ｃは、平坦部１６Ａから離れる方向に放射状に広がる。オーバーハング部１６Ｃは、上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃを有している。下面１６ｃの一部には絶縁層１４ａが接しているが、絶縁層１４ａが接していない部分もある。

アンダーバリアメタル１６の上にははんだバンプ１５が形成されている。はんだバンプ１５は、平坦部１６Ａ、側壁部１６Ｂ及びオーバーハング部１６Ｃに接している。特に、はんだバンプ１５は、オーバーハング部１６Ｃの上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃに接し、オーバーハング部１６Ｃを包み込む。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、基板１１の上に、絶縁層１２を形成する。次いで、基板１１の上に、絶縁層１２を介して導電層１３を形成する。この工程を導電層形成工程と称する。次いで、導電層１３の上に、導電層１３の一部を露出させる開口１４Ａを有する絶縁層１４ｂを形成する。この工程を絶縁層形成工程と称する。絶縁層１４ｂは図２に示されている。絶縁層１４ｂの材料は例えばポリイミド系樹脂であり、その厚さは例えば２〜２０μｍである。

次いで、めっき法により、平坦部１６Ａ、側壁部１６Ｂ、及び絶縁層１４ｂの上に乗り上げた乗り上げ部１６Ｄを形成する。この工程をめっき工程と称する。図２には、乗り上げ部１６Ｄが示されている。図２は、めっき工程後の半導体装置の断面図である。めっき工程では、例えば、無電解メッキ法により２〜１０μｍ程度の膜厚の金属膜を形成し、それをパターニングする。

次いで、絶縁層１４ｂをエッチバックする。この工程をエッチバック工程と称する。エッチバック工程では、図２の絶縁層１４ｂをエッチバックして図１の絶縁層１４ａを得る。図３は、エッチバック工程後の絶縁層等の断面図である。エッチバック工程により、図２の乗り上げ部１６Ｄの下面を外部に露出させ、図３のオーバーハング部１６Ｃを得る。図２の乗り上げ部１６Ｄは下面の全体が絶縁層１４ｂに覆われているが、図３のオーバーハング部１６Ｃの下面は絶縁層１４ａに覆われていない部分がある。

エッチバック工程では、例えば酸素アッシング法などを用いてポリイミド系樹脂で形成された絶縁層１４ｂをエッチバックする。これにより、アンダーバリアメタル１６の外周部をオーバーハング部１６Ｃとすることができる。なお、めっき工程とエッチバック工程は、アンダーバリアメタルを形成する工程なので、これらをまとめてＵＢＭ形成工程と称する。

ＵＢＭ形成工程を終えると、はんだバンプ形成工程に処理を進める。はんだバンプ形成工程では、印刷法又はボール搭載法などを用いて、アンダーバリアメタル１６上にはんだ材を供給する。そして、半導体基板全体をリフロー処理して、はんだ材を溶融させ、はんだ材の濡れ性を使用することではんだバンプ１５を形成する。リフロー処理時には、フラックスまたははんだペースト材がオーバーハング部１６Ｃの下面１６ｃにも拡がるようにフラックスまたははんだペースト印刷用マスクの開口寸法はアンダーバリアメタル１６の径より大きいものにする。

こうして、はんだバンプ形成工程では、平坦部１６Ａの上面、側壁部１６Ｂの内壁、並びにオーバーハング部１６Ｃの上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃに接するはんだバンプ１５を形成する。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置では、はんだバンプ１５がオーバーハング部１６Ｃの上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃを覆う。したがって、はんだバンプ１５に応力が加えられた場合、アンカー効果によりアンダーバリアメタル１６からはんだバンプ１５が剥離することを防止できる。これにより半導体装置の接合信頼性と耐衝撃性を向上させることができる。また、はんだバンプ１５をオーバーハング部１６Ｃの下面１６ｃに接触させることで、その分だけはんだバンプ１５とアンダーバリアメタル１６との接触面積が大きくなるので、両者の接合強度を高めることができる。

しかも、従来の工程にエッチバック工程を追加するだけでオーバーハング部１６Ｃを形成できるので、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法は、非常に工程負荷の少ない簡単なものである。したがって、簡単な方法ではんだバンプ１５とアンダーバリアメタル１６の接合強度を高めることができる。

アンダーバリアメタル１６に接し、オーバーハング部１６Ｃの上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃに接し、オーバーハング部１６Ｃを包み込むはんだバンプ１５を備えることで、はんだバンプ１５とアンダーバリアメタル１６の接合強度を高めることができる。この特徴を逸脱しない範囲において、上記の半導体装置と半導体装置の製造方法を適宜変形することができる。例えば、ＵＢＭ１６は無電解めっき法に限らず周知の成膜方法で形成することができる。また、上面、側面及び下面が外部に露出するオーバーハング部を上記の方法とは異なる方法で形成してもよい。

これらの変形は以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法に適宜応用することができる。なお、以下の実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法は実施の形態１との類似点が多いので、実施の形態１との相違点を中心に説明する。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置の絶縁層１４は側壁部１６Ｂのみにおいてアンダーバリアメタル１６と接する。オーバーハング部１６Ｃは絶縁層１４と接触せず、絶縁層１４の上にある。はんだバンプ１５は、オーバーハング部１６Ｃの上面１６ａ、側面１６ｂ及び下面１６ｃに接している。

実施の形態２の半導体装置の製造方法におけるＵＢＭ形成工程は、実施の形態１と異なっている。実施の形態２のＵＢＭ形成工程は、レジスト形成工程、めっき工程、及びレジスト除去工程を備えている。図５は、レジスト形成工程後の基板の断面図である。レジスト形成工程では、絶縁層１４の上に開口１４Ａを囲むようにレジスト２０を形成する。レジスト２０は、平面視では、開口１４Ａを囲むように環状に形成する。

次いで、めっき工程では、めっき法により平坦部、側壁部、及びレジスト２０の上に乗り上げた乗り上げ部を形成する。図６はめっき工程後の基板の断面図である。図６には、平坦部１６Ａ、側壁部１６Ｂ、及びレジスト２０の上に乗り上げた乗り上げ部１６Ｄが示されている。めっき工程では、レジスト２０の上に乗り上げ部１６Ｄを形成する必要があるので、無電解めっき法を利用することが望ましい。

次いでレジスト除去工程で、図６のレジスト２０を除去する。レジスト２０を除去することで、乗り上げ部１６Ｄの下面を外部に露出させる。これにより、乗り上げ部１６Ｄはオーバーハング部１６Ｃとなる。ＵＢＭ形成工程を終えると、はんだバンプ形成工程に処理を進め、リフロー処理等を行うことで図４の半導体装置を完成させる。

実施の形態１の半導体装置の製造方法では、エッチバック工程において、確実にオーバーハング部１６Ｃを形成しつつある程度絶縁層を残しておくためにエッチング量を調整する必要がある。これに対し、実施の形態２ではレジスト２０を用いるので、簡単にオーバーハング部１６Ｃを形成できる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。この半導体装置のアンダーバリアメタル３０は、下層アンダーバリアメタル３２と、下層アンダーバリアメタル３２の上に形成された上層アンダーバリアメタル３４とを備えている。

下層アンダーバリアメタル３２は、導電層１３に接する第１部分３２Ａと、第１部分３２Ａと絶縁層１４の側面に接し上方向に伸びる第２部分３２Ｂを備えている。上層アンダーバリアメタル３４は、第１部分３２Ａの上に重なる第１部分３４Ａと、第２部分３２Ｂに接する第２部分３４Ｂと、オーバーハング部３４Ｃを有している。

実施の形態３に係る半導体装置の製造方法を説明する。まず、実施の形態１で説明した導電層形成工程と、絶縁層形成工程を実施する。すなわち、図８に示される導電層１３と絶縁層１４を形成する。

次いで、めっき法により、開口１４Ａにより露出した導電層１３の上、絶縁層１４の側面及び絶縁層１４の上に、一体的に下層アンダーバリアメタル３２を形成する。この工程を第１メタル工程と称する。第１メタル工程では、無電解めっき法を用いることが好ましい。図８には、下層アンダーバリアメタル３２が示されている。

次いで、下層アンダーバリアメタル３２のうち、絶縁層１４の上に位置する部分の上に中間金属４０を形成する。図８には、下層アンダーバリアメタル３２のうち絶縁層１４の上に位置する部分である上端部３２Ｃが示されている。中間金属４０は、この上端部３２Ｃの上に形成された第１部分４０Ａと、上端部３２Ｃの側面に形成された第２部分４０Ｂを有している。中間金属４０の材料は、アンダーバリアメタル３０と比べて、熱処理によりはんだ材に拡散しやすい金属とする。中間金属４０は例えばＡｕである。中間金属４０を形成する工程を中間金属形成工程と称する。

次いで、第２部分４０Ｂと絶縁層１４の上にレジストを形成する。図８にはレジスト４２が示されている。次いで、例えば無電解めっき法により、上層アンダーバリアメタル３４を形成する。図９には、上層アンダーバリアメタル３４が示されている。上層アンダーバリアメタル３４は、下層アンダーバリアメタル３２に接する接触部である第１部分３４Ａ及び第２部分３４Ｂと、中間金属４０の上に乗り上げた乗り上げ部３４Ｄとを有する。上層アンダーバリアメタル３４を形成する工程を第２メタル工程と称する。次いで、レジスト４２を除去する。

次いで、上層アンダーバリアメタル３４の上にはんだ材を供給する。この工程をはんだ工程と称する。はんだ材は印刷法又はボール搭載法などで供給する。はんだ工程の後、リフロー処理によりはんだ材と中間金属４０を溶融させ、はんだ材と中間金属４０ではんだバンプ１５を形成する。このリフロー処理により図７に示されるはんだバンプ１５を形成する。このはんだバンプ１５は、プロセスの途中では乗り上げ部３４Ｄであったオーバーハング部３４Ｃの上面、側面及び下面に接する。リフロー工程を終了すると、乗り上げ部３４Ｄは中間金属４０の上に乗り上げたものではなくなるので、図７のオーバーハング部３４Ｃになる。

中間金属４０の代わりに、レジスト４２とミキシングが起きにくい非混合レジストを用いてもよい。非混合レジストの形状は中間金属４０と同じである。その場合、上層アンダーバリアメタル３４を形成した後、レジスト４２と非混合レジストを除去し、はんだバンプを形成する。この方法は、実施の形態２で説明したレジストを用いたプロセスにやや類似している。

実施の形態３では、上層アンダーバリアメタル３４と下層アンダーバリアメタル３２を設けた。下層アンダーバリアメタル３２がその全体に渡って導電層１３又は絶縁層１４と接することで下層アンダーバリアメタル３２が導電層１３から剥がれづらくなる。また、上層アンダーバリアメタル３４によるアンカー効果ではんだバンプ１５がアンダーバリアメタル３０から剥がれづらくなる。

ここまでで説明した各実施の形態に係る半導体装置と半導体装置の製造方法の特徴は、適宜に組み合わせて用いてもよい。

１３導電層、１４,１４ａ,１４ｂ絶縁層、１５はんだバンプ、１６アンダーバリアメタル、１６Ａ平坦部、１６Ｂ側壁部、１６Ｃオーバーハング部、
１６Ｄ乗り上げ部、１６ａ上面、１６ｂ側面、１６ｃ下面、２０レジスト、３０アンダーバリアメタル、３２下層アンダーバリアメタル、３４上層アンダーバリアメタル、３４Ｃオーバーハング部、４０中間金属

Claims

基板と、
前記基板の上に形成された導電層と、
前記導電層に接し、前記基板表面と平行方向に突出するオーバーハング部を有するアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタルに接し、前記オーバーハング部の上面、側面及び下面に接し、前記オーバーハング部を包み込むはんだバンプと、を備えたことを特徴とする半導体装置。
前記導電層の上に形成された、開口が形成された絶縁層を備え、
前記アンダーバリアメタルは、前記開口に露出した前記導電層に接する平坦部と、前記平坦部に接し上方向に伸びる側壁部と、前記側壁部と接する前記オーバーハング部とを備え、
前記絶縁層は、前記側壁部の外壁、及び前記オーバーハング部の前記下面の一部に接することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記導電層の上に形成された、開口が形成された絶縁層を備え、
前記アンダーバリアメタルは、前記開口に露出した前記導電層に接する平坦部と、前記平坦部に接し上方向に伸びる側壁部と、前記側壁部と接する前記オーバーハング部とを備え、
前記絶縁層は前記側壁部のみにおいて前記アンダーバリアメタルと接することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記導電層の上に形成された、開口が形成された絶縁層を備え、
前記アンダーバリアメタルは、下層アンダーバリアメタルと、前記下層アンダーバリアメタルの上に形成された上層アンダーバリアメタルとを備え、
前記上層アンダーバリアメタルは前記オーバーハング部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。
基板の上に導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層の上に、前記導電層の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記開口により露出した前記導電層と接する平坦部、前記平坦部につながり前記絶縁層の側面に接する側壁部、及び前記側壁部につながり前記絶縁層の上に位置し上面、側面及び下面が外部に露出するオーバーハング部とを有するアンダーバリアメタルを形成するＵＢＭ形成工程と、
前記平坦部の上面、前記側壁部の内壁、並びに前記オーバーハング部の前記上面、前記側面及び前記下面に接するはんだバンプを形成するはんだバンプ形成工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記ＵＢＭ形成工程は、
めっき法により、前記平坦部、前記側壁部、及び前記絶縁層の上に乗り上げた乗り上げ部を形成するめっき工程と、
前記絶縁層をエッチバックして、前記乗り上げ部の下面を外部に露出させることで前記オーバーハング部を形成するエッチバック工程と、を備えた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ＵＢＭ形成工程は、
前記絶縁層の上に前記開口を囲むようにレジストを形成するレジスト形成工程と、
めっき法により、前記平坦部、前記側壁部、及び前記レジストの上に乗り上げた乗り上げ部を形成するめっき工程と、
前記レジストを除去して前記乗り上げ部の下面を外部に露出させることで前記オーバーハング部を形成するレジスト除去工程と、を備えた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。
基板の上に導電層を形成する導電層形成工程と、
前記導電層の上に、前記導電層の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
めっき法により、前記開口により露出した前記導電層の上、前記絶縁層の側面及び前記絶縁層の上に一体的に下層アンダーバリアメタルを形成する第１メタル工程と、
前記下層アンダーバリアメタルのうち、前記絶縁層の上に位置する部分の上に中間金属を形成する中間金属形成工程と、
前記下層アンダーバリアメタルに接する接触部と、前記中間金属の上に乗り上げた乗り上げ部とを有する上層アンダーバリアメタルを形成する第２メタル工程と、
前記上層アンダーバリアメタルの上にはんだ材を供給するはんだ工程と、
リフロー処理により前記はんだ材と前記中間金属を溶融させ、前記はんだ材と前記中間金属ではんだバンプを形成する工程と、を備え、
前記はんだバンプは、前記乗り上げ部の上面、側面及び下面に接することを特徴とする半導体装置の製造方法。