JP2018061018A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置1は、パッシベーション膜22と、パッシベーション膜22の上に形成されたバリア電極層40と、銅を主成分とする金属を含み、バリア電極層40の主面の上に形成されたCu電極層41と、酸化銅を含み、Cu電極層41の外面を被覆し、かつ、バリア電極層40の主面と接する外面絶縁膜50とを含む。
【選択図】図4
Description
外面絶縁膜は、Cu電極層の外面だけに形成されるのが理想であるが、バリア電極層の周縁の近傍の絶縁層と接するように形成される場合がある。このような構造において、半導体装置が加熱されてCu電極層の熱膨張および外面絶縁膜の熱膨張が生じると、外面絶縁膜の熱膨張に起因する荷重に加えて、Cu電極層の熱膨張に起因する荷重が外面絶縁膜を介して絶縁層に加えられる。その結果、絶縁層におけるバリア電極層の周縁の近傍において応力が集中し、クラックが生じてしまう。
この半導体装置では、Cu電極層の外面を被覆する外面絶縁膜が、バリア電極層の主面と接するように形成されている。したがって、Cu電極層からの荷重や外面絶縁膜からの荷重が絶縁層に直接加えられるのを抑制できる。
本発明の一実施形態は、絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されたバリア電極層と、銅を主成分とする金属を含み、前記バリア電極層の主面の上に形成されたCu電極層と、前記Cu電極層の外面を被覆し、かつ、前記バリア電極層の主面と接する樹脂膜と、前記Cu電極層および前記樹脂膜の間に介在する外面絶縁膜と、を含む、半導体装置を提供する。
これにより、外面絶縁膜から絶縁層に加えられる荷重を抑制でき、かつ、Cu電極層から外面絶縁膜を介して絶縁層に加えられる荷重を抑制できる。よって、Cu電極層の下方の絶縁層にかかる応力を抑制できるから、Cu電極層の下方の絶縁層にクラックが生じるのを抑制できる半導体装置を提供できる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1を示す底面図である。図2は、図1の半導体装置1の内部構造を示す平面図である。図3は、図2のIII−III線に沿う断面図である。
半導体装置1は、半導体パッケージの一形態としてQFN(Quad Flat Non-leaded Package)が適用された半導体装置である。
ダイパッド2は、第1主面2aと、その反対側の第2主面2bと、第1主面2aおよび第2主面2bを接続する側面2cとを含む。ダイパッド2は、第1主面2aの法線方向から見た平面視(以下、単に「平面視」という。)において四角形状に形成されている。ダイパッド2の第2主面2b側の周縁部には、その全周に亘って、第2主面2b側から第1主面2a側に向けて窪んだ凹部7が形成されている。
ダイパッド2の一つの側面2cに対向するリード端子3は、一つの側面2cに沿って等間隔に配列されており、かつ、一つの側面2cに直交する方向に延びる直方体形状に形成されている。
リード端子3の凹部10は、ダイパッド2側の端部に形成されている。リード端子3の凹部10には封止樹脂6が入り込んでいる。これにより、封止樹脂6からのリード端子3の抜け落ちが抑制されている。
半導体チップ4は、平面視において四角形状に形成されており、第1主面4aと、第1主面4aの反対側に位置する第2主面4bと、第1主面4aおよび第2主面4bを接続する側面4cとを含む。半導体チップ4の第1主面4aの上には、複数の配線層13が形成されており、半導体チップ4の第2主面4bの上には、第2主面4bを被覆する金属膜14が形成されている。
半導体チップ4の第2主面4bに形成された金属膜14は、金属製の接合材15を介してダイパッド2の第1主面2a(銀めっき膜8)と接合されている。接合材15は、半田であってもよいし、金属製のペースト材であってもよい。
図4は、図3の領域IVの拡大図である。図5は、図4の領域Vの拡大図である。
図4を参照して、半導体チップ4は、半導体基板20と、多層配線構造21と、パッシベーション膜22(絶縁層)と、複数の配線層13とを含む。図4では、複数の配線層13のうちの一つの配線層13のパッド部13aだけを示している。
多層配線構造21は、半導体基板20の素子形成面20aの上に形成された複数の層間絶縁膜23,24,25と、複数の層間絶縁膜23,24,25内に形成された複数の電極層26,27とを含む。
第1電極層26の下面には、第1下面バリア電極層28が形成されている。第1下面バリア電極層28は、第1電極層26を構成する電極材料が第1層間絶縁膜23内に拡散するのを抑制する。
第2電極層27の下面には、第2下面バリア電極層30が形成されている。第2下面バリア電極層30は、第2電極層27を構成する電極材料が第2層間絶縁膜24内に拡散するのを抑制する。
第1下面バリア電極層28および第2下面バリア電極層30は、窒化チタン層またはチタン層からなる単層構造を有していてもよいし、窒化チタン層および窒化チタン層の上に形成されたチタン層を含む積層構造を有していてもよい。
パッシベーション膜22は、多層配線構造21を被覆するように多層配線構造21の上に形成されている。より具体的には、パッシベーション膜22は、第3層間絶縁膜25を被覆するように第3層間絶縁膜25の上に形成されている。
第1ビア電極32と第2層間絶縁膜24との間には、第1バリア電極膜33が形成されている。第1ビア電極32は、タングステンを含んでいてもよい。第1バリア電極膜33は、窒化チタンを含んでいてもよい。
第2ビア電極34の露出面は、パッシベーション膜22の表面と面一に形成されている。第2ビア電極34および第3層間絶縁膜25の間、ならびに、第2ビア電極34およびパッシベーション膜22の間には、第2バリア電極膜35が形成されている。第2ビア電極34は、タングステンを含んでいてもよい。第2バリア電極膜35は、窒化チタンを含んでいてもよい。
Cu電極層41がアルミニウム−シリコン−銅合金(Al−Si−Cu合金)からなる場合、銅の質量比率RCuは、アルミニウムの質量比率RAlおよびシリコンの質量比率RSiよりも高い(RCu>RAl、かつ、RCu>RSi)。
バリア電極層40は、第2ビア電極34を覆うようにパッシベーション膜22の上に形成されている。バリア電極層40は、第2ビア電極34を介して第1電極層26および第2電極層27と電気的に接続されている。
バリア電極層40は、Cu電極層41の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有していることが好ましい。また、バリア電極層40は、Cu電極層41の剛性率よりも大きい剛性率を有していることが好ましい。
また、これらの金属材料によれば、Cu電極層41の剛性率よりも大きい剛性率(50Gpa以上180Gpa以下)を有するバリア電極層40を実現できる。Cu電極層41が高純度銅からなる場合、Cu電極層41の剛性率は48Gpa程度である。
より具体的には、Cu電極層41において、側面41cの下面41b側の領域には、Cu電極層41の内方に向かって窪み、かつ、バリア電極層40の縁部の上面を露出させる凹部46が形成されている。
したがって、外面絶縁膜50は、酸化銅(Cu2Oおよび/またはCuO)を含む。図5を参照して、外面絶縁膜50は、バリア電極層40の厚さT2よりも小さい厚さT3を有している。
より具体的には、外面絶縁膜50は、Cu電極層41の側面41cから側面41cに形成された凹部46の内面に沿って連続的に延びており、かつ、凹部46内においてバリア電極層40の主面と接している。外面絶縁膜50は、一方表面およびその反対側の他方表面(Cu電極層41側の表面)が、Cu電極層41の側面41cおよび凹部46の内面に沿って形成されている。
したがって、外面絶縁膜50は、パッシベーション膜22とは接していない。封止樹脂6は、Cu電極層41の凹部46を埋めている。外面絶縁膜50は、Cu電極層41の凹部46内において封止樹脂6を介してバリア電極層40の主面と対向している。
パッド電極層52は、Cu電極層41の上面41aと機械的および電気的に接続された第1部分53と、第1部分53からCu電極層41の側方に張り出した第2部分54とを含む。パッド電極層52、より具体的には、パッド電極層52の第2部分54は、外面絶縁膜50と接している。
ニッケル層55の厚さは、0.5μm以上5μm以下であってもよい。パラジウム層56の厚さは、0.05μm以上2μm以下であってもよい。ボンディングワイヤ5は、配線層13のパッド電極層52に接続されている。
まず、図6Aを参照して、多層配線構造21の上にパッシベーション膜22が形成された半導体基板20(図4も併せて参照)が準備される。パッシベーション膜22および第3層間絶縁膜25には、これらを貫通する第2ビア電極34が形成されている。
次に、図6Bを参照して、所定パターンを有するマスク61が、銅シード層60の上に形成される。マスク61は、銅シード層60においてCu電極層41を形成すべき領域を露出させる開口61aを選択的に有している。
次に、図6Fを参照して、銅シード層60の不要な部分が、除去される。銅シード層60は、ウエットエッチングによって除去されてもよい。この工程では、銅シード層60の厚さに応じた分だけCu電極層41の側面41cも除去される。そのため、Cu電極層41の側面41cは、パッド電極層52の側面よりも内方に位置するように形成される。
次に、図6Gを参照して、バリア電極層40の不要な部分が、除去される。バリア電極層40は、ウエットエッチングによって除去されてもよい。この工程では、バリア電極層40の厚さに応じた分だけ、Cu電極層41の直下に位置するバリア電極層40が除去される。そのため、バリア電極層40の側面は、Cu電極層41の側面41cよりも内方に位置するように形成される。
ウエットエッチング工程は、バリア電極層40の主面が露出するまで行われる。これにより、Cu電極層41における側面41cの下面41b側の領域に、バリア電極層40の縁部の上面を露出させる凹部46が形成される。
半導体基板20は、たとえば200℃程度まで加熱される。この工程では、半導体基板20に加えてCu電極層41も加熱されるため、Cu電極層41の外面に酸化銅を含む自然酸化膜が形成される。
以上、半導体装置1では、Cu電極層41の外面を被覆する外面絶縁膜50が、バリア電極層40の主面と接するように形成されている。特に、半導体装置1では、バリア電極層40の主面を露出させる凹部46がCu電極層41の側面41cに形成されており、外面絶縁膜50が、Cu電極層41の凹部46の内面に沿って形成されている。
これにより、Cu電極層41からの荷重や外面絶縁膜50からの荷重がパッシベーション膜22に直接加えられるのを抑制できる。その結果、外面絶縁膜50からパッシベーション膜22に加えられる荷重を抑制でき、かつ、Cu電極層41から外面絶縁膜50を介してパッシベーション膜22に加えられる荷重を抑制できる。
また、半導体装置1では、バリア電極層40が、Cu電極層41の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している。したがって、バリア電極層40の熱膨張による変形量を、Cu電極層41の熱膨張による変形量よりも小さくすることができる。
特に、バリア電極層40が、Cu電極層41の剛性率よりも高い剛性率を有している場合、Cu電極層41からの荷重や外面絶縁膜50からの荷重に起因するバリア電極層40の変形を抑制できる。その結果、Cu電極層41からの荷重や外面絶縁膜50からの荷重が、バリア電極層40を介してパッシベーション膜22に伝わるのを効果的に抑制できる。
図7を参照して、半導体装置71は、パッシベーション膜22を含む。パッシベーション膜22の上には、バリア電極層40が形成されている。バリア電極層40の主面の上には、Cu電極層41が形成されている。
半導体装置71は、外面絶縁膜50を介してCu電極層41の外面を被覆し、かつバリア電極層40の主面と接する樹脂膜72をさらに含む。封止樹脂6は、樹脂膜72を被覆するように形成されている。
樹脂膜72は、Cu電極層41の外面に加えて、パッド電極層52の外面を被覆している。樹脂膜72は、ボンディングワイヤ5が接続されたパッド電極層52の上面を露出させるパッド開口73を含む。樹脂膜72は、Cu電極層41の凹部46を埋めている。
図7では、Cu電極層41の凹部46の内面に沿って外面絶縁膜50が形成されている形態が示されているが、Cu電極層41の凹部46の内面に沿って、必ずしも外面絶縁膜50が形成されるわけではない。
外面絶縁膜50は、Cu電極層41の凹部46の内面に沿って形成されていてもよい。この場合、樹脂膜72は、Cu電極層41の凹部46内において、外面絶縁膜50およびバリア電極層40と接している。
外面絶縁膜50は、Cu電極層41の凹部46外の領域だけに形成されていてもよい。この場合、樹脂膜72は、Cu電極層41の凹部46内において、Cu電極層41およびバリア電極層40と接している。
この場合、Cu電極層41の凹部46内において外面絶縁膜50の被覆部が形成された部分では、樹脂膜72は、外面絶縁膜50およびバリア電極層40と接している。一方、Cu電極層41の凹部46内において外面絶縁膜50の露出部が形成された部分では、樹脂膜72は、Cu電極層41およびバリア電極層40と接している。
図8A〜図8Dは、図7の配線層13の製造工程を説明するための図である。以下では、Cu電極層41が高純度銅からなる場合を例にとって説明する。
まず、図8Aを参照して、図6A〜図6Gの工程を経て、パッシベーション膜22の上に配線層13が形成された構造を有する中間体が準備される。
次に、図8Cを参照して、樹脂膜72が現像されて、パッド開口73が形成される。
半導体基板20は、たとえば200℃程度まで加熱される。この工程では、半導体基板20に加えてCu電極層41も加熱されるため、Cu電極層41の外面に酸化銅を含む自然酸化膜が形成される。
図9は、外面絶縁膜50の厚さT3および加熱時間の関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図9において、縦軸は、外面絶縁膜50の厚さT3であり、横軸は、半導体基板20の加熱時間である。半導体基板20の加熱温度は、200℃程度である。
曲線L1および曲線L2を参照して、半導体基板20の加熱時間が短い程、外面絶縁膜50の厚さT3が小さく、半導体基板20の加熱時間が長い程、外面絶縁膜50の厚さT3が大きくなることが分かった。
これに対して、曲線L2を参照して、樹脂膜72が形成されている場合、外面絶縁膜50の厚さT3は、加熱時間が2.5時間であっても100nm以下となった。したがって、Cu電極層41の外面を被覆する樹脂膜72を形成することによって、Cu電極層41の外面に形成される外面絶縁膜50(自然酸化膜)の厚膜化を抑制できることが分かった。
これにより、Cu電極層41の外面に外面絶縁膜50(自然酸化膜)が形成されるのを抑制できると同時に、Cu電極層41の外面において外面絶縁膜50(自然酸化膜)が成長するのを抑制できる。その結果、外面絶縁膜50が厚膜化するのを抑制できるから、外面絶縁膜50の熱膨張に起因する荷重を抑制できる。
特に、半導体装置71では、Cu電極層41の側面41cに凹部46が形成されており、樹脂膜72が、Cu電極層41の凹部46を埋めている。これにより、Cu電極層41の凹部46内で外面絶縁膜50(自然酸化膜)が形成されるのを抑制できると同時に、Cu電極層41の凹部46内で外面絶縁膜50(自然酸化膜)が厚膜化するのを抑制できる。また、外面絶縁膜50を、バリア電極層40の周縁(側面)からバリア電極層40の内方に間隔を空けた位置に確実に形成できる。
よって、Cu電極層41の下方のパッシベーション膜22にかかる応力を抑制できるから、Cu電極層41の下方のパッシベーション膜22にクラックが生じるのを抑制できる。
第1実施形態では、ウエットエッチングによって、Cu電極層41の下面41bと側面41cとを接続する角部が除去されて、バリア電極層40の主面を露出させる凹部46を有するCu電極層41が形成される工程(図6Hを参照)について説明した。
バリア電極層40の主面において、Cu電極層41の凹部46から露出する縁部は、バリア電極層40の側方に向かって下り傾斜した傾斜面82を含む。バリア電極層40の傾斜面82は、凹部46の内面と連なるように形成されている。バリア電極層40の傾斜面82は、バリア電極層40に対するCu電極層41の積層方向に、凹部46の内面と対向している。
凹部46の内面を被覆する外面絶縁膜50、および、バリア電極層40の傾斜面82を被覆する外面絶縁膜50(延部83)は、互いに交差する方向に延びている。外面絶縁膜50の延部83は、パッシベーション膜22の上に位置する先端部に向けて、その厚さT3が徐々に小さくなる先細り形状に形成されている。
これにより、外面絶縁膜50からパッシベーション膜22に加えられる荷重を抑制でき、かつ、Cu電極層41から外面絶縁膜50を介してパッシベーション膜22に加えられる荷重を抑制できる。
したがって、外面絶縁膜50の延部83がパッシベーション膜22と接しているが、Cu電極層41の熱膨張や外面絶縁膜50の熱膨張が生じたとしても、Cu電極層41の荷重や外面絶縁膜50からの荷重がパッシベーション膜22の表面に沿って伝達され難い。
よって、第1実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。むろん、第2実施形態に係る樹脂膜72が、半導体装置81に適用されてもよい。
半導体装置91は、半導体パッケージの一形態としてQFN(Quad Flat Non-leaded Package)が適用された半導体装置である。
ダイパッド2は、第1主面2aと、その反対側の第2主面2bと、第1主面2aおよび第2主面2bを接続する側面2cとを含む。ダイパッド2は、第1主面2aの法線方向から見た平面視(以下、単に「平面視」という。)において四角形状に形成されている。ダイパッド2の第2主面2b側の周縁部には、その全周に亘って、第2主面2b側から第1主面2a側に向けて窪んだ凹部7が形成されている。
ダイパッド2の一つの側面2cに対向するリード端子3は、一つの側面2cに沿って等間隔に配列されており、かつ、一つの側面2cに直交する方向に延びる直方体形状に形成されている。
リード端子3の凹部10は、ダイパッド2側の端部に形成されている。リード端子3の凹部10には封止樹脂6が入り込んでいる。これにより、封止樹脂6からのリード端子3の抜け落ちが抑制されている。
半導体チップ4は、平面視において四角形状に形成されており、第1主面4aと、第1主面4aの反対側に位置する第2主面4bと、第1主面4aおよび第2主面4bを接続する側面4cとを含む。半導体チップ4の第1主面4aの上には、複数の配線層13が形成されており、半導体チップ4の第2主面4bの上には、第2主面4bを被覆する金属膜14が形成されている。
半導体チップ4の第2主面4bに形成された金属膜14は、金属製の接合材15を介してダイパッド2の第1主面2a(銀めっき膜8)と接合されている。接合材15は、半田であってもよいし、金属製のペースト材であってもよい。
図15は、図14の領域XVの拡大図である。図16は、図15の領域XVIの拡大図である。
半導体基板20は、シリコン基板であってもよい。半導体基板20は、機能素子が形成された素子形成面20aを有している。素子形成面20aに形成される機能素子としては、ダイオード、トランジスタ、抵抗、キャパシタ等を例示できる。
複数の層間絶縁膜23,24,25は、半導体基板20の素子形成面20aの上に形成された第1層間絶縁膜23と、第1層間絶縁膜23の上に形成された第2層間絶縁膜24と、第2層間絶縁膜24の上に形成された第3層間絶縁膜25とを含む。第1層間絶縁膜23、第2層間絶縁膜24および第3層間絶縁膜25は、それぞれ、酸化膜(SiO2膜)または窒化膜(SiN膜)を含んでいてもよい。
第1電極層26の下面には、第1下面バリア電極層28が形成されている。第1下面バリア電極層28は、第1電極層26を構成する電極材料が第1層間絶縁膜23内に拡散するのを抑制する。
第2電極層27の下面には、第2下面バリア電極層30が形成されている。第2下面バリア電極層30は、第2電極層27を構成する電極材料が第2層間絶縁膜24内に拡散するのを抑制する。
第1下面バリア電極層28および第2下面バリア電極層30は、窒化チタン層またはチタン層からなる単層構造を有していてもよいし、窒化チタン層および窒化チタン層の上に形成されたチタン層を含む積層構造を有していてもよい。
パッシベーション膜22は、多層配線構造21を被覆するように多層配線構造21の上に形成されている。より具体的には、パッシベーション膜22は、第3層間絶縁膜25を被覆するように第3層間絶縁膜25の上に形成されている。
第1ビア電極32と第2層間絶縁膜24との間には、第1バリア電極膜33が形成されている。第1ビア電極32は、タングステンを含んでいてもよい。第1バリア電極膜33は、窒化チタンを含んでいてもよい。
第2ビア電極34の露出面は、パッシベーション膜22の表面と面一に形成されている。第2ビア電極34および第3層間絶縁膜25の間、ならびに、第2ビア電極34およびパッシベーション膜22の間には、第2バリア電極膜35が形成されている。第2ビア電極34は、タングステンを含んでいてもよい。第2バリア電極膜35は、窒化チタンを含んでいてもよい。
Cu電極層41がアルミニウム−シリコン−銅合金(Al−Si−Cu合金)からなる場合、銅の質量比率RCuは、アルミニウムの質量比率RAlおよびシリコンの質量比率RSiよりも高い(RCu>RAl、かつ、RCu>RSi)。
バリア電極層40は、第2ビア電極34を覆うようにパッシベーション膜22の上に形成されている。バリア電極層40は、第2ビア電極34を介して第1電極層26および第2電極層27と電気的に接続されている。
バリア電極層40は、Cu電極層41の熱膨張率よりも小さい熱膨張率を有していることが好ましい。また、バリア電極層40は、Cu電極層41の剛性率よりも大きい剛性率を有していることが好ましい。
また、これらの金属材料によれば、Cu電極層41の剛性率よりも大きい剛性率(50Gpa以上180Gpa以下)を有するバリア電極層40を実現できる。Cu電極層41が高純度銅からなる場合、Cu電極層41の剛性率は48Gpa程度である。
Cu電極層41の第2部分43は、バリア電極層40に対するCu電極層41の積層方向にパッシベーション膜22と対向する対向部45を有している。第2部分43の対向部45は、バリア電極層40に対するCu電極層41の積層方向にパッシベーション膜22から間隔を空けて形成されている。第2部分43の対向部45は、第1部分42の接続部44と面一に形成されている。
図15および図16を参照して、Cu電極層41の外面には、Cu電極層41の外面を被覆するように外面絶縁膜50が形成されている。外面絶縁膜50は、Cu電極層41を構成する銅が自然酸化することによって形成された自然酸化膜を含む。
より具体的には、外面絶縁膜50は、Cu電極層41の側面41cからCu電極層41の下面41bに沿って連続的に延びており、Cu電極層41の対向部45を被覆する被覆部51を含む。
外面絶縁膜50は、この形態では、Cu電極層41の側面41cの全域およびCu電極層41の対向部45の全域を被覆している。外面絶縁膜50の被覆部51は、バリア電極層40に対するCu電極層41の積層方向にパッシベーション膜22から間隔を空けて形成されている。外面絶縁膜50の被覆部51は、バリア電極層40の側面と接している。
この形態では、封止樹脂6は、パッシベーション膜22と外面絶縁膜50の被覆部51との間の空間を埋めており、外面絶縁膜50の被覆部51は、封止樹脂6を介してパッシベーション膜22と対向している。
パッド電極層52は、Cu電極層41の上面41aと機械的および電気的に接続された第1部分53と、第1部分53からCu電極層41の側方に張り出した第2部分54とを含む。パッド電極層52、より具体的には、パッド電極層52の第2部分54は、外面絶縁膜50と接している。
ニッケル層55の厚さは、0.5μm以上5μm以下であってもよい。パラジウム層56の厚さは、0.05μm以上2μm以下であってもよい。ボンディングワイヤ5は、配線層13のパッド電極層52に接続されている。
まず、図17Aを参照して、多層配線構造21の上にパッシベーション膜22が形成された半導体基板20(図15も併せて参照)が準備される。パッシベーション膜22および第3層間絶縁膜25には、これらを貫通する第2ビア電極34が形成されている。
次に、図17Cを参照して、Cu電極層41が形成される。Cu電極層41は、マスク61の開口61aから露出する銅シード層60の表面の上に形成される。Cu電極層41は、電解銅めっき法によって形成されてもよい。Cu電極層41は、マスク61の開口61aの深さ方向途中部まで形成される。Cu電極層41は、銅シード層60と一体的に形成される。
次に、図17Fを参照して、銅シード層60の不要な部分が、除去される。銅シード層60は、ウエットエッチングによって除去されてもよい。この工程では、銅シード層60の厚さに応じた分だけCu電極層41の側面41cも除去される。そのため、Cu電極層41の側面41cがパッド電極層52の側面よりも内方に位置するように形成される。
次に、図17Gを参照して、バリア電極層40の不要な部分が、除去される。バリア電極層40は、ウエットエッチングによって除去されてもよい。この工程では、バリア電極層40の厚さに応じた分だけ、Cu電極層41の直下に位置するバリア電極層40が除去される。
次に、図17Hを参照して、半導体基板20が加熱されて、パッド電極層52にボンディングワイヤ5が接合される。ボンディングワイヤ5の接合工程は、より具体的には、ダイパッド2およびリード端子3を含むリードフレーム(図示せず)が準備され、リードフレームのダイパッド2に半導体チップ4が接合された後、実施される。
この自然酸化膜によって、外面絶縁膜50が形成される。バリア電極層40は、外面絶縁膜50がパッシベーション膜22に接しない厚さで形成されている。そのため、外面絶縁膜50は、パッシベーション膜22から間隔を空けて形成される。
以上、半導体装置91では、Cu電極層41の外面を被覆する外面絶縁膜50が、パッシベーション膜22から間隔を空けて形成されている。これにより、半導体基板20の加熱工程(図17H参照)の際に外面絶縁膜50の熱膨張が生じたとしても、外面絶縁膜50の熱膨張に起因する荷重がパッシベーション膜22に加えられるのを抑制できる。
また、半導体装置91では、バリア電極層40が、Cu電極層41の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有している。したがって、バリア電極層40の熱膨張による変形量を、Cu電極層41の熱膨張による変形量よりも小さくすることができる。
特に、バリア電極層40が、Cu電極層41の剛性率よりも高い剛性率を有している場合、Cu電極層41からの荷重に起因するバリア電極層40の変形を抑制できる。その結果、Cu電極層41からの荷重が、バリア電極層40を介してパッシベーション膜22に伝わるのを効果的に抑制できる。
樹脂膜72が、封止樹脂6の樹脂材料とは異なる樹脂材料を含む。樹脂膜72は、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミド樹脂のうちの少なくとも1種を含んでいてもよい。
この形態では、樹脂膜72が形成された後にボンディングワイヤ5がパッド電極層52に接合される。したがって、Cu電極層41の外面のうちの樹脂膜72によって被覆されている部分は外気と接触しないので、Cu電極層41の外面に自然酸化膜を含む外面絶縁膜50が形成されるのが抑制される。
図18では、Cu電極層41の対向部45に外面絶縁膜50の被覆部51が形成されている形態が示されているが、Cu電極層41の対向部45に、必ずしも外面絶縁膜50の被覆部51が形成されるわけではない。
Cu電極層41の対向部45に外面絶縁膜50の被覆部51が形成されている場合、樹脂膜72は、パッシベーション膜22とCu電極層41の対向部45との間の領域において、外面絶縁膜50の被覆部51と接している。外面絶縁膜50の被覆部51は、樹脂膜72を介してパッシベーション膜22と対向している。
図19A〜図19Dは、図18の配線層13の製造工程を説明するための図である。以下では、Cu電極層41が高純度銅からなる場合を例にとって説明する。
次に、図19Bを参照して、樹脂膜72が、配線層13を被覆するようにパッシベーション膜22の上に形成される。樹脂膜72は、たとえば感光性樹脂(この形態ではフェノール樹脂)を塗布することによって形成される。次に、パッド開口73を形成すべき領域を被覆するフォトマスク80を介して、樹脂膜72が露光される。
次に、図19Dを参照して、半導体基板20が加熱されて、ボンディングワイヤ5が、パッド電極層52に接合される。ボンディングワイヤ5の接合工程は、ダイパッド2およびリード端子3を含むリードフレーム(図示せず)が準備され、リードフレームのダイパッド2に半導体チップ4が接合された後、実施される。
この自然酸化膜によって、外面絶縁膜50が形成される。その後、半導体チップ4がリードフレームと共に封止樹脂6によって封止される。そして、封止樹脂6のダイシング工程が実施されて、半導体装置101が切り出される。以上の工程を経て、半導体装置101が製造される。
図20には、曲線L1と曲線L2とが示されている。曲線L1は、樹脂膜72が形成されていない場合の関係を示している。曲線L2は、樹脂膜72が形成されている場合の関係を示している。
曲線L1を参照して、樹脂膜72が形成されていない場合、外面絶縁膜50の厚さT3は、加熱時間が0.5時間で100nmを超え、加熱時間が2.5時間で350nmを超えていた。
これにより、Cu電極層41の外面に外面絶縁膜50(自然酸化膜)が形成されるのを抑制できると同時に、Cu電極層41の外面において外面絶縁膜50(自然酸化膜)が成長するのを抑制できる。その結果、外面絶縁膜50が厚膜化するのを抑制できるから、外面絶縁膜50の熱膨張に起因する荷重を抑制できる。
よって、Cu電極層41の下方のパッシベーション膜22にかかる応力を抑制できるから、Cu電極層41の下方のパッシベーション膜22にクラックが生じるのを抑制できる。
第1〜第5実施形態では、Cu電極層41の上面41aの上にパッド電極層52が形成された例について説明した。しかし、Cu電極層41の上面41aの上にパッド電極層52が形成されていない構造が採用されてもよい。この場合、ボンディングワイヤ5はCu電極層41の上面41aに直接接合されてもよい。
第1〜第5実施形態では、半導体パッケージの一形態としてとしてQFN(Quad Flat Non-leaded Package)が適用された例について説明した。
[項1]絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されたバリア電極層と、銅を主成分とする金属を含み、前記バリア電極層の上に形成されたCu電極層と、酸化銅を含み、前記絶縁層から間隔を空けて前記Cu電極層の外面を被覆する外面絶縁膜と、を含む、半導体装置。
[項4]前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の外面に形成された自然酸化膜を含む、項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項6]前記バリア電極層は、前記Cu電極層の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する金属材料を含む、項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項7]前記バリア電極層は、チタン、窒化チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムまたはルテニウムのうちの少なくとも1種を含む、項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項9]前記Cu電極層と電気的に接続された導線をさらに含む、項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項10]前記Cu電極層の上に形成されたパッド電極層と、前記パッド電極層と電気的に接続された導線とをさらに含む、項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項12]前記導線は、ボンディングワイヤを含む、項9〜11のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項13]絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されたバリア電極層と、銅を主成分とする金属を含み、前記バリア電極層の上に形成されたCu電極層と、酸化銅を含み、前記Cu電極層の外面を被覆する外面絶縁膜と、前記外面絶縁膜を介して前記Cu電極層の外面を被覆する樹脂膜と、を含む、半導体装置。
これにより、外面絶縁膜が厚膜化するのを抑制できるから、外面絶縁膜の熱膨張に起因する荷重を抑制できる。したがって、外面絶縁膜から絶縁層に加えられる荷重を抑制でき、かつ、Cu電極層から外面絶縁膜を介して絶縁層に加えられる荷重を抑制できる。よって、Cu電極層の下方の絶縁層にかかる応力を抑制できるから、Cu電極層の下方の絶縁層にクラックが生じるのを抑制できる半導体装置を提供できる。
[項15]前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の前記対向部を被覆し、かつ、前記樹脂膜を挟んで前記絶縁層と対向する被覆部を含む、項14に記載の半導体装置。
[項17]前記外面絶縁膜は、前記絶縁層から間隔を空けて前記Cu電極層の外面を被覆している、項13〜16のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項19]前記外面絶縁膜は、前記バリア電極層の厚さよりも小さい厚さを有している、項13〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項20]前記外面絶縁膜の厚さが、400nm以下である、項13〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。
[項22]前記Cu電極層の上に形成されたパッド電極層と、前記パッド電極層に電気的に接続された導線とをさらに含み、前記樹脂膜は、前記パッド電極層において前記導線が接続された部分を露出させるように前記パッド電極層の外面を被覆している、項13〜20のいずれか一項に記載の半導体装置。
5 ボンディングワイヤ(導線)
22 パッシベーション膜(絶縁層)
40 バリア電極層
41 Cu電極層
41a Cu電極層の上面
41b Cu電極層の下面
41c Cu電極層の側面
46 Cu電極層の凹部
50 外面絶縁膜
52 パッド電極層
55 パッド電極層のニッケル層
56 パッド電極層のパラジウム層
71 半導体装置
72 樹脂膜
73 パッド開口
81 半導体装置
T2 バリア電極層の厚さ
T3 外面絶縁膜の厚さ
Claims (24)
- 絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成されたバリア電極層と、
銅を主成分とする金属を含み、前記バリア電極層の主面の上に形成されたCu電極層と、
酸化銅を含み、前記Cu電極層の外面を被覆し、かつ、前記バリア電極層の前記主面と接する外面絶縁膜と、を含む、半導体装置。 - 前記外面絶縁膜は、前記バリア電極層の周縁から前記バリア電極層の内方に間隔を空けた位置において前記バリア電極層の前記主面と接している、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記Cu電極層は、第1面と、前記第1面の反対側に位置し、かつ前記バリア電極層に接続された第2面とを含み、
前記Cu電極層の前記第2面の周縁は、前記バリア電極層の周縁から前記バリア電極層の内方に間隔を空けた位置に形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記Cu電極層は、第1面と、前記第1面の反対側に位置し、かつ前記バリア電極層に接続された第2面とを含み、
前記Cu電極層の前記第2面は、前記絶縁層の表面に沿う方向に関して、前記Cu電極層の前記第1面よりも幅狭に形成されている、請求項1または2に記載の半導体装置。 - 前記Cu電極層は、前記第1面および前記第2面を接続する側面を含み、
前記Cu電極層において、前記側面の前記第2面側の領域には、前記Cu電極層の内方に向かって窪み、かつ、前記バリア電極層の前記主面を露出させる凹部が形成されており、
前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の前記凹部に沿い、かつ、前記凹部内において前記バリア電極層の前記主面と接している、請求項3または4に記載の半導体装置。 - 前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の外面に形成された自然酸化膜を含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記外面絶縁膜は、前記バリア電極層の厚さよりも小さい厚さを有している、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記バリア電極層は、前記Cu電極層の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有する金属材料を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記バリア電極層は、チタン、窒化チタン、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムまたはルテニウムのうちの少なくとも1種を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記絶縁層は、酸化膜または窒化膜を含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記Cu電極層と電気的に接続された導線をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記Cu電極層の上に形成されたパッド電極層と、
前記パッド電極層に電気的に接続された導線と、をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記パッド電極層は、ニッケル層と、前記ニッケル層の上に形成されたパラジウム層とを含む、請求項12に記載の半導体装置。
- 前記導線は、ボンディングワイヤを含む、請求項11〜13のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成されたバリア電極層と、
銅を主成分とする金属を含み、前記バリア電極層の主面の上に形成されたCu電極層と、
前記Cu電極層の外面を被覆し、かつ、前記バリア電極層の前記主面と接する樹脂膜と、
酸化銅を含み、前記Cu電極層および前記樹脂膜の間に介在する外面絶縁膜と、を含む、半導体装置。 - 前記Cu電極層は、第1面と、前記第1面の反対側に位置し、かつ前記バリア電極層に接続された第2面と、前記第1面および前記第2面を接続する側面とを含み、
前記Cu電極層の前記側面において前記第2面側の領域には、前記Cu電極層の内方に向かって窪み、かつ、前記バリア電極層の前記主面を露出させる凹部が形成されており、
前記樹脂膜は、前記Cu電極層の前記凹部を埋めている、請求項15に記載の半導体装置。 - 前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の前記凹部の内面に沿い、かつ、前記凹部内において前記樹脂膜を挟んで前記バリア電極層の前記主面と対向する部分を含む、請求項16に記載の半導体装置。
- 前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の前記凹部の内面に沿い、かつ、前記凹部内において前記バリア電極層の前記主面と接する部分を含む、請求項16または17に記載の半導体装置。
- 前記外面絶縁膜は、前記Cu電極層の外面に形成された自然酸化膜を含む、請求項15〜18のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記樹脂膜は、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂またはポリアミド樹脂のうちの少なくとも1種を含む、請求項15〜19のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記外面絶縁膜は、前記バリア電極層の厚さよりも小さい厚さを有している、請求項15〜20のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記外面絶縁膜の厚さが、400nm以下である、請求項15〜21のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 前記Cu電極層に電気的に接続された導線をさらに含み、
前記樹脂膜は、前記Cu電極層において前記導線が接続された部分を露出させるように前記Cu電極層の外面を被覆している、請求項15〜22のいずれか一項に記載の半導体装置。 - 前記Cu電極層の上に形成されたパッド電極層と、
前記パッド電極層に電気的に接続された導線と、をさらに含み、
前記樹脂膜は、前記パッド電極層において前記導線が接続された部分を露出させるように前記パッド電極層の外面を被覆している、請求項15〜22のいずれか一項に記載の半導体装置。
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