JP4501806B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の所望位置と電気的に接続される電極間の絶縁分離を機械加工によって行う半導体装置およびその製造方法に関するものである。

従来より、パワー素子やダイオードなど半導体素子が形成された半導体装置の電極として一般的にＡｌが用いられているが、Ａｌは腐食の問題があったり、ボンディングワイヤとの密着性が十分でないという問題がある。このため、Ａｌ表面に例えばＮｉやＡｕ等の金属層を無電解メッキ法によって積層する手法が用いられている。
特開２００５−６４４５１号公報

しかしながら、上記のような無電解メッキによると例えばＮｉ等の金属層が厚くなってしまい、Ｎｉ等の金属層の線膨張係数と半導体装置内の他の材質の線膨張係数との相違により、半導体チップに反りが発生することがある。

これに対して、無電解メッキではなく、例えばスパッタ、蒸着などのデポジションによってＮｉ等の金属層を形成することで、Ｎｉ等の金属層を薄く形成できるようにすれば上記のような半導体チップの反りを抑制できると考えられる。

ところが、スパッタ、蒸着などのデポジションによってＮｉ等の金属層を形成した場合、ウェハ全面に形成されることになるため、電極間の絶縁のために、スパッタ、蒸着などのデポジションによってＮｉ等の金属層を形成した後でそれをパターニングしなければならない。このとき、Ｎｉ等の金属層の種類に応じてエッチング時に使用する材料が異なってくるため、金属層が多層化するほど、沢山の種類のエッチング材料を用意しなければならない。

このため、本発明者らは、機械加工によってＮｉ等の金属層を部分的に除去することで、金属層の材質に関わらず、一挙に金属層の除去を行うことを考えた。これについて、図４に示す半導体装置の製造工程図を参照して説明する。

まず、図４（ａ）に示す工程では、パワー素子やダイオードなどが作り込まれた半導体チップ１の表面に、図示しない絶縁膜を形成後、この絶縁膜の所望位置にコンタクトホールを形成する。そして、絶縁膜上にＡｌ膜２を形成すると共に、Ａｌ膜２をパターニングすることで、絶縁膜に形成したコンタクトホールを通じて半導体素子の所望位置と電気的に接続する。続いて、Ａｌ膜２および図示しない絶縁膜の表面に保護膜３を形成したのち、フォトエッチング等を行うことでコンタクトホール３ａを形成し、Ａｌ膜２の所望位置を露出させる。

次に、図４（ｂ）に示す工程では、スパッタ、蒸着などのデポジションにより、金属膜４を成膜する。このとき、金属膜４はウェハ全面に形成されることになる。

続く、図４（ｃ）に示す工程では、機械加工用のダイヤモンド製のバイトを用意し、ウェハ面内においてバイトを走査することで、バイトによって金属膜４および保護膜３の上部を削り取る。このとき、保護膜３の厚みの途中までバイトで削り取り、金属膜４のうち第１保護膜３の表面に形成された表面よりも上の位置まで保護膜３を残すようにする。

このようにして、金属膜４が複数の電極４ａに分断され、半導体素子の所望位置と電気的に接続される。そして、保護膜３によって各電極４ａの間が絶縁された構造が完成する。

しかしながら、このような製造手法によると、バイトによって金属膜４および保護膜３の上部を削り取ったときに、金属膜４のバリ（残渣）が発生してしまうことが確認された。図５（ａ）、（ｂ）は金属膜４のバリ５が発生しなかった場合の半導体装置の断面図および上面図であり、図６（ａ）、（ｂ）は金属膜４のバリ５が発生した場合の半導体装置の断面図および上面図である。

これらの図に示されるように、金属膜４にバリ５が発生していない場合には、金属膜４を分離させることによって構成された隣接する電極４ａ同士が完全に分離された状態となり、適切に絶縁が行われている。これに対し、金属膜４にバリ５が発生した場合には、電極４ａ同士がバリ５を通じて短絡した状態となり、適切な絶縁が行えなくなる。このため、半導体装置が不良になるという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、機械加工によって金属膜および保護膜を除去することで金属膜を分断し、複数の電極を形成するに際し、電極同士がバリによって短絡してしまうことを防止できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは、金属膜４を機械加工したときに何故バリ５が発生するかについて検討を行った。その結果、機械加工の際に用いるバイトの移動方向に対する金属膜４の角度、つまり保護膜３の角度がバリ５の発生に関わっていることを突き止めた。

図７は、保護膜３および金属膜４の勾配とバリの発生状況について表した模式図である。図７（ａ）〜（ｂ）では、左から順番に、保護膜３および金属膜４の傾斜角度を変えていったときの様子が示されており、さらに、図７（ａ）〜（ｄ）それぞれにおいて、上から順に半導体装置の断面図、半導体装置の良不良（ＯＫ ｏｒ ＮＧ）の結果、そのときの保護膜３および金属膜４の勾配およびＡｌ膜２の表面に対する傾斜角度（テーパ角度）が示されている。

図７（ａ）に示されるように保護膜３および金属膜４のテーパ角度が７６度のときには、断面図に示されるように半導体装置は不良となっていた。そして、保護膜３および金属膜４のテーパ角度を徐々に緩やかにし、図７（ｂ）に示されるように７０度としたところで、半導体装置に多少不良が混じるもののほぼ良品となり、それ以上になると、図７（ｃ）に示されるように半導体装置が良品となった。さらに、保護膜３および金属膜４のテーパ角度を徐々に緩やかにし、図７（ｄ）に示されるように２６度になると、再び半導体装置に不良が出始めた。

このことから、保護膜３および金属膜４のテーパ角度を２６度以上かつ７０度以下とすれば、金属膜４を機械加工により切削した際にバリ５が発生することを防止でき、半導体装置に不良が発生することを防止することが可能になると言える。

そこで、請求項１に記載の発明では、コンタクトホール（３ａ）を形成する工程では、該コンタクトホール（３ａ）の側壁面をテーパ面とし、第１金属膜（２）の表面に対するコンタクトホール（３ａ）の側壁面の為す角度が２６度以上かつ７０度以下となるようにし、第２金属膜（４）を形成する工程では、第１金属膜（２）の表面に対して該第２金属膜（４）のうちコンタクトホール（３ａ）の側壁面上に形成される部分の為す角度が２６度以上かつ７０度以下となるようにすることを特徴としている。

このように、保護膜（３）のコンタクトホール（３ａ）をテーパ面としておくことで第２金属膜（４）も傾斜させられるため、機械加工時に第２金属膜（４）のバリが発生して各種電極（４ａ）間が短絡することを防止できる。

このため、機械加工によって第２金属膜（４）および保護膜（３）を除去することで金属膜（４）を分断し、複数の電極（４ａ）を形成するに際し、電極（４ａ）の間がバリによって短絡してしまうことを防止することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の一実施形態が適用された製造方法を用いて製造された半導体装置の断面図を図１に示す。

図１に示されるように、半導体装置は、パワー素子やダイオードなどの半導体素子が作り込まれた半導体チップ１の表面にはＳＯ₂等で構成された図示しない絶縁膜を介して、Ａｌ膜２が形成されている。このＡｌ膜２は、本発明における第１金属膜に相当するもので、図示しない絶縁膜に形成されたコンタクトホールを通じて半導体チップ１に作りこまれた半導体素子の所望位置と電気的に接続された構造となっている。

Ａｌ膜２の表面および図示しない絶縁膜の表面には、保護膜３が形成されている。この保護膜３は、後述するバイト１０（図２（ｅ）参照）によって形崩れすることなく削ることができる材質、つまり脆性材料ではない材質で、かつ、Ａｕとの密着性が高い材質の材料、例えばポリイミド等の有機樹脂材料で構成されている。例えば、図１において、保護膜３の膜厚は、１０μｍ程度とされている。

なお、ここでは保護膜３の膜厚を１０μｍとしているが、必ずしもこの値でなければならない訳ではない。例えば、保護膜３の膜厚を２μｍ〜３０μｍの範囲で変更可能である。ここで、下限値を２μｍとしたのは、切削加工、研削加工などの装置側で位置決め精度を考慮したものであり、上限値を３０μｍとしたのはスピンコートによって膜厚の分布を小さくして塗布できる上限がこの値となるためである。また、保護膜３の膜厚を７μｍ〜２０μｍとすると好ましい。現状のウェハの厚さばらつき、切削の機械加工精度で加工するとき、量産時の工程能力を考慮すると、保護膜３の膜厚を７μｍ以上とするのが好ましい。一方、１回の切削量に上限があるので、あまり厚いと繰り返し切削しなければならず、合計加工時間が長くなるため、保護膜３の膜厚を２０μｍ以下とするのが好ましい。さらに、加工歩留まりに対する量産時の工程能力、経済性を考慮すると、保護膜３の膜厚を１０μｍ以上かつ１５μｍ以下とすると最適である。

さらに、保護膜３のコンタクトホール３ａの側壁面は、エッチング材料やエッチング時間などの選択により、Ａｌ膜２の表面に対する角度が２６度以上かつ７０度以下のテーパ面とされている。そして、この保護膜３のコンタクトホール３ａの側壁面に加えて、保護膜３の開口部から露出したＡｌ膜２の表面には、Ａｌ膜２と電気的に接続された金属膜４が形成されている。金属膜４のうちコンタクトホール３ａの側壁面上に形成された部分は、側壁面と同様に、Ａｌ膜２の表面に対する角度が２６度以上かつ７０度以下のテーパ面となっている。この金属膜４が、本発明における第２金属膜に相当するものである。

この金属膜４は、本実施形態では複数種類の金属が積層された積層膜で構成され、最下層から順に、Ａｌ膜２との密着の信頼性の高いＡｌ層（第１層）、Ａｌ層との密着性および金属膜４の表面にはんだを接合するときにボンディングワイヤ６内のスズの拡散をブロックする役割を果たすＴｉ層（第２層）、Ｔｉ層と同様にスズのブロックを行うＮｉ層（第３層）およびＮｉ層の表面の酸化防止とはんだの濡れ性の向上のためのＡｕ層（第４層）を有した構成とされている。

このように構成された金属膜４が分断され、保護膜３によって絶縁されることで、半導体素子の所望位置と電気的な接続が行われた各種電極４ａが構成されている。

そして、各種電極４ａの表面に図示しないはんだが接合されることで、電極４ａやＡｌ膜２を介して、はんだが半導体チップ１に形成された半導体素子と電気的に接合された構造となっている。

続いて、本実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。図２に、本実施形態における半導体装置の製造工程中の断面図を示し、この図に基づいて説明する。

図２（ａ）に示されるように、パワー素子やダイオードなどが作り込まれた半導体チップ１を製造するための半導体基板の表面に、図示しない絶縁膜を形成した後、この絶縁膜の所望位置にコンタクトホールを形成する。そして、絶縁膜上にＡｌ膜２を形成すると共に、Ａｌ膜２をパターニングすることで、絶縁膜に形成したコンタクトホールを通じて半導体素子の所望位置と電気的な接続が行われる。

次に、図２（ｂ）に示されるように、Ａｌ膜２および図示しない絶縁膜の表面に、例えばポリイミドによって保護膜３を上述した膜厚、例えば１５μｍ程度で形成する。

そして、図２（ｃ）に示されるように、フォトエッチング等を行うことで、コンタクトホール３ａを形成し、Ａｌ膜２の所望位置を露出させる。このとき、コンタクトホール３ａの形成のためのエッチングの時間やエッチング材料を選択することにより、コンタクトホール３ａの側壁面が角度が２６度以上かつ７０度以下のテーパ面となるようにする。

このようにコンタクトホール３ａの側壁面に角度をつける場合、樹脂を露光する前の仮硬化を１分程度の短時間（樹脂の型番によって異なるが、通常は１２０℃から１４０℃で２分から４分やるところを１２０℃で１分にする等）にするか、あるいは過剰に露光したり、過剰な時間現像したりすれば良い。

続いて、図２（ｄ）に示されるように、スパッタ、蒸着などのデポジションにより、金属膜４を成膜する。これにより、ウェハ全面に金属膜４が形成される。

この後、図２（ｅ）に示されるように、機械加工用のダイヤモンド製のバイト１０をウェハ面内において走査することで、バイト１０によって金属膜４および保護膜３の上部を削り取る。このとき、例えば、保護膜３の表面から数μｍ程度のみがバイト１０によって除去できるように、バイト１０を走査する。換言すれば、保護膜３の厚みの途中までバイト１０で削り取り、金属膜４のうち第１保護膜３の表面に形成された表面よりも上の位置まで保護膜３を残すようにしている。

このとき、バイト１０をＧＮＤ配線に接続することで接地状態とし、バイト１０に電荷が蓄積されないようにして行うと、半導体素子に電荷がチャージされなくて済むため、半導体素子の特性変動を抑制することも可能となる。

なお、バイト１０による表面切削は、一般的に金属加工技術において使用されているものであるが、その切削深さには幾らかバラツキが生じることになる。このバラツキを考慮し、バラツキが発生しても切削表面が金属膜４のうち保護膜３の表面に形成されたものの表面から保護膜３の切削前の表面までの間に位置するように、保護膜３の厚みを設定している。

このようにして、図１に示されるように、保護膜３のコンタクトホール３ａの側壁面がテーパ面となり、かつ、コンタクトホール３ａから露出したＡｌ膜２の表面にのみ金属膜４が形成された構造が完成する。

この後、はんだ等による接合を行うことで、半導体装置と外部配線などとの電気的な接続構造が完成する。

以上説明した本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、金属膜４と保護膜３との間からの腐食媒体の透過をし難くできるスパッタ、蒸着などのデポジションによって金属膜４を形成しつつ、ウェハ全面に形成される金属膜４を保護膜３の表面に形成し、その後、保護膜３の一部と共に金属膜４のうちの不要部分を除去するようにしている。

このとき、不要部分の除去をバイト１０を用いた機械加工によって行うが、保護膜３のコンタクトホール３ａをテーパ面としておくことで金属膜４も傾斜させられるため、機械加工時に金属膜４のバリが発生して各種電極４ａ間が短絡することを防止できる。

このため、機械加工によって金属膜４および保護膜３を除去することで金属膜４を分断し、複数の電極４ａを形成する半導体装置の製造方法において、電極４ａ同士がバリによって短絡してしまうことを防止することが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、冶具としてバイト１０を用いて金属膜４および保護膜３を切削する機械加工について説明したが、その他、冶具を用いても構わない。例えば、図３に示すような多数の刃１１が備えられた多刃工具１２を用いて切削を行っても良い。

また、上記実施形態では、コンタクトホール３ａの側壁面がＡｌ膜２の表面に対して傾斜させられたテーパ面となるようにしているが、コンタクトホール３ａの平面形状に対するバイト１０の走査方向（機械加工の方向）を考慮すると、より金属膜４を切削したときのバリの発生を抑制でき、各種電極４ａ間の短絡を防止できる。

本発明の第１実施形態における半導体装置の断面構成を示す図である。 図１に示す半導体装置の製造工程を示した断面図である。 他の実施形態で示す半導体装置の製造工程を示した断面図である。 本発明者らが先に検討を行った半導体装置の製造工程を示した断面図である。 図４に示す製造工程を行った場合における良品の半導体装置を示した断面図および上面図である。 図４に示す製造工程を行った場合における不良の半導体装置を示した断面図および上面図である。 保護膜３の傾斜角度を変えていったときの半導体装置の出来具合を示した模式図である。

符号の説明

１…半導体チップ、２…Ａｌ膜、３…保護膜、３ａ…コンタクトホール、４…金属膜、４ａ…電極、５…バリ。

Claims (2)

1. 半導体素子が形成され、半導体チップ（１）を構成するための半導体基板を用意する工程と、
   前記半導体基板の上に、前記半導体素子と電気的に接続される第１金属膜（２）を形成する工程と、
   前記第１金属膜（２）および前記半導体基板の上に保護膜（３）を形成する工程と、
   前記保護膜（３）に対して、前記第１金属膜（２）におけるパッドとなる領域を露出させるコンタクトホール（３ａ）を形成する工程と、
   前記保護膜（３）の表面と前記第１金属膜（２）における前記パッドとなる領域の表面とに、デポジションにて、第２金属膜（４）を形成する工程と、
   冶具としてバイトもしくは多刃工具を用いた切削加工による機械加工にて、前記保護膜（３）および前記第２金属膜（４）を前記保護膜（３）の厚みの途中まで除去し、該除去後の前記保護膜（３）における前記コンタクトホール（３ａ）の側壁面と前記第１金属膜（２）における前記パッドとなる領域の表面に前記第２金属膜（４）を残す工程と、を有し、
   前記コンタクトホール（３ａ）を形成する工程では、該コンタクトホール（３ａ）の側壁面をテーパ面とし、前記第１金属膜（２）の表面に対する前記コンタクトホール（３ａ）の側壁面の為す角度が２６度以上かつ７０度以下となるようにし、
   前記第２金属膜（４）を形成する工程では、前記第１金属膜（２）の表面に対して該第２金属膜（４）のうち前記コンタクトホール（３ａ）の側壁面上に形成される部分の為す角度が２６度以上かつ７０度以下となるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
   
2. 前記保護膜（３）を形成する工程では、前記保護膜（３）を有機樹脂材料で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。

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