JP4784141B2

JP4784141B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4784141B2
Application number: JP2005128865A
Authority: JP
Inventors: 由隆青木
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006310419A

Description

この発明は半導体装置の製造方法に関する。

従来の半導体装置には、基板上に集積回路が形成され、その上に絶縁膜が形成され、その上に強誘電体膜を有する薄膜容量素子が形成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、強誘電体膜は、ＢａＴｉＯ₃などの強誘電体材料を含むペーストを８００〜１０００℃と比較的高温で焼成して形成されるため、絶縁膜は耐熱性の関係から酸化シリコンによって形成している。

特許第３４９９２５５号公報

ところで、上記のような構造の半導体装置において、絶縁膜の材料としてポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂を用いる場合がある。しかしながら、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂の耐熱温度は２５０℃程度と比較的低温であるため、その上に上記のような、比較的高温の処理を要する強誘電体膜を形成しようとすると、絶縁膜が熱的ダメージを受けてしまうという問題がある。

そこで、この発明は、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる絶縁膜が熱的ダメージを受けないようにすることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、半導体基板上の絶縁膜上に形成された下部電極上に予め他の誘電体膜形成用基板上に形成した強誘電体膜を配置することを特徴とするものである。

この発明によれば、強誘電体膜を予め他の誘電体膜形成用基板上に形成し、これを下部電極上に配置するようにしているので、強誘電体膜を形成する際の処理温度が比較的高温であっても、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる絶縁膜が熱的ダメージを受けないようにすることができる。

図１はこの発明の一実施形態としての半導体装置の一例の断面図を示す。この半導体装置は平面方形状のシリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、上面周辺部にはアルミニウムやアルミニウム合金などのアルミニウム系金属からなる複数の接続パッド２ａ、２ｂが集積回路に接続されて設けられている。この場合、符号２ｂで示す接続パッドは、後述する薄膜容量素子６の下地金属層７を含む下部電極８に接続されるものである。

接続パッド２ａ、２ｂの中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコンなどからなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２ａ、２ｂの中央部は絶縁膜３に設けられた開口部４ａ、４ｂを介して露出されている。絶縁膜３の上面にはポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる保護膜（絶縁膜）５が設けられている。この場合、絶縁膜３の開口部４ａ、４ｂに対応する部分における保護膜５には開口部６ａ、６ｂが設けられている。

保護膜５の上面には、薄膜容量素子６の最下層を構成する銅などからなる平面方形状の下地金属層７が設けられている。下地金属層７の上面全体には銅からなる下部電極８が設けられている。下地金属層７を含む下部電極８は、保護膜５の上面に設けられた銅などからなる下地金属層９を含む銅からなる下層配線１０の一端部に接続されている。下地金属層９を含む下層配線１０の他端部は、保護膜５および絶縁膜３の開口部６ｂ、４ｂを介して接続パッド２ｂに接続されている。

平面方形状の下部電極８の容量素子形成領域上面には導電性接着剤や導電性ペーストなどからなる導電性接着層１１を介して平面方形状の強誘電体膜１２が設けられている。この場合、強誘電体膜１２の材料としては、例えば、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）、ＢＳＴ（（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ₃）、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）などが挙げられる。誘電率は、ＳＴＯで８０〜２００、ＢＳＴで４００〜８００、ＰＺＴで５００〜９００である。

強誘電体膜１２などを含む保護膜５の上面にはポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる絶縁膜１３が設けられている。この場合、保護膜５の開口部６ａに対応する部分における絶縁膜１３には開口部１４ａが設けられ、上部電極１６の略中央部に対応する部分における絶縁膜１３には開口部１４ｂが設けられている。

絶縁膜１３の開口部１４ｂを介して露出された強誘電体膜１２の上面およびその周囲の絶縁膜１３の上面には銅などからなる下地金属層１５が設けられている。下地金属層１５の上面全体には銅からなる上部電極１６が設けられている。ここで、薄膜容量素子６は、下地金属層７、下部電極８、導電性接着層１１、強誘電体膜１２、下地金属層１５および上部電極１６により構成されている。

絶縁膜１３の上面には銅などからなる下地金属層１７ａ、１７ｂが設けられている。下地金属層１７ａ、１７ｂの上面全体には銅からなる上層配線１８ａ、１８ｂが設けられている。下地金属層１７ａを含む上層配線１８ａの一端部は、絶縁膜１３、保護膜５および絶縁膜３の開口部１４ａ、６ａ、４ａを介して接続パッド２ａに接続されている。下地金属層１７ｂを含む上層配線１８ｂの一端部は、下地金属層１５を含む上部電極１６に接続されている。

上層配線１８ａ、１８ｂの接続パッド部上面には銅からなる柱状電極１９ａ、１９ｂが設けられている。上層配線１８ａ、１８ｂを含む絶縁膜１３の上面にはエポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる封止膜２０がその上面が柱状電極１９ａ、１９ｂの上面と面一となるように設けられている。柱状電極１９ａ、１９ｂの上面には半田ボール２１ａ、２１ｂが設けられている。

なお、図１に示した構成は、本発明の構成を適用した半導体装置の一例を示したものに過ぎず、上記薄膜容量素子６と同様に強誘電体膜１２を有する薄膜容量素子が、シリコン基板１の上面に設けられるものであれば、他の構成を有するものであってもよい。

次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図２に示すように、ウエハ状態のシリコン基板１上にアルミニウム系金属からなる複数の接続パッド２ａ、２ｂおよび酸化シリコンなどからなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２ａ、２ｂの中央部が絶縁膜３に形成された開口部４ａ、４ｂを介して露出されたものを用意する。この場合、ウエハ状態のシリコン基板１には、各半導体装置が形成される領域に所定の機能の集積回路（図示せず）が形成され、接続パッド２ａ、２ｂはそれぞれ対応する領域に形成された集積回路に電気的に接続されている。

次に、図３に示すように、絶縁膜３の開口部４ａ、４ｂを介して露出された接続パッド２ａ、２ｂの上面を含む絶縁膜３の上面全体に、スクリーン印刷法やスピンコート法などにより、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる保護膜５を形成する。次に、レーザビームを照射するレーザ加工あるいはフォトリソグラフィ法により、絶縁膜３の開口部４ｂに対応する部分における保護膜５に開口部６ｂを形成する。

次に、図４に示すように、保護膜５および絶縁膜３の開口部６ｂ、４ｂを介して露出された接続パッド２ｂの上面を含む保護膜５の上面全体に下地金属層３１を形成する。この場合、下地金属層３１は、無電解メッキにより形成された銅層のみであってもよく、またスパッタ法により形成された銅層のみであってもよく、さらにスパッタ法により形成されたチタンなどの薄膜層上にスパッタ法により銅層を形成したものであってもよい。

次に、下地金属層３１の上面にメッキレジスト膜３２をパターン形成する。この場合、下部電極８および下層配線１０形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜３２には開口部３３が形成されている。次に、下地金属層３１をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜３２の開口部３３内の下地金属層３１の上面に平面方形状の下部電極８および下層配線１０を形成する。次に、メッキレジスト膜３２を剥離する。

次に、図５に示すように、下部電極８の容量素子形成領域上面に、スクリーン印刷法などにより、導電性接着剤や導電性ペーストなどからなる導電性接着層１１を形成する。次に、図６に示すように、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる支持シート３４の下面に、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）、ＢＳＴ（（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ₃）、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）などからなる平面方形状の強誘電体膜１２が埋め込まれた（支持された）ものを用意する。この強誘電体膜１２が埋め込まれた支持シート３４の形成方法については後で説明する。

次に、支持シート３４の下面に埋め込まれた強誘電体膜１２の下面を導電性接着層１１の上面に接着して配置（転写）する。この場合、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる保護膜５の耐熱温度が２５０℃程度と比較的低くても、支持シート３４の下面に予め形成された強誘電体膜１２の下面を導電性接着層１１の上面に接着して配置すればよく、保護膜５に熱的ダメージを与えることはない。

次に、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる支持シート３４をエッチングして除去すると、図７に示すようになる。この場合、支持シート３４と同様に、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる保護膜５は、下地金属層３１によって覆われているので、エッチングされない。次に、下部電極８および下層配線１０をマスクとして下地金属層３１の不要な部分をエッチングして除去すると、図８に示すように、下部電極８および下層配線１０下に下地金属層７、９が残存される。

次に、図９に示すように、強誘電体膜１２などを含む保護膜５の上面全体に、スクリーン印刷法やスピンコート法などにより、ポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる絶縁膜１３を形成する。次に、レーザビームを照射するレーザ加工あるいはフォトリソグラフィ法により、絶縁膜３の開口部４ａに対応する部分における絶縁膜１３および保護膜５に開口部１４ａ、６ａを連続して形成し、強誘電体膜１２の上面中央部に対応する部分における絶縁膜１３に開口部１４ｂを形成する。

次に、図１０に示すように、絶縁膜１３、保護膜５および絶縁膜３の開口部１４ａ、６ａ、４ａを介して露出された接続パッド２ａの上面および絶縁膜１３の開口部１４ｂを介して露出された強誘電体膜１２の上面を含む絶縁膜１３の上面全体に、銅の無電解メッキなどにより、下地金属層３５を形成する。

次に、下地金属層３５の上面にメッキレジスト膜３６をパターン形成する。この場合、上層配線１８ａ形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜３６には開口部３７ａが形成され、上部電極１６および上層配線１８ｂ形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜３６には開口部３７ｂが形成されている。

次に、下地金属層３５をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜３６の開口部３７ａ内の下地金属層３５の上面に上層配線１８ａを形成し、メッキレジスト膜３６の開口部３７ｂ内の下地金属層３５の上面に上部電極１６および上層配線１８ｂを形成する。次に、メッキレジスト膜３６を剥離する。

次に、図１１に示すように、上部電極１６および上層配線１８ａ、１８ｂを含む下地金属層３５の上面にメッキレジスト膜３８をパターン形成する。この場合、柱状電極１９ａ、１９ｂ形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜３８には開口部３９ａ、３９ｂが形成されている。次に、下地金属層３５をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜３８の開口部３９ａ、３９ｂ内の上層配線１８ａ、１８ｂの接続パッド部上面に柱状電極１９ａ、１９ｂを形成する。

次に、メッキレジスト膜３８を剥離し、次いで、上部電極１６および上層配線１８ａ、１８ｂをマスクとして下地金属層３５の不要な部分をエッチングして除去すると、図１２に示すように、上層配線１８ａ下に下地金属層１７ａが残存され、上部電極１６および上層配線１８ｂ下に下地金属層１５、１７ｂが残存される。

次に、図１３に示すように、柱状電極１９ａ、１９ｂ、上部電極１６および上層配線１８ａ、１８ｂを含む絶縁膜１３の上面全体に、スクリーン印刷法やスピンコート法などにより、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる封止膜２０をその厚さが柱状電極１９ａ、１９ｂの高さよりも厚くなるように形成する。したがって、この状態では、柱状電極１９ａ、１９ｂの上面は封止膜２０によって覆われている。

次に、封止膜２０および柱状電極１９ａ、１９ｂの上面側を適宜に研磨し、図１４に示すように、柱状電極１９ａ、１９ｂの上面を露出させ、且つ、この露出された柱状電極１９ａ、１９ｂの上面を含む封止膜２０の上面を平坦化する。次に、図１５に示すように、柱状電極１９ａ、１９ｂの上面に半田ボール２１ａ、２１ｂを形成する。次に、図１６に示すように、ダイシングラインに沿って封止膜２０、絶縁膜１３、保護膜５、絶縁膜３およびシリコン基板１を切断すると、図１に示す半導体装置が複数個得られる。

ここで、図６に示す強誘電体膜１２を備えた支持シート３４の形成方法の一例について説明する。まず、図１７に示すように、ウエハ状態のシリコン基板などからなる高温処理可能な基板（誘電体膜形成用基板）４１を用意する。次に、基板４１の上面に、スパッタ法などにより、ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ₃）、ＢＳＴ（（ＢａＳｒ）ＴｉＯ₃）、ＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ₃）などからなる強誘電体膜形成用膜１２ａを成膜する。この場合の処理温度は５００〜６００℃と比較的高温であり、図６に示す保護膜５の耐熱温度２５０℃程度よりもかなり高いが、図６とは別の工程であるので、保護膜５に熱的ダメージを与えることはない。

次に、強誘電体膜形成用膜１２ａの上面にレジスト膜４２をパターン形成する。次に、レジスト膜４２をマスクとして強誘電体膜形成用膜１２ａをエッチングすると、図１８に示すように、レジスト膜４２下に強誘電体膜１２が形成される。次に、レジスト膜４２を剥離する。次に、図１９に示すように、強誘電体膜１２の上面に、例えば半硬化状態のポリイミド系樹脂などの熱硬化性樹脂からなる支持シート形成用シート３４ａを配置する。

次に、一対の加熱加圧板（図示せず）を用いて上下から加熱加圧すると、図２０に示すように、強誘電体膜１２を含む基板４１の上面に支持シート３４が形成される。この状態では、強誘電体膜１２は支持シート３４の下面に埋め込まれている。次に、基板４１をエッチングして除去すると、図６に示すように、支持シート３４の下面に強誘電体膜１２が埋め込まれたものが得られる。なお、基板４１を除去する方法としては、エッチングの他に、例えば、基板４１の下面側から強誘電体膜１２が露出するまで研磨する方法がある。

（その他の実施形態）
なお、図１８に示す工程において、レジスト膜４２を剥離した後に、図２１に示すように、強誘電体膜１２の上面に、支持シート３４の下面に設けられた接着層４３を接着し、次いで、基板４１をエッチングまたは研磨して除去し、次いで、接着層４３下の強誘電体膜１２を図６に示す導電性接着層１１の上面に接着して配置し、次いで、支持シート３４および接着層４３をエッチングまたは剥離して除去するようにしてもよい。

また、図２１に示す工程において、基板４１を除去した後に、図示していないが、強誘電体膜１２および接着層４３を含む支持シート３４の上下を反転し、接着層４３上の強誘電体膜１２（または単独の強誘電体膜１２）をピックアップマシーン（図示せず）を用いてピックアップして、図６に示す導電性接着層１１の上面に接着して配置するようにしてもよい。この場合、図６に示す支持シート３４を除去する工程が不要となるので、図４に示す工程において、メッキレジスト膜３２を剥離した後に、下部電極８および下層配線１０をマスクとして下地金属層３１の不要な部分をエッチングして除去するようにしてもよい。

さらに、図１において、下地金属層７、９を省略し、下部電極８および下層配線１０をアルミニウム系金属によって形成するようにしてもよい。この場合、図８に示すような工程において、保護膜５の上面に成膜されたアルミニウム系金属膜をフォトリソグラフィ法によりパターニングして下部電極８および下層配線１０を形成するとき、アルミニウム系金属からなる接続パッド２ａは保護膜５によって覆われているのでエッチングされることはない。

この発明の一実施形態としての半導体装置の断面図。図１に示す半導体装置の製造方法の一例において、当初の工程の断面図。図２に続く工程の断面図。図３に続く工程の断面図。図４に続く工程の断面図。図５に続く工程の断面図。図６に続く工程の断面図。図７に続く工程の断面図。図８に続く工程の断面図。図９に続く工程の断面図。図１０に続く工程の断面図。図１１に続く工程の断面図。図１２に続く工程の断面図。図１３に続く工程の断面図。図１４に続く工程の断面図。図１５に続く工程の断面図。図６に示す強誘電体膜を備えた支持シートの形成方法の一例において、当初の工程の断面図。図１７に続く工程の断面図。図１８に続く工程の断面図。図１９に続く工程の断面図。強誘電体膜を備えた支持シートの形成方法の他の例を説明するために示す断面図。

符号の説明

１シリコン基板
２ａ、２ｂ接続パッド
３絶縁膜
５保護膜
６薄膜容量素子
８下部電極
１０下層配線
１１導電性接着層
１２強誘電体膜
１３絶縁膜
１６上部電極
１８ａ、１８ｂ上層配線
１９ａ、１９ｂ柱状電極
２０封止膜
２１ａ、２１ｂ半田ボール
３４支持シート

Claims

上面に複数の接続パッドを有する半導体基板上に樹脂からなる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に下部電極を含む下層配線を前記接続パッドに接続させて形成する工程と、
予め形成された強誘電体膜を支持シートに支持させて、前記下部電極上に前記強誘電体膜を配置する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の発明において、前記強誘電体膜は前記半導体基板とは別の誘電体膜形成用基板を用いて形成されており、前記誘電体膜形成用基板はシリコン基板からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項２に記載の発明において、前記強誘電体膜を形成する工程は、前記誘電体膜形成用基板上に前記強誘電体膜を成膜し、パターニングする工程と、パターニングされた前記強誘電体膜を前記支持シートに支持させる工程と、前記誘電体膜形成用基板を除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項３に記載の発明において、前記誘電体膜形成用基板を除去する工程は、前記誘電体膜形成用基板をエッチングして除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項３に記載の発明において、前記誘電体膜形成用基板を除去する工程は、前記誘電体膜形成用基板を研磨して除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５の何れか一項に記載の発明において、前記強誘電体膜を配置する工程は、前記支持シートに支持された前記強誘電体膜を前記下部電極上に転写する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項６に記載の発明において、前記転写する工程は、前記強誘電体膜を前記下部電極上に導電性接着層を介して接着する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項７に記載の発明において、前記転写する工程は、前記強誘電体膜を前記下部電極上に接着した後に、前記支持シートを除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項８に記載の発明において、前記支持シートを除去する工程は、前記支持シートをエッチングして除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項８に記載の発明において、前記支持シートを除去する工程は、前記支持シートを剥離して除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項３乃至１０の何れか一項に記載の発明において、前記強誘電体膜を配置する工程は、前記支持シートに支持されたまたは単独の前記強誘電体膜をピックアップマシーンを用いてピックアップして前記下部電極上に配置する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１１に記載の発明において、前記強誘電体膜を配置する工程は、前記強誘電体膜を前記下部電極上に導電性接着層を介して接着する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至１２の何れか一項に記載の発明において、前記強誘電体膜を覆う別の絶縁膜を形成し、前記別の絶縁膜上に前記上部電極を含む上層配線を前記強誘電体膜に接続させて形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１３に記載の発明において、前記上層配線の接続パッド部上に柱状電極を形成し、前記柱状電極の周囲を覆う封止膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１４に記載の発明において、前記柱状電極上に半田ボールを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。