JP4844084B2

JP4844084B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4844084B2
Application number: JP2005309599A
Authority: JP
Inventors: 博光金子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007123320A

Description

本発明は、半導体装置における外部接続用のバンプ電極の形成に係り、特にバンプ電極形状の改善が要求される半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置における外部接続用のバンプ電極は、仕上がり形状、品質ともに格段に向上している。バンプ電極の最上面はフラットにより近い状態が好まれる。現在のバンプ形成方法は、一般に電解メッキ法が利用される。すなわち、ウェハ全面に電気を導通させる下地用の金属層（ＵＢＭ：under bump metal）を形成し、その後、レジストパターンを形成する。そして、電解メッキ液中にウェハを置き、ウェハ全体を通電させ、レジストパターンに従ったメッキ成長を達成する。バンプ電極の高さや形状は、ウェハ面内でバラツキはあるものの、同一ＩＣチップ内においては許容し得る一様な仕上がりが得られる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１８９６３５号公報（第３頁、図１）

しかし、バンプ形成時のメッキ条件の変動、バラツキ、電気的な条件等により、バンプ電極上面の形状は凹凸が顕著になる場合がある。また、ウェハ面内でのバラツキ傾向も大きくなる懸念がある。今後の実装形態、様々な要求からバンプ形状の制御という観点から改善の余地がある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、バンプ電極形成において、選択的に形状を制御することのできる半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１及び第２の配線とそれぞれつながる第１及び第２の金属パッドを形成する工程と、前記第１及び第２の金属パッドを覆うように、一層以上の保護膜を形成する工程と、前記保護膜に対し前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上を選択的に開口し、前記第１及び第２の金属パッドにおける電気的接続領域表面を露出させる第１のエッチング工程と、露出した前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域表面上にある不要物を取り除くための第２のエッチング工程と、前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上に下地用金属層を形成する工程と、前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域及びその周辺を除くバンプ用レジストパターンを形成する工程と、前記バンプ用レジストパターンに露出した前記下地用金属層上に第１及び第２の金属バンプを形成する電解メッキ工程と、を具備し、前記電解メッキ工程における前記保護膜上に対する第１の金属パッドの前記電気的接続領域上の電位差と、前記電解メッキ工程における前記保護膜上に対する前記第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差とが異なるように、これらの電位差を調整することにより、前記電解メッキ工程により形成される前記第１及び第２の金属バンプの形状を制御することを特徴としている。

上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、金属バンプ形成にあたり、予め保護膜上に対する電気的接続領域上の電位差を調整しておくと、電解メッキ工程では、その電位差により金属バンプの形状が変わってくる。より具体的には保護膜上に対し電位をより低くした電気的接続領域上には、下地用金属層を介して電解メッキ工程におけるメッキ金属の吸着量が増大する。これにより、金属バンプの形状を制御する。

なお、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、前記第１、第２のエッチング工程において前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域表面を荒らす度合いによって、調整されることを特徴とする。電気的接続領域と下地用金属層との接触面積を増やすことができる。これにより、電気的接続領域との接触抵抗は小さくなる。つまり、保護膜上に対し電位をより低くした電気的接続領域上には、下地用金属層を介して電解メッキ工程におけるメッキ金属の吸着量が増大する。これにより、金属バンプの形状を制御する。

また、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、前記第１の金属パッドにつながる予備配線の長さによって、調整されることを特徴とする。また、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、前記第１、第２のエッチング工程におけるオーバーエッチングの度合いによって、調整されることを特徴とする。これにより、金属バンプの形状を制御する。

また、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、前記第１の金属パッドを前記半導体基板と電気的に結合する結合路の長さによって、調整されることを特徴とする。これにより、金属バンプの形状を制御する。

上記それぞれいずれかの本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第１及び第２の金属バンプ形成後、前記バンプ用レジストパターンを除去し前記第１及び第２の金属バンプをマスクとして前記下地用金属層をエッチングする工程をさらに具備したことを特徴とする。

発明を実施するための形態

図１（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。下地（例えば層間絶縁膜）は平坦面として線で表し説明する。また、図２（ａ），（ｂ）は、図１における要部を示す断面図である。
図１（ａ）に示すように、半導体基板１０上に金属パッド１１を形成する。金属パッド１１はＡｌパッドであり、図示しない素子に関係するＡｌ配線とつながっている。金属パッド１１を覆うように、一層以上の保護膜１２を形成する。保護膜１２は例えば酸化膜や窒化膜、または両者の積層を含むパッシベーション膜である。なお、破線で示す金属パッド１１につながる予備配線、または基板電位への結合路は後述する。

図１（ｂ）に示すように、保護膜１２上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン１３を形成する。その後、レジストパターン１３に従って金属パッド１１の電気的接続領域１１１上を選択的に開口するドライエッチング工程を経る。これにより、金属パッド１１における電気的接続領域１１１表面を露出させる。このとき、高周波（ＲＦ）バイアススパッタによるエッチングが用いられる。陽極(+)イオンが金属パッド１１に衝突し、陽極(+)電荷をパッド上に残す。この状況は陽極(+)電荷が飽和するまで続く。飽和するとウェハ面が電気的にフローティングになるので、スパッタの原理からエッチングが進まなくなる。ところが、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線を介して移動する（流れる）ことにより、エッチングは止まり難くなる。すなわち、エッチングの飽和点に差を生じさせることができ、オーバーエッチングの度合いが大きくなる。

図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）を経て、金属パッド１１の電気的接続領域１１１上を選択的に開口し、金属パッド１１における電気的接続領域１１１表面を露出させた後、表面についた自然酸化膜など不要物を取り除くためのエッチング工程を経る。このとき、高周波（ＲＦ）バイアススパッタによるエッチングが用いられる。Ａｒ⁺イオンが金属パッド１１の電気的接続領域１１１に衝突し、陽極(+)電荷をパッド上に残す。この状況は陽極(+)電荷が飽和するまで続く。飽和するとウェハ面が電気的にフローティングになるので、スパッタの原理からエッチングが進まなくなる。ところが、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線を介して移動する（流れる）ことにより、エッチングは止まり難くなる。すなわち、エッチングの飽和点に差を生じさせることができ、オーバーエッチングの度合いが大きくなる。

例えば、図１（ａ）中に破線で示した予備配線を意図的に長さを調節して設けると、金属パッド１１が持つ電気的なエネルギーの許容量、つまり配線容量が増す。予備配線は例えば回路内部の空いている配線層間で引き回すようにする（図２参照）。図１（ｂ）における上記エッチング時、陽極(+)イオンが金属パッド１１に衝突し、陽極(+)電荷をパッド上に残すが、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線、予備配線を介して移動する（流れる）。これにより、エッチングは止まり難くなる。すなわち、エッチングの飽和点に差を生じさせることができ、オーバーエッチングの度合いを大きくすることができる。これは、図１（ａ）中に破線で示した基板電位への結合路に関しても同様である。図１（ｂ）における上記エッチング時、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線を介して基板側に流れる。これにより、同一チップ内であっても、金属パッド１１のＡｌ開口部表面の仕上がりに質的な差（ラフネス）を出すことができる。

例えば、図１（ａ）中に破線で示した予備配線を意図的に長さを調節して設けると、金属パッド１１が持つ電気的なエネルギーの許容量、つまり配線容量が増す。予備配線は例えば回路内部の空いている配線層間で引き回すようにする（図２参照）。図１（ｃ）における上記エッチング時、Ａｒ^＋イオンが金属パッド１１に衝突し、陽極(+)電荷をパッド上に残すが、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線、予備配線を介して移動する（流れる）。これにより、エッチングは止まり難くなる。すなわち、エッチングの飽和点に差を生じさせることができ、オーバーエッチングの度合いを大きくすることができる。これは、図１（ａ）中に破線で示した基板電位への結合路に関しても同様である。図１（ｃ）における上記エッチング時、陽極(+)電荷が金属パッド１１の配線を介して基板側に流れる。これにより、同一チップ内であっても、金属パッド１１のＡｌ開口部表面の仕上がりに質的な差（ラフネス）を出すことができる。

次に図１（ｄ）に示すように、金属パッド１１の電気的接続領域１１１上を含んで１層以上の下地用金属層１４を形成する。下地用金属層１４は、例えばＴｉＷからなるバリアメタル層１４１及びＡｕからなるメッキシード層１４２を積層したアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）でなる。下地用金属層１４は、電気的接続領域１１１のラフネスを反映し、接触面積が増える。これにより、電気的接続領域１１１との接触抵抗は小さくなる。

次に、図１（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、電気的接続領域１１１及びその周辺を除くバンプ用レジストパターン１５を形成する。電解メッキ工程を経るため電解メッキ液に浸漬する。図示しないが、カソードとしての電極ピンを下地用金属層１４に接触させ、電解メッキ液接触側をアノードとする。このとき、電気的接続領域１１１のラフネスを反映し、接触面積を増やした下地用金属層１４は、周縁の保護膜１２上に対して、電位が通常より低くなっている。

図１（ｆ）に示すように、例えば電解メッキ液は、Ａｕ、Ｔｌ（タリウム）、添加剤が混合されている。Ｔｌは、析出電位を下げ、Ａｕの析出を促す働きがある。添加剤は、析出電位を上げ、Ａｕの析出を抑える働きがあり、また、Ｔｌで形成された電気二重層を広げないようにする。下地用金属層１４の電位差により、電気的接続領域（Ａｌ）１１１上部へのＡｕ吸着量が増大する。また、電気的接続領域１１１のラフネスを反映した下地用金属層１４は表面積が大きいため、Ａｕ吸着量は多くなる。

図１（ｇ）に示すように、下地用金属層１４の電位差、及びＴｌの相乗効果によって、電気的接続領域（Ａｌ）１１１上部へのＡｕ吸着量、結晶成長が過剰に進む。これにより、最終的には、例えば図２（ｂ）のようなバンプ形状の制御が達成可能である。金属バンプ（Ａｕバンプ）１６は、下地用金属層１４からの厚みに関し、保護膜１２上方の領域における第１の厚みＴ１と金属パッド１１上方の領域における第２の厚みＴ２があり、第１の厚みＴ１より第２の厚みＴ２の方が大きい形状となっている。

上記構成において、金属バンプ（Ａｕバンプ）１６における第１の厚みＴ１と第２の厚みＴ２の違いは、Ａｕメッキの結晶成長の差が含まれていることに相違ない。因みに金属バンプ（Ａｕバンプ）１６とＵＢＭすなわち下地用金属層１４の間の抵抗を測定したが、電気的接続領域１１１を意図的に荒らさない通常のものより、若干低抵抗であった。Ａｕメッキの結晶成長についても抵抗的には問題ない。

上記実施形態の方法及び構成によれば、金属バンプ１６の形成にあたり、予め保護膜１２上に対する電気的接続領域１１１上の電位差を調整しておくと、電解メッキ工程では、その電位差により金属バンプ１６の形状が変わってくる。より具体的には保護膜１２上に対し電位をより低くした電気的接続領域１１１上には、下地用金属層１４を介して電解メッキ工程におけるメッキ金属（Ａｕ）の吸着量が増大する。これを利用して、金属バンプ１６の形状を制御する。保護膜１２上に対する電気的接続領域１１１上の電位差を調整するためのより具体的な方法は、電気的接続領域１１１と下地用金属層１４との接触面積を増やすために電気的接続領域表面を荒らす度合いを制御する。金属パッド１１につながる配線の長さを調節し配線容量に反映させる。すると、エッチング工程におけるオーバーエッチングの度合いが変わる。つまり、電気的接続領域１１１の配線容量が大きくなると、エッチング工程における電気的接続領域１１１のオーバーエッチングの度合いがより増大する。従って、下地用金属層１４との接触面積を増やすことができる。

なお、金属パッドにつながる基板電位への結合路に関しても同様であると述べたが、電気的に基板全体でエネルギーの許容をかけることが重要である。機能的に基板電位に落とせない電極は、電源電位−基板電位間で抵抗分圧／ボルテージフォロワをかけるなどして、電気的に短絡しないように配慮するとよい。

図３（ａ）〜（ｆ）、図４（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を工程順に示す断面図である。
図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、半導体基板２０上に金属パッド２１１，２１２１をそれぞれ形成する。金属パッド２１１，２１２は、それぞれ１チップ領域内に形成されるものである。金属パッド２１１，２１２はＡｌパッドであり、図示しない素子に関係するＡｌ配線とつながっている。そのうち、金属パッド２１２は、配線容量を金属パッド２１１のそれよりも大きくするために長さを調節して配された予備配線２１３とつながっている。予備配線２１３は前記図２と同様に回路内部の空いている配線層間で引き回すようにする。

保護膜２２は金属パッド２１１，２１２上を覆い、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術を用いて金属パッド２１１，２１２の電気的接続領域１１１上を選択的に開口するドライエッチング工程を経る。これにより、金属パッド２１１，２１２それぞれにおける電気的接続領域２１１ａ，２１２ｂ表面を露出させる。このとき、前記第１実施形態に示したような、高周波（ＲＦ）バイアススパッタによるエッチングが用いられる。従来に比べて１５％程度エッチング量を増やす設定とする。バイアスパワー、Ａｒ流量を上げ、エッチング時は排気し難い方向に制御する。エッチングは、エネルギー許容量のより小さい金属パッド２１１の方がエッチングされ難くなり、エネルギー許容量のより大きい金属パッド２１２の方が荒くエッチングされる。すなわち、エッチングの飽和点に差を生じさせることができ、金属パッド２１２の方がオーバーエッチングの度合いが大きくなる。

次に、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、金属パッド２１１，２１２の電気的接続領域２１１ａ，２１２ｂ上を含んで１層以上の下地用金属層２４を形成する。下地用金属層２４は、例えばＴｉＷからなるバリアメタル層２４１及びＡｕからなるメッキシード層２４２を積層したアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）でなる。下地用金属層２４は、電気的接続領域２１２ｂのラフネスを反映し、接触面積が増える。これにより、下地用金属層２４の電気的接続領域２１２ｂとの接触抵抗は、電気的接続領域２１１ａのそれより小さくなる。

次に、図３（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、電気的接続領域２１１ａ，２１２ｂ及びその各周辺を除くバンプ用レジストパターン２５を形成する。
次に、図３（ｄ）、図４（ｄ）に示すように、電解メッキ工程を経るため電解メッキ液に浸漬する。図示しないが、カソードとしての電極ピンを下地用金属層２４に接触させ、電解メッキ液接触側をアノードとする。このとき、電気的接続領域２１１ａ上の下地用金属層２４に比べ、電気的接続領域２１２ｂのラフネスを反映し、接触面積を増やした下地用金属層２４は、周縁の保護膜２２上に対して、電位が低くなっている。これにより、下地用金属層２４の電位差により、電気的接続領域（Ａｌ）２１１ａに比べて２１２ｂ上部へのＡｕ吸着量が増大する。また、電気的接続領域２１２ｂのラフネスを反映した下地用金属層２４は表面積が大きいため、Ａｕ吸着量は多くなる。これにより、メッキ結晶成長に差を持たせ、電気的接続領域２１２ｂ上とその周縁部上に形成される金属バンプ（Ａｕバンプ）２６２は、中央部が高い上面を有する形状となる。一方、電気的接続領域２１１ａ上とその周縁部上に形成される金属バンプ（Ａｕバンプ）２６１は、中央部が高い上面とはならない。上面が略平らな形状が好ましい。ここでは、保護膜２２の開口は従来に比べてエッチング量を増やす設定とした。これにより、電気的接続領域２１１ａ表面も多少荒らされた結果、金属バンプ（Ａｕバンプ）２６１は、上面が略平らな形状が得られる可能性がある。

次に、図３（ｅ）、図４（ｅ）に示すように、バンプ用レジストパターン２５を除去し、金属バンプ（Ａｕバンプ）２６１，２６２をマスクとして下地用金属層２４を除去する。金属バンプ（Ａｕバンプ）２６１は、下地用金属層２４からの厚みに関し、保護膜２２上方の領域における第１の厚みＴ１ａと金属パッド２１上方の領域における第２の厚みＴ２ａがあり、第１の厚みＴ１ａより第２の厚みＴ２ａの方が大きい形状となっている。また、金属バンプ（Ａｕバンプ）２６２は、下地用金属層２４からの厚みに関し、保護膜２２上方の領域における第１の厚みＴ１ｂと金属パッド２１上方の領域における第２の厚みＴ２ｂがあり、第１の厚みＴ１ｂより第２の厚みＴ２ｂの方が大きい形状となっている。このような関係を持ちつつ、金属バンプ（Ａｕバンプ）２６１と２６２は、同一チップ上で形状が異なるよう制御される。

上記実施形態の方法及び構成によれば、金属バンプ２６１，２６２の形成にあたり、選択的に予め保護膜２２上に対する電気的接続領域２１２ｂ上の電位差を調整しておくと、電解メッキ工程では、その電位差により金属バンプ２６２の形状が変わってくる。より具体的には保護膜１２上に対し電位をより低くした電気的接続領域２１２ｂ上には、下地用金属層２４を介して電解メッキ工程におけるメッキ金属（Ａｕ）の吸着量が増大する。これを利用して、金属バンプ２６２の形状を制御する。保護膜１２上に対する電気的接続領域２１２ｂ上の電位差を調整するためのより具体的な方法は、電気的接続領域２１２ｂと下地用金属層２４との接触面積を増やすために電気的接続領域表面を荒らす度合いを制御する。金属パッド２１２につながる配線の長さを調節し配線容量に反映させる。すると、エッチング工程におけるオーバーエッチングの度合いが変わる。つまり、電気的接続領域２１２ｂの配線容量が大きくなると、エッチング工程における電気的接続領域２１２ｂのオーバーエッチングの度合いがより増大する。従って、下地用金属層２４との接触面積を増やすことができる。

なお、金属バンプ２６１，２６２は、それぞれ１チップ領域内に形成されるものとし、１チップ領域内で任意にバンプ形状を制御する用途が考えられるが、これに限らない。金属バンプ２６１，２６２は、それぞれ一ウェハ面内の別々のチップ領域に形成されていてもよい。ウェハ面内でバンプの形状や高さの変動傾向がみられる時に本発明の適用が期待でき、バンプ形状均一化の用途にも可能性がある。

以上説明したように本発明によれば、金属パッドが有する配線容量を制御し、金属パッドにおける電気的接続領域表面のオーバーエッチングの度合いが調整される。これにより、下地用金属層との接触面積を増やすことができ、電気的接続領域との接触抵抗は小さくなる。保護膜上に対し電位をより低くした電気的接続領域上には、下地用金属層を介して電解メッキ工程におけるメッキ金属の吸着量が増大する。これにより、金属バンプの形状を制御する。この結果、バンプ電極形成において、選択的に形状を制御することのできる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態及び方法に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変更、応用を実施することが可能である。

第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を順に示す各断面図。図１における要部を示す断面図。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を順に示す第１各断面図。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を順に示す第２各断面図。

符号の説明

１０，２０…半導体基板、１１，２１１，２１２…金属パッド、１１１，２１１ａ，２１２ｂ…電気的接続領域、１２，２２…保護膜、１３…レジストパターン、１４，２４…下地用金属層、１４１，２４１…バリアメタル層、１４２，２４２…メッキシード層、１５，２５…バンプ用レジストパターン、１６，２６１，２６２…金属バンプ（Ａｕバンプ）、２１３…予備配線。

Claims

半導体基板上に第１及び第２の配線とそれぞれつながる第１及び第２の金属パッドを形成する工程と、
前記第１及び第２の金属パッドを覆うように、一層以上の保護膜を形成する工程と、
前記保護膜に対し前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上を選択的に開口し、前記第１及び第２の金属パッドにおける電気的接続領域表面を露出させる第１のエッチング工程と、
露出した前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域表面上にある不要物を取り除くための第２のエッチング工程と、
前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上に下地用金属層を形成する工程と、
前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域及びその周辺を除くバンプ用レジストパターンを形成する工程と、
前記バンプ用レジストパターンに露出した前記下地用金属層上に第１及び第２の金属バンプを形成する電解メッキ工程と、
を具備し、
前記電解メッキ工程における前記保護膜上に対する前記第１の金属パッドの電気的接続領域上の電位差と、前記電解メッキ工程における前記保護膜上に対する前記第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差とが異なるように、これらの電位差を調整することにより、前記電解メッキ工程により形成される前記第１及び第２の金属バンプの形状を制御することを特徴とした半導体装置の製造方法。
前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、
前記第１、第２のエッチング工程において前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域表面を荒らす度合いによって、調整され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。
前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、
前記第１の金属パッドにつながる予備配線の長さによって、調整され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。
前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、
前記第１、第２のエッチング工程におけるオーバーエッチングの度合いによって、調整され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。
前記保護膜上に対する前記第１及び第２の金属パッドの電気的接続領域上の電位差は、
前記第１の金属パッドを前記半導体基板と電気的に結合する結合路の長さによって、調整され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。
前記第１及び第２の金属バンプ形成後、前記バンプ用レジストパターンを除去し前記第１及び第２の金属バンプをマスクとして前記下地用金属層をエッチングする工程をさらに具備した請求項１〜５いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。