JP5172577B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、生産性や歩留まりの向上等を図ったものに関する。

近年、半導体装置のさらなる高集積化が所望されており、かかる現状において、パッケージングされていない半導体チップを、半導体基板に直接実装する方式は、高密度実装技術として、より一層の充実が期待されている。
その中でも、半導体チップ上に、ハンダバンプを有するチップは、実装技術としてフリップチップ実装を適用することが可能であるため、ワイヤーボンドなどのスペースを取らない分、高密度実装及び薄型化に資するため、電子機器の小型化が可能となる。

ところで、フリップチップにより半導体基板に半導体チップの実装を行うには、半導体チップの素子面に外部接続端子となるハンダバンプを形成する必要がある。
図１３乃至図１５には、従来のハンダバンプの形成方法の一例を示す模式図が示されており、以下、同図を参照しつつ、その形成方法について説明する。
最初に、基板１Ａ上の電極パッド２Ａ上に積層形成されたパッシベーション膜３Ａを開口する（図１３参照）。

次いで、電解めっき用のシードメタル層４Ａをスパッタリング法により形成し、めっき用のフォトレジスタ５Ａをパターニングし、電解めっき法により、バリアメタル層６Ａ、ハンダ層７Ａの順に形成する（図１４参照）。
しかる後、レジスト及びシートメタル層４Ａの余分な部分を除去し、加熱溶融することでハンダバンプ８Ａを得ることができる（図１５参照）。

上述したハンダバンプの形成方法の他にも、図１６乃至図１９の模式図に一連の概略手順が示されたようなハンダバンプの形成方法もある。
以下、図１６乃至図１９を参照しつつ、このハンダバンプの形成方法について説明する。なお、図１３乃至図１５に示された構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
最初に、基板１Ａ上の電極パッド２Ａに積層形成されたパッシベーション膜３Ａを開口する（図１６参照）。

次いで、無電解めっき法により、上述の開口部を覆うようにバリアメタル６Ａを形成する（図１７参照）。
さらに、バリアメタル６Ａ上に、予め組成比が既値であるハンダボール８ｂを載せ（図１８参照）、加熱溶融することでハンダバンプ８Ａを得ることができる（図１９参照）。
なお、パッシベーション膜３Ａ上にポリイミド膜９Ａを形成した構成とすることも一般的に良く採用されている（図２０参照）。
上述のような従来のハンダバンプの形成方法は、例えば、特許文献１や非特許文献１等に開示されている。
特開平１１−１８６３０９号公報（第４−６頁、図１乃至図３） 畑田賢造、「ＳｉＰ実装をささえるマイクロ構造とバンプ形成技術」、電子材料、株式会社工業調査会、平成１７年１月、第４４巻、第１号、ｐ４５〜４９

しかしながら、上述した２つの従来のハンダバンプ形成方法において、前者の形成方法は、電解めっき法によって形成されるハンダバンプが、鉛フリーのハンダ組成比の開発に対して生産コストなど、種々の面で検討課題が多く、実用性の面で十分であるとは言えないという問題がある。
一方、後者のハンダバンプ形成方法は、前者と比較し、ハンダ組成比の仕様決定に自由度があるという利点がある。また、電解めっき法によるシードメタル層の形成及びフォトレジストのパターニングが必要ないため、前者の方法に比較して、生産コストの低減を図ることができるという利点もあり、さらなる技術の開発が進められている。

しかしながら、かかる後者の方法においては、ハンダボールの転落防止のために、バリアメタルを凹形状にすることが知られてはいるが、無電解めっきの特性上、形成されたバリアメタルの表面がフラットになるため、その上にハンダボールを搭載し、加熱溶融する際に、バリアメタル上からハンダボールが頻繁に転落してしまい、安定した生産が確保できないという問題がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、ハンダボールをバリアメタルへ搭載した際の安定性が確保でき、生産性の向上と共にコスト低減を図ることができる半導体装置の製造方法を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、
アンダーバリアメタル上にハンダボールを搭載し、加熱溶融してハンダバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、
中間配線層上に、電極パッドを兼ねるグローバル配線を、リング状となるように積層形成する一方、
前記アンダーバリアメタルを、前記中間配線層と前記グローバル配線の両金属に接し、且つ、前記電極パッドに対応する部位を凹状に形成する工程と、凹状の前記アンダーバリアメタル上に、ハンダボールを搭載し、加熱溶融して、前記ハンダバンプを形成する工程とを備えたことを特徴とするものである。
また、本発明の目的を達成するため、本発明に係る半導体装置製造方法は、
アンダーバリアメタル上にハンダボールを搭載し、加熱溶融してハンダバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板又はエピタキシャル層の電極パッドが位置する部位を凹状に形成し、しかる後、当該凹状部分及びその周囲の前記半導体基板上に前記電極パッドを兼ねるグローバル配線及びアンダーバリアメタルを順次積層形成することで、前記半導体基板又はエピタキシャル層の凹状部分に対応した前記アンダーバリアメタルの部位を凹状に形成する工程と、凹状の前記アンダーバリアメタル上に、ハンダボールを搭載し、加熱溶融して、前記ハンダバンプを形成する工程とを備えたことを特徴とするものである。
上記構成において、前記アンダーバリアメタル下に配設される層間絶縁膜にスルーホールを形成し、当該スルーホール及びその周囲の前記層間絶縁膜に、前記アンダーバリアメタルを積層形成することで、前記アンダーバリアメタルの前記スルーホールに対応する部位を凹状に形成することも可能である。
また、前記アンダーバリアメタル下に、リング状に中間配線膜を配し、当該中間配線層上に、電極パッドを兼ねるグローバル配線及びアンダーバリアメタルを順次積層形成することで、前記グローバル配線及び前記アンダーバリアメタルに、前記リング状の中間配線膜に対応した凹状部分を形成することも可能である。

本発明によれば、凹状部分を有するバリアメタルを形成できるため、ハンダボールをバリアメタルに載置した際に、ハンダボールのバリアメタルからの転落を防止することができる。また、本発明による凹部部分の形成方法は、通常の半導体装置の製造工程のみで形成されており、安定した生産が確保でき、生産性の向上、歩留まりの向上を図ることができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図１２を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法の第１の構成例について、図１乃至図６を参照しつつ説明する。
まず、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置の全体構成について、主に図６を参照しつつ説明する。なお、図１乃至図６においては、図面を簡潔にして理解を容易とする等の観点から、各々の構成要素の符号について、その表記を省略した図もあり、以下の説明においては、必要に応じて、その構成要素の符号が表記されている他の図面を適宜参照することとする。

この第１の構成例における半導体装置は、半導体基板１上に第１の層間絶縁膜１０が形成されており、この第１の層間絶縁膜１０の上には、中間配線層１１が積層形成されたものとなっている（図６参照）。この中間配線層１１は、回路パターンと接続されるか、或いは、電極パッド直下において単独で配置されるものとしても良いものである。

中間配線層１１及び第１の層間絶縁膜１０の上には、第２の層間絶縁膜１２が積層形成されると共に、中間配線層１１が位置する第２の層間絶縁膜１２には、スルーホール１２ａ（図１参照）が形成されたものとなっている（図６参照）。
そして、この第２の層間絶縁膜１２のスルーホール１２ａを覆うようにグローバル配線１３が積層形成されると共に、特に、電極パッド部５０に位置するグローバル配線１３ａは、リング状（円環状）に形成されたものとなっている（図６参照）。なお、以下の説明において、グローバル配線１３は、特に、リング状に形成されたものを指す場合には、その符号を「１３ａ」とし、これ以外のものについては、符号を「１３ｂ」とし、特段、これらの区別の必要な無い場合には、符号「１３」を用いることとする。

さらに、第２の層間絶縁膜１２及びグローバル配線１３を覆うようにパッシベーション膜３が積層形成されると共に、このパッシベーション膜３の、リング状に形成されたグローバル配線１３ａの中央の中空部１３ｃに位置する部位は開口されたものとなっている（図３参照）。
そして、パッシベーション膜３の開口部分には、バリアメタル（アンダーバリアメタル）６が充填されるように設けられている。

このバリアメタル６の中央部分は、リング状に形成されたグローバル配線１３ａのために、グローバル配線１３ａの厚みに相当する段差６ａが形成されたものとなっている（図４参照）。
そして、バリアメタル６上にはハンダバンプ８が積層されたものとなっている（図６参照）。

次に、かかる構成を有する半導体装置の製造手順について、図１乃至図６を参照しつつ説明する。
最初に、半導体基板１上に第１の層間絶縁膜１０を形成し、次いで、この第１の層間絶縁膜１０上に中間配線層１１を形成する（図１参照）。この中間配線層１１は、半導体の回路パターンと接続されるか、或いは、電極パッド直下に単独で配設されて用いられるものである。

次に、ＣＶＤ法により第２の層間絶縁膜１２を、第１の層間絶縁膜１０上及び中間配線層１１上に積層形成し、フォトリソグラフィーにより中間配線膜１１上が開口するようにパターニングする。
しかる後、ドライエッチング、又は、ウェットエッチングによって、第２の層間絶縁膜１２にスルーホール１２ａを形成する（図１参照）。

次に、フォトリソグラフィーによりグローバル配線１３を形成する（図２参照）。この際、前工程で開口した第２の層間絶縁膜１２のスルーホール１２ａ（図１参照）上の電極パッドを兼ねるグローバル配線１３ａに対してパターンニングを行い、これをリング状に形成したレイアウトとする（図２参照）。

次に、上述した処理が施された半導体基板１の表面にＣＶＤ法によりパッシベーション膜３を積層形成し、フォトリソグラフィーにより、グローバル配線１３ａの中央部分、すなわち、リング状の中空部分に位置する部位を開口するようにパターニングし、中空部１３ｃを形成する（図３参照）。
しかる後、ドライエッチング、又は、ウェットエッチングにより、パッシベーション膜３にコンタクトホールを形成する（図３参照）。
そして、その後、ポリイミド９を任意の厚さにコーティングし、電極パッド部５０を開口する（図３参照）。
この際、電極パッド部５０の開口部分の直径が、パッシベーション膜３に開口したコンタクトホールの径よりも小さい場合には、ポリイミド９の開口面積がバリアメタル６とグローバル配線１３ａとの接触面積となる（図３参照）。

次に、パッシベーション膜３の開口部分より露出したグローバル配線１３の表面上に、無電解めっき法により、ニッケルと金を順にめっきし、バリアメタル６を形成する（図４参照）。
このようにして、形成されるバリアメタル６は、中間配線層１１とグローバル配線１３ａの両金属に接して析出されるため、バリアメタル６には、グローバル配線１３ａの厚み分の段差６ａが形成されることとなる（図４参照）。
本発明の実施の形態においては、グローバル配線１３の厚みは、２μｍ以上あるため、バリアメタル６の段差６ａも２μｍ以上形成されることとなる。
ここで、電極パッド５１は、図４に示すように、中間配線層１１を有し、その周辺部にリング状のグローバル配線１３ａが形成され、グローバル配線１３ａ上には、パッシベーション膜３が開口され、それらの上面に形成されたバリアメタル６とのコンタクト部分が開口されたポリイミド９がコーティングされて構成されたものとなっている。

次に、任意の組成比で構成されたハンダボール８ａをバリアメタル６の段差６ａに載せる（図５参照）。この際、リフロー時の酸化被膜除去のために、フラックスを使用する。
この工程においては、バリアメタル６の頂部に形成された段差６ａによって、ハンダボール８ａをバリアメタル６に搭載した際の転落が防止できるため、従来に比して、円滑に作業を進めることができる。

この後、リフロー炉でハンダボール８ａを溶融させることで、ハンダバンプ８を形成する（図６参照）。
このリフロー時にあっても、先に述べたようにハンダボール８ａは、バリアメタル６の段差６ａ（図５参照）によって、バリアメタル６からの転落が防止されるため、円滑に作業を進めることができる。
このようにバリアメタル６の頂部にハンダボール８ａを載せるため、凹状の段差６ａを形成することで、９９.９％のハンダボール搭載歩留が可能となり、生産性を向上できるものとなっている。

次に、第２の構成例について、図７乃至図１２を参照しつつ説明する。
なお、図１乃至図６に示された第１の構成例における構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
最初に、この第２の構成例における半導体装置の全体構成について説明する。
この第２の構成例における半導体装置は、半導体基板１に窪み１ａ（図７参照）を形成し、この部分に電極パッド５１Ａを形成するようにしたもので（図１２参照）、グローバル配線１３がリング状ではない点を除けば、全体の基本的な構成は、図１乃至図６において示された第１の構成例における半導体装置とほぼ同一のものである。

次に、かかる構成を有する半導体装置の製造手順について、図７乃至図１２を参照しつつ説明する。
最初に、半導体基板１上、又は、半導体基板１上に形成されたエピタキシャル層（図示せず）にフォトエッチングを施して、任意の深さの窪み１ａを形成する（図７参照）。
なお、半導体基板１、又は、半導体基板１上に形成されたエピタキシャル層（図示せず）へのフォトエッチングは、後述する中間配線層１４，１５及び層間絶縁膜１０，１２の厚みとレイヤー数が十分ある場合には省略することができる。

次に、半導体基板１上に、第１の中間配線層１４をリング状に形成しレイアウトする（図７参照）。次いで、第１の層間絶縁膜１０を積層形成し、ドライエッチング、又は、ウェットエッチングによって、第１の層間絶縁膜１０の、先の窪み１ａに位置する部分にスルーホール１０ａを形成する（図７参照）。
次に、第１の層間絶縁膜１０の上に、第２の中間配線層１５を形成する（図８参照）。ここで、特に、リング状に形成された第１の中間配線層１４上に位置する第１の層間絶縁膜１０の上においては、リング状の第２の中間配線層１５ａを形成する（図８参照）。なお、以下の説明において、第２の中間配線層１５は、特に、リング状に形成されたものを指す場合には、その符号を「１５ａ」とし、これ以外のものについては、符号を「１５ｂ」とし、特段、これらの区別の必要な無い場合には、符号「１５」を用いることとする。

次いで、第２の層間絶縁膜１２を積層形成し、窪み１ａに位置するこの第２の層間絶縁膜１２の部位をフォトリソグラフィーにより、窪み１ａの直径よりも小さい径に開口するようにパターニングする（図８参照）。
この後、ドライエッチング、又は、ウェットエッチングによって、第２の層間絶縁膜１２にスルーホール１２ａ，１２ｂを形成する（図８参照）。

次に、フォトリソグラフィーによりグローバル配線１３を積層形成する。この際、電極パッド５１Ａ（図１２参照）が形成される電極パッド部５０において、グローバル配線１３には、最下層にある中間配線層、すなわち、本発明の実施の形態においては、第１の中間配線層１４、第２の中間配線層１５、第１の層間絶縁膜１０、第２の層間絶縁膜１２の厚さと、半導体基板１（又は半導体基板１上に形成されたエピタキシャル層（図示せず）をエッチングした深さ分だけの段差１３ｄが形成されることとなる（図９参照）。
したがって、積層する層の数、厚さ等を適宜調整することで必要な大きさの段差１３ｄを得ることができる。なお、必要な深さの段差１３ｄを形成できれば、第１及び第２の中間配線層１４，１５のいずれか、あるいは全部を、前述のようにリング状に残して形成する必要はない。

次に、ＣＶＤ法により半導体基板１上にパッシベーション膜３を形成し、フォトリソグラフィーにより、グローバル配線１３で形成された電極パッド５１Ａ（図１２参照）が形成される電極パッド部５０に位置する部分を開口するようにパッシベーション膜３をパターニングする。次いで、ドライエッチング、又は、ウェットエッチングによって、パッシベーション膜３にコンタクトホールを形成する（図９参照）。

次に、ポリイミド９を任意の厚さにコーティングし、電極パッド部５０に位置する部分を開口する（図９参照）。この際、ポリイミド９の開口部分の直径が、パッシベーション膜３に開口したコンタクトホールの径よりも小さい場合には、ポリイミド９の開口面積がバリアメタル６とグローバル配線１３との接触面積となる（図１０参照）。
次いで、無電解めっき法により、パッシベーション膜３の開口部分から露出したグローバル配線１３の表面上にニッケルと金を順次めっきし、バリアメタル６を形成する（図１０参照）。

このようにして形成されるバリアメタル６は、第１の中間配線層１４と第２の中間配線層１５、第１の層間絶縁膜１０と第２の層間絶縁膜１２のそれぞれの厚さと窪み１ａの総和に等しい大きさの段差６ａが得られることとなる（図１０参照）。
次に、任意の組成比で構成されたハンダボール８ａをバリアメタル６の段差６ａに載せる（図１１参照）。この際、リフロー時の酸化皮膜除去のために、フラックスを使用する。
この工程においては、バリアメタル６の頂部に形成された段部６ａによって、ハンダボール８ａをバリアメタル６に搭載した際の転落が防止できるため、従来に比して、作業を円滑に進めることができる。

この後、リフロー炉でハンダボール８ａを溶解させることで、ハンダバンプ８を形成する（図１２参照）。
このリフロー時にあっても、先に述べたようにハンダボール８ａは、バリアメタル６の段差６ａによって転落が防止されるため、円滑に作業を進めることができる。
このようにバリアメタル６の頂部にハンダボール８ａを搭載するため、凹状の段差６ａ形成することで、９９.９％のハンダボール搭載歩留が可能となり、生成性の向上がなされる。

本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の第１の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の第２の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の第３の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の第４の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の第５の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第１の構成例における半導体装置の製造手順の最終段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の第１の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の第２の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の第３の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の第４の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の第５の段階を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態の第２の構成例における半導体装置の製造手順の最終段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第１の例における最初の段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第１の例における中間段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第１の例における最終段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第２の例における第１の段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第２の例における第２の段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第２の例における第３の段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成手順の第２の例における最終段階を模式的に示す模式図である。 従来のハンダバンプの形成例の第３の例を模式的に示す模式図である。

符号の説明

１…半導体基板
３…パッシベーション膜
６…バリアメタル
８…ハンダバンプ
１０…第１の層間絶縁膜
１１…中間配線層
１２…第２の層間絶縁膜
１３…グローバル配線
１４…第１の中間配線層
１５…第２の中間配線層

Claims (4)

1. アンダーバリアメタル上にハンダボールを搭載し、加熱溶融してハンダバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、
   中間配線層上に、電極パッドを兼ねるグローバル配線を、リング状となるように積層形成する一方、
   前記アンダーバリアメタルを、前記中間配線層と前記グローバル配線の両金属に接し、且つ、前記電極パッドに対応する部位を凹状に形成する工程と、凹状の前記アンダーバリアメタル上に、ハンダボールを搭載し、加熱溶融して、前記ハンダバンプを形成する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。
2. アンダーバリアメタル上にハンダボールを搭載し、加熱溶融してハンダバンプを形成する半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板又はエピタキシャル層の電極パッドが位置する部位を凹状に形成し、しかる後、当該凹状部分及びその周囲の前記半導体基板上に前記電極パッドを兼ねるグローバル配線及びアンダーバリアメタルを順次積層形成することで、前記半導体基板又はエピタキシャル層の凹状部分に対応した前記アンダーバリアメタルの部位を凹状に形成する工程と、凹状の前記アンダーバリアメタル上に、ハンダボールを搭載し、加熱溶融して、前記ハンダバンプを形成する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。
3. 前記アンダーバリアメタルを凹状に形成する工程が、前記アンダーバリアメタル下に配設される層間絶縁膜にスルーホールを形成し、当該スルーホール及びその周囲の前記層間絶縁膜に、前記アンダーバリアメタルを積層形成することで、前記アンダーバリアメタルの前記スルーホールに対応する部位を凹状に形成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記アンダーバリアメタルを凹状に形成する工程が、前記アンダーバリアメタル下に、リング状に中間配線膜を配し、当該中間配線層上に、電極パッドを兼ねるグローバル配線及びアンダーバリアメタルを順次積層形成することで、前記グローバル配線及び前記アンダーバリアメタルに、前記リング状の中間配線膜に対応した凹状部分を形成する工程であることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。

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