JPH01161735A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ワイヤレスボンディングにより電極の引出し
を行う半導体装置に関するもので、特にバンプ電極直下
の金属層の構造に係るものである。

（従来の技術） 従来の半導体装置のバンプ形成工程と、バンプとリード
との接合工程とについて第３図を参照して以下に説明す
る。　第３図（ａ　）において、拡散済みのＳｉ基板１
上にＳ　ｉ　Ｏ２ＪＢＩ　（層間絶縁膜）２が形成され
、その上に配線パターンと接続しているＡ１電極パッド
３が形成されている。　　ＡＩ電極バッド３の上の部分
を開孔した保護用のＳｔ　３Ｎ、膜４が半導体素子上の
全面に被覆されている。　まず、この基板の全面に真空
蒸着法により１０００〜２０００ス厚のＴｉ層を形成し
、その上に連続して１０００〜２０００人のＰｄ層を蒸
着し、Ｔｉ／Ｐｄの２層金属膜５を形成する。

次に同図（ｂ　）において、液状ホトレジスト６をスピ
ンナー塗布（約１．２μｍ厚）し、電極パッド３の上部
にのみ、所望の大きさのバンプ径をバターニング開孔す
る。　同図（Ｃ）において、このホトレジスト６をメツ
キマスクとし、前記Ｔｉ／Ｐｄ金属膜５を電解メツキの
一方の電極（この場合には陰極）として、電極パッド上
部にのみ選択的にＡｕ　７を析出させる。　次に同図（
ｄ　）において、ホトレジストの除去を行い、析出させ
たＡｕ７をマスクにして、電極パッド上部以外のＴｉ／
Ｐｄ金属膜５を硝酸、塩酸、酢酸の混酸でエツチングす
る。　このようにしてＡＩｔｉパッド３上部に、Ａｕ−
Ａｌ相互拡散抑制層（バリヤ層とも呼ばれる）のＴｉ／
Ｐｄ金属１１１５を介してＡｕバンプ７を形成する。　
また必要な場合には金属各層の接触抵抗の低減を目的と
する約３８０℃のＮ２雰囲気中の熱処理を行う。

次にリード８との接合は、ボンディングツール９により
、ツール温度的３５０℃、素子加熱的２７０℃、ツール
加圧的５０！Ｉ＋　／バンブ程度の条件で、ＣＵリード
表面に約０．４μｍ厚でメツキされているｓｎとＡｌｌ
バンプとの共晶析出形式による接合を行う。

上述の従来技術によれば、近年の高集積化の進むＬＳＩ
に対して、ＴＡ　Ｂ　（Ｔａｐｅ　Ａｕｔｏｍａｔｅｄ
Ｂｏｎｄｉｎａ）法を用いる場合、バンプ７とリード８
との接合時の衝撃荷重により、電極パッド３直下の眉間
絶縁膜２にクラックが発生し、半導体素子の電気的特性
変動を引き起こす、　パッド径、パッドピッチが比較的
大きい従来の半導体素子の場合、衝撃荷重の吸収は、個
々の電極パッド周辺で行われており、バンプ電極、電極
パッド材料を伝搬する機械的衝撃波或いは熱伝導流の隣
接パッド間の干渉は起こらないが、高密度実装に対応す
るパッド径、パッドピッチの縮小化に伴ない、前記の干
渉効果が増大し、前述した層間絶縁膜のクラックを誘発
する。

また、半導体素子の高集積化に伴ない、　半導体基板表
面に形成される拡散層の深さが浅くなり、この活性領域
とオーミック接触する配線パターン（配線層）及び延長
上に形成されるバンプ電極の下地金属層の熱的な安定性
が低い場合には、バンプ電極の下地金属層と配線パター
ンとの相互拡散により、配線パターン内に組成ゆらぎが
生じ、この組成ゆらぎが基板の活性領域とこれとオーミ
ック接触する配線パターンとの相互拡散を誘発し、半導
体素子の電気的特性を著しく変動させてしまう。

（発明が解決しようとする問題点） 前述のようにバンプとリードとの接合時の機械的及び熱
的の衝撃荷重により、電極パッド直下の眉間絶縁膜にク
ラックが発生したり、基板活性層と配線パターンとの接
合部の組成変動を生じたりして、結果として電気的特性
を劣化する問題点がある。

これらの問題点のために、ＴＡＢ実装工程の歩留り低下
、信頼性の低下は避けられず、適用可能な半導体素子の
制約となり、多ビンＬＳＩに対してパッケージコストの
低減が一向に進展しない。

デイスプレィパネル、カード用ＬＳＩに対しては、高い
信頼性が得られずに、商品付加価値の増大につながらな
いといった不経済が生じている。

本発明の目的は、ワイヤレスボンディングにより１！極
引出しを行う半導体装置において、バンプとリードとの
接合時の機械的及び熱的の衝撃荷重に対して、１！極パ
ツド下の眉間絶縁膜を保護しクラックを防止すると共に
、同時に基板活性領域と配線パターンとの接合部の熱的
安定性を保持し、大幅な信頼性の向上を可能とするバン
プ電極を具備した半導体装置を提供することである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、＜ａ　＞半導体素子の入出力用金属突起′＠
極であるバンプと、（ｂ）半導体基板の活性領域とオー
ミック接触し、更に基板の絶縁膜（層間絶縁膜）上に延
在する配線パターン（配線層）のバンプ直下の部分であ
る電極パッドと、（Ｃ）バンプと電極パッドとの間にあ
ってバンプ下面に接する第１金属膜と、（ｄ　）バンプ
直下にあって電極パッドの上方もしくは下方に設けられ
る第２金属膜と　を互いに重ねてなる積層ｔｔｉを具備
することを特徴とする半導体装置である。　なお第１金
ａＷＡは例えばＰｄ／Ｎｉ／Ｔｉなとの多層金属膜、Ｔ
ｉＷ合金膜、ＡＱ　／Ｎｉ　、Ａｕ　／Ｃｏなどの互い
に非固溶な多層金属膜であり、第２金属膜は、例えばＶ
、Ｎｂ　、Ｔａ　、Ｃｒ　、ＭＯ、Ｗなどの遷移金属或
いはこれらの多元合金薄膜からなる。

（作用） バンプとバンプ直下の眉間絶縁膜との間に、電極パッド
のほかに第１及び第２金属膜を介在させたことにより、
バンプとリードとの接合時の機械的熱的衝撃荷重が眉間
絶縁膜に与える影響は、大幅に緩和され、絶縁膜のクラ
ック発生は抑えられる。

また第１金属膜は、バンプ形成のメツキ工程の一方の電
極となると共に、バンプのＡｌｌと配線パターンのＡ１
との相互拡散を抑制する。　第２金属展は、配線パター
ン及び第１金属膜の組成のゆらぎを防止し、半導体基板
と配線パターンとのオーミックコンタクト部等の熱的安
定性を保持する作用を持つ。

これらの作用により本発明の半導体装置では電気的特性
変動が改善され、信頼性の高い半導体装置が得られる。

（実施例） 本発明の実施例について図面を参照して以下に説明する
。

第１図は、本発明の半導体装置の第１の実施例で、その
要部の部分拡大断面図である。　同図に示すように本発
明の半導体装置は、（ａ）入出力金属突起電極であるバ
ンプ１９と、（ｂ　）基板１１の活性領域１３とオーミ
ック接触し、更に基板の絶縁膜即ちフィールド酸化Ｊｌ
ｉ１２及びＣＶＤ−８ｉ　Ｏ２膜１４上に延在する配線
パターン−１５゜のバンプ直下の部分であるｔ＠バッド
１５ａと、（Ｃ）バンプ下面に接する第１金属膜１８と
、（ｄ　）バンプ直下にあって電極パッド１５ａの上方
に設けられる第２金属膜１６とを互いに重ねた積層電極
を具値している。

次に製造方法について述べる。　Ｐ型シリコン基板１１
表面のフィールド酸化Ｍ１２の形成、開孔、イオン注入
によるＮ４領域１３の形成、ＣＶＤ法によるＳｉｎ、膜
（層間絶縁膜）１４の形成、コンタクトホールの選択開
孔、この上にスパッタリング法でＡ１またはＡ１合金膜
の堆積、光蝕刻法により配線パターン１旦の形成までは
通常のＬＳＩ製造工程に従う、　本実施例では配線パタ
ーンは厚さ約０．８μｍのＡｌ−Ｓｉ合金としな。

次に蒸着法またはスパッタリング法により厚さ２０００
大のＷ薄膜を形成し、メツキ用レジストマスク形成に用
いる同一のホトマスクによりパターン形成し第２金属Ｗ
Ａ１６を得る。　第２金属膜はＷのほか、例えばＶ、、
Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭＯ，Ｗなどの遷移金属或いはこれ
らの多元合金薄膜が使用できる。　続いてＣＶＤ法によ
るＰＳＧ膜、プラズマＣＶＤ法によるＳｉｔＮｍＭを順
次堆積し、半導体素子の絶縁保護［１７を形成し、所望
の開孔を行い第２金属膜１６を露出させた後にバンプ形
成を行う、　まず蒸着法またはスパッタリング法により
厚さ約４０００スのＰｄ／Ｎｉ／Ｔｉの多層金属膜を形
成し、その上に所望寸法、厚さの開孔を有する絶縁樹脂
（レジスト、フィルムレジスト、ポリイミドなど）膜の
メツキマスクを形成し、Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉ膜を一方の陰
極として、湿式メツキ法によりＡｕバンプ１９を形成す
る。　次にメツキマスク剥離、バンプ１９直下以外の領
域の下地金属膜を選択エツチングにより除去し、第１金
属ｍｉｓを得る。　第１金属膜は、Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉの
ほかＴｉＷ合金膜、Ａｇ　／Ｎｉ　、　Ａｕ　／ＣＯな
どの互いに非固溶な多層金属膜が使用できる。

上述の半導体装置では、パン１１９と層間絶縁膜１４と
の間に、配線パターン１五のほかに第１゜第２金属８１
８．１６を介在させたので、これらの膜が、リードとバ
ンプとの接合時に加えられる機械的熱的衝撃荷重に対し
、緩衝膜として作用し、配線パターン１二直下の眉間絶
縁膜１４のクラック発生は抑えられる。　また、第１金
属膜１８及び第２金属！１１１６の界面が互いに非固溶
或いは一次固溶体組成範囲の極めて狭い金属系から成っ
ているため相互拡散が抑制され、ＡＩ　−８ｉ　、　Ａ
ｌ−８ｉ−Ｃｕなどの配線パターン１二の合金組成ゆら
ぎは抑えられ、従って、基板のＮ４領域と配線パターン
１旦との接触部の熱的安定性は高くなる。

なお第１金属膜１８及び第２金属膜１６の接合界面の安
定性は高く、高温放置試験後のバンプの剥離強度の低下
はない、　第４図に、本実施例の半導体装置のバンプ剥
離強度試験結果を示す。

ＡＵバンプの頂面８０Ｘ８０μ１１２、絶縁、保護膜１
７の開口ａｏｘｓｏμα２で、第１金属Ｉｇｉ！１８は
Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉ多層金属膜、第２金属膜１６はＷ膜、
配線パターン１至はＡｌ−３ｉ合金膜である。

横軸は２００℃で放置した時間（ｈ）、縦軸はバンプ剥
離強度（ｇ／バンプ）を示し、図中のＯ印点は従来例、
・印点は本実施例のそれぞれの結果を表す、　同図より
明らかなように本発明の装置のバンプ剥離強度は従来例
に比し優るとも劣らない結果が得られた。

第２図に本発明の第２の実施例の半導体装置の要部拡大
断面図を示す、　第１図と同符号は同一部分を示すので
説明を省略する。　第１実施例と異なる点は、配線パタ
ーン１二は基板活性領域であるＮ’＠域１３と相互拡散
抑制層２１を介してオーミック接触をすることと、第２
金属Ｍ２ｏが電極パッド１５ａの下方に設けられ、且つ
相互拡散抑制層２１と第２金属膜２ｏとの組成が互いに
等しいことである。　周知のように、高集積化によりＮ
４領域１３が浅くなるとコンタクト部におけるＳｉとＡ
１の相互拡散の影響が大きくなるので、ＴｉＮ、ＷＮな
どの化合物層を相互拡散抑制層２１としてコンタクト部
に設ける。　この場合、スバ、ツタ法によりＴｉＮまた
はＷＮなどの化合物層を形成し、抑制層２１のパターニ
ングの際、バンプ形成予定領域直下にもこの膜を残存さ
せ、第２金属膜２０とした後、Ａ１配線パターン１５を
形成する。

この場合、バンプ直下領域の第２金属膜２０、配線パタ
ーン上１、第１金属層１８間での金属間化合物の生成は
抑制され、界面は安定であり、第１実施例と同様な熱的
信頼性の高い半導体装置が得られた。　またバンプ剥離
強度についても第４図と同様の結果が得られた。　一方
ＴＡＢ実装、フリップチップ実装時のバンプに加えられ
る接合衝撃荷重は、第１．第２金属膜がＭ積層となり、
下層の眉間絶縁膜１４のクラック発生は抑えられ、電気
的特性変動、信頼性の低下を招くことはない。

第５図はその検証結果を示すもので横軸はバンプとリー
ドとの接合荷重（Ｑ／バンプ）、縦軸はパッド下の眉間
絶縁ＷＡ１４のクラック発生率、同図の実曲線は本発明
の、また破線は従来例のそれぞれの結果を示す、　同図
より明らかなように、本発明の半導体装置は従来例に比
しクラック発生に対する強度が向上している。

まな本発明においてリードとバングとの接合時の衝撃荷
重により、仮にバンプ直下のＡ１まなはＡ１合金の１５
ａが塑性変形し、膜厚が減少したり、或いはバンプ直下
の配線パターン１二の一部が破断することが発生したり
しても、第２金属層１６または２０が配線パターン１５
に積層されているので、電気的接続は常に保持されてお
り、不良発生には至らない。

［発明の効果］ 以上説明したように、ワイヤレスボンディングによりｔ
ａ引出しを行う本発明のＬＳＩ等の半導体装置では、バ
ンプと層間絶縁膜との間に、配線パターンのほかに第１
．第２の金属膜を設けなので、これらの金Ｍｌ、Ｍがバ
ンプに加えられる機械的、熱的のボンディング衝撃荷重
のＭｆｒ層として作用し、電極パッド下の眉間絶縁膜を
保護し、そのクラックは防止される。　また同時に、所
定の組成の第１．第２金属膜により、これらの層及び配
線パターンの熱による組成のゆらぎを減少し、基板活性
領域と配線パターンとのコンタクト部の熱的安定性は向
上する。

これらにより、電気的特性の変動が少なく、大幅な信顆
性の向上を可能とするバンプ電極を具備した半導体装置
を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の第１実施例の要部拡大断
面図、第２図は本発明の半導体装置の第２実施例の要部
拡大断面図、第３図は従来の半導体装置の製造工程を示
す断面図、第４図は本発明及び従来の半導体装置のバン
プ剥離強度と２００℃放置時間との関係を示す図、第５
図は本発明及び従来の半導体装置のパッド下の眉間絶縁
膜のクラック発生率と接合荷重との関係を示す図である
。 １１・・・半導体基板、　１２・・・フィールド酸化膜
、１３・・・活性領域（Ｎ”領域）、　１４・・・層間
絶縁膜、　１至・・・配線パターン、　１５ａ・・・電
極パッド、　１６．２０・・・第２金属膜、　１７・・
・絶縁保護膜、　１８・・・第１金属膜、　１９・・・
バンプ、２１・・・相互拡散抑制層。 第１図 第２図 （Ｃ） （ｄ） 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体素子の入出力用金属突起電極であるバンプと
   、半導体基板の活性領域とオーミック接触し更に基板の
   絶縁膜上に延在する配線パターンのバンプ直下の部分で
   ある電極パッドと、バンプと電極パッドとの間にあって
   バンプ下面に接する第１金属膜と、バンプ直下にあつて
   電極パッドの上方もしくは下方に設けられる第２金属膜
   とを互いに重ねてなる積層電極を具備することを特徴と
   する半導体装置。 ２）配線パターンが基板活性領域と相互拡散抑制層を介
   してオーミック接触し、電極パッド下方の第２金属膜の
   組成が前記相互拡散抑制層の組成と等しい特許請求の範
   囲第１項記載の半導体装置。 ３）第１金属膜が、ＴｉＷ合金膜、Ｐｄ／Ｎｉ／Ｔｉ、
   Ａｇ／Ｎｉ、Ａｕ／Ｃｏの各多層金属膜のいずれかであ
   る特許請求の範囲第１項または第２項記載の半導体装置
   。 ４）第２金属膜がＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗの各
   遷移金属膜及びこれらの多元合金膜のいずれかである特
   許請求の範囲第１項または第３項記載の半導体装置。