JPH05308107A - 半導体装置及びその製作方法 - Google Patents

半導体装置及びその製作方法

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JPH05308107A
JPH05308107A JP4099837A JP9983792A JPH05308107A JP H05308107 A JPH05308107 A JP H05308107A JP 4099837 A JP4099837 A JP 4099837A JP 9983792 A JP9983792 A JP 9983792A JP H05308107 A JPH05308107 A JP H05308107A
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JP
Japan
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thin film
semiconductor device
film
insulating thin
source gas
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Pending
Application number
JP4099837A
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English (en)
Inventor
Keizo Harada
敬三 原田
Seisaku Yamanaka
正策 山中
Takao Maeda
貴雄 前田
Takatoshi Takigawa
貴稔 瀧川
Toshisuke Saka
俊祐 坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Priority to CA002072262A priority patent/CA2072262C/en
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Priority to DE69207285T priority patent/DE69207285T2/de
Priority to US07/907,229 priority patent/US5455453A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 省スペース、高集積化に十分対応し得る長期
信頼性にも優れた高熱放散性かつ、低コストのプラスチ
ックパッケージ型の半導体装置を提供する。 【構成】 銅又は銅合金の圧延金属基板1の表面に1〜
20μm厚の絶縁薄膜2を形成する。この薄膜は、酸窒
化シリコンの単層膜や酸化シリコンと酸窒化シリコン
(若しくは窒化シリコン)を積層した複合膜を用い、こ
の薄膜2上又は基板1の露出面上に半導体素子8を搭載
する。さらに、2上に薄膜のVcc配線3、GND配線
4、薄膜抵抗10、薄膜コンデンサ11などを適宜に設
ける。そしてボンディングワイヤ9により必要個所を結
線後、外部リードの内端側を含めた部分を樹脂で封止す
る。絶縁薄膜2が酸化シリコンと窒化シリコンの両者の
長所を兼ね備えているので、基板との熱膨張差によるク
ラック、吸湿により促進される剥離などが起こり難く、
低コストのプラスチックパッケージを用いて高集積化、
軽薄短小化、長期信頼性の確保が行える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本願発明は、半導体素子等の電気
素子を搭載する半導体装置及びその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子等の能動素子を含み、信号用
及び/若しくは電源系配線や抵抗体、コンデンサなどの
受動素子を具備した半導体装置は、ハイブリッドICや
各種ICパッケージなどに数多くみられる。中には、ア
ルミナ基板上にスクリーン印刷法でAg−Pd系配線を
形成した基板、多層配線の積層セラミック基板もしくは
プリント配線基板を、リードフレーム及び樹脂封止形態
を用いた自動化が容易で低コストないわゆるプラスチッ
クパッケージの内部に搭載して複数素子を搭載可能とし
たものもある。また、特開昭62−185349号のよ
うに、プラスチックパッケージにおいて、FeNi合金
よりなるリードフレームのダイパッドに形成された絶縁
薄膜上に抵抗体や薄膜配線層を形成する構造を採用して
高密度化を達成する試みもなされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】半導体パッケージなど
の電子部品は、より一層の高集積化、軽薄短小化、低コ
スト化の方向に進んでいる。また、高集積化・軽薄短小
化を進めると半導体素子の温度上昇を招くことから、高
熱放散性の半導体パッケージが求められている。特に、
量産性があり低コスト化が可能なプラスチックパッケー
ジ化の要求が高い。
【0004】しかしながら、プラスチックパッケージ内
にアルミナ配線基板を用いたものは、微細配線化、薄型
化が難しい。また、プリント配線基板を用いたものは微
細配線化、素子搭載時、特にワイヤボンディング時の接
着剤軟化などの問題に加え、長期信頼性にも問題があ
る。さらに、高密度化が可能な特開昭62−18534
9号公報に記載の技術では、金属上で絶縁特性の良好な
絶縁薄膜を歩留良く作製することが難しいため量産性に
問題があった。このほか、上記の従来技術では、パッケ
ージとしての熱放散性に優れないことから、より一層の
高速高密度の要求にも対応できなかった。
【0005】そこで、近年リードフレーム材料として多
用され出した銅又は銅合金(この合金は他元素の添加量
が50wt%以下)の圧延材を基材にしてその表面に絶
縁薄膜を設け、この絶縁薄膜上又は基板の露出面上に能
動素子を搭載し、さらに、絶縁薄膜上に外部リードとの
中継等に用いる薄膜配線やノイズ除去用の薄膜抵抗、薄
膜コンデンサなどを設けることを考えた。この場合、絶
縁薄膜は無機質のものを接着剤を使わずに設ける。銅又
は銅合金は放熱性に優れ、また、熱膨張係数がモールド
樹脂に近くて安定した樹脂封止が可能であるが、絶縁フ
ィルムを接着剤で貼り合わせる構造では放熱性が悪化
し、耐熱性や薄型化の面でも問題が生じるからである。
樹脂フィルムや有機接着剤を用いるとパッケージの長期
信頼性も確保し難い。
【0006】ところが、無機質の絶縁薄膜を銅又は銅合
金の基板上に直接設ける場合には次のことが問題とな
る。
【0007】(1)かかる基板の熱膨張係数は17×1
-6程度であるのに対し、一般に無機質絶縁薄膜の絶膨
張係数は10×10-6以下であり、その差が大きい。一
方、薄膜形成工程では密着性や反応性を考慮して成膜温
度を上げる必要があり、そのため、成膜後の冷却におい
て熱膨張係数差により薄膜に過大な応力が加わり、この
応力で膜にクラックが生じ易くなり、また、吸湿が加速
され易くなって耐湿性にも問題がでる。 (2)銅や銅合金は表面が容易に酸化し、非常に脆い酸
化膜を生じる。従って、吸湿により絶縁膜と基板の界面
間に取込まれる水分により基板の表面が酸化し、その結
果、形成される酸化膜が絶縁膜に加わる応力で破壊され
て絶縁膜の剥離が起こる。 (3)圧延金属板の表面はRmax=0.2μm以上と
粗く、そのため、薄膜では被覆性が悪く絶縁が取り難
い。
【0008】本発明は、熱放散性が良くて高集積化が図
れるコスト面でも有利なプラスチックパッケージ型の半
導体装置を実現するために、基板上の絶縁膜の絶縁特
性、並びに長期信頼性を悪くする上記の(1)〜(3)
の問題を無くすことを課題としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するため、銅もしくは銅を母相とし50wt%以下
の他元素を添加した銅合金より成る圧延金属基板の表面
に、膜厚が1μm以上20μm以下、より好ましくは3
μm以上10μm以下の絶縁薄膜を設け、この絶縁薄膜
上もしくは金属基板の露出面に能動素子を搭載し、さら
に、その絶縁薄膜上に信号用及び/若しくは電源系の薄
膜配線や薄膜抵抗、薄膜コンデンサなどの受動素子を設
ける半導体装置を対象にして、前記絶縁薄膜を、酸素と
窒素を含むシリコン化合物によって形成する。
【0010】本発明で用いる金属基板は、表面粗さがR
max≧0.1μmであるものが好ましい。このような
面粗さは、基材の圧延工程で得ても良いし、圧延後に基
材表面を機械的或いは電気的に研磨して得てもよい。ま
た、この金属基板の表面にNi、Cr、Al、Ti、A
u、Pt、Agのどれかを用いた金属単層薄膜やこれ等
の中から選ばれた2種以上の金属から成る積層薄膜或い
は合金薄膜を形成しておくことも好ましい形態のひとつ
である。これ等の金属膜の膜圧が0.1μm以上10μ
m以下であるとより好ましい。
【0011】絶縁薄膜上(或いは基板上)の信号用或い
は電源系の薄膜配線は、スパッタ法、真空蒸着法、イオ
ンプレーティング法などを用いて、例えば導電層として
のアルミ膜を形成し、その上に拡散防止層としてのニッ
ケル層を形成後、ワイヤボンディングなどが行われる最
上層に金層を設けた3層構造のものを用いる。このとき
微細配線パターンを得るためにメタルマスクによるパタ
ーニングを用いても良いし、フォトリソグラフィなどの
手法も用いることができる。これ等の薄膜配線を形成す
ることで、微細パターンによる高集積化が可能になり、
また同時に、金属基板と薄膜配線が絶縁薄膜により隔て
られていることから、絶縁薄膜をバイパスコンデンサと
して機能させることも可能になり、高速化を図るときに
必要な低ノイズ化なども実現できる。
【0012】薄膜抵抗については、NiCr、TaN、
TiN、CrSiOなどの薄膜抵抗体材料をスパッタ
法、真空蒸着、イオンプレーティング法などにより、所
望の抵抗値を持つものを形成する。抵抗値の微調整に
は、レーザトリミングなどを用いることもできる。薄膜
コンデンサについては、例えばTa2 5 などをスパッ
タ法、真空蒸着、イオンプレーティング法などにより形
成することができる。また、上述したように、基板と薄
膜配線間の絶縁薄膜をコンデンサとして使用することも
できる。これ等の抵抗やコンデンサなどの受動素子は、
高速信号伝搬時に問題となる信号のリンキングを鈍らせ
る働きをすることから、半導体パッケージの高速化が可
能になる。
【0013】シリコン化合物の絶縁薄膜は、(1)好ま
しくは窒素含有量がSiに対する原子比で0.3以上、
0.8以下の酸窒化シリコンの単層膜、(2)酸化シリ
コン層と、窒素をSiに対する原子比で0.3以上含む
酸窒化シリコン層もしくは窒化シリコン層を積層した2
層以上の複合膜、(3)酸化シリコン層と、窒素含有量
を膜厚方向に連続的に増加もしくは減少させ、最多含有
部の窒素量をSiに対する原子比で0.3以上にした酸
窒化シリコン層を積層した2層以上の複合膜のいずれで
あってもよい。また、好ましくは、これ等の酸窒化シリ
コン層、酸化シリコン層、窒化シリコン層が、膜の真応
力として圧縮応力もしくは8×109 (dyn/cm2
以下の引張り応力を持つもの、より好ましくは8×10
9 (dyn/cm2 )以下の圧縮応力もしくは3×109
(dyn/cm2 )以下の引張り応力を持つものを用い
る。ここで云う薄膜の真応力とは、基板上に形成した薄
膜の全残留応力から、基板と薄膜の熱膨張係数差に起因
する熱応力を差し引いた値である。全残留応力の測定に
はいくつかの方法があるが、例えば、破壊試験として
は、膜を基材から剥がしそのそりから応力を求めること
が可能であるし、また非破壊試験としては、薄膜を形成
した基板のそりを測定することで、応力を求めることも
可能である。
【0014】また、上の(1)〜(3)の各形態の絶縁
薄膜はいずれも膜中に水素を含むが、その結合水素の含
有量は、(1)の単層膜の場合、赤外吸収スペクトルの
吸収ピークにおいて次の、の関係式の少なくとも一
方を満たすものが好ましい。 0.001≦I11/IM1≦0.3 0.01≦I21/IM1≦1.5 ここで、IM1=max(IO1,IN1) IO1,
IN1の内大きな方の数値 I11:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
−H結合による最大吸収ピーク高さ I21:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
H結合による最大吸収ピーク高さ IO1:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
−O結合による最大吸収ピーク高さ IN1:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
結合による最大吸収ピーク高さ (2)の複合絶縁薄膜についても、各層のシリコン化合
物中の結合水素量が赤外吸収スペクトルの吸収ピークに
おいて次の、の関係式の少なくとも一方を満たすも
のが好ましい。 0.001≦I12/IM2≦0.3 0.01≦I22/IM2≦1.5 ここで、IM2=max(IO2,IN2) IO2,
IN2の内大きな方の数値 I12:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
−H結合による最大吸収ピーク高さ I22:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
H結合による最大吸収ピーク高さ IO2:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
−O結合による最大吸収ピーク高さ IN2:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
結合による最大吸収ピーク高さ さらに、(3)の複合膜についても、各層のシリコン化
合物中の結合水素量が赤外吸収スペクトルの吸収ピーク
において次の、の関係式の少なくとも一方を満たす
ものが好ましい。 0.001≦I13/IM3≦0.3 0.01≦I23/IM3≦1.5 ここで、IM3=max(IO3,IN3) IO3,
IN3の内大きな方の数値 I13:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
−H結合による最大吸収ピーク高さ I23:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
H結合による最大吸収ピーク高さ IO3:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
−O結合による最大吸収ピーク高さ IN3:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
結合による最大吸収ピーク高さ このほか、本発明の絶縁薄膜中に、添加元素として、
F、C、B、S、P、Al、Se、As、Ge、Ga、
Zn、Te、Sb、Sn、Inのいずれか1種もしくは
2種以上をSiに対する原子比で10%以下含ませてお
くこと、或いは、この絶縁薄膜の表層及び/若しくは最
下層に、非導電性炭素、SiC、Al2 3 、Zr
2 O、AlN、BNのいずれか又はそれ等の複合物で形
成された耐湿性の保護膜を形成することも好ましいこと
である。
【0015】次に、このような絶縁薄膜を基板の表面に
むら無く、密着性良く形成するために、本発明において
は、金属基板の表面の酸化物を、Arガス、H2 ガスも
しくは両者の混合ガス雰囲気下で、基板温度:350℃
以下、雰囲気ガス圧:0.1〜30Torr、放電出力
0.1〜10W/cm2 、放電時間:1分以上の条件に
よるプラズマスクリーニングによって先ず除去し、その
後、Siソースガス、Nソースガス、Oソースガスを原
料にして、基板温度:350℃以下、成膜時ガス圧:
0.1Torr以上常圧以下、Siソースガスに対する
N及びOソースガスの流量比:0.5〜30より好まし
くは0.5〜10の条件下でプラズマCVD(P−CV
D)法もしくはCVD法による気相成長で基板の表面に
絶縁薄膜を形成する。この際のSiソースガスとして
は、SinH2n+2(n=1、2、3、4)やSi(C2
5 O)4 、或いはその他の有機Si系ガスを用い、N
ソースガスとしてはN2 、NH3 などを、また、Oソー
スガスとしてはO2 、O3 、N2 O、NO、NO2 より
選択された一種もしくは複合のガスなどを使用する。
【0016】また、別の方法として、金属基板の表面の
酸化物層を電気・化学的な処理によってまず除去し、そ
の後、SinH2n+2(n=1、2、3、4)又はSi
(C25 O)4 のSiソースガス、NH3 又はN2
Nソースガス、N2 O、NO、NO2 2 、O3 から選
択された1種もしくは複合のOソースガスを原料ガスと
して、金属基板温度:350℃以下、好ましくは200
〜350℃、前処理時プラズマ放電時ガス圧:0.1〜
30Torr、好ましくは0.5〜30Torr、印加
高周波出力:0.1〜10w/cm2 、より好ましくは
0.5〜10w/cm2 、放電時間1分以上、好ましく
は5分以上、成膜時ガス圧:0.1〜5Torr、ガス
流量比:Fs/(Fn+Fo)≦2、好ましくは0.1
≦Fs/(Fn+Fo)≦2、{但しFsはSiソース
のガス流量、FnはNソースのガス流量、FoはOソー
スのガス流量}、高周波出力密度:0.1〜2.0w/
cm2 、基板と電極間距離:10〜40mm、好ましくは
20〜40mm、基板温度:350℃以下、好ましくは2
00〜350℃、の条件で前記金属基板の表面に前記絶
縁薄膜をプラズマCVD法で形成する。
【0017】なお、これ等以外の方法、例えば、高周波
マグネトロンスパッタ、レーザ蒸着、イオンプレーディ
ング、真空蒸着、ECRプラズマCVD、レーザCV
D、光CVDなどによる成膜法でも、本発明の絶縁薄膜
は形成し得る。
【0018】
【作用】酸化シリコン膜は、材料自身の強度が大きく、
かつ応力増大の原因となるヤング率やポアッソン比は小
さいため、クラックを生じ難い反面、水分を吸い易いと
いう性質をもつ。一方、窒化シリコンは、酸化シリコン
と違って膜にクラックが入り易いが水分の吸収は殆どな
いことが知られている。
【0019】本発明で用いる酸窒化シリコンの薄膜は、
上記2つの材料の長所を兼ね備えており、従って、膜の
クラックが生じ難く、膜の劣化、剥離の原因となる吸湿
も抑制される。このことは、酸化シリリン層と酸窒化シ
リコン層もしくは窒化シリコン層を積層した膜について
も同じことが云える。
【0020】また、発明者等は、クラックの発生メカニ
ズムについて調査した結果、銅又は銅合金基板上のシリ
コン化合物の絶縁薄膜にクラックが生じるのは、殆どが
その薄膜に引張り応力が生じた結果であり、これは、成
膜時に生じる真応力が過度の引張り応力である場合にの
み起こることを突き止めた。例えば、膜厚20μm以下
の酸化シリコン、酸窒化シリコン、窒化シリコンについ
て真応力とクラック発生の関係を調べたところ、真応力
としての引張り応力が8×109 (dyn/cm2 )以下
の場合、及び圧縮応力の場合にはクラックが生じなかっ
た。これから、成膜時に生じる真応力の値が小さな引張
り応力もしくは圧縮応力であればクラックの問題が回避
されることを見い出した。
【0021】また、半導体装置の信頼性試験のひとつで
ある温度サイクル試験においては、膜に対して繰り返し
の応力変化を与えることから、よりクラックが入り易い
状態になっている。このような繰り返し疲労試験に十分
に耐え得るためには、真応力レベルとして、8×109
dyn/cm2 以下の圧縮応力もしくは3×109 dyn
/cm2 以下の引張り応力にコントロールすれば良いこと
も見い出した。
【0022】また、更に検討、実験を重ねた結果、成膜
時に生じる真応力を小さな引張もしくは圧縮力とするた
めの具体的な1手法として、膜中に含まれる水素量をコ
ントロールすることの有効性も見出した。膜中の含有水
素量を、赤外吸収スペクトルによる結合水素量の測定を
行ってコントロールすると、前述の真応力を膜にクラッ
クの生じない大きさにし得る。このことを解明してクラ
ックを生じる膜か、そうでない膜かの評価手段を確立す
ることに成功した。
【0023】含有水素が薄膜の応力にどのように影響を
及ぼすかを以下に述べる。CVDやP−CVD法などの
気相法により形成される酸化シリコン膜や酸窒化シリコ
ン膜は、良く知られるように結晶格子としての長距離秩
序を持たない非晶質構造となっている。但し、短距離秩
序、すなわち最小の場合1ユニットセル単位ではいわゆ
る結晶となっていることが知られている。例えば酸化シ
リコン膜の場合、セルとしては基本的にはSiとOによ
る正4面体構造に近い形を保持しているが、その隣接し
たセル同士の結合においてはダングリングボンドや余分
な原子による結合により乱れが生じている。このよう
に、本来の結合としてのSi−OやSi−N結合以外の
結合手もしくはダングリングボンドなどが存在する場
合、その部分は局所的な歪を受けることになり、結果と
して膜全体にわたって応力が発生する。本発明者らはこ
のような現象に着目し、薄膜中に含まれる余分な原子と
しての水素原子についてその含有量と膜の内部応力の関
係を詳細に調査した。その結果、薄膜の真応力がクラッ
クの入り難い値に保れるときのSi−H結合やSi−O
H結合による吸収ピークとSi−O或いはSi−N結合
による吸収ピーク比の最適範囲を見い出すに至った。先
に上げた〜の関係式で表わされる値がそれである。
【0024】薄膜中の水素含有量は、先に述べたよう
に、赤外吸収スペクトルによる結合水素量の測定を行っ
てコントロールすることができるので、成膜時の薄膜を
過度の引張り応力から確実に保護することが可能であ
り、そのため、得られる絶縁薄膜はクラックの無い良質
の膜となる。
【0025】膜中に、余分な原子として、水素以外に前
述のF、C、B、S、P、Al、Se、As、Ge、G
a、Zn、Te、Sb、Sn、Inの中のどれか1つ、
又は2種以上をSi原子に対する比で10%以下添加す
るのも、同様の理由から有効なことである。
【0026】また、金属基板の表面にNi、Cr、A
l、Ti、Au、Pt、Agのどれかから成る単層薄膜
やそれ等の中の2種以上の金属を用いた積層構造の膜或
いは合金膜を予め設けておくと、これ等の膜が保護層と
なって、銅もしくは銅合金基板表面のもろい銅の酸化槽
の形成が抑制される。これ等の金属薄膜は、例えば、金
属基板上に絶縁薄膜が部分的に形成されない部分がある
場合に、むき出しになる金属基板と絶縁薄膜のエッジ部
分での吸湿劣化を防ぐのに有効であるが、その膜厚が
0.1μm以下では下地面を十分に覆いきれない面があ
るので効果が薄い。一方、その膜厚が10μm以上では
成膜コストが上昇して実用的でなく、基板に対する密着
性も弱くなってその剥離が考えられるようになる。
【0027】次に、プラズマCVD法又はCVD法で表
面の粗い圧延金属基板上にシリコン化合物の性能の良い
絶縁薄膜を形成するために見い出した方法の詳細条件と
その効果について説明を行う。
【0028】基板を加熱してArガス,H2 ガス或いは
その両者の混合ガス雰囲気下でプラズマ放電により予め
表層の酸化物を除去すると基板表面が清浄になり、膜の
密着性が高まる。この際の基板温度を350℃以下とし
たのは、それ以上では基板中に含まれる銅や銅合金の軟
化点を越えることによる。また、基板表面の清浄を十分
に行うためには、ガス圧や印加出力にもよるがプラズマ
放電時間を1分以上にするのが望ましい。
【0029】酸素と窒素を含んだシリコン化合物の絶縁
薄膜を形成するための原料ガスとしては、先に述べた種
類のSiソースガス、Nソースガス、Oソースガスを用
いる。膜中の含有水素量は、これ等のガスの流量比を調
整してコントロールできるが、H2 ガスを反応ガスとし
て加えることもひとつの手法である。
【0030】成膜時のガス圧は0.1Torr以上、常
圧以下であることが好ましい。この圧力が0.1Tor
r以下では、成膜レートが小さ過ぎて実用上問題があ
り、また表面の粗い(Rmax≧0.1μm)圧延金属
基板に対して被覆性良く膜が形成されないため、膜の絶
縁特性も悪くなる。これは、気体の平均自由工程は雰囲
気真空度に依存し、ガス圧が低い程平均自由工程が長く
なる結果、膜の基板への付き回りが悪くなることに起因
する。
【0031】膜中の酸素及び窒素の含有量調整は、ソー
スガスの流量比を調整して行う。このガス流量比Fs/
(Fn+Fo)に関しての上限の規定は、窒素及び酸素
が膜中に十分に取り込まれず膜の比抵抗が小さくなるこ
と及び水素含有量が過剰になることを避けるためであ
り、一方、下限の規定は、膜中の水素量が不足して成膜
時にクラックが入り易い膜となることを避けるためであ
る。
【0032】また、絶縁薄膜の膜厚を1〜20μmに限
定したのは、1μm以下では膜がたとへ付き回り良く基
板を覆ったとしても表面の粗い圧延金属板では絶縁歩留
が悪くなり、一方、20μm以上では実用コスト高にな
ることに加え、クラック等も発生し易くなるためであ
る。これ等を考えると、この膜厚は3μm以上、10μ
m以下が特に好ましい。
【0033】
【実施例】図1及び図2の実施例に基づき、本発明の詳
細内容について説明する。以下の実施例は本発明の一部
の概要を示すものであって、あくまでも一例に過ぎな
い。つまり、本発明を限定するものではない。
【0034】図1及び図2の1は銅又は銅合金の圧延材
で作った金属基板、2は1の表面上に直接形成した絶縁
薄膜、3は2上に形成したVcc配線、4は同じく2上に
形成したGND配線、5は2上に形成した信号(I/
O)用配線であり、GND配線4は絶縁薄膜2を一部切
欠いてこの部分で一端を基板1に接続している。6はV
cc外部リード、7はGND外部リードである。なお、配
線3、4、5はいずれも薄膜配線である。
【0035】絶縁薄膜2上に搭載した半導体素子8の電
源用電極はボンディングワイヤ9を介してVcc配線3に
接続される。また、Vcc配線3はVcc外部リード6にボ
ンディングワイヤ9を用いて接続され、GND配線4は
GND外部リード7に接続されている。一方、素子8の
信号用電極は、最終的には6、7のリードと同様の形態
を有する信号用外部リード(図示せず)に接続するが、
図のように信号用配線5を設ける場合には少なくとも一
部の信号用電極は配線5経由で外部リードに接続する。
【0036】このようにしておくと、1と3及び5と3
の間は絶縁薄膜2が絶縁層となって絶縁されるので、1
と3が電極となってVcc配線3の形成域の全域にバイパ
スコンデンサが作り出され、素子8に対する素子スイッ
チング時のノイズの侵入が防止される。
【0037】信号用配線5中には、必要に応じてNiC
r、TaN、TiN、CrSiOなどをスパッタ法、真
空蒸着、イオンプレーティングなどで形成した薄膜抵抗
10やTa2 5 などを10と同様の方法で形成した薄
膜コンデンサ11などの受動素子を設けることがある。
図2の12はプラスチックボディ13による封止を行っ
て完成した本発明の半導体装置(プラスチックフラット
パッケージ)の全体を示している。
【0038】絶縁薄膜2は、酸窒化シリコンの単層膜、
酸化シリコン層と酸窒化シリコン層又は窒化シリコン層
を積層してある2層以上の複合膜、酸化シリコン層と窒
素含有量を膜厚方向に変化させてある酸窒化シリコン層
を積層してある2層以上の複合膜のどれかである。窒素
含有量をSiに対する原子比で既述の値に限定してある
ものや、含有水素量の赤外吸収ピーク比について先に述
べた関係式を満足させたものであれば、これに越したこ
とはない。また、その膜厚も先に述べた理由から1〜2
0μmの範囲にしておく。
【0039】このような膜は、SinH2n+2(n=1、
2、3、4…)もしくはTEOS{Si(C2 5 O)
4 }などの有機Siソースガスと、NH3 又はN2 のN
ソースガスと、N2 O、NO、NO2 、O2 、O3 より
選ばれた1種もしくは数種(複合ガス)のOソースガス
を原料にして本発明の方法を含む既述の成膜方法で作る
ことができる。
【0040】以下に本発明のより詳細な実施例について
述べる。 (実験例1)図1で説明した如き基板1に半導体素子8
としてCMOSディジタルロジックICを搭載し、図2
に示す表面実装型の樹脂封止の132ピンプラスチック
フラットパッケージ(PQFP)12を作製した。この
パッケージのプラスチックボディ13の大きさは24×
24×4mmであり、外部リードピンの一辺の数は33
本、ピンピッチは0.64mmである。また、図1及び
図2中の3に相当するVcc配線の面積は、ボンディング
ワイヤ9による結線を無理なく行うため、40mm2
確保した。この配線面積が絶縁薄膜2を誘電体として配
線と基板間に作り出されるバイパスコンデンサの実質電
極面積となる。
【0041】この試作パッケージについて、その熱抵抗
を測定した結果、22℃/Wの値が得られ、プラスチッ
クパッケージとしては従来にない小さい熱抵抗値になっ
ていた。また、搭載したCMOSディジタルロジックI
Cの同時スイッチング数を増加させても特に問題となる
ような信号ノイズ波形は現れず、半導体装置が高速対応
でも正常に機能することを確認できた。
【0042】(実験例2)プラスチックパッケージとし
ての長期信頼性を評価するため実験例1と同じパッケー
ジ形態において下記条件の温度サイクル試験と耐湿試験
(PCT)を実施した。 温度サイクル試験……−55℃/150℃ 1000サ
イクル 耐湿試験(PCT)……121℃ 2気圧 1000時
間 温度サイクルについては100サイクル毎に、耐湿試験
については100時間毎にサンプルを取り出し、電気特
性により不良発生の有無を調べた。
【0043】不良の発生したサンプルについてモールド
樹脂を開封して調査した結果、絶縁薄膜のクラックもし
くは吸湿による劣化が原因であることが判明したため、
本発明の構造による種々の絶縁薄膜を形成したサンプル
と比較のために作ったサンプルについて、信頼性評価試
験により不良の発生したサイクル数と時間を調べた。
【0044】なお絶縁薄膜は基板表面のプラズマスクリ
ーニング後、プラズマCVDにより下記の条件にて形成
した。 基板 :Cu合金(Ni3.2、Si0.7、Zn
0.3wt%) 基板温度 :300℃ ソースガス:SiH4 、N2 O、NH3 ガス圧 :0.5Torr 高周波出力:0.3W/cm2 膜厚 :4μm 窒素含有量の調整はソースガスの流量比を変えて行い、
N含有量の定量にはESCAを使用した。また、膜中に
は微量の水素が含まれていることも確認した。
【0045】この試験で、絶縁薄膜として、単層の酸化
シリコン膜及び酸窒化シリコン膜を使用したときの調査
結果を表1に示す。また、絶縁薄膜として酸化シリコン
層と酸窒化シリコン層の積層複合膜を使用したときの膜
構成を表2に、この膜構成での試験後の調査結果を表3
に各々示す。さらに、表2の膜材料B(酸窒化シリコ
ン)を、窒素含有量が酸化シリコン層との界面より膜厚
方向に連続的に増加している傾斜組成材料に置き代え、
他は表2と同じ条件で信頼性評価試験を行ったときの調
査結果を表4に示す。なお、ここで用いた傾斜組成の酸
窒化シリコン層は窒素含有量の最も多い部分が表2に示
す値になっている。
【0046】
【表1】
【0047】
【表2】
【0048】
【表3】
【0049】
【表4】
【0050】かかる試験における温度サイクル数及び耐
湿時間については、どの程度クリアーすれば良いかはパ
ッケージの実使用形態によって異なるが、概ね温度サイ
クル試験では300サイクル以上、耐湿試験では300
時間以上が目安となっている。
【0051】上記の実験では、窒素含有量がSiに対す
る原子比で0.3に満たない、サンプル1、2、3、1
1、17、20、23、31、37、40、43、及び
窒素含有量が上記の比で0.9を越えているサンプル1
0を除いていずれも300サイクル、300時間をクリ
アーし、パッケージに要求される長期信頼性が不足なく
確保されている。
【0052】(実験例3)プラスチックパッケージとし
ての長期信頼性を評価するため実験例1と同じパッケー
ジ形態において下記条件の温度サイクル試験と耐湿試験
(PCT)を実施した。 温度サイクル試験……−65℃/150℃ 1000サ
イクル 耐湿試験(PCT)……121℃ 2気圧 1000時
間 温度サイクルについては100サイクル毎に、耐湿試験
については100時間毎にサンプルを取り出し、電気特
性により不良発生の有無を調べた。
【0053】不良の発生したサンプルについてモールド
樹脂を開封して調査した結果、絶縁薄膜のクラックもし
くは吸湿による劣化が原因であることが判明したため、
本発明の構造による種々の絶縁薄膜を形成したサンプル
と比較のために作ったサンプルについて、信頼性評価試
験により不良の発生したサイクル数と時間を調べた。
【0054】なお絶縁薄膜は基板表面のプラズマクリー
ニング後、プラズマCVDにより下記の条件にて形成し
た。 基板 :Cu合金(Ni3.2、Si0.7、Zn
0.3wt%) 基板温度 :300℃ ソースガス:SiH4 、N2 O、NH3 ガス圧 :0.5Torr 高周波出力:0.3W/cm2 膜厚 :4μm 窒素含有量及び水素含有量の調整はソースガスの流量比
を変えて行い、N含有量の定量にはESCAを使用し
た。また、膜中の水素量は赤外吸収により調べた。
【0055】この試験で、絶縁薄膜として、単層の酸窒
化シリコン膜を使用したときの調査結果を表5に示す。
また、絶縁薄膜として酸化シリコン層と酸窒化シリコン
層の積層複合膜を使用したときの膜構成を表6に、この
膜構成での試験後の調査結果を表7に各々示す。さら
に、表6の酸窒化シリコン(膜材料B)を、窒素含有量
が酸化シリコン層(膜材料A)との界面より膜厚方向に
連続的に増加している傾斜組成材料に置き代え、他は表
6と同じ条件で信頼性評価試験を行ったときの調査結果
を表8に示す。なお、ここで用いた傾斜組成の酸窒化シ
リコン層は窒素含有量の最も多い部分が表2に示す値に
なっている。また、I13/IM3については表6のI
12/IM2と、I23/IM3については表6のI2
2/IM2と各々同じ値の膜を用いた。
【0056】
【表5】
【0057】
【表6】
【0058】
【表7】
【0059】
【表8】
【0060】この場合も温度サイクルと耐湿試験時間
は、300サイクル以上、300時間以上が目安とな
る。
【0061】本実験では、窒素含有量や結合水素の赤外
吸収ピーク比が規定値を満たしていない表5のサンプル
51、52、60、表6、7のサンプル61、65、6
8、69、74、表8の81、85、88、89、94
を除いていずれも300サイクル、300時間をクリア
ーし、パッケージに要求される長期信頼性が不足なく確
保されている。なお、表5のサンプル56、表6、7の
サンプル67、表8のサンプル87は、赤外吸収ピーク
比が規定値から外れているにも拘らず、温度サイクル、
耐湿試験の結果は良かったが、絶縁薄膜の誘電特性が悪
く、ICの初期特性を満たしていなかった。
【0062】(実験例4)酸化シリコン、窒化シリコン
もしくはその混合物膜を銅合金基板上に平行平板型P−
CVD法により形成し、このときの成膜条件と膜組成、
真応力、絶縁特性及び膜中のクラック・ワレ等の対応関
係を調べた。
【0063】真応力はストレスアナライザにより基板の
そり値から求めた。但し真応力は全応力の測定値から熱
応力を差し引いた値とした。また絶縁特性の評価につい
ては、100mm2 の電極を絶縁薄膜上に100個形成し
てその絶縁歩留りを調べた。絶縁性能は200Vの電圧
印加時のリーク電流が1×10-6Aをしきい値とし、こ
れ以下を良品と判定した。
【0064】共通の成膜条件を下に示す。 前処理条件 :H2 プラズマエッチング、ガス圧
=1Torr RFパワー密度=0.3W/cm2 基板 :Cu合金(Ni3.2、Si0.7、
Zn0.3wt%) 原料ガス :SiH4 +N2 O+NH3 基板温度 :250℃ 基板と電極間距離 :30mm 膜厚 :5μm その他の成膜条件及び結果を表9にまとめた。表中酸素
及び窒素の含有量は、Siを1とした場合に各々x、y
で原子比を表した。また、表中に示したSi、O、N以
外にH、Cなども微量膜中に含まれているが、これ等に
ついては、特に定量値を示さなかった。
【0065】
【表9】
【0066】表9から判るようにサンプル101、10
4、109、110、119についてはクラックが発生
したり絶縁特性が良くなかった。
【0067】以上の結果から、酸化シリコン、窒化シリ
コンもしくはその混合物をプラズマCVD法にて形成す
ることにより、良好な絶縁薄膜が得られることが判明し
た。なお、本実施例では原料ガスとしてSiH4 +N2
O+NH3 のみを示したが、これ以外にも、Siソース
としてTEOSを用いたり、NソースとてN2 、Oソー
スとしてNO、NO2 、O2 、O3 を用いることもでき
る。このときの応力に及ぼす成膜条件の影響はほぼ表9
の結果に近い。
【0068】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の半導体装置
及びその作製法によれば、銅又は銅合金の圧延金属基板
上に絶縁性が良くて耐クラック、耐湿性、耐剥離性にも
優れる絶縁薄膜を形成し、その上に薄膜配線やノイズ対
応のための受動素子などを設けて絶縁薄膜上或いは基板
の露出面上に能動素子を搭載するようにしたので、プラ
スチックパッケージの形態で高放熱性の確保、微細配線
化、薄型化の促進を図ることが可能になり、高集積、高
機能化の要求、小型化の要求並びに量産化による低コス
ト化の要求を併せて満たすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の内部構造の一例を示す斜
視図
【図2】本発明の半導体装置の全体構成の概要を示す断
面図
【符号の説明】
1 金属基板 2 絶縁薄膜 3 Vcc配線 4 GND配線 5 信号用配線 6 Vcc外部リード 7 GND外部リード 8 半導体素子 9 ボンディングワイヤ 10 薄膜抵抗 11 薄膜コンデンサ 12 プラスチックフラットパッケージ 13 プラスチックボディ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 9355−4M H01L 23/14 M (72)発明者 瀧川 貴稔 伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 坂 俊祐 伊丹市昆陽北一丁目1番1号 住友電気工 業株式会社伊丹製作所内

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅もしくは銅を母相とし50wt%以下
    の他元素を添加した銅合金より成る圧延金属基板の表面
    に、膜厚が1μm以上20μm以下の絶縁薄膜を設け、
    この絶縁薄膜上もしくは金属基板の露出面上に半導体素
    子を搭載し、さらに、その絶縁薄膜上に信号用及び/若
    しくは電源系の薄膜配線や薄膜抵抗、薄膜コンデンサな
    どの受動素子を設ける半導体装置であって、前記絶縁薄
    膜が酸素と窒素を含んだ酸窒化シリコン化合物であるこ
    とを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記絶縁薄膜の窒素含有量をSiに対す
    る原子比で0.3以上、0.8以下にしてある請求項1
    記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 前記絶縁薄膜が膜中に水素を含み、その
    結合水素の量が赤外吸収スペクトルによる吸収ピークに
    おいて次の、の関係式の少なくとも一方を満たして
    いる請求項1又は2に記載の半導体装置。 0.001≦I11/IM1≦0.3 0.01≦I21/IM1≦1.5 ここで、 IM1=max(IO1,IN1) IO1,IN1の
    内大きな方の数値 I11:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
    −H結合による最大吸収ピーク高さ I21:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
    H結合による最大吸収ピーク高さ IO1:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
    −O結合による最大吸収ピーク高さ IN1:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
    結合による最大吸収ピーク高さ
  4. 【請求項4】 請求項1記載の半導体装置の絶縁薄膜に
    代えて、酸化シリコン層と、窒素をSiに対する原子比
    で0.3以上含んだ酸窒化シリコン層もしくは窒化シリ
    コン層を積層して成る2層以上の複合構造の絶縁薄膜を
    設けてある半導体装置。
  5. 【請求項5】 前記複合構造の絶縁薄膜が膜中に水素を
    含み、その結合水素の量が、赤外吸収スペクトルによる
    吸収ピークにおいて次の、の関係式の少なくとも一
    方を満足たしている請求項4記載の半導体装置。 0.001≦I12/IM2≦0.3 0.01≦I22/IM2≦1.5 ここで、 IM2=max(IO2,IN2) IO2,IN2の
    内大きな方の数値 I12:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
    −H結合による最大吸収ピーク高さ I22:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
    H結合による最大吸収ピーク高さ IO2:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
    −O結合による最大吸収ピーク高さ IN2:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
    結合による最大吸収ピーク高さ
  6. 【請求項6】 請求項1記載の半導体装置の絶縁薄膜に
    代えて、酸化シリコン層と、窒素含有量を膜厚方向に連
    続的に増加もくは減少させ、最多含有部の窒素量をSi
    に対する原子比で0.3以上にした酸窒化シリコン層を
    積層して成る2層以上の複合構造の絶縁薄膜を設けてあ
    る半導体装置。
  7. 【請求項7】 前記絶縁薄膜が膜中に水素を含み、その
    結合水素の量が赤外吸収スペクトルによる吸収ピークに
    おいて次の、の関係式の少なくとも一方を満たして
    いる請求項6記載の半導体装置。 0.001≦I13/IM3≦0.3 0.01≦I23/IM3≦1.5 ここで、 IM3=max(IO3,IN3) IO3,IN3の
    内大きな方の数値 I13:2150〜2350cm-1の波数範囲にあるSi
    −H結合による最大吸収ピーク高さ I23:860〜980cm-1の波数範囲にあるSi−O
    H結合による最大吸収ピーク高さ IO3:1020〜1200cm-1の波数範囲にあるSi
    −O結合による最大吸収ピーク高さ IN3:840〜920cm-1の波数範囲にあるSi−N
    結合による最大吸収ピーク高さ
  8. 【請求項8】前記絶縁薄膜は、成膜時に膜に生じる真応
    力を、圧縮応力又は8×109 (dyn/cm2 )以下の
    引張り応力にしたものである請求項1乃至7のいずれか
    に記載の半導体装置。
  9. 【請求項9】 前記金属基板の表面粗さがRmax≧
    0.1μmであり、また、前記絶縁薄膜の膜厚は3μm
    以上10μm以下であり、さらに、その絶縁薄膜はプラ
    ズマCVD法で形成され、かつ成膜時に膜に生じる真応
    力を、圧縮応力又は8×109 (dyn/cm2 )以下の
    引張り応力にしたものである請求項1乃至7のいずれか
    に記載の半導体装置。
  10. 【請求項10】 成膜時に絶縁薄膜に生じる真応力を、
    8×109 (dyn/cm2 )以下の圧縮応力又は3×1
    9 (dyn/cm2 )以下の引張り応力にしてある請求
    項8又は9に記載の半導体装置。
  11. 【請求項11】 前記金属基板の表面を、機械的又は電
    気的方法で研磨してある請求項1乃至10のいずれかに
    記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】 前記絶縁薄膜が、添加元素として、
    F、C、B、S、P、Al、Se、As、Ge、Ga、
    Zn、Te、Sb、Sn、Inのいずれか1種もしくは
    2種以上をSiに対する原子比で10%以下含んでいる
    請求項1乃至11のいずれかに記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 前記絶縁薄膜が、表層及び/若しくは
    最下層に、非導電性炭素、SiC、Al2 3 、Zr2
    O、AlN、BNのいずれか又はそれ等の複合物で形成
    された耐湿性の保護膜を有している請求項1乃至12の
    いずれかに記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 前記金属基板が、表面にNi、Cr、
    Al、Ti、Au、Pt、Agの中の少なくとも1種か
    ら成る金属単層薄膜もしくはそれ等の中から選ばれた2
    種以上の金属の積層薄膜もしくは合金薄膜を有している
    請求項1乃至13のいずれかに記載の半導体装置。
  15. 【請求項15】 前記金属の単層又は積層薄膜の膜厚を
    0.1〜10μmにしてある請求項1乃至14に記載の
    半導体装置。
  16. 【請求項16】 請求項1〜8のいずれかに記載の半導
    体装置の製作方法であって、金属基板の表面の酸化物
    を、Arガス、H2 ガスもしくは両者の混合ガス雰囲気
    下で、基板温度:350℃以下、雰囲気ガス圧:0.1
    〜30Torr、放電出力0.1〜10w/cm2 、放
    電時間:1分以上の条件によるプラズマクリーニングに
    よって先ず除去し、 その後、Siソースガス、Nソースガス、Oソースガス
    を原料にして、基板温度:350℃以下、成膜時ガス
    圧:0.1Torr以上常圧以下、Siソースガスに対
    するN及びOソースガスの流量比:0.5〜30の条件
    下でプラズマCVD法もしくはCVD法により金属基板
    の表面に所定の組成の絶縁薄膜を形成することを特徴と
    する半導体装置の製作方法。
  17. 【請求項17】 請求項1〜11のいずれかに記載の半
    導体装置の製作方法であって、金属基板の表面の酸化物
    を電気・化学的な処理によってまず除去し、その後、S
    inH2n+2(n=1・2・3・4)又はSi(C2 5
    O)4 のSiソースガス、NH3 又はN2 のNソースガ
    スN2 O、NO、NO2 、O2 、O3から選択された1
    種もしくは複合のOソースガスを原料ガスとして、 金属基板温度:200〜350℃、前処理時プラズマ放
    電時ガス圧:0.5〜30Torr、印加高周波出力:
    0.5〜10w/cm2 、放電時間5分以上、成膜時ガ
    ス圧:0.1〜5Torr、ガス流量比:Fs/(Fn
    +Fo)≦2{但しFsはSiソースのガス流量、Fn
    はNソースのガス流量、FoはOソースのガス流量}、
    高周波出力密度:0.1〜2.0w/cm2 、基板と電
    極間距離:20〜40mm、基板温度:200〜350℃
    の条件で前記金属基板の表面に前記絶縁薄膜をプラズマ
    CVD法で形成することを特徴とする半導体装置の製作
    方法。
  18. 【請求項18】 請求項1〜11のいずれかに記載の半
    導体装置の製作方法であって、金属基板の表面の酸化物
    を電気・化学的な処理によってまず除去し、その後、S
    inH2n+2(n=1・2・3・4)又はSi(C2 5
    O)4 のSiソースガス、NH3 又はN2 のNソースガ
    スN2 O、NO、NO2 、O2 、O3から選択された1
    種もしくは複合のOソースガスを原料ガスとして、 金属基板温度:350℃以下、前処理時プラズマ放電時
    ガス圧:0.1〜30Torr、印加高周波出力:0.
    1〜10w/cm2 、放電時間1分以上、成膜時ガス
    圧:0.1〜5Torr、ガス流量比:0.1≦Fs/
    (Fn+Fo)≦2{但しFsはSiソースのガス流
    量、FnはNソースのガス流量、FoはOソースのガス
    流量}、高周波出力密度:0.1〜2.0w/cm2
    基板と電極間距離:10〜40mm、基板温度:350℃
    以下の条件で前記金属基板の表面に前記絶縁薄膜をプラ
    ズマCVD法で形成することを特徴とする半導体装置の
    製作方法。
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