JPH06216258A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
間を接続するための金属柱を形成し、同時に絶縁膜の平
坦化を行うことが可能な半導体装置の製造方法を提供す
る。 【構成】 表面がシリコン熱酸化膜で絶縁されている半
導体基板1に所定のパターンを有する下層の配線2をス
パッタリングなどで形成する。この下層配線2上に接続
電極となる金属柱11をスクリーン印刷により形成す
る。これを完全に埋めるようにポリイミド絶縁膜3を形
成してから、この絶縁膜をエッチバックして金属柱先端
を露出させる。その後この先端に接するように絶縁膜3
の上に配線4を施してこの両配線を電気的に接続する。
Description
に係り、とくに複数の半導体チップを搭載する多層配線
基板の配線間を接続する方法に関するものである。
図るために集積回路素子や個別半導体素子などが形成さ
れている半導体チップを複数個1つのパッケージに収め
るマルチチップパッケージが用いられるようになった。
特に、電子機器の機能の大規模化・高速化が求められる
につれて、例えば、論理LSIのゲート当たりの遅延時
間は数100psと高速化している。これに対して、プ
リント配線基板に多数のDIP(dualinline package)
やプラグインパッケージを搭載する従来の実装形態では
高速化したLSIの性能を十分発揮させることができな
い。つまり信号の伝搬時間に関してチップ間の配線が長
いのでこの遅延時間を短縮することができないのであ
る。そのために現在1枚のセラミック基板もしくはシリ
コンなどの半導体基板上に多くの半導体チップを搭載
し、半導体チップ間の配線長を非常に短くした高性能の
高密度実装のマルチチップモジュール(multichip modu
le:MCM)が開発されている。そして、回路基板や半導体
基板上の配線間を接続することはICやLSIなどの半
導体装置を形成する上で重要な製造工程の一つである。
特に、半導体装置の高集積化、小型化が進むに連れて回
路基板上に多層配線を形成し、その多層配線間を効率的
に接続することは高性能の半導体装置を形成するために
は必要不可欠である。
基板の多層配線間の接続方法を説明する。例えば、表面
に厚さ1000オングストロ−ムの熱酸化膜が形成され
たシリコン基板1の上に、所望のパタ−ンを有する第1
層配線2を形成する。この配線2は、各層の厚さが約6
00オングストロ−ムの2層のTi層とこの2つのTi
層に挟まれた厚さ約3μmのCu層からなるTi/Cu
/Tiの積層構造を有しており、その製造方法は、真空
蒸着法またはスパッタリング法などを利用している。続
いて、例えば、ポリイミドの溶液を半導体基板全面に塗
布し乾燥させてポリイミド絶縁膜3を形成する。そし
て、リソグラフィを用いて、ポリイミド膜3にコンタク
ト孔31を形成した後に層間絶縁膜となるポリイミド膜
3を形成する。次いで、この上にTi/Cu/TiやA
lなどの第2層配線4を第1層配線と同様な工程で形成
する。この時、第2層配線4は前記コンタクト孔31内
にも形成されるので、第1層及び第2層配線は互いに電
気的に接続される。この工程を繰り返してさらに多層の
配線が相互に接続される。
には、フォトリソグラフィ−技術、RIEなどのエッチ
ング技術、フォトレシスト剥離などの工程を必要とす
る。ポリイミドの場合は、コリン溶液によりウエットエ
ッチングが出来るが、有機絶縁膜の加工は、ウエットエ
ッチングが出来ず、ドライエッチングに頼るか、ウエッ
トエッチング溶液の使用に大幅な制限のある場合が多い
ため、膜の持つ特性と製造コストが両立出来ない。ま
た、層間絶縁膜の膜厚が約10μmであるため上層配線
の密度が高くなると、上層配線形成の際下層の平坦化が
必要とされる。本発明は、この様な事情により成された
もので、製造が容易であり、しかも少ない工程数で配線
間を接続するための金属柱を形成し、同時に絶縁膜の平
坦化も行うことが可能な半導体装置の製造方法を提供す
ることを目的にしている。
を搭載するMCMの多層配線基板などの回路基板や半導
体基板の配線上に金属柱をスクリーン印刷により形成
し、この上に絶縁膜を被覆し、この金属柱を絶縁膜から
露出させ、その上に上層の配線を形成してこれら配線間
を接続することを特徴としている。すなわち、本発明の
半導体装置の製造方法は、複数の半導体チップが搭載さ
れる半導体基板又は絶縁基板からなる回路基板に下層の
配線を形成する工程と、前記下層の配線の所望の位置に
対応した開口を有するスクリーン版を用いて金属ペース
トをスクリーン印刷し、印刷された金属ペーストを熱処
理による乾燥及び焼成を行って、前記回路基板上の前記
下層の配線を含む所定の領域に金属柱を形成する工程
と、前記金属柱の先端部が露出するように前記下層の配
線と前記金属柱とを被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記金属柱の露出した先端部に重なるように前記絶縁膜
の上に上層の配線を形成する工程とを備えていることを
特徴としている。
下層の配線と前記金属柱とを被覆する絶縁膜を形成する
工程において、前記回路基板上に、前記下層の配線及び
前記金属柱を埋め込むように層間絶縁膜を形成し、その
後この絶縁膜表面を前記金属柱の先端部が露出するまで
エッチバックする前記回路基板に半導体基板を用いる場
合において、この半導体基板の表面を絶縁膜で被覆す
る。所望の配線パターンの開口を有するスクリーン版を
介して金属ペーストを前記回路基板の上にスクリーン印
刷し、印刷された金属ペーストを熱処理による乾燥及び
焼成によって前記回路基板上に前記下層の配線又は前記
上層の配線もしくは前記上層及び下層の配線の双方を形
成することができる。
続電極などの導電膜を半導体基板や回路基板などに形成
するので、リソグラフィ工程やエッチング工程を用い、
かつ、エッチバックを行うと、層間絶縁膜の表面が平坦
化されるので、改めて平坦化工程を行うこと無く層間絶
縁膜に形成された開口を介して配線間接続を行う従来の
工程に比較して大幅な工程削減が可能になる。
する。図1及至図4を参照して第1の実施例を説明す
る。図1は、この実施例に係る多層配線基板の断面図、
図2乃至図4は、その製造工程断面図である。回路基板
になる半導体基板1は、シリコン半導体基板からなり、
半導体基板主面上に厚さ約1000オングストロ−ムの
シリコンの熱酸化膜(図示せず)が形成されていて、そ
の上に多層配線が形成される。この実施例ではシリコン
半導体基板を用いているが、この基板は、半導体チップ
などを搭載するAlNなどからなる回路基板でも良い。
また、シリコン半導体基板を用いるにしても、その上に
ポリイミドなど層間絶縁膜を形成し、この上に前記多層
配線を形成することも可能である。この表面にシリコン
熱酸化膜が形成された半導体基板1上には所定のパタ−
ンを有する下層の第1の配線2を形成する。この第1の
配線2は、半導体基板1上の最初の配線層でも良く、ま
た、すでに何層か形成されていても良い。
又はTiを含むバリアメタルを約1000オングストロ
−ム、Cuを約3μm、Pdを約1000オングストロ
−ム連続して堆積した後にリソグラフィ工程を用いてパ
ターニングし、例えば、PdはHCl、HNO3 、CH
3 COOHの混液、Cu、TiはH2 O2 とC6 H8O
7 の混液を用いてエッチングし、第1の配線である配線
幅20〜30μmのPd/Cu/Ti系金属配線パター
ンを形成する。基板上にフォトレジストを形成しこれを
エッチングして配線パターンを形成し、このフォトレジ
ストを介して基板上に配線用金属を蒸着法などで堆積
し、最終的にフォトレジストを除去して基板上に配線パ
ターンを形成することもできる。その後、金属配線パタ
ーン2上の30〜50μm2 程度のほぼ正方形のアラウ
ンド部に後述するスクリーン印刷法により配線間を接続
する接続電極である金属柱11を形成する(図2)。印
刷用の金属ペーストは、例えば、粒径が約2000オン
グストロ−ムのAu粒子、ガラスフリット(PbO)量
が15wt%以下の材料を用いた。
ーン印刷した後に、大気中で昇温速度200℃/hr、
450℃で30分保持し、焼成して前記Auの金属柱1
1を形成する。Auは第1の配線2表面のPd層と良好
な密着性を有しており、接触抵抗が小さい。次いで、粘
度約20000cpのポリイミド溶液をこの半導体基板
1上に滴下し、500rpm/10秒、1500rpm
/15秒のスピン回転を順次行った後、窒素雰囲気中で
150℃/60分の乾燥固化して約30μm厚のポリイ
ミド膜の層間絶縁膜3を形成する(図3)。層間絶縁膜
はポリイミドに限らず、PSGやシリコン酸化膜などを
用いても良い。次で、この層間絶縁膜3の全面をコリン
溶液でエッチバックし、Au金属柱11の先端を露出さ
せてから320℃/30分の最終固化を行って層間絶縁
膜3を完全に形成する(図4)。次いで、前述と同じ方
法で、上層のPd/Cu/Tiからなる第2の配線4を
形成する。図示はしないが、この配線4上に次ぎの層間
絶縁膜を介して第3、第4或いはそれ以上の配線を形成
するか、すぐBPSGなどからなる保護絶縁膜5を形成
しても良い。
接続するには、接続電極であるAu金属柱11を用い
る。この接続電極11は、層間絶縁膜3に埋め込まれて
上下にある2つの配線を電気的に接続している。ペース
ト焼成したAuはPbOを含んでおり、結晶粒も小さ
く、比抵抗値は約5μΩcmとバルクに比較して高い値
を示すが、層間絶縁膜の耐熱限界が原因で多層配線形成
後の高温アニールにより再結晶・結晶粒粗大化が実施で
きなくても、金属柱を高さ約20μm、直径約30μm
で近似したときの抵抗値は1.4mΩであり、半導体装
置としての特性に支障を来さない。また、表面酸化が無
いので、Au金属柱と第2の配線との接触抵抗も小さく
なる。また、この実施例によれば、ポリイミドをエッチ
バックすることにより、金属柱の先端を露出させるとと
もに平坦化も行われる。したがって、その上の金属配線
形成にスクリーン印刷法を用いることも可能である。し
かし、金属ペーストの焼成温度の上限が層間絶縁膜の耐
熱温度以下に制限されるために使用できるペースト材料
は制約を受ける。
とに特徴がある。スクリーン印刷は版に張設されたスク
リーンに主として写真製版法により開口部と非開口部と
からなる図形パターンを形成してスクリーン印刷版を形
成し、このスクリーン印刷版の上に印刷用のインキを置
きスクリーン面にスキージを摺接させて前記開口部から
インキを押出すことによりスクリーンの下に配置された
被印刷面に図形パターンを転写する方式である。印刷方
法としては、図5による方法と図6による方法とがあ
る。図5は、スクリーン印刷機によるスクリーン印刷中
の模式断面図である。版15は、木又は金属の矩形の枠
体12にスクリーン13をその四辺を引張って所定の張
力を持たせた状態で接着剤などを用いて取付けて構成さ
れている。そして、印刷を行うときは、印刷台14上に
真空吸着などにより載置固定された半導体基板1とスク
リーン13との間にギャップ(d)をとり、枠体12を
固定して版15を印刷機本体にセットする。
に水平に張った状態にある。この状態でスクリーン上に
インキ16を塗布する。次いで、スキージ17をスクリ
ーン13に圧接させてスクリーン13を半導体基板1の
表面に押圧し接触させる。この時スクリーン13は伸ば
されて実線で示した状態になっている。この状態でスキ
ージ17を矢印の方向へ移動させ、スクリーン13の開
口部を通してインキ16を半導体基板1へ転写する。ス
キージ17の移動に伴いスクリーン13は、その張力に
より順次、いわゆる版離れしながら半導体基板1との接
触位置が移って印刷が行われる。本実施例では、図6の
印刷方法を用いた。図6は、スクリーン印刷機によるス
クリーン印刷中の模式断面図、図7はその平面図であ
る。この印刷機は、固定枠体18と、可動枠体19とを
備え、可動枠体19は固定枠体18を支点として移動す
る。半導体基板1のスクリーン印刷面と可動枠体19と
のなす角度をθとすると、スキージ17の移動に合わせ
て版15の自由端の可動枠体19を上方へ持ち上げて前
記角度θをθ1 、θ2 、θ3 と順に大きくすることによ
り、半導体基板1のスクリーン印刷面と版15との間の
ギャップdが印刷時に常にゼロである。スキージ押圧な
どによる版15の変形が無いので印刷精度が向上する。
別半導体素子などからなる半導体チップが搭載される回
路基板として半導体基板を用いているが、これは、導電
性であるので、その表面は、シリコンなどの酸化膜やポ
リイミドなどの絶縁膜を形成する。そして、この上に半
導体チップを搭載する。この絶縁膜の一部は、例えばこ
の半導体装置の構成要素に含まれるキャパシタの誘電体
として用いることもできる。抵抗を形成する場合には、
絶縁膜の上に導電膜をスクリーン印刷などで適宜の領域
に形成する。
明する。図は、この実施例により形成された半導体装置
の回路基板の断面図である。回路基板1には、AlN基
板を利用し、その上に多層配線が形成される。この実施
例ではシリコン半導体基板を用いているが、この基板
は、半導体チップなどを搭載するAlNなどからなる回
路基板でも良い。このAlN基板1上に所定のパタ−ン
を有する第1の配線2を形成する。この配線を形成する
には、まず、ガラスフリット(PbO)を15wt%以
下含むAgやCuなどの金属ペーストを、例えば、図6
に示す所定の配線パターンを有するスクリーンを介して
AlN基板1上に塗布印刷し、これを焼成してこのAg
などからなる配線幅20〜30μmの第1の配線2を形
成する。次いで、第1の金属配線2上の30〜50μm
2 程度のほぼ正方形のアラウンド部にスクリーン印刷法
により配線間を接続する接続電極である金属柱11を形
成する。印刷用の金属ペーストは、例えば、粒径が約2
000オングストロ−ムのAu粒子、ガラスフリット
(PbO)量が15wt%以下の材料を用いた。
ーン印刷した後に、大気中で昇温速度200℃/hr、
450℃で30分保持し、焼成して前記Auの金属柱1
1を形成する。次いで、粘度約20000cpのポリイ
ミド溶液をこの半導体基板1上に滴下し、500rpm
/10秒、1500rpm/15秒のスピン回転を順次
行った後、窒素雰囲気中で150℃/60分の乾燥固化
して約30μm厚のポリイミド膜の層間絶縁膜3を形成
する。次いで、この層間絶縁膜3の全面をコリン溶液で
エッチバックし、Au金属柱11の先端を露出させてか
ら320℃/30分の最終固化を行って層間絶縁膜3を
完全に形成する。次いで、前述と同じ様に図6に示すス
クリーンを用いて第2の配線4を形成する。その上にP
SGなどからなる保護絶縁膜5を形成する。第2の配線
に用いる材料は、金属ペーストの焼成温度の上限が層間
絶縁膜の耐熱温度以下に制限されるために使用できる材
料は制約を受ける。この実施例は第1の配線、第2の配
線及び金属柱ともスクリーン印刷で形成しているので、
前述の実施例よりさらに工程が簡略化する。
明する。図は、この実施例により形成された半導体装置
の回路基板の断面図である。回路基板1には、AlN基
板を用い、この表面には所定のパタ−ンを有する第1の
配線2を形成する。真空蒸着法やスパッタリング法によ
りTi又はTiを含むバリアメタルを約1000オング
ストロ−ム、Cuを約3μm、Pdを約1000オング
ストロ−ム連続して堆積した後にリソグラフィ工程を用
いてパターニングし、例えば、PdはHCl、HN
O3 、CH3 COOHの混液、Cu、TiはH2 O2 と
C6 H8 O7 の混液を用いてエッチングし、第1の配線
である配線幅20〜30μmのPd/Cu/Ti系金属
配線パターン2を形成する。その後、金属配線パターン
2上の30〜50μm2 程度のほぼ正方形のアラウンド
部上にスクリーン印刷法により配線間を接続する金属柱
11を形成する。印刷用の金属ペーストは、例えば、粒
径が約2000オングストロ−ムのAu粒子、ガラスフ
リット(PbO)量が15wt%以下の材料を用いた。
第1の配線2の上にAuペーストをスクリーン印刷した
後に、大気中で昇温速度200℃/hr、450℃で3
0分保持し、焼成して前記Auの金属柱11を形成す
る。
ド溶液をこの半導体基板1上に滴下し、500rpm/
10秒、1500rpm/15秒のスピン回転を順次行
った後、窒素雰囲気中で150℃/60分の乾燥固化し
て約30μm厚のポリイミド膜の層間絶縁膜3を形成す
る。次いで、この層間絶縁膜3の全面をコリン溶液でエ
ッチバックし、Au金属柱11の先端を露出させてから
320℃/30分の最終固化を行って層間絶縁膜3を完
全に固化する。次いで、スクリーン印刷法で第2の配線
4を形成する。この配線を形成するには、まず、ガラス
フリット(PbO)を15wt%以下含むAgやCu、
Alなどの金属ペーストを、例えば、図6に示す所定の
配線パターンを有するスクリーンを介してAlN基板1
上に塗布印刷する。そして、これを焼成してAgなどか
らなる配線幅20〜30μmの第2の配線4を形成す
る。その上にPSGなどからなる保護絶縁膜5を形成す
る。
パッタリング法を用い、第2の配線の形成にはスクリー
ン印刷法を用いているが、第1の配線をスクリーン印刷
で形成し、第2の配線をスパッタリングで形成すること
も可能である。前記スクリーン印刷により形成される金
属柱は、前述の実施例ではAuを用いたが、これ以外に
もPd、Pt、Agなどの材料を用いることが可能であ
る。以上、本発明の実施例において、配線形成には、ス
パッタリング、真空蒸着、スクリーン印刷などの方法を
利用しているが、本発明は、これらに限定すること無
く、例えば、蒸発させた金属を不活性ガスにより微粒子
化し、この微粒子を微粒子の発生した場所と回路基板が
載置されている場所との間の差圧を利用して、この回路
基板上に微粒子を吹付けて微粒子から構成した配線を回
路基板に形成するいわゆるガスデポジション法を利用す
ることもできる。
多層配線を形成するに際して、スクリーン印刷法により
配線間を接続する導電膜を形成するので、層間絶縁膜に
開口を設ける必要がなく、これを形成するためのリソグ
ラフィ工程やエッチグ工程を省略することができる。ま
た、層間絶縁膜をエッチバックしてこの導電膜を露出さ
せるときにこの層間絶縁膜の表面を平坦化するので、層
間絶縁膜の上に形成される上層の配線は、エッチバック
後連続して形成することが可能になり、製造工程を大幅
に短縮することができる。
図。
図。
図。
図。
図。
Claims (5)
- 【請求項1】 複数の半導体チップが搭載される半導体
基板又は絶縁基板からなる回路基板に下層の配線を形成
する工程と、 前記下層の配線の所望の位置に対応した開口を有するス
クリーン版を用いて金属ペーストをスクリーン印刷し、
印刷された金属ペーストを熱処理による乾燥及び焼成を
行って、前記回路基板上の前記下層の配線を含む所定の
領域に金属柱を形成する工程と、 前記金属柱の先端部が露出するように前記下層の配線と
前記金属柱とを被覆する絶縁膜を形成する工程と、 前記金属柱の露出した先端部に重なるように前記絶縁膜
の上に上層の配線を形成する工程とを備えていることを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記金属柱の先端部が露出するように前
記下層の配線と前記金属柱とを被覆する絶縁膜を形成す
る工程において、前記回路基板上に、前記下層の配線及
び前記金属柱を埋め込むように層間絶縁膜を形成し、そ
の後この絶縁膜表面を前記金属柱の先端部が露出するま
でエッチバックす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。 - 【請求項3】 前記回路基板に半導体基板を用いる場合
において、この半導体基板の表面を絶縁膜で被覆するこ
とを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装
置の製造方法。 - 【請求項4】 前記半導体基板の表面を被覆する絶縁膜
の所定の領域は、キャパシタの誘電体に用いることを特
徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 所望の配線パターンの開口を有するスク
リーン版を介して金属ペーストを前記回路基板の上にス
クリーン印刷し、印刷された金属ペーストを熱処理によ
る乾燥及び焼成によって前記回路基板上に前記下層の配
線又は前記上層の配線もしくは前記上層及び下層の配線
の双方を形成することを特徴とする請求項1乃至請求項
4に記載の半導体装置の製造方法。
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