(57)【要約】【課題】半導体装置を外部基板に接合させた場合に発生する接合応力に起因してトランジスタ特性が変動することを抑制する。【解決手段】回路を有する半導体基板１０１上に電極パッド１０３が形成されている。電極パッド１０３の少なくとも一部分を除いて半導体基板１０１を覆うように保護膜１０４が形成されている。電極パッド１０３上にバンプ電極１０８が形成されている。電極パッド１０３とバンプ電極１０８との間には、バンプ電極１０８の方向に応力を生じる導電層１０７が形成されている。【選択図】図２
2010272717.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路を有する半導体基板上に形成された電極パッドと、
前記電極パッドの少なくとも一部分を除いて前記半導体基板を覆うように形成された保護膜と、
前記電極パッド上に形成されたバンプ電極とを備え、
前記電極パッドと前記バンプ電極との間に、前記バンプ電極の方向に応力を生じる導電層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記導電層の厚さは１μｍ以上で且つ４μｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記導電層は、電解めっき法により形成された金属膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記金属膜は、４５℃以上で且つ５５℃以下の温度で電解めっき法により形成されたＡｕ膜であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記導電層の上面の面積と、前記バンプ電極の底面の面積とは実質的に同じであることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記バンプ電極ははんだからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記半導体基板は、チップ状に加工されていると共に前記バンプ電極を介して外部基板にフリップチップ接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
回路を有する半導体基板上に電極パッドを形成する工程（ａ）と、
前記電極パッドの少なくとも一部分を除いて前記半導体基板を覆うように保護膜を形成する工程（ｂ）と、
前記電極パッド上に導電層を形成する工程（ｃ）と、
前記導電層上にバンプ電極を形成する工程（ｄ）とを備え、
前記導電層は、前記バンプ電極の方向に応力を生じることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
前記導電層の厚さは１μｍ以上で且つ４μｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の半導体装置の製造方法において、
前記導電層は、電解めっき法により形成された金属膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜は、４５℃以上で且つ５５℃以下の温度で電解めっき法により形成されたＡｕ膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記導電層の上面の面積と、前記バンプ電極の底面の面積とは実質的に同じであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記バンプ電極ははんだからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の構造及びその製造方法に関し、特に、電極パッドの下側にトランジスタ等から構成される回路等を有する半導体装置の構造及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電極パッドの下側にトランジスタ等から構成される回路等を有する従来の半導体装置の構造例について説明する。
【０００３】
図４は、従来の半導体装置における電極パッド周辺の断面構造の一例を詳細に示したものである。図４に示すように、ＳｉやＧａＡｓなどからなる半導体ウェハ１に回路を構成するトランジスタ２を形成する。ここで、トランジスタ２上に形成される配線層も含めて半導体ウェハ１としている。半導体ウェハ１上には、トランジスタ２等から構成された回路と外部装置との電気的接合を行うための電極パッド３が設けられている。また、電極パッド３を除いて半導体ウェハ１の表面は保護膜４によって覆われている。ここで、保護膜４は、電極パッド３の周縁部を覆うように、言い換えると、電極パッド３上に開口を有するように形成されている。通常、電極パッド３はＡｌ等からなり、保護膜４はＳｉＮ等からなる。電極パッド３の上には、バリアメタル５Ａを介して、パッケージ基板等の外部基板との電気的接合を行うためのバンプ電極５Ｂが形成されている。通常、バリアメタル５Ａの材料としては、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＷ等が用いられ、バンプ電極５Ｂの材料としては、Ａｕ、Ｃｕ等が用いられる。また、通常、バリアメタル５Ａはスパッタリングや無電解めっき等を用いて形成され、バンプ電極５Ｂはめっき方式等を用いて形成される。
【０００４】
図５は、図４に示した従来の半導体装置をパッケージ基板等の外部基板と接合させた場合の断面構造の一例を詳細に示したものである。図５に示すように、通常、外部基板６上に形成された外部基板電極７とバンプ電極５Ｂとを圧着させて接合応力８を加えることによって電気的な接合を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５０５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図４に示す従来の半導体装置構造においては、以下に述べるような問題がある。
【０００７】
図６は、図４に示す従来構造を有する半導体装置をパッケージ基板等の外部基板に接合させた場合に、接合応力によってトランジスタ特性がどのように変動するかを本願発明者が調べた結果を示したグラフ図である。具体的には、複数のＮｃｈトランジスタがマトリクス状に設けられている半導体ウェハ上にアルミニウムからなる電極パッドとはんだからなるバンプ電極とが形成された半導体装置を製造し、当該半導体装置と外部基板とを接合させた場合に、Ｎｃｈのトランジスタの特性が接合応力によってどのように変動するかを図６は示している。尚、図６において、縦軸にはトランジスタ特性の変動を表すＩｄｓ（ソースドレイン電流）変動率を示し、横軸には半導体ウェハにおけるトランジスタの形成位置（ＸＹ座標）を示している。
【０００８】
図６に示すように、接合応力によってトランジスタ特性は、同程度のＩｄｓ変動率がドーナツ状に分布するように大きく変動している。このことから、トランジスタ特性が変動する箇所は、バンプ電極の周縁部、図４に示す従来の半導体装置で言えば、電極パッド３と保護膜４とバンプ電極５Ｂとが重なる箇所であることが分かる。本願発明者は、この現象の原因を次のように推定した。すなわち、図５に示すように、従来の半導体装置を外部基板に接合させた場合、バンプ電極５Ｂの中央部の下側には、硬度が低いバリアメタル５Ａ及び電極パッド３しか存在しないため、バンプ電極５Ｂの中央部の下側に位置するトランジスタ２には接合応力８が伝わりにくい。一方、バンプ電極５Ｂの周縁部の下側には、硬度が高い保護膜４が存在しているため、バンプ電極５Ｂの周縁部の下側に位置するトランジスタ２には接合応力８が伝わりやすい結果、当該トランジスタ２の特性が大きく変動する。
【０００９】
本発明は、以上に述べた従来技術の問題点に鑑み、半導体装置を外部基板に接合させた場合に発生する接合応力に起因してトランジスタ特性が変動することを抑制できる半導体装置の構造及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、回路を有する半導体基板上に形成された電極パッドと、前記電極パッドの少なくとも一部分を除いて前記半導体基板を覆うように形成された保護膜と、前記電極パッド上に形成されたバンプ電極とを備え、前記電極パッドと前記バンプ電極との間に、前記バンプ電極の方向に応力を生じる導電層が形成されている。
【００１１】
本発明に係る半導体装置において、前記導電層の厚さは１μｍ以上で且つ４μｍ以下であってもよい。すなわち、接合応力に対向しうる応力を生じるためには、導電層の厚さを通常の保護膜の厚さよりも若干厚い１μｍ程度以上に設定することが好ましい。また、厚膜の保護膜を想定した場合には、導電層の厚さを４μｍ程度以下に設定することが好ましい。
【００１２】
本発明に係る半導体装置において、前記導電層は、電解めっき法により形成された金属膜であってもよい。このようにすると、結晶粒子の細かい金属膜つまり強い応力を生じる金属膜を形成することができるので、接合応力に対向しうる応力を生じることが可能となる。また、この場合、前記金属膜は、４５℃以上で且つ５５℃以下の温度で電解めっき法により形成されたＡｕ膜であってもよい。
【００１３】
本発明に係る半導体装置において、前記導電層の上面の面積と、前記バンプ電極の底面の面積とは実質的に同じであってもよい。このようにすると、バンプ電極を通じてバンプ電極の下方に伝わる接合応力を導電層の応力によって実質的に相殺することができる。
【００１４】
本発明に係る半導体装置において、前記バンプ電極ははんだから構成されていてもよい。
【００１５】
本発明に係る半導体装置において、前記半導体基板は、チップ状に加工されていると共に前記バンプ電極を介して外部基板にフリップチップ接合されていてもよい。
【００１６】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、回路を有する半導体基板上に電極パッドを形成する工程（ａ）と、前記電極パッドの少なくとも一部分を除いて前記半導体基板を覆うように保護膜を形成する工程（ｂ）と、前記電極パッド上に導電層を形成する工程（ｃ）と、前記導電層上にバンプ電極を形成する工程（ｄ）とを備え、前記導電層は、前記バンプ電極の方向に応力を生じる。
【００１７】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記導電層の厚さは１μｍ以上で且つ４μｍ以下であってもよい。すなわち、接合応力に対向しうる応力を生じるためには、導電層の厚さを通常の保護膜の厚さよりも若干厚い１μｍ程度以上に設定することが好ましい。また、厚膜の保護膜を想定した場合には、導電層の厚さを４μｍ程度以下に設定することが好ましい。
【００１８】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記導電層は、電解めっき法により形成された金属膜であってもよい。このようにすると、結晶粒子の細かい金属膜つまり強い応力を生じる金属膜を形成することができるので、接合応力に対向しうる応力を生じることが可能となる。また、この場合、前記金属膜は、４５℃以上で且つ５５℃以下の温度で電解めっき法により形成されたＡｕ膜であってもよい。
【００１９】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記導電層の上面の面積と、前記バンプ電極の底面の面積とは実質的に同じであってもよい。このようにすると、バンプ電極を通じてバンプ電極の下方に伝わる接合応力を導電層の応力によって実質的に相殺することができる。
【００２０】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記バンプ電極ははんだから構成されていてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
従来の半導体装置をパッケージ基板等の外部基板に接合させた場合、バンプ電極の周縁部の下側のみに硬度が高い保護膜が存在していたため、バンプ電極の周縁部の下側に位置するトランジスタには特に接合応力が伝わりやすく、その結果、トランジスタ特性が大きく変動する恐れがあった。
【００２２】
それに対して、本発明の構成によると、バンプ電極の下側（バンプ電極と電極パッドとの間）に、バンプ電極方向つまり接合応力とは反対方向に作用する応力を生じる導電層が形成されている。このため、当該応力と接合応力とが相殺されるので、接合応力がトランジスタに伝わることを阻止できる結果、トランジスタ特性の変動を抑制することができる。この効果は、特に、導電層の上面の面積とバンプ電極の底面の面積とを同じに設定した場合に顕著である。
【００２３】
従って、本発明によると、従来はトランジスタ特性が大きく変動することを理由として回路形成領域として使用できなかった電極パッド下側領域にも回路を自由に設置できるようになるため、チップの集積化の向上及びそれに伴うコストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す電極パッド周辺の断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す電極パッド周辺の断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置を外部基板と接合させた場合の断面構造を示す図である。
【図４】図４は、従来の半導体装置における電極パッド周辺の断面図である。
【図５】図５は、従来の半導体装置を外部基板と接合させた場合の断面構造を示す図である。
【図６】図６は、従来の半導体装置を外部基板に接合させた場合に、接合応力によってトランジスタ特性がどのように変動するかを本願発明者が調べた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置、具体的には、電極パッドの下側にトランジスタ等からなる回路等を有する半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す電極パッド周辺の断面図である。
【００２７】
まず、図１（ａ）に示すように、例えばＳｉやＧａＡｓなどからなる半導体ウェハ（半導体基板）１０１に回路を構成するトランジスタ１０２を形成する。ここで、トランジスタ１０２上に形成される配線層も含めて半導体ウェハ１０１としている。次に、半導体ウェハ１０１上に、トランジスタ１０２等から構成された回路と外部装置との電気的接合を行うための電極パッド１０３を形成する。電極パッド１０３は例えばアルミニウム（Ａｌ）からなる。次に、電極パッド１０３を除いて半導体ウェハ１０１の表面を、例えばＳｉＮからなる厚さ１μｍ程度の保護膜１０４によって覆う。ここで、保護膜１０４は、電極パッド１０３の周縁部を覆うように、言い換えると、電極パッド１０３上に開口を有するように形成されている。
【００２８】
次に、図１（ｂ）に示すように、電極パッド１０３上を含む半導体ウェハ１０１上の全面に亘って、例えばスパッタリング等を用いてバリアメタル１０５を形成する。本実施形態では、バリアメタル１０５を例えば２層構造又は３層構造で形成する。この場合、下層である第１層の材料については、電極パッド１０３の材料であるＡｌに近い導電性を持つ金属、例えばＴｉやＴｉＷなどを用いる。また、上層である第２層（３層構造の場合は第３層も）の材料については、導電率の高い金属、例えばＡｕ、Ｐｄ、Ｃｕなどを用いる。
【００２９】
次に、図１（ｃ）に示すように、バリアメタル１０５上に、バンプ電極形成領域に開口を有するめっき用レジスト１０６を形成する。本実施形態では、めっき用レジスト１０６の厚さを、後工程で形成するバンプ電極の厚さよりも厚くする。
【００３０】
次に、図１（ｄ）に示すように、めっき用レジスト１０６の開口内のバリアメタル１０５上に、例えば電解めっきを用いて金（Ａｕ）からなる厚さ１〜４μｍ程度の下層バンプ１０７を形成する。本実施形態の特徴として、下層バンプ１０７を構成する結晶粒子を小さくするために、例えば４５℃程度から５５℃程度までの低温度で電解めっきを行う。これにより、下層バンプ１０７を構成する結晶粒子が小さくなる結果、下層バンプ１０７から、後工程で形成するバンプ電極の方向に作用する強い膜応力を発生させることが可能となる。
【００３１】
次に、図２（ａ）に示すように、下層バンプ１０７上に、例えば電解めっきを用いてはんだからなるバンプ電極１０８を形成する。ここで、下層バンプ１０７の上面の面積と、バンプ電極１０８の底面の面積とは実質的に同じである。
【００３２】
次に、図２（ｂ）に示すように、めっき用レジスト１０６を除去した後、下層バンプ１０７及びバンプ電極１０８によって覆われていない部分のバリアメタル１０５を例えばエッチングにより除去する。
【００３３】
次に、図２（ｃ）に示すように、熱処理を行ってバンプ電極１０８をリフローさせることにより、本実施形態の半導体装置を完成させる。
【００３４】
図３は、図２（ｃ）に示した本実施形態の半導体装置（半導体ウェハ１０１をダイシングすることによりチップ状に加工されている）をパッケージ基板等の外部基板と接合させた場合の断面構造の一例を詳細に示している。図３に示すように、外部基板１１０上に形成された外部基板電極１１１とバンプ電極１０８とを圧着させて接合応力１２１を加えることによって電気的な接合を行う。すなわち、本実施形態の半導体装置は外部基板１１０にフリップチップ接合されている。
【００３５】
ところで、図５に示すように、従来の半導体装置をパッケージ基板等の外部基板６に接合させた場合、バンプ電極５Ｂの周縁部の下側のみに硬度が高い保護膜４が存在していたため、バンプ電極５Ｂの周縁部の下側に位置するトランジスタ２には特に接合応力が伝わりやすく、その結果、当該トランジスタ２の特性が大きく変動する恐れがあった。
【００３６】
それに対して、図３に示すように、本実施形態の構成によると、バンプ電極１０８の下側（バンプ電極１０８と電極パッド１０３との間）に、バンプ電極１０８の方向つまり接合応力１２１とは反対方向に作用する応力１２２を生じる下層バンプ１０７が形成されている。このため、当該応力１２２と接合応力１２２とが相殺されるので、接合応力１２２がトランジスタ１０２に伝わることを阻止できる結果、トランジスタ１０２の特性の変動を抑制することができる。この効果は、特に、本実施形態のように、下層バンプ１０７の上面の面積とバンプ電極１０８の底面の面積とを同じに設定した場合に顕著である。
【００３７】
従って、本実施形態によると、従来はトランジスタ特性が大きく変動することを理由として回路形成領域として使用できなかった電極パッド下側領域にも回路を自由に設置できるようになるため、チップの集積化の向上及びそれに伴うコストダウンを実現することができる。
【００３８】
尚、本実施形態において、下層バンプ１０７が接合応力に対向しうる応力を生じるためには、下層バンプ１０７の厚さを通常の保護膜１０４の厚さよりも若干厚い１μｍ程度以上に設定することが好ましい。また、厚膜の保護膜１０４を想定した場合には、下層バンプ１０７の厚さを４μｍ程度以下に設定することが好ましい。
【００３９】
また、本実施形態において、下層バンプ１０７の形成方法は特に限定されるものではないが、下層バンプ１０７を構成する結晶粒子を小さくして接合応力に対向しうる応力を生じさせるためには、電解めっきにより下層バンプ１０７を形成することが好ましい。特に、下層バンプ１０７の材料として金を用いる場合、例えば４５℃程度から５５℃程度までの低温度で電解めっきを行うことが好ましい。但し、下層バンプ１０７の材料は、導電性を有していれば特に限定されない。
【００４０】
また、本実施形態において、バンプ電極１０８の材料として、はんだを用いたが、バンプ電極１０８の材料がこれに限られないことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、半導体装置の構造、特に、電極パッドの下側にトランジスタ等から構成される回路等を有する半導体装置の構造に適用した場合に有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１０１    半導体ウェハ（半導体基板）
１０２    トランジスタ
１０３    電極パッド
１０４    保護膜
１０５    バリアメタル
１０６    めっき用レジスト
１０７    下層バンプ
１０８    バンプ電極
１１０    外部基板
１１１    外部基板電極
１２１    接合応力
１２２    下層バンプが生じる応力
【図１】
2010272717.tif 000003
【図２】
2010272717.tif 000004
【図３】
2010272717.tif 000005
【図４】
2010272717.tif 000006
【図５】
2010272717.tif 000007
【図６】
2010272717.tif 000008