(57)【要約】【課題】ポリイミドワニスの熱処理中にポリイミドワニスへの銅の拡散を抑制し、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる半導体モジュールの電極構造およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】半導体モジュールの電極構造は、半導体素子基板２０と、半導体素子基板２０上に形成され、かつ、銅または銅の化合物により形成された金属層２または金属層２と拡散バリア層１を備える電極３と、電極３の表面に形成された防錆膜４と、防錆膜４と電極３との間に形成され、かつ、電極３に含まれる銅が防錆膜４と接触することで形成された皮膜５と、防錆膜４上に形成された絶縁膜であるポリイミド膜７とを備えている。【選択図】図１
2014212225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子基板と、
前記半導体素子基板上に形成され、かつ、銅または銅の化合物により形成された金属層または当該金属層と拡散バリア層を備える電極と、
前記電極の表面に形成された防錆膜と、
前記防錆膜と前記電極との間に形成され、かつ、前記電極に含まれる銅が前記防錆膜と接触することで形成された皮膜と、
前記防錆膜上に形成された絶縁膜と、
を備えた、半導体モジュールの電極構造。
【請求項２】
前記電極の表面にＣｕ２Ｏを含む自然酸化膜が形成された、請求項１記載の半導体モジュールの電極構造。
【請求項３】
前記防錆膜は、トリアゾール系の材料を含む防錆剤により形成された、請求項１または請求項２記載の半導体モジュールの電極構造。
【請求項４】
前記防錆膜は、耐熱性防錆剤により形成された、請求項１または請求項２記載の半導体モジュールの電極構造。
【請求項５】
前記絶縁膜は、低温硬化型ポリイミドにより形成された、請求項１または請求項２記載の半導体モジュールの電極構造。
【請求項６】
前記電極は、基端側へ行く程幅が拡がるテーパ形状に形成された、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体モジュールの電極構造。
【請求項７】
半導体素子基板上に、銅または銅の化合物により電極を形成する工程と、
前記電極の表面に防錆剤を塗布し、前記電極に含まれる銅と前記防錆剤との間で吸着、錯体の形成、あるいは化合物の形成により皮膜を形成する工程と、
ポリイミドワニスを半導体素子基板表面に塗布し、プリベーク後に前記電極に対して電気的接続が可能な開口部を形成する工程と、
熱処理により前記ポリイミドワニスが硬化され、絶縁膜として前記電極を覆う工程と、
を備えた、半導体モジュールの電極構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅または銅の化合物により形成された金属層または当該金属層と拡散バリア層を備える電極と、電極を覆うポリイミド膜とを有する半導体モジュールの電極構造およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子デバイス分野では、ポリイミド膜は熱的、電気的に優れた絶縁膜として用いられ、多層配線基板においては、配線として銅、絶縁材料としてポリイミド膜を組合せて頻繁に使用されている。
【０００３】
銅または銅の化合物により形成された金属層を備える電極を覆うポリイミド膜を形成する際、電極に塗布されたポリイミドワニスをイミド化するために熱処理が行われる。このときに、電極に含まれる銅がポリイミドワニスに溶出し拡散することで、電極とポリイミド膜との界面付近において変質層および空隙などが生成される。これにより、半導体モジュールの信頼性が著しく損なわれる可能性がある。
【０００４】
これを回避するため、例えば、特許文献１では、銅配線上にＣｕＯを形成する方法が提案され、特許文献２では、ポリイミドワニスを一層薄く塗布し、熱処理を行って薄いポリイミド層を形成し、その後さらにポリイミドワニスを本来の膜厚どおりに塗布する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３７３７１号公報
【特許文献２】特開平８−３１４１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、銅の酸化膜のうちＣｕＯにのみ銅の溶出を抑制する作用があり、Ｃｕ２Ｏにはその作用がないことが記載されているが、銅配線上にＣｕＯのみ形成することは非常に難しく、この方法を用いて銅の溶出を防ぐことは困難と考えられる。
【０００７】
特許文献２に記載の方法では、２層目の厚いポリイミド膜に銅を拡散させないようにしようとしているが、銅配線上に形成された１層目の薄いポリイミド層に銅が拡散するため、変質層および空隙の生成は免れることができないと考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、ポリイミドワニスの熱処理中にポリイミドワニスへの銅の拡散を抑制し、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる半導体モジュールの電極構造およびそ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】
【０００９】
本発明に係る半導体モジュールの電極構造は、半導体素子基板と、前記半導体素子基板上に形成され、かつ、銅または銅の化合物により形成された金属層または当該金属層と拡散バリア層を備える電極と、前記電極の表面に形成された防錆膜と、前記防錆膜と前記電極との間に形成され、かつ、前記電極に含まれる銅が前記防錆膜と接触することで形成された皮膜と、前記防錆膜上に形成された絶縁膜とを備えたものである。
【００１０】
本発明に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法は、半導体素子基板上に、銅または銅の化合物により電極を形成する工程と、前記電極の表面に防錆剤を塗布し、前記電極に含まれる銅と前記防錆剤との間で吸着、錯体の形成、あるいは化合物の形成により皮膜を形成する工程と、ポリイミドワニスを半導体素子基板表面に塗布し、プリベーク後に前記電極に対して電気的接続が可能な開口部を形成する工程と、熱処理により前記ポリイミドワニスが硬化され、絶縁膜として前記電極を覆う工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電極に含まれる銅が防錆膜と接触することで皮膜が防錆膜と電極との間に形成されるため、ポリイミドワニスをイミド化して絶縁膜であるポリイミド膜を形成するための熱処理中に銅または銅の化合物により形成された金属層を備える電極の表面を皮膜により覆うことで、ポリイミドワニスへの銅の拡散を抑制可能である。これにより、電極と、絶縁膜であるポリイミド膜との間において変質層および空隙などが生成されることを抑制できるため、半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の断面図である。
【図２】実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【図５】実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【図６】実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【図７】実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の断面図であり、ポリイミドワニス６の熱処理前の電極構造の断面図である。図１に示すように、半導体モジュールの電極構造は、半導体素子基板２０と、電極３と、皮膜５と、防錆膜４と、絶縁膜であるポリイミド膜７（図４参照）とを備えている。ここで、ポリイミド膜７は、ポリイミドワニス６を熱処理することで形成されるが、ポリイミド膜７の具体的な形成方法については後述することとする。
【００１４】
電極３は、拡散バリア層１と、金属層２とを備えている。拡散バリア層１は、半導体素子基板２０の表面に形成され、金属層２は、銅または銅の化合物により拡散バリア層１の上端に形成され、断面視にて矩形状に形成されている。防錆膜４は、防錆剤を電極３の表面を含む半導体素子基板２０の表面に塗布することにより、電極３の表面を含む半導体素子基板２０の表面に形成され、防錆膜４と電極３との間には、電極３に含まれる銅が防錆膜４と接触することで形成された皮膜５が形成されている。皮膜５の具体的な形成方法については後述することとする。なお、電極３は、拡散バリア層１を備えずに金属層２のみを備える構造であってもよい。
【００１５】
さらに、防錆膜４の表面にポリイミドワニス６が塗布され、ポリイミドワニス６の熱処理を行うことでポリイミド膜７が形成される。
【００１６】
銅は非常に反応しやすい材料であるため、大気中に室温放置しているだけで、電極３の表面には数十ｎｍ程度の薄い自然酸化膜(図示省略)が形成される。自然酸化膜としてはＣｕ２Ｏを含むことを特徴としている。この自然酸化膜を介して皮膜５により電極３の表面を覆うことで、ポリイミドワニス６の熱処理中に電極３の金属層２に含まれる銅イオンがポリイミドワニス６に入り込むことが抑制される。このため、熱処理を経ても、電極３とポリイミド膜７との間に変質層および空隙の形成が抑制され、信頼性を損ないにくい電極構造が得られる。
【００１７】
ここで、拡散バリア層１として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、およびそれらの窒化物などが使用され、拡散バリア層１の厚みは５ｎｍ〜２０ｎｍで形成される。また、電極３の厚みは３μｍ〜５０μｍで形成される。銅または銅の化合物に対する防錆膜４は、ベンゾトリアゾール系（トリアゾール系）の材料を含む防錆剤により形成されることが代表的であるが、それに限定はされず、イミダゾール系などの材料を含む防錆剤により形成されてもよい。防錆膜４の膜厚は２００ｎｍ未満であり非常に薄く形成される。
【００１８】
次に、図１〜図４を用いて、半導体モジュールの電極構造の製造方法を説明する。図２〜図４は、実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。
【００１９】
図２に示すように、先ず、半導体素子基板２０における予め定められた部分に電極３が形成されるが、拡散バリア層１の上端に、銅または銅の化合物により金属層２が形成される。金属層２の作製方法としてはスパッタ法によりシード層の銅を形成後にめっき法により銅を形成してもよいし、金属層２の全てをスパッタ法または蒸着により形成してもよい。
【００２０】
電極３が形成された後、電極３を含む半導体素子基板２０の表面に防錆剤が塗布される。塗布方法としては、例えばスピンコーターなどで電極３を含む半導体素子基板２０の表面のみに防錆剤が塗布されることで、図３に示すように、電極３を含む半導体素子基板２０の表面に防錆膜４が形成される。金属層２と防錆膜４との間に吸着、錯体形成または化合物による皮膜５が形成される。
【００２１】
ここで、皮膜５の形成について説明する。金属層２の表面にはその自然酸化膜が薄く形成され、自然酸化膜に含まれる銅、すなわち、金属層２に含まれる銅が防錆膜４と接触することで、防錆剤が銅の表面に吸着、防錆剤と銅の錯体形成、あるいは防錆剤と銅の化合物の形成などの現象が発生する。防錆剤と銅により形成される皮膜５はいずれにしても厚さ２００ｎｍ未満程度であり非常に薄いが、ポリイミドワニス６からイミド化してポリイミド膜７を形成する熱処理の間、金属層２の表面を覆い、銅がポリイミドワニス６へ拡散することを抑制する。
【００２２】
銅または銅の化合物の防錆剤としては、上記のようにベンゾトリアゾール系の材料を含む防錆剤が代表的であり、例えばベンゾトリアゾールと銅はベンゾトリアゾール銅塩という化合物を作製し、それが銅の拡散を抑制するための皮膜５となる。
【００２３】
次に、ポリイミドワニス６が半導体素子基板２０の表面に塗布される。ホットプレート上で９０℃〜１２０℃で約３分加熱（プリベーク）し、露光、現像を行うことで、図４に示すように、電極３上に開口部８が形成される。次に、窒素雰囲気中で３００℃〜３５０℃で熱処理を行うことで、ポリイミドワニス６において溶媒除去、イミド化反応が進行し、ポリイミドワニス６が硬化され、自然酸化膜、皮膜５および防錆膜４を介して、電極３を含む半導体素子基板２０の表面を覆うポリイミド膜７が形成される。
【００２４】
なお、防錆剤は、３００℃〜３５０℃で熱処理を行っても、防錆膜４および皮膜５が破損しない程度の耐熱性を有するものが使用される。また、ポリイミドワニス６の熱処理は窒素雰囲気中で行うことに限定されず、酸素のない雰囲気中で行うことであれば問題はない。
【００２５】
ポリイミド膜７における電極３上に形成された開口部８は、半導体モジュールから外部への電気接続を行うためのものである。半導体モジュールから外部への電気接続は、ワイヤボンディングまたははんだ接続などにより行われる。開口部８において電極３の表面を覆う防錆膜４および皮膜５は、蟻酸リフローなどの処理で分解する場合もあり、ワイヤボンディングの超音波で破れて電気接続が形成される場合もある。また、防錆膜４および皮膜５がこれらの方法で消失しない場合は、ポリイミド膜７に開口部８を形成後にアルカリ性のアンモニウム水酸化物の溶液などでエッチングすることで消失する。
【００２６】
以上のように、実施の形態１に係る半導体モジュールの電極構造では、電極３に含まれる銅が防錆膜４と接触することで皮膜５が防錆膜４と電極３との間に形成されるため、ポリイミドワニス６の熱処理中に電極３の表面を皮膜５により覆うことで、ポリイミドワニス６への銅の拡散を抑制可能である。これにより、電極３とポリイミド膜７との間において変質層および空隙などが生成されることを抑制できるため、半導体モジュールの信頼性を向上させることができ、ひいては半導体モジュールの長期使用が可能となる。
【００２７】
また、皮膜５の膜厚は２００ｎｍ未満であり薄いため、電気接続の際、超音波などで皮膜５を破ることが可能であり、皮膜５の除去工程を省略可能である。これにより、半導体モジュールの電極構造の製造においてエネルギー消費量の削減を図ることができる。
【００２８】
また、電極３の表面にＣｕ２Ｏを含む自然酸化膜が形成されるが、自然酸化膜の表面に防錆剤を塗布することで、防錆膜４および皮膜５により電極３を覆うことができ、電極３の保護を行うことができる。
【００２９】
防錆膜４は、トリアゾール系の材料を含む防錆剤により形成された場合、銅または銅の化合物により形成された金属層を含む電極３をより効果的に防錆できる。防錆膜４は、耐熱性防錆剤により形成されたため、ポリイミドワニス６の熱処理中に皮膜５が消失しないことから、銅のポリイミドワニス６への拡散を抑制できる。
【００３０】
なお、ポリイミド膜は、硬化温度が２００℃未満で硬化する低温硬化型ポリイミドにより形成されてもよい。低温硬化型ポリイミドを使用することで、ポリイミドワニス塗布後の熱処理温度が２００℃未満になり、銅のポリイミド膜への拡散を、３００℃以上で熱処理する場合と比較して、同等あるいはそれ以上に抑制可能である。この場合、使用される防錆剤は２００℃未満で熱処理を行っても、防錆膜４および皮膜５が破損しない程度の耐熱性を有していればよい。
【００３１】
＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造について説明する。図５〜図７は、実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造の製造方法を示す断面図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
【００３２】
実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造は、図５〜図７に示すように、半導体素子基板２０と、電極３Ａと、皮膜５と、防錆膜４と、絶縁膜であるポリイミド膜（図示省略）とを備えている。実施の形態２では、実施の形態１の場合と電極の形状が異なっている。電極３Ａは、金属層２Ａと拡散バリア層１とを備え、電極３Ａは、基端側へ行く程幅が拡がるテーパ形状に形成されている。より具体的には、金属層２Ａのみがテーパ形状に形成され、金属層２Ａは、拡散バリア層１に近づく程幅が拡がるテーパ形状に形成されている。
【００３３】
図６と図７に示すように、防錆剤は電極３Ａに塗布されたとき、電極３Ａのテーパ形状に沿って電極３Ａの基端まで拡がるため、防錆膜４および皮膜５についても電極３Ａの基端側へ行く程幅が拡がるテーパ形状に形成されている。
【００３４】
以上のように実施の形態２に係る半導体モジュールの電極構造では、電極３Ａは、基端側へ行く程幅が拡がるテーパ形状に形成されたため、防錆剤がテーパ形状に沿って電極３Ａの基端まで拡がり、電極３Ａの基端まで容易に防錆膜４で覆うことができる。
【００３５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  拡散バリア層、２，２Ａ  金属層、３，３Ａ  電極、４  防錆膜、５  皮膜、７  ポリイミド膜、８  開口部、２０  半導体素子基板。
【図１】
2014212225.tif 000003
【図２】
2014212225.tif 000004
【図３】
2014212225.tif 000005
【図４】
2014212225.tif 000006
【図５】
2014212225.tif 000007
【図６】
2014212225.tif 000008
【図７】
2014212225.tif 000009