(57)【要約】【課題】半導体素子の微細接続を可能にする半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップ１のトランジスタから引上げてきた配線を外部結線へと導き、周囲をシリコン酸化膜Ｉ６で囲まれているビア接続端子５上に、付根部が窒化保護膜３で覆われ半導体チップ１から突出した微細接続端子４を形成する構成を有する。具体的には、半導体チップ１のシリコン酸化膜６上に設けられた接続端子５に複数の微細接続端子４が電気的に接続されている。微細接続端子４の付根部に窒化系保護膜３が形成されている。【選択図】図１
2006157069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、この半導体基板に形成された半導体素子と、この半導体素子を覆う絶縁膜上に設けられて前記半導体素子の電極に接続された接続端子と、この接続端子に電気的に接続されて外部電極となる複数の導電部材とを備えた半導体装置。
【請求項２】
導電部材の付根部にエッチングストッパ層が設けられている請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
導電部材を電気的に接続する配線電極を有する配線基板を設けた請求項１または請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
第１のシリコン酸化膜に端子溝を形成する工程と、前記端子溝に第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜を平坦化してビア接続端子を形成する工程と、前記第１のシリコン酸化膜上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、前記エッチングストッパ膜上に第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記エッチングストッパ膜および前記第２のシリコン酸化膜にビア溝を形成する工程と、前記ビア溝に第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜を平坦化する工程と、前記ビア溝に埋込んだ前記第２の金属膜を露出させる工程とを含む半導体装置の製造方法。
【請求項５】
第２の金属膜を露出させる工程は、ドライエッチングプロセスにより行う請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
一面に外部接続端子を有し他面に半導体接続端子を有し両端子間を引回し配線により接続した配線基板と、複数の導電部材を突設した接続端子を有する半導体素子とを接続する工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記工程は、前記配線基板の前記半導体接続端子を有する面に非導電性熱硬化樹脂を塗布する工程と、前記半導体素子の前記導電部材を前記非導電性熱硬化樹脂を貫通して前記半導体接続端子に接触させ加熱処理を行う工程を含む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、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくは例えば半導体素子とインターポーザ基板の微小領域での微細接続端子（コンタクトビア）とその製造方法とその微細接続端子を用いた接続工法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年では更なる半導体素子の高機能化および高集積化になると同時に、半導体素子に配置された外部端子の数も増加している。一方では拡散プロセスの微細化技術が加速されて、低コスト化の流れにあるため１ウェハでの半導体素子取れ数を出きる限り多くする流れが顕著になってきた。上記のことを背景に半導体素子の寸法は従来と同様もしくはそれよりも縮小しようとする傾向にある。これらの結果、組立プロセスとして特に狭パッドピッチ接続（微細接続）技術の確立が急務となる。
【０００３】
現状として半導体素子とインターポーザ基板を接続する工法は様々であるが代表的には、ワイヤボンド、スタッドバンプボンディング（後述はSBBと略す）、インナーリードボンディング（後述はILBと略す）等がある。
【０００４】
ワイヤボンドは、半導体素子とリードフレームまたは半導体素子とプラスチック基板の電気的接続として従来より広く採用されてきた。図５にワイヤボンドのフローを示す。キャピラリー２０の中央のホールを貫通している直径25μm程度のAu線19はワイヤボンド設備に搭載されているトーチを用いて加熱されAuボール22を形成する（図５（ａ））。そのAuボール22がAl膜外部端子21に押さえつけられたとき、キャピラリー20を通して荷重と超音波、そしてインターポーザ３０の下に敷設したヒータによる熱がAuボール22に伝達され、Auボール22は潰れ、図示する圧着ボール23となる（図５（ｂ））。同時にAuボール22とAl膜外部端子21の界面では固相拡散が起こり合金化が進み接合が行われる。現状の最小パッドピッチは60μmパッドピッチであり、量産されている現状のワイヤボンド限界である。Ａｕ線１９から分離すべきＡｕワイヤ２４の後端はインナーリード２５に押さえつけられるとともに加熱されて接続される。
【０００５】
SBBにおいても接合メカニズムはワイヤボンドとほぼ同様であり、Au線は直径25μmで80μmパッドピッチまでが現状では限界である。
【０００６】
図６にILBのフローを示す。先ず、半導体素子1の外部端子に電解めっきでAuめっき処理を行い、Auめっき処理外部端子26を形成する（図６（ａ））。そして、テープキャリアパッケージ（TCP）のキャリアであるテープ27に搭載されたすずめっき処理後のCuインナーリード28を、同図（ｂ）から（ｃ）のように加熱したボンディングツールによりAuめっき処理外部端子２６に押し付け接続が完了する。すずめっき処理を施す効果は、比較的低温でAu-Sn共晶接合が可能なためである。ILBとして最小パッドピッチは45μmが現在の限界である。
【特許文献１】特開平２−１７２２２１号公報
【特許文献２】特開２００２−３５３２６１号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７６０８号公報
【特許文献４】特開平９−１７８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、更なる微細接合を可能にする技術として上記の接続工法を採用する場合、次のような課題があった。ワイヤボンドは、上述したようにAu線１９を用い、更にそのAu線１９を加熱しAuボール２２にする必要がある。そこで微細接続を可能にする、すなわち接合領域縮小での接合を可能にするには、Au線１９も細線化、そしてAuボール２２は小径化しなければならない。しかしワイヤボンド設備には使用可能な最小Au線径があり、その限界よりも細線化するとAu線１９の送り動作、ワイヤ結線が不安定となる。また、Auボール２２についてもワイヤボンド設備には最小径の限界があり、それよりも小径化するとAuボール径のばらつきは大きく、更にキャピラリー２０の中心とAuボール２２の中心が大きくずれるなどの偏心が起こり安定した接合は不可能である。キャピラリー２０に関してもパッドピッチ毎に目標とする圧着ボール径が異なり、その結果Auボール径スペックも異なるためキャピラリー２０の評価・変更を行う必要があり開発期間を長期化させる。また、ワイヤボンドの微細接続技術の課題はAu線径よりも小径の圧着ボールで接合できないことである。
【０００８】
ILBについては、狭パッドピッチが進むとCuインナーリード幅を縮小する。そこで課題になるのが、Cuインナーリード幅を縮小すると強度は低下し、ボンディングに必要な加熱やテープ２７の取り扱い等で、Cuインナーリード２８は変形する。その結果、対応するべきインナーリード２８と半導体素子１の外部端子が一致しなくなることがある。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、更なる微細接続が可能となる半導体装置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】
【００１０】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、この半導体基板に形成された半導体素子と、この半導体素子を覆う絶縁膜上に設けられて半導体素子の電極に接続された接続端子と、この接続端子に電気的に接続されて外部電極となる複数の導電部材とを備えたものである。
【００１１】
上記構成において、導電部材の付根部にエッチングストッパ層が設けられているものである。
【００１２】
上記構成において、導電部材を電気的に接続する配線電極を有する配線基板を設けたものである。
【００１３】
本発明の半導体装置の製造方法は、第１のシリコン酸化膜に端子溝を形成する工程と、端子溝に第１の金属膜を形成する工程と、第１の金属膜を平坦化してビア接続端子を形成する工程と、第１のシリコン酸化膜上にエッチングストッパ膜を形成する工程と、エッチングストッパ膜上に第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、エッチングストッパ膜および第２のシリコン酸化膜にビア溝を形成する工程と、ビア溝に第２の金属膜を形成する工程と、第２の金属膜を平坦化する工程と、ビア溝に埋込んだ第２の金属膜を露出させる工程とを含むものである。
【００１４】
上記構成において、第２の金属膜を露出させる工程は、ドライエッチングプロセスにより行うものである。
【００１５】
本発明の別の半導体装置の製造方法は、一面に外部接続端子を有し他面に半導体接続端子を有し両端子間を引回し配線により接続した配線基板と、複数の導電部材を突設した接続端子を有する半導体素子とを接続する工程を有する半導体装置の製造方法であって、工程は、配線基板の半導体接続端子を有する面に非導電性熱硬化樹脂を塗布する工程と、半導体素子の導電部材を非導電性熱硬化樹脂を貫通して半導体接続端子に接触させ加熱処理を行う工程を含むものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、現在よりも更なる微細領域での接続が可能となる。また、様々な微細領域に対応することも可能となる。
【００１７】
導電部材の付根部にエッチングストッパ層が設けられていると、エッチングストッパ層上でのオーバーエッチングが可能となり溝に金属膜を埋設しエッチングすることにより導電部材を形成することが容易にできる。
【００１８】
導電部材を電気的に接続する配線電極を有する配線基板を設けると、微細接続端子を有する半導体素子が搭載された半導体装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態の半導体装置およびその製造方法、具体的には微細接続端子、製造方法および微細接続端子を用いた接続工法について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
一部拡大図を示す図１において、１は半導体基板に形成された半導体素子を有する半導体チップ、２は半導体チップ１の半導体素子の電極に接続された端子となるビア群、３はエッチングストッパ層の一例の窒化系保護膜、４は導電部材の一例の微細接続端子（露出コンタクトビア）、５はビア群２の個々を示すビア接続端子、６は半導体チップ１の半導体素子上の絶縁膜の一例のシリコン酸化膜Ｉである。
【００２１】
図１に示すとおり本発明の微細接続端子４は、半導体チップ１の半導体素子例えばトランジスタから引上げてきた配線を外部結線へと導き、周囲をシリコン酸化膜Ｉ６で囲まれているビア接続端子５上に突出し露出した構成になっている。ビア接続端子５と微細接続端子４の材料はCuを採用している。またビア接続端子５の厚みは0.5μm程度とする。微細接続端子４の径は１〜10μm、高さは0.5μm〜5μmの範囲とし、微細接続端子４の径を考慮し微細接続端子４の高さを決定するが、基準として微細接続端子４の径：高さ=２：１とする。微細接続端子４の数はトランジスタ設計の要求する電流と必要な接続面積、そして微細接続端子４の形状で決定される。また微細接続端子４の付根部には窒化系保護膜３が成膜されており、材料としてSi3N4を用いる。また窒化系保護膜３の厚みは約0.2μmとする。
【００２２】
本発明の実施形態から分かるように現在採用されているAu線、TCPのインナーリード幅よりも微細接続端子４の方が微細であり、また微細接続端子４の数を変化させることで、接続面積を変えることができる。これにより、従来工法（ワイヤボンド、ILB）よりも微小領域で半導体チップ１の接続が可能となり、かつ半導体の動作に必要な電流を考えたとき接続抵抗を抑えたい場合には接続面積を広げることも可能である。
【００２３】
図２に微細接続端子４の製造方法を図示する。７は端子溝、８は金属膜Ｉ、９はシリコン酸化膜II、１０はビア溝、１１は金属膜II、１２は薬液を示す。図２（ａ）には半導体チップ１を形成する例えばシリコン基板に形成された半導体素子上に成膜されているシリコン酸化膜Ｉ６を示す。図２（ｂ）は半導体素子上に成膜されるシリコン酸化膜Ｉ６にドライエッチングで端子溝７を形成することを示す。ここで、端子溝７の形成方法を具体的に述べる。先ず端子溝７を形成する面にレジストを塗布し、端子溝７のパターンと配置が２次元的に描かれているレチクルマスクを用いてレジスト塗布面にステッパ露光し現像する。その後、端子溝７の部分のみレジストが除去され、そこを中性子と反応ガスにより溝を形成する手法であるドライエッチを用いて端子溝７を形成する。図２（ｃ）で電解めっきを行い端子溝7に金属膜Ｉ８を埋込む。その後、図２（ｄ）に示すように化学的機械研磨（後はCMPと略す）でシリコン酸化膜Ｉ５の表面まで平坦化する。次に図２（ｅ）に示すように、エッチングストッパー層である窒化保護膜３を成膜し、図２（ｆ）で窒化保護膜３の上にシリコン酸化膜II９を成膜する。そして図２（ｇ）には、窒化保護膜３とシリコン酸化膜II９を貫通しビア接続端子５までビア溝10をドライエッチで形成する。シリコン酸化膜II９の厚みは、微細接続端子４における所望の高さと同様である。その後、図２（ｈ）で金属膜II11を電解めっきにより図２（ｇ）で形成したビア溝１０を埋め込み、図２（ｉ）のようにＣＭＰによりシリコン酸化膜II９が露出する面まで平坦化を行う。次にビア溝１０に埋め込んだ金属膜II１１を露出させ突出させる方法が２つある。１つは図２（ｊ）のように薬液によるエッチング法と、もう一方は図２（ｋ）に示すようなドライエッチング法（プロセス）である。上記エッチング方法は、シリコン酸化膜II９を完全に除去するためオーバーエッチングする。このとき、配線へのダメージを防ぐため窒化保護膜３を成膜し、エッチングの進行を止める。そして図２（ｌ）のような微細接続端子４を形成する。
【００２４】
図３および一部拡大した図４は、図２で形成した微細接続端子４を有する半導体素子１を搭載するためのインターポーザである配線基板のシリコン基板１３を図示する。１４は接続端子、１５は引回し配線、１６は外部金属端子、１７は非導電性熱硬化樹脂、１８は外部端子を示す。
【００２５】
図３（ａ）は半導体チップ１を搭載する面を示し、図３（ｂ）は２次実装を行う面を示す。接続端子１４は、半導体チップ１が有する微細接続端子４を接続させる端子である。また引回し配線１５は、接続端子１４と外部金属端子１６を電気的に接続する配線である。製造方法は、半導体の拡散プロセス技術を用いて、接続端子１４、引回し配線１５、外部金属端子１６を形成する。基板材料にシリコンを用いて拡散プロセス技術で造りこむため、半導体素子１の微細接続端子４に対応できる微小な領域の接続端子１４の形成が可能である。  
【００２６】
図４は本発明の微細接続端子４を用いたパッケージ構造を示す。半導体チップ１とシリコン基板１３の接続は、シリコンインターポーザ基板１３上に非導電性熱硬化樹脂１７を半導体チップ１との接続端子側一面に塗布し、非導電性熱硬化樹脂１７に貫通させて、シリコンインターポーザ基板１３の接続端子１４と半導体チップ１の微細接続端子４を接触させ加熱処理を行う方法である。非導電性熱硬化樹脂１７を半導体チップ１とシリコンインターポーザ基板１３の間に挟むことにより、半導体素子１の微細接続端子４とシリコンインターポーザ基板１３の接触部分を固定することが可能となる。
【００２７】
以上のような本実施形態をとることにより、微細接続が可能なためチップサイズ縮小に大きく貢献できる。更に、半導体素子の接続領域毎における開発及び設備購入が抑えられ、かつ拡散設備を流用できるため開発期間の短縮とコスト削減が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明にかかる半導体装置およびその製造方法は、更なる微細接続が可能となるとともに、様々な微細領域に対応することができる等の効果を有し、半導体装置およびその製造方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部拡大上面図（ａ）と断面図（ｂ）のある平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る製造方法を説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施形態を用いたパッケージ構造に用いるインターポーザ基板を示す（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図である。
【図４】本発明の一実施形態を用いたパッケージ構造の一部拡大断面図のある側面図である。
【図５】従来の接続工法を示し、（ａ）はボールが外部端子に接触前の説明図、（ｂ）はボールが接続状態の説明図、（ｃ）はワイヤが接続状態の説明図である。
【図６】別の従来の接続工法を示し、（ａ）は半導体素子の説明図、（ｂ）はインナーリードの接続前の説明図、（ｃ）はインナーリードの接続状態の説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ 半導体チップ
２ ビア群
３ 窒化系保護膜
４ 微細接続端子
５ ビア接続端子
６ シリコン酸化膜Ｉ
７ 端子溝
８ 金属膜Ｉ
９ シリコン酸化膜II
１０ ビア溝
１１ 金属膜II
１２ 薬液
１３ シリコンインターポーザ基板
１４ 接続端子
１５ 引回し配線
１６ 外部金属端子
１７ 非導電性熱硬化樹脂
１８ 外部端子
１９ Au線
２０ キャピラリー
２１ Al膜外部端子
２２ Auボール
２３ 圧着ボール
２４ 結線
２５ インナーリード
２６ Auめっき処理外部端子
２７ テープ
２８ すずめっきCuインナーリード
２９ ボンディングツール
【図１】
2006157069.tif 000003
【図２】
2006157069.tif 000004
【図３】
2006157069.tif 000005
【図４】
2006157069.tif 000006
【図５】
2006157069.tif 000007
【図６】
2006157069.tif 000008