(57)【要約】【課題】接続の信頼性と歩留まりを向上することができる外部接続機構、半導体装置、積層パッケージを提供する。【解決手段】被接続基体１０の上面に配置された表面電極２１と、表面電極２１の上面の一部を露出する開口部３１を有し、被接続基体１０の上面及び表面電極２１を被覆するパッシベーション膜３０と、開口部３１に一部が露出された表面電極２１の上面からパッシベーション膜３０の上面までの間に連続して配置されるバリアメタル膜４０と、メサ状の台地をなすパッシベーション膜３０の上面においてバリアメタル膜４０の上面にそれぞれ配置された複数のマイクロバンプ５０とを備える。【選択図】図２
2018190774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板、上面を平坦化して該半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、該表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、前記表面絶縁層の上面に選択的に配置され前記表面配線構造に接続された表面電極を有する被接続基体と、
前記表面電極の一部を露出する開口部を有し、該開口部以外の箇所で前記表面絶縁層の上面及び前記表面電極を被覆するパッシベーション膜と、
前記表面電極の平面パターンに対応する領域内において、前記開口部から前記パッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、
前記パッシベーション膜の上に位置する前記バリアメタル膜の上面にそれぞれ配置された複数のマイクロバンプと、
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記複数のマイクロバンプのそれぞれは、前記バリアメタル膜の上面に接合された底面を有する錐体状であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記複数のマイクロバンプの高さは、前記パッシベーション膜の厚さより低いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
下面に配線ランドを配置した接続対象基体と、該接続対象基体と対向配置され前記配線ランドと電気的に接続される被接続基体とを備える積層パッケージであって、
前記被接続基体が、
半導体基板、上面を平坦化して該半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、該表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、前記表面絶縁層の上面に選択的に配置され前記表面配線構造に接続された表面電極を有する被接続基体と、
前記表面電極の一部を露出する開口部を有し、該開口部以外の箇所で前記表面絶縁層の上面及び前記表面電極を被覆するパッシベーション膜と、
前記表面電極の平面パターンに対応する領域内において、前記開口部から前記パッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、
前記パッシベーション膜の上に位置する前記バリアメタル膜の上面にそれぞれ配置され、前記配線ランドに頂部が接するマイクロバンプと、
を備えることを特徴とする積層パッケージ。
【請求項５】
下面に配線ランドを配置した接続対象基体と、
該接続対象基体と対向配置され、半導体基板、上面を平坦化して該半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、該表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、前記表面絶縁層の上面に選択的に配置され前記表面配線構造に接続され、且つ前記配線ランドと電気的に接続される表面電極を有する被接続基体と、
の間において、前記配線ランドと前記表面電極とを電気的に接続する外部接続機構であって、
前記表面電極の一部を露出する開口部を有し、該開口部以外の箇所で前記表面絶縁層の上面及び前記表面電極を被覆するパッシベーション膜と、
前記表面電極の平面パターンに対応する領域内において、前記開口部から前記パッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、
前記パッシベーション膜の上に位置する前記バリアメタル膜の上面にそれぞれ配置され、前記配線ランドに頂部が接するマイクロバンプと、
を備えることを特徴とする外部接続機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被接続基体を構成する半導体チップと絶縁回路基板等の外部回路（接続対象基体）とを電気的に接続する外部接続機構、又は半導体チップ相互間を電気的に接続する外部接続機構、これらの外部接続機構を備えた半導体装置、これらの外部接続機構によって互いに接続された積層パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、基板上にパターン形成された電極の上面を露出する開口部を有するパッシベーション膜と、開口部に露出された電極の上面を被覆するバリアメタル膜と、バリアメタル膜を介して電極上に形成されるバンプ電極とを備える半導体装置を開示する。このような半導体装置において、電極が形成される層間絶縁層の主面は、一般的に化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化されている。
【０００３】
一方、特許文献２は、微細な錐体状の複数の電気配線用バンプを備え、位置合わせ用のコーンバンプ及び対応する壁パターンを用いることにより、高精度な位置合わせが実現可能な積層体を開示する。このような微細な錐体状のバンプは、材料を節減できる他、先端が変形し易く、接合のばらつきを低減できるという効果を奏する。
【０００４】
しかしながら、特許文献１のバンプ電極として特許文献２の複数の微細なバンプを適用する場合、開口部において露出された電極の表面は、パッシベーション膜のエッチング時に粗面化されるため、基板からのバンプの高さを均一にできず、歩留まりが悪化する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−０２３１８１号公報
【特許文献２】国際公開２０１４／１３６２４１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題点を鑑み、被接続基体を構成する半導体チップと外部回路（接続対象基体）とを電気的に接続し、又は半導体チップ相互間を電気的に接続して、接続の信頼性及び製造歩留まりを向上することができる外部接続機構、この外部接続機構を備えた半導体装置、この外部接続機構によって互いに接続された積層パッケージ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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、(a)半導体基板、上面を平坦化してこの半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、この表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、表面絶縁層の上面に選択的に配置され表面配線構造に接続された表面電極を有する被接続基体と、(b)表面電極の一部を露出する開口部を有し、この開口部以外の箇所で表面絶縁層の上面及び表面電極を被覆するパッシベーション膜と、(c)表面電極の平面パターンに対応する領域内において、開口部からパッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、(d)パッシベーション膜の上に位置するバリアメタル膜の上面にそれぞれ配置された複数のマイクロバンプを備える半導体装置であることを要旨とする。
【０００８】
本発明の第２の態様は、下面に配線ランドを配置した接続対象基体と、この接続対象基体と対向配置され配線ランドと電気的に接続される被接続基体とを備える積層パッケージに関する。この第２の態様に係る積層パッケージの被接続基体は、(a)半導体基板、上面を平坦化してこの半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、この表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、表面絶縁層の上面に選択的に配置され表面配線構造に接続された表面電極を有する被接続基体と、(b)表面電極の一部を露出する開口部を有し、この開口部以外の箇所で表面絶縁層の上面及び表面電極を被覆するパッシベーション膜と、(c)表面電極の平面パターンに対応する領域内において、開口部からパッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、(d)パッシベーション膜の上に位置するバリアメタル膜の上面にそれぞれ配置され、配線ランドに頂部が接するマイクロバンプを備えることを要旨とする。
【０００９】
本発明の第３の態様は、（イ）下面に配線ランドを配置した接続対象基体と、（ロ）この接続対象基体と対向配置され、半導体基板、上面を平坦化してこの半導体基板の上に設けられた表面絶縁層、この表面絶縁層中に設けられた表面配線構造、表面絶縁層の上面に選択的に配置され表面配線構造に接続され、且つ配線ランドと電気的に接続される表面電極を有する被接続基体との間において、配線ランドと表面電極とを電気的に接続する外部接続機構に関する。第３の態様に係る外部接続機構は、(a)表面電極の一部を露出する開口部を有し、この開口部以外の箇所で表面絶縁層の上面及び表面電極を被覆するパッシベーション膜と、(b)表面電極の平面パターンに対応する領域内において、開口部からパッシベーション膜の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜と、(c)パッシベーション膜の上に位置するバリアメタル膜の上面にそれぞれ配置され、配線ランドに頂部が接するマイクロバンプを備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被接続基体を構成する半導体チップと外部回路とを電気的に接続し、又は半導体チップ相互間を電気的に接続して、接続の信頼性及び製造歩留まりを向上することができる外部接続機構、この外部接続機構を備えた半導体装置、この外部接続機構によって互いに接続された積層パッケージを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る外部接続機構の要部を説明する上面図である。
【図２】図１のII−II方向から見た断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る外部接続機構のバンプの一例を説明する上面図である。
【図４】図３のIV−IV方向から見た断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る外部接続機構の形成方法の工程を説明する拡大断面図である。
【図６】図５に示す工程に続く工程を説明する拡大断面図である。
【図７】図６に示す工程に続く工程を説明する拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る外部接続機構のバンプの他の例を説明する断面図である。
【図９】図８のIX−IX方向から見た断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る外部接続機構を備える三次元集積回路を説明する断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態の第１変形例に係る外部接続機構を説明する断面図である。
【図１２】図１１のXII−XII方向から見た断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態の第２変形例に係る外部接続機構を説明する断面図である。
【図１４】図１１のXIV−XIV方向から見た断面図である。
【図１５】本発明の実施の形態の第２変形例に係る外部接続機構の形成方法の工程を説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付し、重複する説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なる場合がある。また、図面相互間においても寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。
【００１３】
また、以下の説明における上下等の方向の定義は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、対象を９０°回転して観察すれば上下は左右に変換して読まれ、１８０°回転して観察すれば上下は反転して読まれることは勿論である。
【００１４】
（外部接続機構を有する半導体装置）
本発明の実施の形態に係る外部接続機構を有する半導体装置は、図１及び図２に示すように、表面絶縁層１２と表面絶縁層１２の上面に選択的に配置された表面電極２１を有する被接続基体１０と、表面電極２１の中央の上面の一部を露出する開口部３１を有し、開口部３１を囲む位置（開口部３１以外の位置）において表面絶縁層１２の上面及び表面電極２１の周辺側を被覆するパッシベーション膜３０と、表面電極２１の平面パターンに対応する領域内において、開口部３１からパッシベーション膜３０の上面までの間を連続して被覆するバリアメタル膜４０と、パッシベーション膜３０の上に位置するバリアメタル膜４０の上面に配置された複数のマイクロバンプ５０を備える。表面絶縁層１２は上面が平坦化され、表面絶縁層１２中には表面配線構造（２２，２３）が設けられている。表面電極２１は表面絶縁層１２の上面に配置され、表面絶縁層１２中の表面配線構造（２２，２３）に接続されている。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る半導体装置を構成している外部接続機構は、例えば、対向配置された他の半導体チップの配線ランド、或いはインターポーザや回路基板等の外部回路の配線ランドに接続に用いることが可能な半導体装置の実装構造に用いることができる。また簡略化のため、図１及び図２において、それぞれ１つの表面電極２１、開口部３１、バリアメタル膜４０及びその上面に配置された複数のマイクロバンプ５０からなるバンプ接続構造が図示されているが、実施の形態に係る外部接続機構は、半導体集積回路（ＩＣ）チップ等の半導体装置の実装構造において、複数のバンプ接続構造を有する（図１０参照）。
【００１６】
被接続基体１０は、例えば、半導体基板１１、半導体基板１１の上面に配置された表面絶縁層１２、この表面絶縁層１２の上面に選択的に配置された表面電極２１を有する。表面絶縁層１２の最上層の上面は、化学機械研磨（ＣＭＰ）により高精度に平坦化されていることが好ましい。表面絶縁層１２の内部には、複数のレベルの層間絶縁膜が含まれ、複数の中間層配線２２の下のレベルに層間絶縁膜を介して配置された複数の下層配線２３のレベルが埋め込まれて表面配線構造（２２，２３）を構成している。よって表面絶縁層１２は、図１において単層の膜のように簡略表現されているが、実際には、３層以上のレベルの層間絶縁膜からなる多層の絶縁膜である。又表面絶縁層１２の最下層にはゲート酸化膜や素子分離用のフィールド絶縁膜等が含まれていてよい。
【００１７】
表面絶縁層１２には、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）、シリコン窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4膜）、燐珪酸ガラス膜（ＰＳＧ膜）、フッ素含有酸化膜（ＳｉＯＦ膜）、炭素含有酸化膜（ＳｉＯＣ膜）等の無機系絶縁層の他、メチル含有ポリシロキサン（ＳｉＣＯＨ）、水素含有ポリシロキサン（ＨＳＱ）、ポーラスメチルシルセスキオキサン膜やポリアリレン膜等の有機系絶縁層が層間絶縁膜等として使用可能で、これらの種々の層間絶縁膜等を組み合わせて積層して、多様な多層配線構造で表面絶縁層１２を構成することが可能である。
【００１８】
中間層配線２２及び下層配線２３のそれぞれは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム−シリコン合金（Ａｌ−Ｓｉ合金）、アルミニウム−銅合金（Ａｌ−Ｃｕ合金）或いは銅（Ｃｕ）ダマシン等の金属層からなる。図１では、簡略化のために２層の表面配線構造（２２，２３）を例示しているが、実際には、設計仕様に応じて、３〜１２層、或いは１３層以上の多層の配線構造が採用され得る。中間層配線２２及び下層配線２３のそれぞれは、上述したＡｌ−Ｃｕ合金等の金属の単層の配線ではなく、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、マンガン（Ｍｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の金属からなるバリア層を上下に設けた積層構造であってもよい。例えば、ＴｉＮ／Ｔｉのバリア層を上下に設けて、ＴｉＮ／Ｔｉ／Ａｌ−Ｃｕ合金／ＴｉＮ／Ｔｉ等の５層の積層構造を中間層配線２２及び下層配線２３のそれぞれの具体的な配線構造として採用可能である。
【００１９】
下層配線２３を第１層の配線層であると仮定して説明すると、下層配線２３のそれぞれと、半導体基板１１の内部（表面部分）に設けられた不純物拡散領域との間は、表面絶縁層１２を構成している特定の層間絶縁膜を貫通するビアプラグ（図示省略）で、それぞれ接続されている。下層配線２３は、不純物を添加した多結晶シリコン層や、この多結晶シリコン層とＴａ、Ｔｉ、タングステン（Ｗ）或いは、バナジウム（Ｖ）等の高融点金属とのシリサイド膜との複合構造でもよい。ビアプラグ（コンタクトプラグ）は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｖ等の高融点金属で構成すればよい。
【００２０】
例えば、Ｗでビアプラグを構成した場合は、ビアプラグが設けられるビアホール（コンタクトホール）の側壁及び半導体基板１１の不純物拡散領域の表面に、ＴｉＮ／Ｔｉ等のバリア層を設けてもよい。同様に、中間層配線２２のそれぞれと対応する下層配線２３のそれぞれの間もビアプラグ（図示省略）で接続される。
【００２１】
表面電極２１は、表面絶縁層１２の上面にパターン形成された金属膜である。表面電極２１は、例えば矩形状の平面パターンを有する。表面電極２１は、例えばＡｌ、Ｃｕ等。表面電極２１は、例えば中間層配線２２のそれぞれとビアプラグ（図示省略）により接続される。或いは、表面絶縁層１２の上面を成して露出する上層配線（図示省略）を形成し、上層配線（図示省略）の上面に表面電極２１が配置されるようにしてもよい。この場合、上層配線（図示省略）は、中間層配線２２とビアプラグにより接続されればよい。中間層配線２２及び下層配線２３の間を接続するビアプラグや、表面電極２１及び中間層配線２２の間を接続するビアプラグには、高融点金属の他Ｃｕを用いてもよい。
【００２２】
パッシベーション膜３０は、例えば、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＰＳＧ膜、ＳｉＯＦ膜、ＳｉＯＣ膜等の無機系絶縁層の他、ＳｉＣＯＨ、ＨＳＱ、ポーラスメチルシルセスキオキサン膜やポリアリレン膜等の有機系絶縁層が使用可能である。パッシベーション膜３０は、単層構造であってもよく、上述の種々の絶縁膜層を組み合わせて積層した多様な多層構造であってもよい。
【００２３】
パッシベーション膜３０は、開口部３１により露出された表面電極２１の上面の一部を除く領域、及び表面絶縁層１２の上面を被覆するように配置される。このため、表面電極２１の位置に対応するパッシベーション膜３０の領域は、メサ（卓上台）状の台地としてその高さが他所より高い。表面電極２１の中心部は、パッシベーション膜３０からなるメサ状の台地に囲まれたカルデラ状の陥没部（凹部）を構成している。
【００２４】
バリアメタル膜４０は、開口部３１によりカルデラ状の底部に中央部の一部が露出された表面電極２１の上面、開口部３１の内側壁、及び、パッシベーション膜３０の上面の表面電極２１からなるメサ状の台地に連続して配置される。例えば、バリアメタル膜４０の平面パターンは、図１に示すように、矩形状とすることができる。バリアメタル膜４０は、表面電極２１と複数のマイクロバンプ５０との間を電気的に短絡接続する。
【００２５】
バリアメタル膜４０は、表面電極２１に含まれる金属とマイクロバンプ５０に含まれる金属との固相拡散反応を防止するバリア層を少なくとも有する。バリア層は、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、マンガン（Ｍｎ）、ルテニウム（Ｒｕ）、Ｗ、ニッケル（Ｎｉ）等の高融点金属からなる。バリアメタル膜４０は、金（Ａｕ）等を含む他の金属層をバリア層の他に有する多層構造であってもよい。
【００２６】
マイクロバンプ５０は、例えば、Ａｕ又はＡｕを８０％以上含むＡｕ−シリコン（Ｓｉ），Ａｕ−ゲルマニウム（Ｇｅ），Ａｕ−アンチモン（Ｓｂ），Ａｕ−錫（Ｓｎ），Ａｕ−鉛（Ｐｂ），Ａｕ−亜鉛（Ｚｎ），Ａｕ−Ｃｕ等の合金からなる。このため、マイクロバンプ５０は、接合時における変形が容易な硬度を有する。各マイクロバンプ５０は、バリアメタル膜４０の上面に接合された底面を有する錐体状である。
【００２７】
即ち、各マイクロバンプ５０は、先端（頂部）に向かうほど径が細くなる凸型形状である。図１に示す例において、２２個のマイクロバンプ５０が、バリアメタル膜４０の上面の開口部３１を除く領域に二次元マトリクス状に配列される。
【００２８】
具体的には、各マイクロバンプ５０は、例えば、図３及び図４に示すように、それぞれ数μｍの高さｈ及び直径ｗを有する円錐状である。高さｈは例えば２．５μｍであり、直径ｗは例えば２．５μｍである。マイクロバンプ５０は、例えば、開口部３１に対応する領域を除くバリアメタル膜４０の上面に一定ピッチで二次元マトリクス状に配列される。
【００２９】
マイクロバンプ５０の配列ピッチは、例えば１０μｍ以下である。１つのバリアメタル膜４０上に配置されるマイクロバンプ５０の数は、２２に限るものでなく、設計仕様に応じて様々な値をとる。また、マイクロバンプ５０の配列は、二次元マトリクス状に限るものではないが、１０μｍ以下のピッチであることが望ましい。マイクロバンプ５０の配列ピッチは、５μｍ以下であることが更に望ましく、直径ｗは、ピッチの１／２であることが望ましい。即ち、例えばピッチが２μｍであれば、直径ｗは１μｍであることが望ましい。
【００３０】
フォトリソグラフィ技術を考慮すると、一般的に、表面絶縁層１２の最上層の上面はＣＭＰ等により高精度に平坦化される。よって表面絶縁層１２の上面に設けられた表面電極２１の表面も高精度に平坦化される。更に表面電極２１の上のパッシベーション膜３０の表面も高精度に平坦化される。しかしながら、パッシベーション膜３０中に開孔する微細化された開口部は、フォトリソグラフィ技術により形成されたエッチングマスクを用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより選択的に除去することにより開孔される。
【００３１】
したがって、開口部に中央部の一部が露出された表面電極２１の表面は、ドライエッチングにより粗面化する。即ち、バリアメタル膜４０の上面において、開口部３１に対応するカルデラの底部領域は、パッシベーション膜３０のメサ状の台地領域の上面に比べて粗面である。このため、複数のマイクロバンプ５０をカルデラ状の底部領域に配置すると、被接続基体１０の所定の水平面を基準面として、その基準面から測ったマイクロバンプ５０の高さが、設計したマイクロバンプ５０の高さが同一であったと仮定してもばらつきが生じてしまう。
【００３２】
本発明の実施の形態に係る半導体装置では、複数のマイクロバンプ５０は、他のＩＣチップの配線ランド等の回路接続対象に押圧されることにより実装される。この実装時にマイクロバンプ５０の先端側が変形する。上述したとおり、本発明の実施の形態に係る半導体装置の表面絶縁層１２の上面はＣＭＰ法により高精度に平坦化されており、その上面に表面電極２１を介して形成されたパッシベーション膜３０も平坦な上面を有する。よって、パッシベーション膜３０の上方のメサ状の台地領域に設けられたバリアメタル膜４０の上面も同様に平坦である。
【００３３】
したがって、実装時にマイクロバンプ５０の先端側が変形し、回路接続対象と面接触をなすときに、マイクロバンプ５０の高さが一定となり、接合のばらつきを低減することができる。マイクロバンプ５０は、回路接続対象と互いに加圧されながら加熱又は超音波を印加されることにより、回路接続対象に圧着され、堅固に接合される。マイクロバンプ５０の高さが一定であるので、マイクロバンプ５０は、接合のばらつきを低減することができる。
【００３４】
一例として、Ａｕからなり、高さｈ及び直径ｗがそれぞれ２．５μｍの円錐状のマイクロバンプ５０を用いて接合時の接触抵抗を測定したところ、単位あたりの接触抵抗は、概ね０．３Ω程度であった。よって、多数のマイクロバンプ５０を配列することにより実用に十分な程度に接触抵抗を低減できる。また、錐体状の微細なマイクロバンプ５０を採用することにより、Ａｕ等の高価な材料の使用量を節減することができ、製造コストを低減することができる。
【００３５】
本発明の実施の形態に係る外部接続機構では、複数のマイクロバンプ５０が、パッシベーション膜３０の開口部３１に対応する領域を除くバリアメタル膜４０の上面に配置される。即ち、複数のマイクロバンプ５０は、バリアメタル膜４０の上面のうち、パッシベーション膜３０上の平坦な領域に配置される。
【００３６】
上述の通り、パッシベーション膜３０の上方におけるメサ状の台地領域のバリアメタル膜４０の上面は、開口部３１のカルデラの底部におけるバリアメタル膜４０の上面に比べて平坦である。よって、複数のマイクロバンプ５０は、被接続基体１０の所定の水平面を基準面として、その基準面から測った高さが均一化され、歩留まりが向上される。
【００３７】
なお、本発明の実施の形態に係る外部接続機構は、マイクロバンプ５０をカルデラの底部となる開口部３１のバリアメタル膜４０の上面に配置するような追加的な選択肢を否定するものではない。しかし、マイクロバンプ５０がカルデラの底部に配置される場合は、マイクロバンプ５０の高さは、先端側において回路接続対象と接合可能なように、パッシベーション膜３０の厚さより高い必要がある。
【００３８】
この点では、実施の形態に係る外部接続機構の基礎的な態様によれば、マイクロバンプ５０がバリアメタル膜４０を介してパッシベーション膜３０のメサ状の台地領域の上に配置することを基本としている。このため、基礎的な態様において、マイクロバンプ５０は、パッシベーション膜３０の厚さよりも高い高さを有する必要がなくなり、より微細な寸法を有することができる。
【００３９】
また、実施の形態に係る外部接続機構によれば、マイクロバンプ５０が微細な錐体状であることにより、回路接続対象に押圧されることにより先端側が容易に変形し、回路接続対象と面接触をなして圧着されることができる。これにより、実施の形態に係る外部接続機構は、接合のばらつきを更に低減することができる。
【００４０】
（外部接続機構の形成方法）
以下、図５〜図７を参照して、本発明の実施の形態に係る外部接続機構の形成方法を説明する。先ず、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等により表面絶縁層１２の最上層を堆積し、ＣＭＰ等によって表面絶縁層１２の最上層を平坦化する。次に平坦な表面絶縁層１２の最上層の上面に真空蒸着やスパッタリング法等によりＡｌ−Ｓｉ合金等の金属層を堆積する。そして金属層の上にメタライゼーション用フォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術によりメタライゼーション用フォトレジスト膜をパターニングし、メタライゼーション用マスクを形成する。このメタライゼーション用マスクを用いて金属層をＲＩＥ等のドライエッチングで選択エッチして表面電極２１のパターンを形成する。
【００４１】
メタライゼーション用マスクを除去した後、表面電極２１が配置されたパッシベーション膜３０の上面にパッシベーション膜３０をＣＶＤ法等で堆積する。そしてパッシベーション膜３０の上にコンタクトホール開孔用フォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術によりコンタクトホール開孔用フォトレジスト膜をパターニングし、コンタクトホール開孔用マスクを形成する。このコンタクトホール開孔用マスクを用いてパッシベーション膜３０をＲＩＥ等のドライエッチングで選択エッチして、表面電極２１の上面の一部を露出させる開口部３１を開孔する。
【００４２】
コンタクトホール開孔用マスクを除去した後、真空蒸着やスパッタリングによりＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属の多層膜を、真空中で連続的に成膜する。そして金属の多層膜の上にバリアメタル用フォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術によりバリアメタル用フォトレジスト膜をパターニングし、バリアメタル用マスクを形成する。このバリアメタル用マスクを用いて金属の多層膜をＲＩＥ等のドライエッチングで選択エッチしてバリアメタル膜４０のパターンを形成する。
【００４３】
次に、図５に示すように、パターニングされたバリアメタル膜４０が配置されたパッシベーション膜３０の上面の全面にバンプ形成用フォトレジスト膜６０を全面に塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術によりバンプ形成用フォトレジスト膜６０に複数の円形のマイクロバンプ用窓部６１を開口する。複数のマイクロバンプ用窓部６１は、パッシベーション膜３０の上方のバリアメタル膜４０の上面を露出するようにバンプ形成用フォトレジスト膜６０に円形に開口される。この開口された複数のマイクロバンプ用窓部６１は、各マイクロバンプ５０を形成する予定の複数の領域に対応する。マイクロバンプ用窓部６１は、互いに同一寸法の円からなる平面パターンを有する。例えば、各マイクロバンプ用窓部６１の平面パターンは、マイクロバンプ５０が直径ｗの円形の底面を有する円錐形状である場合、直径ｗの円形である。
【００４４】
次に、図６に示すように、バンプ形成用フォトレジスト膜６０をバンプ形成用マスクとして、マイクロバンプ用窓部６１により露出されたバリアメタル膜４０の上面に、ガスデポジション法を用いて金属ナノ粒子を、ヘリウム（Ｈｅ）等の不活性ガスと共に吹き付ける。ここでは金属ナノ粒子としてＡｕ又はＡｕを８０％以上含む合金のナノ粒子が採用可能である。バンプ形成用フォトレジスト膜６０の上からガスデポジション法により、高温のるつぼから蒸発したナノ寸法の金属粒子を、不活性ガスと共に減圧条件下で吹き付けることにより、マイクロバンプ用窓部６１内に金属の堆積が生じる。
【００４５】
しかし、このとき同時にマイクロバンプ用窓部６１の周囲のバンプ形成用フォトレジスト膜６０の上にも金属７０が堆積する。このため、図６に示すように、周囲のバンプ形成用フォトレジスト膜６０側からマイクロバンプ用窓部６１に覆いかぶさる庇（オーバーハング）が円の内側に向かって伸び始める。庇が伸び始めることにより、円形の窓部の開口径が次第に縮小し、最終的に閉じる。結果として、円形の窓部内には自己生成により互いに同一寸法の円錐形状を持つ金属突起状のマイクロバンプ５０が形成される。円錐体の頂点となるマイクロバンプ５０の先端は、マイクロバンプ用窓部６１の中心に形成される。
【００４６】
その後、バンプ形成用フォトレジスト膜６０及びバンプ形成用フォトレジスト膜６０上に堆積された金属７０を除去すれば、図７に示すように、Ａｕ又はＡｕ合金からなる複数のマイクロバンプ５０のパターンが完成する。なお、バンプ形成用フォトレジスト膜６０上に堆積した金属は再利用できる。
【００４７】
以上のように、バンプ形成用フォトレジスト膜６０の各マイクロバンプ用窓部６１のパターンを同一にしてガスデポジション法により金属粒子を堆積することにより、互いに同一形状の円錐形状の複数のマイクロバンプ５０を高精度に形成することができる。
【００４８】
なお、マイクロバンプ５０の形状は、円錐形状に限るものでなく、角錐形状であってもよい。例えば、図８及び図９に示すように、マイクロバンプ５０の形状を一辺の長さｗの正方形の底面を有する四角錐形状とする場合、バンプ形成用フォトレジスト膜６０に開孔するマイクロバンプ用窓部６１の平面パターンは、一辺の長さｗの正方形とすればよい。これにより、正方形状に露出されたバリアメタル膜４０の上面に金属粒子が堆積していくと共に、マイクロバンプ用窓部６１の４辺のバンプ形成用フォトレジスト膜６０から延びる庇により開口径が次第に縮小し、自己生成的に四角錐形状のマイクロバンプ５０が形成される。
【００４９】
（積層パッケージ）
本発明の実施の形態に係る積層パッケージは、例えば図１０に示すように、被接続基体１０が他の接続対象基体８０と対向配置されて構成されている。被接続基体１０と接続対象基体８０とが互いに積層されることにより、被接続基体１０の回路要素が接続対象基体８０の回路要素に接続される。接続対象基体８０は、例えば、絶縁回路基板８１と、絶縁回路基板８１の下面に配置された複数の配線ランド８２_1，８２_2，８２_3と、絶縁回路基板８１の内部に埋め込まれた上層内部配線８３と、絶縁回路基板８１を介して上層内部配線８３の上に配置された下層内部配線８４とを備えるインターポーザである。
【００５０】
絶縁回路基板８１は、図１０において単層の膜のように簡略表現されているが、実際には、３層以上の絶縁層からなる多層の絶縁膜である。また図１０では簡略化のために２層の内部配線層を例示しているが、実際には、インターポーザの設計仕様に応じて、３層以上の多層の内部配線層を採用してもよい。なお、上層内部配線８３及び下層内部配線８４は、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3側を上とする上下が逆の定義となっている。
【００５１】
図１０に示す例において、実施の形態に係る外部接続機構は、被接続基体１０の上面に互いに離間して配置された複数の表面電極２１_1，２１_2，２１_3を有する。よって、パッシベーション膜３０は、表面電極２１_1，２１_2，２１_3の各上面の一部を露出する複数の開口部３１_1，３１_2，３１_3を有し、被接続基体１０の上面及び表面電極２１_1，２１_2，２１_3を被覆する。
【００５２】
開口部３１_1，３１_2，３１_3に中央部の一部が露出された表面電極２１_1，２１_2，２１_3の各カルデラ凹部からパッシベーション膜３０の上面までの間には、複数のバリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3がカルデラ凹部の形状に沿って被覆されている。メサ状の台地をなすパッシベーション膜３０の上面における各バリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3の各上面には、それぞれ複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3が配置される。
【００５３】
バリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3上にそれぞれ配列された複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3を１つのグループとすると、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、例えば、第１グループのマイクロバンプ５０_1が配列された領域，第２グループのマイクロバンプ５０_2が配列された領域，第３グループのマイクロバンプ５０_3が配列された領域にそれぞれ対応するように配置される。
【００５４】
即ち、バリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3の各上面の広範にそれぞれマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3が配列される場合、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、バリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3と同一の平面パターンを有し得る。配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、マイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3が接合して回路接続される「接合対象電極」である。配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、Ａｕ又はＡｕを８０％以上含むＡｕ−Ｓｉ，Ａｕ−Ｇｅ，Ａｕ−Ｓｂ，Ａｕ−Ｓｎ，Ａｕ−Ｐｂ，Ａｕ−Ｚｎ，Ａｕ−Ｃｕ等の合金からなる。下地にＮｉ等の金属層を用いた多層構造でも構わない。また、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、マイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3の個々に対応して円形のパターンのグループとして設けられてもよい。
【００５５】
接続対象基体８０に配列された配線ランド８２_1，８２_2，８２_3は、例えば絶縁回路基板８１の上層内部配線８３のそれぞれとビアプラグ（図示省略）等により内部接続される。或いは、絶縁回路基板８１の下面を成して露出する表面配線（図示省略）を形成し、表面配線（図示省略）の上面に配線ランド８２_1，８２_2，８２_3が配置されるようにしてもよい。この場合、表面配線（図示省略）は、上層内部配線８３とビアプラグにより接続されればよい。また、上層内部配線８３と下層内部配線８４との間もビアプラグ（図示省略）により接続される。
【００５６】
複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3は、それぞれ配線ランド８２_1，８２_2，８２_3に接合することにより、表面電極２１_1，２１_2，２１_3及び配線ランド８２_1，８２_2，８２_3との間を電気的に短絡接続する。具体的には、被接続基体１０の上面と絶縁回路基板８１の下面とを、複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3及び配線ランド８２_1，８２_2，８２_3のそれぞれが対応するように平行に対向させ、互いに加圧させながら加熱又は超音波のエネルギーを印加する。これにより、マイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3の各先端が容易に変形し、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3の各下面と面接触をなして圧着される。
【００５７】
上述の通り、被接続基体１０を構成している表面絶縁層１２の最上層の上面はＣＭＰ法により高精度に平坦化されており、表面絶縁層１２の最上層の上面にパターニングされた表面電極２１_1，２１_2，２１_3、及び表面電極２１_1，２１_2，２１_3の各上面を被覆するパッシベーション膜３０は、それぞれ互いに面レベルが一致する平坦な上面を有する。実施の形態に係る外部接続機構では、ドライエッチングにより粗面化された表面電極２１_1，２１_2，２１_3のカルデラ状の凹部の領域をそれぞれ囲むメサ状の台地の領域において、バリアメタル膜４０_1，４０_2，４０_3の各上面に複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3がそれぞれ形成される。このため、複数のマイクロバンプ５０_1，５０_2，５０_3は、被接続基体１０中に任意に設定される水平レベルから測ったそれぞれの高さが均一化され、配線ランド８２_1，８２_2，８２_3に対する接合のばらつきが低減され、結果として、歩留まりが向上される。
【００５８】
（第１変形例）
上述の実施の形態においては、１つのバリアメタル膜４０の上面に二次元配列された２２個のマイクロバンプ５０について説明したが、マイクロバンプ５０ａは、図１１及び図１２に示すように、設計上の要請に応じて一次元配列であってもよい。
【００５９】
実施の形態の第１変形例に係る外部接続機構は、図１１及び図１２に示すように、表面電極２１ａと、表面電極２１ａの上面の一部を露出する開口部３１ａとの平面パターン上の面積比が小さい。このため、図１〜図１０に例示した実施の形態の構造と比べて、表面電極２１ａ及びパッシベーション膜３０ａの上方においてバリアメタル膜４０ａを配置可能な面積が少ない。この場合、開口部３１ａを表面電極２１ａの一方側に寄せて配置することにより、表面電極２１ａ及びパッシベーション膜３０ａの上方にメサ状の台地として位置するバリアメタル膜４０ａの上面に複数のマイクロバンプ５０ａを一列に並べて配置することが可能となる。
【００６０】
図１〜図１０に例示した実施の形態と同様に、図１１及び図１２において、それぞれ１つの表面電極２１ａ、開口部３１ａ、バリアメタル膜４０ａ及びその上面に配置された複数のマイクロバンプ５０ａからなるバンプ接続構造が図示されているが、実施の形態の第１変形例に係る外部接続機構は、複数のバンプ接続構造を有する。上述のように、表面電極２１ａの上方においてメサ状の台地を構成するパッシベーション膜３０の上面は、他の表面電極のメサ状の台地のパッシベーション膜３０の上面と面レベルが一致し、それぞれ平坦である。このため、複数のマイクロバンプ５０ａは、被接続基体１０中に任意に設定される水平レベルから測ったそれぞれの高さが均一化され、回路接続対象との接合のばらつきが低減され、歩留まりが向上される。
【００６１】
（第２変形例）
また、図１３及び図１４に示すように、図１〜図１０に例示した実施の形態に係る外部接続機構と比較して、開口部３１ｂの内側におけるバリアメタル膜４０ｂの上面に配置された錐体形状の補助バンプ５１を更に備えるようにしてもよい。補助バンプ５１は、表面電極２１ｂ及びパッシベーション膜３０ｂの上方におけるバリアメタル膜４０ｂの上面に配置された各マイクロバンプ５０ｂより大きな寸法を有する。また、補助バンプ５１は、被接続基体１０の所定の水平面を基準面として、その基準面から測った高さが他のマイクロバンプ５０にほぼ等しい。
【００６２】
図１３及び図１４に示す例において、１つの補助バンプ５１が図示されているが、補助バンプ５１の数は複数であってもよい。但し、補助バンプ５１の数は、材料コスト及びマイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１の高さのばらつきの観点からマイクロバンプ５０ｂの数より少ないことが望ましい。補助バンプ５１は、マイクロバンプ５０ｂと同様に錐体形状を有することにより、回路接続対象に押圧されることにより容易に変形し、マイクロバンプ５０ｂと共に接合のばらつきを低減することができる。
【００６３】
図１５を参照して、補助バンプ５１の形成方法を説明する。先ず、図５に示す例と同様に、バリアメタル膜４０ｂを形成した後に、パッシベーション膜３０の全面にバンプ形成用フォトレジスト膜６０を塗布する。そして、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、バンプ形成用フォトレジスト膜６０の、マイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１を形成する予定の各領域に、バリアメタル膜４０ｂの上面を露出するマイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２をそれぞれ開口する。補助窓部６２の直径ｗ２は、マイクロバンプ用窓部６１の直径ｗ１より大きい。補助窓部６２は、開口部３１ｂ内に位置するバリアメタル膜４０ｂの上面を露出するように形成される。
【００６４】
次に、バンプ形成用フォトレジスト膜６０をバンプ形成用マスクとして、マイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２露出されたバリアメタル膜４０ｂの上面に、ガスデポジション法を用いて金属ナノ粒子を、Ｈｅ等の不活性ガスと共に吹き付ける。金属ナノ粒子としてはＡｕ又はＡｕ合金のナノ粒子が採用可能である。バンプ形成用フォトレジスト膜６０の上からガスデポジション法により、高温のるつぼから蒸発したナノ寸法の金属粒子を、不活性ガスと共に減圧条件下で吹き付けることにより、マイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２内に金属の堆積が生じる。
【００６５】
このとき同時にマイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２の周囲からも金属７０の堆積が発生し、マイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２に覆いかぶさる庇を生じる。庇が生じることにより、窓部の開口径が次第に縮小し、最終的に閉じる。結果として、窓部内には自己生成により互いに同一寸法の錐体形状を持つ金属突起状のマイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１が形成される。錐体の頂点となるマイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１の先端は、マイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２の各中心に形成される。
【００６６】
補助窓部６２の直径ｗ２はマイクロバンプ用窓部６１の直径ｗ１より大きいため、庇により補助窓部６２の開口が閉じる時刻がマイクロバンプ用窓部６１より遅い。このため、補助窓部６２内にはマイクロバンプ用窓部６１多くの金属が堆積し、マイクロバンプ５０ｂより直径及び高さが大きな補助バンプ５１が形成される。よって、バンプ形成用フォトレジスト膜６０に開口するマイクロバンプ用窓部６１及び補助窓部６２の相対的な寸法を検討することにより、マイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１の、被接続基体１０中に任意に設定される水平レベルから測った高さを同一にすることができる。
【００６７】
最後に、バンプ形成用フォトレジスト膜６０及びバンプ形成用フォトレジスト膜６０上に堆積された金属７０を除去すれば、Ａｕ又はＡｕ合金からなる複数のマイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１のパターンが完成する。以上のように、被接続基体１０中に任意に設定される水平レベルから測った高さがほぼ同一なマイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１を形成することができる。
【００６８】
上述のように、開口部３１のカルデラの底部に位置するバリアメタル膜４０ｂの上面は、パッシベーション膜３０のドライエッチング時に表面電極２１ｂの表面が粗面化されることにより粗面となっている。カルデラの底部が粗面となれば、マイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１それぞれの、被接続基体１０の所定の水平面を基準面として、その基準面から測った高さにばらつきが生じる可能性がある。しかしながら、マイクロバンプ５０ｂ及び補助バンプ５１は、それぞれ錐体形状であるため、先端が容易に変形可能であり、接合のばらつきを低減することができる。
【００６９】
また、補助バンプ５１は、バリアメタル膜４０ｂを介して表面電極２１ｂの上面に配置されるため、複数のマイクロバンプ５０ｂと共に表面電極２１ｂ及び回路接続対象間の電気抵抗を更に低減することができる。
【００７０】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００７１】
例えば、図１０に例示した実施の形態において、外部接続機構がＩＣチップ上に配置され、外部接続機構が接続する回路接続対象をインターポーザとして説明したが、外部接続機構は、例えば、他の複数のＩＣチップと多層に積層することにより他の複数のＩＣチップと共に三次元集積回路を構成することができる。また、外部接続機構が備えるバンプ接続構造は、インターポーザの配線ランドを表面電極２１としてインターポーザ側にも同様に適用されてもよい。
【００７２】
また、図１〜図１０に例示した実施の形態においては、バリアメタル膜４０の外周位置（専有面積）が、表面電極２１に対応してパッシベーション膜３０のメサ状の台地領域の上に配置される。このため、マイクロバンプ５０は、表面電極２１の上方となるメサ状の台地をなすパッシベーション膜３０の上面において、バリアメタル膜４０の上面に配置される。しかしながら、仮にパッシベーション膜３０が表面電極２１より厚く、且つＣＭＰ法等により平坦化されてメサ状の台地のトポロジーを失えば、バリアメタル膜４０の平面パターンの外周位置は表面電極２１に対応する必要はない。
【００７３】
その他、上記の実施の形態において説明される各構成を任意に応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００７４】
１０  被接続基体
２１，２１ａ，２１ｂ  表面電極
３０，３０ａ，３０ｂ  パッシベーション膜
３１，３１ａ，３１ｂ  開口部
４０，４０ａ，４０ｂ  バリアメタル膜
５０，５０ａ，５０ｂ  マイクロバンプ
５１  補助バンプ
６０  バンプ形成用フォトレジスト膜
【図１】
2018190774.tif 000003
【図２】
2018190774.tif 000004
【図３】
2018190774.tif 000005
【図４】
2018190774.tif 000006
【図５】
2018190774.tif 000007
【図６】
2018190774.tif 000008
【図７】
2018190774.tif 000009
【図８】
2018190774.tif 000010
【図９】
2018190774.tif 000011
【図１０】
2018190774.tif 000012
【図１１】
2018190774.tif 000013
【図１２】
2018190774.tif 000014
【図１３】
2018190774.tif 000015
【図１４】
2018190774.tif 000016
【図１５】
2018190774.tif 000017