(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の表面の一部の領域上に形成された導電性の電極パッドと、
前記電極パッドを覆う絶縁膜であって、該電極パッドの上面の少なくとも一部を露出させる開口が形成された前記絶縁膜と、
前記開口の底面に露出している電極パッドの上面、及び前記絶縁膜の表面のうち該開口の周囲のある領域上に形成され、Ｃｕ層と、該Ｃｕ層の上に配置されたＣｕ以外の導電材料からなる層とを含むバリア層と、
前記バリア層に密着し、構成元素として錫を含む導電性のバンプと
を有し、
前記バリア層の下地表面の、前記バリア層の外周と前記開口の外周との間の領域内に、段差が形成されており、
前記バリア層中のＣｕ層の端面が、前記バンプに接しており、
前記段差の高さが、前記Ｃｕ層の厚さよりも大きく、
前記絶縁性の表面の法線方向に沿って見たとき、前記溝もしくは尾根が、前記開口を１周する少なくとも１本の閉じたパターンを含む半導体装置。
【請求項２】
前記段差が、前記開口を取り囲む溝もしくは尾根により形成されている請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
絶縁性の表面の一部の領域上に形成された導電性の電極パッドと、
前記電極パッドを覆う絶縁膜であって、該電極パッドの上面の少なくとも一部を露出させる開口が形成された前記絶縁膜と、
前記開口の底面に露出している電極パッドの上面、及び前記絶縁膜の表面のうち該開口の周囲のある領域上に形成され、Ｃｕ層と、該Ｃｕ層の上に配置されたＣｕ以外の導電材料からなる層とを含むバリア層と、
前記バリア層に密着し、構成元素として錫を含む導電性のバンプと
を有し、
前記バリア層の下地表面の、前記バリア層の外周と前記開口の外周との間の領域内に、段差が形成されており、
前記バリア層中のＣｕ層の端面が、前記バンプに接しており、
前記段差の高さが、前記Ｃｕ層の厚さよりも大きく、
前記絶縁性の表面の法線方向に沿って見たとき、前記溝もしくは尾根が複数の細長いパターンを含み、前記開口内のある一点を中心として、半直線を１回転させた時、いずれの位置においても、前記半直線と前記複数の細長いパターンの少なくとも一つとが交差するように、前記溝もしくは尾根が配置されている半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特にパッド上にバンプを設けた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に、半導体装置の従来の電極パッド及びその上に配置したバンプの断面図を示す。
【０００３】
半導体基板上に、層間絶縁膜１００が形成されている。層間絶縁膜１００の上面の一部の領域上に電極パッド１０１が形成されている。電極パッド１０１及び層間絶縁膜１００の表面を、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との２層構造を有する保護膜１０２が覆う。保護膜１０２に、電極パッド１０１の上面の一部を露出させる開口１０２ａが形成されている。
【０００４】
電極パッド１０１及びその近傍の保護膜１０２の上に、ポリイミドからなる絶縁膜１０３が形成されている。絶縁膜１０３に、電極パッド１０１の上面の一部を露出させる開口１０３ａが形成されている。開口１０３ａの内面、及び開口１０３ａ近傍の絶縁膜１０３の上面を、Ｔｉ膜１０５、Ｃｕ膜１０６、及びＮｉ膜１０７の３層からなる積層が覆う。Ｎｉ膜１０７の上に、半田バンプ１０８が形成されている。
【０００５】
Ｔｉ膜１０５は、Ｃｕ膜１０６の密着性を高める。Ｃｕ膜１０６は、Ｎｉ膜１０７の密着性を高める。Ｎｉ膜１０７は、半田バンプ１０８の構成元素が電極パッド１０１まで拡散することを防止する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半田バンプ１０８は、Ｎｉ膜１０７の上面のみならず、Ｃｕ膜１０６からＮｉ膜１０７までの積層の端面をも覆う。半田バンプ１０８を融解すると、半田バンプ１０８内の錫（Ｓｎ）原子が、Ｃｕ膜１０６の端面からＣｕ膜１０６中に拡散する。Ｓｎ原子が拡散した領域は、体積膨張を引き起こすため、Ｃｕ膜１０６の剥離が生じやすくなる。
【０００７】
Ｃｕ膜１０６が剥離すると、Ｔｉ膜１０５とＣｕ膜１０６との界面に生じた隙間内に半田が侵入する。侵入した半田から、さらにＳｎ原子がＣｕ膜１０６内に拡散するため、剥離が内側に向かって進行する。剥離が進行すると、バンプの密着度が低下してしまう。また、Ｓｎ原子が電極パッド１０１まで到達すると、配線抵抗の増大等の電気的特性の劣化が生ずる。
【０００８】
本発明の目的は、バンプの密着度の低下及びバンプに接続されている配線の抵抗の増大が生じにくい半導体装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
絶縁性の表面の一部の領域上に形成された導電性の電極パッドと、
前記電極パッドを覆う絶縁膜であって、該電極パッドの上面の少なくとも一部を露出させる開口が形成された前記絶縁膜と、
前記開口の底面に露出している電極パッドの上面、及び前記絶縁膜の表面のうち該開口の周囲のある領域上に形成され、Ｃｕ層と、該Ｃｕ層の上に配置されたＣｕ以外の導電材料からなる層とを含むバリア層と、
前記バリア層に密着し、構成元素として錫を含む導電性のバンプと
を有し、
前記バリア層の下地表面の、前記バリア層の外周と前記開口の外周との間の領域内に、段差が形成されており、
前記バリア層中のＣｕ層の端面が、前記バンプに接しており、
前記段差の高さが、前記Ｃｕ層の厚さよりも大きく、
前記絶縁性の表面の法線方向に沿って見たとき、前記溝もしくは尾根が、前記開口を１周する少なくとも１本の閉じたパターンを含む半導体装置が提供される。
【００１０】
バリア層が、その外周から徐々に剥離した場合、段差が剥離の進行を防止する。このため、バリア層の剥離を抑制し、バンプの密着度を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例による半導体装置の断面図を示す。図１に示すように、シリコン基板１の表面上にフィールド酸化膜２が形成され、フィールド酸化膜２によって活性領域が画定されている。活性領域内に、ＭＯＳＦＥＴ３が形成されている。フィールド酸化膜２の上に、多層配線層４が形成されている。多層配線層４は、層間絶縁膜と配線層とが交互に積層された構造を有し、異なる配線層内の配線が、層間絶縁膜に形成されたビアホールを通して、相互に電気的に接続される。
【００１２】
多層配線層４の最上層に層間絶縁膜１０が配置されている。層間絶縁膜１０の表面の一部の領域上に、Ｃｕで形成された電極パッド１１が配置されている。電極パッド１１は、層間絶縁膜１０の表面上に形成された配線に連続し、多層配線層４内に形成された配線５を介して、ＭＯＳＦＥＴ３のソースもしくはドレイン領域に電気的に接続されている。なお、電極パッド１１は、シリコン基板１の表面上に形成された他の電子回路部品に接続される場合もある。
【００１３】
窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との２層構造を有する保護膜１２が、層間絶縁膜１０及び電極パッド１１の表面を覆う。保護膜１２の、電極パッド１１に対応する領域に開口１２ａが形成されている。開口１２ａの底面に、電極パッド１１の上面の一部が露出する。
【００１４】
開口１２ａの内面、及び開口１２ａの近傍の保護膜１２の表面上にポリイミドからなる厚さ４μｍの絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５の、電極パッド１１に対応する領域に、開口１５ａが形成されている。開口１５ａは、開口１２ａに内包される。絶縁膜１５に、保護膜１２の上面まで達する溝１５ｂが形成されている。溝１５ｂは、基板法線方向に沿って見たとき、開口１５ａを１周する環状のパターンを有する。
【００１５】
図２に、電極パッド１１の近傍の平面図を示す。電極パッド１１は、例えば正八角形の平面形状を有し、配線１１ａに連続している。絶縁膜１５の外周が、電極パッド１１を取り囲む。電極パッド１１の内側に開口１２ａが配置され、その内側に開口１５ａが配置されている。開口１２ａ、１５ａ及び絶縁膜１５も、正八角形の平面形状を有する。絶縁膜１５の外周よりもやや内側に、溝１５ｂが配置されている。
【００１６】
開口１５ａの外周が構成する正八角形の対向する一対の辺の間隔は４０μｍである。絶縁膜１５の外周線で構成される正八角形の対向する一対の辺の間隔は１００μｍである。また、溝１５ｂの内側の縁で構成される正八角形の対向する辺の間隔は８６μｍ、溝１５ｂの幅は２μｍである。すなわち、溝１５ｂは、絶縁膜１５の外周よりも５μｍだけ内側に配置されている。
【００１７】
図１に戻って説明を続ける。開口１５ａの内面から、絶縁膜１５の上面及び溝１５ｂの内面を経由して、絶縁膜１５の外周よりもやや内側の領域までを、バリア層１９が覆う。バリア層１９は、基板側から順番に、厚さ５００ｎｍのＴｉ膜１６、厚さ５００ｎｍのＣｕ膜１７、及び厚さ５μｍのＮｉ膜１８が積層された３層構造を有する。
【００１８】
バリア層１９の上に、半田バンプ２０が密着している。半田バンプ２０は、Ａｇ濃度が２．６重量％のＳｎＡｇ合金で形成されており、バリア層１９の上面のみならず、その端面をも覆っている。
【００１９】
次に、図３及び図４を参照して、図１に示した半導体装置の製造方法について説明する。なお、層間絶縁膜１０よりも下層の構造は、周知の半導体プロセスで形成することができるため、ここでは層間絶縁膜１０よりも上層の構造の製造方法について説明する。
【００２０】
図３（Ａ）に示した状態までの工程について説明する。層間絶縁膜１０の表面上に、Ｃｕ膜をスパッタリングにより堆積する。このＣｕ膜をパターニングすることにより、電極パッド１１を形成する。電極パッド１１及び層間絶縁膜１０の表面上に、窒化シリコン膜を堆積し、その上に酸化シリコン膜を堆積する。窒化シリコン膜と酸化シリコン膜の堆積は、化学気相成長（ＣＶＤ）により行われる。窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との２層を貫通する開口１２ａを形成し、その他の領域に保護膜１２を残す。
【００２１】
保護膜１２の表面上に感光性のポリイミド層１５Ａをスピンコートにより形成し、１５０℃で９０秒から２分のプリベークを行う。なお、ポリイミド層１５Ａは、イミド化後の厚さが４μｍになるような厚さとする。
【００２２】
図３（Ｂ）に示すように、ポリイミド層１５Ａを選択的に露光し、現像することによって、不要な部分のポリイミド層１５Ａを除去するとともに、開口１５ａ及び溝１５ｂを形成する。現像後、３７０〜３８０℃で１時間のキュアを行う。
これにより、ポリイミドからなる厚さ４μｍの絶縁膜１５が形成される。
【００２３】
図３（Ｃ）に示すように、絶縁膜１５及び保護膜１２の上に、厚さ５００ｎｍのＴｉ膜１６Ａ、及び厚さ５００ｎｍのＣｕ膜１７Ａを、スパッタリングにより堆積する。
【００２４】
図４（Ｄ）に示すように、図１に示したバリア層１９を配置すべき領域に開口を有するレジストパターン３０を形成する。レジストパターン３０の厚さは約１０μｍである。
【００２５】
図４（Ｅ）に示すように、レジストパターン３０の開口部に露出したＣｕ層１７Ａの上に、電界メッキにより厚さ５μｍのＮｉ層１８を形成する。Ｎｉ層１８を形成した後、レジストパターン３０を除去する。
【００２６】
その後、Ｎｉ層１８をマスクとして、Ｃｕ層１７Ａ及びＴｉ層１６Ａをエッチングする。Ｃｕ層１７Ａのエッチングには、過酸化水素と酢酸と水との混合液を用いる。Ｔｉ層１６Ａのエッチングには、フッ酸と水との混合液を用いる。これにより、図１に示したバリア層１９が形成される。
【００２７】
バリア層１９の上に、転写法により半田ボールを転写する。半田ボールの転写後、基板を窒素と水素との混合ガス雰囲気中に配置し、２７０℃で熱処理を行う。半田ボールがリフローし、図１に示した半球状のバンプ電極２０が形成される。
【００２８】
上記第１の実施例においても、図７に示した従来例の場合と同様に、リフロー期間中に、ＳｎがＣｕ層１７の端面からＣｕ層１７内に拡散する。ところが、第１の実施例の場合には、図７に示した従来の場合に比べて、Ｓｎの侵入の深さが浅い。これは、バリア層１９の下地表面に、溝１５ｂに起因する段差が形成されているためと考えられる。
【００２９】
また、Ｃｕ層１７の、Ｓｎの拡散した部分の体積が膨張し、Ｃｕ層１７が、その端部から持ち上がる。溝１５ｂが障壁となるため、Ｃｕ層１７の持ち上がりは、溝１５ｂの位置で停止し、それよりも内側まで進行しない。このため、バリア層１９の十分な密着性を確保することができる。十分な効果を得るためには、溝１５ｂによる段差の高さを、Ｃｕ層１７の厚さよりも大きくすることが好ましい。また、Ｃｕ層１７の上面が、バリア層１９の下地表面の凹凸に倣うような構成とすることが好ましい。
【００３０】
ＳｎがＣｕ層１７内に拡散する現象は、バンプ材料としてＰｂＳｎ半田を用いる場合にも生ずる。しかし、ＰｂＳｎ半田においては、Ｓｎの含有量が５重量％程度と少ないため、Ｓｎの拡散に起因する問題が顕在化しない。上記第１の実施例のように、Ｓｎの含有量の多いＳｎＡｇ半田等を用いる場合に、大きな効果が期待される。特に、Ｓｎの含有量が５０重量％以上の場合に、顕著な効果が期待できるであろう。
【００３１】
図２に示した溝１５ｂが、絶縁膜１５の縁から離れた位置に配置されると、溝１５ｂによる剥離の進行防止効果の意味が薄くなってしまう。絶縁膜１５の中心からその外周までの長さをａ、溝１５ｂの外側の縁までの長さをｂ、絶縁膜１５の外周から溝１５ｂの外側の縁までの長さをｃとしたとき、ａ≦２ｂ、かつｃ≧２μｍの条件を満足するように、溝１５ｂを配置することが好ましい。
【００３２】
次に、図５を参照して、第１の実施例の変形例について説明する。第１の実施例では、溝１５ｂが、開口１５ａを１周する環状パターンを有する場合を説明した。図５（Ａ）に示す変形例では、溝１５ｂが２本配置されている。２本の溝の各々が、開口１５ａを１周する環状パターンを有する。例えば、各溝の幅は２μｍであり、２本の溝の間隔も２μｍである。内側の溝の内側の縁で構成される正八角形の対向する一対の辺の間隔は、例えば７８μｍである。なお、溝の本数を３本以上としてもよい。
【００３３】
図５（Ｂ）に示す変形例では、２本の溝１５ｂの各々が閉じておらず、開いたパターンを有する。開口１５ａ内のある一点を中心として、半直線を１回転させた時、いずれの位置においても、その半直線と２本の溝１５ｂの少なくとも一方とが交差するように、２本の溝が配置されている。すなわち、２本の溝が、開口１５ａを中心とした円周方向に関して部分的に重なっている。例えば、一方の溝は、図５（Ａ）に示した２本の溝のうち内側の溝の一部で構成され、他方の溝は、外側の溝の一部で構成される。なお、溝の本数を３本以上としてもよい。
【００３４】
図５に示した変形例の場合にも、第１の実施例の場合と同様の効果が期待できる。図５（Ａ）に示した変形例においては、開口１５ａを中心とした径方向に関して２本の溝が配置される。このため、Ｃｕ層１７内へのＳｎの拡散の深さが、第１の実施例の場合の拡散の深さよりもさらに浅くなるであろう。
【００３５】
図６に、第２の実施例による半導体装置の断面図を示す。第２の実施例では、図１に示した第１の実施例の半導体装置の溝１５ｂの代わりに、開口１５ａを１周する環状の尾根２２が絶縁膜１５の表面上に形成されている。尾根２２の高さは４μｍであり、絶縁膜１５の厚さとほぼ等しい。その他の構成は、第１の実施例の場合と同様である。
【００３６】
以下、尾根２２の形成方法について説明する。第１の実施例による半導体装置の製造方法の説明で用いた図３（Ｂ）の工程において、溝１５ｂを形成する部分にポリイミドからなる絶縁膜１５を残しておく。絶縁膜１５をイミド化した後、２層目のポリイミド層をスピンコートにより形成する。この２層目のポリイミド層を露光し、現像することにより、尾根２２を残す。尾根２２を形成した後の工程は、第１の実施例で説明した製造方法と同様である。
【００３７】
図６に示した第２の実施例による半導体装置においても、尾根２２が、バリア層１９の剥離の進行を防止する。なお、尾根２２の平面形状を、図５に示した第１の実施例の変形例における溝１５ｂと同様のパターンとしてもよい。
【００３８】
上記第１の実施例の半導体装置では、バリア層１９の下地表面に溝１５ｂによる段差が形成され、第２の実施例による半導体装置では、尾根２２による段差が形成されている。このように、バリア層１９の下地表面に、段差を形成しておくことにより、Ｓｎの拡散を抑制するとともに、バリア層１９の剥離を防止することができる。
【００３９】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、バリア層の下地表面に段差を形成しておくことにより、バリア層の剥離の進行を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による半導体装置の断面図である。
【図２】第１の実施例による半導体装置のバンプ部の平面図である。
【図３】第１の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための、製造途中の装置の断面図（その１）である。
【図４】第１の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための、製造途中の装置の断面図（その２）である。
【図５】第１の実施例の変形例による半導体装置のバンプ部の平面図である。
【図６】本発明の第２の実施例による半導体装置の断面図である。
【図７】従来の半導体装置のバンプ部の断面図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  フィールド酸化膜
３  ＭＯＳＦＥＴ
４  多層配線層
５  配線
１０  層間絶縁膜
１１  電極パッド
１１ａ  配線
１２  保護膜
１２ａ  開口
１５  絶縁膜
１５ａ  開口
１５ｂ  溝
１６  Ｔｉ層
１７  Ｃｕ層
１８  Ｎｉ層
１９  バリア層
２０  半田バンプ
２２  尾根
【図１】
0004750926.tif 000002
【図２】
0004750926.tif 000003
【図３】
0004750926.tif 000004
【図４】
0004750926.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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