(57)【要約】【課題】  はんだからなるバンプの形成工程中やフリップチップ実装時に、スズのようなはんだ成分がバンプ電極のアンダーバリアメタルを透過してその下のパッド電極と反応し、バンプとパッド電極間の接合信頼性が低下することを防止する。【解決手段】  半導体基板１上に形成されたパッド電極３とはんだからなるバンプ８間にアンダーバリアメタル６が形成される。アンダーバリアメタル６は保護絶縁膜４に形成された開口５に露出するパッド電極３上から開口５周囲の保護絶縁膜４上までを被覆する。しかしバンプ８の底面はアンダーバリアメタル６より小さく、望ましくは開口５より小さく、且つ開口５内部領域の垂直上方に形成される。【選択図】  図１
2012190939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に形成された保護絶縁膜と、
前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に設けられ、前記保護絶縁膜から前記パッド電極の表面を露出させる開口と、
前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するように形成されたアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタル上に設けられ、底面の面積が前記アンダーバリアメタルの面積より小さい、はんだからなるバンプと
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記アンダーバリアメタルは、その膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦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】
前記バンプの底面は、前記アンダーバリアメタル上の、前記開口に包含される領域に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記アンダーバリアメタルと前記バンプとの間に、前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素と前記はんだの成分元素とを含む金属層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属層は、前記アンダーバリアメタル上の、前記開口に包含される領域に位置していることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記金属層は、前記バンプの底面と同一面積で且つ全面で接していることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素は、少なくともＡｕ、ＡｇまたはＰｄのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記はんだの成分元素はＳｎであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記アンダーバリアメタルはＮｉとＰとの合金からなることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板上に形成されたパッド電極と、
前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に形成された保護絶縁膜と、
前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に設けられ、前記保護絶縁膜から前記パッド電極の表面を露出させる開口と、
前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するように形成され、その膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦であるアンダーバリアメタルと、
前記アンダーバリアメタル上に設けられたはんだからなるバンプと
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１１】
前記アンダーバリアメタルの膜厚は前記保護絶縁膜の膜厚の２〜６倍であることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
請求項１または２に記載の構成を有する第１の半導体装置および第２の半導体装置が、前記第１の半導体装置および前記第２の半導体装置それぞれが有するバンプによって接合されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
半導体基板上にパッド電極を形成する工程と、
前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に保護絶縁膜を形成する工程と、
前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に、前記パッド電極の表面を露出させる開口を形成する工程と、
前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するようにアンダーバリアメタルを形成する工程と、
前記アンダーバリアメタル上に、前記アンダーバリアメタルの面積より小さい面積の金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にはんだ材料を供給する工程と、
前記はんだ材料を溶融し、前記金属膜上にはんだからなるバンプを形成する工程と
を含み、
前記金属膜は、前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素は、少なくともＡｕ、ＡｇまたはＰｄのうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記アンダーバリアメタルはＮｉとＰとの合金からなることを特徴とする請求項１３または１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
半導体基板上にパッド電極を形成する工程と、
前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に保護絶縁膜を形成する工程と、
前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に、前記パッド電極の表面を露出させる開口を形成する工程と、
めっき法を用いて、前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆し、膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦であるアンダーバリアメタルを形成する工程と、
前記アンダーバリアメタル上にはんだ材料を供給する工程と、
前記はんだ材料を溶融し、前記アンダーバリアメタル上にはんだからなるバンプを形成する工程と
を含む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、フリップチップ実装を可能とするためにパッド電極上にバンプが設けられた半導体装置、およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置や表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタのような一部の電子部品に対する実装方法の一つにフリップチップ実装法がある。フリップチップ実装法は基本的に、半導体集積回路装置(半導体ベアチップ)などのパッド電極と配線パターンが形成された配線基板のパッド電極の一方または両方の上に突起状のバンプ電極を形成し、配線基板表面に半導体集積回路の表面を下向きに対向させ（フェースダウンの状態）、バンプを介して直接接合する技術である。
【０００３】
フリップチップ実装法は、以上のようにサイズの小さいバンプを介して両者を接合する方法であるため実装面積や体積が小さく、高密度実装および半導体集積回路を搭載する電子機器の小型化を可能とする。またこの実装法ではボンディングワイヤなどの長い配線の引き回しが不要であるため、電子機器の動作を高速化することができるというメリットを有する。このような理由で、近年電極としてバンプを採用する半導体集積回路装置が増加している。
【０００４】
バンプを有する電極部は一般に、半導体集積回路の基板上に形成されたパッド電極、突起状のバンプおよびこれら両者の間であってバンプの下に設けられるアンダーバリアメタル（Under Barrier Metal：以下特に必要がない限りＵＢＭという）からなる。バンプの材料は主として金または「はんだ」であり、パッド電極の材料は通常アルミニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金である。しかしながら高周波信号を扱うデバイス、接続部に高信頼性を確保することが必要なデバイスでは、少なくとも最上層に金膜（例えば金めっき層）を形成したパッド電極が使用されている。またＵＢＭは、バンプの成分元素である金やスズ（Ｓｎ）がバンプの形成時や半導体装置の実装時における加熱によってパッド電極中に拡散し、バンプとパッド電極との界面が脆性を有して接着性が低下することを防止するために用いられる。
【０００５】
現在までに種々のバンプ電極構造が提案されている。特許文献１には、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだバンプとアルミニウムパッドとの間にチタン／ニッケルチタン化合物（ニッケルチタン固溶体）／ニッケル構造のＵＢＭを形成したバンプ電極が開示されている。そして上記ＵＢＭによりＵＢＭ中へのＳｎの拡散を抑制すると共に、拡散により形成される金属間化合物で破断が発生することを防止できる旨報告している。
【０００６】
また特許文献２には、Ｐｂ−５ｗｔ％Ｓｎからなる半田バンプ、Ｔｉ−Ｎｉ系のＵＢＭ層、アルミニウム、アルミニウム合金層等からなる電極パッドを含むバンプ電極が記載されている。さらに特許文献３には、Ｓｎを主成分とする半田バンプ、接着層としての機能を持つＴｉ層、バリア層としての機能を持つＮｉ層、半田濡れ性確保のための機能を持つＡｕ層を含むＵＢＭ、Ａｕを主成分とする電極パッドを含むバンプ電極が記載されている。特許文献４には、金バンプと、Ｔｉ−Ｗ、Ｔｉ−Ｐｄ、Ｔｉ−Ｐｔ等からなるＵＢＭ層と、アルミニウムを含むパッド部とを含むバンプ電極が記載されている。特許文献５には、Ｐｂ／Ｓｎ系突起電極、Ｔｉ層／Ｐｔ層／Ａｕ層からなるＵＢＭ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる配線金属を含むバンプ電極が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１２９６４７号公報
【特許文献２】特開平１１−１８６３０９号公報
【特許文献３】特開２００６−１９５５０号公報
【特許文献４】特開２００１−７７１５０号公報
【特許文献５】特開平６−１０４２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上に述べたように従来から種々の構造を有するバンプ電極が提案されてきた。そのうちはんだを電極材料とするバンプを搭載する半導体集積回路装置をフリップチップ実装する場合は、バンプを溶融状態にして配線基板と接合する。このため、バンプの下地に印加される接合荷重が金バンプと比較して圧倒的に小さく、特にバンプ直下の層に回路素子などが形成された半導体集積回路の場合、その回路素子などに及ぼす影響が少ないというメリットがある。
【０００９】
バンプ材料としてはんだを用いる場合は、パッド電極の主要材料であるアルミニウムや金に溶融はんだ中のスズが非常によく浸透する。そのため、従来から種々のＵＢＭが採用され、はんだバンプの形成過程あるいは実装工程における加熱処理によってはんだ中のスズがパッド電極へ拡散することが抑制されてきている。しかしながらはんだ中のスズがＵＢＭと金属間化合物層や合金層を形成すると、ＵＢＭが設けられているにもかかわらずスズがパッド電極へ拡散し、パッド電極材料の金属と金属間化合物層や合金層を形成し、バンプとパッド電極間の接合強度の低下、接合信頼性の劣化を起こす確率が増大する。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決する手段を提供するものである。本発明は特に、はんだに含まれる金属成分元素の、パッド電極中への拡散抑制効果を一層向上させることができるバンプ電極構造、その構造を有する半導体装置、および当該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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係る第１の半導体装置は、半導体基板上に形成されたパッド電極と、前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に形成された保護絶縁膜と、前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に設けられ、前記保護絶縁膜から前記パッド電極の表面を露出させる開口と、前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するように形成されたアンダーバリアメタルと、前記アンダーバリアメタル上に設けられ、底面の面積が前記アンダーバリアメタルの面積より小さい、はんだからなるバンプとを備えている。
【００１２】
第１の半導体装置の一形態においては、前記アンダーバリアメタルを、その膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦なものとされる。
【００１３】
また第１の半導体装置は種々のより望ましい形態を有し、第１に前記バンプの底面は、前記アンダーバリアメタル上の、前記開口に包含される領域に位置する。あるいはまた前記アンダーバリアメタルと前記バンプとの間に、前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素と前記はんだの成分元素とを含む金属層が形成される。この金属層は、前記アンダーバリアメタル上の、前記開口に包含される領域に位置していることが望ましい。さらに別の形態では、前記金属層は、前記バンプの底面と同一面積で且つ全面で接する。
【００１４】
前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素の好適な例は、少なくともＡｕ、ＡｇまたはＰｄのうちのいずれか一つである。また前記はんだの成分元素はＳｎである。さらにまた前記アンダーバリアメタルの例はＮｉとＰとの合金からなるものである。
【００１５】
上記課題を解決するための本発明に係る第２の半導体装置は、半導体基板上に形成されたパッド電極と、前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に形成された保護絶縁膜と、前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に設けられ、前記保護絶縁膜から前記パッド電極の表面を露出させる開口と、前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するように形成され、その膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦であるアンダーバリアメタルと、前記アンダーバリアメタル上に設けられたはんだからなるバンプとを備えている。
【００１６】
第２の半導体装置において、前記アンダーバリアメタルの膜厚を前記保護絶縁膜の膜厚の２〜６倍とすることが望ましい。
【００１７】
上記の第１の半導体装置または第２の半導体装置は、フリップチップ実装法等を用い、はんだからなるバンプを溶融させて２個の半導体装置を接合し、実装体を製造する場合にもその効果を発揮する。
【００１８】
次に上記課題を解決するための本発明に係る半導体装置の製造方法の第１は、半導体基板上にパッド電極を形成する工程と、前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に保護絶縁膜を形成する工程と、前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に、前記パッド電極の表面を露出させる開口を形成する工程と、前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆するようにアンダーバリアメタルを形成する工程と、前記アンダーバリアメタル上に、前記アンダーバリアメタルの面積より小さい面積の金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にはんだ材料を供給する工程と、前記はんだ材料を溶融し、前記金属膜上にはんだからなるバンプを形成する工程とを含み、前記金属膜は、前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素からなる。
【００１９】
上記第１の製造方法においても、第１および第２の半導体装置の場合と同様に、前記はんだに対する濡れ性が前記アンダーバリアメタルより大きい金属材料の元素の好適な例は、少なくともＡｕ、ＡｇまたはＰｄのうちのいずれか一つである。また前記アンダーバリアメタルの例はＮｉとＰとの合金からなるものである。
【００２０】
上記課題を解決するための本発明に係る半導体装置の製造方法の第２は、半導体基板上にパッド電極を形成する工程と、前記パッド電極を被覆するように前記半導体基板上に保護絶縁膜を形成する工程と、前記パッド電極上の前記保護絶縁膜に、前記パッド電極の表面を露出させる開口を形成する工程と、めっき法を用いて、前記開口内に露出した前記パッド電極の表面上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての領域を被覆し、膜厚が前記保護絶縁膜の膜厚より大きく、前記開口内に露出した前記パッド電極上から、前記開口の周囲の前記保護絶縁膜上にかけての表面が平坦であるアンダーバリアメタルを形成する工程と、前記アンダーバリアメタル上にはんだ材料を供給する工程と、前記はんだ材料を溶融し、前記金属膜上にはんだからなるバンプを形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、半導体装置において（１）はんだからなるバンプが、その底面の面積がアンダーバリアメタルの面積より小さくなるように、アンダーバリアメタル上に設けられ、（２）特にバンプの底面が、アンダーバリアメタル上の、保護絶縁膜の開口に包含される領域に位置するように設けられ、あるいはまた（３）アンダーバリアメタルは、その膜厚が保護絶縁膜の膜厚より大きく、保護絶縁膜の開口内に露出したパッド電極上から、その開口の周囲の保護絶縁膜上にかけての表面が平坦に形成される。
【００２２】
このうち（１）および（２）によれば、バンプの底面の面積がアンダーバリアメタルの面積より小さく絞り込まれるため、アンダーバリアメタル中をＳｎ等のはんだの成分元素が下方に拡散する範囲を制限できる。これにより成分元素がパッド電極まで到達しにくくできる。特に（２）によれば、バンプの底面が、アンダーバリアメタルの膜密度（または拡散阻止能力）が低下し易い、保護絶縁膜の開口境界（開口による保護絶縁膜段差部）上に位置しないから効果が大きい。また（３）によれば、アンダーバリアメタルの膜密度が大きく低下することがなくなることにより、はんだの成分元素がパッド電極まで到達しにくくできる。
【００２３】
以上のように本発明によれば、はんだの成分元素がパッド電極へまで拡散し、そこではんだ成分元素とパッド電極材料との化合物層や合金層を形成し、バンプとパッド電極間の接合強度が低下することを強く抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置のバンプ電極部を示す断面図（ａ）および平面図（ｂ）。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置におけるバンプ電極部の製造方法を示す工程断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置におけるバンプ電極部の製造方法、およびそれに続く実装工程の一部を示す工程断面図。
【図４】本発明の実施形態に係る製造方法により製造された半導体装置に対する実装工程の一部を示す工程断面図。
【図５】本発明に係る製造方法により製造された半導体装置の実装体の一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の実施形態に係る半導体装置のバンプ電極部の断面図である。半導体装置は、その１チップ上に多数のバンプ電極が形成される、例えばメモリやシステムＬＳＩのような半導体集積回路を想定しており、図はそのバンプ電極の１個を示している。また、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すバンプ電極の領域を上から見た平面図である。
【００２６】
図１に示す半導体装置において、半導体基板（シリコン単結晶基板）１上には回路形成層２が設けられている。この回路形成層２はその詳細構造を図示してはいないが、微細寸法のＭＯＳ型トランジスタ、容量、抵抗等の素子、それらを被覆する絶縁膜、複数の配線層とそれら配線層間を分離する層間絶縁膜からなる多層配線構造などが含まれている。回路形成層２上の所定の位置には、Ｔｉ／ＴｉＮバリアメタルとアルミニウム合金膜との積層膜からなるパッド電極３が形成されている。パッド電極３には図１（ｂ）に示すように配線３ａが接続され、パッド電極３はその配線を介して直接的に、あるいは間接的に回路形成層２に含まれる素子に電気接続されている。
【００２７】
パッド電極３上の周辺部はシリコン窒化膜（ＳｉＮx）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）、シリコン酸化膜ＳｉＯ2、またはそれらの適当な積層膜などからなる保護絶縁膜４で被覆され、パッド電極３の中央部では保護絶縁膜４に開口５が設けられて、パッド電極３の表面が露出している。本実施形態では、開口５は矩形のパッド電極３の２つの対角線の交点を中心とする円形状パターンに形成されている。
【００２８】
上記開口５に露出したパッド電極３の表面上から開口５の外側周囲の保護絶縁膜４の表面上に至る領域を被覆するようにＵＢＭ６が形成されている。ＵＭＢ６はニッケル（Ｎｉ）を主成分とするＮｉ−７ｗｔ％Ｐ（リン）の合金金属膜である。またＵＢＭ６のパターンは開口５の中心を中心とする同心円形状であり、その一部は平面的に見てパッド電極３の外部領域まで達している。しかしながらＵＢＭ６は、パッド電極３の領域に、当該パッド電極５の側壁上に形成された保護絶縁膜４の膜厚（横方向へ測定した膜厚）分を加えた領域よりは内側に位置している。
【００２９】
ＵＢＭ６の表面上には薄い金属層７およびその上のバンプ８が形成されている。バンプ８は例えばＳｎ−Ａｇ系のはんだからなり、ほぼ半球状でその底面は円状を呈している。一方金属層は金（Ａｕ）とはんだの成分元素であるスズ（Ｓｎ）とを含む合金層であり、バンプ８の底面と実質的に同一形状、同一位置および同一面積を有し、バンプ８の底面全面と接触している。しかし場合によっては金属層７は、バンプ８の底面より内側に位置し、形状はバンプ８の底面と実質的に同一であるが面積は僅かに小さいこともあり得る。バンプ８の底面および金属層７は、図１に示すように、保護絶縁膜４の開口５より寸法が小さく形成され、これに加えて開口５の内部領域の上層に位置するように設けられることが望ましい。
【００３０】
次に、図１に示した半導体装置の製造方法を説明する。図２〜図４は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法、特にバンプ電極部の製造方法とバンプ電極製造後のフリップチップ実装工程を示す工程断面図である。各工程断面図は図１の半導体装置のバンプ電極部と同一部分を示す。
【００３１】
まず図２（ａ）に示すように、一般に拡散工程と呼ばれる工程を利用してウエハ状態の半導体基板１上にＭＯＳ型トランジスタのような半導体素子や多層配線構造等を含む回路形成層２を形成する。その後回路形成層２上にスパッタリング法によりＴｉ／ＴｉＮ膜／Ａｌ合金膜からなる積層膜を１μｍ〜２μｍの厚さに堆積し、パターン化してパッド電極３を形成する。さらにパッド電極３上にプラズマＣＶＤ法により例えばＳｉＮx、ＳｉＯＮまたはＳｉＯ2のうち少なくとも１種からなる保護絶縁膜４を１μｍの厚さに堆積し、ドライエッチングにより開口５を形成してパッド電極３の表面を露出させる。
【００３２】
次に図２（ｂ）に示すように、開口５に露出したパッド電極３の表面上に無電解めっき法を用いて、Ｎｉ−７ｗｔ％Ｐ膜を５μｍの厚さに堆積し、ＵＢＭ６とする。この工程は、例えば次亜燐酸とＮｉを含むめっき液を用いることによって実施することができ、開口５に露出したパッド電極３の表面の金属材料が触媒となって概ね選択的にＮｉ−Ｐ合金膜を堆積させることができる。Ｎｉ−Ｐ合金膜がパッド電極３の表面から保護絶縁膜４の上面の高さまで成長した後は、さらに上方へ盛り上がると共に一部は横方向へ広がり、開口５の周囲の保護絶縁膜４上にも成長するので図２（ｂ）に示す形状となる。このようにＵＢＭ６は少なくとも保護絶縁膜４の膜厚より厚く堆積する。またＮｉ−Ｐ合金膜のＰ濃度としては５〜１２ｗｔ％が適切である。
【００３３】
この膜成長機構から分かるように成長後のＵＢＭ６は自動的に開口５の円状パターンに対して同心円の形状となる（図１（ｂ）参照）。従ってこのめっき工程では特にＵＢＭ６のパターン形成用マスクを必要としない。なお、ＵＢＭ６中のリンに対する所望の組成比を得るためには、めっき液中の次亜燐酸濃度を調整すればよい。
【００３４】
次に図２（ｃ）に示すように、ＵＢＭ６上に、円形状で且つ保護絶縁膜４の開口５よりも面積の小さい開口パターンを有するフォトレジスト膜９を全面に形成する。続いて無電解めっき法を用いて金属膜、具体的には金膜１０をフォトレジスト膜９の開口部に露出したＵＢＭ６上に０．１μｍの厚さに堆積する。このめっきは金とＵＢＭ６の材料Ｎｉとの置換反応によって進行するのでほぼＵＢＭ６上にだけ金膜１０を成長させることができる。この後、有機溶剤を用いてフォトレジスト膜９を除去する。
【００３５】
金膜１０のめっきによりフォトレジスト膜９の表面上にも微小な金粒子が多少付着する可能性があるが、フォトレジスト膜９の除去工程においてリフトオフ機構により金粒子は自動的に除去される。この工程により、ＵＢＭ６および開口５より面積が小さく、且つＵＢＭ６上の、開口５に包含される平面領域内に金膜１０のパターンが形成される。
【００３６】
次に図２（ｄ）に示すように、ＵＢＭ６上に開口１２のパターンが形成されたフォトレジストなどの有機樹脂膜（マスクパターン層）１１を形成する。有機樹脂膜１１はそれ自体が感光性であっても、そうでなくてもよい。開口１２は円形状であり、ＵＢＭ６より寸法、面積が小さいが金膜１０のパターンより大きい。また開口１２はＵＢＭ６の領域内に包含されると共に金膜１０を包含するように設けられる。次いではんだ材料、例えばはんだペースト１３を開口１２内部のみに埋め込むように塗布する。このはんだペースト１３は、例えばＳｎ−Ａｇ系のはんだの微小粉末にロジン、溶剤、活性剤、増粘剤などのフラックス成分を混合した材料である。
【００３７】
次に図３（ａ）に示すように、百数十度以上の温度で加熱することによってはんだペースト１３中のはんだ成分を溶融すると、その表面張力により半球に近いバンプ８が形成される。このとき最初ＵＢＭ６および金膜１０（図２（ｄ）に示す）とはんだとは直接接触した状態にある。しかしＵＢＭ６を構成しているＮｉ−Ｐ合金は溶融はんだに対する濡れ性が小さい、すなわちＮｉ−Ｐ合金中にはんだ材料元素が拡散しにくいという性質を有する。一方、金は溶融はんだに対する濡れ性が大きい。このような濡れ性の差によりＵＢＭ６上に溶融はんだが濡れ広がらず、反対に金膜１０上へ溶融はんだが集まることでバンプ８が半球状になる。金膜１０上へ集まった溶融はんだは金膜１０へ容易に拡散し、はんだを構成する成分元素（特にＳｎ）と金とを含む合金の金属層７に変化する。
【００３８】
ここではんだの「濡れ性」は、溶融状態のはんだが下地表面に濡れ広がる程度を表し、一般に広く認められている種々の測定方法によって数値として定義できるものである。なお、バンプ８は、このようなはんだペーストの印刷法で形成する代わりに、有機樹脂膜１１の開口１２中にフラックスとともにはんだボールを落とし込んではんだ溶融処理することによっても形成することができる。
【００３９】
次に有機樹脂膜１１を除去し、必要に応じてフラックス残留物を洗浄すればウエハ状態での半導体装置が完成する。その後半導体基板１の裏面研磨、ダイ毎のダイシングによる個片化を経て半導体チップが形成される。図３（ｂ）の半導体デバイスＡはこのようにして形成されたチップ状の半導体装置である。
【００４０】
図３（ｂ）に示す工程では半導体デバイスＡと同様な工程で形成された半導体デバイスＢが用意される。半導体デバイスＢは半導体デバイスＡと同様に、半導体基板２１、回路形成層２２、パッド電極２３、開口２５が形成された保護絶縁膜２４、ＵＢＭ２６、例えば金とはんだの成分元素であるスズとの合金からなる金属層２７、バンプ２８を備えている。そして半導体デバイスＡおよびＢは、フリップチップ実装するために電気接続すべき対応するパッド電極３および２３上それぞれに形成されたバンプ８および２８が対向するように位置合わせをして設置される。
【００４１】
次に図４に示すように、百数十℃以上の温度でバンプ８および２８を溶融し互いに接合して接合バンプ３０を形成する。このようにして半導体デバイスＡおよびＢが接合される。その後さらに、バンプ接合によって半導体デバイスＡとＢ間に生じたギャップに樹脂を主成分とするアンダーフィル３１を充填し、両半導体デバイスの接合をより信頼性の高いものにする。
【００４２】
図５は、本発明に係る半導体装置の製造方法により製造された半導体デバイスＣおよび半導体デバイスＤをフリップチップ実装した実装体の一例を示す断面図である。半導体デバイスＣは半導体基板４０上に回路形成層４１を有し、半導体デバイスＤも半導体基板４３上に回路形成層４４を有する。これら半導体デバイスＣ、Ｄは複数のはんだの接合バンプ４５、および両デバイス間に充填したアンダーフィル４６で接合されている。図５においては、バンプ電極に含まれるパッド電極、ＵＢＭ、ＵＢＭ上の金属層などの直接の図示は省略し、それらは回路形成層４１、４４に含まれるものとしている。
【００４３】
半導体デバイスＣ、Ｄは、本発明によるバンプ電極を、ＭＯＳ型トランジスタなどを含む半導体回路形成領域の直上に設けられるマイクロバンプとして適用した半導体装置例である。このようなマイクロバンプを適用すれば、バンプを形成するためのパッド電極配列ピッチを小さくして限られた領域に多数のパッド電極を配置でき、これら多数の電極を介して互いに接続された半導体デバイスを高速化できるという利点を有する。
【００４４】
半導体デバイスＣのチップ周辺部にはパッド電極４２が形成され、直接的または間接的に接合バンプ４５のいずれかに電気的に接続されている。このパッド電極４２を通じて実装体としての半導体装置と外部との信号入出力を行うことができる。図５の場合と異なり、フリップチップ実装すべき２個の半導体デバイスのチップサイズが同じであり、それらが互いにマイクロバンプのみによって接続される場合は、例えば、片方の半導体デバイスの特定の接合バンプの下から半導体基板の裏面まで貫通するシリコン貫通電極を設けることによって外部との信号のやり取りが可能となる。
【００４５】
以上に述べてきた本発明に係る半導体装置は、図１（ａ）または図２（ｂ）等に示す形状のＵＢＭ６を有する。すなわちＵＢＭ６の膜厚は少なくとも保護絶縁膜４の膜厚より厚く、またＵＢＭ６の上面は、開口５の内部領域に露出したパッド電極３上から開口５の周囲の保護絶縁膜４上にかけてほぼ平坦な形状を有する。このような形状の膜では、開口５を形成している保護絶縁膜４のコーナーや段差が存在する部分でも膜の密度は大きく低下せず、ある程度まで大きい密度を維持する傾向がある。
【００４６】
特に本発明の実施形態による製造方法に述べたように、ＵＢＭ６を、選択成長できるめっき法で形成する場合は、最初開口５内に露出したパッド電極３の表面から垂直上方へ膜が成長してゆき、次に開口５から突出して成長した後、すなわち保護絶縁膜４より厚く成長した後は横方向へ広がるように成長する。この膜成長機構によれば開口５の端に形成されるコーナー部あるいは段差部が膜成長を阻害する要因にならないと考えられる。従ってこの部分においてもＵＢＭ６の膜密度は低下せず、より均一となる。
【００４７】
ＵＢＭ６の膜密度がほとんど低下しないという上記性質により、バンプ８の形成工程（図３（ａ）参照）、バンプ同士の接合工程（図４参照）における加熱処理で、はんだ成分のＳｎがＵＢＭ６中に拡散してもパッド電極３まで達する確率を低減できる。この効果をさらに向上させるためにはＵＢＭ６は無電解めっき法を用い、保護絶縁膜４の膜厚の２〜６倍の膜厚に形成することが望ましい。
【００４８】
これに対して従来は、ＵＢＭ（またはこれに相当する膜）はパッド電極上の保護絶縁膜より薄く形成するか（例えば特許文献３、４）、（電子ビーム）蒸着法、スパッタリング法（例えば特許文献１、２、３、５）を用いて形成する場合がほとんどであった。
【００４９】
特に後者のような物理気相成長法を用いるＵＢＭ形成工程では、パッド電極露出表面から垂直上方に成長してきた膜と、パッド電極上に形成された保護絶縁膜開口の側壁から水平方向に成長してきた膜とが衝突する部分で膜の密度が極めて低下する。また前者の場合、膜がパッド電極の水平面および開口の側壁に沿って開口の断面形状に忠実に成長し、膜が開口のコーナー部で屈曲する。従ってＵＢＭが薄い場合であっても屈曲部で膜の密度が低下する。このように従来のＵＢＭはＳｎの異常拡散防止効果は小さいといえる。
【００５０】
本発明に係る半導体装置のバンプ電極では図１（ａ）等に示すように、バンプ８の底面はＵＢＭ６の面積より小さい面積に設定され、ＵＢＭ６の上面領域に包含されるように設けられる。さらに当該底面は開口５により形成される保護絶縁膜４のコーナー部（または段差部）と上下方向に重ならないように、開口５の内部領域に包含されるように設けられる。バンプ８の底面をこのような位置に配置すれば、バンプ８から下方へ拡散するＳｎがＵＢＭ６の、開口５のコーナー部近傍へ到達しにくくすることができる。この結果、Ｓｎがパッド電極３とＵＢＭ６との界面まで達し、界面付近にパッド電極３と、ＵＢＭ６またはバンプ８との接合信頼性を劣化させる合金層、例えば上記実施形態ではＡｌ−Ｎｉ−Ｐ−Ｓｎ合金層をより一層形成しにくくすることができる。
【００５１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、溶融状態のはんだに対して濡れ性の小さい導電材料からなるＵＢＭ（Ｎｉ−Ｐ合金膜）上に、ＵＢＭより面積が小さく、ＵＢＭより前記濡れ性の大きい金属膜（金膜）を形成する工程（図２（ｂ）、（ｃ）参照）およびはんだを溶融させる工程（図３（ａ）参照）を備えている。これら工程により濡れ性の差を利用してバンプ８の底面の面積や位置を自動的に上記のような条件に設定することができる。
【００５２】
金膜等、溶融はんだに対してＵＢＭより濡れ性が大きい金属膜の面積は、ＵＢＭ上面の面積の４０％〜６０％にすることが望ましい。金属膜の面積がＵＢＭの６０％を超える場合、例えば９０％の場合は溶融はんだがＵＢＭ上にも濡れ広がる確率が高くなり、バンプの底面が保護絶縁膜の形成された開口の外部領域上にオーバーラップして拡張する可能性が大きくなる。また金属膜の面積がＵＢＭの４０％より小さい場合、例えば１０％の場合はバンプの底面積が過剰に小さくなるため、バンプとＵＢＭとの接合強度不足となり易い。
【００５３】
本発明に係る製造方法のように、ＵＢＭの面積より底面積を小さく絞り込んでバンプを形成する技術においては、ＵＢＭ上に供給するはんだ材料が一定量と決められている場合、バンプの底面積をＵＢＭの面積と同等またはそれ以上とする従来の技術と比較して、バンプの高さを高くすることができる。従って図４に示す工程のように半導体デバイス同士を接合した場合、半導体デバイス間の間隔ｄをより広く取ることができる。これによりアンダーフィル３１（図４参照）を半導体デバイス間のギャップにボイドを生成することなく充填できるというメリットも生じる。
【００５４】
高集積化、高機能化される半導体集積回路装置は多ピン化(パッド電極数の増大)およびパッド電極配列の狭ピッチ化、パッド電極の寸法縮小が行われる。これに伴ってパッド電極１個あたりへのバンプ用はんだ材料の供給量が減少し、バンプの高さおよびフリップチップ実装される半導体装置間のキャップも低下する傾向がある。このような場合にバンプを高くできる本発明は有効である。
【００５５】
本発明に係る実施の形態では、はんだ材料としてＳｎ−Ａｇ系のはんだを示した。しかしこれ以外にＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだも使用可能である。また溶融はんだに対してＵＢＭより濡れ性の高い金属膜の材料として金を示したが、金（Ａｕ）の他Ａｇ、Ｐｔを使用してもよい。またアルミニウムを主体とするパッド電極を示したが、少なくとも最上層が金膜（金めっき層等）となっているパッド電極やアルミニウム膜上にＴｉＮ膜が形成されたパッド電極でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上説明したとおり、本発明は特に半導体装置の実装に対して有益な技術であるが、半導体装置だけでなく、その他の電子部品の実装にも有益である。さらにはんだを含む微小な突起状の部材を利用して接合を行おうとする一般の製品にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１、２１、４０、４３  半導体基板
２、２２、４１、４４  回路形成層
３、２３、４２  パッド電極
３ａ  配線
４、２４  保護絶縁膜
５、１２、２５  開口
６、２６  ＵＢＭ
７、２７  金属層
８、２８  バンプ
９  フォトレジスト膜
１０  金膜
１１  有機樹脂膜
１３  はんだペースト
３０、４５  接合バンプ
３１、４６  アンダーフィル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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