(57)【要約】【課題】導電パッドから半田バンプへの金属拡散が抑制され、導電パッドと半田バンプとの接続抵抗が小さく、信頼性向上、高速化、及び高集積化を実現可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１０は、半導体チップ１上に、導電パッド２と、導電パッド２上に開口部３Ｈを有する絶縁膜３と、絶縁膜３の開口部３Ｈに露出した導電パッド２の直上に、導電パッド２側から順次形成された第１の接着メタル４ａ、第１のバリアメタル４ｂ、第２の接着メタル５ａ、第２のバリアメタル５ｂ、及び半田バンプ８とを備えたものである。【選択図】図１
2012156150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ上に、
導電パッドと、
前記導電パッド上に開口部を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口部に露出した前記導電パッドの直上に、前記導電パッド側から順次形成された第１の接着メタル、第１のバリアメタル、第２の接着メタル、第２のバリアメタル、及び半田バンプとを備えた半導体装置。
【請求項２】
前記第１の接着メタル及び前記第１のバリアメタルは、前記絶縁膜の前記開口部内から当該開口部に隣接する前記絶縁膜上に跨って形成され、
前記第２の接着メタル及び前記第２のバリアメタルは、前記絶縁膜の前記開口部の形成領域内に形成された請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年コンピュータの性能はますます高速度が要求されており、それに伴い半導体装置としては、大電力を要する超多ピンのフリップ・チップ方式の半導体チップが使用されるようになってきている。
【０００３】
特許文献１の図５に、大電力を必要とするバイポーラ型の半導体装置が記載されている。図３Ａに、この半導体装置を示す。
この半導体装置は、
能動領域及び配線等を含む回路領域と、この回路領域に電気的に接続された電極用の金パッド１２とが形成された半導体チップ１１と、
金パッド１２上に通常矩形の開口部（窓）を持ち、半導体チップ１１上全面を覆って形成された無機質絶縁膜１３と、
無機質絶縁膜１３の開口部と同じ位置に円形状の開口部（窓）を持ち、金パッド１２上の無機質絶縁膜１３上及び金パッド１２周辺の無機質絶縁膜１３上に、回路領域にかからないように形成されたポリイミド膜１６と、
ポリイミド膜１６の開口部内に形成された接着メタル１４及びバリアメタル１５と、
バリアメタル１５上に形成され、金パッド１２に電気的に接続された半田バンプ１７とを備えている（段落０００４）。
図３Ａ及び後記図３Ｂにおいて、符号は特許文献１に記載のものと変えてある。
【０００４】
上記半導体装置において、金パッド１２及び半田バンプ１７は、接着メタル１４及びバリアメタル１５を介して接続されており、金パッド１２及び半田バンプ１７間の周辺部の構造が複雑となり、段差が生じる構造となっている。その結果、線膨張係数の差による熱応力によって、絶縁膜１３、接着メタル１４、及びバリアメタル１５の破壊が生じ、金パッド１２中の金（Ａｕ）が、半田バンプ１７の錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶半田に拡散する問題が生じる恐れがある（段落０００６）。
【０００５】
上記課題を解決するべく、特許文献１では、半導体チップ１１の表面に形成された金パッド１２と、接着メタル１４及びバリアメタル１５を介して金パッド１２とは平面上異なる位置に配設された半田バンプ１７とを含む図３Ｂに示す半導体装置が提案されている（請求項１、図１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平08-124930号公報
【特許文献２】特表2009-524928号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の図１に記載の半導体装置では、金パッドは半田バンプの直下には形成されておらず、回路領域内に形成されているため、最上層での回路領域が狭くなり、高集積化が阻害される。さらには、金パッドと半田バンプとの接続間距離が長くなるため、配線抵抗が増大し、高速化も阻害される。
【０００８】
特許文献２には、半導体チップ（１００）の電極パッド（１１０）上に形成された金属接着層（２２０、２３０）と、金属接着層（２２０、２３０）上に形成された層間分離膜（２４０）と、層間分離膜（２４０）上に形成されて、半田バンプに浸透する浸透層（２５０）と、浸透層に形成された半田バンプ（３００）とを含む半導体装置が開示されている（請求項１、図２）。この半導体装置では、浸透層（２５０）の物質が半田バンプ（３００）内に流入することで、半田バンプ（３００）を多成分系に変化させて、ＩＭＣの成長を抑制して、信頼性を高めることができる（段落００２２）。この半導体装置では、層間分離膜（２４０）がバリアメタルに相当する。この半導体装置では金属接着層が２層設けられているが、金属接着層によって導電パッドから半田バンプへの金属拡散を抑制することはできない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、導電パッドから半田バンプへの金属拡散が抑制され、導電パッドと半田バンプとの接続抵抗が小さく、信頼性向上、高速化、及び高集積化を実現可能な半導体装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置は、
半導体チップ上に、
導電パッドと、
前記導電パッド上に開口部を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口部に露出した前記導電パッドの直上に、前記導電パッド側から順次形成された第１の接着メタル、第１のバリアメタル、第２の接着メタル、第２のバリアメタル、及び半田バンプとを備えたものである。
本発明の半導体装置において、「第１の接着メタル」、「第１のバリアメタル」、「第２の接着メタル」、及び「第２のバリアメタル」はそれぞれ単層構造でも積層構造でもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、導電パッドから半田バンプへの金属拡散が抑制され、導電パッドと半田バンプとの接続抵抗が小さく、信頼性向上、高速化、及び高集積化を実現可能な半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る一実施形態の半導体装置の要部断面図である。
【図２Ａ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｂ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｃ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｄ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｅ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｆ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｇ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｈ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｉ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｊ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｋ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｌ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｍ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｎ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｏ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｐ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図２Ｑ】図１の半導体装置の製造工程図である。
【図３Ａ】従来の半導体装置の要部断面図である。
【図３Ｂ】他の従来の半導体装置の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の半導体装置及びその製造方法について説明する。
図１は本実施形態の半導体装置の要部断面図であり、図２Ａ〜図２Ｑは製造工程図である。視認しやすくするため、図面上は各構成要素の縮尺や位置を実際のものとは適宜異ならせ、一部の構成要素の図示を省略してある。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１０は、半導体チップ１上に、導電パッド２と、導電パッド２上に開口部３Ｈを有する絶縁膜３と、絶縁膜３の開口部３Ｈに露出した導電パッド２の直上に、導電パッド２側から順次形成された第１の接着メタル４ａ、第１のバリアメタル４ｂ、第２の接着メタル５ａ、第２のバリアメタル５ｂ、及び半田バンプ８とを備えたものである。
第１の接着メタル４ａ、第１のバリアメタル４ｂ、第２の接着メタル５ａ、及び第２のバリアメタル５ｂはそれぞれ単層構造でも積層構造でもよい。
【００１５】
半導体チップ１には、導電パッド２の下層に、各種配線、スルーホール、及び絶縁層等が形成されているが、図示は省略してある。
【００１６】
導電パッド２、絶縁膜３、第１の接着メタル４ａ、及び第１のバリアメタル４ｂが形成され半導体チップ１上にはポリイミド膜６が形成されている。このポリイミド膜６は、平面視、絶縁膜３の開口部３Ｈの形成領域内に開口部６Ｈを有している。
【００１７】
本実施形態において、第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂは、絶縁膜３の開口部３Ｈ内からこの開口部３Ｈに隣接する絶縁膜３上に跨って形成されている。
絶縁膜３上に形成された第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂの積層膜上、及び第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂの積層膜の形成領域外の絶縁膜３上にポリイミド膜６が形成されている。
絶縁膜３の開口部３Ｈ内に形成された第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂの積層膜の少なくとも一部はポリイミド膜６に被覆されていない。
第２の接着メタル５ａ及び第２のバリアメタル５ｂの積層膜は、第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂの積層膜上でかつポリイミド膜６の開口部６Ｈ内に形成されている。
【００１８】
本実施形態において、導電パッド２は、それぞれ１００〜８００オングストローム程度の膜厚のチタン（Ｔｉ）及び白金（Ｐｔ）の積層膜からなる給電層を含む金（Ａｕ）パッドである。
絶縁膜３は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等からなる無機質の絶縁膜である。
第１の接着メタル４ａは、１００〜８００オングストロームの膜厚のチタン（Ｔｉ）及び１０００〜１００００オングストロームの膜厚の銅（Ｃｕ）の積層膜である。
第１のバリアメタル４ｂはニッケル（Ｎｉ）からなり、第１の接着メタル４ａに機械的に接着された膜である。
第２の接着メタル５ａは、１００〜８００オングストロームの膜厚のチタン（Ｔｉ）及び１０００〜１００００オングストロームの膜厚の銅（Ｃｕ）の積層膜である。
第２のバリアメタル５ｂはニッケル（Ｎｉ）からなり、第２の接着メタル５ａに機械的に接着された膜である。
各膜の組成及び膜厚は適宜設計変更可能である。
【００１９】
本実施形態では、絶縁膜３の開口部３Ｈに露出した導電パッド２の直上に、導電パッド２側から順次、第１の接着メタル４ａ、第１のバリアメタル４ｂ、第２の接着メタル５ａ、第２のバリアメタル５ｂ、及び半田バンプ８が形成されているので、平面視で導電パッド２と半田バンプ８とが同一領域内に形成されており、特許文献１の図１に記載の構造のように回路領域を狭めることなく、高集積化が可能である。また、導電パッド２と半田バンプ８とが垂直方向に導電接続されているので、これらの接続抵抗が低減され、信頼性向上及び高速化を図ることができる。
【００２０】
本実施形態の半導体装置１０では、導電パッド２と半田バンプ８との間に、第１の接着メタル４ａ、第１のバリアメタル４ｂ、第２の接着メタル５ａ、及び第２のバリアメタル５ｂが形成されている。
【００２１】
本実施形態の構成では、導電パッド２と半田バンプ８との間に、接着メタル及びバリアメタルがそれぞれ２重に形成されているので、導電パッド２と半田バンプ８との導電接続部の周辺部の熱膨張係数差に起因する熱応力破壊による導電パッド２中の金の半田バンプ８中の錫−鉛共晶半田への拡散を抑制できる。
【００２２】
本実施形態では、第１の接着メタル４ａ及び第１のバリアメタル４ｂは、絶縁膜３の開口部３Ｈ内からこの開口部３Ｈに隣接する絶縁膜３上に跨って形成され、第２の接着メタル５ａ及び第２のバリアメタル５ｂは、絶縁膜３の開口部３Ｈの形成領域内にのみ形成されている。そして、絶縁膜３の開口部３Ｈの形成領域内に形成された第２のバリアメタル５ｂ上に半田バンプ８が形成されている。
かかる構成では、第２の接着メタル５ａ及び第２のバリアメタル５ｂには段差が形成されていないので、これらの膜は導電パッド２と半田バンプ８との導電接続部の周辺部の熱膨張係数差に起因する熱応力破壊によって破壊されにくい。
したがって、導電パッド２と半田バンプ８との導電接続部の周辺部の熱膨張係数差に起因する熱応力破壊によって、仮に、絶縁膜３、第１の接着メタル４ａ、及び第１のバリアメタル５ａが破壊されたとしても、第２の接着メタル５ａ及び第２のバリアメタル５ｂは破壊されないので、導電パッド２中の金の半田バンプ８中の錫−鉛共晶半田への拡散を抑制できる。
【００２３】
主な構成要素の組成と熱膨張係数の例を示しておく。
導電パッド２（Ａｕ）の熱膨張係数：１４．２×１０−６（α／Ｋ−１）、
絶縁膜３（ＳｉＯ２）の熱膨張係数：２．５×１０−６（α／Ｋ−１）、
第１の接着メタル４ａ（Ｔｉ）の熱膨張係数：８．６×１０−６（α／Ｋ−１）、
第１の接着メタル４ａ（Ｃｕ）の熱膨張係数：１６．５×１０−６（α／Ｋ−１）、
第２のバリアメタル５ａ（Ｎｉ）の熱膨張係数１３．４×１０−６（α／Ｋ−１）。
【００２４】
次に、図２Ａ〜図２Ｑを参照して、本実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。
【００２５】
はじめに、図２Ａに示すように、表面に導電パッド２が形成された半導体チップ１を用意する。半導体チップ１には、導電パッド２の下層に、各種配線、スルーホール、及び絶縁層等が形成されているが、図示は省略してある。
導電パッド２の形成は例えば以下のように実施できる。
まず、チタン（Ｔｉ）及び白金（Ｐｔ）の積層膜からなる給電層をスパッタ法等により形成する。
チタン（Ｔｉ）及び白金（Ｐｔ）の積層膜は、各膜それぞれが例えば膜厚１００〜８００オングストローム程度、基板全面に一様に形成されていればよい。
次に、写真の縮小、パターンの繰り返し、ＣＡＤ、あるいは最新の電子ビーム手法などの一連の手続きによって所定パターンのマスクなどを作り、それにより基板に像を転写するフォトリソグラフィー法により給電層をパターニングし、そのパターニングされた給電層に対して電界メッキ法にて導電パッド２を形成することができる。
【００２６】
次に図２Ｂに示すように、導電パッド２が形成された半導体チップ１上の全面に、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）等から成る無機質の絶縁膜３を、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）等により形成する。
【００２７】
次に図２Ｃに示すように、導電パッド２の一部が露出するように絶縁膜３に開口部３Ｈを形成する。
【００２８】
次に図２Ｄに示すように、図２Ｃで示した半導体チップ１上の全面に、スパッタ法等により、ニッケル（Ｎｉ）から成る第１のバリアメタル４ｂとの間の給電及び機械的接着を可能とするチタン（Ｔｉ）及び銅（Ｃｕ）の積層膜から成る第１の接着メタル４ａを形成する。
第１の接着メタル４ａをなすチタン（Ｔｉ）膜の膜厚は例えば１００〜８００オングストローム、銅（Ｃｕ）膜の膜厚は例えば１０００〜１００００オングストロームである。チタン（Ｔｉ）及び銅（Ｃｕ）の膜厚は、ニッケル（Ｎｉ）及び錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）半田のメッキ供給のためにメッキ電流を均一に充分供給できる程度に厚くしておけばよい。
【００２９】
次に図２Ｅに示すように、第１の接着メタル４ａ上に、フォトリソグラフィー法により、第１のバリアメタル４ｂの形成領域に開口部９Ｘを有するメッキ用レジスト９ａを形成する。
【００３０】
次に図２Ｆに示すように、ニッケル（Ｎｉ）メッキ浴中で２〜５ミクロン（μｍ）程度電界メッキ成長を行い、メッキ用レジスト９ａの開口部９Ｘ内に、ニッケル（Ｎｉ）から成る第１のバリアメタル４ｂを形成する。
【００３１】
次に図２Ｇに示すように、メッキ用レジスト膜９ａを剥離する。その後第１のバリアメタル４ｂをマスクとして銅（Ｃｕ）及びチタン（Ｔｉ）の積層膜から成る第１の接着メタル４ａを上層から順にエッチングし、第１のバリアメタル４ｂと同パターンとする。
【００３２】
次に図２Ｈに示すように、図２Ｇで示した半導体チップ１上の全面に、第２のバリアメタル５ｂとの間の給電及び機械的接着を可能とするチタン（Ｔｉ）及び銅（Ｃｕ）の積層膜から成る第２の接着メタル５ａをスパッタ法等により形成する。第２の接着メタル５ａをなすチタン（Ｔｉ）及び銅（Ｃｕ）の各膜厚条件は、図２Ｄと同様である。
【００３３】
次に図２Ｉに示すように、図２Ｈで示した半導体チップ１上に、フォトリソグラフィー法により、第２のバリアメタル５ｂの形成領域に開口部９Ｙを有するメッキ用レジスト９ｂを形成する。
【００３４】
次に図２Ｊに示すように、ニッケル（Ｎｉ）メッキ浴中で２〜５ミクロン（μｍ）程度電界メッキ成長を行い、メッキ用レジスト９ｂの開口部９Ｙ内に、ニッケル（Ｎｉ）から成る第２のバリアメタル５ｂを形成する。
【００３５】
次に図２Ｋに示すように、メッキ用レジスト膜９ｂを剥離する。その後、第２のバリアメタル５ｂをマスクとして銅（Ｃｕ）及びチタン（Ｔｉ）の積層膜から成る第２の接着メタル５ａを上層より順次エッチングし、第２のバリアメタル５ｂと同パターンとする。
【００３６】
次に図２Ｌに示すように、図２Ｋで示した半導体チップ１上の全面に、スピンコート法等により、１〜３ミクロン（μｍ）程度の膜厚保のポリイミド膜６を形成する。
【００３７】
次に図２Ｍに示すように、半田バンプ８を形成するために、フォトリソグラフィー法により、第２のバリアメタル５ｂ直上のポリイミド膜６を円形状に選択的にエッチングして、開口部６Ｈを形成する。
【００３８】
次に図２Ｎに示すように、図２Ｍに示した半導体チップ１上に、フォトリソグラフィー法により、半田メッキ領域に開口部９Ｚを有するメッキ用レジスト膜９ｃを形成する。
【００３９】
次に図２Ｏに示すように、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶半田メッキ浴中で電解メッキを実施することにより、第２のバリアメタル５ｂ層上に所定量の錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶半田からなる半田バンプ８を形成する。
【００４０】
次に図２Ｐに示すように、錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶半田からなる半田バンプ８を形成した後、メッキ用レジスト９ｃを剥離する。
【００４１】
最後に図２Ｑに示すように、メッキされた錫（Ｓｎ）−鉛（Ｐｂ）共晶半田を溶解成形（ウエットバック）して、球状の半田バンプ８を形成する。
以上のようにして、半導体装置１０が製造される。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、導電パッド２から半田バンプ８への金属拡散が抑制され、導電パッド２と半田バンプ８との接続抵抗が小さく、信頼性向上、高速化、及び高集積化を実現可能な半導体装置１０を提供することができる。
【００４３】
（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の半導体装置は、コンピュータに使用される大電力を要する超多ピンの半導体装置等に適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０：半導体装置
１：半導体チップ
２：導電パッド
３：絶縁膜 
３Ｈ：開口部
４ａ：第１の接着メタル
４ｂ：第１のバリアメタル
５ａ：第２の接着メタル
５ｂ：第２のバリアメタル
６：ポリイミド膜
６Ｈ：開口部
８：半田バンプ
【図１】
2012156150.tif 000003
【図２Ａ】
2012156150.tif 000004
【図２Ｂ】
2012156150.tif 000005
【図２Ｃ】
2012156150.tif 000006
【図２Ｄ】
2012156150.tif 000007
【図２Ｅ】
2012156150.tif 000008
【図２Ｆ】
2012156150.tif 000009
【図２Ｇ】
2012156150.tif 000010
【図２Ｈ】
2012156150.tif 000011
【図２Ｉ】
2012156150.tif 000012
【図２Ｊ】
2012156150.tif 000013
【図２Ｋ】
2012156150.tif 000014
【図２Ｌ】
2012156150.tif 000015
【図２Ｍ】
2012156150.tif 000016
【図２Ｎ】
2012156150.tif 000017
【図２Ｏ】
2012156150.tif 000018
【図２Ｐ】
2012156150.tif 000019
【図２Ｑ】
2012156150.tif 000020
【図３Ａ】
2012156150.tif 000021
【図３Ｂ】
2012156150.tif 000022