(57)【要約】【課題】半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制する。【解決手段】半導体装置は、電極（電極パッド７）と、電極上に形成され、電極を露出させる開口５ａを有する絶縁膜（例えば、保護樹脂膜５）と、を有する。半導体装置は、更に、絶縁膜の上に形成され、開口５ａを介して電極と接続しているアンダーバンプメタル（ＵＢＭ層３）と、アンダーバンプメタル上に形成されたはんだボール１と、を有する。アンダーバンプメタルにおいて、開口５ａ内の電極上に位置する第１部分３１の膜厚をＡ、開口５ａの周囲の絶縁膜上に位置する第２部分３２の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、開口５ａとはんだボール１とが１対１で対応している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、
前記電極上に形成され、前記電極を露出させる開口を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成され、前記開口を介して前記電極と接続しているアンダーバンプメタルと、
前記アンダーバンプメタル上に形成されたはんだボールと、
を有し、
前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、
前記開口と前記はんだボールとが１対１で対応していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１部分の膜厚が２μｍ以上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】
前記第２部分の膜厚が１μｍ以上である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】
前記第２部分の膜厚が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記アンダーバンプメタルはニッケル層により構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１部分の上面と前記第２部分の上面とが同一面を形成していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記はんだボールは鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記アンダーバンプメタルの厚み方向における複数部分がそれぞれ別工程で形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
電極上に、該電極を露出させる開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記開口を介して前記電極と接続するようにアンダーバンプメタルを形成する工程と、
前記アンダーバンプメタル上に、前記開口とはんだボールとが１対１で対応するように前記はんだボールを形成する工程と、
を有し、
前記アンダーバンプメタルを形成する工程では、前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５となるように、前記アンダーバンプメタルを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記アンダーバンプメタルを形成する工程では、めっき法により前記アンダーバンプメタルを形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記アンダーバンプメタルを形成する工程では、
前記アンダーバンプメタルの厚み方向における複数部分をそれぞれ別工程で形成することを特徴とする請求項９又は１０に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記アンダーバンプメタルを形成する工程では、
前記開口内に前記アンダーバンプメタルの一部分を形成する工程と、
前記一部分の上、及び、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に前記アンダーバンプメタルの残りの部分を形成する工程と、
をこの順に行うことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記アンダーバンプメタルの前記一部分を形成する工程では、
前記一部分の形成範囲と対応する第１開口部を有する第１マスクを形成する工程と、
前記第１開口部内にめっき法により前記一部分を形成する工程と、
前記第１マスクを除去する工程と、
前記アンダーバンプメタルの平面視における外形形状と対応する第２開口部を有する第２マスクを形成する工程と、
前記第２開口部内にめっき法により前記アンダーバンプメタルの前記残りの部分を形成する工程と、
前記第２マスクを除去する工程と、
をこの順に行うことを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１マスクを除去する工程では、
剥離液を用いて前記第１マスクを剥離する工程と、
前記アンダーバンプメタルの前記一部分に対してアッシング処理を行う工程と、
前記アッシング処理により前記アンダーバンプメタルの前記一部分の表面に形成された酸化層を除去する工程と、
をこの順に行う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】
前記酸化層を除去する工程は、前記酸化層を還元により除去する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記酸化層を還元により除去する工程は、還元雰囲気中でのプラズマ処理を含むことを特徴とする請求項１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記酸化層を除去する工程は、前記酸化層を研磨により除去する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１６の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記はんだボールは１つの前記開口の上に形成される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
電極と、
前記電極上に形成され、前記電極を露出させる開口を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成され、前記開口を介して前記電極と接続しているアンダーバンプメタルと、
前記アンダーバンプメタル上に形成された導電性柱状部と、
を有し、
前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、
前記開口と前記導電性柱状部とが１対１で対応していることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極上にはんだボールを有する半導体装置を、フリップチップ接続により配線基板に実装する技術がある。一般に、はんだボールと電極との間には、アンダーバンプメタル（ＵＢＭ）が形成される。アンダーバンプメタルは、電極とはんだボールとの間で金属が拡散してしまうことを抑制する。
【０００３】
このような半導体装置の実装の際には、はんだボールを配線基板側の電極と対向配置した状態で、はんだボールを加熱により溶融させた後に冷却する。つまり、実装時にはヒートサイクルが発生する。
【０００４】
特許文献１には、アンダーバンプメタルと電極（同文献の最上層メタル）との間に複数のポリイミド層を挿入し、且つ、複数のポリイミド層を上層になるほど軟らかくなるようにした構造の半導体装置が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、第１絶縁膜にＣｕ配線パッドが埋設され、第１絶縁膜上及びＣｕ配線パッド上に第２絶縁膜が形成され、この第２絶縁膜に複数の開口が形成され、第２絶縁膜上及びＣｕ配線パッド上にアンダーバンプメタル（ＵＢＭ）が形成され、このＵＢＭ上にはんだバンプが形成され、１個のはんだバンプの下に複数の開口が存在する半導体装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１２３３２号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、はんだボールの材料として近年需要が拡大している鉛フリーはんだは、鉛を含有するはんだと比べて展性が低い。このため、鉛フリーはんだによりはんだボールを構成した場合、鉛を含有するはんだを用いる場合と比べて、半導体装置の実装時の応力によるストレスがより深刻となる。
【０００８】
特許文献１、２の構造では、はんだボールを鉛フリーはんだにより構成した場合に、絶縁膜の破壊（例えば、ポリイミドクラック）の進行を緩和できるという効果が得られるが、その発生を抑制するという点では改善の余地があった。
【０００９】
このように、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制する点において改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電極と、
前記電極上に形成され、前記電極を露出させる開口を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成され、前記開口を介して前記電極と接続しているアンダーバンプメタルと、
前記アンダーバンプメタル上に形成されたはんだボールと、
を有し、
前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、
前記開口と前記はんだボールとが１対１で対応していることを特徴とする半導体装置を提供する。
【００１１】
この半導体装置によれば、アンダーバンプメタルにおいて、開口内の電極上に位置する第１部分の膜厚が相対的に厚くなるため、電極とはんだボールとの間の金属の拡散（例えばＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ））に対する信頼性を確保しやすい。具体的には、アンダーバンプメタルにおいて、開口内の電極上に位置する第１部分の膜厚Ａが、開口の周囲の絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚Ｂの１．５倍以上であることにより、高い信頼性を確保できる。
また、アンダーバンプメタルにおいて、開口の周囲の絶縁膜上に位置する（開口の外側に位置する）第２部分の膜厚Ｂが相対的に薄くなるため、この第２部分が第１部分よりも容易に変形できる。具体的には、膜厚Ｂが膜厚Ａの２／３以下であることにより、第２部分が容易に変形できる。よって、第２部分により、その下の絶縁膜へ伝播する応力の吸収・緩和・分散が可能となる。これにより、はんだボールを鉛フリーはんだにより構成した場合であっても、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制することができる。
【００１２】
また、開口とはんだボールとが１対１で対応している（すなわち各開口に対応して１つずつのはんだボールが形成されている）ので、電極からのアンダーバンプメタルの剥離を抑制できる。なぜなら、電極とアンダーバンプメタルとの接合部における周縁部には、電極とアンダーバンプメタルとの界面に絶縁膜の材料が入り込み、その部位で電極とアンダーバンプメタルとの接合強度が弱くなる場合がある。この接合部の周縁部に絶縁膜材料が入り込む距離は、接合部の面積によらずほぼ同じ量となる。このため、接合部のトータル面積が同じ場合、接合部が複数に分割されて接合部の数が増えるほど、接合強度が弱まり、電極からのアンダーバンプメタルの剥離が生じやすくなってしまう。よって、各開口に対応して１つずつのはんだボールが形成されている構成を採用することにより、電極とアンダーバンプメタルとの接合強度を最大限確保し、それらの剥離を抑制することができる。そして、その結果として、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を一層抑制することができる。
【００１３】
要するに、この半導体装置によれば、はんだボールを鉛フリーはんだにより構成した場合であっても、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制し、且つ、電極とはんだボールとの間での金属の拡散に対する信頼性も容易に確保することができる。
【００１４】
また、本発明は、電極上に、該電極を露出させる開口を有する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の上に、前記開口を介して前記電極と接続するようにアンダーバンプメタルを形成する工程と、
前記アンダーバンプメタル上に、前記開口とはんだボールとが１対１で対応するように前記はんだボールを形成する工程と、
を有し、
前記アンダーバンプメタルを形成する工程では、前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５となるように、前記アンダーバンプメタルを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【００１５】
また、本発明は、電極と、
前記電極上に形成され、前記電極を露出させる開口を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に形成され、前記開口を介して前記電極と接続しているアンダーバンプメタルと、
前記アンダーバンプメタル上に形成された導電性柱状部と、
を有し、
前記アンダーバンプメタルにおいて、前記開口内の前記電極上に位置する第１部分の膜厚をＡ、前記開口の周囲の前記絶縁膜上に位置する第２部分の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、
前記開口と前記導電性柱状部とが１対１で対応していることを特徴とする半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図２】実施形態に係る半導体装置の断面図である。
【図３】実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図４】実施形態に係る半導体装置の平面図である。
【図５】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図６】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図７】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図８】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図９】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図１０】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図１１】実施形態に係る半導体装置の製造方法の一連の工程を示す断面図である。
【図１２】アンダーバンプメタル（ＵＢＭ層）の膜厚とホワイトバンプ（Ｗｈｉｔｅ  Ｂｕｍｐ）の発生頻度との関係を示す図である。
【図１３】変形例に係る半導体装置の断面図である。
【図１４】比較例１に係る半導体装置の断面図である。
【図１５】比較例２に係る半導体装置を示す平面図及び断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、適宜に説明を省略する。
【００１９】
図１及び図２は実施形態に係る半導体装置の断面図、図３及び図４は実施形態に係る半導体装置の平面図である。図２においては、図１に示されている構成よりも下側の構成についても示されている。図４においては、図３よりも広い範囲を示している。
本実施形態に係る半導体装置は、電極（電極パッド７）と、電極上に形成され、電極を露出させる開口５ａを有する絶縁膜（例えば、保護樹脂膜５）と、絶縁膜の上に形成され、開口５ａを介して電極と接続しているアンダーバンプメタル（ＵＢＭ層３）と、アンダーバンプメタル上に形成されたはんだボール１と、を有し、アンダーバンプメタルにおいて、開口５ａ内の電極上に位置する第１部分３１の膜厚をＡ、開口５ａの周囲の絶縁膜上に位置する第２部分３２の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５であり、開口５ａとはんだボール１とが１対１で対応している。はんだボール１は１つの開口５ａの上に形成されている。以下、詳細に説明する。
【００２０】
図１に示すように、半導体装置の最上層配線は、電極パッド７を含んでいる。この最上層配線は、半導体装置が有する多層配線層１６（図２：後述）の最上層の層間絶縁膜９上に形成されている。電極パッド７を含む最上層配線上には、カバー窒化膜６が形成され、このカバー窒化膜６には、電極パッド７を露出させる開口６ａが形成されている。カバー窒化膜６上及び開口６ａ内の電極パッド７上には、保護樹脂膜５が形成され、この保護樹脂膜５には、電極パッド７を露出させる開口５ａが形成されている。保護樹脂膜５上及び開口５ａ内の電極パッド７上には、バリアメタルとしてのＴｉ膜４が形成されている。Ｔｉ膜４上にはＣｕ膜１０が形成されている。このＣｕ膜１０上にはＵＢＭ層３が形成されている。
【００２１】
ＵＢＭ層３は、例えば、Ｎｉ層である。
ＵＢＭ層３は、開口５ａ内の電極パッド７上に位置する部分である第１部分３１と、開口５ａの周囲の保護樹脂膜５上に位置する部分である第２部分３２と、を有する。
【００２２】
第１部分３１の膜厚をＡ、第２部分３２の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５という条件を満たしている。
ここで、開口５ａは、例えば、上に向かうほど拡径するテーパー形状に形成されている。また、Ｔｉ膜４及びＣｕ膜１０は、開口５ａの形状を反映した形状となっており、開口５ａと対応する凹部を有している。これら凹部は、上に向かうほど拡径するテーパー形状となっている。
第１部分３１は、ＵＢＭ層３において、平面視において開口５ａの内側（例えば開口５ａの上端部の内側）に位置する部分である。そして、膜厚Ａは、第１部分３１において、開口５ａ内のＣｕ膜１０の凹部１０ｂの底部１０ａに接している部分の膜厚である。
第２部分３２は、ＵＢＭ層３において、平面視にて開口５ａの周囲（例えば開口５ａの上端部の外側）に位置する部分である。
【００２３】
Ａ／Ｂ≧１．５という条件を満たすことにより、第１部分３１によって、はんだボールと電極パッド７との間での金属の拡散（例えば、電極パッド７からはんだボール１へのＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ））を好適に抑制することができ、且つ、第２部分３２によって、その下の絶縁膜（保護樹脂膜５、ひいては、更にその下の絶縁膜）へ伝播する応力の吸収・緩和・分散が可能となる。この結果、ホワイトバンプなどと呼ばれる欠陥の発生を抑制できる。
【００２４】
より具体的には、第１部分３１の膜厚Ａは、２μｍ以上であることが好ましい。このようにすることにより、はんだボール１と電極パッド７との間での金属の拡散をより確実に抑制できる。
【００２５】
また、第２部分３２の膜厚Ｂは、１μｍ以上であることが好ましい。このようにすることにより、第２部分３２の成膜を安定的に実施することができる。換言すれば、現状のプロセスでは、アンダーバンプメタルを１μｍ未満に薄く形成することが困難であることから、膜厚Ｂは１μｍ以上が好ましい。
【００２６】
更に、膜厚Ｂは、２μｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、膜厚Ｂは、２μｍ未満である。このようにすることにより、第２部分３２による応力の吸収・緩和・分散をより確実に行うことができる。
【００２７】
なお、ＵＢＭ層３は、例えば、その厚み方向における複数部分がそれぞれ別工程で形成されている。具体的には、例えば、ＵＢＭ層３は、その下部３ａと上部３ｂとが互いに別工程で形成されている。ＵＢＭ層３の厚み方向における複数部分がそれぞれ別工程で形成されたものであるかどうかは、厚み方向における部分どうしの界面３ｃを観察することにより、判別することができる。なぜなら、ＵＢＭ層３の厚み方向における複数部分をそれぞれ別工程で形成する場合、下側の部分の形成に用いたレジストを剥離した後で、上側の部分を形成するため、レジスト剥離の際に、下側の部分の表面が荒れる（凹凸が形成される）からである（詳細後述）。そして、この荒れた表面（凹凸表面）が、厚み方向における部分どうしの界面３ｃに残留している場合に、半導体装置の製造後であっても、ＵＢＭ層３の厚み方向における複数部分がそれぞれ別工程で形成されたことを知ることができる。
【００２８】
Ａ／Ｂ≧１．５とする根拠は、例えば、以下のように説明することができる。
先ず、ＵＢＭ層３の成膜を安定的に実施するには、その最小膜厚を１μｍ以上にすることが望まれる。つまり、１μｍ≦Ｂが望まれる。また、第２部分３２による応力の吸収・緩和・分散を十分に行うには、膜厚Ｂが２μｍ以下であることが望まれる。つまり、１μｍ≦Ｂ≦２μｍが望まれる。
また、ＵＢＭ層３の形成は、例えば、先ず、開口５ａ内に第１部分３１の下部３ａ（ＵＢＭ層３の下部３ａ）を形成し、次に、ＵＢＭ層３の上部３ｂ（第１部分３１の上部と第２部分３２）を形成することによって行われる。このため、下部３ａの成膜を安定的に実施するには、その膜厚ｄを１μｍ以上にすることが望まれる。つまり、１μｍ≦ｄが望まれる。
上記の１μｍ≦Ｂ≦２μｍという条件より、ｄ／Ｂは、
ｄ／２≦ｄ／Ｂ≦ｄとなる。
更に、上記の１μｍ≦ｄという条件より、０．５≦ｄ／Ｂとなる。
一方、Ａ＝Ｂ＋ｄであるため、Ａ／Ｂ＝１＋ｄ／Ｂとなる。
以上から、Ａ／Ｂ＝（１＋ｄ／Ｂ）≧（１＋０．５）＝１．５
すなわち、Ａ／Ｂ≧１．５が良いということになる。
【００２９】
はんだボール１は、鉛はんだにより構成されていても良いし、鉛フリーはんだにより構成されていても良い。鉛フリーはんだとしては、例えば、Ｓｎ−Ａｇはんだ、或いは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだが挙げられる。
開口５ａとはんだボール１とは１対１で対応している。すなわち、各開口５ａに対応して１つずつのはんだボール１が形成されている。
また、はんだボール１の代わりに、導電性柱状部を用いて、ピラーバンプとしてもよい。導電性柱状部は銅で形成されていてもよい。銅ピラーバンプの場合、鉛含有はんだボールよりも延性が低いため、鉛フリーはんだのはんだボールと同様に、半導体装置の実装時における応力歪が大きくなり、絶縁膜の破壊が発生する。本実施形態では、バンプにおける応力歪を抑制できるため、ピラーバンプにおいても効果的に半導体装置の破壊の発生を抑制することができる。
【００３０】
次に、図２を参照して、最上層配線よりも下側の構成について説明する。
【００３１】
シリコン基板などの基板１１上にトランジスタ１２が形成され、基板１１上にはトランジスタ１２を覆うように最下層の層間絶縁膜１３が形成されている。この層間絶縁膜１３は、例えば、ＳｉＯ２により構成されている。この層間絶縁膜１３には、コンタクト１４が埋め込まれている。
【００３２】
層間絶縁膜１３上には、配線層絶縁膜１５が形成され、この配線層絶縁膜１５には、多層配線層１６の最下層の配線１７が埋め込み形成されている。なお、トランジスタ１２は、コンタクト１４を介して多層配線層１６の最下層の配線１７と電気的に接続されている。
【００３３】
配線層絶縁膜１５上には、層間絶縁膜１８が形成され、この層間絶縁膜１８には、ビア１９が埋め込み形成されている。層間絶縁膜１８上には、配線層絶縁膜２０が形成され、この配線層絶縁膜２０には、配線２１が埋め込み形成されている。配線層絶縁膜２０上には、層間絶縁膜２２が形成され、この層間絶縁膜２２には、ビア２３が埋め込み形成されている。層間絶縁膜２２上には、配線層絶縁膜２４が形成され、この配線層絶縁膜２４には、配線２５が埋め込み形成されている。配線層絶縁膜２４上には、層間絶縁膜２６が形成され、この層間絶縁膜２６には、ビア２７が埋め込み形成されている。層間絶縁膜２６上には、配線層絶縁膜２８が形成され、この配線層絶縁膜２８には、配線２９が埋め込み形成されている。配線層絶縁膜２８上には、層間絶縁膜９が形成され、この層間絶縁膜９には、ビア３３が埋め込み形成されている。そして、層間絶縁膜９上に、電極パッド７を含む最上層配線が形成されている。
【００３４】
なお、最上層配線（電極パッド７を含む）及び最上層のビア３３は、例えば、Ａｌにより構成され、それ以外の配線及びビア（配線２９、２５、２１、１７、ビア２７、２３、１９）は、例えば、Ｃｕにより構成されている。なお、最上層配線（電極パッド７を含む）及び最上層のビア３３は、Ｃｕにより構成しても良い。
【００３５】
また、層間絶縁膜１８、２２、配線層絶縁膜１５、２０、２４は、Ｌｏｗ−ｋ膜（低誘電率絶縁膜）により構成されていることが好ましい。Ｌｏｗ−ｋ膜は、半導体素子を接続する多層配線間の容量を低減するために使用されるものであり、シリコン酸化膜（比誘電率３．９〜４．５）よりも比誘電率が低い材料（例えば、比誘電率が３以下）を指す。Ｌｏｗ−ｋ膜は、例えば、多孔質絶縁膜とすることができる。多孔質絶縁膜としては、例えば、シリコン酸化膜を多孔質化して比誘電率を小さくした材料や、ＨＳＱ（ハイドロゲンシルセスキオキサン（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ））膜、有機シリカ膜、ＳｉＯＣ（例えば、Ｂｌａｃｋ  ＤｉａｍｏｎｄＴＭ、ＣＯＲＡＬＴＭ、ＡｕｒｏｒａＴＭ）などを多孔質化して比誘電率を小さくした材料などがある。
【００３６】
また、層間絶縁膜２６、９及び配線層絶縁膜２８は、例えば、ＳｉＯ２により構成されている。また、カバー窒化膜６は、例えば、ＳｉＯＮにより構成されている。
【００３７】
また、保護樹脂膜５は、例えば、ポリイミド膜である。
【００３８】
なお、例えば、図３に示すように、ＵＢＭ層３、Ｃｕ膜１０、Ｔｉ膜４及び電極パッド７の外形形状、並びに、開口５ａ及び開口６ａの内周形状は、それぞれ、八角形（具体的には正八角形）となっている。これらは、互いに中心が一致し、且つ、互いに対応する辺どうしが平行となるように配置されている。
【００３９】
また、例えば、図４（ａ）又は図４（ｂ）に示すように、半導体装置には、複数のバンプが形成されている。バンプは、はんだボール１及びその下側のＵＢＭ層３、Ｃｕ膜１０、Ｔｉ膜４、電極パッド７、開口５ａ及び開口６ａにより構成される。これらバンプは、半導体装置の全面に均等に配置されている。この配置は、図４（ａ）のように千鳥格子状であっても良いし、図４（ｂ）のように正格子状であっても良い。
【００４０】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図５乃至図１１はこの製造方法を説明するための一連の工程を示す断面図である。
【００４１】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、電極（電極パッド７）上に、該電極を露出させる開口５ａを有する絶縁膜（例えば、保護樹脂膜５）を形成する工程と、絶縁膜の上に、開口５ａを介して電極と接続するようにアンダーバンプメタル（ＵＢＭ層３）を形成する工程と、アンダーバンプメタル上に、開口５ａとはんだボール１とが１対１で対応するようにはんだボール１を形成する工程と、を有し、アンダーバンプメタルを形成する工程では、アンダーバンプメタルにおいて、５ａ開口内の電極上に位置する第１部分３１の膜厚をＡ、開口５ａの周囲の絶縁膜上に位置する第２部分３２の膜厚をＢとすると、Ａ／Ｂ≧１．５となるように、アンダーバンプメタルを形成する。以下、詳細に説明する。
【００４２】
先ず、一般的な半導体製造プロセスにより、基板１１上にトランジスタ１２を形成し、更に、トランジスタ１２上に、上述した構成の多層配線層１６を形成する。この多層配線層１６の最上層の配線は、電極パッド７を含む。この電極パッド７上にカバー窒化膜６を形成し、このカバー窒化膜６には電極パッド７を露出させる開口６ａを形成する。更に、電極パッド７上及びカバー窒化膜６上に保護樹脂膜５を形成し、この保護樹脂膜５にも電極パッド７を露出させる開口５ａを形成する（図５（ａ））。
【００４３】
次に、電極パッド７上及び保護樹脂膜５上に、バリア膜としてのＴｉ膜４をスパッタ等により成膜する。更に、Ｔｉ膜４上に、Ｃｕ膜１０をスパッタ等により成膜する（図５（ｂ））。なお、ＵＢＭ層３をめっきにより形成する場合、Ｃｕ膜１０はめっきのシードとなる。
【００４４】
次に、Ｃｕ膜１０上にＵＢＭ層３を形成する。このためには、先ず、Ｃｕ膜１０上にレジストマスク（第１マスク）４１を形成する。このレジストマスク４１は、ＵＢＭ層３の下部３ａの形成範囲と対応する開口（第１開口部）４１ａを有する。次に、開口４１ａ内に、めっき（電解めっき）などの手法によって、ＵＢＭ層３の下部３ａを形成する（図６（ａ））。
ここで、下部３ａは、開口５ａ内のＣｕ膜１０の凹部１０ｂの底部１０ａの全域を覆うように形成する。このためには、開口４１ａの寸法を底部１０ａの寸法よりも大口径にし、開口４１ａ内に底部１０ａの全域が収まるように開口４１ａの位置を設定する。
また、下部３ａは、例えば、平面視において開口５ａの内側に収まるように形成する。より具体的には、下部３ａは、Ｃｕ膜１０の凹部１０ｂ内に収まるように形成する。このためには、平面視において、開口４１ａの端部が、Ｃｕ膜１０の凹部１０ｂ内に収まるように、開口４１ａの寸法と位置とを設定する。
【００４５】
ＵＢＭ層３の下部３ａの形成後、レジストマスク４１を除去する（図６（ｂ））。ここで、レジストマスク４１を除去するには、例えば、剥離液（例えば、現像液）を用いる。
【００４６】
続いて、例えば、アッシング処理４２（図７（ａ））を行う。このアッシング処理４２により、剥離液を用いた剥離後も僅かに残存するレジストマスク４１を除去する。
ここで、アッシング処理４２を行うことにより、ＵＢＭ層３の下部３ａの表面には酸化層が形成される場合がある。更に、アッシング処理４２により、下部３ａの表面は荒れて、凹凸表面となる場合がある。
【００４７】
アッシング処理４２により下部３ａの表面に形成される酸化層が十分に薄ければ、引き続き、下部３ａの上にＵＢＭ層３の上部３ｂを形成することも可能である。ただし、この酸化層が厚い場合、アッシング処理４２に続いて、この酸化層を除去するための処理を行う。
この処理は、例えば、酸化層を還元処理４３（図７（ｂ））により除去する処理である。この還元処理４３は、例えば、還元雰囲気中でのプラズマ処理（例えば、水素プラズマ処理）である。
なお、酸化層を除去するための処理としては、研磨処理を採用することもできる。また、必要に応じて、還元処理４３と研磨処理とを併用（何れかの順序で順次に実行）しても良い。
【００４８】
次に、ＵＢＭ層３の上部３ｂを形成する。
このためには、先ず、図８に示すように、Ｃｕ膜１０上にレジストマスク（第２マスク）４４を形成する。このレジストマスク４４は、平面視におけるＵＢＭ層３の外形形状と対応する形状の開口（第２開口部）４４ａを有する。次に、開口４４ａ内に、めっき（電解めっき）などの手法によって、ＵＢＭ層３の上部３ｂを形成する。すなわち、下部３ａの上、及び、下部３ａの周囲のＣｕ膜１０の上に、上部３ｂを形成する。
ここで、下部３ａの上面の酸化層を除去する工程の後で上部３ｂを形成するので、その除去前には下部３ａの上面に厚い酸化膜が形成されていた場合であっても、下部３ａの上に上部３ｂを好適に形成することができ、上部３ｂと下部３ａとの接合強度を十分に確保することができる。
【００４９】
次に、図９に示すようにＵＢＭ層３上にはんだ層３４をめっき（電解めっき）により形成する。すなわち、レジストマスク４４の開口４４ａ内にはんだ層３４をめっき（電解めっき）により形成する。その後、図１０に示すように、レジストマスク４４を除去する。
【００５０】
次に、図１１に示すように、全面ウェットエッチングを行うことによって、はんだ層３４から露出している（ＵＢＭ層３から露出している）Ｃｕ膜１０及びＴｉ膜４を除去する。
【００５１】
次に、はんだ層３４を加熱しリフローさせることによって、はんだボール１を形成する（図１）。こうして、本実施形態に係る半導体装置が得られる。
【００５２】
半導体装置は、はんだボール１を介して、実装基板に実装される。ここで、実装基板は、例えば、ビルドアップ（Ｂｕｉｌｄ  Ｕｐ）基板であり、中央に位置する平板なコア材と、このコア材の表裏の面にそれぞれ複数層ずつ（例えば互いに同じ層数ずつ）積層されたＣｕ配線層と、を有する。コア材の材料の物性値は、一例として、弾性率／４．５４（ＧＰａ）、線膨張係数／５５（ｐｐｍ／℃）、ポアソン比／０．３６である。
【００５３】
ここで、比較例に係る半導体装置を説明する。
【００５４】
図１４は比較例１に係る半導体装置の断面図である。
図１４に示すように、比較例１に係る半導体装置は、ＵＢＭ層３が全面に亘って実質的に均一な膜厚で形成されている点で、上記の実施形態に係る半導体装置と相違する。ここで、ＵＢＭ層３の中央部の膜厚は、金属の拡散を抑制する要求から、最低膜厚が定まる。ＵＢＭ層３の周縁部、すなわち、開口５ａの外側で保護樹脂膜５上に位置する部分の膜厚は、中央部と同じ膜厚である。
なお、比較例１の場合、ＵＢＭ層３は、上記の実施形態とは異なり、一工程で形成されている。
比較例１に係る半導体装置は、その他の点では実施形態に係る半導体装置と同様に構成されている。
【００５５】
比較例１に係る半導体装置の場合、はんだボール１をリフローさせて半導体装置を実装基板に実装した後の冷却の過程で、半導体装置と実装基板との線膨張係数差に起因する応力がＵＢＭ層３の周縁部に集中する。なぜなら、ＵＢＭ層３が全面に亘って均一な膜厚であり、ＵＢＭ層３の周縁部の膜厚も、中央部と同じであるため、ＵＢＭ層３の周縁部による応力の吸収・緩和・分散を十分に行うことが困難だからである。このため、図１４に示すように、例えば、保護樹脂膜５においてＵＢＭ層３の周縁部の直下に位置する部分に破断３５が生じたり、はんだボール１においてＵＢＭ層３の周縁部の上に位置する部分に破断３６が生じたりする。更に、保護樹脂膜５に発生した破断３５を起点として、下層のＬｏｗ−ｋ膜（層間絶縁膜１８、２２、配線層絶縁膜１５、２０、２４：図２参照）にも破断が生じることがある。下層配線の破断は、ＳＡＴ観察（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ）により観察することができ、ホワイトバンプ（Ｗｈｉｔｅ  Ｂｕｍｐ）或いはホワイトスポット（Ｗｈｉｔｅ  Ｓｐｏｔ）などと称される。
【００５６】
図１２は、ＵＢＭ層３の膜厚とホワイトバンプの発生頻度との関係を示す図である。図１２の結果は、図１４に示すようにＵＢＭ層３の全体の膜厚が均一な半導体装置を実装基板に実装したときのホワイトバンプの発生状況を調べることによって得られたものである。実装基板としては、コア材を中心にＣｕ配線層を上下に同じ層数積層してなるビルドアップ（Ｂｕｉｌｄ  Ｕｐ）基板を用いた。コア材の材料の物性値は、弾性率／４．５４（ＧＰａ）、線膨張係数／５５（ｐｐｍ／℃）、ポアソン比／０．３６であった。また、半導体装置のチップとしては、１辺が１４ｍｍの矩形状のものを用いた。各膜厚の評価に使用したサンプル数はそれぞれ２０チップである。
図１２から分かるように、ＵＢＭ層３の膜厚が厚くなるほど、ホワイトバンプが発生しやすくなる。この結果は、ＵＢＭ層３において、開口５ａの周囲の保護樹脂膜５上に位置する部分の膜厚が厚くなるほど、ホワイトバンプが発生しやすくなることをも意味する。
【００５７】
近年、欧州連合でなまり、水銀、カドミウム等を電子機器に使用することが原則禁止となり、はんだボール１は鉛はんだから鉛フリーはんだへの移行が望まれている。鉛はんだは展性が高いため、応力を吸収する性能が高いが、鉛フリーはんだは鉛はんだよりも展性が低いため、応力を吸収する性能が低い。このため、上述のような膜破断やはんだボール１の破断がなおさら生じやすい。
また、層間絶縁膜の破壊は、特に、層間絶縁膜がＬｏｗ−ｋ膜である場合に顕著に生じる。
【００５８】
図１５（ａ）は比較例２に係る半導体装置の開口５ａの配置を示す平面図、図１５（ｂ）は比較例２に係る半導体装置の断面図である。図１５に示すように、比較例２に係る半導体装置は、保護樹脂膜５には、１つのはんだボール１に対応して、４つの開口５ａが形成されている。ＵＢＭ層３は、４つの開口５ａを介して電極パッド７に接続され、このＵＢＭ層３上にはんだボール１が形成されている。
【００５９】
比較例２の場合、電極パッド７からのＵＢＭ層３の剥離が発生しやすい。なぜなら、電極パッド７とＵＢＭ層３との接合部における周縁部５１（図１５（ｂ））には、電極パッド７とＵＢＭ層３との界面に保護樹脂膜５を構成する材料（例えばポリイミド）の材料が入り込み、その部位で電極パッド７とＵＢＭ層３との接合強度が弱くなる場合がある。この接合部の周縁部５１に絶縁膜材料が入り込む距離は、接合部の面積によらずほぼ同じ量となる。このため、接合部のトータル面積が同じ場合、接合部が複数に分割されて接合部の数が増えるほど、接合強度が弱まり、電極パッド７からのＵＢＭ層３の剥離が生じやすくなってしまう。つまり、図１５のように１つのはんだボール１に対応して、複数（例えば４つ）の開口５ａが形成されている構造の場合、本実施形態と比べて、電極パッド７とＵＢＭ層３との接合強度が弱まり、それらの剥離が生じやすい。
【００６０】
これらに対し、本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
【００６１】
ＵＢＭ層３において、開口５ａ内の電極パッド７上に位置する第１部分３１の膜厚Ａが相対的に厚くなるため、電極パッド７とはんだボール１との間の金属の拡散（例えばＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｉｇｒａｔｉｏｎ））に対する信頼性を確保しやすい。具体的には、第１部分３１の膜厚Ａが、開口５ａの周囲の保護樹脂膜５上に位置する第２部分３２の膜厚Ｂの１．５倍以上であることにより、高い信頼性を確保できる。
例えば、ｈｐ４５ｎｍ相当のプロセスにおける１バンプ当りのＥＭ基準値は平均で５０ｍＡ程度であり、本実施形態に係る半導体装置では、この程度の電流が各バンプに流れても、ＥＭに対する高い信頼性を確保することができる。
【００６２】
また、ＵＢＭ層３において、開口５ａの周囲の保護樹脂膜５上に位置する（開口５ａの外側に位置する）第２部分３２の膜厚Ｂが相対的に薄くなるため、この第２部分３２が第１部分３１よりも容易に変形できる。具体的には、膜厚Ｂが膜厚Ａの２／３以下であることにより、第２部分３２が容易に変形できる。よって、第２部分３２により、その下の絶縁膜へ伝播する応力の吸収・緩和・分散が可能となる。つまり、はんだボール１の周縁部から保護樹脂膜５へ伝達される応力がＵＢＭ層３により緩和される。その結果、保護樹脂膜５における破断の発生を抑制できる。よって、保護樹脂膜５の破断を起点とする下層のＬｏｗ−ｋ膜（層間絶縁膜１８、２２、配線層絶縁膜１５、２０、２４：図２）の破断も抑制できる。また、はんだボール１においてＵＢＭ層３の周縁部の上に位置する部分の破断も抑制できる。これにより、はんだボール１を鉛フリーはんだにより構成した場合も同様の効果が得られる。
【００６３】
また、開口５ａとはんだボールとが１対１で対応している（すなわち各開口５ａに対応して１つずつのはんだボール１が形成されている）ので、電極パッド７からのＵＢＭ層３の剥離を抑制できる。なぜなら、各開口５ａに対応して１つずつのはんだボール１が形成されている構成を採用することにより、電極パッド７とＵＢＭ層３との接合強度を最大限確保できるからである。そして、その結果として、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を一層確実に抑制することができる。
【００６４】
要するに、この半導体装置によれば、はんだボール１を鉛フリーはんだにより構成した場合であっても、半導体装置の実装時の応力に起因する絶縁膜の破壊の発生を抑制し、且つ、電極パッド７とはんだボール１との間での金属の拡散に対する信頼性も容易に確保することができる。
【００６５】
なお、特許文献１の構造では、応力緩和のために、はんだバンプと電極との間に樹脂層を挿入する必要があることから、半導体装置の厚みが増大してしまうので、パッケージへ実装することが難しくなる。これに対し、本実施形態では、応力緩和用の層構造を追加することなく、半導体装置の実装時の応力を緩和することができるため、半導体装置の厚みを抑制することができる。
【００６６】
上記の実施形態では、ＵＢＭ層３の第１部分３１の中央部の上面と第２部分３２の上面とが高さ違いとなっている例を説明したが、図１３に示すように、ＵＢＭ層３の第１部分３１の上面と第２部分３２の上面とが互いに面一であり、これら上面が同一面を形成していても良い（ＵＢＭ層３の上面が平坦でも良い）。この場合、ＵＢＭ層３の上面が平坦になっているため、より一層応力を緩和することができる。
【００６７】
また、上記の実施形態では、ＵＢＭ層３上にはんだボール１が直接形成されている（ＵＢＭ層３上にはんだボール１が接している）例を説明したが、ＵＢＭ層３上には、はんだ（はんだボール１）に対する濡れ性がＵＢＭ層３よりも良い材料（例えば、Ｃｕ）により構成される金属膜（図示略）が形成され、この金属膜上にはんだボール１が形成されていても良い。
【００６８】
また、上記の実施形態では、ＵＢＭ層３をめっき成長する例を説明したが、ＵＢＭ層３はスパッタにより成長しても良い。
【００６９】
また、上記の実施形態では、はんだ層３４をめっき法により形成する例を説明したが、はんだ層３４は、印刷により形成しても良い。この場合、図８の工程の後でレジストマスク４４を除去した後、ＵＢＭ層３上に印刷版を配置し、この印刷版を介してスキージによってはんだ層３４の材料をはんだ層３４の形成領域に埋め込むことによって、図１０に示すようにはんだ層３４を形成する。
【符号の説明】
【００７０】
１ はんだボール
３ ＵＢＭ層
３ａ 下部
３ｂ 上部
３ｃ 界面
４ Ｔｉ膜
５ 保護樹脂膜
５ａ 開口
６ カバー窒化膜
６ａ 開口
７ 電極パッド
９ 層間絶縁膜
１０ Ｃｕ膜
１０ａ 底部
１０ｂ 凹部
１１ 基板
１２ トランジスタ
１３ 層間絶縁膜
１４ コンタクト
１５ 配線層絶縁膜
１６ 多層配線層
１７ 配線
１８ 層間絶縁膜
１９ ビア
２０ 配線層絶縁膜
２１ 配線
２２ 層間絶縁膜
２３ ビア
２４ 配線層絶縁膜
２５ 配線
２６ 層間絶縁膜
２７ ビア
２８ 配線層絶縁膜
２９ 配線
３１ 第１部分
３２ 第２部分
３３ ビア
３４ はんだ層
３５ 破断
３６ 破断
４１ レジストマスク
４１ａ 開口
４２ アッシング処理
４３ 還元処理
４４ レジストマスク
４４ａ 開口
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2012204788.tif 000014
【図１３】
2012204788.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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