JP2006270031A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン基板上にポリイミドなどからなる保護膜が形成された半導体装置の製造中に、保護膜の上面層が変質しても、この変質による悪影響が生じないようにする。
【解決手段】 ポリイミドなどからなる保護膜５に開口部６を形成したとき、保護膜５の開口部６を介して露出された接続パッド２の上面にポリイミドなどからなる残渣が残存する場合がある。そこで、次に、この残渣を酸素プラズマアッシングにより除去する。この場合、保護膜５の上面側に凸凹構造の変質層Ａが形成される。次に、開口部４、６を介して露出された接続パッド２の上面に形成された自然酸化膜をアルゴンプラズマエッチングにより除去する。この場合、変質層Ａがさらに変質して網目構造の変質層Ｃが形成される。次に、チタンなどからなる第１の下地金属層７を成膜する。この場合、第１の下地金属層７は網目構造の変質層Ｃの上面に成膜されるため、その界面の密着力は高い。
【選択図】 図１

Description

この発明は半導体装置およびその製造方法に関する。

従来の半導体装置には、半導体基板上にアルミニウムなどからなる複数の接続パッド、酸化シリコンなどからなる絶縁膜、ポリイミドからなる保護膜が設けられ、接続パッドが絶縁膜および保護膜に設けられた開口部を介して露出され、この露出された接続パッドの上面およびその近傍の保護膜の上面にチタン−タングステン合金からなる第１の下地金属層、金からなる第２の下地金属層および金からなるバンプ電極が設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許第２６９８８２７号公報

そして、上記従来の半導体装置の製造方法では、第１の下地金属層を成膜する前に、アルミニウムなどからなる接続パッドの上面に形成された自然酸化膜をアルゴンイオンエッチングにより除去している。この場合、ポリイミドからなる保護膜の上面層がアルゴンイオンの影響を受けて変質し、保護膜の絶縁抵抗が低下し、最終的にはリーク不良を生じてしまうことがある。そこで、第１、第２の下地金属層およびバンプ電極を形成した後に、保護膜の少なくとも変質層を酸素プラズマエッチングにより除去している。

ところで、ポリイミドからなる保護膜に開口部を形成したとき、保護膜の開口部を介して露出された接続パッドの上面にスカムと呼ばれるポリイミドの残渣が残存する場合がある。そこで、この残渣を酸素プラズマエッチングにより除去することがある。この場合、ポリイミドからなる保護膜の上面層が酸素プラズマの影響を受けて変質し、変質層（以下、この変質層を変質層Ａという）が形成される。

そして、次に、絶縁膜および保護膜の開口部を介して露出された接続パッドの上面に形成された自然酸化膜を除去するため、アルゴンイオンエッチングを行なうと、このエッチングがイオンガン方式であれば、保護膜上の変質層Ａがさらに変質して別の変質層（以下、この変質層を変質層Ｂという）が形成される。しかしながら、変質層Ｂは、後で説明するが、チタンなどからなる第１の下地金属層との密着力が低く、その界面で剥離が生じやすくなってしまうという問題がある。

そこで、この発明は、保護膜の上面側に形成された変質層の下地金属層に対する密着力を向上させることができる半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、上面に複数の接続パッドを有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、且つ、前記接続パッドに対応する部分に開口部を有する樹脂からなる保護膜と、前記保護膜の上面側にパターン形成された網目構造の変質層と、前記保護膜の開口部を介して露出された前記接続パッドの上面および前記変質層の上面に設けられた下地金属層とを備えていることを特徴とするものである。

この発明によれば、保護膜の上面側に変質層Ｂとは異なる網目構造の変質層を形成すると、この網目構造の変質層の下地金属層に対する密着力を向上させることができる。

図１はこの発明の一実施形態としての半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は、一般的にはＣＳＰ(chip size package)と呼ばれるものであり、シリコン基板（半導体基板）１を備えている。シリコン基板１の上面には所定の機能の集積回路（図示せず）が設けられ、上面周辺部にはアルミニウムやアルミニウム合金などのアルミニウム系金属からなる複数の接続パッド２が集積回路に接続されて設けられている。

接続パッド２の中央部を除くシリコン基板１の上面には酸化シリコン、窒化シリコン、テオスなどからなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２の中央部は絶縁膜３に設けられた開口部４を介して露出されている。絶縁膜３の上面にはポリイミドやポリベンゾオキサイド（ＰＢＯ）などからなる保護膜５が設けられている。この場合、保護膜５の上面側において後述する第１の下地金属層７下には、後で説明するように、変質層（以下、この変質層を変質層Ｃという）がパターン形成されている。また、絶縁膜３の開口部４に対応する部分における変質層Ｃを含む保護膜５には、絶縁膜３の開口部４よりもやや大きめの開口部６が設けられている。

絶縁膜３および変質層Ｃを含む保護膜５の開口部４、６内および変質層Ｃの上面全体にはチタンやクロムなどからなる第１の下地金属層７が設けられている。第１の下地金属層７の上面全体には銅からなる第２の下地金属層８が設けられている。第２の下地金属層８の上面全体には銅からなる配線９が設けられている。第１、第２の下地金属層７、８を含む配線９の一端部は、絶縁膜３および変質層Ｃを含む保護膜５の開口部４、６を介して接続パッド２に接続されている。

配線９の接続パッド部上面には銅からなる柱状電極１０が設けられている。配線９を含む保護膜５の上面にはエポキシ系樹脂やフェノール系樹脂などからなる封止膜１１がその上面が柱状電極１０の上面と面一となるように設けられている。柱状電極１０の上面には半田ボール１２が設けられている。

次に、この半導体装置の製造方法の一例について説明する。まず、図２に示すように、ウエハ状態のシリコン１（半導体基板）上にアルミニウム系金属からなる複数の接続パッド２および酸化シリコンなどからなる絶縁膜３が設けられ、接続パッド２の中央部が絶縁膜３に形成された開口部４を介して露出されたものを用意する。この場合、ウエハ状態のシリコン基板１には、各半導体装置が形成される領域に所定の機能の集積回路（図示せず）が形成され、接続パッド２は、それぞれ、対応する領域に形成された集積回路に電気的に接続されている。

次に、図３に示すように、絶縁膜３の開口部４を介して露出された接続パッド２の上面を含む絶縁膜３の上面全体に、スクリーン印刷法やスピンコート法などにより、ポリイミドやＰＢＯなどからなる保護膜５を形成する。次に、フォトリソグラフィ法により、絶縁膜３の開口部３に対応する部分における保護膜５に、絶縁膜３の開口部４よりもやや大きめの開口部６を形成する。

ここで、ポリイミドやＰＢＯなどの樹脂からなる保護膜５に開口部６を形成したとき、保護膜５の開口部６を介して露出された接続パッド２の上面にスカムと呼ばれるポリイミドやＰＢＯなどの樹脂からなる残渣（図示せず）が残存する場合がある。そこで、次に、この残渣を酸素プラズマアッシングにより除去する。この場合、図４に示すように、保護膜５の上面層が酸素プラズマの影響を受けて変質し、変質層Ａが形成される。

次に、絶縁膜３および変質層Ａを含む保護膜５の開口部４、６を介して露出されたアルミニウム系金属からなる接続パッド２の上面に形成された自然酸化膜（図示せず）をアルゴンガスなどの不活性ガスを用いたプラズマエッチングにより除去する。このようなプラズマエッチングにより、変質層Ａがさらに変質して変質層Ｃが形成される。不活性ガスを用いたプラズマエッチングの方式としては、１周波励起または２周波励起の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ヘリコン波励起型反応性高密度プラズマ、２周波励起の誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ、inductively coupled plasma）、ＩＳＭ（inductively super magneron）などがあり、特に、２周波励起のＩＣＰ、ＩＳＭを用いたプラズマエッチングが好ましい。

ここで、図３に示す保護膜５の上面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である図１２（Ａ）を見ると、上面がほぼ平坦であり、変質層は形成されていない。次に、変質層Ａの上面のＳＥＭ写真である図１２（Ｂ）を見ると、上面が１０〜１００ｎｍの凸凹構造となっており、変質層Ａが形成されている。次に、変質層Ｃの上面のＳＥＭ写真である図１２（Ｃ）を見ると、変質層Ａよりも表面粗さが粗い網目構造となっており、変質層Ｃが形成されている。

この場合、変質層Ｃの網目の直径は１０〜５００ｎｍ、網の太さは１０〜２００ｎｍ、層厚は１０〜１０００ｎｍである。また、保護膜５の材料であるポリイミドあるいはＰＢＯの構成元素が炭素、酸素、窒素、水素であるので、変質層Ｃの構成元素は炭素、酸素、窒素、水素、不活性ガスとなる。この場合、変質層Ｃに含まれる不活性ガスは、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いたプラズマエッチング処理ではアルゴンガスである。なお、変質層Ａの構成元素は、保護膜５と同じで、炭素、酸素、窒素、水素である。

ところで、接続パッド２の上面の自然酸化膜を除去するために、アルゴンガスを用いたプラズマエッチングの代わりに、イオンガン方式によるアルゴンイオンエッチングを行なった場合には、保護膜５の上面側に、変質層Ｃではなく、変質層Ｂが形成される。そして、変質層Ｂの上面のＳＥＭ写真である図１２（Ｄ）を見ると、図１２（Ｂ）に示す変質層Ａで見られた凸凹が減少して、図１２（Ａ）に示す保護膜５の上面に近い状態となっている。

次に、図５に示すように、絶縁膜３および変質層Ｃを含む保護膜５の開口部４、６を介して露出された接続パッド２の上面を含む変質層Ｃの上面全体に、スパッタ法などにより、チタンやクロムなどからなる第１の下地金属層７および銅からなる第２の下地金属層８を連続して成膜する。この場合、第１の下地金属層７は変質層Ｃの上面に成膜されるため、後で説明するように、その界面の密着力は高い。なお、下地金属層は、接着機能とバリア機能を有するものであれば１層とすることもできる。

次に、第２の下地金属層８の上面にメッキレジスト膜２１をパターン形成する。この場合、配線９形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２１には開口部２２が形成されている。次に、第１、第２の下地金属層７、８をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜２１の開口部２２内の第２の下地金属層８の上面に配線９を形成する。次に、メッキレジスト膜２１を剥離する。なお、下地金属層を厚く形成することにより下地金属層のみからなる配線とすることも可能である。

次に、図６に示すように、配線９を含む第２の下地金属層８の上面にメッキレジスト膜２３をパターン形成する。この場合、柱状電極１０形成領域に対応する部分におけるメッキレジスト膜２３には開口部２４が形成されている。次に、第１、第２の下地金属層７、８をメッキ電流路として銅の電解メッキを行なうことにより、メッキレジスト膜２３の開口部２４内の配線９の接続パッド部上面に柱状電極１０を形成する。

次に、メッキレジスト膜２３を剥離し、次いで、配線９をマスクとして第１、第２の下地金属層７、８の不要な部分をエッチングして除去すると、図７に示すように、配線９下にのみ第１、第２の下地金属層７、８が残存される。

この状態では、第１の下地金属層７下以外の領域における保護膜５の上面にも変質層Ｃが形成されている。変質層Ｃは導電性を有するため、このままでは、配線９間でショートが生じてしまう。そこで、次に、第１の下地金属層７下以外の領域における変質層Ｃを酸素プラズマアッシングにより除去すると、図８に示すように、第１の下地金属層７下にのみ変質層Ｃが残存される。

この場合の酸素プラズマアッシングとしては、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)タイプのプラズマアッシング装置を用い、ウエハ１枚に対して、酸素量２００〜５００ｓｃｃｍ、プラズマパワー５００〜１０００Ｗ、圧力２０〜１３３Ｐａ、ステージ温度４０〜８０℃、処理時間１０〜６０ｓｅｃの条件で行なった。

すると、オーバーアッシングとなり、第１の下地金属層７下以外の領域における保護膜の上面側の一部も除去され、第１の下地金属層７下以外の領域における変質層Ｃが完全に除去された。この場合、第１の下地金属層７下以外の領域における保護膜５の上面層が酸素プラズマの影響を受けて変質し、変質層Ａが形成されるが、別に支障はない。

次に、図９に示すように、柱状電極１０および配線９を含む保護膜５の上面全体に、スクリーン印刷法やスピンコート法などにより、エポキシ系樹脂などからなる封止膜１１をその厚さが柱状電極１０の高さよりも厚くなるように形成する。したがって、この状態では、柱状電極１０の上面は封止膜１１によって覆われている。

次に、封止膜１１および柱状電極１０の上面側を適宜に研磨し、図１０に示すように、柱状電極１０の上面を露出させ、且つ、この露出された柱状電極１０の上面を含む封止膜１１の上面を平坦化する。次に、図１１に示すように、柱状電極１０の上面に半田ボール１１を形成する。次に、ダイシング工程を経ると、図１に示す半導体装置が複数個得られる。

このようにして得られた半導体装置では、ポリイミドやＰＢＯなどからなる保護膜５の上面側に、変質層Ｂではなく、網目構造の変質層Ｃを形成しているので、この網目構造の変質層Ｃのチタンやクロムなどからなる第１の下地金属層７に対する密着力を、次に説明するように、向上させることができる。

次に、上記製造方法により製造された半導体装置のプレッシャークッカーテスト（ＰＣＴ）によるシェア強度試験について説明する。この場合、図１３に示す本発明品を用意した。この本発明品は、シリコン基板１の上面にポリイミドからなる保護膜５が形成され、保護膜５の上面に変質層Ｃが形成され、変質層Ｃの上面に平面円形状のチタンからなる第１の下地金属層７、銅からなる第２の下地金属層８および銅からなる柱状電極１０が形成された構造となっている。また、比較のために、図１３に示す本発明品と同じ構造であるが、保護膜５の上面に変質層Ｂが形成された比較品を用意した。

そして、本発明品および比較品について、シリコン基板１を固定した状態で、柱状電極１０の側面にシェア測定治具（図示せず）を押し付けて、第１の下地金属層７が変質層Ｃ（Ｂ）から剥離したときの強度（ｇ）を求めた。この場合、本発明品および比較品共に、環境試験投入前のシェア強度を１とし、ＰＣＴの飽和（温度１２１℃、湿度１００％Ｒｈ、２気圧）に５００時間放置した後でのシェア強度を求めた。

すると、比較品の場合には、環境試験投入前のシェア強度を１としたとき、ＰＣＴの飽和に５００時間放置した後でのシェア強度は０．１まで低下した。これに対し、本発明品の場合には、環境試験投入前のシェア強度を１としたとき、ＰＣＴの飽和に５００時間放置した後でのシェア強度は０．６８まで低下したが、比較品の６．８倍であり、界面密着力が向上したと言える。

なお、この発明は、ＣＳＰと呼ばれる半導体装置に限らず、例えば、上記従来例の如く、半導体基板上に複数の接続パッド、絶縁膜、保護膜が設けられ、接続パッドが絶縁膜および保護膜に設けられた開口部を介して露出され、この露出された接続パッドの上面およびその近傍の保護膜の上面に第１、第２の下地金属層およびバンプ電極が設けられたものにも適用することができる。

この発明の一実施形態としての半導体装置の断面図。 図１に示す半導体装置の製造方法の一例において、当初用意したものの断面図。 図２に続く工程の断面図。 図３に続く工程の断面図。 図４に続く工程の断面図。 図５に続く工程の断面図。 図６に続く工程の断面図。 図７に続く工程の断面図。 図８に続く工程の断面図。 図９に続く工程の断面図。 図１０に続く工程の断面図。 （Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ保護膜、変質層Ａ、変質層Ｃおよび変質層Ｂの各上面のＳＥＭ写真を示す図。 シェア強度試験に用いた本発明品の斜視図。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 接続パッド
３ 絶縁膜
４ 開口部
５ 保護膜
６ 開口部
７ 第１の下地金属層
８ 第２の下地金属層
９ 配線
１０ 柱状電極
１１ 封止膜
１２ 半田ボール
Ａ 変質層Ａ
Ｂ 変質層Ｂ
Ｃ 変質層Ｃ

Claims (13)

1. 上面に複数の接続パッドを有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、且つ、前記接続パッドに対応する部分に開口部を有する樹脂からなる保護膜と、前記保護膜の上面側にパターン形成された網目構造の変質層と、前記保護膜の開口部を介して露出された前記接続パッドの上面および前記変質層の上面に設けられた金属層とを備えていることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の発明において、前記保護膜は炭素、酸素、窒素、水素を含む樹脂からなることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の発明において、前記変質層は炭素、酸素、窒素、水素、アルゴンを含むものからなることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項１に記載の発明において、前記変質層の網目構造は、網目の直径が１０〜５００ｎｍ、網の太さが１０〜２００ｎｍ、層厚が１０〜１０００ｎｍであることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１に記載の発明において、前記金属層上に配線が設けられていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項５に記載の発明において、前記配線の接続パッド部上に柱状電極が設けられていることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６に記載の発明において、前記柱状電極の周囲に封止膜が設けられ、前記柱状電極上に半田ボールが設けられていることを特徴とする半導体装置。
8. 上面に複数の接続パッドを有する半導体基板上に、前記接続パッドに対応する部分に開口部を有する樹脂からなる保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜の開口部を介して露出された前記接続パッドの上面に残存された前記保護膜の残渣を酸素プラズマアッシングにより除去し、当該酸素プラズマアッシングにより前記保護膜の上面層が変質された変質層Ａが形成される工程と、
   前記保護膜の開口部を介して露出された前記接続パッドの上面に形成された酸化膜を、不活性ガスを用いたプラズマエッチングにより除去し、当該プラズマエッチングにより前記変質層Ａが変質され、当該変質層よりも表面粗さが粗い変質層Ｃが形成される工程と、
   前記保護膜の開口部を介して露出された前記接続パッドの上面および前記変質層Ｃの上面に金属層をパターン形成する工程と、
   前記金属層下以外の領域における前記変質層Ｃを酸素プラズマアッシングにより除去する工程と、
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の発明において、前記変質層Ｃを除去する工程は前記金属層下以外の領域における前記保護膜の上面側の一部を含んで除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項８に記載の発明において、前記変質層Ｃは、網目構造を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項１０に記載の発明において、前記変質層の網目構造は、網目の直径が１０〜５００ｎｍ、網の太さが１０〜２００ｎｍ、層厚が１０〜１０００ｎｍであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項８に記載の発明において、前記保護膜は炭素、酸素、窒素、水素を含む樹脂によって形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 請求項１２に記載の発明において、前記不活性ガスはアルゴンガスであり、前記変質層Ｃは炭素、酸素、窒素、水素、アルゴンを含むものからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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