JP2006108233A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 有機樹脂膜全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層の上面コーナ部における有機樹脂膜のカバレッジを良好にできる半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 最上部に、2ndAl膜54と、P−SiN膜55とが順に形成され、P−SiN膜55のうち、2ndAl膜54の上方部分に開口部55aが形成されている半導体基板を用意する。次に、その開口部55aにめっき法によりCu電極層2を形成する。このとき、Cu電極層2の上面2aの位置がP−SiN膜55の上面よりも高い位置となるように、Cu電極層2を形成する。この場合、Cu膜を等方的に成長させるので、Cu電極層の形状を上面コーナ部2gが丸みを有する形状とすることができる。この結果、Cu電極層2の表面に有機樹脂膜3を形成したとき、有機樹脂膜3のCu電極層2の上面コーナ部2gにおける膜厚3bを厚くすることができる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであって、特に、デバイス上に形成された厚いCu電極を備える半導体装の製造方法に関するものである。
従来、リレー等の大きな駆動電流(例えば10アンペア以上)が要求される半導体デバイスや、LDMOS等のパワーデバイスと、これらのデバイス上に形成された厚いCu電極とを備える半導体装置(ICチップ)がある。
この装置は、例えば、LDMOS等を構成する素子(半導体基板内の不純物領域等)と、半導体基板の表面上に形成され、素子と電気的に接続された配線層と、半導体基板の最上部に形成され、配線層と電気的に接続された厚いCu電極層と、Cu電極層を覆う有機樹脂膜と、Cu電極層と外部端子とを接続するボンディングワイヤと、これらを封止するモールド樹脂とを備えている。
ここで、Cu電極層は、実装に絡む(ワイヤーボンディング、半田接続等が施される)電極層であって、Cuにより構成されている電極層のことである。Cuは、その比抵抗が1.5〜2.0μmΩcmと低いことから、電極の低on抵抗化のために、その電極材料等としてCuが使われる。そして、さらに、on抵抗を低下させるために、このCu電極層の厚さを、例えば、3um以上と厚くしている。
次に、この半導体装置の製造方法(主に、厚さが3μm以上と厚いCu電極層の形成方法)について説明する。図10、11にCu電極層の形成工程を示す。
〔図10(a)に示す工程〕
まず、上記した素子および上記した配線層が形成された半導体基板を用意する。この半導体基板の最上部には、例えば、図に示すように、層間絶縁膜としてのTEOS(Tetra Ethyl OrthoSilicate)膜53、配線層としてのAl配線54と、素子用保護膜としてのP−SiN膜(プラズマ窒化膜)55とが順に成膜されている。そして、P−SiN膜55は、Al配線54の上方に位置する部分に開口部55aが形成されている。
〔図10(b)に示す工程〕
続いて、P−SiN膜55上および開口部55a内に至って、バリア・シード層(Tiなどのバリアメタル層およびCuシード層)61を成膜する。このシード層は、後に、めっき法によりCu電極層を形成するためのものである。
〔図10(c)に示す工程〕
続いて、バリア・シード層61上に、厚いポジホトレジスト71を成膜する。このホトレジスト71の膜厚は、例えば10μmである。そして、ホトリソグラフィにより、ホトレジスト71のうち、Al配線54の上方部分に、Cu電極層の形成時に型枠として使用される開口部71aを形成する。
〔図10(d)に示す工程〕
続いて、電気めっき法により、ホトレジスト71の開口部71aの内部にのみ、Cu膜を成膜する。すなわち、成膜するCu膜の高さを、ホトレジスト71の上面を超えない高さとする。これにより、例えば、3〜10μmの厚いCu電極層72が形成される。
〔図10(e)に示す工程〕
続いて、ホトレジスト71を剥離液により除去する。その後、ウェットエッチングにより、Cu電極層72から露出しているバリア・シード層61を除去する。これにより、Cu電極層72の下方にのみバリア・シード層61を残す。
〔図11(a)に示す工程〕
続いて、Cu電極層72に対して、水素還元熱処理(以下では水素アニールと呼ぶ)を施す。これにより、製造工程中にCu電極層72の表面に形成された酸化膜73を除去する。Cu電極層72の表面に酸化膜73が存在している場合、後述の有機樹脂膜74との密着性が低下するためである。
〔図11(b)に示す工程〕
続いて、Cu電極層72の表面上およびP―SiN膜55上に、Cu電極層間の絶縁性を確保するため、ポリイミド等の有機樹脂材料を塗布する。これにより、Cu電極層72の表面およびP―SiN膜55の上面を有機樹脂膜74で覆う。この有機樹脂膜74の膜厚74aは通常2〜10μmである。
以上のようにして、厚いCu電極層72が半導体基板の最上部に形成される。その後、このCu電極層72に対して、外部端子とのワイヤーボンディングが施される。
しかしながら、図10(c)に示す工程でのホトリソグラフィにおいて、レジスト71の露光特性限界から、開口部71aにおけるレジスト71の側面71bが順テーパ形状になる。したがって、レジスト71の開口部71aの内部に形成されたCu電極層72では、逆に、Cu電極層72の側面72aが逆テーパ形状になる。ここで、順テーパ形状とは、下に向かうにつれて幅が徐々に広がる形状をいい、逆テーパ形状とは、下に向かうにつれて幅が徐々に狭まる形状をいう。
このため、図11(b)に示す工程で、有機樹脂材料を塗布したとき、電極上面コーナ部近傍における有機樹脂膜74の膜厚74bが、他の部位の膜厚74aに比べて、薄い(カバレッジ不良)という問題が生じる。このような問題が生じるのは、有機樹脂材料の粘性が低いため、有機樹脂材料を塗布したときに、有機樹脂材料の表面ができるだけ低くなろうとするからである。
この結果、この部分に生じる亀裂等により水分進入経路ができ、有機樹脂膜74の剥離や電極間短絡といった不具合が発生してしまう。このような問題は、Cu電極層72の膜厚(高さ)が大きいほど、顕著になる傾向である。
そこで、従来では、このような不具合を抑制する方法として、図12に示すように、例えば、有機樹脂膜81の全体の膜厚81aを約5um以上と厚くする方法が採用されていた。図12に、従来の対策方法を示す。この方法は、有機樹脂膜81の全体の膜厚81aを厚くすることで、Cu電極上面コーナ部近傍における有機樹脂膜81の膜厚81bを厚くすることを図ったものである。
しかし、この方法では、有機樹脂材料の粘度の関係から、有機樹脂膜の厚膜化に限界があり、有機樹脂膜を一定以上の厚さにできない。このため、Cu電極層の厚さ(高さ)によっては、上記した問題を解決できない場合がある。
なお、有機樹脂材料の粘度を上げることで、有機樹脂膜の厚膜化を実現する方法も考えられる。しかし、この場合では、有機樹脂材料の粘度が高いことから、有機樹脂材料を塗布する工程において、微細パターンへの有機樹脂材料の埋め込みができず、空洞が生じるという問題が生じてしまうため、好ましくない。
本発明は、上記点に鑑み、有機樹脂膜全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層の上面コーナ部における有機樹脂膜のカバレッジを良好とす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。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、Cu電極層(2)を形成する工程は、めっき法により、Cu膜を等方的に成長させることで、Cu電極層(2)を形成することを特徴としている。
これにより、Cu電極層の形状を、上面コーナ部が丸みを有する形状とすることができる。この結果、Cu電極層の表面に有機樹脂膜を形成したとき、有機樹脂膜のCu電極層の上面コーナ部における膜厚を厚くすることができる。すなわち、本発明によれば、有機樹脂膜全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層の上面コーナ部における有機樹脂膜のカバレッジを良好とすることができる。
なお、請求項1の記載中、Cuを等方的に成長させることで、Cu電極層(2)を形成するとは、少なくとも、Cu電極層の外形を形成する最終的な段階のときにCuを等方的に成長させて、Cu電極層を形成することを意味する。
具体的には、例えば、請求項2に示すような方法により、Cu電極層を形成することができる。すなわち、半導体基板を用意する工程で、配線層(54)の表面に形成されたバリアメタル層(56)と、配線層およびバリアメタル層(56)を覆い、かつ、配線層(54)およびバリアメタル層(56)の上方に形成された第1の開口部(55a)を有する第1の絶縁膜(55)を備えている半導体基板を用意する。そして、Cu電極層(2)を形成する工程で、第1の開口部(55a)内に、Cu電極層(2)の上面(2a)の位置が、第1の絶縁膜(55)の最上面(55b)よりも高くなるように、Cu電極層(2)を形成することができる。
また、例えば、請求項3に示すような方法により、Cu電極層を形成することもできる。すなわち、半導体基板を用意する工程で、配線層(54)を覆い、かつ、配線層(54)の上方に形成された第2の開口部(55a)を有する第2の絶縁膜(55)と、第2の開口部(55a)の内面から第2の絶縁膜(55)の表面に形成されたCuめっきシード層(61)と、Cuめっきシード層(61)のうち、第2の絶縁膜(55)の表面に形成された部分を覆い、かつ、第2の開口部(55)の上方に形成された第3の開口部(57a)を有する第2の有機樹脂膜(57)とを備えている半導体基板を用意する。
そして、Cu電極層(2)を形成する工程で、第3の開口部(57a)に、Cu電極層(2)の上面(2a)の位置が、第2の絶縁膜および第2の有機樹脂膜(55、57)の最上面(55b、57b)よりも高くなるように、Cu電極層(2)を形成する。また、Cu電極層(2)を形成する工程と第1の有機樹脂膜(3)を形成する工程との間で、第2の有機樹脂膜(57)のうち、Cu電極層(2)の下方を除く部分(57d)を除去する。
また、請求項4に示すような方法により、Cu電極層を形成することもできる。すなわち、半導体基板を用意する工程で、配線層(54)を覆い、かつ、配線層(54)の上方に第4の開口部(55a)を有する第3の絶縁膜(55)を備えている半導体基板を用意する。
そして、Cu電極層(2)を形成する工程で、第3の絶縁膜(55)上に、第4の開口部(55a)の上方に位置する部分に第5の開口部(71a)を有するホトレジスト(71)を形成する工程と、第5の開口部(71a)の内部にのみ、電解めっき法により、第1のCu膜(91)を形成する工程と、ホトレジスト(71)を除去する工程と、第1のCu膜(91)の表面に、無電解めっき法により、第2のCu膜(92)を等方的に形成することで、Cu電極層(2)を形成する工程とを行うこともできる。
請求項5に記載の発明では、素子(6)と、素子(6)と電気的に接続された配線層(54)と、配線層(54)を覆い、かつ、配線層(54)の上方に形成された第6の開口部(55a)を有する第4の絶縁膜(55)を備えている半導体基板を用意する工程と、第4の絶縁膜(55)を覆い、かつ、第6の開口部(55a)の上方に第7の開口部(93a)を有する第3の有機樹脂膜(93)を形成する工程と、
第7の開口部(93a)および第6の開口部(55a)の内部にのみ、めっき法により、配線層(54)と電気的に接続され、かつ、厚さが3μm以上であるCu電極層(94)を形成する工程と、Cu電極層(94)の上面(94a)から第3の有機樹脂膜(93)の上面(93b)に至って、第4の有機樹脂膜(95)を形成する工程とを有することを特徴としている。
このようにして、Cu電極層、第3、第4の有機樹脂膜を形成することで、第3、第4の有機樹脂膜におけるCu電極層の上面コーナ部における膜厚を従来よりも厚くすることができる。すなわち、本発明によれば、有機樹脂膜全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層の上面コーナ部における有機樹脂膜のカバレッジを良好とすることができる。
請求項6に記載の発明では、Cu電極層(2)は、上面コーナ部(2g)が丸みを有していることを特徴としている。
本発明は、請求項1に記載の発明により製造されるものである。したがって、請求項1に記載の発明と同様の効果を有している。
Cu電極層の形状において、請求項7に示すように、配線層(54)は第1の絶縁膜(55)により覆われており、Cu電極層(2)は第1の絶縁膜(55)に設けられた開口部(55a)に設けられている場合では、丸みを有する部分(2g)における半導体基板の表面に対して垂直な方向での長さ(2h)が、第1の絶縁膜(55)の平坦面(55b)からCu電極層(2)の上面(2a)までの半導体基板の表面に対して垂直な方向での長さ(2i)の1/3以上となっていることが好ましい。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態における半導体装置の断面図を示す。本実施形態では、素子としてのLDMOS、CMOS、バイポーラトランジスタを有する半導体装置を例として説明する。
図1に示す半導体装置(ICチップ)は、パワーデバイス1と、パワーデバイス1上の厚いCu電極層2と、Cu電極層2を覆う有機樹脂膜3と、ボンディング用ワイヤ4と、これらを封止するモールド樹脂5とを備えている。
ここで、パワーデバイス1とは、本明細書では、半導体基板に形成されている素子構造部6と、半導体基板上に形成された配線構造部7の両方を含む構造部を意味する。この素子構造部6が本発明の素子に相当する。
まず、素子構造部6について説明する。素子構造部6が形成されている半導体基板としては、SOI基板が用いられており、Si基板11と、埋め込み酸化膜12と、半導体層13とから構成されている。半導体層13はN型層14、N型層15を有している。半導体層13には、トレンチ酸化膜16が形成されている。埋め込み酸化膜12とトレンチ酸化膜16とにより、LDMOS、CMOS、バイポーラトランジスタという素子が分離されている。
LDMOSは、半導体層13(N型層15)の表層にそれぞれ位置するN型ドレイン領域17、P型チャネル領域18、N型ソース領域19とから構成されている。N型ドレイン領域17の表層にはN型コンタクト層20が形成されており、P型チャネル領域18の表層にはP型コンタクト層21が形成されている。また、N型ドレイン領域17とP型チャネル領域18は、いわゆるLOCOS酸化膜22により、分離されている。また、P型チャネル領域18上には、ゲート絶縁膜23を介して、ゲート電極24が配置されている。
CMOSは、半導体層13(N型層15)中のN型ウェル層31と、N型ウェル層31の表層のP型層32と、P型層32の表層のN型ソース領域33およびN型ドレイン領域34とから構成されている。また、P型層32のうち、N型ソース領域33とN型ドレイン領域34の間の領域上には、ゲート絶縁膜35を介して、ゲート電極36が配置されている。ここではNチャネルMOSFETのみ図示するが、PチャネルMOSFETも配置されている。
バイポーラトランジスタは、半導体層13に形成され、N型層14と接続されているN型コレクタ領域41と、半導体層13(N型層15)の表層のP型ベース領域42と、P型ベース領域42の表層のN型エミッタ層43およびP型コンタクト層44とから構成されている。
次に、配線構造部7は、半導体層13上にそれぞれ順に形成されているBPSG膜51と、1stAl膜52と、TEOS膜53と、2ndAl膜54と、パッシベーション膜としてのP−SiN膜55とを有している。1stAl膜52、2ndAl膜54は、LDMOS、CMOS、バイポーラトランジスタ等の素子用の電源線やグラウンド線あるいは素子を電気的に接続する配線であり、本発明の配線層に相当する。
Cu電極層2は、ICチップの最上部に配置されている。ここで、図2に、図1中の領域Aの拡大図を示す。具体的には、図2に示すように、Cu電極層2は、P−SiN膜55のうち、2ndAl膜54の上方に形成された開口部55a内に、配置されている。Cu電極層2は、バリアメタル層56を介して、2ndAl膜54と電気的に接続されている。なお、図1ではバリアメタル層56を省略して示している。バリアメタル層56は2ndAl膜54の上面にのみ形成されている。また、バリアメタル層56は例えばTiNで構成されている。
また、Cu電極層2は、図2に示すように、P−SiN膜55の開口部55a内に位置する部分2cと、P−SiN膜55の開口部55aよりも上側(外側)であって、P−SiN膜55から露出した部分2dとを有している。
そして、Cu電極層2のうち、P−SiN膜55から露出した部分2dの形状は、上面2aと側面2bとを有し、上面2aと側面2bとの間の上面コーナ部2gが丸みを有する形状となっている。なお、この丸みを有する部分2gの高さ方向(半導体基板の表面に対して垂直な方向)での長さ2hは、P−SiN膜55における2ndAl膜54を覆っていない部分の平坦な表面55bからCu電極層2の上面までの高さ2iの1/3以上となっている。
Cu電極層2は、厚さが、例えば、3〜10μmである。Cu電極層2の厚さを10μm以上とすることもできる。なお、Cu電極層2は、図1に示すように、後述するようにAl系膜62を介してボンディング用ワイヤ4と直接接続されている部分(例えば、領域Aの部分)2eと、直接接続されていない部分(例えば、図1中の中央のCMOS上部分)2fとを有している。
有機樹脂膜3は、図1に示すように、Cu電極層2およびCu電極層2から露出しているP−SiN膜55の表面上に至って、Cu電極層2を覆うように、配置されている。有機樹脂膜3は、少なくともCu電極層2の上面コーナ部2gおよび側面2bを覆っている。
有機樹脂膜3は、隣接するCu電極層2の間の絶縁性を確保したり、Cu電極層2を保護したり、モールド樹脂5とP−SiN膜55との間の応力を緩和したりするためのものである。有機樹脂膜3としては、例えば、ポリイミド膜が用いられる。有機樹脂膜3のP−SiN膜55上での膜厚3aは、例えば、2〜10μmであり、Cu電極層2の上面コーナ部2g上での膜厚3bは、例えば、1〜2μm程度である。
そして、図1、2に示すように、有機樹脂膜3のうち、一部のCu電極層2の上方に位置する部分に開口部3cが形成されている。その開口部3cの底には、図1、2に示すように、Al膜やAl合金膜等のAl系膜62が配置されている。Al系膜62はCu電極層2と電気的に接続されている。
ボンディング用ワイヤ4は、図1、2に示すように、Al系膜62と外部端子とを電気的に接続されており、Auで構成されている。モールド樹脂5は、図1に示すように、有機樹脂膜3の上面および有機樹脂膜3の開口部3c内に配置されている。
次に、このような構成の半導体装置の製造方法について説明する。図3(a)〜(c)に本実施形態における半導体装置の製造工程の一部を示す。本実施形態では、図3(a)〜(c)に示す工程を行う。
〔図3(a)に示す工程〕
まず、上記した素子構造部6と、上記した配線構造部7が形成された半導体基板を用意する。この半導体基板はウエハ状態である。また、この半導体基板の最上部には、図に示すように、配線構造部7中のTEOS膜53と、2ndAl膜54と、P−SiN膜55とが形成されている。2ndAl膜54の上面にのみバリアメタル層56が形成されている。このバリアメタル層56は、2ndAl膜54に積層され、2ndAl膜54と同時にパターニングされたものである。
P−SiN膜55は2ndAl膜54およびバリアメタル層56を覆っている。P−SiN膜55は、2ndAl膜54の上方部分に形成された開口部55aを有している。この開口部55aにより、バリアメタル層56はP−SiN膜55から露出している。なお、素子構造部6が本発明の素子に相当し、配線構造部7中の2ndAl膜54が本発明の配線層に相当する。また、P−SiN膜55が本発明の第1の絶縁膜に相当し、P−SiN膜55の開口部55aが本発明の第1の開口部に相当する。
〔図3(b)に示す工程〕
この工程では、P−SiN膜55の開口部55aに、めっき法により、Cu電極層2を形成する。このとき、Cu電極層2の上面2aの位置が、P−SiN膜55の開口部55aの近傍における上面55bよりも高い位置となるように、Cu電極層2を形成する。すなわち、Cu電極層2の厚さがP−SiN膜55の厚さよりも厚くなるように、Cu電極層2を形成する。この開口部55aの近傍におけるP−SiN膜55の上面55bが、本発明における第1の絶縁膜の最上面に相当する。
なお、このときのめっき法は、無電解めっき法であり、触媒処理、活性化処理後、例えば、以下の組成でめっきを行う。
塩化銅:20g/リットル
エチレンジアミン:30g/リットル
硝酸コバルト100g/リットル
また、このようにして、Cu電極層2を形成することで、丸みを有する部分2gの高さ方向(半導体基板の表面に対して垂直な方向)での長さ2hは、P−SiN膜55における2ndAl膜54を覆っていない部分の平坦な表面55bからCu電極層2の上面までの高さ2iの1/3以上となる。
〔図3(c)に示す工程〕
Cu電極層2に対して水素アニールをした後、Cu電極層2の上面2aにボンディングパッドとしてのAl系膜62を形成する。そして、図11(b)に示す工程と同様に、有機樹脂材料をCu電極層2の表面上からCu電極層2から露出しているP−SiN膜55上に至って塗布する。有機樹脂材料としては、ポリイミド原料を用いる。これにより、有機樹脂膜3を形成する。
その後、有機樹脂膜3のうち、Al系膜62の上方部分に開口部3cを形成する。続いて、Al系膜62に対して、ワイヤーボンディングを行い、Al系膜62にボンディング用ワイヤ4を接合させ、Cu電極層2と外部端子とを電気的に接続させる。そして、その後、図示しないモールド樹脂による封止工程を経ることで、図1、2に示す半導体装置が製造される。
次に本実施形態の特徴を説明する。以上説明したように、本実施形態では、図3(b)に示す工程で、めっき法により、Cu電極層2の上面2aの位置がP−SiN膜55の上面よりも高い位置となるように、Cu電極層2を形成している。すなわち、上記した図10(d)に示す工程とは異なり、開口部71aを有するホトレジスト71を用いずに、Cu電極層2を形成している。
これにより、Cu膜はP−SiN膜55よりも高くなると、上方向だけでなく、横方向にも成長する。このように、Cu膜を等方的に成長させてCu電極層2を形成することで、Cu電極層2のP−SiN膜55よりも上側の部分2dの形状を、上面コーナ部2gが丸みを有する形状とすることができる。なお、図10(d)に示す工程では、Cu電極層は、等方的でなく、ホトレジスト71の開口部71aの内部で上方向にのみ向かって成長していた。
この結果、Cu電極層2の表面に有機樹脂膜3を形成したとき、有機樹脂膜3のCu電極層2の上面コーナ部2gにおける膜厚3bを厚くすることができる。したがって、本実施形態によれば、有機樹脂膜3の全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層2の上面コーナ部2gにおける有機樹脂膜3のカバレッジを良好とすることができる。
なお、本実施形態の方法によれば、丸みを有する部分2gの高さ方向での長さ2hは、P−SiN膜55における2ndAl膜54を覆っていない部分の平坦な表面55bからCu電極層2の上面までの高さ2iの1/3以上となっている。これにより、Cu電極層2の上面コーナ部2gの丸みが上記した1/3よりも小さい場合と比較して、有機樹脂膜3のCu電極層2の上面コーナ部2gにおける膜厚3bを、より厚くすることができる。
(第2実施形態)
図4に、本発明の第2実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図4は、図1中の領域Aの拡大図である。また、図5(a)〜(d)に本実施形態における半導体装置の製造工程を示す。本実施形態では、第1実施形態と異なる方法で、上面コーナ部2gに丸みをもつCu電極層2を形成する方法を説明する。
図4に示すように、本実施形態のCu電極層2も、第1実施形態の図2に示す構造と同様に、上面コーナ部2gに丸みを有する形状となっている。また、第1の有機樹脂膜3は、Cu電極層2の上面コーナ部2g近傍での膜厚3bが厚くなっている。
一方、本実施形態のCu電極層2付近の構造が、第1実施形態の図2に示す構造と異なる点は、バリア・シード層(バリアメタル層およびシード層)61が、Cu電極層2と2ndAl膜54との間であって、P−SiN膜55の開口部55a内からCu電極層2の下側に位置するP−SiN膜55の上面まで配置されていることと、第2の有機樹脂膜57が、Cu電極層2の下側に位置するP−SiN膜55の上面に配置されたバリア・シード層61とCu電極層2との間に配置されていることである。
バリア・シード層61は2ndAl膜54と電気的に接続されている。バリアメタル層は例えばTiで構成され、シード層はCuで構成されている。なお、P−SiN膜55とその開口部55aが本発明の第2の絶縁膜と第2の開口部に相当する。また、バリア・シード層61が本発明のCuめっきシード層に相当する。
本実施形態の製造方法は、バリア・シード層61をウエハの全面に形成する方法である。具体的には、上記した図10(a)、(b)に示す工程を行った後、図5(a)〜(d)に示す工程を行う。
〔図5(a)に示す工程〕
この工程では、第2の有機樹脂膜57をバリア・シード層61上に形成する。このとき、第2の有機樹脂膜57として、第1の有機樹脂膜3と同様の材質、例えば、ポリイミドを用いる。なお、第2の有機樹脂膜57を第1の有機樹脂膜3と異なる材質とすることもできる。また、第2の有機樹脂膜57の膜厚を1μm以上とする。
続いて、ホトリソグラフィおよびエッチングより、第2の有機樹脂膜57のうち、Cu電極層2の形成予定領域に相当する部分に開口部57aを形成する。すなわち、P−SiN膜55の開口部55aの上方部分に、開口部57aを形成する。この第2の有機樹脂膜57の開口部57aが本発明の第3の開口部に相当する。
これにより、P−SiN膜55の開口部55aが第2の有機樹脂膜57から露出する。この結果、バリア・シード層61のうち、Cu電極層2の形成予定領域(P−SiN膜55の開口部55a付近)の部分のみが露出し、その他の領域の部分は第2の有機樹脂膜57により覆われた状態となる。
〔図5(b)に示す工程〕
この工程では、電解めっき法により、Cu電極層2の形成予定領域となる第2の有機樹脂膜57の開口部57aに、Cu電極層2を形成する。このとき、Cu電極層2の上面2aの位置がP−SiN膜55や第2の有機樹脂膜の最上面55b、57bよりも高い位置となるように、Cu電極層2を形成する。また、他のめっき条件は周知のめっき法における条件と同様とする。
〔図5(c)に示す工程〕
この工程では、Cu電極層2をマスクとして、Cu電極層2の真下以外に位置する第2の有機樹脂膜57dとバリア・シード層61をエッチング除去する。すなわち、第2の有機樹脂膜57のうち、Cu電極層2の下方の部分57cを除く部分57dを除去する。これにより、図5(b)に示す工程の段階では、バリア・シード層61によって、電気的に接続された状態であった複数のCu電極層2同士を、電気的に分離する。なお、本実施形態では、Cu電極層2の真下に、第2の有機樹脂膜57とバリア・シード層61が残った状態となっている。
〔図5(d)に示す工程〕
この工程では、図3(c)に示す工程と同様に、Al系膜62と、有機樹脂膜3とを形成する。その後、Al系膜62に対して、ワイヤーボンディングを行い、Al系膜62にボンディング用ワイヤ4を接合させ、Cu電極層2と外部端子とを電気的に接続させる。そして、図示しないモールド樹脂による封止工程を経ることで、図1、4に示す半導体装置が製造される。
以上説明したように、本実施形態においても図5(b)に示す工程で、めっき法により、Cu電極層2の上面2aの位置がP−SiN膜55および第2の有機樹脂膜57の最上面よりも高い位置となるように、Cu電極層2を形成している。
これにより、Cu膜はP−SiN膜55および第2の有機樹脂膜57よりも高くなると、上方向、横方向にも成長する。このように、Cu膜を等方的に成長させてCu電極層2を形成することで、Cu電極層2のP−SiN膜55よりも上側の部分2dの形状を、上面コーナ部2gが丸みのある形状とすることができる。この結果、本実施形態も第1実施形態と同様の効果を有している。
なお、本実施形態では、図5(a)に示す工程で、第2の有機樹脂膜57を形成し、図5(d)に示す工程で、第1の有機樹脂膜3を形成しており、有機樹脂膜を2回形成している。しかし、本実施形態における図5(a)に示す工程は、上記した図10(c)に示す工程での厚いホトレジスト71を形成する工程と入れ替えたものであるため、本実施形態の製造方法は、上記した従来の製造方法と工程数が変わらないものである。
(第3実施形態)
図6に、本発明の第3実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図6は、図1中の領域Aの拡大図である。また、図7(a)〜(e)に本実施形態における半導体装置の製造工程を示す。本実施形態では、第1、2実施形態と異なる方法で、上面コーナ部2gに丸みをもつCu電極層2を形成する方法を説明する。
図6に示すように、本実施形態のCu電極層2も、第1実施形態の図2に示す構造と同様に、上面コーナ部2gに丸みを有する形状となっている。また、第1の有機樹脂膜3は、Cu電極層2の上面コーナ部2g近傍での膜厚3bが厚くなっている。
一方、本実施形態のCu電極層2付近の構造が、第1実施形態の図2に示す構造と異なる点は、バリア・シード層61がCu電極層2と2ndAl膜54との間であって、P−SiN膜55の開口部55a内(底面および側壁)に配置されていることと、Cu電極層2が内側の第1のCu膜91および外側の第2のCu膜93から構成されていることである。
本実施形態の製造方法も、第2実施形態と同様に、バリア・シード層61をウエハの全面に形成する方法である。具体的には、上記した図10(a)〜(c)に示す工程を行った後、図7(a)〜(c)に示す工程を行う。なお、P−SiN膜55とその開口部55aが、それぞれ、本発明の第3の絶縁膜と第4の開口部に相当する。
〔図7(a)に示す工程〕
この工程では、図10(c)に示す工程で形成されたホトレジスト71の開口部71aに、電解めっき法により、第1のCu膜91を形成する。この電解めっき法におけるめっき条件は、周知のめっき法における条件と同様とする。この開口部71aが本発明の第5の開口部に相当する。
このとき、第1のCu膜91をホトレジスト71の開口部71aの内部にのみ成長させ、第1のCu膜91を、この開口部71aの側壁に沿った形状とする。また、第1のCu膜91の大きさを、形成予定のCu電極層2よりも小さくする。
〔図7(b)に示す工程〕
この工程では、ホトレジスト71を除去する。
〔図7(c)に示す工程〕
この工程では、第1のCu膜91をマスクとして、バリア・シード層61のうち、第1のCu膜91の真下以外の部分をエッチング除去する。これにより、第1のCu膜91の下側にのみバリア・シード層61を残す。
〔図7(d)に示す工程〕
この工程では、無電解めっき法により、第1のCu膜91の表面(上面91aと側面91b)に第2のCu膜92を形成する。これにより、Cu電極層2を形成する。このときのめっき条件は、第1実施形態における図3(b)に示す工程でのめっき条件と同様である。また、このとき、丸みを有する部分2gの高さ方向での長さ2hが、P−SiN膜55における2ndAl膜54を覆っていない部分の平坦な表面55bからCu電極層2の上面までの高さ2iの1/3以上となるように、第2のCu膜92を十分な厚さとする。
〔図7(e)に示す工程〕
この工程では、図3(c)に示す工程と同様に、Al系膜62と、有機樹脂膜3とを形成する。その後、Al系膜62に対して、ワイヤーボンディングを行い、Al系膜62にボンディング用ワイヤ4を接合させ、Cu電極層2と外部端子とを電気的に接続させる。そして、図示しないモールド樹脂による封止工程を経ることで、図1、6に示す半導体装置が製造される。
以上説明したように、本実施形態においても、図7(d)に示す工程で、第1のCu膜91の表面に、ホトレジストの開口部のような型枠を用いることなく、めっき法により、第2のCu膜92を成膜することで、Cu電極層2を形成している。
これにより、第2のCu膜92は、上方向および横方向、すなわち、等方的に成長する。このため、Cu電極層2の形状を、上面コーナ部2gに丸みを有する形状とすることができる。この結果、本実施形態も第1実施形態と同様の効果を有している。
(第4実施形態)
図8に、本発明の第4実施形態における半導体装置の部分断面図を示す。図8は、図1中の領域Aの拡大図である。また、図9(a)〜(d)に本実施形態における半導体装置の製造工程を示す。本実施形態では、第1〜3実施形態と異なる方法で、有機樹脂膜3におけるCu電極層2の上面コーナ部2g近傍でのカバレッジを良好にする手段を説明する。
図8に示すように、第1実施形態における図2に示す構造と同様に、TEOS膜53と、2ndAl膜54と、P−SiN膜55と、バリアメタル層56と、有機樹脂膜3と、Al系膜62と、ボンディング用ワイヤ4とを有している。そして、P−SiN膜55の開口部55aにCu電極層94が形成されている。
本実施形態では、上記した各実施形態と異なり、Cu電極層94の形状が、上記従来技術の欄で説明したCu電極層72と同様に、側面94bが逆テーパ形状となっている。また、有機樹脂膜3が、第3の有機樹脂膜93と第4の有機樹脂膜95とにより構成されている。第3の有機樹脂膜93は、その上面93bの位置がCu電極層94の上面94aの位置より高くなっている。第4の有機樹脂膜95は、Cu電極層94の上面94aおよび第3の有機樹脂膜93の上面93bを覆っており、Cu電極層94の上方に開口部95aを有している。
本実施形態の製造方法は、バリア・シード層61を用いずにバリアメタル層56を用いてCu電極層94を形成する方法である。具体的には、図9(a)〜(d)に示す工程を行う。
〔図9(a)に示す工程〕
この工程は、図3(a)に示す工程と同じである。なお、P−SiN膜55とその開口部55aが本発明の第4の絶縁膜と第6の開口部に相当する。
〔図9(b)に示す工程〕
この工程では、P−SiN膜55の表面およびP−SiN膜55の開口部55aの内部に至って、第3の有機樹脂膜93を成膜する。第3の有機樹脂膜93としては例えばポリイミド膜を用いる。第3の有機樹脂膜93の膜厚は例えば5〜10μmとする。
続いて、ホトリソグラフィおよびエッチングにより、第3の有機樹脂膜93のうち、Cu電極層94の形成予定領域に相当する部分に開口部93aを形成する。すなわち、第3の有機樹脂膜93のうち、P−SiN膜55の開口部55aの上方に位置する部分に、開口部93aを形成する。本実施形態では、第3の有機樹脂膜93の開口部93aが、P−SiN膜55の開口部55aの中心側に位置している。
〔図9(c)に示す工程〕
この工程では、無電解めっき法により、第3の有機樹脂膜93の開口部93a内部にのみCu電極層94を形成する。すなわち、第3の有機樹脂膜93の開口部93aを型枠として、Cu電極層94を形成する。これにより、バリアメタル層56を介して、2ndAl膜54と電気的に接続されたCu電極94を形成する。
このとき、Cu電極層94の上面94aの位置が、第3の有機樹脂膜93の上面93bを超えないように、Cu電極層94を形成する。Cu電極層94の厚さを例えば3〜10μmとする。また、このときの他のめっき条件は、第1実施形態の図3(b)に示す工程と同じである。なお、図9(c)では、Cu電極層94の上面94aの位置が、第3の有機樹脂膜93の上面93bよりも低くなるようにしているが、同じ位置とすることもできる。
〔図9(d)に示す工程〕
この工程では、Cu電極層94の上面94aから第3の有機樹脂膜93の上面93bに至って、第4の有機樹脂膜95を形成する。第4の有機樹脂膜95は、第3の有機樹脂膜93と同じ材質であり、第4の有機樹脂膜95として、例えば、ポリイミド膜を用いることができる。なお、第3の有機樹脂膜93と第4の有機樹脂膜95の材質を異ならせることもできる。また、第4の有機樹脂膜95の膜厚を例えば1μm以上とする。
その後、第4の有機樹脂膜95のうち、Al系膜62の形成予定領域に開口部95aを形成し、その開口部95aにAl系膜62を形成する。続いて、ワイヤーボンディングを行い、ボンディング用ワイヤ4をAl系膜62と接続する。さらに、図示しないモールド樹脂による封止工程を経ることで、図1、8に示す半導体装置が製造される。
以上説明したように、本実施形態では、図9(c)に示す工程で、第3の有機樹脂膜93における開口部93aの内部にのみCu電極層94を形成している。すなわち、Cu電極層94の上面94aの位置が、第3の有機樹脂膜93の上面93bを超えないように、Cu電極層94を形成している。さらに、図9(d)に示す工程で、Cu電極層94の上面94aから第3の有機樹脂膜93の上面93bに至って、第4の有機樹脂膜95を形成している。
これにより、Cu電極層94の上面コーナ部94gでの有機樹脂膜3の膜厚3bを厚くすることができる。したがって、本実施形態によれば、有機樹脂膜3の全体を特に厚膜化しなくても、Cu電極層94の上面コーナ部94gにおける有機樹脂膜3のカバレッジを良好とすることができる。
また、本実施形態と第1実施形態では、Cuからなるシード層61を用いずに、2ndAl膜54の上面に形成されたTiNなどのバリアメタル層56を利用して、めっき法により、Cu電極層2、94を形成している。このバリアメタル層56は、2ndAl膜54と一緒にパターニングされる。
これに対して、第2、第3実施形態では、シード層61をウエハの全面に形成した後、図5(c)に示す工程や、図7(c)に示す工程で、シード層61をパターニングすることで、不要な領域に位置するシード層61を除去している。
したがって、本実施形態と第1実施形態によれば、不要な領域に位置するシード層61を除去する工程を不要とすることができる。
(他の実施形態)
(1)上記した各実施形態では、素子としてのLDMOS、CMOS、バイポーラトランジスタを有する半導体装置を例として説明したが、これに限らず、他の大きな駆動電流(例えば10アンペア以上)が要求される半導体デバイスや、他のパワーデバイスを備える半導体装置においても、本発明を適用することができる。
(2)上記した各実施形態では、素子として、LDMOS、CMOS、バイポーラトランジスタ等の半導体基板中に形成された素子を用いる場合を例として説明したが、素子は半導体基板中に形成されたものに限らず、素子として、受動素子等のように、半導体基板表面上に形成された素子を用いた半導体装置に対しても本発明を適用することができる。
本発明の第1実施形態における半導体装置の断面図である。 図1中の領域Aの拡大図である。 本発明の第1実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第2実施形態における半導体装置の部分断面図である。 本発明の第2実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第3実施形態における半導体装置の部分断面図である。 本発明の第3実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本発明の第4実施形態における半導体装置の部分断面図である。 本発明の第4実施形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 従来における半導体装置の製造工程を示す断面図である。 図10に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。 従来における半導体装置の部分断面図である。
符号の説明
1…パワーデバイス、2、72、94…Cu電極層、
2a、94a…Cu電極層の上面、2b、94b…Cu電極層の側面、
2g、94g…Cu電極層の上面コーナ部、
3、81…有機樹脂膜(第1の有機樹脂膜)、4…ボンディング用ワイヤ、
5…モールド樹脂、6…素子構造部、7…配線構造部、8…Cu窒化膜、
53…TEOS膜、54…2ndAl膜、
55…P−SiN膜、56…バリアメタル層、57…第2の有機樹脂膜、
61…バリア・シード層、62…Al系膜、
71…ホトレジスト、73…酸化膜、
91…第1のCu膜、92…第2のCu膜、
93…第3の有機樹脂膜、95…第4の有機樹脂膜。

Claims (7)

  1. 素子(6)および前記素子(6)と電気的に接続された配線層(54)が形成された半導体基板を用意する工程と、
    前記半導体基板上であって、前記配線層(54)よりも上側に、前記配線層(54)と電気的に接続された厚さが3μm以上のCu電極層(2)を形成する工程と、
    前記Cu電極層(2)を覆う第1の有機樹脂膜(74、3)を、前記Cu電極層(2)の表面上に形成する工程とを有する半導体装置の製造方法において、
    前記Cu電極層(2)を形成する工程は、めっき法により、Cu膜を等方的に成長させることで、前記Cu電極層(2)を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体基板を用意する工程では、前記配線層(54)の表面に形成されたバリアメタル層(56)と、前記配線層および前記バリアメタル層(56)を覆い、かつ、前記配線層(54)および前記バリアメタル層(56)の上方に形成された第1の開口部(55a)を有する第1の絶縁膜(55)を備えている前記半導体基板を用意し、
    前記Cu電極層(2)を形成する工程では、前記第1の開口部(55a)内に、前記Cu電極層(2)の上面(2a)の位置が、前記第1の絶縁膜(55)の最上面(55b)よりも高くなるように、前記Cu電極層(2)を形成することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体基板を用意する工程では、前記配線層(54)を覆い、かつ、前記配線層(54)の上方に形成された第2の開口部(55a)を有する第2の絶縁膜(55)と、前記第2の開口部(55a)の内面から前記第2の絶縁膜(55)の表面に形成されたCuめっきシード層(61)と、前記Cuめっきシード層(61)のうち、前記第2の絶縁膜(55)の表面に形成された部分を覆い、かつ、前記第2の開口部(55)の上方に形成された第3の開口部(57a)を有する第2の有機樹脂膜(57)とを備えている前記半導体基板を用意し、
    前記Cu電極層(2)を形成する工程では、前記第3の開口部(57a)に、前記Cu電極層(2)の上面(2a)の位置が、前記第2の絶縁膜および第2の有機樹脂膜(55、57)の最上面(55b、57b)よりも高くなるように、前記Cu電極層(2)を形成し、
    前記Cu電極層(2)を形成する工程と前記第1の有機樹脂膜(3)を形成する工程との間に、前記第2の有機樹脂膜(57)のうち、前記Cu電極層(2)の下方を除く部分(57d)を除去する工程を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記半導体基板を用意する工程では、前記配線層(54)を覆い、かつ、前記配線層(54)の上方に第4の開口部(55a)を有する第3の絶縁膜(55)を備えている前記半導体基板を用意し、
    前記Cu電極層(2)を形成する工程は、
    前記第3の絶縁膜(55)上に、前記第4の開口部(55a)の上方に位置する部分に第5の開口部(71a)を有するホトレジスト(71)を形成する工程と、
    前記第5の開口部(71a)の内部にのみ、電解めっき法により、第1のCu膜(91)を形成する工程と、
    前記ホトレジスト(71)を除去する工程と、
    前記第1のCu膜(91)の表面に、無電解めっき法により、第2のCu膜(92)を等方的に形成することで、前記Cu電極層(2)を形成する工程とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 素子(6)と、前記素子(6)と電気的に接続された配線層(54)と、前記配線層(54)を覆い、かつ、前記配線層(54)の上方に形成された第6の開口部(55a)を有する第4の絶縁膜(55)を備えている前記半導体基板を用意する工程と、
    前記第4の絶縁膜(55)を覆い、かつ、前記第6の開口部(55a)の上方に第7の開口部(93a)を有する第3の有機樹脂膜(93)を形成する工程と、
    前記第7の開口部(93a)および前記第6の開口部(55a)の内部にのみ、めっき法により、前記配線層(54)と電気的に接続され、かつ、厚さが3μm以上であるCu電極層(94)を形成する工程と、
    前記Cu電極層(94)の上面(94a)から前記第3の有機樹脂膜(93)の上面(93b)に至って、第4の有機樹脂膜(95)を形成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。
  6. 半導体基板に形成された素子(6)と、
    前記半導体基板の主表面上に形成され、前記素子(6)と電気的に接続された配線層(54)と、
    前記配線層(54)よりも上側に形成され、前記配線層(54)と電気的に接続された厚さが3μm以上であるCu電極層(2)と、
    前記Cu電極層(2)を覆う有機樹脂膜(3)とを備える半導体装置において、
    前記Cu電極層(2)は、上面コーナ部(2g)が丸みを有していることを特徴とする半導体装置。
  7. 前記配線層(54)は第1の絶縁膜(55)により覆われており、前記Cu電極層(2)は前記第1の絶縁膜(55)に設けられた開口部(55a)に設けられており、
    前記丸みを有する部分(2g)における前記半導体基板の表面に対して垂直な方向での長さ(2h)は、前記第1の絶縁膜(55)の平坦面(55b)からCu電極層(2)の上面(2a)までの前記半導体基板の表面に対して垂直な方向での長さ(2i)の1/3以上となっていることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
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