JP2020047775A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第1工程と、金属配線の開口から露出した部分、有機絶縁層の開口の内側面、及び有機絶縁層の開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第2工程と、シード金属層の端縁を覆い、シード金属層の開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第3工程と、マスクから露出したシード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第4工程と、を含む。マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む。【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
特許文献1には、半導体装置およびその製造方法に関する技術が記載されている。この文献に記載された製造方法では、Auバンプの下地膜(UBM:Under Bump Metal)として使用している導電膜(下層からTi膜/Pd膜)を用いて再配線を形成する。Ti膜及びPd膜を、スパッタ法を用いて成膜する。再配線の抵抗が問題となる場合には、Pd膜上にAu膜を形成し、下層からTi/Pd/Auを有する再配線構造とする。
特許文献2には、バンプ形成方法に関する技術が記載されている。この文献に記載されたバンプ形成方法では、導電性パッドが形成された基板上に拡散防止膜パターンを形成し、次いでシード膜を形成する。次に、このシード膜上に導電性バンプを形成し、導電性バンプをエッチングマスクとして用いつつシード膜をパターニングする。拡散防止膜パターンは拡散防止膜にドライエッチングを施すことにより形成され、シード膜パターンはシード膜にウェットエッチングを施すことにより形成される。
特許文献3には、半導体装置に関する技術が記載されている。この文献に記載された半導体装置において、半導体基板の上面側に形成されたソース電極は、二種類のパッシベーション膜(ハードパッシベーション膜およびパッシベーション膜)により被覆されている。ソース電極を被覆するパッシベーション膜は開口を有し、バリア膜であるUBMは該開口よりも広く形成されている。
半導体装置を基板などにフリップチップ実装するため、ボールグリッドアレイ(Ball Grid Array:BGA)のパッケージが用いられることがある。この様な半導体装置の配線層の上には半田バンプが形成される(例えば特許文献1〜3を参照)。半田と配線層との間での金属材の相互拡散を抑制するため、配線層と半田バンプとの間にバリア金属層(UBM)を設ける。また、半導体領域の上には例えばポリイミドなどの絶縁膜が設けられる。
しかしながら、UBMとして機能するバリア金属層と絶縁膜との密着性が低い場合、例えば半田ボール搭載時に発生する熱応力などによりバリア金属層が絶縁膜から剥がれ易いという問題がある。特に、絶縁膜にポリイミドなどの有機絶縁体が含まれる場合、バリア金属層と有機絶縁体との間で熱膨張率差が大きいため、このような問題が顕著に生じる。バリア金属層と絶縁膜との間に隙間が生じると、その隙間に半田が侵入するおそれがある。半田が侵入すると、バリア金属層と配線層との界面で破断が生じ易くなり、半導体装置の信頼性が低下する。この現象は、バリア金属層と配線層との界面において生じるので、バリア金属層を厚くしても解決できない。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第1工程と、金属配線の開口から露出した部分、有機絶縁層の開口の内側面、及び有機絶縁層の開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第2工程と、シード金属層の端縁を覆い、シード金属層の開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第3工程と、マスクから露出したシード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第4工程と、を含む。マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む。
本発明による半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、半田の侵入に起因するバリア金属層と配線層との界面の破断を低減して信頼性を向上できる。
本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1Aを示す平面図である。図1に示されるように、本実施形態の半導体装置る1Aは、半導体領域10の表面に設けられた複数の半田ボール17を有するBGAタイプの半導体装置である。複数の半田ボール17は、半導体領域10の一面においてグリッド状に配列されている。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置1Aを示す平面図である。図1に示されるように、本実施形態の半導体装置る1Aは、半導体領域10の表面に設けられた複数の半田ボール17を有するBGAタイプの半導体装置である。複数の半田ボール17は、半導体領域10の一面においてグリッド状に配列されている。
図2は、図1に示されたII−II線に沿った断面(半田ボール17の下地構造)の拡大図である。図2に示されるように、半導体装置1Aは、半導体領域10と、半導体領域10の面上に設けられた金属配線12と、半導体領域10の面上に設けられた無機絶縁層11及び有機絶縁層14と、を備える。さらに、半導体装置1Aは、無機絶縁層13と、シード金属層15と、バリア金属層16と、半田ボール17とを備える。
半導体領域10は、例えば、窒化物半導体デバイスにおいては、窒化ガリウム(GaN)からなるチャネル層と、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)もしくは窒化アルミニウムインジウム(InAlN)からなるバリア層とを含む。この場合、半導体装置1Aは、高電子移動度トランジスタ(HEMT)を構成する。なお、半導体領域10は、HEMT以外の電界効果トランジスタ(FET)、あるいはそれ以外の半導体機能デバイスのための半導体層を含んでもよい。
金属配線12は、第1の無機絶縁層11上に設けられている。金属配線12は、半導体領域10とオーミック接触を成す電極(例えばソース電極及びドレイン電極)、あるいは半導体領域10とショットキ接触を成す電極(例えばゲート電極)に接続されている。金属配線12は、例えば金(Au)といった金属により構成されている。金属配線12と半導体領域10との間には、無機絶縁層11が介在している。無機絶縁層11は、例えば窒化シリコン(SiN)といったシリコン化合物である。金属配線12の厚さは、例えば0.5μm〜3.0μmの範囲内である。
第2の無機絶縁層13は、例えば絶縁性のシリコン化合物層であり、一実施例ではSiN層もしくはSiO2層である。無機絶縁層13は、半導体領域10の面上の全面にわたって設けられており、第1の無機絶縁層11及び金属配線12を覆う。無機絶縁層13は、無機絶縁層11に接する。また、無機絶縁層11は、金属配線12の一部を露出する開口13aを金属配線12上に有する。半導体領域10の厚さ方向からみて、開口13aは半田ボール17と重なる。無機絶縁層13の厚さは、例えば0.03μm〜3μmの範囲内である。
有機絶縁層14は、例えばポリイミド層である。有機絶縁層14は、半導体領域10の面上の全面にわたって設けられており、無機絶縁層11及び金属配線12を覆う。本実施形態では、有機絶縁層14は無機絶縁層13上に設けられており、無機絶縁層13と接する。無機絶縁層13と同様に、有機絶縁層14は、金属配線12の一部を露出する開口14aを金属配線12上に有する。半導体領域10の厚さ方向からみて、開口14aは、無機絶縁層13の開口13aと一致しており、半田ボール17と重なる。有機絶縁層14の厚さは、例えば1μm〜6μmの範囲内である。
シード金属層15は、例えばチタン(Ti)、パラジウム(Pa)といった金属からなる層である。一例では、シード金属層15は、Ti層及びTi層上に設けられたPd層を含む。この場合、Ti層の厚さは例えば0.005μm〜0.1μmの範囲内であり、一実施例では50nmである。また、Pd層の厚さは例えば0.01μm〜0.5μmの範囲内であり、一実施例では100nmである。このシード金属層15は、バリア金属層16を無電解めっき処理により形成する際のシードメタルとして用いられる。また、シード金属層15は、バリア金属層16がNi(もしくはNiCr)を含み金属配線12がAuを含む場合に、Ni(もしくはNiCr)とAuとが合金を形成することを妨げる。
シード金属層15は、金属配線12の開口13a,14aから露出した部分、無機絶縁層13の開口13aの内側面、有機絶縁層14の開口14aの内側面、及び有機絶縁層14の表面14bにおける開口14aの周縁部を覆う。本実施形態では、シード金属層15は、金属配線12の開口13a,14aから露出した部分、無機絶縁層13の開口13aの内側面、有機絶縁層14の開口14aの内側面、及び有機絶縁層14の表面14bにおける開口14aの周縁部と接している。
バリア金属層16は、例えばニッケル(Ni)若しくはニッケル・クロム合金(NiCr)といった金属からなる層である。バリア金属層16は、半田ボール17を構成する半田と金属配線12を構成する金(Au)とが相互拡散することを防ぐために設けられる。バリア金属層16は、シード金属層15上に設けられ、シード金属層15と接する。バリア金属層16がNi層である場合、その厚さは例えば3μm〜6μmの範囲内である。
バリア金属層16の厚さ方向から見て、バリア金属層16の端縁(外縁)16aは、シード金属層15の端縁(外縁)15aよりも内側(開口14a側)に位置する。換言すると、バリア金属層16の厚さ方向から見て、バリア金属層16はシード金属層15の内側に限定して設けられている。バリア金属層16の端縁16aはシード金属層15の端縁15aを越えておらず、従って、バリア金属層16と有機絶縁層14とは互いに接触していない(離間している)。シード金属層15の端縁15aからバリア金属層16の端縁16aまでの距離W1は、例えば4μm〜8μmの範囲内である。なお、シード金属層15及びバリア金属層16の平面形状は例えば円形である。
半田ボール17は、例えば錫および銀の合金(Sn−Ag)などの金属によって構成される略球状の構造体である。半田ボール17は、バリア金属層16上に設けられ、バリア金属層16の全体を覆う。半田ボール17の一部は、シード金属層15に接触してもよい。
続いて、上述した半導体装置1Aの製造方法について説明する。図3の(a)及び(b)並びに図4は、半導体装置1Aの製造方法における各工程を示す断面図である。
まず、基板上に半導体領域10をエピタキシャル成長する。この成長は、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)を用いて行われる。次に、半導体領域10上に、図示しない電極(例えばゲート電極、ソース電極、及びドレイン電極)を形成する。電極は、例えば半導体領域10上に開口を有するレジストマスクを形成し、レジストマスクの開口内及びレジストマスク上に電極材料となる金属を蒸着し、レジストマスク上の金属をレジストマスクと共に除去する(リフトオフ)ことにより形成される。
続いて、図3の(a)に示されるように、半導体領域10上に無機絶縁層11を形成する。無機絶縁層11の形成は、例えばプラスマCVD法により行うことができる。続いて、無機絶縁層11上に、所定の平面パターンを有する金属配線12を例えば電解メッキ法により形成する。このとき、金属配線12と電極とは、無機絶縁層11に形成された開口を介して互いに接続される。
続いて、金属配線12が設けられた半導体領域10の面上に、無機絶縁層13及び有機絶縁層14を形成する(第1工程)。無機絶縁層13の形成は、例えばプラズマCVD法を用いて行われる。有機絶縁層14の形成は、例えば有機絶縁層14の材料(例えばポリイミド)を半導体領域10上にスピンコートすることにより行われる。そして、開口13a,14aに対応する開口を有するマスク(不図示)を有機絶縁層14上に形成し、このマスクを介して有機絶縁層14をエッチングすることにより、開口14aを形成する。マスク材料は、例えばSiNもしくはSiO2である。マスクの開口の形成には、フォトリソグラフィー技術もしくは電子線リソグラフィー技術が用いられる。その後、開口14aを通じて無機絶縁層13をエッチングすることにより、開口13aを形成する。なお、開口13a及び14aは、プラズマを用いたドライエッチングにより形成され得る。
続いて、シード金属層15により、金属配線12の開口13a,14aから露出した部分、有機絶縁層14の開口14aの内側面、無機絶縁層13の開口13aの内側面、及び有機絶縁層14の開口14aの周縁部を覆う(第2工程)。シード金属層15は、各電極と同様に、蒸着及びリフトオフによって形成される。すなわち、シード金属層15の平面位置及び平面形状に対応する開口を有するレジストマスクを有機絶縁層14上に形成する。そして、レジストマスクの開口内及びレジストマスク上にシード金属層15の材料となる金属を蒸着し、レジストマスク上の金属をレジストマスクと共に除去する(リフトオフ)。
続いて、有機絶縁層14上にマスクRを形成する(第3工程)。マスクRはシード金属層15上に開口Raを有し、開口Raの内径は開口14aの内径よりも大きく、シード金属層15の外径よりも小さい。従って、半導体領域10の厚さ方向からみて開口Raはシード金属層15に含まれており、マスクRの開口Ra付近の部分はシード金属層15の端縁15aを覆う。マスクRの開口Raの内側面とシード金属層15の端縁15aとの距離W2は、例えば4μm〜8μmの範囲内である。また、マスクRの開口Raは、シード金属層15の開口13a,14a内に形成された部分を露出する。
マスクRは、有機材料を主に含む。例えば、マスクRはネガ型レジストを含み、一実施例ではネガ型レジストからなる。その場合、ネガ型レジストを有機絶縁層14上及びシード金属層15上に塗布し、開口Raに相当する領域を除く他の領域を露光し現像することにより、露光されていない開口Raに相当する領域のみを除去することができる。
続いて、図3の(b)に示されるように、マスクRの開口Raから露出したシード金属層15上に、バリア金属層16を形成する(第4工程)。このとき、バリア金属層16を、シード金属層15をシードメタルとする無電解メッキ法により形成する。具体的には、自己触媒メッキの次亜リン酸塩を触媒とする無電解メッキ処理(例えば自己触媒型無電界メッキ処理)により、バリア金属層16を形成する。無電解メッキを使用する理由は、電界メッキに比べて信頼性に優れているからである。
無電解メッキとは、外部電源を使用せずにメッキを施す方法であり、イオン化傾向を用いる置換型メッキ、還元剤を用いる自己触媒型の無電解メッキ(還元型メッキ)、そして、これらを組み合わせた置換還元型メッキ等がある。ここでは、自己触媒型の無電解メッキを用いたが、他の無電解メッキを用いてもよい。一方、電解メッキとは、外部電源を使用して電極間に電流を流すことで陰極から電子を与え、メッキを施す方法である。
この工程では、無電解メッキにおけるシードメタル(シード金属層15)の露出面がマスクRによって制限されている。従って、バリア金属層16は、マスクRによって制限された範囲内(開口Ra内)で成長する。マスクRは、バリア金属層16の横方向の成長を制限する。その結果、開口Ra内はバリア金属層16によって充填される。
続いて、バリア金属層16上にAu層51(図2を参照)を形成する。Au層51の形成は、例えば無電解メッキ処理、電界メッキ処理、蒸着・リフトオフ法、またはスパッタリング法などを用いて行われる。その後、図4に示されるように、マスクRを除去する。マスクRの除去後、有機絶縁層14の表面に酸素プラズマを短時間照射してもよい。これにより、有機絶縁層14の有機成分を酸素と反応させ、有機絶縁層14の表面状態を改善することができる。
その後、バリア金属層16上(Au層51上)に半田ボール17(図2を参照)を形成する(第5工程)。この工程では、フラックスを塗布したのち、例えば直径160μmといった大きさの半田ボール17を、例えば250℃といった温度下でリフロー(熱処理)形成する。シード金属層15と連続して形成したAuは、この工程でほぼ半田ボール17内に拡散する。その後、フラックスの洗浄を行う。以上の工程を経て、図1及び図2に示された本実施形態の半導体装置1Aが作製される。
以上に説明した本実施形態による半導体装置1Aの製造方法によって得られる効果について、従来の製造方法が有する課題と共に説明する。図12は、従来の方法により製造された半田ボール17の下地構造の拡大断面図である。従来の方法では、図3の(a)に示されたマスクRを形成しないで、バリア金属層16を形成する。この場合、図12に示されるように、バリア金属層16がシード金属層15を超えて横方向に成長し、シード金属層15に覆われていない有機絶縁層14上に到達する。
通常、BGAタイプの半導体装置は、BGAに応じた配線パターンを有するプリント配線基板上に実装される。プリント配線基板は、多くの場合、樹脂基板をベースとして形成されている。一方、半導体装置が有する基板は、半導体もしくは無機絶縁体からなる。従って、プリント配線基板と半導体装置の基板とでは熱膨張係数の差が大きく、半田ボール17を形成する際の温度変化、及び使用環境における周囲温度の変動等によって、プリント配線基板と半導体装置の基板との間にストレスが生じる。一般に、半導体装置はプリント配線基板よりも小さいので、このようなストレスを半田ボールが或る程度吸収していると考えられるが、半導体装置の基板にも幾らかのストレスが及ぶ。このストレスは、半導体装置からの半田ボール下地構造の剥がれを引き起こす。特に、図12に示されるように有機絶縁層14とバリア金属層16との間にシード金属層15が介在していない部分がある場合、有機絶縁層14とバリア金属層16との熱膨張係数の差が大きく、また有機絶縁層14とバリア金属層16との密着性が低いことから、バリア金属層16が有機絶縁層14から剥がれ易い。なお、有機絶縁層14を構成するポリイミドの熱膨張係数は約25×10-6/℃であり、バリア金属層16を構成するNiの熱膨張係数は13×10-6/℃〜16×10-6/℃である。
このような課題に対し、本実施形態では、半導体装置1Aを製造する際に、シード金属層15の端縁15aを覆うマスクRを形成し、マスクRの開口Ra内に限定してバリア金属層16を成長させている。これにより、バリア金属層16の成長を縦方向に限定し、横方向の成長を制限することができる。故に、バリア金属層16がシード金属層15の端縁15aを越えて有機絶縁層14上に成長することを抑制できる。従って、本実施形態によれば、半田の侵入に起因するバリア金属層16と金属配線12との界面の破断を低減し、半導体装置1Aの信頼性を向上できる。また、本実施形態によれば、従来の製造方法に対してマスクRの形成工程および除去工程を追加するだけで済み、製造工程数の大幅な増大を抑制できる。
なお、本実施形態のマスクRは、有機材料を主に含む。このマスクRを例えばCuといった金属により形成することも考えられるが、マスクRを有機材料により形成する場合、次のような利点がある。すなわち、半導体装置の信頼性を更に向上するためにバリア金属層16を厚くすると、マスクRもそれに合わせて厚くする必要がある。有機材料は金属と比較して剛性が低く柔軟性を有するので、マスクRを厚く形成した場合であっても、周囲のストレスの影響を受けにくくなる。
また、本実施形態のように、バリア金属層16を形成する工程の後に、バリア金属層16上に半田ボール17を形成する工程を設けてもよい。半田ボール17を形成する際には、リフローによる大きな温度変化が生じる。本実施形態の製造方法によれば、そのような場合であっても、バリア金属層16の剥がれを抑制し、半導体装置1Aの信頼性を向上できる。
また、本実施形態のように、バリア金属層16を形成する工程に連続して、Au層51をバリア金属層16上に形成する工程を設けてもよい。これにより、半田ボール17に対するバリア金属層16の表面の濡れ性が改善し、半田ボール17を容易に形成することができる。このAu層51は、以後の熱処理工程により、最終的に半田ボール17内にほぼ拡散して消失する。
また、本実施形態のように、マスクRはネガ型レジストを含み、バリア金属層16を形成する工程の後にマスクRを除去する工程を設けてもよい。ポジ型レジストを用いた場合、露光時に光が照射された箇所のレジストが現像により除去され、露光時に光が照射されなかった箇所が残る。光を照射する際にムラが生じると、レジストの開口内(すなわちシード金属層15上)に残渣が発生することがある。この残渣により、シード金属層15とバリア金属層16との密着性が低下してしまうおそれがある。これに対し、ネガ型レジストを用いた場合、露光時に光が照射された箇所のレジストが現像時に残り、露光時に光が照射されなかった箇所が現像により除去される。このため、レジストの開口内(すなわちシード金属層15上)に残渣が発生し難い。よって、シード金属層15とバリア金属層16との密着性の低下を抑制することができる。
なお、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して粘度が低く、露光時間が短く、必要な露光量が少ない。従って、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して現像し易いため、残渣が発生しにくい。また、ネガ型レジストは、ポジ型レジストと比較して、剥離液を用いた溶解を短時間で容易に行うことができるので、半導体装置1Aの特性のばらつきを抑制できる。
また、ネガ型レジストを厚く形成した場合、開口の内側面を逆テーパ形状とすることが容易である。レジスト開口の内側面が逆テーパ形状である場合、バリア金属層16は台形状になる。逆に、レジスト開口の内側面がテーパ形状である場合、バリア金属層16は逆台形状になる。バリア金属層16上に形成される半田ボール17は濡れ性によって接合されるので、バリア金属層16が逆台形状である場合、半田ボール17がバリア金属層16の側面に回り込むことが難しく、接合面が小さくなり、プロセスばらつきや、空気が入ってボイドが発生する要因となる。バリア金属層16が台形状である場合には、半田ボール17はほぼ表面全体に接合するので、上記の不都合が無く、密着性が向上する。このように、レジスト開口の内側面を逆テーパ形状とすることで、バリア金属層16の形状を容易に変化させることができ、半田ボール17との密着強度を高めることが可能となる。
また、本実施形態のように、バリア金属層16はNi層であり、該Ni層の厚さは3μm〜6μmの範囲内であってもよい。Niは半田と相互拡散し難いので、半田ボール17の下地として好適である。また、Ni層をこのように厚く設けることによって、半導体装置1Aの信頼性をより高めることができる。
また、本実施形態のように、シード金属層15は、Ti層及びTi層上に設けられたPd層を含み、Ti層の厚さは50nmであり、Pd層の厚さは100nmであってもよい。これにより、Ti層によりシード金属層15と金属配線12の密着性が高まり、一方、Pd層の存在により、バリア金属層16の無電解メッキを容易に行うことが可能となる。
また、本実施形態のように、マスクRを形成する工程において、シード金属層15の端縁15aからマスクRの内側の縁までの距離W2を4μm〜8μmの範囲内としてもよい。これにより、マスクRの除去後におけるバリア金属層16の端縁16aとシード金属層15の端縁15aとの距離W1として4μm〜8μmを確保することができ、上述した本実施形態の効果を十分に得ることができる。
(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の、半田ボール17の下地構造を示す拡大断面図である。なお、半田ボール17の図示は省略している。本実施形態において上述した第1実施形態と異なる点は、マスクの材料である。本実施形態では、有機材料を主に含む第1実施形態のマスクRに代えて、無機誘電体材料を主に含むマスク18を設ける。一例では、マスク18は絶縁性シリコン化合物を主に含む。絶縁性シリコン化合物は、例えばSiNまたはSiO2である。マスク18は半導体装置の作製後も半導体装置に残存する。換言すれば、本実施形態の半導体装置は、第1実施形態の構成に加えて、マスク18を更に備える。
図5は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の、半田ボール17の下地構造を示す拡大断面図である。なお、半田ボール17の図示は省略している。本実施形態において上述した第1実施形態と異なる点は、マスクの材料である。本実施形態では、有機材料を主に含む第1実施形態のマスクRに代えて、無機誘電体材料を主に含むマスク18を設ける。一例では、マスク18は絶縁性シリコン化合物を主に含む。絶縁性シリコン化合物は、例えばSiNまたはSiO2である。マスク18は半導体装置の作製後も半導体装置に残存する。換言すれば、本実施形態の半導体装置は、第1実施形態の構成に加えて、マスク18を更に備える。
マスク18はシード金属層15上に開口18aを有し、開口18aの内径は開口14aの内径よりも大きく、シード金属層15の外径よりも小さい。従って、半導体領域10の厚さ方向からみて開口18aはシード金属層15に含まれており、マスク18の開口18a付近の部分はシード金属層15の端縁15aを覆う。マスク18の開口18aの内側面とシード金属層15の端縁15aとの距離W3は、例えば4μm〜8μmの範囲内である。また、マスク18の開口18aは、シード金属層15の開口13a,14a内に形成された部分を露出する。マスク18の厚さは、バリア金属層16の厚さに応じて決定され、例えば1.0μm〜3.5μmの範囲内である。
バリア金属層16は、マスク18から露出したシード金属層15上に設けられている。バリア金属層16の外側面(端縁16a)は、マスク18の開口18aの内側面に接しており、シード金属層15の端縁15aよりも内側(開口14a側)に位置する。換言すると、バリア金属層16の厚さ方向から見て、バリア金属層16はマスク18の内側に限定して設けられている。なお、マスク18の平面形状は例えば円環状である。
図6の(a)〜(c)は、本実施形態の半導体装置の製造方法における各工程を示す断面図である。まず、第1実施形態の同様にして、半導体領域10、無機絶縁層11、金属配線12、無機絶縁層13、有機絶縁層14、及びシード金属層15をこの順に形成する。次に、有機絶縁層14上にマスク18を形成する。具体的には、まず、図6の(a)に示されるように、マスク18の構成材料からなる膜18Aを半導体領域10上の全面に形成する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、端縁15a上にレジストマスクを形成する。そして、レジストマスクから露出した膜18Aをエッチングにより除去する。これにより、図6の(b)に示されるように、端縁15aを覆うマスク18を形成することができる。その後、レジストマスクを除去する。
続いて、図6の(c)に示されるように、マスク18から露出したシード金属層15上に、バリア金属層16を形成する。このとき、バリア金属層16を、シード金属層15をシードメタルとする無電解メッキ法により形成する。この工程では、無電解メッキにおけるシードメタル(シード金属層15)の露出面がマスク18によって制限される。従って、バリア金属層16は、マスク18によって制限された範囲内(開口18a内)で成長する。マスク18は、バリア金属層16の横方向の成長を制限する。その結果、開口18a内はバリア金属層16によって充填される。以降の工程は、第1実施形態の同様である。
本実施形態では、半導体装置を製造する際に、シード金属層15の端縁15aを覆うマスク18を形成し、マスク18の開口18a内に限定してバリア金属層16を成長させている。これにより、バリア金属層16の成長を縦方向に限定し、横方向の成長を制限することができる。故に、バリア金属層16がシード金属層15の端縁15aを越えて有機絶縁層14上に成長することを抑制できる。従って、本実施形態においても、半田の侵入に起因するバリア金属層16と金属配線12との界面の破断を低減し、半導体装置1Aの信頼性を向上できる。
また、本実施形態では、第1実施形態と異なり、マスク18が無機誘電体材料を主に含む。この場合、マスク18を除去せず残存させることができるので、シード金属層15の端縁15a付近が露出することを回避できる。従って、シード金属層15の周縁部の劣化を抑制できる。
また、無機の誘電体材料(例えばSiN)と有機材料(例えばポリイミド)とは、互いに同等の熱膨張係数を有する。従って、温度変化により生じる応力を低減することができ、マスク18が有機絶縁層14から剥がれることを抑制できるので、半導体装置1Aの信頼性を更に向上できる。なお、マスク18はバリア金属層16と接しており、バリア金属層16とマスク18とでは熱膨張係数が大きく異なる。従って、バリア金属層16が温度変化に応じて膨張・収縮を繰り返すと、そのストレスがマスク18に及ぶ。しかしながら、マスク18にクラックが生じても該クラックはそれ以上進行しないので、マスク18と有機絶縁層14との密着状態は保たれ、半田の侵入は抑制される。
なお、マスク18と有機絶縁層14との密着性をより高める方法として、例えばマスク18の膜質を厚さ方向に変化させる方法がある。すなわち、マスク18のうち有機絶縁層14と接する箇所では無機誘電体材料の緻密性を低く、有機絶縁層14から離れるに従い無機誘電体材料の緻密性を高くするとよい。このようなマスク18は、膜質が異なる複数の層を積層するか、或いは厚さ方向に膜質を連続的に変化させることよって実現できる。
(変形例)
図7〜図11は、上記第1実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。まず、図7の(a)に示されるように、半導体基板21上に半導体層22をエピタキシャル成長し、半導体領域10を形成する。次に、半導体層22と接する電極23を半導体層22上に形成し、電極23及び半導体層22の表面をパッシべーション膜24によって覆う。電極23は、例えばオーミック電極である。パッシべーション膜24は、例えばSiN膜である。そして、パッシべーション膜24に開口を形成して電極23を露出する。
図7〜図11は、上記第1実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法に含まれる各工程を示す図である。まず、図7の(a)に示されるように、半導体基板21上に半導体層22をエピタキシャル成長し、半導体領域10を形成する。次に、半導体層22と接する電極23を半導体層22上に形成し、電極23及び半導体層22の表面をパッシべーション膜24によって覆う。電極23は、例えばオーミック電極である。パッシべーション膜24は、例えばSiN膜である。そして、パッシべーション膜24に開口を形成して電極23を露出する。
次に、図7の(b)に示されるように、ポリイミド層25(最下層)を塗布し、ポリイミド層25上にSiN層26を形成する。ポリイミド層25の厚さは例えば1.4μmであり、SiN層26の厚さは例えば100nmである。そして、SiN層26上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してSiN層26をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層25を露出する。レジストパターンを除去した後、SiN層26の開口を介してポリイミド層25をエッチングして開口を形成し、電極23を露出する。
続いて、図7の(c)に示されるように、シードメタル27及び金属配線28(最下層)を電極23上に形成する。シードメタル27の厚さは例えば515nmである。金属配線28は例えばAuからなり、その厚さは例えば1μmである。具体的には、まず、シードメタル27を半導体領域10上の全面に蒸着し、厚さ方向から見てSiN層26の開口を含む開口を有するレジストパターンをシードメタル27上に形成する。その後、電解メッキ処理によりレジストパターンの開口内に金属配線28を形成する。レジストパターンを剥離した後、シードメタル27のうち金属配線28から露出した部分をエッチングにより除去する。その後、熱処理を行う。熱処理温度は例えば350℃である。メッキ処理直後の金属はいわゆる疎の状態であるため、熱処理を行うことによって、これを通常の状態に回復することができる。
続いて、図8の(a)に示されるように、SiN層29、ポリイミド層30(中間層)、及びSiN層31をこの順で形成する。ポリイミド層30の厚さは例えば2.0μmであり、SiN層31の厚さは例えば130nmである。SiN層31上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してSiN層31をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層30を露出する。レジストパターンを除去した後、SiN層31の開口を介してポリイミド層30およびSiN層29をエッチングして開口を形成し、金属配線28を露出する。
続いて、図8の(b)に示されるように、シードメタル32及び金属配線33(中間層)を金属配線28上に形成する。シードメタル32の厚さは例えば205nmである。金属配線33は例えばAuからなり、その厚さは例えば1μmである。なお、シードメタル32及び金属配線33の形成方法は、前述したシードメタル27及び金属配線28と同様である。
続いて、図8の(c)に示されるように、SiN層34、ポリイミド層35、及びSiN層36をこの順で形成する。SiN層34の厚さは例えば300nmであり、ポリイミド層35の厚さは例えば2.0μmであり、SiN層36の厚さは例えば300nmである。SiN層36上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してSiN層36をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層35を露出する。レジストパターンを除去した後、SiN層36の開口を介してポリイミド層35およびSiN層34をエッチングして開口を形成し、金属配線33を露出する。
続いて、図9の(a)に示されるように、シードメタル37及び金属配線38(中間層)を金属配線33上に形成する。シードメタル37の厚さは例えば205nmである。金属配線38は例えばAuからなり、その厚さは例えば1μmである。なお、シードメタル37及び金属配線38の形成方法は、前述したシードメタル27及び金属配線28と同様である。
続いて、図9の(b)に示されるように、SiN層39、ポリイミド層40(中間層)、及びSiN層41をこの順で形成する。SiN層39の厚さは例えば200nmであり、ポリイミド層40の厚さは例えば2.0μmであり、SiN層41の厚さは例えば200nmである。SiN層41上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してSiN層41をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層40を露出する。レジストパターンを除去した後、SiN層41の開口を介してポリイミド層40およびSiN層39をエッチングして開口を形成し、金属配線38を露出する。
続いて、図10の(a)に示されるように、シードメタル42及び金属配線43(最上層)を金属配線38上に形成する。シードメタル42の厚さは例えば205nmである。金属配線43は例えばAuからなり、その厚さは例えば2μmである。なお、シードメタル42及び金属配線43の形成方法は、前述したシードメタル27及び金属配線28と同様である。
続いて、図10の(b)に示されるように、SiN層44、ポリイミド層45(最上層)、及びSiN層46をこの順で形成する。SiN層44の厚さは例えば200nmであり、ポリイミド層45の厚さは例えば6.0μmであり、SiN層46の厚さは例えば200nmである。SiN層46上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンを介してSiN層46をエッチングして開口を形成し、ポリイミド層45を露出する。レジストパターンを除去した後、SiN層46の開口を介してポリイミド層45およびSiN層44をエッチングして開口を形成し、金属配線43を露出する。なお、本変形例において、金属配線43は第1実施形態の金属配線12に相当し、SiN層44は第1実施形態の無機絶縁層13に相当し、ポリイミド層45は第1実施形態の有機絶縁層14に相当する。
続いて、図11の(a)に示されるように、金属配線43上にシード金属層15を形成する。具体的には、まず金属配線43の露出部分を含む開口を有するレジストパターンを形成する。このレジストパターンの開口内およびレジストパターン上にシード金属層15の金属材料を蒸着し、レジストパターン上の金属材料をレジストパターンとともに除去する(リフトオフ)。なお、シード金属層15の構成は前述した第1実施形態と同様である。
続いて、図11の(b)に示されるように、開口Raを有するマスクRを形成し、無電解メッキ法を用いてバリア金属層16を開口Ra内に形成する。マスクRおよびバリア金属層16の具体的な形状及び構成材料は、前述した第1実施形態と同様である。バリア金属層16の厚さは例えば3μm〜6μmの範囲内である。その後、無電解メッキ法を用いてAu層51(図1を参照)をバリア金属層16上に形成する。Au層51の厚さは例えば10nmである。マスクRを除去し、半田ボール17(図1を参照)を形成して、半導体装置が完成する。
本発明による半導体装置の製造方法および半導体装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第1実施形態では、バリア金属層の横方向の成長を制限するためのマスクを構成する有機誘電体材料として、フォトレジストが例示されている。有機誘電体材料としてはこれ以外にも様々な材料を用いることができる。また、第2実施形態では、バリア金属層の横方向の成長を制限するためのマスクを構成する無機誘電体材料として、絶縁性シリコン化合物(SiNまたはSiO2)が例示されている。無機誘電体材料としてはこれ以外にも様々な材料を用いることができる。また、上記各実施形態では、半導体領域の例としてHEMTを例示したが、本発明に係る製造方法は、HEMTに限らず、金属配線および半田ボールを備える様々な半導体装置に適用可能である。
1A…半導体装置、10…半導体領域、11…無機絶縁層、12…金属配線、13…無機絶縁層、13a…開口、14…有機絶縁層、14a…開口、14b…表面、15…シード金属層、15a…端縁、16…バリア金属層、16a…端縁、17…半田ボール、18…マスク、18A…膜、18a…開口、21…半導体基板、22…半導体層、23…電極、24…パッシべーション膜、25,30,35,40,45…ポリイミド層、26…SiN層、27,32,37,42…シードメタル、28,33,38,43…金属配線、29,31,34,36,39,41,44,46…SiN層、51…Au層、R…マスク、Ra…開口。
Claims (10)
- 金属配線が設けられた半導体領域の面上に、該金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層を形成する第1工程と、
前記金属配線の前記開口から露出した部分、前記有機絶縁層の前記開口の内側面、及び前記有機絶縁層の前記開口の周縁部を覆うシード金属層を形成する第2工程と、
前記シード金属層の端縁を覆い、前記シード金属層の前記開口内に形成された部分を露出するマスクを形成する第3工程と、
前記マスクから露出した前記シード金属層上にバリア金属層を無電解メッキ法により形成する第4工程と、
を含み、
前記マスクは、有機材料若しくは無機誘電体材料を主に含む、半導体装置の製造方法。 - 前記第4工程の後に、前記バリア金属層上に半田ボールを形成する第5工程を更に含む、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第5工程では、直径160μmの前記半田ボールを250℃でリフロー形成する、請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第5工程の前に前記第4工程に連続して、Au層を前記バリア金属層上に形成する工程を更に含み、該Au層の厚さは10nmである、請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記マスクはネガ型レジストを含み、
前記第4工程の後に前記マスクを除去する工程を更に含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記マスクは絶縁性シリコン化合物を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記バリア金属層はNi層であり、該Ni層の厚さは3μm〜6μmの範囲内である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シード金属層は、Ti層及び前記Ti層上に設けられたPd層を含み、前記Ti層の厚さは50nmであり、前記Pd層の厚さは100nmである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第3工程において、前記シード金属層の前記端縁から前記マスクの内側の縁までの距離は4μm〜8μmの範囲内である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体領域と、
前記半導体領域の面上に設けられた金属配線と、
前記半導体領域の前記面上に設けられ、前記金属配線の一部を露出する開口を有する有機絶縁層と、
前記金属配線の前記開口から露出した部分、前記有機絶縁層の前記開口の内側面、及び前記有機絶縁層の前記開口の周縁部を覆うシード金属層と、
前記シード金属層の端縁を覆い、前記シード金属層の前記開口内に形成された部分を露出するマスクと、
前記マスクから露出した前記シード金属層上に設けられ、外側面が前記マスクの内側面に接するとともに前記マスクの内側に限定して設けられたバリア金属層と、
を備え、
前記マスクは、無機誘電体材料を主に含む、半導体装置。
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