JP2020141054A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13111—Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/10—Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/12—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13—Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001—Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099—Material
    • H01L2224/131—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13139—Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/13163—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13164—Palladium [Pd] as principal constituent
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Abstract

【課題】バンプ下地膜と有機絶縁層との隙間への半田の侵入を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】この製造方法は、半導体領域上に第１の有機絶縁層を形成する工程と、第１の有機絶縁層上に接する縁部を含むバンプ下地膜を形成する工程と、バンプ下地膜の熱処理を行う工程と、少なくともバンプ下地膜の縁部上からバンプ下地膜周りの第１の有機絶縁層上にわたって設けられ、第１の有機絶縁層に接し、バンプ下地膜の表面を露出させる第１の開口を有する第２の有機絶縁層を形成する工程と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
特許文献１及び２には、半導体装置の製造方法に関する技術が記載されている。特許文献１に記載された方法では、Ａｕバンプの下地膜（ＵＢＭ（Under Bump Metal）膜）として使用している導電膜（下層からＴｉ膜／Ｐｄ膜）で再配線を形成する。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膜／Ｐｄ膜／Ａｕ膜を有する再配線構造とする。
特許文献２に記載された方法は、第１金属層を形成する工程と、カバー膜を形成する工程と、第２金属層を形成する工程とを含む。カバー膜を形成する工程では、第１金属層の外周の領域に、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、ＭｇおよびＣｒの何れかよりなるカバー膜を形成する。第２金属層を形成する工程では、第１金属層をシードメタルとして、カバー膜を構成する材料とは異なり、かつＮｉ、ＰｄまたはＡｌから選択された金属の無電解メッキ処理を行う。第２金属層は、第１金属層の上面に位置し、かつカバー膜の外側には延在しない。
特開２００５−１５０５７８号公報 特開２０１７−２２８５８３号公報
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、２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はバンプ下地膜（ＵＢＭ膜）が設けられる。また、半導体領域上には、例えばポリイミド膜などの有機絶縁層が、配線層の層間膜として設けられる。
しかしながら、ポリイミドなどの有機絶縁材料と金属材料との熱膨張率差に起因して、半田ボール搭載時に発生する熱応力などによりバンプ下地膜が有機絶縁層から剥がれ易いという問題がある。バンプ下地膜と有機絶縁層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、バンプ下地膜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。
そこで、本開示は、バンプ下地膜と有機絶縁層との隙間への半田の侵入を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域上に第１の有機絶縁層を形成する工程と、第１の有機絶縁層に接する縁部を含むバンプ下地膜を形成する工程と、バンプ下地膜の熱処理を行う工程と、少なくともバンプ下地膜の縁部上からバンプ下地膜周りの第１の有機絶縁層上にわたって設けられ、第１の有機絶縁層に接し、バンプ下地膜の表面を露出させる第１の開口を有する第２の有機絶縁層を形成する工程と、を含む。
一実施形態に係る半導体装置は、半導体領域と、半導体領域上に設けられた第１の有機絶縁層と、第１の有機絶縁層上に位置する縁部を含むシード金属膜と、シード金属膜上に設けられたバンプ下地膜と、少なくともバンプ下地膜の縁部上からバンプ下地膜周りの第１の有機絶縁層上にわたって設けられ、第１の有機絶縁層に接し、バンプ下地膜の表面を露出させる第１の開口を有する第２の有機絶縁層と、第１の開口を覆いバンプ下地膜に接する半田バンプと、を備える。
本開示によれば、バンプ下地膜と有機絶縁層との隙間への半田の侵入を低減して信頼性を向上できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１Ａを示す平面図である。 図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面（半田バンプ１７の下地構造）の拡大図である。 図３の（ａ）〜（ｃ）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。 図４の（ａ）〜（ｃ）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。 図５の（ａ）、（ｂ）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。 図６は、一実施形態による半導体装置１Ａ及びその製造方法によって得られる効果を説明するための図である。 図７は、変形例に係る工程を示す断面図である。 図８は、変形例において有機絶縁層３２を形成した状態を示す断面図である。 図９は、変形例に係る製造方法によって得られる効果を説明するための図である。 図１０の（ａ）は、特許文献２に記載された半導体装置の比較例の構造の一部を拡大して示す断面図である。図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）の一部を拡大して示す断面図である。
本開示の半導体装置の製造方法及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。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１Ａを示す平面図である。図１に示すように、半導体装置１Ａは、半導体領域１０と、半導体領域１０の表面に設けられた複数の半田バンプ１７とを備えるＢＧＡタイプの半導体装置である。複数の半田バンプ１７は、半導体領域１０の面上において平面的に分散して配置されている。半田バンプ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。
例えば半導体装置１Ａが窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である場合、半導体領域１０は、ＧａＮチャネル層と、ＡｌＧａＮバリア層（もしくはＩｎＡｌＮバリア層）とを含む。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。
半導体領域１０の表面には、グランド配線領域１１と、信号配線領域１２とが設けられている。グランド配線領域１１は、半導体領域１０の表面のほぼ全面にわたって設けられ、その平面形状は半導体装置１Ａの平面形状とほぼ相似しており、一例では略長方形である。或る方向に対向するグランド配線領域１１の一対の辺１１ａ、１１ｂには半円状のＮ個（図示例では５個）の切り欠き１１ｃが形成され、各切り欠き１１ｃの内側に信号配線領域１２が設けられている。信号配線領域１２の平面形状は例えば円形である。グランド配線領域１１と信号配線領域１２とは互いに隔離しており、グランド配線領域１１と信号配線領域１２との間には半円環状の隙間領域１３が設けられている。図示例では、グランド配線領域１１の一方の辺１１ａに沿って２つの信号配線領域１２が並んで配置され、グランド配線領域１１の他方の辺１１ｂに沿って３つの信号配線領域１２が並んで配置されている。
複数の半田バンプ１７は、Ｍ個（図示例では１２個）のグランド半田バンプ１７ａと、Ｎ個の信号半田バンプ１７ｂとを含む。Ｍ個のグランド半田バンプ１７ａは、グランド配線領域１１において、互いに直交する行方向及び列方向に沿って二次元状に並んでいる。Ｎ個の信号半田バンプ１７ｂは、信号配線領域１２上に設けられ、その一部（図示例では２個）がグランド配線領域１１の辺１１ａに沿って並び、残部（図示例では３個）がグランド配線領域１１の辺１１ｂに沿って並んでいる。
図２は、図１に示されたII−II線に沿った断面（半田バンプ１７の下地構造）の拡大図である。図２に示すように、半導体装置１Ａは、半導体領域１０の面上に設けられた金属配線２１、及び、半導体領域１０の面上に設けられた有機絶縁層３１（第１の有機絶縁層）を備える。さらに、半導体装置１Ａは、金属膜２２及び２３、バンプ下地膜２６、及び有機絶縁層３２（第２の有機絶縁層）を備える。なお、図２では、図１に示した半導体領域１０及び半田バンプ１７の図示を省略している。
金属配線２１は、半導体領域１０上の無機絶縁層（例えばＳｉＮ層またはＳｉＯ2層）上に設けられた信号配線である。金属配線２１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２１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２１の厚さは、例えば０．５μｍ〜３．０μｍの範囲内であり、一実施例では１μｍである。
有機絶縁層３１は、配線層の間に設けられる誘電体の層間膜である。有機絶縁層３１は、主に樹脂からなり、一例ではポリイミドからなる。有機絶縁層３１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、無機絶縁層及び金属配線２１を覆う。有機絶縁層３１は、金属配線２１の一部を露出させる開口３１ａを金属配線２１上に有する。開口３１ａは、本実施形態における第２の開口の例である。半導体領域１０の厚さ方向からみて、開口３１ａは、信号半田バンプ１７ｂ（図１を参照）と重なる。有機絶縁層３１の厚さは、例えば１μｍ〜６μｍの範囲内である。
金属膜２２は本実施形態における第１の金属膜の例であり、グランド配線として機能する。金属膜２３は本実施形態における第２の金属膜の例であり、信号配線として機能する。金属膜２２及び２３は、有機絶縁層３１上に設けられ、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる。金属膜２２は、図１に示されたグランド配線領域１１上に設けられ、その平面形状はグランド配線領域１１と一致する。具体的には、金属膜２２は、半導体領域１０の表面のほぼ全面にわたって設けられ、その平面形状は半導体装置１Ａの平面形状とほぼ相似しており、一例では略長方形である。或る方向に対向する金属膜２２の一対の辺には、図１に示した切り欠き１１ｃに対応する半円状の切り欠きが形成され、各切り欠きの内側に金属膜２３が設けられている。金属膜２３は、図１に示された信号配線領域１２上に設けられ、その平面形状は信号配線領域１２と一致する。金属膜２２と金属膜２３とは互いに離れており、その間隔ｄ１は例えば５０〜３００μｍの範囲内である。金属膜２３は、有機絶縁層３１に形成された開口３１ａを埋め込むと共に開口３１ａを完全に覆っており、開口３１ａを通じて金属配線２１と接続している。金属膜２２、２３の厚さは、例えば０．５〜５．０μｍの範囲内であり、一実施例では２μｍである
バンプ下地膜２６は、金属膜２２上に設けられ金属膜２２を覆う部分２６ａ（第１の部分）と、金属膜２３上に設けられ金属膜２３を覆う部分２６ｂ（第２の部分）とを含んで構成されている。本実施形態では、部分２６ａは金属膜２２の上面及び側面を覆い、部分２６ａの縁部２６ｃは金属膜２２周辺の有機絶縁層３１上に位置し、有機絶縁層３１に接している。また、部分２６ｂは金属膜２３の上面及び側面を覆い、部分２６ｂの縁部２６ｄは金属膜２３周辺の有機絶縁層３１上に位置し、有機絶縁層３１に接している。部分２６ａと部分２６ｂとは、隙間領域１３（図１を参照）を挟んで互いに分離している。
バンプ下地膜２６は、シード金属膜２４と、シード金属膜２４上に設けられた主膜２５とを主に含んで構成されている。シード金属膜２４は、例えばチタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）といった金属を主に含む。一例では、シード金属膜２４は、金属膜２２、２３上に設けられたＴｉ層と、Ｔｉ層上に設けられたＰｄ層とを含む。この場合、Ｔｉ層の厚さは例えば５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であり、一実施例では５ｎｍである。また、Ｐｄ層の厚さは例えば１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内であり、一実施例では１０ｎｍである。このシード金属膜２４は、主膜２５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、シード金属膜２４は、主膜２５がＮｉ（もしくはＮｉＣｒ）を含み金属配線２１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。
主膜２５は、シード金属膜２４上に設けられた金属膜であり、シード金属膜２４に接する。主膜２５は、例えばニッケル（Ｎｉ）若しくはニッケル・クロム合金（ＮｉＣｒ）といった金属を主に含む。主膜２５は、半田バンプ１７を構成する半田と金属配線２１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。主膜２５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。主膜２５の縁部２５ｃは、シード金属膜２４からはみ出している。縁部２５ｃは、厚み方向に有機絶縁層３１と隙間をあけて設けられてもよく、有機絶縁層３１と接してもよい。
有機絶縁層３２は、例えば感光性樹脂を主に含む。感光性樹脂は、例えば感光性ポリイミドである。一例では、有機絶縁層３２は有機絶縁層３１と同じ材料からなる。有機絶縁層３２は、少なくともバンプ下地膜２６の縁部２６ｃ、２６ｄ上からバンプ下地膜２６周りの有機絶縁層３１上にわたって設けられており、有機絶縁層３１と接している。本実施形態では、有機絶縁層３２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、バンプ下地膜２６から露出した有機絶縁層３１を覆う。有機絶縁層３２は、バンプ下地膜２６の部分２６ａを露出させる開口３２ａと、バンプ下地膜２６の部分２６ｂを露出させる開口３２ｂとを有する。開口３２ａ、３２ｂは、本実施形態における第１の開口の例である。半導体領域１０の厚さ方向からみて、開口３２ａはグランド半田バンプ１７ａ（図１を参照）と重なり、開口３２ｂは信号半田バンプ１７ｂ（図１を参照）と重なる。グランド半田バンプ１７ａは、開口３２ａを覆い、開口３２ａを通じてバンプ下地膜２６の部分２６ａの主膜２５に接する。信号半田バンプ１７ｂは、開口３２ｂを覆い、開口３２ｂを通じてバンプ下地膜２６の部分２６ｂの主膜２５に接する。有機絶縁層３２の厚さは、例えば１．０〜１０．０μｍの範囲内である。
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。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、半導体領域１０上に無機絶縁層（例えばＳｉＮ層）を形成する。無機絶縁層の形成は、例えばプラスマＣＶＤ法により行うことができる。
図３の（ａ）〜（ｃ）、図４の（ａ）〜（ｃ）、並びに図５の（ａ）、（ｂ）は、半導体装置１Ａの製造方法における無機絶縁層の形成より後の各工程を示す断面図である。上記の工程に続き、図３の（ａ）に示すように、無機絶縁層上に、所定の平面パターンを有する金属配線２１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２１と電極とは、無機絶縁層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２１が設けられた半導体領域１０の面上に、有機絶縁層３１を形成する。有機絶縁層３１の形成は、例えば有機絶縁層３１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３１ａに対応する開口パターンを有するマスク（不図示）を有機絶縁層３１上に形成し、このマスクを介して有機絶縁層３１をエッチングすることにより、開口３１ａを形成して金属配線２１を露出させる。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。なお、開口３１ａ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、図３の（ｂ）に示すように、所定の平面パターンを有する金属膜２２、２３を例えば電解メッキ法により有機絶縁層３１上に形成する。この工程では、図１に示すグランド配線領域１１に金属膜２２を形成し、信号配線領域１２に金属膜２３を形成する。このとき、金属膜２３は、有機絶縁層３１の開口３１ａを介して金属配線２１に接続される。
続いて、図３の（ｃ）に示すように、半導体領域１０上の全面にシード金属膜２４を形成し、このシード金属膜２４により、金属膜２２及び２３の上面及び側面、並びに金属膜２２、２３から露出した有機絶縁層３１の表面を覆う。シード金属膜２４は、例えばスパッタ法により形成される。一実施例では、厚さ５ｎｍのＴｉ層をスパッタ法により形成したのち、その上に、厚さ１０ｎｍのＰｄ層をスパッタ法により形成する。こうして形成されるシード金属膜２４は、金属膜２２を覆う部分２４ａと、金属膜２３を覆う部分２４ｂと、有機絶縁層３１上に位置する部分２４ｃとを含む。
続いて、図４の（ａ）に示すように、フォトレジストＲをシード金属膜２４上に形成する。フォトレジストＲは、部分２４ｃ上に開口Ｒａを有し、開口Ｒａを通じて部分２４ｃのみを露出させる。フォトレジストＲは例えばネガ型レジストである。その場合、ネガ型レジストをシード金属膜２４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。フォトレジストＲは、シード金属膜２４の部分２４ａ及び２４ｂを覆うと共に、部分２４ａ及び２４ｂの周縁部に隣接する部分２４ｃの一部を覆う。そして、フォトレジストＲの開口Ｒａから露出したシード金属膜２４の部分２４ｃを、エッチングにより除去する。エッチングは、例えばヨウ素系エッチャント（製品名「ＡＵＲＵＭ」シリーズ、関東化学株式会社製）を用いたウェットエッチング、或いは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）といったドライエッチングである。これにより、シード金属膜２４の部分２４ａと部分２４ｂとが互いに分離する。また、部分２４ａ、２４ｂの周囲において、有機絶縁層３１上に位置し且つ有機絶縁層３１に接するシード金属膜２４の縁部が残存する。その後、フォトレジストＲを除去する。
続いて、図４の（ｂ）に示すように、シード金属膜２４上に主膜２５を形成することにより、バンプ下地膜２６の部分２６ａ、２６ｂを形成する。この工程では、主膜２５を、シード金属膜２４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、主膜２５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。シード金属膜２４は部分２４ａ、２４ｂに限定して設けられているので、この無電解メッキは選択メッキとなり、主膜２５は、部分２４ａ上と、部分２４ｂ上とに限定して成長する。但し、主膜２５は横方向にも成長するので、主膜２５には、シード金属膜２４からはみ出た縁部２５ｃが形成される。
なお、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。
続いて、主膜２５上に図示しないＡｕ膜を形成する。Ａｕ膜の形成は、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。Ａｕ膜の厚さは例えば１０μｍである。
続いて、図４の（ｃ）に示すように、バンプ下地膜２６を含む生産物を熱処理炉Ｑ内に設置して、バンプ下地膜２６の熱処理を行う。熱処理温度は、後の構成で形成される半田バンプ１７のリフロー温度よりも高い温度であり、例えば２６０℃〜３５０℃の範囲内である。熱処理時間は例えば５〜６０分の範囲内であり、一例では３０分である。熱処理の雰囲気は、例えば大気（窒素（Ｎ2）及び酸素（Ｏ2）の混合雰囲気）、または真空雰囲気、ＡｒやＨｅの不活性ガス雰囲気である。
続いて、図５の（ａ）に示すように、バンプ下地膜２６が形成された半導体領域１０の面上に、有機絶縁層３２を形成する。前述したように、この有機絶縁層３２は、少なくともバンプ下地膜２６の縁部２６ｃ、２６ｄ上からバンプ下地膜２６周りの有機絶縁層３１上にわたって設けられ、有機絶縁層３１に接する。有機絶縁層３２の形成は、有機絶縁層３１と同様に、例えば有機絶縁層３２の材料（例えば感光性ポリイミド）を、バンプ下地膜２６上及びバンプ下地膜２６から露出した有機絶縁層３１上にスピンコートすることにより行われる。そして、開口３２ａ、３２ｂに対応する開口パターンを有するフォトマスクを用いて有機絶縁層３２を露光・現像することにより、開口３２ａ、３２ｂを形成してバンプ下地膜２６の部分２６ａ及び２６ｂの表面を露出させる。
続いて、図５の（ｂ）に示すように、半田バンプ１７を形成する。すなわち、開口３２ａを覆いバンプ下地膜２６の部分２６ａに接するグランド半田バンプ１７ａと、開口３２ｂを覆いバンプ下地膜２６の部分２６ｂに接する信号半田バンプ１７ｂとを形成する。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バンプ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。シード金属膜２４上に形成したＡｕ膜は、この工程でほぼ半田バンプ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１０の（ａ）は、特許文献２に記載された半導体装置の比較例の構造の一部を拡大して示す断面図である。窒化物半導体を主に含む半導体領域１１０上には、例えばＡｕにより構成される金属配線１２０が設けられ、該金属配線１２０は、半導体領域１１０を保護する無機絶縁層１４１によって覆われている。無機絶縁層１４１は例えばＳｉＮ等のシリコン化合物膜である。無機絶縁層１４１上には例えばポリイミド等の樹脂からなる有機絶縁層１３３が設けられている。無機絶縁層１４１及び有機絶縁層１３３には、これらを厚み方向に貫通する開口１４１ａ、１３３ａが形成されており、これらの開口１４１ａ、１３３ａは、例えばＡｕにより構成される金属配線１２１によって埋め込まれている。金属配線１２１は、開口１４１ａ、１３３ａを通じて金属配線１２０と接続している。有機絶縁層１３３上には、無機絶縁層１４２及び有機絶縁層１３１が積層されている。無機絶縁層１４２は例えばＳｉＮ等のシリコン化合物膜である。有機絶縁層１３１は、ポリイミド等の樹脂からなる。金属配線１２１上には無機絶縁層１４２及び有機絶縁層１３１の開口１４２ａ、１３１ａが形成されており、開口１４２ａ、１３１ａの側面上、および開口１４２ａ、１３１ａから露出する金属配線１２１の表面上には、シード金属膜１２４が設けられている。シード金属膜１２４は、例えばＴｉ／Ｐｄによって構成されている。シード金属膜１２４上には、シード金属膜１２４をシードメタルとしてメッキ形成された主膜１２５が設けられている。主膜１２５は、例えばＮｉ／Ａｕによって構成されている。シード金属膜１２４及び主膜１２５は、バンプ下地膜１２６を構成する。バンプ下地膜１２６の周縁部は、有機絶縁層１３１の表面に接触している。バンプ下地膜１２６上には、図示しない半田バンプが形成される。
このような構造において、半田バンプをリフローにより形成する際、或いは半田バンプ形成後の半導体装置１Ａを配線基板上にリフローにより実装する際に、ポリイミドなどの有機絶縁材料と金属材料との熱膨張率差に起因して、図１０の（ｂ）に示すように、バンプ下地膜１２６の周縁部が有機絶縁層１３１から剥がれてしまう場合がある。これによりバンプ下地膜１２６と有機絶縁層１３１との間に隙間Ｇが生じると、この隙間Ｇに半田が侵入し、この半田が、バンプ下地膜１２６と金属配線１２１との界面を破断させてしまうおそれがある。
この問題に対し、本実施形態の半導体装置１Ａの製造方法は、半導体領域１０上に有機絶縁層３１を形成する工程と、バンプ下地膜２６を形成する工程と、バンプ下地膜２６の熱処理を行う工程と、有機絶縁層３２を形成する工程とを含む。バンプ下地膜２６を形成する工程では、有機絶縁層３１上に位置する縁部２６ｃ、２６ｄを含むバンプ下地膜２６を形成する。有機絶縁層３２を形成する工程では、少なくともバンプ下地膜２６の縁部２６ｃ、２６ｄ上からバンプ下地膜２６周りの有機絶縁層３１上にわたって設けられ、有機絶縁層３１に接し、バンプ下地膜２６の表面を露出させる開口３２ａ、３２ｂを有する有機絶縁層３２を形成する。
また、本実施形態の半導体装置１Ａは、半導体領域１０と、半導体領域１０上に設けられた有機絶縁層３１と、有機絶縁層３１上に位置する縁部２６ｃ、２６ｄを含むバンプ下地膜２６と、有機絶縁層３２と、バンプ下地膜２６に接する半田バンプ１７とを備える。有機絶縁層３２は、少なくともバンプ下地膜２６の縁部２６ｃ、２６ｄ上からバンプ下地膜２６周りの有機絶縁層３１上にわたって設けられ、有機絶縁層３１に接する。有機絶縁層３２は、バンプ下地膜２６の表面を露出させる開口３２ａ、３２ｂを有しており、グランド半田バンプ１７ａは開口３２ａを覆ってバンプ下地膜２６に接し、信号半田バンプ１７ｂは開口３２ｂを覆ってバンプ下地膜２６に接する。
図６は、本実施形態による半導体装置１Ａ及びその製造方法によって得られる効果を説明するための図である。本実施形態では、バンプ下地膜２６を形成したのちに、バンプ下地膜２６の熱処理を行う。このとき、バンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との接合強度が低い部分においては、これらの熱膨張率差に起因する応力により、バンプ下地膜２６が有機絶縁層３１から剥がれる（図中のＡ部分）。そして、その後の工程でバンプ下地膜２６及び露出した有機絶縁層３１を有機絶縁層３２により覆う際、有機絶縁層３２の材料がバンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との隙間に入り込む。
このように、本実施形態では、バンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との接合強度が低い部分を、半田バンプ１７のリフローの前に予め剥離させる。そして、それにより生じる隙間を、有機絶縁層３２の材料によって予め埋め込んでおく。これにより、バンプ下地膜２６の内部応力が解放され、半田バンプ１７のリフローの際の熱による、バンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との間の隙間の発生を低減できる。そして、これによりバンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との隙間への半田の侵入を低減して、半導体装置１Ａの信頼性を向上できる。
本実施形態のように、有機絶縁層３２は感光性樹脂を主に含み、有機絶縁層３２を形成する工程は、有機絶縁層３２を露光及び現像して開口３２ａ、３２ｂを形成する工程を含んでもよい。これにより、有機絶縁層３２については、通常エッチングで開口３２ａ、３２ｂを形成するが、感光性樹脂を用いた場合は、露光現像工程で開口ができエッチング工程を省略することが可能となる。
本実施形態のように、半導体装置１Ａの製造方法は、開口３２ａ、３２ｂを覆いバンプ下地膜２６に接する半田バンプ１７をリフロー形成する工程を含んでもよい。上述したように、本実施形態の製造方法によれば、半田バンプ１７をリフロー形成する際の熱による、バンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との間の隙間の発生を低減できる。従って、半田バンプ１７をリフロー形成する場合の半導体装置１Ａの信頼性を向上できる。
本実施形態のように、バンプ下地膜２６の熱処理を行う工程では、半田バンプ１７のリフロー温度よりも高い温度で熱処理を行ってもよい。これにより、半田バンプ１７のリフロー温度でバンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との剥離が生じ得る箇所を、リフロー前に確実に剥離させておくことができる。従って、半導体装置１Ａの信頼性を更に向上できる。
本実施形態のように、金属膜２２、２３の全体がバンプ下地膜２６によって覆われていてもよい。これにより、バンプ下地膜２６の面積が広くなり、半田と金属膜２２、２３との接触を更に低減することができる。
（変形例）
図７は、上記実施形態の一変形例に係る工程を示す断面図である。この工程は、図４の（ｃ）に示すバンプ下地膜２６の熱処理を行ったのち、図５の（ａ）に示す有機絶縁層３２を形成する前に実施される。この工程では、バンプ下地膜２６から露出した有機絶縁層３１の部分をエッチングする（図中の矢印Ｅ）ことにより、当該部分に凹部３１ｂを形成する。エッチングは、例えばＯ2プラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。凹部３１ｂの深さは、例えば有機絶縁層３１の厚さの半分以下（有機絶縁層３１の厚さが２μｍである場合、１μｍ以下）である。図８は、上記の工程の後、有機絶縁層３２を形成した状態を示す断面図である。同図に示すように、有機絶縁層３２は凹部３１ｂを埋め込む。
バンプ下地膜２６の熱処理を行ってバンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との間に微小な隙間が生じた際、その隙間の大きさによっては、有機絶縁層３２の構成材料の粘度との関係で、該構成材料が隙間に入り込まないおそれがある。このような場合、本変形例のように有機絶縁層３１のエッチングを行えば、図９の（ａ）のＢ部分に示すように、バンプ下地膜２６と有機絶縁層３１との隙間を拡大することができる。そして、図９の（ｂ）のＣ部分に示すように、有機絶縁層３２を形成する際、有機絶縁層３２の構成材料が上記の隙間に入り込み易くなる。故に、有機絶縁層３２の構成材料によって隙間を容易に埋め込むことができ、隙間への半田の侵入をより効果的に低減して、半導体装置１Ａの信頼性を更に向上できる。
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、上記実施形態では半導体領域の例としてＨＥＭＴを例示したが、本発明は、ＨＥＭＴに限らず、金属配線および半田バンプ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…グランド配線領域、１１ａ、１１ｂ…辺、１２…信号配線領域、１３…隙間領域、１７…半田バンプ、１７ａ…グランド半田バンプ、１７ｂ…信号半田バンプ、２１…金属配線、２２、２３…金属膜、２４…シード金属膜、２５…主膜、２５ｃ…縁部、２６…バンプ下地膜、２６ａ…（第１の）部分、２６ｂ…（第２の）部分、２６ｃ、２６ｄ…縁部、３１…有機絶縁層、３１ａ…開口、３１ｂ…凹部、３２…有機絶縁層、３２ａ、３２ｂ…開口、Ｇ…隙間、Ｑ…熱処理炉、Ｒ…フォトレジスト、Ｒａ…開口。

Claims (9)

  1. 半導体領域上に第１の有機絶縁層を形成する工程と、
    前記第１の有機絶縁層に接する縁部を含むバンプ下地膜を形成する工程と、
    前記バンプ下地膜の熱処理を行う工程と、
    少なくとも前記バンプ下地膜の前記縁部上から前記バンプ下地膜周りの前記第１の有機絶縁層上にわたって設けられ、前記第１の有機絶縁層に接し、前記バンプ下地膜の表面を露出させる第１の開口を有する第２の有機絶縁層を形成する工程と、
    を含む、半導体装置の製造方法。
  2. 前記熱処理を行う工程ののち、前記第２の有機絶縁層を形成する工程の前に、前記第１の有機絶縁層のエッチングを行う工程を更に含む、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第２の有機絶縁層は感光性樹脂を主に含み、
    前記第２の有機絶縁層を形成する工程は、前記第２の有機絶縁層を露光及び現像して前記第１の開口を形成する工程を含む、請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第１の開口を覆い前記バンプ下地膜に接する半田バンプをリフロー形成する工程を更に含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記熱処理を行う工程では、前記半田バンプのリフロー温度よりも高い温度で前記熱処理を行う、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第１の有機絶縁層を形成する工程では、信号配線としての金属配線が形成された前記半導体領域上に、前記金属配線を露出させる第２の開口を有する前記第１の有機絶縁層を形成し、
    前記第１の有機絶縁層を形成する工程と前記バンプ下地膜を形成する工程との間に、前記第１の有機絶縁層上のグランド配線領域にグランド配線としての第１の金属膜を形成し、前記グランド配線領域から隔離した信号配線領域に信号配線としての第２の金属膜を形成する工程を更に含み、前記第２の金属膜は前記第２の開口を通じて前記金属配線と接続しており、
    前記バンプ下地膜を形成する工程では、前記第１の金属膜を覆う前記バンプ下地膜の部分と、前記第２の金属膜を覆う前記バンプ下地膜の部分とを分離して形成する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 半導体領域と、
    前記半導体領域上に設けられた第１の有機絶縁層と、
    前記第１の有機絶縁層上に位置する縁部を含むバンプ下地膜と、
    少なくとも前記バンプ下地膜の前記縁部上から前記バンプ下地膜周りの前記第１の有機絶縁層上にわたって設けられ、前記第１の有機絶縁層に接し、前記バンプ下地膜の表面を露出させる第１の開口を有する第２の有機絶縁層と、
    前記第１の開口を覆い前記バンプ下地膜に接する半田バンプと、
    を備える、半導体装置。
  8. 前記第２の有機絶縁層を構成する材料が、前記第１の有機絶縁層と前記バンプ下地膜との隙間に入り込んでいる、請求項７に記載の半導体装置。
  9. 前記第１の有機絶縁層は、前記半導体領域上に形成された信号配線としての金属配線を露出させる第２の開口を有し、
    当該半導体装置は、前記第１の有機絶縁層上のグランド配線領域に設けられたグランド配線としての第１の金属膜と、前記グランド配線領域から隔離した信号配線領域に設けられ、前記第２の開口を通じて前記金属配線と接続する信号配線としての第２の金属膜と、を更に備え、
    前記バンプ下地膜は、前記第１の金属膜を覆う第１の部分と、前記第１の部分と分離しており前記第２の金属膜を覆う第２の部分とを含む、請求項７または請求項８に記載の半導体装置。
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