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JP6504601B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

特許文献1は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された銅配線とを含む半導体装置を開示している。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device including a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, and a copper wiring formed on the insulating film.

特開2010−171386号公報JP, 2010-171386, A

本発明の一つの目的は、配線抵抗の増加を抑制しながら、配線の下方に位置する絶縁膜にクラックが生じるのを抑制できる半導体装置を提供することである。   One object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing the occurrence of a crack in an insulating film located below a wiring while suppressing an increase in wiring resistance.

絶縁膜上に銅配線を配置する場合に、それらの間にバリアメタル膜が介在されることがある。製造工程途中または製造後の半導体装置に熱が加えられると、配線、バリアメタル膜および絶縁膜の熱膨張が生じる。配線およびバリアメタル膜は、通常、絶縁膜よりも高い熱膨張率を有しており、熱膨張によって絶縁膜の表面に沿う方向の応力を発生させる。バリアメタル膜は、自らの熱膨張による応力に加えて、配線からの応力も絶縁膜に伝える。バリアメタル膜が配線よりも低い剛性率を有している場合には、バリアメタル膜は、配線からの応力を受けて変形し、配線の応力を下方に位置する絶縁膜に伝える。この応力によって、配線の周縁において応力が集中し、その下方に位置する絶縁膜にクラック(亀裂)が生じる恐れがある。このようなクラックの発生は、配線を薄膜化することで回避できるかもしれないが、この場合、配線の抵抗値が増加するという背反がある。   When disposing copper wiring on an insulating film, a barrier metal film may be interposed between them. When heat is applied to the semiconductor device during or after the manufacturing process, thermal expansion of the wiring, the barrier metal film, and the insulating film occurs. The wiring and the barrier metal film usually have a thermal expansion coefficient higher than that of the insulating film, and generate a stress in the direction along the surface of the insulating film by the thermal expansion. In addition to the stress due to its own thermal expansion, the barrier metal film also transmits the stress from the wiring to the insulating film. When the barrier metal film has a lower rigidity than that of the wiring, the barrier metal film is deformed by the stress from the wiring, and transmits the stress of the wiring to the insulating film located below. Due to this stress, stress is concentrated at the periphery of the wiring, and a crack may occur in the insulating film located therebelow. The occurrence of such a crack may be avoided by thinning the wiring, but in this case, there is a contradiction that the resistance value of the wiring increases.

そこで、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、後記配線及びバリアメタル膜よりも低い熱膨張率を有している絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された銅を主成分とする配線と、前記絶縁膜と前記配線との間に介在するバリアメタル膜とを含み、前記バリアメタル膜は、複数の金属膜が積層された積層構造を有し、前記絶縁膜上に形成された第1金属膜と、当該第1金属膜上に形成された第2金属膜とを含み、前記第1金属膜は、銅よりも低い剛性率及び銅よりも低い熱膨張率を有し、前記第2金属膜は、銅よりも高い剛性率及び銅よりも低い熱膨張率を有する。
本発明の構成によれば、銅よりも高い剛性率を有するバリアメタル膜(第2金属膜)が、絶縁膜と銅を主成分とする配線との間に介在している。したがって、配線が熱膨張によって絶縁膜の表面に沿う方向の応力を発生させたとしても、バリアメタル膜(第2金属膜)は、当該応力に対して変形し難い。これにより、配線からの応力が絶縁膜に伝わることをバリアメタル膜(第2金属膜)により抑制できる。その結果、絶縁膜においてクラックが生じるのを抑制できる。また、バリアメタル膜(第2金属膜)によりクラックの発生を抑制できる一方で、配線を厚膜化できるので、配線の抵抗値増加を抑制したり、その低抵抗化を図ったりすることができる。
Therefore, the semiconductor device of the present invention is formed on a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate and having a thermal expansion coefficient lower than that of a wiring and a barrier metal film described later, and the insulating film. The barrier metal film includes a wiring mainly composed of copper, and a barrier metal film interposed between the insulating film and the wiring, and the barrier metal film has a laminated structure in which a plurality of metal films are laminated, the insulation A first metal film formed on the film and a second metal film formed on the first metal film, wherein the first metal film has a lower rigidity than copper and a lower thermal expansion than copper And the second metal film has a higher rigidity than copper and a lower coefficient of thermal expansion than copper.
According to the configuration of the present invention, the barrier metal film (second metal film) having a rigidity higher than that of copper is interposed between the insulating film and the wiring whose main component is copper. Therefore, even if the wiring generates a stress in a direction along the surface of the insulating film by thermal expansion, the barrier metal film (second metal film) is not easily deformed by the stress. Thus, the transfer of stress from the wiring to the insulating film can be suppressed by the barrier metal film (second metal film) . As a result, generation of a crack in the insulating film can be suppressed. Further, while the occurrence of a crack can be suppressed by the barrier metal film (second metal film) , the wiring can be thickened, so that the increase in resistance of the wiring can be suppressed or the resistance can be reduced. .

前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、銅よりも低い熱膨張率を有していることが好ましい。この構成によれば、バリアメタル膜(第2金属膜)の熱膨張による変形量を、配線の熱膨張による変形量よりも小さくできる。これにより、バリアメタル膜から絶縁膜に与えられる応力が小さいので、絶縁膜においてクラックが生じるのを効果的に抑制できる。
前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、50Gpa以上180Gpa以下の剛性率を有していてもよい。前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、8.6μm/m・K未満の熱膨張率を有していてもよい。前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含んでいてもよい。
In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) preferably has a thermal expansion coefficient lower than that of copper. According to this configuration, the amount of deformation of the barrier metal film (second metal film) due to thermal expansion can be made smaller than the amount of deformation due to thermal expansion of the wiring. As a result, since the stress applied from the barrier metal film to the insulating film is small, generation of a crack in the insulating film can be effectively suppressed.
In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may have a rigidity of 50 Gpa or more and 180 Gpa or less. In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may have a thermal expansion coefficient of less than 8.6 μm / m · K. In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may contain one or more metal species selected from the group including tantalum, tungsten, molybdenum, chromium and ruthenium.

前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、100Gpa以上180Gpa以下の剛性率を有し、かつ5μm/m・K未満の熱膨張率を有していてもよい。前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、タングステン、モリブデンおよびクロムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含んでいてもよい。前記半導体装置において、前
記絶縁膜は、窒化膜または酸化膜を含んでいてもよい。前記半導体装置において、前記バリアメタル膜(第2金属膜)は、前記配線よりも小さい厚さを有していてもよい。
In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may have a rigidity of 100 Gpa or more and 180 Gpa or less, and may have a thermal expansion coefficient of less than 5 μm / m · K. In the semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may include one or more metal species selected from the group including tungsten, molybdenum and chromium. In the semiconductor device, the insulating film may include a nitride film or an oxide film . Prior Symbol semiconductor device, the barrier metal film (second metal film) may have a smaller thickness than the wiring.

前記半導体装置は、前記半導体基板上に形成され、層間絶縁膜を介して複数の配線層が積層された多層配線構造をさらに含んでいてもよい。この場合、前記絶縁膜は、前記多層配線構造を被覆するように当該多層配線構造上に形成されており、前記配線は、最上層配線として前記絶縁膜上に形成されていてもよい。
最上層配線の側面が保護膜等で支持されていない場合には、とりわけ、配線の熱膨張に起因する絶縁膜のクラックが生じやすい。このような場合に、配線と絶縁膜との間に高剛性率を有するバリアメタル膜を介在させることによって、配線抵抗値の増加を抑制しながら、クラック発生の回避を図ることができる。
The semiconductor device may further include a multilayer wiring structure formed on the semiconductor substrate and having a plurality of wiring layers stacked via an interlayer insulating film. In this case, the insulating film may be formed on the multilayer wiring structure so as to cover the multilayer wiring structure, and the wiring may be formed on the insulating film as a top layer wiring.
In the case where the side surface of the uppermost layer wiring is not supported by a protective film or the like, the insulating film is particularly likely to be cracked due to the thermal expansion of the wiring. In such a case, by interposing a barrier metal film having high rigidity between the wiring and the insulating film, it is possible to prevent the occurrence of a crack while suppressing an increase in the wiring resistance value.

前記半導体装置は、前記配線に電気的に接続されたボンディングワイヤをさらに含んでいてもよい。たとえば、ボンディングワイヤを配線に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体基板等が加熱されることがある。加えられた熱は、直接または半導体基板等を介して配線に伝達され、その熱膨張を引き起こす。このとき、バリアメタル膜は、配線からの応力を緩和するので、絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。   The semiconductor device may further include a bonding wire electrically connected to the wiring. For example, when the bonding wire is connected to the wiring, the semiconductor substrate or the like may be heated to a temperature of 200 ° C. or more (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transferred to the wiring directly or through the semiconductor substrate or the like to cause its thermal expansion. At this time, since the barrier metal film relieves the stress from the wiring, the generation of the crack of the insulating film can be suppressed.

前記半導体装置は、前記配線を被覆するように前記絶縁膜上に形成された配線上絶縁膜と、前記配線に電気的に接続されるように前記配線上絶縁膜上に形成された再配線とをさらに含んでいてもよい。前記構成において、前記再配線に電気的に接続されたボンディングワイヤをさらに含んでいてもよい。たとえば、ボンディングワイヤを再配線に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体基板等が加熱されることがある。加えられた熱は、半導体基板や再配線等を介して配線に伝達される。このとき、バリアメタル膜は、配線からの応力を緩和するので、絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。   The semiconductor device includes: an insulating film on wiring formed on the insulating film so as to cover the wiring; and a rewiring formed on the insulating film on wiring so as to be electrically connected to the wiring. May be further included. The above configuration may further include a bonding wire electrically connected to the rewiring. For example, when the bonding wire is connected to the rewiring, the semiconductor substrate or the like may be heated to a temperature of 200 ° C. or more (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transferred to the wiring through the semiconductor substrate, the rewiring, and the like. At this time, since the barrier metal film relieves the stress from the wiring, the generation of the crack of the insulating film can be suppressed.

前記半導体装置は、前記配線に電気的に接続された接続電極と、前記半導体基板が前記接続電極を介してフリップチップ接合された接合面を有する配線基板とをさらに含んでいてもよい。たとえば、接続電極を配線基板に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体基板が加熱されることがある。加えられた熱は、半導体基板や接続電極等を介して配線に伝達される。このとき、バリアメタル膜は、配線からの応力を緩和するので、絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。   The semiconductor device may further include a connection electrode electrically connected to the wiring, and a wiring substrate having a bonding surface in which the semiconductor substrate is flip-chip bonded via the connection electrode. For example, when connecting a connection electrode to a wiring substrate, the semiconductor substrate may be heated to a temperature of 200 ° C. or more (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transferred to the wiring through the semiconductor substrate, the connection electrode and the like. At this time, since the barrier metal film relieves the stress from the wiring, the generation of the crack of the insulating film can be suppressed.

前記半導体装置は、前記配線基板の前記接合面の反対側の面に配置され、ビア電極を介して前記配線に電気的に接続されたランドをさらに含んでいてもよい。たとえば、半導体装置は、ランドに接する半田を介して実装基板に実装される。この実装時には、半田を溶融させるために半導体装置が加熱される。それにより、配線も加熱することになるが、バリアメタル膜は、配線からの応力を緩和するので、絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。   The semiconductor device may further include a land disposed on the surface opposite to the bonding surface of the wiring substrate and electrically connected to the wiring through a via electrode. For example, a semiconductor device is mounted on a mounting substrate via solder in contact with lands. During this mounting, the semiconductor device is heated to melt the solder. As a result, although the wiring is also heated, the barrier metal film relieves the stress from the wiring, so that the generation of the crack of the insulating film can be suppressed.

前記半導体装置は、前記配線に電気的に接続された接続電極と、前記接続電極を露出させるように、前記半導体基板の表面、裏面および側面を被覆する封止樹脂とをさらに含んでいてもよい。たとえば、接続電極は、外部との電気的接続を達成するための外部端子として形成されている場合がある。この場合、半導体装置は、接続電極に接する半田を介して実装基板に実装されてもよい。この実装時には、半田を溶融させるために半導体装置が加熱される。それにより、配線も加熱することになるが、バリアメタル膜は、配線からの応力を緩和するので、絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。   The semiconductor device may further include a connection electrode electrically connected to the wiring, and a sealing resin covering the front surface, the back surface, and the side surface of the semiconductor substrate so as to expose the connection electrode. . For example, the connection electrode may be formed as an external terminal to achieve an electrical connection with the outside. In this case, the semiconductor device may be mounted on the mounting substrate via the solder in contact with the connection electrode. During this mounting, the semiconductor device is heated to melt the solder. As a result, although the wiring is also heated, the barrier metal film relieves the stress from the wiring, so that the generation of the crack of the insulating film can be suppressed.

図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置を示す底面図である。FIG. 1 is a bottom view showing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図2は、図1の半導体装置の内部構造を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing the internal structure of the semiconductor device of FIG. 図3は、図2の切断線III−IIIに沿う断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 図4は、図3の破線円IVで囲った部分の拡大断面図である。FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion surrounded by a broken line circle IV in FIG. 図5は、バリアメタル膜の一実施例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the barrier metal film. 図6Aは、図4の配線の製造工程の一部を説明するための図である。FIG. 6A is a view for explaining a part of the manufacturing process of the wiring of FIG. 4; 図6Bは、図6Aの次の工程を示す図である。FIG. 6B is a view showing the next process of FIG. 6A. 図6Cは、図6Bの次の工程を示す図である。FIG. 6C is a view showing the next process of FIG. 6B. 図6Dは、図6Cの次の工程を示す図である。FIG. 6D is a view showing the next process of FIG. 6C. 図6Eは、図6Dの次の工程を示す図である。FIG. 6E is a view showing the next process of FIG. 6D. 図6Fは、図6Eの次の工程を示す図である。FIG. 6F is a view showing the next process of FIG. 6E. 図7は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の配線が形成された部分を示す拡大断面図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention in which the wiring is formed. 図8は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第6実施形態に係る半導体装置の配線が形成された部分を示す拡大断面図である。FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing a portion where a wiring of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention is formed. 図12Aは、図11の配線の製造工程の一部を説明するための図である。FIG. 12A is a view for explaining a part of the manufacturing process of the wiring of FIG. 11; 図12Bは、図12Aの次の工程を示す図である。FIG. 12B is a view showing the next process of FIG. 12A. 図12Cは、図12Bの次の工程を示す図である。FIG. 12C is a view showing the next process of FIG. 12B. 図12Dは、図12Cの次の工程を示す図である。FIG. 12D is a view showing the next process of FIG. 12C. 図12Eは、図12Dの次の工程を示す図である。FIG. 12E is a view showing the next process of FIG. 12D. 図12Fは、図12Eの次の工程を示す図である。FIG. 12F is a view showing the next process of FIG. 12E. 図12Gは、図12Fの次の工程を示す図である。FIG. 12G is a view showing the next process of FIG. 12F. 図13は、配線の一変形例を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a modification of the wiring.

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
<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1を示す底面図である。図2は、図1の半導体装置1の内部構造を示す平面図である。図3は、図2の切断線III−IIIに沿う断面図である。図4は、図3の破線円IVで囲った部分の拡大断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
First Embodiment
FIG. 1 is a bottom view showing a semiconductor device 1 according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing an internal structure of the semiconductor device 1 of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion surrounded by a broken line circle IV in FIG.

半導体装置1は、QFN(Quad Flat Non-leaded Package)が適用された半導体装置である。半導体装置1は、半導体チップ2と、ダイパッド3と、リード4と、ボンディングワイヤ5と、それらを封止する樹脂パッケージ6とを含む。樹脂パッケージ6(半導体装置1)の外形は、扁平な直方体形状である。
半導体チップ2の表面には、複数のパッド7が配置されている。各パッド7は、たとえば、半導体チップ2の周縁部に形成されている。各パッド7は、たとえば半導体素子と電気的に接続されている。半導体チップ2の裏面には、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)等の金属層からなる裏メタル8が形成されている。
The semiconductor device 1 is a semiconductor device to which a quad flat non-leaded package (QFN) is applied. The semiconductor device 1 includes a semiconductor chip 2, a die pad 3, leads 4, bonding wires 5, and a resin package 6 for sealing them. The outer shape of the resin package 6 (semiconductor device 1) is a flat rectangular parallelepiped shape.
A plurality of pads 7 are disposed on the surface of the semiconductor chip 2. Each pad 7 is formed, for example, on the peripheral portion of the semiconductor chip 2. Each pad 7 is electrically connected to, for example, a semiconductor element. A back metal 8 made of a metal layer such as gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag) or the like is formed on the back surface of the semiconductor chip 2.

ダイパッド3およびリード4は、金属薄板(たとえば、銅薄板)を打ち抜くことにより形成される。ダイパッド3およびリード4の表面には、銀からなるめっき層9が形成されている。ダイパッド3は、平面視で正方形状を成し、その中央部に半導体チップ2が配置されている。ダイパッド3の裏面の周縁部には、裏面側からの潰し加工により、その全周にわたって、断面略1/4楕円形状の窪みが形成されている。この窪みに樹脂パッケージ6を構成する封止樹脂が入り込んでいる。   The die pad 3 and the leads 4 are formed by punching a thin metal plate (for example, a thin copper plate). A plated layer 9 made of silver is formed on the surfaces of the die pad 3 and the leads 4. The die pad 3 has a square shape in a plan view, and the semiconductor chip 2 is disposed at the central portion thereof. At the periphery of the back surface of the die pad 3, a depression having a substantially quarter-elliptical cross-section is formed over the entire circumference by crushing from the back surface side. The sealing resin which constitutes the resin package 6 is intruding into the recess.

これにより、ダイパッド3の周縁部がその上下から封止樹脂(樹脂パッケージ6)で挟まれ、ダイパッド3の樹脂パッケージ6からの脱落が防止(抜け止め)されている。ダイパッド3の裏面は、断面略1/4楕円形状に窪んだ部分を除いて、樹脂パッケージ6の裏面から露出している。ダイパッド3の裏面における樹脂パッケージ6から露出する部分には、半田からなるめっき層10が形成されている。   Thus, the peripheral edge portion of the die pad 3 is sandwiched from above and below by the sealing resin (resin package 6), and the dropout of the die pad 3 from the resin package 6 is prevented (retained). The back surface of the die pad 3 is exposed from the back surface of the resin package 6 except for a portion which is recessed in a cross-sectional substantially quarter-elliptical shape. A plated layer 10 made of solder is formed on a portion of the back surface of the die pad 3 exposed from the resin package 6.

リード4は、ダイパッド3の各側面と対向する位置に、同数(たとえば、9本)ずつ設けられている。ダイパッド3の側面に対向する各位置において、リード4は、その対向する側面に直交する方向に延び、当該側面と平行な方向に等間隔を空けて配置されている。リード4の裏面のダイパッド3側の端部には、裏面側からの潰し加工により、断面略1/4楕円形状の窪みが形成されている。この窪みに、樹脂パッケージ6を構成する封止樹脂が入り込んでいる。   The leads 4 are provided in the same number (for example, nine) at positions facing the side surfaces of the die pad 3. At each position opposed to the side surface of the die pad 3, the leads 4 extend in the direction orthogonal to the opposite side surface, and are arranged at equal intervals in the direction parallel to the side surface. At the end of the rear surface of the lead 4 on the die pad 3 side, a depression having a substantially quarter-elliptical cross section is formed by crushing from the rear surface. The sealing resin that constitutes the resin package 6 has entered into the recess.

これにより、リード4のダイパッド3側の端部がその上下から封止樹脂(樹脂パッケージ6)で挟まれ、リード4の樹脂パッケージ6からの脱落が防止(抜け止め)されている。リード4の裏面は、断面略1/4楕円形状に窪んだ部分を除いて、樹脂パッケージ6の裏面から露出している。また、リード4のダイパッド3側と反対側の側面は、樹脂パッケージ6の側面から露出している。リード4の裏面における樹脂パッケージ6から露出する部分には、半田からなるめっき層10が形成されている。   As a result, the end portion of the lead 4 on the die pad 3 side is sandwiched by the sealing resin (resin package 6) from above and below, and the falling of the lead 4 from the resin package 6 is prevented (retained). The back surface of the lead 4 is exposed from the back surface of the resin package 6 except for a portion which is recessed in a cross-sectional substantially quarter-elliptical shape. The side surface of the lead 4 opposite to the die pad 3 is exposed from the side surface of the resin package 6. A plated layer 10 made of solder is formed on a portion of the back surface of the lead 4 exposed from the resin package 6.

本実施形態では、半導体チップ2は、パッド7が配置されている表面を上方に向けた状態で、その裏面が接合材11を介して、ダイパッド3の表面(めっき層9)に接合されている。接合材11は、たとえば、半田ペーストである。なお、半導体チップ2とダイパッド3との電気的な接続が不要な場合には、裏メタル8が省略されて、半導体チップ2の裏面がダイパッド3の表面に絶縁性ペースト等からなる接合材を介して接合されてもよい。この場合、ダイパッド3の表面上のめっき層9が省略されてもよい。   In the present embodiment, the semiconductor chip 2 is bonded to the surface (plating layer 9) of the die pad 3 via the bonding material 11 with the surface on which the pad 7 is disposed facing upward. . The bonding material 11 is, for example, a solder paste. If the electrical connection between the semiconductor chip 2 and the die pad 3 is unnecessary, the back metal 8 is omitted, and the back surface of the semiconductor chip 2 is attached to the surface of the die pad 3 through a bonding material made of insulating paste or the like. It may be joined. In this case, the plating layer 9 on the surface of the die pad 3 may be omitted.

ボンディングワイヤ5は、半導体チップ2のパッド7に接合された一端と、リード4の表面に接合された他端とを有している。ボンディングワイヤ5は、たとえば、銅ワイヤまたは金ワイヤを含む。
図4を参照して、半導体チップ2は、半導体基板12と、多層配線構造13と、本発明の絶縁膜の一例としてのパッシベーション膜14と、配線15とを含む。半導体基板12は、たとえば、半導体素子(ダイオード、トランジスタ、抵抗、キャパシタ等)が形成された素子形成面16を有するシリコン基板からなる。
The bonding wire 5 has one end joined to the pad 7 of the semiconductor chip 2 and the other end joined to the surface of the lead 4. Bonding wire 5 includes, for example, a copper wire or a gold wire.
Referring to FIG. 4, semiconductor chip 2 includes a semiconductor substrate 12, a multilayer wiring structure 13, a passivation film 14 as an example of the insulating film of the present invention, and a wiring 15. The semiconductor substrate 12 is made of, for example, a silicon substrate having an element forming surface 16 on which semiconductor elements (diodes, transistors, resistors, capacitors, etc.) are formed.

多層配線構造13は、半導体基板12の素子形成面16から順に、層間絶縁膜を介して積層された複数の配線層を有している。本実施形態では、多層配線構造13は、第1層間絶縁膜17を介して半導体基板12の素子形成面16に積層された第1メタル層18と、第2層間絶縁膜19を介して第1メタル層18に積層された第2メタル層20と、第2メタル層20を被覆する第3層間絶縁膜21とを含む。第1層間絶縁膜17、第2層間絶縁膜19および第3層間絶縁膜21は、たとえば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)等の絶縁材料を含む。第1メタル層18および第2メタル層20は、アルミニウムを含む。 The multilayer wiring structure 13 has a plurality of wiring layers stacked in order from the element formation surface 16 of the semiconductor substrate 12 via an interlayer insulating film. In the present embodiment, the multilayer wiring structure 13 includes a first metal layer 18 stacked on the element formation surface 16 of the semiconductor substrate 12 via the first interlayer insulating film 17 and a first metal layer 18 via the second interlayer insulating film 19. A second metal layer 20 stacked on the metal layer 18 and a third interlayer insulating film 21 covering the second metal layer 20 are included. The first interlayer insulating film 17, the second interlayer insulating film 19 and the third interlayer insulating film 21 contain an insulating material such as silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN), for example. The first metal layer 18 and the second metal layer 20 contain aluminum.

第1メタル層18の上下面には、それぞれ第1層間絶縁膜17および第2層間絶縁膜19への不純物の拡散を防止する上面バリア膜22および下面バリア膜23が形成されている。同様に、第2メタル層20の上下面にはそれぞれ、第2層間絶縁膜19および第3層間絶縁膜21への不純物の拡散を防止する上面バリア膜22および下面バリア膜23が形成されている。第1メタル層18および第2メタル層20の各上面に形成された上面バリア膜22は、たとえば窒化チタンを含んでいてもよい。一方、第1メタル層18および第2メタル層20の各下面に形成された下面バリア膜23は、たとえば第1メタル層18および第2メタル層20の各下面から順に窒化チタンおよびチタンが積層された2層構造を有していてもよい。   An upper surface barrier film 22 and a lower surface barrier film 23 are formed on the upper and lower surfaces of the first metal layer 18 to prevent diffusion of impurities into the first interlayer insulating film 17 and the second interlayer insulating film 19, respectively. Similarly, an upper surface barrier film 22 and a lower surface barrier film 23 are formed on the upper and lower surfaces of the second metal layer 20, respectively, for preventing the diffusion of impurities to the second interlayer insulating film 19 and the third interlayer insulating film 21. . The upper barrier film 22 formed on the upper surfaces of the first metal layer 18 and the second metal layer 20 may contain, for example, titanium nitride. On the other hand, lower surface barrier film 23 formed on each lower surface of first metal layer 18 and second metal layer 20 is formed by, for example, sequentially laminating titanium nitride and titanium from lower surfaces of first metal layer 18 and second metal layer 20. It may have a two-layer structure.

パッシベーション膜14は、多層配線構造13を被覆するように多層配線構造13上に形成されている。より具体的には、パッシベーション膜14は、第3層間絶縁膜21上に形成されている。パッシベーション膜14は、たとえば酸化シリコン、BPSG(Boron Phosphorus Silicon Glass)または窒化シリコンであってもよい。パッシベーション膜14は、第3層間絶縁膜21の表面から順に窒化シリコンおよび酸化シリコンが積層された積層構造を有していてもよい。   The passivation film 14 is formed on the multilayer wiring structure 13 so as to cover the multilayer wiring structure 13. More specifically, the passivation film 14 is formed on the third interlayer insulating film 21. The passivation film 14 may be, for example, silicon oxide, BPSG (boron phosphorus silicon glass) or silicon nitride. The passivation film 14 may have a laminated structure in which silicon nitride and silicon oxide are laminated in order from the surface of the third interlayer insulating film 21.

第1メタル層18の上面には、第2層間絶縁膜19を貫通する第1ビア24aが接続されている。第1ビア24aは、第2層間絶縁膜19を貫通して、第2メタル層20の下面に接続されている。第1ビア24aは、タングステンを含む。第1ビア24aと第2層間絶縁膜19との間には、たとえば窒化チタンを含む第1バリア膜25aが介在されている。   A first via 24 a penetrating the second interlayer insulating film 19 is connected to the upper surface of the first metal layer 18. The first via 24 a penetrates the second interlayer insulating film 19 and is connected to the lower surface of the second metal layer 20. The first via 24a contains tungsten. For example, a first barrier film 25 a containing titanium nitride is interposed between the first via 24 a and the second interlayer insulating film 19.

一方、第2メタル層20の上面には、第3層間絶縁膜21およびパッシベーション膜14を貫通する第2ビア24bが接続されている。第2ビア24bは、パッシベーション膜14の表面から露出している。第2ビア24bは、パッシベーション膜14の表面と面一に形成されている。第2ビア24bは、タングステンを含む。第2ビア24bと第3層間絶縁膜21およびパッシベーション膜14との各間には、たとえば窒化チタンを含む第2バリア膜25bが介在されている。   On the other hand, a second via 24 b penetrating the third interlayer insulating film 21 and the passivation film 14 is connected to the upper surface of the second metal layer 20. The second via 24 b is exposed from the surface of the passivation film 14. The second via 24 b is formed flush with the surface of the passivation film 14. The second via 24b contains tungsten. A second barrier film 25 b containing, for example, titanium nitride is interposed between the second via 24 b and the third interlayer insulating film 21 and the passivation film 14.

図2の拡大図および図4を参照して、配線15は、パッシベーション膜14上に互いに間隔を空けて複数本形成されている。各配線15は、パッシベーション膜14の表面から露出する第2ビア24bを覆うように配置されている。各配線15は、ボンディングワイヤ5に電気的に接続される接続部40と、接続部40から選択的に引き出された引き出し部41とを一体的に有している。本実施形態では、接続部40は、前述のパッド7(図3参照)の一部として平面視において略矩形状に形成されている。各配線15において、互いに隣り合う引き出し部41は、所定の間隔を隔てて互いに並走するように形成されていてもよい。   Referring to the enlarged view of FIG. 2 and FIG. 4, a plurality of interconnections 15 are formed on passivation film 14 at intervals. Each wire 15 is arranged to cover the second via 24 b exposed from the surface of the passivation film 14. Each wire 15 integrally includes a connection portion 40 electrically connected to the bonding wire 5 and a lead portion 41 selectively drawn from the connection portion 40. In the present embodiment, the connection portion 40 is formed in a substantially rectangular shape in plan view as a part of the above-described pad 7 (see FIG. 3). The lead portions 41 adjacent to each other in each of the wires 15 may be formed to run parallel to each other at a predetermined distance.

各配線15は、パッシベーション膜14の表面に沿う平坦な上面27を有している。各配線15の幅Wは、たとえば7μm以上20μm以下である。また、各配線15の厚さTは、たとえば7μm以上20μm以下である。これらの数値の範囲において、各配線15のアスペクト比R15(=厚さT/幅W)は、0<R15≦1であってもよい。複数の配線15の配線間距離Lは、たとえば20μm以下であってもよい。 Each interconnection 15 has a flat upper surface 27 along the surface of passivation film 14. The width W of each wire 15 is, for example, 7 μm or more and 20 μm or less. The thickness T of each wire 15 is, for example, not less than 7 μm and not more than 20 μm. In the range of these numerical values, the aspect ratio R 15 (= thickness T / width W) of each wire 15 may be 0 <R 15 ≦ 1. The inter-wire distance L of the plurality of wires 15 may be, for example, 20 μm or less.

配線15は、銅を主成分とする金属を含んでいてもよい。銅を主成分とする金属とは、銅の質量比率(質量%)が、他の成分に対して最も高い金属のことをいう(以下、同じ)。たとえば、配線15がアルミニウム−銅(Al−Cu)合金、アルミニウム−シリコン−銅(Al−Si−Cu)合金等からなる場合、銅の質量比率RCuは、アルミニウムの質量比率RAlやシリコンの質量比率RSiよりも高い(RCu>RAl,Cu>RSi)。銅を主成分とする金属には、微量の不純物を含む場合はあるが、純度99.9999%(6N)以上の高純度銅や、純度99.99%(4N)以上の高純度銅等も含まれる。 The wiring 15 may contain a metal whose main component is copper. The metal containing copper as a main component refers to a metal whose mass ratio (mass%) of copper is the highest with respect to other components (hereinafter the same). For example, when the wiring 15 is made of an aluminum-copper (Al-Cu) alloy, an aluminum-silicon-copper (Al-Si-Cu) alloy, etc., the mass ratio R Cu of copper is the mass ratio R Al of aluminum or silicon Higher than mass ratio R Si (R Cu > R Al, R Cu > R Si ). Although metals containing copper as the main component may contain trace amounts of impurities, high purity copper with a purity of 99.9999% (6N) or higher, high purity copper with a purity of 99.99% (4N) or higher, etc. included.

各配線15とパッシベーション膜14との間には、バリアメタル膜26および銅シード膜(図示せず)が介在するように配置されている。バリアメタル膜26は、パッシベーション膜14上に形成されており、銅シード膜(図示せず)は、バリアメタル膜26上に形成されている。なお、本実施形態では、銅シード膜(図示せず)は、各配線15と一体を成している。バリアメタル膜26は、断面視において、その両端部が配線15の側面28よりも内側に位置するように形成されている。つまり、バリアメタル膜26の幅は、配線15の幅Wよりも小さい。バリアメタル膜26は、配線15の厚さよりも小さい厚さを有している。バリアメタル膜26の厚さは、たとえば0.1μm以上0.3μm以下であってもよい。各配線15は、これら銅シード膜(図示せず)およびバリアメタル膜26を介して第2ビア24bに電気的に接続されている。   A barrier metal film 26 and a copper seed film (not shown) are disposed between each wire 15 and the passivation film 14. The barrier metal film 26 is formed on the passivation film 14, and the copper seed film (not shown) is formed on the barrier metal film 26. In the present embodiment, the copper seed film (not shown) is integrated with each wire 15. The barrier metal film 26 is formed such that its both end portions are located inside the side surface 28 of the wiring 15 in a cross sectional view. That is, the width of the barrier metal film 26 is smaller than the width W of the wiring 15. The barrier metal film 26 has a thickness smaller than that of the wiring 15. The thickness of barrier metal film 26 may be, for example, not less than 0.1 μm and not more than 0.3 μm. Each wire 15 is electrically connected to the second via 24 b via the copper seed film (not shown) and the barrier metal film 26.

各配線15の表面には、Ni(ニッケル)膜29、Pd(パラジウム)膜30およびAu(金)膜31の積層膜が形成されている。Ni膜29は、その一方表面および他方表面が各配線15を被覆するように、各配線15の上面27および側面28に沿って形成されている。本実施形態では、Ni膜29のうち各配線15の上面27に形成された部分が他の部分よりも厚く形成されている。Ni膜29は、一様な厚さを有していてもよい。Ni膜29の厚さは、たとえば2μm以上4μm以下であってもよい。   On the surface of each wire 15, a laminated film of a Ni (nickel) film 29, a Pd (palladium) film 30, and an Au (gold) film 31 is formed. The Ni film 29 is formed along the upper surface 27 and the side surface 28 of each wire 15 such that the one surface and the other surface cover the wires 15. In the present embodiment, the portion of the Ni film 29 formed on the upper surface 27 of each wire 15 is formed thicker than the other portions. The Ni film 29 may have a uniform thickness. The thickness of the Ni film 29 may be, for example, 2 μm or more and 4 μm or less.

Pd膜30は、一様な厚さ(たとえば0.1μm以上0.5μm以下)でNi膜29の全域を被覆している。Au膜31は、たとえばPd膜30よりも薄い一様な厚さ(たとえば0μm以上0.05μm以下)でPd膜30の全域を被覆している。Ni膜29、Pd膜30およびAu膜31の積層膜は、配線15を保護する保護膜として機能している。ボンディングワイヤ5は、Au膜31に接続されている。つまり、本実施形態では、パッド7は、各配線15の接続部40、Ni膜29、Pd膜30およびAu膜31により形成されている。   The Pd film 30 covers the entire area of the Ni film 29 with a uniform thickness (for example, 0.1 μm or more and 0.5 μm or less). Au film 31 covers the entire area of Pd film 30 with a uniform thickness (for example, 0 μm or more and 0.05 μm or less) thinner than, for example, Pd film 30. The laminated film of the Ni film 29, the Pd film 30 and the Au film 31 functions as a protective film for protecting the wiring 15. The bonding wire 5 is connected to the Au film 31. That is, in the present embodiment, the pad 7 is formed by the connection portion 40 of each wire 15, the Ni film 29, the Pd film 30, and the Au film 31.

ここで、参考例として、下記表1を参照して、銅よりも低い剛性率からなるバリアメタル膜26を含む半導体装置について考える。表1は、参考例に係る半導体装置の配線15、バリアメタル膜26およびパッシベーション膜14の各材料を示している。以下では、配線15が、純度99.9999%(6N)以上の高純度銅や、純度99.99%(4N)以上の高純度銅等(以下、単に「銅」という。)からなる場合を例にとって説明する。   Here, as a reference example, a semiconductor device including a barrier metal film 26 having a lower rigidity than copper will be considered with reference to Table 1 below. Table 1 shows each material of the wiring 15, the barrier metal film 26, and the passivation film 14 of the semiconductor device according to the reference example. In the following, the case where the wiring 15 is made of high purity copper having a purity of 99.9999% (6N) or higher, high purity copper having a purity of 99.99% (4N) or higher (hereinafter simply referred to as "copper") is described. An example will be described.

Figure 0006504601
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参考例に係る半導体装置は、酸化膜または窒化膜からなるパッシベーション膜14と、銅からなる配線15との間に、銅よりも低い剛性率を有するチタンからなるバリアメタル膜26を含む。製造工程途中または製造後の半導体装置に熱が加えられると、配線15、バリアメタル膜26およびパッシベーション膜14の熱膨張が生じる。配線15およびバリアメタル膜26は、パッシベーション膜14よりも高い熱膨張率を有しており、熱膨張によってパッシベーション膜14の表面に沿う方向の応力を発生させる。   The semiconductor device according to the reference example includes a barrier metal film 26 made of titanium, which has a lower rigidity than copper, between the passivation film 14 made of an oxide film or a nitride film and the wiring 15 made of copper. When heat is applied to the semiconductor device during or after the manufacturing process, thermal expansion of the wiring 15, the barrier metal film 26, and the passivation film 14 occurs. The interconnection 15 and the barrier metal film 26 have a thermal expansion coefficient higher than that of the passivation film 14, and generate a stress in the direction along the surface of the passivation film 14 due to the thermal expansion.

バリアメタル膜26は、自らの熱膨張による応力に加えて、配線15からの応力もパッシベーション膜14に伝える。バリアメタル膜26が配線15よりも低い剛性率を有している場合には、配線15からの応力を受けて変形し、配線15の応力をその下方に位置するパッシベーション膜14に伝える。この応力によって、配線15の周縁において応力が集中し、その下方に位置するパッシベーション膜14にクラック(亀裂)が生じる恐れがある。このようなクラックの発生は、配線15を薄膜化することで回避できるかもしれないが、この場合、配線15の抵抗値が増加するという背反がある。   The barrier metal film 26 also transmits the stress from the interconnection 15 to the passivation film 14 in addition to the stress due to its own thermal expansion. When the barrier metal film 26 has a rigidity lower than that of the wiring 15, the barrier metal film 26 receives stress from the wiring 15 to be deformed, and transmits the stress of the wiring 15 to the passivation film 14 located therebelow. Due to this stress, stress is concentrated at the periphery of the wiring 15, and there is a possibility that a crack (crack) may occur in the passivation film 14 located therebelow. The occurrence of such a crack may be avoided by thinning the wiring 15. However, in this case, there is a contradiction that the resistance value of the wiring 15 is increased.

以上のことから、チタンに代えてまたはこれに加えて、銅の剛性率(48GPa)よりも高い剛性率を有する金属材料をバリアメタル膜26に採用することにより、パッシベーション膜14におけるクラックの発生を抑制できると考えられる。また、配線15の厚膜化により、当該配線15の抵抗値増加を抑制したり、その低抵抗化を図ったりすることができると考えられる。   From the above, generation of cracks in the passivation film 14 can be achieved by adopting, for the barrier metal film 26, a metal material having a rigidity higher than that of copper (48 GPa) instead of or in addition to titanium. It is thought that it can control. Further, it is considered that the increase in the resistance value of the wiring 15 can be suppressed or the resistance can be reduced by thickening the wiring 15.

また、バリアメタル膜26の熱膨張率を、銅の熱膨張率(16.5μm/m・K)、より好ましくはチタンの熱膨張率(8.6μm/m・K)未満にすることにより、クラックの発生を効果的に抑制できると考えられる。言い換えると、バリアメタル膜26の熱膨張率をパッシベーション膜14の熱膨張率に近づけることにより、パッシベーション膜14におけるクラックの発生を効果的に抑制できると考えられる。これらの場合において、抵抗値の増加を抑制する観点から、バリアメタル膜26の金属材料として、チタンの電気抵抗率(=420nΩ・m)よりも小さい金属材料が採用されるのが望ましい。以上の条件を具備するバリアメタル膜26の金属材料の一例が、下記表2に示されている。   Also, by making the thermal expansion coefficient of the barrier metal film 26 less than the thermal expansion coefficient of copper (16.5 μm / m · K), more preferably the thermal expansion coefficient of titanium (8.6 μm / m · K), It is considered that the occurrence of cracks can be effectively suppressed. In other words, it is considered that generation of cracks in the passivation film 14 can be effectively suppressed by bringing the thermal expansion coefficient of the barrier metal film 26 close to the thermal expansion coefficient of the passivation film 14. In these cases, from the viewpoint of suppressing the increase in resistance value, it is desirable that a metal material smaller than the electrical resistivity (= 420 nΩ · m) of titanium be employed as the metal material of the barrier metal film 26. An example of the metal material of the barrier metal film 26 which satisfies the above conditions is shown in Table 2 below.

Figure 0006504601
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表2に示すように、バリアメタル膜26は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)およびルテニウム(Ru)を含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含むことができる。これらの金属種によれば、4μm/m・K以上7μm/m・K未満の熱膨張率、50Gpa以上180Gpa以下の剛性率および50nΩ・m以上150nΩ・m以下の電気抵抗率を有するバリアメタル膜26を得ることができる。   As shown in Table 2, the barrier metal film 26 is one or more metals selected from the group including tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr) and ruthenium (Ru). May contain seeds. According to these metal species, a barrier metal film having a thermal expansion coefficient of 4 μm / m · K to 7 μm / m · K, a rigidity of 50 Gpa to 180 Gpa, and an electric resistivity of 50 nΩ · m to 150 nΩ · m 26 can be obtained.

つまり、これらの金属種によれば、銅の熱膨張率(16.5μm/m・K)およびチタンの熱膨張率(8.6μm/m・K)よりも小さい熱膨張率を有するバリアメタル膜26を実現できる。また、これらの金属種によれば、銅の剛性率(48Gpa)またはチタンの剛性率(44Gpa)よりも大きい剛性率を有するバリアメタル膜26を実現できる。さらに、これらの金属種によれば、チタンの電気抵抗率(420nΩ・m)よりも小さい電気抵抗率を有するバリアメタル膜26を実現できる。   That is, according to these metal species, a barrier metal film having a thermal expansion coefficient smaller than that of copper (16.5 μm / m · K) and that of titanium (8.6 μm / m · K) 26 can be realized. Further, according to these metal species, it is possible to realize the barrier metal film 26 having a rigidity larger than that of copper (48 Gpa) or titanium (44 Gpa). Furthermore, according to these metal species, a barrier metal film 26 having an electrical resistivity smaller than that of titanium (420 nΩ · m) can be realized.

表2を参照して、4μm/m・K以上5μm/m・K未満の熱膨張率、100Gpa以上180Gpa以下の剛性率および50nΩ・m以上100nΩ・m以下の電気抵抗率の少なくとも1つの条件を具備するバリアメタル膜26が形成されてもよい。これらの条件を全て具備する場合、バリアメタル膜26は、タングステンおよびモリブデンのうちの少なくとも1つを含むことができる。   Referring to Table 2, at least one of the conditions of thermal expansion coefficient of 4 μm / m · K to 5 μm / m · K, rigidity of 100 Gpa to 180 Gpa, and electric resistivity of 50 nΩ · m to 100 nΩ · m A barrier metal film 26 may be formed. When all of these conditions are satisfied, the barrier metal film 26 can include at least one of tungsten and molybdenum.

たとえば、バリアメタル膜26は、4μm/m・K以上5μm/m・K未満の熱膨張率および100Gpa以上180Gpa以下の剛性率を有していてもよい。この場合、バリアメタル膜26は、タングステン、モリブデンおよびクロムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含むことができる。また、バリアメタル膜26は、4μm/m・K以上5μm/m・K未満の熱膨張率および50nΩ・m以上100nΩ・m以下の電気抵抗率を有していてもよい。この場合、バリアメタル膜26は、タングステンおよびモリブデンのうちの少なくとも1つを含むことができる。また、バリアメタル膜26は、100Gpa以上180Gpa以下の剛性率および50nΩ・m以上100nΩ・m以下の電気抵抗率を有していてもよい。この場合、バリアメタル膜26は、タングステン、モリブデンおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含むことができる。   For example, the barrier metal film 26 may have a thermal expansion coefficient of 4 μm / m · K to 5 μm / m · K and a rigidity of 100 Gpa to 180 Gpa. In this case, the barrier metal film 26 can include one or more metal species selected from the group including tungsten, molybdenum and chromium. The barrier metal film 26 may have a thermal expansion coefficient of 4 μm / m · K to 5 μm / m · K and an electric resistivity of 50 nΩ · m to 100 nΩ · m. In this case, the barrier metal film 26 can include at least one of tungsten and molybdenum. The barrier metal film 26 may have a rigidity of 100 Gpa or more and 180 Gpa or less and an electric resistivity of 50 nΩ · m or more and 100 nΩ · m or less. In this case, the barrier metal film 26 can include one or more metal species selected from the group including tungsten, molybdenum and ruthenium.

図4を参照して、チタンに代えて銅よりも高い剛性率を有する金属材料がバリアメタル膜26に採用される場合、パッシベーション膜14は、酸化膜または窒化膜を含んでいてもよい。この場合、バリアメタル膜26は、タンタル、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含むことができる。これらの金属種であれば、パッシベーション膜14との良好な密着性を保ちつつ、当該パッシベーション膜14上にバリアメタル膜26を形成できる。また、バリアメタル膜26は、チタンよりも小さい電気抵抗率を有しているので、半導体装置1の低抵抗化を図ることもできる。   Referring to FIG. 4, when a metal material having a rigidity higher than that of copper is employed for barrier metal film 26 instead of titanium, passivation film 14 may include an oxide film or a nitride film. In this case, the barrier metal film 26 can include one or more metal species selected from the group including tantalum, molybdenum, chromium and ruthenium. With these metal species, the barrier metal film 26 can be formed on the passivation film 14 while maintaining good adhesion to the passivation film 14. Further, since the barrier metal film 26 has an electrical resistivity smaller than that of titanium, the resistance of the semiconductor device 1 can be reduced.

一方、チタンに加えて銅よりも高い剛性率を有する金属材料がバリアメタル膜26に採用される場合、図5に示すような構成となる。図5は、バリアメタル膜26の一実施例を示す断面図である。図5では、配線15、バリアメタル膜26およびその周辺の構成のみを図示している。
図5に示すように、配線15とパッシベーション膜14との間には、複数の金属膜が積層された積層構造を有するバリアメタル膜26が介在している。バリアメタル膜26は、パッシベーション膜14上に形成された第1金属膜26aと、第1金属膜26a上に形成された第2金属膜26bとを含む。第1金属膜26aは、チタン膜であり、第2ビア24bに電気的に接続されている。第1金属膜26aの厚さは、たとえば0.1μm以上0.3μm以下であってもよい。一方、第2金属膜26bは、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む金属膜である。第2金属膜26bの厚さは、たとえば0.1μm以上0.3μm以下であってもよい。
On the other hand, when a metal material having a rigidity higher than that of copper in addition to titanium is adopted for the barrier metal film 26, the structure is as shown in FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the barrier metal film 26. As shown in FIG. In FIG. 5, only the configuration of the wiring 15, the barrier metal film 26, and the periphery thereof are illustrated.
As shown in FIG. 5, a barrier metal film 26 having a laminated structure in which a plurality of metal films are laminated is interposed between the wiring 15 and the passivation film 14. The barrier metal film 26 includes a first metal film 26 a formed on the passivation film 14 and a second metal film 26 b formed on the first metal film 26 a. The first metal film 26 a is a titanium film, and is electrically connected to the second via 24 b. The thickness of the first metal film 26a may be, for example, 0.1 μm or more and 0.3 μm or less. On the other hand, the second metal film 26b is a metal film containing one or more metal species selected from the group including tantalum, tungsten, molybdenum, chromium and ruthenium. The thickness of the second metal film 26b may be, for example, 0.1 μm or more and 0.3 μm or less.

この構成において、パッシベーション膜14は窒化膜であり、第2金属膜26bはタングステン膜であってもよい。パッシベーション膜14が窒化膜であれば、良好な密着性を保ちつつ、パッシベーション膜14上に第1金属膜26a(チタン膜)を形成できる。また、良好な密着性を保ちつつ、第1金属膜26a(チタン膜)上に第2金属膜26b(タングステン膜)を形成できる。   In this configuration, the passivation film 14 may be a nitride film, and the second metal film 26 b may be a tungsten film. If the passivation film 14 is a nitride film, the first metal film 26a (titanium film) can be formed on the passivation film 14 while maintaining good adhesion. Further, the second metal film 26b (tungsten film) can be formed on the first metal film 26a (titanium film) while maintaining good adhesion.

以上のように、本実施形態によれば、銅よりも高い剛性率を有するバリアメタル膜26が、銅を主成分とする配線15とパッシベーション膜14との間に介在している。したがって、配線15が熱膨張によってパッシベーション膜14の表面に沿う方向の応力を発生させたとしても、バリアメタル膜26は、当該応力に対して変形し難い。これにより、配線15からの応力がパッシベーション膜14に伝わることをバリアメタル膜26により抑制できる。加えて、バリアメタル膜26は、銅よりも低い熱膨張率を有しているので、バリアメタル膜26の熱膨張による変形量を、配線15の熱膨張による変形量よりも小さくできる。これにより、バリアメタル膜26からパッシベーション膜14に与えられる応力を小さくできる。その結果、パッシベーション膜14においてクラックが生じるのを効果的に抑制できる。また、バリアメタル膜26によりクラックの発生を抑制できる一方で、配線15を厚膜化できるので、配線15の抵抗値増加を抑制したり、その低抵抗化を図ったりすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the barrier metal film 26 having a rigidity higher than that of copper is interposed between the wiring 15 mainly composed of copper and the passivation film 14. Therefore, even if the wiring 15 generates a stress in a direction along the surface of the passivation film 14 due to thermal expansion, the barrier metal film 26 is not easily deformed by the stress. Thereby, the barrier metal film 26 can suppress transmission of stress from the wiring 15 to the passivation film 14. In addition, since the barrier metal film 26 has a thermal expansion coefficient lower than that of copper, the amount of deformation of the barrier metal film 26 due to thermal expansion can be smaller than the amount of deformation of the wiring 15 due to thermal expansion. Thereby, the stress applied from the barrier metal film 26 to the passivation film 14 can be reduced. As a result, generation of cracks in the passivation film 14 can be effectively suppressed. Further, while the occurrence of cracks can be suppressed by the barrier metal film 26, the wiring 15 can be thickened, so that the increase in the resistance value of the wiring 15 can be suppressed or the resistance can be reduced.

また、本実施形態では、配線15にボンディングワイヤ5が接続されている。たとえば、ボンディングワイヤ5を配線15に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体基板12等が加熱されることがある。加えられた熱は、直接または半導体基板12等を介して配線15に伝達され、その熱膨張を引き起こす。このとき、バリアメタル膜26は、配線15からの応力を緩和するので、パッシベーション膜14のクラックの発生を抑制できる。   Further, in the present embodiment, the bonding wire 5 is connected to the wiring 15. For example, when bonding wire 5 is connected to interconnection 15, semiconductor substrate 12 or the like may be heated to a temperature of 200 ° C. or more (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transferred to the interconnection 15 directly or through the semiconductor substrate 12 or the like to cause its thermal expansion. At this time, since the barrier metal film 26 relieves the stress from the wiring 15, the generation of the crack of the passivation film 14 can be suppressed.

図6A〜図6Fは、図4の配線15の製造工程の一部を説明するための図である。以下の説明では、必要に応じて前述の図4を参照する。また、以下では、配線15が高純度銅からなる場合を例にとって説明する。
まず、配線15の形成に先立って、半導体基板12上に多層配線構造13(図4参照)が形成される。次に、多層配線構造13上にパッシベーション膜14が形成される。次に、パッシベーション膜14を貫通する第2ビア24b(図4参照)が形成される。次に、図6Aに示すように、たとえばスパッタ法によって、パッシベーション膜14の表面に、バリアメタル膜26および銅シード膜32がこの順に形成される。
6A to 6F are diagrams for describing a part of the manufacturing process of the wiring 15 of FIG. In the following description, reference is made to FIG. 4 as needed. In the following, the case where the wiring 15 is made of high purity copper will be described as an example.
First, prior to the formation of the interconnections 15, a multilayer interconnection structure 13 (see FIG. 4) is formed on the semiconductor substrate 12. Next, a passivation film 14 is formed on the multilayer wiring structure 13. Next, a second via 24b (see FIG. 4) penetrating the passivation film 14 is formed. Next, as shown in FIG. 6A, the barrier metal film 26 and the copper seed film 32 are formed in this order on the surface of the passivation film 14 by sputtering, for example.

次に、図6Bに示すように、銅シード膜32上に、各配線15を形成すべき領域に選択的に開口34を有するレジスト膜33が形成される。次に、開口34から露出する銅シード膜32の表面から、電解めっきによって銅をめっき成長させる。銅は、開口34の途中部まで成長される(埋め込まれる)。この工程において、めっき成長された銅は、銅シード膜32と一体を成す。これにより、配線15が形成される。   Next, as shown in FIG. 6B, a resist film 33 having an opening 34 selectively is formed on the copper seed film 32 in the region where each interconnection 15 is to be formed. Next, copper is plated and grown from the surface of the copper seed film 32 exposed from the opening 34 by electrolytic plating. Copper is grown (embedded) to the middle of the opening 34. In this process, the plated and grown copper is integrated with the copper seed film 32. Thus, the wiring 15 is formed.

次に、図6Cに示すように、レジスト膜33の開口34を利用して、配線15の上面27から無電解めっきによってNiを成長させる。これにより、Ni膜29の一部が形成される。その後、図6Dに示すように、レジスト膜33が除去される。
次に、図6Eに示すように、たとえばウエットエッチングによって、銅シード膜32およびバリアメタル膜26が選択的に除去される。この工程において、バリアメタル膜26の端部が配線15の側面28よりも内側にエッチング(オーバーエッチング)されて、バリアメタル膜26の端部は、配線15の側面28よりも内側に位置するように形成される。これにより、バリアメタル膜26の端部と側面28との間に段差が形成される。なお、この工程において、銅シード膜32と共に配線15の側面28がエッチングされて、配線15の側面28がNi膜29の端部よりも内側に位置するように形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 6C, Ni is grown from the upper surface 27 of the wiring 15 by electroless plating using the opening 34 of the resist film 33. Thereby, a part of the Ni film 29 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 6D, the resist film 33 is removed.
Next, as shown in FIG. 6E, copper seed film 32 and barrier metal film 26 are selectively removed by wet etching, for example. In this step, the end of the barrier metal film 26 is etched (over-etched) inside the side surface 28 of the wiring 15 so that the end of the barrier metal film 26 is positioned inside the side surface 28 of the wiring 15 Is formed. Thus, a step is formed between the end of the barrier metal film 26 and the side surface 28. In this step, the side surface 28 of the wiring 15 may be etched together with the copper seed film 32 so that the side surface 28 of the wiring 15 is positioned inside the end of the Ni film 29.

次に、図6Fに示すように、配線15の側面28およびNi膜29から無電解めっきによって、Ni、PdおよびAuをこの順にめっき成長させる。これにより、Ni膜29、Pd膜30およびAu膜31の積層膜が形成される。その後、半導体基板12を200℃以上(たとえば260℃)の温度にして、配線15(Au膜31)にボンディングワイヤ5(図4参照)が接続される。
<第2実施形態>
図7は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置61の配線15が形成された部分を示す拡大断面図である。図7は、前述の図3の破線円IVで囲った部分の拡大図に対応している。図7において、前述の図4等に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 6F, Ni, Pd and Au are plated and grown in this order from the side surface 28 of the wiring 15 and the Ni film 29 by electroless plating. Thereby, a laminated film of the Ni film 29, the Pd film 30, and the Au film 31 is formed. Thereafter, the temperature of the semiconductor substrate 12 is set to 200 ° C. or higher (for example, 260 ° C.), and the bonding wire 5 (see FIG. 4) is connected to the wiring 15 (Au film 31).
Second Embodiment
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view showing a portion where the wiring 15 of the semiconductor device 61 according to the second embodiment of the present invention is formed. FIG. 7 corresponds to the enlarged view of the portion enclosed by the broken line circle IV in FIG. 3 described above. In FIG. 7, the parts corresponding to the respective parts shown in FIG.

半導体装置61は、配線15を被覆するようにパッシベーション膜14上に形成された本発明の配線上絶縁膜の一例としての第1樹脂膜62と、配線15に電気的に接続されるように第1樹脂膜62上に形成された再配線63とを含む。第1樹脂膜62は、たとえばポリイミド樹脂を含む。第1樹脂膜62は、配線15の一部を電極パッド64として露出させるパッド開口65を有している。この第1樹脂膜62上に、再配線63が引き回されている。   The semiconductor device 61 is electrically connected to the first resin film 62 as an example of the insulating-on-wiring film of the present invention formed on the passivation film 14 so as to cover the wiring 15 and to be electrically connected to the wiring 15. And the rewiring 63 formed on the resin film 62. The first resin film 62 contains, for example, a polyimide resin. The first resin film 62 has a pad opening 65 for exposing a part of the wiring 15 as an electrode pad 64. Rewirings 63 are drawn on the first resin film 62.

再配線63は、第1樹脂膜62の表面からパッド開口65内に入り込むように形成されている。再配線63は、パッド開口65内において電極パッド64に電気的に接続されている。本実施形態では、再配線63は、UBM(アンダーバンプメタル)膜66と、UBM膜66上に形成された配線膜67とを含む2層構造を有している。UBM膜66は、一方側表面および他方側表面が、第1樹脂膜62の表面および電極パッド64の表面に沿って形成されている。UBM膜66は、チタン膜およびチタン膜上に形成された銅膜とを含む2層構造を有していてもよい。配線膜67は、UBM膜66がパッド開口65内に入り込んで形成された凹状の空間に入り込むようにUBM膜66に沿って形成されている。配線膜67は、銅を主成分とする金属を含んでいてもよい。再配線63上には、当該再配線63を被覆するように第2樹脂膜68が形成されている。   The rewiring 63 is formed to enter the pad opening 65 from the surface of the first resin film 62. The rewiring 63 is electrically connected to the electrode pad 64 in the pad opening 65. In the present embodiment, the rewiring 63 has a two-layer structure including a UBM (under bump metal) film 66 and a wiring film 67 formed on the UBM film 66. The UBM film 66 has one surface and the other surface formed along the surface of the first resin film 62 and the surface of the electrode pad 64. The UBM film 66 may have a two-layer structure including a titanium film and a copper film formed on the titanium film. The wiring film 67 is formed along the UBM film 66 so as to enter the concave space formed by the UBM film 66 entering the pad opening 65. The wiring film 67 may contain a metal whose main component is copper. A second resin film 68 is formed on the rewiring 63 so as to cover the rewiring 63.

第2樹脂膜68は、再配線63の一部を再配線パッド69として露出させる再配線パッド開口70を有している。再配線パッド69上には、電極ポスト71が形成されている。電極ポスト71は、パッド7(図2参照)に対応している。電極ポスト71は、第2樹脂膜68の表面から再配線パッド開口70に入り込むように形成されている。電極ポスト71は、再配線パッド開口70内において再配線パッド69に電気的に接続されている。本実施形態では、電極ポスト71は、UBM膜72と、UBM膜72上に形成された配線膜73とを含む2層構造を有している。   The second resin film 68 has a rewiring pad opening 70 which exposes a part of the rewiring 63 as a rewiring pad 69. An electrode post 71 is formed on the redistribution pad 69. The electrode post 71 corresponds to the pad 7 (see FIG. 2). The electrode post 71 is formed to enter the redistribution pad opening 70 from the surface of the second resin film 68. The electrode post 71 is electrically connected to the redistribution pad 69 in the redistribution pad opening 70. In the present embodiment, the electrode post 71 has a two-layer structure including the UBM film 72 and the wiring film 73 formed on the UBM film 72.

UBM膜72は、一方側表面および他方側表面が、第2樹脂膜68の表面および再配線パッド69の表面に沿って形成されている。UBM膜72は、チタン膜およびチタン膜上に形成された銅膜とを含む2層構造を有していてもよい。配線膜73は、UBM膜72がパッド開口65内に入り込んで形成された凹状の空間に入り込むようにUBM膜72に沿って形成されている。配線膜73は、銅を主成分とする金属を含んでいてもよい。この電極ポスト71に、ボンディングワイヤ5が接続されている。   The UBM film 72 has one surface and the other surface formed along the surface of the second resin film 68 and the surface of the redistribution pad 69. The UBM film 72 may have a two-layer structure including a titanium film and a copper film formed on the titanium film. The wiring film 73 is formed along the UBM film 72 so as to enter the concave space formed by the UBM film 72 entering the pad opening 65. The wiring film 73 may contain a metal whose main component is copper. The bonding wire 5 is connected to the electrode post 71.

以上、本実施形態によれば、ボンディングワイヤ5が電極ポスト71を介して再配線63に電気的に接続されている。たとえば、ボンディングワイヤ5を電極ポスト71に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体基板12等が加熱されることがある。加えられた熱は、半導体基板12、電極ポスト71、再配線63等を介して配線15に伝達される。このとき、バリアメタル膜26は、配線15からの応力を緩和するので、パッシベーション膜14のクラックの発生を抑制できる(図4、図5等も併せて参照)。   As described above, according to the present embodiment, the bonding wire 5 is electrically connected to the rewiring 63 through the electrode post 71. For example, when bonding wire 5 is connected to electrode post 71, semiconductor substrate 12 or the like may be heated to a temperature of 200 ° C. or higher (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transmitted to the wiring 15 through the semiconductor substrate 12, the electrode post 71, the rewiring 63, and the like. At this time, since the barrier metal film 26 relieves the stress from the wiring 15, generation of a crack in the passivation film 14 can be suppressed (see also FIG. 4, FIG. 5 and the like).

本実施形態において、再配線63のUBM膜66を、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種により形成することにより、第1樹脂膜62におけるクラックの発生を抑制するようにしてもよい。また、電極ポスト71のUBM膜72を、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種により形成することにより、第2樹脂膜68におけるクラックの発生を抑制するようにしてもよい。
<第3実施形態>
図8は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置81を示す断面図である。図8において、前述の図2等に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
In the present embodiment, the crack in the first resin film 62 is formed by forming the UBM film 66 of the rewiring 63 with one or more metal species selected from the group containing tantalum, tungsten, molybdenum, chromium and ruthenium. May be suppressed. Further, by forming the UBM film 72 of the electrode post 71 with one or more metal species selected from the group containing tantalum, tungsten, molybdenum, chromium and ruthenium, generation of cracks in the second resin film 68 can be achieved. You may make it suppress.
Third Embodiment
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 81 according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 8, parts corresponding to the parts shown in FIG. 2 etc. described above are assigned the same reference numerals and explanation thereof is omitted.

半導体装置81は、半導体チップ2の表面に形成された複数のパッド7(配線15)にそれぞれ接続された接続電極82と、半導体チップ2(半導体基板12)が接続電極82を介してフリップチップ接合された接合面83aを有する配線基板83とを含む。接続電極82は、ブロック状または柱状の導電体であってもよいし、半田であってもよい。配線基板83における接合面83aの反対側に位置する裏面83bには、複数のランド84と、各ランド84に電気的に接続された半田ボール85が形成されている。各ランド84および各半田ボール85は、配線基板83に形成されたビア電極86を介して、対応する接続電極82およびパッド7(配線15)に電気的に接続されている。半導体チップ2と配線基板83との間の隙間87には、当該隙間87を満たすように封止樹脂88が形成されている。   In semiconductor device 81, connection electrodes 82 respectively connected to a plurality of pads 7 (wirings 15) formed on the surface of semiconductor chip 2 and semiconductor chip 2 (semiconductor substrate 12) are flip chip bonded via connection electrodes 82. And the wiring substrate 83 having the bonded surface 83a. The connection electrode 82 may be a block or columnar conductor or may be solder. A plurality of lands 84 and solder balls 85 electrically connected to the respective lands 84 are formed on the back surface 83 b of the wiring substrate 83 opposite to the bonding surface 83 a. The lands 84 and the solder balls 85 are electrically connected to the corresponding connection electrodes 82 and the pads 7 (wirings 15) through via electrodes 86 formed on the wiring substrate 83. A sealing resin 88 is formed in a gap 87 between the semiconductor chip 2 and the wiring substrate 83 so as to fill the gap 87.

以上、本実施形態によれば、半導体チップ2は、接続電極82を介して配線基板83に接続されている。たとえば、接続電極82を配線基板83に接続するとき、200℃以上(たとえば260℃程度)の温度に半導体チップ2(半導体基板12)等が加熱されることがある。加えられた熱は、半導体基板12や接続電極82等を介して配線15に伝達される。このとき、バリアメタル膜26は、配線15からの応力を緩和するので、パッシベーション膜14のクラックを抑制できる(図4、図5等も併せて参照)。   As described above, according to the present embodiment, the semiconductor chip 2 is connected to the wiring substrate 83 via the connection electrode 82. For example, when the connection electrode 82 is connected to the wiring substrate 83, the semiconductor chip 2 (semiconductor substrate 12) or the like may be heated to a temperature of 200 ° C. or more (for example, about 260 ° C.). The applied heat is transmitted to the wiring 15 through the semiconductor substrate 12, the connection electrode 82 and the like. At this time, since the barrier metal film 26 relieves the stress from the wiring 15, it is possible to suppress the crack of the passivation film 14 (see also FIG. 4 and FIG. 5 etc.).

また、本実施形態によれば、半導体装置81は、ランド84に接する半田ボール85を介して実装基板(図示せず)に実装される。この実装時には、半田ボール85を溶融させるために半導体装置81が加熱される。それにより、配線15も加熱することになるが、バリアメタル膜26は、配線15からの応力を緩和するので、パッシベーション膜14のクラックを抑制できる(図4、図5等も併せて参照)。
<第4実施形態>
図9は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置91を示す断面図である。図9において、前述の図2等に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
Further, according to the present embodiment, the semiconductor device 81 is mounted on a mounting substrate (not shown) via the solder balls 85 in contact with the lands 84. At the time of this mounting, the semiconductor device 81 is heated to melt the solder balls 85. As a result, although the wiring 15 is also heated, the barrier metal film 26 relieves the stress from the wiring 15, so that the crack of the passivation film 14 can be suppressed (see also FIG. 4 and FIG. 5 etc.).
Fourth Embodiment
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 91 according to a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, the parts corresponding to the parts shown in FIG.

半導体装置91は、半導体チップ2の表面に形成された複数のパッド7(配線15)にそれぞれ接続された接続電極92と、接続電極92を露出させるように、半導体チップ2(半導体基板12)の素子形成面16、裏面および側面を被覆する封止樹脂93とを含む。封止樹脂93は、樹脂パッケージ6を兼ねている。
以上、本実施形態によれば、接続電極92は、外部との電気的接続を達成するための外部端子として形成されている。この場合、半導体装置91は、接続電極92に接する半田を介して実装基板(図示せず)に実装される。この実装時には、半田を溶融させるために半導体装置91が加熱される。それにより、配線15も加熱することになるが、バリアメタル膜26は、配線15からの応力を緩和するので、パッシベーション膜14のクラックを抑制できる(図4、図5等も併せて参照)。
The semiconductor device 91 includes the connection electrodes 92 respectively connected to the plurality of pads 7 (wirings 15) formed on the surface of the semiconductor chip 2 and the semiconductor chip 2 (semiconductor substrate 12) so as to expose the connection electrodes 92. It includes an element forming surface 16, and a sealing resin 93 covering the back surface and the side surface. The sealing resin 93 doubles as the resin package 6.
As described above, according to the present embodiment, the connection electrode 92 is formed as an external terminal for achieving electrical connection with the outside. In this case, the semiconductor device 91 is mounted on a mounting substrate (not shown) via the solder in contact with the connection electrode 92. At the time of this mounting, the semiconductor device 91 is heated to melt the solder. As a result, although the wiring 15 is also heated, the barrier metal film 26 relieves the stress from the wiring 15, so that the crack of the passivation film 14 can be suppressed (see also FIG. 4 and FIG. 5 etc.).

また、接続電極92上に、たとえば図7のような再配線63を形成してもよい。この場合、半導体装置91は、電極パッド64(図7参照)に接する半田を介して実装基板(図示せず)に実装される。この実装時には、加熱により半田が溶融させられる。実装時の熱は、たとえば再配線63等を介して配線15に伝達される。このような場合でも、バリアメタル膜26によって、配線15からの応力の集中が緩和される。それにより、実装時の加熱に起因するパッシベーション膜14のクラックを抑制できる(図4、図5等も併せて参照)。
<第5実施形態>
図10は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置101を示す断面図である。図10において、前述の図2等に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
Further, rewiring 63 as shown in FIG. 7 may be formed on connection electrode 92, for example. In this case, the semiconductor device 91 is mounted on a mounting substrate (not shown) via the solder in contact with the electrode pad 64 (see FIG. 7). During this mounting, the solder is melted by heating. The heat at the time of mounting is transmitted to the wiring 15 through, for example, the rewiring 63 or the like. Even in such a case, the barrier metal film 26 relieves the concentration of stress from the wiring 15. Thereby, the crack of the passivation film 14 resulting from the heating at the time of mounting can be suppressed (see also FIG. 4 and FIG. 5 etc.).
Fifth Embodiment
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a semiconductor device 101 according to a fifth embodiment of the present invention. In FIG. 10, parts corresponding to the parts shown in FIG. 2 etc. described above are assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.

図10に示すように、半導体装置101は、樹脂パッケージ6(封止樹脂)外に引き出されたリード4を有するSOP(Small Outline Package)が適用された半導体装置である。前述の半導体装置1と同様に、半導体チップ2は、ダイパッド3上に配置されている。本実施形態では、ダイパッド3の下面が樹脂パッケージ6から露出していない例を示しているが、ダイパッド3の下面は、樹脂パッケージ6から露出するように形成されていてもよい。   As shown in FIG. 10, the semiconductor device 101 is a semiconductor device to which a small outline package (SOP) having a lead 4 drawn out of a resin package 6 (sealing resin) is applied. Similar to the semiconductor device 1 described above, the semiconductor chip 2 is disposed on the die pad 3. Although the lower surface of the die pad 3 is not exposed from the resin package 6 in this embodiment, the lower surface of the die pad 3 may be formed to be exposed from the resin package 6.

リード4は、樹脂パッケージ6に封止されたインナーリード部4aと、インナーリード部4aと一体的に形成され、樹脂パッケージ6外に引き出されたアウターリード部4bとを含む。インナーリード部4aは、樹脂パッケージ6内において、ボンディングワイヤ5を介して対応する半導体チップ2のパッド7(配線15)に電気的に接続されている。アウターリード部4bは、樹脂パッケージ6の下面に向けて延びるように形成されている。アウターリード部4bは、実装基板に接続される実装端子である。   The lead 4 includes an inner lead portion 4 a sealed in the resin package 6 and an outer lead portion 4 b integrally formed with the inner lead portion 4 a and drawn out of the resin package 6. The inner lead portion 4 a is electrically connected to the pad 7 (wiring 15) of the corresponding semiconductor chip 2 through the bonding wire 5 in the resin package 6. The outer lead portion 4 b is formed to extend toward the lower surface of the resin package 6. The outer lead portion 4 b is a mounting terminal connected to the mounting substrate.

以上、本実施形態の構成によっても、前述の第1実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。本実施形態では、SOPが適用された半導体装置101について説明した。しかし、半導体装置101は、樹脂パッケージ6(封止樹脂)外に引き出されたリード4を有していれば、SOP以外のタイプであってもよい。つまり半導体装置101は、SOJ(Small Outline J-leaded)、CFP(Ceramic Flat Package)、SOT(Small Outline Transistor)、QFP(Quad Flat Package)、DFP(Dual Flat Package)、PLCC(Plastic leaded chip carrier)、DIP(Dual Inline Package)、SIP(Single Inline Package)等であってもよい。
<第6実施形態>
図11は、本発明の第6実施形態に係る半導体装置111の配線15が形成された部分を示す拡大断面図である。図11は、前述の図3の破線円IVで囲った部分の拡大図に対応している。図11において、前述の図4等に示された各部と対応する部分については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
As described above, also by the configuration of the present embodiment, the same effects as the effects described in the first embodiment can be obtained. In the present embodiment, the semiconductor device 101 to which the SOP is applied has been described. However, as long as the semiconductor device 101 has the leads 4 drawn out of the resin package 6 (sealing resin), the semiconductor device 101 may be of a type other than SOP. That is, the semiconductor device 101 includes small outline J-leaded (SOJ), ceramic flat package (CFP), small outline transistor (SOT), quad flat package (QFP), dual flat package (DFP), and plastic leaded chip carrier (PLCC). , Dual Inline Package (DIP), Single Inline Package (SIP), or the like.
Sixth Embodiment
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing a portion where the wiring 15 of the semiconductor device 111 according to the sixth embodiment of the present invention is formed. FIG. 11 corresponds to the enlarged view of the part surrounded by the broken line circle IV in FIG. 3 described above. In FIG. 11, the parts corresponding to the parts shown in FIG. 4 etc. are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図11に示すように、本実施形態では、配線15上に、金属膜112が形成されている。金属膜112は、複数の金属膜からなる積層膜を含む。本実施形態では、金属膜112は、Ni(ニッケル)膜113およびPd(パラジウム)膜114の積層膜を含む。金属膜112の幅は、配線15の幅Wよりも大きい。換言すると、配線15の幅Wは、金属膜112の幅よりも小さい。   As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the metal film 112 is formed on the wiring 15. The metal film 112 includes a laminated film made of a plurality of metal films. In the present embodiment, the metal film 112 includes a laminated film of a Ni (nickel) film 113 and a Pd (palladium) film 114. The width of the metal film 112 is larger than the width W of the wiring 15. In other words, the width W of the wiring 15 is smaller than the width of the metal film 112.

金属膜112のNi膜113は、より具体的には、平坦な表面を有しており、断面視において両端部が配線15の側面28よりも外側に位置するように配線15上に形成されている。Ni膜113は、配線15の厚さよりも小さい厚さを有している。Ni膜113は、一様な厚さで形成されていてもよい。Ni膜113の厚さは、たとえば2μm以上4μm以下であってもよい。   More specifically, the Ni film 113 of the metal film 112 has a flat surface, and is formed on the wiring 15 so that both end portions are positioned outside the side surface 28 of the wiring 15 in a cross sectional view. There is. The Ni film 113 has a thickness smaller than the thickness of the wiring 15. The Ni film 113 may be formed to have a uniform thickness. The thickness of the Ni film 113 may be, for example, 2 μm or more and 4 μm or less.

一方、金属膜112のPd膜114は、平坦な表面を有しており、断面視において両端部が配線15の側面28よりも外側に位置するようにNi膜113上に形成されている。Pd膜114は、Ni膜113に整合するようにNi膜113上に形成されている。つまり、Pd膜114の端部は、Ni膜113の端部に対して面一になるように形成されている。Pd膜114は、Ni膜113の厚さよりも小さい厚さを有している。Pd膜114は、一様な厚さで形成されていてもよい。Pd膜114の厚さは、たとえば0.1μm以上0.5μm以下であってもよい。   On the other hand, the Pd film 114 of the metal film 112 has a flat surface, and is formed on the Ni film 113 so that both end portions are located outside the side surface 28 of the wiring 15 in a cross sectional view. The Pd film 114 is formed on the Ni film 113 in alignment with the Ni film 113. That is, the end of the Pd film 114 is formed to be flush with the end of the Ni film 113. The Pd film 114 has a thickness smaller than that of the Ni film 113. The Pd film 114 may be formed to have a uniform thickness. The thickness of the Pd film 114 may be, for example, 0.1 μm or more and 0.5 μm or less.

ボンディングワイヤ5は、金属膜112(Pd膜114)に接続されている。つまり、本実施形態では、パッド7は、各配線15の接続部40、金属膜112(Ni膜113およびPd膜114)により形成されている。
以上、本実施形態の構成によっても、前述の第1実施形態において述べた効果と同様の効果を奏することができる。
The bonding wire 5 is connected to the metal film 112 (Pd film 114). That is, in the present embodiment, the pad 7 is formed by the connection portion 40 of each wire 15 and the metal film 112 (Ni film 113 and Pd film 114).
As described above, also by the configuration of the present embodiment, the same effects as the effects described in the first embodiment can be obtained.

図12A〜図12Gは、図11の配線15の製造工程の一部を説明するための図である。以下の説明では、必要に応じて前述の図11を参照する。また、以下では、配線15が高純度銅からなる場合を例にとって説明する。
まず、図12Aに示すように、配線15の形成に先立って、半導体基板12上に多層配線構造13(図11参照)が形成される。次に、パッシベーション膜14が多層配線構造13上に形成される。次に、パッシベーション膜14を貫通する第2ビア24bが形成される。
12A to 12G are diagrams for describing a part of the manufacturing process of the wiring 15 of FIG. In the following description, reference is made to FIG. 11 as needed. In the following, the case where the wiring 15 is made of high purity copper will be described as an example.
First, as shown in FIG. 12A, prior to the formation of the interconnections 15, a multilayer interconnection structure 13 (see FIG. 11) is formed on the semiconductor substrate 12. Next, a passivation film 14 is formed on the multilayer wiring structure 13. Next, the second via 24 b penetrating the passivation film 14 is formed.

次に、図12Bに示すように、たとえばスパッタ法によって、パッシベーション膜14の表面に、バリアメタル膜26および銅シード膜32がこの順に形成される。次に、図12Cに示すように、銅シード膜32上に、各配線15を形成すべき領域に選択的に開口34を有するレジスト膜33が形成される。
次に、図12Dに示すように、開口34から露出する銅シード膜32の表面から、電解めっきによって銅をめっき成長させる。銅は、開口34の途中部まで成長される(埋め込まれる)。この工程において、めっき成長された銅は、銅シード膜32と一体を成す。これにより、配線15が形成される。
Next, as shown in FIG. 12B, barrier metal film 26 and copper seed film 32 are formed in this order on the surface of passivation film 14 by sputtering, for example. Next, as shown in FIG. 12C, a resist film 33 having an opening 34 selectively is formed on the copper seed film 32 in the region where each interconnection 15 is to be formed.
Next, as shown in FIG. 12D, copper is plated and grown from the surface of the copper seed film 32 exposed from the opening 34 by electrolytic plating. Copper is grown (embedded) to the middle of the opening 34. In this process, the plated and grown copper is integrated with the copper seed film 32. Thus, the wiring 15 is formed.

次に、図12Eに示すように、レジスト膜33の開口34を利用して、配線15の上面27から無電解めっきによってNiを成長させる。これにより、Ni膜113が形成される。次に、レジスト膜33の開口34を利用して、Ni膜113上から無電解めっきによってPdを成長させる。この工程において、Ni膜113の厚さよりも小さい厚さのPd膜が形成される。これにより、Ni膜113およびPd膜114を含む金属膜112が形成される。その後、図12Fに示すように、レジスト膜33が除去される。   Next, as shown in FIG. 12E, Ni is grown from the upper surface 27 of the wiring 15 by electroless plating using the opening 34 of the resist film 33. Thereby, the Ni film 113 is formed. Next, Pd is grown on the Ni film 113 by electroless plating using the openings 34 of the resist film 33. In this process, a Pd film having a thickness smaller than that of the Ni film 113 is formed. Thereby, the metal film 112 including the Ni film 113 and the Pd film 114 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 12F, the resist film 33 is removed.

次に、図12Gに示すように、たとえばウエットエッチングによって、銅シード膜32およびバリアメタル膜26が選択的に除去される。この工程において、銅シード膜32と共に配線15の側面28がエッチングされて、配線15の側面28が金属膜112の端部よりも内側に位置するように形成される。これにより、配線15の側面28と金属膜112の端部との間に段差が形成される。また、この工程において、バリアメタル膜26の端部が配線15の側面28よりも内側にエッチング(オーバーエッチング)されて、バリアメタル膜26の両端部は、配線15の側面28よりも内側に位置するように形成される。これにより、バリアメタル膜26の端部と側面28との間に段差が形成される。   Next, as shown in FIG. 12G, copper seed film 32 and barrier metal film 26 are selectively removed by wet etching, for example. In this step, the side surface 28 of the wiring 15 is etched together with the copper seed film 32 so that the side surface 28 of the wiring 15 is located inside the end of the metal film 112. Thus, a step is formed between the side surface 28 of the wiring 15 and the end of the metal film 112. Further, in this step, the end of the barrier metal film 26 is etched (over-etched) inside the side surface 28 of the wiring 15, and both ends of the barrier metal film 26 are positioned inside the side surface 28 of the wiring 15. It is formed to Thus, a step is formed between the end of the barrier metal film 26 and the side surface 28.

その後、半導体基板12を200℃以上(たとえば260℃)の温度にして、Pd膜114にボンディングワイヤ5(図11参照)が接続される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の各実施形態では、バリアメタル膜26が、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)およびルテニウム(Ru)を含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む例について説明した。しかし、これらの金属種は、銅(チタン)の剛性率よりも高い剛性率、銅(チタン)の熱膨張率よりも低い熱膨張率、およびチタンの電気抵抗率よりも小さい電気抵抗率を有する、という条件を具備する金属材料の一例であり、バリアメタル膜26の材料を限定する趣旨ではない。しがたって、前記条件を満たす範囲において、バリアメタル膜26は種々の金属材料を含むことができる。たとえば、前記条件を具備する金属材料は、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)およびルテニウム(Ru)を含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む合金であってもよい。
Thereafter, the bonding wire 5 (see FIG. 11) is connected to the Pd film 114 by setting the temperature of the semiconductor substrate 12 to 200 ° C. or higher (for example, 260 ° C.).
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form.
For example, in each of the embodiments described above, the barrier metal film 26 is one or more selected from the group including tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr) and ruthenium (Ru). An example including the metal species of However, these metal species have a higher rigidity than that of copper (titanium), a lower coefficient of thermal expansion than that of copper (titanium), and a lower electrical resistivity than that of titanium. And the like, and is not intended to limit the material of the barrier metal film 26. Therefore, the barrier metal film 26 can contain various metal materials as long as the above conditions are satisfied. For example, the metal material satisfying the above conditions may be one or more metal species selected from the group comprising tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), chromium (Cr) and ruthenium (Ru). The alloy may be included.

また、前述の第1実施形態では、配線15を被覆するNi膜29、Pd膜30およびAu膜31の積層膜が形成された例について説明した。しかし、図13に示すように、Ni膜29、Pd膜30およびAu膜31の積層膜を形成せずに、配線15に直接ボンディングワイヤ5を接続するようにしてもよい。
また、前述の第6実施形態では、Ni膜113およびPd膜114の積層膜を含む金属膜112が形成された例について説明した。この構成において、金属膜112は、Pd膜114上に形成されたAu(金)膜を含んでいてもよい。さらに、金属膜112は、Ni、PdおよびAuを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む金属膜であってもよい。
Further, in the first embodiment described above, the example in which the laminated film of the Ni film 29, the Pd film 30, and the Au film 31 covering the wiring 15 is formed has been described. However, as shown in FIG. 13, the bonding wire 5 may be directly connected to the wiring 15 without forming the laminated film of the Ni film 29, the Pd film 30 and the Au film 31.
Further, in the above-described sixth embodiment, the example in which the metal film 112 including the laminated film of the Ni film 113 and the Pd film 114 is formed has been described. In this configuration, the metal film 112 may include an Au (gold) film formed on the Pd film 114. Furthermore, the metal film 112 may be a metal film containing one or more metal species selected from the group including Ni, Pd and Au.

また、前述の第1実施形態、第2実施形態、第5実施形態および第6実施形態では、半導体装置1,61,101,111が、ボンディングワイヤ5を含む例について説明した。しかし、半導体装置1,61,101,111は、ボンディングワイヤ5に代えてまたはこれに加えて、導電体板等の比較的大きな電流通過面積を有する接続部材を含んでいてもよい。   In the first, second, fifth, and sixth embodiments described above, the example in which the semiconductor devices 1, 61, 101, and 111 include the bonding wire 5 has been described. However, in place of or in addition to bonding wire 5, semiconductor devices 1, 61, 101, 111 may include a connecting member such as a conductor plate having a relatively large current passing area.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。   In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.

1 半導体装置
5 ボンディングワイヤ
12 半導体基板
13 多層配線構造
14 パッシベーション膜
15 配線
26 バリアメタル膜
61 半導体装置
62 第1樹脂膜
63 再配線
81 半導体装置
82 接続電極
83 配線基板
83a 接合面
83b 裏面
84 ランド
86 ビア電極
88 封止樹脂
91 半導体装置
92 接続電極
93 封止樹脂
101 半導体装置
111 半導体装置
Reference Signs List 1 semiconductor device 5 bonding wire 12 semiconductor substrate 13 multilayer wiring structure 14 passivation film 15 wiring 26 barrier metal film 61 semiconductor device 62 first resin film 63 rewiring 81 semiconductor device 82 connection electrode 83 wiring substrate 83a bonding surface 83b back surface 84 land 86 Via electrode 88 sealing resin 91 semiconductor device 92 connection electrode 93 sealing resin 101 semiconductor device 111 semiconductor device

Claims (16)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、後記配線及びバリアメタル膜よりも低い熱膨張率を有している絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された銅を主成分とする配線と、
前記絶縁膜と前記配線との間に介在するバリアメタル膜とを含み、
前記バリアメタル膜は、複数の金属膜が積層された積層構造を有し、前記絶縁膜上に形成された第1金属膜と、当該第1金属膜上に形成された第2金属膜とを含み、
前記第1金属膜は、銅よりも低い剛性率及び銅よりも低い熱膨張率を有し、
前記第2金属膜は、銅よりも高い剛性率及び銅よりも低い熱膨張率を有する、半導体装置。
A semiconductor substrate,
An insulating film formed on the semiconductor substrate and having a thermal expansion coefficient lower than that of a wiring and a barrier metal film described later ;
A copper-based wiring formed on the insulating film;
A barrier metal film interposed between the insulating film and the wiring ;
The barrier metal film has a laminated structure in which a plurality of metal films are laminated, and a first metal film formed on the insulating film and a second metal film formed on the first metal film Including
The first metal film has a lower rigidity than copper and a lower coefficient of thermal expansion than copper,
The semiconductor device, wherein the second metal film has a higher rigidity than copper and a lower coefficient of thermal expansion than copper .
前記第2金属膜は、50Gpa以上180Gpa以下の剛性率を有している、請求項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second metal film has a rigidity of 50 Gpa or more and 180 Gpa or less. 前記第2金属膜は、8.6μm/m・K未満の熱膨張率を有している、請求項1または2に記載の半導体装置。 The second metal layer has a thermal expansion coefficient of less than 8.6 [mu] m / m · K, a semiconductor device according to claim 1 or 2. 前記第2金属膜は、タンタル、タングステン、モリブデン、クロムおよびルテニウムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the second metal film contains one or more metal species selected from the group including tantalum, tungsten, molybdenum, chromium and ruthenium. 前記第2金属膜は、100Gpa以上180Gpa以下の剛性率を有し、かつ5μm/m・K未満の熱膨張率を有している、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the second metal film has a rigidity of 100 Gpa or more and 180 Gpa or less and a thermal expansion coefficient of less than 5 μm / m · K. . 前記第2金属膜は、タングステン、モリブデンおよびクロムを含む群から選択される1つまたは複数の金属種を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the second metal film contains one or more metal species selected from the group including tungsten, molybdenum and chromium. 前記絶縁膜は、窒化膜または酸化膜を含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The insulating film comprises a nitride film or an oxide film, a semiconductor device according to any one of claims 1-6. 前記バリアメタル膜は、前記配線よりも小さい厚さを有している、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 , wherein the barrier metal film has a thickness smaller than that of the wiring. 前記半導体基板上に形成され、層間絶縁膜を介して複数の配線層が積層された多層配線構造をさらに含み、
前記絶縁膜は、前記多層配線構造を被覆するように当該多層配線構造上に形成されており、
前記配線は、最上層配線として前記絶縁膜上に形成されている、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
The semiconductor device further includes a multilayer wiring structure formed on the semiconductor substrate and having a plurality of wiring layers stacked via an interlayer insulating film,
The insulating film is formed on the multilayer wiring structure so as to cover the multilayer wiring structure,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8 , wherein the wiring is formed on the insulating film as a top layer wiring.
前記配線に電気的に接続されたボンディングワイヤをさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 , further comprising a bonding wire electrically connected to the wire. 前記ボンディングワイヤは、銅ワイヤまたは金ワイヤを含む、請求項10に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 10 , wherein the bonding wire comprises a copper wire or a gold wire. 前記配線を被覆するように前記絶縁膜上に形成された配線上絶縁膜と、
前記配線に電気的に接続されるように前記配線上絶縁膜上に形成された再配線とをさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
An insulating film on wiring formed on the insulating film so as to cover the wiring;
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 , further comprising a rewiring formed on the insulating film on the wiring so as to be electrically connected to the wiring.
前記再配線に電気的に接続されたボンディングワイヤをさらに含む、請求項12に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 12 , further comprising a bonding wire electrically connected to the rewiring. 前記配線に電気的に接続された接続電極と、
前記半導体基板が前記接続電極を介してフリップチップ接合された接合面を有する配線基板とをさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
A connection electrode electrically connected to the wire;
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 , further comprising: a wiring substrate having a junction surface in which the semiconductor substrate is flip chip bonded via the connection electrode.
前記配線基板の前記接合面の反対側の面に配置され、ビア電極を介して前記配線に電気的に接続されたランドをさらに含む、請求項14に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 14 , further comprising a land disposed on the surface opposite to the bonding surface of the wiring substrate and electrically connected to the wiring through a via electrode. 前記配線に電気的に接続された接続電極と、
前記接続電極を露出させるように、前記半導体基板の表面、裏面および側面を被覆する封止樹脂とをさらに含む、請求項1〜のいずれか一項に記載の半導体装置。
A connection electrode electrically connected to the wire;
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9 , further comprising: a sealing resin that covers the front surface, the back surface, and the side surface of the semiconductor substrate so as to expose the connection electrode.
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