JP7361566B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ボンディングパッドを有する半導体装置およびその製造方法に関する。

ボンディングパッドを有する従来の半導体装置について説明する。半導体装置には、半導体集積回路へ電源電圧あるいはグランド電位を供給したり、外部とデータのやり取りを行ったりするためにボンディングパッドが設けられる。図１１は、従来の半導体装置のボンディングパッドを示す断面図である。

半導体基板５０の表面に設けられた絶縁膜５３の上に第一金属膜５１が設けられている。第一金属膜５１の上には第二金属膜５２が直接設けられている。保護膜５４は第二金属膜５２の上を覆っており、ボンディングパッドの上では開口部を有する。保護膜５４は、保護膜５４の開口部以外では第二金属膜５２を覆っている。したがって、保護膜５４の開口部が、ボンディングパッドとして使用される領域を定義している。

ここで、第一金属膜５１と第二金属膜の物理的特性であるヤング率に関して、第一金属膜５１のヤング率は、第二金属膜５２のヤング率よりも高くなっている。このような構造にすると、ヤング率の高い第一金属膜５１がボンディングパッドの下層として設けられるので、ワイヤーボンディングの衝撃によって発生した応力に対するボンディングパッド周辺の耐性が高くなる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－０２７０９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、ワイヤーボンディングの衝撃で発生した応力によって、第二金属膜５２の上面や側面が歪んでしまい、ボンディングパッドを覆う保護膜５４にクラックが入ってしまうことがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、ボンディングパッドを覆う保護膜５４にクラックが入ることを防止できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を用いる。
まず、ボンディングパッドを有する半導体装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板の表面に設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜の上に設けられた第一金属膜と、
前記第一金属膜の上面および側面を被覆する第二金属膜と、
前記第二金属膜の上に開口部を有し、前記開口部以外で前記第二金属膜と前記絶縁膜とを覆う保護膜と、を有し、
前記第二金属膜のヤング率は、前記第一金属膜のヤング率よりも高いことを特徴とする半導体装置とする。

また、ボンディングパッドを有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に第一金属膜を形成する工程と、
前記第一金属膜の上面および側面を覆うように前記第一金属膜よりもヤング率の高い第二金属膜を形成する工程と、
前記第二金属膜および前記絶縁膜を覆うように保護膜を形成する工程と、
前記第二金属膜上において、前記保護膜に開口部を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法を用いる。

上記手段を用いることで、ワイヤーボンディングの際に生じる第一金属膜の歪み（変形）が防止できる。これにより、ボンディングパッドを覆う保護膜にクラックが入ることを防止することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 ワイヤーボンディングによる膜の歪みを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図および断面図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図５に続く、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図６に続く、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図８に続く、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図９に続く、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 従来の半導体装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、ボンディングパッド３０を有する半導体装置の構造について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。

図１に示すように、半導体基板１０の表面に設けられた絶縁膜１３の上にはボンディングパッド３０が設けられている。ボンディングパッド３０は第一金属膜１１と第二金属膜１２から構成され、絶縁膜１３上に第一金属膜１１が設けられ、第一金属膜１１の上面および側面を覆うように第二金属膜１２が設けられている。さらに第二金属膜１２および絶縁膜１３の上には開口部１５を有する保護膜１４が設けられる。すなわち、保護膜１４は開口部１５以外で第二金属膜１２と絶縁膜１３を覆っている。保護膜１４によって覆われていない領域がパッド部１６となる。ここで、第一金属膜１１は、例えば、アルミニウム膜単体やアルミニウム合金膜によって形成される。第二金属膜１２は、バリアメタル膜１２ｘと接合安定膜１２ｙの積層膜であって、バリアメタル膜１２ｘが第一金属膜１１と接している。バリアメタル膜１２ｘとしてはニッケル膜、タングステン膜、チタン膜、パラジウム膜などが用いられ、接合安定膜１２ｙとしては金（Ａｕ）膜が用いられる。アルミニウム（Ａｌ）のヤング率は７０ＧＰａ程度であり、ニッケル（Ｎｉ）のヤング率は２００ＧＰａ程度、タングステン（Ｗ）のヤング率は４００ＧＰａ程度、チタン（Ｔｉ）のヤング率は１１０ＧＰａ程度、パラジウム（Ｐｄ）のヤング率は１２０ＧＰａ程度である。このような構成にした場合、少なくとも、第二金属膜１２を構成するバリアメタル膜１２ｘのヤング率は、第一金属膜１１のヤング率よりも高くなっている。参考までに金（Ａｕ）のヤング率は８０ＧＰａ程度であり、第一金属膜１１を構成するアルミニウム（Ａｌ）のヤング率よりも高い。

図２にて、ボンディングパッドに対してワイヤーボンディングが実施される場合のボンディングパッドを形成している膜の歪みについて説明する。図２（ａ）は従来の半導体装置のボンディングパッドでのワイヤーボンディングによる膜の歪みを示す断面図、図２（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る半導体装置のボンディングパッドでのワイヤーボンディングによる膜の歪みを示す断面図を示している。

図２（ａ）に示すように、従来のボンディングパッド上にワイヤーボンディングすると、ワイヤーボール部１７がボンディングパッドに接触した部分、すなわち第二金属膜５２が保護膜５４の開口部から露出するボンディングパッドの中央領域には凹部５５が形成され、これによって、ボンディングパッドの中央領域からボンディングパッドの周辺領域へ第二金属膜１２の部分移動が起こる。矢印で図示した方向への第二金属膜５２の部分移動により、ボンディングパッドの周辺領域の上面および側面には凸状の歪み５６が生じ、それと接する保護膜１４にクラックやそれに伴う保護膜５４の剥離が発生してしまう。保護膜５４のクラックや剥離は半導体装置内部への水分侵入を容易とし、半導体装置の信頼性が低下させるおそれがある。

これに対し、図２（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る半導体装置のボンディングパッド３０では第一金属膜１１の上面および側面が第一金属膜１１よりもヤング率の高い第二金属膜１２で覆われている。このため、ボンディングパッド３０上にワイヤーボンディングしてもワイヤーボール部１７が接するボンディングパッド３０の中央領域には第二金属膜１２が設けられており、この領域には凹部が形成されにくい。さらに第二金属膜１２は中央領域から周辺領域の上面および側面までも覆う構造であるため、たとえ中央領域に過度の応力がかかっても周辺領域の第一金属膜１１および第二金属膜１２に歪みが生じにくい。それゆえ、それと接する保護膜１４にクラックが入ること、それに伴う保護膜１４の剥離を防止することが可能となり、信頼性の高い半導体装置１を実現できる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の平面図および断面図である。図３（ａ）の平面図に示すように、第１実施形態と異なるのは、第一金属膜１１を市松模様の海島構造とした点である。海島構造は、第一金属膜１１からなる矩形の島領域２１と第一金属膜１１が無く下地の絶縁膜１３が露出する海領域２２とを有し、隣接する島領域２１が互いに矩形の頂点部で接続され、辺部で互いに離間する構造である。

図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ線における断面図である。半導体基板１０の表面に設けられた絶縁膜１３の上にはボンディングパッド３０が設けられている。ボンディングパッド３０は第一金属膜１１と第二金属膜１２から構成され、絶縁膜１３上に第一金属膜１１が設けられ、第一金属膜１１の上面および側面を覆うように第二金属膜１２が設けられている。さらに第二金属膜１２および絶縁膜１３の上には開口部１５を有する保護膜１４が設けられる。すなわち、保護膜１４は開口部１５以外で第二金属膜１２と絶縁膜１３とを覆っている。

隣接する島領域２１は第二金属膜１２からなり、これらの間には海領域２２が設けられている。海領域２２の凹部には第二金属膜１２が密に埋め込まれている。第二金属膜１２が第一金属膜１１の表面に一様に堆積するとすれば、海領域の幅ｄ１、すなわち隣接する島領域２１が離間する幅を第二金属膜１２の膜厚の２倍よりも短くすることで、海領域２２を第二金属膜１２で完全に埋め込むことができる。このような構造であれば、隣接する島領域２１の間にヤング率の高い第二金属膜１２を２層挟むことになり、より強固な歪み防止層が形成される。これにより、保護膜１４にクラックが入ること、そしてそれに伴う保護膜１４の剥離を防止することが可能となり、信頼性の高い半導体装置１を実現できる。

図３（ｂ）に示す例では、第二金属膜１２のバリアメタル膜１２ｘのみで海領域２２を完全に埋め込み、バリアメタル膜１２ｘを接合安定膜１２ｙで覆う形状である。図示していないが、バリアメタル膜１２ｘが図３（ｂ）の例よりも薄い場合は海領域２２がバリアメタル膜１２ｘおよび接合安定膜１２ｙによって埋め込まれる形状となる。

図４は本発明の第３実施形態に係る半導体装置の断面図である。半導体基板１０の表面に設けられた絶縁膜１３の上にはボンディングパッド３０が設けられている。ボンディングパッド３０は第一金属膜１１と第二金属膜１２から構成され、絶縁膜１３上に第一金属膜１１が設けられ、第一金属膜１１の上面および側面を覆うように第二金属膜１２が設けられている。さらに第二金属膜１２および絶縁膜１３の上には開口部１５を有する保護膜１４が設けられる。すなわち、保護膜１４は開口部１５以外で第二金属膜１２と絶縁膜１３とを覆っている。

第１実施形態と異なるのは、第一金属膜１１の上端縁１１ａをラウンド形状とした点である。第一金属膜１１の上面および側面は第二金属膜１２によって覆われているため、第二金属膜１２の上端縁１２ａも下地を反映してラウンド形状となる。ラウンド形状とすることでボンディングパッド３０には断面視的に鋭角乃至直角な領域が無くなり、これと接する保護膜１４へのダメージがさらに軽減される。このような構造であれば、ボンディングパッド３０と保護膜１４の膨張係数の違いに起因する保護膜１４のクラックも回避することが可能となる。

図示していないが、本発明の第３実施形態のラウンド形状に代えて、第一金属膜１１の上端縁１１ａ及び第二金属膜１２の上端縁１２ａを糸面取り形状とすることでも同様の効果が得られる。

なお、本発明の第３実施形態のラウンド形状は、第１実施形態の半導体装置のみならず、第２実施形態の半導体装置にも適用できる。
図５乃至図７は本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す図である。

まず、図５に示すように、半導体基板１０の表面に絶縁膜１３を形成し、さらに絶縁膜１３の表面にアルミニウム膜（Ａｌ）やアルミニウム合金膜（例えば、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ、Ａｌ－Ｃｕ）のヤング率の低い金属膜を成膜し、その後、所定のレジストパターンを用いてエッチングして第一金属膜１１を形成する。

次に、図６に示すように、第一金属膜１１と絶縁膜１３の表面を覆うように、第一金属膜１１よりもヤング率の高い金属膜を含む積層膜を成膜する。積層膜はバリアメタル膜１２ｘと接合安定膜１２ｙを順に連続堆積して形成する。連続堆積にはスパッタ法や蒸着法、またはメッキ法などの手法を用いる。堆積するバリアメタル膜１２ｘはニッケル膜、タングステン膜、チタン膜、パラジウム膜単体でも良いし、これらの複数の膜種の積層膜であっても良い。仮にバリアメタル膜１２ｘをニッケル膜とパラジウム膜の積層膜とした場合、ニッケル膜が第一金属膜１１と接するように形成するのが良い。そして、パラジウム膜と接する接合安定膜１２ｙは金（Ａｕ）膜である。

成膜後、所定のレジストパターンを用いてそれぞれの膜を順にエッチングして第二金属膜１２を形成する。エッチングに際しては水素イオン指数（ｐＨ）を制御した緩衝溶液を用いることでマイクロバッテリ起因のオーバーエッチングを防止することができる。図示するように、バリアメタル膜１２ｘと接合安定膜１２ｙの積層膜である第二金属膜１２は、第一金属膜１１の上面および側面を覆うように形成される。

上記では、レジストパターンを用いて第二金属膜１２をエッチングする例を示したが、メタルマスクを用いて所定の箇所に選択的に第二金属膜１２を形成するという手法を利用しても良い。

次に、図７に示すように、第二金属膜１２の表面にプラズマ窒化膜などの保護膜１４を成膜し、その後、所定のレジストパターンを用いてエッチングして、第二金属膜１２上の保護膜１４に開口部１５を形成し、開口部１５において第二金属膜１２が露出するようにする。

以上の製造方法を用いることで、ワイヤーボンディングの際に生じる応力によって、第一金属膜１１の歪みの発生を防ぐことができる。そして、これによりボンディングパッド３０を覆う保護膜１４にクラックが入ることを防止することができ、クラックを介して水分が侵入することを防ぐことができる。

また、本発明の第３実施形態に係る半導体装置を製造する場合は、図５に代えて図８に示す第一金属膜１１の形成方法を用いる。
まず、図８に示すように、半導体基板１０の表面に絶縁膜１３を形成し、さらに絶縁膜１３の表面にアルミニウムやアルミニウム合金などのヤング率の低い金属膜を成膜し、その後、所定のレジストパターン１９を用いてエッチングして第一金属膜１１を形成する。そして、第一金属膜１１の上端縁１１ａをラウンド形状とする場合は、第一金属膜１１のエッチングにおいてオーバーエッチング時間を通常よりも過多にして、エッチング中にレジストパターン１９の端部を消失させたうえで、さらに第一金属膜１１の一部をエッチングするという方法を用いる。

図８（ａ）は、レジストパターン１９をマスクとして第一金属膜１１をエッチング中の断面図で、通常のオーバーエッチングを終えた段階の断面形状を示すものである。ちなみに、通常のオーバーエッチング時間は検知された終点時間の０．２～０．５倍である。この段階ではレジストパターン１９の側面に傾斜部が確認できるものの第一金属膜１１の側面は垂直に形成されている。

図８（ｂ）は、さらにオーバーエッチングを加えた状態を示す断面図である。レジストパターン１９の膜減りが大きく、側面の傾斜が通常のオーバーエッチングを終えた段階よりも大きくなっている。このようなレジストパターン１９になると、第一金属膜１１の上端縁１１ａの部分はレジストパターン１９に覆われておらず、上端縁１１ａの部分にラウンド形状が形成される。ここで採用したオーバーエッチング時間は通常のオーバーエッチング時間の１．５～２．５倍である。次に、レジストパターン１９を除去することで図８（ｃ）に示すような、上端縁１１ａにラウンド形状を有する第一金属膜１１が得られる。

以上、説明したように、オーバーエッチング時間を通常よりも１．５～２．５倍とし、レジストパターン１９の端部の膜厚が無くなるまでエッチングし、端部のレジストパターン１９が消失させることで露出した第一金属膜１１の上端縁１１ａをエッチングしてラウンド形状とすることができる。なお、第一金属膜１１の上端縁１１ａにラウンド形状を形成する方法はこれに限るものではない。

また、第一金属膜１１の上端縁１１ａ及び第二金属膜１２の上端縁１２ａをラウンド形状に代えて糸面取り形状とする場合は、第一金属膜１１のエッチングにウェットエッチングを採用し、その際の第一金属膜１１とレジストパターン１９との密着性を制御することで糸面取り形状が得られる。

次に、図９に示すように、第一金属膜１１と絶縁膜１３の表面を覆うように、第一金属膜１１よりもヤング率の高い金属膜を含む積層膜を成膜する。積層膜はバリアメタル膜１２ｘと接合安定膜１２ｙを順に連続堆積して形成する。連続堆積にはスパッタ法や蒸着法、またはメッキ法などの手法を用いる。バリアメタル膜１２ｘはニッケル膜単体でも良いし、ニッケル膜とパラジウム膜の積層膜でも良く、この場合、ニッケル膜が第一金属膜１１と接するように形成するのが良い。接合安定膜は金（Ａｕ）膜である。

下地の第一金属膜１１は上端縁１１ａにラウンド形状を有するため、このラウンド形状は第一金属膜１１を被覆する第二金属膜１２の形状に反映され、第二金属膜１２の上端縁１２ａにもラウンド形状が形成される。

成膜後、所定のレジストパターンを用いてそれぞれの膜を順にエッチングして第二金属膜１２を形成する。バリアメタル膜１２ｘと接合安定膜１２ｙの積層膜である第二金属膜１２は、少なくとも第一金属膜１１の上面および側面を覆うように形成される。

上記では、レジストパターンを用いて第二金属膜１２をエッチングする例を示したが、メタルマスクを用いて所定の箇所に選択的に第二金属膜１２を形成するという手法を利用しても良い。

次に、図１０に示すように、第二金属膜１２の表面にプラズマ窒化膜などの保護膜１４を成膜し、その後、所定のレジストパターンを用いてエッチングして、第二金属膜１２上において保護膜１４に開口部１５を形成する。第二金属膜１２の上端縁１２ａをラウンド形状とすることで、これを被覆する保護膜１４へのダメージを軽減できる。

以上の製造方法を用いることで、ワイヤーボンディングの際に生じる第一金属膜１１の歪みをより一層防止できる。これにより、ボンディングパッド３０を覆う保護膜１４にクラックが入ること、そしてそれに伴う保護膜１４の剥離を防ぐことが可能となり、信頼性の高い半導体装置１を実現できる。

なお、本発明の第３実施形態のラウンド形状の形成は、第１実施形態の半導体装置のみならず、第２実施形態の半導体装置にも適用できることは明らかである。

１ 半導体装置
１０半導体基板
１１ 第一金属膜
１１ａ 上端縁
１２ 第二金属膜
１２ａ 上端縁
１２ｘ バリアメタル膜
１２ｙ 接合安定膜
１３ 絶縁膜
１４ 保護膜
１５ 開口部
１６ パッド部
１７ ワイヤーボール部
１８ クラック
１９ レジストパターン
２１ 島領域
２２ 海領域
３０ ボンディングパッド
ｄ１ 海領域の幅

Claims (8)

1. ボンディングパッドを有する半導体装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に設けられた絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に断面視において矩形状にアルミニウムで形成され、上端縁がラウンド形状である第一金属膜と、
   前記第一金属膜の上面および側面を被覆する第二金属膜と、
   前記第二金属膜の上に開口部を有し、前記開口部以外で前記第二金属膜と前記絶縁膜とを覆う、プラズマ窒化膜で形成されている保護膜と、を有し、
   前記第二金属膜のヤング率は、前記第一金属膜のヤング率よりも高いことを特徴とする半導体装置。
2. 前記第一金属膜が海島構造に設けられ、前記海島構造の海領域に前記第二金属膜が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第二金属膜は、前記開口部からの露出面が平坦であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第二金属膜は、バリアメタル膜と接合安定膜から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. ボンディングパッドを有する半導体装置の製造方法であって、
   半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜上に第一金属膜を断面視において矩形状にアルミニウムで形成し、上端縁をラウンド形状にする工程と、
   前記第一金属膜の上面および側面を覆うように前記第一金属膜よりもヤング率の高い第二金属膜を形成する工程と、
   前記第二金属膜および前記絶縁膜を覆うように保護膜をプラズマ窒化膜で形成する工程と、
   前記第二金属膜上において、前記保護膜に開口部を形成する工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 前記第一金属膜を海島構造とし、前記海島構造の海領域に前記第二金属膜を埋め込む工程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記第二金属膜は、前記開口部からの露出面が平坦であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第二金属膜を形成する工程は、バリアメタル膜と接合安定膜をこの順に形成することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。