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発明の名称 バンプ形成方法およびそれを用いた半導体装置、半導体集積回路装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−37094
公開日 平成6年(1994)2月10日
出願番号 特願平4−187871
出願日 平成4年(1992)7月15日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 高橋 順
要約 目的
導電材料と絶縁材料とによる熱膨張率差により生じる熱ストレスを利用し、この熱ストレスを緩和しようとする導電材料の開孔からの吹き出しによってバンプ電極を容易に形成できるバンプ形成方法を提供する。

構成
Siダイオードのバンプ電極の形成に実施し、まず素子基板11上に絶縁層12、不純物拡散層13上にコンタクトホール14を形成する(a)。そして、熱膨張率大、低融点な導電材料であるAlによる電極15を形成し(b)、さらに電極15の導電材料に比べて熱膨張率小、高融点な絶縁材料であるSiO2 の絶縁保護膜16を形成して電極15を覆い、バンプ吹き出し開孔17を形成する(c)。続いて、加熱処理を行うことにより電極15の導電材料が熱膨張によってバンプ吹き出し開孔17から吹き出し、突起形状のバンプ電極18が形成できる(d)。
特許請求の範囲
【請求項1】 基板上に突起状のバンプ電極を形成するバンプ形成方法であって、前記基板上に導電材料により電極を形成し、前記電極を、該電極の導電材料に比べて熱膨張率が小さく、かつ融点が高い絶縁材料による絶縁保護膜で覆い、該絶縁保護膜の前記電極が位置する上部を開孔し、前記導電材料の融点を越え、かつ前記絶縁材料の融点を越えない範囲に加熱処理を行い、前記導電材料と前記絶縁材料の熱膨張率差による熱ストレスを利用し、該熱ストレスが緩和される場合に前記開孔から吹き出した前記導電材料の表面張力によりバンプ電極を形成することを特徴とするバンプ形成方法。
【請求項2】 前記バンプ電極を形成する場合に急激に加熱し、かつ前記バンプ電極が形成された後には急激な冷却処理を行うことを特徴とする請求項1記載のバンプ形成方法。
【請求項3】 前記電極と接する位置に、該電極と同じ導電材料により1つまたは複数のバンプ用だまりを形成することを特徴とする請求項1または2記載のバンプ形成方法。
【請求項4】 前記請求項1、2または3記載のバンプ形成方法を用い、半導体素子のバンプ電極を形成することを特徴とする半導体装置。
【請求項5】 前記請求項1、2または3記載のバンプ形成方法を用い、半導体集積回路のバンプ電極を形成することを特徴とする半導体集積回路装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置または半導体集積回路装置の製造技術に関し、特にSiダイオードのバンプ電極の形成において、バンプ形成の簡略化が可能とされるバンプ形成方法およびそれを用いた半導体装置、半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、Siダイオードなどのバンプ形成方法としては、たとえば図7に示すプロセスフローに基づき、まず素子基板1上に絶縁層2を形成し、不純物拡散層3上にコンタクトホール4を形成する。そして、電極5を形成した後に、絶縁保護膜6を形成して電極5を覆う。
【0003】さらに、電極5上の絶縁保護膜6に開孔7を形成し、バリア金属(Cu/Ti)8を蒸着した後に、バンプを形成する部分以外にレジスト9を塗り、たとえばNi−Sn−Pbなどを順にめっきする。そして、めっき用のレジスト9、バンプ以外のバリア金属8をエッチング除去することにより、図8に示すようなバンプ電極10を形成することができる。
【0004】なお、これに類似する技術としては、たとえば社団法人電子通信学会、昭和59年11月30日発行、「LSIハンドブック」P409〜P411などに記載されるデバイス製造技術が挙げられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前記のような従来技術においては、特に電極上に絶縁保護膜を形成した後に、バリア金属形成、フォトリソグラフィー、めっき、エッチング除去などの各処理が必要となり、バンプ電極を形成する場合の処理工程が多くなるという欠点がある。
【0006】そこで、本発明者は、2種類の材料による熱膨張率差により生じる熱ストレスに着目し、この熱ストレスを緩和しようとする場合に発生する材料の膨張作用を応用して突起物の形成が可能とされることを見い出した。
【0007】すなわち、本発明の目的は、導電材料と絶縁材料との2種類の材料による熱膨張率差により生じる熱ストレスを利用し、この熱ストレスを緩和しようとする導電材料の開孔からの吹き出しによってバンプ電極を容易に形成することができるバンプ形成方法およびそれを用いた半導体装置、半導体集積回路装置を提供することにある。
【0008】本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0009】
【課題を解決するための手段】本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0010】すなわち、本発明のバンプ形成方法は、基板上に突起状のバンプ電極を形成する半導体装置のバンプ形成方法であって、基板上に導電材料により電極を形成し、電極を、この電極の導電材料に比べて熱膨張率が小さく、かつ融点が高い絶縁材料による絶縁保護膜で覆い、絶縁保護膜の電極が位置する上部を開孔し、導電材料の融点を越え、かつ絶縁材料の融点を越えない範囲に加熱処理を行い、バンプ電極を形成するものである。
【0011】この場合に、前記バンプ電極を形成する場合に急激に加熱し、かつバンプ電極が形成された後には急激な冷却処理を行うようにしたものである。
【0012】さらに、前記電極と接する位置に、この電極と同じ導電材料により1つまたは複数のバンプ用だまりを形成するようにしたものである。
【0013】また、本発明のバンプ形成方法を用いた半導体装置は、前記バンプ形成方法を用い、半導体素子のバンプ電極を形成するものである。
【0014】さらに、本発明のバンプ形成方法を用いた半導体集積回路装置は、前記バンプ形成方法を用い、半導体集積回路のバンプ電極を形成するものである。
【0015】
【作用】前記したバンプ形成方法およびそれを用いた半導体装置、半導体集積回路装置によれば、電極が絶縁保護膜により覆われた状態で加熱されることにより、電極の導電材料と絶縁保護膜の絶縁材料との熱膨張率差による熱ストレスを利用し、この熱ストレスが緩和される場合にバンプ電極を形成することができる。
【0016】たとえば、電極を熱膨張率大、低融点(Al、Pb、Snなど)の導電材料により形成し、絶縁保護膜を熱膨張率小、高融点(SiO2 、SiNなど)の絶縁材料により形成し、熱ストレスを緩和しようとする場合に、絶縁保護膜の開孔から導電材料を吹き出させることができる。これにより、吹き出した導電材料は表面張力により突起形状となるので、半導体装置または半導体集積回路装置における突起状のバンプ電極を形成することができる。
【0017】この場合に、電極形成、絶縁膜形成方法として、蒸着、スパッタ、CVD法を用い、またパターニング方法としては、フォトリソグラフィー、エッチング法を用いる。さらに、加熱方法としては、素子特性を劣化させないように急加熱、電極材料の選択加熱、急冷却のできるランプ加熱装置を用いることにより、バンプ電極の形成を簡略化することができる。
【0018】特に、バンプ電極の形成においては急激な加熱、形成後は急激な冷却処理が行われることにより、素子特性を劣化させることなく、バンプ形成における安定性を向上させることができる。
【0019】また、電極と接する位置にバンプ用だまりが形成されることにより、バンプ形成を制御することができるので、バンプの大きさを調整し、バンプ電極の安定化を図ることができる。
【0020】
【実施例】図1は本発明のバンプ形成方法の一実施例であるバンプ形成方法を用いた半導体装置のバンプ形成フローを示す断面図、図2は本実施例の半導体装置において、バンプ形成部分を示す平面図、図3は本実施例に用いられるランプ加熱装置を示す構成図、図4は図3に示すランプ加熱装置のランプ特性図、図5は本実施例の半導体装置におけるバンプ形成部分の変形例を示す平面図、図6は本実施例の半導体装置のバンプ形成をモジュールに適用した場合を示す断面図である。
【0021】まず、図1により本実施例の半導体装置のバンプ形成フローを説明する。
【0022】本実施例の半導体装置のバンプ形成は、たとえばSiダイオードのバンプ電極の形成に実施したものであり、まずSi素子の素子基板11上にSiO2 による絶縁層12を形成し、不純物拡散層13上にコンタクトホール14を形成する(a)。そして、スパッタ、蒸着法により熱膨張率大、低融点な導電材料として、たとえばAlによる電極15を成膜し、フォトリソグラフィー、エッチング法により電極15の形状を形成する(b)。
【0023】さらに、電極15を形成した後、CVD法により電極15の導電材料に比べて熱膨張率小、高融点な絶縁材料として、たとえばSiO2 の絶縁保護膜16を形成して電極15を覆い、電極15上の絶縁保護膜16に同じく、フォトリソグラフィー、エッチング法でバンプ吹き出し開孔17を形成する(c)。以上の工程は、従来と同様の処理により可能である。
【0024】続いて、電極15上の絶縁保護膜16にバンプ吹き出し開孔17を形成した後、図3に示すようなランプアニール装置などによって加熱処理を行うことによりバンプ電極18を形成することができる(d)。
【0025】すなわち、電極15の導電材料が熱膨張によりバンプ吹き出し開孔17から吹き出し、突起形状のバンプ電極18が形成され、その吹き出した後にはボイド19が残る。この場合に、図2に示すように電極15に接するようにバンプ用だまり20を形成することにより、バンプ電極18の形成の安定性、大きさの制御ができるだけでなく、不純物拡散層13との接合部21へのボイド発生も防ぐことができる。
【0026】この加熱処理に用いられるランプアニール装置は、バンプ形成時の熱処理時に、素子特性の劣化やバンプ形成の安定性を確保するために重要となる。すなわち、本実施例に示すランプアニール装置は、この問題を解決するためのものであり、その構成として図3のようにランプ22、フィルター23およびガスノズル24などが備えられている。
【0027】また、このランプアニール装置のランプ特性は図4のような特性曲線となり、ランプ22から輻射された主な赤外線のうち、フィルター23により斜線部の波長領域を素子基板11に照射することにより、素子基板11および絶縁保護膜16は加熱することなく、電極15のみを加熱して特性の劣化を防止することができる。
【0028】さらに、加熱後にガスノズル24からの冷却ガスによる熱伝達を利用して冷却を行うことにより、急激な冷却効果を得ることができるので、バンプ電極18が小さくなることなく、バンプ電極18の形成の安定性を図ることができる。
【0029】従って、本実施例の半導体装置のバンプ形成によれば、電極15上の絶縁保護膜16にバンプ吹き出し開孔17を形成した後、加熱処理を行うことにより電極15の導電材料の熱膨張によってバンプ電極18を形成することができるので、従来のめっき法に比べ、バリア形成、レジストマスク形成、めっき、エッチング除去工程の削減が可能となり、またこれらの処理に必要とされた材料を不要とすることができる。
【0030】以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0031】たとえば、本実施例の半導体装置のバンプ形成については、電極15をAlの導電材料で形成し、また絶縁保護膜16をSiO2 の絶縁材料で形成する場合について説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、PbまたはSnなどの導電材料を電極に用い、またSiNなどの絶縁材料を用いて絶縁保護膜を形成する場合などについても広く適用可能である。
【0032】この場合に、電極15の導電材料としては、熱膨張率が大きく、低い融点の導電材料を用いることが望ましく、また絶縁保護膜16の絶縁材料としては、導電材料に比べて熱膨張率が小さく、かつ高い融点の絶縁材料を用いることにより同様の効果を得ることができる。
【0033】また、本実施例ではバンプ用だまり20を1つ形成する場合について説明したが、たとえば素子基板11上のスペースなどを考慮し、図5に示すように4個のバンプ用だまり20a〜20dを形成したり、または2個、3個あるいは5個以上の複数のバンプ用だまりを形成することも可能である。
【0034】以上の説明では、主として本発明者によってなされた発明をその利用分野である半導体装置において、Siダイオードのバンプ形成に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図6に示すような半導体素子モジュールなどの半導体集積回路装置に応用する場合などについても広く適用可能である。
【0035】すなわち、図6のような場合には、素子基板11aと素子基板11bに前記実施例と同様の構造を形成し、加熱処理を行うことにより素子基板11aのバンプ電極18aと素子基板11bのバンプ電極18bとの結線ができ、これによってモジュールを完成させることができる。このように、本発明では、特にバンプ電極18の大きさが数μmと小さなものも形成可能であり、微細化する半導体素子および半導体集積回路装置への応用に適している。
【0036】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0037】(1).基板上に導電材料により電極を形成し、電極を、この電極の導電材料に比べて熱膨張率が小さく、かつ融点が高い絶縁材料による絶縁保護膜で覆い、絶縁保護膜の電極が位置する上部を開孔し、導電材料の融点を越え、かつ絶縁材料の融点を越えない範囲に加熱処理を行うことにより、導電材料と絶縁材料の熱膨張率差による熱ストレスを利用し、この熱ストレスが緩和される場合に開孔から吹き出した導電材料の表面張力によりバンプ電極を形成することができるので、突起状のバンプ電極の形成を簡略化することができる。
【0038】(2).バンプ電極を形成する場合に急激に加熱し、かつバンプ電極が形成された後には急激な冷却処理を行うことにより、素子特性を劣化させることなく、バンプ形成における安定性を向上させることができる。
【0039】(3).電極と接する位置に、この電極と同じ導電材料により1つまたは複数のバンプ用だまりを形成することにより、バンプ形成を制御することができるので、バンプの大きさを調整し、バンプ電極の安定化を図ることができる。
【0040】(4).前記(1) 〜(3) により、従来のめっき法に比べて加熱工程が追加されるものの、バリア形成、フォトリソグラフィー、めっき、除去の4工程を短縮することができるので、バンプ形成処理の工程短縮が可能となる。
【0041】(5).前記(1) 〜(3) により、従来のめっき法に比べてめっき材、バリア材、レジストおよび除去薬品などが不要となるので、バンプ形成処理における材料の低減が可能となる。
【0042】(6).前記(1) 〜(5) により、バンプ電極の安定化を図ることができ、バンプ形成の安定性と簡略化が可能とされるバンプ形成方法およびそれを用いた半導体装置、半導体集積回路装置を得ることができる。




 

 


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