半导体装置的制造方法与流程

1.本公开内容涉及半导体装置的制造方法。


背景技术：

2.为了将半导体装置以倒装芯片式安装在基板等上，有时使用球栅阵列(ball grid array：bga)的封装。在这样的半导体装置上形成焊球。例如在专利文献1中记载了在由包含增强层的多个金属膜形成的电极上具有焊料凸点的半导体装置。
3.为了抑制焊料向布线层的扩散，有时在布线层上设置金属层(凸点下金属层，ubm：under bump metal)，并在其上设置焊球。另外，为了保护半导体层不受水分等的影响，在半导体层上设置例如由聚酰亚胺等形成的绝缘膜。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.[专利文献1]日本特开2006
‑
120803号公报


技术实现要素：

[0007]
发明所要解决的问题
[0008]
由于金属层的热膨胀系数与绝缘膜的热膨胀系数不同，因此设置焊球时的温度变化会导致金属层与绝缘膜的密合性降低。有时在金属层与绝缘膜之间产生间隙。有时焊料流入到该间隙中，并到达布线层。焊料与布线层发生迁移(migration)，半导体装置的可靠性降低。因此，目的在于，提供能够抑制焊料的流入的半导体装置的制造方法。
[0009]
用于解决问题的手段
[0010]
本公开内容所涉及的半导体装置的制造方法具有：在第一金属层上形成热固性树脂膜的工序；在所述树脂膜上形成开口部的工序；形成第二金属层的工序，所述第二金属层覆盖从所述树脂膜的开口部露出的所述第一金属层的上表面到所述树脂膜的上表面的区域；在所述形成第二金属层的工序之后，在所述树脂膜固化的温度以上的温度下进行热处理的工序；在所述进行热处理的工序之后，形成覆盖膜的工序，所述覆盖膜覆盖所述树脂膜的上表面和所述第二金属层的侧面；和在所述形成覆盖膜的工序之后，在从所述覆盖膜的开口部露出的所述第二金属层的上表面形成焊料的工序。
[0011]
发明效果
[0012]
根据本公开内容能够抑制焊料的流入。
附图说明
[0013]
[图1a]图1a为例示实施方式所涉及的半导体装置的俯视图。
[0014]
[图1b]图1b为沿图1a的线a
‑
a的截面图。
[0015]
[图2a]图2a为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0016]
[图2b]图2b为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0017]
[图2c]图2c为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0018]
[图2d]图2d为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0019]
[图3a]图3a为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0020]
[图3b]图3b为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0021]
[图3c]图3c为例示半导体装置的制造方法的截面图。
[0022]
[图4]图4为例示比较例所涉及的半导体装置的制造方法的截面图。
具体实施方式
[0023]
[本公开内容的实施方式的説明]
[0024]
首先，列举本公开内容的实施方式的内容而进行说明。
[0025]
本公开内容的一个方式为(1)一种半导体装置的制造方法，具有：在第一金属层上形成热固性树脂膜的工序；在所述树脂膜上形成开口部的工序；形成第二金属层的工序，所述第二金属层覆盖从所述树脂膜的开口部露出的所述第一金属层的上表面到所述树脂膜的上表面的区域；在所述形成第二金属层的工序之后，在所述树脂膜固化的温度以上的温度下进行热处理的工序；在所述进行热处理的工序之后，形成覆盖膜的工序，所述覆盖膜覆盖所述树脂膜的上表面和所述第二金属层的侧面；和在所述形成覆盖膜的工序之后，在从所述覆盖膜的开口部露出的所述第二金属层的上表面形成焊料的工序。由于热处理在第二金属层与树脂膜之间产生间隙。通过覆盖膜堵塞间隙，能够在形成焊料的工序中抑制焊料的流入。
[0026]
(2)所述树脂膜可以是聚酰亚胺膜。由于热处理，树脂膜收缩，在所述树脂膜与第二金属层之间形成间隙。通过覆盖膜堵塞间隙，能够抑制焊料的流入。
[0027]
(3)所述形成第二金属层的工序可以包括：形成第三金属层的工序，所述第三金属层覆盖从所述树脂膜的开口部露出的所述第一金属层的上表面到所述树脂膜的上表面的区域；和形成第四金属层的工序，所述第四金属层覆盖从所述第三金属层的上表面到所述树脂膜的上表面之中所述第三金属层的外侧部分的区域。第二金属层包含第三金属层和第四金属层，作为抑制焊料向第一金属层扩散的阻挡层起作用。
[0028]
(4)所述第一金属层可以包含金，所述第三金属层可以包含钯，所述形成第四金属层的工序可以是通过化学镀处理形成包含镍的所述第四金属层的工序。第二金属层包含第三金属层和第四金属层，作为抑制焊料向第一金属层扩散的阻挡层起作用。由于热处理，第四金属层受到应力，与树脂膜的密合性降低。利用覆盖膜能够抑制焊料的流入。
[0029]
(5)所述覆盖膜的焊料润湿性可以比所述第二金属层的焊料润湿性低。能够有效地抑制焊料的流入。
[0030]
(6)所述形成覆盖膜的工序可以是形成覆盖从所述树脂膜的上表面到所述第二金属层的上表面的区域的所述覆盖膜的工序。覆盖膜不易剥离，并且能够有效地抑制焊料的流入。
[0031]
(7)所述进行热处理的工序中的温度可以是焊料的熔点以上。通过在形成焊料的工序之前，在焊料的熔点以上的温度下进行热处理，预先在第二金属层与树脂膜之间形成间隙。在形成焊球的工序中，覆盖膜不易受到应力。通过覆盖膜堵塞间隙，能够抑制焊料的流入。
[0032]
[本公开内容的实施方式的详细内容]
[0033]
以下，在参照附图的同时，对本公开内容的实施方式所涉及的半导体装置的制造方法的具体例进行说明。需要说明的是，本公开内容不限于这些例示，而是由权利要求书表示，旨在包括与权利要求书均等的含义和范围内的所有变更。
[0034]
(半导体装置)
[0035]
图1a为例示实施方式所涉及的半导体装置100的俯视图。如图1a所示，半导体装置100是具有设置在基板10的表面上的多个焊球22的bga类型的半导体装置。多个焊球22以网格状排列在基板10的一个面上，是用于半导体装置100与外部设备的电连接的焊盘。
[0036]
图1b为沿图1a的线a
‑
a的截面图。如图1b所示，半导体装置100具有基板10、半导体层12、绝缘膜13、树脂膜16、布线层14(第一金属层)、ubm19(第二金属层)、覆盖膜20和焊球22。
[0037]
基板10是例如由碳化硅(sic)或蓝宝石等绝缘体形成的绝缘基板。半导体层12设置在基板10的上表面。半导体层12例如包含氮化镓(gan)的沟道层、氮化铝镓(algan)的电子供给层等，形成有场效应晶体管(field effect transistor：fet)。
[0038]
绝缘膜13例如是厚度为0.1μm～0.5μm的氮化硅(sin)等的无机绝缘膜或聚酰亚胺等有机绝缘膜，是覆盖半导体层12的上表面的钝化膜。
[0039]
布线层14设置在绝缘膜13的上表面，例如由金(au)等金属形成。绝缘膜13具有未图示的开口部，布线层14通过该开口部与半导体层12电连接。
[0040]
树脂膜16设置在绝缘膜13的上表面，是例如由厚度为5μm的聚酰亚胺或苯并环丁烯(bcb)等热固性树脂形成的层间膜。树脂膜16在布线层14上具有开口部16a。
[0041]
ubm19具有基底层17(第三金属层)和镀层18(第四金属层)。基底层17例如厚度为15nm，是钛(ti)层与钯(pd)层的层叠体。基底层17设置在从开口部16a露出的布线层14的上表面、开口部16a的内壁和树脂膜16的上表面之中开口部16a附近的部分处。镀层18例如通过化学镀处理而形成，由厚度为3.5nm的镍
‑
磷(ni
‑
p)等形成，设置在基底层17的上表面和侧面，还隔着间隙15而设置在树脂膜16上。在ubm19的下表面与树脂膜16的上表面之间产生了间隙15。
[0042]
覆盖膜20覆盖树脂膜16的上表面、ubm19的侧面和ubm19的上表面的周缘部。覆盖膜20包围了ubm19和间隙15，并堵塞了间隙15。覆盖膜20可以例如由锌(zn)、铬(cr)、镍铬合金(ni/cr)、钛(ti)、钼(mo)、铝(al)、铁(fe)等金属和这些金属的氧化物等形成，也可以由sin或sio2等绝缘体、聚酰亚胺等树脂形成。覆盖膜20的厚度t1可以为能够堵塞间隙15的程度。聚酰亚胺的覆盖膜20的厚度t1例如为5μm。金属或绝缘体的覆盖膜20的厚度t1例如为1.5μm。聚酰亚胺的覆盖膜20覆盖多个ubm19之间，覆盖膜20之中与树脂膜16接触的部分的宽度w1例如为200μm。金属或绝缘体的覆盖膜20的宽度w1例如为1.5μm。覆盖膜20之中与镀层18接触的部分的宽度w2例如为1.5μm。覆盖膜20具有开口部20a。
[0043]
焊球22例如由锡与金的合金(sn
‑
au)，锡与银的合金(sn
‑
ag)，锡、银与铜的合金(sn
‑
ag
‑
cu)等金属形成。焊球22与从覆盖膜20的开口部20a露出的ubm19的镀层18的上表面接触。
[0044]
(制造方法)
[0045]
图2a至图3c是例示半导体装置100的制造方法的截面图，图示了与图1b对应的截
面。在图2a的工序之前，通过例如金属有机化学气相沉积法(mocvd：metal organic chemical vapor deposition)等在基板10的上表面外延生长半导体层12。通过例如化学气相沉积(chemical vapor deposition：cvd)法等在半导体层12的上表面形成sin的绝缘膜13。
[0046]
如图2a所示，通过电镀处理等在绝缘膜13的上表面形成布线层14。如图2b所示，在绝缘膜13的上表面形成树脂膜16。如图2c所示，在树脂膜16的上表面设置光敏性的光致抗蚀剂，进行抗蚀剂图案化，并设置抗蚀剂掩模24。通过使用抗蚀剂掩模24将树脂膜16进行蚀刻，在树脂膜16上形成开口部16a。布线层14从开口部16a露出。在蚀刻之后，除去抗蚀剂掩模24。
[0047]
如图2d所示，通过真空蒸镀和剥离，将基底层17形成在从布线层14的上表面到树脂膜16的上表面之中开口部16a附近的部分。如图3a所示，例如通过将基底层17用作晶种金属的化学镀处理来形成镀层18。将镀层18设置在从基底层17的上表面到树脂膜16的上表面之中基底层17外侧的部分。基底层17和镀层18与树脂膜16的上表面接触。
[0048]
在形成镀层18后，例如通过将温度保持在350℃下30分钟来进行热处理。由于树脂膜16是例如聚酰亚胺等热固性树脂，因此会因热处理而收缩。镀层18受到应力，ubm19与树脂膜16的密合性降低。其结果，如图3b所示，在ubm19与树脂膜16之间产生间隙15。
[0049]
如图3c所示，在热处理后，通过真空蒸镀
‑
剥离或镀敷处理等形成覆盖膜20。覆盖膜20覆盖从树脂膜16的上表面到镀层18的上表面之中的外周部的区域，并堵塞间隙15。镀层18的上表面从覆盖膜20的开口部20a露出。
[0050]
在设置覆盖膜20之后，在从开口部20a露出的镀层18的上表面涂布助焊剂。在镀层18的上表面配置焊膏，例如升温至260℃等焊料的熔点以上的温度，并进行回流焊处理。通过回流焊处理在镀层18上形成焊球22。通过以上的工序形成半导体装置100。
[0051]
(比较例)
[0052]
图4为例示比较例所涉及的半导体装置的制造方法的截面图。在比较例中也进行图2a至图3a的工序。在比较例中，在形成ubm19之后，在不进行热处理和覆盖膜20的形成的情况下进行回流焊处理。如图4所示，形成了焊球22。在回流焊处理中，将温度升高至在焊料的熔点以上的260℃。由于ubm19与树脂膜16的热膨胀系数的差异，ubm19的镀层18受到应力。由于应力，在镀层18与树脂膜16之间产生间隙26。因此，镀层18作为对焊料的阻挡层的功能降低。
[0053]
如图4中的箭头所示，熔融的焊料的一部分流入至间隙26，例如通过基底层17扩散至布线层14。另外，例如从基底层17与树脂膜16的界面侵入至布线层14。焊料与布线层14的au反应，发生迁移。其结果，导致半导体装置的寿命缩短。
[0054]
与此相对，根据本实施方式，将ubm19设置在从布线层14的上表面到树脂膜16的上表面的区域，然后进行热处理。由于树脂膜16为聚酰亚胺等热固性树脂，因此由于热处理而收缩，能够预先在树脂膜16与ubm19之间形成间隙15。在热处理之后，设置覆盖ubm19的侧面的覆盖膜20，并形成焊球22。通过利用覆盖膜20堵塞由热处理产生的间隙15，能够抑制焊料向间隙15的流入。其结果，还能够抑制焊料与布线层14的迁移。半导体装置100的寿命的劣化得到抑制。
[0055]
通过热处理，预先在树脂膜16与ubm19之间形成间隙15。在回流焊处理中，在升温
时，能够抑制覆盖膜20受到应力，并且能够抑制覆盖膜20的剥离、损伤等。树脂膜16例如由聚酰亚胺等树脂形成，是保护半导体装置100不受水分等影响的保护膜。
[0056]
ubm19作为抑制焊料向布线层14扩散的阻挡层起作用。例如，ubm19包含依次层叠的基底层17和镀层18。为了提高对焊料的阻挡性，基底层17优选包含pd，镀层18优选包含ni。镀层18例如是通过化学镀处理形成的ni
‑
pd膜，与通过蒸镀形成的金属层相比更致密，作为阻挡层具有高性能。
[0057]
另一方面，镀层18与树脂膜16的上表面接触(参见图3a)，并且镀层18的热膨胀系数与树脂膜16的热膨胀系数不同。因此，由于温度变化，镀层18受到应力。在作为化学镀ni
‑
p镀层的镀层18中产生大的应力，与聚酰亚胺的树脂膜16的密合性容易降低。根据实施方式，由于利用覆盖膜20覆盖镀层18的侧面，因此能够抑制焊料的流入。基底层17除了pd以外，也可以由例如cu等金属形成。镀层18除了ni以外，也可以由例如镍与金的层叠结构(ni/au)、镍与银的层叠结构(ni/ag)等金属形成。另外，也可以使用通过溅射进行层叠而得到的ti/niv/ag层来代替镀层18。
[0058]
优选通过在回流焊处理之前在镀层18的表面涂布助焊剂并除去表面的氧化膜来提高焊料润湿性。通过在镀层18的表面设置例如au等焊料润湿性比ni更高的金属的膜，能够提高焊料润湿性。但是，镀层18与基底层17的界面的焊料润湿性变高，焊料有可能侵入。通过使镀层18为ni等焊料润湿性低的金属、并将助焊剂涂布至镀层18的表面，能够兼顾焊料润湿性的提高与焊料侵入的抑制。需要说明的是，在此的润湿性可以通过焊料的搭载面与焊料表面相交的区域的角度(接触角)的大小来评价。角度越大则判断为润湿性越低，角度越小则判断为润湿性越高。
[0059]
焊料的熔点例如为250℃以下，回流焊处理中的温度设为熔点以上的260℃。热处理中的温度为焊料的熔点以上。在热处理中，例如在持续20分钟以上且40分钟以下的时间中，将温度设为300℃以上且400℃以下。温度也可以为350℃以上且400℃以下。通过在热处理中升温至回流焊处理的温度以上的温度，能够预先在ubm19与树脂膜16之间形成间隙15。利用覆盖膜20堵塞间隙15，能够抑制焊料的流入。由于热处理，ubm19的一部分已经从树脂膜16剥离，因此在回流焊处理中不易产生剥离。因此，在回流焊处理中，覆盖膜20不易受到应力。
[0060]
覆盖膜20与树脂膜16的密合性优选比ubm19与树脂膜16的密合性更高。覆盖膜20的焊料润湿性优选比例如ubm19更低。例如，覆盖膜20例如由zn、cr、ti、mo、al和fe形成，或者由包含这些金属中的至少一种的合金等形成。焊料不易铺展到覆盖膜20的表面上，并且能够抑制焊料的流入和多个焊球22之间的短路。为了抑制电信号的损失，覆盖膜20的电阻优选比例如ubm19、布线层14和焊球更高。
[0061]
覆盖膜20覆盖树脂膜16的上表面、ubm19的侧面和上表面。由于覆盖膜20搭置在ubm19的上表面，因此覆盖膜20不易剥离，并且能够有效地抑制焊料的流入。覆盖膜20优选完全包围ubm19。
[0062]
半导体装置100的焊盘的配置可以是如图1a那样的bga，也可以是bga以外的配置。基板10由sic、硅(si)、蓝宝石、gan等绝缘体形成。半导体层12是例如由氮化物半导体或砷类半导体等形成的化合物半导体层。氮化物半导体是指含氮(n)的半导体，例如gan、algan、氮化铟镓(ingan)、氮化铟(inn)和氮化铝铟镓(alingan)等。砷类半导体是指砷化镓(gaas)
等含砷(as)的半导体。也可以在半导体层12中形成fet以外的半导体元件。
[0063]
以上，对本公开内容的实施方式进行了详细说明，但是本公开内容不限于该特定的实施方式，能够在权利要求书中记载的本公开内容的主旨的范围内进行各种变形、变更。
[0064]
符号说明
[0065]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基板
[0066]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体层
[0067]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
绝缘膜
[0068]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
布线层
[0069]
15、26
ꢀꢀꢀꢀꢀ
间隙
[0070]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
树脂膜
[0071]
16a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
开口部
[0072]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基底层
[0073]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
镀层
[0074]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
ubm
[0075]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
覆盖膜
[0076]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
焊球
[0077]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
抗蚀剂掩模
[0078]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体装置