JP7410700B2 - 半導体装置の製造方法、半導体装置および半導体装置の中間体 - Google Patents
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Description
近年、半導体素子に接続されるコンデンサを、WLPに内蔵させることにより一層の高密度化を図ることが検討されている。
このようなWLPとして、第1電極と、第2電極と、誘電体層が積層された薄膜キャパシタとを有する構造が知られている。薄膜キャパシタは、接着剤を用いてWLPの絶縁層上に貼り付けられ、薄膜キャパシタの第1電極または第2電極と半導体素子の接続パッドとをWLPの絶縁層上に形成した再配線により接続した構造を有する(例えば、特許文献1参照)。
本発明の第2の態様によれば、半導体装置は、第一電極、第二電極、および第一電極と第二電極との間に設けられた誘電体層を含むキャパシタを有する半導体装置であって、第1接続パッドおよび第2接続パッドを有する半導体素子と、前記半導体素子上に形成され、前記第1接続パッドを露出する第1開口部および前記第2接続パッドを露出する第2開口部を有する第1絶縁層と、前記第1絶縁層上に成膜された前記第一電極と、前記第一電極上に成膜された前記誘電体層と、前記誘電体層上に成膜された前記第二電極と、前記第1開口部を介して前記第1接続パッドおよび前記第一電極に接続された第1配線と、前記第2開口部を介して前記第2接続パッドおよび前記第二電極に接続された第2配線とを備え、前記第一電極と前記第1配線、または前記第二電極と前記第2配線とは、連続する一つながりの構造を有する。
本発明の第3の態様によれば、半導体装置の中間体は、第一電極、第二電極、および第一電極と第二電極との間に設けられた誘電体層からなるキャパシタを有する半導体装置の中間体であって、第1接続パッドおよび第2接続パッドを有する半導体素子と、前記半導体素子上に形成され、前記第1接続パッドを露出する第1開口部および前記第2接続パッドを露出する第2開口部を有する第1絶縁層と、前記第1絶縁層上に形成され、誘電体の成膜領域を有する前記第一電極と、前記第1開口部を介して前記第1接続パッドおよび前記第一電極に接続された第1配線と、を備え、前記第一電極と前記第1配線は、連続する一つながりの構造を有する。
本発明の第4の態様によれば、半導体装置の製造方法は、第3の態様に記載された半導体装置の中間体を準備することと、前記半導体装置の中間体の前記第一電極上に設定した前記誘電体の成膜領域に誘電体層を積層することと、前記誘電体層と前記第2接続パッドを接続する第二電極および第2配線を形成することとを含む。
以下、図1~図5を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明の半導体装置の第1の実施形態の断面図である。
半導体装置100は、実用上は、1枚のウエハを用いて、多数個を同時に作製するが、以下の説明では、1つの半導体装置100を作製するものとして説明する。なお、以下に示す各工程図は、ウエハの1つの半導体装置100の領域を示すものであり、そのまま、多数個取りの場合にも適用できるものである。
半導体素子10は、半導体基板11と、半導体基板11の一面11c上に設けられた酸化シリコンや窒化シリコンなどの無機材料により形成された表面絶縁層12と、表面絶縁層12に設けられた開口部12a、12bのそれぞれから露出する第1接続パッド13aおよび第2接続パッド13bを有する。
第2絶縁層32には、第一電極21を露出する開口部32a(図2(D)参照)が形成されている。第2絶縁層32の各柱状電極51が形成される部分には、第1導体25および第2導体26を露出する開口部32b(図2(D)参照)が形成されている。また、第2絶縁層32には、第2導体26の一部を露出する開口部32c(図2(D)参照)が形成されている。
誘電体層の積層技術は周知であり、種々の方法が採用可能である。半導体素子の耐熱温度を考慮し、好ましくは、半導体素子の耐熱温度以下で誘電体層を成膜できる成膜方法を採用することが望ましい。
第3導体28は、第二電極22として機能する導体領域、および第二電極22と第2導体26とを接続する第2配線部28aとして機能する導体領域を有する。半導体素子10の第2接続パッド13bは、第2導体26、第3導体28の第2配線部28aを介して、キャパシタ20の第二電極22に接続されている。
なお、柱状電極51と誘電体層23の間には、シード層62が形成されている。シード層62は、柱状電極51を形成する際、下地層として形成されたものが残存したものである。
各柱状電極51の上面には、はんだボール55が搭載されている。柱状電極51は、はんだボール55を介して外部の回路に接続される。
次に、図2~図5を参照して、第1の実施形態の半導体装置100の製造方法を説明する。
上述したように、半導体装置100は、1枚のウエハを用いて作製し、最後にダイシングして分離することにより各半導体装置100を得る。従って、以下に示す工程における半導体素子10は、ウエハから分離していない状態であるが、以下では、半導体素子10とする。
(工程1)
先ず、半導体基板11と、半導体基板11の一面11c上に設けられた表面絶縁層12と、表面絶縁層12に設けられた開口部12a、12bのそれぞれから露出する第1接続パッド13aおよび第2接続パッド13bを有する半導体素子10を準備する。
次に、図2(B)に図示されるように、第1絶縁層31上の全面(第1、第2接続パッド13a、13b上を含む)にシード層61を、例えば、スパッタ法により形成する。
次に、シード層61上の全面に、図2(C)に図示される第1導体25および第2導体26を形成するための第1導体素材層(図示せず)を成膜する。第1導体素材層は、シード層61を電流路とする電解めっき法により成膜するのが好ましい。そして、フォトリソグラフィ技術により第1導体素材層をパターニングして、第1導体25および第2導体26を形成する。フォトリソグラフィ技術とは、フォトレジストを成膜し、フォトレジスト上に、回路パターン形状を有するマスクを配置し、露光、現像してフォトレジストをマスクに対応するパターン形状に形成する周知の技術である。
次に、図2(C)に図示される中間体(半導体装置完成までの各工程で得られる途中製品)の上面に、スピンコート法またはCVD法などにより第2絶縁層32を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術により、図2(D)に示されるように、第2絶縁層32の第一電極21に対応する部分に、第一電極21を露出する開口部32aを形成する。また、第2絶縁層32の、各柱状電極51が形成される部分に、第1導体25の第1配線部25aの一部、および第2導体26の一部を露出する開口部32bを形成する。さらに、第2絶縁層32に、第2導体26の一部を露出する開口部32cを形成する。
次に、図3(A)に図示されるように、図2(D)に図示される中間体の上面全体、すなわち、第2絶縁層32上の全面、および第2絶縁層32から露出される第1導体25上および第2導体26上の全面に誘電体層23を成膜する。
(工程6)
そして、図3(B)に図示されるように、誘電体層23をフォトリソグラフィ技術またはレーザによりパターニングする。また、誘電体層23に、開口部23b、23cをエッチングにより形成する。誘電体層23の開口部23b、23cの形成はドライエッチングが好ましい。誘電体層23の開口部23b、23cは、それぞれ、第2絶縁層32の開口部32b、32cより一回り小さく形成し、第2絶縁層32の開口部32b、32cの周縁部に誘電体層23が残存するようにする。また、必要に応じ、誘電体層23の、第2絶縁層32の開口部32a内に形成された部分の上層側をエッチングして、残存する誘電体層23の厚さを調整する。誘電体層23として、上述したように、SrTiO3、Ta2O5、BaTiO3などの高誘電材料を用いる。
次に、図3(C)に図示されるように、図3(B)に図示される中間体の上面全体、すなわち誘電体層23上の全面、および誘電体層23から露出する第1導体25上および第2導体26上にシード層62を、スパッタ法などにより形成する。
(工程8)
そして、シード層62を電流路として、電解めっきにより、図3(D)に図示される第3導体28を形成するための導体素材層を成膜する。第3導体28の導体素材層は、シード層62上の全面に成膜されるが、フォトリソグラフィ技術を用いてエッチングすることにより図3(D)に図示されるようなパターンに形成する。フォトリソグラフィ技術に用いるフォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。第3導体28は、第二電極22および第2配線部28aを有する。第3導体28の第二電極22と第2配線部28aは、同一のめっき工程で形成されるため連続する一つながりの構造に形成される。
次に、図4(A)に図示されるように、引き続いて、シード層62を電流路として電解めっきにより柱状電極51を形成する。柱状電極51の形成は、図示はしないが、図3(D)に図示される中間体の全面にフォトレジストを成膜し、フォトリソグラフィ技術により柱状電極51を形成する部分に開口部を形成し、この開口部内に電解めっきによるめっき成長により形成する。柱状電極51は、すべて、ほぼ同一の厚さに形成されるが、キャパシタ20上に形成される柱状電極51aの上面が、誘電体層23および第3導体28の第二電極22の厚さの分、他の柱状電極51の上面より高い位置に形成される。
この後、図4(B)に図示されるように、柱状電極51から露出するシード層62をエッチングにより除去する。シード層62のエッチングは、ウエットエッチングが好ましい。
次に、図4(C)に図示されるように、図4(B)に図示される中間体の上面全体、すなわち、柱状電極51上、第3導体28および柱状電極51から露出した誘電体層23を、封止樹脂52により封止する。封止樹脂52は、樹脂印刷法または樹脂モールド法により、キャパシタ20上に形成される、最も高い柱状電極51aの上面を覆う厚さに形成する。
次に、図5(A)に図示されるように、封止樹脂52および柱状電極51の上部側を研削または研磨して、すべての柱状電極51を、所定の厚さにする。封止樹脂52および柱状電極51の上部側を研削または研磨することにより、すべての柱状電極51の上面と封止樹脂52の上面は面一となる。
そして、図5(B)に図示されるように、各柱状電極51の上面に、はんだボール55を搭載する。はんだボール55の形成は、各柱状電極51の上面に印刷によりはんだ層を形成し、リフロー炉に投入して、はんだボールを形成するようにしてもよい。このようにして、図1に図示される半導体装置100を得ることができる。
(1)半導体装置100の製造方法は、第一電極21、第二電極22および第一電極21と第二電極22との間に設けられた誘電体層23を含むキャパシタ20を有する半導体装置の製造方法であって、第1接続パッド13aおよび第2接続パッド13bを有する半導体素子10を準備することと、半導体素子10上に、第1接続パッド13aに電気的に接続される第一電極21を形成することと、第一電極21上に誘電体層23を形成することと、誘電体層23上に第2接続パッド13bに電気的に接続される第二電極22を形成することと、を含む。
図6~図9を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。
図6は、本発明の半導体装置の第2の実施形態の断面図である。
第2の実施形態の半導体装置100は、第1の実施形態に対し、第2絶縁層132と誘電体層123の上下が反転した構造を有する。すなわち、第1の実施形態では、半導体素子10上に第1導体素材層が積層され、パターニングで第1電極21と第1配線部25aを含む第1導体25、および第2導体26が形成され、この上に第2絶縁層32が積層され、さらにその上に誘電体層23が積層される工程である。一方、第2の実施形態では、半導体素子10上に第1導体素材層が積層され、第1電極21と第1配線部25aを含む第1導体25、および第2導体26が形成され、この上に誘電体層123が積層され、さらにその上に第2絶縁層132が積層される工程である。
以下、詳細に説明するが、以下の説明においては、主に第1の実施形態と相違する構成を説明し、同一の構成については、対応する構成に同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
半導体装置100は、第1の実施形態と同様、半導体素子10と、キャパシタ20と、第1導体25と、第2導体26と、第3導体28と、柱状電極51、51aと、封止樹脂52と、はんだボール55とを備えている。
半導体素子10は、第1の実施形態と同様、半導体基板11と、表面絶縁層12と、表面絶縁層12の開口部12a、12bのそれぞれから露出する第1接続パッド13aおよび第2接続パッド13bを有する。
次に、第2の実施形態の半導体装置100の製造方法を説明する。
図7(A)~(C)に図示される工程1-4は、第1の実施形態の図2(A)~(C)と同様である。
(工程1)
図7(A)に図示されるように、半導体素子10の表面絶縁層12上に第1絶縁層31を成膜し、第1絶縁層31に第1接続パッド13a、第2接続パッド13bを露出する開口部31a、31bを形成する。
(工程2)
そして、図7(B)に図示されるように、第1絶縁層31上の全面(第1、第2接続パッド13a、13b上を含む)にシード層61を、例えば、スパッタにより形成する。
次に、図7(C)に図示されるように、シード層61上の全面に第1導体25および第2導体26を形成するための第1導体素材層(図示せず)を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術により第1導体素材層をパターニングして、第1導体25および第2導体26を形成する。
次に、図7(D)に図示されるように、第1導体25上と第2導体26上の全面、および第1導体25と第2導体26間から露出する第1絶縁層31上に誘電体層123を成膜する。誘電体層123は、第1導体25、第2導体26の外周側面にも形成される。
そして、図8(A)に図示されるように、誘電体層123をフォトリソグラフィ技術またはレーザによりパターニングする。また、誘電体層123の柱状電極51が形成される部分をドライエッチング法などにより除去して、誘電体層123に開口部123bを形成する。誘電体層123の開口部123bからは第1導体25および第2導体26が露出する。また、誘電体層123に、第2導体26の一部を露出する開口部123cを形成する。
次に、図8(B)に図示されるように、図8(A)に図示された中間体の上面全体、すなわち、誘電体層123上の全面、誘電体層123の開口部123b、123cから露出する第1導体25上および第2導体26上に、絶縁層132を成膜する。そして、第2絶縁層132の第一電極21に対応する部分に、誘電体層123を露出する開口部132aを形成する。また、第2絶縁層132のうち、誘電体層123の開口部123b、123cに対応する部分に、開口部132b、132cを形成する。第2絶縁層132の開口部132b、132cからは第1導体25および第2導体26が露出する。
次に、図8(C)に図示されるように、第2絶縁層132上の全面、および第2絶縁層132の開口部132a~132cから露出する誘電体層123上にシード層62を成膜する。そして、シード層62を電流路として、電解めっきにより、図8(C)に図示される第3導体28を形成するための導体素材層を成膜する。第3導体28の導体素材層は、シード層62上全面に成膜されるが、フォトリソグラフィ技術を用いてエッチングすることにより図8(C)に図示されるようなパターンに形成する。フォトリソグラフィ技術に用いるフォトレジストは、ポジ型でもネガ型でもよい。
キャパシタ20を構成する領域外の第1導体25上および第2導体26上に成膜された誘電体層123を除去せず、そのまま残しているのは、誘電体層123を絶縁層として活用するためであり、これにより、誘電体層123のパターニング工程の能率化を図っている。
(工程8)(工程9)
図8(D)に図示されるように、引き続いて、シード層62を電流路として電解めっきにより柱状電極51、51aを形成し、図9(A)に図示されるように、柱状電極51、51aから露出するシード層62をエッチングにより除去する。エッチングとしてはウエットエッチングが好ましい。
(工程10)
次に、図9(B)に図示されるように、柱状電極51が形成された上部側を、封止樹脂52により封止する。封止樹脂52は、キャパシタ20上に形成される、最も高い柱状電極51aの上面を覆う厚さに形成する。
次に、図9(C)に図示されるように、封止樹脂52および柱状電極51の上部側を研削または研磨して、すべての柱状電極51を、所定の厚さにする。
(工程12)
そして、図9(D)に図示されるように、各柱状電極51の上面に、はんだボール55を搭載する。このようにして、図6に図示される第2の実施形態の半導体装置100を得ることができる。
また、キャパシタ20の第一電極21は、第1導体25をパターニングして第1配線部25aと共に形成される。
従って、第2の実施形態においても、第1の実施形態の効果(1)、(2)と同様な効果を奏する。
図10~図14を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。
図10は、本発明の半導体装置の第3の実施形態の断面図である
第1の実施形態の半導体装置では、第一電極21および第一配線部25aを連続する一つながりの構造の第1導体25として形成し、第二電極22および第二配線部28aを連続する一つながりの構造の第3導体28として形成されている。
これに対して、第3の実施形態の半導体装置では、第一電極121と、第一配線141とをそれぞれ独立して形成し、両者は接続部142で接続されている。すなわち、第3の実施形態の半導体装置100は、第一電極121をバリア層128と第一電極部127により形成した構造を有する。また、第3の実施形態の半導体装置100では、第一電極121は、第1接続パッド13aに接続された第一配線141と連続する一つながりの構造を有しておらず、接続部142で接続されている。さらに、第3の実施形態の半導体装置100は、第2導体126の第二電極122と、第2接続パッド13bに接続される第2配線部126aを有し、第二電極122と第2配線部126aが連続する一つながりの構造とされている。
以下、さらに詳細に説明するが、以下の説明においては、主に第1の実施形態と相違する構成を説明し、同一の構成については、対応する構成に同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
半導体素子10は、第1の実施形態と同様、半導体基板11と、表面絶縁層12と、表面絶縁層12の開口部12a、12bそれぞれから露出する第1接続パッド13aおよび第2接続パッド13bを有する。
次に、第3の実施形態の半導体装置100の製造方法を説明する。
図11(A)に図示される工程は、第1の実施形態の図2(A)と同様である。
(工程1)
図11(A)に図示されるように、半導体素子10の表面絶縁層12上に第1絶縁層31を成膜し、第1絶縁層31に第1接続パッド13a、第2接続パッド13bを露出する開口部12a、12bを形成する。
次に、図11(B)に図示されるように、第1絶縁層31上の全面(第1、第2接続パッド13a、13b上を含む)に、パターニングにより形成されるバリア層128のバリア素材層128M、およびパターニングにより第一電極部127が形成される導体素材層127Mを、例えば、スパッタにより、この順で積層する。
次に、図11(C)に図示されるように、図10に図示される第一電極部127を残す領域上にマスク71を形成する。
(工程4)
そして、図11(D)に図示されるように、マスク71から露出された導体素材層127Mおよびバリア素材層128Mのを、ウエットエッチングにより除去する。この後、マスク71を除去する。
次に、図12(A)に図示されるように、パターニングにより誘電体素材層223Mを半導体素子10の上部全面に成膜する。
(工程6)
そして、図12(B)に図示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いて、誘電体素材層223M上にマスク72を形成する。
マスク72は、誘電体素材層223Mの、第一電極部127とバリア層128の接続部142に対応する部分がマスク72から露出するように形成する。また、マスク72のうち、接続部142側と反対側の端部は、第2接続パッド13bに達しない位置に設ける。
次に、図12(C)に図示されるように、ドライエッチングなどにより、誘電体素材層223Mのマスク72から露出した部分を除去し、誘電体層223を形成する。この後、マスク72を除去する。
なお、図11(D)に示す工程で、第一電極部127となる領域以外の導体素材層127Mとバリア層128となる領域以外のバリア素材層128Mを除去する方法で例示したが、図12(D)に示す工程では、第一電極部127となる領域以外の導体素材層127Mのみを除去し、バリア層128となる領域以外のバリア素材層128Mは残してもよい。この方法の場合、図12(C)の工程で、誘電体素材層223Mを除去した後、不要なバリア素材層128Mを、例えば、ウエットエッチングにより除去する。
次に、図12(D)に図示されるように、半導体素子10の上部全面に、シード層63を、例えば、スパッタにより形成する。
(工程9)
そして、図13(A)に図示されるように、フォトリソグラフィ技術を用いて、導電素材層をパターニングし、第一配線141、他の配線141aおよび第2導体126を形成する。この状態で、第一配線141は、シード層63を介して第1接続パッド13aに接続されると共に、接続部142でバリア層128と第一電極部127に接続される。また、第2導体126は、シード層63を介して第2接続パッド13bに接続される。誘電体層223上に形成される第二電極122と、第二電極122と第2接続パッド13bとを接続する第2配線部126aは、同一の成膜工程で形成されるため、連続する一つながりの構造に形成される。
これにより、図13(A)に図示される中間体が得られる。
引き続いて、シード層63を電流路として、第一配線141上、他の配線141a上および第2導体126上に柱状電極51、51aを形成する。そして、図13(B)に図示されるように、第一配線141と他の配線141aの間、および第2導体126と他の配線141aの間から露出するシード層63を除去する。
以下、図13(C)~図14(B)の工程は、それぞれ、第1の実施形態の図4(A)~図5(B)と同様である。
図13(C)に図示されるように、柱状電極51が形成された上部側を、封止樹脂52により封止する。封止樹脂52は、キャパシタ20上に形成される、最も高い柱状電極51aの上面を覆う厚さに形成する。
次に、図14(A)に図示されるように、封止樹脂52および柱状電極51の上部側を研削または研磨して、すべての柱状電極51、51aを所定の厚さにする。
(工程13)
そして、図14(B)に図示されるように、各柱状電極51の上面に、はんだボール55を搭載する。このようにして、図10に図示される第3実施形態の半導体装置100を得ることができる。
従って、第1の実施形態の効果(1)と同様な効果を奏する。
12 表面絶縁層
13a 第1接続パッド
13b 第2接続パッド
20 キャパシタ
21、121 第一電極
22、122 第二電極
23、123、223 誘電体層
25 第1導体(第1導電層)
25a 第1配線部(第一配線)
26 第2導体(第2導電層)
127 第一電極部(第一電極)
28 第3導体(第2導電層)
31 第1絶縁層
32、132 第2絶縁層
51、51a 柱状電極
52 封止樹脂
55 はんだボール
61~63 シード層
100 半導体装置
126 第2導体(第2導電層)
126a 第2配線部(第2配線)
128 バリア層
132 第2絶縁層
141 第一配線
142 接続部
Claims (8)
- 第一電極、第二電極、および第一電極と第二電極との間に設けられた誘電体層からなるキャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
第1接続パッドおよび第2接続パッドを有する半導体素子を準備することと、
前記半導体素子上に、前記第1接続パッドに電気的に接続される前記第一電極を形成することと、
前記第一電極上に前記誘電体層を形成することと、
前記誘電体層上に、前記第2接続パッドに電気的に接続される前記第二電極を形成することと、を含み、
前記第1接続パッドに電気的に接続される前記第一電極を形成することは、
第1導電層を成膜することと、
前記第1導電層をパターニングして前記第一電極を形成することと、
前記第1接続パッドに接続されるように第2導電層を成膜することと、
前記第2導電層をパターニングして、前記第一電極を前記第1接続パッドに接続する第一配線を形成することとを含む半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第二電極を形成することは、
前記第2導電層をパターニングして、前記第二電極を形成することを含む半導体装置の製造方法。 - 請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第2導電層のパターニングにより、前記第二電極を前記第2接続パッドに接続する第二配線を形成する半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第2接続パッドに電気的に接続された前記第二電極を形成することは、
前記第2導電層を前記第2接続パッドに接続されるように成膜し、
前記第2導電層をパターニングして、前記第二電極、および前記第2接続パッドと前記第二電極とを接続する第二配線を形成することを含む半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第一電極および前記第二電極上に柱状電極をそれぞれ形成することを含む半導体装置の製造方法。 - 第一電極、第二電極、および第一電極と第二電極との間に設けられた誘電体層を含むキャパシタを有する半導体装置であって、
第1接続パッドおよび第2接続パッドを有する半導体素子と、
前記半導体素子上に形成され、前記第1接続パッドを露出する第1開口部および前記第2接続パッドを露出する第2開口部を有する第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上に成膜された前記第一電極と、
前記第一電極上に成膜された前記誘電体層と、
前記誘電体層上に成膜された前記第二電極と、
前記第1開口部を介して前記第1接続パッドおよび前記第一電極を接続する、前記第1絶縁層上に成膜された第一配線と、
前記第2開口部を介して前記第2接続パッドおよび前記第二電極を接続する、前記第1絶縁層上に成膜された第二配線とを備え、
前記第二電極と前記第二配線とは、連続する一つながりの構造を有する半導体装置。 - 請求項6に記載の半導体装置であって、
前記第一電極および前記第二電極上にそれぞれ形成された柱状電極を備える半導体装置。 - 請求項6に記載の半導体装置であって、
前記第一電極、前記第二電極前記第一配線、前記第二配線および前記半導体素子を封止する封止樹脂を備える半導体装置。
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