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JP3587806B2 - Semiconductor device and manufacturing method - Google Patents

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JP3587806B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ga−As基板等の化合物半導体基板を用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、基板にビアホールを有し、金属層間接続がなされてなる半導体装置を対象とする。
【0002】
【従来の技術】
従来、化合物半導体基板を用いた半導体装置(以下、単に化合物半導体装置と記す。)では、化合物半導体基板裏面に配線を形成し、接続孔(ビアホール)を介して基板表面に形成された電極と接続する手法が採られている。
【0003】
図11は、化合物半導体基板にビアホールを有する構造の半導体装置の一例を示す概略断面図である。
この化合物半導体装置は、その配線部位が、Ga−As基板等の化合物半導体基板101の表面にAu電極102がパターン形成されており、基板101の裏面に形成された配線103と電極102がビアホール104内で接続されている。この配線103は、NiCr層111及びAu層112が蒸着法により堆積され、これら蒸着層を給電メタルとしてAuメッキ層113が形成されて構成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、化合物半導体装置に上記の配線構造を形成した場合、配線103を構成する金属膜の破断、Au電極102の陥没及び半導体基板101の破壊等の障害が発生するという深刻な問題がある。
【0005】
図12は、従来の手法により化合物半導体装置に前記の障害が発生した様子を示す概略断面図である。
図12(a)に示すように、ビアホール104はその側壁面がテーパ状に形成されるため、ビアホール104の底部近傍の半導体基板101の厚みが数μm程度まで薄くなる。この結果、半導体基板101、Au電極102及び配線103の応力がAu電極102及びビアホール104に接している基板厚が薄い箇所112に作用し、図12(b)に示すような基板破壊が生じる。更には、この基板破壊により、Au電極102及び配線103に断線113が生じる。
【0006】
このように従来では、近時における化合物半導体装置の小型・微細化への要請に応えるために、基板の裏面を利用してビアコンタクトを図ろうとすれば、必然的に厚みの薄い部位に応力が集中して基板及びその近傍構造に損壊を受けるという問題がある。
【0007】
そこで本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、化合物半導体基板に形成された接続孔近傍で当該基板に生じがちな基板破壊及び断線等を防止し、製造歩留まりに優れた極めて信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【0009】
本発明者は、化合物半導体基板に形成された接続孔近傍で当該基板に発生する基板破壊や金属膜断線により、電極陥没によるビジュアル検査不良や配線抵抗の上昇による特性不良等が引き起こされ、これらが半導体装置としての歩留り低下の主たる原因となると結論付けることができた。本発明では、基板破壊及び金属膜断線を防止すべく、最適な半導体装置構造及びその製造方法を提案する。
【0010】
本発明の半導体装置は、接続孔が形成された化合物半導体基板と、前記接続孔内で積層構造として形成されてなる配線と、前記化合物半導体基板上に形成され、前記配線と電気的に接続されてなる電極とを備え、前記配線の前記積層構造は、第1の配線層と、前記第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層とを含み、前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、同一の金属材料からなるものであることを特徴とする。
【0011】
本発明の半導体装置の一態様では、前記接続孔は、前記化合物半導体基板の裏面に形成されており、前記配線は、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層され、前記積層構造を構成してなるものである。
【0012】
本発明の半導体装置の一態様では、前記接続孔は、前記化合物半導体基板の表面に形成された第1の孔と、前記化合物半導体基板の裏面に形成された第2の孔とが連通するように形成されたものであり、前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層が形成され、他方内に前記第2の配線層が形成されている。
【0013】
本発明の半導体装置の一態様では、前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、共にメッキ法により形成された金属膜である。
【0014】
本発明の半導体装置の一態様では、前記第1の配線層と前記第2の配線層は、相異なる成長法により形成されたものである。
【0015】
本発明の半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程とを含み、前記第1の配線層及び前記第2の配線層を、同一の金属材料から形成することを特徴とする。
【0016】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成する。
【0017】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成する。
【0018】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含む。
【0019】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記第1の配線層と前記第2の配線層を、相異なる成長法により形成する。
【0020】
本発明の半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程とを含み、前記第1の配線層及び前記第2の配線層の少なくとも一方をメッキ法により形成し、前記メッキ法を実行するに際して、メッキ電流の供給量を制御することにより、前記第1の配線層及び/又は前記第2の配線層の硬度を調節することを特徴とする。
【0021】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成する。
【0022】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成する。
【0023】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含む。
【0024】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記第1の配線層及び前記第2の配線層を、共にメッキ法により形成する。
【0025】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を形成する前に、メッキ電極を形成する工程を更に含む。
【0026】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記メッキ電極を、200nm以下の所定膜厚に形成する。
【0027】
本発明の半導体装置の製造方法は、化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程とを含み、前記第1の配線層及び前記第2の配線層を共にメッキ法により形成し、前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を、前記第2の配線層の形成時よりもメッキ電流を少なく供給することにより形成することを特徴とする。
【0028】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成する。
【0029】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記接続孔を、前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成する。
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含む。
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記メッキ法を実行するに際して、メッキ電流の供給量を制御することにより、前記第1の配線層及び前記第2の配線層の硬度を調節する。
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を形成する前に、メッキ電極を形成する工程を更に含む。
本発明の半導体装置の製造方法の一態様では、前記メッキ電極を、200nm以下の所定膜厚に形成する。
【0030】
本発明においては、接続孔に対して、第1の配線層とこれよりも硬度の高い第2の配線層とを順次積層して配線を構成する。構造的に見れば、低硬度の第1の配線層を介して半導体基板上に高硬度の第2の配線層が形成されており、第2の配線層は、半導体基板(及びその上に形成された電極)に懸かる応力と、第1の配線層に懸かる応力をそれぞれ緩和する緩衝材として機能する。更に、第2の配線層はその硬度に比例して緻密に形成されているため、第2の配線層上に形成するダイス付け材料の成分が当該第2の配線層中に拡散することが防止され、第2の配線層はその硬度が保たれる。これにより、応力集中による基板破壊の発生、及びそれを起因とする配線の断線や電極陥没の防止が実現する。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0032】
(第1の実施形態)
本実施形態では、半導体装置として化合物半導体基板を用いたMESFETを例示する。
【0033】
−半導体基板のビアホール内の配線構造−
本実施形態では、MESFETにおける半導体基板のビアホール内に形成された配線構造を主要構成として開示する。そこで先ず、当該配線構造について図1を参照して説明する。
【0034】
本実施形態における配線構造は、GaAs等からなる化合物半導体基板1の表面にメッキ法により形成されたAu膜をパターニングしてなるAu電極2が形成され、このAu電極2と電気的接続を図るため、半導体基板1の裏面からAu電極2の表面の一部を露出させるように形成されたビアホール3内を含む裏面領域に、配線4が形成されてなるものである。
【0035】
この配線4は、メッキ法により形成されるAu配線であって、低硬度の第1の配線層11及び高硬度の第2の配線層12の2層構造を有して構成されてなるものである。
【0036】
具体的には、先ずメッキ電流を供給するための給電メタル(メッキ電極)となるNiCr膜13及びAu膜14がビアホール3内でAu電極2と接続されるように順次成膜され、Au膜14上にメッキ法により低硬度Auメッキ膜及び高硬度Auメッキ膜が順次形成され、パターニングにより低硬度の配線層11及び高硬度の配線層12が形成されて、硬度の異なる2層構造を備えた配線4となる。なお、硬度を変えてメッキ成膜するには、供給するメッキ電流量を変えれば良く、低硬度の配線層11の成膜時にはメッキ電流量を小さく、高硬度の配線層12の成膜時にはメッキ電流量を大きく設定すればよい。
【0037】
そして、配線層12を覆いビアホール3を埋め込むように、ロー材として使用されるAuSn層15が形成され、このAuSn層15により半導体基板1がパッケージ10にダイス付けされている。
【0038】
本実施形態の配線構造と比較・検討するための比較例を図2に示す。
この比較例では、図2(a)に示すように、ビアホール3内にNiCr膜13及びAu膜14を形成し、Au膜14上に低硬度のAuメッキ膜17を形成し、これらから配線16を構成した。
【0039】
この比較例では、配線16を低硬度の材質で形成することにより、配線16自体の有する応力を低減し、且つ半導体基板1、NiCr膜13、Au膜14、及びAu電極2の有する応力を配線16へ緩和させ、基板破壊の防止を試みた。
【0040】
しかしながら、配線16の形成後に、本実施形態と同様にAuSn層15を形成し、パッケージ10にダイス付けしたところ、図2(b)に示すように、AuSn層15のSn成分が配線16内に拡散合金化(図中、符号18で示す)し、配線16のメッキ硬度が上昇した。これにより、ビアホール3内の各種金属全体から強い応力が半導体基板1に加わり、従来と同様に基板破壊が発生した。
【0041】
これに対して、本実施形態の配線構造においては、ビアホール3に対して、第1の配線層11とこれよりも硬度の高い第2の配線層12とを順次積層して配線4を構成する。構造的に見れば、低硬度の第1の配線層11を介して半導体基板1上に高硬度の第2の配線層12が形成されており、第2の配線層12は、半導体基板1及びその上に形成されたAu電極2に懸かる応力と、第1の配線層11に懸かる応力をそれぞれ緩和する緩衝材として機能する。更に、第2の配線層12はその硬度に比例して緻密に形成されているため、第2の配線層12上に形成するダイス付け材料であるAuSn層15のSn成分が当該第2の配線層12中に拡散することが防止され、第2の配線層12はその硬度が保たれる。これにより、応力集中による基板破壊の発生、及びそれを起因とする配線4の断線やAu電極2の陥没の防止が実現する。
【0042】
−MESFETの構成及び製造方法−
以下、上述の配線構造を踏まえたMESFETの構成及び製造方法について説明する。なお便宜上、MESFETの製造工程と共にその構成について述べる。図3〜図6は、本実施形態のMESFETの製造方法を工程順に示す概略断面図であり、図4及び図5は特に配線構造の作製工程を詳細に説明するための概略断面図である。
【0043】
先ず、図3(a)に示すように、GaAs等からなる半絶縁性の化合物半導体基板1を用意し、オーバーハング形状のゲート電極31をパターン形成する。
【0044】
具体的には、半導体基板1上に例えばAl合金膜(不図示)をスパッタ法により形成した後、このAl合金膜上に所定形状のレジストパターン(不図示)を形成し、これをマスクとしてAl合金膜の上層部位のみをドライエッチングし、続いて残るAl合金膜の下層部位をウェットエッチングする。このとき、レジストパターン下では、ドライエッチングにより当該レジストパターンの形状に倣って残った前記上層部位と、ウェットエッチングにより前記上層部位よりも幅狭に形成された前記上層部位とからなる、オーバーハング形状のゲート電極31が形成されることになる。
【0045】
続いて、図3(b)に示すように、半導体基板1のソース/ドレイン形成部位にAuGe膜32,33をパターン形成した後、ゲート電極31を覆うように半導体基板1上にSiOからなるゲート絶縁膜34を形成する。
【0046】
続いて、図3(c)に示すように、AuGe膜32,33上のゲート絶縁膜34を選択的に除去し、ゲート絶縁膜34上にゲート電極31を埋め込む膜厚にSiOからなる層間絶縁膜41を堆積形成する。そして、AuGe膜32,33の表面の一部及びAu電極形成部位の一部を露出させるように、層間絶縁膜41に、ビアホール42,43をそれぞれパターン形成する。
【0047】
次に、ビアホール42内には、Ni膜35を介してAu膜36を形成し、これらNi膜35及びAu膜36をパターニングすることにより、AuGe膜32,33と電気的に接続されてなるソース電極37及びドレイン電極38を形成する。
【0048】
他方、ビアホール43内には、メッキ下地となるAu膜44を形成した後に、メッキ法によりAu膜45を成膜し、Au膜44,45をパターニングすることにより、Au電極2を形成する。
【0049】
続いて、上述の配線構造を形成する。なお便宜上、図4の各図では、Au膜44,45からなるAu電極2を一層構造で簡略化して示す。
具体的には、先ず図4(a)に示すように、半導体基板1の表面を覆うように保護膜51を塗布形成し、これを硬化させる。硬化した保護膜51に研削用治具52を設置し、半導体基板1の裏面の研削を行う。半導体デバイス毎のインピーダンスと整合させるため、基板厚が20〜300μm程度となるまで研削する。
【0050】
続いて、図4(b)に示すように、半導体基板1の裏面に、研削した基板厚に応じた厚膜レジストを塗布し、フォトリソグラフィーにより加工してレジストパターン53を形成する。そして、レジストパターン53をマスクとして、Au電極2の表面の一部が露出するまで半導体基板1を燐酸系及び沸酸系ウェットエッチング、もしくは塩素系及びフッ素系ドライエッチングを施し、壁面がテーパ状となるビアホール3を形成する。
【0051】
続いて、図4(c)に示すように、ビアホール3の壁面を覆うように半導体基板1の裏面上に給電メタルとなるNiCr膜13及びAu膜14を形成する。
【0052】
続いて、半導体基板1を所定のメッキ槽のAu系メッキ液に浸漬させ、低硬度Auメッキ膜及び高硬度Auメッキ膜(共に不図示)を順次メッキ成膜し、これらをパターニングすることにより、図5(a)に示すような低硬度の第1の配線層11及び高硬度の第2の配線層12を形成し、2層構造の配線4を作製する。このとき、Auメッキ膜の硬度調節を行う簡便な手法としてはメッキ電流量を変えることが好適であり、メッキ電流量を大きくすれば硬度を高く、小さくすれば硬度を低く設定することができる。
【0053】
続いて、図5(b)に示すように、研削用治具52を取り外し、硬化した保護膜51の剥離処理を行いこれを除去する。
【0054】
続いて、図5(c)に示すように、半導体装置1を分割してチップ化し、配線層12を覆いビアホール3を埋め込むように、ロー材として使用されるAuSn層15を形成し、このAuSn層15により半導体基板1をパッケージ10にダイス付けし、図6に示すようなMESFETを完成させる。
【0055】
以上説明したように、本実施形態によれば、化合物半導体基板1に形成されたビアホール3近傍で当該基板1に生じがちな基板破壊及び断線等を防止し、製造歩留まりに優れた極めて信頼性の高いMESFETが実現する。
【0056】
−変形例−
ここで、第1の実施形態の変形例について説明する。
本例では、配線構造を形成するに際して、図7に示すように、給電メタルとなるNiCr膜13及びAu膜14をビアホール3内及びその近傍のみにパターン形成し、これに倣ってビアホール3内及びその近傍のみに低硬度Auメッキ膜を成膜した後、NiCr膜13及びAu膜14のパターニングに用いたレジストパターン(不図示)を除去し、高硬度Auメッキ膜を成膜して、これらメッキ膜をパターニングすることにより、低硬度の第1の配線層11及び高硬度の第2の配線層12を形成し、2層構造の配線4を作製する。
【0057】
本例の場合も、第1の実施形態と同様に、前記2層構造の配線2を形成することにより、応力緩和を図るとともにダイス付け材料であるAuSn層15のSn成分が当該第2の配線層12中に拡散することが防止され、化合物半導体基板1に形成されたビアホール3近傍で当該半導体基板1に生じがちな基板破壊及び断線等を防止し、製造歩留まりに優れた極めて信頼性の高いMESFETが実現する。
【0058】
(第2の実施形態)
次いで、本発明の第2の実施形態について説明する。ここでは、第1の実施形態と同様にMESFETを例示するが、低硬度の第1の配線層と高硬度の第2の配線層とを離間させて形成する点で相違する。
【0059】
−半導体基板のビアホール内の配線構造−
本実施形態では、MESFETにおける半導体基板のビアホール内に形成された配線構造を主要構成として開示する。そこで先ず、当該配線構造について図8を用いて説明する。
【0060】
本実施形態における配線構造は、GaAs等からなる化合物半導体基板1の表面にメッキ法により形成されたAu膜をパターニングしてなるAu電極2が形成され、このAu電極2と電気的接続を図るため、半導体基板1に形成されたビアホール21内を介して配線22が形成されてなるものである。
【0061】
ビアホール21は、半導体基板1の表面でAu電極2の下部に形成された表面孔21aと、半導体基板1の裏面から表面孔21aと連通するように形成された裏面孔21bとから構成されている。
【0062】
配線22は、メッキ法により形成されるAu配線であって、表面孔21a内に形成された低硬度の配線層11と、裏面孔21b内を含む領域に形成された高硬度の配線層12との2層構造に形成されてなるものである。
【0063】
具体的には、先ずAu電極2を形成する前に、メッキ電流を供給するための給電メタルとなるTi膜23及びAu膜24が表面孔21a内に形成され、Au膜24上にメッキ法及びパターニングにより低硬度Auメッキ膜からなる低硬度の第1の配線層25が形成されて、この低硬度の配線層25上にAu電極2が形成される。
【0064】
他方、メッキ電流を供給するための給電メタルとなるNiCr膜13及びAu膜14が裏面孔21b内を含む半導体基板1の裏面上に順次成膜され、Au膜14上にメッキ法及びパターニングにより高硬度Auメッキ膜からなる高硬度の第2の配線層26が形成される。このように、低硬度の第1の配線層25と高硬度の第2の配線層26とが給電メタルを介して電気的に接続され、硬度の異なる2層構造を備えた配線22が構成される。
【0065】
そして、配線層12を覆い裏面孔21bを埋め込むように、ロー材として使用されるAuSn層15が形成され、このAuSn層15により半導体基板1がパッケージ10にダイス付けされている。
【0066】
本実施形態の配線構造においては、ビアホール21に対して、表面孔21aには第1の配線層25を、裏面孔21bには第1の配線層25よりも硬度の高い第2の配線層26を積層して配線22を構成する。構造的に見れば、低硬度の第1の配線層25を介して半導体基板1上に高硬度の第2の配線層26が形成されており、第2の配線層26は、半導体基板1及びその上に形成されたAu電極2に懸かる応力と、第1の配線層25に懸かる応力をそれぞれ緩和する緩衝材として機能する。更に、第2の配線層26はその硬度に比例して緻密に形成されているため、第2の配線層26上に形成するダイス付け材料であるAuSn層15のSn成分が当該第2の配線層26中に拡散することが防止され、第2の配線層26はその硬度が保たれる。これにより、応力集中による基板破壊の発生、及びそれを起因とする配線4の断線やAu電極2の陥没の防止が実現する。
【0067】
−MESFETの構成及び製造方法−
以下、上述の配線構造を踏まえたMESFETの構成及び製造方法について説明する。なお便宜上、MESFETの製造工程と共にその構成について述べる。図9〜図11は、本実施形態のMESFETの製造方法を工程順に示し、特に配線構造の作製工程を詳細に説明するための概略断面図である。
【0068】
先ず、第1の実施形態と同様、図3(a),図3(b)に示すように、化合物半導体基板1上に、オーバーハング形状のゲート電極31、ソース/ドレイン電極と接続されるAuGe膜32,33、及びゲート絶縁膜34の形成を行う。
【0069】
続いて、図9(a)に示すように、半導体基板1のAu電極形成部位に表面孔21aを形成し、表面孔21a内に給電メタルとなるTi膜23及びAu膜24を形成して、Au膜24上にメッキ法及びパターニングにより低硬度Auメッキ膜からなる低硬度の第1の配線層25を形成する。
【0070】
次に、層間絶縁膜41、ビアホール42,43、ソース電極37、及びドレイン電極38、及び低硬度の第1の配線層25上にAu電極2をそれぞれ形成する。なお、図9(a)〜図9(c)では、便宜上、半導体基板1の表面にAu電極2のみ示し、層間絶縁膜41等の記載を省略する。
【0071】
続いて、図9(b)に示すように、Au電極2を覆う保護膜51を介して半導体基板1を研削用治具52に固定して、半導体基板1の裏面の研削を行う。半導体デバイス毎のインピーダンスと整合させるため、基板厚が20〜300μm程度となるまで研削する。
【0072】
続いて、図9(c)に示すように、半導体基板1の裏面に、Au電極2の表面の一部を露出させるように、壁面がテーパ状となる裏面孔21bを形成する。このとき、表面孔21aと裏面孔21bとが連通し、ビアホール21となる。
【0073】
次に、裏面孔21bの壁面を覆うように半導体基板1の裏面上に給電メタルとなるNiCr膜13及びAu膜14を形成し、高硬度Auメッキ膜メッキ成膜して、これらをパターニングすることにより、高硬度の第2の配線層26を形成する。
【0074】
続いて、研削用治具52を取り外し、硬化した保護膜51の剥離処理を行いこれを除去する。
そして、半導体装置1を分割してチップ化し、配線層12を覆いビアホール3を埋め込むように、ロー材として使用されるAuSn層15を形成し、このAuSn層15により半導体基板1をパッケージ10にダイス付けし、図10に示すようなMESFETを完成させる。
【0075】
以上説明したように、本実施形態によれば、化合物半導体基板1に形成されたビアホール3近傍で当該基板1に生じがちな基板破壊及び断線等を防止し、製造歩留まりに優れた極めて信頼性の高いMESFETが実現する。
【0076】
なお、第1及び第2の実施形態では、低硬度の第1の配線層11,25及び高硬度の第2の配線層12,26を電界メッキ成膜法により形成したが、本発明はこの成膜方法に限定されるものではない。例えば好適な例として、低硬度の第1の配線層−高硬度の第2の配線層の組み合わせにおいて、無電界メッキ−電界メッキ、電界メッキ−スパッタ、無電界メッキ−スパッタ、スパッタ−スパッタ、電界メッキ−蒸着、無電界メッキ−蒸着、蒸着−スパッタ、蒸着−蒸着が挙げられる。
【0077】
また、第1の配線層及び第2の配線層について、上述した諸効果を十分に奏する成膜金属の組み合わせは、低硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用してメッキ成膜し、高硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用してメッキ成膜する。この場合、双方の硬度の金属について考え得る全ての組み合わせが好適である。
【0078】
また、低硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用してメッキ成膜した後、高硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用して多層にメッキ成膜しても良い。
【0079】
更にまた、低硬度の金属としてAu若しくはCuを使用してメッキ成膜した後、高硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用してスパッタ又は蒸着成長により多層に形成しても良い。
【0080】
更にまた、低硬度の金属としてAu若しくはCuを使用してスパッタにより形成した後、高硬度の金属としてAu,AuGe,Cu,Pt,及びPdから選ばれた1種又は複数種を使用してスパッタ又は蒸着成長により多層に形成しても良い。
【0081】
更にまた、低硬度の金属としてAu若しくはCuを使用して蒸着により形成した後、AuGe,Pd,及びPtから選ばれた1種又は複数種を使用して蒸着成長により形成しても良い。
【0082】
電界メッキにおける給電メタルには、50〜500nmの膜厚を有するAu,AuGe,Cu,Pt,Pdが使用される。これら給電メタル形成の前にTi及びNiCrを成膜することにより、半導体基板、電極及び給電メタルの密着強化が得られる。しかしながら、化合物半導体基板1及びAu電極2に接触するTi及びNiCrはそれ自体が応力発生源となるため、膜厚は200nm以下が望ましい。低硬度メッキ層の膜厚が1μm以上であれば、密着強化としてのTi及びNiCrの膜厚は最大200nm、若しくは低硬度メッキ層の5倍以上の膜厚があれば、Ti及びNiCrが有する応力による基板破壊は発生しない。
【0083】
第1及び第2の実施形態では、化合物半導体基板としてGaAs基板を例示したが、InP基板等を用いても好適である。
【0084】
【発明の効果】
本発明によれば、化合物半導体基板に形成された接続孔近傍で当該基板に生じがちな基板破壊及び断線等を防止し、製造歩留まりに優れた極めて信頼性の高い半導体装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態のMESFETにおける配線構造を示す概略断面図である。
【図2】第1の実施形態の配線構造と比較・検討するための比較例を示す概略断面図である。
【図3】第1の実施形態のMESFETの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図4】図3に引き続き、第1の実施形態のMESFETの製造方法(配線構造の作製工程)を工程順に示す概略断面図である。
【図5】図4に引き続き、第1の実施形態のMESFETの製造方法(配線構造の作製工程)を工程順に示す概略断面図である。
【図6】完成された第1の実施形態のMESFETを示す概略断面図である。
【図7】第1の実施形態のMESFETの変形例における配線構造を示す概略断面図である。
【図8】第2の実施形態のMESFETにおける配線構造を示す概略断面図である。
【図9】第2の実施形態のMESFETの製造方法を工程順に示し、特に配線構造の作製工程を詳細に説明するための概略断面図である。
【図10】完成された第2の実施形態のMESFETを示す概略断面図である。
【図11】化合物半導体基板にビアホールを有する構造の半導体装置の従来例を示す概略断面図である。
【図12】従来の手法により化合物半導体装置に前記の障害が発生した様子を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 化合物半導体基板
2 Au電極
3,21,42,43 ビアホール
4,16,22 配線
10 パッケージ
11,25 低硬度の第1の配線層
12,26 高硬度の第2の配線層
13 NiCr膜
14,24,36,44,45 Au膜
15 AuSn層
21a 表面孔
21b 裏面孔
23 Ti膜
31 オーバーハング形状のゲート電極
32,33 AuGe膜
34 ゲート絶縁膜
35 Ni膜
37 ソース電極
38 ドレイン電極
41 層間絶縁膜
51 保護膜
52 研削用治具
53 レジストパターン
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a compound semiconductor substrate such as a Ga-As substrate and a method for manufacturing a semiconductor device, and particularly to a semiconductor device having a via hole in a substrate and having a metal interlayer connection.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a semiconductor device using a compound semiconductor substrate (hereinafter, simply referred to as a compound semiconductor device), a compound semiconductor substrate is used.ofA technique has been adopted in which a wiring is formed on the back surface and connected to an electrode formed on the substrate surface via a connection hole (via hole).
[0003]
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a semiconductor device having a structure having via holes in a compound semiconductor substrate.
In this compound semiconductor device, an Au electrode 102 is pattern-formed on a surface of a compound semiconductor substrate 101 such as a Ga-As substrate, and a wiring 103 and an electrode 102 formed on the back surface of the substrate 101 are connected to via holes 104. Connected within. The wiring 103 is formed by depositing a NiCr layer 111 and an Au layer 112 by a vapor deposition method, and forming an Au plating layer 113 using the deposited layer as a power supply metal.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described wiring structure is formed in a compound semiconductor device, there is a serious problem that failures such as breakage of a metal film constituting the wiring 103, depression of the Au electrode 102, and destruction of the semiconductor substrate 101 occur.
[0005]
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the above-described failure has occurred in a compound semiconductor device by a conventional method.
As shown in FIG. 12A, the sidewall of the via hole 104 is formed in a tapered shape, so that the thickness of the semiconductor substrate 101 near the bottom of the via hole 104 is reduced to about several μm. As a result, the stress of the semiconductor substrate 101, the Au electrode 102, and the wiring 103 acts on the thin portion 112 of the substrate in contact with the Au electrode 102 and the via hole 104, and the substrate is broken as shown in FIG. Further, this substrate destruction causes disconnection 113 in the Au electrode 102 and the wiring 103.
[0006]
As described above, conventionally, in order to respond to recent demands for miniaturization and miniaturization of compound semiconductor devices, if a via contact is attempted using the back surface of the substrate, stress is necessarily applied to a thin portion. There is a problem that the substrate and its neighboring structures are concentrated and damaged.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and prevents a substrate from being broken or broken in the vicinity of a connection hole formed in a compound semiconductor substrate, and has excellent reliability in manufacturing yield. And a method of manufacturing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies, the present inventor has reached various aspects of the invention described below.
[0009]
The inventor of the present invention has found that, due to the destruction of the substrate or the breaking of the metal film in the vicinity of the connection hole formed in the compound semiconductor substrate, visual inspection failure due to electrode depression or characteristic failure due to an increase in wiring resistance are caused. It could be concluded that this was the main cause of the decrease in the yield as a semiconductor device. The present invention proposes an optimum semiconductor device structure and a method of manufacturing the same in order to prevent substrate breakdown and metal film disconnection.
[0010]
A semiconductor device according to the present invention includes a compound semiconductor substrate in which a connection hole is formed, a wiring formed as a stacked structure in the connection hole, and a wiring formed on the compound semiconductor substrate and electrically connected to the wiring. And the laminated structure of the wiring includes a first wiring layer and a second wiring layer having a higher hardness than the first wiring layer.Only, the first wiring layer and the second wiring layer are made of the same metal material.It is characterized by the following.
[0011]
In one aspect of the semiconductor device of the present invention, the connection hole is formed on a back surface of the compound semiconductor substrate, and the wiring is formed between the first wiring layer and the second wiring layer in the connection hole. Are laminated to form the laminated structure.
[0012]
In one aspect of the semiconductor device of the present invention, the connection hole is configured such that a first hole formed on a surface of the compound semiconductor substrate communicates with a second hole formed on a back surface of the compound semiconductor substrate. The first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other.
[0013]
In one embodiment of the semiconductor device of the present invention, the first wiring layer and the second wiring layer are both metal films formed by a plating method.
[0014]
In one aspect of the semiconductor device of the present invention, the first wiring layer and the second wiring layer are formed by different growth methods.
[0015]
Semiconductor device of the present inventionForming a connection hole in the compound semiconductor substrate, forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole, and forming the first wiring on a surface of the first wiring layer. Forming a second wiring layer having a hardness higher than that of the first wiring layer, wherein the first wiring layer and the second wiring layer are formed of the same metal material.It is characterized by the following.
[0016]
Semiconductor device of the present inventionIn one aspect of the manufacturing method, the connection hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, and the wiring is formed by laminating the first wiring layer and the second wiring layer in the connection hole. It is formed as follows.
[0017]
Manufacturing method of semiconductor device of the present inventionIn one aspect, the connection hole, a first hole on the front surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole on the back surface of the compound semiconductor substrate are respectively formed, and the first hole and the second hole are formed. The first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other. I do.
[0018]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The method further includes forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer.
[0019]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The first wiring layer and the second wiring layer are formed by different growth methods.
[0020]
Manufacturing method of semiconductor device of the present inventionForming a connection hole in the compound semiconductor substrate, forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole, forming a first wiring layer on the surface of the first wiring layer, Forming a second wiring layer having high hardness, wherein at least one of the first wiring layer and the second wiring layer is formed by a plating method, and when the plating method is performed, a plating current is reduced. The hardness of the first wiring layer and / or the hardness of the second wiring layer is adjusted by controlling the supply amount.
[0021]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The connection hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, and the wiring is formed such that the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole.
[0022]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The connection hole, a first hole on the surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole on the back surface of the compound semiconductor substrate, respectively, so that the first hole communicates with the second hole. The first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other.
[0023]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The method further includes forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer.
[0024]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, both the first wiring layer and the second wiring layer are formed by a plating method.
[0025]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,When performing the plating method, the method further includes a step of forming a plating electrode before forming the first wiring layer.
[0026]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The plating electrode is formed to a predetermined thickness of 200 nm or less.
[0027]
Manufacturing method of semiconductor device of the present inventionForming a connection hole in the compound semiconductor substrate, forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole, forming a first wiring layer on the surface of the first wiring layer, Forming a second wiring layer having high hardness, wherein both the first wiring layer and the second wiring layer are formed by a plating method, and the first wiring is formed when the plating method is performed. The layer is formed by supplying a smaller plating current than at the time of forming the second wiring layer.
[0028]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The connection hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, and the wiring is formed such that the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole.
[0029]
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention,The connection hole, a first hole on the surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole on the back surface of the compound semiconductor substrate, respectively, so that the first hole communicates with the second hole. The first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other.
In one embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the method further includes a step of forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer. Including.
In one aspect of the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the hardness of the first wiring layer and the second wiring layer is adjusted by controlling a supply amount of a plating current when performing the plating method. .
In one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the step of performing the plating method further includes a step of forming a plating electrode before forming the first wiring layer.
In one aspect of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the plating electrode is formed to a predetermined thickness of 200 nm or less.
[0030]
In the present invention, a wiring is formed by sequentially laminating a first wiring layer and a second wiring layer having a higher hardness than the first wiring layer in the connection hole. From a structural point of view, a second wiring layer having a high hardness is formed on the semiconductor substrate via a first wiring layer having a low hardness, and the second wiring layer is formed on the semiconductor substrate (and formed on the semiconductor substrate). Function as a buffer material for relieving the stress on the applied electrode) and the stress on the first wiring layer. Furthermore, since the second wiring layer is densely formed in proportion to its hardness, the components of the dicing material formed on the second wiring layer are prevented from diffusing into the second wiring layer. Thus, the hardness of the second wiring layer is maintained. As a result, occurrence of substrate destruction due to stress concentration and prevention of disconnection of wiring and depression of electrodes caused by the destruction are realized.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
(1st Embodiment)
In the present embodiment, a MESFET using a compound semiconductor substrate is exemplified as a semiconductor device.
[0033]
-Wiring structure in via hole of semiconductor substrate-
In the present embodiment, a wiring structure formed in a via hole of a semiconductor substrate in a MESFET is disclosed as a main configuration. Therefore, first, the wiring structure will be described with reference to FIG.
[0034]
In the wiring structure according to the present embodiment, an Au electrode 2 formed by patterning an Au film formed by plating on the surface of a compound semiconductor substrate 1 made of GaAs or the like is formed, and the Au electrode 2 is electrically connected to the Au electrode 2. The wiring 4 is formed in the back surface region including the inside of the via hole 3 formed so as to expose a part of the surface of the Au electrode 2 from the back surface of the semiconductor substrate 1.
[0035]
The wiring 4 is an Au wiring formed by a plating method, and has a two-layer structure of a first wiring layer 11 having a low hardness and a second wiring layer 12 having a high hardness. is there.
[0036]
Specifically, first, a NiCr film 13 and an Au film 14 serving as power supply metals (plating electrodes) for supplying a plating current are sequentially formed in the via hole 3 so as to be connected to the Au electrode 2. A low-hardness Au plating film and a high-hardness Au plating film are sequentially formed thereon by a plating method, and a low-hardness wiring layer 11 and a high-hardness wiring layer 12 are formed by patterning to provide a two-layer structure having different hardnesses. The wiring 4 is obtained. In order to change the hardness by plating, the amount of plating current to be supplied may be changed. The amount of plating current is small when forming the wiring layer 11 having low hardness, and the amount of plating current is low when forming the wiring layer 12 having high hardness. What is necessary is just to set a large amount of current.
[0037]
Then, an AuSn layer 15 used as a brazing material is formed so as to cover the wiring layer 12 and fill the via hole 3, and the semiconductor substrate 1 is diced to the package 10 by the AuSn layer 15.
[0038]
FIG. 2 shows a comparative example for comparison and study with the wiring structure of the present embodiment.
In this comparative example, as shown in FIG. 2A, a NiCr film 13 and an Au film 14 are formed in the via hole 3, a low-hardness Au plating film 17 is formed on the Au film 14, and a wiring 16 is formed from these. Was configured.
[0039]
In this comparative example, by forming the wiring 16 with a material having low hardness, the stress of the wiring 16 itself is reduced, and the stress of the semiconductor substrate 1, the NiCr film 13, the Au film 14, and the Au electrode 2 is reduced. 16 and tried to prevent the substrate from being broken.
[0040]
However, after forming the wiring 16, the AuSn layer 15 is formed in the same manner as in the present embodiment, and the package 10 is diced. As shown in FIG. 2B, the Sn component of the AuSn layer 15 Diffusion alloying (indicated by reference numeral 18 in the drawing) increased the plating hardness of the wiring 16. As a result, a strong stress was applied to the semiconductor substrate 1 from all of the various metals in the via hole 3, and the substrate was broken as in the conventional case.
[0041]
On the other hand, in the wiring structure of the present embodiment, the wiring 4 is formed by sequentially laminating the first wiring layer 11 and the second wiring layer 12 having higher hardness than the via hole 3. . From a structural point of view, a second wiring layer 12 having a high hardness is formed on the semiconductor substrate 1 via a first wiring layer 11 having a low hardness. It functions as a buffer that relieves the stress applied to the Au electrode 2 formed thereon and the stress applied to the first wiring layer 11. Further, since the second wiring layer 12 is densely formed in proportion to its hardness, the Sn component of the AuSn layer 15 which is a dicing material formed on the second wiring layer 12 is reduced by the second wiring layer. Diffusion into the layer 12 is prevented, and the hardness of the second wiring layer 12 is maintained. Thus, the occurrence of substrate destruction due to stress concentration, and the prevention of disconnection of the wiring 4 and the depression of the Au electrode 2 due to the destruction are realized.
[0042]
-Configuration and manufacturing method of MESFET-
Hereinafter, a configuration and a manufacturing method of the MESFET based on the above-described wiring structure will be described. For convenience, the configuration of the MESFET will be described together with its manufacturing process. 3 to 6 are schematic cross-sectional views showing a method of manufacturing the MESFET of the present embodiment in the order of steps, and FIGS. 4 and 5 are schematic cross-sectional views for specifically explaining the steps of manufacturing a wiring structure.
[0043]
First, as shown in FIG. 3A, a semi-insulating compound semiconductor substrate 1 made of GaAs or the like is prepared, and an overhang-shaped gate electrode 31 is formed by patterning.
[0044]
Specifically, for example, an Al alloy film (not shown) is formed on the semiconductor substrate 1 by a sputtering method, and then a resist pattern (not shown) having a predetermined shape is formed on the Al alloy film. Only the upper part of the alloy film is dry-etched, and subsequently the lower part of the Al alloy film is wet-etched. At this time, under the resist pattern, an overhang shape comprising the upper layer portion remaining following the shape of the resist pattern by dry etching and the upper layer portion formed narrower than the upper layer portion by wet etching. Gate electrode 31 is formed.
[0045]
Subsequently, as shown in FIG. 3B, after AuGe films 32 and 33 are pattern-formed on the source / drain formation portions of the semiconductor substrate 1, SiO 2 is formed on the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrode 31.2The gate insulating film 34 made of is formed.
[0046]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the gate insulating film 34 on the AuGe films 32 and 33 is selectively removed, and the thickness of the gate insulating film 34 is reduced to a thickness such that the gate electrode 31 is embedded.2Is deposited to form an interlayer insulating film 41 made of. Then, via holes 42 and 43 are pattern-formed in the interlayer insulating film 41 so as to expose a part of the surface of the AuGe films 32 and 33 and a part of the Au electrode formation site.
[0047]
Next, in the via hole 42, an Au film 36 is formed via a Ni film 35, and the Ni film 35 and the Au film 36 are patterned to form a source electrically connected to the AuGe films 32, 33. An electrode 37 and a drain electrode 38 are formed.
[0048]
On the other hand, in the via hole 43, after forming an Au film 44 as a plating base, an Au film 45 is formed by a plating method, and the Au films 44, 45 are patterned to form the Au electrode 2.
[0049]
Subsequently, the above-described wiring structure is formed. For convenience, in each of FIGS. 4A and 4B, the Au electrode 2 composed of the Au films 44 and 45 is simplified in a single-layer structure.
Specifically, first, as shown in FIG. 4A, a protective film 51 is applied and formed so as to cover the surface of the semiconductor substrate 1, and this is cured. A grinding jig 52 is set on the cured protective film 51, and the back surface of the semiconductor substrate 1 is ground. Grinding is performed until the substrate thickness becomes about 20 to 300 μm in order to match the impedance of each semiconductor device.
[0050]
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a thick film resist corresponding to the ground substrate thickness is applied to the back surface of the semiconductor substrate 1 and processed by photolithography to form a resist pattern 53. Then, using the resist pattern 53 as a mask, the semiconductor substrate 1 is subjected to phosphoric acid-based and hydrofluoric acid-based wet etching or chlorine-based and fluorine-based dry etching until a part of the surface of the Au electrode 2 is exposed, so that the wall surface is tapered. Is formed.
[0051]
Subsequently, as shown in FIG. 4C, a NiCr film 13 and an Au film 14 serving as a power supply metal are formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 so as to cover the wall surfaces of the via holes 3.
[0052]
Subsequently, the semiconductor substrate 1 is immersed in an Au-based plating solution in a predetermined plating bath, and a low-hardness Au plating film and a high-hardness Au plating film (both not shown) are sequentially plated and formed, and these are patterned. A first wiring layer 11 having a low hardness and a second wiring layer 12 having a high hardness as shown in FIG. 5A are formed, and the wiring 4 having a two-layer structure is manufactured. At this time, it is preferable to change the amount of plating current as a simple method of adjusting the hardness of the Au plating film. The hardness can be set to be high when the amount of plating current is large, and to be low when the amount of plating current is small.
[0053]
Subsequently, as shown in FIG. 5B, the grinding jig 52 is removed, and the cured protective film 51 is subjected to a peeling treatment and removed.
[0054]
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the semiconductor device 1 is divided into chips, and an AuSn layer 15 used as a brazing material is formed so as to cover the wiring layer 12 and fill the via hole 3. The semiconductor substrate 1 is diced to the package 10 by the layer 15 to complete the MESFET as shown in FIG.
[0055]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to prevent substrate breakage, disconnection, and the like, which are likely to occur in the substrate 1 in the vicinity of the via hole 3 formed in the compound semiconductor substrate 1, and to achieve extremely high reliability in manufacturing yield. A high MESFET is realized.
[0056]
-Modification-
Here, a modified example of the first embodiment will be described.
In this example, when forming the wiring structure, as shown in FIG. 7, the NiCr film 13 and the Au film 14 serving as the power supply metal are patterned and formed only in the via hole 3 and in the vicinity thereof. After forming a low hardness Au plating film only in the vicinity thereof, a resist pattern (not shown) used for patterning the NiCr film 13 and the Au film 14 is removed, and a high hardness Au plating film is formed. By patterning the film, the first wiring layer 11 having a low hardness and the second wiring layer 12 having a high hardness are formed, and the wiring 4 having a two-layer structure is manufactured.
[0057]
Also in the case of this example, as in the first embodiment, by forming the wiring 2 having the two-layer structure, stress is reduced and the Sn component of the AuSn layer 15 which is a dicing material is changed to the second wiring. Diffusion into the layer 12 is prevented, substrate breakage, disconnection, and the like, which tend to occur in the semiconductor substrate 1 near the via hole 3 formed in the compound semiconductor substrate 1, are prevented, and extremely high reliability with excellent manufacturing yield is obtained. MESFET is realized.
[0058]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Here, a MESFET is illustrated as in the first embodiment, but is different in that a low hardness first wiring layer and a high hardness second wiring layer are formed apart from each other.
[0059]
-Wiring structure in via hole of semiconductor substrate-
In the present embodiment, a wiring structure formed in a via hole of a semiconductor substrate in a MESFET is disclosed as a main configuration. Therefore, first, the wiring structure will be described with reference to FIG.
[0060]
In the wiring structure according to the present embodiment, an Au electrode 2 formed by patterning an Au film formed by plating on the surface of a compound semiconductor substrate 1 made of GaAs or the like is formed, and the Au electrode 2 is electrically connected to the Au electrode 2. The wiring 22 is formed through a via hole 21 formed in the semiconductor substrate 1.
[0061]
The via hole 21 includes a surface hole 21a formed below the Au electrode 2 on the surface of the semiconductor substrate 1, and a back surface hole 21b formed from the back surface of the semiconductor substrate 1 so as to communicate with the surface hole 21a. .
[0062]
The wiring 22 is an Au wiring formed by a plating method, and includes a low-hardness wiring layer 11 formed in the front surface hole 21a and a high-hardness wiring layer 12 formed in a region including the back surface hole 21b. In a two-layer structure.
[0063]
Specifically, first, before forming the Au electrode 2, a Ti film 23 and an Au film 24 serving as a power supply metal for supplying a plating current are formed in the surface holes 21a. The first wiring layer 25 having a low hardness made of a low-hardness Au plating film is formed by patterning, and the Au electrode 2 is formed on the low-hardness wiring layer 25.
[0064]
On the other hand, a NiCr film 13 and an Au film 14 serving as a power supply metal for supplying a plating current are sequentially formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 including the inside of the back surface hole 21b, and are formed on the Au film 14 by plating and patterning. A high hardness second wiring layer 26 made of a hard Au plating film is formed. In this manner, the first wiring layer 25 having a low hardness and the second wiring layer 26 having a high hardness are electrically connected via the power supply metal, and the wiring 22 having a two-layer structure having different hardness is configured. You.
[0065]
Then, an AuSn layer 15 used as a brazing material is formed so as to cover the wiring layer 12 and fill the back surface hole 21b, and the semiconductor substrate 1 is diced to the package 10 by the AuSn layer 15.
[0066]
In the wiring structure of the present embodiment, the first wiring layer 25 is provided in the front surface hole 21 a and the second wiring layer 26 having higher hardness than the first wiring layer 25 is provided in the back surface hole 21 b with respect to the via hole 21. Are laminated to form the wiring 22. From a structural point of view, a high-hardness second wiring layer 26 is formed on the semiconductor substrate 1 with the low-hardness first wiring layer 25 interposed therebetween. It functions as a buffer that relieves the stress applied to the Au electrode 2 formed thereon and the stress applied to the first wiring layer 25. Further, since the second wiring layer 26 is densely formed in proportion to its hardness, the Sn component of the AuSn layer 15 which is a dicing material to be formed on the second wiring layer 26 depends on the second wiring layer 26. Diffusion into the layer 26 is prevented, and the hardness of the second wiring layer 26 is maintained. Thus, the occurrence of substrate destruction due to stress concentration, and the prevention of disconnection of the wiring 4 and the depression of the Au electrode 2 due to the destruction are realized.
[0067]
-Configuration and manufacturing method of MESFET-
Hereinafter, a configuration and a manufacturing method of the MESFET based on the above-described wiring structure will be described. For convenience, the configuration of the MESFET will be described together with its manufacturing process. 9 to 11 are schematic cross-sectional views for illustrating a method of manufacturing the MESFET of the present embodiment in the order of steps, and particularly for explaining in detail a step of manufacturing a wiring structure.
[0068]
First, as in the first embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, an AuGe connected to an overhang-shaped gate electrode 31 and source / drain electrodes is formed on a compound semiconductor substrate 1. The films 32 and 33 and the gate insulating film 34 are formed.
[0069]
Subsequently, as shown in FIG. 9A, a surface hole 21a is formed in the Au electrode formation site of the semiconductor substrate 1, and a Ti film 23 and an Au film 24 serving as a power supply metal are formed in the surface hole 21a. A low-hardness first wiring layer 25 made of a low-hardness Au plating film is formed on the Au film 24 by plating and patterning.
[0070]
Next, the Au electrode 2 is formed on the interlayer insulating film 41, the via holes 42 and 43, the source electrode 37, the drain electrode 38, and the low-hardness first wiring layer 25, respectively. 9A to 9C, only the Au electrode 2 is shown on the surface of the semiconductor substrate 1 for convenience, and the illustration of the interlayer insulating film 41 and the like is omitted.
[0071]
Subsequently, as shown in FIG. 9B, the semiconductor substrate 1 is fixed to a grinding jig 52 via a protective film 51 covering the Au electrode 2, and the back surface of the semiconductor substrate 1 is ground. Grinding is performed until the substrate thickness becomes about 20 to 300 μm in order to match the impedance of each semiconductor device.
[0072]
Subsequently, as shown in FIG. 9C, a back surface hole 21b having a tapered wall surface is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 so that a part of the surface of the Au electrode 2 is exposed. At this time, the front surface hole 21a and the back surface hole 21b communicate with each other to form the via hole 21.
[0073]
Next, a NiCr film 13 and an Au film 14 serving as a power supply metal are formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 so as to cover the wall surface of the back surface hole 21b, and a high-hardness Au plating film is plated and patterned. Thereby, the second wiring layer 26 having high hardness is formed.
[0074]
Subsequently, the grinding jig 52 is removed, and the cured protective film 51 is subjected to a peeling process to remove it.
Then, the semiconductor device 1 is divided into chips, an AuSn layer 15 used as a brazing material is formed so as to cover the wiring layer 12 and fill the via holes 3, and the semiconductor substrate 1 is diced into the package 10 by the AuSn layer 15. To complete the MESFET as shown in FIG.
[0075]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to prevent substrate breakage, disconnection, and the like, which are likely to occur in the substrate 1 in the vicinity of the via hole 3 formed in the compound semiconductor substrate 1, and to achieve extremely high reliability in manufacturing yield. A high MESFET is realized.
[0076]
In the first and second embodiments, the first wiring layers 11 and 25 having low hardness and the second wiring layers 12 and 26 having high hardness are formed by the electroplating method. It is not limited to a film forming method. For example, as a preferred example, in a combination of a first wiring layer having a low hardness and a second wiring layer having a high hardness, electroless plating-electroplating, electroplating-sputter, electroless plating-sputter, sputter-sputter, electric field Examples include plating-deposition, electroless plating-deposition, deposition-sputtering, and deposition-deposition.
[0077]
Further, for the first wiring layer and the second wiring layer, a combination of film-forming metals that sufficiently exhibit the above-described effects is selected from Au, AuGe, Cu, Pt, and Pd as low-hardness metals. A plating film is formed by using one or a plurality of kinds, and a plating film is formed by using one or more kinds selected from Au, AuGe, Cu, Pt, and Pd as a metal having high hardness. In this case, all possible combinations of metals of both hardnesses are suitable.
[0078]
Further, after plating film formation using one or more kinds selected from Au, AuGe, Cu, Pt, and Pd as low hardness metals, Au, AuGe, Cu, Pt, and high hardness metals are used. One or more selected from Pd may be used to form a multilayer plating film.
[0079]
Furthermore, after forming a plating film using Au or Cu as a low-hardness metal, sputtering is performed using one or more of Au, AuGe, Cu, Pt, and Pd as a high-hardness metal. Alternatively, a multilayer may be formed by vapor deposition growth.
[0080]
Further, after forming by sputtering using Au or Cu as the low hardness metal, sputtering is performed using one or more kinds selected from Au, AuGe, Cu, Pt and Pd as the high hardness metal. Alternatively, a multilayer may be formed by vapor deposition growth.
[0081]
Furthermore, after forming by vapor deposition using Au or Cu as a low-hardness metal, it may be formed by vapor deposition growth using one or more selected from AuGe, Pd, and Pt.
[0082]
Au, AuGe, Cu, Pt, and Pd having a thickness of 50 to 500 nm are used as the power supply metal in the electrolytic plating. By forming a film of Ti and NiCr before forming the power supply metal, the adhesion between the semiconductor substrate, the electrode, and the power supply metal can be enhanced. However, the thickness of Ti and NiCr in contact with the compound semiconductor substrate 1 and the Au electrode 2 itself is a source of stress, and therefore the thickness is desirably 200 nm or less. When the thickness of the low-hardness plating layer is 1 μm or more, the thickness of Ti and NiCr as adhesion strengthening is 200 nm at the maximum, or when the thickness of the low-hardness plating layer is 5 times or more, the stress of Ti and NiCr has No substrate destruction occurs.
[0083]
In the first and second embodiments, a GaAs substrate is exemplified as a compound semiconductor substrate, but an InP substrate or the like may be preferably used.
[0084]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the destruction of a board | substrate and disconnection which tend to occur in the vicinity of the connection hole formed in the compound semiconductor substrate are prevented, and the highly reliable semiconductor device excellent in manufacturing yield is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a wiring structure in a MESFET according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a comparative example for comparing and studying with the wiring structure of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the MESFET of the first embodiment in the order of steps.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the MESFET of the first embodiment (a step of manufacturing a wiring structure) in the order of steps, following FIG. 3;
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a method of manufacturing the MESFET of the first embodiment (a step of forming a wiring structure) in the order of steps, following FIG. 4;
FIG. 6 is a schematic sectional view showing the completed MESFET of the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic sectional view showing a wiring structure in a modification of the MESFET of the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a wiring structure in the MESFET of the second embodiment.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for illustrating a method of manufacturing the MESFET of the second embodiment in the order of steps, and particularly for explaining in detail a step of manufacturing a wiring structure.
FIG. 10 is a schematic sectional view showing a completed MESFET of the second embodiment.
FIG. 11 is a schematic sectional view showing a conventional example of a semiconductor device having a via hole in a compound semiconductor substrate.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the above-described fault has occurred in a compound semiconductor device by a conventional method.
[Explanation of symbols]
1 Compound semiconductor substrate
2 Au electrode
3,21,42,43 Via hole
4,16,22 wiring
10 packages
11,25 Low hardness first wiring layer
12,26 High Hardness Second Wiring Layer
13 NiCr film
14, 24, 36, 44, 45 Au film
15 AuSn layer
21a Surface hole
21b Back hole
23 Ti film
31 Overhang gate electrode
32,33 AuGe film
34 Gate insulating film
35 Ni film
37 source electrode
38 Drain electrode
41 Interlayer insulating film
51 Protective film
52 Grinding jig
53 resist pattern

Claims (24)

接続孔が形成された化合物半導体基板と、
前記接続孔内で積層構造として形成されてなる配線と、
前記化合物半導体基板上に形成され、前記配線と電気的に接続されてなる電極と
を備え、
前記配線の前記積層構造は、第1の配線層と、前記第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層とを含み、前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、同一の金属材料からなるものであることを特徴とする半導体装置。
A compound semiconductor substrate having connection holes formed therein,
Wiring formed as a laminated structure in the connection hole,
An electrode formed on the compound semiconductor substrate and electrically connected to the wiring,
The laminated structure of the wiring includes a first wiring layer, said saw including a high hardness second wiring layers than the first wiring layer, the first wiring layer and the second wiring layer Semiconductor devices made of the same metal material .
前記接続孔は、前記化合物半導体基板の裏面に形成されており、
前記配線は、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層され、前記積層構造を構成してなるものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The connection hole is formed on a back surface of the compound semiconductor substrate,
2. The semiconductor according to claim 1, wherein the wiring has a structure in which the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole to form the stacked structure. 3. apparatus.
前記接続孔は、前記化合物半導体基板の表面に形成された第1の孔と、前記化合物半導体基板の裏面に形成された第2の孔とが連通するように形成されたものであり、
前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層が形成され、他方内に前記第2の配線層が形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。
The connection hole is formed such that a first hole formed on the front surface of the compound semiconductor substrate and a second hole formed on the back surface of the compound semiconductor substrate communicate with each other;
2. The device according to claim 1, wherein the first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other. 13. The semiconductor device according to claim 1.
前記第1の配線層及び前記第2の配線層は、共にメッキ法により形成された金属膜であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first wiring layer and the second wiring layer are both metal films formed by a plating method. 5. 前記第1の配線層と前記第2の配線層は、相異なる成長法により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein the first wiring layer and the second wiring layer are formed by different growth methods. 化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程と
を含み、
前記第1の配線層及び前記第2の配線層を、同一の金属材料から形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a connection hole in the compound semiconductor substrate;
Forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole;
Look including the step of forming the first second wiring layer higher hardness than that of the first wiring layer on the surface of the wiring layer,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first wiring layer and the second wiring layer are formed from the same metal material .
前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、
前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the connection hole on the back surface of the compound semiconductor substrate;
7. The method according to claim 6 , wherein the wiring is formed such that the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole.
前記接続孔を、
前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、
前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
The connection hole,
A first hole is formed on the front surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, so that the first hole and the second hole communicate with each other. And
7. The method according to claim 6 , wherein the first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。9. The method according to claim 6 , further comprising: forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer. 9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第1の配線層と前記第2の配線層を、相異なる成長法により形成することを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 6 , wherein the first wiring layer and the second wiring layer are formed by different growth methods. 化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程と
を含み、
前記第1の配線層及び前記第2の配線層の少なくとも一方をメッキ法により形成し、前記メッキ法を実行するに際して、メッキ電流の供給量を制御することにより、前記第1の配線層及び/又は前記第2の配線層の硬度を調節することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a connection hole in the compound semiconductor substrate;
Forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole;
Look including the step of forming the first second wiring layer higher hardness than that of the first wiring layer on the surface of the wiring layer,
At least one of the first wiring layer and the second wiring layer is formed by a plating method, and when the plating method is performed, a supply amount of a plating current is controlled, so that the first wiring layer and / or the second wiring layer are formed. Alternatively, a method for manufacturing a semiconductor device, comprising adjusting the hardness of the second wiring layer .
前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、
前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the connection hole on the back surface of the compound semiconductor substrate;
12. The method according to claim 11 , wherein the wiring is formed such that the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole.
前記接続孔を、
前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、
前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
The connection hole,
A first hole is formed on the front surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, so that the first hole and the second hole communicate with each other. And
12. The device according to claim 11 , wherein the first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 14. The method according to claim 11 , further comprising: forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer. 9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第1の配線層及び前記第2の配線層を、共に前記メッキ法により形成することを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。The method according to any one of claims 11 to 14 , wherein both the first wiring layer and the second wiring layer are formed by the plating method. 前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を形成する前に、メッキ電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項11〜15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 16. The semiconductor device according to claim 11 , further comprising a step of forming a plating electrode before forming the first wiring layer when performing the plating method. Production method. 前記メッキ電極を、200nm以下の所定膜厚に形成することを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。17. The method according to claim 16 , wherein the plating electrode is formed to a predetermined thickness of 200 nm or less. 化合物半導体基板に接続孔を形成する工程と、
前記接続孔内を含む領域に第1の配線層を形成する工程と、
前記第1の配線層の表面に当該第1の配線層よりも硬度の高い第2の配線層を形成する工程と
を含み、
前記第1の配線層及び前記第2の配線層を共にメッキ法により形成し、前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を、前記第2の配線層の形成時よりもメッキ電流を少なく供給することにより形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a connection hole in the compound semiconductor substrate;
Forming a first wiring layer in a region including the inside of the connection hole;
Look including the step of forming the first second wiring layer higher hardness than that of the first wiring layer on the surface of the wiring layer,
The first wiring layer and the second wiring layer are both formed by a plating method, and when the plating method is performed, the first wiring layer is formed with a higher plating current than when the second wiring layer is formed. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by forming a semiconductor device by supplying a small amount of silicon.
前記接続孔を、前記化合物半導体基板の裏面に形成し、
前記配線を、前記接続孔内で前記第1の配線層と前記第2の配線層とが積層されるように形成することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
Forming the connection hole on the back surface of the compound semiconductor substrate;
19. The method according to claim 18 , wherein the wiring is formed such that the first wiring layer and the second wiring layer are stacked in the connection hole.
前記接続孔を、
前記化合物半導体基板の表面に第1の孔を、前記化合物半導体基板の裏面に第2の孔をそれぞれ形成して、前記第1の孔と前記第2の孔とが連通してなるように形成し、
前記第1の孔及び前記第2の孔のいずれか一方内に前記第1の配線層を形成し、他方内に前記第2の配線層を形成することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。
The connection hole,
A first hole is formed on the front surface of the compound semiconductor substrate, and a second hole is formed on the back surface of the compound semiconductor substrate, so that the first hole and the second hole communicate with each other. And
19. The method according to claim 18 , wherein the first wiring layer is formed in one of the first hole and the second hole, and the second wiring layer is formed in the other. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記化合物半導体基板上に、前記第1の配線層及び前記第2の配線層と電気的に接続されるように、電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項18〜20のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 21. The method according to claim 18 , further comprising forming an electrode on the compound semiconductor substrate so as to be electrically connected to the first wiring layer and the second wiring layer. 9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記メッキ法を実行するに際して、メッキ電流の供給量を制御することにより、前記第1の配線層及び前記第2の配線層の硬度を調節することを特徴とする請求項18〜21のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。22. The method according to claim 18 , wherein when performing the plating method, the hardness of the first wiring layer and the second wiring layer is adjusted by controlling a supply amount of a plating current. 2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記メッキ法を実行するに際して、前記第1の配線層を形成する前に、メッキ電極を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項18〜22のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 23. The semiconductor device according to claim 18 , further comprising a step of forming a plating electrode before forming the first wiring layer when performing the plating method. Production method. 前記メッキ電極を、200nm以下の所定膜厚に形成することを特徴とする請求項23に記載の半導体装置の製造方法。24. The method according to claim 23 , wherein the plating electrode is formed to a predetermined thickness of 200 nm or less.
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