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JP5024348B2 - 基板の表面に樹脂絶縁膜のパターンを形成する方法及び半導体装置 - Google Patents

基板の表面に樹脂絶縁膜のパターンを形成する方法及び半導体装置 Download PDF

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JP5024348B2
JP5024348B2 JP2009237509A JP2009237509A JP5024348B2 JP 5024348 B2 JP5024348 B2 JP 5024348B2 JP 2009237509 A JP2009237509 A JP 2009237509A JP 2009237509 A JP2009237509 A JP 2009237509A JP 5024348 B2 JP5024348 B2 JP 5024348B2
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    • H01L2224/056—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/05601—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/05644—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/05638—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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    • H01L2224/05663—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
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Description

本発明は、基板の表面に樹脂絶縁膜のパターンを形成する方法及び半導体装置に関する。
従来、ＭＯＳ構造等の半導体をホトリソグラフィー技術により、絶縁層をエッチングにより除去して開孔を形成する技術は良く知られている（一例として特許文献１）。特に、パワートランジスタなどの半導体基板の表面においては、電極や配線パターンを絶縁するために樹脂絶縁膜が用いられている。この樹脂絶縁膜に対して、ホトリソグラフィー技術により、露光、現像、エッチングを経て、樹脂絶縁膜のパターンが形成されていた。しかしながら、この方法では、次のような問題が生じていた。
（１）絶縁膜が厚くなるほどエッチング時間が長くなる。
（２）厚い絶縁膜に微細なパターンを形成する場合には、パターンを形成できる絶縁膜の厚さとパターンサイズの間に制限があって、厚い絶縁膜に微細なパターンを形成することはできなかった。
（３）絶縁膜を除去する部分と残す部分との境界部に生じるテーパ形状には制限があって、任意の角度のテーパ形状を形成することができず、さらに、テーパ下部の下地との接触角度も任意に形成することはできなかった。
（４）テーパ上部には、盛り上がり形状が発生する。
このため、樹脂絶縁膜の厚さに制限なく、任意のテーパ形状に加工する樹脂絶縁膜のパターン加工方法が必要となっていた。
一方、化学反応を用いるホトリソグラフィーではなく、機械加工する方法が、特許文献２から４、６に見られるように、いくつか案出されている。これらはいずれも半導体基板表面を絶縁膜、電極問わず平滑に加工する方法であり、絶縁膜と電極のパターンは依然ホトリソグラフィーを用いていることから、樹脂絶縁膜のパターン形状を、任意の形に機械加工で実現するものではない。特許文献５のものは、平刃で片側に掻き出すもので、樹脂絶縁膜のパターン形状を任意の形に加工できるものではない。非特許文献１で述べられている機械加工方法も、同様に平滑平坦化に限られており、樹脂絶縁膜のパターン形状を、任意の形に機械加工で実現するものではない。
特許第３０６９４６８号公報 特開２０００−１７３９５４号公報 特開２００５−１２０９８号公報 国際公開第２００４／０６１９３５号 特開２００８−１２４１５０号公報 特開２００６−１８６３０４号公報
酒井泰治、作山誠樹、水越正孝、A New Flip Chip Bonding Method Using Ultra-precision Cutting of Metal/Adhesive Layers, International Conference on Electronics Packaging, Outstanding Papers of the 2007 Conference
パワートランジスタなどの大電流を扱う半導体装置では、面内方向に電流を均一化させながら膜厚方向に電流を流すため、配線や電極の厚さは数μｍから５μｍ程度の厚さとなる。そのため、化学気相成長による窒化珪素膜などでは電極や配線を被覆しきれないため、樹脂絶縁膜が用いられる。その厚さは電極や配線を被覆するため１０μｍ以上となる場合がある。さらに、パワートランジスタなどの大電力を扱う半導体装置の場合、耐環境性を高めるため、モールド樹脂成形パッケージを行う。その際、モールド樹脂内のフィラーが、半導体装置に局所的な応力を加え、素子特性に影響を与えてしまうことがあるので、そのような局所的な応力を分散させ、素子に影響を与えないようにするため、樹脂絶縁膜は一定以上の厚さが必要となる。
このような樹脂絶縁膜の形成方法のうちで、製造コストが低いパターン形成方法としては、ホトリソグラフィー技術が用いられ、エッチングには高速な等方的ウエットエッチングや現像が用いられる。図１は、ホトリソグラフィー技術で樹脂絶縁膜にパターンを形成した断面写真で、丸で囲んだ部分がテーパ部である（図中のｕは以下同様にμｍを表す）。図２は、ホトリソグラフィー技術で樹脂絶縁膜にパターンを形成した説明図である。図２において、１は、半導体基板であり、３は、樹脂絶縁膜である。
ホトリソグラフィー技術による樹脂絶縁膜の形成方法には、前述したように、次のような問題が生じる。
ウエットエッチングや現像では、テーパ角θが、図１、図２に示すようにおよそ４０°から７０°で加工される。このように角度が小さい場合、半導体装置の動作を制御する電極の周囲にテーパ分の余計な面積が必要となり、面積に制約のある半導体には不適当である。さらに、この方法によれば、テーパ上部には図２に示すような盛り上がり形状１１が形成され、後工程でこの部分への応力集中や、この部分の樹脂絶縁膜物性が平坦部とは異なることが懸念される。また、テーパ形状１０のテーパ下部１２では、急峻な形状が形成され、後工程でこの部分の膜物性が平坦部と異なることが懸念される。
テーパ形状１０の上にさらに第２の電極膜を形成する場合、樹脂絶縁膜３と、下地電極としての電極２（接続部位２１）との界面の境界部の角度が不連続であると、第２の電極膜（後工程で形成する電極膜）や樹脂絶縁膜３が剥離しやすいという問題がある。
次に、リフトオフプロセスに適用する場合の問題点について触れる。
図３は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ＥＬ（Electro-Luminescence）などの製造工程に適用されるリフトオフプロセスの説明図である。半導体基板１に樹脂絶縁膜３を形成し、樹脂絶縁膜３において、開孔を逆テーパ形状に加工したあと、さらに第２の電極膜１４、１４’を形成するものである。半導体基板１に形成された第２の電極膜１４’は、樹脂絶縁膜３の上に形成された第２の電極膜１４と絶縁されている。
パワートランジスタなどの大電力を扱う半導体装置の場合、樹脂絶縁膜３を厚くすることで、数ｋＶを越えるような高電圧に対する絶縁耐圧を得ることができる。厚い樹脂絶縁膜３を逆テーパで加工すれば、樹脂絶縁膜上の電極１４と絶縁膜開孔部３１の接続部位２１に形成する電極１４’の膜厚方向の距離を広くでき、絶縁耐圧を高めることができる。このため、逆テーパの加工をどのようにして行うかという点は、極めて重要である。
図４は、ホトリソグラフィーで垂直より数度傾いた逆テーパを形成する説明図である。
ネガ型の感光性樹脂を用いると、ネガ型は光が当たった部分が残り、マスクにより光が当たらなかった部分が現像液に溶けてなくなる。樹脂は透明ではないので、厚くなるほど下部での光が弱まる。厚い感光性樹脂では露光部は、下部ではマスク開孔部より小さくなり、この小さくなる度合いによって逆テーパが形成される。
図５は、テーパがない状態（テーパが９０°という）で金属電極膜を形成する場合の説明図である。スパッタや真空蒸着では金属粒子に斜めの速度成分があるため、テーパがない場合では、側壁にも金属膜が形成され、絶縁膜開孔部３１に形成された第２の電極膜１４’を、樹脂絶縁膜３の上に形成された第２の電極膜１４と絶縁分離できず、リフトオフプロセスに適用することができない。ホトリソグラフィーで形成する場合に通常生成できる、数度の逆テーパでは、リフトオフプロセスを応用した製造方法を行う上では不十分であった。
ホトリソグラフィー技術で、ある程度大きい逆テーパを形成することはできないわけではない。この場合には、ネガ型の感光性樹脂の感光性を調節して、テーパ角をある程度大きくする必要がある。そのためには、光のエネルギーで架橋したりする官能基を多く取り入れねばならないので、ヤング率や伸び、強度、耐熱性と言った機械物性、もしくは、誘電率、誘電正接などの電気特性を犠牲にせざるを得なくなってしまう。
以上説明したように、リフトオフプロセスを応用した製造方法を行う上では、これまでのホトリソグラフィーによる方法では、感光性と、樹脂の機械物性、電気特性とを両立させることは材料設計上困難であった。
それゆえ、設計上最適な機械物性、電気特性を持つ樹脂に対し、１２０°程度の逆テーパ角（図２のθ＝１２０°）が安定して形成できれば、リフトオフプロセスを応用した製造方法を実現できることから、１２０°程度のテーパ角を加工することが必要となる。
本発明は、上記の課題解決のため、ホトリソグラフィーに代わり、基板上に形成された厚い樹脂絶縁膜を、テーパ部を含めて半導体デバイス設計上最適な任意の形状に加工することを可能とする樹脂絶縁膜のパターンの形成方法および半導体装置を提供するものである。
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、半導体装置の製造方法において、接続用の電極（２）が一主面に形成された半導体基板（１）において、前記接続用の電極（２）を覆うように前記一主面側に樹脂絶縁膜（３）を形成する第１工程と、すくい角をゼロ又は負とした、バイト（４）による切削加工により、前記接続用の電極（２）の接続部位（２１）を露出させるように、テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とからなる開孔（３１）を形成する第２工程とを具備することを特徴とする。
この方法により、従来ホトリソグラフィーでパターン形成ができなかった、厚い樹脂膜をパターン形成できるようになる。ホトリソグラフィーではテーパ上部の盛り上がりが避けられなかった樹脂に対し、アール付けしながら盛り上がりのない形状を得られる。ホトリソグラフィーでは全面で狭い範囲のテーパ角しか得られなかった樹脂に逆テーパを含む任意のテーパ角を任意に混在させて形成できる。これにより、樹脂絶縁膜の形状加工が実現することにより、耐久性が高く、動作性能の高いパワートランジスタなどの半導体装置やＭＥＭＳ装置を実現できる。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記テーパ部（１０）のテーパ角は、前記開孔（３１）が前記接続部位（２１）に向って末広がりになるように、１００°より大きいことを特徴とする。これにより、半導体装置の動作を制御する電極の周囲にテーパ分の余計な面積が必要となることがなく、次工程での膜形成を適切に行うことができる。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記テーパ部（１０）のテーパ角は、１１５°から１２５°であることを特徴とする。これにより、半導体装置の動作を制御する電極の周囲にテーパ分の余計な面積が必要となることがなく、次工程での膜形成を適切に行うことができる。すわわち、上からスパッタや蒸着で電極パターンを形成した場合に、絶縁膜上の電極と開口部の電極の面内方向の距離も広く取ることができる。
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項の発明において、前記バイト（４）がダイヤモンドバイトであることを特徴とする。
前記第２工程において、前記テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とをそれぞれ異なるダイヤモンドバイトを用いて切削加工してもよい。
請求項５の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、前記第２工程において、前記半導体基板（１）と、前記バイト（４）とを３次元で相対的に可動させて切削加工することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の発明において、前記第２工程において、前記半導体基板（１）を固定して、前記バイト（４）を３次元で可動させて切削加工することを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５記載の発明において、前記第２工程において、直交座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、前記半導体基板（１）をＸ軸方向に可動させ、前記バイト（４）をＹ軸方向に可動させ、さらに前記バイト（４）を切り込み軸であるＺ軸方向に可動させて切削することを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の発明において、前記第１工程で樹脂絶縁膜（３）が形成された前記半導体基板（１）を、複数のピエゾアクチュエータが内蔵されたチャックテーブル（６０）で吸着保持し、樹脂絶縁膜（３）の表面形状を非接触で測定する工程と、前記樹脂絶縁膜（３）の表面形状が平坦になるように、各ピエゾアクチュエータを独立して変位させる工程とをさらに具備して、前記第２工程における切削を行うことを特徴とする。
これにより、加工前の被加工面がランダムにうねりをもった面となってしまうことがなく、ナノレベルでの切削加工を行うことができる。また、切りすぎやバイトが届かないことが起こることなく歩留まりを高めて、余分な樹脂の切り取り代が少なくてすみ、コスト面でもメリットがある。
請求項９の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の発明において、前記第２工程において、前記バイトの側面の形状を前記テーパ部に転写させて切削することを特徴とする。
請求項１０の発明は、接続用の電極（２）が一主面に形成された半導体基板（１）において、前記接続用の電極（２）を覆うように前記一主面側に形成された樹脂絶縁膜（３）と、すくい角をゼロ又は負としたバイト（４）による切削加工により形成された、前記接続用の電極（２）の接続部位（２１）とテーパ部（１０）とからなる開孔（３１）とを具備し、前記接続部位（２１）の前記電極（２）の第１の金属膜厚（２３）が、接続部位（２１）以外の前記電極（２）の第２の金属膜厚（２４）より薄く、かつ、前記第１の金属膜厚（２３）と前記第２の金属膜厚（２４）との段差部上部（２５）のテーパ角が、前記テーパ部（１０）における前記樹脂絶縁膜（３）の下部（３２）のテーパ角と一致し、前記テーパ部（１０）において、前記下部（３２）と前記上部（２５）とが連続して接続していることを特徴とする。
これにより、形状を任意に加工できることから、構造上応力が集中する形状（テーパ面と接続部位２１の交わる部位）を材料界面ではなく材料の内部に作りこむことが可能である。また、樹脂絶縁膜のテーパ角と接続部位の最上部のテーパ角を同一にして連続なテーパ面とすることにより、絶縁膜端の剥離防止、後工程で形成する第２の電極膜の剥離を抑止できる。さらに、露出させる金属表面に樹脂絶縁膜の現像やエッチングの残渣が残ることは無いため、残渣除去のための表面清浄化処理が不要であって清浄な金属表面が得られる。
請求項１１の発明は、請求項１０の発明において、前記テーパ部（１０）のテーパ角は、前記開孔（３１）が前記接続部位（２１）に向って末広がりになるように、１００°より大きいことを特徴とする。これにより、請求項２の発明と同じ効果が得られる。
請求項１２の発明は、請求項１１の発明において、前記テーパ部（１０）のテーパ角は、１１５°から１２５°であることを特徴とする。これにより、請求項３の発明と同じ効果が得られる。
前記開孔（３１）の前記テーパ部（１０）上部が、曲率半径１μｍ以上のアール形状にしてもよい。これにより、絶縁膜端の剥離防止、後工程で形成する第２の電極膜の剥離を抑止できる。
前記開孔（３１）の前記テーパ部（１０）下部が、曲率半径１μｍ以上のアール形状にしてもよい。これにより、絶縁膜端の剥離防止、後工程で形成する第２の電極膜の剥離を抑止できる。
請求項１３の発明は、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の発明において、前記開孔（３１）が複数存在し、前記開孔（３１）のテーパ部（１０）のテーパ角が２種類以上存在することを特徴とする。これにより、従来はホトリソグラフィーでパターン形成しており、２種類以上のテーパ形状を意識して作りこむことができなかったが、機械加工ではパターンを一つ一つ加工することができるため、ＮＣのプログラムさえ変えておけば可能となった。
請求項１４の発明は、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の発明において、前記テーパ部（１０）の表面粗さが、十点平均粗さ（ＪＩＳ）で５０ｎｍから４００ｎｍであることを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１から９のいずれか１項に記載の発明において、少なくとも前記テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とを覆うように、電極膜（１４）を形成する第３の工程をさらに具備することを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の発明において、少なくとも前記テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とを覆うように形成された、電極膜（１４）をさらに具備することを特徴とする。
なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。
ホトリソグラフィー技術で樹脂絶縁膜にパターンを形成した典型的な断面写真で、丸で囲んだ部分がテーパ部である。 ホトリソグラフィー技術で樹脂絶縁膜にパターンを形成した説明図である。 リフトオフプロセスの説明図である。 ホトリソグラフィーで垂直より数度傾いた逆テーパを形成する説明図である。 テーパがない状態（テーパが９０°という）で金属電極膜を形成する場合の説明図である。 本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を示す説明図であり、（ａ）から（ｄ）は、前記製造方法の各ステップを示し、（ｅ）は、製造後の半導体装置一例を示す図である。 本発明の基礎となった比較技術による切削状況を説明する説明図であり、（ａ）は、亀裂が水平方向に発生した場合で、（ｂ）は、亀裂が垂直方向に発生した場合を示す説明図である。 比較技術により切削した場合に発生した亀裂を示す拡大写真である。 本発明の一実施形態で加工した表面粗さを示す図表であり、（ａ）は、樹脂機械物性と加工後の外観を示す表であり、（ｂ）は、破断までの伸びを示す応力−ひずみ曲線の一般的参考例である。 切削中の刃先近傍の樹脂内部の応力分布の解析結果の説明図である。 切削中の刃先近傍の樹脂内部の応力分布の解析結果の説明図である。 （ａ）は、開孔３１に電極膜１４を形成した本発明の他の実施形態を示す説明図である。（ｂ）は、図１２（ａ）の他の実施形態に、接合材６０を接続した説明図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。従来技術に対しても同様に同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。本発明の各実施形態が、本発明の基礎となった比較技術に対しても同一構成の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図６は、本発明の一実施形態である半導体装置の製造方法を示す説明図であり、（ａ）から（ｄ）は、前記製造方法の各ステップを示し、（ｅ）は、製造後の半導体装置一例を示す図である。図７は、本発明の基礎となった比較技術による切削状況を説明する説明図であり、（ａ）は、亀裂が水平方向に発生した場合で、（ｂ）は、亀裂が垂直方向に発生した場合を示す説明図である。図８は、比較技術により切削した場合に発生した亀裂を示す拡大写真である。なお、白の矢印はバイトの進行方向を示している。
図６（ｄ）のように、樹脂絶縁膜３を半導体基板１の全面に形成後、切削加工により不要部を選択的に除去して、開孔部３１を形成する場合、次のような技術的困難性が発生していた。
図７に示すように、樹脂絶縁膜をバイトで切削する場合、バイトの刃先直後の樹脂に引っ張り応力が生じ、局所的な引っ張り応力が樹脂の破断強度を越えやすく、越えると樹脂が裂け、図８に示すようなむしれた形状となる。図７の（ａ）の場合は、刃先の後方で引っ張り応力が樹脂の強度を上回り、裂ける場合であり、図７の（ｂ）の場合は刃先前方へ亀裂が勝手に進展してしまう場合である。
半導体基板上の絶縁膜にパターンを形成しようとすると、切り取りたい厚さの精度（例えば±１μｍから±１００ｎｍ）に対し、下地の半導体基板の厚さの公差が３ないし８μｍあり、厚さのばらつきは１枚のウエハの面内でランダムにある。そのため、加工しない側のウエハ面を固定し、その面を基準に加工すると切りすぎやバイトが届かないことが発生する。
シリコンウエハの厚さに基づくランダムなばらつきに加えて、前の工程で下地に形成された金属膜や絶縁膜の厚さのばらつきも加算され、６インチウエハで７μｍ程度の厚さばらつきが発生することになる。したがって、一方の面を基準に固定すると、他方の面の表面は７μｍほどランダムにうねりをもった面となってしまって、ナノレベルでの切削加工を行うことができなかった。
本発明の実施形態では、後述するバイトのすくい角、被切削材のチャック装置、樹脂絶縁膜の破断伸び率の限定などを工夫することで、開孔部３１を形成する場合の技術的困難性を克服したものである。以下に、本発明の一実施形態を説明する。
図６の（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体基板１の一面上に、下地電極として第１の電極２（配線も含む）を形成し、その上から樹脂絶縁膜３を全面に形成する。次に、第１の電極２を接続部位として露出させるように、開孔部３１を切削加工により樹脂絶縁膜除去する。本発明の一実施態様の後工程で、第２の電極膜１４がさらに覆われる。
図６（ｅ）に見られるように、接続用の電極２が一主面に形成された半導体基板１において、接続用の電極２を覆うように形成された樹脂絶縁膜３と、すくい角をゼロ又は負としたバイト４による切削加工により形成された電極２の接続部位２１とテーパ部１０とからなる開孔３１が形成され、接続部位２１の電極２の第１の金属膜厚２３が、接続部位２１以外の電極２の第２の金属膜厚２４より薄く、かつ、第１の金属膜厚２３と第２の金属膜厚２４との段差部上部２５のテーパ角が、テーパ部１０における樹脂絶縁膜３の下部３２のテーパ角と一致し、テーパ部１０において、下部３２と上部２５とが連続して接続している。
耐久性として、冷熱試験に対する異種材料界面での剥離を抑止することが求められている。本切削加工で得られる清浄な下地金属面２１（接続部位２１は切削されている）には汚染物が少なく、第２の電極１４（図３参照、金属電極）と第１の電極（接続部位２１、金属電極）の間に金属結合を得られる。また、形状を任意に加工できることから、構造上応力が集中する形状（テーパ面と接続部位２１の交わる部位）を材料界面ではなく材料の内部に作りこむことが可能である（図６（ｅ）の番号２１）。
ここで、順テーパから逆テーパにわたる任意のテーパ角での加工が本実施形態に含まれるものである。順テーパとしては、テーパ角は、できれば４５°以上が好ましい。リフトオフプロセスの場合、通常は１００°以上であり、好ましくは、１２０°程度（１１５〜１２５°）にあると良い。また、バイト４をテーパ面に平行に移動させ、バイトの側面で切削した面をテーパ面にすると良い。
これにより、ＭＥＭＳ等では任意の機械物性を持つ厚い絶縁膜を逆テーパで加工できることから、ＭＥＭＳ等を形成するプロセスで絶縁膜上の電極と絶縁膜開口部に形成する電極の膜厚方向の距離を広くでき、絶縁耐圧を高められる。絶縁膜を厚くできるため、厚さ方向の距離を広く取ることができ、１２０°程度の大きなテーパ角を形成できることから、上からスパッタや蒸着で電極パターンを形成した場合に、絶縁膜上の電極と開口部の電極の面内方向の距離も広く取ることができる。
開孔３１のテーパ部１０上部が、曲率半径１μｍ以上のアール形状であることが望ましく、また、開孔３１のテーパ部１０下部が、曲率半径１μｍ以上のアール形状であることが望ましい。さらに、開孔３１が複数存在し、開孔３１のテーパ部１０のテーパ角が２種類以上存在しても良い。機械加工ではパターンを一つ一つ加工することができるため、ＮＣのプログラムさえ変えておけば可能である。従来はホトリソグラフィーでパターン形成しており、２種類以上のテーパ形状を意識して作りこむことはできなかった。
開孔３１の加工において、半導体基板１を固定してバイト４を３次元で可動させて切削加工しても良く、また、通常に、直交座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、半導体基板１をＸ軸方向に可動させ、バイト４をＹ軸方向に可動させ、さらにバイト４を切り込み軸であるＺ軸方向に可動させて切削しても良いが、その他当業者が通常行う加工段取りで作業を行うことは可能である。
図６（ｃ）のような半導体基板１上に、下地電極として第１の電極２（配線も含む）を形成されて、樹脂絶縁膜３が形成されたものを、切削加工するためにピエゾ内蔵チャックテーブル６０（図示せず）に吸着固定する。この場合、半導体基板１の厚さにはランダムなばらつきを持っているため、一方の面を平面に固定すると、他方の面の表面は７μｍほどランダムにうねりをもった面となる。本実施形態では、例えば、厚さ１μｍ、精度で例えば３±１μｍという切り込み量で表面から切削するのでウエハ側の厚さばらつきが無視できない。そのため、ピエゾを内蔵したステージで、低い部分を持ち上げ、被切削面をフラット（±１μｍ以下）にして加工することにより、歩留まりを高め、余分な樹脂の切り取り代を少なくするものである。
ピエゾ内蔵チャックテーブル６０は、上面が吸着面となっており、中空形状に形成されている。吸着面には、真空ポンプなどの吸着装置を用いて中空部を減圧することにより生じる吸着力を半導体基板１に作用させる吸着孔が形成されている。吸着面は、ピエゾアクチュエータを内蔵した変位装置による変位を半導体基板１に加えるために、変形しやすく形成されている。変形装置は、複数個のピエゾアクチュエータが、中空部において所定の間隔で格子状に配置されており、吸着面の裏面に当接し、上向きの変位を発生させることができるように設けられている。ピエゾアクチュエータに上向きの変位を生じさせると、吸着面を介して半導体基板１に上向きの変位を与えて、半導体基板１を変形させることができる。
レーザ変位計などの表面形状測定装置により、半導体基板１の表面部の表面形状を、非接触で精度良く測定する。表面形状測定装置によって得られた変位と、上下逆に補償するように、ピエゾアクチュエータに変位を生じさせて、半導体基板１の表面部の表面形状が平坦になるように、ピエゾアクチュエータの変位を制御する。このようにして、ピエゾ内蔵チャックテーブル６０で加工面を平坦に校正することで、切削加工が可能となる。
本実施形態では、一例として、不二越製ＮＣ加工装置ＡＭＧ−４２Ｐで加工する。これに限らず、ナノ加工のできる工作機械を採用する。バイトとしてはダイヤモンドバイトが好ましい。
これまでの研究によって、バイトの刃先直後の樹脂に引っ張り応力が生ずるので、バイトを樹脂に接触させて切り始める時、切り終わりバイトを樹脂から離脱させる時、この局所的な引っ張り応力が樹脂の破断強度を越えやすく、越えると樹脂が裂け、むしれた形状となるという知見が得られた。裂けむしれると絶縁劣化の原因となり、こうした現象を避けるため、バイトのすくい角を、ゼロ又は負角として、伏せる側にバイトを倒すようにして、刃先周囲に圧縮応力場を作り、引っ張り応力を相殺する。この結果、良好な切削面が得られることがわかった。
バイトの種類は先端面と側面を鋭利に仕上げたもので、バイトの側面をテーパ加工したい角度、例えば４５°としておき、テーパ形状をバイトを進めながらバイトの側面を使って形成すると良い。送りピッチＰについては、本実施形態では、一例として、７０μｍ程度に設定したが、これに限定されるものではない。
樹脂絶縁膜３にポリイミド系樹脂を用いた場合、樹脂絶縁膜３のみを切削すると、切込み深さが８μｍ以下ならば、切削された面において樹脂がむしれることがなく、平滑な切削面を得ることができる。一方、切込み深さが８μｍを超えると、切り屑の剛性が高まり、樹脂がむしれて表面粗さが大きくなる傾向がある。一例として、不二越製ＮＣ加工装置ＡＭＧ−４２Ｐを用い、ダイヤモンドバイトを用いて、厚さ２３μｍのポリイミド樹脂絶縁膜を正方形に除去した。このとき、切り込み量は６μｍを３回とし、テーパ角は５０°とした。
次に、樹脂絶縁膜３の樹脂材料物性について説明する。樹脂絶縁膜３の樹脂材料物性としては平滑なテーパ面を得るには破断までの伸びが６０％以下の樹脂が望ましい。
図９は、本発明の一実施形態で加工した表面粗さを示す図表であり、（ａ）は、樹脂機械物性と加工後の外観を示す表であり、（ｂ）は、破断までの伸びを示す応力−ひずみ曲線の一般的参考例である。
ロット１〜４のＰＩＸ３４００、ＨＤ４１１０、ＨＤ８８２０、ＰＩＸ５８７８は、日立化成デュポン製ポリイミド、ロット５のＳＰ４８３は、東レ製のポリイミド系樹脂を用いて、実験した結果である。図９からわかるように、破断までの伸びが６０％以下の樹脂について、良好な結果が得られた。Ｒｚは、ＪＩＳでいう十点平均粗さで、山谷３点の平均値である。
この結果をさらに裏付けるため、切削時の外力の実測と、樹脂物性実測とＣＡＥによる解析を用いて、切削中の刃先近傍の樹脂内部の応力分布を解析した。図１０、１１は、切削中の刃先近傍の樹脂内部の応力分布の解析結果の説明図である。
平滑に切削できる樹脂Ａとむしれる樹脂Ｂの２種類の結果を図１０に示す。平滑に切削できる樹脂Ａ（ＰＩＸ３４００：物性値はロットにより若干ばらつく。ロット１参照。）とむしれる樹脂Ｂの物性で伸びが違い、伸びが小さい樹脂は平滑に切削されることがわかる。
この解析で、切削面の粗さと樹脂の伸びの関係は次のように考えることができる。
刃先で樹脂は引き伸ばされ、伸びが６０％の樹脂は６０％伸びたところで破断する。一方伸びの大きい樹脂は９５％から１０５％まで切れずに伸びてから破断する。この切れずに伸びる間に推定される現象として次のように推定できる。伸びの大きい樹脂は刃先後方の引っ張り応力が大きくなり亀裂が生じ、伸びの小さい樹脂は刃先後方の引っ張り応力は大きくならず、平滑に切削されたと考えられ、破断までの伸びが６０％以下の樹脂について、良好な結果が得られることがわかる。
以上述べたように、こうした樹脂絶縁膜の形状加工が実現することにより、耐久性が高く、動作性能の高いパワートランジスタなどの半導体装置やＭＥＭＳ装置を実現できる。
以上の説明に加えて、さらに、本発明の他の一実施形態について説明する。
図１２（ａ）は、開孔３１に電極膜１４を形成した本発明の他の実施形態を示す説明図である。（ｂ）は、図１２（ａ）の他の実施形態に、接合材６０を接続した説明図である。
バイト４による切削加工により、接続用電極２の接続部位２１（一例として、アルミニウム）が、開孔３１において露出している。この接続部位２１の表面上には、はんだやワイヤなどの部材が接続される接続用の電極膜１４（第２の電極膜）が形成される。本実施形態では、この電極膜１４は、エミッタ電極においては、はんだ付け用のものであり、ゲート電極においては、ワイヤボンディング用のものである。電極膜１４についても、ダイヤモンドホイ−ル、ＧＣ（グリーンカーボン）砥石、電着砥石を用いた研削法等により、図１２（ａ）のようにパターニングされる。
また、図１２（ｂ）に示すように、開孔３１の接続部位２１の周辺にも電極膜１４が形成され、電極膜１４の上に接合材６０が接している。
電極膜１４の一例として、メッキにより形成された膜で構成しても良く、例えば、Ｔｉ／Ｎｉ／Ａｕの積層メッキ膜、Ｎｉ／Ａｕの積層メッキ膜、Ｃｕメッキ膜、あるいはＮｉ−Ｆｅ合金のメッキ膜等を採用することができる。
図１２（ａ）に示されるように、電極膜１４は、接続用電極２からみて第１の層１４ａ、第２の層１４ｂ、第３の層１４ｃが積層されてなる積層膜として構成する場合について説明する。この場合の電極膜１４において、第１の層１４ａは、電極膜１４と接続用電極２との間の良好な接合を形成するための膜である。具体的には、第１の層１４ａとしてチタン（Ｔｉ）からなるチタン薄膜を用いている。なお、第１の層１４ａとしては、チタン薄膜の代わりに、上述の目的を達成する他の金属膜、たとえばバナジウム、クロム、コバルト、ジルコニウム、アルミニウム、タンタル、タングステンまたは、これらの金属の窒化物やこれらの金属を主成分とする合金などを用いてもよい。第１の層１４ａとしてチタン薄膜を用いた場合には、チタンが、接続用電極２の酸化膜を還元し自らを酸化することによって良好な界面が形成されるため、酸化膜の除去工程は不要とすることができる。
電極膜１４において第２の層１４ｂは、接合材６０との接合をするための膜である。具体的には、第２の層１４ｂとして、ニッケル（Ｎｉ）からなるニッケル薄膜を用いている。この第２の層１４ｂとしては、ニッケル薄膜の代わりに、上述の目的を達成する他の金属膜、たとえば、銅、パラジウム、または、これらの金属を主成分とする合金などを用いても良い。
電極膜１４において第３の層１４ｃは、はんだ濡れ性の良好な膜であり、具体的には、第３の層１４ｃとして、金（Ａｕ）からなる金薄膜を用いている。この第３の層１４ｃとしては、金薄膜の代わりに、上述の目的を達成する他の金属膜、たとえば、銅、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、鉄（Ｆｅ）、錫（Ｓｎ）、Ｃｕ−Ｓｎ合金などを用いても良い。また、電極膜１４においては、第３の層１４ｃは、第２の層１４ｂにニッケルなどの、はんだ濡れ性の良い金属を用いた場合には省略することも可能である。しかし、ニッケル表面が酸化すると、はんだ濡れ性が劣化するため、第３の層１４ｃを用いることが望ましい。
図１２（ｂ）に示されるように、この金からなる第３の層１４ｃは、電極膜１４と接合材６０とを接合した後においては、接合材と金とが溶け合うことにより消滅する。そして、はんだ接合後における電極膜１４は、チタンからなる第１の層１４ａとニッケルからなる第２の層１４ｂとの積層膜となる。
これまで、本発明における樹脂絶縁膜３としては、これまでポリイミド系樹脂と説明してきたが、さらに具体的には、次のようなものを採用することができる。
ポリイミド系樹脂に、テフロン（登録商標）のような、強度が５０ＭＰａ以下の材料や、剛性率が０．３ＧＰａ以下の材料や、ダイヤモンドとの摩擦係数の小さい材料を混合させ、切削抵抗を低減し切削面を平滑にすることができる。
また、樹脂絶縁膜３は、無機膜としたり、有機材料と無機材料より構成されるようにしても良く、また、有機材料に高熱伝導の無機材料を混合させ、樹脂絶縁膜３の放熱性を高めても良い。
さらに、樹脂絶縁膜３は、有機材料に、樹脂絶縁膜３の下地やその上部へ配置する材料と線膨張係数の近い無機材料を混合させ、樹脂絶縁膜３と周囲の材料との線膨張係数差を低減するようにしても良い。
本発明の他の実施形態における接合材６０としては、具体的には、次のようなものを採用することができる。接合材６０には、共晶材よりなるものが含まれる。また、接合材６０は異方性導電ペースト、又は、異方性導電膜よりなるものであっても良い。さらに、接合材６０は、直径１０μｍから１ｎｍの粒状の母材の焼結体よりなるものであっても良い。
１ 半導体基板
２ 電極
３ 樹脂絶縁膜
４ バイト
２１ 接続部位
３１ 開孔

Claims (16)

  1. 接続用の電極（２）が一主面に形成された半導体基板（１）において、前記接続用の電極（２）を覆うように前記一主面側に樹脂絶縁膜（３）を形成する第１工程と、
    すくい角をゼロ又は負とした、バイト（４）による切削加工により、前記接続用の電極（２）の接続部位（２１）を露出させるように、テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とからなる開孔（３１）を形成する第２工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記テーパ部（１０）のテーパ角は、前記開孔（３１）が前記接続部位（２１）に向って末広がりになるように、１００°より大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記テーパ部（１０）のテーパ角は、１１５°から１２５°であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記バイト（４）がダイヤモンドバイトであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記第２工程において、前記半導体基板（１）と、前記バイト（４）とを３次元で相対的に可動させて切削加工することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第２工程において、前記半導体基板（１）を固定して、前記バイト（４）を３次元で可動させて切削加工することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第２工程において、直交座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、前記半導体基板（１）をＸ軸方向に可動させ、前記バイト（４）をＹ軸方向に可動させ、さらに前記バイト（４）を切り込み軸であるＺ軸方向に可動させて切削することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第１工程で樹脂絶縁膜（３）が形成された前記半導体基板（１）を、複数のピエゾアクチュエータが内蔵されたチャックテーブル（６０）で吸着保持し、樹脂絶縁膜（３）の表面形状を非接触で測定する工程と、
    前記樹脂絶縁膜（３）の表面形状が平坦になるように、各ピエゾアクチュエータを独立して変位させる工程とをさらに具備して、前記第２工程における切削を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第２工程において、前記バイトの側面の形状を前記テーパ部に転写させて切削することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 接続用の電極（２）が一主面に形成された半導体基板（１）において、前記接続用の電極（２）を覆うように前記一主面側に形成された樹脂絶縁膜（３）と、
    すくい角をゼロ又は負としたバイト（４）による切削加工により形成された、前記接続用の電極（２）の接続部位（２１）とテーパ部（１０）とからなる開孔（３１）とを具備し、
    前記接続部位（２１）の前記電極（２）の第１の金属膜厚（２３）が、接続部位（２１）以外の前記電極（２）の第２の金属膜厚（２４）より薄く、かつ、前記第１の金属膜厚（２３）と前記第２の金属膜厚（２４）との段差部上部（２５）のテーパ角が、前記テーパ部（１０）における前記樹脂絶縁膜（３）の下部（３２）のテーパ角と一致し、前記テーパ部（１０）において、前記下部（３２）と前記上部（２５）とが連続して接続していることを特徴とする半導体装置。
  11. 前記テーパ部（１０）のテーパ角は、前記開孔（３１）が前記接続部位（２１）に向って末広がりになるように、１００°より大きいことを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
  12. 前記テーパ部（１０）のテーパ角は、１１５°から１２５°であることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
  13. 前記開孔（３１）が複数存在し、前記開孔（３１）のテーパ部（１０）のテーパ角が２種類以上存在することを特徴とする請求項１０から１２のいずれか１項に記載の半導体装置。
  14. 前記テーパ部（１０）の表面粗さが、十点平均粗さ（ＪＩＳ）で５０ｎｍから４００ｎｍであることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  15. 少なくとも前記テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とを覆うように、電極膜（１４）を形成する第３の工程をさらに具備することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  16. 少なくとも前記テーパ部（１０）と前記接続部位（２１）とを覆うように形成された、電極膜（１４）をさらに具備することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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