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JP2005005564A - Pad structure - Google Patents

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JP2005005564A
JP2005005564A JP2003168882A JP2003168882A JP2005005564A JP 2005005564 A JP2005005564 A JP 2005005564A JP 2003168882 A JP2003168882 A JP 2003168882A JP 2003168882 A JP2003168882 A JP 2003168882A JP 2005005564 A JP2005005564 A JP 2005005564A
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JP
Japan
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metal layer
metal
layer
pad
insulating film
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JP2003168882A
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Japanese (ja)
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Masaji Funakoshi
正司 舩越
Takeshi Hamaya
毅 濱谷
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • H10W72/019
    • H10W72/921
    • H10W72/923
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    • H10W72/9415
    • H10W72/983

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  • Design And Manufacture Of Integrated Circuits (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

【課題】半導体組立プロセスのボンディング時にパッドが受ける衝撃に対し耐クラック性を向上させ、さらにボンディング工法により加えられる引張り力が原因で発生するパッド剥離を防止するパッド構造を提供することを目的とする。
【解決手段】金属材料で形成されるメタル層1と、メタル層1と絶縁層8を挟んで重なりメタル層1と絶縁層8を貫通するビア3で接続しているメタル層4と、メタル層4と絶縁層8を挟んで重なりメタル層4と絶縁層8を貫通するビア5で接続しているメタル層6と、メタル層6と絶縁層8を挟んで重なりメタル層6と絶縁層8を貫通するビア7で接続している最上層メタル層10と、最上層メタル層10に重なる外部端子13とを備え、メタル層1、4、6、10および外部端子13の各周囲は絶縁層9、11、14に囲まれ、メタル層の外形寸法がメタル層1>メタル層4>メタル層6である。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a pad structure that improves the crack resistance against an impact received by a pad during bonding in a semiconductor assembly process and further prevents pad peeling caused by a tensile force applied by a bonding method. .
A metal layer 1 formed of a metal material, a metal layer 4 that is overlapped with the metal layer 1 and the insulating layer 8 interposed therebetween, and is connected by a via 3 that penetrates the metal layer 1 and the insulating layer 8, and a metal layer 4 and the insulating layer 8 are sandwiched between the metal layer 6 and the metal layer 6 connected by the via 5 penetrating the insulating layer 8, and the metal layer 6 and the insulating layer 8 are sandwiched between the overlapping metal layer 6 and the insulating layer 8. The uppermost metal layer 10 connected by the penetrating via 7 and the external terminal 13 overlapping the uppermost metal layer 10 are provided, and the periphery of each of the metal layers 1, 4, 6, 10 and the external terminal 13 is the insulating layer 9. 11 and 14, and the outer dimensions of the metal layer are metal layer 1> metal layer 4> metal layer 6.
[Selection] Figure 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に半導体装置のパッド構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、情報技術の広がりとともにコンピュータ、携帯電話など電子機器の能力として高速化の要求は高まっている。それに伴い電子機器の性能に大きく影響するシステムLSIに代表される半導体の性能として更なる高速化が必然的に求められている。しかし半導体の高速化に大きな妨げになるのが、MOSトランジスタ自体の遅延とその上層にある配線自身及び配線間の寄生容量による配線遅延がある。従来はゲート長を短くする微細化技術によりMOSトランジスタ自体の遅延を低減してきた。しかしながら微細化技術の開発によるMOSトランジスタ自体の遅延が小さくなるに従い配線遅延の問題が表面化してきた。そこで配線間遅延を小さくするため配線間に挟まれている絶縁膜に誘電率の低い絶縁膜(低誘電率膜)を採用することにより配線遅延を小さくするという解決を図ろうとしている。
【0003】
しかしながら、誘電率が3.0以下を実現する低誘電率膜は、従来から採用されていたシリコン酸化膜よりも機械的強度が大幅に低下する。このことは半導体の回路形成を担う拡散工程が完了し、半導体のパッケージングを担う組立工程、特にワイヤボンド工程で問題となる。具体的には次のようなことである。層間絶縁膜の機械的強度が十分でないため半導体に搭載されているパッド上にワイヤボンドを行うと、ワイヤボンドの衝撃荷重がパッドを通じてパッド直下の層間絶縁膜に伝わり、それが層間絶縁膜を大きく変形させる。その変形が層間絶縁膜にクラックを発生させ、半導体素子自体の品質信頼性に大きく影響する。
【0004】
そこで、従来は図7に示すようにパッド13直下に層間絶縁膜8を挟んでメタル20を形成し、そのメタル20とパッド13を接続プラグ7で接続することにより、ボンディングにより層間絶縁膜8へ与えられる衝撃をメタル20が受け止め、さらに衝撃でメタル20が衝撃の印加方向へ変形しようとするのを接続プラグ7が支えるようになり、パッド13直下に成膜された層間絶縁膜8の機械的強度を向上させようとしているものがある(例えば特許文献1)。その結果、ボンディングにより伝わる衝撃による層間絶縁膜8の変形等のダメージが低減する。11は第1の保護膜である。
【0005】
一方、図8に示すように層間絶縁膜8上に応力緩和材19を設けることによりワイヤボンドによるパッド直下への応力緩和を行い、パッド直下に成膜されている層間絶縁膜8に伝わる衝撃を抑制することにより、ボンディングによるダメージを抑える(例えば特許文献2)。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−114309号 明細書
【特許文献2】
特開平01−22039号 明細書
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のパッド構造では下記のような問題がある。先ず図7のパッド構造についての課題について述べる。メタル20が大面積化しメタル形成にダマシンプロセスを用いたとき、機械的化学研磨(次からはCMPと略す)でメタル20の中央部は大きく削られ膜厚は非常に薄くなる。これをディッシングと呼ぶ。パッド構造でメタル20を3層にしているが、下層になると微細なビア加工を実現するためメタル20の膜厚は薄膜化するためディッシングがより深刻な問題になる。メタル中央部のメタルが薄くなると、層間絶縁膜8に受けるボンディングの衝撃がより大きくなりダメージが発生する可能性が大きくなる。このディッシングがあるため最上層メタルより下層のメタル20はパッド13よりもメタル面積が少ないことが望ましい。
【0008】
また半導体製造における組立プロセスの接合工法は主にワイヤボンディング工法とスタッドバンプボンディング(次からSBB工法と略す)がある。ワイヤボンディング工法は半導体素子に搭載されているパッド13にAuボールを荷重を加えながら超音波を印加し圧着させた後、Auワイヤをキャピラリーによりインターポーザの接続端子に誘導する。この時、パッド13に接合されたAuボールにワイヤからの引張り力がかかることにより、パッド13にも引張り力が加えられる。またSBB工法においても、先ず半導体素子に搭載されているパッド13へAuボールを接合させる。これは上述したワイヤボンド工法と同様で荷重と超音波を印加し、パッド13にAuボールを接合させる。その後、ボンディング設備に付設しているクランパでワイヤを掴み、パッド13に接合されたAuボールとワイヤを分離する。この時にAuボールに引張り力が加わり、その結果パッド13にも引張り力が加わる。
【0009】
以上のように主流の接合工法はパッド13に引張り力が加わり、同時にパッド13に加わる引張り力で層間絶縁膜8およびメタル20にも引張り力が加わる。このときメタル20と層間絶縁膜8の境界の機械的強度は弱いため、いずれかのメタル20と層間絶縁膜8の境界でボンディングによりクラックが発生した場合、上述したボンディングによる引張り力を受けることによりクラックの伝播を加速する。このとき全層のメタル20と層間絶縁膜8の層の境界が揃っているため、上下層のメタルと層間絶縁膜の境界も影響を受けクラックを発生し、その結果パッドはく離を引起すことになる。
【0010】
図8の課題は、応力緩和材19を成膜することにより、従来のプロセスよりもプロセス工程数が増え、拡散期間が長くなり。またコストも増大させ拡散期間の短縮化と低コスト化の要求に大きく課題を残す。
【0011】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ボンディングによるメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を発生させないパッド構造を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載のパッド構造は、金属材料で形成される第1のメタル層と、第1のメタル層と第1の絶縁層を挟んで重なり第1のメタル層と第1の絶縁層を貫通する第1の接続プラグで接続している第2のメタル層と、第2のメタル層と第2の絶縁層を挟んで重なり第2のメタル層と第2の絶縁層を貫通する第2の接続プラグで接続している第3のメタル層と、第3のメタル層と第3の絶縁層を挟んで重なり第3のメタル層と第3の絶縁層を貫通する第3の接続プラグで接続している最上層メタル層と、最上層メタル層に重なる外部端子とを備え、第1のメタル層、第2のメタル層、第3のメタル層、最上層メタル層および外部端子の各周囲は絶縁層に囲まれ、第1のメタル層、第2のメタル層および第3のメタル層の外形寸法が異なることを特徴とするものである。
【0013】
請求項1記載のパッド構造によれば、ボンディング工法による引張り力でパッド剥離が発生するのは機械的強度が低い層間絶縁膜とメタルとの境界が縦方向に揃い、引張り力が層間絶縁膜とメタルとの境界が縦方向に揃った部分に垂直力として働くことにより起こる。また層間絶縁膜とメタルの境界はクラックが発生しやすい部分である。従ってボンディング工法によりパッドへ加わる引張り力によるパッド剥離の課題に対しては、パッドを構成するメタルの寸法を同一にしないことで、引張り力がメタルと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることによる引張り力が垂直力としてそのまま働くことを防ぐことで解決できる。したがって、ボンディングによるパッド剥離を発生させないパッド構造を提供する。
【0014】
また、拡散期間の抑制と低コスト化において、本発明のパッド構造特有のプロセスは追加しなくてもよいため、従来と同様の拡散期間が維持でき、かつコストも増大することはない。
【0015】
請求項2記載のパッド構造は、請求項1において、第1の接続プラグと、第2の接続プラグと、第3の接続プラグにおける縦方向の配置関係がジグザグになっているものである。
【0016】
請求項2記載のパッド構造によれば、請求項1と同様な効果のほか、メタル同士を接続する接続プラグにおいても、接続プラグと層間絶縁膜の境界が存在するため、各層で縦方向にジグザグに接続プラグを配置することで、層境界を縦方向に揃えることを回避することができる。
【0017】
請求項3記載のパッド構造は、請求項1または請求項2において、第1のメタル層、第2のメタル層および第3のメタル層の外形寸法が順次小さくなる関係とし、第3のメタル層は平板に形成し、第1のメタル層および第2のメタル層は中央部にメッシュ状の穴を形成したものである。
【0018】
請求項3記載のパッド構造によれば、下層の薄膜化されたメタルのCMPによるディッシングを抑えるためにメタルの面積を小さくする。但し最上層メタルより1層下のメタルは平板にする。平板にすることにより、より多くの最上層メタルより1層下の接続プラグを設け、ボンディングの衝撃に対し、より高い機械的強度を得るためである。また、ボンディングで印加される超音波を比較的強く受けるのが最上層メタルより1層下のメタルであるため、超音波によりダメージを受けやすいメタルにおいてメタルと層間絶縁膜の境界部分を少なくするためにも最上層メタルより1層下のメタルは平板とする。また、更に下層のメタルはメタル面積を少なくするためには、メタル中央部のメタル面積を減らすため、メタルを抜くことが有効である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパッド構造について一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【0020】
図1において、1は下層の第1のメタル層、2は第1のメタル層1の第1のバリアメタル、3は第1のメタル層1とその上の第2のメタル層4を接続する第1のビア、4は第1のメタル層1より1層上の第2のメタル層、5は第2のメタル層4とその上の第3のメタル層6を接続する第2のビア、6は第2のメタル層4より1層上の第3のメタル層、7は第3のメタル層6と最上層メタル層10を接続する第3のビア、8は第1のビア3、第2のビア5、第3のビア7の周囲を覆いメタル層1、4、6、10間に挟まれている第1の層間絶縁膜、9は第1のメタル層1、第2のメタル層4、第3のメタル層6および最上層メタル層10の周囲を覆っている第2の層間絶縁膜、10は最上層メタル層、11は最上層メタル層10の周辺部に成膜され、最上層メタル層10と2μm重なっている第1の保護膜、12は最上層メタル層10の上に成膜される第2のバリアメタル、13は外部端子、14は外部端子13の周辺部に成膜され、外部端子13と2〜3μm重なっている第2の保護膜を示す。
【0021】
図1に示すとおり、本発明における実施形態のパッド構造は、メタル層の中央部のメタルを第1のパターン15、第2のパターン16のようにメッシュ状に抜いた第1のメタル層1と第2のメタル層4と平板の第3のメタル層6と最上層メタル層10をメタル間に第1の層間絶縁膜8を挟み積み重なった構造になる。そして第1のメタル層1、第2のメタル層4、第3のメタル層6および最上層メタル層10の周囲に第2の層間絶縁膜9が成膜されている。また、第1のメタル層1と第2のメタル層4、第2のメタル層4と第3のメタル層6、第3のメタル層6と最上層メタル10を接続するプラグとして第1のビア13、第2のビア5、第3のビア7を搭載する構造になる。第1のメタル層1、第2のメタル層4、第3のメタル層6および最上層メタル10の上面を除く周囲には第1のバリアメタル2を成膜し、メタルが層間絶縁膜に拡散することを防止すると同時に層間絶縁膜との密着性を向上させる働きをする。最上層メタル10の上には、外部端子13と最上層メタル10の密着性を向上させるための第2のバリアメタル12と外部環境の影響に関係なく品質信頼性を確保するための第1の保護膜11を成膜する。
【0022】
上述したように、第3のメタル層6は平板であるが寸法を短くし、第1のメタル層1と第2のメタル層4の中央部のメタルをメッシュ状に抜くことによりメタルの面積が減少しCMPによるディッシングが発生せず、その結果規格内のメタル膜厚が確保され、ボンディングに対する耐ダメージ性を確保する。第3のメタルを平板としたのはボンディング時の衝撃が比較的大きいため強度が低いメタルと層間絶縁膜の境界を短くするためである。更に第1のメタル層1と第2のメタル層4と第3のメタル6の寸法を、第1のメタル層1>第2のメタル層4>第3のメタル層6に設計することにより、ボンディング工法の引張り力に弱いメタルと層間絶縁膜の境界が縦方向に重なることをなくすことにより、ボンディング工法による引張り力で発生するメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を解決できる。
【0023】
したがって、第1の実施の形態によれば、半導体組立工程であるボンディングによるパッド直下、特に絶縁層間膜のダメージフリーおよび絶縁層間膜からの外部端子のはく離防止を実現できる。
【0024】
図2は、図1とは別の実施の形態であり、図1のパッド構造の機械的強度を強くするため、図2に示すように第1のビア1と第2のビア5および第3のビア7を縦方向にジグザグに互いにずらせて配置している。各ビアと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることをなくすことができ、パッド剥離の原因をなくすことができる。
【0025】
図3から図6には図1および図2におけるパッド構造の製造方法を示す。
【0026】
図3(a)で第1の層間絶縁膜8の上に第2の層間絶縁膜9を化学気相堆積法(次からCVDと略する)により成膜する。図3(b)で第2の層間絶縁膜9にドライエッチング法により溝17を形成する。図3(c)は溝17に電解めっきにより第1のメタル層1を埋め込む。図3(d)は図3(c)で埋め込んだ第1のメタル層1をCMPにより第2の層間絶縁膜9が露出するまで平坦化する。図3(e)は再び上面に第1の層間絶縁膜8をCVDにより成膜する。図3(f)は図3(e)で成膜した第1の層間絶縁膜8にドライエッチング法によりビア溝18を形成する。図3(g)はビア溝18に電解めっきにより第1のビア3を埋め込み、図3(e)で成膜した第1の層間絶縁膜8が露出するまでCMPにより平坦化を行う。図3(c)〜(g)を繰り返すことにより第2のメタル層4、第3のメタル6、最上層メタル10、第2のビア5、第3のビア7を順次形成し、図4(a)、図4(b)に示すとおりになる。次に図4(c)に示すようにCVDにより第1の保護膜11を成膜し、ドライエッチング法により最上層メタル10が直下に存在する部分を開口する。図5(a)でCVDにより第2のバリアメタル12と外部端子13を積層する。図5(b)ではドライエッチング法により第2のバリアメタル12と外部端子13をパッド形状に形成する。そして図6(a)は最上層に第2の保護膜14をCVDにより成膜し、最後に外部端子13が存在する部分のみドライエッチング法により開口し、図6(b)に示すような図1または図2に示すパッド構造が製造できる。
【0027】
以上のような本実施形態をとることにより、ボンディングによる衝撃および引張り力に対し更に耐クラック性を向上させる効果があり、層間絶縁膜における機械的強度の低下による接続不良をなくすことができる。従って半導体の高速化を優先し層間絶縁膜を選択でき、半導体の性能向上に大きく貢献する。
【0028】
また、拡散期間の抑制と低コスト化においては、本発明のパッド構造特有のプロセスは追加されないため、従来と同様の拡散期間が維持でき、かつコストも増大することはない。
【0029】
【発明の効果】
請求項1記載のパッド構造によれば、パッドを構成するメタルの寸法を同一にしないことで、引張り力がメタルと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることによる引張り力が垂直力としてそのまま働くことを防ぐことで解決できる。したがって、ボンディングによるメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を発生させないパッド構造を提供することができる。
【0030】
請求項2記載のパッド構造によれば、請求項1と同様な効果のほか、メタル同士を接続する接続プラグにおいても、接続プラグと層間絶縁膜の境界が存在するため、各層で縦方向にジグザグに接続プラグを配置することで、層境界を縦方向に揃えることを回避することができる。
【0031】
請求項3記載のパッド構造によれば、メタルの面積を小さくすることにより、下層の薄膜化されたメタルのCMPによるディッシングを抑えることができる。但し最上層メタルより1層下のメタルは平板にすることにより、より多くの最上層メタルより1層下の接続プラグを設け、ボンディングの衝撃に対し、より高い機械的強度を得ることができる。また、ボンディングで印加される超音波を比較的強く受けるのが最上層メタルより1層下のメタルであるため、超音波によりダメージを受けやすいメタルにおいてメタルと層間絶縁膜の境界部分を少なくするためにも最上層メタルより1層下のメタルは平板とするのがよい。また、更に下層のメタルはメタル面積を少なくするため、メタル中央部のメタル面積を減らすように、メタルを抜くことが有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における一実施形態を示し、(a)は断面図、(b)はそのA−A′断面図、(c)はB−B′断面図、(d)はそのC−C′断面図、(e)はD−D′断面図である。
【図2】本発明における別の実施形態の断面図である。
【図3】本発明の各実施形態に係る製造方法を示し、(a)から(g)は製造順の工程断面図である。
【図4】図3に続く工程断面図である。
【図5】図4に続く工程断面図である。
【図6】図5に続く工程断面図である。
【図7】従来の接続工法の断面図である。
【図8】別の従来の接続工法の断面図である。
【符号の説明】
1 第1のメタル層
2 第1のバリアメタル
3 第1のビア
4 第2のメタル層
5 第2のビア
6 第3のメタル層
7 第3のビア
8 第1の層間絶縁膜
9 第2の層間絶縁膜
10 最上層メタル層
11 第1の保護膜
12 第2のバリアメタル
13 外部端子
14 第2の保護膜
15 第1のパターン
16 第2のパターン
17 溝
18 ビア溝
19 応力緩和材
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a pad structure of a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the spread of information technology, there is an increasing demand for speeding up as electronic devices such as computers and mobile phones. Accordingly, higher speed is inevitably required as the performance of semiconductors represented by system LSI, which greatly affects the performance of electronic devices. However, what greatly hinders the speeding up of the semiconductor are the delay of the MOS transistor itself and the wiring delay due to the wiring itself and the parasitic capacitance between the wirings. Conventionally, the delay of the MOS transistor itself has been reduced by a miniaturization technique for shortening the gate length. However, as the delay of the MOS transistor itself due to the development of miniaturization technology becomes smaller, the problem of wiring delay has surfaced. Therefore, in order to reduce the delay between wirings, an attempt is made to solve the problem of reducing the wiring delay by adopting an insulating film having a low dielectric constant (low dielectric constant film) as an insulating film sandwiched between the wirings.
[0003]
However, a low dielectric constant film that realizes a dielectric constant of 3.0 or less has a mechanical strength significantly lower than that of a silicon oxide film that has been conventionally employed. This is a problem in the assembly process, particularly the wire bonding process, which is responsible for packaging the semiconductor, after the diffusion process responsible for forming the semiconductor circuit is completed. Specifically, this is as follows. Since the mechanical strength of the interlayer insulating film is not sufficient, when wire bonding is performed on a pad mounted on a semiconductor, the impact load of the wire bond is transmitted through the pad to the interlayer insulating film directly under the pad, which greatly increases the interlayer insulating film. Deform. The deformation causes a crack in the interlayer insulating film and greatly affects the quality reliability of the semiconductor element itself.
[0004]
Therefore, conventionally, as shown in FIG. 7, a metal 20 is formed directly below the pad 13 with the interlayer insulating film 8 interposed therebetween, and the metal 20 and the pad 13 are connected by the connection plug 7, thereby bonding to the interlayer insulating film 8 by bonding. The metal 20 receives the applied impact, and the connection plug 7 supports the metal 20 attempting to deform in the direction in which the impact is applied due to the impact, and the mechanical properties of the interlayer insulating film 8 formed immediately below the pad 13. Some are trying to improve strength (for example, Patent Document 1). As a result, damage such as deformation of the interlayer insulating film 8 due to an impact transmitted by bonding is reduced. Reference numeral 11 denotes a first protective film.
[0005]
On the other hand, as shown in FIG. 8, by providing a stress relaxation material 19 on the interlayer insulating film 8, the stress is relaxed immediately below the pad by wire bonding, and an impact transmitted to the interlayer insulating film 8 formed immediately below the pad is applied. By suppressing, the damage by bonding is suppressed (for example, patent document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-114309 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-22039 Description
[Problems to be solved by the invention]
However, the above pad structure has the following problems. First, a problem with the pad structure of FIG. 7 will be described. When the metal 20 has a large area and a damascene process is used to form the metal, the central portion of the metal 20 is greatly cut by mechanical chemical polishing (hereinafter abbreviated as CMP), and the film thickness becomes very thin. This is called dishing. Although the metal 20 has three layers in the pad structure, dishing becomes a more serious problem because the thickness of the metal 20 is reduced in order to realize fine via processing in the lower layer. When the metal at the center of the metal becomes thinner, the impact of bonding received on the interlayer insulating film 8 becomes larger and the possibility of damage occurring increases. Because of this dishing, it is desirable that the metal 20 below the uppermost metal has a smaller metal area than the pad 13.
[0008]
In addition, there are mainly wire bonding method and stud bump bonding (hereinafter abbreviated as SBB method) as the bonding method in the assembly process in semiconductor manufacturing. In the wire bonding method, an Au ball is applied to a pad 13 mounted on a semiconductor element while applying an ultrasonic wave to the pad 13 for pressure bonding, and then the Au wire is guided to a connection terminal of the interposer by a capillary. At this time, the tensile force from the wire is applied to the Au ball joined to the pad 13, whereby the tensile force is also applied to the pad 13. Also in the SBB method, Au balls are first bonded to the pads 13 mounted on the semiconductor element. This is the same as the wire bonding method described above, and a load and an ultrasonic wave are applied to bond the Au ball to the pad 13. Thereafter, the wire is gripped by a clamper attached to the bonding equipment, and the Au ball bonded to the pad 13 and the wire are separated. At this time, a tensile force is applied to the Au ball, and as a result, a tensile force is also applied to the pad 13.
[0009]
As described above, in the mainstream bonding method, a tensile force is applied to the pad 13, and at the same time, a tensile force is applied to the interlayer insulating film 8 and the metal 20 by the tensile force applied to the pad 13. At this time, since the mechanical strength at the boundary between the metal 20 and the interlayer insulating film 8 is weak, when a crack is generated by bonding at the boundary between any of the metals 20 and the interlayer insulating film 8, the tensile force due to the bonding described above is applied. Accelerates crack propagation. At this time, since the boundary between the metal 20 of the entire layer and the layer of the interlayer insulating film 8 is aligned, the boundary between the upper and lower layers of the metal and the interlayer insulating film is also affected and cracks are generated, resulting in pad peeling. Become.
[0010]
The problem of FIG. 8 is that the number of process steps is increased and the diffusion period is longer than that of the conventional process by forming the stress relaxation material 19 into a film. In addition, the cost increases, and there is a major problem in the demand for shortening the diffusion period and reducing the cost.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to provide a pad structure that does not cause pad peeling that occurs due to a crack at the boundary between a metal and an interlayer insulating film due to bonding.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The pad structure according to claim 1, wherein the first metal layer formed of a metal material, and the first metal layer and the first insulating layer are sandwiched so as to penetrate the first metal layer and the first insulating layer. A second metal layer connected by the first connection plug, and a second metal layer that overlaps with the second metal layer and the second insulating layer interposed therebetween and penetrates the second metal layer and the second insulating layer. The third metal layer connected by the connection plug, and the third metal layer and the third insulating layer are sandwiched between the third metal layer and the third insulating layer so as to pass through the third connection plug. Each of the first metal layer, the second metal layer, the third metal layer, the uppermost metal layer, and the external terminal The outer dimensions of the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer are different, surrounded by the insulating layer. It is an butterfly.
[0013]
According to the pad structure of claim 1, the pad peeling due to the tensile force by the bonding method is such that the boundary between the interlayer insulating film and the metal having low mechanical strength is aligned in the vertical direction, and the tensile force is It occurs by acting as a normal force on the part where the boundary with the metal is aligned in the vertical direction. The boundary between the interlayer insulating film and the metal is a portion where cracks are likely to occur. Therefore, for the problem of pad peeling due to the tensile force applied to the pad by the bonding method, by making the dimensions of the metal composing the pad the same, the tensile force is aligned in the vertical direction between the metal and the interlayer insulating film. This can be solved by preventing the tensile force from acting as a normal force. Therefore, a pad structure that does not cause pad peeling due to bonding is provided.
[0014]
Further, in order to suppress the diffusion period and reduce the cost, it is not necessary to add a process peculiar to the pad structure of the present invention, so that the diffusion period similar to the conventional one can be maintained and the cost does not increase.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a pad structure according to the first aspect, wherein the first connecting plug, the second connecting plug, and the third connecting plug are vertically arranged in a zigzag manner.
[0016]
According to the pad structure of the second aspect, in addition to the same effect as that of the first aspect, in the connection plug for connecting the metals, since there is a boundary between the connection plug and the interlayer insulating film, each layer is zigzag vertically. By arranging the connection plugs in the layer, it is possible to avoid aligning the layer boundaries in the vertical direction.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a pad structure according to the first or second aspect, wherein the outer dimensions of the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer are sequentially reduced, and the third metal layer Is formed in a flat plate, and the first metal layer and the second metal layer are formed by forming a mesh-like hole in the center.
[0018]
According to the pad structure of the third aspect, the metal area is reduced in order to suppress dishing of the thinned metal layer by CMP. However, the metal one layer below the top layer metal is flat. By using a flat plate, a connection plug that is one layer lower than the uppermost metal layer is provided to obtain higher mechanical strength against the impact of bonding. In addition, since the metal that is one layer below the uppermost metal layer is relatively strongly subjected to ultrasonic waves applied in bonding, the metal and the interlayer insulating film in the metal that is easily damaged by ultrasonic waves are reduced. In addition, the metal below the uppermost metal layer is a flat plate. Further, in order to reduce the metal area of the lower layer metal, it is effective to remove the metal in order to reduce the metal area at the center of the metal.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the pad structure of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a lower first metal layer, 2 denotes a first barrier metal of the first metal layer 1, and 3 connects the first metal layer 1 and the second metal layer 4 thereon. First via 4 is a second metal layer one layer above first metal layer 1, 5 is a second via that connects second metal layer 4 and third metal layer 6 thereon, 6 is a third metal layer one layer above the second metal layer 4, 7 is a third via connecting the third metal layer 6 and the uppermost metal layer 10, 8 is the first via 3, and 2, a first interlayer insulating film covering the periphery of the via 5 and the third via 7 and sandwiched between the metal layers 1, 4, 6, 10, 9 is the first metal layer 1, the second metal layer 4. Second interlayer insulating film covering the periphery of the third metal layer 6 and the uppermost metal layer 10, 10 is the uppermost metal layer, and 11 is formed on the periphery of the uppermost metal layer 10. A first protective film that overlaps the uppermost metal layer 10 by 2 μm, 12 a second barrier metal film formed on the uppermost metal layer 10, 13 an external terminal, and 14 a periphery of the external terminal 13 A second protective film formed on the part and overlapping with the external terminal 13 by 2 to 3 μm is shown.
[0021]
As shown in FIG. 1, the pad structure according to the embodiment of the present invention includes a first metal layer 1 in which a metal at the center of a metal layer is extracted in a mesh shape like a first pattern 15 and a second pattern 16. The second metal layer 4, the flat third metal layer 6, and the uppermost metal layer 10 are stacked with the first interlayer insulating film 8 sandwiched between the metals. A second interlayer insulating film 9 is formed around the first metal layer 1, the second metal layer 4, the third metal layer 6, and the uppermost metal layer 10. The first via as a plug connecting the first metal layer 1 and the second metal layer 4, the second metal layer 4 and the third metal layer 6, and the third metal layer 6 and the uppermost metal 10. 13, the second via 5 and the third via 7 are mounted. A first barrier metal 2 is formed around the first metal layer 1, the second metal layer 4, the third metal layer 6, and the uppermost metal 10 except for the upper surface, and the metal diffuses into the interlayer insulating film. And at the same time improving the adhesion to the interlayer insulating film. On top of the uppermost layer metal 10, a second barrier metal 12 for improving the adhesion between the external terminal 13 and the uppermost layer metal 10 and a first for ensuring quality reliability regardless of the influence of the external environment. A protective film 11 is formed.
[0022]
As described above, the third metal layer 6 is a flat plate, but its size is shortened, and the metal at the center of the first metal layer 1 and the second metal layer 4 is extracted in a mesh shape to reduce the metal area. As a result, the dishing due to CMP does not occur, and as a result, the metal film thickness within the standard is secured, and the damage resistance against bonding is secured. The reason why the third metal is a flat plate is to shorten the boundary between the metal having low strength and the interlayer insulating film because the impact during bonding is relatively large. Furthermore, by designing the dimensions of the first metal layer 1, the second metal layer 4, and the third metal 6 so that the first metal layer 1> the second metal layer 4> the third metal layer 6, By eliminating the vertical overlap between the metal and the interlayer insulation film, which is weak to the tensile force of the bonding method, pad peeling caused by the crack at the boundary between the metal and the interlayer insulation film generated by the bonding method is eliminated. can be solved.
[0023]
Therefore, according to the first embodiment, it is possible to realize damage-free damage of the insulating interlayer film and prevention of peeling of the external terminals from the insulating interlayer film, particularly just under the bonding by the semiconductor assembly process.
[0024]
FIG. 2 is an embodiment different from FIG. 1, and in order to increase the mechanical strength of the pad structure of FIG. 1, the first via 1, the second via 5 and the third via as shown in FIG. The vias 7 are arranged in a zigzag manner in the vertical direction. The boundary between each via and the interlayer insulating film can be eliminated in the vertical direction, and the cause of pad peeling can be eliminated.
[0025]
3 to 6 show a method for manufacturing the pad structure shown in FIGS.
[0026]
In FIG. 3A, a second interlayer insulating film 9 is formed on the first interlayer insulating film 8 by chemical vapor deposition (hereinafter abbreviated as CVD). In FIG. 3B, a groove 17 is formed in the second interlayer insulating film 9 by dry etching. In FIG. 3C, the first metal layer 1 is embedded in the groove 17 by electrolytic plating. In FIG. 3D, the first metal layer 1 buried in FIG. 3C is planarized by CMP until the second interlayer insulating film 9 is exposed. In FIG. 3E, the first interlayer insulating film 8 is again formed on the upper surface by CVD. 3F, a via groove 18 is formed in the first interlayer insulating film 8 formed in FIG. 3E by dry etching. In FIG. 3G, the first via 3 is buried in the via groove 18 by electrolytic plating, and planarization is performed by CMP until the first interlayer insulating film 8 formed in FIG. 3E is exposed. By repeating FIGS. 3C to 3G, the second metal layer 4, the third metal 6, the uppermost layer metal 10, the second via 5, and the third via 7 are sequentially formed, and FIG. a) and as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 4C, a first protective film 11 is formed by CVD, and a portion where the uppermost metal layer 10 is present is opened by dry etching. In FIG. 5A, the second barrier metal 12 and the external terminal 13 are stacked by CVD. In FIG. 5B, the second barrier metal 12 and the external terminal 13 are formed in a pad shape by a dry etching method. 6A, the second protective film 14 is formed on the uppermost layer by CVD, and finally the portion where the external terminal 13 is present is opened by the dry etching method, as shown in FIG. 6B. The pad structure shown in FIG. 1 or FIG. 2 can be manufactured.
[0027]
By adopting the present embodiment as described above, there is an effect of further improving crack resistance against the impact and tensile force of bonding, and it is possible to eliminate poor connection due to a decrease in mechanical strength in the interlayer insulating film. Therefore, priority can be given to increasing the speed of the semiconductor, and an interlayer insulating film can be selected, which greatly contributes to improving the performance of the semiconductor.
[0028]
Further, in the suppression of the diffusion period and the reduction in cost, the process unique to the pad structure of the present invention is not added, so that the diffusion period similar to the conventional one can be maintained and the cost does not increase.
[0029]
【The invention's effect】
According to the pad structure of claim 1, the tensile force generated by aligning the boundary between the metal and the interlayer insulating film in the vertical direction works as a normal force as it is by making the dimensions of the metal constituting the pad the same. It can be solved by preventing this. Therefore, it is possible to provide a pad structure that does not cause pad peeling that occurs due to a crack at the boundary between the metal and the interlayer insulating film due to bonding.
[0030]
According to the pad structure of the second aspect, in addition to the same effect as that of the first aspect, in the connection plug for connecting the metals, since there is a boundary between the connection plug and the interlayer insulating film, each layer is zigzag vertically. By arranging the connection plugs in the layer, it is possible to avoid aligning the layer boundaries in the vertical direction.
[0031]
According to the pad structure of the third aspect, by reducing the metal area, dishing due to CMP of the lower-layered metal can be suppressed. However, by forming the metal one layer below the uppermost metal as a flat plate, connection plugs one layer lower than the uppermost metal can be provided, and higher mechanical strength can be obtained against bonding impact. In addition, since the metal that is one layer below the uppermost metal layer is relatively strongly subjected to ultrasonic waves applied in bonding, the metal and the interlayer insulating film in the metal that is easily damaged by ultrasonic waves are reduced. In addition, the metal one layer below the uppermost layer metal is preferably a flat plate. Further, in order to reduce the metal area of the lower layer metal, it is effective to remove the metal so as to reduce the metal area at the center of the metal.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A is a cross-sectional view, FIG. 1B is a cross-sectional view along AA ′, FIG. 1C is a cross-sectional view along BB ′, and FIG. C 'sectional drawing and (e) are DD' sectional drawings.
FIG. 2 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a manufacturing method according to each embodiment of the present invention, wherein (a) to (g) are process cross-sectional views in the order of manufacture.
FIG. 4 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 3;
FIG. 5 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 4;
6 is a process cross-sectional view subsequent to FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional connection method.
FIG. 8 is a cross-sectional view of another conventional connection method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st metal layer 2 1st barrier metal 3 1st via 4 2nd metal layer 5 2nd via 6 3rd metal layer 7 3rd via 8 1st interlayer insulation film 9 2nd Interlayer insulating film 10 Uppermost metal layer 11 First protective film 12 Second barrier metal 13 External terminal 14 Second protective film 15 First pattern 16 Second pattern 17 Groove 18 Via groove 19 Stress relaxation material

Claims (3)

金属材料で形成される第1のメタル層と、前記第1のメタル層と第1の絶縁層を挟んで重なり前記第1のメタル層と前記第1の絶縁層を貫通する第1の接続プラグで接続している第2のメタル層と、前記第2のメタル層と第2の絶縁層を挟んで重なり前記第2のメタル層と前記第2の絶縁層を貫通する第2の接続プラグで接続している第3のメタル層と、前記第3のメタル層と第3の絶縁層を挟んで重なり前記第3のメタル層と前記第3の絶縁層を貫通する第3の接続プラグで接続している最上層メタル層と、前記最上層メタル層に重なる外部端子とを備え、前記第1のメタル層、前記第2のメタル層、前記第3のメタル層、前記最上層メタル層および前記外部端子の各周囲は絶縁層に囲まれ、前記第1のメタル層、前記第2のメタル層および前記第3のメタル層の外形寸法が異なることを特徴とするパッド構造。A first metal layer formed of a metal material, and a first connection plug that overlaps with the first metal layer and the first insulating layer sandwiched therebetween and penetrates the first metal layer and the first insulating layer And a second connection plug that overlaps with the second metal layer and the second insulating layer sandwiched between the second metal layer and the second insulating layer, and penetrates the second metal layer and the second insulating layer. The third metal layer connected to the third metal layer overlaps with the third metal layer and the third insulating layer interposed therebetween, and is connected by a third connection plug penetrating the third metal layer and the third insulating layer. An upper terminal metal layer, and an external terminal overlapping the uppermost metal layer, the first metal layer, the second metal layer, the third metal layer, the uppermost metal layer, and the Each periphery of the external terminal is surrounded by an insulating layer, and the first metal layer, the second metal layer, and the Pad structure, wherein the outer dimensions of the third metal layer is different. 前記第1の接続プラグと、前記第2の接続プラグと、前記第3の接続プラグにおける縦方向の配置関係がジグザグになっている請求項1記載のパッド構造。2. The pad structure according to claim 1, wherein a vertical arrangement relationship between the first connection plug, the second connection plug, and the third connection plug is zigzag. 前記第1のメタル層、前記第2のメタル層および前記第3のメタル層の外形寸法が順次小さくなる関係とし、前記第3のメタル層は平板に形成し、前記第1のメタル層および前記第2のメタル層は中央部にメッシュ状の穴を形成した請求項1または請求項2記載のパッド構造。The outer dimensions of the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer are sequentially reduced, and the third metal layer is formed in a flat plate, and the first metal layer and the third metal layer The pad structure according to claim 1 or 2, wherein the second metal layer has a mesh-like hole formed in a central portion thereof.
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