JP4093165B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路装置の電極パッドの下地における配線構造に関するものであり、特に配線プロセスの微細化に対応するため、複数層の下地の構成を最適化した高信頼性の半導体集積回路装置に関する。

図３は、従来の半導体集積回路装置の一般的な電極パッドの下地における配線構造を示す断面図の概略である。図３に示すように、半導体集積回路装置の電極パッドは２層構造で、電極パッド１ａ、１ｂは回路素子３や内層回路配線５ａ、５ｂ、５ｃなどが多層に構成されている内部回路配線エリアの外周部に設けられており、電極パッド１ａ、１ｂの直下には回路素子３や内層回路配線５ａ、５ｂ、５ｃは設けられておらず、絶縁層間膜（例えば、ＳｉＯＮやＴＥＯＳ膜など）４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのみとなっている。ここで、半導体集積回路装置の上面には、ＳｉＮ（ナイトライド）膜２が形成されており、電極パッド１ａ、１ｂには、キャピラリー９により、Ａｕワイヤ７がワイヤボンディングされる。

さらに、最近では、半導体集積回路装置自身の面積を小さくするという要望から、電極パッド１ａ、１ｂを回路素子３や内層回路配線５ａ、５ｂ、５ｃ上に設けることで半導体集積回路装置自身の面積を有効に使う手法が広まりつつある（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−１３１１０４４号公報

従来の半導体集積回路装置では、半導体集積回路装置自体の高機能化などにより、外部と接続する電極パッド数が増加することが予想され、必然的に半導体集積回路装置の面積が大きくなるという問題があった。一般的には、この課題を解決する手法として、電極パッドの配列のピッチを１００μｍ、８０μｍと縮めることにより、半導体集積回路装置の面積増大を抑制してきたが、６０μｍ以下の電極パッドとなると、プローブ検査やワイヤボンディングの関係上、電極パッドが長方形となり、半導体集積回路装置の面積増大が総合的には抑制できなくなってきている。

一方で、半導体集積回路装置の面積増大の抑制として、回路素子や内層回路配線の上に電極パッドを形成するエリアパッドも考えられてきている。しかしながら、回路素子や内層回路配線上に電極パッドを設けた場合、検査におけるプローブや外部端子との接続のためのワイヤボンディングを行なった場合に、プローブ針の静荷重やワイヤボンディング時の超音波エネルギによって、電極パッドの下地の絶縁層間膜や内層回路配線、回路素子にマイクロクラックなどの損傷を与え、半導体集積回路装置の品質に大きな影響を与える。

また、設計変更などにより、パッド位置が変更になった場合、電極パッド直下の回路素子や内部回路変更とのポジショニングも変更する必要性が発生し、それに伴うマスクや設計変更に要する工数が増大するという課題があった。

前記、半導体集積回路装置の面積増大の抑制のひとつである回路素子や内層回路配線の上に電極パッドを形成したときの課題を解決するために、本発明の半導体集積回路装置の電極パッドの下地配線構造は以下のような構成を有している。

本発明の半導体集積回路装置は、電極パッドの下部において、絶縁層間膜を介して少なくとも２階層以上の内部回路配線を有し、前記電極パッドの直下の第１層にあたる前記内部回路配線が、半導体集積回路装置の外周部で、すべての前記電極パッドの直下を含む電極パッド幅以上のリング状領域に形成されていないことを特徴とする。

以上のように、本発明の半導体集積回路装置は、電極パッドの下部で第１層より下に回路素子や内層回路配線を設けた場合でも、電極パッドの直下の第１層にあたる内部回路配線が、半導体集積回路装置の外周部ですべての電極パッドの直下を含むリング状領域に形成されていないため、リング状に沿って、電極パッドの位置変更が容易にでき、かつ検査におけるプローブやワイヤボンディングを行なった場合においても、絶縁層間膜の厚みを増しているため、絶縁層間膜自身の剛性が高くなり、電極パッドの下地となっている絶縁層間膜に損傷を与えることがない下地配線構造を提供することができ、半導体集積回路装置面積の縮小、高歩留まり、高信頼性が実現でき、半導体集積回路装置を製造コストの上昇をさせることなく作成できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態における半導体集積回路装置の電極パッド周辺を示す概略図である。図１（ａ）は半導体集積回路装置の上面図で、半導体集積回路装置の外周部で電極パッドが一重にリング状位置に形成された場合の概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した半導体集積回路装置における電極パッドでの断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体集積回路装置６はその周囲において、枠状に電極パッド１０が配列された構成となっている。ここでは、電極パッド１０は、ＡＬとＣｕなどのように異なった金属材質の積層で構成された電極パッド１０ａ、１０ｂで構成されている。電極パッド１０上には電気信号を外部に導出するためのＡｕバンプやＡｕワイヤ７が接合される。

半導体集積回路装置表面には、ＳｉＮ（ナイトライド）などの保護膜１１が形成され、電極パッド１０を含む半導体集積回路装置の下地には、ここでは、３階層の内部回路配線１５ａ、１５ｂ、１５ｃと回路素子１２が形成され、電極パッド１０、内部回路配線１５ａ、１５ｂ、１５ｃと回路素子１２のそれぞれの間には、ＴＥＯＳもしくはＳｉＯＮなどの材料による絶縁層間膜１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが形成されている。内部回路配線１５ａ、１５ｂ、１５ｃはＡＬもしくはＣｕの単体材料で構成されている。

図１（ａ）で、半導体集積回路装置の周辺で、電極パッド１０を囲むように２本の枠状・リング状に点線で示した領域８は、電極パッド１０ａ、１０ｂの下地の第１層の内部回路配線１５ｃが配設されていない領域を示す。つまり、その領域には第１層の内部回路配線１５ｃが形成されずに絶縁層間膜１３ｄが形成されている。リング状の領域８の幅は電極パッド１０の幅以上である。図１（ｂ）で、１４は、従来には電極パッド１０の直下に内部回路配線１５ｃが形成されていたが、本発明では、その内部回路配線１５ｃを形成しない状態を示しており、その部分に形成された絶縁層間膜である。

このように、電極パッド１０の直下に位置するリング状の領域８に第１層目の内部回路配線１５ｃを形成しないようにすることにより、電極パッド１０の直下の第２層目の内部回路配線１５ｂまでの絶縁層間膜自体の厚みを厚くすることができる。つまり、絶縁層間膜の厚みは、絶縁層間膜１３ｃと絶縁層間膜１３ｄ（絶縁層間膜１４部分を含む）とを合わせて、１０００ｎｍ以上となる。

また、積層された電極パッド１０ａ、１０ｂを合わせた厚みは最低でも１０００ｎｍの厚みを有し、可能であれば、それ以上の厚みに形成される。半導体集積回路装置自身の検査には、一般的には、カンチレバー方式のプローブ針を電極パッド１０ａに接触させ、半導体集積回路装置の検査を行なうが、この時、電極パッド１０ａにはプローブ針の接触により、電極パッド直下の絶縁層間膜１３ｃ、１３ｄにはプローブ針による静荷重が掛かる。このときのプローブ針の荷重は、プローブ針１本あたり約４〜６ｇである。この絶縁層間膜１３ｃ、１３ｄの総厚が小さいと、プローブ針の静荷重に耐えることができず、絶縁層間膜１３ｃ、１３ｄにマイクロクラックなどのダメージを生じさせることになる。

また、この電極パッド１０ａ、１０ｂに熱超音波併合型のワイヤボンディングを用いて、Ａｕワイヤ７を接合させる場合、Ａｕワイヤ７の先端にボールを形成し、１５０〜２５０℃の高温下で超音波振動を掛けながら、キャピラリーツールでＡｕワイヤ７のボールを接続する。この時、ワイヤボンディング時の超音波エネルギが、下地の絶縁層間膜に伝達するのであるが、電極パッド１０ａ、１０ｂの直下の絶縁層間膜１４の層に内層回路配線を有していないため、超音波エネルギによって起こる内層回路配線のエッジ部の応力集中が発生しない。また、内層回路配線１５ｂのエッジに対しては、超音波エネルギが絶縁層間膜１３ｄ、１４、１３ｃを伝播する間に減衰されるため、マイクロクラックなどのダメージを生じさせるだけの応力集中を避けることができる。

実験の結果、絶縁層間膜の厚みが５００ｎｍでは電極パッド１０ｂと内部回路配線１５ｂの間でマイクロクラックが１％程度発生するのに対し、絶縁層間膜の厚みを１０００ｎｍにすることにより電極パッド１０ｂと内部回路配線１５ｂの間で、マイクロクラックは確認できなかった。この結果、電極パッド１０の直下に位置するリング状の領域８に第１層目の内部回路配線１５ｃを形成しないようにすることが必要であることがわかる。

図１（ｃ）は、電極パッド１０が半導体集積回路装置６の周辺から２重に形成されている場合の半導体集積回路装置の上面図を示し、第１層の内部回路配線１５ｃが配設されていない領域８は、２重の電極パッド１０の領域を含んでリング状となる。

図２は、本発明の他の実施形態である半導体集積回路装置の電極パッド周辺の断面図を示したものである。図２は、電極パッドが１層の金属層の場合で、ＡＬかＣｕの単材質で構成された電極パッドの半導体集積回路装置の断面図である。この場合も同様に、電極パッド２０の直下の第１層目の内部回路配線１５ｃを半導体集積回路の外周部のリング状の領域８に形成しない。この時の絶縁層間膜の厚みは、絶縁層間膜１３ｃと絶縁層間膜１３ｄ、内部回路配線１５ｃを形成していない領域の絶縁層間膜１４とを合わせて、１０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の厚みとする。電極パッド２０の厚みは４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とする。しかしながら、絶縁層間膜や電極パッドを厚くしすぎても、所望の膜厚形成に時間がかかり、コスト高になったり、厚すぎる場合の技術的、信頼性面的な２次課題が発生したりする場合があるので適宜厚みの範囲を設定する必要があることは言うまでもない。

さらに、半導体集積回路装置の拡散工程においても、電極パッド１０ａ、１０ｂの直下の第１層目の内部回路配線１５ｃを設計上、半導体集積回路の外周部の領域８に形成しないだけであるため、拡散工程の増加やマスクの増加などの必要がなく、製造コストの増加につながるという問題も発生しない。

また、第１層目の内部回路配線１５ｃをリング状の領域８に形成しないことにより、電極パッド１０、２０の位置が変更になった場合においても、内部回路配線１３ｄ用のマスクを変更する必要がなく、電極パッド１０、２０用のマスクのみの変更となり、パッド位置の設計変更に対しても容易にすることができる。

なお、内部回路配線を３階層の場合について説明したが、２階層の場合でも同様である。

本発明は、微細化に伴い電極パッドの下部に内部回路配線や回路素子を複数層配置しないといけない半導体集積回路装置に利用できる。

本発明の一実施形態の半導体集積回路装置を示す概略図 本発明の一実施形態の半導体集積回路装置を示す断面図 従来の半導体集積回路装置を示す断面図

符号の説明

６ 半導体集積回路装置
７ Ａｕワイヤ
１０、２０ 電極パッド
１１ 保護膜
１２ 回路素子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 絶縁層間膜
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 内部回路配線

Claims (4)

1. 外周部に沿って電極パッドを有し、前記電極パッドの下部において、絶縁層間膜を介して少なくとも２階層以上の内部回路配線と回路素子とを有する半導体集積回路装置であって、
   前記電極パッドの下部の第１層にあたる前記内部回路配線が、前記半導体集積回路装置の外周部で、すべての前記電極パッドの直下を含む前記電極パッドの幅以上のリング状領域に形成されておらず、前記電極パッドの下部の第２層以下のいずれかの階層にあたる前記内部回路配線は、前記電極パッドの直下に形成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
2. 前記電極パッドは、前記半導体集積回路装置の外周部に沿って、少なくとも２列以上形成されており、
   前記電極パッドの下部の第１層にあたる前記内部回路配線は、複数の前記電極パッドの列幅以上のリング状領域に形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置。
3. 前記絶縁層間膜の材質はＴＥＯＳもしくはＳｉＯＮからなり、前記内部回路配線の配線材料はＡＬもしくはＣｕで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体集積回路装置。
4. 前記電極パッドの厚みは４００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲であり、前記電極パッドの直下の前記絶縁層間膜の厚みは１０００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下で構成されていることを特徴とする請求項１から３にいずれかに記載の半導体集積回路装置。

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