JP4242336B2

JP4242336B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4242336B2
Application number: JP2004356108A
Authority: JP
Inventors: 忠昭三村; 毅濱谷; 篤人水谷; 賢治植田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: TW200531225A; CN1652329A; JP2005252230A; CN100365809C; US7391114B2; US20050173801A1; TWI278073B

Description

本発明は、半導体装置の外部接続用電極に関するものであり、特にパッド部の構造と配置に関するものである。

図１１は従来の半導体装置の外部接続用電極であるパッドとその周辺部の構成を示し、図１１（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平面図、断面図である。
図１１において、２２は電極パッド、３１は電極パッド２２を除いた半導体基板上に形成された第１の保護膜（例えば、ＰドープされたＰ−ＳｉＮ膜）、３２は第１の保護膜３１上にさらに形成された第２の保護膜（例えば、ポリイミド膜）である。電極パッド２２は、最上層に形成された第１のパッドメタル６７と、一つ下の配線層に形成された第２層のパッドメタル６５と、第１のパッドメタル６７と第２のパッドメタル６５をそれらの間の層間絶縁膜７１に形成されたビア６６を介して電気的に接続する積層ビア構造をとっている。ビア６６はＷ(タングステン)等の金属で形成される。

電極パッド２２の直下以外では、半導体基板（図示せず）上に形成された回路素子と接続された配線１０、その上層に形成された電源層メタル９１、さらにその上層に形成されたダミーの配線パターン１４と、各層の間の層間絶縁膜７１，７２，７３が形成されている。ダミーの配線パターン１４の代わりに、電源層メタル９１を繰り返して形成する場合もある。

電極パッド２２の直下には、層間絶縁膜７２，７３があり、第１のパッドメタル６７と第２のパッドメタル６５は、層間絶縁膜７１，７２，７３に形成されたビアを介して、配線１０と接続されている。

チップサイズの縮小を目的として、外部接続用のパッドを入出力回路セルの素子形成領域上に配置した構造も提案されている。例えば、ロジック回路やドライバ回路の上に層間絶縁膜を設け、その上に入力パッドあるいは出力パッドを形成した半導体集積回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０６−２４４２３５号公報

しかしながら、素子上に上記したような構造の電極パッドが形成された場合、パッドへのワイヤボンディング時の衝撃荷重の影響によって、パッド直下の配線や層間絶縁膜にダメージが生じる恐れがある。あるいは、パッド直下に形成された拡散素子、例えば、トランジスタの動作特性の変化（劣化）という影響を与える可能性がある。

特に、金ボールボンドによるワイヤボンディングでは、半導体チップを２３０−２４０℃に加熱して所定の荷重を加えながら超音波を印加することにより、アルミパッドの表面の酸化膜を破ってアルミニウムの真性面と金の界面で金−アルミニウム合金を形成させるため、印加する超音波エネルギーによってパッド下の層間絶縁膜とメタルとの界面に生じる応力により、層間絶縁膜（ＳｉＯ₂等で形成されている）にクラックが発生する。

図１２は、電極パッド上にボールボンドを行なったときに層間絶縁膜に生じる応力の分布図である。ここでは、４層配線構造の電極パッド上に金属バンプを金ボールボンディング工法で形成したときの応力分布をＣＡＥ解析（有限要素法）により計算した結果を示している。

電極パッドは、最上層のパッドメタル６１（以下、第１のメタル６１という）の下に、第１の層間絶縁膜７１、第２層のパッドメタル６２（以下、第２のメタル６２という）、第２の層間絶縁膜７２、第３のメタル９１、第３の層間絶縁膜７３、最下層メタル１０が形成されている。第１のメタル６１上に金属バンプ４３が形成される時に、超音波が図中の矢印に示すように半導体基板に沿う水平方向に印加される。このことにより、下層のメタル６２，９１のエッジ部に応力が集中する（図中に白っぽく表示されている）。

この応力が層間絶縁膜７１，７２，７３の降伏応力を超えると、脆性破壊を生じ、クラックが発生する。その際には、印加される超音波エネルギーの大きさに応じて内部応力も大きくなることがＣＡＥ解析により判明している。また、ボンディングされる電極パッドの直下に形成されているトランジスタの特性（Ｖｔ、Ｇｍ、ホットキャリア寿命等）が劣化することが判明している。

一方、プローブ検査（Ｐ検）の一般的方法であるカンチレバー方式のＰ検では、タングステンなどのプローブ針で電極パッドを押圧するため、ウエハのＰ検時もパッドメタルの直下に大きな集中荷重がかかり、層間絶縁膜にクラックが発生する。また電極パッドにプローブ針の針跡（圧跡）が残る。組み立て時のワイヤボンドは通常、この圧跡付の電極パッド上へ行うのであるが、圧跡部はパッド表面のアルミニウムがプローブ針によって削られているため、金ボールとの合金が形成されない領域となる。近年では、ワイヤボンドのボンディングピッチの縮小が要求され、パッドサイズ、ボール径が小さくなってきているので、相対的に圧跡の面積が増大してきており、所定の面積の合金形成、ボンディングができなくなるという問題が生じている。

本発明は上記問題を解決するもので、ボンディングやプローブの際に電極パッドの表面や下層の配線および層間絶縁膜に与えるダメージを低減することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の半導体装置は、外部接続用電極であるパッド部が、最上層に形成された第１のパッドメタル層と、前記第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで形成された第２のパッドメタル層と、前記層間絶縁膜を貫通して第１のパッドメタル層と第２のパッドメタル層を電気的に接続するビアとからなり、前記第１のパッドメタル層の端部と第２のパッドメタル層の端部とが各層の厚み方向に沿って一致しないように、少なくとも一端部が互いに１．５μｍ以上２μm以下の範囲でずれて配置されたことを特徴とする。

また本発明の半導体装置は、外部接続用電極であるパッド部が、ボンディング用の第１のパッド領域とプローブ検査用の第２のパッド領域とからなり、前記第１のパッド領域は、最上層に形成された第１のパッドメタル層と、前記第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで形成された第２のパッドメタル層と、前記層間絶縁膜を貫通して第１のパッドメタル層と第２のパッドメタル層を電気的に接続するビアとから構成され、前記第１のパッドメタル層の端部と第２のパッドメタル層の端部とが各層の厚み方向に沿って一致しないように、少なくとも一端部が互いに１．５μｍ以上２μm以下の範囲でずれて配置され、前記第２のパッド領域は、前記第１のパッドメタル層のみで構成されたことを特徴とする。

第２のパッドメタル層の端部は、第１のパッドメタル層の端部よりも外側にずれていてよい。また第２のパッドメタル層の端部は、第１のパッドメタル層の端部よりも内側にずれていてよい。

第２のパッド領域の第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで、第２のパッドメタル層と同一層をなすように複数個のダミーメタルが配設されるのが好ましい。
パッド部の下の層に回路素子または配線が配設されていてよい。

第１のパッド領域と第２のパッド領域の少なくとも一方の下の層に回路素子または配線が配設されていてよい。

本発明の半導体装置によれば、ボンディング時やプロービング時にパッドメタル層のエッジに発生する応力を小さくし、パッドメタル層の下の層間絶縁膜にかかる応力を緩和することができるので、パッドメタル層の下の層間絶縁膜のダメージを低減できる。

また、ボンディング用の第１のパッド領域から区分してプローブ検査用の第２のパッド領域を設けることにより、第１のパッド領域において、プロービングに起因する層間絶縁膜のダメージと圧跡とを回避することができる。

パッド部を回路素子または配線の領域上に配置した場合も、ボンディング荷重によって配線部や拡散部にダメージを発生させることなく、パッド部に対する接続を容易に行うことができる。したがって、パッド部を回路素子または配線の領域を避けて配置する場合に比べて、少なくともパッド部の総面積分だけチップサイズを縮小することができ、チップコストも低減可能となる。

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。
本発明でいう半導体装置は、ウエハ状態の半導体集積回路装置とその個別の半導体装置の双方を含むが、ここでは半導体集積回路装置について説明する。

図１は本発明の第１の実施形態の半導体装置の要部構成を示し、図１（ａ）、（ｂ）は同半導体装置の外部接続用電極であるパッドとその周辺部の平面図、断面図である。ここではパッドは、入出力回路の素子領域または配線上に形成されており、４層配線構造である場合を示している。

図１において、１１はプロービングによるウエハ検査用のプローブパッド、２１はワイヤボンド等の組み立てに用いるボンディングパッド、３１はプローブパッド１１およびボンディングパッド２１の上面を除いた半導体基板上に形成されたＰ−ＳｉＮ膜などの第１の保護膜、３２は第１の保護膜３１上に形成されたポリイミド膜などの第２の保護膜である。

ボンディングパッド２１は、最上層のパッドメタル６１（以下第１のメタル６１という）と、そのひとつ下の配線層に形成された第２層のパッドメタル６２（以下第２のメタル６２という）と、第１のメタル６１と第２のメタル６２との間の層間絶縁膜７１を貫通してこれらメタル６１，６２間を接続するビア６３とからなる積層ビア構造を有している。積層ビア構造は、ワイヤボンドなどのボンディング工程で生じる衝撃エネルギーを吸収し、パッドの直下の配線部や拡散素子にかかる応力を緩和し、ダメージの発生を抑えるのに効果がある。

ボンディングパッド２１の第２のメタル６２の下には、例えば電源供給のための電源層である第３のメタル９１、さらに下層には、入出力回路内への信号供給のための最下層メタル１０が形成されており、第１および第２のメタル６１，６２と、最下層メタル１０とは、引出し部メタル８１のスタック構造により電気的に接続されている。第２のメタル６２と第３のメタル９１との間、および第３のメタル９１と最下層メタル１０との間にはそれぞれ層間絶縁膜７２，７３が形成されている。

ボンディングパッド２１とプローブパッド１１は、第１のメタル６１に一体に形成されていて、第１のメタル６１上の第１の保護膜３１に分離して形成された２個のコンタクト窓からそれぞれ露出している。ただし実際には、プローブパッド１１とボンディングパッド２１を単に領域として使い分けてもよく、必ずしも第１の保護膜３１によって分離する必要はない。

プローブパッド１１は、ボンディングパッド２１のような２層のメタル６１，６２による積層ビア構造ではなく、第１のメタル６１だけで構成されており、その下には層間絶縁膜７１，７２を介して第３のメタル９１がある。第３のメタル９１の下には、ボンディングパッド２１と同様に、層間絶縁膜７３と最下層メタル１０がある。

第２のメタル６２はボンディングパッド２１よりも縦横に大きく、ボンディングパッド２１，プローブパッド１１のそれぞれの下層にある２つの第３のメタル９１は、第２のメタル６２のエッジ部よりも中央寄りで隣接している。

図２は、プローブパッド１１およびボンディングパッド２１の各層の平面図であり、図２（ａ）は、第１のメタル６１の層を示し、図２（ｂ）、（ｃ）は、第２のメタル６２の層を２例を挙げて示している。

図２（ａ）には、第１のメタル６１に、第１の保護膜３１により分離されるプローブパッド１１の領域とボンディングパッド２１の領域を示している。引出し部メタル８１はパッドメタル６１と同一幅である。

図２（ｂ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅を第１のメタル６１の幅よりも大きくしている。
図２（ｃ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅を第１のメタル６１の幅よりも小さくしている。

図２（ｂ）、（ｃ）のいずれも構造も、第１のメタル６１のエッジ６１ａと第２のメタル６２のエッジ６２ａを、各層の厚み方向に沿って一致しないように、すなわち、平面視したときに垂直方向に一致しないように、また僅かに重なることがないように、互いにずれた配置としたものである。ここでは、第１のメタル６１に比べて第２のメタル６２の一対の端部が飛び出すかあるいは窪んでいるが、これに限らず、互いの端部が層間絶縁膜の上下で一致しないようにずれていれば、一方が飛び出して他方が窪んでいてもよい。なお第２のメタル６２のもう一対のエッジ６２ａも、図１からも明らかなように、引出し部メタル８１に接するか、第１のメタル６１のエッジ６１ａからずれている。５１はプローブパッド１１の下の領域の層間絶縁膜を示しており、上述した層間絶縁膜７１の一部である。この領域にはメタルを形成していない。

図３は、プロービング、ボールボンドを行なう際のパッド周辺部の状態を示し、図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平面図、断面図である。プローブ針４２のすべりにより、プローブパッド１１上に、プローブ痕４１が生じている。ワイヤボンドで行われるように、ボンディングパッド２１上に金属バンプ４３が形成されている。

このようにプロービング、ボールボンドする際の荷重がパッドにかかっても、上述したように第１のメタル６１のエッジ６１ａと第２のメタル６２のエッジ６２ａとが互いにずれているため、それぞれのエッジ部６１ａ，６２ａで生じる応力集中を緩和することができ、層間絶縁膜７１，７２のクラック等の物理的ダメージの発生を抑制することができる。プローブパッド１１の下の領域でも、メタルを形成しないことで層間絶縁膜７１，７２の総膜厚を厚くできるため、そのクラックの発生を抑制することができる。これらの結果、第１のメタル６１と第３のメタル９１との間の電気的ショート／リークを防ぐことが可能である。このことは、第２のメタル６２よりも下層にある第３のメタル９１、最下層メタル１０、層間絶縁膜７２，７３についても言える。

ワイヤボンディング時のワイヤのイニシャルボール径を４５μｍとし、ワイヤボンディング時の超音波パワーを一定とした場合、第１のメタル６１と第２のメタル６２の端部が一致している従来構造では、クラック発生率が３．２％であったのに対し、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように第１のメタル６１と第２のメタル６２の両端部をずらした本発明の構造ではクラック発生率は低下し、１．５〜２μｍずらした時にはクラック発生率は０％となった。これ以上大きくしても効果は変わらず、大きくしすぎるとパッド間の距離が大きくなり、パッド配置密度が低下する。

この第１の実施形態では、プローブパッド１１とボンディングパッド２１の双方を備えた外部接続用電極について説明したが、少なくともボンディングパッド２１を備えた外部接続用電極に上記構造を適用すれば、荷重が印加された時の層間絶縁膜のクラックの発生を抑制できる。

図４は本発明の第２の実施形態の半導体装置の要部構成を示し、図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同半導体装置の外部接続用電極であるパッドとその周辺部の平面図、断面図である。

この第２の実施形態の半導体装置が第１の実施形態の半導体装置と異なるのは、プローブパッド１１の下に、ボンディングパッド２１の第２のメタル６２と同一層をなすように、数μｍ角の微小なバッファメタル６４を格子状に、つまり縦横に複数列に配列していることである。これらの微小なバッファメタル６４が存在することにより、プローブ時の荷重によってプローブパッド１１の下の層間絶縁膜７１内に生じる応力集中を緩和することができ、層間絶縁膜７１，７２でのクラックの発生を防ぐことが可能となる。したがって、第１のメタル６１と第３のメタル９１との間の電気的ショート／リークをより確実に防ぐことができる。

図５は、プローブパッド１１およびボンディングパッド２１の各層の平面図であり、図５（ａ）は、第１のメタル６１の層を示し、図５（ｂ）、（ｃ）は、第２のメタル６２およびメタル６４の層を、２例を挙げて示している。

さきに説明した図２と同様に、図５（ａ）においては、第１のメタル６１に、第１の保護膜３１により分離されるプローブパッド１１の領域とボンディングパッド２１の領域を示している。引出し部メタル８１はパッドメタル６１と同一幅である。

図５（ｂ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅、メタル６４の配列幅を、第１のメタル６１の幅よりも大きくしている。
図５（ｃ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅を第１のメタル６１の幅よりも小さくしている。

図５（ｂ）（ｃ）のいずれの場合も、メタルエッジ６１ａ，６２ａの重なりを無くしており、ボンディング時の応力の緩和が可能になっている。
図６は本発明の第３の実施形態の半導体装置の要部構成を示し、図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ同半導体装置の外部接続用電極であるパッドとその周辺部の平面図、断面図である。

この第３の実施形態の半導体装置が第１の実施形態の半導体装置と異なるのは、第１の実施形態におけるボンディングパッド２１の外側、すなわち、チップ外周のスクライブ領域側に外部パッドを配置していることである。ここでは、これら２つのパッドを内部パッド６８、外部パッド６９と称する。

内部パッド６８、外部パッド６９とも、ボンディングパッド２１と同様に、第１のメタル６１と第２のメタル６２，６５、およびこれらのメタル間を接続するビア６３，６６による積層ビアパッド構造としている。９２は、例えば電源供給のための第２の電源層として形成されたメタルである。電源層であれば、３層目の第３のメタル９１と合わせて形成することで、電源配線内の電位のさらなる安定化を図ることができる。

図７は、内部パッド６８および外部パッド６９の各層の平面図であり、図７（ａ）は、第１のメタル６１の層を示し、図７（ｂ）、（ｃ）は、第２のメタル６２，メタル６５の層を、２例を挙げて示している。

さきに説明した図２と同様に、図７（ａ）においては、第１のメタル６１に、第１の保護膜３１により分離される内部パッド６８の領域と外部パッド６９の領域を示している。引出し部メタル８１はパッドメタル６１と同一幅である。

図７（ｂ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅を、第１のメタル６１の幅よりも大きくしている。
図７（ｃ）においては、引出し部メタル８１の幅より理解されるように、第２のメタル６２の幅を第１のメタル６１の幅よりも小さくしている。

図７（ｂ）（ｃ）のいずれの場合も、メタルエッジ６１ａ，６２ａの重なりを無くしており、ボンディング時の応力の緩和が可能になっている。
図８は、図６に示した第３の実施形態の半導体装置について、プロービング、ボールボンドを行なった際のパッド周辺部の状態を示し、図８（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平面図、断面図である。外部パッド６９に対してプローブ針４２でプロービングを行なっており、プローブ針４２のすべりにより、外部パッド６９上に、プローブ痕４１が生じている。金属バンプ４３は内部パッド６８上に形成している。

なお、内部パッド６８と外部パッド６９とは必ずしも同一種の金属で単一の膜として形成しなくてもよく、別個金属からなる別個の膜であってもよい。
図９は、入出力回路の領域上にパッド部が複数配置された様子を示す平面図である。複数のパッド部のそれぞれにおいて、内側の内部パッド６８上に金属バンプ４３を設けており、外側の外部パッド６９上にプローブ痕４１が生じている。

図１０も、入出力回路の領域上にパッド部が複数配置された様子を示す平面図である。
金属バンプ４３を交互に内側の内部パッド６８上と外側の外部パッド６９上とに設けており、残りの内部パッド６８と外部パッド６９上とにプローブ痕４１が生じている。

このようにプローブのためのパッドとボンディングのためのパッド（あるいはパッド領域）をそれぞれジグザグ状に配置することで、見かけ上のパッドピッチを拡大することができる。またセル内に複数のパッドを設けることでバンプ接続時のピッチを拡大することができる。

このため、たとえば個別の半導体装置を金属バンプ４３を用いてキャリア基板上にフリップチップ実装してＣＳＰ（Chip Size Package）や、ＢＧＡ（Ball Grid Array）などの表面実装型パッケージとする場合に、キャリア基板の電極ピッチを拡大させることができ、基板設計上のルールが緩和され、基板コストの低減も図ることができるなど、非常に大きなメリットがある。

金属バンプ４３としては、例えば、金ボールをベースとした２段突起状のスタッドバンプや、電解めっき法あるいは無電解めっき法による金、ニッケル、銅などの金属バンプを形成することができる。いずれの場合も、上述したように入出力回路の領域上に形成した複数のパッド（あるいはパッド領域）を交互に用いることにより、実質的な接続ピッチを拡大できるため、接続歩留まりの向上、生産性の向上が可能となる。

本発明の半導体装置は、外部接続用電極の下に回路素子や配線があっても荷重の影響を及ぼしにくいので、外部接続用電極でプローブ検査や外部接続のためのボンディングが行われる半導体装置として有用である。

本発明の第１の実施形態の半導体装置のパッドとその周辺部の構成図図１のパッドの各層の平面図図１のパッドのプロービングおよびボールボンド時の状態を示す構成図本発明の第２の実施形態の半導体装置のパッドとその周辺部の構成図図４のパッドの各層の平面図本発明の第３の実施形態の半導体装置のパッドとその周辺部の構成図図６のパッドの各層の平面図図６のパッドのプロービングおよびボールボンド時の状態を示す構成図図６のパッドが複数配置された様子を示す平面図図６のパッドが複数配置された様子を示す別の平面図従来の半導体装置のパッドとその周辺部の構成図図１１の半導体装置の層間絶縁膜に生じる応力の分布図

符号の説明

１０最下層メタル
１１プローブパッド（第２のパッド領域）
２１ボンディングパッド（第１のパッド領域）
４２プローブ針
４３金属バンプ
６１最上層のパッドメタル（第１のパッドメタル層）
６１ａエッジ
６２第２層のパッドメタル（第２のパッドメタル層）
６２ａエッジ
６３ビア
６４バッファメタル（ダミーメタル）
７１層間絶縁膜
７２層間絶縁膜
７３層間絶縁膜
８１引出し部メタル
９１第３のメタル

Claims

外部接続用電極であるパッド部が、最上層に形成された第１のパッドメタル層と、前記第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで形成された第２のパッドメタル層と、前記層間絶縁膜を貫通して第１のパッドメタル層と第２のパッドメタル層を電気的に接続するビアとからなり、前記第１のパッドメタル層の端部と第２のパッドメタル層の端部とが各層の厚み方向に沿って一致しないように、少なくとも一端部が互いに１．５μｍ以上２μm以下の範囲でずれて配置された半導体装置。
外部接続用電極であるパッド部が、ボンディング用の第１のパッド領域とプローブ検査用の第２のパッド領域とからなり、前記第１のパッド領域は、最上層に形成された第１のパッドメタル層と、前記第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで形成された第２のパッドメタル層と、前記層間絶縁膜を貫通して第１のパッドメタル層と第２のパッドメタル層を電気的に接続するビアとから構成され、前記第１のパッドメタル層の端部と第２のパッドメタル層の端部とが各層の厚み方向に沿って一致しないように、少なくとも一端部が互いに１．５μｍ以上２μm以下の範囲でずれて配置され、前記第２のパッド領域は、前記第１のパッドメタル層のみで構成された半導体装置。
第２のパッドメタル層の端部は、第１のパッドメタル層の端部よりも外側にずれている請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
第２のパッドメタル層の端部は、第１のパッドメタル層の端部よりも内側にずれている請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
第２のパッド領域の第１のパッドメタル層の下に層間絶縁膜を挟んで、第２のパッドメタル層と同一層をなすように複数個のダミーメタルが配設された請求項２記載の半導体装置。
パッド部の下の層に回路素子または配線が配設されている請求項１記載の半導体装置。
第１のパッド領域と第２のパッド領域の少なくとも一方の下の層に回路素子または配線が配設されている請求項２記載の半導体装置。