JP2005116562A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プローブが接触する際に生じる応力が緩和される半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板１上にアンダーメタル３が形成されている。アンダーメタル３を覆うように層間絶縁膜５が形成されている。層間絶縁膜５には、アンダーメタル３の直上に位置する層間絶縁膜５の部分を周方向から取囲むようにリング状開口部５ｂが形成されている。リング状開口部５ｂにガードリング８が形成されている。ガードリング８の内側に位置する層間絶縁膜５の部分に形成された複数の開口部５ａのそれぞれに柱状タングステン７が形成されている。アンダーメタル３の直上に位置する層間絶縁膜５の部分上に、トップメタル６が形成されている。ガードリング８は、半導体基板１の主表面に平行な横断面における外周形状がほぼ円となるように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に、パッド電極部を備えた半導体装置に関するものである。

半導体装置におけるパッド電極部は、最終的にボンディングワイヤなどの外部の接続端子が接続される端子としての機能を有している。この他に、パッド電極部は、半導体装置の製造工程において所定のプローブを接触させることにより、たとえばウェハテストなどの所定の電気的評価を行なうための端子としての機能も有する。

そこで、そのようなパッド電極部を備えた半導体装置の一例として、特許文献１に開示された従来の半導体装置について説明する。従来の半導体装置では、半導体基板の表面上に絶縁膜を介在させてパッド電極部が形成されている。

パッド電極部は、それぞれアルミニウムを主成分とする第１層目の電極、第２層目の電極および第３層目の電極を有する３層構造である。ボンディングワイヤーは第３層目の電極に接続されることになる。第１層目の電極と第２層目の電極との間には、複数のスルーホールが形成された第１層目のシリコン酸化膜などの層間絶縁膜が位置している。その複数のスルーホールのそれぞれには導電体が埋め込まれている。

第２層目の電極と第３層目の電極との間には、複数のスルーホールが形成された第２層目のシリコン酸化膜などの層間絶縁膜が位置している。その複数のスルーホールのそれぞれには、たとえばタングステンを主成分とする導電体が埋め込まれている。第１層目の層間絶縁膜のスルーホールに埋め込まれた導電体と、第２層目の層間絶縁膜のスルーホールに埋め込まれた導電体とは、平面的に互いに重なって配置されている。

さらに、そのパッド電極部を取囲むようにガードリングが形成されている。ガードリングは、パッド電極部と同時に形成されてパッド電極部と同じ構造を有する。ガードリングにより、層間絶縁膜にクラックがたとえ生じても、そのクラックが周囲へと拡大するのを防止することができる。従来の半導体装置は上記のように構成される。
特開平１０−６４９４５号公報

しかしながら、上述した従来の半導体装置では次のような問題点があった。パッド電極部の平面形状は矩形であり、ガードリングはその矩形のパッド電極の外周部に沿って形成されている。したがって、パッド電極の４隅の部分では、ガードリングはほぼ直角に屈曲している。

そのため、ウェハテスト等のためのプローブがパッド電極部に接触した際にパッド電極部に作用する応力は、ほぼ直角に屈曲したガードリングの部分に集中しやすくなり、応力を十分に分散することができなくなる。その結果、ガードリングから外方に向かって層間絶縁膜にクラックが生じるおそれがあった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、プローブが接触する際に生じる応力が緩和される半導体装置を提供することである。

本発明に係る半導体装置は、主表面を有する半導体基板と第１導電領域と絶縁膜とリング状開口部とリング状領域と開口部と柱状導電体部と第２導電領域とを備えている。第１導電領域は、半導体基板の主表面上に形成されている。絶縁膜は、第１導電領域を覆うように半導体基板上に形成されている。リング状開口部は、第１導電領域の直上に位置する絶縁膜の部分を周方向から取囲むように絶縁膜に形成されている。リング状領域は、リング状開口部を充填するように形成されている。開口部はリング状領域内に位置する絶縁膜の部分に形成され、第１導電領域の表面を露出する。柱状導電体部は開口部を充填するように形成されている。第２導電領域は第１導電領域の直上に位置する絶縁膜の部分上に形成され、柱状導電体部と電気的に接続され所定の検査のためのプローブが接触する。リング状領域は、半導体基板の主表面に平行な横断面における外周形状が、プローブが接触した際にリング状領域の内側から外側に向かって作用する応力を緩和するために滑らかな曲線および鈍角の角部の少なくともいずれかを有するように形成されている。

この構成によれば、ウェハテスト等を行なうためのプローブの先端部分が第２導電領域に接触する際に、プローブが第２導電領域を押す力が第２導電領域の直下に位置する絶縁膜の部分や柱状導電体部に及び、柱状導電体部を倒そうとする。このような絶縁膜に及ぶ力や柱状導電体部を倒そうとする力は応力としてリング状領域に作用することになる。このとき、外周形状が滑らかな曲線および鈍角の角部の少なくともいずれかを有するようにリング状領域が形成されていることで、外周形状が矩形に形成されたリング状領域の場合と比べると、リング状領域から外側に向かって絶縁膜に対し応力が集中する部分がなくなって、応力が分散されることになる。その結果、リング状領域から外側に向かって絶縁膜にクラックが生じるのを抑制することができる。

本発明に係る他の半導体装置は、主表面を有する半導体基板と第１導電領域と絶縁膜とリング状開口部とリング状領域と開口部と柱状導電体部と第２導電領域とを備えている。第１導電領域は半導体基板の主表面上に形成されている。絶縁膜は、第１導電領域を覆うように半導体基板上に形成されている。リング状開口部は、第１導電領域の直上に位置する絶縁膜の部分を周方向から取囲むように絶縁膜に形成されている。リング状領域は、リング状開口部を充填するように形成されている。複数の開口部のそれぞれは、リング状領域内に位置する絶縁膜の部分に形成され、第１導電領域の表面を露出する。複数の柱状導電体部のそれぞれは、複数の開口部のそれぞれを充填するように形成されている。第２導電領域は、第１導電領域の直上に位置する絶縁膜の部分上に形成され、複数の柱状導電体部のそれぞれと電気的に接続されて所定の検査のためのプローブが接触する。その複数の柱状導電体部のそれぞれは、プローブの接触する頻度の高い部分の直下に位置する柱状導電体部の横断面積がより大きくなるように形成されている。

この構成によれば、第２導電領域におけるプローブの接触する頻度のより高い部分の直下に位置する柱状導電体部の断面積は、他の部分に位置する柱状導電体部の断面積よりも大きくなるように設定されていることで、一様な断面積の柱状導電体部が形成された半導体装置と比較すると、プローブが第２導電領域を押す力を断面積のより大きい柱状導電体部の部分にて受けとめることができて、他の柱状導電体部や絶縁膜へ応力が及ぶのを抑制することができる。その結果、リング状領域から外側に向かって絶縁膜にクラックが生じるのを抑制することができる。

（実施例１）
本発明の実施例１に係る半導体装置について説明する。図１および図２に示すように半導体基板１上にシリコン酸化膜２，４が形成されている。そのシリコン酸化膜４に形成された開口部５ａにアンダーメタル３が形成されている。アンダーメタル３を覆うように、層間絶縁膜５が形成されている。

その層間絶縁膜５には、アンダーメタル３の直上に位置する層間絶縁膜５の部分を周方向から取囲むようにリング状開口部５ｂが形成されている。リング状開口部５ｂには、たとえばタングステンを埋め込むことによってガードリング８が形成されている。

ガードリング８の内側に位置する層間絶縁膜５の部分には、アンダーメタル３の表面をそれぞれ露出する複数の開口部５ａが形成されている。複数の開口部５ａのそれぞれにも、たとえばタングステンを埋め込むことによって柱状タングステン７が形成されている。

アンダーメタル３の直上に位置する層間絶縁膜５の部分上には、柱状タングステン７と電気的に接続されるトップメタル６が形成されている。パッド電極は、アンダーメタル３、柱状導電体７およびトップメタル６を含んで構成される。

特に、この半導体装置では、図１および図３に示すように、ガードリング８は、半導体基板１の主表面に平行な横断面における外周形状（平面形状）がほぼ円となるように形成されている。

上述した半導体装置では、図１に示すように、ウェハテスト等を行なう際にはプローブ２１の先端部分がトップメタル６に接触する。プローブ２１がトップメタル６に接触することによって、プローブ２１がトップメタル６を押す力（針圧）がトップメタル６の直下に位置する層間絶縁膜５の部分や柱状タングステン７に及び、柱状タングステン７を倒そうとする。このような層間絶縁膜５に及ぶ力や柱状タングステン７を倒そうとする力は応力としてガードリング８に及ぶことになる。

このとき、外周形状がほぼ円となるようにガードリング８が形成されていることで、外周形状が矩形に形成されたガードリングの場合と比べると、ガードリング８から外側に向かって層間絶縁膜５に対し応力が集中する部分がなくなって、応力が分散されることになる。その結果、ガードリング８から外側に向かって層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができる。

なお、上述した半導体装置では、ガードリング８の外周形状がほぼ円である場合を例に挙げて説明したが、ガードリング８の外周形状としては円形に限られるものではない。たとえば図４に示すように、円を多少扁平させた楕円のような形状でもよく、外側に向かって凸となるような滑らかな曲線によって閉じられた形状であれば応力が分散されて、層間絶縁膜８にクラックが生じるのを抑制することができる。

また、ガードリング８の外周形状が、円形を始め滑らかな曲線によって閉じられた形状であれば、ガードリング８の内周形状も円形に限られるものではない。たとえば図５および図６に示すように、ガードリング８の内周形状は矩形であってもよく、外周形状が滑らかな曲線によって閉じられた形状であることで応力が分散されて、層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができる。

このようにして、層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができることで、アンダーメタル３の下方に位置する領域３１にも配線や素子等を形成することができ、たとえば半導体装置の高集積化に寄与することができる。

（実施例２）
本発明の実施例２に係る半導体装置について説明する。図７および図８に示すように、ガードリング８を第１のガードリング８として、これを周方向から取囲むように層間絶縁膜５にリング状開口部５ｃが形成され、そのリング状開口部５ｃに第２のガードリング９が形成されている。なお、これ以外の構成については図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

上述した半導体装置では、第１のガードリング８の外側にさらに第２のガードリング９が設けられていることで、プローブ２１がトップメタル６に接触した際の応力によって、たとえ第１のガードリング８にクラックが生じて第１のガードリング８の外側に位置する層間絶縁膜５にクラックが発生したとしても、第２のガードリング９によりそのクラックがさらに外側に位置する層間絶縁膜５へ及ぶのを阻止することができる。

なお、上述した各実施例における半導体装置では、領域Ｓに複数の柱状タングステンが形成される場合を例に挙げて説明した。複数の柱状タングステンを形成する場合には、複数の柱状タングステン間の距離をできるだけ縮めて、より多くの柱状タングステンを形成することが好ましい。

これにより、柱状タングステン間の距離が長い場合と比べると、より多くの柱状タングステンによってプローブがトップメタルを押す力を受けとめることができて、柱状タングステンが倒れて層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができる。

さらに、柱状タングステン間の距離を縮めて、たとえば、図９に示すように、領域Ｓ内に一つの大きな柱状タングステン７を形成してもよく、この場合でも、層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができる。

（実施例３）
本発明の実施例３に係る半導体装置について説明する。図１０に示すように、ガードリング８の平面形状は略六角形とされ、その内周形状は矩形とされる。矩形の領域Ｓ内に位置する層間絶縁膜５の部分に複数の開口部５ａが形成され、その開口部５ａのそれぞれに柱状タングステン７が形成されている。これ以外の構成は、図１および図２に示す構造と同様である。

上述した半導体装置では、外周形状が略六角形となるように形成されていることで１つの内角Ａは約１２０°になる。これにより、外周形状が矩形に形成されて１つの内角が約９０°に設定されたガードリングの場合と比べると、プローブ２１がトップメタル６に接触した際にガードリング８から外側に向かって層間絶縁膜５に対して及ぶ応力は緩和されることになる。その結果、ガードリング８から外側に向かって層間絶縁膜５にクラックが生じるのを抑制することができる。

なお、上述した半導体装置では、ガードリング８の外周形状として略正六角形を例に挙げて説明したが、この形状には製造上の誤差が含まれ、六角形の角の部分が丸みを帯びた形状も含まれることになる。

また、図１１に示すように、六角形の角の部分を滑らかな曲線Ｂとした形状でもよい。この場合においても、応力が分散されて、層間絶縁膜８にクラックが生じるのを抑制することができる。

さらに、ガードリング８の外周形状として六角形を例に挙げて説明したが、外周形状としては六角形に限られるものではなく、鈍角の内角を有する多角形としてもよい。さらに、これに滑らかな曲線を組合わせてもよい。

また、上述した半導体装置では、ガードリング８の内周形状として矩形を例に挙げて説明したが、内周形状としては矩形に限られるものではなく、たとえば図１２に示すように、外周形状に沿って略六角形としてもよい。あるいは、図１３に示すように、ほぼ円としてもよい。

これらの場合には、ガードリングを含めた領域の占有率が同じであるとすると、柱状タングステンの形成される領域Ｓの面積とガードリングが形成される領域の面積との大小関係により、ガードリングの強度を高めたり配線抵抗の低減を図ることができる。

すなわち、ガードリングが形成される領域の面積を領域Ｓの面積よりも大きく設定することによって、ガードリングの強度が高められてプローブがトップメタル６に接触した際の応力が外側に及ぶのを効果的に阻止することができる。

一方、応力に耐え得る範囲でガードリングが形成される領域の面積を縮小し、その分領域Ｓの面積を増やすことによって、柱状タングステンの断面積が増加する。その結果、配線抵抗を低減して配線遅延を抑制することができる。

なお、前述した場合と同様に、複数の柱状導電体間の距離を縮めて、最終的に図１４に示すように、領域Ｓ内に１つの柱状導電体７を形成した形状でもよい。

（実施例４）
本発明の実施例４に係る半導体装置について説明する。図１５および図１６に示すように、ガードリング８の内側に位置する層間絶縁膜５の部分には、アンダーメタル３の表面をそれぞれ露出する複数の開口部５ａ，５ｄが形成されている。

複数の開口部５ａ，５ｄのそれぞれには、たとえばタングステンを埋め込むことによって柱状タングステン７ａ，７ｂが形成されている。アンダーメタル３の直上に位置する層間絶縁膜５の部分上には、柱状タングステン７ａ，７ｂと電気的に接続されるトップメタル６が形成されている。そのトップメタル６におけるプローブの接触する頻度のより高い部分の直下に位置する柱状タングステン７ａの断面積は、他の部分に位置する柱状タングステン７ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。

柱状タングステン７ａ，７ｂが形成されている領域Ｓを周方向から取囲むようにガードリング８が形成されている。なお、これ以外の構成については図１および図２に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

上述した半導体装置では、０．１５μｍのデザインルールのもとでは、たとえばトップメタルの寸法約９０μｍに対して、プローブの先端部分の径は約２０μｍである。そのため、トップメタルにおいてはプローブが接触頻度の高い部分とそうでない部分とがある。

この半導体装置では、トップメタル６におけるプローブの接触する頻度のより高い部分の直下に位置する柱状タングステン７ａの断面積は、他の部分に位置する柱状タングステン７ｂの断面積よりも大きくなるように設定されている。

これにより、図１７および図１８に示すように、一様な断面積の柱状タングステン７ｂが形成された半導体装置と比較すると、プローブ２１がトップメタル６を押す力を断面積のより大きい柱状タングステン７ａの部分にて受けとめることができて、他の柱状タングステン７ｂや層間絶縁膜５へ応力が及ぶのを抑制することができる。

なお、断面積の比較的大きい柱状タングステン７ａが、トップメタル６をプローブが押す力を受けとめて、層間絶縁膜５にクラックが生じるのを阻止できるのであれば、特に、ガードリング８を設ける必要はない。

したがって、ガードリング８を形成する代わりにその領域へ柱状タングステンを形成することができて、その分配線抵抗の低減を図ることができる。

なお、上述した半導体装置ではガードリングの形状としては、たとえば図１９に示すように、外周形状が略円形のガードリング８を適用してもよい。あるいは、図２０に示すように、六角形等の多角形のガードリングを適用してもよい。

これらのガードリング８を備えた半導体装置においても、領域Ｓにおいて、プローブの接触する頻度のより高い部分の直下に位置する柱状タングステン７ａの断面積を、他の部分に位置する柱状タングステン７ｂの断面積よりも大きくすることによって、プローブ２１がトップメタル６を押す力を柱状タングステン７ａの部分にて受けとめることができて、他の柱状タングステン７ｂや層間絶縁膜５へ応力が及ぶのを抑制することができる。

また、上述した各実施例では、リング状開口部および開口部にタングステンを充填することによりガードリングおよび柱状タングステンを形成する場合を例に挙げて説明した。充填される材料としてはタングステンに限られず、アルミニウムや銅などの材料を用いてもよい。また、異なる材料を組合わせたものでもよい。

本発明の実施例１に係る半導体装置の断面斜視図である。 同実施例において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 同実施例において、図１に示す半導体装置の平面図である。 同実施例において、変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、他の変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、さらに他の変形例に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施例２に係る半導体装置の断面斜視図である。 同実施例において、図７に示す断面線ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩにおける断面図である。 同実施例において、変形例に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施例３に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、他の変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、さらに他の変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、さらに他の変形例に係る半導体装置の平面図である。 本発明の実施例４に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、図１５に示す断面線ＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。 同実施例において、比較例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、図１７に示す断面線ＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩにおける断面図である。 同実施例において、変形例に係る半導体装置の平面図である。 同実施例において、他の変形例に係る半導体装置の平面図である。

符号の説明

１ 半導体基板、２，４ シリコン酸化膜、３ アンダーメタル、５ 層間絶縁膜、５ａ 開口部、５ｂ，５ｃ，５ｄ リング状開口部、６ トップメタル、７，７ａ，７ｂ 柱状タングステン、８，９ ガードリング。

Claims (10)

1. 主表面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の主表面上に形成された第１導電領域と、
   前記第１導電領域を覆うように前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記第１導電領域の直上に位置する前記絶縁膜の部分を周方向から取囲むように前記絶縁膜に形成されたリング状開口部と、
   前記リング状開口部を充填するように形成されたリング状領域と、
   前記リング状領域内に位置する前記絶縁膜の部分に形成され、前記第１導電領域の表面を露出する開口部と、
   前記開口部を充填するように形成された柱状導電体部と、
   前記第１導電領域の直上に位置する前記絶縁膜の部分上に形成され、前記柱状導電体部と電気的に接続され所定の検査のためのプローブが接触する第２導電領域と
   を備え、
   前記リング状領域は、前記半導体基板の主表面に平行な横断面における外周形状が、プローブが接触した際に前記リング状領域の内側から外側に向かって作用する応力を緩和するために滑らかな曲線および鈍角の角部の少なくともいずれかを有するように形成された、半導体装置。
2. 前記リング状領域は前記外周形状が略円となるように形成された、請求項１記載の半導体装置。
3. 前記リング状領域は前記外周形状が略正多角形となるように形成された、請求項１記載の半導体装置。
4. 前記開口部は複数形成され、
   前記柱状導電体部は、複数の前記開口部のそれぞれを充填するように複数形成された、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
5. 前記開口部は、前記リング状領域内に位置する前記絶縁膜の部分に１つ形成され、
   前記柱状導電体部は前記開口部を充填するように形成された、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置。
6. 前記リング状領域とは距離を隔てて前記リング状領域を周方向から取囲むように前記絶縁膜に形成された他のリング状開口部と、
   前記他のリング状開口部を充填するように形成された他のリング状領域と
   を備えた、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 主表面を有する半導体基板と、
   前記半導体基板の主表面上に形成された第１導電領域と、
   前記第１導電領域を覆うように前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記第１導電領域の直上に位置する前記絶縁膜の部分を周方向から取囲むように前記絶縁膜に形成されたリング状開口部と、
   前記リング状開口部を充填するように形成されたリング状領域と、
   前記リング状領域内に位置する前記絶縁膜の部分に形成され、前記第１導電領域の表面を露出する複数の開口部と、
   複数の前記開口部のそれぞれを充填するように形成された複数の柱状導電体部と、
   前記第１導電領域の直上に位置する前記絶縁膜の部分上に形成され、複数の前記柱状導電体部のそれぞれと電気的に接続されて所定の検査のためのプローブが接触する第２導電領域と
   を備え、
   複数の柱状導電体部のそれぞれは、プローブの接触する頻度の高い部分の直下に位置する柱状導電体部の横断面積がより大きくなるように形成された、半導体装置。
8. 複数の柱状導電体部のそれぞれは、前記リング状領域内の中央部分に位置する柱状導電体部の横断面積がより大きくなるように形成された、請求項７記載の半導体装置。
9. 前記リング状領域は、前記半導体基板の主表面に平行な横断面における外周形状が、前記リング状領域の内側から外側に向かって作用する応力を緩和するために滑らかな曲線を有するように形成された、請求項７または８に記載の半導体装置。
10. 前記リング状領域は、前記半導体基板の主表面に平行な横断面における外周形状が、前記リング状領域の内側から外側に向かって作用する応力を緩和するために鈍角の角部を有するように形成された、請求項７〜９のいずれかに記載の半導体装置。

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