JP2007335429A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は配線層に低誘電率絶縁膜を適用した半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which a low dielectric constant insulating film is applied to a wiring layer.
半導体装置では高性能化に向けて、配線の低抵抗化を実現するCu配線と配線間容量を低減する低誘電率絶縁膜の適用が進められている。例えば、特許文献1には比誘電率が3以下の層間絶縁膜を備える半導体装置が記載されている。ここでは、半導体チップの回路形成領域を囲うように、半導体チップのエッジ部近傍の層間絶縁膜内にシールリングが設けられている。シールリング(チップリング)は半導体チップの回路形成領域全体を外界の雰囲気等から侵入する水分やイオンから保護する役割を果たしている。 2. Description of the Related Art In semiconductor devices, application of a Cu wiring that realizes a reduction in wiring resistance and a low dielectric constant insulating film that reduces the capacitance between wirings has been promoted for higher performance. For example, Patent Document 1 describes a semiconductor device including an interlayer insulating film having a relative dielectric constant of 3 or less. Here, a seal ring is provided in the interlayer insulating film in the vicinity of the edge portion of the semiconductor chip so as to surround the circuit formation region of the semiconductor chip. The seal ring (chip ring) serves to protect the entire circuit formation region of the semiconductor chip from moisture and ions entering from the atmosphere of the outside world.
さらに、半導体装置では配線層の高密度化等を図るために、Cu配線に接続されるAlパッド等の電極パッドの微小化も進められている。電極パッドの微小化が進むとアセンブリ工程におけるワイヤボンディング時に電極パッドに加わる圧力が大きくなる。電極パッドに加わった圧力は、クラック等として主にAlパッドとパッシベーション膜との界面を通り、その下層側の低誘電率絶縁膜に伝わる。低誘電率絶縁膜は吸湿しやすい性質を有するため、上層から受けたダメージで吸湿状態となりやすい。 Furthermore, in semiconductor devices, in order to increase the density of wiring layers, etc., miniaturization of electrode pads such as Al pads connected to Cu wiring is also being promoted. As the electrode pad becomes smaller, the pressure applied to the electrode pad during wire bonding in the assembly process increases. The pressure applied to the electrode pad mainly passes through the interface between the Al pad and the passivation film as a crack and is transmitted to the lower dielectric constant insulating film on the lower layer side. Since the low dielectric constant insulating film has a property of easily absorbing moisture, it tends to absorb moisture due to damage received from the upper layer.
低誘電率絶縁膜が吸湿状態になると比誘電率(k値)が上昇すると共に、低誘電率絶縁膜で層間絶縁されたCu配線の酸化も進行する。例えば、パッド領域と素子領域とを有する半導体装置においては、パッド領域で生じたダメージや吸湿状態が低誘電率絶縁膜を伝わって次第に素子領域まで広がる。これによって、素子領域における低誘電率絶縁膜のk値が上昇するだけでなく、素子領域のCu配線を酸化させることで配線抵抗の上昇や断線等を招くことになる。このように、低誘電率絶縁膜に生じたダメージや吸湿は半導体装置の特性や信頼性等の低下要因となっている。 When the low dielectric constant insulating film is in a hygroscopic state, the relative dielectric constant (k value) increases, and the oxidation of the Cu wiring that is interlayer-insulated by the low dielectric constant insulating film also proceeds. For example, in a semiconductor device having a pad region and an element region, damage or moisture absorption generated in the pad region gradually propagates to the element region through the low dielectric constant insulating film. As a result, not only the k value of the low dielectric constant insulating film in the element region increases, but also the Cu wiring in the element region is oxidized, leading to an increase in wiring resistance or disconnection. As described above, damage and moisture absorption generated in the low dielectric constant insulating film are factors that reduce the characteristics and reliability of the semiconductor device.
なお、特許文献1に記載されているように、半導体チップは通常シールリング(チップリング)で囲まれており、これはチップ全体を囲うように設けられている。例えば、パッド領域と素子領域とを有する場合においても、これら全体を囲うようにチップリングが設けられている。従って、一般的に用いられているチップリングは、外界の雰囲気等から侵入する水分に対しては素子領域等を保護する機能を果たすものの、チップ内部で生じたダメージに基づく水分の侵入を防ぐことはできない。
本発明の目的は、パッド領域で生じた低誘電率絶縁膜のダメージやそれに基づく吸湿状態が素子領域の低誘電率絶縁膜や配線に伝わることを防ぐことによって、素子領域における低誘電率絶縁膜のk値の上昇や配線の酸化を抑制することを可能にした半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to prevent a low dielectric constant insulating film generated in a pad region from being transmitted to a low dielectric constant insulating film or a wiring in the element region by damaging the low dielectric constant insulating film or a moisture absorption state based on the damage. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that can suppress an increase in k value and oxidation of wiring.
本発明の態様に係る半導体装置は、素子領域と、前記素子領域と並列配置されたパッド領域とを有する半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、低誘電率絶縁膜を有する配線層と、前記配線層内を前記素子領域と前記パッド領域とに分断するように設けられた吸湿防止壁と、前記配線層を覆うように設けられたパッシベーション膜と、前記パッド領域内の前記配線層上に形成され、前記パッシベーション膜で絶縁された引き出し配線で前記素子領域内における前記配線層中の配線と電気的に接続された電極パッドとを具備することを特徴としている。 A semiconductor device according to an aspect of the present invention includes an element region, a semiconductor substrate having a pad region arranged in parallel with the element region, a wiring layer provided on the semiconductor substrate and having a low dielectric constant insulating film, A moisture absorption prevention wall provided so as to divide the wiring layer into the element region and the pad region, a passivation film provided so as to cover the wiring layer, and the wiring layer in the pad region And an electrode pad electrically connected to a wiring in the wiring layer in the element region by a lead wiring formed and insulated by the passivation film.
本発明の態様による半導体装置においては、配線層内に素子領域とパッド領域とを分断する吸湿防止壁を設けているため、パッド領域で生じた低誘電率絶縁膜のダメージやそれに基づく吸湿状態が素子領域まで伝わることが防止される。これによって、素子領域における低誘電率絶縁膜のk値の上昇や配線の酸化が抑制されるため、半導体装置の特性や信頼性等を高めることが可能となる。 In the semiconductor device according to the aspect of the present invention, since the moisture absorption preventing wall for separating the element region and the pad region is provided in the wiring layer, the damage of the low dielectric constant insulating film generated in the pad region and the moisture absorption state based on the damage are reduced. Propagation to the element region is prevented. As a result, an increase in the k value of the low dielectric constant insulating film and the oxidation of the wiring in the element region are suppressed, so that the characteristics and reliability of the semiconductor device can be improved.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成を示す平面図、図2はその一部を示す断面図である。これらの図に示す半導体装置10は、パッド領域11と素子領域12とを有する半導体基板(Si基板等)13を具備している。これらパッド領域11と素子領域12とは、半導体基板13の平面内で並列配置されている。半導体基板13の素子領域12には、図示を省略したトランジスタ等の素子構造体が形成されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view showing a part thereof. A
半導体基板13上には、低誘電率絶縁膜14とCu配線15等の金属配線とを有する配線層16が形成されている。この配線層16は半導体基板13のパッド領域11および素子領域12にまたがって設けられている。低誘電率絶縁膜14には、例えば比誘電率(k値)が3.0以下の材料が用いられる。このような低誘電率絶縁膜14としては、炭素がドープされた酸化ケイ素膜(SiOC膜)、MSQ膜(methyl silsesquioxane膜)、HSQ(hydrogen silsesquioxane)膜、PAE(poly-arylene-ether)膜、これらの多孔質膜、また多孔質シリカ膜等が例示される。
A
半導体基板13の表面側に設けられた配線層16は、複数層の低誘電率絶縁膜14、14…と、これら低誘電率絶縁膜14、14…で層間絶縁されたCu配線15とを有している。Cu配線15は、例えば低誘電率絶縁膜14に設けられた配線溝内に埋め込み形成されており、さらに低誘電率絶縁膜14内に形成されたビアで電気的に接続されている。これらによって、配線層16は多層配線構造を構成している。
The
パッド領域11内の配線層16上には、例えばAlパッドからなる電極パッド17が形成されている。電極パッド17はボンディングパッドとして機能するものである。電極パッド(ボンディングパッド)17の露出部を除く配線層16の表面は、例えば酸化珪素(SiOx)膜や窒化珪素(SiNx)膜等からなるパッシベーション膜で覆われている。電極パッド17はパッド領域11内のCu配線15上に設けられている。
An
パッド領域11内の配線層16におけるCu配線15は、電極パッド17に例えばボンディングワイヤを接続してボンディングを行う際や電極パッド17にプローブ針を押し付けて半導体装置のテストを行う際等に、ボンディング圧力を支える支持部のみとして機能するものであり、場合によっては省略してもよい。一方、素子領域12内の配線層16におけるCu配線15は、半導体基板13の素子領域12に設けられたトランジスタ等の素子構造体(図示せず)に対する配線網を形成するものである。
The
ここで、前述したように電極パッド17の微小化が進むと、ボンディング時等に電極パッド17に加わる圧力が大きくなる。電極パッド17に加わった圧力はクラック等として主に電極パッド(Alパッド)17とパッシベーション膜18との界面を通り、さらにパッド領域11内のCu配線15と低誘電率絶縁膜14との界面に伝わる。このように、パッド領域11内の低誘電率絶縁膜14はボンディング圧力でダメージを受けやすい。具体的には、パッド領域11内の低誘電率絶縁膜14はボンディング圧力で各界面に生じたクラックを通して吸湿状態となりやすい。
Here, as the
パッド領域11で生じたダメージや吸湿状態(水分)が低誘電率絶縁膜14を伝わって素子領域12まで広がると、前述したように素子領域12における低誘電率絶縁膜14のk値が上昇すると共に、素子領域12のCu配線15を酸化させて配線抵抗の上昇や断線等を招くことになる。そこで、この実施形態では配線層16内にパッド領域11と素子領域12とを分断する吸湿防止壁19が設けられている。言い換えると、配線層16内は吸湿防止壁19でパッド領域11と素子領域12とに分断されている。
When damage or moisture absorption (moisture) generated in the
吸湿防止壁19は例えばCuで形成されている。Cuからなる吸湿防止壁19はCu配線15と同時に形成することができる。例えば、各低誘電率絶縁膜14に形成した溝内にCuを埋め込み、これらを配線層16の厚さ方向に積み重ねることによって、配線層16内を分断する吸湿防止壁19を得ることができる。吸湿防止壁19の構成材料はCuに限られるものではないが、Cu配線15と同時に形成して製造コストの上昇を抑制できることから、吸湿防止壁19はCuで形成することが好ましい。
The moisture
上述したように、パッド領域11に進入した水分が低誘電率絶縁膜14を伝わって拡散しても、パッド領域11と素子領域12との間に設けた吸湿防止壁19を酸化させるだけで、それ以上素子領域12側に伝わることはない。従って、ボンディング等によるダメージは電極パッド17の直下のみに抑えられ、素子領域12における低誘電率絶縁膜14のk値の上昇やCu配線15の酸化を抑制することができる。これによって、半導体装置10の特性や信頼性等を良好に保つことが可能となる。なお、Cu配線15以外の金属配線を適用する場合においても、吸湿防止壁19による酸化抑制は有効に機能する。
As described above, even if moisture that has entered the
吸湿防止壁19は図1や図2に示したように一重に限らず、例えば図3に示すようにパッド領域11と素子領域12との間に多重(図3は三重)に設けてもよい。図3に示すように、多重の吸湿防止壁19をパッド領域11と素子領域12との間に平行に並べて形成することによって、ボンディングダメージによる吸湿状態がパッド領域11から素子領域12に伝達することをより有効に防止することができる。
The moisture
この実施形態の半導体装置10においては、上述したように配線層16内を吸湿防止壁19でパッド領域11と素子領域12とに分断しているため、電極パッド17から素子領域12まで配線層16内のCu配線15で接続することができない。このため、パッシベーション膜18内に電極パッド17と素子領域12のCu配線15とを接続する引き出し配線20が設けられている。引き出し配線20には例えばAl配線が適用され、また例えばCuからなる吸湿防止壁19とパッシベーション膜18により絶縁されている。Al配線からなる引き出し配線20はAlパッドからなる電極パッド17と同時に形成することができるため、製造コストの上昇等を抑制することが可能となる。
In the
Al配線等からなる引き出し配線20は、ダメージを受けにくいパッシベーション膜18で囲われているため、ボンディング時等の圧力によるダメージが小さい。また、Al配線は酸素と接していても、Al表面にのみAl酸化物を生成した後は酸化が進行しないため、配線抵抗の上昇はある一定値以上進むことはなく、また断線が生じることもない。従って、吸湿防止壁19の形成と引き出し配線20のパッシベーション膜18内への形成を組合せることによって、パッド領域11と素子領域12の本来の機能を損なうことなく、低誘電率絶縁膜14とCu配線15とで構成された多層配線構造を有する配線層16の特性劣化、ひいては半導体装置10の特性劣化を抑制することが可能となる。
Since the lead-
この実施形態の半導体装置10の外周側には、チップリング(シールリング)21が設けられている。チップリング21は図2では図示を省略したが、各低誘電率絶縁膜14に形成した溝内にCuを埋め込み、これらを配線層16の厚さ方向に積み重ねたCuリングと、パッシベーション膜18に形成した溝内にAlを埋め込んで形成したAlリングとから構成されている。チップリング21は従来の半導体装置と同様に、パッド領域11と素子領域12を含むチップ全体を囲うように設けられている。
A chip ring (seal ring) 21 is provided on the outer peripheral side of the
ここで、吸湿防止壁19を図1に示したようにパッド領域11と素子領域12との間に直線状に設けた場合、パッド領域11の低誘電率絶縁膜14に生じた吸湿状態を十分に遮断する上で、吸湿防止壁19の両端部はチップリング21と接していることが好ましい。これによって、パッド領域11は素子領域12から隙間なく遮断される。このような吸湿防止壁19によれば、ボンディングダメージ等に基づいてパッド領域11に生じた吸湿状態が素子領域12まで伝達されることを有効に抑制することができる。
Here, when the moisture
次に、本発明の第2の実施形態による半導体装置について、図4を参照して説明する。図4は本発明の第2の実施形態による半導体装置30の構成を示す平面図である。なお、半導体装置30の断面構造の図示は省略したが、基本構造は図2に示した通りである。また、前述した第1の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。
Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the
図4に示す半導体装置30において、吸湿防止壁19はパッド領域11を囲うように形成されている。なお、吸湿防止壁19の具体的な構造や形成材料等は第1の実施形態に示した通りである。このように、パッド領域11を吸湿防止壁19で囲うことによって、パッド領域11のより十分な遮断状態(素子領域12との分断状態)を得ることができる。パッド領域11を吸湿防止壁19で囲んだ構造は、パッド領域11と素子領域12とが一辺以上の接する面を有する場合に効果的である。
In the
図4に示す半導体装置30は第1の実施形態と同様に、パッド領域11と素子領域12を含むチップ全体を囲うように設けられたチップリング21を有している。言い換えると、パッド領域11は吸湿防止壁19で囲われており、さらにその外側が素子領域12と共にチップリング21で囲われている。従って、半導体装置30全体はチップリング21で外部の雰囲気等から侵入する水分に対して保護されており、さらに素子領域12はボンディングダメージ等でパッド領域11に侵入した水分から保護されている。
Similar to the first embodiment, the
次に、本発明の第3の実施形態による半導体装置について、図5および図6を参照して説明する。図5は本発明の第3の実施形態による半導体装置40の構成を示す平面図、図6はその一部を示す断面図である。なお、前述した第1および第2の実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を一部省略する。
Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a
図5および図6に示す半導体装置40において、パッド領域11はチップリング21の外側に形成されており、パッド領域11自体は吸湿防止壁19で囲われている。なお、吸湿防止壁19の具体的な構造や形成材料等は第1の実施形態に示した通りである。チップリング21はCuリング21aとAlリング21bとを有しているが、パッド領域11と近接する側についてはAl引き出し配線20を形成する上で、Cuリング21aのみとする。これによって、電極パッド17と素子領域12のCu配線15とをAl引き出し配線20で良好に接続することができる。
In the
上述したように、パッド領域11を吸湿防止壁19で囲うと共に、素子領域12をチップリング21で囲うことによって、パッド領域11および素子領域12の外部雰囲気等からの遮断と素子領域12のパッド領域11からの遮断を両立させることができる。このような構造において、例えば図7に示すように、吸湿防止壁19で囲まれたパッド領域11と第1のチップリング21で囲まれた素子領域12を、さらに第2のチップリング22で囲んでもよい。吸湿防止壁19と多重のチップリング21、22とを組合せることによって、パッド領域11や素子領域12をより高度に保護することができる。
As described above, the
パッド領域11をチップリング21の外側に形成する場合、言い換えると素子領域12のみを囲うようにチップリング21を形成する場合には、図8に示すように、チップリング21で吸湿防止壁を兼ねることができる。すなわち、素子領域12を囲うチップリング21は、パッド領域11と素子領域12とを分断する吸湿防止壁を兼ねるものである。このような吸湿防止壁によっても、ボンディングダメージでパッド領域11に生じた吸湿状態から素子領域12を保護することができる。この場合、図9に示すように、半導体装置40全体を囲う第2のチップリング22を適用することが好ましい。
When the
なお、本発明の半導体装置は上記した各実施形態に限定されるものではなく、パッド領域および素子領域上に低誘電率絶縁膜を有する配線層を設けた各種の半導体装置に適用可能である。また、半導体装置の具体的な構造等は、本発明の基本構成を満足するものであれば種々に変形が可能である。さらに、実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。 The semiconductor device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be applied to various semiconductor devices in which a wiring layer having a low dielectric constant insulating film is provided on the pad region and the element region. The specific structure of the semiconductor device can be variously modified as long as it satisfies the basic configuration of the present invention. Furthermore, the embodiments can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and the expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
10,30,40…半導体装置、11…パッド領域、12…素子領域、13…半導体基板、14…低誘電率絶縁膜、15…Cu配線、16…配線層、17…電極パッド、18…パッシベーション膜、19…吸湿防止壁、20…引き出し配線、21,22…チップリング。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板上に設けられ、低誘電率絶縁膜を有する配線層と、
前記配線層内を前記素子領域と前記パッド領域とに分断するように設けられた吸湿防止壁と、
前記配線層を覆うように設けられたパッシベーション膜と、
前記パッド領域内の前記配線層上に形成され、前記パッシベーション膜で絶縁された引き出し配線で前記素子領域内における前記配線層中の配線と電気的に接続された電極パッドと
を具備することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having an element region and a pad region arranged in parallel with the element region;
A wiring layer provided on the semiconductor substrate and having a low dielectric constant insulating film;
A moisture absorption preventing wall provided to divide the wiring layer into the element region and the pad region;
A passivation film provided to cover the wiring layer;
An electrode pad formed on the wiring layer in the pad region and electrically connected to the wiring in the wiring layer in the element region by a lead wiring insulated by the passivation film. A semiconductor device.
前記配線層中の配線および前記吸湿防止壁はCuからなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The wiring in the wiring layer and the moisture absorption preventing wall are made of Cu.
前記電極パッドおよび前記引き出し配線はAlからなることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device, wherein the electrode pad and the lead-out wiring are made of Al.
前記吸湿防止壁は、前記素子領域と前記パッド領域との間に設けられ、かつその両端は前記素子領域と前記パッド領域とを囲うように設けられたチップリングと接していることを特徴とする半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The moisture absorption preventing wall is provided between the element region and the pad region, and both ends thereof are in contact with a chip ring provided so as to surround the element region and the pad region. Semiconductor device.
前記吸湿防止壁は前記パッド領域を囲うように設けられており、かつ前記素子領域のみおよび前記素子領域と前記パッド領域全体の少なくとも一方を囲うようにチップリングが設けられていることを特徴とする半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The moisture absorption preventing wall is provided so as to surround the pad region, and a chip ring is provided so as to surround only the element region and at least one of the element region and the entire pad region. Semiconductor device.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090901 |