JP2009141064A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置のボンディングパッドに加えられる外部からの、特定箇所への応力集中を緩和しつつ、半導体装置の製造容易性を向上させることを可能とする構造を備える半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体層の上に位置する、第4メタル配線層が延びる方向と、第4配線層の上に位置する第3配線層ML30,37が延びる方向とが直交するように設けられている。これにより、上方に位置するボンディングパッドBP1,BP2に外部から応力が加えられた場合であっても、下方に伝達された力は、互いに交差するように積層配置された第3配線層および第4配線層により、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することを可能とする。
【選択図】図13
【解決手段】半導体層の上に位置する、第4メタル配線層が延びる方向と、第4配線層の上に位置する第3配線層ML30,37が延びる方向とが直交するように設けられている。これにより、上方に位置するボンディングパッドBP1,BP2に外部から応力が加えられた場合であっても、下方に伝達された力は、互いに交差するように積層配置された第3配線層および第4配線層により、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することを可能とする。
【選択図】図13
Description
本発明は、ボンディングパッドを有する半導体装置の構造に関し、特に、プロービングやワイヤボンディングの際に、ボンディングパッドにかかる応力(ストレス)に対する強度を向上させるための半導体装置の構造に関するものである。
半導体チップの電気的試験におけるプロービングや、半導体装置の組立時におけるワイヤボンディングの際には、半導体チップ上面に形成されたボンディングパッドに機械的な応力が加えられる。ボンディングパッドに加えられる応力は、ボンディングパッド下の層間絶縁膜にクラックを発生させる要因、ワイヤボンディング時のボンディングパッドのはがれを引き起こす要因になり得る。
ボンディングパッドに加えられる外部からの応力により、その下の絶縁膜にクラックが生じ、そのクラックが下層の配線にまで達すると、当該配線のメタルマイグレーション耐性が劣化してしまう。また、配線がボンディングパッドの下方を通るように配設されている構造は、比較的強度が弱く、クラックが発生し易くなるため、能動素子の配置を回避する傾向にある。従って、クラックの発生を防止するには、ボンディングパッドの下方に不用意に配線や、能動素子を通さないことが望ましい。
しかし、半導体装置を高集積化するためには、ボンディングパッドの下の領域を用いて半導体基板を有効利用する必要があり、ボンディングパッドの下方にも配線や能動素子を配設することが余儀なくされている。そこで、半導体装置の高集積化を図りながら、ボンディングパッドに加えられる外部からの応力に対する強度を向上させることを目的とした半導体装置の構造が、特許文献1(国際公開第2005/083767号パンフレット)に開示されている。
この特許文献1に開示された半導体装置の構造によれば、ボンディングパッドの下方に、配線や能動素子を配設する場合には、ボンディングパッドの下方に配線層を5層以上配線する構成を採用している(特許文献1の図44および図45参照)。この構造を採用することにより、ボンディングパッドに加えられる外部からの応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制して、半導体装置の高集積化を可能としている。
しかし、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制するため、配線層を5層以上配線した場合には、半導体装置の製造コストの上昇を招くことになる。一方で、半導体チップの電気的試験におけるプロービングや、半導体装置の組立時におけるワイヤボンディングの際に、ボンディングパッドに加わる応力を、製造装置側で厳しく管理して配線層の増加を低減させる方法も考えられる。しかし、この方法を採用した場合には、半導体装置の製造容易性が大きく犠牲になるため、この方法を採用した場合であっても、半導体装置の製造コストの上昇を招くことになる。
国際公開第2005/083767号パンフレット
したがって、本発明が解決しようとする課題は、半導体装置のボンディングパッドに加えられる外部からの、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制した場合に、半導体装置の製造コストの上昇を招く点にある。したがって、本発明の目的は、半導体装置のボンディングパッドに加えられる外部からの、特定箇所への応力集中を緩和しつつ、半導体装置の製造容易性を向上させることを可能とする構造を備える半導体装置を提供することにある。
本実施の形態の半導体装置は、表面保護膜に設けられた開口部から露出するボンディングパッドを含む第1配線層と、第1配線層の下に設けられた第1ビア層と、第1ビア層の下に設けられた第2配線層と、第2配線層の下に設けられた第2ビア層と、第2ビア層の下に設けられ、ストライプ状に配置された第3配線層と、第3配線層の下に設けられた第3ビア層と、第3ビア層の下に設けられ、ストライプ状に配置された第4配線層と、第4配線層の下に設けられた第4ビア層と、第4ビア層の下に設けられた半導体層と、が積層配置されている。第3配線層が延びる方向と、第4配線層が延びる方向とが直交するように設けられている。
本実施の形態の半導体装置によれば、半導体層の上に位置する、第4配線層が延びる方向と、第4配線層の上に位置する第3配線層が延びる方向とが直交するように設けられている。これにより、上方に位置するボンディングパッドに外部から応力が加えられた場合であっても、下方に伝達された力は、互いに交差するように積層配置された第3配線層および第4配線層により、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することを可能とする。
その結果、配線層が4層構造からなる半導体装置であっても、この4層構造の配線層の下に、能動素子を配置させることができるため、半導体装置の高集積化を可能としている。また、製造プロセスにおいては特に追加の工程を発生させることはないため、半導体装置の製造コストの上昇を招くこともない。
以下、本発明に基づいた各実施の形態における半導体装置の構造について、図を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1から図14を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。
図1から図14を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。
ボンディングパッドの外周領域には、電源配線、バッファ用配線を配置している。図1は、本実施の形態における半導体装置の入出力部の回路図を示している。半導体チップCP(図14参照)の外周縁に沿って、外側にVcc(電源電位)配線が設けられ、この配線の内側にGnd(基準電位)配線が設けられている。なお、図1中のVcc配線およびGnd配線の破線で示す領域は、配線の下層に形成されるトランジスタの構造を分かり易くするためのものである。
Vcc(電源電位)配線の積層方向の上方には、配線方向に沿って所定の間隔で、複数のボンディングパッドBP1が配置され、Gnd(基準電位)配線の積層方向の上方には、配線方向に沿って所定の間隔で、ボンディングパッドBP2が配置されている。
ボンディングパッドBP1およびボンディングパッドBP2と内部回路ICとの間には、Vcc(電源電位)配線の下方の半導体層においてPMOSトランジスタpTrで構成される回路、および、Gnd(基準電位)配線の下方の半導体層においてNMOSトランジスタnTrで構成される回路が接続されている。
ここで、本実施の形態においては、ボンディングパッドBP1およびボンディングパッドBP2が、平面視において、Vcc(電源電位)配線およびGnd(基準電位)配線の延びる方向に沿って千鳥状に配置することにより、半導体装置のさらなる高集積化を可能としている。この点の詳細については、後述する。
さらに、図1の一点鎖線に囲まれ、PMOSトランジスタpTr2つとNMOSトランジスタnTr2つで構成された出力インバータINVにおいては、n番目の出力インバータINVのNMOSトランジスタnTr2つの上にボンディングパッドBP2が配置され、n+1番目の出力インバータINVのPMOSトランジスタpTr2つの上にボンディングパッドBP1が配置され、n+2番目の出力インバータINVのNMOSトランジスタnTr2つの上にボンディングパッドBP2が配置され、以下n+k番目の出力インバータまで繰り返される(nとkとはそれぞれ整数)。
このように出力インバータINVにおいて、PMOSトランジスタpTr2つの上にボンディングパッドBP1が位置するのと、NMOSトランジスタnTr2つの上にボンディングパッドBP2が位置するのが繰り返されるように配置されることにより、複数の出力インバータINVを簡単にかつ小さな面積で配置が可能となり、レイアウトも容易になる。
図2から図12は、本実施の形態における半導体装置の入出力部の構成を示す図である。そのうち、図2から図10は、入出力部の配線層およびビア層の平面視におけるレイアウト図であり、図11および図12は、入出力部の断面図である。以下、これらの図を用いて、本実施の形態における半導体装置の構造を説明する。
ここで、図2から図10のレイアウト図と、図11および図12のとの対応を説明する。図11は、図2から図10のレイアウト図の中に示すA−A線矢視断面を示す図であり、図12は、図2から図10のレイアウト図の中に示すB−B線矢視断面を示す図である。
図2は、層間絶縁膜ID10上の、第1メタル配線層ML10,ML11,ML12,ML15、および、層間絶縁膜ID10を覆うパッシベーション膜PV10の開口部BPOのレイアウトを示している。図3は、第2メタル配線層を覆う層間絶縁膜ID10内の第1ビア層VL10,VL11,VL12,VL15のレイアウトを示している。図4は、層間絶縁膜ID20上の、第2メタル配線層ML20,ML21,ML22,ML25のレイアウトを示している。
図5は、第3メタル配線層を覆う層間絶縁膜ID20内の第2ビア層VL21,VL22,VL25のレイアウトを示している。図6は、層間絶縁膜ID30上の、第3メタル配線層ML30,ML31,ML32,ML35,ML37のレイアウトを示している。図7は、第4メタル配線層を覆う層間絶縁膜ID30内の第3ビア層VL30,VL31,VL37のレイアウトを示している。図8は、層間絶縁膜ID40上の、第4メタル配線層ML40,ML41,ML42、ML43のレイアウトを示している。
図9は、図11および図12に示す半導体層SCを覆う層間絶縁膜ID40内の第4ビア層VL40,VL41,VL42,VL45,VL46,VL47のレイアウトを示している。図10は、半導体層SCに設けられる活性領域SR,DR、および、半導体層SCの上に設けられるポリシリコン電極層GE1,GE2のレイアウトを示している。
なお、図2から図10において、レイアウト図の左側の部分は、内部回路ICの形成領域であるが、簡単のためその部分の具体的なレイアウト図は図示していない。また、図11および図12の断面図には、Vcc(電源電位)配線側の断面を示し、Gnd(基準電位)配線側の断面の図示は省略している。
各メタル配線層の材料は一般的な配線材料でよく、たとえば、アルミニウム、銅、それらの合金(たとえば、Al−Si−Cu、Al−Cu等)等が挙げられる。各ビア層も一般的なビア材料でよく、たとえば、タングステン、銅、それらの合金などが挙げられる。
また、説明の便宜を図るため、図2から図12の各図におけるメタル配線およびビアには、その機能で区別したハッチングを施している。具体的には、電源ノード、グラウンド(基準電位)ノード、出力バッファの出力ノード、出力バッファの入力ノードの4つに区別している。また、図2から図12においては、同一の要素には同一の参照符号を付している。
図2に示すように、第1メタル配線層ML10,Ml1は出力バッファの出力ノードに設定され、第1メタル配線層ML12は電源ノードに設定され、第1メタル配線層ML15はグラウンドノードに設定されている。図3に示すように、第1ビア層VL10は、出力バッファの出力ノードに設定され、第1ビア層VL11は、出力バッファの出力ノードに設定され、第1ビア層VL12は電源ノードに設定され、第1ビア層VL15はグラウンドノードに設定されている。
また、この第1ビア層VL10は、ライン状に複数配置されることにより、ストライプ状の形態を有している。第1ビア層VL10は、半導体チップCPの外周縁に対して並行に延びる方向に設けられている(図13および図14参照)。第1ビア層VL10のライン幅(L)は約0.28μm、第1ビア層VL10の間隔(S)は約0.64μmである。
図4に示すように、第2メタル配線層ML20,M21は出力バッファの出力ノードに設定され、第2メタル配線層ML22は電源ノードに設定され、第2メタル配線層ML25はグラウンドノードに設定されている。図5に示すように、第2ビア層VL21は、出力バッファの出力ノードに設定され、第2ビア層VL22は電源ノードに設定され、第2ビア層VL25はグラウンドノードに設定されている。
図6に示すように、第3メタル配線層ML30は電源ノードに設定され、第3メタル配線層ML31は出力バッファの出力ノードに設定され、第3メタル配線層ML32は電源ノードに設定され、第3メタル配線層ML35,ML37はグラウンドノードに設定されている。また、この第3メタル配線層ML30はライン状に複数配置されることにより、ストライプ状の形態を有している。第3メタル配線層ML30は半導体チップCPの外周縁に対して並行に延びる方向に設けられている。
第3メタル配線層ML30のライン幅(L)が約0.32μmの場合、第3メタル配線層ML30の間隔(S)は約0.26μmであり、第3メタル配線層ML30のライン幅(L)が約2.3μmの場合、第3メタル配線層ML30の間隔(S)は約1.05μmである。第3メタル配線層ML37のライン(L)/スペース(S)も同様である。
図7に示すように、第3ビア層VL30は電源ノードに設定され、第3ビア層VL31は出力バッファの出力ノードに設定され、第3ビア層VL37はグラウンドノードに設定されている。図8に示すように、第4メタル配線層ML40は出力バッファの出力ノードに設定され、第4メタル配線層ML41は出力バッファの入力ノードに設定され、第4メタル配線層ML42は電源ノードに設定され、第4メタル配線層ML43はグラウンドノードに設定されている。また、第4メタル配線層ML40,41,42,43はライン状に複数配置されることにより、ストライプ状の形態を有している。
第4メタル配線層ML40,41,42,43は半導体チップCPの外周縁に対して交差する方向に添って設けられることから、第3メタル配線層ML30が延びる方向と、第4メタル配線層ML40,41,42,43が延びる方向とは直交することとなる。なお、第4メタル配線層ML41のみ、第4メタル配線層ML41,42,43を取り囲むように環状に設けられている。第4メタル配線層ML40,41,42,43のライン幅(L)は約2.3μm、第4メタル配線層ML40,41,42,43の間隔(S)は約1.05μmである。
なお、第4メタル配線層ML40(出力バッファの出力ノード)を中央の第4メタル配線層ML42(電源ノード)を挟んで2本ずつに分割しているのは、一本の配線にした場合には、クラックの発生が高くなるためであり、クラックの発生を防止する観点から、2本に分割している。したがって、必要に応じて、3本以上に第4メタル配線層ML40を分割させて、より効果的にクラックの発生を防止することも可能である。
図9に示すように、第4ビア層VL40は出力バッファの出力ノードに設定され、第4ビア層VL41は電源ノードに設定され、第4ビア層VL42は出力バッファの入力ノードに設定され、第4ビア層VL45は出力バッファの出力ノードに設定され、第4ビア層VL46は出力バッファの入力ノードに設定され、第4ビア層VL47はグラウンドノードに設定されている。
図10に示すように、PMOSトランジスタ形成領域においては、P型の活性領域DR(ドレイン)とP型の活性領域SR(ソース:Vcc)が半導体層SCに形成されている。また、ポリシリコンからなるゲート電極層GE1,GE2が、半導体チップCPの外周縁に対して交差する方向に添って設けられている。よって、ゲート電極層GE1,GE2が延びる方向は、第4メタル配線層ML40,41,42,43が延びる方向と並行となる。
また、NMOSトランジスタ形成領域においても、N型の活性領域DR(ドレイン)とN型の活性領域SR(ソース:Vcc)が半導体層SCに形成されている。また、ポリシリコンからなるゲート電極層GE11,GE12が、半導体チップCPの外周縁に対して交差する方向に添って設けられている。よって、このゲート電極層GE11,GE12が延びる方向も、第4メタル配線層ML40,41,42,43が延びる方向と並行となる。
図13は上記構造からなる半導体装置の半導体チップCPの外周領域における、4層配線構造における配線レイアウトを示す図であり、最も外側の領域に、Vcc(電源電位)の第1、第2、第3メタル配線ML12,22,32が配置され、次いで内側の領域に、Vcc(電源電位)の第3メタル配線ML30が配置され、次いで内側の領域に、Gnd(基準電位)の第3メタル配線ML37が配置され、次いで内側の領域に、Gnd(基準電位)の第1、第2、第3メタル配線ML15,25,35が配置されている。
以上、本実施の形態における半導体装置においては、半導体層SCの上に位置する、第4メタル配線層ML40,41,42,43が延びる方向と、第4メタル配線層ML40,41,42,43の上に位置する第3配線層ML30,37が延びる方向とが直交するように設けられている。
これにより、上方に位置するボンディングパッドBP1,BP2に外部から応力が加えられた場合であっても、下方に伝達された力は、互いに交差するように積層配置された第3配線層ML30,37および第4配線層ML40,41,42,43により、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することを可能とする。
その結果、配線層が第1から第4の4層構造からなる半導体装置であっても、この4層構造の配線層の下に、PMOSトランジスタ形成領域、および、NMOSトランジスタ形成領域等の能動素子を配置させることができるため、半導体装置の高集積化を可能としている。また、製造プロセスにおいては特に追加の工程を発生させることはないため、半導体装置の製造コストの上昇を招くこともない。
また、本実施の形態においては、上層のメタル配線幅(L)と下層のメタル配線幅(L)とを比較した場合、下層のメタル配線幅(L)の方が太くなるように設けている。これは、上層側のメタル配線幅を狭くすることで、ボンディングパッドから加わる応力による撓み量を、上層側で大きく設定することで、能動素子から遠い上層側において応力を早い段階で吸収させることを可能としている。
さらに、本実施の形態においては、図13および図14に示すように、半導体チップCPの外周縁が延びる方向に沿って配置される環状の電源電位配線Vccと、この電源電位配線Vccの内側に配置される環状の基準電位配線Gndとが設けられ、上記第3メタル配線層ML30を電源電位配線Vccとして用いる回路と、上記第3メタル配線層ML37を基準電位配線Gndとして用いる回路とを規定している。
これにより、電源電位配線Vccの積層方向の上方に配置されるボンディングパッドBP1の配置ピッチを、ボンディングパッドBP1の大きさに基づき決定することができる。また、基準電位配線Gndの積層方向の上方に配置されるボンディングパッドBP2の配置ピッチについても、ボンディングパッドBP2の大きさに基づき決定することができる。
その結果、図14に示すように、Vcc(電源電位)配線およびGnd(基準電位)配線の延びる方向に沿って、ボンディングパッドBP1,BP2を平面視において千鳥状に配置することが可能となり、半導体装置のさらなる高集積化を可能としている。
また、第4メタル配線層を第3メタル配線層に対して直交させることで、電源電位配線Vccとして用いる回路と基準電位配線Gndとして用いる回路との接続において、ボンディングパッドの周りに引き出すことなく、ボンディングパッドの下方領域において、ストレートに両回路を接続させることが可能となり、この点からも、半導体装置の高集積化の実現を可能としている。
なお、上記実施の形態においては、最も好ましい一例として、全ての配線層が実配線として機能する4層配線構造からなる半導体装置の場合について適用したが、間の層に実配線として用いないダミー配線が設けられるような、配線層が5層以上の場合であっても、能動素子が形成される半導体層の直上のメタル配線層(本実施の形態の第4メタル配線層)とその上のメタル配線層(本実施の形態の第3メタル配線層)とを直交するように設けることで、上方に位置するボンディングパッドに外部から応力が加えられた場合であっても、下方に伝達された力は互いに交差するように積層配置された上側のメタル配線層と下側のメタル配線層により、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することが可能である。
(実施の形態2)
図15から図17を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。実施の形態1と同一の要素には同一の参照符号を付し重複する説明は繰りかえさないこととし、本実施の形態における半導体装置の特徴的構成についてのみ、以下詳細に説明する。
図15から図17を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。実施の形態1と同一の要素には同一の参照符号を付し重複する説明は繰りかえさないこととし、本実施の形態における半導体装置の特徴的構成についてのみ、以下詳細に説明する。
なお、図15、入出力部の配線層およびビア層の平面視におけるレイアウト図であり、図16は、図15のレイアウト図の中に示すA−A線矢視断面を示す図であり、図17は、図15のレイアウト図の中に示すB−B線矢視断面を示す図である。
本実施の形態における半導体装置においては、ボンディングパッドBP1を構成する第1メタル配線層ML10と、第1ビア層VL10との間に、パッシベーション膜PV10に設けられた開口部BPOの面積よりも大きく、第1メタル配線層ML10よりも硬度が大きい支持パッドWP10が設けられている。支持パッドWP10の具体的な材料としては、第1メタル配線層ML10にアルミニウム、銅、それらの合金(たとえば、Al−Si−Cu、Al−Cu等)等を用いた場合には、これらの材料よりも硬度が大きいタングステンが用いられる。
上記のように、支持パッドWP10を設けることで、ボンディングパッドBP1に外部から応力が加えられた場合には、まず、支持パッドWP10により応力を受け、支持パッドWP10のほぼ全体に力が分散された後に、さらに下層に位置する第1ビア層VL10等に分散されることになる。その結果、より効果的に、応力が全体に分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することが可能である。
なお、上記支持パッドWP10を設ける構造として、実施の形態1に示す4層配線構造「半導体層の直上のメタル配線層(第4メタル配線層)とその上のメタル配線層(第3メタル配線層)とを直交させる構成」に適用した場合について説明しているが、この構造に限定されるものではない。
実施の形態1の直交構造を採用しない、配線層が5層以上の場合であっても、ボンディングパッドBP1を構成する第1メタル配線層ML10と、第1ビア層VL10との間に、パッシベーション膜PV10に設けられた開口部BPOの面積よりも大きく、第1メタル配線層ML10よりも硬度が大きい支持パッドWP10を設けることで、ボンディングパッドBP1に加わる応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化の抑制を期待することができる。
なお、ボンディングパッドBP1に支持パッドWP10を設ける場合について説明したが、ボンディングパッドBP2に支持パッドを設ける場合であっても、同様の作用効果を得ることが可能である。
(実施の形態3)
図18から図20を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。実施の形態1と同一の要素には同一の参照符号を付し重複する説明は繰りかえさないこととし、本実施の形態における半導体装置の特徴的構成についてのみ、以下詳細に説明する。
図18から図20を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。実施の形態1と同一の要素には同一の参照符号を付し重複する説明は繰りかえさないこととし、本実施の形態における半導体装置の特徴的構成についてのみ、以下詳細に説明する。
なお、図18は、入出力部の配線層およびビア層の平面視におけるレイアウト図であり、図19は、図18のレイアウト図の中に示すA−A線矢視断面を示す図であり、図20は、図18のレイアウト図の中に示すB−B線矢視断面を示す図である。
本実施の形態における半導体装置は、ボンディングパッドBP1から半導体層SCの間に、平面視の同一箇所において、第1メタル配線層ML10と第2メタル配線層ML20との間、第2配線層ML20と第3配線層ML30との間、第3配線層ML30と第4配線層ML40との間、第4配線層ML40とゲート電極層GE1との間を支持する支柱構造CL−VIAが設けられている。
具体的な支柱構造CL−VIAとしては、第1メタル配線層ML10と第2メタル配線層ML20との間に、第1ビア層と同一の製造工程で設けられた支柱CL10が配設されている。また、第3メタル配線層ML30と同一の製造工程で設けられた土台BL10が設けられ、この土台BL10と第2メタル配線層ML20との間に第2ビア層と同一の製造工程で設けられた支柱CL20が配設されている。
また、第4メタル配線層ML40と同一の製造工程で設けられた土台BL20が設けられ、この土台BL20と第3メタル配線層ML30との間に第3ビア層と同一の製造工程で設けられた支柱CL30が配設されている。また、ゲート電極層GE1と同一の製造工程で設けられた土台BL30が設けられ、この土台BL30と第4メタル配線層ML40との間に第4ビア層と同一の製造工程で設けられた支柱CL40が配設されている。
また、本実施の形態においては、図18のレイアウト図に示すように、上記構成からなる支柱構造CL−VIAが、ボンディングパッドBP1の四隅近傍領域に配置されている。さらに、半導体層SCの上に位置する支柱CL30は、半導体層SCに設けられた素子分離領域STIの上に位置するように配設されている。
上記のように、支柱構造CL−VIAを採用することで、ボンディングパッドBP1に外部から応力が加えられた場合には、まず、支柱構造CL−VIAに力を分散させた後に、下層の半導体層SCに力を逃がすことが可能となる。その結果、より効果的に、応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することが可能である。
なお、上記支柱構造CL−VIAを設ける構造として、実施の形態1に示す4層配線構造「半導体層の直上のメタル配線層(第4メタル配線層)とその上のメタル配線層(第3メタル配線層)とを直交させる構成」に適用した場合について説明しているが、この構造に限定されるものではない。
実施の形態1に示すメタル配線の直交構造を採用しない、配線層が5層以上の場合であっても、ボンディングパッドBP1と半導体層SCの間に上記支柱構造CL−VIAを設けることで、ボンディングパッドBP1に加わる応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化の抑制を期待することができる。
また、支柱構造CL−VIAを、ボンディングパッドBP1の四隅に設ける場合について説明したが、少なくとも1箇所以上に支柱構造を設けることで、ボンディングパッドBP1に加わった力を半導体層SCに逃がすことが可能である。
また、支柱構造CL−VIAとして、土台BL10および土台BL20を別途設ける構成を採用しているが、これは、メタル配線パターンとの関係に基づくもので、支柱構造CL−VIAの下方位置にメタル配線が位置している場合(図19において第2メタル配線ML20)には、そのメタル配線をそのまま土台として用いることができる。また、素子分離領域STI上に支柱構造CL−VIAを配置した場合について説明しているが、レイアウトの制限を受ける場合は、支柱構造CL−VIAを素子分離領域STI上に設けなくてもかまわない。
(実施の形態4)
図21から図23を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。
図21から図23を参照して、本実施の形態における半導体装置の構造について説明する。この半導体装置は、実施の形態1の場合と同様に、高集積化を図るため、ボンディングパッドの下方の領域を有効利用するようにしたものであり、ボンディングパッドの下方の構造の具体的なレイアウトを説明している。
より具体的には、上記実施の形態2に示す支持パッドWP10を設ける構成と、上記実施の形態3に示す支柱構造CL−VIAとを組み合わせたものである。したがって、実施の形態1から3と同一の要素には同一の参照符号を付し重複する説明は繰りかえさないこととし、本実施の形態における半導体装置の特徴的構成についてのみ、以下詳細に説明する。
なお、図21、入出力部の配線層およびビア層の平面視におけるレイアウト図であり、図22は、図21のレイアウト図の中に示すA−A線矢視断面を示す図であり、図23は、図21のレイアウト図の中に示すB−B線矢視断面を示す図である。
本実施の形態における半導体装置においては、支持パッドWP10と半導体層SCとの間において、支柱構造CL−VIAを設けている。これにより、ボンディングパッドBP1に外部から応力が加えられた場合には、まず、支持パッドWP10により応力を受け、この支持パッドWP10から支柱構造CL−VIAに力を分散させた後に、下層の半導体層SCに力を逃がすことが可能となる。その結果、より効果的に、応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化を最小限に抑制することが可能である。
なお、上記支持パッドWP10および上記支柱構造CL−VIAを設ける構造として、実施の形態1に示す4層配線構造「半導体層の直上のメタル配線層(第4メタル配線層)とその上のメタル配線層(第3メタル配線層)とを直交させる構成」に適用した場合について説明しているが、この構造に限定されるものではない。
実施の形態1に示すメタル配線の直交構造を採用しない、配線層が5層以上の場合であっても、ボンディングパッドBP1と半導体層SCの間に上記支柱構造CL−VIAを設けることで、ボンディングパッドBP1に加わる応力が分散され、特定箇所への応力集中を緩和し、半導体装置の強度劣化の抑制を期待することができる。
また、支柱構造CL−VIAを、支持パッドWP10の四隅に設ける場合について説明したが、少なくとも1箇所以上に支柱構造を設けることで、支持パッドWP10に加わった力を半導体層SCに逃がすことが可能である。
また、支柱構造CL−VIAとして、土台BL10および土台BL20を別途設ける構成を採用しているが、これは、メタル配線パターンとの関係に基づくもので、支柱構造CL−VIAの下方位置にメタル配線が位置している場合(図19において第2メタル配線ML20)には、そのメタル配線をそのまま土台として用いることができる。また、素子分離領域STI上に支柱構造CL−VIAを配置した場合について説明しているが、レイアウトの制限を受ける場合は、支柱構造CL−VIAを素子分離領域STI上に設けなくてもかまわない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、ボンディングパッドを備える半導体装置であれば広く適用可能であり、半導体装置の強度劣化の抑制、および、半導体装置の高集積化の実現を可能とする。
BL10,BL20,BL30 土台、BP1,BP2 ボンディングパッド、BPO 開口部、CL−VIA 支柱構造、CL10,CL20,CL30,CL40 支柱、CP 半導体チップ、GE1,GE2 ポリシリコン電極層、IC 内部回路、ID10,ID20,ID30,ID40 層間絶縁膜、ML10,ML11,ML12,ML15 第1メタル配線層、ML20,ML21,ML22,ML25 第2メタル配線層、ML30,ML31,ML32,ML35,ML37 第3メタル配線層、ML40,ML41,ML42 第4メタル配線層、nTr NMOSトランジスタ、PV10 パッシベーション膜、pTr PMOSトランジスタ、SC 半導体層、SR,DR 活性領域、VL10,VL11,VL12,VL15 第1ビア層、VL21,VL22,VL25 第2ビア層、VL30,VL31,VL37 第3ビア層、VL40,VL41,VL42,VL47 第4ビア層、WP10 支持パッド。
Claims (8)
- 表面保護膜に設けられた開口部から露出するボンディングパッドを含む第1配線層と、
前記第1配線層の下に設けられた第1ビア層と、
前記第1ビア層の下に設けられた第2配線層と、
前記第2配線層の下に設けられた第2ビア層と、
前記第2ビア層の下に設けられ、ストライプ状に配置された第3配線層と、
前記第3配線層の下に設けられた第3ビア層と、
前記第3ビア層の下に設けられ、ストライプ状に配置された第4配線層と、
前記第4配線層の下に設けられた第4ビア層と、
前記第4ビア層の下に設けられた半導体層と、
が積層配置され、
前記第3配線層が延びる方向と、前記第4配線層が延びる方向とが直交するように設けられた、半導体装置。 - 前記第1配線層、前記第1ビア層、前記第2配線層、前記第2ビア層、前記第3配線層、前記第3ビア層、前記第4配線層、前記第4ビア層、および、前記半導体層は、平面視において矩形形状の半導体チップ上に積層配置され、
前記第1ビア層は、ストライプ状に配置されるとともに、前記半導体チップの外周縁に対して並行に設けられ、
前記第3配線層は、前記半導体チップの外周に対して並行に設けられ、
前記半導体層の上には、ゲート電極層がストライプ状に配置され、
前記ゲート電極層が延びる方向は、前記第4配線層が延びる方向と並行に設けられた、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1ビア層の線幅は、前記第3配線層の線幅よりも小さく設けられ、
前記第3配線層の線幅は、前記第4配線層の線幅以下となるように設けられた、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記ボンディングパッドを構成する第1配線層と前記第1ビア層との間には、前記表面保護膜に設けられた前記開口部の面積よりも大きく、前記第1配線層よりも硬度が大きい支持パッドが設けられた、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記ボンディングパッドの下方から前記ゲート電極層の上方の間には、平面視の同一箇所において、前記第1配線層と前記第2配線層との間、前記第2配線層と前記第3配線層との間、前記第3配線層と前記第4配線層との間、前記第4配線層と前記ゲート電極層との間を支持する支柱構造が設けられた、請求項2から4のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記支柱構造は、前記ボンディングパッドの四隅近傍領域に配置される、請求項5に記載の半導体装置。
- 前記支柱構造を支持する前記ゲート電極層の下面には、前記半導体層に設けられた素子分離領域が位置する、請求項5または6に記載の半導体装置。
- 前記半導体チップには、外周縁に沿って配置される環状の電源電位配線と、この電源電位配線の内側に配置される環状の基準電位配線とが設けられ、
前記第3配線層を前記電源電位配線として用いる回路と、前記第3配線層を前記基準電位配線として用いる回路とが規定され、
前記電源電位配線および前記基準電位配線の積層方向の上方において、前記ボンディングパッドが平面視において千鳥状に配置される、請求項2から7のいずれかに記載の半導体装置。
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