JP2009141125A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボンディングの信頼性を確保可能なパッド構成としつつボンディング時における加圧によるESD保護素子の破壊を防ぐことのできる半導体装置であって可能な限り小型化してなる半導体装置を提供すること。
【解決手段】外部電極パッドに対して、ワイヤボンディング用のエリアであるボンディングエリアとプロービングにおいてプローブ針が当てられるエリアであるプロービングエリアとを設け、ESD保護素子及びその放電経路をプロービングエリアの下方に配置する。ボンディングエリアの下方には、ボンディングパッドよりも若干小さいサポートビアと、ボンディングパッドに相当する大きさを有し且つサポートビアによりボンディングパッドと連結されたサポートパターンとを配置する。
【選択図】図2

Description

本発明は、外部電極パッドを通じて入来する静電ノイズによる内部素子の破壊を防止するためのESD保護素子を備えた半導体装置に関する。
従来、ESD保護素子を備える半導体装置を小型化するために、ESD保護素子をボンディングパッドの下部に形成する技術が提案されている(例えば、特許文献1乃至特許文献3参照)。
なお、パッド電極を有する半導体装置に関するものではないが、プロービング時におけるプローブ針による生じる傷を問題視し、フリップチップにおける外部接続用のバンプ電極をプロービング用の部位と接続用の部位とに分けた構造としたものも提案されている(特許文献4参照)。
特開2000−133775号公報 特開平11−307724号公報 特開2003−289104号公報 特開平5−129305号公報
特許文献1乃至特許文献3記載の半導体装置では、一つの電極パッドをボンディング対象とすると共にプロービングの対象ともしているが、かかる半導体装置においても、特許文献4にて指摘されているようなプローブ針による傷に起因して、ボンディング時における接触不良が生じる、即ちボンディングの信頼性が低下する恐れがある。
例えば、MobileRAMなどはウェハ状態で出荷されるため、従来、パッケージ組立後に行われていたテストや評価がウェハの状態で行われる。このため、MobileRAMなどでは電極パッドにプロービングする回数が多くなり、プローブ針による接触傷も増えることとなる。電極パッドにプローブ針による接触傷が増えるということはボンディング時におけるボンディングワイヤと電極パッドとの実効的な接触面積が減るということであり、そのため、上述したように、ボンディングの信頼性が低下する可能性がある。
かかるボンディングの信頼性の低下を防ぐ手段としては、例えば、一つの電極パッドをワイヤボンディング用のエリア(ボンディングエリア)とプロービングにおいてプローブ針が当てられるエリア(プロービングエリア)を有するように構成することが考えられるが、そのような構成とするとパッドサイズの大型化は避けられず、従って、チップサイズも大きくなる。
一方、特許文献1乃至特許文献3記載の半導体装置では、ボンディングパッドの下部にESD保護素子を設けてチップサイズの小型化を図ろうとしているが、ボンディング時にはボンディングパッドに対しておよそ20〜300gほどの荷重がかかることから、ESD保護素子が破壊される恐れがあり、従って、ボンディングパッドの下部にESD保護素子を設けることは好ましくない。
以上を鑑み、本発明は、ボンディングの信頼性を確保可能なパッド構成としつつボンディング時における加圧によるESD保護素子の破壊を防ぐことのできる半導体装置であって可能な限り小型化してなる半導体装置を提供することを目的とする。
本発明によれば、ワイヤボンディング用のエリアであるボンディングエリアとプロービングにおいてプローブ針が当てられるエリアであるプロービングエリアとを有する外部電極パッドと、
前記プロービングエリアの下方に位置し且つ前記プロービングエリアと電気的に接続されるようにして設けられたESD保護素子と
を含む半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第2の半導体装置として、第1の半導体装置において、前記ESD保護素子は、前記ボンディングエリアの直下には位置しないように形成されている、半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第3の半導体装置として、第1又は第2の半導体装置において、
前記ESD保護素子に接続された放電経路を更に備えており、
該放電経路は、前記ボンディングエリアの直下には位置しないように設けられている
半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第4の半導体装置として、第1乃至第3の半導体装置のいずれかにおいて、
交互に形成された複数の導電体層及び複数の絶縁体層と、前記絶縁体層内に形成されたビアを備えており、
前記外部電極パッドは、前記導電体層のうち、最上層に位置する導電体層に形成されており、
前記導電体層のうち、前記最上層の一つ下の層には、前記ボンディングエリアに相当する面積を有するサポートパターンが該ボンディングエリアの直下に位置するようにして形成されており、
前記最上層と前記最上層の一つ下の層との間には、前記ボンディングエリアと前記サポートパターンとを接続するサポートビアが形成されている
半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第5の半導体装置として、第4の半導体装置において、前記サポートビアの面積は、前記ボンディングエリアの面積の50%以上90%以下である、半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第6の半導体装置として、第4又は第5の半導体装置において、前記導電体層のうち、前記最上層と前記最上層の一つ下の層以外の層における前記ボンディングエリアの直下に相当する領域に、夫々、平坦性を確保するためのダミーパターンが形成されている、半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第7の半導体装置として、第1乃至第6の半導体装置のいずれかにおいて、
前記ESD保護素子を形成される保護素子領域を有する基板を更に備えており、
当該基板の前記ボンディングエリアの直下に相当する領域内に、保護素子領域とのバランスをとり平坦性を確保するためのダミー拡散領域が形成されている
半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第8の半導体装置として、第1乃至第7の半導体装置のいずれかにおいて、前記外部電極パッドを上方から見た場合に、前記ボンディングエリアと前記プロービングエリアを区別可能とするマーカーを更に備える、半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第9の半導体装置として、第8の半導体装置において、
前記外部電極パッドの形成された層上に一様に設けられた絶縁膜を更に備えており、
該絶縁膜には、前記外部電極パッドのうち、前記ボンディングエリア及び前記プロービングエリアを露出させる開口部が形成されており、
該開口部は、前記マーカーとして機能しうる形状を有している
半導体装置が得られる。
また、本発明によれば、第10の半導体装置として、第9の半導体装置において、
前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部を一組とした場合に、複数組の前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部を備えており、
該複数組の前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部は、前記外部電極パッドを上方から見た場合に複数の前記外部電極パッド並びに複数の前記開口部がそれぞれ直線状に並ぶようにして配列されており、それによって、前記マーカーにより示される前記ボンディングエリアと前記プロービングエリアの境界が明確にされている
半導体装置が得られる。
本発明によれば、外部電極パッドをボンディングエリアとプロービングエリアとに分けてあるのでボンディングの信頼性を確保することができ、更に、ESD保護素子をプロービングエリアの下方に配置したことから、外部電極パッドの下部にESD保護素子を配置しない場合と比較して、チップサイズを縮小することができる。
加えて、プロービングの際にプロービングエリアにかかる荷重は、数g程度であり、ボンディング荷重よりも少なくとも一桁小さいことから、プロービングエリアの下部にESD保護素子を配置してもプロービングによってESD保護素子が破壊されることはない。
従って、本発明によれば、ボンディングの信頼性の確保とボンディング荷重によるESD保護素子の破壊防止とを両立させた上で、チップサイズの削減を図ることができる。
本発明の第1の実施の形態による半導体装置は、図1乃至図6に示されるように、4層のメタル層を有するものであり、4層(最上層)目に外部電極パッド90を備えている。概略、本実施の形態における外部電極パッド90は、プロービング時におけるプローブ針の接触傷に起因したボンディング不良を避けるべく、ワイヤボンディング用のエリアであるボンディングエリア95とプロービングにおいてプローブ針が当てられるエリアであるプロービングエリア94とを別個に有しており、ESD保護素子は、プロービングエリア94の下方に設けられている。
詳しくは、図2及び図3に示されるように、本実施の形態による半導体装置は、基板10を有している。基板10は、ESD保護素子を形成する保護素子領域11を備えており、保護素子領域11には、ESD保護素子のドレイン領域12及びソース領域13となる拡散領域が所定の間隔を開けて交互に設けられている。これにより、図2、図3及び図4から理解されるように、ドレイン領域12とソース領域13との間には、ゲート領域14が規定されている。ドレイン領域12、ソース領域13及びゲート領域14からなる保護素子領域11は、図2及び図3から明らかなように、ボンディングエリア95の直下には位置しないように、プロービングエリア94の下方に設けられている。基板10のボンディングエリア95の直下に相当する領域には、ドレイン領域12及びソース領域13とのバランスをとり上層に形成される要素の平坦性を確保するため、ダミー拡散領域15が形成されている。本実施の形態においては、ダミー拡散領域15として、ドレイン領域12及びソース領域13の長手方向と直交する方向に延びる短冊状の拡散領域が複数個形成されている。
図2、図3及び図4に示されるように、基板10上には、層間絶縁膜20を介して、第1層目のメタル配線層が形成されている。この第1層目のメタル配線層は、ドレイン領域12の上方に設けられた導電パターン32と、ソース領域13の上方に設けられた導電パターン33と、ボンディングエリア95の下部に形成されたダミーパターン35を含んでいる。導電パターン32は、図2に示されるように、コンタクト(ビア)22によりドレイン領域12と接続されており、導電パターン33は、図3に示されるように、コンタクト(ビア)23により、ソース領域13と接続されている。加えて、本実施の形態によるダミーパターン35は、図4に示されるように、複数個の短冊状の部位からなるものであり、個々の部位は、ダミー拡散領域15と同方向に長手方向を有している。
図2、図3及び図5に示されるように、第1層目のメタル配線層、即ち、導電パターン32,33及びダミーパターン35上には、層間絶縁膜40を介して、第2層目のメタル配線層が形成されている。この第2層目のメタル配線層は、プロービングエリア94側に形成された導電パターン52,53と、ボンディングエリア95側に形成されたダミーパターン55を含んでいる。導電パターン52は、図2に示されるように、プラグ(ビア)42を介して導電パターン32に接続されており、導電パターン53は、図3に示されるように、プラグ(ビア)43を介して導電パターン33に接続されている。加えて、本実施の形態によるダミーパターン55は、図5に示されるように、ボンディングエリア95に相当する面積を有している。
ここで、上述したダミーパターン35及びダミーパターン55は、平坦性を確保するためのものであり、その目的が達成される限り、上述した形状以外の形状を有していてもかまわない。
図2、図3及び図6に示されるように、第2層目のメタル配線層、即ち、導電パターン52,53及びダミーパターン55上には、層間絶縁膜60を介して、第3層目のメタル配線層が形成されている。この第3層目のメタル配線層は、プロービングエリア94側に形成された導電パターン72,73と、ボンディングエリア95側に形成されたサポートパターン75を含んでいる。導電パターン72は、図2及び図6から理解されるように、ドレイン領域12の長手方向と直交する方向に延びる短冊形状を有しており、プラグ(ビア)62を介して導電パターン52に接続されている。導電パターン73は、図3及び図6から理解されるように、ソース領域13の長手方向と直交する方向に延びる幅広の短冊形状を有しており、プラグ(ビア)63を介して導電パターン53に接続されている。即ち、導電パターン73は、図3に示されるように、プラグ63、導電パターン53、プラグ43、導電パターン33及びコンタクト23を介して、ESD保護素子のソース領域13に接続されている。更に、この導電パターン73は、VSS(図示せず)に接続され、放電経路として機能する。加えて、本実施の形態による導電パターン73は、図6に示されるように、2つの導電パターン72の間に位置している。本実施の形態によるサポートパターン75は、図1乃至図3及び図6から理解されるように、ボンディングエリア95に相当する形状を有し、従って、ボンディングエリア95に相当する面積を有しており、ボンディングエリア95の直下に位置するように設けられている。
図1乃至図3に示されるように、第3層目のメタル配線層、即ち、導電パターン72,73及びサポートパターン75上には、層間絶縁膜80を介して、外部電極パッド90を含む第4層目(最上層)のメタル配線層が形成されている。外部電極パッド90の上部には、ポリイミド膜100が形成されており、このポリイミド膜100には、ボンディングエリア95及びプロービングエリア94を露出させるように、開口部105が形成されている。
外部電極パッド90は、図1及び図2に示されるように、プラグ(ビア)82を介して導電パターン72に接続されている。即ち、外部電極パッド90は、プラグ82、導電パターン72、プラグ62、導電パターン52、プラグ42、導電パターン32及びコンタクト22を介して、ESD保護素子のドレイン領域12に接続されている。加えて、外部電極パッド90のボンディングエリア95は、サポートビア85を介して、サポートパターン75に接続されている。ここで、サポートビア85は、ESD保護素子側の導電パターン72やプラグ82と接触することのないように、ボンディングエリア85よりも若干小さい大きさを有している。具体的には、サポートビア85は、ボンディングエリア95の面積の90%以下の面積を有することが好ましい。一方で、ボンディングエリア95をボンディング時においても適切にサポートするため、サポートビア85は、少なくともボンディングエリア95の50%以上の面積を有していることが好ましく、ボンディング時の圧力に効果的に対応するためには80%以上の面積を有していることがより好ましい。
上述したように、本実施の形態による半導体装置においては、ボンディングエリア95とプロービングエリア94とを分けることにより、プローブ針による接触傷に起因したボンディング不良を防ぐことができると共に、プロービングエリア94の下方にESD保護素子を配置したことからボンディング圧力によるESD保護素子の破壊を回避しつつチップサイズの削減を図ることができる。例えば、70nmプロセスの一般的な製品においてESD保護素子の占める面積は全体の0.5%程度であるが、ESD保護素子を外部電極パッド90と別個に形成した場合と比較すると、その分だけサイズ削減を図ることができる。
加えて、ESD保護素子は外部電極パッド90に近い位置に配置されているため、本実施の形態による半導体装置は、ESD保護素子の機能的側面から見ても良好な特性を有している。
また、ボンディングエリア95の直下にサポートビア85及びサポートパターン75を配置したことから、ボンディング時の圧力に耐えることができる。
一方、プロービングエリア94の下部には、外部電極パッド90をESD保護素子のドレイン領域12に接続するためのプラグ82、導電パターン72、プラグ62、導電パターン52、プラグ42、導電パターン32及びコンタクト22が形成されており、また、放電経路として機能する導電パターン73をESD保護素子のソース領域13に接続するためのプラグ63、導電パターン52、プラグ43、導電パターン33及びコンタクト23も形成されている。これらは、上記の電気的接続に加え、プロービング時にプロービングエリア94を介して加えられる圧力に耐えるための補強的な役割も担っている。特に、本実施の形態においては、コンタクト22、コンタクト23、プラグ42及びプラグ43をドレイン領域12及びソース領域のそれぞれに対して4本ずつ配置したことから、強固な補強が得られている。更に、第3層目のメタル配線層であってプロービングエリア94の下方にあたる位置に放電経路として機能する導電パターン73を配置したことで、第3層目のメタル配線層の均一性が保たれている。
上述した実施の形態による半導体装置は、顧客ごとのプローブ回数の相違にも容易に対応することができる。具体的には、プロービングの回数が多ければ多いほど、プローブ針による接触傷が増えることとなるため、広いプロービングエリアを要することとなるが、本実施の形態によれば、プロービングエリアを広げたい場合、即ち、プローブ回数の多い顧客用の半導体装置を製造するような場合には、最上層の外部電極パッドのパターンとポリイミド層の開口部のパターンのみを変更することで容易に対処することができる。図7及び図8には、図1乃至図6に示された半導体装置と比較して、外部電極パッド90aのパターンとポリイミド層100aの開口部105aのパターンのみを変更したことによりプロービングエリア94aを広くした例が示されている。
本発明の第2の実施の形態による半導体装置は、上述した第1の実施の形態の変形例であり、具体的には、外部電極パッド上に形成されたポリイミド膜の開口部の形状を特定の形状とすることにより、外部電極パッドを上方から見た場合に、ボンディングエリアとプロービングエリアを区別可能とするマーカーとしての機能をポリイミド膜の開口部に持たせたものである。以下においては、第1の実施の形態による半導体装置との相違点のみについて説明することとし、その他の点については説明を省略する。
本実施の形態による半導体装置は、図9に示されるような開口部105bを有するポリイミド膜100bを備えている。具体的には、ボンディングエリア95bとプロービングエリア94bで開口部105bの開口幅を異ならせたことにより、ボンディングエリア95bとプロービングエリア94bの境界部分に段差107bが形成されている。従って、テストをする際及びボンディングをする際のいずれの場合にも、開口部105bの段差107bを目印として、プロービングエリア94bとボンディングエリア95bを区別し、それぞれ適切なエリアに対して作業することができる。
通常、半導体装置には複数の外部電極パッド90が設けられており、その夫々に、ESD保護素子が設けられるが、その場合に、例えば、半導体装置を構成するチップの辺上に対して、図10に示されるように、段差107bが直線上に並ぶように、複数の外部電極パッド90及びポリイミド膜100bの開口部105bを直線状に並置することにより、ボンディングエリア95bとプロービングエリア94bの境界部分を一目で分かるようにしても良い。
本発明の第3の実施の形態による半導体装置は、第2の実施の形態同様、第1の実施の形態の変形例であり、具体的には、外部電極パッド上に形成されたポリイミド膜の開口部の形状を特定の形状とすることにより、外部電極パッドを上方から見た場合に、ボンディングエリアとプロービングエリアを区別可能とするマーカーとしての機能をポリイミド膜の開口部に持たせたものである。以下においては、第1の実施の形態による半導体装置との相違点のみについて説明することとし、その他の点については説明を省略する。
本実施の形態による半導体装置は、図11に示されるような開口部105cを有するポリイミド膜100cを備えている。具体的には、ボンディングエリア95cとプロービングエリア90cの境界部分に相当する位置において、開口部105cの対向する2辺から互いに向かい合うようにして突出した突出部107cがポリイミド膜100cには設けられている。従って、テストをする際及びボンディングをする際のいずれの場合にも、開口部105cの突出部107cを目印として、プロービングエリア94cとボンディングエリア95cを区別し、それぞれ適切なエリアに対して作業することができる。
本実施の形態においても、複数の外部電極パッド90に関して、例えば、図12に示されるように、突出部107cが直線上に並ぶように、複数の外部電極パッド90及びポリイミド膜100cの開口部105cを直線状に並置することにより、ボンディングエリア95cとプロービングエリア94cの境界部分を一目で分かるようにしても良い。
本発明は、DRAMのような外部電極パッドを有し且つESD保護素子を備える半導体素子に適用できる。
本発明の第1の実施の形態による半導体装置の外部電極パッド周辺を示す上面図である。 図1のII−II線に沿った半導体装置を示す断面図である。 図1のIII−III線に沿った半導体装置を示す断面図である。 図1の半導体装置の第1層(最下層)目の導電体層を示す上面図である。 図1の半導体装置の第2層目の導電体層を示す上面図である。 図1の半導体装置の第3層(最上層の一つ下の層)目の導電体層を示す上面図である。 図1の半導体装置の外部電極パッド周辺の変形例を示す上面図である。 図7のVIII−VIII線に沿った半導体装置を示す断面図である。 本発明の第2の実施の形態による半導体装置の外部電極パッド周辺を示す上面図である。 図9に示される外部電極パッドを複数個一列に配置した状態を示す図である。 本発明の第3の実施の形態による半導体装置の外部電極パッド周辺を示す上面図である。 図11に示される外部電極パッドを複数個一列に配置した状態を示す図である。
符号の説明
10 基板
11 保護素子領域
12 ドレイン領域
13 ソース領域
14 ゲート領域
15 ダミー拡散領域
20 層間絶縁膜
22 コンタクト
23 コンタクト
32 導電パターン
33 導電パターン
35 ダミーパターン
40 層間絶縁膜
42 プラグ
43 プラグ
52 導電パターン
53 導電パターン
55 ダミーパターン
60 層間絶縁膜
62 プラグ
63 プラグ
72 導電パターン
73 導電パターン(放電経路)
75 サポートパターン
80 層間絶縁膜
82 プラグ
85 サポートビア
90,90a 外部電極パッド
94,94a プロービングエリア
95,95b,95c ボンディングエリア
100,100a,100b,100c ポリイミド膜
105,105a,105b,105c 開口部
107b,107c マーカー

Claims (10)

  1. ワイヤボンディング用のエリアであるボンディングエリアとプロービングにおいてプローブ針が当てられるエリアであるプロービングエリアとを有する外部電極パッドと、
    前記プロービングエリアの下方に位置し且つ前記プロービングエリアと電気的に接続されるようにして設けられたESD保護素子と
    を含む半導体装置。
  2. 前記ESD保護素子は、前記ボンディングエリアの直下には位置しないように形成されている、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記ESD保護素子に接続された放電経路を更に備えており、
    該放電経路は、前記ボンディングエリアの直下には位置しないように設けられている
    請求項1又は請求項2記載の半導体装置。
  4. 交互に形成された複数の導電体層及び複数の絶縁体層と、前記絶縁体層内に形成されたビアを備えており、
    前記外部電極パッドは、前記導電体層のうち、最上層に位置する導電体層に形成されており、
    前記導電体層のうち、前記最上層の一つ下の層には、前記ボンディングエリアに相当する面積を有するサポートパターンが該ボンディングエリアの直下に位置するようにして形成されており、
    前記最上層と前記最上層の一つ下の層との間には、前記ボンディングエリアと前記サポートパターンとを接続するサポートビアが形成されている
    請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記サポートビアの面積は、前記ボンディングエリアの面積の50%以上90%以下である、請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記導電体層のうち、前記最上層と前記最上層の一つ下の層以外の層における前記ボンディングエリアの直下に相当する領域に、夫々、平坦性を確保するためのダミーパターンが形成されている、請求項4又は請求項5記載の半導体装置。
  7. 前記ESD保護素子を形成される保護素子領域を有する基板を更に備えており、
    当該基板の前記ボンディングエリアの直下に相当する領域内に、保護素子領域とのバランスをとり平坦性を確保するためのダミー拡散領域が形成されている、
    請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体装置。
  8. 前記外部電極パッドを上方から見た場合に、前記ボンディングエリアと前記プロービングエリアを区別可能とするマーカーを更に備える、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記外部電極パッドの形成された層上に一様に設けられた絶縁膜を更に備えており、
    該絶縁膜には、前記外部電極パッドのうち、前記ボンディングエリア及び前記プロービングエリアを露出させる開口部が形成されており、
    該開口部は、前記マーカーとして機能しうる形状を有している
    請求項8記載の半導体装置。
  10. 前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部を一組とした場合に、複数組の前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部を備えており、
    該複数組の前記外部電極パッド、前記ESD保護素子及び前記開口部は、前記外部電極パッドを上方から見た場合に複数の前記外部電極パッド並びに複数の前記開口部がそれぞれ直線状に並ぶようにして配列されており、それによって、前記マーカーにより示される前記ボンディングエリアと前記プロービングエリアの境界が明確にされている
    請求項9記載の半導体装置。
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