JP2011108686A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パッド上でのプローブ針の先端の横滑りに起因する横方向の応力による層間絶縁膜や最終絶縁膜の損傷を防止する。
【解決手段】半導体基板１の表面に基板凹部１ａが形成されている。パッドは、基板凹部１ａ内に形成された金属材料からなる第１層目パッド５、第２層目パッド９及び第３層目パッド１３によって形成されている。第３層目パッド１３上の最終保護膜１５が除去されてパッド開口部１５ａが形成されている。上層側に位置する第３層目パッド１３は、基板凹部１ａに起因してパッド凹部１３ａを備えている。パッド凹部１３ａの上面は半導体基板１の表面よりも下方に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体装置の電気的信号を入出力するための端子であるパッドの構造に関するものである。

半導体装置の電気特性を測定する場合、半導体装置の内部回路に繋がるパッドにプローブ針の先端を接触させ、このプローブ針を介して電気信号の入出力を行なって半導体装置の特性を観察する手法が用いられる（例えば特許文献１を参照）。

パッドにプローブ針を接触させるとき、パッドとプローブ針の接続を確実なものにする必要がある。金属材料からなるパッドの表面が酸化されて絶縁状態になっていることがあるので、通常、試験対象である半導体装置を上昇させ、又はプローブ針を下降させて、プローブ針を半導体装置のパッド表面に接触させた後、半導体装置をさらに上昇又はプローブ針をさらに下降させて、プローブ針をパッド表面にわずかに食い込ませる。このとき、プローブ針がパッドに食い込むと同時にプローブ針の先端に横方向にも力が加わり、プローブ針の先端がパッド表面上を滑る。

また、試験時には、パッドとプローブ針との位置ズレが生じることがある。
例えば、半導体装置が等間隔に作り込まれたウエハを保持したステージが平面上で移動を繰り返す。ステージの平面移動において、ステージの移動精度によってはウエハ上でのパッドとプローブ針との位置ズレが生じることがある。

別の位置ズレの要因として、プローブ針の変形がある。通常、半導体装置は複数のパッドを有しており、個々の半導体装置のパッド配置に合ったプローブ針の配置のプローブカードを使用する。多数のウエハに対してプローブカードを使用し続けると、個々のプローブ針の先端の高さやプローブ針の相互位置ズレが生じる。
また、電気測定開始前に作業者がプローブカードの個々のプローブ針先がパッド中央に当たるようにセットするが、作業のバラツキにより相対位置にズレが生じる。

このような位置ズレを考慮してパッドの必要サイズを決めているが、昨今の半導体装置のサイズの縮小に伴い、パッドサイズの縮小も求められている。回避策として、パッドの必要面積を確保するのではなく、半導体素子の上に確保する、即ち、パッド下まで半導体装置の回路、素子を作りこむ方法が考案されているが、パッドにプローブ針を当てた衝撃で半導体装置にダメージを与えることがある。

図５は、従来の半導体装置のパッド周辺を示す概略的な断面図である。
半導体基板３１上にフィールド酸化膜３３が形成され、さらにその上に第１層目層間絶縁膜３５が形成されている。パッド形成領域の第１層目層間絶縁膜３５上に第１層目パッド３７が形成されている。第１層目層間絶縁膜３５上及び第１層目パッド３７上に第２層目層間絶縁膜３９が形成されている。パッド形成位置で第１層目パッド３７上の第２層目層間絶縁膜３９には開口部が形成されている。

第１層目パッド３７上及び第２層目層間絶縁膜３９上に第２層目パッド４１が形成されている。第２層目パッド４１の端部は、第２層目層間絶縁膜３９上に乗り上げており、第２層目パッド４１の中央部よりも高い位置に配置されている。
第２層目層間絶縁膜３９上及び第２層目パッド４１の上に最終保護膜４３が形成されている。第２層目パッド４１上の最終保護膜４３が除去されてパッド開口部４３ａが形成されている。

プローブ針の位置ズレにより、プローブ針がパッド中央部から外れてパッドに接触されると、プローブ針の先端の横滑りが発生した際、プローブ針の先端がパッド周囲の最終保護膜４３に接触して最終保護膜４３を損傷させてしまい、半導体装置の品質を低下させるという問題があった。
さらに、プローブ針がパッドに接触され、プローブ針の先端が横滑りを起こして最終保護膜４３に接触したときに、プローブ針の先端が最終保護膜４３を横方向に押し付けるために、層間絶縁膜３５−パッド３７間、パッド３７−層間絶縁膜３９間、層間絶縁膜３９−パッド４１間、及びパッド４１−保護膜４３間の各界面にせん断応力が働き、その応力により、それらの界面にダメージが発生するという問題があった。

このような問題は、ワイヤーボンディング用のパッドに限らず、装置の下面に複数のボール状の外部接続用接続端子（バンプ）が配列された半導体装置、例えばボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）やチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）におけるバンプ形成前のパッドへのプローブ針の接触時においても見られる。

本発明は、パッド上でのプローブ針の先端の横滑りに起因する横方向の応力による層間絶縁膜や最終絶縁膜の損傷を防止できる半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜及び最終保護膜と、金属材料からなるパッドと、パッド上の最終保護膜が除去されて形成されたパッド開口部を備えた半導体装置であって、上記半導体基板の表面に形成された基板凹部を備え、上記パッドは、上記基板凹部内に形成された金属材料からなり、上記基板凹部に起因してパッド凹部を備え、上記パッド凹部の上面は上記半導体基板表面よりも下方に配置されているものである。
ここで、パッドは１層の金属材料層によって形成されていてもよいし、複数層の金属材料層によって形成されていてもよい。
本発明の半導体装置において、半導体装置の電気的特性の測定の際、パッドのパッド凹部内にプローブ針が接触される。このとき、プローブ針の先端が横滑りを起こすと、プローブ針の先端はパッド凹部の側面に接触して止まる。

本発明の半導体装置において、上記パッドと上記半導体基板の間に基板表面絶縁膜が形成されているようにしてもよい。

本発明の半導体装置では、半導体基板の表面に形成された基板凹部を備え、パッドは、基板凹部内に形成された金属材料からなり、基板凹部に起因してパッド凹部を備え、パッド凹部の上面は半導体基板表面よりも下方に配置されているようにしたので、パッドのパッド凹部内にプローブ針が接触され、プローブ針の先端が横滑りを起こしてパッド凹部の側面に接触しても、パッド凹部側壁の金属材料に圧縮応力は働くが、金属材料がひずむことにより、また、それ以上に力が働いたとしても金属材料が破壊されることにより、その応力は吸収されるので、半導体基板よりも上層の層間絶縁膜及び最終保護膜には伝達しない。これにより、パッド上でのプローブ針の先端の横滑りに起因する横方向の応力による層間絶縁膜や最終絶縁膜の損傷を防止できる。

本発明の半導体装置において、パッドと半導体基板の間に基板表面絶縁膜が形成されているようにすれば、パッドと半導体基板を絶縁できる。

一実施例のパッド周辺を概略的に示す断面図である。 同実施例のパッドにプローブ針が接触されるときの様子を説明するための概略的な断面図である。 同実施例にボンディングワイヤーが接続された状態を示す概略的な断面図である。 図１に示した実施例の製造工程例の一部を説明するための概略的な断面図である。 従来の半導体装置のパッド周辺を示す概略的な断面図である。

図１は、実施例のパッド周辺を概略的に示す断面図である。
パッド形成位置の半導体基板１の表面に凹部が形成されて基板凹部１ａが形成されている。
基板凹部１ａ表面を含め、半導体基板１表面に基板表面絶縁膜２が形成されている。基板表面絶縁膜２は、例えばＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）法によって形成されたフィールド酸化膜である。基板表面絶縁膜２には基板凹部１ａに起因して基板表面絶縁膜凹部２ａが形成されている。

半導体基板１上及び基板表面絶縁膜２上にポリ−メタル間層間絶縁膜３が形成されている。間層間絶縁膜３には基板凹部１ａ及び基板表面絶縁膜凹部２ａに起因して層間絶縁膜凹部３ａが形成されている。

パッド形成位置のポリ−メタル間層間絶縁膜３上に第１層目の金属配線パターン材料からなる第１層目パッド５が形成されている。第１層目パッド５には基板凹部１ａ及び基板表面絶縁膜凹部２ａに起因して第１層目パッド凹部５ａが形成されている。
基板表面絶縁膜２上及び第１層目パッド５上に第１層目層間絶縁膜７が形成されている。基板凹部１ａ上に位置する第１層目層間絶縁膜７は除去されている。

パッド形成位置の第１層目パッド５上及び第１層目層間絶縁膜７上に第２層目の金属配線パターン材料からなる第２層目パッド９が形成されている。第２層目パッド９には基板凹部１ａ、基板表面絶縁膜凹部２ａ及び第１層目パッド凹部５ａに起因して第２層目パッド凹部９ａが形成されている。
第１層目層間絶縁膜７上及び第２層目パッド９上に第２層目層間絶縁膜１１が形成されている。基板凹部１ａ上に位置する第２層目層間絶縁膜１１は除去されている。

パッド形成位置のび第２層目パッド９上及び第２層目層間絶縁膜１１上に第３層目の金属配線パターン材料からなる第３層目パッド１３が形成されている。第３層目パッド１３には基板凹部１ａ、基板表面絶縁膜凹部２ａ、第１層目パッド凹部５ａ及び第２層目パッド凹部９ａに起因して第３層目パッド凹部１３ａが形成されている。
第２層目層間絶縁膜１１上及び第３層目パッド１３上に最終保護膜１５が形成されている。基板凹部１ａ上に位置する最終保護膜１５は除去されてパッド開口部１５ａが形成されている。

この実施例において、本発明の半導体装置におけるパッドは第１層目パッド５、第２層目パッド９及び第３層目パッド１３によって形成され、パッド凹部は第３層目パッド凹部１３ａによって形成されている。
第３層目パッド凹部１３ａの上面は半導体基板１の表面よりも下方に配置されている。

図２は、この実施例のパッドにプローブ針が接触されるときの様子を説明するための概略的な断面図である。
プローブ針１７の先端は、第３層目パッド１３の第３層目パッド凹部１３ａの中央に接触する（二点鎖線参照）。図中の黒塗り矢印で示すように、プローブ針１７の先端は、第３層目パッド１３の表面を削りつつ、第３層目パッド凹部１３ａの中央から横滑りして、第３層目パッド凹部１３ａの側面に接触して停止する（実線参照）。このとき、プローブ針１７の先端が第３層目パッド凹部１３ａの側面に接触することにより、図中の白抜き矢印で示すように、第３層目パッド凹部１３ａの側面から横方向の応力が生じる。

この実施例では、第３層目パッド凹部１３ａの上面が半導体基板１の表面よりも下方に配置されているので、その横方向の応力は、第３層目パッド１３から第２層目パッド９及び第１層目パッド５には伝達するが、パッド５，９，１３がひずむこと又は破壊されることにより、その応力は吸収され、半導体基板１の表面よりも上層側に配置された層間絶縁膜７，１１及び最終保護膜１５には伝達しない。これにより、プローブ針１７の先端の横滑りに起因する横方向の応力による層間絶縁膜７，１１や最終絶縁膜１５の損傷を防止できる。

図３は、この実施例にボンディングワイヤーが接続された状態を示す概略的な断面図である。
ボンディングワイヤーは、ワイヤー１９ａと、ワイヤー１９ａの先端に接続されたボール１９ｂを備えている。半導体装置の上面に露出した第３層目パッド凹部１３ａの表面に、ワイヤー１９ａが接続されたボール１９ｂが接続されている。この実施例では、第３層目パッド凹部１３ａは、ボール１９ｂの側面が第３層目パッド凹部１３ａの側面に接触する寸法で形成されている。これにより、ボール１９ｂの底面のみが第３層目パッド１３に接触することによって第３層目パッド１３とボール１９ｂが接続されている場合に比べて、第３層目パッド１３とボール１９ｂの接触面積を増加させることができ、第３層目パッド１３からのボール１９ｂの脱落を低減できる。
さらに、ボール１９ｂのはみ出しによるパッドエッジ部分の最終保護膜１５の損傷防止の効果も得られる。

ただし、本発明の半導体装置において、第３層目パッド凹部１３ａは、ボール端子１９ｂが第３層目パッド１３に接続されたときに、ボール１９ｂが第３層目パッド凹部１３ａの側面とは間隔をもつ寸法で形成されていてもよい。
また、ボンディングワイヤーに替えて、第３層目パッド凹部１３ａに金属材料を埋め込んだボール端子を用いてもよい。

図４は、図１に示した実施例の製造工程例の一部を概略的に示す断面図である。図４中のかっこ数字は以下に説明する各工程に対応している。

（１）半導体基板１上にシリコン酸化膜を形成する。写真製版技術及びエッチング技術により、そのシリコン酸化膜をパターニングして、基板凹部１ａの形成位置を画定するためのシリコン酸化膜パターン２１を形成する。

（２）エッチング技術により、シリコン酸化膜パターン２１をマスクにして半導体基板１をエッチングして、基板凹部１ａを形成する。

（３）シリコン酸化膜パターン２１を除去する。酸素雰囲気下で熱処理を施して、基板凹部１ａ表面を含む半導体基板１表面にバッファ酸化膜２３を形成する。バッファ酸化膜２３上にシリコン窒化膜を形成する。写真製版技術及びエッチング技術により、そのシリコン窒化膜をパターニングして、基板凹部１ａが形成されている位置を含むＬＯＣＯＳ酸化膜の形成位置に開口をもつシリコン窒化膜パターン２５を形成する。

（４）酸素雰囲気下で熱処理を施して、基板凹部１ａ表面を含む半導体基板１表面にＬＯＣＯＳ酸化膜からなる基板表面絶縁膜２を形成する。基板表面絶縁膜２には基板凹部１ａに起因して基板表面絶縁膜凹部２ａが形成される。シリコン窒化膜パターン２５とバッファ酸化膜２３を除去する。

（５）図示しない位置の半導体基板１表面にトランジスタ等の半導体素子を形成する。半導体基板１上全面に例えばＢＰＳＧ（Boro-Phospho Silicate Glass）膜からなるポリ−メタル間層間絶縁膜３を形成する。層間絶縁膜３には基板凹部１ａ及び基板表面絶縁膜凹部２ａに起因して層間絶縁膜凹部３ａが形成される。その後、通常のメタル配線形成工程を経て、図１に示した構造を得る。

以上、本発明の実施例を説明したが、数値、材料、配置等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、図１に示した実施例では、基板表面絶縁膜２としてＬＯＣＯＳ酸化膜を用いているが、本発明の半導体装置において基板表面絶縁膜はＬＯＣＯＳ酸化膜に形成されない。基板表面絶縁膜は、ＬＯＣＯＳ法以外の方法で半導体基板表面に形成された熱酸化膜、例えばゲート酸化膜などであってもよいし、熱酸化処理以外の方法で形成された絶縁膜、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によって形成された酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、ＨＴＯ（high temperature oxide）膜などであってもよい。

また、図１に示した実施例では、金属材料からなるパッドは、第１層目パッド５と第２層目パッド９と第３層目パッド１３の積層構造によって形成されているが、パッドは単層の金属材料膜によって形成されていてもよいし、２層又は４層以上の金属材料膜の積層膜によって形成されていてもよい。

本発明は、半導体基板上に形成された層間絶縁膜及び最終保護膜と、金属材料からなるパッドと、パッド上の最終保護膜が除去されて形成されたパッド開口部を備えた半導体装置に適用できる。

１ 半導体基板
１ａ 基板凹部
２ 基板表面絶縁膜
３ ポリ−メタル間層間絶縁膜
３ａ 間層間絶縁膜凹部
５ 第１層目パッド
５ａ 第１層目パッド凹部
７ 第１層目層間絶縁膜
９ 第２層目パッド
９ａ 第２層目パッド凹部
１１ 第２層目層間絶縁膜
１３ 第３層目パッド
１３ａ 第３層目パッド凹部
１５ 最終保護膜
１５ａ パッド開口部

特願平５−２４３３１９号公報

Claims (2)

1. 半導体基板上に形成された層間絶縁膜及び最終保護膜と、金属材料からなるパッドと、パッド上の最終保護膜が除去されて形成されたパッド開口部を備えた半導体装置において、
   前記半導体基板の表面に形成された基板凹部を備え、
   前記パッドは、前記基板凹部内に形成された金属材料からなり、前記基板凹部に起因してパッド凹部を備え、
   前記パッド凹部の上面は前記半導体基板表面よりも下方に配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記パッドと前記半導体基板の間に基板表面絶縁膜が形成されている請求項１に記載の半導体装置。

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