JP3612310B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃｕ多層配線などを有する半導体装置に係わり、特にボンディングするためのパッド電極構造部の改良をはかった半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｃｕ配線を有するＬＳＩのパッド電極には、ＣｕがＡｌに対して酸化やコロージョン耐性が低いという材料特性から、Ｃｕパッドを保護するためのＡｌキャップ層を形成する場合が多い。特に、ワイヤボンディングを用いる製品においては、Ｃｕへのダイレクトボンディングが難しいという理由からも、Ａｌキャップ層を形成している。
【０００３】
ところが、このようなキャップ層を形成しても、プロービングによるＡｌキャップ層の表面荒れや剥れによりワイヤボンディングの歩留まりが劣化したり、Ｃｕパッドが剥き出しとなって配線がコロージョンを起こすという問題がある。また、製品によってはボンディングの前に多数回のプロービングを行う必要があり、このような製品では上記の問題が更に顕著となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、Ｃｕパッド部上にＡｌキャップ層を形成しても、プロービング等の機械的ストレスによってワイヤボンディングの歩留まりが劣化したり、配線がコロージョンを起こすという問題があった。
【０００５】
これらの問題を解決するために、図７に断面図を示すように、プロービングやボンディングの影響のないように、ＣｕパッドとＡｌキャップ層とをダイレクトに積層せず、絶縁膜（層間膜）を介して積層する構造が既に提案されている（特開２００１−１５６０７０号）。
【０００６】
即ち、図７に示すように、Ｃｕ配線４１及びそのパッド部４１ａが形成された基板４０上に層間絶縁膜４２が形成され、この絶縁膜４２上にＡｌキャップ層４４が形成されている。パッド部４１ａ上の層間絶縁膜４２には複数のコンタクトホール４３が設けられ、Ａｌキャップ層４４はこのコンタクトホール４３を介してＣｕパッド部４１ａに接続されている。この構造では、Ａｌキャップ層４４の下に絶縁膜４２が存在するため、プロービングによるＡｌキャップ層４４の表面荒れや剥れに起因するワイヤボンディングの歩留まり低下を抑制でき、更にＣｕパッドが剥き出しとなって配線がコロージョンを起こすのを抑制できる。
【０００７】
しかしながら、本発明者らの更なる検討により、次のような事実が判明した。図７の構造のように、コンタクトホール４３をパッド開口部の下方に配置した場合、キャップ層４４と配線パッド部４１ａとの間に層間絶縁膜４２が孤立して存在する構造となり、プロービング等の機械的ストレスによって絶縁膜４２が破壊するという問題がある。この絶縁膜４２が破壊すると、下地のＣｕ配線４１にもダメージが発生する可能性がある。また、図７の構造では、電流の流れる方向を考慮した場合、最短経路であるコンタクトの内側側壁部分に電流集中が起こり、エレクトロマイグレーションによって配線信頼性が劣化する可能性がある。
【０００８】
図８及び図９は、図７の構造における、電流密度分布を、有限要素法を用いて解析した結果を説明するための図である。図８は、解析に用いたコンタクト部分の配置モデルを示す斜視図である。図９は、１つのコンタクト部分における電流分布を模式的に示す断面図である。図９に示すように、コンタクト部分の一方の側壁部分に電流集中が生じ、最大電流密度は、５．８９１ｍＡ／μｍ２ となっていた。
【０００９】
即ち、図７に示すように、Ｃｕパッド部とＡｌキャップ層との間に絶縁膜を形成しても、プロービング等の機械的ストレスによって絶縁膜が破壊し、Ｃｕ配線にもダメージが発生する可能性がある。さらに、コンタクト部分に電流集中が生じる問題がある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、パッド部とキャップ層との間に絶縁膜を挿入した構造において、プロービング等の機械的ストレスに起因する配線のパッド部分のダメージ発生を抑制することができ、且つコンタクト部分における電流集中を緩和することのできる半導体装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【００１４】
即ち本発明は、基板上に所定パターンに設けられ、隣接する層間が配線用コンタクトホールを介してそれぞれ接続されたｎ層（ｎは２以上の整数）の配線と、最上層（第ｎ層）配線にパッド用コンタクトホールによって接続されたキャップ層とを備えた半導体装置であって、前記パッド用コンタクトホールに対し前記最上層配線とキャップ層とが逆方向に延在して設けられ、且つ前記配線の少なくとも上層側で、前記配線用コンタクトホールに対し第ｉ層（ｉ≦ｎ）と第（ｉ−１）層とが逆方向に延在して設けられていることを特徴とする。
【００１５】
（作用）
本発明によれば、コンタクトホールに対して配線とキャップ層とを異なる方向に延在して設けているので、コンタクト部分でのキャップ層→パッド部→配線への電流経路が分散され、コンタクトホールの側壁部分における電流集中を緩和することができる。また、コンタクトホール近傍を除くキャップ層の下部には配線層が存在しないので、多数回のプロービングやワイヤーボンディング等の機械的破壊プロセスに対し、コンタクト面の耐性を向上させることが可能となり、エレクトロマイグレーション等に対する信頼性も向上させることが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置のパッド電極構造を示す断面図である。
【００１８】
図中の１０は、図示しないＭＯＳトランジスタ等の各種素子や配線構造を形成した半導体基板であり、この基板１０の表面部にＣｕ配線１１が埋め込み形成されている。また、キャップ層とのコンタクト部分には、Ｃｕ配線１１からＣｕパッド部１１ａが引き出されている。なお、Ｃｕ配線１１は、例えば基板表面の絶縁膜に溝を設け、この溝内に必要に応じてバリアメタルを介してＣｕを埋め込み形成し、更に研磨により表面を平坦化する、いわゆるダマシンプロセスにより形成されたものである。
【００１９】
基板１０及び配線１１の上にはＳｉＯ２ 等の層間絶縁膜１２が形成され、この絶縁膜１２の一部にコンタクトホール１３が形成されている。ここで、コンタクトホール１３は、Ｃｕ配線１１のＣｕパッド部１１ａの右側端部付近に相当する位置に設けられている。また、コンタクトホール１３は必ずしも１個に限るものではなく、Ｃｕパッド部１１ａの右側端部に沿って複数個設けてもよい。
【００２０】
コンタクトホール１３内及び絶縁膜１２上には、ＴａＮ／Ｔａのバリアメタル（図示せず）を介して、Ｃｕを僅かに含むＡｌ−Ｃｕ（０．５ａｔ％）を被着したＡｌボンディングパッド（キャップ層）１４が形成されており、このキャップ層１４はコンタクトホール１３を介してＣｕパッド部１１ａと電気的に接続されている。ここで、キャップ層１４はその左側端部付近にコンタクトホール１３が位置するようになっている。つまり、コンタクトホール１３に対して、配線１１とキャップ層１４とが逆方向に延在するように設けられている。
【００２１】
なお、キャップ層１４は、そのパッドパターン部が接続配線により延長され、延長先で配線１１にコンタクトホール１３を通じて接続されるものではなく、キャップ層１４のパッドパターン部そのものが接続配線を介することなくコンタクトホール１３を通じて配線パッド部１１ａに直接接続されている。この理由は、キャップ層１４のパッドパターン部が接続配線により延長された構造であると、キャップ層中の幅狭の接続配線において電流集中が生じてしまうからである。
【００２２】
また、Ａｌキャップ層１４上には、例えばＳｉＮ／ＳｉＯ２ からなるパッシベーション絶縁膜１５が設けられ、この絶縁膜１５にはＡｌキャップ層１４にワイヤボンディングを行うためのパッド開口部１６が形成されている。そして、絶縁膜１５上には、図示しないポリイミド膜が設けられている。
【００２３】
なお、各部の膜厚は適宜変更可能であるが、例えばＣｕ配線１１の厚さは１μｍ、層間絶縁膜１２の厚さは０．５μｍ、Ａｌキャップ層１４の厚さは１μｍに設定されている。また、図１では１つのパッド電極構造について示したが、半導体装置には電源用，グランド用，信号線用等の複数のパッド電極が形成されているのは当然のことである。そして、全てのパッド電極において上記した本実施形態の構成を採用してもよいし、一部の電極、例えば電源やグランド等の大電流が流れるパッド電極のみに本実施形態の構成を採用してもよい。
【００２４】
このような構造であれば、パッド開口部１６においてワイヤボンディングされた電極（Ａｌキャップ層１４）から供給される電流は、図２中の矢印で示すように、キャップ層１４とＣｕパッド部１１ａとのコンタクトを介して、Ｃｕ配線１１へと流れる。つまり、Ａｌキャップ層１４から供給される電流は、コンタクトの上下で逆方向へ流れることはなく、基板１０の主面に対して常に一方向に流れることになる。
【００２５】
本構造を用いて、電流密度分布を有限要素法を用いて解析した結果を図３及び図４に示す。図３は、解析に用いたコンタクト部分の配置モデルを示す斜視図である。Ｃｕパッド部１１ａの端部にＡｌキャップ層１４の端部が重ねられ、パッド部１１ａとキャップ層１４とは複数個のコンタクトホール１３で接続されている。図４は、図３における１つのコンタクト部分に関する電流密度の関係を模式的に示す断面図である。
【００２６】
図４に示すように、前記図９と比較してコンタクトの側壁部分における電流集中が少なくなり、最大電流密度は、３．０３９ｍＡ／μｍ２ となった。即ち、前記図９に示した例に比して、最大電流密度を約４８％軽減することができた。逆に言えば、１パッド当たりに流すことのできる電流密度を４８％上げることができ、よりハイスペックの製品に適応が可能となった。
【００２７】
このように本実施形態によれば、コンタクトホール１３に対してＣｕ配線１１とＡｌキャップ層１４とを逆方向に延在して設けているので、キャップ層１４→パッド部１１ａ→配線１１への電流の向きが基板の主面に対して常に一方向となり、コンタクトホール１３の側壁部分における電流集中を緩和することができる。また、キャップ層１４のボンディング部の下部には配線層１１が存在しないので、仮にボンディングによるダメージが層間絶縁膜１２に発生したとしても、これが配線１１に悪影響を及ぼすことはない。従って、信頼性の向上をはかることができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置のパッド電極構造を示す断面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００２９】
上述した第１の実施形態は、特にエレクトロマイグレーションの生じやすいＡｌキャップ層のコンタクト部分における電流集中を緩和するため、Ａｌキャップ層→Ｃｕ最上層配線への電流が一方向に流れる構造としたものであるが、第２の実施形態は、さらにＡｌキャップ層→Ｃｕ最上層配線→Ｃｕ下層配線へと流れる電流の方向を制御して、Ｃｕ配線層間のコンタクト部分での電流集中をも緩和する。即ち、製品や各パッドによっては、ボンディングワイヤから供給された電流が最上層Ｃｕ配線を介して、実質的に分流されることなく、その下層の配線へ供給される場合がある。その場合にも、電流の流れる向きがコンタクトの上下で逆にならないように、Ｃｕ最上層配線とＣｕ下層配線を形成する。
【００３０】
即ち、図５に示すように、基板１０上にＣｕ配線１１が埋め込み形成され、その上に層間絶縁膜３２及びＣｕ配線３１が非分岐のパターンに設けられている。なお、Ｃｕ配線３１は、例えばＣｕ配線１１と同様のダマシンプロセスにより形成でき、またボンディングワイヤから供給される電流が全てのＣｕ配線１１に供給されるようなパターンであれば、例えば一旦分岐した部分が再度結合されるようなパターンで設けられていてもよい。Ｃｕ配線１１，３１は層間絶縁膜３２に形成したコンタクトホール３３を介して接続されている。層間絶縁膜３２及びＣｕ配線３１上には、第１の実施形態と同様に、ＳｉＯ２ 等の層間絶縁膜１２が形成され、この絶縁膜１２の一部にコンタクトホール１３が形成されている。
【００３１】
絶縁膜１２上には、第１の実施形態と同様に、Ａｌボンディングパッド（キャップ層）１４が形成されており、このキャップ層１４はコンタクトホール１３を介してＣｕ配線３１と電気的に接続されている。そして、Ａｌキャップ層１４上にパッシベーション絶縁膜１５が設けられ、この絶縁膜１５にはＡｌキャップ層１４にワイヤボンディングを行うためのパッド開口部１６が形成されている。
【００３２】
ここで、Ｃｕ配線３１の右側の端部近傍にコンタクトホール１３が形成され、Ａｌキャップ層１４は左側端部がコンタクトホール１３に位置するように設けられている。つまり、コンタクトホール１３に対して、Ａｌキャップ層１４とＣｕ配線３１とは逆方向に延在するように設けられている。また、Ｃｕ配線１１の右側端部にコンタクトホール３３が形成され、Ｃｕ配線３１は左側端部がコンタクトホール３３に位置するように設けられている。つまり、コンタクトホール３３に対して、Ｃｕ配線１１とＣｕ配線３１とは逆方向に延在するように設けられている。
【００３３】
このような構成であれば、キャップ層１４から下層配線１１に流れる電流の向きは、図６に示すように、キャップ層１４→Ｃｕ最上層配線３１の場合で図中の左方向、Ｃｕ最上層配線３１→Ｃｕ下層配線１１の場合も図中の左方向となる。つまり、基板１０の主面方向に対して電流の流れる方向が常に一方向となる。従って、コンタクトホール１３，３３の側壁部への電流集中を緩和することができる。
【００３４】
なお、Ｃｕ最上層配線３１がその上下のコンタクトホール１３，３３間で屈曲するようなパターンを有する場合は、Ｃｕ最上層配線３１→Ｃｕ下層配線１１へと流れる電流の向きがＣｕ最上層配線３１のパターンに応じた方向に設定されることは言うまでもない。
【００３５】
さらに、Ｃｕ配線１１についても、Ｃｕ配線３１と同様に、Ｃｕ配線３１から供給された電流がＣｕ配線１１を介して実質的に分流されることなく、図示しないその下層の配線へそのまま供給される場合、Ｃｕ配線１１からその下層の配線に流れる電流の向きが図の左方向となるように設定すればよい。但し、Ｃｕ配線１１が途中で分岐したパターンに設けられ、Ｃｕ配線３１から供給された電流がＣｕ配線１１内で分流され、その下層の複数の配線に分配される場合には、Ｃｕ配線１１からその下層の複数の配線に流れる電流の向きは特に制限されない。
【００３６】
また、図５に示すように、キャップ層１４の下部には配線層１１，３１が存在しないので、仮にボンディングによるダメージが層間絶縁膜１２に発生したとしても、これが配線１１，３１に悪影響を及ぼすことはない。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、下層側の配線で電流分配されるまで本構造を採用することにより、キャップ層は勿論のこと、多層配線においても電流集中を緩和することができ、多層配線構造のより一層の信頼性向上をはかることができる。
【００３７】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では配線としてＣｕを用いたが、Ｃｕ単体は勿論のこと、Ｃｕを主成分とする材料であればよい。更には、Ｃｕの代わりにＡｇを主成分とする材料を用いることも可能である。また、キャップ層としては、Ａｌ単体は勿論のこと、Ａｌを主成分とする材料であればよい。更には、キャップ層の材料は必ずしもＡｌに限るものではなく、配線材料よりも酸化やコロージョン耐性が高いものであれば用いることが可能である。また、基板に設ける配線は、実施形態ではダマシンプロセスにより絶縁膜内に埋め込まれたものとしたが、通常の配線のように基板の主面上にパターン加工によって形成されたものであってもよい。
【００３８】
また、キャップ層は、図１に示すように、一端部がコンタクトホールに位置し、且つコンタクトホールに対し配線のパターンとは逆方向に延在して形成されているのが最も望ましいものであるが、コンタクトホールに対し配線のパターンとは異なる方向に延在して形成されたものであればよい。例えば、コンタクトホールに対し配線のパターンとは９０度方向に延在して形成されたものであっても、配線に対するボンディングによるダメージを回避でき、且つ従来構造よりも電流集中の緩和が期待される。
【００３９】
また、第２の実施形態においてはキャップ層以外の配線を２層にしたが、３層以上の多層配線構造に適用することもできる。この場合、必ずしも多層配線の全てに関してコンタクトホールに対し上下の配線を逆方向に延在させる必要はなく、少なくとも上層側の配線において、コンタクトホールに対し上下の配線が逆方向に延在していればよい。例えば、３層配線構造において第２層目の配線が分岐している場合、第３層目と第２層目は電流集中の緩和のためにコンタクトホールに対し逆方向に延在して設けられるが、第２層目と第１層目に関しては流す電流が少なくなっていることから、各々の配線のパターンを自由に設計することができる。
【００４０】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、配線パッド部とキャップ層とを接続するためのコンタクトホールに対し、配線とキャップ層とを異なる方向に延在して設けることにより、プロービング等による機械的ストレスによって配線パッド部が劣化することを抑えることができ、しかも配線に流れる電流の集中を抑えることができるので、信頼性が高く高性能な半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体装置のパッド電極構造を示す断面図。
【図２】図１の半導体装置における電流の流れる向きを示す模式図。
【図３】第１の実施形態における半導体装置のコンタクト近傍の構成を示す斜視図。
【図４】第１の実施形態における半導体装置のコンタクト部分に関する電流密度の関係を示す模式図。
【図５】第２の実施形態に係わる半導体装置のパッド電極構造を示す断面図。
【図６】図５の半導体装置における電流の流れる向きを示す模式図。
【図７】Ｃｕパッド部とＡｌキャップ層との間に絶縁膜を挿入した半導体装置のパッド電極構造を示す断面図。
【図８】図７の半導体装置におけるコンタクト近傍の構成を示す斜視図。
【図９】図７の半導体装置のコンタクト部分に関する電流密度の関係を示す模式図。
【符号の説明】
１０…基板
１１，３１…Ｃｕ配線
１１ａ…Ｃｕパッド部
１２，３２…層間絶縁膜
１３…コンタクトホール
１４…Ａｌキャップ層
１５…パッシベーション膜
１６…パッド開口部

Claims (5)

  1. 基板上に所定パターンに設けられ、隣接する層間が配線用コンタクトホールを介してそれぞれ接続されたｎ層（ｎは２以上の整数）の配線と、最上層（第ｎ層）配線にパッド用コンタクトホールによって接続されたキャップ層とを備えた半導体装置であって、
    前記パッド用コンタクトホールに対し前記最上層配線とキャップ層とが逆方向に延在して設けられ、且つ前記配線の少なくとも上層側で、前記配線用コンタクトホールに対し第ｉ層（ｉ≦ｎ）と第（ｉ−１）層とが逆方向に延在して設けられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記キャップ層は、該層のパッド開口部が、接続配線を介することなく前記配線パッド部に直接接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記配線の材料と前記キャップ層の材料は異なることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記配線材料は、Ｃｕ若しくはＡｇ，又はこれらの何れかを主成分とする金属であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記キャップ層の材料は、Ａｌ又はＡｌを主成分とする金属であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
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