JP3961125B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の構造に係り、特にボンディングパット下の素子構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路においてボンディングパッド下に入力や出力となる素子を形成することは、半導体装置の面積縮小および製造コスト削減を行う上で優れている。しかしながら、そのボンディングパッド下に素子を形成する上で、問題となるのは、ボンディング工程への影響、外部パッケージからの応力とともに、ボンディング工程でのストレスなどである。
【0003】
半導体集積回路が形成された半導体基板のパッケージングでは、半導体集積回路と外部電極との接続に相応のボンディング強度を必要とするため、加圧や超音波等のストレスをボンディングパッドに対して与えている。それらのストレスはボンディングパッド下でのクラック等を発生させるためにボンディングパッド下の素子形成の実現に対し、大きな課題となっている。
【0004】
パッケージング形態の一つに、ボンディングパッド上に突起状のバンプ電極を形成し、半導体集積回路が形成された半導体基板と相対する基板・フィルムキャリア・リードフレーム等を接続する技術がある。
図5はかかる従来のバンプ電極によるボンディング工程の説明図である。
半導体基板500に形成されるボンディングパッド505上のバンプ電極501の製造方法には、電気メッキ方式やボールボンド方式等がある。特に電気メッキ方式は、バンプ電極のファインピッチ形成や大量生産性に優れ、現在、金バンプ電極に代表されるバンプ形成技術の主流となっている。
【0005】
半導体集積回路に形成したバンプ電極501とフィルムキャリア502とは、フィルムキャリア502に接続されたリード503とバンプ電極501を圧着させることにより接続される。リード503とバンプ電極501を圧着させる工程では数百度程度の温度のボンディングツール504で、リード503とバンプ電極501の接合面に対し10数kg/cm2 程度の加圧力で圧着を行う。
【0006】
リード503が接合しているフィルムキャリア502は、バンプ電極501上面より上方の位置にあるため、リードを屈曲させバンプ電極501上面へ密着させる圧力が必要となり、また、リード503は通常錫等で被膜されており、バンプ電極501と錫等で被膜されたリード503との接合強度を得るために200℃〜400℃程度の加熱が必要となる。ここで示したこのパッケージング形態でのボンディングパッド505下の素子形成は、バンプ電極501を介しているため半導体基板500側へのストレスが小さく、現在主流になりつつある。
【0007】
図6は従来の半導体装置の断面図(MOS構造については省略)である。
この図を用いてボンディングパッド下の構造について説明する。
半導体基板600上にMOS構造を形成するために、不純物を拡散した拡散層、ゲート酸化膜、およびMOS構造のゲートとなる多結晶シリコン膜等からなる導電膜で形成された、MOS構造による素子領域601と、フィールド酸化膜602を形成する。
【0008】
そして、半導体基板600上に形成されたMOS構造による素子領域601上に第1の層間絶縁膜603、第1の配線層となる第1メタル604、第2の層間絶縁膜605および第2の配線層となる第2メタル606の順で形成する。第2メタル606が最上層の配線層となる場合は、この第2メタル606によりボンディングパッドが形成される。
【0009】
さらに、第2メタル606形成後の半導体基板600上は、半導体回路の保護のためボンディングパッド部のみが開口された窒化膜等の表面保護膜607が形成される。ボンディングパッド下の素子領域601の出力あるいは入力端子は第1の層間絶縁膜603の開口部609を介し第1メタル604へと接続され、次に、第2の層間絶縁膜605の開口部608を介し、ボンディングパッドである第2メタル606へと接続される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の半導体装置の構造によると、リードをバンプ電極に圧着させる時の加圧により、半導体基板のバンプ電極下の第2の層間絶縁膜の開口部である第2メタルと第1メタルとの接合部に、応力が集中する傾向がある。前記第2メタルと第1メタルの接合部に集中した応力は、その接合部と接合部直下の第1の層間絶縁膜で緩和しきれずに、金属配線とシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜の弾性限界の違いから、第1の層間絶縁膜の塑性変形となるクラック等の不良を引き起こす。この不良は、第2金属配線層と素子または基板とを十分に電気的に分離する機能を不可能にして、短絡等の素子の動作に致命的な不良を引き起こす。
【0011】
本発明は、上記問題点を除去し、リードをバンプ電極に圧着させる時の加圧によるクラックの発生について、クラックの発生領域の下方向への拡散を導電体膜で防止するとともに、近傍の素子領域との短絡等による不良を確実に抑えることができる半導体装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕半導体装置において、半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、このフィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、この第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、この導電体膜と前記第1の金属配線とが接続される第1の層間絶縁膜の長方形の形状をなす所望の寸法の接続口を、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方の第1の層間絶縁膜の領域から近傍の素子領域方向に位置し、しかもこの素子領域方向に長手方向に直交させて配置するようにしたものである。
【0013】
〔2〕半導体装置において、半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、このフィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、この第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、前記第1の金属配線と前記導電体膜とを接続する複数の接続口を、前記第2の層間絶縁膜の接続口の下方に位置する前記第1の層間絶縁膜には配置せず、前記第2の層間絶縁膜の接続口の周辺領域の下方に位置する前記第1の層間絶縁膜に配置するようにしたものである。
【0014】
〔3〕半導体装置において、半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、このフィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、この第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方の領域周辺を第2の層間絶縁膜の接続口下方に形成された導電体膜と第1の金属配線に達する第1の層間絶縁膜の接続口で四角に囲む形状にするようにしたものである。
【0015】
〔4〕半導体装置において、半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、このフィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、この第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、この第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられるとともに、複数の凹部あるいは孔を微小間隔で形成した導電体膜を具備するようにしたものである。
【0016】
〔5〕上記〔1〕、〔2〕、〔3〕又は〔4〕記載の半導体装置において、前記導電体膜は、多結晶シリコン膜、高融点金属シリサイド膜、高融点金属ポリサイド膜または金属膜からなるようにしたものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は本発明の第1実施例を示す半導体装置の構成図であり、図1(a)はその半導体装置の平面図、図1(b)はその半導体装置の断面図である。
これらの図に示すように、半導体基板109上のボンディングパッド部において、ボンディングパッドとなる第2の金属配線101と、第1の金属配線102が第2の層間絶縁膜103の接続口(開口部)104を介し接続される。
【0018】
半導体基板109上のフィールド酸化膜110上には、素子と接続されていない多結晶シリコン膜105を第2の層間絶縁膜103の開口部104下方に設置し、第1の層間絶縁膜106の開口部107を介し、第1の金属配線102と多結晶シリコン膜105とを接続させる。開口部107は開口部104から近傍の素子領域108の方向に長辺方向を直交させ、開口部104と近傍の素子領域108間に設置する。開口部107の長辺方向の寸法は、第1の層間絶縁膜106にクラックが発生した場合の拡散する可能性に相応した寸法を必要とする。
【0019】
以下、この半導体装置の動作について説明する。
上記したようにボンディングにより発生する、第2の層間絶縁膜103の開口部104下方の第1の層間絶縁膜106のクラックは下方への拡散が多結晶シリコン膜105で抑制される。また、基板表面と水平方向の特に短絡の可能性がある素子等が存在する方向へのクラックの拡散についても、第1の金属配線102と多結晶シリコン膜105との接続部となる第1の層間絶縁膜106の開口部107で確実に抑制することが可能となる。
【0020】
このように、第1実施例によれば、第1の層間絶縁膜106のクラックの発生について、クラックの発生領域の下方向への拡散を多結晶シリコン膜105で防止し、半導体基板109表面と水平方向の拡散は、短絡の可能性のある近傍の素子領域108方向の、素子とクラック発生領域の間に第1の金属配線102と多結晶シリコン膜105との接続部となる第1の層間絶縁膜106の開口部107を連続的に設置することで、防止することができる。
【0021】
そのため近傍の素子領域との短絡等による不良を確実に抑えることができる。
次に、本発明の第2実施例について説明する。
図2は本発明の第2実施例を示す半導体装置の構成図であり、図2(a)はその半導体装置の平面図、図2(b)はその半導体装置の断面図である。
ボンディングパッドとなる第2の金属配線201と第1の金属配線202の接続部である第2の層間絶縁膜203の開口部204下方に多結晶シリコン膜205を設置した構造において、第1の金属配線202と多結晶シリコン膜205とを接続させる第1の層間絶縁膜206の開口部207を開口部204下方への設置を避けて、開口部204の周辺部に可能な限り多く配置する。なお、208はフィールド酸化膜、209は半導体基板である。
【0022】
以下、この半導体装置の動作について説明する。
上記したようにボンディングにより発生する、第2の層間絶縁膜203の開口部204下方の第1の層間絶縁膜206のクラックは、下方への拡散が多結晶シリコン膜205で抑制され、また半導体基板209表面と水平方向への拡散も、第1の金属配線202と多結晶シリコン膜205との接続部となる第1の層間絶縁膜206の開口部207で抑制される。
【0023】
第1の層間絶縁膜206のクラックが大面積に及んだ場合、クラック発生領域を起点として、密着強度が低下する可能性があり、ボンディングパッド部でのそのような密着強度の低下は、リード接続後のリードの引っ張り強度への影響等信頼性上問題となるが、第2実施例では第1実施例の効果である、多結晶シリコン膜205より下方向への該不良の拡散や基板表面に対し水平方向への該不良の拡散を抑制するという効果に加えて、多結晶シリコン膜205と第1の金属配線202の接続部となる第1の層間絶縁膜206の開口部207を、クラック発生領域に多数配置していることにより、密着強度不足を補うことができる。
【0024】
次に、本発明の第3実施例について説明する。
図3は本発明の第3実施例を示す半導体装置の構成図であり、図3(a)はその半導体装置の平面図、図3(b)はその半導体装置の断面図である。
ボンディングパッドとなる第2の金属配線301と第1の金属配線302の接続部である第2の層間絶縁膜303の開口部304下方に多結晶シリコン膜305を配置した構造において、第1の金属配線302と多結晶シリコン膜305とを接続させる第1の層間絶縁膜306の開口部307を開口部304から最適な距離で配置し、開口部304の周囲を囲むように構成する。なお、308はフィールド酸化膜、309は半導体基板である。
【0025】
以下、この半導体装置の動作について説明する。
上記したようにボンディングにより発生する、第2の層間絶縁膜303の開口部304直下の第1の層間絶縁膜306のクラックは、下方への拡散が多結晶シリコン膜305で抑制される。またクラックが発生する領域を開口部307で完全に囲むことにより半導体基板309表面と水平方向へのクラックの拡散についても、確実に抑制することが可能となる。
【0026】
このように、クラックにより短絡の可能性のある近傍の素子方向については、寸法縮小が見込まれるが、それ以外の方向については面積の縮小はない。第2実施例によれば、第1の層間絶縁膜のクラックの周辺への拡散を防止するためには相応の面積が必要となるが、第3実施例では、クラック発生箇所である開口部304を最適な距離で開口部307により囲むことによって、周辺の素子との短絡等による不良を確実に抑える効果を最小面積で得ることができる。
【0027】
次に、本発明の第4実施例について説明する。
図4は本発明の第4実施例を示す半導体装置の構成図であり、図4(a)はその半導体装置の平面図、図4(b)はその半導体装置の断面図である。
これらの図に示すように、半導体基板408上のボンディングパッド部において、ボンディングパッドとなる第2の金属配線401と、第1の金属配線404が第2の層間絶縁膜403の開口部402を介し接続される。
【0028】
半導体基板408上のフィールド酸化膜407上には他の素子あるいは、他の配線と接続しない多結晶シリコン膜406を微細加工技術により微小な孔409を適当な間隔で多数形成した構成とし、開口部402下方に配置されるよう設置する。ここで、微小な孔409を形成する適当な間隔とは、微細加工技術で得られる最小寸法が望ましい。微細加工技術多結晶シリコン膜406上に第1の層間絶縁膜405が配置され、多結晶シリコン膜406と第1の金属配線404を分離するようにしている。上記微小間隔で配置される微小な孔409に代えて、微小間隔で配置される複数の凹部としてもよい。
【0029】
以下、この半導体装置の動作について説明する。
多結晶シリコン膜406に微小な孔409を多数形成したことにより、多結晶シリコン膜406は微小な孔409の形成を施さない膜に比べ、加えられた応力に対しての弾性限界が低下し、応力を緩和しようとするクラックが発生し易くなる。多結晶シリコン膜406の弾性限界を第1の層間絶縁膜405の弾性限界より低下させることにより、多結晶シリコン膜406でのクラックを促進させ、パッケージング工程でのバンプ電極とリードの圧着時の加圧による第2の層間絶縁膜404の開口部402に集中した応力を緩和させる。多結晶シリコン膜406でクラックを促進させることで、第1の層間絶縁膜405のクラックの発生を防止する。
【0030】
このように、第1の金属配線404あるいは他の素子と絶縁されている多結晶シリコン膜406のクラックによる応力緩和を行い、微小な孔409を形成した多結晶シリコン膜406を緩衝材として使用することで、第1の層間絶縁膜405のクラックの防止が可能となり、第1の金属配線404と半導体基板408との短絡等の不良を防止することができる。
【0031】
さらに、本発明は以下のような利用形態を有する。
上記実施例では半導体基板のパッケージ形態の説明として、バンプ電極、テープキャリアおよびリードフレームを含む技術を用いたが、第2の層間絶縁膜の接続口を有し、第1の金属配線下の第1の層間絶縁膜への影響の可能性がある他のパッケージ形態でも適用可能である。
【0032】
第1実施例から第3実施例ではフィールド酸化膜上の多結晶シリコン膜を用いてクラックの下方向への拡散防止を説明したが、半導体基板上に形成可能な、層間絶縁膜より弾性限界の大きい材質であれば、多結晶シリコン膜の代替として他の材質を用いることも可能である。
第4実施例ではフィールド酸化膜上の多結晶シリコン膜を応力の緩衝材として説明したが、所望の形状を形成可能な材質であれば、多結晶シリコン膜の代替として他の材質を用いることも可能である。例えば、高融点金属シリサイド膜、高融点金属ポリサイド膜または金属膜を用いることができる。
【0033】
上記実施例では2層金属配線を例に説明したが、3層金属配線以上においても同じ効果が得られることは明らかである。
上記実施例ではボンディングパッド下の素子としてMOSを用いて説明したが、バイポーラ等の他の素子を使用しても同じ効果が得られる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0034】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
(A)第1の層間絶縁膜のクラックの発生について、クラックの発生領域の下方向への拡散を導電体膜(多結晶シリコン膜)で防止し、基板表面と水平方向の拡散は、短絡の可能性のある近傍の素子領域方向の、素子領域とクラック発生領域の間に第1の金属配線と導電体膜との接続部となる第1の層間絶縁膜の開口部を連続的に配置することで、防止することができる。したがって、近傍の素子領域との短絡等による不良を確実に抑えることができる。
【0035】
(B)上記(A)に加えて、導電体膜(多結晶シリコン膜)と第1の金属配線の接続部となる第1の層間絶縁膜の開口部をクラック発生領域に多数配置するようにしたので、密着強度不足を補うことができる。
(C)クラック発生箇所である開口部を最適な距離で開口部により囲むことにより、周辺の素子領域との短絡等による不良を確実に抑えることができる。しかも、その面積を最小面積で得ることができる。
【0036】
(D)導電体膜に複数の凹部あるいは孔を微小間隔で形成することにより、クラックによる応力緩和を行い、導電体膜(多結晶シリコン膜)を緩衝材として使用することにより、第1の層間絶縁膜のクラックの防止が可能となり、第1の金属配線と基板との短絡等の不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す半導体装置の構成図である。
【図2】本発明の第2実施例を示す半導体装置の構成図である。
【図3】本発明の第3実施例を示す半導体装置の構成図である。
【図4】本発明の第4実施例を示す半導体装置の構成図である。
【図5】従来のバンプ電極によるボンディング工程の説明図である。
【図6】従来の半導体装置の断面図(MOS構造については省略)である。
【符号の説明】
101,201,301,401 第2の金属配線
102,202,302,404 第1の金属配線
103,203,303,403 第2の層間絶縁膜
104,107,204,207,304,307,402 開口部
105,205,305,406 多結晶シリコン膜(導電体膜)
106,206,306,405 第1の層間絶縁膜
108 近傍の素子領域
109,209,309,408 半導体基板
110,208,308,407 フィールド酸化膜
409 微小な孔
Claims (5)
- (a)半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、
(b)該フィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、
(c)該第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、
(d)該第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、
(e)前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、
(f)該導電体膜と前記第1の金属配線とが接続される第1の層間絶縁膜の長方形の形状をなす所望の寸法の接続口を、前記第2の層間絶縁膜の接続口下方の第1の層間絶縁膜の領域から近傍の素子領域方向に位置し、しかも該素子領域方向に長手方向を直交させて配置することを特徴とする半導体装置。 - (a)半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、
(b)該フィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、
(c)該第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、
(d)該第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、
(e)前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、
(f)前記第1の金属配線と前記導電体膜とを接続する複数の接続口を、前記第2の層間絶縁膜の接続口の下方に位置する前記第1の層間絶縁膜には配置せず、前記第2の層間絶縁膜の接続口の周辺領域の下方に位置する前記第1の層間絶縁膜に配置することを特徴とする半導体装置。 - (a)半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、
(b)該フィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、
(c)該第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、
(d)該第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、
(e)前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられる導電体膜を有し、
(f)前記第2の層間絶縁膜の接続口下方の領域周辺を第2の層間絶縁膜の接続口下方に形成された導電体膜と第1の金属配線に達する第1の層間絶縁膜の接続口で四角に囲む形状にすることを特徴とする半導体装置。 - (a)半導体基板表面に形成されるフィールド酸化膜と、
(b)該フィールド酸化膜上に形成される第1の層間絶縁膜と、
(c)該第1の層間絶縁膜上に形成される第1の金属配線と、
(d)該第1の金属配線上に形成される第2の層間絶縁膜の接続口で接続されるボンディングパッドとなる第2の金属配線とを少なくとも含んでなるパッド部と、
(e)前記第2の層間絶縁膜の接続口下方のフィールド酸化膜上に半導体基板上に形成される素子領域と隔離して設けられるとともに、複数の凹部あるいは孔を微小間隔で形成した導電体膜を具備することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1、2、3又は4記載の半導体装置において、前記導電体膜は、多結晶シリコン膜、高融点金属シリサイド膜、高融点金属ポリサイド膜または金属膜からなることを特徴とする半導体装置。
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