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Description
本発明は、半導体装置に関する。特に、素子形成領域上に入出力パッドを備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a semiconductor device provided with an input / output pad on an element formation region.
図4(a)は従来の半導体装置の上面を模式的に示している。図4(b)はその要部AAの断面を示している。
半導体装置100は、半導体チップ110の中央部分に形成された内部回路112と、半導体チップ110の外周部分に形成された入出力回路114とを備えている。入出力回路114は、複数の入出力セル120から構成されており、入出力セル120は、半導体チップ110の外周部分に一列に配列されている。
FIG. 4A schematically shows the upper surface of a conventional semiconductor device. FIG. 4B shows a cross section of the main part AA.
The
入出力セル120は、シリコン基板上に形成された最下層配線144と、最下層配線144の上層に形成された電源配線142と、各層の配線を電気的に絶縁する絶縁膜140と、絶縁膜140の最上層の上面に形成された電極パッド122とを有している。電極パッド122には、電極パッド引き出し部146が電気的に接続されており、絶縁膜140の上面には、電極パッド122を露出するように保護膜124が形成されている。なお、絶縁膜140の中に位置する電源配線142は、半導体チップ110の外周部分を取り囲むようにリング状に形成されている。
The input /
この電極パッド122は、例えばワイヤーボンディングによってリードフレームと接続され、内部回路112と外部回路とを電気的に接続する役割を有している。電極パッド122がリードフレームと接続された後は、半導体チップ110の全体が封止されてQFP(Quard Flat Package)やSOP(Small Outline Package)などのパッケージにされることになる。また、CSP(Chip Size Package)やTCP(Tape Carrier Package)などのパッケージにする場合、電極パッド122には、スタッドバンプ(金バンプ)や電解めっき法・蒸着法などで形成したバンプBが設けられることになる。
The
電極パッド122は、半導体チップ110の外周部の最も外周側(半導体チップ外周方向50の最も外周側)に設けられている。ワイヤーボンディングやバンプ形成を行う際には、電極パッド122を通じて電極パッド122の下方に衝撃が伝わることになる。この衝撃が半導体装置の特性に影響を及ぼさないようにするために、電極パッド122の下方に位置する部位のシリコン基板には拡散形成を行っておらず、電極パッド122の下方に位置する絶縁膜140中には配線などの素子を設けていない。すなわち、電極パッド122は、素子形成領域(トランジスタなどの素子が形成される領域)でない部分のシリコン基板(Si基板)の上方に配置されている。
The
図5はスタッドバンプの一般的な形成工程を示している。
先ず、図5(a)に示すように、筒状のキャピラリツール2より金属細線3を引き出し、キャピラリツール2の上部に取り付けられたクランパ機構4によって金属細線3の上部を保持した状態で、放電トーチ手段を用いて例えば放電Aによる通電によって金属細線3の先端を加熱し、これによって図5(b)に示すように金属ボール31を形成する。次に、図5(c)に示すようにキャピラリツール2により金属ボール31を半導体チップ110の端子面13に押し付け、超音波振動を与えることによって、金属ボール31を変形させながら端子面13と結合させる。次に、図5(d)に示すように金属細線3を保持しながらキャピラリツール2を引き上げることによって金属細線3を引き千切り、端子面13にバンプBを形成する方法が用いられている。11は基材となるシリコン層,12は配線層である。金属ボール31をキャピラリツール2によって半導体チップ110の端子面13に押し付ける図5(c)の工程において、その押し付け荷重が半導体チップ110の内部の配線層12に影響し、絶縁膜の亀裂や界面剥離などのダメージNGを引き起こす可能性がある。ワイヤーボンディングの場合にも同様にダメージNGを引き起こす可能性がある。
FIG. 5 shows a general process for forming stud bumps.
First, as shown in FIG. 5 (a), the metal thin wire 3 is pulled out from the cylindrical
(特許文献1)には、図6に示すように、チップサイズを小さくした半導体装置にすることを目的として、電極パッド122を入出力セル120の素子形成領域上に配置したパッド構造が提案されている。この公報によると、例えば、ロジック回路やドライバ回路が形成された素子形成領域上に絶縁膜が設けられ、その上に入力パッドまたは出力パッドが形成されている。
(Patent Document 1) proposes a pad structure in which an
(特許文献2)には、図7(a)に示すように、外部接続用電極が端子面に形成される電極パッド121と、電極パッド121の下層に位置する配線層123と、電極パッド121と電極パッド116とを接続する複数のビア119を設けた半導体装置が記載されている。ビア119の配置は、図7(b)に示すようにハニカム状の絶縁膜117の中に導電材料を充填して構成されている。
(特許文献2)に示すように、電極パッド121と電極パッド116の間に図7(b)に示すように多数のビア119を設けることによって、電極パッド121に対してバンプ形成時やワイヤーボンディングする際の衝撃荷重や金属細線の引き千切り時の引張り力の影響によって、配線や絶縁膜に与えるダメージを低減できる。
As shown in (Patent Document 2), a large number of
しかしながら、入出力セルごとに多数のビア119を形成することは、作業性ならびにコストの点で問題があり、改善が要望されているのが現状である。
本発明は、入出力セルごとに従来よりも数少ないビアを設けるだけで、バンプ形成時やワイヤーボンディングする際の衝撃荷重や金属細線の引き千切り時の引張り力から、配線や絶縁膜を保護できる半導体装置を提供することを目的とする。
However, the formation of a large number of
The present invention provides a semiconductor that can protect a wiring and an insulating film from an impact load at the time of bump formation or wire bonding and a pulling force at the time of cutting a thin metal wire by providing fewer vias for each input / output cell. An object is to provide an apparatus.
本発明の請求項1記載の半導体装置は、内部回路と外部回路との電気接続用の入出力パッドを、端子面またはその上層にスタッドバンプが形成される第1電極パッドと、前記第1電極パッドの下層に位置する配線層から形成される第2電極パッドと、前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとの間に位置する絶縁膜中に形成され前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとを接続する複数のビアとを設けた半導体装置であって、第1電極パッドの端子面またはその上層に形成されたスタッドバンプを有し、複数の前記ビアを、前記スタッドバンプの前記第1電極パッドと接合される台座部分とその上部の部分との境界の外周の直下のみに、1〜2μmの間隔で、環状に配列したことを特徴とする。
The semiconductor device according to
本発明の請求項2記載の半導体装置は、請求項1において、前記ビア径が、デザインルールの最小寸法であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, the via diameter is a minimum dimension of a design rule .
本発明の請求項3記載の半導体装置は、請求項1または請求項2において、環状に配列した前記ビアの内側に、前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとを接続するビアを環状に配設し、かつ、環状に配列した前記ビアの外側の面積が広い領域にも前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとを接続するビアを配設したことを特徴とする。
本発明の請求項4記載の半導体装置は、内部回路と外部回路との電気接続用の入出力パッドを、端子面またはその上層にスタッドバンプが形成される第1電極パッドと、前記第1電極パッドの下層に位置する配線層から形成される第2電極パッドと、前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとの間に位置する絶縁膜中に形成され前記第1電極パッドと前記第2電極パッドとを接続する複数のビアとを設けた半導体装置であって、複数の前記ビアを、前記スタッドバンプの前記第1電極パッドと接合される台座部分とその上部の部分との境界の外周の直下の円の外周側と内周側にのみ交互に配設したことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first or second aspect, wherein the via connecting the first electrode pad and the second electrode pad is annularly formed inside the via arranged in an annular shape. A via that connects the first electrode pad and the second electrode pad is also provided in a region having a large area outside the via arranged in a ring shape .
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: an input / output pad for electrical connection between an internal circuit and an external circuit; a first electrode pad having a stud bump formed on a terminal surface or an upper layer thereof; and the first electrode A second electrode pad formed from a wiring layer located in a lower layer of the pad; and the first electrode pad and the second electrode formed in an insulating film positioned between the first electrode pad and the second electrode pad. A semiconductor device provided with a plurality of vias for connecting to electrode pads, wherein the plurality of vias are arranged at the outer periphery of a boundary between a pedestal portion bonded to the first electrode pad of the stud bump and an upper portion thereof It is characterized by being alternately arranged only on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the circle immediately below.
本発明によれば、複数のビアを外部接続用電極の径に応じた環状に配列したため、一つのビアの大きさを同じとした場合に、従来よりも数少ないビアを設けるだけで、バンプ形成時やワイヤーボンディングする際の衝撃荷重や金属細線の引き千切り時の引張り力から、配線や絶縁膜を保護でき、信頼性の向上を期待できる。 According to the present invention, since a plurality of vias are arranged in an annular shape corresponding to the diameter of the external connection electrode, when the size of one via is the same, only a few vias are provided as compared with the prior art. Wiring and insulating films can be protected from the impact load during wire bonding and the pulling force when thin metal wires are cut, and improved reliability can be expected.
以下、本発明の半導体装置を図1〜図3に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1と図2は本発明の(実施の形態1)を示す。
The semiconductor device of the present invention will be described below with reference to FIGS.
(Embodiment 1)
1 and 2 show (Embodiment 1) of the present invention.
図1(b)は、半導体装置100の入出力回路114の前記要部AAの断面を模式的に示している。半導体装置100の上面図は図3(a)と同じであり、半導体装置100は、半導体チップの中央部分に形成された内部回路112と、半導体チップの外周部分に形成された入出力回路114とを備えている。入出力回路114は、複数の入出力セル120から構成されており、入出力セル120は、例えば、半導体チップの外周部分に一列に配列されている。
FIG. 1B schematically shows a cross section of the main part AA of the input /
入出力セル120は、半導体基板(シリコン基板)の素子形成領域上に位置する絶縁膜140の上に形成されており、積層ビア構造30を有している。積層ビア構造30は、最上層の第1配線層から構成された第1電極パッド32と、第1配線層の下層に位置する第2配線層から構成された第2電極パッド34と、第1電極パッド32と第2電極パッド34との間の絶縁膜140中に形成され、第1電極パッド32と第2電極パッド34とを接続するビア36とを有している。
The input /
この実施の形態では、最上層(第4層)に形成した第1電極パッド32と、その1つ下層(第3層)に形成した第2電極パッド34とが、基板法線方向から見て互いに重なるように形成されており、第1電極パッド32と第2電極パッド34の間は複数のビア36によって接続されている。第1電極パッド32および第2電極パッド34は、例えばアルミの単層(厚さ:例えば0.5μm〜1.0μm程度)から構成されており、ビア36は、例えば、タングステンから構成されている。第1電極パッド32と第2電極パッド34の下方には、電源配線42および最下層配線44が形成されており、絶縁膜140の最上層には、第1電極パッド32の一部を露出するようにして保護膜124が形成されている。半導体チップ110の外周部に各入出力セル120を隣接して配置した場合、電源配線(第2層)42は、チップ外周部を取り囲むようにリング状に形成されている。電源配線42の下には、入出力回路内の第1層である最下層配線44が形成されており、最下層配線層44のさらに下面には、トランジスタ等を含む拡散層が形成されている。最下層配線層44は、引き出し配線部46を通じて第2電極パッド34に電気的に接続されている。
In this embodiment, the
ここでビア36の配置は、図1(a)に示すように、第1電極パッド32の端子面に形成されている外部接続用電極としてのバンプBの径に応じた環状に配列されている。図2はバンプBの形成が終わった状態の半導体装置を示している。
Here, the
図1(b)では、半導体基板(例えばSi基板)上に形成された4層構造の配線構造を示し、その配線構造の下の拡散層(素子形成領域)は示していない。なお、図1(b)の構成に限定されず、2層以上の配線構造であれば適用可能であり、勿論、5層以上の配線構造にも好適に適用可能である。 FIG. 1B shows a four-layer wiring structure formed on a semiconductor substrate (for example, a Si substrate), and does not show a diffusion layer (element formation region) under the wiring structure. Note that the present invention is not limited to the configuration shown in FIG. 1B, and can be applied to any wiring structure having two or more layers, and of course, can also be suitably applied to a wiring structure having five or more layers.
さらに詳しく説明する。
図1(b)はキャピラリツール2により金属ボール31を第1電極パッド32の端子面13に押し付け、超音波振動を与えることによって、金属ボール31を変形させながら第1電極パッド32の端子面と結合させる工程を示している。キャピラリツール2の形状と押し付け力とで決まるバンプBの台座部分の内径をD1とした場合、バンプBの台座部分の内径の直下位置に複数のビア36が環状に並ぶように、複数のビア36の配列されている直径D2は、D2=D1に設定されている。ビア36の断面形状はデザインルール上許容される最小の寸法(例えば、0.4μm程度)にされており、各ビア36の間隔は例えば1〜2μm程度である。ビア36の長さ(高さ)は、第1電極パッド32と第2電極パッド34との間に位置する絶縁膜140の厚さと同じであり、例えば1.0μm程度である。
This will be described in more detail.
In FIG. 1B, the
この構成によると、一つのビアの大きさを従来と同じとした場合に、従来よりも数少ないビアを設けるだけで、バンプBの形成時の衝撃荷重や金属細線の引き千切り時の引張り力を適度に分散させることができ、拡散層(素子形成領域)上方に第1電極パッド32と第2電極パッド34が形成されていても、配線部や拡散素子に加わる内部応力を緩和してダメージの発生を抑制することができるので、チップサイズの縮小を図りながら、信頼性を向上させた半導体装置100を実現できる。
According to this configuration, when the size of one via is the same as that of the conventional one, only a few vias are provided, and the impact load at the time of forming the bump B and the tensile force at the time of shredding the fine metal wire are moderate. Even if the
なお、D2=D1の場合を説明したが、バンプBの外周部に沿って環状に複数のビア36を配列し、D2がD1よりも僅かに大きい
D2 > D1
の場合にも同様の効果を期待できる。具体的には、複数のビア36の配列されている直径D2は、少なくともバンプBが電極32と接触する外形部分から、キャピラリツール2の内径に相当する部分までの間に設定されればよい。
Although the case of D2 = D1 has been described, a plurality of
The same effect can be expected in the case of. Specifically, the diameter D <b> 2 in which the plurality of
(実施の形態2)
図3は本発明の(実施の形態2)を示す。
(実施の形態1)の図1(a)では、複数のビア36を直径D2の円周上に配列したが、(実施の形態2)ではこの具体的な配列が異なっている。その他は(実施の形態1)と同じである。
(Embodiment 2)
FIG. 3 shows (Embodiment 2) of the present invention.
In FIG. 1A of (Embodiment 1), the plurality of
図3(a)では、複数のビア36を、バンプBの径に応じた直径D2の円周の外周側と内周側に交互に配設している。
図3(b)では、複数のビア36の一部をバンプBの径に応じた直径D2の第1の環状に配列し、前記第1の環状の内側にビア36の残りを配設している。
In FIG. 3A, a plurality of
In FIG. 3B, a part of the plurality of
図3(c)では、複数のビア36の一部をバンプBの径に応じた直径D2の円周上に環状に配列し、前記第1の環状の外側の面積の比較的広い領域にビア36の残りを配設している。
In FIG. 3C, a part of the plurality of
図3(d)では、複数のビア36の一部をバンプBの径に応じた直径D2の円周上に環状に配列し、前記第1の環状の外側の面積の比較的広い領域と、前記第1の環状の内側にビア36の残りを配設している。
In FIG. 3D, a part of the plurality of
この図3(a)〜図3(d)の何れの場合にも、バンプBの形成時の衝撃荷重や金属細線の引き千切り時の引張り力を適度に分散させることができ、拡散層(素子形成領域)上方に第1電極パッド32と第2電極パッド34が形成されていても、配線部や拡散素子に加わる内部応力を緩和してダメージの発生を抑制することができるので、チップサイズの縮小を図りながら、信頼性を向上させた半導体装置100を実現できる。
In any of the cases shown in FIGS. 3A to 3D, the impact load at the time of forming the bump B and the tensile force at the time of cutting the thin metal wire can be appropriately dispersed. Even if the
上記の各実施の形態では外部接続用電極がスタッドバンプの場合を例に挙げて説明したが、半導体チップの端子面と基板とをワイヤーボンディングする半導体パッケージにおいても本発明は効果的であり、外部接続用電極にはワイヤーボンディング線の一端を半導体チップの端子面に押し付けて形成される接続点も含まれている。 In each of the above embodiments, the case where the external connection electrode is a stud bump has been described as an example. However, the present invention is also effective in a semiconductor package in which the terminal surface of the semiconductor chip and the substrate are wire-bonded. The connection electrode includes a connection point formed by pressing one end of the wire bonding line against the terminal surface of the semiconductor chip.
半導体装置や同様の実装技術で組み立てられている各種センサなどの信頼性の向上に寄与できる。 This contributes to improving the reliability of various sensors assembled with semiconductor devices and similar mounting technologies.
B バンプ(外部接続用電極)
D2 複数のビア36の配列の直径
D1 バンプ台座部分の内径
30 積層ビア構造
31 金属ボール
32 第1電極パッド
34 第2電極パッド
36 ビア
42 電源配線
44 最下層配線
46 引き出し配線部
50 半導体チップ外周方向
100 半導体装置
110 半導体チップ
112 内部回路
114 入出力回路
124 保護膜
140 絶縁膜
B Bump (External connection electrode)
D2 Diameter of arrangement of a plurality of vias
Claims (4)
第1電極パッドの端子面またはその上層に形成されたスタッドバンプを有し、複数の前記ビアを、前記スタッドバンプの前記第1電極パッドと接合される台座部分とその上部の部分との境界の外周の直下のみに、1〜2μmの間隔で、環状に配列した
半導体装置。 An input / output pad for electrical connection between an internal circuit and an external circuit is formed from a first electrode pad on which a stud bump is formed on a terminal surface or an upper layer thereof, and a wiring layer located below the first electrode pad. A second electrode pad and a plurality of vias formed in an insulating film located between the first electrode pad and the second electrode pad are provided to connect the first electrode pad and the second electrode pad. A semiconductor device,
A stud bump formed on the terminal surface of the first electrode pad or on an upper layer thereof, and a plurality of the vias are connected to a boundary between a pedestal portion bonded to the first electrode pad of the stud bump and an upper portion thereof. A semiconductor device arranged in a ring shape at intervals of 1 to 2 μm just below the outer periphery.
請求項1または請求項2に記載の半導体装置。 The vias that connect the first electrode pads and the second electrode pads are annularly arranged inside the annularly arranged vias, and the area outside the vias arranged annularly is also large. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a via for connecting the first electrode pad and the second electrode pad is provided. 4.
複数の前記ビアを、前記スタッドバンプの前記第1電極パッドと接合される台座部分とその上部の部分との境界の外周の直下の円の外周側と内周側にのみ交互に配設した
半導体装置。 An input / output pad for electrical connection between an internal circuit and an external circuit is formed from a first electrode pad on which a stud bump is formed on a terminal surface or an upper layer thereof, and a wiring layer located below the first electrode pad. A second electrode pad and a plurality of vias formed in an insulating film located between the first electrode pad and the second electrode pad are provided to connect the first electrode pad and the second electrode pad. A semiconductor device,
A semiconductor in which a plurality of the vias are alternately arranged only on the outer peripheral side and the inner peripheral side of the circle immediately below the outer periphery of the boundary between the base portion joined to the first electrode pad of the stud bump and the upper portion thereof apparatus.
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