JPWO2011021506A1 - ボンディングパッドを有するシリコン構造体 - Google Patents

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Abstract

電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有し、該シリコン基板上の保護膜に、ボンディングパッドを露出させるパッド開口パターンを形成したシリコン構造体において、ボンディングパッドの平面形状を大きくすることなく、プローブ痕とワイヤボンディング位置とを異ならせることが可能なシリコン構造体を得る。保護膜のパッド開口パターン内に位置するボンディングパッドのエッジの外側一部に、該保護膜によって覆われない基板露出部を形成し、かつこの基板露出部は、配線導体を露出させることがない位置に形成したシリコン構造体。

Description

本発明は、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有するシリコン構造体に関する。
このようなシリコン構造体として、半導体圧力センサ（ダイヤフラム型圧力センサ）を例にとると、シリコン基板には、平面矩形のダイヤフラム部分（凹部）が形成され、同シリコン基板上には、ダイヤフラムのエッジ各辺上に位置する複数の感応抵抗素子（電気素子）と、この感応抵抗素子に配線導体を介して接続されたボンディングパッドが形成されている。金属薄膜からなる配線導体とボンディングパッドは、最も一般的にはＡｌ（アルミニウム膜）から構成される。
この半導体圧力センサでは、感応抵抗素子と配線導体を保護膜（パッシベーション膜）によって覆い、ボンディングパッドは、外部回路とワイヤボンディングするために露出させている。つまり、保護膜には、ボンディングパッド部分に対応させて、パッド開口パターンを形成している。
特開平７‐１６２２５９号公報 特開平８‐２９４５１号公報
従来、このパッド開口パターンは、ボンディングパッド外形より若干小さく形成するのが普通であった。ところが、半導体圧力センサの小型化が進むに連れて、次のような問題が指摘されている。
半導体圧力センサは、ウェハ状態での完成時に全数について性能検査が行われる。この検査に際しては、そのボンディングパッドに、検査用プローブが接触し、その痕（プローブ痕）が発生することが避けられない。ウェハ状態での検査が終了すると、ダイヤフラム型センサとして切り出され、そのボンディングパッドと外部回路がＡｕ線（接続ワイヤ）でワイヤボンディングされることとなる。ボンディングパッドが大型（大面積）であれば、プローブ痕とワイヤボンディングワイヤボンディング位置を異ならせることができるが（特許文献１、２）、ボンディングパッドの大きさは、現状で平面１００μｍ角未満であり、プローブ痕とワイヤボンディング位置とが重なってしまう（プローブ痕上にワイヤボンディングしてしまう）。微視的に見ると、プローブ痕は、金属膜が部分的に存在しない状態となっており、プローブ痕上にワイヤボンディングすると、ボンディング不良（接触不良）が発生するおそれがある。Ａｕ線とＡｌ膜のボンディングでは、ＡｕとＡｌを固相拡散させることができなくなり（固相拡散させる面積が小さくなり）、電気的導通を確保することが困難となる。以上の問題点は、半導体圧力センサだけでなく、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有するシリコン構造体一般のもつ問題点である。
本発明は、以上の問題意識に基づき、ボンディングパッドの平面形状を大きくすることなく、プローブ痕とワイヤボンディング位置とを異ならせることが可能なシリコン構造体を得ることを目的とする。
本発明は、ボンディングパッドと、これを露出させる保護膜のパッド開口パターンとの位置関係及び形状を工夫することにより、目的を達したものである。
本発明は、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有し、該シリコン基板上の保護膜に、ボンディングパッドを露出させるパッド開口パターンを形成したシリコン構造体において、平面的に見たとき、保護膜のパッド開口パターン内に位置するボンディングパッドのエッジの外側一部に、該保護膜によって覆われない基板露出部を形成したこと、及び該基板露出部は、配線導体を露出させることがない位置に形成したことを特徴としている。
すなわち、従来、保護膜のパッド開口パターンは、ボンディングパッドの全エッジ部を覆い、ボンディングパッドの中央部を部分的に露出させるというのが技術的に常識であったところ、保護膜のパッド開口パターン内に位置するボンディングパッドのエッジの外側一部に、保護膜によって覆われない基板露出部を形成することで、プローブの接触領域を確保し、一方、パッド開口パターンが配線導体を露出させると、保護膜の目的を達成できないことから、基板露出部が、配線導体を露出させることがないように位置を定めたものである。
基板露出部は、その一態様では、ボンディングパッドのエッジの一部と、保護膜のパッド開口パターンのエッジの一部との間に隙間を生じさせて形成することができる。
上記隙間を形成していたパッド開口パターンのエッジは、ウェハからシリコン構造体を切り出すときに除去してもよい。
ボンディングパッドは、一態様では、平面矩形のシリコン基板の直角コーナ部に位置しており、直角をなす基板エッジと平行な直角エッジを備えている。この態様では、ボンディングパッドの直角エッジの外側に、基板露出部を設ける。配線導体は、基板露出部とは反対の方向に延びるから、露出することがない。
本発明は、シリコン構造体のボンディングパッドを外部回路に接続したシリコン構造体を含む電気デバイスの態様では、ボンディングパッドには、上記基板露出部に接近した位置にプローブ痕が存在し、上記基板露出部から離れた位置にワイヤボンディングされていることが好ましい。つまり、検査用のプローブは、上記基板露出部に接近した位置においてボンディングパッドに接触し、接続ワイヤは、同基板露出部から離れた位置にボンディングすること実際的である。仮に、プローブがボンディングパッドのエッジと上記基板露出部とに跨って接触したとしても、シリコン基板は硬質であるから、プローブ痕発生の問題は生じない。
本発明によれば、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有し、該シリコン基板上の保護膜に、ボンディングパッドを露出させるパッド開口パターンを形成したシリコン構造体において、ボンディングパッドの平面形状を大きくすることなく、検査時に発生するプローブ痕と、製品状態で結合するワイヤボンディング位置とを異ならせることが可能なシリコン構造体を得ることができる。
本発明によるシリコン構造体を半導体圧力センサに適用した実施形態を示す平面図である。 図１のII‐II線に沿う断面図である。 ブリッジ回路の回路構成図である。 本発明によるシリコン構造体の一実施形態を示す、ボンディングパッド部分の拡大平面図である。 図４のV‐V線に沿う断面図である。 本発明によるシリコン構造体の別の実施形態を示す、ボンディングパッド部分の拡大平面図である。 図６のVII‐VII線に沿う断面図である。 従来のシリコン構造体のボンディングパッド部分の拡大平面図である。 図８のIX‐IX線に沿う断面図である。
図は、本発明によるシリコン構造体を半導体圧力センサに適用した実施形態を示しており、図１と図２は、半導体圧力センサＳＰＡ全体の構成を示している。この半導体圧力センサＳＰＡは、表裏面に圧力検出用のダイヤフラム２１とキャビティ２０を有する半導体基板１０と、この半導体基板１０のキャビティ２０側の面に、該キャビティ２０内を真空状態で密閉するようにして接合されたベース基板３１とを備えている。
半導体基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2）１３を介して第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１２を貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板である。この半導体基板１０には、第２シリコン基板１２とシリコン酸化膜１３の一部を第２シリコン基板１２側から除去することによってキャビティ（凹部）２０が形成され、このキャビティ２０の上面を構成するシリコン酸化膜１３及び第１シリコン基板１１によってダイヤフラム２１が形成されている。本実施形態のダイヤフラム２１は平面視矩形（正方形）であり、その矩形の輪郭をダイヤフラムエッジ２１ａとして図１に破線で示した。ダイヤフラムエッジ２１ａは、キャビティ２０の輪郭を示すキャビティエッジである。ダイヤフラム２１（ダイヤフラムエッジ２１ａ）の外周領域は、圧力変化によって変形しない固定領域２５である。
第１シリコン基板１１の回路面（図１の上面）には、図３に示すブリッジ回路４を構成する複数の感応抵抗素子４０（４１〜４４）が埋設形成されている。複数の感応抵抗素子４０は、ダイヤフラム２１の中心を中心として、互いに９０°間隔をあけて配置されている。各感応抵抗素子４０の周囲は不図示のシリコン酸化膜で埋められ、シリコン酸化膜上に、複数の感応抵抗素子４０に接続する複数の配線導体５０及びボンディングパッド５５が形成されている。この回路面は、パッシベーション膜（保護膜）１５で全面的に覆われ、該パッシベーション膜１５を介して感応抵抗素子４０、配線導体５０及び第１シリコン基板１１の絶縁性が確保されている。ボンディングパッド５５は、パッシベーション膜１５から露出している。パッシベーション膜１５は、例えば、シリコンナイトライドＳｉ3Ｎ4、ＳｉＯ2の単層膜または積層膜からなるもので、現状では、全体として８０００Å程度の膜厚を備えている。図１では、このパッシベーション膜を描いていない。
ダイヤフラム２１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪みに応じて複数の感応抵抗素子４０の抵抗値が変化し、この複数の感応抵抗素子４０によって構成されたブリッジ回路４の中点電位ＶGが変化する。図３はブリッジ回路４の回路構成図である。このように感応抵抗素子４０の抵抗値の変化によって変動する中点電位ＶGが、センサ出力として公知の測定装置に出力される。
パッシベーション膜１５には、図４、図５に示すように、ボンディングパッド５５を露出させるためのパッド開口パターン１５Ｐが形成されている。ボンディングパッド５５は、平面矩形の半導体圧力センサＳＰＡの４つの直角コーナ部に同一形状（または回転対称形状）で存在しており、半導体圧力センサＳＰＡの直角コーナ部の直角エッジに沿う外側直角エッジ５５Ｄと、配線導体５０が接続される内側エッジ５５Ｈを有している。一方、パッシベーション膜１５のパッド開口パターン１５Ｐは、この外側直角エッジ５５Ｄと平行で、該外側直角エッジ５５Ｄとの間に隙間Ｓを形成する外側直角エッジ１５Ｄと、内側エッジ５５Ｈと平行で同内側エッジ５５Ｈよりもボンディングパッド内側に延びる（ボンディングパッドのエッジを覆う）内側エッジ１５Ｈを有している。
パッシベーション膜１５が存在しない隙間Ｓには、第１シリコン基板１１が露出している。すなわち、隙間Ｓは、同時に基板露出部である。基板露出部Ｓは、シリコン基板１１上に全面的に保護層（例えばＳｉＯ2膜）が形成される場合には、同保護層が露出する領域を意味する。露出パッド開口パターン１５Ｐの形状は、周知のパターニング技術（フォトリソグラフィー技術）により、任意に設定することができる。ボンディングパッド５５の現状での大きさは、数十μｍ角程度、内側エッジ５５Ｈと内側エッジ１５Ｈのオーバラップ量は、例えば５μｍ前後、隙間Ｓの幅は、例えば５〜１０μｍ程度、ボンディングパッド５５の厚さは、８０００Å程度である。
このようにパッド開口パターン１５Ｐ内に位置するボンディングパッド５５のエッジの外側一部に、パッシベーション膜１５に覆われない基板露出部Ｓが存在すると、図１に鎖線で示すように、多数の半導体圧力センサＳＰＡを同一ウェハ上に同時に製造した後、同ウェハ状態で行う各半導体圧力センサＳＰＡの検査の際に、ボンディングパッド５５の外側（隙間（基板露出部）Ｓに近い側）にプローブを接触させることが容易になる。図４のＰＤは、プローブ痕の位置の例である。プローブがボンディングパッド５５に接触するとき同時に隙間Ｓの第１シリコン基板１１に当接したとしても、第１シリコン基板１１は硬質であるため、何ら問題は生じない。つまり、検査プローブは、ボンディングパッド５５の一部との接触が確保される限りにおいて、できるだけ、ボンディングパッド５５の外側に接触させることが好ましく、本実施形態によればそれが可能である。
検査が終了すると、ウェハからダイシングライン（ダイシングストリート）ＤＬ（図１）に沿って半導体圧力センサＳＰＡが取り出され、製品として外部回路に接続される。この外部回路の接続の際には、ボンディングパッド５５と外部回路とがワイヤボンディング（接続ワイヤ）によって接続される。このボンディングパッド５５に対するワイヤボンディングの位置は、隙間Ｓから離れた側（プローブ痕ＰＤから離れた側）にする。図５のＷＢは、このワイヤボンディング位置の例である。ワイヤボンディング位置ＷＢをプローブ痕ＰＤから離すと（プローブ痕ＰＤとワイヤボンディング位置ＷＢとが重ならないようにすると）、プローブ痕ＰＤにより損傷を受けていない十分な厚さのボンディングパッド５５に接続ワイヤをボンディングすることができ、特に、ボンディングパッド５５がＡｌからなるとき接続ワイヤのＡｕと十分に固相拡散させ、電気的導通を確保することができる。本実施形態によれば、プローブ痕ＰＤとワイヤボンディング位置ＷＢとが重ならないようにすることができる。
図６と図７は、本発明によるボンディングパッドを有するシリコン構造体の別の実施形態を示している。この実施形態は、ウェハから半導体圧力センサＳＰＡを切り出すダイシングラインＤＬ（図６）を、隙間Ｓ上に設定して、残存する基板露出部Ｓ'を幅狭とした（Ｓ≧Ｓ'）実施形態である。すなわち、四隅のパッシベーション膜１５のパッド開口パターン１５Ｐのうち、ボンディングパッド５５の外側直角エッジ５５Ｄと平行な部分は切除されている。この実施形態においても、図４、図５の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
図８と図９は、比較のために示す、図４と図５に対応する従来例である。ボンディングパッド５５は、そのエッジ全体がパッシベーション膜１５によって覆われており、仮に、ボンディングパッド５５の大きさを図４、図５と同一とすれば、同ボンディングパッド５５の露出面積が小さくなり、プローブ痕ＰＤとワイヤボンディング位置ＷＢとがオーバラップしないようにすることが難しいが分かる。仮に、プローブがパッド開口パターン１５Ｐにエッジに当たると、金属であるボンディングパッド上のパッシベーション膜が砕けて製品不良となる。半導体圧力センサＳＰＡの小型化が進めば、この困難はさらに増すことになるのに対し、本実施形態によれば、プローブ痕ＰＤとワイヤボンディング位置ＷＢとのオーバラップを容易に避けることができる。また、本実施形態で、仮にプローブがパッド開口パターンの外側直角エッジ１５Ｄに当たっても、シリコン基板１１上に金属を介さずにパッシベーション膜１５があるので、砕けることがなく、製品不良になりにくい。
以上の実施形態のボンディングパッド５５は、平面矩形であるが、同パッドの形状については自由度がある。要は、保護膜のパッド開口パターン内に位置するボンディングパッドのエッジの外側一部に、該保護膜によって覆われない基板露出部を生じさせ、かつ、この隙間は、保護膜が配線導体を露出させることがない位置に形成するという技術思想を維持すれば本発明は成立する。また、以上は、本発明を半導体圧力センサに適用した実施形態であるが、本発明は、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有するシリコン構造体に広く適用することができる。
本願発明は、電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有するシリコン構造体及び該シリコン構造体を用いた電気デバイスに適用可能である。
ＳＰＡ 半導体圧力センサ（シリコン構造体）
１０ 半導体基板
１５ パッシベーション膜（保護膜）
１５Ｐ パッド開口パターン
１５Ｈ 内側エッジ
１５Ｄ 外側直角エッジ
２１ ダイヤフラム
４０ 感応抵抗素子（電気素子）
５０ 配線導体
５５ ボンディングパッド
５５Ｄ 外側直角エッジ
５５Ｈ 内側エッジ
Ｓ Ｓ' 隙間（基板露出部）
ＰＤ プローブ痕
ＷＢ ワイヤボンディング位置
ＤＬ ダイシングライン（ダイシングストリート）

Claims (5)

  1. 電気素子を有するシリコン基板上に、該電気素子と外部回路とを接続するための配線導体及びボンディングパッドを有し、該シリコン基板上の保護膜に、ボンディングパッドを露出させるパッド開口パターンを形成したシリコン構造体において、
    平面的に見たとき、保護膜のパッド開口パターン内に位置するボンディングパッドのエッジの外側一部に、該保護膜によって覆われない基板露出部を形成したこと、及び
    該基板露出部は、配線導体を露出させることがない位置に形成したこと、
    を特徴とするシリコン構造体。
  2. 請求の範囲第１項に記載のシリコン構造体において、上記基板露出部は、ボンディングパッドのエッジの一部と、保護膜のパッド開口パターンのエッジの一部との間に隙間を生じさせて形成されているシリコン構造体。
  3. 請求の範囲第２項に記載のシリコン構造体において、上記隙間を形成していたパッド開口パターンのエッジは、ウェハからシリコン構造体を切り出すときに除去されているシリコン構造体。
  4. 請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項記載のシリコン構造体において、シリコン基板は平面矩形をなしていて、ボンディボンディングパッドは、シリコン基板の直角エッジと平行な直角エッジを備えており、この直角エッジの外側に、上記基板露出部が形成されているシリコン構造体。
  5. 請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項記載のシリコン構造体のボンディングパッドを接続ワイヤを介して外部回路に接続した電気デバイスであって、上記ボンディングパッドには、上記基板露出部に接近した位置にプローブ痕が存在し、上記基板露出部から離れた位置に上記接続ワイヤがボンディングされている電気デバイス。
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