TWI278073B - Semiconductor device - Google Patents

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TWI278073B
TWI278073B TW094103037A TW94103037A TWI278073B TW I278073 B TWI278073 B TW I278073B TW 094103037 A TW094103037 A TW 094103037A TW 94103037 A TW94103037 A TW 94103037A TW I278073 B TWI278073 B TW I278073B
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TW
Taiwan
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spacer
metal
metal layer
layer
pad
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TW094103037A
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TW200531225A (en
Inventor
Tadaaki Mimura
Tsuyoshi Hamatani
Atuhito Mizutani
Kenji Ueda
Original Assignee
Matsushita Electric Ind Co Ltd
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Publication date
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1278073 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明爲關於半導體裝置之外 於墊片部構造。 【先前技術】 於傳統之半導體裝置上，譬如， 接用電極之電極墊片2 2，乃採取經 接形成於最上層之第1墊片金屬67 層之第2墊片金屬65之積層孔構造 片22正下方領域之連接於半導體基 等，係藉由引出部金屬8 1之堆疊構 亦提案有以縮小晶片尺寸爲目拉 設置於輸出入電路單元之元件形成f 有於邏輯電路，或驅動裝置電路上 造，於其上面形成有輸入墊或輸出1 如參考日本特開平06-244235號公幸 但是，當於元件上形成有電極| 之衝撞力道之影響，可能於墊片正1 產生損壞。或者，形成於墊片正下^ 能造成電晶體之動作特性變化（劣4 尤其，於利用金球接合之打線ί 片加熱成23 0-240 °C，一邊施加特定 以破壞鋁墊片之表面的氧化膜，進]ΪΪ 面形成金-鋁合金，故藉超音波能1 5連接用電極，尤其係關 如圖1 1所示，外部連 由通孔（Via)66，電氣連 和形成於一個下方配線 ，且對形成於非電極墊 板上電路元件之配線1 0 造加以連接。 3，將外部連接用之墊片 i域之構造。譬如，提案 ，設置層間絕緣膜之構 ^之半導體積體電路（譬 ^片時，因打線接合時等 方之配線或層間絕緣膜 「之擴散元件，譬如，可 二）之影響。 &合中，藉由將半導體晶 荷重，一邊施加超音波， 於鋁之本質面與金之界 而於墊片下之層間絕緣 1278073 ^ 膜和金屬之界面產生之應力，而於層間絕緣膜（由二氧化石夕 等所形成）產生裂縫。 即使於探針檢查（P檢查）之普通方法之懸臂式料架 (cantilever)方式之P檢查，由於是以鎢等之探測針按壓 電極墊片，故對其正下方施加較大集中荷重，而會於層間絕 緣膜產生龜裂。另外，電極電片將殘留探針之痕跡。因爲墊 片表面之鋁會被探針所括削，故壓痕進行於P檢查後之電極 墊片上之焊線焊接，將不會形成與金球之合金之領域。近年 ® 來，由於要求縮小打線接合之焊接間距而使墊片尺寸及銲錫 球徑漸小故相對增大3壓痕之面積，而衍生無法形成特定面 積之合金及焊接之問題。 第1 2圖爲表示於下方具有配線部之電極墊片上，當進 行焊球焊接時，產生於層間絕緣膜之應力分部圖。於此，係 表示藉由C A E分析（有限要素法）所計算之於4層配線構 造上，利用金球焊接方法形成金屬凸塊電極時之應力分佈的 結果。 於最上層之墊片金屬61(以下，稱之爲第丨金屬61) 下方，形成第1層間絕緣膜7 1，第2層之墊片金屬6 2 (以 下’稱之爲第2金屬6 2 )，於其下方，形成有第2層間絕緣 膜72、第3金屬91、第3層間絕緣膜73、及最下層金屬10。 於第1金屬61上，爲了形成金屬凸塊電極43，當施加圖中 箭頭所示之超音波時，應力將集中於下層之金屬62，91之 邊際部（圖中顯示出稍白色）。 當此應力超過層間絕緣膜7 1，7 2，7 3之降伏應力時， 1278073 將產生脆性破壞而龜裂。此時，藉由CAE分析即可了解內 部應力亦因應於所施加之超音波能量之大小而變大。另外， 亦可了解形成於焊接之電極墊片正下方之電晶體特性（Vt、 Gm、熱載流子壽命等）會劣化。 本發明係用於解決上述問題者，且以於焊接或探測時， 降低對電極墊片之表面或下層配線或層間絕緣膜所造成損 壞爲目的。 【發明內容】 爲了解決上述問題，本發明之半導體裝置，其特徵係外 部連接用電極之墊片部，係由形成於最上層之第1墊片金屬 層，和於前述第1墊片金屬層之下方，挾持層間絕緣膜所形 成之第2墊片金屬層，和貫通前述層間絕緣膜而電氣性連接 第1墊片金屬層與第2墊片金屬層之孔所形成，前述第1墊 片金屬層之端部與第2墊片金屬層之端部係沿著各層之厚度 方向設置互相偏移爲不相同。 另外，本發明之半導體裝置，其特徵係外部連接用電極 之墊片部，係由焊接用之第1墊片領域和探針檢測用之第2 墊片領域所形成，前述第1墊片領域係由形成於最上層之第 1墊片金屬層，和於前述第1墊片金屬層之下方，挾持層間 絕緣膜所形成之第2墊片金屬層，和貫通前述層間絕緣膜而 電氣性連接第1墊片金屬層與第2墊片金屬層之孔所形成， 前述第1墊片金屬層之端部與第2墊片金屬層之端部係沿著 各層之厚度方向設置互相偏移爲不相同，前述第2墊片領域 係僅利用前述第1墊片金屬層所構成。 1278073 r 〃 第1墊片金屬層之端部與第2墊片金屬層之端部最好係 偏移1 · 5〜2 μ m。 第2墊片金屬層之端部亦可偏移比第1墊片金屬層之端 部較外側。同時，第2墊片金屬層之端部亦可偏移比第1墊 片金屬層之端部較內側。 於第2墊片領域之第1墊片金屬層之下方，挾持層間絕 緣膜，爲了產生相同層於第2墊片金屬層，最好設置複數個 之緩衝金屬層。 © 於墊片部之下層，亦可設置著電路元件或者配線。 於第1墊片領域和第2墊片領域之至少一方之下層，亦 可設置電路元件或者配線。 【實施方式】 以下，將參考圖面同時說明本發明之實施例。 於本發明所謂之半導體裝置，雖然涵蓋晶圓狀態之半導 體積體電路和其個別之半導體裝置之兩者，但是於此將說明 有關半導體積體電路裝置。 ® 第1A、B圖爲表示本發明之第1實施例之半導體裝置要 部構造，第1A、B圖各表示本發明之第1實施例之半導體裝 置之外部連接用電極之墊片部，和其週邊部平面圖及剖面 圖。墊片部係形成於輸出入電路之元件區域或是配線上，爲 一 4層配線構造之型態。 於第1 A、B圖中，1 1爲檢測器之晶圓檢測用之探針墊 片’ 2 1爲打線接合等之構成所使用的焊接墊片，3 1爲形成 於除了探針墊片1 1及焊接墊片2 1上面以外的半導體基板上 1278073 r w 之第1保護膜（譬如，被摻雜P之P-SiN膜），32爲形成於 第1保護膜3 1上之第2保護膜（譬如，聚醯亞胺膜）。 焊接墊片21係包含由最上層之墊片金屬61 (以下稱之 第1金屬6 1 )，和形成於其一個下方配線層之第2層墊片金 屬62(以下稱之第2金屬62)，和貫通第1金屬61與第2 金屬62間之間層絕緣膜7丨而電性連接第丨、2金屬6 1，62 間之通孔63 (譬如，W (鎢）等之金屬）所形成之積層通孔 _ ^ °積層通孔構造係具有吸收於打線接合等之接合工程中 ©所產生之衝擊能量，來緩和墊片施加於正下方之配線部或擴 散元件之應力以抑制損害之產生的效果。 於焊接墊片2 1之第2金屬62下方形成有譬如用以供給 電源之電源層之第3金屬91，於更下層，形成用以對輸出入 電路內供給信號之屬配線的最下層金屬1 0，第1金屬及第2 金屬61，62和最下層金屬10，係藉由引出部金屬81之堆疊 構造而電性連接。於第2金屬62和第3金屬91之間，及第 3金屬91及最下層金屬10之間，各形成層間絕緣膜72, 73。 焊接墊片2 1和探針墊片1 1，係一體成形於第1金屬6 ：[， 且從第1金屬6 1上之第1保護膜3 1分離所形成之2個接觸 口，各自露出。但是，實際上，僅將探針墊片1 1和焊接墊 片21作成區域來分開使用亦可，未必需藉由第丨保護膜3 } 來分離。 探針墊片1 1，並非利用如焊接墊片2 1那樣的2層金屬 6 1 ’ 62所形成之積層通孔構造，而是僅以第1金屬6丨構成， 而在其下面，隔著層間絕緣膜7 1，72而形成第3金屬9 1。 -9- 1278073 於％ 3金屬91下面’則與焊接線墊片21相同，形成有 層間絕緣膜7 3和最下層金屬1 0。 第2金屬62之縱橫相較於焊接墊片2 1形成較大，且各 自位於焊接墊片2 1及探針墊片1 1之下層的2個第3金屬9 1 係在，比第2金屬62之邊際部還靠中央處鄰接。 第2A、B、C圖爲表示探針墊片11及焊接墊片21之各 層平面圖’弟2A圖爲表不弟1金屬61的層，以舉出2個例 子來表示第2B圖及第2C圖爲第2金屬62層。 第2A圖爲表示於第1金屬61，藉由第1保護膜31所 分離之探針墊片1 1領域和焊接墊片2 1領域。引出部金屬8 ! 係與墊片金屬61之寬度相同。 於弟2B圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬度，故將 第2金屬62寬度作成比第1金屬61寬度還大。 於第2C圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬度，故將 第2金屬62寬度作成比第1金屬61寬度還小。 第2 B圖，第2 C圖之任一構造，係沿著各層之厚度方向 使得第1金屬61之邊際61a和第2金屬62邊際62a不相同， 亦即，當於平面方向觀察時，使其等在垂直方向不一致，且 使其等不稍有重疊的方式互相偏移配置者。於此，相較於第 1金屬6 1，第2金屬62之一對端部係凸出或凹陷，但是並 非侷限於此，若作成以互相之端部於間層絕緣膜之上下不一 致的方式偏位的話，則一方爲凸出而另一方凹陷亦可。又， 第2金屬62之另一對邊際62a，亦由第1 A、B圖清楚得知， 係銜接於引出部金屬8 1，或從第1金屬6 1邊際6 1 a偏移。 1278073 ' 5 1爲表示探針墊片1 1下領域之層間絕緣膜，係上述之 絕緣膜7 1之一部份。於此領域，未形成有金屬。 第3 A、B圖爲表示進行檢測、球焊時之墊片週邊部 態，第3A圖及第3B圖各自表示平面圖及剖面圖。藉由 42之滑動而於探針墊片1 1上產生探針痕跡4 1。以於打 合時會被進行的方式，於焊接墊片2 1上形成金屬凸塊 如此，就算是在進行檢測、錫球焊接時的重力施加 片上，如上述所言，由於第1金屬61之邊際61a和第 ® 屬62之邊際62a係相互偏移，故可緩和於各邊際部61a 所產生之應力集中，亦可控制層間絕緣膜7 1，72的龜 之物理損害。 探針墊片1 1的下面領域，亦因不形成金屬而可增 間絕緣膜7 1，72之總膜厚，故可控制其龜裂之產生。 之結果，可防止第1金屬61與第3金屬91之間之電性 /漏電。有關於此，也可以針對位在比第2金屬62還下 第3金屬91、最下層金屬10及間層絕緣膜72，73來靜 W 在打線接合時之焊線之起始直徑爲45 μιη，當打線 時之超音波功率設爲一定時，在以往第1金屬61和第 屬62之端部呈一致的傳統構造中，龜裂發生率爲3.2% 對的，如第2Β、C圖所示，於已偏移第1金屬61與第 屬62之兩端部之本發明構造上，龜裂發生率降低，而 移1.5〜2 μιη時，龜裂發生率爲0% 。即使大於此範圍， 會改變其效果，且過大時，墊片間之距離變大，而降仴 配置密度。 層間 之狀 探針 線接 43 ° 於墊 2金 ，6 2 a 裂等 厚層 此等 短路 層之 i明。 接合 2金 ，相 2金 於偏 仍不 墊片 -11-
1278073 於此第1實施例中，係說明關於具備探針墊片1 1 接墊片21兩者之外部連接用電極，但是，對具備至少 墊片21之外部連接用電極，若適用上述構造時，可力[ 制在施加重力時之層間絕緣膜之龜裂產生。 第4 A、B圖爲表示本發明之第2實施例之半導體裝 要部構造，第4A圖及第4B圖各自表示相同半導體裝懦 部連接用電極之墊片部和其週邊部之平面圖及剖面圖 此第2實施例之半導體裝置與第1實施例子之半|| 置的差異在於探針墊片1 1下方，爲了與焊接墊片2 1 : 金屬6 2形成於相同層，故將數μ m正方之微小緩衝金 以格子狀，亦即於縱橫方向作複數列配置。藉由此等携 衝金屬64之存在，可以緩衝因進行探測時之荷重力市 於探針墊片1 1下之層間絕緣膜7 1內之集中應力，可K 間絕緣膜7 1，7 2之產生龜裂。因此，可更確實防止第 屬6 1和第3金屬9 1間之電氣短路/漏電。 第5A、B、C圖爲表示探針墊片11及焊接墊片2】 層平面圖，第5A圖爲表示第1金屬61層，第5B、C 舉出2個例子來表示第2金屬62和金屬64之層。 與先前既說明之第2圖同樣地，於第5 A圖中，f 在第1金屬61，藉由第1保護膜31所分離之探針墊 領域和焊接墊片2 1領域。引出部金屬8 1之寬度係相|1 片金屬61。 於第5B圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬度 第2金屬62之寬度及金屬64之排列寬度，作成比第 和焊 >焊接 ]以控 置之 [之外 〇 _體裝 之第2 屬64 S[小緩 ί產生 ί止層 ;1金 [之各 :圖係 i表示 片11 3於墊 ，故將 1金屬 -12- i 1278073 ^ 6 1寬度還大。 於第5C圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬 第2金屬62寬度作成比第1金屬61寬度還小。 在第5 B圖，第5 C圖之任一情況，皆無使金屬ί 6 2 a，重疊而可緩和焊接時之應力。 第6 A、B圖爲表示本發明之第3實施例半導體 部構造，第6A圖，第6B圖各自表示本發明之第3 半導體裝置之外部連接用電極之墊片部和其週邊 β圖及剖面圖。 此第3實施例之半導體裝置不同於第丨實施例 體裝置在於，第1實施例之焊接墊片21外側，亦 片外圍之劃線（scribe )領域側配置有外部墊片。 此等2個墊片稱之爲內部墊片68及外部墊片69。 內部墊片6 8及外部墊片6 9皆與焊接墊片2 1 作成藉由第1金屬61與第2金屬62, 65及此等金 之通孔63，66所形成之通孔墊片構造。92譬如是 W 供給而形成之第2電源層之金屬。若是電源層，藉 3層之第3金屬91而形成，可達成電源配線內之電 定。 第7A、B、C圖，爲內部墊片68及外部墊片 平面圖，第7A圖爲表示第1金屬61層，第7B、 出2個例來表示金屬65層。 如同先前說明之第2圖，於第7 A圖中，係奏 金屬6 1，藉由第1保護膜3 1所分離之內部墊片6 8 度，故將 薆際6 1 a， 裝置之要 實施例之 部之平面 子之半導 即，於晶 於此，將 相同，係 屬予以間 作爲電源 由配合第 位更加穩 69之各層 C圖係舉 I示於第1 領域和外 1 1278073 ‘ 部墊片6 9領域。引出部金屬8 1之寬度，係相同於墊片金屬 6 1 〇 於第7B圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬度，故將 第2金屬62寬度，作成比第1金屬61寬度還大。 於弟7C圖中，爲了更明瞭引出部金屬81之寬度，故將 第2金屬62寬度，作成比第1金屬61寬度還小。 於第7B、C圖之任一情況，皆無使金屬邊際61a，62a 重疊，可緩和接合時之應力。 β 第8圖爲表示第6A、B圖所示之第3實施例之半導體裝 置在進行探測、球焊時之墊片週邊部狀態，第8A圖及第8B 圖各爲平面圖及剖面圖。對於外部墊片69，係以探針42進 行檢測，藉由探針42之滑動而於外部墊片69上產生探針痕 跡4 1。金屬凸塊4 3係形成於內部墊片6 8上。 又，內部墊片6 8和外部墊片6 9亦可未以相同金屬形成 單一膜，亦可爲由其他金屬所形成。 第9圖爲表示於輸出入電路領域上配置複數個墊片部樣 ¥ 子之平面圖。於複數之各墊片部中，於內部墊片68上，設 置金屬凸塊43，而於外部墊片69上產生探針痕跡41。 第1 〇圖乃表示於輸出入電路領域上配置複數個墊片部 樣子之平面圖。將金屬凸塊43互相設置於內部墊片68上與 外部墊片69上，且於剩餘的內部墊片68與外部墊片69上 產生探針痕跡4 1。 如此，將探測用墊片和焊接墊片（或者墊片領域）各配 置爲Z字狀，可擴大外觀上之墊片間距。另外，於元件（cell ) 1278073 > 內，設置複數之墊片，可擴大凸塊連接時之間距。 因此，當使用金屬凸塊43，於承載基板上進行倒向晶片 (flip chip )安裝而將已經單片化之半導體裝置作成CSP (Chip Size Package)或 BGA ( Ball Grid Array)等表面安 裝型封裝時，不但可擴大承載基板之電極間距，且可緩和基 板設計上之規則，進而達成降低基板成本，具有頗大之優點。 作爲金屬凸塊電極43，譬如可形成藉由以金球爲底之2 段突起狀間柱（stud )凸塊電極，或藉電解電鍍法或者無電 β 解電鍍法所形成之金、鎳、銅等之金屬凸塊。於任一情況， 皆如上述說明，藉由相互使用形成於輸出入電路領域上之複 數個墊片（或者墊片領域），可擴大實質之連接間距，故可 改善連接良率，進而可改善生產性。 如以上之說明，若藉由本發明時，於接合時或探測時， 將縮小產生於墊片金屬層邊際之應力，由於可緩和施加於墊 片層下面的層間絕緣膜之應力，故可降低墊片層之下層間絕 緣膜之損壞。 ® 另外，藉由從接合用之第1墊片領域來區分而設置探針 檢查用之第2墊片領域，使得於第1墊片領域中，可避免起 因於檢測之層間絕緣膜之損壞和壓痕。 若將墊片部配置於電路元件或者配線領域上時，亦不會 因接合荷重而於配線部或擴散部產生損壞，且亦易於進行對 墊片部之連接。因此，相較於避開電路元件或配線領域而配 置墊片部之場合，至少光是墊片部之總面積的份量就可縮小 晶片尺寸，且亦可降低晶片成本。 •15- 1278073 ' 故’本發明之半導體裝置，針對以外部連接用電極來進 行探針檢查或外部連接之焊接的半導體裝置特別有用。 【圖式簡單說明】 第1A圖、第1B圖各表示本發明之第1實施例之半導體 裝置之墊片部和其週邊部構造之平面圖及剖面圖。 第2A、B、C圖爲表示第1圖之墊片部之各層平面圖。 第3 A圖、第3 B圖各自表示第1圖之墊片部之檢測 (pro b i n g )及焊接孔時狀態平面圖及剖面圖。 II 第4A圖、第4B圖各自表示本發明之第2實施例之半導 體裝置之墊片部和其週邊部構造之平面圖及剖面圖。 第5A、B、C圖爲表示第4A、B圖之墊片部之各層平面 圖。 第6A圖、第6B圖各自表示本發明之第3實施例之半導 體裝置之墊片部和其週邊部構造之平面圖及剖面圖。 第7A、B、C圖爲表示第6A、B圖之墊片部之各層平面 圖。 B 第 8A、B圖各自表示·第 6A、B圖之墊片部之檢測 (p r 〇 b i n g )及焊接孔時狀態平面圖及剖面圖。 第9圖爲表示複數配置第6 A、B圖之墊片部樣子平面圖。 第10圖爲表示複數配置第6A、B圖之墊片部樣子之另 外平面圖。 第11A圖、第11B圖各自表示傳統之半導體裝置之墊片 部和其週邊部構造之平面圖及剖面圖。 第1 2圖爲表示產生於積層構造之電極墊片之層間絕緣 -16- 1278073 膜之應力分佈圖。 【元件符號說明】
10 最下層金屬 11， 14 探針墊片 21 , 22 焊接墊片 3 1 第1保護膜 32 第2保護膜 41 探針痕跡 42 探針 43 金屬凸塊 61 , 61 墊片金屬（第1金屬）邊際 62 第2層墊片金屬（第2金屬 62a 邊際 63 64 65
69 7 1 72 73 8 1 91 92 孔 緩衝金屬 第2金屬 孔 內部墊片 外部墊片 層間絕緣膜 層間絕緣膜 層間絕緣膜 引出部金屬 第3金屬 金屬 -17-

Claims (1)

  1. ^ 1278073 1 吳 Is hvy^ 第9 4 1 03 0 3 7號「半導體裝置」專利案 (2006年6月22日修正） 十、申請專利範圍： 1 . 一種半導體裝置，其特徵爲：具備外部連接用電極之接合 墊片，係由形成於最上層之第1墊片金屬層、和於前述第 1墊片金屬層之下方，挾持層間絕緣膜所形成之第2墊片 金屬層、以及貫通前述層間絕緣膜地形成在前述第1墊片 金屬層之下而電性連接第1墊片金屬層與第2墊片金屬層 之通孔所形成，第1墊片金屬層之端部與第2墊片金屬層 之端部係在與接合墊片之主面垂直的方向之不同位置上 作設置。
    2. —種半導體裝置，其中包含具備外部連接用電極之接合墊 片及探針墊片，前述接合墊片係由形成於最上層之第1墊 片金屬層、和於前述第1墊片金屬層之下方，挾持層間絕 緣膜所形成之第2墊片金屬層、以及貫通前述層間絕緣膜 而電性連接第1墊片金屬層與第2墊片金屬層之通孔所形 成’前述第1墊片金屬層之端部與第2墊片金屬層之端部 係在與接合墊片之主面垂直的方向之不同位置上作設 置’前述探針墊片係僅利用前述第1墊片金屬層所構成。 3 .如申請專利範圍第1項或第2項之半導體裝置，其中第1 墊片金屬層之端部與第2墊片金屬層之端部係偏位 1 · 5 〜2 // m 〇 j 1278073 钃 k 4 .如申請專利範圍第1項或第2項之半導體裝置，其中第2 墊片金屬層之端部係比第1墊片金屬層之端部還偏外側。 5.如申請專利範圍第1項或第2項之半導體裝置，其中第2 墊片金屬層之端部係比第1墊片金屬層之端部還偏內側。 6 .如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中於第2墊片領 域之第1墊片金屬層之下方，挾持層間絕緣膜而形成與第 2墊片金屬層同一層的方式設置複數個緩衝金屬。 • 7 .如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中於墊片部之下 層，設置有電路元件或配線。 8 ·如申請專利範圍第2項之半導體裝置，其中於第1墊片領 域和第2墊片領域之至少一方之下層，設置電路元件或配 線0
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