(57)【要約】【課題】  より単純な構成でボンディングワイヤの取付け強度を向上させることによって、信頼性のより高い半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置１は、半導体基板１１、および半導体基板１１に積層された保護膜層１５を有する半導体素子１０と、保護膜層１５とボンディングパッド４との間に介在するバリアメタル層３と、ボンディングワイヤ７を接続するために保護膜層１５の半導体基板１１と反対側に設けられたボンディングパッド４と、を備え、保護膜層１５は、保護膜層１５のバリアメタル層３との接触面側に、バリアメタル層３との密着強度を向上させた状態でバリアメタル層３に接続するための接続領域１５ａを有している。【選択図】図１
2014123611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１１）、および当該半導体基板に積層された保護膜層（１５、１６）を有する半導体素子（１０）と、
ボンディングワイヤ（７）を接続するために前記保護膜層の前記半導体基板と反対側に設けられたボンディングパッド（４）と、
前記保護膜層と前記ボンディングパッドとの間に介在するバリアメタル層（３）と、
を備え、
前記保護膜層は、前記バリアメタル層との接触面側に、当該バリアメタル層との密着強度を向上させた状態で当該バリアメタル層に接続するための接続領域（１５ｂ、１６ｂ）を有していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記保護膜層は酸素を含む窒化シリコンで構成され、
当該保護膜層の前記接続領域では、窒素濃度よりも酸素濃度が高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記バリアメタル層はチタンおよび窒化チタンの少なくとも一方で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記保護膜層はＣＶＤ法で形成されることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体装置
【請求項５】
前記保護膜層の前記接続領域は、ＴＥＯＳ膜であることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッドを設けた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この半導体装置では、シリコン基板に半導体素子が形成されており、この半導体素子を覆うように、シリコン基板側から順に、第１〜第４の層間絶縁膜が積層されている。また、第３および第４の層間絶縁膜の間には第１のパッドが設けられており、この第１のパッドは、層間絶縁膜を貫通する接続孔に埋め込まれたプラグなどを介して、半導体素子に電気的に接続されている。
【０００３】
また、第４の層間絶縁膜上には、ボンディングワイヤを接続するための第２のパッドが、層間絶縁膜を介して第１のパッドに対向するように設けられている。第２のパッドは、その周縁部において、第４の層間絶縁膜に形成された接続孔に沿って第１のパッド側に延び、第１のパッドの周縁部に直接、接続されている。
【０００４】
この半導体装置では、検査時のプロービング、またはボンディングワイヤをボンディングするときに、第２のパッドに過大な応力が生じても、第１および第２のパッドの間に介在する第４の層間絶縁膜にクラックが生じ、第２のパッドに生じた応力が分散されることによって、第１のパッドに大きな負荷が生じない。それにより、第３の層間絶縁膜以下の層にクラックが発生するのを防止できる。また、第２のパッドが、第４の層間絶縁膜の接続孔に埋め込まれていることによって、剥がれにくくなっている。
【０００５】
また、他の半導体装置として、ボンディングワイヤを接続するときのパッドへの荷重を緩和するために、パッドの下地となる保護膜層を、比較的、ヤング率の高いシリコンの窒化物で形成し、これにチタンや窒化チタンで構成されたバリアメタル層を介してパッドを設けたものが知られている。また、一般に、ボンディングワイヤをパッドに接続した後、耐久性および信頼性などを確認するために、ボンディングワイヤの引張り試験が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−６６４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した他の半導体装置では、ボンディングワイヤの引張り試験を行ったときに、ボンディングワイヤが剥離してしまうことがある。具体的には、密着強度が比較的、弱い保護膜層とバリアメタル層の間に剥離が生じ、ボンディングワイヤがパッドおよびバリアメタル層の一部とともに保護膜層から剥がれてしまう。このように、バリアメタル層と保護膜層との間の密着強度の弱さに起因して、ボンディングワイヤの十分な取付け強度を確保できないおそれがある。
【０００８】
また、特許文献に係る半導体装置では、ボンディングワイヤの取付け強度を確保することができたとしても、上述したように、第１および第２のパッドにより２層構造のパッドを構成し、第２のパッドの周縁部を第４の層間絶縁膜の接続孔に埋め込むなど、構成が複雑で、製造コストの増大を招くおそれがある。
【０００９】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、より単純な構成でボンディングワイヤの取付け強度を向上させることによって、信頼性のより高い半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、半導体基板、および当該半導体基板に積層された保護膜層を有する半導体素子と、ボンディングワイヤを接続するために前記保護膜層の前記半導体基板と反対側に設けられたボンディングパッドと、前記保護膜層と前記ボンディングパッドとの間に介在するバリアメタル層を備え、前記保護膜層は、前記バリアメタル層との接触面側に、当該バリアメタル層との密着強度を向上させた状態で当該バリアメタル層に接続するための接続領域を有していることを特徴とする。
【００１１】
この半導体装置によれば、半導体素子の半導体基板には保護膜層が積層されており、また、この保護膜層の半導体基板と反対側には、ボンディングワイヤを接続するためのボンディングパッドが設けられている。また、このボンディングパッドと保護膜層の間にはバリアメタル層が介在しており、保護膜層のうち、バリアメタル層に接触する面側に設けられた接続領域によってバリアメタル層との間の密着強度を向上させた状態で、保護膜層がバリアメタル層に接続されている。
【００１２】
以上の構成の半導体装置によれば、保護膜層の接続領域によって、保護膜層とバリアメタル層とが緊密に結合している。それにより、ボンディングワイヤの十分な取付け強度が確保され、引張り試験などの際、ボンディングワイヤがボンディングパッドやバリアメタルとともに半導体素子から剥離することを防止でき、信頼性のより高い半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】図１の半導体装置の製造工程の一部を示す図（Ａ）〜（Ｅ）である。
【図３】図１の半導体装置の製造工程の一部を図３に続いて示す図（Ａ）〜（Ｄ）である。
【図４】図１の半導体装置において引張り試験を行ったときのボンディングワイヤの剥離発生率を、ＴＥＯＳ層の厚さに応じて示す図である。
【図５】変形例に係る半導体装置を示す断面図である。
【図６】図５の半導体装置の変形例の製造工程の一部を示す図（Ａ）〜（Ｄ）である。
【図７】比較例に係る半導体装置のボンディングパッド近傍を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置１について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、半導体装置１は、半導体素子１０と、この半導体素子１０に設けられたボンディングバッド（以下、単に「パッド」という）４と、パッド４に接続され、半導体素子１０に信号の入出力や電力の供給を行うためのボンディングワイヤ７などを備えている。半導体素子１０は、シリコンで構成された半導体基板１１と、トランジスタなどの素子を形成した素子形成部１２を有している。
【００１５】
また、半導体素子１０は、素子形成部１２に順に積層された第１〜第３絶縁膜層１３ａ〜１３ｃと、各絶縁膜層の間に形成され、アルミニウムや銅で構成された第１および第２配線層１４ａ、１４ｂなどを有している。また、第１〜第３絶縁膜層１３ａ〜１３ｃに形成された貫通孔に設けられたビアによって、素子形成部１２の各素子および各配線層は互いに電気的に接続されている。以下、便宜上、半導体装置１の半導体基板１１側を半導体装置１の「下」側として、また、パッド４側を「上」側として説明する。
【００１６】
半導体素子１０は、第３絶縁膜層１３ｃを覆うように積層された保護膜層１５を有している。保護膜層１５は、酸素を含有するシリコンの窒化物（以下「ＳｉＮ」という）で構成されており、下層側のＳｉＮ層１５ａと、上層側のＴＥＯＳ層１５ｂ（接続領域）を有している。ＳｉＮ層１５ａおよびＴＥＯＳ層１５ｂは、いずれもＣＶＤ法によって形成される。特に、ＴＥＯＳ層１５ｂは、ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を用いてＣＶＤ法で生成したＴＥＯＳ膜であり、二酸化珪素（以下「ＳｉＯ２」という）をより多く含有し、窒素濃度よりも高い酸素濃度を有している。
【００１７】
また、ＳｉＮ層１５ａ、ＴＥＯＳ層１５ｂおよび第３絶縁膜層１３ｃには、これらを貫通する接続孔２が形成されている。また、ＴＥＯＳ層１５ｂの上面および接続孔２の内面には、バリアメタル層３が積層されている。このバリアメタル層３のＴＥＯＳ層１５ｂ側の領域がチタンで、また、ＴＥＯＳ層１５ｂと反対側の上面近傍の領域が窒化チタンでそれぞれ構成されている。バリアメタル層３は、ＴＥＯＳ層１５ｂの上面および接続孔２を覆うように延びており、接続孔２の底で第２配線層１４ｂに接続されている。
【００１８】
パッド４は、バリアメタル層３の表面に設けられており、例えばアルミニウムまたは銅で構成されている。さらに、半導体素子１０の表面にはパッシベーション膜６が形成されている。このパッシベーション膜６は、例えばポリイミド樹脂で構成されており、半導体素子１０のほぼ全面を覆い、これを保護している。また、パッシベーション膜６のパッド４に対応する部位には開口６ａが形成されており、これにより、各パッド４の表面が部分的に露出している。ボンディングワイヤ７は、このように開口６ａから露出する複数のパッド４の表面に、それぞれ接続されている。それにより、ボンディングワイヤ７は、パッド４、バリアメタル層３、第１および第２配線層１４ａ、１４ｂを介して、素子形成部１２の素子に電気的に接続されていて、ボンディングワイヤ７と各素子との間で信号などを入出力することが可能になっている。
【００１９】
次いで、上述した半導体装置１の製造に関し、特に、保護膜層１５およびパッド４を形成する工程とその前後について、説明する。図２（Ａ）に示すように、第２配線層１４ｂを形成した後、第２配線層１４ｂを覆うように、例えばＳｉＯ２で構成された第３絶縁膜層１３ｃを形成する。次いで、形成した第３絶縁膜層１３ｃの表面に機械研磨（以下「ＣＭＰ研磨」という）を施すことによって、同図（Ｂ）に示すように、第３絶縁膜層１３ｃの表面を平坦に加工する。
【００２０】
次いで、同図（Ｃ）に示すように、平坦に加工した第３絶縁膜層１３ｃの表面に、保護膜５のＳｉＮ層１５ａを、ＣＶＤ法によって形成し、さらに、同図（Ｄ）に示すように、ＳｉＮ層１５ａの表面に、同じくＣＶＤ法によってＴＥＯＳ層１５ｂを形成する。そして、同図（Ｅ）に示すように、所要の部位にエッチングを施し、ＴＥＯＳ層１５ｂ、ＳｉＮ層１５ａ、および第３絶縁膜層１３ｃを貫通する接続孔２を形成し、第２配線層１４ｂの表面の一部を露出させる。
【００２１】
次いで、図３（Ａ）に示すように、バリアメタル層３を、ＴＥＯＳ層１５ｂの表面および接続孔２の内面に形成し、第２配線層１４ｂに電気的に接続する。そして、同図（Ｂ）に示すように、バリアメタル層３の表面に導体層４ａを形成し、同図（Ｃ）に示すように、この導体層４ａ、バリアメタル層３およびＴＥＯＳ層１５ｂの所用の部位を残すようにエッチングを施すことによって、パッド４を形成する。そして、同図３（Ｄ）に示すようにパッシベーション膜６を半導体素子１の表面全体に形成するとともにパッド４に対応する部位に開口６ａを形成することによって、パッド４の表面の一部を露出させる。そして、露出したパッド４の表面にボンディングワイヤ７を接続することによって、ボンディングワイヤ７を介して、半導体素子１０への信号の入出力などが可能になる。
【００２２】
図４は、上述した半導体装置１の検査の際、パッド４に接続したボンディングワイヤ７の引張り試験を実施した結果を示している。同図に示すように、ＴＥＯＳ層１５ｂの厚さが０のとき、すなわち、本発明を適用せず、ＴＥＯＳ層１５ｂを設けることなく、保護膜層１５としてＳｉＮ層１５ａだけを設け、これにバリアメタル層３を積層した場合、ボンディングワイヤ７が半導体装置１から剥離してしまうことがある。
【００２３】
具体的には、ボンディングワイヤ７とパッド４の間、およびパッド４とバリアメタル層３の間の密着強度と比較して、バリアメタル層３とＳｉＮ層１５ａとの間の密着強度が小さいので、図７に示す比較例のように、ボンディングワイヤ７が、パッド４およびバリアメタル層３の一部とともに、剥離してしまうことがある。このような剥離は、引張り試験を例えば２４３５回行ったところ、２７回、すなわち、ほぼ０．１１パーセントの確率で発生した。
【００２４】
一方、本発明を適用し、厚さ０．１μｍのＴＥＯＳ層１５ｂを設けた状態で、上記と同様の引張り試験を例えば１６６０回、行ったところ、ボンディングワイヤ７の剥離は発生しなかった。このように、ＴＥＯＳ層１５ｂを設けたことによって、バリアメタル層３とＳｉＮ層１５ａの間の密着強度が改善したことが確認された。また、ＴＥＯＳ層１５ｂの膜厚を０．２μｍ、０．３μｍと順次、大きくした場合でも、ボンディングワイヤ７の剥離は発生せず、ＴＥＯＳ層１５ｂの膜厚にかかわらず、上記の密着強度が改善されることが確認された。
【００２５】
以上のように、本実施形態に係る半導体装置１によれば、保護膜層１５のバリアメタル層３との接触面側の領域に、ＳｉＮ層１５ａよりも酸素濃度の高いＴＥＯＳ層１５ｂを設けたことにより、保護膜層１５とこれに積層されたバリアメタル層３との間の密着強度を、ＴＥＯＳ層１５ｂを設けない場合よりも向上させることができる。このように、保護膜層１５のバリアメタル層３との接触面側の領域にＴＥＯＳ層１５ｂを設けただけの単純な構成で、ボンディングワイヤ７の十分な取付け強度が確保され、ボンディングワイヤ７が保護膜層１５から剥離するのを防止することができる。また、ＴＥＯＳ層１５ｂがＣＶＤ法で形成されるので、ＳｉＮ層１５ａよりも酸素濃度の高いＴＥＯＳ層１５ｂを安定して形成することができる。以上により、信頼性のより高い半導体装置１を得ることができる。
【００２６】
図５は、上述した半導体装置１の変形例に係る半導体装置１ａを示している。以下、変形例に係る半導体装置１ａについて、実施形態に係る半導体装置１との差異を中心として説明する。
【００２７】
この半導体装置１ａでは、実施形態に係る半導体装置１の保護膜層１５に代えて、保護膜層１６が設けられている。この保護膜層１６は、実施形態と同じＳｉＮで構成されたＳｉＮ層１６ａと、バリアメタル層３との接続面近傍に設けられ、ＳｉＮ層１６ａよりも酸素濃度の高いＳｉＯ２領域１６ｂ（接続領域）を有している。このＳｉＯ２領域１６ｂでは、バリアメタル層３に近づくほど酸素濃度が高くなっており、それによりバリアメタル層３との間により強い密着強度が確保されている。他の構成は、前述した実施形態の半導体装置１と同様である。
【００２８】
図６は、上述した変形例に係る半導体装置１ａの製造方法を示している。図６（Ａ）および（Ｂ）に示すように、まず、実施形態と同じく第３の絶縁膜層１３ｃを形成するとともに、その表面をＣＭＰ研磨によって平坦に加工する。そして、第３の絶縁膜層１３ｃの表面に、保護膜層１６をＣＶＤ法で形成する。その際、同図（Ｃ）に示すように、実施形態のＳｉＮ層１５ａを形成する場合と同じ成分のガスを用いてＳｉＮ層１６ａを形成し、その成膜の途中で、生成される膜により多くの酸素が含まれるようにガスの成分を変更することによって、ＳｉＯ２領域１６ｂをバリアメタル３との接触面側に形成する。
【００２９】
そして、同図（Ｄ）に示すように、保護膜層１６および第３絶縁膜層１３ｃに接続孔２を形成し、図３を用いて説明した実施形態と同様にバリアメタル層３および導体層４ａを積層し、導体層４ａおよびバリアメタル層３にエッチングを施してパッド４を形成し、さらにパッシベーション層６を形成する。そして、パッシベーション層６の開口６ａから露出するパッド４にボンディングワイヤ７を接続することによって、半導体装置１ａが得られる。
【００３０】
以上のように、本変形例に係る半導体装置１ａによれば、ＣＶＤ法により保護膜層１６を生成する際、ガスの成分を生膜の途中で変更することによって、保護膜層１６のバリアメタル層３側に、酸素濃度のより高いＳｉＯ２領域１６ｂを形成する。それにより、保護膜層１６とバリアメタル３との間の密着強度を、ＳｉＯ２領域１６ｂを設けない場合よりも向上させることができ、実施形態と同様に、ボンディングワイヤ７の保護膜層１６からの剥離が防止されるので、信頼性のより高い半導体装置１ａを得ることができる。
【００３１】
なお、上述した実施形態および変形例では、ボンディングワイヤ７をパッド４を介して半導体素子１０に接続した例を説明したが、これに限定されることなく、保護膜層にバリアメタル層を介して設けられたパッドにボンディングワイヤを接続する構成を有するものであれば、本発明を適用することが可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、保護膜層やバリアメタル層を構成する材料などの細部の構成を適宜、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１、１ａ      半導体装置
３            バリアメタル層
４            ボンディングパッド
７            ボンディングワイヤ
１０            半導体素子
１１            半導体基板
１５            保護膜層
１５ｂ          ＴＥＯＳ層（接続領域）
１６            保護膜層
１６ｂ          ＳｉＯ２領域（接続領域）
【図１】
2014123611.tif 000003
【図２】
2014123611.tif 000004
【図３】
2014123611.tif 000005
【図４】
2014123611.tif 000006
【図５】
2014123611.tif 000007
【図６】
2014123611.tif 000008
【図７】
2014123611.tif 000009