(57)【要約】【課題】  多層構造の電極パッドを有する半導体装置において、電極パッドに付加される外部応力が、電極パッドの更に下層に直接伝播されることにより、下層に形成された多層配線層にクラックが発生するのを防止する。  【解決手段】  本発明の一実施例によれば、多層構造の電極パッドの上層導電性パッドと下層導電性パッドとが、層間絶縁層を介して積層され、層間絶縁層を貫通する複数の導電性プラグによって、上層導電性パッドと下層導電性パッドとが電気的に接続されている半導体装置において、導電性プラグは、上層導電性パッド或いは下層導電性パッドの垂直な方向に対して、斜めに形成されていることを特徴とする半導体装置である。【選択図】  図1
2006165054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上層導電性パッドと下層導電性パッドとが、層間絶縁層を介して積層され、該上層導電性パッドと該下層導電性パッドとは、該層間絶縁層を貫通する複数の導電性プラグによって電気的に接続されている半導体装置において、該導電性プラグは、該上層導電性パッドと該下層導電性パッド間において、傾斜して形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記導電性プラグの傾斜方向が変化していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁層は、複数の絶縁層の積層からなり、前記導電性プラグは各々の該絶縁層に位置をずらして形成された貫通口に充填された導電物を積層したものからなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項４】
前記下層導電性パッドのさらに下層に、前記上層導電性パッドと該下層導電性パッド間の層間絶縁層よりも、低誘電率の絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項５】
前記上層導電性パッド又は前記下層導電性パッドの少なくとも一方は、複数の分割領域を有し、該分割領域の各々に前記導電性プラグが形成されていることを特徴とする請求項１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、半導体装置に関し、特に、層間絶縁層を介して導電性パッドが積層した電極パッドを有する半導体装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＣデバイスの高速化要求に伴い、高速動作時の配線遅延を回避するために、配線材料として銅を用いて低抵抗化し、層間絶縁層として低誘電率材（Ｌｏｗ−ｋ材）を用いて低配線容量化したＩＣデバイスの実用化が進められている。Ｌｏｗ−ｋ材の例としては、ＳｉＯ２をベースとしてフッ素をドープしたものや、ＳｉＯ２をベースに骨格の末端をＨやＣＨ３で終端した無機系材料や有機系材料を用いたもの、多孔質（ポーラス）構造のもの等がある。しかし、これらの絶縁層は、Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ（ＴＥＯＳ）−ＣＶＤ層や、Ｓｐｉｎ−ｏｎ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ（ＳＯＤ）層といった従来のＳｉＯ２系の層間絶縁層に比べて機械的強度が低いことが課題となっており、とりわけ、多孔質構造のＬｏｗ−ｋ材を用いた層間絶縁層では顕著である。
【０００３】
一方、従来、電極パッド部での局所的衝撃・応力によって、下部の層間絶縁層に剥れやクラック等の損傷が発生するので、それを軽減するために、導電性プラグを有する積層した電極パッド構造が用いられている。
【０００４】
図５及び図６は、従来の積層電極パッドの要部断面構造と付加される外部応力の例を示す。多層配線層４、中間絶縁層５、層間絶縁層６が交互に積層され、最上層絶縁層７の窓領域に上層導電性パッド８と下層導電性パッド９が上下に対向して配置され、間にある層間絶縁層６を貫通する複数のタングステン（Ｗ）プラグ２０１又は２０２によって、上層導電性パッド８と下層導電性パッド９が接続され、更に、図示されてないが、下層導電性パッド９は多層配線層４に電気的に接続されている。これらのＷプラグを用いた電極パッド構造においても、図５に示すように、金製のボンディングワイヤ２０をボンディングキャピラリ４０を介して、上層導電性パッド８の表面に、加熱と超音波振動とによって圧着するか、或いは、図６に示すように、各種電気的試験用にＷ製プローブ３０を上層導電性パッド８の表面に、圧接摺動する際には、その局所的衝撃・応力によって、下部の層間絶縁層、配線や回路素子等に剥れやクラック等の損傷が発生することがある。これら損傷の発生を低減する方法も提案されている（例えば、特許文献１）が、下層部の層間絶縁層として機械的強度が低いＬｏｗ−ｋ材を用いた場合には、下層部の層間絶縁層、配線や回路素子等の剥れやクラック等の損傷の発生を十分抑制することは困難である。
【特許文献１】特開２００１−３５８１６９号公報（第４頁、第１図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、半導体装置の製造工程における、プロービング、ワイヤボンディング、スタッドバンプボンディング、フリップチップボンディングの場合等に電極パッドに付与されるストレスによって、下層の層間絶縁層、配線や回路素子等に剥れやクラック等の損傷が発生することを防止する電極構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、上層導電性パッドと下層導電性パッドとが、層間絶縁層を介して積層され、該上層導電性パッドと該下層導電性パッドとは、該層間絶縁層を貫通する複数の導電性プラグによって電気的に接続されている半導体装置において、該導電性プラグは、該上層導電性パッドと該下層導電性パッド間において、傾斜して形成されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の効果として、複数の導電性プラグにより上下パッドを接続する構造のため、引張応力に対して耐性が向上し、層間絶縁層部での剥離やクラックの発生が抑制されることに加えて、導電体が垂直でなく、斜めに形成されているので、垂直方向に印加される圧縮応力が層間絶縁層中に分散され、下層パッド及びその下層に伝播する荷重が軽減され、下層の層間絶縁層及びその下層の層間絶縁層部でのクラック発生が抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明による実施例１の電極パッド構造を有する半導体装置要部の断面図である。 半導体基板１の表面部のフィールド酸化層３の窓領域に拡散層２とゲート電極を含む素子領域が形成され、その上に、多層配線層４、中間絶縁層５、層間絶縁層６が交互に積層され、最上層絶縁層７の窓領域に上層導電性パッド８と下層導電性パッド９とが上下に対向して配置されている。また、図示されてないが、上層導電性パッド８と下層導電性パッド９の少なくとも一方は多層配線層４に電気的に接続されている。従来の積層電極パッドと異なり、上層導電性パッド８と下層導電性パッド９との間にある層間絶縁層６を貫通する複数本の円柱又は角柱の導電性プラグ１０が、上層導電性パッド８或いは下層導電性パッド９の垂直方向に対して、傾斜して形成されている。図１の実施例では、個々の導電性プラグ１０が、上下導電性パッドの平面に垂直な方向に対して一定角度をなし伸延しているので、上層導電性パッド８と接続する部位と下層導電性パッド９に接続する部位とが、平面的に見てずれた位置に配置されている。
【００１０】
図２（ａ）は、傾斜を有する導電性プラグの形成方法を示すための電極パッド要部断面図である。図示省略された半導体基板上にシリコン酸化層等の層間絶縁層６０を形成した後、スパッタリング法等により下層導電性パッド９となる金属層（アルミニウム合金または銅合金等）を形成し、その後フォトリソグラフィ及びエッチングにより加工して導電性パッド９を形成する。その後プラズマＣＶＤ法等により層間絶縁層６３を堆積し、ＣＭＰ法等により表面を平坦化し、その後フォトリソグラフィおよびエッチングにより導電性プラグを形成のためのビアホールを形成する。このビアホール内に、ＣＶＤ法等によってタングステン（Ｗ）や銅等の高融点金属を埋め込み、導電性プラグ１０１を形成する。このプラグ形成を、少しずつ位置をずらし、下段プラグと一部が重なるようにして、繰り返し行うことで、徐々に位置がずれた導電性プラグ１０２を有する層間絶縁層６２、更に、導電性プラグ１０１を有する層間絶縁層６１を順次形成する。その後、スパッタリング法等により、上層パッド層となる金属層（アルミニウム合金または銅合金等）を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより加工して、上層導電性パッド８を形成する。その後、ＣＶＤ法等により、シリコン酸化層、シリコン窒化層やポリイミド等からなるパッシベーション層である最上層絶縁層７を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより上層導電性パッドの開口部を形成する。
【００１１】
図２（ａ）に示した例では導電性プラグは３段で形成したが、層間絶縁層の層の厚みを薄くして、このプラグ形成の段数を増やすことで、図１のように、擬似的に連続的な傾斜を有する導電性プラグを形成することもできる。尚、図２（ａ）においては省略したが、図１に示したシリコン酸化層等の層間絶縁層６を積層する際に、中間絶縁層５を介在させているが、これらは層間絶縁層６のエッチングの際のストッパー膜の働きをし、シリコン酸化層のエッチングガスに対してエッチング速度の遅いシリコン窒化層等が用いられる。
【００１２】
このような電極構造において、上層導電性パッド８に引張り又は圧縮応力が印加された場合、従来の構造では、全応力が垂直方向のみに直接伝達されるのに対して、導電性プラグ１０が傾斜しているので、図２（ｂ）に示すように、引張り又は圧縮応力Ｔは、上層導電性パッド８との界面で、導電性プラグ１０の中心軸１１に平行な応力成分Ｔ１とそれに垂直な応力成分Ｔ２とに分解され、更に、中心軸に平行な応力成分Ｔ１は、下層導電性パッド９との界面で、界面に垂直な応力成分Ｔ３と界面に平行な応力成分Ｔ４とに分解されるので、応力が途中で層間絶縁層中に分散され、下層パッド及びその下層に伝播する垂直荷重応力が軽減され、下層の層間絶縁層、更にその下層の層間絶縁層でのクラック発生が抑制される効果が生じる。
【実施例２】
【００１３】
図３は、屈曲した導電性プラグを有する積層電極パッド要部断面図である。
図２（ａ）で述べた製造方法により、Ｗプラグを少しずつずらす方向を中間で１８０度変換させれば、“く”の字状の導電性プラグが形成できる。この場合は、実施例１と異なり、個々の導電性プラグ１０が、上層導電性パッド８と接続する部位と下層導電性パッド９に接続する部位とが、平面的に見て一致した位置に配置することが可能である。更に、導電性プラグを少しずつずらす方向を、上層導電性パッド８と接続する部位の中心を通り、パッド平面に垂直な軸の周りに、少しずつ回転させると、この垂直軸に沿ったコイル状の導電性プラグが形成できる。この場合、導電性プラグの中心線は、螺旋を描き、中心線の接線方向は場所により変化し、先のパッド平面に垂直な垂直軸に対し、常にある角度を持つ。応力に対しては、実施例１と同様な効果が期待できる。
【実施例３】
【００１４】
図４は、本発明による実施例３の半導体装置要部の断面図である。実施例１と異なる点は、下層導電性パッドは、多層配線層４が兼ねており、それが、分割されていることである。表現を変えれば、分割された下層導電性パッドが、多層配線層に電気的に接続されていると見ることもできる。ところで、多層配線層に電気的に接続されるのは、下層導電性パッドに限らず、下層導電性パッドであってもよい。更なる特徴としては、本発明では、応力は上層の層間絶縁層中に分散され、下層の層間絶縁層中への伝達は軽減されるので、下層の層間絶縁層には、電気的特性の優れた例えば多孔質（ポーラス）構造等を有するような各種低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材からなる層間絶縁層６６を用いて低配線容量化することが可能になることである。また、更に、導電性パッド直下に相当する部位に多層配線層４及び入出力回路素子３０１が配置されている。これにより、半導体装置の高密度化が可能になる。
【００１５】
上記の例では、導電性パッドは２層構成としたが、３層以上で構成し、それぞれの導電性パッド間を斜めの導電性プラグで接続した構成としてもよい。この場合はパッドの下層の層間絶縁層に対してより緩衝効果が高まることは言うまでもない。
（付記１）上層導電性パッドと下層導電性パッドとが、層間絶縁層を介して積層され、該上層導電性パッドと該下層導電性パッドとは、該層間絶縁層を貫通する複数の導電性プラグによって電気的に接続されている半導体装置において、該導電性プラグは、該上層導電性パッドと該下層導電性パッド間において、傾斜して形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記２）前記導電性プラグの傾斜方向が変化していることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記３）前記層間絶縁層は、複数の絶縁層の積層からなり、前記導電性プラグは各々の該絶縁層に位置をずらして形成された貫通口に充填された導電物を積層したものからなることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記４）前記下層導電性パッドのさらに下層に、前記上層導電性パッドと該下層導電性パッド間の層間絶縁層よりも、低誘電率の絶縁層が形成されていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記５）前記上層導電性パッド又は前記下層導電性パッドの少なくとも一方は、複数の分割領域を有し、該分割領域の各々に前記導電性プラグが形成されていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記６）前記導電性プラグが少なくとも一つの折れ曲がり領域を有することを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記７）前記導電性プラグがコイルスプリング状の領域を有することを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記８）前記上層導電性パッド又は前記下層導電性パッドの少なくとも一方は、下層の多層配線層と電気的に接続されていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
（付記９）前記上層導電性パッドの一つに対応する前記下層導電性パッドが複数に分割されていることを特徴とする付記５記載の半導体装置。
（付記１０）前記低誘電率の絶縁層は、フッ素含有シリコンオキサイド又は多孔質材であることを特徴とする付記４記載の半導体装置。
（付記１１）前記下層導電性パッドの下層であって、直下に相当する部位に入出力回路素子が形成されていることを特徴とする付記１記載の半導体装置。
【００１６】
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の積層電極パッド構造を有する半導体装置要部の断面図
【図２】（ａ）実施例１の傾斜した導電性プラグの形成方法を説明するための積層電極パッド要部断面図、（ｂ）実施例１の傾斜した導電性プラグに印加された応力の伝播を説明するための積層電極パッド要部断面図
【図３】実施例２の屈曲した導電性プラグを有する積層電極パッド要部断面図
【図４】実施例３の半導体装置要部の断面図
【図５】ワイヤボンディング時の従来の導電性プラグを有する積層電極パッド部要部断面図
【図６】試験プロービング時の従来の導電性プラグを有する積層電極パッド部要部断面図
【符号の説明】
【００１８】
１  半導体基板
２  拡散層
３  フィールド酸化層
４  多層配線層
５  中間絶縁層
６、６０  層間絶縁層
７  最上層絶縁層
８  上層導電性パッド
９  下層導電性パッド
１０  導電性プラグ
１１  導電性プラグの中心線の接線
２０  ボンディングワイヤ
３０  プローブ
４０  ボンディングキャピラリ
６１  導電性プラグ１０１を有する層間絶縁層
６２  導電性プラグ１０２を有する層間絶縁層
６３  導電性プラグ１０３を有する層間絶縁層
６６  Ｌｏｗ−ｋ材からなる層間絶縁層
１０１、１０２、１０３  タングステンプラグ
１０４  屈曲を有する導電性プラグ
２０１、２０２  垂直な導電性プラグ
３０１  入出力回路素子
【図１】
2006165054.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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