(57)【要約】【課題】  半導体組み立てプロセス工程によりパッド直下が受ける衝撃に対し耐クラック性を向上させる。【解決手段】  パッド７直下に導電層配線メタル３と層間絶縁膜２、４が交互に複数積層され、層間絶縁膜２、４を挟んで配置された上下の導電層配線メタル３がビア５、１５を介して接続され、かつ層間絶縁膜の材料が変化する界面の上層の層間絶縁膜に形成されたビア１５が太く配置されており、層間絶縁膜にかかるせん断方向の応力に対して強くなるため、ワイヤボンドやプローブの衝撃に対し導電層配線メタル及び層間絶縁膜の耐クラック性と、パッド直下にトランジスタが形成される場合にはその耐ダメージ性の向上を図ることができる。また、パッド構造としてパッド直下の応力を緩和することにより層間絶縁膜には機械的強度が低い絶縁膜を採用できる。【選択図】  図１
2006324265.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に形成されたビアの径が他のビアの径より太いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に形成されたビア断面のアスペクト比が２．０以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に複数のビアを形成して合計の断面積を他のビアの断面積より大きくすることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に形成されたビアの径が他のビアの径より太いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に形成されたビア断面のアスペクト比が２．０以上であることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に複数のビアを形成して合計の断面積を他のビアの断面積より大きくすることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記導電層配線メタルは銅からなり、前記パッドはアルミニウムからなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記層間絶縁膜は、低誘電材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パッド直下に導電層配線メタルが層間絶縁膜を挟んで複数層形成された半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報技術の広がりとともにコンピューター、携帯電話など電子機器の能力として高速化の要求は高まっている。それに伴い、電子機器の性能に大きく影響するシステムＬＳＩに代表される半導体装置の性能として、更なる高速化が必然的に求められている。しかし、半導体装置の高速化に大きな妨げになるのが、ＭＯＳトランジスタ自体の遅延とその上層にある配線遅延である。従来は、ゲート長を短くする微細化技術によりＭＯＳトランジスタ自体の遅延を低減してきた。しかしながら、微細化技術の進展によるＭＯＳトランジスタ自体の遅延が小さくなるに従い配線遅延の問題が顕著になってきた。そこで、配線間遅延を小さくするため配線間に挟まれている絶縁膜に誘電率の低い絶縁膜（低誘電率膜）を採用しようとしている。
【０００３】
しかしながら、誘電率が３．０以下を実現する低誘電率膜は、従来から採用されていたシリコン酸化膜よりも機械的強度が大きく低下する。これは、半導体装置の回路形成を担う拡散工程が完了した後の半導体装置のパッケージングを担う組み立て工程で問題となる。具体的には次のようなことである。層間絶縁膜の機械的強度が十分でないため半導体装置に搭載されているパッド上にワイヤボンドを行うと、ワイヤボンドの衝撃荷重がパッドを通じてパッド直下の層間絶縁膜に伝わり、それが層間絶縁膜を大きく変形させる。その変形が層間絶縁膜にクラックを発生させ、パッド剥がれや層間はく離による信頼性不良の原因となる。さらに、近年は、半導体素子の寸法を縮小してコストを低減することを目的に、トランジスタ上にパッドを設置した半導体素子が開発されている。このとき、配線間及び層間絶縁膜に機械的強度の低い低誘電率膜を用いると、ワイヤボンドの衝撃により低誘電率膜が変形し、トランジスタに衝撃が伝わりやすくなることでトランジスタへダメージを与えてしまい品質不良を引き起こしてしまう。
【０００４】
そこで、図５の従来の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図に示すように、従来は、パッド（外部端子）７直下に、層間絶縁膜４を挟んで複数の導電層配線メタル３を形成し、その導電層配線メタル３間をビア５で接続することで、ワイヤボンドにより層間絶縁膜４へ与えられる衝撃をメタル３が受け止め、さらに衝撃でメタル３が衝撃の印加方向へ変形しようとするのをビア５が支えるようになり、パッド７直下に成膜された層間絶縁膜４の機械的強度を補うようなパッド構造を形成している（例えば、特許文献１）。その結果、ワイヤボンドによるトランジスタへのダメージが抑制できる。
【０００５】
ここで、従来は図５に示すように機械的強度の低い層間絶縁膜２は、配線密度の高いファイン層１でのみ使われ、比較的配線密度の低いセミファイン層８では、比較的機械的強度が高い層間絶縁膜４が使われる。これにより、メタル直下の衝撃は、比較的強度の高いセミファイン層８で軽減することで全体の機械的強度を保っている。また、ファイン層１で使われるビア５の形状は、どれも同じで、特に機械的強度に関する考慮がされていない。
【特許文献１】特開２０００−１１４３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のパッド構造では下記のような問題がある。
図６に示すパッド直下の層間絶縁膜界面の応力を説明する図において、配線密度が高く配線ルールの細かいファイン層１と比較的配線密度が低く、配線ルールが太くなるセミファイン層８では層間絶縁膜（４と２）として異なる材料が使われる。それは、配線密度が高いほど低誘電率の層間絶縁膜２を利用しないと電気的特性（電気的結合によるノイズ）を維持できないためである。しかし、異種材料を層間絶縁膜に利用することで、組み立て時のさまざまな方向からかかる応力に対し、材料固有の特性をもつ剛性（ヤング率）や線膨張係数の違いで層間絶縁膜２と層間絶縁膜４の界面９につよい応力がせん断方向に発生する。図６のように金バンプ１１接合時に荷重１０と超音波（振動）１２をかけると界面９の波線で描かれた部分に応力が集中し、層間絶縁膜２と層間絶縁膜４間での亀裂・破壊発生の原因となる。従来のビア構成では、ファイン層１では、同じ径のビア５を構成しているため、亀裂・破壊箇所が等しく、機械的強度を考慮したビア構成となっていない課題が露呈している。
【０００７】
図３は、パッド直下の応力分布を測定した結果を示す図であり、２種類の層間絶縁膜（４と２）を用い、ファイン層１とセミファイン層８からなる層構成を有する半導体装置の組み立て時の応力計算（ＦＥＭ）を行った時の層間絶縁膜での応力分布を示したものである。１３が具体的な応力値を示している。単位は圧力値（Ｐａ）を示している。領域１４の部分に応力が集中しており、これは層間絶縁膜が変化している前後であることが理解でき、物理解析で破壊を特定した箇所と一致している。従って、層間絶縁膜でのビア構成は、応力分布を考慮し、構成する必要が存在する。
【０００８】
したがって、この発明の目的は、上記従来の課題を解決するもので、半導体組み立てプロセスの工程において、パッド直下が受ける衝撃、すなわちパッド直下の層間絶縁膜およびトランジスタ等に対しワイヤボンドや封止時によるダメージを防止し、耐クラック性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、この発明の請求項１記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に形成されたビアの径が他のビアの径より太いことを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に形成されたビア断面のアスペクト比が２．０以上であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、前記積層された層が層間絶縁膜の材料が異なる複数のファイン層に分割され、前記材料の異なる層間絶縁膜間の界面の上層に形成された層間絶縁膜に複数のビアを形成して合計の断面積を他のビアの断面積より大きくすることを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に形成されたビアの径が他のビアの径より太いことを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に形成されたビア断面のアスペクト比が２．０以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の半導体装置は、パッド直下に導電層配線メタルと様々な厚みの層間絶縁膜が交互に複数積層され、前記層間絶縁膜を挟んで隣り合う導電層配線メタルがビアを介して接続され、最も厚みの薄い層間絶縁膜間の上下の層に形成された層間絶縁膜に複数のビアを形成して合計の断面積を他のビアの断面積より大きくすることを特徴とする。
【００１５】
請求項７記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置において、前記導電層配線メタルは銅からなり、前記パッドはアルミニウムからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項８記載の半導体装置は、請求項１または請求項２または請求項３または請求項４または請求項５または請求項６のいずれかに記載の半導体装置において、前記層間絶縁膜は、低誘電材料からなることを特徴とする。
【００１７】
以上により、半導体組み立てプロセスの工程において、パッド直下が受ける衝撃、すなわちパッド直下の層間絶縁膜およびトランジスタ等に対しワイヤボンドや封止時によるダメージを防止し、耐クラック性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、外部接続電極直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、層間絶縁膜を挟んで配置された上下の導電層配線メタルがビアを介して接続され、かつ層間絶縁膜の材料が変化する上の層間絶縁膜のビアを太く配置することにより、層間絶縁膜にかかるせん断方向の応力に対して強くなる。従って、組み立て時のワイヤボンドやプローブの衝撃に対し配線及び層間絶縁膜の耐クラック性と、パッド直下にトランジスタが形成される場合にはその耐ダメージ性の向上を図ることができる。また、パッド構造としてパッド直下の応力を緩和することにより層間絶縁膜には機械的強度が低い絶縁膜を採用できる。すなわち、配線間遅延を小さくするため、配線間に挟まれている絶縁膜に機械的強度が低い低誘電率膜を採用することができ、低誘電率膜の塑性変形またはクラック発生を防ぐため、ビアの径を太くすることで、構造上強化可能となる。これは建物における柱を太くすることで耐震性を向上させるのと同様の効果を持つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
この発明の実施の形態１を図１，図３，図４に基づいて説明する。
図１は実施の形態１の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図であり、図１（ａ）はパッド周辺部の半導体装置の積層構造を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’部分の平面構造を表す断面図である。
【００２０】
図１において、１はファイン層、２は層間絶縁膜、３は導電層配線メタル、４は層間絶縁膜、５，１５はビア、６は保護膜、７は最上層メタルからなるパッド（外部接続電極）、８はセミファイン層を示す。
【００２１】
図１に示すとおり、パッド７直下に導電層配線メタル３と層間絶縁膜４が交互に複数積層され、層間絶縁膜４を挟んで配置された上下の導電層配線メタル３がビア５を介して接続され、特に層間絶縁膜が２種類の材料（２と４）から構成され、材料が変化する直前のビア１５が特に太く構成されていることを特徴とする。
【００２２】
ここで、導電層配線メタル３は銅からなり、パッド７はアルミニウムからなることが、組み立て時の外部配線（例えばワイヤボンド等）との接合強度を高めるために望ましい。また、層間絶縁膜２，層間絶縁膜４は、材質の異なる層間絶縁膜から構成されている。
【００２３】
この場合、パッド構造は、配線間絶縁膜２、配線間絶縁膜４に埋め込まれた複数の導電層配線メタル３をビア５またはビア１５で接続したものである。このパッド構造において、ワイヤボンドやプローブの衝撃がパッド７と最上層の導電層配線メタル３を通して層間絶縁膜２、層間絶縁膜４に伝わるが、層間絶縁膜の材料が変化する境界の上層の層間絶縁膜に形成されたビア１５において、ビア径を他のビア５と比べて特に太くすることで、層間絶縁膜２、層間絶縁膜４間に集中する応力に対する剛性を増すことができる。つまり、ビア構造が一定の径であると層間絶縁膜２，層間絶縁膜４の剛性（ヤング率）や線膨張係数差でせん断方向に大きな応力が発生し、亀裂／破棄の原因となるが、例え、層間絶縁膜に剛性の低い低誘電材料を用いたとしても、応力が集中する領域である異なる材料で形成された層間絶縁膜の境界上層の層間絶縁膜に形成されたビア１５の径を太くすることにより集中する応力を緩和することができる。ビア径を太くすることは、家屋において柱を太くすることと同様な効果で、せん断方向に対する応力に強く、耐クラック性を向上させる。
【００２４】
図４はビア径と層間絶縁膜に集中する応力の関係を示す図であり、ビア径と層間絶縁膜に集中する応力の関係を表わした計算結果である。これによりビア径を太く、例えばアスペクト比を高めることで応力が緩和できることを理解できる。
【００２５】
図４は、図３と同じく２種類の層間絶縁膜からなる層構成に対する計算結果であり、層間絶縁膜での材料が変化する直前の層のビア径を変化させた時のＦＥＭでの計算結果である。ビア径のアスペクト比（横寸法／縦寸法）を０．６７から２．０にすることで、層間絶縁膜に集中する応力値を２０％削減可能なことが計算結果から推測される。ビア径のアスペクト比を２．０以上にする根拠として、層間絶縁膜での破壊強度に起因する。特に脆弱な層間絶縁膜では、剛性（ヤング率）４ＧＰａとなり、従来のＳｉＯ２に比較して半分程度の剛性であり、降伏応力は、約その１／１０程度である。これより、降伏応力４００ＭＰａと推定するとアスペクト比が２．０以上必要となる。
【００２６】
以上のように本実施の形態によれば、ワイヤボンドやプローブの組み立て時の衝撃によりパッド直下の配線間及び層間の絶縁膜に採用される低誘電率膜の塑性変形またはクラック発生を防ぐため、パッド直下に導電層配線メタルと層間絶縁膜が交互に複数積層され、層間絶縁膜を挟んで配置された上下の導電層配線メタルがビアを介して接続され、かつ層間絶縁膜の材料が変化する上の層間絶縁膜のビアを太く配置することにより、層間絶縁膜にかかるせん断方向の応力に対する剛性を確保できる。このパッド構造を有することにより、ワイヤボンドやプローブの衝撃に対し、柱効果でビアにかかる応力を緩和する。その結果、パッド直下の層間絶縁膜、つまり低誘電率膜に伝わるワイヤボンドやプローブの衝撃は抑えられ低誘電率膜の塑性変形及びクラックを防ぐことができる。
【００２７】
ここでは、ビア１５の径をビア５に比べて太くする場合について説明したが、ビア径にかかわらず、応力が集中する領域である異なる材料で形成された層間絶縁膜の境界上層の層間絶縁膜に形成されたビア１５の数を増やすことにより、同様の効果を奏することができる。つまり、ビア径は同じサイズであるが、ビア面積率を高くすることで、ビア径を太くすることと同様の効果をもたらすことができる。
【００２８】
図２は実施の形態２の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図であり、図２（ａ）はパッド周辺部の半導体装置の積層構造を示す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’部分の平面構造を表す断面図である。
【００２９】
図２において、２は層間絶縁膜、３は導電層配線メタル、５，１５はビア、６は保護膜、７は最上層導電層配線メタルからなるパッド（外部接続電極）を示す。
図２に示すとおり、パッド７直下に導電層配線メタル３と層間絶縁膜４が交互に複数積層され、層間絶縁膜４を挟んで配置された上下の導電層配線メタル３がビアを介して接続され、特に、層間絶縁膜の厚みが変化する上下層のビア１５が特に太く構成されていることを特徴とする。
【００３０】
ここで、導電層配線メタル３は銅からなり、パッド７はアルミニウムからなることが、組み立て時の外部配線（例えばワイヤボンド等）との接合強度を高めるために望ましい。
図２に示すように、層間絶縁膜での厚みが変化する界面でも、実施の形態１における材料の変化する界面と同様に層間絶縁膜に集中する応力が高くなり、その間の層間絶縁膜で亀裂／破壊が起りやすい。これにおいても、実施の形態１と同様に層間絶縁膜の変化する上下層の層間絶縁膜に形成されたビア径を太くすることで、例え、層間絶縁膜に剛性の低い低誘電材料を用いたとしても、層間絶縁膜での亀裂／破壊を防止する。
【００３１】
実施の形態２の構成においても実施の形態１と同様に、アスペクト比を２．０以上に高くすることで、同様の効果をもたらすものである。同じく、複数のビアを形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、半導体組み立てプロセスの工程において、パッド直下が受ける衝撃、すなわちパッド直下の層間絶縁膜およびトランジスタ等に対しワイヤボンドや封止時によるダメージを防止し、耐クラック性を向上させることができ、パッド直下に導電層配線メタルが層間絶縁膜を挟んで複数層形成された半導体装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態１の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図
【図２】実施の形態２の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図
【図３】パッド直下の応力分布を測定した結果を示す図
【図４】ビア径と層間絶縁膜に集中する応力の関係を示す図
【図５】従来の半導体装置におけるパッド周辺部の構造を説明する断面図
【図６】パッド直下の層間絶縁膜界面の応力を説明する図
【符号の説明】
【００３４】
１  ファイン層
２    層間絶縁膜
３    メタル
４    層間絶縁膜
５    ビア
６    保護膜
７    パッド
８    セミファイン層
９    部分
１０    荷重
１１    金バンプ
１２    超音波振動
１３    圧力値
１４    領域
１５    ビア
【図１】
2006324265.tif 000003
【図２】
2006324265.tif 000004
【図３】
2006324265.tif 000005
【図４】
2006324265.tif 000006
【図５】
2006324265.tif 000007
【図６】
2006324265.tif 000008