(57)【要約】【課題】能動素子及び電極上にボンディングパッドを設ける半導体装置において、能動素子にボンディングダメージが生じないことを目的とする。また、半導体基板上に複数の配線が積層された半導体装置において、突起電極下の配線がショートしないことを目的とする。【解決手段】能動素子が形成された半導体基板と、突起電極と、保護膜と、前記保護膜の開口部と、前記開口部を介して前記突起電極と電気的に接続される電極と、を有する半導体装置において、前記突起電極が前記電極及び前記能動素子上に配されるとともに、前記能動素子は前記電極の周囲に配されている、或いは半導体基板上に絶縁膜を介して積層された複数の配線と、突起電極と、保護膜と、前記保護膜の開口部と、前記開口部を介して前記突起電極と電気的に接続される電極とを有する半導体装置において、前記複数の配線を電気的に接続させるスルーホールが前記突起電極の外側に配されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動素子が形成された半導体基板と、外部と電気的に接続される突起電極と、前記半導体基板を覆う保護膜と、前記保護膜の開口部と、前記開口部を介して前記突起電極と電気的に接続される電極と、を有する半導体装置において、
前記突起電極が前記電極及び前記能動素子上に配されるとともに、前記能動素子は前記電極の周囲に配されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電極と前記能動素子とが水平方向に対して離れて配されている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】
前記半導体基板上に配された配線と前記電極とが水平方向に対して離れて配されていることを特徴とする請求項１及び２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記突起電極は、バリアメタルを介して前記電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記突起電極の厚みは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１及び２に記載の半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に絶縁膜を介して積層された複数の配線と、外部と電気的に接続される突起電極と、前記半導体基板を覆う保護膜と、前記保護膜の開口部と、前記開口部を介して前記突起電極と電気的に接続される電極とを有する半導体装置において、
前記複数の配線を電気的に接続させるスルーホールは前記突起電極の外側に配されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
前記半導体基板には能動素子が形成され、前記能動素子は前記電極の周囲に配されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記電極領域と前記能動素子とが水平方向に対して離れて配されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記突起電極は、バリアメタルを介して前記電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記突起電極の厚みは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関するものであり、特に半導体装置のボンディングパッド構造に関するものである。特にチップ幅が細い撮像装置としての密着型イメージセンサー、又はＬＥＤヘッド用の細長いチップで、チップ幅を縮め収量を増やしコストダウンを図ることを目的にする場合に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置に利用されるボンディングパッドの構造としては図７に示す構成が知られている。
【０００３】
図７は従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した模式的断面図である。
【０００４】
シリコン基板１の活性領域に接続された第１配線層２上に層間絶縁膜６を介して第２配線層７を形成し、第２配線層７上に保護膜８およびポリイミド膜１０を介してボンディングパッド１４をシリコン基板１の活性領域と重なるように配置する。ボンディングパッド１４と重なる領域内に第２配線層７の複数の配線７ａ・７ｂを配設し、１本の配線７ａを保護膜８およびポリイミド膜１０の開口部９・１１を通してボンディングパッド１４と接合する一方、他の配線７ｂとボンディングパッド１４との間に保護膜８およびポリイミド膜１０を介在させる。１１はポリイミド膜１０の開口部、９は保護膜８の開口部、１３は金バンプ、１２はバリアメタル、２０は半導体素子、２５は絶縁膜である（特許文献１参照）。
【０００５】
図８は従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した上面図である。
【０００６】
図８に示されているとおり、ボンディングパッド外形１００の内側にスルーホール１５５が複数配されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１９８３７４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示すように半導体素子（能動素子）上でボンディングパッド１４と配線７ａが電気的に接続されている構成では、ボンディングパッド１４上にワイヤーボンディングを行う場合、衝撃荷重が半導体素子２０に加わることでボンディングダメージが発生する場合があった。
【０００９】
次に図９を用いて本発明の別の課題を説明する。
【００１０】
図９は、従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した模式的断面図である。
【００１１】
図９において、１１０はバリアメタルとしてのＴｉＷ（タングステンチタン）、１２０は保護膜、１２５は保護膜１２０の開口部、１３０は突起電極１００と電気的に接続されるＡｌ電極、１４０は半導体基板１１５上に積層された複数のＡｌ配線間の絶縁膜、１５０は半導体基板１１５上に積層された複数のＡｌ配線、１６０は半導体基板１１５上に形成された酸化膜、１８０は能動素子である。
【００１２】
図９に示す様に、突起電極１００下に半導体基板上に絶縁膜を介して積層された複数の配線間とを電気的に接続させるスルーホール１５５が設けられている場合、スルーホール１５５の段差部の膜質或いは段差部のカバーが弱いために静電気による破壊を起こす場合があった。
【００１３】
具体的に説明するに、ＳＷ２を閉じて電源からコンデンサー（２００ｐＦ）に電荷を蓄積し、次に、ＳＷ２を開けて、ＳＷ１を閉じるとコンデンサーに蓄積された電荷が放出され、耐圧の弱い部分が破壊される。本構成の場合、スルーホール１５５で２７０に示す部分が破壊されショートすることが解った。
【００１４】
また、前記スルーホールがある場合、スルーホール部分の保護膜段差が大きくなり段差部の保護膜が覆う形状が悪くなり、めっき工程でバリアメタル形成時の応力でもスルーホールを覆う保護膜段差部に亀裂が出来、静電破壊試験を行うと従来１５０Ｖで破壊しなかったが上記構成では１００Ｖ以下で破壊しショートする場合があった。
【００１５】
そこで本発明は、半導体素子（能動素子）及び電極上にボンディングパッドを設ける半導体装置において、半導体素子にボンディングダメージが生じない半導体装置を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明の別の目的は、半導体基板上に複数の配線が積層された半導体装置において、突起電極下の配線がショートしない半導体装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、能動素子が形成された半導体基板と、外部と電気的に接続される突起電極と、前記半導体基板を覆う保護膜と、前記保護膜の開口部と、前記開口部を介して前記突起電極と電気的に接続される電極と、を有する半導体装置において、前記突起電極が前記電極及び前記能動素子上に配されるとともに、前記能動素子は前記電極の周囲に配されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の別の半導体装置は、能動素子が形成された半導体基板と、前記能動素子と電気的に接続された第１の配線層と、前記第１の配線層上に層間絶縁膜を介して積層された第２の配線層と、前記能動素子及び前記第２の配線層上に外部と電機的接続させる突起電極と、を有する半導体装置において、前記第１の配線層と前記第２の配線層とを電気的に接続させるスルーホールは前記突起電極の外側に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の半導体装置の模式的断面図である。
【００２０】
図１において、１００は能動素子１８０及びＡＬ電極１３０上に金で形成された厚み５μｍの突起電極（ボンディングパッド）、１１０はバリアメタルとして膜厚５００ｎｍのＴｉＷ（タングステンチタン）である。尚、バリアメタル１１０の膜圧は適宜決まり得るものであり本実施形態に限定されない。１２０は保護膜、１２５は保護膜１２０の開口部、１３０は突起電極１００と電気的に接続される電極としてのＡｌ電極、１３５はＡｌ電極１３０の領域、１４０は半導体基板１１５上に積層された複数のＡｌ配線間の絶縁膜、１４５はＡｌ電極１３０に隣接するＡｌ配線１５０との距離、１５０は半導体基板１１５上に積層された複数のＡｌ配線、１６０は半導体基板１１５上に形成された酸化膜、１８０は能動素子、２５０はボンディング時の初期に発生する衝撃荷重を受ける領域、１５５は絶縁膜１４０を介して半導体基板１１５上に積層された複数のＡＬ配線１５０を電気的に接続させるスルーホールである。
【００２１】
尚、電極はＣｒ電極で形成されていても良い。
【００２２】
本実施形態においては、突起電極１００上にワイヤーボンディングを行う場合、ある確率でボンディングダメージが発生するため、突起電極１００の中心からある範囲のＡｕ、バリアメタル突起の下地は従来のボンディングパッド構成とし、その周囲にＡｌ配線１５０或いは能動素子１８０を配置した。
【００２３】
尚、本明細書で述べるところの周囲とは、Ａｌ電極と能動素子とが水平方向に対して離れた構成であることを表している。
【００２４】
次に図２を用いてさらに具体的に説明する。
【００２５】
図２は、本発明の半導体装置のボンディングパッドにワイヤーボンディングをする工程である。
【００２６】
図２において、２１０はボンディングワイヤー、２４０はボンディングワイヤー２１０の先端に形成されたＡｕボールである。
【００２７】
ボンディングプロセス初期において、Ａｕボール２４０が突起電極１００にぶつかる際に生じる衝撃荷重は下に配線、能動素子等の無い領域２５０で受ける。その後、荷重をかけながら超音波で接合する工程でＡｕ突起電極１００下のＡｌ配線１５０、能動素子１８０に荷重、超音波が加わる構成になっている。
【００２８】
検討の結果、本実施形態において、前記突起電極１００上にワイヤーボンディングを行う場合、衝撃荷重が加わるとある確率でボンディングダメージが発生するため、突起電極の中心からある範囲の下地は従来のボンディングパッド構成とし、その周囲に前記配線１５０及び／又は能動素子１８０を配置した。
【００２９】
具体的には、ワイヤーボンダーの１ｓｔボンディング位置精度が±１０μｍであるため衝撃荷重を受ける部分は２５μｍ□程度以上必要になる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、Ａｌ電極領域１３５を２５μｍ□、開口部１２５を１５μｍ□、Ａｌ電極１３０から隣接Ａｌ配線１５０までの距離１４５を５μｍとすることで、ボンディング時の初期に発生する衝撃荷重を受ける領域２５０は３５μｍ□となる。更にその上に、バリアメタル１１０、突起電極１００の順で積層する。尚、突起電極１００は金あるいは金メッキで形成され大きさは８０μｍ□であり、Ａｌ配線１５０及び／又は能動素子１８０はボンディング時の初期に発生する衝撃荷重を受ける領域２５０の周囲に配されることで衝撃荷重によるボンディングダメージから防止できる。
【００３１】
上記構成にすることにより、従来のＡＬ電極１３０あるいは能動素子１８０のサイズを小さくすることなく突起電極（ボンディングパッド）１００が形成出来るため、従来のボンディング装置等を変更せずに、チップサイズを小さくできる。
【００３２】
また、突起電極１００をバンプめっきの様に厚くすることなくめっき厚みが１０μｍ以下、実際には５μｍでも１ｓｔボンディング時の衝撃荷重によるダメージを回避することが可能になる。
【００３３】
上記構成にすることにより、例えば３ｍｍ□サイズが２．８ｍｍ□サイズになりチップサイズを小さくすることが可能となり、ウエハーからの取り個数が増加しコストダウンが可能になる。
【００３４】
更には、例えばチップサイズが幅０．３５ｍｍ×長さ２０ｍｍ程度の細長いチップの場合、チップ幅を小さくし取り個数を増やすのにより大きな効果がある。
【００３５】
また、検討の結果バリアメタルの応力を低減することにより以下に示す様に、上記ボンディングダメージを低減することが可能なことが解った。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
従来、バリアメタルの応力は３．２×１０１０Ｐａでボンディング後、王水でＡｕを剥離し、塩酸等で確認した結果、Ａｕ突起電極下の配線端部にボンディングダメージが発生し、そこから塩酸が進入しＡｌを溶解することが解った。検討の結果、バリアメタルの応力を低減することによりダメージを回避することが可能になり、バリアメタルの応力としては、２×１０１０Ｐａ以下にする必要がある。
【００３８】
（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２の半導体装置の模式的断面図、図４は本発明の実施形態２の半導体装置におけるボンディングパッドの構成を示した上面図である。
【００３９】
尚、図３及び図４において、図１に示した部分と同様の部分には同一符号を付している。
【００４０】
本実施形態においては、スルーホール１５５が突起電極１００の直下に配されていない点で図８に示す従来技術と異なる。
【００４１】
図３及び図４で示されているとおり、突起電極１００の直下にはスルーホール１５５が設けられていないことが本発明の特徴である。
【００４２】
ボンディングパッドを本発明の構成にすることで、半導体基板上に複数の配線が絶縁膜を介して積層され、突起電極１００下で重なり合う場合に、複数の配線を電気的に接続させるためのスルーホールによる段差がもたらす保護膜１２０の形状の悪化が突起電極１００下では無くなり、従って、めっき工程でバリアメタル１１０形成時の応力がスルーホール１５５を覆う保護膜に影響を与えることがなくなり、亀裂が生じてショートすることが防止できる。
【００４３】
尚、本実施形態においては、突起電極１００の直下には能動素子１８０が配されているが、当然なくても良い。能動素子１８０を突起電極１００下に配することで、実施形態１において説明したようにチップサイズを小さくすることが可能である。
【００４４】
（実施形態３）
図５は本発明の半導体装置を複数個並べて用いたセンサーアレイの斜視図、図６は本発明の半導体装置を用いたセンサーアレイを組み込んだ密着イメージセンサーユニットの模式的断面図である。
【００４５】
図５において、２００は基板であって、本実施形態ではセラミック或いはガラスエポキシ基板、ガラス基板いずれでも使用可能である。２６０はボンディングワイヤー２１０及び半導体チップ２２０を封止する封止樹脂である。
【００４６】
図６において、４１０はレンズアレー、４００はフレーム、４２０は保護ガラス、４４０は原稿照明用のＲ、Ｇ、Ｂ一体で成形されたＬＥＤ、４５０は前記ＬＥＤのリード、４３０は原稿照明用のライトガイドである。
【００４７】
尚、図５及び図６において図１に示した部分と同様の部分には同一符号を付している。
【００４８】
図６に示される密着イメージセンサーユニットは、ライン状に複数個のセンサーチップ２２０を読み取り原稿の長さに対応してセラミック基板２００上に精度良く並べてボンディングワイヤー２１０で基板配線と接続され封止樹脂２６０で覆われて構成されるセンサーアレイとレンズアレー４１０をフレーム４００で位置決め保持し、前記レンズアレーを含む光学系を保護する保護ガラス４２０、原稿照明用のＲ、Ｇ、Ｂ一体で成形されたＬＥＤ４４０、原稿照明用のライトガイド４３０で構成されている。前記ＬＥＤはリード４５０で前記セラミック基板接続されている。
【００４９】
原稿を読み取る場合、密着イメージセンサーユニットを副走査方向に移動しながら内蔵されたＬＥＤ，ライトガイドからＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの３色の光を切り替えて原稿に順次照明する。原稿のＲｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの３色の光情報を前記レンズアレーによりセンサーチップに結像し光情報を電気信号に変換し原稿読み取りシステムに電送する。
【００５０】
本発明の半導体装置のボンディングパッドは前記センサーチップの幅を小さくしウエハーからの取個数を増やすことによって密着イメージセンサーのコストダウンを可能にあるものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明の半導体装置によれば、半導体素子（能動素子）及び電極上にボンディングパッドを設ける半導体装置において、半導体素子にボンディングダメージが生じない。
【００５２】
また、本発明の別の半導体装置は、半導体基板上に複数の配線が積層された半導体装置において、突起電極下の配線がショートしない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の半導体装置の模式的断面図である。
【図２】本発明の半導体装置のボンディングパッドにワイヤーボンディングをする工程図である。
【図３】本発明の実施形態２の半導体装置の模式的断面図である。
【図４】本発明の実施形態２の半導体装置におけるボンディングパッドの構成を示した上面図である。
【図５】本発明の半導体装置を複数個並べて用いたセンサーアレイの斜視図である。
【図６】本発明の半導体装置を用いたセンサーアレイを組み込んだ密着イメージセンサーユニットの模式的断面図である。
【図７】従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した模式的断面図である。
【図８】従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した上面図である。
【図９】従来の半導体装置におけるボンディングパッドの構造を示した模式的断面図である。
【符号の説明】
１００  突起電極
１１０  バリアメタル
１２０  半導体の保護膜
１２５  保護膜の開口部
１３０  Ａｌ電極
１３５  Ａｌ電極の領域
１４０  Ａｌ配線間の絶縁膜
１４５  Ａｌ電極と隣接するＡｌ配線の距離
１５０  突起電極下に配されたＡｌ配線
１６０  酸化膜
１８０  突起電極下に配された能動素子
２００  基板
２１０  ボンディングワイヤー
２２０  半導体チップ
２３０  １ｓｔボンド部
２４０  ワイヤーの先端のＡｕボール
２５０  ボンディング時の衝撃荷重を受ける領域
２６０  チップ封止樹脂
４００  フレーム
４１０  レンズアレー
４２０  保護ガラス
４３０  ：ライトガイド
４４０  ＬＥＤ
４５０  ＬＥＤリード
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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