(57)【要約】【課題】半導体組立プロセスのボンディング時にパッドが受ける衝撃に対し耐クラック性を向上させ、さらにボンディング工法により加えられる引張り力が原因で発生するパッド剥離を防止するパッド構造を提供することを目的とする。【解決手段】金属材料で形成されるメタル層１と、メタル層１と絶縁層８を挟んで重なりメタル層１と絶縁層８を貫通するビア３で接続しているメタル層４と、メタル層４と絶縁層８を挟んで重なりメタル層４と絶縁層８を貫通するビア５で接続しているメタル層６と、メタル層６と絶縁層８を挟んで重なりメタル層６と絶縁層８を貫通するビア７で接続している最上層メタル層１０と、最上層メタル層１０に重なる外部端子１３とを備え、メタル層１、４、６、１０および外部端子１３の各周囲は絶縁層９、１１、１４に囲まれ、メタル層の外形寸法がメタル層１＞メタル層４＞メタル層６である。【選択図】図１
2005005564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料で形成される第１のメタル層と、前記第１のメタル層と第１の絶縁層を挟んで重なり前記第１のメタル層と前記第１の絶縁層を貫通する第１の接続プラグで接続している第２のメタル層と、前記第２のメタル層と第２の絶縁層を挟んで重なり前記第２のメタル層と前記第２の絶縁層を貫通する第２の接続プラグで接続している第３のメタル層と、前記第３のメタル層と第３の絶縁層を挟んで重なり前記第３のメタル層と前記第３の絶縁層を貫通する第３の接続プラグで接続している最上層メタル層と、前記最上層メタル層に重なる外部端子とを備え、前記第１のメタル層、前記第２のメタル層、前記第３のメタル層、前記最上層メタル層および前記外部端子の各周囲は絶縁層に囲まれ、前記第１のメタル層、前記第２のメタル層および前記第３のメタル層の外形寸法が異なることを特徴とするパッド構造。
【請求項２】
前記第１の接続プラグと、前記第２の接続プラグと、前記第３の接続プラグにおける縦方向の配置関係がジグザグになっている請求項１記載のパッド構造。
【請求項３】
前記第１のメタル層、前記第２のメタル層および前記第３のメタル層の外形寸法が順次小さくなる関係とし、前記第３のメタル層は平板に形成し、前記第１のメタル層および前記第２のメタル層は中央部にメッシュ状の穴を形成した請求項１または請求項２記載のパッド構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に半導体装置のパッド構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報技術の広がりとともにコンピュータ、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自身及び配線間の寄生容量による配線遅延がある。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開発による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表面化してきた。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）を採用することにより配線遅延を小さくするという解決を図ろうとしている。
【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幅に低下する。このことは半導体の回路形成を担う拡散工程が完了し、半導体のパッケージングを担う組立工程、特にワイヤボンド工程で問題となる。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、半導体素子自体の品質信頼性に大きく影響する。
【０００４】
そこで、従来は図７に示すようにパッド１３直下に層間絶縁膜８を挟んでメタル２０を形成し、そのメタル２０とパッド１３を接続プラグ７で接続することにより、ボンディングにより層間絶縁膜８へ与えられる衝撃をメタル２０が受け止め、さらに衝撃でメタル２０が衝撃の印加方向へ変形しようとするのを接続プラグ７が支えるようになり、パッド１３直下に成膜された層間絶縁膜８の機械的強度を向上させようとしているものがある（例えば特許文献１）。その結果、ボンディングにより伝わる衝撃による層間絶縁膜８の変形等のダメージが低減する。１１は第１の保護膜である。
【０００５】
一方、図８に示すように層間絶縁膜８上に応力緩和材１９を設けることによりワイヤボンドによるパッド直下への応力緩和を行い、パッド直下に成膜されている層間絶縁膜８に伝わる衝撃を抑制することにより、ボンディングによるダメージを抑える（例えば特許文献２）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１１４３０９号  明細書
【特許文献２】
特開平０１−２２０３９号  明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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。先ず図７のパッド構造についての課題について述べる。メタル２０が大面積化しメタル形成にダマシンプロセスを用いたとき、機械的化学研磨（次からはＣＭＰと略す）でメタル２０の中央部は大きく削られ膜厚は非常に薄くなる。これをディッシングと呼ぶ。パッド構造でメタル２０を３層にしているが、下層になると微細なビア加工を実現するためメタル２０の膜厚は薄膜化するためディッシングがより深刻な問題になる。メタル中央部のメタルが薄くなると、層間絶縁膜８に受けるボンディングの衝撃がより大きくなりダメージが発生する可能性が大きくなる。このディッシングがあるため最上層メタルより下層のメタル２０はパッド１３よりもメタル面積が少ないことが望ましい。
【０００８】
また半導体製造における組立プロセスの接合工法は主にワイヤボンディング工法とスタッドバンプボンディング（次からＳＢＢ工法と略す）がある。ワイヤボンディング工法は半導体素子に搭載されているパッド１３にＡｕボールを荷重を加えながら超音波を印加し圧着させた後、Ａｕワイヤをキャピラリーによりインターポーザの接続端子に誘導する。この時、パッド１３に接合されたＡｕボールにワイヤからの引張り力がかかることにより、パッド１３にも引張り力が加えられる。またＳＢＢ工法においても、先ず半導体素子に搭載されているパッド１３へＡｕボールを接合させる。これは上述したワイヤボンド工法と同様で荷重と超音波を印加し、パッド１３にＡｕボールを接合させる。その後、ボンディング設備に付設しているクランパでワイヤを掴み、パッド１３に接合されたＡｕボールとワイヤを分離する。この時にＡｕボールに引張り力が加わり、その結果パッド１３にも引張り力が加わる。
【０００９】
以上のように主流の接合工法はパッド１３に引張り力が加わり、同時にパッド１３に加わる引張り力で層間絶縁膜８およびメタル２０にも引張り力が加わる。このときメタル２０と層間絶縁膜８の境界の機械的強度は弱いため、いずれかのメタル２０と層間絶縁膜８の境界でボンディングによりクラックが発生した場合、上述したボンディングによる引張り力を受けることによりクラックの伝播を加速する。このとき全層のメタル２０と層間絶縁膜８の層の境界が揃っているため、上下層のメタルと層間絶縁膜の境界も影響を受けクラックを発生し、その結果パッドはく離を引起すことになる。
【００１０】
図８の課題は、応力緩和材１９を成膜することにより、従来のプロセスよりもプロセス工程数が増え、拡散期間が長くなり。またコストも増大させ拡散期間の短縮化と低コスト化の要求に大きく課題を残す。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ボンディングによるメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を発生させないパッド構造を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のパッド構造は、金属材料で形成される第１のメタル層と、第１のメタル層と第１の絶縁層を挟んで重なり第１のメタル層と第１の絶縁層を貫通する第１の接続プラグで接続している第２のメタル層と、第２のメタル層と第２の絶縁層を挟んで重なり第２のメタル層と第２の絶縁層を貫通する第２の接続プラグで接続している第３のメタル層と、第３のメタル層と第３の絶縁層を挟んで重なり第３のメタル層と第３の絶縁層を貫通する第３の接続プラグで接続している最上層メタル層と、最上層メタル層に重なる外部端子とを備え、第１のメタル層、第２のメタル層、第３のメタル層、最上層メタル層および外部端子の各周囲は絶縁層に囲まれ、第１のメタル層、第２のメタル層および第３のメタル層の外形寸法が異なることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項１記載のパッド構造によれば、ボンディング工法による引張り力でパッド剥離が発生するのは機械的強度が低い層間絶縁膜とメタルとの境界が縦方向に揃い、引張り力が層間絶縁膜とメタルとの境界が縦方向に揃った部分に垂直力として働くことにより起こる。また層間絶縁膜とメタルの境界はクラックが発生しやすい部分である。従ってボンディング工法によりパッドへ加わる引張り力によるパッド剥離の課題に対しては、パッドを構成するメタルの寸法を同一にしないことで、引張り力がメタルと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることによる引張り力が垂直力としてそのまま働くことを防ぐことで解決できる。したがって、ボンディングによるパッド剥離を発生させないパッド構造を提供する。
【００１４】
また、拡散期間の抑制と低コスト化において、本発明のパッド構造特有のプロセスは追加しなくてもよいため、従来と同様の拡散期間が維持でき、かつコストも増大することはない。
【００１５】
請求項２記載のパッド構造は、請求項１において、第１の接続プラグと、第２の接続プラグと、第３の接続プラグにおける縦方向の配置関係がジグザグになっているものである。
【００１６】
請求項２記載のパッド構造によれば、請求項１と同様な効果のほか、メタル同士を接続する接続プラグにおいても、接続プラグと層間絶縁膜の境界が存在するため、各層で縦方向にジグザグに接続プラグを配置することで、層境界を縦方向に揃えることを回避することができる。
【００１７】
請求項３記載のパッド構造は、請求項１または請求項２において、第１のメタル層、第２のメタル層および第３のメタル層の外形寸法が順次小さくなる関係とし、第３のメタル層は平板に形成し、第１のメタル層および第２のメタル層は中央部にメッシュ状の穴を形成したものである。
【００１８】
請求項３記載のパッド構造によれば、下層の薄膜化されたメタルのＣＭＰによるディッシングを抑えるためにメタルの面積を小さくする。但し最上層メタルより１層下のメタルは平板にする。平板にすることにより、より多くの最上層メタルより１層下の接続プラグを設け、ボンディングの衝撃に対し、より高い機械的強度を得るためである。また、ボンディングで印加される超音波を比較的強く受けるのが最上層メタルより１層下のメタルであるため、超音波によりダメージを受けやすいメタルにおいてメタルと層間絶縁膜の境界部分を少なくするためにも最上層メタルより１層下のメタルは平板とする。また、更に下層のメタルはメタル面積を少なくするためには、メタル中央部のメタル面積を減らすため、メタルを抜くことが有効である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のパッド構造について一実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１において、１は下層の第１のメタル層、２は第１のメタル層１の第１のバリアメタル、３は第１のメタル層１とその上の第２のメタル層４を接続する第１のビア、４は第１のメタル層１より１層上の第２のメタル層、５は第２のメタル層４とその上の第３のメタル層６を接続する第２のビア、６は第２のメタル層４より１層上の第３のメタル層、７は第３のメタル層６と最上層メタル層１０を接続する第３のビア、８は第１のビア３、第２のビア５、第３のビア７の周囲を覆いメタル層１、４、６、１０間に挟まれている第１の層間絶縁膜、９は第１のメタル層１、第２のメタル層４、第３のメタル層６および最上層メタル層１０の周囲を覆っている第２の層間絶縁膜、１０は最上層メタル層、１１は最上層メタル層１０の周辺部に成膜され、最上層メタル層１０と２μｍ重なっている第１の保護膜、１２は最上層メタル層１０の上に成膜される第２のバリアメタル、１３は外部端子、１４は外部端子１３の周辺部に成膜され、外部端子１３と２〜３μｍ重なっている第２の保護膜を示す。
【００２１】
図１に示すとおり、本発明における実施形態のパッド構造は、メタル層の中央部のメタルを第１のパターン１５、第２のパターン１６のようにメッシュ状に抜いた第１のメタル層１と第２のメタル層４と平板の第３のメタル層６と最上層メタル層１０をメタル間に第１の層間絶縁膜８を挟み積み重なった構造になる。そして第１のメタル層１、第２のメタル層４、第３のメタル層６および最上層メタル層１０の周囲に第２の層間絶縁膜９が成膜されている。また、第１のメタル層１と第２のメタル層４、第２のメタル層４と第３のメタル層６、第３のメタル層６と最上層メタル１０を接続するプラグとして第１のビア１３、第２のビア５、第３のビア７を搭載する構造になる。第１のメタル層１、第２のメタル層４、第３のメタル層６および最上層メタル１０の上面を除く周囲には第１のバリアメタル２を成膜し、メタルが層間絶縁膜に拡散することを防止すると同時に層間絶縁膜との密着性を向上させる働きをする。最上層メタル１０の上には、外部端子１３と最上層メタル１０の密着性を向上させるための第２のバリアメタル１２と外部環境の影響に関係なく品質信頼性を確保するための第１の保護膜１１を成膜する。
【００２２】
上述したように、第３のメタル層６は平板であるが寸法を短くし、第１のメタル層１と第２のメタル層４の中央部のメタルをメッシュ状に抜くことによりメタルの面積が減少しＣＭＰによるディッシングが発生せず、その結果規格内のメタル膜厚が確保され、ボンディングに対する耐ダメージ性を確保する。第３のメタルを平板としたのはボンディング時の衝撃が比較的大きいため強度が低いメタルと層間絶縁膜の境界を短くするためである。更に第１のメタル層１と第２のメタル層４と第３のメタル６の寸法を、第１のメタル層１＞第２のメタル層４＞第３のメタル層６に設計することにより、ボンディング工法の引張り力に弱いメタルと層間絶縁膜の境界が縦方向に重なることをなくすことにより、ボンディング工法による引張り力で発生するメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を解決できる。
【００２３】
したがって、第１の実施の形態によれば、半導体組立工程であるボンディングによるパッド直下、特に絶縁層間膜のダメージフリーおよび絶縁層間膜からの外部端子のはく離防止を実現できる。
【００２４】
図２は、図１とは別の実施の形態であり、図１のパッド構造の機械的強度を強くするため、図２に示すように第１のビア１と第２のビア５および第３のビア７を縦方向にジグザグに互いにずらせて配置している。各ビアと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることをなくすことができ、パッド剥離の原因をなくすことができる。
【００２５】
図３から図６には図１および図２におけるパッド構造の製造方法を示す。
【００２６】
図３（ａ）で第１の層間絶縁膜８の上に第２の層間絶縁膜９を化学気相堆積法（次からＣＶＤと略する）により成膜する。図３（ｂ）で第２の層間絶縁膜９にドライエッチング法により溝１７を形成する。図３（ｃ）は溝１７に電解めっきにより第１のメタル層１を埋め込む。図３（ｄ）は図３（ｃ）で埋め込んだ第１のメタル層１をＣＭＰにより第２の層間絶縁膜９が露出するまで平坦化する。図３（ｅ）は再び上面に第１の層間絶縁膜８をＣＶＤにより成膜する。図３（ｆ）は図３（ｅ）で成膜した第１の層間絶縁膜８にドライエッチング法によりビア溝１８を形成する。図３（ｇ）はビア溝１８に電解めっきにより第１のビア３を埋め込み、図３（ｅ）で成膜した第１の層間絶縁膜８が露出するまでＣＭＰにより平坦化を行う。図３（ｃ）〜（ｇ）を繰り返すことにより第２のメタル層４、第３のメタル６、最上層メタル１０、第２のビア５、第３のビア７を順次形成し、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すとおりになる。次に図４（ｃ）に示すようにＣＶＤにより第１の保護膜１１を成膜し、ドライエッチング法により最上層メタル１０が直下に存在する部分を開口する。図５（ａ）でＣＶＤにより第２のバリアメタル１２と外部端子１３を積層する。図５（ｂ）ではドライエッチング法により第２のバリアメタル１２と外部端子１３をパッド形状に形成する。そして図６（ａ）は最上層に第２の保護膜１４をＣＶＤにより成膜し、最後に外部端子１３が存在する部分のみドライエッチング法により開口し、図６（ｂ）に示すような図１または図２に示すパッド構造が製造できる。
【００２７】
以上のような本実施形態をとることにより、ボンディングによる衝撃および引張り力に対し更に耐クラック性を向上させる効果があり、層間絶縁膜における機械的強度の低下による接続不良をなくすことができる。従って半導体の高速化を優先し層間絶縁膜を選択でき、半導体の性能向上に大きく貢献する。
【００２８】
また、拡散期間の抑制と低コスト化においては、本発明のパッド構造特有のプロセスは追加されないため、従来と同様の拡散期間が維持でき、かつコストも増大することはない。
【００２９】
【発明の効果】
請求項１記載のパッド構造によれば、パッドを構成するメタルの寸法を同一にしないことで、引張り力がメタルと層間絶縁膜の境界を縦方向に揃えることによる引張り力が垂直力としてそのまま働くことを防ぐことで解決できる。したがって、ボンディングによるメタルと層間絶縁膜の境界のクラックが原因で発生するパッド剥離を発生させないパッド構造を提供することができる。
【００３０】
請求項２記載のパッド構造によれば、請求項１と同様な効果のほか、メタル同士を接続する接続プラグにおいても、接続プラグと層間絶縁膜の境界が存在するため、各層で縦方向にジグザグに接続プラグを配置することで、層境界を縦方向に揃えることを回避することができる。
【００３１】
請求項３記載のパッド構造によれば、メタルの面積を小さくすることにより、下層の薄膜化されたメタルのＣＭＰによるディッシングを抑えることができる。但し最上層メタルより１層下のメタルは平板にすることにより、より多くの最上層メタルより１層下の接続プラグを設け、ボンディングの衝撃に対し、より高い機械的強度を得ることができる。また、ボンディングで印加される超音波を比較的強く受けるのが最上層メタルより１層下のメタルであるため、超音波によりダメージを受けやすいメタルにおいてメタルと層間絶縁膜の境界部分を少なくするためにも最上層メタルより１層下のメタルは平板とするのがよい。また、更に下層のメタルはメタル面積を少なくするため、メタル中央部のメタル面積を減らすように、メタルを抜くことが有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における一実施形態を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ′断面図、（ｄ）はそのＣ−Ｃ′断面図、（ｅ）はＤ−Ｄ′断面図である。
【図２】本発明における別の実施形態の断面図である。
【図３】本発明の各実施形態に係る製造方法を示し、（ａ）から（ｇ）は製造順の工程断面図である。
【図４】図３に続く工程断面図である。
【図５】図４に続く工程断面図である。
【図６】図５に続く工程断面図である。
【図７】従来の接続工法の断面図である。
【図８】別の従来の接続工法の断面図である。
【符号の説明】
１    第１のメタル層
２    第１のバリアメタル
３    第１のビア
４    第２のメタル層
５    第２のビア
６    第３のメタル層
７    第３のビア
８    第１の層間絶縁膜
９    第２の層間絶縁膜
１０  最上層メタル層
１１  第１の保護膜
１２  第２のバリアメタル
１３  外部端子
１４  第２の保護膜
１５  第１のパターン
１６  第２のパターン
１７  溝
１８  ビア溝
１９  応力緩和材
【図１】
2005005564.tif 000003
【図２】
2005005564.tif 000004
【図３】
2005005564.tif 000005
【図４】
2005005564.tif 000006
【図５】
2005005564.tif 000007
【図６】
2005005564.tif 000008
【図７】
2005005564.tif 000009
【図８】
2005005564.tif 000010