(57)【要約】【課題】  ワイヤボンディング時の衝撃により配線間の層間絶縁膜に生じるクラックを抑制する。【解決手段】  導電層からなる電極４と、電極４上に形成された導電層からなる外部端子８と、電極４の下部に絶縁層５を挟んで異電位の配線層３とを備えた半導体装置であって、電極４に低誘電率膜層１２が埋設されている。これにより、外部端子８に対するワイヤボンドの衝撃に対して電極中に設けた低誘電率膜層１２によって外部端子８下部へかかる応力を分散する。このため、半導体組立プロセスにおいて外部端子８下に異電位の配線を有する場合、ワイヤボンド時の応力により発生する上層の電極４と下層の配線層３の層間にある絶縁膜５中に発生するクラックを抑制することが可能である。その結果、上層の電極４と下層の配線層３間でのリーク発生防止を実現できる。【選択図】  図１
2005079432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層からなる電極と、前記電極上に形成された導電層からなる外部端子と、前記電極の下部に絶縁層を挟んで異電位の配線層とを備えた半導体装置であって、前記電極に低誘電率膜層が埋設されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電極の導電材料は銅からなり、前記外部端子の導電材料はアルミニウムからなる請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極に埋設された低誘電率膜層を円柱状とし、前記低誘電率膜層中に前記電極と同一材料からなる円柱状の導電層を設け、前記電極と前記円柱状の導電層とを、前記電極と同一材料で前記円柱状の導電層を中心として相互に等角度をなすように形成された配線で４方向を繋いでいる請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ボンディングパッドを有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年コンピュータや通信機器を中心とした電子機器の小型化と高機能化に伴い、半導体装置の小型化、高密度化及び高速化への要求がますます強くなってきている。しかし半導体の高速化の大きな妨げになるのが、ＭＯＳトランジスタ自体の遅延及び配線遅延である。従来は微細加工技術によりゲート長を短くすることでＭＯＳトランジスタ自体の遅延を低減してきた。一方、微細加工技術進展による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。そこで配線遅延を小さくするため従来のＡｌ配線に代わりＣｕ配線が採用されるとともに、配線間に挟まれる絶縁膜に誘電率３.０以下の材料（低誘電率膜）が採用されつつある。
【０００３】
こうした半導体装置の製造において半導体チップの電極パッドと外部の接続リードを金属細線で接続する或いは電極パッドにバンプ形成するために、汎用性に優れるＡｕ線を用いたボールボンディングが広く一般に普及している。
【０００４】
以下、図４を参照しながら、従来の半導体製造装置ついて説明する。
【０００５】
図４（ａ）は従来の半導体製造装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）そのＡ−Ａ'断面図である。図４において、１は第１の層間絶縁膜、２は第１の配線間絶縁膜、３は下層メタル、４は最上層メタル、５は第２の層間絶縁膜、６は第２の配線間絶縁膜、７は第１の保護膜、８は外部端子、９は第２の保護膜、１０はボンディングワイヤである。
【０００６】
図４に示すように、従来は第１の層間絶縁膜１の上に第1の配線間絶縁膜２及び下層メタル３を形成する。第1の配線間絶縁膜２及び下層メタル３の上に下層メタル３と最上層メタル４の間を絶縁する目的で第２の層間絶縁膜５を形成し、第２の層間絶縁膜５の上に第２の配線間絶縁膜６及び最上層メタル４を形成する。第２の配線間絶縁膜６及び最上層メタル４の上に第1の保護膜７を形成した後、外部端子８との接続部を開口する。開口部の上に外部端子８をＡｌ系材料で形成する。外部端子８の上に第２の保護膜９を形成した後に開口する。
【０００７】
上記ウェーハプロセス後、ダイシング、ダイボンドを行い、外部端子８にボンディングワイヤ１０を押圧し、超音波をかけながらボンディングワイヤ１０と外部端子８を接合させる。
【特許文献１】特開平１０−１９９９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４に示すような上記従来のボンディングパッド構造ではボンディングワイヤ１０を用いてボールボンディングする際に加えられる衝撃荷重、超音波及び圧力により第２の層間絶縁膜５がダメージを受けてクラックが生じ、最上層メタル４と下層メタル３が異電位の場合、配線間でのリークが発生するという課題が存在する。特に、超音波の振幅と垂直方向かつボンディングワイヤ１０の接合部エッジ下部に応力が集中してクラックが発生しやすい。また第２の層間絶縁膜５に機械的強度の低い低誘電率膜を採用した場合、その傾向が顕著になる。
【０００９】
したがって、この発明の目的は、以上の課題を解決するために、ボンディングパッドを有する半導体製造装置におけるボンディングワイヤを用いたボールボンディング時に発生する配線間の層間絶縁膜に生じるクラックを抑制することができるボンディングパッド構造を有する半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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、導電層からなる電極と、前記電極上に形成された導電層からなる外部端子と、前記電極の下部に絶縁層を挟んで異電位の配線層とを備えた半導体装置であって、前記電極に低誘電率膜層が埋設されている。
【００１１】
請求項２記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記電極の導電材料は銅からなり、前記外部端子の導電材料はアルミニウムからなる。
【００１２】
請求項３記載の半導体装置は、請求項１記載の半導体装置において、前記電極に埋設された低誘電率膜層を円柱状とし、前記低誘電率膜層中に前記電極と同一材料からなる円柱状の導電層を設け、前記電極と前記円柱状の導電層とを、前記電極と同一材料で前記円柱状の導電層を中心として相互に等角度をなすように形成された配線で４方向を繋いでいる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の請求項１記載の半導体装置によれば、導電層からなる電極と、電極上に形成された導電層からなる外部端子と、電極の下部に絶縁層を挟んで異電位の配線層とを備え、電極に低誘電率膜層が埋設されているので、外部端子に対するワイヤボンドの衝撃に対して電極中に設けた低誘電率膜層によって外部端子下部へかかる応力を分散する。このため、半導体組立プロセスにおいて外部端子下に異電位の配線を有する場合、ワイヤボンド時の応力により発生する上層の電極と下層の配線層の層間にある絶縁膜中に発生するクラックを抑制することが可能である。その結果、上層の電極と下層の配線層間でのリーク発生防止を実現できる。
【００１４】
請求項２では、電極の導電材料は銅からなり、外部端子の導電材料はアルミニウムからなるので、配線遅延を小さくするため銅配線が採用された半導体装置において汎用性に優れるボールボンディングに適したボンディングパッド構造を実現できる。
【００１５】
請求項３では、電極に埋設された低誘電率膜層を円柱状とし、低誘電率膜層中に電極と同一材料からなる円柱状の導電層を設け、電極と円柱状の導電層とを、電極と同一材料で円柱状の導電層を中心として相互に等角度をなすように形成された配線で４方向を繋いでいるので、超音波の振幅方向に対して垂直及びクラックの発生しやすいボンディングワイヤの接合部エッジの下部の上層の電極中に設けた低誘電率層が割れることで応力を分散させ、上層の電極と下層の配線間の絶縁膜に至るクラックの発生を抑制することができる。また、低誘電率層は４方向にスリット状の配線が存在するので、半導体装置の方向が９０度回転しても問題なく対応することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明の第１の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ'断面図である。
【００１７】
図１において、１は第1の層間絶縁膜、２は第1の配線間絶縁膜、３は下層メタル（配線層）、４は最上層メタル（電極）、５は第２の層間絶縁膜、６は第２の配線間絶縁膜、７は第1の保護膜、８は外部端子、９は第２の保護膜、１０はボンディングワイヤ、１１はクラック、１２は低誘電率膜パターンである。
【００１８】
図１に示すように、銅等の導電層からなる電極４と、電極４上に形成されたアルミニウム等の導電層からなる外部端子８と、電極４の下部に絶縁層５を挟んで異電位の配線層３とを備え、電極４に低誘電率膜層１２が埋設されている。この場合、第２の層間絶縁膜５を低誘電率膜とし、この上の最上層メタル４中に第２の配線間絶縁膜６と同種材料の低誘電率膜パターン１２を円柱状に形成する。低誘電率膜パターン１２の円の直径はボンディングワイヤ１０のボール圧着径と同程度のサイズで設ける。効果として、外部端子８を通じて伝わるワイヤボンディング時の衝撃を最上層メタル４中に設けた低誘電率パターン１２が割れることで応力を分散させ、第２の層間絶縁膜５に至るクラックの発生を抑制することができ、その結果として最上層メタル４と下層メタル３の間のリークを防止することが可能になる。
【００１９】
なお、前記の第２の層間絶縁膜５は低誘電率膜に限らず、低誘電率膜の機械的強度以上を有する絶縁膜であればよい。低誘電率膜パターン１２はワイヤボンド時の応力を分散できれば円柱以外の形状でもよい。また、最上層メタル４の導電材料は銅、外部端子８の導電材料はアルミニウムとしたがこれ以外でもよい。
【００２０】
図２は本発明の実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。
図２（ａ）に示すように、第1の層間絶縁膜１の上に第1の配線間絶縁膜２を化学気相堆積法（以下、ＣＶＤと略す）により成膜する。図２（ｂ）に示すように、第1の配線間絶縁膜２にドライエッチ法により第１の配線溝１４を形成する。図２（ｃ）に示すように、第1の配線溝１４に電解めっきにより第1のメタル１５を埋め込む。図２（ｄ）に示すように、図２（ｃ）で埋め込んだ第1のメタル１５を機械的化学研磨（以下、ＣＭＰと略す）により第1の配線間絶縁膜２が露出するまで平坦化を進める。これにより第１のメタル１５から下層メタル３を形成する。図２（ｅ）に示すように、ＣＶＤにより第２の層間絶縁膜５を成膜する。図２（ｆ）に示すように、第２の層間絶縁膜５の上に第２の配線間絶縁膜６をＣＶＤにより成膜する。図２（ｇ）に示すように、低誘電率膜パターン１２を残して、第２の配線間絶縁膜６に第２の配線溝１６をドライエッチ法により形成する。図２（ｈ）に示すように、第２の配線溝１６へ電解めっきにより第２のメタル１７を埋め込む。図２（ｉ）に示すように、図２（ｈ）で埋め込んだ第２のメタル１７をＣＭＰにより第２の配線間絶縁膜６が露出するまで平坦化を進める。これにより第２のメタル１７から最上層メタル４を形成する。
【００２１】
次に図２（ｊ）に示すように、ウェーハ全面にＣＶＤを用いて第1の保護膜７を成膜する。保護膜材料はＳｉＮが採用される。図２（ｋ）に示すように、図２（ｊ）で成膜した第1の保護膜７をドライエッチ法により最上層メタル４の上のみ開口する。図２（ｌ）に示すように、ウェーハ全面にＣＶＤを用いて外部端子８の材料となるメタルを成膜する。外部端子８の材料にはＡｌ系が用いられる。図２（ｍ）に示すように、ドライエッチ法により図２（ｌ）で成膜した外部端子８のメタルを外部端子８の形状に形成する。図２（ｎ）に示すように、ウェーハ全面にＣＶＤを用いて第２の保護膜９を成膜する。保護膜材料はＳｉＮが採用される。図２（ｏ）に示すように、外部端子８上の第２の保護膜９をドライエッチ法により開口する。以上の工程を経て本発明の実施形態の半導体装置を製造する。
【００２２】
以上のように本実施形態によれば、ワイヤボンドの衝撃に対して最上層メタル中に設けた低誘電率膜パターンによって外部端子下部へ掛かる応力を分散するため、ワイヤボンド時に発生する最上層メタルから層間絶縁膜を介して下層メタルに至るクラックの発生を抑制することが可能である。また、半導体装置の製造期間については、低誘電率膜パターンを配線間絶縁膜と同一材料で形成するため、パッド構造特有のプロセスを追加する必要がなく従来と同様の拡散期間が維持できる。
【００２３】
この発明の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。図３（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ'断面図である。
【００２４】
図３に示すように、銅等の導電層からなる電極４と、電極４上に形成されたアルミニウム等の導電層からなる外部端子８と、電極４の下部に絶縁層５を挟んで異電位の配線層３とを備え、電極４に円柱状の低誘電率膜層１３が埋設されている。また、低誘電率膜層１３中に電極４と同一材料からなる円柱状の導電層４ａを設け、電極４と円柱状の導電層４ａとを、電極４と同一材料で円柱状の導電層４ａを中心として相互に等角度をなすように形成された配線４ｂで４方向を繋いでいる。
【００２５】
この場合、図３において、低誘電率膜パターン１３は図１の低誘電率膜パターン１２の中に円柱状のメタル４ａを設け、中心線に対して４５°のメタル配線４ｂで四方繋いだ形態を有するものである。低誘電率膜パターン１３の円の外径はボンディングワイヤ１０のボール圧着径と同程度、内径は外径の４０〜６０％のサイズで設ける。効果として、超音波の振幅方向に対して垂直及びクラックの発生しやすいボンディングワイヤ１０の接合部エッジの下部の最上層メタル４中に設けた低誘電率パターン１３が割れることで応力を分散させ、第２の層間絶縁膜５に至るクラックの発生を抑制することができ、その結果として最上層メタル４と下層メタル３の間のリークを防止することが可能になる。また低誘電率膜パターン１３は４方向にスリット状の低誘電率膜が存在するため、チップの方向が９０°回転しても問題なく対応することが可能である。
【００２６】
なお、本実施形態の製造方法は、円柱状のメタル４ａ、メタル配線４ｂを設ける点を除いては第１の実施形態の図２と同様である。その他の構成効果は、第１の実施の形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明にかかる半導体装置は、ワイヤボンド時の応力により発生する上層の電極と下層の配線層の層間にある絶縁膜中に発生するクラックを抑制することが可能となり、上層の電極と下層の配線層間でのリーク発生防止を実現できるという効果を有し、小型化、高密度化及び高速化が要求されるコンピュータや通信機器を中心とした電子機器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態の半導体装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ'断面図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態の半導体装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ'断面図である。
【図４】（ａ）は従来の半導体製造装置のボンディングパッドを示す断面図、（ｂ）そのＡ−Ａ'断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  第1の層間絶縁膜
２  第1の配線間絶縁膜
３  下層メタル
４  最上層メタル
５  第２の層間絶縁膜
６  第２の配線間絶縁膜
７  第1の保護膜
８  外部端子
９  第２の保護膜
１０  ボンディングワイヤ
１１  クラック
１２  低誘電率膜パターン
１３  低誘電率膜パターン
１４  第1の配線溝
１５  第1のメタル
１６  第２の配線溝
１７  第２のメタル
【図１】
2005079432.tif 000003
【図２】
2005079432.tif 000004
【図３】
2005079432.tif 000005
【図４】
2005079432.tif 000006