(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子が設けられた中心部分と、該中心部分の周囲に配置され前記回路素子と電気的に接続された複数のボンディングパッドとを有する集積回路チップ上に設けられたサージ保護装置であって、
前記集積回路チップの各ボンディングパッドに電気的に結合され且つ前記集積回路チップの中心部分の上に形成されたサージ保護層と、
前記サージ保護層に結合された接地面とを具え、
過電圧サージの発生時に前記接地面と前記サージ保護層が前記ボンディングパッドの少なくとも１つと接地との間に低抵抗電流路を形成することを特徴とするサージ保護装置。
【請求項２】
前記サージ保護層が集積回路のボンディングパッドの一部分と重なっていることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項３】
前記サージ保護層が集積回路のボンディングパッドの延長部と重なっていることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項４】
前記サージ保護層がパッシベーション層であることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項５】
前記接地面が前記サージ保護層の上に位置することを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項６】
前記サージ保護層がシリコン又はシリコンベース組成物であることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項７】
前記サージ保護層がセラミックであることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項８】
前記サージ保護層が非線形抵抗材料であることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項９】
前記サージ保護層が無充填誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料であることを特徴とする請求項１記載のサージ保護装置。
【請求項１０】
過電圧サージにより生ずる不慮の損傷から保護された集積化回路であって、
中心部分に回路素子を有する半導体本体と、
中心部分の周囲に配置され前記回路素子に結合された複数のボンディングパッドと、
中心部分と各ボンディングパッドの一部分を覆うサージ保護層と、
前記サージ保護層の上に設けられた接地面と、
を具えることを特徴とする集積回路。
【請求項１１】
前記サージ保護層により覆われた各ボンディングパッドの部分がボンディングパッドの延長部であることを特徴とする請求項１０記載の集積回路。
【請求項１２】
前記サージ保護層がパッシベーション層であることを特徴とする請求項１０記載の集積回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は一般に半導体集積回路、特に静電放電のような過電圧トランジェントにより生ずる不慮の損傷を防止する集積回路用保護装置に関するものである。
【０００２】
集積回路パッケージに供給し得る電圧の大きさは、集積回路パッケージの物理的大きさがかなり小さいためにかなり制限されることが一般に知られている。集積回路パッケージを使用しないと、例えば保管又は出荷中に、その外部リード又はピンがその上に静電荷の蓄積を受け易い。集積回路パッケージが偶然大地電位と接触すると、蓄積静電荷が大地へ流れる。このような静電放電は集積回路パッケージ内にマウントされた半導体素子又はチップを損傷又は破壊するに十分なエネルギーを有し、極めて危険である。
【０００３】
このような静電放電の発生時に集積回路内の半導体チップを破壊から保護するために、従来は半導体チップが予期しない高電圧を受けると降伏するトランジスタ素子又は逆バイアスされたｐｎ接合のような保護素子を設けている。
【０００４】
（発明の開示）
本発明は過電圧電力サージにより生ずる不慮の損傷を防止する改良形集積回路用保護装置を提供する。この保護装置は、製造を比較的簡単且つ経済的にするために、ボンディングパッドと集積回路のパッシベーション形層とを用いる。本発明では集積回路のパッシベーション形層をボンディングパッドの上まで延在させ、接地面をこのパッシベーション形層の上に位置させてこの組合わせで過電圧スイッチング素子を生成する。パッシベーション形層は多種多様の材料の任意のものとすることができる。
【０００５】
本発明の一つの態様では、集積回路のボンディングパッドに結合されたサージ保護層と該サージ保護層に結合された接地面とを有する、集積回路上に設けられたサージ保護装置を提供する。
【０００６】
本発明の他の態様では、中心部分に回路素子を有する半導体本体と、中心部分の周囲に配置され前記回路素子に結合された複数のボンディングパッドと、中心部分と各ボンディングパッドの一部分を覆う過電圧トランジェント保護層と、該過電圧トランジェント保護層の上に設けられた接地面とを有し、過電圧トランジェントにより生ずる不慮の損傷から保護された集積回路を提供する。
【０００７】
（好適実施例の詳細な説明）
本発明の目的及び利点は添付図面を参照して以下に記載する詳細な説明を読めば明らかになる。図面において対応する部分は全図を通して同一の番号で示す。図面につき詳細に説明すると、図１は半導体集積回路チップ又はダイ１０の上面図を示す。チップ１０は、例えばシリコンのほぼ方形又は矩形の半導体本体を有するとともに、その中心部分１１内に形成された多数の能動及び受動回路素子（図制御せず）を有する。処理すべき信号をチップに供給し、処理された信号をチップから得るために、チップ１０にはチップ１０の周縁近くに配列された多数の信号ボンディングパッド１２が設けられている。これらの信号ボンディングパッド１２は、チップ１０の中心部分１１内に含まれている回路素子に電気的に結合された入力ボンディングパッド、出力ボンディングパッド及び入力−出力（Ｉ／Ｏ）ボンディングパッドの任意の組合わせからなるものとすることができる。
【０００８】
チップ１０は、通常、ＤＩＰ（デュアルインラインパッケージ）型又はＳＩＰ（シングルインラインパッケージ）型、及び気密封止金属リッド又はモールドプラスチックパッケージのような複数の外部リード又ピン（図示せず）が設けられたパッケージ（図示せず）内にマウントされる。ボンディングパッド１２上にはんだボールを用いてチップ及び保護装置を集積回路パッケージに接続するフリップチップ構成は本発明の範囲に含まれる。
【０００９】
チップ１０が複数の外部ピン（図示せず）のどれかに蓄積された静電荷のような過電圧トランジェントにより損傷又は破壊されないようにするために、本発明のチップ１０は全てのボンディングパッド１２を相互連結して静電荷を有する外部ピン上のサージを直ちに低抵抗通路を経て接地ピンに搬送する保護装置を含んでいる。静電放電事象（即ち高電圧、低電流、短持続時間）は集積回路素子の薄い酸化膜を危険にさらし、大きな電力消費が熱を発生し、そこに形成されている接合を損傷するため、この保護装置は高電圧を帯電されたピンと接地との間を流れる高電流パルスに変換するように設計されている。実際上、これは複数の外部ピンの任意の一つと残りの外部ピンの任意の一つとの間に達成することができる。
【００１０】
一実施例では、本発明の保護装置は導電接地面１４（例えば銅又はニッケルとし得るがこれに限定されない）と結合された（即ち電気的に伝導する）サージ保護層１３（図２−５）を具え、このサージ保護層１３はチップの中心部分１１と各ボンディングパッド１２の一部分を覆う。接地面１４は、必ずしもそうする必要はないが、サージ保護層１３と接触させるのが好ましい。更に、接地面１４は図に示すようにパッシベーション層の中心部分のほぼ全域に延在させるのが好ましいが、本発明の範囲内では、接地面はパッシベーション層の周縁又はその近くでリングを形成するものとすることもできる。接地面１４と装置の接地との間の接地接続は、例えば接地面を集積回路の接地パッドに結合することにより行われる。図２、３及び５に示すように、サージ保護層１３及び接地面１４はボンディングパッド１２の一部分の上まで延在させるだけとし、これらのパッドのパッケージへの慣例のボンディング用部分を残存させる。或いは又、図４に示すように、ボンディングパッド１２を延長部１５を有するように僅かに変更されたもの（１２’で示す）とすることもできる。延長部１５をサージ保護層１３及び接地面１４で覆ってボンディングパッド１２全体を集積回路パッケージへの慣例のボンディングために使用可能にする。この実施例から明らかになるように、サージ保護層１３及び接地面１４は（その方が好ましいが）ボンディングパッドの上に位置させる必要はなく、ボンディングパッドと電気的に伝導させるだけでよい。
【００１１】
サージ保護層１３は、最初に絶縁体として作用し、次いで過電圧状態（例えば電圧スパイク）がボンディングパッドの一つに発生するとき導通状態にスイッチする多種多様の材料のうちの任意の一つとすることができる。このようにすると、サージ保護装置は電圧スパイクをサージ保護層１３を経て接地面１４に流し、次いで接地接続を経て接地パッドに流すことにより接地へ分路する。
【００１２】
約１．６ミル以下のサージ保護層１３が有効な過電圧保護をもたらし、他の環鏡では約０．８ミル以下が有効であることが確かめられた。多くの用途においては、約０．５ミル以下の厚さ、特に約０．２ミル以下の厚さにするのが好ましい。このように動作する本発明のサージ保護層１３は、ポリマ、ポリマ−金属複合材料、ガラス、セラミック（例えばＡｌＮ又はＡｌ２Ｏ３）、ポリマ−ガラス複合材料、ポリマ−セラミック複合材料、誘電体又は非線形抵抗材料にし得るがこれに限定されない。サージ保護層１３はパッシベーション層として作用し、従って集積回路チップの慣例のパッシベーション層とすることもできる。驚いたことに、慣例のパッシベーション層を接地面とボンディングパッドとの間に位置させると、慣例のパッシベーション層が過電圧状態の発生時に非線形抵抗スイッチング材料のように動作することが発見された。パッシベーション層の例は、化学気相成長又はスパッタされた窒化シリコン、二酸化シリコン、カーバイド、ＲＦスパッタされたセラミック材料、例えば種々のドープ及びアンドープチタン酸塩、ジルコン酸塩、ニオブ酸塩、タンタル酸塩、錫酸塩、ハフニウム酸塩及びマンガン酸塩を含む。
【００１３】
同様に、サージ保護層は過電圧状態になるまでボンディングパッド１２から接地面への電流の流れを妨げるような非線形抵抗材料又は任意の誘電体材料とすることができる。サージ保護層の非線形抵抗特性は使用する材料及び材料の容積により決まる。シリエルに付与された米国特許第４，９７７，３５７号、ディアズ他に付与された米国特許第４，９２８，１９９号、ハイアット他に付与された米国特許第４，７２６，９９１号を参照されたい。動作状態において、非線形抵抗材料は最初は高い電気抵抗値を有する。回路が過電圧スパイクを受けると、非線形抵抗材料は急速に低抵抗値状態に変化して過電圧を接地に短絡する。過電圧が通り過ぎると、材料は直ちに高電気抵抗値状態に復帰する。これらの非線形抵抗材料は代表的には有機樹脂又は絶縁媒体内に分散された細粒を含んでいる。例えば、米国特許第４，９７７，３５７号（シリエル）及び米国特許第４，７２６，９９１（ハイアット他）がこのような材料を開示している。
【００１４】
サージ保護層としてニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料からなる薄い層を具える本発明の他の実施例では、ニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料からなる前記層が十分に薄ければ、サージ保護装置が驚いたことに所望の範囲のクランプ電圧で有効になることが確かめられた。いくつかのポリマに対しては、約０．８ミル以下の厚さが種々の状態の下で有効な過電圧保護をもたらすが、他のいくつかのポリマに対しは約１．６ミル以下の厚さが所望の性能特性をもたらすことが確かめられた。多くの用途において、厚さは約０．５ミル以下、特に約０、２ミル以下にするのが好ましい。同様に、サージ保護層をガラス層とする場合には、その厚さは約０．８ミル以下にするのが好ましいが、ある用途においてはいくつかのガラスに対し約１．６ミルまでの厚さにするのが適切である。当業者に認識されるように、特定の過電圧保護機能に使用されるニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料層の実際の厚さは使用するポリマ又はガラスのタイプ、サージ保護層が使用されるＩＣチップの動作状態及びサージ保護層の所要の性能特性に応じて変化する。
【００１５】
本願明細書において使用されている、用語「ニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料」は、予定の用途の通常の電圧及び電流状態の下で誘電体又は絶縁材料として作用することができ且つ従来の非線形抵抗材料と関連する結合剤やその他のものに一般に使用されているような導電性又は半導電性粒子を含まない無充填ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料を意味する。しかし、「ニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料」は上述の条件を満足するポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料を含むことを意図するが、絶縁性又は不活性粒子又は本発明で使用するポリマ又はガラス層の所望の絶縁／過電圧保護特性を妨害しない材料又は不活性の材料を含むもの又はこのような材料が付加されたものとすることができる。
【００１６】
本発明のこの点に有用なポリマ及びガラスは、慣例の非線形抵抗材料内の結合剤として有用であることが知られているポリマから選択することができ、このようなポリマはトラッキングに対し高い抵抗を有するとともにアーク放電に対し高い抵抗を有する。更に、これまでこのような結合剤として好適でない又は使用されていない他のポリマ及びガラスも、これらが本発明の装置に対し選択される動作状態の下で十分な絶縁特性、十分な耐トラッキング抵抗及び耐アーク放電抵抗を示せば、本発明において有用である。
【００１７】
一般に、本発明に有用なポリマのタイプは、シリコンゴム及びエラストマ、天然ゴム、オルガノポリシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリアクリロニトリル、ポリアセタル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、フェノールホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリアミド、フェノキシ樹脂、ポリサルファイド樹脂、ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリビニルクロライド、フルオロポリマ及びクロロフルオロポリマを含む。これらの及び他の有用な材料はそれ自身で使用することができ、また種々の置換基を含むことができ、且つその混合物、ブレンド又はコポリマとすることができ、上述した基準に従って最終ポリマを選択する。特に好適なポリマはGenera Electric ”615” siliconの商品名で市販されている慣例のものであり、特にこのポリマを約２００℃で約１５分間硬化させて本発明に良好に適する特性を得るのが好ましい。このポリマは約０．２ミルの厚さで良好な特性をもたらすことが確かめられた。本発明に有用な他の形態のポリマは所望の厚さのマットに圧縮されたポリマ繊維織物又は不織ポリマ繊維である。例えば、本発明に有用なポリマ繊維材料は、E.I. De Pont de Nemours & Companyから”KEVLAR”又は”NOMEX”不織マットとして市販されている不織アラミド（アロマチックポリイミド）繊維の層である。約１．６ミルの不織アラミド繊維マットは０．８ミルの厚さに比較して良好な特性をもたらすことが確かめられた。
【００１８】
本発明に有用なガラス材料も同様に非線形抵抗材料内の結合剤として使用されているガラス材料、例えば珪酸ナトリウムである。珪酸ナトリウムのような誘電性ガラスは、一般に、ポリマ材料について述べた厚さと同様の厚さで本発明に有である。更に、ガラスファイバを用いて本発明のための誘電性ガラスを形成することができる。
【００１９】
当業者に認識されるように、所望のクランプ電圧及び他の所望の特性を示すためにニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料が維持しなければならない厚さに関する本明細書中の教えに従って、本発明では種々の誘電性ポリマ及びガラスを使用することができる。本発明で使用し得るポリマの例は、米国特許第４，２９８，４１６号、同第４，４８３，９７３号、同第４，４９９，２３４号、同第４，５１４，５２９号、同第４，５２３，００１号、同第４，５５４，３３８号、同第４，５６３，４９８号、同第４，５８０，７９４号に記載されているものを含み、それらの記載がここに含まれているものとする。上述したように、他の樹脂を本発明のために選択することもできる。
【００２０】
本発明の他の特徴によれば、上述したニート誘電性ポリマ、ガラス、セラミック又はその複合材料を非線形抵抗材料と組み合わせて使用し、非線形抵抗の所定の特性及び性能特性を変更及び向上させることができることが確かめられた。本発明の一部分として述べるように、非線形抵抗材料は、導電性粒子及び／又は半導電性粒子及び／又は絶縁性粒子を含む結合剤を具える慣例の可変電圧材料とすることができる。本発明で使用されるように、非線形抵抗材料は他の新規な変更及び改良された非線形抵抗材料又は本明細書に開示されているような過電圧材料も含むことができる。
【００２１】
本発明で使用する非線形抵抗材料は、例えば米国特許第４，９７７，３５７号（シリエル）又は米国特許第４，７２６，９９１（ハイアット他）に開示されている従来既知の任意の非線形抵抗材料とすることができ、それらの記載がここに含まれているものとする。一般に、非線形抵抗材料は結合剤と、導電性を与えるために結合剤内に一様に分布された密接離間した導電性粒子とを具える。米国特許第４，１０３，２７４号（バーゲス他）に開示されているような種々の材料を本発明に従って使用することもできる。
【００２２】
本発明の保護装置の結果として、帯電したボンディングパッドからサージ保護層１３を経て接地面１４に高電流を搬送し接地ボンディングパッドから流出させることにより過電圧トランジェント又は静電荷が回路素子を含むチップ１０の中心部分１１から離れた状態に維持され、これによりチップ１０の中心部分１１の回路素子の不慮の損傷が避けられる。本発明のサージ保護装置は、ボンディングパッドが受ける電圧が通常許容し得る電圧より高いときのみ絶縁体から導電体にスイッチするように設計されている。代表的には、通常の半導体チップは比較的低い電圧、即ち５ボルトで動作するように製造されている。それゆえ、サージ保護装置は電圧が５ボルトより高いときにのみ動作し始める。
【００２３】
以上の記載から、本発明によれば、全てのボンディングパッドを相互接続して過電圧トランジェント電荷を有するパッド上のサージを直ちに低抵抗通路を経て接地ボンディングパッドに搬送させる手段を含み、集積回路を過電圧トランジェントにより生ずる不慮の損傷から保護する改良された保護装置を提供することができる。
【００２４】
以上、本発明の好適実施例について説明したが、当業者であれば種々の変更や変形を加えることができ、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の構成要素を等価物と置き換えることができる。更に、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変更を特定の状態又は材料を本発明の教えに適合するように行うことができる。従って、本発明は本発明を実施する最良のモードとして記載した特定の実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる全ての実施例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  慣例の集積回路チップの上面図である。
【図２】  本発明の原理に従って構成された保護装置を有する慣例の集積回路チップの上面図である。
【図３】  図２の集積回路チップのボンディングパッドの拡大図である。
【図４】  集積回路チップのボンディングパッドの他の実施例の拡大図である。
【図５】  図２の５−５線上の拡大部分断面図である。
【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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