特許 6133611 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6133611

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20170515BHJP

   H01L 23/522 20060101ALI20170515BHJP

   H01L 21/768 20060101ALI20170515BHJP

   H01L 21/3205 20060101ALI20170515BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/60 301P

   H01L21/88 S

   H01L21/88 T

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-21627(P2013-21627)

(22)【出願日】2013年2月6日

(65)【公開番号】特開2014-154640(P2014-154640A)

(43)【公開日】2014年8月25日

【審査請求日】2015年12月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】715010864

【氏名又は名称】エスアイアイ・セミコンダクタ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】上村 啓介

(72)【発明者】

【氏名】小山内 潤

【審査官】 工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】 実公平７−４９７９８（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】 特開平１０−２７５８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４２５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６１６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０７４５３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１９７５１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／３２０５

Ｈ０１Ｌ２１／６０−２１／６０７

Ｈ０１Ｌ２１／７６８

Ｈ０１Ｌ２３／５２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
前記半導体基板上の酸化膜と、
前記酸化膜を囲い、前記半導体基板表面に設けられた外囲不純物拡散層と、
前記酸化膜の上方に層間絶縁膜を介して設けられた、前記酸化膜よりも小さいボンディングパッドと、
前記ボンディングパッドと内部回路を繋ぐ金属配線と、
前記ボンディングパッドの周囲であって、前記外囲不純物拡散層の上に、前記ボンディングパッドから離間して配置される外囲配線と、
前記外囲配線の全周に沿って配置され、前記外囲配線と前記外囲不純物拡散層とを電気的に接続し、前記層間絶縁膜を内外に分断するコンタクトと、
からなり、
前記コンタクトは、内部回路に用いるタングステンプラグと同径の隣接するプラグどうしが側面で接して連続して配置されていることを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

半導体基板と、
前記半導体基板上の酸化膜と、
前記酸化膜を囲い、前記半導体基板表面に設けられた外囲不純物拡散層と、
前記酸化膜の上方に層間絶縁膜を介して設けられた、前記酸化膜よりも小さいボンディングパッドと、
前記ボンディングパッドと内部回路を繋ぐ金属配線と、
前記ボンディングパッドの周囲であって、前記外囲不純物拡散層の上に、前記ボンディングパッドから離間して配置される外囲配線と、
前記外囲配線の全周に沿って配置され、前記外囲配線と前記外囲不純物拡散層とを電気的に接続し、前記層間絶縁膜を内外に分断するコンタクトと、
からなり、
前記コンタクトは、内部回路に用いるタングステンプラグの直径より狭幅の連続する外囲溝にタングステン充填されていることを特徴とする半導体装置。

【請求項3】

前記金属配線と前記外囲配線とが交差し、前記ボンディングパッドが前記外囲不純物拡散層と電気的に接続され、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が同電位であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。

【請求項4】

前記外囲配線は、平面視的にＣ字型形状で、前記Ｃ字型の切れ目を通って前記金属配線が内部回路に繋がり、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が異電位であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。特に、ボンディングパッドを有する半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、長期信頼性を保証する為に、各種の信頼性ストレス試験をクリアしなくてはならない。例えば、８５℃、８５％という条件下で行なわれる高温高湿バイアス試験や、１２５℃、８５％、２気圧という条件で行なわれるプレッシャークッカーバイアス試験等、高温と高湿、バイアスを組み合わせた試験が一般的に行われている。これらの試験は、市場での使用環境を鑑みてＪＥＤＥＣ規格などで決められており、市場で不具合を発生させないよう考えられた試験になっている。この試験は、市場での長期信頼性を保証する為の基本的な目安となっており、市場不良を発生させない為にも必要とされている。

【0003】

これらの高温、高湿試験中に、パッケージ樹脂を通過した水分がパッド等の開口部分からチップ内部に浸入し、電気化学的な反応を起こすことにより配線の酸化が起き、体積膨張や界面剥離によって信頼性不具合を発生する事がある。これを防止する為に、ボンディングパッドの周辺部において、パッド上の窒化チタン膜をリング状・スリット状に除去する事で水分の浸入を防ぐという発明が開示されている。（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−２５１５３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

解決しようとする問題点は、以下のとおりである。
前述したように、高温、高湿試験中に、パッケージ樹脂を通過した水分がパッド等の開口部分からチップ内部に浸入し、電気化学的な反応を起こすことにより配線の酸化が起き、体積膨張や界面剥離によって信頼性不具合を発生する事がある。この不具合対策として、パッケージ樹脂の工夫や、パッド構造の工夫で水分のチップへの浸入を防ぐといった対策が考えられる。しかし、これらの対策も完全で無い場合がある。水分は窒化膜やアルミ配線等は通過しないが、酸化膜中や、酸化膜とアルミ配線膜の界面などを伝わってチップ内部へと浸入していく。これらの進入経路を何らかの手段で遮断する事がこの現象の対策として求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の半導体装置は、上記課題を鑑み成されたもので、以下のような手段を用いた。
まず、ボンディングパッドをもった半導体装置において、半導体基板上の酸化膜と、前記酸化膜上の導電性非透水膜と、前記導電性非透水膜の上方に層間絶縁膜を介して設けられたボンディングパッドと、前記ボンディングパッドと内部回路を繋ぐ金属配線と、前記ボンディングパッドの周囲に離間して配置される外囲配線と、前記外囲配線に沿って配置され、前記外囲配線と前記導電性非透水膜とを電気的に接続するコンタクトと、からなることを特徴とする半導体装置とした。

【0007】

また、前記金属配線と前記外囲配線とが交差し、前記ボンディングパッドが前記導電性非透水膜と電気的に接続され、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が同電位であることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記外囲配線は、平面視的にＣ字型形状で、前記Ｃ字型の切れ目を通って前記金属配線が内部回路に繋がり、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が異電位であることを特徴とする半導体装置とした。

【0008】

また、前記導電性非透水膜がポリシリコン膜または金属膜であることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記コンタクトは、内部回路に用いるタングステンプラグと同径のものが連続して接続して配置されていることを特徴とする半導体装置とした。

【0009】

さらには、ボンディングパッドをもった半導体装置において、半導体基板上の酸化膜と、前記酸化膜を囲い、前記半導体基板表面に設けられた外囲不純物拡散層と、前記酸化膜と前記外囲不純物拡散層との上方に層間絶縁膜を介して設けられたボンディングパッドと、前記ボンディングパッドと内部回路を繋ぐ金属配線と、前記ボンディングパッドの周囲に離間して配置される外囲配線と、前記外囲配線に沿って配置され、前記外囲配線と前記外囲不純物拡散層とを電気的に接続するコンタクトと、からなることを特徴とする半導体装置とした。

【0010】

また、前記金属配線と前記外囲配線とが交差し、前記ボンディングパッドが前記外囲不純物拡散層と電気的に接続され、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が同電位であることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記外囲配線は、平面視的にＣ字型形状で、前記Ｃ字型の切れ目を通って前記金属配線が内部回路に繋がり、前記ボンディングパッドと前記外囲配線が異電位であることを特徴とする半導体装置とした。
また、前記コンタクトは、内部回路に用いるタングステンプラグと同径のものが連続して接続して配置されていることを特徴とする半導体装置とした。

【発明の効果】

【0011】

上記手段により、半導体装置の信頼性試験時の水分浸入を遮断することが可能となり、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明による半導体装置の第１の実施例を示す平面図及び断面図である。

【図2】本発明による半導体装置の第２の実施例を示す平面図及び断面図である。

【図3】本発明による半導体装置の第３の実施例を示す平面図及び断面図である。

【図4】本発明による半導体装置の第４の実施例を示す平面図及び断面図である。

【図5】本発明による半導体装置の第５の実施例を示す平面図及び断面図である。

【図6】本発明による半導体装置の第６の実施例を示す平面図及び断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

【実施例1】

【0014】

図１を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。図１（ａ）は、平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
図１に示すように、半導体基板上の酸化膜３０の上に導電性で非透水性の下敷きポリシリコン膜（または、ポリサイド膜）１０を定められた位置に設ける。ここで、酸化膜３０はＬＯＣＯＳ酸化膜でも良いし、電気的な課題が無ければゲート酸化膜のような薄い酸化膜でも良い。下敷きポリシリコン膜１０の上には、下敷きポリシリコン膜１０の上面及び側面を覆う層間絶縁膜２１を介して、下敷きポリシリコン膜１０よりも小さい金属膜からなるボンディングパッド１が配置される。図１（ａ）の平面図で示されるように、ボンディングパッド１は下敷きポリシリコン膜１０の完全に内側に配置される。ボンディングパッド１には同層の金属膜からなる金属配線２が接続され、この金属配線２は延伸され内部回路に繋がる構成となっている。ここで、金属配線２にはアルミ配線や銅配線が利用され、必要に応じてバリアメタル膜を積層したり、反射防止膜を積層したりする構成となっている。

【0015】

ボンディングパッド１の周囲には、さらにボンディングパッド１と離間して同層の金属膜からなる外囲配線３が下敷きポリシリコン膜１０の上方に形成され、ボンディングパッド１から延びる金属配線２と交叉する。そのため、この場合はボンディングパッド１と外囲配線３は同電位となる。外囲配線３は、その直下に、外囲配線の全周に沿うように形成された外囲コンタクト２０を介して下方の下敷き状ポリシリコン膜１０と電気的に接続している。外囲コンタクト２０は、連続する外囲溝に外囲配線３の一部が埋め込まれた構成であっても良いし、タングステンプラグからなる構成であっても良い。タングステンプラグの場合は、内部回路に用いる形状と同様の形状を有する小径プラグで統一する必要性から、連続する溝にタングステンを埋め込む構造を採用することができないことがある。この場合は、隣接する小径プラグどうしがその側面で接して、外囲コンタクト２０の内外の層間絶縁膜を分断するように配置する。または、小径プラグの直径よりも更に幅の狭い外囲溝にタングステンを埋め込んだ構成であっても良い。これは、小径プラグよりも狭幅とすることにより、タングステンを完全充填させた構造である。また、図示してはいないが、ボンディングパッド１の一部が開口するようにしてその他の部分はシリコン窒化膜で覆われている。

【0016】

以上のような構成とすることにより、ボンディングパッド付近に到達した水分は、非透水性の外囲配線３と外囲コンタクト２０と下敷きポリシリコン膜１０とのよってボンディングパッド領域外、すなわち、内部回路への浸入ができず、内部回路に対し水分の遮断をすることができる。これにより、高信頼性の半導体装置とすることができる。

【実施例2】

【0017】

図２を用いて、本発明の第２の実施例を説明する。図２（ａ）は、平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
第１の実施例との違いは、外囲配線３と外囲コンタクト２０からなる外囲構造がボンディングパッドと電気的に接続していないという点である。

【0018】

本発明の半導体装置は、断面視的には、半導体基板上の酸化膜３０の上に導電性で非透水性の下敷きポリシリコン膜（または、ポリサイド膜）１０を設ける。ここで、酸化膜３０はＬＯＣＯＳ酸化膜でも良いし、電気的な課題が無ければゲート酸化膜のような薄い酸化膜でも良い。下敷きポリシリコン膜１０の上面及び側面を覆う層間絶縁膜２１を介して、金属膜からなるボンディングパッド１が設けられる。ボンディングパッド１には同層の金属膜からなる金属配線２が接続され、この金属配線２は内部回路に繋がる構成となっている。ここで、金属配線２にはアルミ配線や銅配線が利用され、必要に応じてバリアメタル膜を積層したり、反射防止膜を積層したりする構成となっている。ボンディングパッド１の周囲には、ボンディングパッド１と離間して同層の金属膜からなる角ばったＣ字型外囲配線３が形成される。ボンディングパッド１から延びる金属配線２は外囲配線３と離間し、外囲配線３のＣ字の切れ目を通って内部回路に繋がる。この場合はボンディングパッド１と外囲配線３は異電位とすることができ、外囲配線３を電源電位としても良いし、接地電位としても良い。場合によっては電気的に浮かせる、つまりフローティングにしても良いし、ある電位に固定しても構わない。

【0019】

外囲配線３は、その直下に形成された外囲コンタクト２０を介して下方の下敷き状ポリシリコン膜１０と電気的に接続している。外囲コンタクト２０は、連続する外囲溝に外囲配線３の一部が埋め込まれた構成であっても良いし、タングステンプラグからなる構成であっても良い。タングステンプラグの場合は、内部回路に用いる形状同様の小径プラグで統一する必要性から、連続する溝にタングステンを埋め込む構造を採用することができないことがある。この場合は、隣接する小径プラグどうしがその側面で接して、外囲コンタクト２０の内外の層間絶縁膜を分断するように配置する。または、小径プラグの直径よりも更に幅の狭い外囲溝にタングステンを埋め込んだ構成であっても良い。これは、小径プラグよりも狭幅とすることにより、タングステンの完全充填をさせた構造である。また、図示してはいないが、ボンディングパッド１の一部が開口するようにシリコン窒化膜で覆われている。

【0020】

以上のような構成とした場合は、外囲配線の一部が寸断されているため、実施例１と比べると幾分劣るものの、ボンディングパッド付近に到達した水分は、非透水性の外囲配線３と外囲コンタクト２０と下敷きポリシリコン膜１０とによってボンディングパッド領域外、すなわち、内部回路への浸入しにくい構造となっており、内部回路に対し水分の遮断をすることができる。これにより、高信頼性の半導体装置とすることができる。

【実施例3】

【0021】

図３を用いて、第３の実施例を説明する。図３（ａ）は、平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
第１の実施例との違いは、下敷きポリシリコン膜１０に代えて、導電性で非透水性の下敷き金属膜５０を用いている点である。金属膜とすることで、水分の遮断がより強固になり、実施例１の構成よりも高信頼性の構造であって、多層配線構造の半導体装置では本実施例の構造となる。

【実施例4】

【0022】

図４を用いて、第４の実施例を説明する。図４（ａ）は、平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
第２の実施例との違いは、下敷きポリシリコン膜１０に代えて、導電性で非透水性の下敷き金属膜５０を用いている点である。金属膜とすることで、水分の遮断がより強固になり、実施例１の構成よりも高信頼性の構造であって、多層配線構造の半導体装置では本実施例の構造となる。なお、本実施例の半導体装置では、外囲配線の電位を任意に変更することが可能である。

【実施例5】

【0023】

図５を用いて、第５の実施例を説明する。図５（ａ）は、平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
第１の実施例との違いは、下敷きポリシリコン膜１０に代えて、半導体基板に形成した外囲不純物拡散層４０と、その内囲にＬＯＣＯＳ酸化膜３０を配置している点である。外囲不純物拡散層４０と外囲配線３とを外囲コンタクト２０が接続しており、外囲コンタクト２０は層間絶縁膜２１を内外に分断している。ボンディングパッド１は外囲配線３を介して外囲不純物拡散層４０に電気的に接続されている。ここで、外囲不純物拡散層４０の導電型を周囲のウェルあるいは半導体基板の導電型と異なるようにすることで、ボンディングパッドは逆方向に接続されたダイオードを介して、電源レベル（ＶＤＤ）あるいは接地レベル（ＶＳＳ）に接続されることになる。外囲不純物拡散層４０の導電型を周囲のウェルあるいは半導体基板の導電型と同じくすれば、ボンディングパッドの電位を電源レベル（ＶＤＤ）あるいは接地レベル（ＶＳＳ）に固定することが可能である。この構成は基板もしくはウェルと同電位であるボンディングパッドに使用できることになる。

【実施例6】

【0024】

図６を用いて、第６の実施例を説明する。図６（ａ）は、平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａにおける断面図である。
第２の実施例との違いは、下敷きポリシリコン膜１０を代えて、半導体基板に形成した外囲不純物拡散層４０と、その内囲にＬＯＣＯＳ酸化膜３０を配置している点である。外囲不純物拡散層４０と外囲配線３とを外囲コンタクト２０と接続している。不純物拡散層に接続されてはいるが、実施例５と違い、ボンディングパッドから直接基板拡散層に配線されているわけではないので、ボンディングパッド１には任意の電位を印加あるいは出力させることが可能である。当然ながら、外囲配線３は電位が制約されており、基板もしくはウェルと同電位となるか、逆方向に接続されたダイオードを介して基板もしくはウェルの電位に接続されることになる。

【符号の説明】

【0025】

１ ボンディングパッド
２ 金属配線
３ 外囲配線
１０ 下敷きポリシリコン膜（または、ポリサイド膜）
２０ 外囲コンタクト
２１ 層間絶縁膜
３０ 酸化膜
４０ 外囲不純物拡散層
５０ 下敷き金属膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】