JP4308671B2 - ワイヤボンドパッドを有する半導体装置とその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に半導体装置に関し、より詳細にはワイヤボンドパッドを有する半導体装置およびその製作方法に関する。

集積回路（ＩＣ）の製造では、コスト削減のために集積回路ダイができるだけ小さいことが重要である。ワイヤボンディングは、電気回路を有する半導体ダイを構成要素パッケージ上のピンに接続すべく広範に使用されている方法である。ボンドパッドはＩＣの表面上の導電性の金属領域である。たとえ改良技術によって集積回路のサイズが縮小されたとしたとしても、ワイヤボンドパッドの寸法は同様に比例しては縮尺されない。したがって、ボンドパッドは、回路領域全体のうちのより大きな割合を占める。また、このことにより、ボンドパッドが形成されている金属層中で電源バスをルーティングするための、ＩＣ上の利用可能な領域も縮小される。

銅は、現在、集積回路における相互接続に一般に使用されている。しかしながら、銅へのワイヤボンディングの問題のために、銅の相互接続技術のためのワイヤボンドパッドは、露出された銅ワイヤボンドパッドを覆うためにアルミニウム層を利用することが多い。このアルミニウムキャップは、アルミニウム相互接続技術に使用されるのと同じワイヤボンディングツールと同じワイヤボンディングプロセスを使用するために付け加えられる。図１は先行技術のワイヤボンドパッド１３を有する半導体装置１０の断面図を示す。半導体装置１０はシリコン基板１９、相互接続領域２０、不活性化層１５およびワイヤボンドパッドスタック１３を備えている。シリコン基板１９に能動回路が形成される。相互接続領域２０は銅層２１，２２，２３を有し、層間バイア層は、銅層２１，２２，２３と基板１９の能動回路との間の電気接続を提供する。多層金属銅技術において、ワイヤボンドパッドスタック１３の銅部分１２は銅の相互接続領域２０の最後の、最終の、すなわち上部の層２１から形成される。幅および高さが共に比較的大きい開口部（５０〜１００μｍ）が、銅製パッド１２を露出させるために最終のＩＣ不活性化層１５に切り込んで作成される。その後、アルミニウムキャップ１４が銅製パッド１２の上に堆積され、該パッド１２はワイヤボンド領域の縁部の周囲で不活性化層１５を踏みつけて該不活性化層１５の上に存在する。

上述のように、チップ規模で見ると、ボンドパッドは非常に大きい。典型的なチップ設計では、Ｉ／Ｏ（入力／出力）パッドセルがチップの縁部の周囲のリングに堆積される。ボンドパッドは、典型的には、このＩ／Ｏリング領域の４分の１〜半分を覆う。大きな金属電源バスも、典型的にはこのＩ／Ｏリングにルーティングされる。多くのチップ設計では、電気的性能が、これらのバスの抵抗により制限され得る。バス抵抗問題の１つの解決策は、プロセスフローに追加の銅の金属層を加え、バス金属スタックに別の層を提供することであるが、これはコスト増を要する。代わりに、電源バスのルーティングのための領域をより多く提供するために、Ｉ／Ｏリング領域を増大することもあるが、これもコスト増となる。

したがって、コスト増を伴わずに上記の問題を低減することができる、ワイヤボンドパッドおよび電源および接地バスが必要とされる。

一般に、本発明は、ボンドパッドを有する集積回路を提供する。ボンドパッドは、集積回路の能動回路または電気的相互接続層の少なくとも一方の上の不活性化層上に直接形成
される。図示した実施形態では、ボンドパッドがアルミニウムから形成され、電気的相互接続層が銅から形成される。本発明は、図１に示したワイヤボンドパッド構造から、大部分の銅を除去する。完全な標準サイズのアルミニウムパッドが、不活性化層の上に直接堆積される。下にあるチップ回路に電気接続を提供するために必要な分だけ、１または複数の小さな開口部が不活性化層に切り込んで作成される。アルミニウムキャップの堆積中、不活性化層の切り込みはアルミニウムで充填され、１または複数の下にある最終金属層の銅の相互接続へのバイアを形成する。

最終金属層の銅の相互接続は非常に小さくてもよく、効率的な相互連結を促進するために必要なように配置されてありさえすればよいことに留意されたい。よって、ここで、アルミニウムワイヤボンドパッドの下の最終金属層の銅の大きな領域は、電源バスまたは他の相互接続のために使用することができ、上にあるアルミニウムボンドパッドから電気的に分離されてもよい。

図示した実施形態では、ワイヤボンドのためのアルミニウムキャップは、標準の製造フローの一部である。したがって、本発明は、コスト増を伴わずに、ワイヤボンドパッドの直接下に制限された領域で、有効な追加の銅金属層を提供する。ワイヤボンドパッドが非常に大きいこともあり、これはＩ／Ｏリング配置領域および／また電気的性能に大きな影響を及ぼし得る。

ワイヤボンドパッドの真下の領域は集積回路を横切って、電源、接地または信号をルーティングするために使用することができる。さらに、ワイヤボンドパッドの真下にルーティングされた最終金属層の銅の導線はワイヤボンドパッドとは無関係で独立していてもよい。さらに、ワイヤボンドパッドの真下の領域の使用により、半導体ダイの表面積が縮小され得る。

図２は本発明の別の実施形態による半導体装置５０の断面図を示す。図が正しい縮尺ではないことに注意する。半導体装置５０は、端すなわち縁部２５、不活性化層１８、相互接続領域２４、基板または活性領域２６、およびボンドパッド５３を備えている。図１に示した先行技術のアルミニウムでキャップされた銅パッドとは対照的に、図２に示したパッドはアルミニウムからのみ形成される。ボンドパッド５３から最終金属層２８の最終金属部分５１および５２までの電気接続は、不活性化層１８に小さな切り込みを貫通させて形成された、アルミニウムで満たされた２つのバイアによって提供される。アルミニウムボンドパッド５３には落ち込み箇所があり、そこでアルミニウムが小さな不活性化層１８の切り込みを充填するように適合することに注意する。不活性化層１８は、アルミニウムパッド５３の下のワイヤボンド領域の大きな領域を覆い、銅の金属層２８の部分５４をアルミニウムボンドパッド５３から電気的に分離する。部分５４は、ワイヤボンドパッド５３の下で電源、接地または他の信号をルーティングするための金属導線の断面である。部分５４は、縁部２５に沿って形成された複数の隣接ワイヤボンドパッドの真下で半導体装置５０の大部分を横断することができる。部分５４はワイヤボンドパッド５３に接続されてもよいし、接続されなくてもよい。最終金属部分５１および５２は、アルミニウムパッド５３と下に位置する相互接続とに電気接続を提供するのに必要なまたは望ましい、任意のサイズまたは形状であってよい。さらに、他の実施形態では、ボンドパッド５３を相互接続層２８，３０および３２に電気接続するための、２より多いか、または２より少ない最終金属部分５１および５２があってもよい。

好ましい実施形態では、不活性化層の切り込みの最小の高さまたは幅は、３μｍである。最小サイズの３×３μｍ正方形の切り込みや、３×５０μｍまでの長方形の切り込みが使用される。

１つの実施形態では、ボンドパッド５３は半導体装置５０の縁部２５に相対的に近い位置にある。ボンドパッド５３に類似した複数のワイヤボンドパッド（図示しない）が、半導体装置５０に外部接続を供給するために、縁部２５に沿って一般に構成される。さらに、アルミニウムパッド５３と最終金属部分５１，５２との間で必要なときに、バリヤ層（図示しない）が使用されてもよい。バリヤ層はタンタルから形成されてもよいが、他の実施形態では、バリヤ層は相違しかつ隣接する材料間の拡散バリアと付着層を形成する、任意の材料であってよい。拡散バリヤ材料の例は、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、ニッケル、タングステン、チタンタングステン合金およびタンタル窒化ケイ素である。

ボンドパッド５３はアルミニウムから形成されてもよく、最終金属層部分５１および５２は銅から形成されてもよい。当業者には、ボンドパッド５３が５１と５２がアルミニウムを含む合金であり、最終金属層部分が銅を含む合金であってもよいことが理解されよう。ボンドパッド５３はアルミニウムの比較的厚い層から形成される。アルミニウムパッド５３は厚さが約０．５〜２．０マイクロメートルの間であり得る。

相互接続領域２４は、電源、接地、信号、および半導体装置２０の様々な構成要素間の他の配線をルーティングするための金属層２８、３０および３２を含む。金属層２８、３０および３２の各々は、絶縁材を使用して、互いに分離されることに留意する。上記に説明したように、最終金属層２８は、電源、接地および他の信号をルーティングするために同様に使用される導線を、ワイヤボンドパッド５３の直接下に有する。

半導体装置５０は、基板に電気回路、すなわち能動領域２６を形成するために、従来の製作技術を受ける。電気回路は、例えば、情報伝達、輸送、一般的な計算、または娯楽のような、様々な集積回路向けであってよい。図示した実施形態では、金属層２８，３０および３２は、導電材料（例えばアルミニウム、銅、金）で形成される。他の実施形態では、それよりも多いか少ない金属層を有してもよい。

ボンドパッド５３の直接下にある相互接続層２８，３０および３２は、集積回路を横切って電源、接地および信号に１または複数の導線５４をルーティングするために使用することができ、それにより、半導体装置の全体寸法をより小さくすることが可能となる。さらに、ボンドパッドに直接接続されていない電源および接地の配線層は、ボンドパッドの下の集積回路を包囲し、集積回路のサイズを増加させたり、または製造の複雑さを増したりすることなく、電源バス抵抗の減少を提供することができる。ワイヤボンドがボンドパッド５３の上に配置されている実際の領域は、不活性化層の切り込みの上に直接あってよい。 代わりに、ボンドパッド５３は、ワイヤボンド領域から離れた最終層部分５１または５２に接続を供給するために、ワイヤボンドが配置されている領域を越えて十分に延長されてもよい。さらに、ワイヤボンドパッド５３は、集積回路上のいかなる場所に置いてもよく、関連するＩ／Ｏ回路から離れた位置にさえ置いてもよく、そのためＩＣ設計とパッケージングの最高の柔軟性が許容される。アルミニウムワイヤボンド層は、例えば、ワイヤボンドパッドを他の回路部分と電気接続すべく、上に重なる不活性化層なしで、相互接続層としても使用することができる。さらに、最終金属層部分５１および５２はプローブ試験やワイヤボンディングのために使用されないので、最終金属層部分５１および５２のサイズおよび形状、ならびに不活性化層１８の開口部のサイズおよび形状は、ボンドパッド５３との電気接続を提供するために必要とされる領域によってのみ限定される。さらに、半導体装置をより小さくすることができるので、１つのウエハ当たりのダイの数を増加させることができ、それによりコストが削減される。

上述の明細書では、本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者には、請求項に述べる本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改変および変更を行なえることが理解される。
従って、明細書と図面は限定的な意味ではなく例証的な意味とみなすべきであり、そのような改変はすべて本発明の範囲内に包含される。

効果、他の利点および課題解決策を、特定の実施形態に関して上述した。しかしながら、任意の効果、利点または解決策を生じさせ得るかそれ自体より顕著になり得る、そのような効果、利点、課題解決策は、任意またはすべての請求項の重要な、必要な、または必須の特徴もしくは要素と解釈すべきではない。本明細書で使用する場合、用語「〜有する、含む、備える（comprise）」やその変化形は、非排他的な包含物をその範囲内に入れるものとし、ある要素のリストを含むプロセス、方法、物、または装置は、その要素のみを含むわけではなく、明示的に列挙されていない他の要素やそのようなプロセス、方法、物、または装置に固有の要素を含みうる。

先行技術によるワイヤボンドパッドを有する半導体装置の断面図を例証する。 本発明によるワイヤボンドパッドを有する半導体装置の断面図を例証する。

Claims (7)

1. 能動回路を有する基板；
   該基板上に形成された複数の銅の相互接続層；
   該複数の銅の相互接続層の上に形成された不活性化層；および
   前記複数の相互接続層のうちの１つの相互接続層の第１の導線を露出させる前記不活性化層中の１または複数の開口部を充填することにより、前記不活性化層の上に形成され、前記第１の導線に接続されたアルミニウムワイヤボンドパッド；
   を備え、
   前記複数の銅の相互接続層のうちの最終銅層中に第２の導線を形成し、該第２の導線は前記アルミニウムワイヤボンドパッドの直接下に位置し、前記不活性化層によってのみ前記アルミニウムワイヤボンドパッドから電気的に分離され、かつ、前記ワイヤボンドパッドに直接接続していない；
   ことを特徴とする集積回路。
2. 前記第２の導線が、当該集積回路上の電気回路に電源電圧をルーティングするためのものである、請求項１に記載の集積回路。
3. 前記アルミニウムワイヤボンドパッドが、前記不活性化層を通る１または複数の充填された開口部を用いて前記複数の銅の相互接続層のうちの１つに接続される、請求項１に記載の集積回路。
4. 前記複数の銅の相互接続層のうちの前記最終銅層は、前記アルミニウムワイヤボンドパッドの直接下に電源電圧をルーティングするための第３の導線を有し、該第３の導線は前記アルミニウムワイヤボンドパッドに直接接続していない、請求項１に記載の集積回路。
5. 集積回路を製作する方法であって：
   能動回路を有する基板を提供する工程；
   前記基板上に複数の銅の相互接続層を形成する工程；
   前記複数の銅の相互接続層の上に不活性化層を形成する工程；
   前記複数の銅の相互接続層のうちの第１の導線を露出させるために前記不活性化層に１または複数の開口部を形成する工程；および
   前記不活性化層の１または複数の開口部の上にアルミニウムワイヤボンドパッドを形成し、前記の１または複数の開口部を充填して前記第１の導線に電気的に接続するアルミニウムワイヤボンドパッドを形成する工程；
   を有し、
   前記アルミニウムワイヤボンドパッドは、前記複数の銅の相互接続層のうちの最終銅層中に形成した第２の導線の直接上に形成され、
   該第２の導線は前記不活性化層によってのみ前記アルミニウムワイヤボンドパッドから電気的に分離され、かつ、前記ワイヤボンドパッドに直接接続していない、
   ことを特徴とする方法。
6. 集積回路を製作する方法であって：
   基板上に第１の相互接続層を形成する工程；
   該第１の相互接続層の上に第２の相互接続層を形成する工程；
   該第２の相互接続層の上に不活性化層を形成する工程；
   前記第２の相互接続層の第１の導線を露出させる開口部を前記不活性化層に形成する工程；
   前記不活性化層の開口部を通じて前記第１の導線に電気的に接続するワイヤボンドパッドを形成する工程；および
   前記ワイヤボンドパッドにワイヤボンドを接続する工程；
   を有し、
   前記ワイヤボンドパッドは前記不活性化層の上に延びて、前記第２の相互接続層の第２の導線の直接上に位置し、
   前記第２の導線は前記ワイヤボンドパッドに直接接続しておらず前記不活性化層によってのみ前記ワイヤボンドパッドから電気的に分離されている、
   ことを特徴とする方法。
7. 集積回路を製作する方法であって：
   ボンドパッドにワイヤボンドを接続する工程；
   を有し、
   前記ボンドパッドは不活性化層の開口部を通じて最終相互接続層の第１の導線に電気的に接続し、
   前記ボンドパッドの一部は前記不活性化層の上に延び、
   前記ボンドパッドは最終相互接続層の第２の導線の幅の実質的直接上に存在し、
   前記第２の導線は、前記ボンドパッドに直接接続しておらず前記不活性化層によってのみボンドパッドから電気的に分離されている、
   ことを特徴とする方法。

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