JP2005019452A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に生じる熱を効率よく放熱でき、サージ電流経路に使用される配線層も保護する。
【解決手段】外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、入力保護回路に接続され、そのサージ電流経路に含まれる第1のメタル配線層25と、第1のメタル配線層に連なり、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器20とを具備する。
【選択図】 図1
【解決手段】外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、入力保護回路に接続され、そのサージ電流経路に含まれる第1のメタル配線層25と、第1のメタル配線層に連なり、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器20とを具備する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの過大な静電入力による放電(Electrostatic Discharge ;ESD)から内部回路を保護するための静電保護回路(ESD 保護回路)を有する半導体装置に係り、特にESD 保護回路を形成する配線層に生じる熱を放散するための放熱構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図15は、従来の半導体装置に内蔵されたESD 保護回路の一例を示す等価回路図であり、図16はそれに用いられている保護素子の一例を示す断面図である。
【0003】
図15に示すESD 保護回路は、保護素子90としてN チャネルMOS トランジスタ(NMOSFET) のゲート・ソース同士を短絡接続したダイオードを用いている。この保護素子90は、半導体チップ上の入力端子(ボンディングパッド)91と内部回路(internal Circuit)との間の入力配線92と接地ノードとの間に接続されている。
【0004】
上記NMOSFET は、図16に示すように、例えばp 型半導体基板1 の素子分離領域2 で分離された素子領域上に、n 型拡散層からなるドレイン(Drain) 領域3 とソース(Source)領域4が形成され、ドレイン・ソース間のチャネル領域上にゲート(Gate)絶縁膜5 を介してゲート電極6 が形成されている。基板1 上には層間絶縁膜7 が形成され、ドレイン領域3 およびソース領域4 に対応してコンタクトホールが設けられてコンタクト(Contact)8,9が埋め込まれており、このコンタクト8,9 は対応して第一層メタル(Cu,Alなど) 配線からなるドレイン配線10、ソース配線11へ接続されている。なお、ドレイン領域3 とソース領域4 は、表面の一部にメタルシリサイド層12が形成されており、このメタルシリサイド層12にコンタクト8,9 がコンタクトしている。
【0005】
ESD 保護回路において過大な電圧入力による主な破壊箇所は、内部回路のMOSFETのゲート/抵抗素子等の素子レベルであり、それを保護する保護素子90の破壊は、ESD 等による外部からの過大電圧入力により素子に過大電流が流れることで、発生するジュール(Joule) 熱による溶断と言われている。
【0006】
保護素子90を形成するMOSFET自身の過大電圧入力に対する耐性を向上する施策としては、MOSFETのゲート電極6 と平行方向のn 型拡散層(ドレイン・ソース領域3,4 )の幅を広げることや、ゲート電極6 とn 型拡散層上のコンタクト8,9 との距離を大きくしてその間の抵抗値を上げる方法が使用されている。
【0007】
一方、半導体装置の微細加工を要求する先端技術においては、配線幅の縮小化、配線遅延を低減し高性能化を達成するために配線膜厚の薄膜化、層間絶縁膜の低誘電率化がなされ、さらに、使用される配線層の多層化が行われるようになる。これにより、配線層の放熱効果が減少するおそれがあるので、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に対する施策が必要になる。
【0008】
しかし、従来は、ESD 保護回路の過大電圧入力によるサージ電流の経路に使用される配線層に対する保護策としては、配線層の幅を広げることで過大電圧入力に対する耐性を持たしているだけであり、十分な施策が講じられていない。
【0009】
ところで、ESD 保護回路に対する過大電圧入力によってサージ電流経路の配線層に流れる過大電流は、エレクトロ・マイグレーション(electro migration ;ED)により定められた許容電流密度の数十から数百倍の電流であり、これにより発生する発熱量は配線層を容易に溶断する熱量である。
【0010】
図17は、図16中のメタル配線層(ドレイン配線10)を半導体基板の拡散層に接続するコンタクト(CS)22の規模(拡散層表面積に対するコンタクト面積の比率)をパラメータ(0.1 %、1 %、10%)としてメタル配線層の電流量(Current) と発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を示している。
【0011】
この特性図から分かるように、コンタクトプラグ(CS)の規模を大きくする程、メタル配線層(ドレイン配線10)の発熱がコンタクト(CS)22を経由して半導体基板(Si−Sub)に吸収され、メタル配線層M の発熱温度増加量が低下する。
【0012】
なお、入力保護回路のMOS トランジスタのドレイン領域に接触する放熱器をタングステン膜等で形成し、ドレイン領域で発生するジュール熱の散逸を促進する技術が特許文献1に開示されている。
【0013】
【特許文献1】
特開平5−3286号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層の放熱対策としては、配線層に対して過大電圧入力に対する保護策が十分には施されていないという問題があった。
【0015】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に生じる熱を効率よく放熱でき、サージ電流経路に使用される配線層も保護し得る半導体装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から前記内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、前記入力保護回路に接続され、そのサージ電流経路に含まれる第1のメタル配線層と、前記第1のメタル配線層に連なり、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器とを具備することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0018】
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例およびESD 保護回路の配線に接続された放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0019】
図1の構造は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に金属膜、合金膜からなる放熱器を接続したことを特徴とするものである。
【0020】
本例では、ESD 保護回路の保護素子としてNMOSFET のゲート・ソース同士を短絡接続したダイオードを用いており、図15に示したように半導体チップ上の入力端子(ボンディングパッド)と内部回路との間の入力配線と接地ノードとの間に保護素子が接続されている。
【0021】
上記保護素子であるNMOSFET は、図16を参照して説明した構造と同様である。即ち、例えばp 型半導体基板11の素子分離領域12で分離された素子領域上に、n型拡散層からなるドレイン(Drain) 領域13 とソース(Source)領域14が形成され、ドレイン・ソース間のチャネル領域上にゲート(Gate)絶縁膜15を介してゲート電極16が形成されている。基板11上には層間絶縁膜24が形成され、ドレイン領域13およびソース領域14に対応してコンタクトホールが設けられてプラグ状のコンタクト(Contact)22,23が埋め込まれており、このコンタクト(プラグ)22,23 は対応して第一層メタル(Cu,Alなど) 配線からなるドレイン配線25、ソース配線26へ接続されている。なお、ドレイン領域13とソース領域14は、表面の一部にメタルシリサイド層17が形成されており、このメタルシリサイド層17にコンタクト22,23 がコンタクトしている。
【0022】
上記ドレイン配線25、ソース配線26は、本例では、デュアルダマシンプロセスにより、層間絶縁膜24中で前記コンタクトホールに連なるように形成された配線溝に埋め込まれているが、層間絶縁膜24上に堆積形成されてもよい。
【0023】
そして、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される第一層メタル配線に接続された放熱器20が設けられている。本例の放熱器20は、ESD 保護回路に流れるサージ電流によってジュール熱が発生する箇所(例えばドレイン配線25)の上に上層配線構造の形成工程と同時に形成されている。
【0024】
本例の放熱器20の具体的な構造は、複数の層間絶縁膜27に階層状に埋め込まれて形成された複数のメタル配線層29、50の各層間が複数のメタルコンタクト28により多点で接続され、最上層のメタル配線層50が入力パッド(ボンディングパッド)として露呈している。複数のメタル配線層27の層数は、他の回路で使用される配線層に応じて決まる。
【0025】
上記放熱器の形成工程は、まず、第一層メタル配線上に層間絶縁膜27を堆積し、デュアルダマシンプロセスにより、層間絶縁膜27に複数のメタルビア(Via) 28と第二層メタル配線29を埋め込む。以下、このような工程を所望の回数繰り返すことにより、階層状にメタル配線層29を形成する。そして、最上層のメタル配線層50の上にパッシベーション膜51を堆積し、最上層のメタル配線層50のボンディングパッドとして使用する部分の上のパッシベーション膜51を除去する。
【0026】
なお、上記したように放熱器20を形成するメタル配線層27、50およびそれに連なる複数のビアメタル28は、複数の階層構造を有するが、各層間の複数のビアメタル28の数は、同じであってもよく、あるいは、階層構造の一部において他の部分とは異なってもよい。本例では、最上層の層間のビアメタル28は、他の層間の複数のビアメタル28よりも大きなサイズ、かつ、少数で形成されている。
【0027】
上記した実施形態の放熱器は、放熱器20を形成するメタル配線層27、50およびそれに連なる複数のビアメタル28は、複数の階層構造からなり、ESD 保護素子に接続されているドレイン配線25上に接続されている。このように放熱器20をボンディングパッドからESD 保護素子までの電流経路に使用しており、サージ電流が放熱器20自体に流れる。これにより、ボンディングパッドからESD 保護素子までの配線に生じる熱を放熱器20を通して半導体チップ外へ効率よく放熱することができ、サージ電流経路に使用される配線層を保護し、ESD の耐性を向上させることができる。
【0028】
図6は、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路のメタル配線層に流れる電流密度(Current density) と多層配線層中の三層のメタル配線層M1,M2,M3に生じる発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を、最下層のメタル配線層M1のコンタクトプラグの規模をパラメータ(黒く塗りつぶした四角は1 %、黒く塗りつぶした三角は10%)として示す特性図である。この特性図から、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路は、メタル配線層の発熱温度増加量が減少していることが分かる。
【0029】
したがって、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路は、ESD 保護素子に接続されているメタル配線層にジュール熱が発生しても、メタル配線層の溶断破壊が起き難くなり、ESD 入力に対する配線層の耐性が向上する効果が得られる。
【0030】
また、ESD 保護素子に接続されているメタル配線層の上方のスペースを有効に活用して、多層のメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルからなる放熱器を配設しているので、半導体装置の製造時の工程数の増加や、ESD 保護素子に接続されている配線の面積の拡大を招かなくて済む。
【0031】
なお、上記した第1の実施形態では、放熱器20の最上層のメタル配線層50の一部をボンディングパッドとして露呈させたが、最上層のメタル配線層50をボンディングパッドとして使用しない場合には、その上面全てを絶縁膜で覆う、つまり、放熱器全体を絶縁層中に埋め込むように変更しても放熱効果は得られる。
【0032】
また、放熱器を形成するメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルは、複数の階層構造に限らず、単層構造であってもよい。いずれの場合も、通常の多層配線構造を形成する工程と同時に、あるいは上記工程の一部に放熱器を形成する工程を組み込むことができる。
【0033】
また、放熱器は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層のどの部分に接続してもよく、上記実施形態のようなドレイン配線25上だけでなくソース配線26上にも設ければ、放熱効果がさらに高くなる。
【0034】
また、放熱器は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層の発熱を緩和するために、ジュール熱が発生するESD 保護素子に連なる配線の直上に配置することが望ましい。しかし、放熱器の配置が他の配線の配置により制約を受ける場合には、他の配線の配置を避けるように、放熱器の構造や形状やビアメタルの数や位置を変更してもよい。
【0035】
また、上記実施形態の放熱器に使用されるメタル配線層は、Cu/TaN、AlCu/Ti/TiN 、W(Tungsten) 等の放熱性の高い金属膜、合金膜であることが望ましいが、放熱器自体に電流を流さない場合には、メタル以外の放熱性の高い材質を用いるように変更してもよい。
【0036】
<第2の実施形態>
図2は、第2の実施形態に係る放熱器20a の構造の一例を示す断面図である。
【0037】
この放熱器20a の構造は、図1を参照して前述した放熱器20の構造と比べて、複数の階層構造の一部の層間の複数のビアメタル28は、他の回路の配線60の配置により制約を受ける部分のビアメタルが欠落している点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0038】
これにより、ESD 保護回路等を形成する配線層と放熱器20a を支障なく共存させることができる。なお、上記放熱器20a の構造は、他の回路の配線60の配置により制約を受ける部分のビアメタルが欠落している層間の複数のビアメタル28の数が他の層間の複数のビアメタル28の数とは異なる。
【0039】
<第3の実施形態>
図3は、本発明の半導体装置の第3の実施形態に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例および放熱器20b の構造の一例を示す断面図である。
【0040】
この放熱器20b の構造は、図1を参照して前述した放熱器20の構造と比べて、複数の階層構造の一部(例えばESD 保護回路等を形成する他の配線層の配置により制約を受ける部分)はドレイン配線25の上方からずれた位置に配設されている点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0041】
これにより、ESD 保護回路等を形成する配線層と放熱器20b を支障なく共存させることができる。
【0042】
<第4の実施形態>
図4は、第4の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0043】
図4に示す放熱器20c の構造は、保護素子のドレイン配線25の下層側に形成されたポリシリコン配線層41と、このポリシリコン配線層41とドレイン配線25との間の層間絶縁膜24に埋め込まれ、ポリシリコン配線層41にドレイン配線25を接続する複数のビアメタル28からなる。
【0044】
この放熱器20c は、図1を参照して前述した放熱器20のような階層構造ではなく、シンプルな構造であるので、製造工程が簡単である。また、図1を参照して前述したような放熱器の配置がESD 保護回路等を形成する他の配線層の配置により制約を受ける場合に対応することが可能である。この放熱器20c は、図1を参照して前述したような放熱器20と併設することも可能であり、この場合は放熱効果が向上する。
【0045】
<第5の実施形態>
図5は、第5の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0046】
図5に示す放熱器20d の構造は、保護素子のドレイン配線25上の層間絶縁膜27に形成された配線溝に埋め込まれたメタル配線層29と、前記層間絶縁膜27に埋め込まれ、ドレイン配線25にメタル配線層29を接続する複数のビアメタル28からなり、メタル配線層29の上面全てが絶縁膜51で覆われている。
【0047】
この放熱器20d は、図1を参照して前述した放熱器20のような階層構造ではなく単層のシンプルな構造であるので、製造工程が簡単である。
【0048】
なお、メタル配線層29の一部をボンディングパッドとして使用する場合には、その上面の絶縁膜51の一部を開口すればよい。
【0049】
<第6の実施形態>
図1を参照して前述した第1の実施形態に係る放熱器20の構造は、複数の階層構造の一部の層間(最上層の層間)のビアメタル28として、他の層間の複数のビアメタル28よりも大きなサイズで形成されている。
【0050】
第6の実施形態に係る放熱器では、第1の実施形態に係る放熱器20と比べて、複数の階層構造の一部の層間のビアメタル28として、他の層間の複数のビアメタル28よりもサイズが大きい(他の層間の複数のビアメタル28のサイズの合計より大きい)単一のビアメタルからなる点が異なる。
【0051】
このような放熱器の構造は、第1の実施形態に係る放熱器20よりもメタル配線層の層間の接触面積を広くとることが可能になり、熱伝導性が向上し、放熱効果が向上する。
【0052】
上記したような大きなサイズの単一のビアメタルは、図5を参照して前述した放熱器20d のような単層構造にも適用することが可能である。この場合には、単層のシンプルな構造であるので製造工程が簡単であり、放熱効果が高い。
【0053】
<第7の実施形態>
図7は、第7の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図7において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係(CSの規模を0.1 %に固定した場合)を図8に示す。
【0054】
図7に示す放熱器は、図5に示した第5の実施形態に係る放熱器20d と比べて、上層配線層M2(メタル配線層29)上の層間絶縁膜27上に主成分がアルミニウム(Al)からなるパッド領域(例えばボンディングパッド71)が配置されている点が異なり、その他の下層配線層M1(ドレイン配線25)、コンタクト(CS)22などは同じであるので同じ符号を付している。
【0055】
上記ボンディングパッド71は、Al配線が表面保護膜で覆われ、その一部が開口されることによってAl配線の一部が露呈したものである。
【0056】
図8に示す特性図において、A1およびA2は、実施例においてCSの規模を0.1 %に固定した場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0057】
また、特性A1,A2 と対比するために、上層配線層M2(メタル配線層29)のみを追加した(ボンディングパッド71が配置されていない)場合の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 と、ドレイン配線25のみ設けた場合(上層配線層M2が配置されていない)の特性C1を示している。
【0058】
この特性図から分かるように、上層配線層M2(メタル配線層29)による放熱効果によって特性B1,B2 は特性C1よりも改善されており、さらに、ボンディングパッド71による放熱効果によって特性A1,A2 は特性B1,B2 よりも改善されていることが分かる。
【0059】
<第8の実施形態>
図9は、第8の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図9において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を図10に示す。
【0060】
図9に示す放熱器は、図7に示した第7の実施形態に係る放熱器と比べて、ボンディングパッド71とメタル配線層29とを接続するための複数のビアメタル(Pre TV)72が層間絶縁膜27に埋め込み形成されている点が異なり、その他は同じである。
【0061】
図10に示す特性図は、ボンディングパッド71を上層配線層M2(メタル配線層29)に接続するビアメタル(Pre TV)72の規模(メタル配線層29の表面積に対するPre TV面積の比率)を10%、CSの規模を例えば0.1 %に固定し、上層配線層M2(メタル配線層29)を下層配線層M1(ドレイン配線25)に接続するビアメタル(V2)28の規模(ドレイン配線25の表面積に対するV2面積の比率)をパラメータ(1%、5 %)として各配線層M1,M2 の電流量と発熱温度増加量の関係を示している。
【0062】
ここで、A1およびA2は、実施例においてビアメタル(V2)28の規模が1 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。A3およびA4は、実施例においてビアメタル(V2)28の規模が5 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0063】
また、特性A1,A2,A3,A4 と対比するために、ビアメタル(V2)28が埋め込み形成されていない場合(V2の規模が0 %)の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 を示している。
【0064】
この特性図から、上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも放熱効果が高いので発熱温度増加量が低くなり、ビアメタル(V2)28の規模を大きくする程、上層配線層M2(メタル配線層29)の発熱が下層配線層M1(ドレイン配線25)とコンタクト(CS)22を経由して半導体基板に吸収され、各配線層M1,M2 の発熱温度増加量が低下することが分かる。
【0065】
<第9の実施形態>
図11は、第9の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図11における二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1(ドレイン配線25)に流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係(CSの規模を0.1 %に固定した場合)を図12に示す。
【0066】
図11中に示す放熱器は、図5に示した第5の実施形態に係る放熱器20d と比べて、上層配線層M2(メタル配線層29)をドレイン配線25に接続するビアメタル28が省略され、上層配線層M2が電気的に浮遊状態(ダミー配線層)である点と、メタル配線層29上の層間絶縁膜27上に主成分がAlからなるボンディングパッド71が配置されている点が異なり、その他は同じである。
【0067】
図12中に示す特性図において、A1およびA2は、実施例においてCSの規模を0.1 %に固定した場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0068】
また、特性A1,A2 と対比するために、上層配線層M2(メタル配線層29)のみを追加した(ボンディングパッド71が配置されていない)場合の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 と、ドレイン配線25のみ設けた場合(上層配線層M2が配置されていない)の特性C1を示している。
【0069】
この特性図から分かるように、ダミー配線層である上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも発熱温度増加量が低く、特性B1,B2 は、上層配線層M2による放熱効果によって特性C1よりも改善されており、特性A1,A2 は、ボンディングパッド71による放熱効果によって特性B1,B2 よりも改善されていることが分かる。
【0070】
<第10の実施形態>
図13は、第10の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図13における二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1(ドレイン配線25)に流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を図14に示す。
【0071】
図13に示す放熱器は、図11に示した第9の実施形態に係る放熱器と比べて、ボンディングパッド71とメタル配線層29とを接続するための複数のビアメタル(Pre TV)72が層間絶縁膜73に埋め込み形成されている点が異なり、その他は同じである。
【0072】
図14に示す特性図は、CSの規模を0.1 %に固定し、ボンディングパッド71を上層配線層M2(メタル配線層29)に接続するビアメタル(Pre TV)72の規模(メタル配線層29の表面積に対するPre TV面積の比率)をパラメータ(1 %、10%)として各配線層M1,M2 の電流量と発熱温度増加量の関係を示している。
【0073】
ここで、A1およびA2は、実施例においてPre TVの規模が1 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。A3およびA4は、実施例においてPre TVの規模が10%の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0074】
また、特性A1,A2,A3,A4 と対比するために、ビアメタル(Pre TV)72が埋め込み形成されていない場合(Pre TVの規模が0 %)の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 を示している。
【0075】
この特性図から、ダミー配線層である上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも発熱温度増加量が低く、ビアメタル(Pre TV)72の規模を大きくする程、上層配線層M2(メタル配線層29)の発熱がビアメタル(Pre TV)72とボンディングパッド71を経由して放熱され、各配線層M1,M2 の発熱温度増加量が低下することが分かる。
【0076】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものでは無く、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変更して実施することができる。
【0077】
【発明の効果】
上述したように本発明の半導体装置によれば、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に生じる熱を効率よく放熱でき、サージ電流経路に使用される配線層も保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例およびESD 保護回路の配線に接続された放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図2】第2の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図3】第3の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図4】第4の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図5】第5の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図6】図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路のメタル配線層に流れる電流密度と多層メタル配線層中の三層のメタル配線層M1,M2,M3に生じる発熱温度増加量の関係をコンタクトプラグの規模をパラメータとして示す特性図。
【図7】第7の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図8】図7において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図9】第8の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図10】図9において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図11】第9の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図12】図11において二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1に流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図13】第10の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図14】図13において二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1に流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図15】従来の半導体装置に内蔵されたESD 保護回路の一例を示す等価回路図。
【図16】図15のESD 保護回路に用いられている保護素子の一例を示す断面図。
【図17】図16中のメタル配線層を半導体基板の拡散層に接続するコンタクトプラグの規模をパラメータとしてメタル配線層の電流と発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【符号の説明】
20…放熱器、22…ドレインコンタクト、25…ドレイン配線、27…複数の層間絶縁膜、28…メタルコンタクト、29…複数のメタル配線層、51…最上層のメタル配線層(一部はボンディングパッド)。
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの過大な静電入力による放電(Electrostatic Discharge ;ESD)から内部回路を保護するための静電保護回路(ESD 保護回路)を有する半導体装置に係り、特にESD 保護回路を形成する配線層に生じる熱を放散するための放熱構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
図15は、従来の半導体装置に内蔵されたESD 保護回路の一例を示す等価回路図であり、図16はそれに用いられている保護素子の一例を示す断面図である。
【0003】
図15に示すESD 保護回路は、保護素子90としてN チャネルMOS トランジスタ(NMOSFET) のゲート・ソース同士を短絡接続したダイオードを用いている。この保護素子90は、半導体チップ上の入力端子(ボンディングパッド)91と内部回路(internal Circuit)との間の入力配線92と接地ノードとの間に接続されている。
【0004】
上記NMOSFET は、図16に示すように、例えばp 型半導体基板1 の素子分離領域2 で分離された素子領域上に、n 型拡散層からなるドレイン(Drain) 領域3 とソース(Source)領域4が形成され、ドレイン・ソース間のチャネル領域上にゲート(Gate)絶縁膜5 を介してゲート電極6 が形成されている。基板1 上には層間絶縁膜7 が形成され、ドレイン領域3 およびソース領域4 に対応してコンタクトホールが設けられてコンタクト(Contact)8,9が埋め込まれており、このコンタクト8,9 は対応して第一層メタル(Cu,Alなど) 配線からなるドレイン配線10、ソース配線11へ接続されている。なお、ドレイン領域3 とソース領域4 は、表面の一部にメタルシリサイド層12が形成されており、このメタルシリサイド層12にコンタクト8,9 がコンタクトしている。
【0005】
ESD 保護回路において過大な電圧入力による主な破壊箇所は、内部回路のMOSFETのゲート/抵抗素子等の素子レベルであり、それを保護する保護素子90の破壊は、ESD 等による外部からの過大電圧入力により素子に過大電流が流れることで、発生するジュール(Joule) 熱による溶断と言われている。
【0006】
保護素子90を形成するMOSFET自身の過大電圧入力に対する耐性を向上する施策としては、MOSFETのゲート電極6 と平行方向のn 型拡散層(ドレイン・ソース領域3,4 )の幅を広げることや、ゲート電極6 とn 型拡散層上のコンタクト8,9 との距離を大きくしてその間の抵抗値を上げる方法が使用されている。
【0007】
一方、半導体装置の微細加工を要求する先端技術においては、配線幅の縮小化、配線遅延を低減し高性能化を達成するために配線膜厚の薄膜化、層間絶縁膜の低誘電率化がなされ、さらに、使用される配線層の多層化が行われるようになる。これにより、配線層の放熱効果が減少するおそれがあるので、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に対する施策が必要になる。
【0008】
しかし、従来は、ESD 保護回路の過大電圧入力によるサージ電流の経路に使用される配線層に対する保護策としては、配線層の幅を広げることで過大電圧入力に対する耐性を持たしているだけであり、十分な施策が講じられていない。
【0009】
ところで、ESD 保護回路に対する過大電圧入力によってサージ電流経路の配線層に流れる過大電流は、エレクトロ・マイグレーション(electro migration ;ED)により定められた許容電流密度の数十から数百倍の電流であり、これにより発生する発熱量は配線層を容易に溶断する熱量である。
【0010】
図17は、図16中のメタル配線層(ドレイン配線10)を半導体基板の拡散層に接続するコンタクト(CS)22の規模(拡散層表面積に対するコンタクト面積の比率)をパラメータ(0.1 %、1 %、10%)としてメタル配線層の電流量(Current) と発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を示している。
【0011】
この特性図から分かるように、コンタクトプラグ(CS)の規模を大きくする程、メタル配線層(ドレイン配線10)の発熱がコンタクト(CS)22を経由して半導体基板(Si−Sub)に吸収され、メタル配線層M の発熱温度増加量が低下する。
【0012】
なお、入力保護回路のMOS トランジスタのドレイン領域に接触する放熱器をタングステン膜等で形成し、ドレイン領域で発生するジュール熱の散逸を促進する技術が特許文献1に開示されている。
【0013】
【特許文献1】
特開平5−3286号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来のESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層の放熱対策としては、配線層に対して過大電圧入力に対する保護策が十分には施されていないという問題があった。
【0015】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に生じる熱を効率よく放熱でき、サージ電流経路に使用される配線層も保護し得る半導体装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から前記内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、前記入力保護回路に接続され、そのサージ電流経路に含まれる第1のメタル配線層と、前記第1のメタル配線層に連なり、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器とを具備することを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0018】
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例およびESD 保護回路の配線に接続された放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0019】
図1の構造は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に金属膜、合金膜からなる放熱器を接続したことを特徴とするものである。
【0020】
本例では、ESD 保護回路の保護素子としてNMOSFET のゲート・ソース同士を短絡接続したダイオードを用いており、図15に示したように半導体チップ上の入力端子(ボンディングパッド)と内部回路との間の入力配線と接地ノードとの間に保護素子が接続されている。
【0021】
上記保護素子であるNMOSFET は、図16を参照して説明した構造と同様である。即ち、例えばp 型半導体基板11の素子分離領域12で分離された素子領域上に、n型拡散層からなるドレイン(Drain) 領域13 とソース(Source)領域14が形成され、ドレイン・ソース間のチャネル領域上にゲート(Gate)絶縁膜15を介してゲート電極16が形成されている。基板11上には層間絶縁膜24が形成され、ドレイン領域13およびソース領域14に対応してコンタクトホールが設けられてプラグ状のコンタクト(Contact)22,23が埋め込まれており、このコンタクト(プラグ)22,23 は対応して第一層メタル(Cu,Alなど) 配線からなるドレイン配線25、ソース配線26へ接続されている。なお、ドレイン領域13とソース領域14は、表面の一部にメタルシリサイド層17が形成されており、このメタルシリサイド層17にコンタクト22,23 がコンタクトしている。
【0022】
上記ドレイン配線25、ソース配線26は、本例では、デュアルダマシンプロセスにより、層間絶縁膜24中で前記コンタクトホールに連なるように形成された配線溝に埋め込まれているが、層間絶縁膜24上に堆積形成されてもよい。
【0023】
そして、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される第一層メタル配線に接続された放熱器20が設けられている。本例の放熱器20は、ESD 保護回路に流れるサージ電流によってジュール熱が発生する箇所(例えばドレイン配線25)の上に上層配線構造の形成工程と同時に形成されている。
【0024】
本例の放熱器20の具体的な構造は、複数の層間絶縁膜27に階層状に埋め込まれて形成された複数のメタル配線層29、50の各層間が複数のメタルコンタクト28により多点で接続され、最上層のメタル配線層50が入力パッド(ボンディングパッド)として露呈している。複数のメタル配線層27の層数は、他の回路で使用される配線層に応じて決まる。
【0025】
上記放熱器の形成工程は、まず、第一層メタル配線上に層間絶縁膜27を堆積し、デュアルダマシンプロセスにより、層間絶縁膜27に複数のメタルビア(Via) 28と第二層メタル配線29を埋め込む。以下、このような工程を所望の回数繰り返すことにより、階層状にメタル配線層29を形成する。そして、最上層のメタル配線層50の上にパッシベーション膜51を堆積し、最上層のメタル配線層50のボンディングパッドとして使用する部分の上のパッシベーション膜51を除去する。
【0026】
なお、上記したように放熱器20を形成するメタル配線層27、50およびそれに連なる複数のビアメタル28は、複数の階層構造を有するが、各層間の複数のビアメタル28の数は、同じであってもよく、あるいは、階層構造の一部において他の部分とは異なってもよい。本例では、最上層の層間のビアメタル28は、他の層間の複数のビアメタル28よりも大きなサイズ、かつ、少数で形成されている。
【0027】
上記した実施形態の放熱器は、放熱器20を形成するメタル配線層27、50およびそれに連なる複数のビアメタル28は、複数の階層構造からなり、ESD 保護素子に接続されているドレイン配線25上に接続されている。このように放熱器20をボンディングパッドからESD 保護素子までの電流経路に使用しており、サージ電流が放熱器20自体に流れる。これにより、ボンディングパッドからESD 保護素子までの配線に生じる熱を放熱器20を通して半導体チップ外へ効率よく放熱することができ、サージ電流経路に使用される配線層を保護し、ESD の耐性を向上させることができる。
【0028】
図6は、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路のメタル配線層に流れる電流密度(Current density) と多層配線層中の三層のメタル配線層M1,M2,M3に生じる発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を、最下層のメタル配線層M1のコンタクトプラグの規模をパラメータ(黒く塗りつぶした四角は1 %、黒く塗りつぶした三角は10%)として示す特性図である。この特性図から、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路は、メタル配線層の発熱温度増加量が減少していることが分かる。
【0029】
したがって、図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路は、ESD 保護素子に接続されているメタル配線層にジュール熱が発生しても、メタル配線層の溶断破壊が起き難くなり、ESD 入力に対する配線層の耐性が向上する効果が得られる。
【0030】
また、ESD 保護素子に接続されているメタル配線層の上方のスペースを有効に活用して、多層のメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルからなる放熱器を配設しているので、半導体装置の製造時の工程数の増加や、ESD 保護素子に接続されている配線の面積の拡大を招かなくて済む。
【0031】
なお、上記した第1の実施形態では、放熱器20の最上層のメタル配線層50の一部をボンディングパッドとして露呈させたが、最上層のメタル配線層50をボンディングパッドとして使用しない場合には、その上面全てを絶縁膜で覆う、つまり、放熱器全体を絶縁層中に埋め込むように変更しても放熱効果は得られる。
【0032】
また、放熱器を形成するメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルは、複数の階層構造に限らず、単層構造であってもよい。いずれの場合も、通常の多層配線構造を形成する工程と同時に、あるいは上記工程の一部に放熱器を形成する工程を組み込むことができる。
【0033】
また、放熱器は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層のどの部分に接続してもよく、上記実施形態のようなドレイン配線25上だけでなくソース配線26上にも設ければ、放熱効果がさらに高くなる。
【0034】
また、放熱器は、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層の発熱を緩和するために、ジュール熱が発生するESD 保護素子に連なる配線の直上に配置することが望ましい。しかし、放熱器の配置が他の配線の配置により制約を受ける場合には、他の配線の配置を避けるように、放熱器の構造や形状やビアメタルの数や位置を変更してもよい。
【0035】
また、上記実施形態の放熱器に使用されるメタル配線層は、Cu/TaN、AlCu/Ti/TiN 、W(Tungsten) 等の放熱性の高い金属膜、合金膜であることが望ましいが、放熱器自体に電流を流さない場合には、メタル以外の放熱性の高い材質を用いるように変更してもよい。
【0036】
<第2の実施形態>
図2は、第2の実施形態に係る放熱器20a の構造の一例を示す断面図である。
【0037】
この放熱器20a の構造は、図1を参照して前述した放熱器20の構造と比べて、複数の階層構造の一部の層間の複数のビアメタル28は、他の回路の配線60の配置により制約を受ける部分のビアメタルが欠落している点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0038】
これにより、ESD 保護回路等を形成する配線層と放熱器20a を支障なく共存させることができる。なお、上記放熱器20a の構造は、他の回路の配線60の配置により制約を受ける部分のビアメタルが欠落している層間の複数のビアメタル28の数が他の層間の複数のビアメタル28の数とは異なる。
【0039】
<第3の実施形態>
図3は、本発明の半導体装置の第3の実施形態に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例および放熱器20b の構造の一例を示す断面図である。
【0040】
この放熱器20b の構造は、図1を参照して前述した放熱器20の構造と比べて、複数の階層構造の一部(例えばESD 保護回路等を形成する他の配線層の配置により制約を受ける部分)はドレイン配線25の上方からずれた位置に配設されている点が異なり、その他は同じであるので図1中と同一符号を付している。
【0041】
これにより、ESD 保護回路等を形成する配線層と放熱器20b を支障なく共存させることができる。
【0042】
<第4の実施形態>
図4は、第4の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0043】
図4に示す放熱器20c の構造は、保護素子のドレイン配線25の下層側に形成されたポリシリコン配線層41と、このポリシリコン配線層41とドレイン配線25との間の層間絶縁膜24に埋め込まれ、ポリシリコン配線層41にドレイン配線25を接続する複数のビアメタル28からなる。
【0044】
この放熱器20c は、図1を参照して前述した放熱器20のような階層構造ではなく、シンプルな構造であるので、製造工程が簡単である。また、図1を参照して前述したような放熱器の配置がESD 保護回路等を形成する他の配線層の配置により制約を受ける場合に対応することが可能である。この放熱器20c は、図1を参照して前述したような放熱器20と併設することも可能であり、この場合は放熱効果が向上する。
【0045】
<第5の実施形態>
図5は、第5の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図である。
【0046】
図5に示す放熱器20d の構造は、保護素子のドレイン配線25上の層間絶縁膜27に形成された配線溝に埋め込まれたメタル配線層29と、前記層間絶縁膜27に埋め込まれ、ドレイン配線25にメタル配線層29を接続する複数のビアメタル28からなり、メタル配線層29の上面全てが絶縁膜51で覆われている。
【0047】
この放熱器20d は、図1を参照して前述した放熱器20のような階層構造ではなく単層のシンプルな構造であるので、製造工程が簡単である。
【0048】
なお、メタル配線層29の一部をボンディングパッドとして使用する場合には、その上面の絶縁膜51の一部を開口すればよい。
【0049】
<第6の実施形態>
図1を参照して前述した第1の実施形態に係る放熱器20の構造は、複数の階層構造の一部の層間(最上層の層間)のビアメタル28として、他の層間の複数のビアメタル28よりも大きなサイズで形成されている。
【0050】
第6の実施形態に係る放熱器では、第1の実施形態に係る放熱器20と比べて、複数の階層構造の一部の層間のビアメタル28として、他の層間の複数のビアメタル28よりもサイズが大きい(他の層間の複数のビアメタル28のサイズの合計より大きい)単一のビアメタルからなる点が異なる。
【0051】
このような放熱器の構造は、第1の実施形態に係る放熱器20よりもメタル配線層の層間の接触面積を広くとることが可能になり、熱伝導性が向上し、放熱効果が向上する。
【0052】
上記したような大きなサイズの単一のビアメタルは、図5を参照して前述した放熱器20d のような単層構造にも適用することが可能である。この場合には、単層のシンプルな構造であるので製造工程が簡単であり、放熱効果が高い。
【0053】
<第7の実施形態>
図7は、第7の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図7において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係(CSの規模を0.1 %に固定した場合)を図8に示す。
【0054】
図7に示す放熱器は、図5に示した第5の実施形態に係る放熱器20d と比べて、上層配線層M2(メタル配線層29)上の層間絶縁膜27上に主成分がアルミニウム(Al)からなるパッド領域(例えばボンディングパッド71)が配置されている点が異なり、その他の下層配線層M1(ドレイン配線25)、コンタクト(CS)22などは同じであるので同じ符号を付している。
【0055】
上記ボンディングパッド71は、Al配線が表面保護膜で覆われ、その一部が開口されることによってAl配線の一部が露呈したものである。
【0056】
図8に示す特性図において、A1およびA2は、実施例においてCSの規模を0.1 %に固定した場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0057】
また、特性A1,A2 と対比するために、上層配線層M2(メタル配線層29)のみを追加した(ボンディングパッド71が配置されていない)場合の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 と、ドレイン配線25のみ設けた場合(上層配線層M2が配置されていない)の特性C1を示している。
【0058】
この特性図から分かるように、上層配線層M2(メタル配線層29)による放熱効果によって特性B1,B2 は特性C1よりも改善されており、さらに、ボンディングパッド71による放熱効果によって特性A1,A2 は特性B1,B2 よりも改善されていることが分かる。
【0059】
<第8の実施形態>
図9は、第8の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図9において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を図10に示す。
【0060】
図9に示す放熱器は、図7に示した第7の実施形態に係る放熱器と比べて、ボンディングパッド71とメタル配線層29とを接続するための複数のビアメタル(Pre TV)72が層間絶縁膜27に埋め込み形成されている点が異なり、その他は同じである。
【0061】
図10に示す特性図は、ボンディングパッド71を上層配線層M2(メタル配線層29)に接続するビアメタル(Pre TV)72の規模(メタル配線層29の表面積に対するPre TV面積の比率)を10%、CSの規模を例えば0.1 %に固定し、上層配線層M2(メタル配線層29)を下層配線層M1(ドレイン配線25)に接続するビアメタル(V2)28の規模(ドレイン配線25の表面積に対するV2面積の比率)をパラメータ(1%、5 %)として各配線層M1,M2 の電流量と発熱温度増加量の関係を示している。
【0062】
ここで、A1およびA2は、実施例においてビアメタル(V2)28の規模が1 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。A3およびA4は、実施例においてビアメタル(V2)28の規模が5 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0063】
また、特性A1,A2,A3,A4 と対比するために、ビアメタル(V2)28が埋め込み形成されていない場合(V2の規模が0 %)の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 を示している。
【0064】
この特性図から、上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも放熱効果が高いので発熱温度増加量が低くなり、ビアメタル(V2)28の規模を大きくする程、上層配線層M2(メタル配線層29)の発熱が下層配線層M1(ドレイン配線25)とコンタクト(CS)22を経由して半導体基板に吸収され、各配線層M1,M2 の発熱温度増加量が低下することが分かる。
【0065】
<第9の実施形態>
図11は、第9の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図11における二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1(ドレイン配線25)に流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係(CSの規模を0.1 %に固定した場合)を図12に示す。
【0066】
図11中に示す放熱器は、図5に示した第5の実施形態に係る放熱器20d と比べて、上層配線層M2(メタル配線層29)をドレイン配線25に接続するビアメタル28が省略され、上層配線層M2が電気的に浮遊状態(ダミー配線層)である点と、メタル配線層29上の層間絶縁膜27上に主成分がAlからなるボンディングパッド71が配置されている点が異なり、その他は同じである。
【0067】
図12中に示す特性図において、A1およびA2は、実施例においてCSの規模を0.1 %に固定した場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0068】
また、特性A1,A2 と対比するために、上層配線層M2(メタル配線層29)のみを追加した(ボンディングパッド71が配置されていない)場合の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 と、ドレイン配線25のみ設けた場合(上層配線層M2が配置されていない)の特性C1を示している。
【0069】
この特性図から分かるように、ダミー配線層である上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも発熱温度増加量が低く、特性B1,B2 は、上層配線層M2による放熱効果によって特性C1よりも改善されており、特性A1,A2 は、ボンディングパッド71による放熱効果によって特性B1,B2 よりも改善されていることが分かる。
【0070】
<第10の実施形態>
図13は、第10の実施形態に係る放熱器の断面構造の一例を示しており、図13における二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1(ドレイン配線25)に流れる電流量(Current) と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量(Temperature increase)の関係を図14に示す。
【0071】
図13に示す放熱器は、図11に示した第9の実施形態に係る放熱器と比べて、ボンディングパッド71とメタル配線層29とを接続するための複数のビアメタル(Pre TV)72が層間絶縁膜73に埋め込み形成されている点が異なり、その他は同じである。
【0072】
図14に示す特性図は、CSの規模を0.1 %に固定し、ボンディングパッド71を上層配線層M2(メタル配線層29)に接続するビアメタル(Pre TV)72の規模(メタル配線層29の表面積に対するPre TV面積の比率)をパラメータ(1 %、10%)として各配線層M1,M2 の電流量と発熱温度増加量の関係を示している。
【0073】
ここで、A1およびA2は、実施例においてPre TVの規模が1 %の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。A3およびA4は、実施例においてPre TVの規模が10%の場合の各配線層M1,M2 に対応する特性である。
【0074】
また、特性A1,A2,A3,A4 と対比するために、ビアメタル(Pre TV)72が埋め込み形成されていない場合(Pre TVの規模が0 %)の各配線層M1,M2 に対応する特性B1,B2 を示している。
【0075】
この特性図から、ダミー配線層である上層配線層M2(メタル配線層29)は下層配線層M1(ドレイン配線25)よりも発熱温度増加量が低く、ビアメタル(Pre TV)72の規模を大きくする程、上層配線層M2(メタル配線層29)の発熱がビアメタル(Pre TV)72とボンディングパッド71を経由して放熱され、各配線層M1,M2 の発熱温度増加量が低下することが分かる。
【0076】
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものでは無く、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変更して実施することができる。
【0077】
【発明の効果】
上述したように本発明の半導体装置によれば、ESD 保護回路のサージ電流経路に使用される配線層に生じる熱を効率よく放熱でき、サージ電流経路に使用される配線層も保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置に内蔵されたESD 保護回路に用いられている保護素子の一例およびESD 保護回路の配線に接続された放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図2】第2の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図3】第3の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図4】第4の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図5】第5の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図6】図1に示した放熱器を備えたESD 保護回路のメタル配線層に流れる電流密度と多層メタル配線層中の三層のメタル配線層M1,M2,M3に生じる発熱温度増加量の関係をコンタクトプラグの規模をパラメータとして示す特性図。
【図7】第7の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図8】図7において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図9】第8の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図10】図9において二層配線層M1,M2 に分割して流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図11】第9の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図12】図11において二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1に流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図13】第10の実施形態に係る放熱器の構造の一例を示す断面図。
【図14】図13において二層配線層M1,M2 中の下層配線層M1に流れる電流量と各配線層M1,M2 の発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【図15】従来の半導体装置に内蔵されたESD 保護回路の一例を示す等価回路図。
【図16】図15のESD 保護回路に用いられている保護素子の一例を示す断面図。
【図17】図16中のメタル配線層を半導体基板の拡散層に接続するコンタクトプラグの規模をパラメータとしてメタル配線層の電流と発熱温度増加量の関係を示す特性図。
【符号の説明】
20…放熱器、22…ドレインコンタクト、25…ドレイン配線、27…複数の層間絶縁膜、28…メタルコンタクト、29…複数のメタル配線層、51…最上層のメタル配線層(一部はボンディングパッド)。
Claims (15)
- 外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から前記内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、
前記入力保護回路に接続され、そのサージ電流経路に含まれる第1のメタル配線層と、
前記第1のメタル配線層に連なり、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器
とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記放熱器は、
前記第1のメタル配線層上にそれぞれ層間絶縁膜を介して複数の階層構造を持つように形成された第2のメタル配線層と、
前記複数の層間絶縁膜にそれぞれ埋め込まれて複数の階層構造を持ち、下層のメタル配線層に上層のメタル配線層を接続する複数のビアメタル
とを具備することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記複数の階層構造を持つ第2のメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルは、複数の階層構造の一部分の層間の複数のビアメタルの数が残りの層間の複数のビアメタルの数とは異なることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記複数の階層構造を持つ第2のメタル配線層およびそれに連なる複数のビアメタルは、他の配線の配置を避けて配置されていることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 前記複数の階層構造の一部分の層間の複数のビアメタルは、複数の階層構造の一部が前記第1のメタル配線層の上方からずれた位置に配設されていることを特徴とする請求項3または4記載の半導体装置。
- 前記放熱器は、
前記第1のメタル配線層上に層間絶縁膜を介して形成された第2のメタル配線層と、
前記層間絶縁膜に埋め込まれて前記第1のメタル配線層に第2のメタル配線層を接続する複数のビアメタル
とを具備することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記放熱器は、
前記第1のメタル配線層上にそれぞれ層間絶縁膜を介して複数の階層構造を持つように形成された第2のメタル配線層と、
前記複数の層間絶縁膜にそれぞれ埋め込まれ、前記第1のメタル配線層に第2のメタル配線層を接続するビアメタル
とからなり、前記複数の層間絶縁膜のうちで少なくとも一つの層間絶縁膜に形成されるビアメタルは、他の多層配線構造におけるビアメタルよりもサイズが大きい単一のビアメタルであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記放熱器は、
前記第1のメタル配線層上に層間絶縁膜を介して形成された第2のメタル配線層と、
前記層間絶縁膜に埋め込まれて前記第1のメタル配線層に第2のメタル配線層を接続するビアメタル
とからなり、前記ビアメタルは、他の多層配線構造におけるビアメタルよりもサイズが大きい単一のビアメタルであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記放熱器は、絶縁層中に埋め込まれていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記放熱器は、最上層のメタル配線層が表面保護膜で覆われており、前記最上層のメタル配線層のうちの入力パッド領域に対応して前記表面保護膜が開口されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1のメタル配線層は、コンタクトによって半導体基板の拡散層に接続されていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 外部端子と内部回路との間の配線に接続され、外部端子に印加された過大な静電サージ入力から前記内部回路を保護する保護素子を有する入力保護回路と、
前記入力保護回路のサージ電流経路に含まれ、コンタクトによって半導体基板の拡散層に接続されている第1のメタル配線層と、
前記第1のメタル配線層上に層間絶縁膜を介して形成され、熱伝導性が良好な材質の配線を用いてなる放熱器
とを具備することを特徴とする半導体装置。 - 前記放熱器は、
前記第1のメタル配線層上に第1の層間絶縁膜を介して形成された少なくとも一層の第2のメタル配線層を具備することを特徴とする請求項12記載の半導体装置。 - 前記第2のメタル配線層上に第2の層間絶縁膜を介して形成され、パッド領域に対応して開口される表面保護膜で覆われた最上層のメタル配線層
をさらに具備することを特徴とする請求項13記載の半導体装置。 - 前記第2の層間絶縁膜に埋め込まれ、前記第2のメタル配線層に前記最上層のメタル配線層を接続するビアメタルをさらに具備することを特徴とする請求項14記載の半導体装置。
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