JP2012015516A - 半導体基板上のボンディングコンタクト - Google Patents

半導体基板上のボンディングコンタクト Download PDF

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Abstract

【課題】殊に銅ボンディングとの両立性の点で高い信頼性を有するボンディングコンタクトを提供すること。
【解決手段】半導体基板上の、補強構造体を有するボンディングコンタクトにおいて、このボンディングコンタクトには、半導体基板上に配置される少なくとも１つの第１金属層と、この第１金属層の上方に配置される第３金属層とを有しており、第１金属層には、パターンを有する補強構造体が収容され、第３金属層は、ボンディング面を有するボンディングコンタクト層であり、さらに上記のボンディング面の下方かつ第１金属層の上方に絶縁層が配置されており、この絶縁層は、ボンディング面の縁部を越えて突き出ている。る、ボンディング個所（１）において、上記の補強構造体は、ボンディング面の上側から見た場合にこのボンディング面の下方において第１金属層内に構成されており、この補強構造体には誘電体島が含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載した、半導体基板上の補強構造を有するボンディングコンタクトに関する。
ボンディングコンタクトはふつう、複数の誘電体、コンタクト面およびメタライゼーション面からなる積層体から構成される。ボンディング面（ボンディングパッド）と称される最上位層は、いわゆるボンディングにより、「パッケージ」の薄いワイヤに電気的に結び付けられる。
公知であるのは、ボンディングプロセス中、ボンディングキャピラリ先端部によってボンディングコンタクトに及ぼされる機械的負荷および超音波圧力により、その下にある誘電体の破壊にまでつながる亀裂が形成され、その下にある複数の金属構造体が変形され、またこれらの金属構造体の層が剥離するという事態が発生し得ることである。このようなボンディング欠陥は、ボンディングコンタクトおよびその下にある複数の層におけるクレータとして形成されることがあり、またふつうボンディング中に視認することができず、引き続いて行われる引っ張りテストまたは剪断テストまたは信頼性テスト中にはじめて明らかになるのである。
これらの問題は、３層メタライゼーション、ＣＭＰ平坦化（化学的機械的平坦化）および金のボンディングワイヤを銅のボンディングワイヤに交換するなどの新しいプロセスオプションによってさらに深刻化している。
したがってボンディングコンタクトの機械的特性を改善するため、ラテラル方向に均一または周期的に補強構造体を設けることが公知である。
EP 0 875 934 B1には少なくとも１つの誘電体層を有するボンディングコンタクトが記載されており、この層は、パターンの付いた補強構造体を有しており、この補強構造体は、互いに接続されかつ例えば格子状に配置されたメタライゼーション線路からなる。
EP 0 875 934 B1
本発明の課題は、改善された特性を備えた冒頭に述べた形式のボンディングコンタクト、殊に銅ボンディングとの両立性の点で高い信頼性を有するボンディングコンタクトを提供することであり、この銅ボンディングでは、エネルギ吸収度が高いことによって起因してボンディングの際にも、また作動温度が高い場合にもボンディングパッドのロバストかつ均一な特性が要求されるのである。
上記の課題は、請求項１の記載された特徴的構成を有するボンディングコンタクトによって解決される。
本発明によるボンディングコンタクトの第１実施例の断面図である。 図１のボンディングコンタクトの補強構造体を上から見た断面図である。 本発明によるボンディングコンタクトの第２実施例の断面図である。
本発明によるボンディングコンタクトはつぎのように構成されている。すなわち、補強構造体を有する半導体基板上に、半導体基板に配置された少なくとも１つの第１金属層と、半導体基板上の、補強構造体を有する半導体基板上に、この半導体基板上に配置される少なくとも１つの第１金属層と、第１金属層の上方に配置された第３金属層とを有しており、上記の第１金属層は、パターンを有する補強構造体を収容するためのものであり、上記の第３金属層は、ボンディング面（ボンディングパッド）を有するボンディングコンタクト層であり、上記のボンディング面の下方および第１金属層の上方に絶縁層が配置されており、この絶縁層は、ボンディング面の縁部を越えて突き出ており、上記の補強構造体は、上側からボンディング面を見た場合、ボンディング面の下方において上記の第１金属層の内側に構成されており、上記の補強構造体には誘電体島が含まれている。
補強構造体を有する半導体基板上のこのようなボンディングコンタクトは、本発明による１発展形態によればつぎのような特徴を有する。ここで上記の補強構造体は、パターンを有する補強構造体を収容するための、半導体基板に配置される少なくとも１つの導電性材料層と、金属層とを含んでおり、この金属層は、ボンディング面（ボンディングパッド）を有するボンディングコンタクト層として構成されかつ上記の導電性材料層に配置される。
− 上記の補強構造体は、規則的に配置される第１形状の島および第２形状の島から構成され、
− 第１形状の島は格子状に配置されており、
− 格子点を構成しかつ隣接する４つの第１形状の島の間にそれぞれ第２形状の島が配置されており、
− 第２形状の島は、格子状の構造を構成する。
本発明のように構造化された導電性材料層、有利にはアルミニウムまたは銅のような金属を使用すれば、ボンディングコンタクトの良好な機械的の特性が得られるため、ボンディングの際の力を一層良好に受け止めることができ、これによって基板までに至る亀裂の形成が抑止されるか、または少なくとも最小化される。
本発明の有利な１発展形態にしたがって中央に配置された補強構造体をフレーム状に包囲することにより、有利にも、このフレーム状に包囲された領域において、少なくとも１つの誘電体層に配置される貫通コンタクト部（ヴィア）を介して、ボンディングコンタクト層との電気的な接触接続を形成することができる。これにより、機械的には不利ではあるが導電性材料層の電気的な接続に必要なこのような貫通コンタクト部が、上記のボンディングによって機械的に負荷のかかるボンディング−パッド領域の外側で実現される。上記のヴィアを収容する誘電体層も、ボンディングパッドの下側の領域には、このような貫通コンタクト部を有しない。これにより、このようなボンディングコンタクトは殊に自動車における適用に有利である。それは上記の補強構造体の領域においては、アクティブな電子構成素子が、その下の半導体基板に実現されることがないからである。
本発明による別の１実施形態の特徴は、
− 上記の補強構造体が、規則的に配置される島からなるパターンを有し、
− 上記の導電性材料層は、補強構造体をフレーム状に包囲し、
− 上記の導電性材料層は、縁部領域にて、少なくとも１つの誘電体層に配置される貫通コンタクト部を介して上記のボンディングコンタクト層に電気的に接続される。
これにより、機械的には不利ではあるが導電性材料層の電気的な接続には必要なこのような所要の貫通コンタクト部が、上記のボンディングによって機械的に負荷のかかるボンディング−パッド領域の外側で実現される。上記のヴィアを収容する誘電体層も、ボンディングパッドの下側の領域にはこのような貫通コンタクト部を有しない。これにより、このようなボンディングコンタクトは殊に自動車における適用に有利である。それは上記の補強構造体の領域においては、アクティブな電子構成素子が、その下にある半導体基板に実現されることはないからである。
本発明の発展形態によれば、上記の２つの解決手段において、島は第１形状および第２形状で構成され、ここで第１形状の島は格子状に配置され、また格子点を構成しかつ隣接するこれらの４つの第１形状の島の間にそれぞれ第２形状の島が配置され、これらの第２形状の島も同様に格子状の構造体を構成する。
本発明の１発展形態において第１形状の島は、導電性材料層の面において正方形または矩形の断面を有しているため、このような島は簡単に作製可能である。それは、この場合には相応する構造体が、多重に回転対称だからである。
本発明の別の１実施形態において上記の第２形状の島は、導電性材料層の面において十字形の断面を有しており、これによって同様に格子状の、多重に回転対称な構造を構成するため、これによって生じる補強構造体のパターンも多重に回転対称になるのである。ここで殊に有利であることは判明したのは、上記の導電性材料層の面において、隣接し合う第２形状の境界部と、第１形状の島と第２形状の島との境界部とが同じ間隔を有する場合である。これにより、有利には誘電体から作製される上記の補強構造体のパターンの領域において、すなわちこの補強構造体を収容する材料層の中央領域において、誘電体の割合は、導電性材料層の材料の割合よりも大きくなるのである。
本発明の１発展形態によれば、有利には別の導電性材料層が設けられており、この導電性材料層は、補強構造体を有する導電性材料層に配置されており、かつ誘電体から構成されかつ中央に配置された島を有しており、ここでこの島は、導電性材料層によってフレーム状に包囲される。これにより、本発明のこの発展形態においても、ボンディングパッドの下の領域には別の構造体が存在しないままになる。このようにして得られるボンディングコンタクトは、ボンディングパッドの下に、基板表面に対して垂直方向に延びかつ誘電体から構成される複数の領域を有し、これらの領域は、積層体において中断されることはない。これにより、材料の弾性的な歪み限界までの、ボンディングコンタクトの負荷耐性が得られるのである。
したがって有利にも２つの導電性材料層間、またはボンディングパッドと、その下にある導電性材料層との間の別の誘電体層も同様に、電気的な接続に必要な貫通コンタクト部を縁部領域だけに有するのである。
最後に本発明の１発展形態によれば、２つの導電性材料層の間に１つの誘電体層が配置されており、この誘電体層により、上記の縁部領域に配置される貫通コンタクト部を介して、上記の２つの導電性材料層が電気的に接続される。
実際のボンディングパッドが、負荷耐性能力の低い構造体を有しないように維持するため、パッシベーション層における開口部によって定められるボンディングパッドには、貫通コンタクト部がない。本発明の１発展形態によれば、これらの貫通コンタクト部は、パッシベーション層の縁部領域に配置される。
また殊に有利であるのは、上記の補強構造体を有する導電性材料層が、別の材料層および／または誘電体層を基準にして、基板側に配置される場合である。すなわち、この導電性材料層は、可能な限り基板の近くに配置されるのである。これにより、場合によっては発生する亀裂をこの構造化された材料層によって補強することができる。
上記の導電性材料層は、金属、有利にはアルミニウムおよび／または銅によって形成され、また誘電体層における貫通コンタクト部は、電気的な接触接続のために金属、有利にはタングステンまたはアルミニウムによって充填される。
有利な１実施形態によれば、上記のボンディングコンタクト層の縁部は、第２金属層の金属製のフレームの内側の縁部とも、また外側の縁部ともずれている。さらに第２金属層のフレームの内側の縁部も外側の縁部も共に、第１金属層のフレームの内側および外側の縁部とずれている。第１金属層のフレームの内側の縁部も外側の縁部も共に上記の縁部からずれているため、第１金属層の縁部、第２金属層の縁部およびボンディングコンタクト層の縁部で互いに重なり合うものはない。言い換えると、個々の金属面およびボンディング面における金属フレームのそれぞれの外側の縁部は、互いにラテラム方向にずれているのである。
発明者の調査によって示されたのは、互いにずらした金属層の縁部により、亀裂の形成を効果的に抑止することできることである。この際に注意すべきであるのは、個々のフレームおよびボンディングコンタクト層が、択一的な実施形態だけにおいてヴィアないしはスルーコンタクトによって電気的に接続されることである。
個々のフレームを互いにずらすという上記の原理は、３つ以上の金属面に拡張することが可能である。
以下では添付の図面を参照し、実施例に基づいて本発明を詳しく説明する。
図１のボンディングコンタクト１は、半導体基板２上に配置されており、この半導体基板には、ｘで示した領域の外側に複数のアクティブ半導体素子、例えばトランジスタ、ダイオード、メモリまたはセンサ素子などを実現することができる。
ボンディングコンタクト１は、複数の材料層、有利には上下に重なった３つの材料層を有している。すなわちボンディング個所は、基板２に配置されてはいるが、２つの薄い誘電体層９によって基板２から離れているアルミニウム製の第１金属層３を有している。この第１金属層３には誘電体製の補強構造体１０が設けられており、この補強構造体１０は誘電体層８によって第２金属層７から離されている。最後にボンディングコンタクト１は、ボンディングコンタクト層４でありかつ同様にアルミニウムである第３金属層を有している。ボンディングコンタクト層４の表面は、ボンディング面ないしはボンディングパッド５を形成しており、ここでこの面は、パッシベーション層１３によって矩形に包囲されている。このことは図２の平面図に示されているとおりである。ボンディングコンタクトそう４は、縁部５ａを有しており、この縁部は、パッシベーション層１３の下側に構成されている。すなわち、パッシベーション層１３は、四方の縁部においてボンディングコンタクト層４に重なっているのである。第２金属層７とボンディングコンタクト層４との間には第２誘電体層６が配置されている。第１誘電体層８の材料も、第２誘電体層６の材料も共にふつうは二酸化ケイ素ＳｉＯ２が含まれている。
図１から明瞭にわかるのは、ボンディングコンタクト層４ないしはボンディングコンタクト５以外では、絶縁層１４内に補強構造体が配置されることであり、ここでこの絶縁層は少なくとも２μｍの厚さを有するべきである。絶縁層１４は、図１に示したようにただ１つの層として相応に厚く実施するかまたは重なり合う複数の部分絶縁層から構成することが可能である。
第１金属層３に実現される補強構造体１０のパターンは、個別のパターンエレメントから構成され、これらのパターンエレメントは、異なる形状を有する島１１および１２として形成され、またそれぞれ誘電体、例えば２酸化ケイ素からなる。図２の第１金属層３の平面図において、島１１は、金属層３の面において正方形の断面を有する第１形状からなり、また島１２の断面は十字形の第２形状である。
正方向の島１１も、十字形の島１２も共にそれぞれ格子状に配置されており、十字形の島１２は、隣接する４つの島１１の間にある。ここでこれらの隣接する４つの島１１は、島１１によって形成される格子状構造体の格子点を構成する。
隣接する十字形の島１２同士の境界部と、十字形の島１２と正方形の島１１との間の境界部とは、同じ一定の間隔を有しているため、島１１と１２との間には金属層３のウェブ状の材料が残ったままになる。十字形の島１２の間にある金属ウェブを３ａと記し、格子状の島１１と十字形の島１２との間にある金属ウェブを３ｂと記す。
補強構造体１０は、金属層３の閉じた縁部３ｃによって囲まれており、金属層３は、この縁部３ｃの領域において、第１誘電体層８に配置される貫通コンタクト１５により、第２金属層７に電気的に接続される。
第２金属層７はフレーム状に構造化されるため、金属フレーム７ａにより、誘電体島１４が囲まれる。誘電体島１４の代わりに酸化島１４を設けることも可能である。金属フレーム７ａは、第１誘電体層８内の貫通コンタクト１５を介して、第１金属層３の金属フレーム３ｃに電気的に接続される。
さらに第２金属層７のこのフレーム７ａは、第２誘電体層６に配置される貫通コンタクト部１６を介して、第３金属層４に接続される。貫通コンタクト部１６も同様に第２誘電体層６の縁部領域に配置されており、殊に第１誘電体層８の貫通コンタクト部１５に重なるように配置されている。
貫通コンタクト部１５ないしは１６は、タングステンないしはアルミニウムからなる。
図２からわかるように、これらの貫通コンタクト部１５および１６は、ボンディングコンタクト１の４つのすべての面に配置されている。すなわち貫通コンタクトは、ボンディングコンタクトを完全に包囲しているのである。これにより、貫通コンタクトは、実質的なボンディングパッド構造体に属してはおらず、パッシベーション層１３の下で垂直方向に延びているのである。このことは図２の平面図からもわかり、この図によれば、補強構造体１０は、パッシベーション層１３によって構成されるフレーム内に配置される。これに続く縁取りは、第２金属層７のフレーム７ａの内側の辺によって構成される。
補強構造体１０の領域では、すなわちパッシベーション層１３によって定められるボンディング面５の下側では、すべての層の誘電体から構成されかつ垂直方向に延びるパイルが、第１金属層の島１１または１２から始まって第２誘電体層６まで延在している。これによって機械的に高い抵抗力が得られるのである。
図３にはボンディングコンタクト１の有利な第２の実施形態が示されている。以下では、図１に示した実施例との違いだけを説明する。ボンディングコンタクト層４は、縁部５ａによって区切られている。ここではボンディングコンタクト層４の縁部５ａは、第２金属層７の金属製フレーム７ａの内側の縁部に対しても外側の縁部に対してもずれている。さらに第２金属層のフレーム７ａの外側の縁部も内側の縁部も共に、第１金属層３のフレーム３ｃの内側および内側の縁部に対してずれている。また第１金属層３のフレーム３ｃの外側の縁部および内側の縁部も縁部５ａに対してずれているため、第１金属層３の縁部、第２金属層７の縁部およびボンディングコンタクト層４の縁部は上下に重なっていない。言い換えると、金属フレーム３ｃ，７ａの外側の縁部およびボンディング面５ａの外側の縁部はそれぞれ互いにラテラル方向にずれているのである。ここで注意すべきであるのみ、個々のフレーム３ｃおよび７ａおよびボンディングコンタクト層４は、択一的な１実施形態においてのみ、ヴィアないし貫通コンタクト部１５および１６によって電気的に接続されていることである。
１ ボンディングコンタクト、 ２ 半導体基板、 ３ 導電性材料層、金属層、 ３ａ 隣接する島１２間の金属層３のウェブ、 ３ｂ 島１２と島１１との間の金属層３のウェブ、 ３ｃ 金属層３のフレームを囲む補強構造体１０、 ４ 金属層、 ５ ボンディング面（ボンディングパッド）、 ５ａ ボンディング面の縁部、 ６ 誘電体層、 ７ 導電性材料層、金属層、 ７ａ 金属層７のフレーム、 ８ 誘電体層、 ９ 誘電体層、 １０ 補強構造体、 １１ 第１形状の島、 １２ 第２形状の島、 １３ パッシベーション層、 １４ 金属層７の誘電体島、 １５ 誘電体層８の貫通コンタクト、 １６ 誘電体層６の貫通コンタクト

Claims (12)

  1. 半導体基板（２）上の、補強構造体（１０）を有するボンディングコンタクト（１）において、
    該ボンディングコンタクトには、
    − 前記の半導体基板（２）上に配置される少なくとも１つの第１金属層（３）と、
    − 当該の第１金属層（３）の上方に配置される第３金属層（４）とを有しており、
    前記の第１金属層（３）には、パターンを有する補強構造体（１０）が収容され、
    前記の第３金属層（４）は、ボンディング面（ボンディングパッド）（５）を有するボンディングコンタクト層であり、
    さらに
    − 前記のボンディング面（５）の下方かつ第１金属層（３）の上方に絶縁層（１４）が配置されており、
    当該の絶縁層（１４）は、前記のボンディング面（５）の縁部（５ａ）を越えて突き出ている、ボンディングコンタクト（１）において、
    − 前記の補強構造体（１０）は、当該のボンディング面（５）の上側から見た場合に当該のボンディング面（５）の下方において第１金属層（３）内に構成されており、
    − 当該の補強構造体（１０）には誘電体島（１１，１２）が含まれていることを特徴とする
    ボンディングコンタクト（１）。
  2. 前記の絶縁層（１４）は、少なくともほぼ２μｍの厚さを有し、かつ複数の部分層から構成される、
    請求項１に記載のボンディングコンタクト。
  3. − 前記の補強構造体（１０）は、規則的に配置される第１形状の島（１１）および第２形状の島（１２）から構成され、
    − 第１形状の島（１１）は格子状に配置されており、
    − 当該の第１形状の島（１１）は、直に隣接する４つの第２形状の島（１２）の間にそれぞれ配置されており、
    − 第２形状の島（１２）は格子状の構造を構成する、
    請求項１または２項に記載のボンディングコンタクト。
  4. 前記の第１金属層（３）にフレーム（３ｃ）が構成されており、
    当該フレーム（３ｃ）により、前記の補強構造体（１０）が包囲される、
    請求項１から３までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト。
  5. 前記の第１金属層（３）は、縁部領域にて、少なくとも１つの誘電体層（８）に配置される貫通コンタクト部（１５）を介して前記のボンディングコンタクト層（４）に電気的に接続される、
    請求項１から４までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト。
  6. 前記の第１形状の島（１１）は、第１金属層（３）の面にて正方形または矩形の断面を有する、
    請求項１から５までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト（１）。
  7. 前記の第２形状の島（１２）は、第１金属層（３）の面にて十字形の断面を有する、
    請求項１から６までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト（１）。
  8. 第２金属層（７）が設けられており、
    該第２金属層（７）は、前記の補強構造体（１０）を有する第１金属層（３）の上に配置されており、かつ誘電体から構成されかつ中央に配置される島を有しており、
    当該の島は、第２金属層（７）によってフレーム状に包囲される、
    請求項１から７までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト（１）。
  9. 前記の第１金属層（３）と第２金属層（７）との間に誘電体層（８）が配置されており、
    該誘電体層より、縁部領域に配置された貫通コンタクト部（１５）を介して前記の２つの導電性材料層（３，７）が電気的に接続される、
    請求項８に記載のボンディングコンタクト（１）。
  10. 前記のボンディング面（５）は、縁部領域にて、誘電体層（６）に配置される貫通コンタクト部（１６）を介して第２金属層（７）に電気的に接続される、
    請求項９に記載のボンディングコンタクト（１）。
  11. 前記のボンディング面（５）は、パッシベーション層（１３）の開口部によって定められ、
    前記の貫通コンタクト部（１５，１６）は、当該のパッシベーション層（１３）の縁部領域に配置される、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載のボンディングコンタクト（１）。
  12. 前記の金属製のフレームの外側の縁部（３ｃ，７ａ）と、ボンディング面の外側の縁部（５ａ）とはそれぞれラテラル方向にずれている、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載のボンディング個所（１）。
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