專利名稱：半導體元件及其制造方法
技術領域：
本發明一般涉及一種半導體元件及其制造方法，特別涉及一種具有用作半導體器件中半導體元件的連接端子的接合墊或者凸起墊或者探測墊的半導體元件及這種半導體元件的制造方法。
背景技術：
通常，半導體器件中包含的半導體元件設有用于與外部器件電接觸的多個電極。例如，如果電極用作接合線的連接墊，則這些電極就被稱作接合墊(bonding pad)。如果電極用作凸起的連接墊，則這些電極就被稱作凸起墊。此外，如果電極用作接觸探針的連接墊，則這些電極被稱作探測墊。在下文中，作為接合墊、凸起墊和探測墊的一個代表，將說明接合墊。
圖1是集成電路組件(半導體器件)的一部分的透視圖，其中包括一個具有多個接合墊的半導體元件。如圖1所示，在半導體器件內引線框2的壓模臺(die stage)4上安裝的半導體元件6的接合墊6a通過接合線8與引線框2的內部引線2a連接。
圖2是圖1所示的接合墊的平面圖。圖3是沿圖2中III-III線的橫截面圖。
如圖2和圖3所示，通常，半導體元件中形成的接合墊6a具有這樣的結構其中在由鋁或類似物制成的下布線層14上形成多個導電塞16，它們由鎢或類似物制成并以矩陣圖案排列，而在導電塞16上形成由鋁或類似物制成的上導電層18。在下布線層14與上導電層18之間，在導電塞16周圍形成絕緣層20。
應當注意，下布線層14形成在半導體襯底10上形成的層間絕緣膜12上，并且用作半導體元件的內部布線。此外，上導電層18的外圓周部分被覆蓋膜22覆蓋，并且上導電層18暴露在覆蓋膜22中形成的開口中。
這里，在形成半導體元件的過程中，例如，通過執行電測試來進行電特性測試，以確定半導體器件是完好的還是有缺陷的。在這種情況下，需要將測試探針與接合墊6a(上導電層18)相接觸。當測試探針壓在上導電層18上時，應力便集中在絕緣層上，該絕緣層與上鋁層和導電塞16相比又硬又脆。由于應力集中，有可能在導電塞16之間的絕緣層20中產生裂縫。
這種裂縫不會擴散到導電塞16，并且在裂縫到達導電塞16時便會停止。但是，導電塞16以矩陣圖案排列，從而在如圖4所示的截面中，裂縫可能在絕緣層20內擴散，但是不會達到導電塞16。
此外，由于測試探針被按壓在上導電層18上，在上導電層18上可能形成裂紋。這種裂紋會擴散到絕緣層20中。由此，如果水分進入裂紋，水分就會進入到半導體元件內部，這會引起缺乏耐濕性的缺陷。
因此，為了解決上述問題，提出一種具有這樣結構的接合墊其中將導電塞與絕緣層部分交換，以制成如圖5和圖6所示的網格狀導電部16A和島狀絕緣層20(例如，參考專利文獻1)。應當注意，圖5是具有網格狀導電部16A的接合墊6Aa的平面圖，圖6是沿圖5的VI-VI線的橫截面圖。
也就是說，在上導電層18與下布線層14之間，與導電塞對應的網格狀導電部16A由鎢或類似物形成，并且將絕緣材料填充在網格狀導電部16A內的每個方形部分中，以形成絕緣層20。根據這種結構，易于產生裂縫的絕緣層20被網格狀導電部16A的壁面包圍。因此，在與一個方形部分對應的絕緣層20中發生裂縫時，該裂縫不會擴散到其它方形部分的絕緣層20或者網格狀導電部16A之外的絕緣層20。
下列文獻涉及本發明的上述背景技術。
專利文獻1日本特許公開No.2002-208610專利文獻2日本特許公開No.10-64945通過形成與網格圖案的開口對應的部分(也就是島狀絕緣層20)并在島狀絕緣層20之間填充鎢或類似物，能夠形成上述網格狀導電部16A。但是，由于形成絕緣層20的絕緣材料為柱形，所以與下布線層14接觸的接觸面積很小。這樣，便有可能出現這樣的問題在進行絕緣層20的形成工藝中的蝕刻、灰化、后加工、清洗、和干燥或者在進行后續工藝中的清洗或者干燥時，柱狀絕緣層20會分離并從下布線層14上脫落，如圖7所示。應當注意，在圖7中，并沒有將島狀絕緣層20表示為方形柱而是表示為圓柱。雖然在圖4和圖5中島狀絕緣層20被表示為方形柱，但是在實際形成時可以是近似圓柱形。
此外，還會發生這樣的問題當圍繞島狀絕緣層20填充例如鎢或類似物的導電材料時，導電材料不能被適當地填充在由圖8中附圖標記38所表示的部分中或者會形成凹陷，這就不能獲得良好的覆蓋。應當注意，在圖8中也將島狀絕緣層20表示為圓柱形。
發明內容
本發明的總的目的是提供一種可消除上述問題的、改進并且實用的半導體元件及其制造方法。
本發明更具體的目的是提供一種具有這種結構的半導體元件其中，如果在接合墊內產生裂縫，該裂縫不會擴散到半導體元件內部。
為了達到上述目的，根據本發明的一個方案提供一種半導體元件，在其表面上設有電極，該半導體元件包括布線層，其形成在該半導體元件的內部；導電層，其與該布線層分離地形成，以形成該電極的表面；多個柱狀構件，所述柱狀構件由導電材料形成，并在所述布線層與導電層之間延伸且相互鄰近地排列；絕緣層，其由所述多個柱狀構件之間填充的絕緣材料形成；以及框架構件，其在所述布線層與所述導電層之間延伸，以將所述多個柱狀構件和所述絕緣層包圍在一起。
此外，根據本發明的另一方案，提供一種半導體元件的制造方法，在該半導體元件的表面上設有電極，該制造方法包括在該半導體元件內部的布線層上形成多個柱狀構件和一個框架構件，以使該框架構件包圍多個柱狀構件；通過在所述柱狀構件之間填充絕緣材料形成絕緣層；以及在所述多個柱狀構件、所述絕緣層和所述框架構件上形成導電層，以將該導電層的表面加工成所述電極的表面。所述框架構件由與所述柱狀構件的材料相同的材料形成。
根據本發明，即使在測試探針接觸電極、進行引線接合或者形成凸起時、由于施加到電極的應力而在電極下面的絕緣層中產生裂縫，框架構件也會防止該裂縫的擴散，所以該裂縫不會擴散到半導體元件內。因此，防止了由于水分進入半導體元件內而造成的缺乏耐濕性的缺陷的產生。此外，由于這種電極結構中的絕緣層是相互連接的連續形式，所以在制造過程中絕緣層的一部分不會脫落。
此外，根據本實施例，柱狀構件不僅被框架構件包圍，而且被布線層、中間導電層、導電層和框架構件在垂直方向和水平方向上與絕緣層一起完全包圍。這樣，即使裂縫在垂直方向上發生擴散，該裂縫也不會擴散到接合墊結構的外部，所以該裂縫被限制在接合墊結構之內。
從結合附圖的下述詳細說明，將使本發明的其它目的、特點和優點更為清楚。
圖1是集成電路組件的一部分的透視圖，其中包括一個具有多個接合墊的半導體元件；圖2是圖1所示的接合墊的平面圖；圖3是沿圖2中III-III線的橫截面圖；圖4是沿圖2的IV-IV線的橫截面圖；圖5是具有網格狀導電部的接合墊的平面圖；圖6是沿圖5的VI-VI線的橫截面圖；圖7是示出圖5所示的絕緣層的狀態的視圖；圖8是示出圖5所示的網格狀構件的技術的視圖；圖9是根據本發明實施例的半導體元件的接合墊的平面圖；圖10是沿圖9的X-X線的橫截面圖；以及圖11是沿圖9的XI-XI線的橫截面圖。
具體實施例方式
下面將結合
本發明的實施例。
圖9是根據本發明實施例的接合墊部分的平面圖。圖10是沿圖9的X-X線的橫截面圖。圖11是沿圖9的XI-XI線的橫截面圖。在圖9至圖11中，用相同的附圖標記表示與圖2和圖3中所示的部分相同的部分。
在本實施例中，接合墊40具有兩級結構，如圖10所示，在上、下導電塞16之間設有中間導電層42。導電塞是由導電材料形成的柱狀構件。在本實施例中，上導電層18和中間導電層42通過上導電塞16相互電連接，所述導電塞16是通過導電材料例如鎢或類似物形成的柱狀構件。相似地，中間導電層42和下布線層14通過下導電塞16相互電連接，所述下導電塞16是通過導電材料例如鎢或類似物形成的柱狀構件。上導電層18的暴露在外部的表面用作與接合線8連接的接合表面。
雖然在本實施例中將接合墊40構成為上述的兩級(two-stage)結構，但是接合墊可以具有單級結構或者具有大于三級的多級結構。根據半導體襯底10上形成的上導電層18與層間絕緣膜12之間的距離能夠確定接合墊的級數。
在本實施例中，如圖9所示，以矩陣形式排列的導電塞16的最外面的圓周部分被構成為框架構件44，其在整個圓周上是連續的。在本實施例中，框架構件44由與導電塞16的材料例如鎢或類似物相同的材料形成，因此，能夠以與形成鎢塞16的工藝相同的工藝形成框架構件44。因而，與導電塞16相似，框架構件44也用作使下布線層14與上導電層相互電連接的構件。
應當注意，優選將鎢(W)、銅(Cu)、鋁(Al)或者類似物用作形成導電塞16和框架構件44的導電材料。此外，作為形成絕緣層20的絕緣材料，有氧化硅(SixOy)、NSG、SiLK(注冊商標，有機熱固樹膠)、低介電常數材料(低k材料)等。
框架構件44的寬度優選設定為與每個導電塞16的寬度基本相同。例如，如果將0.35-μm規則(rule)應用為半導體器件的設計規則，那么框架構件44的寬度優選設定為大約0.45μm。如果將0.18-μm規則應用為設計規則，則框架構件44的寬度優選設定為大約0.25μm。如果應用0.09-μm規則，則框架構件44的寬度優選設定為大約0.15μm。
此外，優選使框架構件44的外邊框(outline)基本等于形成接合表面的上導電層18的外邊框，以使多個導電塞16能夠形成在框架構件44內。
在上述結構中，導電塞16和在導電塞16之間設置的由絕緣材料制成的絕緣層20被框架構件44包圍。因此，即使在導電塞16之間設置的絕緣層中產生裂縫，該裂縫也不會擴散到框架構件44的外部，如圖11所示。可以理解的是，在如圖11所示的本實施例的結構中，裂縫30的擴散被框架構件44停止，而在示出傳統結構的圖3中，絕緣層20中產生的裂縫擴散到半導體元件內。
如上所述，按照本實施例，即使在接觸測試探針或者進行引線接合時、由于施加到接合墊的機械應力而在接合墊內的絕緣層中產生裂縫，該裂縫也不會擴散到半導體元件內。這樣，也防止了由于水分沿裂縫進入半導體元件內而造成的缺乏耐濕性的缺陷的產生。此外，由于在這種接合墊結構中的絕緣層20不是島狀形式而是互連形式，所以絕緣層的一部分不會脫落。
此外，根據本實施例，導電塞16不僅被框架構件44包圍，而且被下布線層14、中間導電層42、上導電層18和框架構件44在垂直方向和水平方向上與絕緣層20一起完全包圍。這樣，即使產生裂縫，該裂縫也不會擴散到接合墊結構的外部，該接合墊結構將裂縫限制在接合墊結構之內(框架構件內)。
應當注意，在本實施例中由與導電塞16的導電材料相同的導電材料形成框架構件44。由于該導電材料比如是一種比形成絕緣層20的絕緣材料更軟的金屬，于是具有這些優點這種材料適于阻止裂縫的擴散，并且能夠以與形成導電塞16的工藝相同的工藝形成框架構件44。但是，并不總是需要由導電材料形成框架構件44，并且框架構件44可以由相對柔韌的絕緣材料形成。作為這種絕緣材料，例如有氧化鋁(AlxOy)、鈦鋁氮化物(TixAlyNz)等。
為了形成上述結構的接合墊，首先，在下布線層14上形成導電塞16和框架構件44，以使框架構件44包圍導電塞16，然后，通過在導電塞16之間填充絕緣材料形成絕緣層20，隨后在導電塞16、絕緣層20和框架構件44上形成上導電層18。由此，能夠將上導電層18的表面加工成接合墊的接合表面。
本發明并不限于具體公開的實施例，并且不脫離本發明的范圍可以進行各種修改和變化。
本申請基于在2005年5月30日申請的日本在先申請No.2005-157538，并且在此通過參考的方式援引其全部內容。
權利要求
1.一種半導體元件，在其表面上設有電極，該半導體元件包括布線層，其形成在該半導體元件的內部；導電層，其與該布線層分離地形成，以形成該電極的表面；多個柱狀構件，所述柱狀構件由導電材料形成，并在所述布線層與導電層之間延伸且相互鄰近地排列；絕緣層，其由所述多個柱狀構件之間填充的絕緣材料形成；以及框架構件，其在所述布線層與所述導電層之間延伸，以將所述多個柱狀構件和所述絕緣層包圍在一起。
2.如權利要求1所述的半導體元件，其中所述框架構件由形成所述柱狀構件的所述導電材料形成。
3.如權利要求1所述的半導體元件，其中所述框架構件由比形成所述絕緣層的所述絕緣材料具有更高柔韌性的材料形成。
4.如權利要求1所述的半導體元件，其中所述框架構件的外邊框基本等于所述導電層的外邊框。
5.如權利要求1所述的半導體元件，其中所述柱狀構件以矩陣形式排列。
6.如權利要求1所述的半導體元件，其中在所述布線層與所述導電層之間設有中間導電層；所述柱狀構件包括多個第一柱狀構件，所述第一柱狀構件在所述布線層與所述中間導電層之間延伸；以及多個第二柱狀構件，所述第二柱狀構件在所述中間導電層與所述導電層之間延伸；并且所述框架構件包括第一框架構件，其在所述布線層與所述中間導電層之間延伸；以及第二框架構件，其在所述中間導電層與所述導電層之間延伸。
7.如權利要求6所述的半導體元件，其中所述第一和第二框架構件由形成所述第一和第二柱狀構件的所述導電材料形成。
8.一種半導體元件的制造方法，在該半導體元件的表面上設有電極，該制造方法包括在該半導體元件內部的布線層上形成多個柱狀構件和一個框架構件，以使該框架構件包圍所述多個柱狀構件；通過在所述柱狀構件之間填充絕緣材料形成絕緣層；以及在所述多個柱狀構件、所述絕緣層和所述框架構件上形成導電層，以將該導電層的表面加工成所述電極的表面。
9.如權利要求8所述的制造方法，其中所述框架構件由與所述柱狀構件的材料相同的材料形成。
全文摘要
本發明提供一種半導體元件及其制造方法。在半導體元件中，如果在接合墊內產生裂縫，該裂縫不會擴散到半導體元件內。在該半導體元件的表面上設有電極。在該半導體元件的內部形成布線層。導電層與該布線層分離地形成，以形成該電極的表面。由導電材料形成多個柱狀構件，它們在布線層與導電層之間延伸且相互鄰近地排列。由所述多個柱狀構件之間填充的絕緣材料形成絕緣層。框架構件在布線層與導電層之間延伸，以將多個柱狀構件和絕緣層包圍在一起。
文檔編號H01L21/28GK1873962SQ200510099898
公開日2006年12月6日 申請日期2005年9月9日 優先權日2005年5月30日
發明者齋藤仁 申請人:富士通株式會社