JPH06283670A - 能動回路部上に電源バス用隆起物を備えた集積回路デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体チップ上のボンディングパッドを覆っ
ている相互接続金属層上に複数の金属隆起物を設けて、
電源供給路のインピーダンスを逓減し、電源供給路由来
の雑音を最小にする。 【構成】 表面に能動回路の形成されたシリコン層２４
上にボンディングパッド２１ｐと保護酸化物層２６とが
乗っており、保護酸化物層２６のボンディングパッド２
１ｐ上面には窓１８ｐが開いている。そこを充填して、
さらに保護酸化物層２６を覆うように相互接続金属層２
７が形成されている。この金属層２７上に電気的に接続
されて、金属隆起物２８ｐと追加の金属隆起物３０ｒｐ
とが所定間隔で乗っている。これらの隆起物２８ｐ、３
０ｒｐの頂部にハンダキャップ２９ｐが備えられてい
る。追加のハンダキャップ３０ｒｐは、シリコン層２４
表面の能動回路部上にあるのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集積回路に関連し、よ
り詳細には、チップ上に形成された電源バスを備えたも
のに関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】大規模集積回路（ＶＬ
ＳＩ）の設計者が直面する問題の一つは、チップ上の電
源バスで発生する雑音をいかにして逓減するかというこ
とである。かかる電源バスでの雑音には、多くの要因が
関与している。例えば、そのような要因の一つに、高速
出力バッファ回路でのスイッチングがある。出力バッフ
ァ回路の駆動性能の向上に応じて、過渡状態の変化が高
速化するにつれて、バッファ出力回路と電源バスとの接
続に伴う寄生インダクタンスが増大し、これにより、雑
音が発生する。これ以外の目立つ要因として、チップ寸
法とリフレッシュ電流がある。大容量メモリデバイス用
の大寸法チップには、より長いチップ上電源バスが採用
されており、それ故に、インダクタンスも増大する。ダ
イナミックＲＡＭデバイスでは、ＤＲＡＭ（１６メガビ
ットＤＲＡＭには、２^２４個のメモリセルが組込まれて
いる）に必要なリフレッシュ周期ごとの大電流が、接地
（Ｖ_ｓｓ）用と電源（Ｖ_ｄｄ）用のバスに大きな電圧降
下を生じさせる。

【０００３】設計者は種々の方法で、チップ上電源バス
での雑音を最小にすることに挑戦している。例えば、時
間差を置いて交番動作するように改善された出力バッフ
ァ回路は、“汚染源電圧”とでもいうべき雑音電圧を最
小にする。更に例えば、シリコンチップの周辺沿いの電
源用パッド近傍に出力バッファ回路が配置されている
と、電流の走行距離が短くなるし、また、電源用ボンデ
ィングパッドとリードフレームのリードフィンガとの間
を接続するワイヤボンディングが短くなると、インダク
タンスが低下するのである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】１６メガビット ＤＲＡ
Ｍの設計では、チップ上電源バスにおける雑音をより一
層減少させるための新技術が要求されている。従って、
本発明の１つの目的は、電源供給バスの雑音を最小にす
るように製作された集積回路を提供することである。本
発明のその他の目的と利点は、図面と以下の説明を参照
すれば、当業者にとっては明白である。

【０００５】集積回路デバイスの１つが、ここに本発明
として開示されている。本発明の一実施例のデバイスに
は、ボンディングパッドに接続された電気回路を備えた
半導体チップが含まれている。金属層が、ボンディング
パッドを覆っており、更に、金属隆起物が金属層に接続
されている。金属隆起物は、電気回路用の電力をそこで
受ける。本願発明の方法によれば、設計者は、金属層中
に電源バスを形成することが可能になる。この金属層
は、半導体チップ上の能動回路を覆って布設されていて
もよい。

【０００６】

【実施例】図１は、従来技術による集積回路デバイスを
示す上面図で、ＶＬＳＩの設計者にとっては、ワイヤー
ボンドで半導体チップをリードフレームに接続するよう
にして、集積回路デバイスを製作する方法がよく知られ
ていた。集積回路デバイス９は、ゲートアレイやＤＲＡ
Ｍのように、半導体チップ１０上に形成されたものであ
れば、いかなる種類のＭＯＳデバイスであってもよい。
ここには示されていない半導体チップ１０の能動回路デ
バイスが、外部接続用の対応するボンディングパッド１
１ａ〜１１ｐに接続されている。ＤＩＰ形パッケージで
は、典型的には、アルミニウムで作られたボンディング
パッド１１が通常１６個設けられている。このボンディ
ングパッド１１は、通常的には、半導体チップ１０の周
辺沿いに配置されている。ワイヤーボンド１２は、リー
ドフィンガ１３とボンディングパッド１１とを接続して
いる。ワイヤーボンド１２は、典型的には、金製であ
る。チップ１０には、プラスチック等の材料により、ワ
イヤーボンド１２やリードフィンガ１３の一部分と共に
一体的に密封されている。集積回路デバイス９は、典型
的には、プリント基板上に実装される。

【０００７】図２は、ボンディングパッド１１ｐの近傍
での、集積回路デバイス９の端部の部分側面図である。
半導体チップ１０は、シリコン層１４、保護酸化物層１
６、それにピックス１７により形成される。能動回路
は、公知技術に従って、シリコン層１４中に設けられて
いる。同図によれば、シリコン層１４の上面には、アル
ミニウムのボンディングパッド１１ｐが布設されてい
る。構造的には、保護酸化物層１６が、シリコン層１４
とボンディングパッド１１の上面を覆うように施されて
いる。ピックス１７は、保護酸化物層１６を覆うように
施されている。このデバイスには、エッチング処理によ
り、ピックス１７と保護酸化物層１６を貫通して、窓１
８ｐが、ボンディングパッド１１ｐの表面に形成されて
いる。半導体チップ１０は、多くの場合、リードフレー
ムとの接続用チップ固定台１５上に取付けられている。
ワイヤーボンド１２ｐは、その一端が、リードフィンガ
１３ｐに接続されている。ワイヤーボンド１２ｐの他端
は、窓１８ｐを通過して、ボンディングパッド１１ｐに
接続されている。図２中の点線は、密封部材を示してい
る。

【０００８】図１と図２の集積回路デバイス９は、外部
供給の電源を受ける。この外部電力は、リードフィンガ
を電源に接続することにより受電される。電力は、電源
からリードフィンガへ、次いで、ワイヤーボンド、そし
て、ボンディングパッド経由で給電され、チップ全体に
広く分配される。アース電位であるＶ_ｓｓと通常＋５Ｖ
である正電位のＶ_ｄｄは、別々のリードフィンガを通じ
て供給される。例えば、図１では、Ｖ_ｓｓは、リードフ
ィンガ１３ａに接続されていてもよいし、Ｖ_ｄｄは、リ
ードフィンガ１３ｐに接続されていてもよい。

【０００９】図３は、本発明の好適な実施例を側面図で
示したものである。図２の集積回路デバイス９の一端に
類似している半導体チップ２０の一端が、ここに図示さ
れている。シリコン層２４上には、ボンディングパッド
２１ｐと、通常の形態で、そこに形成される保護酸化物
層２６とが乗っている。保護酸化物層２６とボンディン
グパッド２１ｐは、相互接続金属層２７で覆われている
（保護酸化物層２６には、相互接続金属層２７が、ボン
ディングパッド２１ｐに達して、電気的接続を形成する
ようにエッチング処理が施される）。ボンディングパッ
ド２１ｐ上の相互接続金属層２７には、金属隆起物２８
ｐが乗っている。金属隆起物２８ｐは、その頂部にハン
ダキャップ２９ｐを備えている。

【００１０】相互接続金属層２７は、半導体チップの保
護酸化物層２６上に載置された追加的な金属層であっ
て、これにより、この実施例では、電源分配用溶接パッ
ドの箇所どうしが相互接続されている。この実施例にあ
って、腐蝕を誘発する湿気に対して抵抗力のあるもの
は、図７に示されるように、３層金属系で形成されてい
る。かかる３層金属系の相互接続金属層２７には、第１
層として、クローム或いはタンタルの層２７ａが存在
し、保護酸化物層２６と溶接パッド２１ｐに対して接着
して、接続層として作用する。次いで、第２層として
は、抵抗を最小にして段差被覆を良好にするようなニッ
ケル或いは銅の厚い層２７ｂが存在していてもよい。第
３層は、表面層２７ｃで、金かパラジュウのような耐腐
蝕性金属のものが最上部に存在している。相互接続金属
層２７は、拡散障壁としても作用するので、“障壁金
属”層と称されている。種々の障壁金属の組合せは、ア
ルミニウム溶接パッド２１ｐとチップ２０の図示されて
いない他の露出金属部分の被覆に好適である。関心事の
特性としては、保護酸化物層２６のアルミニウム溶接パ
ッド２１への接着性、耐応力性、プロセス許容度と選択
性、厚み、コスト等が挙げられる。接着性を呈する金属
は、クローム、チタン、タングステンチタニュウム（Ｔ
Ｉ：Ｗ）である。アルミニウムに対して障壁として作用
し、つまり、アルミニウムの泳動（マイグレーション）
を防ぎ、更に、チップ表面沿いに十分な厚さで良好な段
差被覆が可能な程度に安価なものは、ニッケルと銅であ
る。金は、腐蝕やその他の反応を逓減しうるので、表面
層には、最適である。

【００１１】ここでの好適な実施例では、相互接続金属
層２７は、加速寿命温度試験における動作や処理工程に
おける容易さの観点から、１−ＫＡ Ｃｒ、５−ＫＡ
Ｃｕ、５−ＫＡ Ａｕで構成されている。これらの金属
は、接触面での汚染と酸化を防止すべく、一段真空ポン
プによる低圧中でのスパッタリング処理で被着させても
よい。従来からの反転フォトレジストと密着転写による
光学的パターン描画も適切なものである。金と銅の化学
的エッチング処理は、クローム内にある沃化アンモニウ
ム／沃素の混合物存在下で、腐蝕性のシアン化鉄によっ
て行われる。活性化からの保護用にパターン形成された
多層金属の積層厚みは、ボンディングパッド２１ｐのど
ちらかの面上で約１３μｍ（０．５ミル）のオーダーで
ある。これは、アルミニウムのボンディングパッド２１
ｐをエッチング処理の反応から守るような働きをする。

【００１２】再度図３を見ると、相互接続金属層２７に
電気的に接続された金属隆起物２８ｐは、チップ２０を
外部電源に接続する接続手段となる。かかる接続配置
や、それの採用されたデバイスは、フリップチップ相互
接続という公知の技術に属している。このようなフリッ
プチップ相互接続のデバイスは、本発明者他による共著
の“フリップ形集積回路を有する多数チップの組立”と
題する記事に記述されているところである。この記事
は、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓの部品・混合
部品・製造技術に関する１９８９年１２月出版の第１２
巻第４号に掲載されている。金属隆起物２８ｐは、図３
の実施例に図示されるように、ハンダキャップ２９ｐを
備え、銅を含むいかなる混合物でもよいし、或いは単に
ハンダだけであってもよい。ハンダキャップ２９ｐは、
リフロー接続も可能である。隆起物２８ｐは、銅メッキ
で形成されていてもよい。銅薄膜は、集積回路２０上に
＋０５−ＫＡから１０−ＫＡの間でスパッタリング処理
されている。隆起物メッキ用の窓は、多くの場合に利用
可能な２５〜５０μｍの厚さの乾式フォトレジストを用
いて、穿設されている。８５〜１００μｍの隆起物高さ
を達成するには、既に知られているように、フォトレジ
スト層を２層に重ねるのが好適である。隆起物２８ｐに
取付けられているソルダキャップ２９ｐは、銅メッキ直
後にメッキされる。ハンダメッキ成分は、１０スズ９０
鉛のフッ化ボロン溶である。この成分比とする理由は、
即座に、この成分比に調整できるばかりか、６０スズ４
０鉛ハンダのようなハンダメッキ成分のそれよりも高い
再溶融温度となし得るからである。かかるハンダメッキ
により、レジスト上に１３μｍまでハンダを傘状に覆い
かぶせることが可能になる。

【００１３】相互接続金属層２７とソルダーカップ２９
付きの金属隆起物２８を形成するための全工程に関して
は、以下のように述べることができる。障壁用被着を施
す障壁金属用レジスト塗布とパターン形成を施す。障壁
金属にエッチング処理を施す。銅の下地付着を施す。銅
下地メッキを行うための厚いレジストを塗布し、パター
ン形成を施す。銅隆起物メッキを施す。ソルダーカップ
にメッキを施す。厚いレジストを離剥させる。銅の下地
付着にエッチング処理を施す。そして、洗浄を施す。ボ
ンディングパッドに接続される相互接続金属層を形成す
ると、好都合にも、追加の金属隆起物が形成されるとい
う結果になる。かくて、１つのボンディングパッドに１
つ以上の電気的接続が可能になる。図４は、図３の半導
体チップ２０の側面図で、追加の隆起物３０ｒｐを示し
ている。追加の隆起物３０ｒｐは、相互接続金属層２７
に接続されている。追加の隆起物３０ｒｐは、集積回路
デバイス２０の能動回路領域に覆いかぶさるように配置
されるのが好都合であろう。保護酸化物層２６が、集積
回路２０の能動回路を追加の隆起物３０ｒｐ経由の電気
信号から保護している。追加の隆起物が、能動回路領域
を覆って設けられることによる効用は特筆すべき利点で
あり、後に論じられよう。図４の２つの金属隆起物３０
ｒｐ、２８ｐに関連して述べると、隆起物間の配置間隔
は、隆起物と隆起物間の隙間が使用レジストの厚みより
も小さい場合には、パターン精度が問題になるという点
で関心事である。隆起物の直径が隆起物の高さと同じか
それよりも大きく、隆起物と隆起物間の隙間は、隆起物
の直径と同じかそれよりも大きいことが望ましい。それ
故に、図４の実施例では、２つの金属隆起物２８ｐ、３
０ｒｐは、直径約１００μｍ、高さ８５μｍで、かつそ
の間隔が約１００μｍである。

【００１４】図５は、図４の追加の隆起物付集積回路デ
バイスの上面図である。追加の隆起物３０ｒｐは、隆起
物２８ｐよりもチップ２０の中心に一層近く、能動回路
領域を覆う隆起物となっている。追加の隆起物３０ｒｐ
は、相互接続金属層２７により隆起物２８ｐに接続され
ている。外部電力は、相互接続金属層２７により、２つ
の隆起物２８ｐ、３０ｒｐの双方を通じて、図４と図５
の集積回路デバイス２０の能動回路に向けて都合よく供
給可能である。この卓越した利点は、ボンディングパッ
ドの周辺からの制約事項ではなくて、回路自体の周辺か
らの制約事頂絡みでの半導体チップの設計を可能にす
る。バッファ回路に関し、周辺のボンディングからの要
求事項からというよりも、回路設計の立場での深い配慮
から配置決めすることが可能となる。チップ上電源バス
は、相互接続金属層２７のパターン化により、そして、
金属隆起物のパターン化により、容易に設計される。か
くて、一層幅広で厚く、そして、通常のものよりも低抵
抗の金属で製作されたチップ上電源バスが可能となる。
電源バスの長手沿いの多点において、電流分配点での接
触が可能であり、更には、直接接触も可能である。さす
れば、ワイヤーボンディングを廃止できるのも好都合で
ある。厚くて幅広の電源バスは、より低い抵抗やより小
さなインダクタンス、更には、最小の電圧降下を伴うこ
とになり、これにより、雑音を低下させ、一方、デバイ
ス性能を向上させる。

【００１５】図６は、集積回路デバイス４０の上面図
で、相互接続金属層と隆起物のパターンと配置が示され
ている。設計者が好適と考えるいかなるパターンや配置
も採用可能であることは勿論である。２本の電源バス４
１、４２は、それぞれ、Ｖ_ｓｓとＶ_ｄｄを半導体チップ
４３の電気的デバイスに供給する。電源バス４１は、デ
バイス４０の相互接続金属層中に入り込んだパターンで
作られていて、あくまで例示であるが、２つの接続片４
１ａ、４１ｂから構成されている。２つの片４１ａ、４
１ｂに接続されているのは、金属隆起物４１ｃ、４１
ｄ、４１ｅである。上述されているように、デバイス４
０の保護酸化物層は、エッチング処理により、２つの片
４１ａ、４１ｂをチップ４３の下地層内のいかなる回路
からも分離しているが、この保護酸化物層を通じて電源
バスと諸回路間に電気的接続が行われる。Ｖ_ｄｄ電源バ
ス４２は、相互接続金属片４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４
２ｄから成る。金属隆起物４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４
２ｈ、４２ｉは、金属片４２に接続されている。パター
ン化されているので、片４１と片４２が接触することは
なく、短絡を惹起しない。設計者の立場からは、図６に
示されるような集積回路デバイス４０の隆起物付き電源
バスは、以下のようにして形成されよう。電気的モデル
を通じて、最良の雑音性能を満足するように電源バスの
通路を決定する。必要箇所に隆起物を配置する。相互接
続金属層が、隆起物とボンディングパッド、更に、電源
バスとボンディングパッドを相互接続するように設計す
る。相互接続金属にパターンを形成する。隆起物用のフ
ォトレジパターンを形成する。かくて、ＤＲＡＭ設計の
ような用途では、設計者は、設計上の観点から、チップ
の周辺に配置されたボンディングパッドの近くに出力バ
ッファを配設するのとは反対に、隆起物、相互接続金
属、ボンディングパッド経由の所望点に対しての外部電
源供給の最も便利な箇所に出力バッファを配設すること
が許容される。

【００１６】

【発明の効果】本発明には、他の幾つかの利点がある。
問題となっている回路に再設計を要することなく、ボン
ディングパッドを備えた現存の集積回路上に、金属隆起
物を配設することが可能である。チップ内の応力は、隆
起物をチップの中心近くに配設することで、最小にする
ことができる。金属隆起物上の応力は、チップ上に多数
の隆起物を配置することで、最小にすることができる。
相互接続金属層の使用により、チップの一端から他端
へ、シリコン利用面の追加使用を要せずに、バスの配置
が可能となるので、バスの相互接続を最小にすることが
できる。デバイス組立品の生産高は、追加の隆起物によ
り、故障率が減少することで増大する。相互接続金属層
的なものを集積回路の保護酸化物層に形成するのに必要
な処理工程は、保護酸化により損傷を招いたチップの選
別作業のような働きをする。欠陥のあるチップは、社内
で選別されるので、顧客に対する製品信頼度が改善され
る。

【００１７】本発明に関し、好適な実施例を参照しなが
ら記述したが、ここでの記述は、単に例示したにすぎ
ず、限界的概念として解釈されるべきではない。本発明
の追加の実施例をも含めて、本発明の実施例の詳細に関
する多数の改変は、ここでの記述が参照される技術分野
で通常の知識を有する者には、明白であり、またその者
によって製作しうるということも確認されるべきであ
る。追加の実施例における同様の改変は、以下の特許請
求の範囲で述べられる本発明の精神と真の目的の範囲内
のものであると予想される。

【００１８】＜その他の開示事項＞ １．ＩＣデバイスで次のものから成る。表面に形成され
た能動回路を有する半導体チップ。能動回路へ電力を移
送する目的の、能動回路を持つ電気的接触内の端子。そ
の端子を覆う酸化防止層において、電気的接続が孔を通
して端子に実施されるように孔が存在するもの。酸化層
と能動回路を覆い、端子に電力を送る孔を充填する、パ
ターン化された金属層。パターン化金属層に接続され
た、複数の受電用金属盛土。 ２．前項のデバイスのパターン化金属層は次のものから
成る。金属の粘着層。金属の粘着層を覆う金属の障壁
層。金属の障壁層を覆う金属の不活性層。 ３．端子を持つ能動回路面が存在する半導体チップ用電
力幹線と、端子を露出する開口部とを備え、能動回路面
を覆っている絶縁層は、次のものから成る。多種の端子
に電力を移送するのに、開口部を通して半導体チップの
多種の端子と接続した、絶縁層を覆っている帯状金属片
と、電力を受電するための帯状金属層に接着している複
数の金属盛土。 ４．帯状金属片を備える前項の電力用幹線は次のものか
ら成る。各種端子に隣接した金属接着層。その接着層の
上にある金属半導体層と、その半導体層の上にある金属
腐蝕層。 ５．前項の電力幹線は、その金属接着層がクロームであ
り、その金属半導体層は銅であり、その金属腐蝕層は金
である。 ６．パッケージされた半導体デバイスは、次のものから
成る。外装材内で処理された端子を搭載する能動回路面
が存在する半導体チップ。端子上部に孔がある半導体チ
ップの能動回路面を覆う絶縁層。孔を通して別個の各端
子と電気的接触している絶縁層に覆われた電力供給幹線
で、その端子は外装材を貫通する受電用端子に接着した
複数の金属盛土を持つ。 ７．電力供給幹線がパターン化金属層の帯状片から成
る、前項のバッケージされた半導体でデバイス。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による集積回路を示す上面図である。

【図２】図１の集積回路デバイス９の端部における部分
的側面図で、ボンディングパッド１１ｐの近傍を示すも
のである。

【図３】本発明の好適な実施例を示す側面図である。

【図４】本発明の他の好適な実施例の側面図である。

【図５】図４のデバイスの上面図である。

【図６】相互接続用金属層と金属隆起物についてのパタ
ーンと配置を示す上面図である。

【図７】図３に示す相互接続金属層における３層金属系
の障壁金属の概略を示す側面図である。

【符号の説明】

１１（１１ａ．．．．１１ｐ） ボンディングパッド １８ｐ 窓 ２０ 半導体チップ ２１ｐ ボンディングパッド ２４ シリコン層 ２６ 保護酸化物層 ２７ 相互接続金属層 ２８ｐ 金属隆起物 ２９ｐ ハンダ（ソルタ）キャップ ３０ｒｐ 追加の金属隆起物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に能動回路が形成された半導体チッ
   プと、 能動回路に対して電気的に接続され、該能動回路に電源
   を供給する電源端子と、 電源端子を覆い、電源端子への電気的接続を確保するよ
   うに、窓が設けられている保護酸化物層と、 保護酸化物層と能動回路を覆い、電源端子に電源を供給
   するための窓を充填する相互接続金属層と、 電源供給を受けるべく、相互接続金属層に接続された複
   数の金属隆起物とを備えて成る集積回路デバイス。