JPS61180452A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置に関し、詳しくはポリイミド系樹脂
を層間絶縁膜もしくは配線保護膜として用いた多層配線
を有する半導体装置に関する。

〔発明の背景〕

半導体装置の集積度が向上するにともない、パッケージ
中に含まれるウランやトリウムから発するα線によるソ
フトエラーが重要な問題になってきた。

従来上記ソフトエラーを問題にするＭＯＳメモリのよう
な半導体装置では、たとえば、特公昭５６への入射を防
止していた。

しかし、半導体装置の配線にポリイミド系樹脂を層間絶
縁膜、あるいは配線保護膜として使用した多層配線を有
する半導体装置においては上記ポヒ リイミド系樹脂からなる層間絶縁膜！下地の剥離などの
問題が生ずることがわかった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は上記従来の問題を解決し、ポリイミド系
樹脂を層間絶縁に用いた多層配線を有する半導体装置特
に半導体メモリのソフトエラーを支障なく防止すること
のできる半導体装置を提供することである。

〔発明の概要〕

ポリイド系材料の一種であるポリイミドイソインドロキ
ナゾリンジオン樹脂（以下ＰＩＩと略記する）を眉間絶
縁に用いたＭＯＳメモリをガラス封止用パッケージ上に
ペレ付し、通常のワイヤボンディングを行なった後、い
わゆるポツティング法により厚さ約３０μｍのＰＩＩ樹
脂被覆層を形成して表面を覆った。

２００℃９０分および３５０℃６０分のベークを行なっ
た後、通常のガラス封止用トンネル炉、（４７０℃１０
分）を用いて封止したところ、得られたＭＯＳメモリの
うちの一部で動作不良が発生していることが認められた
。分解調査の結果、動作不良の原因は、ＰＩＩ樹−脂の
剥離に伴なうペレットクラックであることが判った。な
お層間絶縁のＰＩＩ樹脂とその下地のリン珪酸ガラス（
以下ＰＳＧと略記）との間には接着層として特公昭５４
−２１０７３に記載のアルミキレート処理を施しである
。このペレットクラックの原因はガラス封止工程での熱
処理に依る熱収縮と、その後の温度低下時の熱膨張係数
の差（Ｓ　ｉ　　３　Ｘ　１０−’／”Ｃ，アルミナ６
Ｘ１０−’／℃、ＰＩ　Ｉ樹脂３−６Ｘ１０−’／’Ｃ
）に起因する熱ストレスに依るものと推定された。

従来の無機絶縁膜として、例えばプラズマ化学気相成長
法で形成した窒化珪素あるいは酸化珪素、または化学気
相成長法で形成した５ｉｎ２あるいはＰＳＧを配線保護
膜として用いた場合、上記Ａｎキレート処理を行なわず
に、耐ソフトエラー性向上のためにＰＩＩ樹脂をボッテ
ィングによって塗布するとガラス封止時にＰＩＩ樹脂は
周辺部で剥離しかかつてはいるが、振動試験や温度サイ
クル試験ではがれ落ちることはなく、充分にα線遮へい
の効果をあげていることが判った。

これに対して多層配線の層間絶縁膜や保護膜にＰＩＩ樹
脂を用い、更に耐ソフトエラーの観点からＰＩＩ樹脂を
ポツティングして表面を覆った場合には、下層のＰＳＧ
膜と層間絶縁膜であるＰＩＩ膜が剥離することがあった
。ＰＳＧ膜とＰＩＩ膜の間にアルミキレートを介在させ
て両者の接続性を改善させると、基板が反ったり、クラ
ックが生ずるなどの障害が発生した。これは両ＰＩＩ樹
脂間の接着が非常に良いため顎線防止用のＰＩＩ膜とＰ
ＩＩからなる層間絶縁膜が強固に接着し、層間絶縁膜で
あるＰＩＩ樹脂膜と下地のＰＳＧ膜との間で剥離が起こ
り、ＡＱキレート処理によって、ＰＳＧ膜とＰＩＩ樹脂
膜の接着性が改善された場合は、下地のＳｉ基板に強い
ストレスが印加されて反りやクラックが生じたものと推
定される。

ソフトエラ一対策の観点からは、上記α線防止用のポリ
イミド系樹脂膜の厚さは特公昭５６−４３６１４にも記
載されているように１０μｍ以上の厚さが必要であり、
３０μｍ以上であることが望ましい。

しかしたとえば上記ポリイミド樹脂を用いた多層配線を
そなえた半導体装置のソフトエラー防止用ＰＩＩ樹脂と
して日立化成のＰＩＱ　（登録商標）を用いた場合、Ｐ
ＩＩ樹脂を３０μｍの厚さに形成するとＳｉウェーハの
反り、ＰＩＩ樹脂の剥離あるいはこれに伴なうＳｉウェ
ーハの部分的な欠けなどが生ずることがあり、このまま
ＰＩＮ樹脂をα線防止用の被覆膜として用いることは難
しいことがわかった。そこで各種のポリイミド系材料を
検討したところ、熱膨張係数が２　Ｘ　１０−’／’Ｃ
以下の特殊なポリイミド系樹脂を用いると、３０μｍ厚
に塗膜を形成してもウェハの反りは非常に少なく、また
剥離等の問題も効果的に防止できることが判った。

本発明において使用される低融点ポリイミドはここでＲ
はアルキル基、フッ素化アルキル基。

アルコキシル基、フッ素化アルコキシル基、アシル基、
ハロゲン基、Ｑは０〜４、ｍはＯ〜２、ｎは０〜３であ
る。具体的に化学構造を挙げるとたとえば、下記のよう
なものを使用できる。

（Ｒ）、　　（Ｒ）、　　　　　（Ｒ）。

本発明において用い得る低熱膨張性ポリイミドは、芳香
族アミノジカルボン酸誘導体の重合、または芳香族ジア
ミンあるいは芳香族ジイソシアナートと、芳香族テトラ
カルボン酸誘導体の反応によって得ることが出来る。テ
トラカルボン酸誘導体としてはエステル、酸無水物、酸
塩化物がある。

酸無水物を用いると、合成上好ましい。

合成反応は、一般的には、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭ
Ｐ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）。

ジメチルアセトアミド（ＤＨＡＣ）　、ジメチルスルホ
キサイド（ＤＭＳＯ）　、硫酸ジメチル、スルホラン。

ブチロラクトン、クレゾール、フェノール、ハロゲン化
フェノール、シクロヘキサノン、ジオキサンなどの溶液
中で、０〜２００℃の範囲で行われる。

本発明に用い誹られる低熱膨張性ポリイミドの原料であ
るアミノジカルボン酸誘導体として具体例を挙げると、
４−アミノフタル酸、４−アミノ−５−メチルフタル酸
、　４−　（ｐ−アニリノ）−フタル酸、４−　（３，
５−ジメチル−４−アニリノ）フタル酸など、あるいは
これらのエステル。

酸無水物、酸塩化物などがある。

本発明に用いられる低熱膨張性ポリイミドを製造するた
めの原料である芳香族ジアミンとしては、次のものが挙
げられる。

ｐ−フ二二しンジアミン、２．５−ジアミノトルエン、
２，５−ジアミノキシレン、ジアミノデュレン、２，５
−ジアミノベンシトリフルオライド、２，５−ジアミノ
アクソール、２，５−ジアミノアセトフェノン、２，５
−ジアミノベンゾフェノン、２．５−ジアミノジフェニ
ル、２．５−ジアミノフルオロベンゼン、ベンジジン、
〇−トリジン、ｍ−トリジン、３．３’　、５．５’　
−テトラメチルベンジジン、３．３’　−ジメトキシベ
ンジジン、３．３’　−ｂｉｓ　（トリフルオロメチル
）ベンジジン、３．３’　−ジアセチルベンジジン、３
．３’−ジフルオロベンジジン、オクタフルオロベンジ
ジン、４．４’−ジアミノターフェニル、　４　、４”
’　　−ジアミノクォータフェニル。

また、これらのジイソシアナート化合物も同様に使用で
きる。

本発明に用いられる低熱膨張率ポリイミドの原料である
上記テトラカルボン酸誘導体としては、ピロメリット酸
、メチルピロメリット酸、ジメチルピロメリット酸、ジ
（トリフルオロメチル）ピロメリット酸、３．３’　、
４．４’　−ビフェニルテトラカルボン酸（ＢＰＤＡ）
　、　５．５’　−ジメチル−３，３’　、４．４’　
−ビフェニルテトラカルボンンゼン、またはこれらの酸
無水物，酸塩化物，工ステルなどが挙げられる。

〔発明の実施例〕

以下、実施例を参照して本発明の詳細な説明する。

実施例１ 第１図ａに示したように能動素子を有するＳｉ基板１０
１（能動素子は図示されていない）上に絶縁１’ｌＩ　
１０２および第１層のＡΩ配線１０３を形く 成し、ＡＱ謳レート処理に依り積石薄いＡｌ１１２０３
様の薄膜１０４を形成した後、厚さ２．１　μｍのＰＩ
Ｉ樹脂膜１０５を層間絶縁膜として形成し更に所定の接
続孔を開孔した後に第２層のＡΩ配線１０６を形成し、
ついで配線保護膜として厚さ２．１　μｍのＰＩＩ樹脂
膜１０７を形成した。こツ の後、各ペレｆトに分割し、ガラス封止用パッケージ上
にペレ付し、ワイヤボンディングした後。

ｐ−ＰＤＡ　（パラフェニレンジアミン）とＢＰＤＡ（
３，３’　、４．４’　ビフェニールテトラカルボン酸
二無水物）を出発原料として合成したポリイミドをボッ
ティング法により滴下し、所定のべ一りを経て第１図す
に示したように約８０μｍの厚さのα線防止用ポリイミ
ド膜１０８を形成した。

なお第１図すでは、被覆層のポリイミド系樹脂は半導体
ペレット上にのみ存在しているが、これは、半導体ペレ
ットの側面を覆っても何ら支障はなく、ガラス封止用パ
ッケージ内を充てんすることも可であり、また、樹止封
止する場合にはリードフレームの一部を覆っても特に差
支えない。

このようにして形成した半導体装置Ａと、比較のため、
ボッティング法により厚さ約７５μｍのα線防止用ＰＩ
Ｉ４！１脂を形成した半導体装置Ｂを同じ封止工程（４
７０℃）によって処理したところ、本発明による装置Ａ
では封止工程に於ける不良発生は皆無であるに対して、
ＰＩＩを用いた装置Ｂでは１５％の不良を発生した。な
おＰＩＩ樹脂の熱膨張係数は４．６　　Ｘ　１０−’／
’Ｃであった。

一方、上記ｐ−ＰＤＡとＢＰＤＡを出発原料としたポリ
イミド樹脂の熱膨張係数は、石英ガラス上に塗布して硬
化し、１２０℃、２気圧の水蒸気中に放置してフィルム
状として剥離後に測定したところ５ｘｌＯ−’／℃であ
った・ 実施例２ 実施例１と同様にしてＰＩＩ樹脂を層間絶縁膜及び配線
保護膜とした２層のＡｆｌ配線を有するＭＯＳメモリを
作成した後、スピンコード法によりｐ−ＰＤＡとＢＰＤ
Ａより合成したポリイミド樹脂および比較のためにＰＺ
Ｉ樹脂をそれぞれ厚さを変えて塗布し、α線防止層を形
成した。１６０℃でベークした後、スクライブブリード
に相当するＩＩボンデイングパッド不要部分のポリイミ
ド系樹脂を通常のホトエッチプロセスによりヒドラジン
ヒトラード系のエッチャントを用いて除去した。

のは厚さ７０μｍのもので、５牧牛１枚、１００μｍの
ものでは５牧牛４枚の剥離が観県された。

３５０℃６０分のベークを行ない、ウェーハ周辺部での
剥離発生の状態を第１表に示す。第１表に示したように
、ＰＩＴ樹脂をα線防止用に使用すると、層間絶縁膜、
保護膜と合せた厚さを３゜μｍ以上に形成した場合にウ
ェーハ周辺部ではが剥離の発生しなかったウェーハをペ
レットに分割し、ペレ付、ワイヤボンディングした後、
４７０℃でのガラス封止を行なった際の不良発生を調べ
たところ第２表に示したようにＰ−ＰＤＡとＢＰＤＡと
から合成したポリイミドを用いた場合には不良発生は皆
無であるのに対し、ＰＩＩ樹脂を用いた場合には、厚さ
３０μｍ以上で不良発生が認められた。なお、第１表お
よび第２表において、膜厚は、α線防止膜のみでなく、
層間絶縁膜や配線保護膜などの樹脂膜を含む合計の膜厚
を示す。

第１表 分子は剥離発生したウェーハ枚数、分母は試験に供した
ウェーハ枚数（）内は１６０６ベーク後でのはく離を示
す 第　　２　　表 分子は不良の発生した個数９分母はガラス封止した個数 実施例３ 上記実施例１，２と同様にＰＩＩ樹脂を層間絶縁膜及び
配線保護膜とした２層のＡＱ配線を有するＭＯＳメモリ
を作成した後スピンコード法によりｐ−ＰＤＡの一部を
ジアミノジフェニルエーテル（ＤＤＥ）　で置き換えた
ポリイミド膜を全樹脂膜の膜厚の和が約３０μｍになる
ように形成した後１６０℃でベークした。次いで実施例
２と同様にスクライブグリッドおよびポンディングパッ
ド部のポリイミド樹脂を除去し、３５０℃６０分のベー
クを行なった。

３５０℃ベーク後のウェーハ周辺部での剥離の様子を調
べた結果を第３表に示す。ｐ−ＰＤＡとＤＤＥの割合が
５０　：　５０のポリイミドを用いた場合には、熱膨張
係数は３．８　　ｘ　１０−”／℃であり、このときは
剥離の発生が認められた。

また剥離の発生しなかったウェーハについてペレットに
分割し、ペレ付、ワイヤボンディングを行なった後、ガ
ラス封止を行なった際の不良発生を調べた結果を第４表
に示す。このようにｐ　−ＰＤＡに対するＤＤＥの割合
が９＝１までのポリイミドを用いた場合には不良の発生
は認められなかった。

このようにｐ−ＰＤＡの一部をＤＤＥに置き換えてもそ
の割合によっては大きく効果が得られることが判った。

すなわち第３表および第４表から明らかなように、α線
阻止用のポリイミド膜の熱膨張係数が２．ＯＸｌ０−’
／’Ｃのときは、いずれの場合においても不良は発生し
なかった。

第　　３　　表 剥離の発生率は第１表と同じ 第　　４　　表 実施例４ 上記のように、熱膨張係数が２　Ｘ　１０−”７℃以下
であるポリイミド樹脂を、α線防止用の保護膜として使
用すれば、ポリイミド系樹脂の絶縁膜と上記保護膜の厚
さの和が約３０μｍであっても、不良発生は効果的に防
止される。

上記膜厚の和が約３０μｍ以下であれば、熱膨張係数が
２　Ｘ　１０−’／’Ｃ以上であってもよいことは自明
であるが、上記膜厚の和が約３０μｍより大きいときは
、上記α線防止用保護膜の熱膨張係数は、２　Ｘ　１０
−’／’Ｃより小さい方が好ましい。

すなわち、第２図は、ポリイミド系の絶縁膜と張係数を
パラメータとして、ペレ付およびガラス封止を行なった
後の不良発生の状況を調べた結果を示す。第２図におい
て、記号０および×は、それぞれ不良発生無および有を
示している。

第２図から明らかなように、α線防止用ポリイミド樹脂
膜の熱膨張係数が、それぞれ、２Ｘ１０−’／℃以下、
１．６　　Ｘｌ０−’／’Ｃ以下１．４　　Ｘｌ０−’
／℃以下およびＩ　Ｘ　１０−’／”Ｃ以下であれば、
膜厚の和が３０μｍ、５０μｍ、７０μｍおよび１００
μｍの場合に異常の発生は認められなかった。従って、
これらの点を結ぶ線分ａ以下の領域Ａ内に入るように、
膜厚と熱膨張係数を選択すれば、不良の発生は効果的に
防止することができる。

以上実施例で述べて来たようにポリイミド系の絶縁物を
層間絶縁膜や配線保護膜として用いた多層配線を用いた
半導体装置に、α線によるソフトエラー防止のために更
に厚いポリイミドコーティングを行なう場合に、熱膨張
係数の小さなポリイミドを用いることによって、ガラス
封止等の比較的高い温度の工程を経る場合にも、温度差
に起因する応力に依ってポリイミド系の樹脂と、無機の
シリコン化合物との界面での剥離が発生することを防止
でき、これによる半導体素子の不良発生を抑制できる。

上記実施例では多層配線の絶縁物としてはＰＩ工樹脂を
用いた場合のみを示したが、他のポリイミド系樹脂を用
いた場合にも同様の効果が得られることが認められた。

また、α線阻止のための被覆層として用いるポリイミド
系樹脂は、上記各種ポリイミド樹脂に若干の他のポリイ
ミド樹脂あるいはシリコーン系樹脂などを添加しても、
本発明にに述べたように熱膨張係数が２　Ｘ　１０−’
／’Ｃ以下であれば支障なく使用できる。また、α線防
止用のみではなく層間絶縁膜や配線保護膜にも、上記低
熱膨張ポリイミド樹脂を用い得ることはいうまでもない
。このようにすれば極めて好ましい結果を得ることが可
能である。

〔発明の効果〕

上記説明から明らかなように、本発明に依れば、ポリイ
ミド系樹脂をＮ間絶縁膜や配線保護膜として用いた多層
配線を有する半導体装置において、下層の無機絶縁膜の
剥離あるいは基板のそりやクラック発生など好ましくな
い障害あ発生を防止しつつ、α線によるソフトエラーの
発生を効果的に抑制できるので、高集積密度を有する半
導体装置の形成に極めて有用である。

なお１本発明において、上記α線透過防止用のｄ＄膵は
、半導体素子の全面を覆う場合ばかりでなく、少なくと
も、上記半導体素子の活性領域を覆うように形成すれば
、十分好ましい結果が得られ机

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図であり、第２図は好
ましい膜厚の和と熱膨張係数の笥囲を示す図である。 １０１−　Ｓ　ｉ基板、１０２−８ｉｎ２　（ＰＳＧ）
、１０３・・・第１層ＡＩ２配線、１０４・・・ＡＱキ
レートから形成１１，０．．１０５・・・ポリイミド系
層間絶縁膜、１０６・・・第２層ＡＱ配線、１ｏ７川ポ
リイミド系配線保護膜、１０８・・・ポリイミド系コー
ティング、１０９パ°ポンディングパッド、１１０・・
・ボンディングワイヤ。 Ｙ　　ｊ　　図 らり （ｂ） ／θデ 第　Ｚ　口　　　へ １）Ｚθ　　　４θ　　　６θ　　　♂ρ　　　ｌρρ
版厘（Ｐ町

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板の表面領域内に形成された半導体素子と
   、上記半導体基板上に形成された少なくとも二層の配線
   層と、該配線層間に介在するポリイミド系高分子樹脂か
   らなる絶縁膜と、少なくとも上記半導体素子の活性領域
   を覆うように形成されたα線透過防止膜を少なくともそ
   なえ、該α線透過防止膜は熱膨張係数が２×１０＾−＾
   ５／℃以下のポリイミド系高分子樹脂膜から実質的にな
   ることを特徴とする半導体装置。 ２、上記絶縁膜とα線透過防止膜の膜厚の和は３０μｍ
   以上である特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。