专利名称：半导体元件及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及一种半导体元件及其制造方法，特别涉及一种具有用作半导体器件中半导体元件的连接端子的接合垫或者凸起垫或者探测垫的半导体元件及这种半导体元件的制造方法。
背景技术：
通常，半导体器件中包含的半导体元件设有用于与外部器件电接触的多个电极。例如，如果电极用作接合线的连接垫，则这些电极就被称作接合垫(bonding pad)。如果电极用作凸起的连接垫，则这些电极就被称作凸起垫。此外，如果电极用作接触探针的连接垫，则这些电极被称作探测垫。在下文中，作为接合垫、凸起垫和探测垫的一个代表，将说明接合垫。
图1是集成电路组件(半导体器件)的一部分的透视图，其中包括一个具有多个接合垫的半导体元件。如图1所示，在半导体器件内引线框2的压模台(die stage)4上安装的半导体元件6的接合垫6a通过接合线8与引线框2的内部引线2a连接。
图2是图1所示的接合垫的平面图。图3是沿图2中III-III线的横截面图。
如图2和图3所示，通常，半导体元件中形成的接合垫6a具有这样的结构其中在由铝或类似物制成的下布线层14上形成多个导电塞16，它们由钨或类似物制成并以矩阵图案排列，而在导电塞16上形成由铝或类似物制成的上导电层18。在下布线层14与上导电层18之间，在导电塞16周围形成绝缘层20。
应当注意，下布线层14形成在半导体衬底10上形成的层间绝缘膜12上，并且用作半导体元件的内部布线。此外，上导电层18的外圆周部分被覆盖膜22覆盖，并且上导电层18暴露在覆盖膜22中形成的开口中。
这里，在形成半导体元件的过程中，例如，通过执行电测试来进行电特性测试，以确定半导体器件是完好的还是有缺陷的。在这种情况下，需要将测试探针与接合垫6a(上导电层18)相接触。当测试探针压在上导电层18上时，应力便集中在绝缘层上，该绝缘层与上铝层和导电塞16相比又硬又脆。由于应力集中，有可能在导电塞16之间的绝缘层20中产生裂缝。
这种裂缝不会扩散到导电塞16，并且在裂缝到达导电塞16时便会停止。但是，导电塞16以矩阵图案排列，从而在如图4所示的截面中，裂缝可能在绝缘层20内扩散，但是不会达到导电塞16。
此外，由于测试探针被按压在上导电层18上，在上导电层18上可能形成裂纹。这种裂纹会扩散到绝缘层20中。由此，如果水分进入裂纹，水分就会进入到半导体元件内部，这会引起缺乏耐湿性的缺陷。
因此，为了解决上述问题，提出一种具有这样结构的接合垫其中将导电塞与绝缘层部分交换，以制成如图5和图6所示的网格状导电部16A和岛状绝缘层20(例如，参考专利文献1)。应当注意，图5是具有网格状导电部16A的接合垫6Aa的平面图，图6是沿图5的VI-VI线的横截面图。
也就是说，在上导电层18与下布线层14之间，与导电塞对应的网格状导电部16A由钨或类似物形成，并且将绝缘材料填充在网格状导电部16A内的每个方形部分中，以形成绝缘层20。根据这种结构，易于产生裂缝的绝缘层20被网格状导电部16A的壁面包围。因此，在与一个方形部分对应的绝缘层20中发生裂缝时，该裂缝不会扩散到其它方形部分的绝缘层20或者网格状导电部16A之外的绝缘层20。
下列文献涉及本发明的上述背景技术。
专利文献1日本特许公开No.2002-208610专利文献2日本特许公开No.10-64945通过形成与网格图案的开口对应的部分(也就是岛状绝缘层20)并在岛状绝缘层20之间填充钨或类似物，能够形成上述网格状导电部16A。但是，由于形成绝缘层20的绝缘材料为柱形，所以与下布线层14接触的接触面积很小。这样，便有可能出现这样的问题在进行绝缘层20的形成工艺中的蚀刻、灰化、后加工、清洗、和干燥或者在进行后续工艺中的清洗或者干燥时，柱状绝缘层20会分离并从下布线层14上脱落，如图7所示。应当注意，在图7中，并没有将岛状绝缘层20表示为方形柱而是表示为圆柱。虽然在图4和图5中岛状绝缘层20被表示为方形柱，但是在实际形成时可以是近似圆柱形。
此外，还会发生这样的问题当围绕岛状绝缘层20填充例如钨或类似物的导电材料时，导电材料不能被适当地填充在由图8中附图标记38所表示的部分中或者会形成凹陷，这就不能获得良好的覆盖。应当注意，在图8中也将岛状绝缘层20表示为圆柱形。
发明内容
本发明的总的目的是提供一种可消除上述问题的、改进并且实用的半导体元件及其制造方法。
本发明更具体的目的是提供一种具有这种结构的半导体元件其中，如果在接合垫内产生裂缝，该裂缝不会扩散到半导体元件内部。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方案提供一种半导体元件，在其表面上设有电极，该半导体元件包括布线层，其形成在该半导体元件的内部；导电层，其与该布线层分离地形成，以形成该电极的表面；多个柱状构件，所述柱状构件由导电材料形成，并在所述布线层与导电层之间延伸且相互邻近地排列；绝缘层，其由所述多个柱状构件之间填充的绝缘材料形成；以及框架构件，其在所述布线层与所述导电层之间延伸，以将所述多个柱状构件和所述绝缘层包围在一起。
此外，根据本发明的另一方案，提供一种半导体元件的制造方法，在该半导体元件的表面上设有电极，该制造方法包括在该半导体元件内部的布线层上形成多个柱状构件和一个框架构件，以使该框架构件包围多个柱状构件；通过在所述柱状构件之间填充绝缘材料形成绝缘层；以及在所述多个柱状构件、所述绝缘层和所述框架构件上形成导电层，以将该导电层的表面加工成所述电极的表面。所述框架构件由与所述柱状构件的材料相同的材料形成。
根据本发明，即使在测试探针接触电极、进行引线接合或者形成凸起时、由于施加到电极的应力而在电极下面的绝缘层中产生裂缝，框架构件也会防止该裂缝的扩散，所以该裂缝不会扩散到半导体元件内。因此，防止了由于水分进入半导体元件内而造成的缺乏耐湿性的缺陷的产生。此外，由于这种电极结构中的绝缘层是相互连接的连续形式，所以在制造过程中绝缘层的一部分不会脱落。
此外，根据本实施例，柱状构件不仅被框架构件包围，而且被布线层、中间导电层、导电层和框架构件在垂直方向和水平方向上与绝缘层一起完全包围。这样，即使裂缝在垂直方向上发生扩散，该裂缝也不会扩散到接合垫结构的外部，所以该裂缝被限制在接合垫结构之内。
从结合附图的下述详细说明，将使本发明的其它目的、特点和优点更为清楚。
图1是集成电路组件的一部分的透视图，其中包括一个具有多个接合垫的半导体元件；图2是图1所示的接合垫的平面图；图3是沿图2中III-III线的横截面图；图4是沿图2的IV-IV线的横截面图；图5是具有网格状导电部的接合垫的平面图；图6是沿图5的VI-VI线的横截面图；图7是示出图5所示的绝缘层的状态的视图；图8是示出图5所示的网格状构件的技术的视图；图9是根据本发明实施例的半导体元件的接合垫的平面图；图10是沿图9的X-X线的横截面图；以及图11是沿图9的XI-XI线的横截面图。
具体实施例方式
下面将结合
本发明的实施例。
图9是根据本发明实施例的接合垫部分的平面图。图10是沿图9的X-X线的横截面图。图11是沿图9的XI-XI线的横截面图。在图9至图11中，用相同的附图标记表示与图2和图3中所示的部分相同的部分。
在本实施例中，接合垫40具有两级结构，如图10所示，在上、下导电塞16之间设有中间导电层42。导电塞是由导电材料形成的柱状构件。在本实施例中，上导电层18和中间导电层42通过上导电塞16相互电连接，所述导电塞16是通过导电材料例如钨或类似物形成的柱状构件。相似地，中间导电层42和下布线层14通过下导电塞16相互电连接，所述下导电塞16是通过导电材料例如钨或类似物形成的柱状构件。上导电层18的暴露在外部的表面用作与接合线8连接的接合表面。
虽然在本实施例中将接合垫40构成为上述的两级(two-stage)结构，但是接合垫可以具有单级结构或者具有大于三级的多级结构。根据半导体衬底10上形成的上导电层18与层间绝缘膜12之间的距离能够确定接合垫的级数。
在本实施例中，如图9所示，以矩阵形式排列的导电塞16的最外面的圆周部分被构成为框架构件44，其在整个圆周上是连续的。在本实施例中，框架构件44由与导电塞16的材料例如钨或类似物相同的材料形成，因此，能够以与形成钨塞16的工艺相同的工艺形成框架构件44。因而，与导电塞16相似，框架构件44也用作使下布线层14与上导电层相互电连接的构件。
应当注意，优选将钨(W)、铜(Cu)、铝(Al)或者类似物用作形成导电塞16和框架构件44的导电材料。此外，作为形成绝缘层20的绝缘材料，有氧化硅(SixOy)、NSG、SiLK(注册商标，有机热固树胶)、低介电常数材料(低k材料)等。
框架构件44的宽度优选设定为与每个导电塞16的宽度基本相同。例如，如果将0.35-μm规则(rule)应用为半导体器件的设计规则，那么框架构件44的宽度优选设定为大约0.45μm。如果将0.18-μm规则应用为设计规则，则框架构件44的宽度优选设定为大约0.25μm。如果应用0.09-μm规则，则框架构件44的宽度优选设定为大约0.15μm。
此外，优选使框架构件44的外边框(outline)基本等于形成接合表面的上导电层18的外边框，以使多个导电塞16能够形成在框架构件44内。
在上述结构中，导电塞16和在导电塞16之间设置的由绝缘材料制成的绝缘层20被框架构件44包围。因此，即使在导电塞16之间设置的绝缘层中产生裂缝，该裂缝也不会扩散到框架构件44的外部，如图11所示。可以理解的是，在如图11所示的本实施例的结构中，裂缝30的扩散被框架构件44停止，而在示出传统结构的图3中，绝缘层20中产生的裂缝扩散到半导体元件内。
如上所述，按照本实施例，即使在接触测试探针或者进行引线接合时、由于施加到接合垫的机械应力而在接合垫内的绝缘层中产生裂缝，该裂缝也不会扩散到半导体元件内。这样，也防止了由于水分沿裂缝进入半导体元件内而造成的缺乏耐湿性的缺陷的产生。此外，由于在这种接合垫结构中的绝缘层20不是岛状形式而是互连形式，所以绝缘层的一部分不会脱落。
此外，根据本实施例，导电塞16不仅被框架构件44包围，而且被下布线层14、中间导电层42、上导电层18和框架构件44在垂直方向和水平方向上与绝缘层20一起完全包围。这样，即使产生裂缝，该裂缝也不会扩散到接合垫结构的外部，该接合垫结构将裂缝限制在接合垫结构之内(框架构件内)。
应当注意，在本实施例中由与导电塞16的导电材料相同的导电材料形成框架构件44。由于该导电材料比如是一种比形成绝缘层20的绝缘材料更软的金属，于是具有这些优点这种材料适于阻止裂缝的扩散，并且能够以与形成导电塞16的工艺相同的工艺形成框架构件44。但是，并不总是需要由导电材料形成框架构件44，并且框架构件44可以由相对柔韧的绝缘材料形成。作为这种绝缘材料，例如有氧化铝(AlxOy)、钛铝氮化物(TixAlyNz)等。
为了形成上述结构的接合垫，首先，在下布线层14上形成导电塞16和框架构件44，以使框架构件44包围导电塞16，然后，通过在导电塞16之间填充绝缘材料形成绝缘层20，随后在导电塞16、绝缘层20和框架构件44上形成上导电层18。由此，能够将上导电层18的表面加工成接合垫的接合表面。
本发明并不限于具体公开的实施例，并且不脱离本发明的范围可以进行各种修改和变化。
本申请基于在2005年5月30日申请的日本在先申请No.2005-157538，并且在此通过参考的方式援引其全部内容。
权利要求
1.一种半导体元件，在其表面上设有电极，该半导体元件包括布线层，其形成在该半导体元件的内部；导电层，其与该布线层分离地形成，以形成该电极的表面；多个柱状构件，所述柱状构件由导电材料形成，并在所述布线层与导电层之间延伸且相互邻近地排列；绝缘层，其由所述多个柱状构件之间填充的绝缘材料形成；以及框架构件，其在所述布线层与所述导电层之间延伸，以将所述多个柱状构件和所述绝缘层包围在一起。
2.如权利要求1所述的半导体元件，其中所述框架构件由形成所述柱状构件的所述导电材料形成。
3.如权利要求1所述的半导体元件，其中所述框架构件由比形成所述绝缘层的所述绝缘材料具有更高柔韧性的材料形成。
4.如权利要求1所述的半导体元件，其中所述框架构件的外边框基本等于所述导电层的外边框。
5.如权利要求1所述的半导体元件，其中所述柱状构件以矩阵形式排列。
6.如权利要求1所述的半导体元件，其中在所述布线层与所述导电层之间设有中间导电层；所述柱状构件包括多个第一柱状构件，所述第一柱状构件在所述布线层与所述中间导电层之间延伸；以及多个第二柱状构件，所述第二柱状构件在所述中间导电层与所述导电层之间延伸；并且所述框架构件包括第一框架构件，其在所述布线层与所述中间导电层之间延伸；以及第二框架构件，其在所述中间导电层与所述导电层之间延伸。
7.如权利要求6所述的半导体元件，其中所述第一和第二框架构件由形成所述第一和第二柱状构件的所述导电材料形成。
8.一种半导体元件的制造方法，在该半导体元件的表面上设有电极，该制造方法包括在该半导体元件内部的布线层上形成多个柱状构件和一个框架构件，以使该框架构件包围所述多个柱状构件；通过在所述柱状构件之间填充绝缘材料形成绝缘层；以及在所述多个柱状构件、所述绝缘层和所述框架构件上形成导电层，以将该导电层的表面加工成所述电极的表面。
9.如权利要求8所述的制造方法，其中所述框架构件由与所述柱状构件的材料相同的材料形成。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件及其制造方法。在半导体元件中，如果在接合垫内产生裂缝，该裂缝不会扩散到半导体元件内。在该半导体元件的表面上设有电极。在该半导体元件的内部形成布线层。导电层与该布线层分离地形成，以形成该电极的表面。由导电材料形成多个柱状构件，它们在布线层与导电层之间延伸且相互邻近地排列。由所述多个柱状构件之间填充的绝缘材料形成绝缘层。框架构件在布线层与导电层之间延伸，以将多个柱状构件和绝缘层包围在一起。
文档编号H01L21/28GK1873962SQ200510099898
公开日2006年12月6日 申请日期2005年9月9日 优先权日2005年5月30日
发明者斋藤仁 申请人:富士通株式会社