一种芯片的密封环的制作方法
【专利摘要】本申请提供了一种芯片的密封环。该密封环包括一个或多个密封单元，各密封单元包括：第一金属布线层，围绕芯片设置，第一金属布线层包括相互隔离的第一金属部和第一介质材料部；第二金属布线层，与第一金属布线层相对设置，第二金属布线层包括相互隔离的第二金属部和第二介质材料部；层间介质层，设置在第一金属布线层和第二金属布线层之间；一个或多个过孔组，围绕芯片设置在层间介质层中并连接第一金属部和第二金属部，过孔组包括相互独立的多个过孔。过孔形成机械应力突破第一金属部和第二金属部与过孔之间的粘附力的阻碍，缓解了芯片边缘分层的问题；另一方面过孔的刚性减小导致变形能力增加，因此有效地防止了芯片边缘分层的发生。
【专利说明】
一种芯片的密封环
技术领域
[0001]本申请涉及半导体制造技术领域，具体而言，涉及一种芯片的密封环。
【背景技术】
[0002]在半导体制造工艺中，通过光刻、刻蚀以及沉积等工艺可以在半导体衬底上形成包括半导体有源器件以及设置在器件上的互连结构的半导体芯片。通常，在一个晶圆上可以形成多个芯片，最后再将这些芯片从晶圆上切割下来，进行封装工艺，形成集成电路区。在切割芯片的过程中，切割刀所产生的应力会对芯片的边缘造成损害，甚至会导致芯片发生崩塌。现有技术中，为了防止芯片在切割时受到损伤，在芯片的有源器件区域外围设置密封环，该密封环可以阻挡切割刀产生的应力造成有源器件区域不想要的应力破裂，并且芯片密封环可以阻挡水汽渗透例如含酸物质、含碱物质或污染源的扩散造成的化学损害。
[0003]在现今的半导体技术中，越来越多采用双重芯片密封环来解决更严重的破裂问题，如图1和图2所示的现有技术中具有密封环的半导体芯片结构示意图。图1示出了密封环围绕芯片2’设置的剖面结构示意图，图2示出了沿图1所示A’ -A’的剖面结构示意图，其中示出密封环包括多层金属层的层叠结构，其中，如图1所示的层叠结构的每一层包括层间介质层300’以及位于层间介质层300’内且与层间介质层300’表面齐平的分立金属布线层100’，上下相邻的金属布线层100’之间通过过孔500’相连接。
[0004]但是，利用现有技术的密封环进行密封时，仍然存在芯片2’边缘部分分层的问题。这是由于，划片(die sawing)过程中产生的机械应力通过层间介质层300’进入到密封环内的芯片中，进而突破金属布线层100’与过孔500’之间的粘附力，最终导致在芯片边缘产生分层的问题。
【发明内容】
[0005]本申请旨在提供一种芯片的密封环，以解决现有技术的划片过程中芯片边缘部分容易分层的问题。
[0006]为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种芯片的密封环，包括一个或多个密封单元，各密封单元包括:第一金属布线层，围绕芯片设置，第一金属布线层包括相互隔离的第一金属部和第一介质材料部；第二金属布线层，与第一金属布线层相对设置，第二金属布线层包括相互隔离的第二金属部和第二介质材料部；层间介质层，设置在第一金属布线层和第二金属布线层之间；一个或多个过孔组，围绕芯片设置在层间介质层中并连接第一金属部和第二金属部，过孔组包括相互独立的多个过孔。
[0007]进一步地，上述过孔的形状为直径平行于第一金属布线层的圆柱状。
[0008]进一步地，上述过孔的直径为50?500nm。
[0009]进一步地，上述过孔的形状为直径平行于第一金属布线层的圆筒状。
[0010]进一步地，上述过孔的外径为50?500nm，过孔的内径为20?200nm。
[0011]进一步地，上述第一金属部、第二金属部和过孔的金属为铜、钨或铝。
[0012]进一步地，形成上述第一介质材料部、第二介质材料部和层间介质层的介质材料为S1CH、氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃或掺杂碳的氧化硅。
[0013]进一步地，上述过孔组为多个，且相邻过孔组中的过孔正对排布。
[0014]进一步地，上述过孔组为多个，且相邻过孔组中的过孔交错排布。
[0015]进一步地，上述密封单元为多个，各密封单元相互叠置，且相邻密封单元的第一金属布线层和第二金属布线层重合。
[0016]进一步地，上述相邻密封单元的过孔正对排布。
[0017]进一步地，上述相邻密封单元的过孔交错排布。
[0018]应用本申请的技术方案，其中的过孔在围绕芯片的方向上相互独立，因此划片过程中机械应力在层间介质层中的传输不连续，为机械应力突破第一金属部和第二金属部与过孔之间的粘附力形成阻碍，缓解了芯片边缘分层的问题；另一方面本申请的过孔相对于现有技术中过孔的个体体积减小，使得过孔的刚性减小，进而在由于机械应力作用导致第一金属部、第二金属部和过孔之间的接触变形时，过孔的刚性减小导致变形能力增加，因此有效地防止了芯片边缘分层的发生。
【附图说明】
[0019]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0020]图1示出了现有技术中密封环的剖面结构示意图；
[0021]图2示出了图1所示密封环的A’ -A’方向的剖面结构示意图；
[0022]图3示出了本申请一种优选实施方式提供的密封环的剖面结构示意图；
[0023]图4示出了图3所示密封环的A-A方向的剖面结构示意图；
[0024]图5示出了沿图4所示密封环的B-B方向的剖面结构示意图；
[0025]图6示出了本申请另一种优选实施方式提供的密封环沿图4所示B-B方向的剖面结构示意图；
[0026]图7示出了本申请另一种优选实施方式提供的密封环沿图3所示A-A方向的剖面结构示意图；
[0027]图8示出了制作具有图4所示剖面结构的密封环的流程示意图；
[0028]图9至图16示出了执行图8所示各步骤后的剖面结构示意图，其中，
[0029]图9示出了形成第一介质材料后的剖面结构示意图；
[0030]图10不出了刻蚀图9所不的第一介质材料形成第一介质材料部和第一凹槽后的剖面结构示意图；
[0031]图11示出了在图10所示的结构上形成第一金属布线层的第一介质材料部以及第一金属部后的剖面结构示意图；
[0032]图12示出了在图11所示的第一金属布线层上沉积介质材料形成层间介质层后的剖面结构示意图；
[0033]图13示出了对图12所示的层间介质层进行刻蚀形成第二凹槽后的剖面结构示意图；
[0034]图14示出了向图13中具有第二凹槽的结构上沉积金属并对所沉积的金属进行平坦化处理形成过孔后的剖面结构示意图；
[0035]图15示出了在图14所示结构的表面上沉积第二介质材料后的剖面结构示意图；
[0036]图16示出了对图15所示的第二介质材料进行刻蚀形成第二介质材料部和第三凹槽后的剖面结构示意图；以及
[0037]图17示出了在图16所示的结构上沉积金属材料并对所沉积的金属材料进行平坦化处理，得到第二金属部后的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0039]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述【具体实施方式】，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0040]为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0041]正如【背景技术】所介绍的，目前的划片过程中产生的机械应力通过层间介质层进入到密封环内的芯片中，进而突破金属布线层与过孔之间的粘附力，最终导致在芯片边缘产生分层，为了解决如上的划片过程中芯片容易分层的问题，本申请提出了一种芯片的密封环。
[0042]图3和图4示出了本申请一种优选实施方式提供的芯片的密封环在不同方向的剖面结构示意图，该密封环包括一个或多个密封单元，各密封单元包括第一金属布线层100、第二金属布线层400、层间介质层200、一个或多个过孔组；第一金属布线层100围绕芯片2设置，包括相互隔离的第一金属部101和第一介质材料部102 (见图4)，第二金属布线层400与第一金属布线层100相对设置，包括相互隔离的第二金属部401和第二介质材料部402 (见图4);层间介质层200设置在第一金属布线层100和第二金属布线层400之间；过孔组围绕芯片2设置在层间介质层200中并连接第一金属部101和第二金属部401，各过孔组包括相互独立的多个过孔300。
[0043]具有上述结构的密封环，其中的过孔300在围绕芯片的方向上相互独立，因此划片过程中机械应力在层间介质层200中的传输不连续，为机械应力突破第一金属部101和第二金属部102与过孔300之间的粘附力形成阻碍，缓解了芯片2边缘分层的问题?’另一方面本申请的过孔300相对于现有技术中过孔500’的个体体积减小，使得过孔300的刚性减小，进而在由于机械应力作用导致第一金属部101、第二金属部401和过孔300之间的接触变形时，过孔300的刚性减小导致变形能力增加，因此有效地防止了芯片2边缘分层的发生。
[0044]本申请为了使得过孔300的刚性在与第一金属布线层100平行的平面上均匀分布，优选如图5所示，上述过孔300的形状为轴线垂直于第一金属布线层100的圆柱状。此夕卜，本申请的过孔300为圆柱状时，该圆柱的直径大小可以采用本领域常规的过孔500’的厚度大小，优选上述过孔300的直径为50?500nm，优选100?500nm，进一步优选100?400nm，更进一步优选150?350nm，最优选200?300nm。
[0045]在本申请又一种优选的实施方式中，优选上述过孔300的形状为轴线垂直于第一金属布线层100的圆筒状。本领域技术人员公知的是，过孔300的材料和层间介质层200的材质不同，因此两者与相邻的第一金属部101和第二金属部401的接触应力不同，导致机械应力的传输也不同，且在如上所描述的过孔300的刚性减小等因素的作用下，更全面地防止了芯片2边缘分层的发生。同样，本申请为了使得过孔300的刚性在与第一金属布线层100平行的平面上均匀分布，优选如图5所示，过孔300的形状为直径平行于第一金属布线层100的圆筒状。从力学原理分析，圆柱体的抗弯应力由圆柱表面向圆心逐渐减小，也就是说圆心处的抗弯应力较小，因此将圆柱设为中空的圆筒状对过孔本身的抗弯曲能力没有太大影响，而且，将过孔设置为圆筒状后，同样耗材的圆柱直径小于圆筒直径，圆筒直径的增大弥补了过孔300的抗弯曲能力的减弱，因此，将过孔300设置为圆筒状改善了过孔300的抗弯能力、更有效地防止了芯片2边缘分层的发生。
[0046]此外，本申请的过孔300为圆筒状时，该圆筒的外径大小可以采用本领域常规的过孔500’的厚度大小，优选上述过孔300的外径为50?500nm，优选100?500nm，进一步优选100?400nm，更进一步优选150?350nm，最优选200?300nm，过孔300的内径为20?200nm，优选30?200nm，进一步优选50?200nm，更进一步优选50?150nm，最优选50 ?lOOnm。
[0047]本申请为了进一步优化上述密封环的防止芯片2边缘分层的作用，优选上述过孔组为多个，优选为3?6个且相邻过孔组中的过孔300正对排布。
[0048]此外，本申请为了进一步优化上述密封环防止芯片2边缘分层的作用以及密封环的密封作用，优选上述过孔组为多个，优选为3?6个且相邻过孔组中的过孔300交错排布。如图6所示，相邻过孔组中的过孔300交错排列，在层间介质层200的围绕芯片2方向上实现了金属材料的密封。
[0049]在本申请一种优选的实施方式中，上述密封单元为多个，优选为6?8个，各密封单元相互叠置，且相邻密封单元的第一金属布线层100和第二金属布线层400重合。如图7所示，密封环上下叠置，从而可以将相邻密封环的第一金属布线层100和第二金属布线层400重合设置，使得整个密封环的整个结构更为紧凑，密封性能更好。
[0050]在本申请的密封环具有多个密封单元时，可以设置相邻密封单元的过孔300正对排布。也可以设置相邻密封单元的过孔300交错排布。如果相邻密封单元的过孔300正对排布，在制作各过孔300时可以采用相同结构的掩膜板进行刻蚀，节约密封环的制作成本；如果相邻密封单元的过孔交错排布，采用的掩模板结构会有所变化，但是能够使得密封环的结构更为稳定，能够更好地防止芯片2边缘分层的发生。
[0051]另外，本申请制作各金属部和过孔的金属均可采用本领域常用的技术即可，优选上述金属为铜、钨或铝。同样，形成各介质材料部的介质材料也可以采用本领域常用的介质材料，优选形成上述第一介质材料部102、第二介质材料部402、层间介质层200和中心介质材料部301的介质材料分别可以为S1CH、氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃或掺杂碳的氧化硅。
[0052]为了使本领域技术人员更好地理解本申请的密封环的结构，现在，将参照附图更详细地描述本申请的密封环结构的制作过程。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。
[0053]首先，形成图11所示的第一金属布线层100，该过程进一步包括以下步骤:
[0054]设置图9所示的第一介质材料102’，本领域技术人员应该清楚的是该介质材料是设置在已经完成半导体前道工艺结构的芯片的外围结构的表面上，其中图9未示出芯片及其外围结构。该介质材料102’可以采用本领域常用的低介电材料，优选S1CH、氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃或掺杂碳的氧化硅。
[0055]对该第一介质材料102’进行刻蚀，形成图10所示的第一介质材料部102和位于其中的第一金属部101所在的第一凹槽101’。该刻蚀过程采用本领域常用的湿法刻蚀或干法刻蚀刻蚀实施即可，优选采用具有各向异性刻蚀特性的干法刻蚀法。
[0056]在图10所示的结构上沉积金属材料，并对金属材料进行平坦化处理，得到图11所示的第一介质材料部102以及位于图10所示第一凹槽101’中的第一金属部101。上述沉积过程可以采用本领域常用的化学气相沉积、物理气相沉积等过程实施，平坦化过程可以采用本领域常规的化学机械平坦化实施。
[0057]然后，在形成图11所示的第一金属布线层100后，在第一金属布线层100上沉积介质材料，形成图12所示的层间介质层200。
[0058]接着对图12所示的层间介质层200进行刻蚀，形成图13所示的第二凹槽300’。该刻蚀过程包括:在层间介质层200上设置光刻胶，然后利用已经设计好的掩模板对光刻胶进行曝光、显影等处理，形成图形化的光刻胶掩膜；然后在该光刻胶掩膜的保护下对层间介质层200进行刻蚀，形成图13所示的第二凹槽300’ ；去除该光刻胶掩膜。其中的刻蚀过程采用湿法刻蚀或者干法刻蚀实施均可，优选采用化学干法刻蚀，使所形成的第二凹槽300’自上而下侧壁较为规整，光刻胶掩膜采用本领域常用的灰化法实施，其中上述各具体步骤的实施条件本领域技术人员均可参照常规工艺，在此不再赘述。
[0059]上述过程中，根据所应用的掩模板的开口形状图形化出不同开口形状的光刻胶掩膜，如本申请的圆形或环形，然后在该光刻胶掩膜的保护下进行刻蚀形成对应的圆柱状或圆筒状的第二凹槽300’。
[0060]向图13中具有第二凹槽300’的结构上沉积金属并对所沉积的金属进行平坦化处理，形成图14所示的过孔300，上述沉积和平坦化过程均可采用本领域常规的技术实施，在此不再赘述。
[0061]形成过孔300之后，在图14所示的过孔300和层间介质层200的表面上形成第二金属布线层400 (参见图17)，该过程进一步包括以下步骤:
[0062]在图14所示结构上沉积第二介质材料402’，形成具有图15所示剖面结构的密封环结构。此次所沉积的第二介质材料402’与前面所沉积的第一介质材料102’的材料相同，且沉积方法也可以相同。
[0063]对图15所示的第二介质材料402’进行刻蚀，形成图16所示的第二金属布线层400的第二介质材料部402和第三凹槽401’。该步骤的刻蚀过程可以参考第一介质材料102’的刻蚀材料的刻蚀过程，在此不再赘述。
[0064]形成第三凹槽401’后，在图16所示的结构上沉积金属材料并对所沉积的金属材料进行平坦化处理，得到图17所示的第二金属布线层400的第二金属部401。由此可见，第二金属布线层400与第一金属布线层100的形成过程相似，也与现有技术中制作金属布线层的工艺相似，其具体的工艺实施条件也可以参考现有技术进行。
[0065]从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果:
[0066]I)、本申请密封环的过孔在围绕芯片的方向上相互独立，因此划片过程中机械应力在层间介质层中的传输不连续，为机械应力突破第一金属部和第二金属部与过孔之间的粘附力形成阻碍，缓解了芯片边缘分层的问题；
[0067]2)、本申请的过孔相对于现有技术中过孔的个体体积减小，使得过孔的刚性减小，进而在当由于机械应力作用导致第一金属部、第二金属部和过孔之间的接触变形时，过孔的刚性减小导致变形能力增加，因此有效地防止了芯片边缘分层的发生；
[0068]3)、上述密封环的形成方法采用本领域常规技术手段的组合进行实施即可，因此，有利于该密封环在实际中的推广应用。
[0069]以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【主权项】
1.一种芯片的密封环，包括一个或多个密封单元，各所述密封单元包括: 第一金属布线层，围绕所述芯片设置，所述第一金属布线层包括相互隔离的第一金属部和第一介质材料部； 第二金属布线层，与所述第一金属布线层相对设置，所述第二金属布线层包括相互隔离的第二金属部和第二介质材料部； 层间介质层，设置在所述第一金属布线层和第二金属布线层之间； 一个或多个过孔组，围绕所述芯片设置在所述层间介质层中并连接所述第一金属部和所述第二金属部，所述过孔组包括相互独立的多个过孔。2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述过孔的形状为轴线垂直于所述第一金属布线层的圆柱状。3.根据权利要求2所述的密封环，其特征在于，所述过孔的直径为50?500nm。4.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述过孔的形状为轴线垂直于所述第一金属布线层的圆筒状。5.根据权利要求4所述的密封环，其特征在于，所述过孔的外径为50?500nm，所述过孔的内径为20?200nmo6.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述第一金属部、第二金属部和所述过孔的金属为铜、钨或铝。7.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，形成所述第一介质材料部、第二介质材料部和所述层间介质层的介质材料为S1CH、氧化娃、氮化娃、氟娃玻璃或掺杂碳的氧化娃。8.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述过孔组为多个，且相邻所述过孔组中的所述过孔正对排布。9.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述过孔组为多个，且相邻所述过孔组中的所述过孔交错排布。10.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述密封单元为多个，各所述密封单元相互叠置，且相邻所述密封单元的第一金属布线层和第二金属布线层重合。11.根据权利要求10所述的密封环，其特征在于，相邻所述密封单元的过孔正对排布。12.根据权利要求10所述的密封环，其特征在于，相邻所述密封单元的过孔交错排布。
【文档编号】H01L23/528GK105990313SQ201510086640
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月17日
【发明人】张贺丰, 侯大维
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司