用于为互连焊盘提供结构支撑同时允许信号传导的方法和装置的制作方法

专利名称：用于为互连焊盘提供结构支撑同时允许信号传导的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及封装半导体，更具体地，涉及集成电路的互连焊盘， 用于实现同下面的传导层的电气连接。
背景技术：
线接合是一种广泛使用的方法，用于将具有电路的半导体管芯连 接到元件封装上的引脚。由于半导体制造技术的进步，半导体的几何 尺寸不断縮小，因此线接合焊盘的尺寸变得较小。在实现同集成电路 的物理线接合连接时，较小的接合焊盘区域导致了针对接合焊盘结构 的增加的应力。接合焊盘结构，其包括金属接合焊盘自身和下面的金 属互连层和介电层的叠层，在线接合过程中机械支撑焊盘。尽管先进 的低介电常数(低k)的介电材料的发展对集成电路的电气性能有积极 的作用，但是这些低k材料典型地呈现出低模量，其降低了接合焊盘 结构的强度。特别地，利用铜互连金属化和低模量(低k)电介质制造 的接合焊盘结构在线接合过程中易于机械损坏。由于现今使用的先进 的低k层间电介质的模量低于上一代产品中使用的电介质，因此线接 合更易于使下面的金属层和介电层的叠层发生机械断裂。
除了可能引起机械和结构故障的压力之外，在机械接合之后的线 接合毛细管的移动过程中，与接合线的张紧相关联的升力也可能引起 对线接合的结构损坏。升力趋向于使一个或多个下面的层分层。该结 构损坏在视觉上是不可检测的，并且在后继的测试和操作之前并不显著。
一种用于解决在线接合下面出现的机械应力的已知方法是，使用 专用的支撑结构。 一种常见的结构是在接合焊盘下面使用至少两个金 属层，其通过分布在大部分线接合焊盘区域上的大的过孔阵列连接在 一起并且连接到接合焊盘。该过孔配置需要将下面的金属层的大部分 同接合焊盘全部电气连接在一起，并且因此它们在功能上不是相互独 立的。因此，在线接合焊盘下面，此下面的两个金属层的大部分不能 用于与焊盘无关的配线或互连。需要一种接合焊盘结构，其并入低模 量介电材料，但是仍提供用于线接合的坚固支撑，并且允许接合焊盘 下面的两个金属层的大部分用于与焊盘无关的配线。

发明内容
本发明提供一种在互连焊盘区域中形成的互连焊盘结构，包括 基板，具有在其中形成的半导体器件；和多个传导层，每个传导层在 互连焊盘区域中位于基板上面，并且同一个或多个低模量介电材料接 触，多个传导层是通过互连焊盘区域的预定部分上的垂直对准槽形成 的，足以提供关于互连焊盘结构的机械支撑。
所述的互连焊盘结构进一步包括介电层，其位于多个传导层中 的最上面的传导层上面，所述介电层包括在所述介电层区域中不具有 金属密度的区域，由此没有金属穿过所述介电层的任何开口，所述区 域占互连焊盘区域的至少50%;和传导互连焊盘层，其位于所述介电 层上面。


本发明借助于示例进行说明，并且不限于附图，在附图中相似的 参考数字表示相似的元素，并且其中
图l和2是根据本发明的用于实现互连焊盘的版图方法的流程图； 图3是与图1和2的用于实现具有充分结构支撑的互连焊盘的版图方法相关联的确定区域的顶视平面图4是根据本发明的一个形式的部分半导体的互连焊盘区域的截
面；
图5是图4的互连焊盘区域的两个传导层的顶视平面图； 图6是根据本发明的另一形式的部分半导体的互连焊盘区域的截 面；并且
图7是根据本发明的另一形式的部分半导体的互连焊盘区域的截面。
技术人员应认识到，图中的元素是出于简化和清楚的目的说明的， 因此没有必要依比例绘制。例如，图中的某些元素的尺寸可以相对于 其他元素放大，有助于改善对本发明的实施例的理解。
具体实施例方式
一般地，此处提供了一种方法和装置，通过在焊盘下面的金属和 电介质叠层中使用新颖的版图技术，提供用于集成电路(ic)中的互 连焊盘位置的结构支撑。如此处使用的互连焊盘，由金属形成，被安 置在集成电路的表面处，其中实现了从焊盘到一个或多个下面的金属
层的电气连接。在典型的IC设计中，由层间电介质分隔的多个金属层
被形成为叠层，以提供半导体基板中的器件之间的所需互连。互连焊 盘的示例包括，但不限于，线接合焊盘、探针焊盘、倒装焊凸点焊盘、 测试点或者需要下面的结构支撑的其他的封装或测试焊盘结构。物理 上位于互连焊盘下面的互连焊盘区域定义了其中可以应用此处提供的
版图技术的区域。通过这些版图技术，在IC技术中利用铜互连金属化
和低模量电介质制造的接合焊盘结构，在线接合过程中较不易于机械
损坏。此处使用的低模量材料是具有典型地小于80 GPa (千兆帕斯卡) 的值的材料。此外，此处使用的低k材料是介电常数典型地小于4的 材料。应当注意，所使用的许多低k材料具有低模量。此处使用的高 模量材料是具有典型地等于或大于80GPa (千兆帕斯卡)的值的材料。互连焊盘通常安置在IC物理版图中的输入/输出(I/O)单元中。 这些I/0单元典型地包含，用于I/O的有源和无源器件；用于这些I/0 器件的局部互连金属化，其典型地在下层金属化层中走线；以及电源/ 地轨或总线，其典型地在上层金属化层中走线。电源/地(电力)轨典 型地是非常宽的，并且常常安置在多个金属化层中，以便于按照最优
化的IC操作的要求，使这些轨的电阻最小。为了使i/o单元的版图面
积最小，高度理想的是，将电路安置在垂直对准的叠层中。例如，基 板中的有源和无源器件、局部互连金属化、电力总线和IC表面处的互 连焊盘，被安置在垂直叠层中。在大部分面积高效的配置中，有源和 无源器件，以及利用所有金属化层的局部互连和电力轨金属化，尽可 能密集地被安置为跨越I/0单元的物理跨度。然而，应当特别注意，在 将金属化安置在互连焊盘下面时，特别是在铜互连/低介电模量技术中， 应确保用于焊盘的坚固的结构支撑。现有的解决方案通过将至少两个 金属层安置在整个接合区域下面并且利用大的过孔阵列使这些层相互 连接并连接到接合焊盘，由此结构支撑互连焊盘，该解决方案不能高 效地使用版图面积。这些解决方案阻碍了将焊盘下面的至少两个金属 层用作独立互连(即，电力总线或信号)线。此处公开了一种高效的 解决方案，由此互连焊盘下面的所有金属层可以完整地或部分地用于 与互连焊盘无关的配线，同时还提供了坚固的结构支撑。换言之，不 需要现有解决方案中的主要用于向焊盘提供机械支撑的"伪"金属化 或过孔。
在IC版图设计中，每个金属化层中的开口或槽是非常普遍的。开 口可以安置在版图中，以便于物理分隔两个独立的金属线或形状。而 且开口或槽通常被安置在宽的金属电力总线或线中，以便于减小该金 属层中的局部金属密度。典型地，先进的IC工艺技术中的关于铜互连 的版图设计规则要求开口或槽以略微均匀的方式分布，以在给定的区 域中实现目标金属密度范围(即，20% 80%)。例如，在具有80%金 属密度的版图区域中，80%的面积将包含金属化，而20%的面积将包含 电介质填充开口 (即，无金属化)。这些版图设计规则典型地是所需要的，用于在利用被称为化学机械研磨(CMP)的半导体处理时，确 保铜金属层的平整性。如果IC的一个局部区域中的金属密度比相邻区
域中的金属密度大很多，则在CMP过程中金属将不均匀地研磨，导致 了不需要的金属层厚度变化。因此，在每个金属层中需要开口阵列， 用于定义分隔的金属线或形状，并且用于将金属密度限制在CMP工艺 控制所允许的范围内。然而，如下文所将描述的，开口的存在对在互 连焊盘下面提供的结构支撑数量有关键性的影响。特别重要的是，这 些开口在特定的下面的金属层中相对垂直对准。
此处公开的方法和结构的一个重要特征是，在互连焊盘区域中， 在一个或多个金属化层中使用垂直对准的开口或槽。典型地，与低模 量的层间或层内介电材料接触的最上面的金属层，需要这些对准开口。 层间电介质被定义为两个不同的金属层之间的电介质。层内电介质被 定义为填充单一的金属层中的开口或间隙的电介质。与低模量电介质 接触的金属层的垂直对准的开口必须出现在互连焊盘面积的预定的最 小百分数的面积上。 一种将垂直对准开口的思想形象化的好方法是， 想象通过金属化层的叠层向下观察半导体基板。假设金属是不透明的 而电介质是透明的，则仅能通过其中存在垂直对准开口的金属叠层区 域观察。
图1和2中说明的是一种方法10，用于通过在物理版图设计中使 用版图技术使互连焊盘区域中的三个或多个金属化层中的开口或槽垂 直对准，为集成电路(IC)中的互连焊盘位置提供结构支撑。图l和2 中的流程图应被视为概念化设计流程，出于清楚起见，其包括物理版 图设计流程和IC制造流程的元素。响应开始命令11，实现步骤12， 其中提供了半导体基板，在该基板上形成了一个或多个有源或无源器 件。该有源器件可以是例如，晶体管和二极管、以及其他的已知有源 器件。该无源器件可以是电阻器、电容器和电感器、以及其他的已知 无源器件。亦如步骤12， 一个或多个金属层的安置，对于电气功能是 重要的，但是对互连焊盘支撑不是关键性的(即，并非用于互连焊盘的功能)。在步骤14中，第一金属层安置在一个或多个有源或无源器 件上面。第一金属层具有互连焊盘区域中的第一多个开口。可以使用 许多传统方法用于形成该具有多个开口的第一金属层。层内介电材料 位于第一金属层的多个开口中。可以使用许多传统方法用于形成该第 一金属层的孔中的层内电介质。在步骤16中，第一层间介电层被安置 在第一金属层上面。可以使用许多传统方法用于在第一金属层上面形
成该第一层间介电层。在步骤18中，第二金属层被安置在第一介电层
上面，并且在互连焊盘区域中具有第二多个开口。该第二多个开口填 充有层内电介质。
在步骤20之前，可以在重复的步骤中形成额外的上面的金属层， 每个该金属层具有多个填充有层内电介质的开口并且由层间介电层分 隔(在图1中未示出，但是由步骤18之后的三个点表示)。在步骤20 中，第N金属层被安置在第(N-l)介电层上面。
第N金属层具有在互连焊盘区域中形成的第N多个开口，其中N 是整数。第N多个开口填充有层内电介质。应当理解，每个第一、第 二等 第N金属层中的开口数目可以具有不同的数值，并且可以具有 不同的形状和位置。然而，每个金属层中的开口数目也可以具有相同 的数值，并且许多形状或图案可以是相同的。在任何情况中，每个金 属层必须满足如关于该技术的版图设计规则所规定的金属密度要求。
此处第N金属层被定义为互连焊盘结构中的最上面的金属层，其 与低模量介电材料接触。第一 第N多个开口填充有，或者至少部分 地填充有低模量层内介电材料。应当理解，第一 第(N-l)层间介电 层可以是具有任何模量的介电材料。
在步骤22中，通过第N金属层 第(N-Y)金属层的布尔或 (Boolean OR)运算，产生了临时物理版图形状。在所说明的形式中， 待执行逻辑或的互连焊盘支撑的最上面的金属层是第N金属层，而待执行逻辑或的互连焊盘支撑的最下面的金属层是第(N-Y)金属层。Y 值是整数，其确定了其中必须应用此处提供的版图技术方法10的第N 金属层下面的金属层的总体数目。因此，对准的金属层的总数目等于 Y+l。数值Y可以依赖于许多因素而改变，其包括金属层和介电层的 材料属性以及IC中使用的金属层的数目。在方法10的示例中，Y值 大于等于2。在其他形式中，Y值可以大于等于l。
在步骤23中，在互连焊盘区域的物理跨度(面积)中，确定由步 骤22中产生的第N 第(N-Y)金属层的逻辑或组合得到的临时物理 版图形状的金属密度。对应于该金属密度的值被定义为X。该密度值X 还可以被称为或运算后的金属密度。或运算后的金属密度是等于或小 于1的数值。
在确定或运算后的金属密度值X之后，实现步骤24，其中进行比 较以确定X值是否小于等于预定的阈值。在一个形式中，预定的阈值 可以是约50% (0.50) 95% (0.95)的范围中的任何百分数。关于预 定阈值的值包括0.80和0.85，但是特别地，也可以包括所述范围中的 任何百分数。
如果X值不小于等于预定阈值，则实现步骤26，其中修改第N 第(N-Y)金属层中的至少一个。经修改的金属层可以包括互连焊盘区 域中的更多的开口、重新确定尺寸的开口或者重新定位的开口，其目 的在于产生较小的或运算后的金属密度值X。在更换了经修改的金属 层之后，再次重复步骤22和23，以确定新的X值。然后还重复步骤 24。如果X值仍不小于等于预定阈值，则再次重复步骤26。该过程以 循环的方式重复，直至X值小于等于预定阈值。此时，可以删除临时 物理版图形状，这是因为，该形状仅是出于确定或运算后的金属密度 的目的而创建的。因此，步骤14、 16、 18、 20、 22、 23和24的结果 是具有垂直对准开口的物理版图设计，其中该开口存在于第N 第 (N-Y)金属层中，其面积超过互连焊盘区域的总面积的分数X。第N金属和第(N-Y)金属(含)之间的金属层在此处被定义为 互连悍盘结构的对准的金属层。因此第N金属层是互连焊盘结构的最 上面的对准金属层。应当理解，第N 第(N-Y)金属层中的部分或所 有金属层可用于与互连焊盘无关的配线或互连。
假设第N金属层上面的互连焊盘结构的金属层，如果存在，不需 要是对准的金属层，原因在于，这些层不与低模量层间或层内电介质 接触。这些层中可以使用传统的高模量介电材料，诸如二氧化硅、氧 氮化硅、或者其他的绝缘玻璃。可选地，为了实现互连焊盘的机械支 撑，第(N-Y)金属层下面的互连悍盘结构的金属层可以对准，但是不 要求其是对准的，即使其与低模量介电材料接触。
如果在步骤24中确定的或运算后的密度值X小于等于预定阈值， 则可以依赖最终所需焊盘设置，选择数个选择中的一个，以完成接合 焊盘结构的设计。下面描述了互连焊盘选择的三个示例。
应用图1和2中的方法10的第一个示例描述了如何完成用于标准 的互连焊盘结构的接合焊盘设计。在该情况中，实现了图1中说明了 可选步骤28，其中第N介电层被安置在第N金属层上面。该第N介电 层可以是具有任何模量的介电材料。在图2中说明的可选步骤30中， 第(N+l)金属层被安置在第N介电层上面。在该示例中，第(N+l) 金属层是未对准的层，并且是互连焊盘结构的最终金属层。应当注意， 该金属层在互连焊盘区域中的部分用作互连焊盘。在步骤32中，钝化 层被安置在最终金属层上面。在该示例中，在步骤33中，出于电气连 接到最终金属层的目的，在钝化层中制作对应于互连焊盘区域的整个 物理跨度(面积)的大开口。
在步骤34中，可选地将铝或铝合金层安置在互连焊盘上面。通过 步骤33中形成的钝化层中的大开口，实现从铝盖帽到互连悍盘的电气接触。出于可靠地形成直接针对铜的线接合的问题，通常在铜互连焊 盘上面使用该铝盖帽。因此，用于铜互连技术的线接合焊盘常常利用 铝层盖帽暴露的线接合焊盘。
在步骤36中，通过传统的和已知的方式完成集成电路的物理版图
设计。该方法结束于步骤38。图4中的截面视图说明了对应于该第一 示例的互连焊盘结构，其在下文中更加详细地讨论。
此处描述的方法可以例如，用于形成互连焊盘的支撑结构，其未 电气连接到互连焊盘区域中的第N 第(N-Y)金属层的任何部分。对 于互连焊盘区域中的焊盘和第N金属层之间的焊盘支撑，不需要过孔。 此外，对于互连焊盘区域中的任何对准的金属层之间的焊盘支撑，不 需要过孔。可替换地，互连焊盘可以通过仅依照需要安置的过孔，仅 连接到互连焊盘区域中的第N 第(N-Y)金属层下面的部分，用于高 效地将互连焊盘信号向下路由至下面的有源和无源元件。
在应用图l和2中的方法IO的第二个示例中，可以形成钝化层上 接合(BOP)的互连焊盘结构。该示例在下列方面不同于第一个示例。 如第一个示例中的，安置第N介电层(步骤28)和第(N+l)金属层 (步骤30)。如前一示例中的，第(N+l)金属层再次被视为互连焊 盘结构的最终金属层。在步骤30之后，实现步骤32，其中钝化层被安 置在互连焊盘区域中的最终金属层上面。在步骤33中，可选地形成一 个或多个钝化开口，其(如果存在)具有典型地相对于互连焊盘区域 的物理跨度(面积)的小的组合面积。步骤33中形成的可选开口提供 了针对最终金属层部分的电气连接。
在步骤34中，利用上述相同的铝盖帽层的铝互连焊盘，被安置在 钝化层上面。可选地，通过步骤33中形成的钝化层中的一个或多个开 口，实现针对最终金属层的电气接触。在步骤36中，通过传统的和已 知的方式完成集成电路的制造。在完成集成电路的制造之后，该方法终止于步骤38。图6中的截面中示出了对应于该第二个示例的互连焊 盘结构，其在下文中更详细地讨论。
在应用图1和2中的方法10的第三个示例中，可以形成另一种类 型的钝化层上接合(BOP)的互连焊盘结构。该示例与第二个示例的不 同之处在于，这里假设互连焊盘结构的最终金属层同低模量介电材料 接触。为了提供关于互连焊盘的坚固支撑，因此理想的是，在对准的 金属层的组中包括最终金属层。因此，在该示例中，第N或最上面的 对准金属层还是最终金属层。因此，在步骤22中确定或运算后的金属 密度包括第(N-Y)金属层 最终金属层。这样，如前文所述执行了方 法10，但是省略了步骤28和30。因此，步骤24中的肯定结果直接导 致步骤32。如关于第二个示例描述的，执行剩余的步骤32 38。图7 中的截面中示出了对应于该第三示例的互连焊盘结构，其在下文中更 详细地讨论。
图3中说明了一个顶视平面图，其有助于说明图1的步骤22 24 的实现。示出了关于两个金属层的部分物理版图形状，其中每个金属 层位于不同的平面上(即， 一个金属层在另一金属层上面)并且通过 层间介电层相互电气绝缘。在图3中，金属层由剖面实线绘出。应当 注意，对于两个金属层中的每一个，该实线是正交的。两个金属层均 具有开口或槽，其被说明为没有剖面线，并且一个层中的某些开口部 分地与另一个层中的开口重叠。每个开口填充有层内电介质。 一个金 属层中的金属总线42以垂直轴为中心，并且位于另一金属层中的以水 平轴为中心的金属总线44下面。金属总线42和金属总线44在所说明 的形式中相互垂直，但是其相互之间也可呈任何角度。开口50 58位 于金属总线42中。开口 45 48位于金属总线44中。每个金属总线42 和金属总线44中的开口隔开，并且配置成预定的图案。应当理解，可 以使用多种开口图案，但是其通常跨越每个金属导体分布，而非仅集 中在每个金属导体的一部分中。在执行步骤22的布尔运算时，对每个金属总线42和44的形状一 起取逻辑或，以创建合成形状，其是由图3中的具有一种或两种类型 的剖面线的区域表示的总复合形状。在图1的步骤23中，确定互连焊 盘40区域中的该合成形状的或运算后的金属密度。部分金属总线42 可能位于互连焊盘区域中，并且因此位于互连焊盘区域外部的部分总 线42将不包括在步骤23中的X值确定区域中。如果在步骤24中确定 了表示或运算后的金属密度的结果X大于预定阈值，则可以使金属总 线42或金属总线44或此两者中的开口移动或者重新确定其尺寸，以 便于减小或运算后的密度。可替换地，可以在一个或两个金属总线中 安置额外的开口，以减小或运算后的密度。例如，通过较好地使金属 总线42中的开口与金属总线44中的开口对准，可以减小或运算后的 金属密度值。换言之，可以移动金属总线44中的开口 47和48，以便 于分别覆盖下面的开口 51和56的较大百分数的面积。我们发现，通 过确保或运算后的金属密度不超过预定的百分数或阈值，提供了互连 焊盘下面的牢固的结构支撑，即使是在使用低模量介电材料的时候。
图4中说明了根据图l和2的方法设计的集成电路60的截面。图 4中说明的互连焊盘结构对应于在图1和2的描述中提供的互连焊盘结 构的第一个示例，其中在图2的步骤33中形成的钝化层90中的开口 定义了互连焊盘结构的互连悍盘区域94的物理跨度(面积)。集成电 路60具有互连焊盘61，其具有下面的功能金属互连层和有源电路。作 为说明，在基板62中仅说明了单一的晶体管。应当理解，在互连焊盘 区域94中的基板62中还可以形成其他的电路，无论该其他电路是有 源电路器件，诸如晶体管或二极管，还是无源电路器件，诸如电阻器、 电容器和电感器。基板62中形成了晶体管64，其具有源极、漏极和栅 极。漏极接触66经由过孔连接晶体管64的漏极。源极接触68经由过 孔连接晶体管64的源极，并且栅极接触70经由过孔连接晶体管64的 栅极。漏极接触66、源极接触68和栅极接触70是使用标为Ml的最 下面的金属层实现的。由于图1的确定步骤23中未使用金属层Ml， 因此金属层Ml中的开口或断口不需要与任何其他的金属层中的开口垂直对准。提供了数目可选的额外的金属层，其包括金属层72，用于 集成电路中的电气互连目的。任何额外的金属层由层间介电层分隔。
这些金属层，诸如金属层72，具有设计开口，诸如开口 101，其是纯 粹基于电气功能需要定位的，并且这些金属层未被视为使用图1和2 的方法的对准的金属层。在图4中，金属层72被指定为第(Mn.3)金 属层。金属层72上面是层间介电层74。层内介电材料填充开口 101。 具有开口 100和102并且被标为第(Mn.2)金属层的金属层76位于介 电层74上面。层内介电材料还填充开口 100和102。金属层76上面是 层间介电层78。具有开口96、 99和103并且被标为第(M。.。金属层 的金属层80位于介电层78上面。提供了将部分金属层80电气连接到 部分金属层76的传导互连200，其通过介电层78。该传导互连通常被 称为"过孔"。过孔可由任何传导材料形成，但是典型地使用金属， 诸如铜。应当理解，图4中示出的任何金属层之间的额外的(即，多 个)过孔，可以依照IC的电气功能实现。然而，重要的是，应当注意， 在线接合过程中，在用于结构支撑的互连焊盘区域中的任何位置都不 需要过孔。金属层80上面是层间介电层82。层内介电材料填充开口 96、 99和103。具有开口 98和104并且被标为第(Mn)金属层的金属 层84位于介电层82上面。层内介电材料填充开口 98和104。金属层 84上面是层间介电层86。在图4的焊盘结构中，金属层84被视为最 上面的对准金属层。因此，金属层84、 80和76或者第(Mn)、第(Mn.。 和第(Mn.2)金属层中的开口，必须在物理版图中充分对准，由此或运 算后的金属密度小于等于预定阈值。在另一形式中，仅有第(Mn)和 第(Mn.。金属层中的开口必须在物理版图中充分对准，由此或运算后 的金属密度小于等于预定阈值。
介电层86上面是金属层88。图4中的互连焊盘区域94中的部分 金属层88表示互连悍盘。金属层88上面是钝化层90，其由任何传统 的钝化层材料形成。用于钝化层90的示例性材料是等离子体增强氮化 物或其他的氮化物材料。金属层88上面的钝化层90被选择性地刻蚀， 以暴露金属层88的互连焊盘部分。在一个形式中，互连焊盘下面的金属层，诸如金属层76、 80和 84是铜，或者至少包含一定量的铜。在可替换的形式中，可将铝或铝 合金用于这些金属层。在一个形式中，介电层74、介电层78和介电层 82的介电材料以及金属层72、 76、 80和84的开口中的介电材料是低 模量电介质。在可替换的形式中，介电层74、介电层78和介电层82 的层间介电材料是高模量电介质，而金属层72、 76、 80和84的开口 中的层内介电材料是低模量电介质。然而，在图4的实施例中，金属 层80和金属层84必须同低模量层间介电材料或者低模量层内介电材 料接触，或者与此两者接触。介电层86和金属层88的开口中的介电 材料是高模量电介质，诸如二氧化硅、氧氮化硅、或者其他绝缘玻璃。
互连焊盘61上面是可选的铝或铝合金盖帽92。通过钝化层90中 的大开口实现从铝盖帽92到互连焊盘61的电气接触。如前文所述， 出于形成直接针对铜的线接合的问题，通常在铜互连焊盘上面使用该 铝盖帽。在铝盖帽92上面形成了 IC外部的多种类型的电气互连中的 任何互连。例如，可以使用诸如金线和焊料的材料，在铝盖帽92上形 成线接合(未示出)。在另一形式中，其中金属层88是铝，可以在不 使用铝盖帽92的情况下直接形成针对互连焊盘的良好接合。在另一形 式中，可以在互连焊盘区域94上面形成传导焊球(未示出)。可选地， 可以在第一钝化层90和铝盖帽92上面形成第二钝化层91。然后在互 连悍盘区域中形成第二钝化层91中的开口，由此暴露铝盖帽，并且其 可由上文描述的任何方法使用，用于电气互连。
在典型的设计中，诸如图4中说明的，互连焊盘区域中的三个对 准金属层中的每个金属层主要用作宽的电源/地总线或线。如前面描述 的，为了确保化学机械研磨(CMP)的平整性，版图设计规则典型地 需要这些宽度的电力总线中的槽，以减小局部金属密度。在图4中， 通过在金属层的上边缘和下边缘处跨越开口的水平线，示出了连续金 属总线中的这些槽或开口。例如，开口98、 99和IOO是宽金属总线中的槽。相反地，开口 102、 103和104不是连续总线中的槽，却是在单 一金属层中分隔两个不同的金属总线或线的开口。在金属层的上边缘 和下边缘处未示出跨越开口 102、 103和104的水平线，说明了这一事 实。这在图5的向下顶视图150中得到了更加清楚的解释。
即使在互连焊盘区域中的对准金属层主要用于大电力总线时，也 常常难于确保这些金属层中的所有槽或开口的对准。例如，窄的电源/ 地总线或信号线常常必须走线通过该区域，使任何重复的槽和开口的 对准中断。图4中说明了一个失准的示例，其中金属层80的开口 96 的边缘未准确地与对应的上面开口 98和对应的下面开口 IOO的边缘对 准。在下文中，失准开口96的边缘97在图5中用作参考。
为了进一步理解集成电路60的结构，图5说明了从金属层84的 上边缘向下到金属层80的下边缘截取的集成电路60的截面视图或向 下顶视图。因此，在该截面视图中包括图4的金属层80和金属层84 以及开口 96、98和104。通过虚线矩形绘出了互连焊盘区域94的轮廓。 金属层84的暴露部分由剖面线绘出，其方向不同于金属层80的暴露 部分。金属层84中示出了总共12个开口 98和一个开口 104。在该示 例中，开口 104分隔两个不同的宽电力总线， 一个在开口104的左侧， 一个在其右侧。它们可以分别表示例如，VDD和VSS电源总线。应当 注意，开口 98可以用作槽，用于减小金属层84的局部金属密度，如 工艺技术的设计规则所需要的。在优选形式中，开口 98、开口 104以 及互连焊盘区域中的任何对准金属层中的大部分开口的最小尺寸应为 0.5微米 5.0微米。该最小尺寸的典型值为1.0微米和1.5微米。
图5中的某些开口 98同开口 96的失准是明显的，部分金属层80 在左起第三列开口中是可见的，与两列最左侧的开口和一列最右侧的 开口相反。通过金属层84中的开口 98，金属层80中的失准的开口 96 的边缘97是可见的，并且被提供为图4和图5之间的参考点。当在图 1和2的方法10的步骤23中确定X值时，金属层中的该开口失准导致了或运算后的金属密度的略微增加。然而，在高效的电气互连设计 需要时，只要或运算后的金属密度小于等于图1的步骤24的预定阈值，
则金属层中的开口的某种失准是可接受的。如果满足步骤24的该条件，
则互连焊盘结构将在接合工艺过程中提供用于互连焊盘的结构支撑。
再一次地，应当注意，互连焊盘61下面的所有或部分金属层76、 80和84可用于与互连焊盘无关的配线或互连。对于需要分布在互连焊 盘区域上的过孔阵列的现有解决方案，这是不可能的。在图4的互连 焊盘结构中，假设互连焊盘区域中的部分金属层84未用于同互连焊盘 有关的配线。这必然不需要将用于使互连焊盘61电气连接到部分金属 层84的过孔安置在互连焊盘区域中的介电层86中。因此，如果焊盘 下面的介电层86中不存在金属填充过孔，则互连焊盘区域中的该介电 层的金属密度是零。在图5中，示出了矩形区域130。该区域130对应 于互连焊盘61下面的层间介电层86的连续区域的物理跨度。还可以 实现其他的几何形状。通过定义，在介电层86的区域130中未安置过 孔。因此，在区域130中，介电层86的金属密度是零。然而，在图5 中，矩形区域130被示为邻接互连焊盘区域的一个边缘，其可以安置 在互连焊盘区域中的任何位置，并且具有变化的高度和宽度。然而， 在优选形式中，矩形区域130至少占用了 50%的互连焊盘区域。
图6中说明了与图4的集成电路60有许多相似之处的集成电路 160。图6中说明的互连焊盘结构对应于图1和2的描述中提供的互连 焊盘结构选择的第二个示例。这里图2的步骤33中形成的钝化层190 中的开口所覆盖的面积显著小于互连焊盘结构的互连焊盘区域。因此， 将相同地计入类似的结构元素，并且将不再重复相同元素的功能操作。 层间介电层86上面是金属层188，其具有由开口分隔的不同的分段。 在互连焊盘区域94中，金属层188具有由开口分隔的金属导体131和 132。层内电介质位于金属层188的开口中。金属层188上面是钝化层 190，其由任何传统的钝化层或绝缘层材料形成。用于钝化层190的示 例性材料是等离子体增强氮化物或其他的氮化物材料。在钝化层190中形成了开口 (未计入)。在该示例中，开口是在互连焊盘区域94中 形成的。在另一示例中，钝化层190中的开口可以在互连焊盘区域外 部的钝化层190部分中形成。钝化层190中的开口使部分导体132暴 露，其基本上小于互连焊盘区域的面积。在部分钝化层190上面形成 铝互连焊盘140，其定义了互连焊盘区域94并且实现了同位于焊盘区 域中的钝化层190中形成的开口下面的导体132的直接物理接触。在 铝互连焊盘的淀积过程中，铝一致地填充钝化层190中的开口。与图4 相反，其中通过可选的铝盖帽92在金属层188中形成互连焊盘，在图 6中，由铝盖帽层形成互连焊盘140。因此，当在互连焊盘140上形成 线接合(未示出)时，所得到的结构提供了钝化层上接合(BOP)结构。 该BOP焊盘结构具有优于图4的标准焊盘结构的优点，即互连焊盘140 下面的部分金属层188现在可以自由地用作与互连焊盘无关的配线。 例如，假设导体131与互连焊盘无关。在图6中，假设介电层86的介 电材料和金属层188中的开口中的介电材料是高模量电介质。进一步 假设金属层76、 80和84与低模量介电材料接触。因此，在图6的焊 盘结构中，金属层84被视为最上面的对准金属层。金属层84、 80和 76或者第(Mn)、第(M^)和第(Mn.2)金属层中的开口必须在物 理版图中充分对准，由此或运算后的金属密度小于等于预定阈值。在 另一形式中，仅有第(Mn)和第(Mn.。金属层中的开口必须在物理 版图中充分对准，由此或运算后的金属密度小于等于预定阈值。
在该示例的另一形式中，在钝化层190中未形成开口，并且因此， 没有实现互连焊盘140同金属层188的金属导体132之间的电气连接。 该形式的BOP焊盘结构可以在IC设计中使用，其中互连焊盘电气连接 到远离互连焊盘区域的位置的钝化层下面的金属。
图7中说明了对应于图1和2的方法中提供的互连焊盘结构选择 的第三个示例。图7说明了与图6的集成电路160有许多相似之处的 集成电路260。因此，将相同地计入类似的结构元素，并且将不再重复 相同元素的功能操作。与图6的互连焊盘结构相反，图7的互连焊盘结构的特征在于，最终金属层288与低模量介电材料接触。为了支撑
铝互连焊盘140，需要最终金属层288是对准的层。根据将第N金属 层定义为最上面的对准金属层的定义，最终金属层288被标为第M。层， 并且被视为位于图1和2的方法10中的步骤22和23的或运算后的金 属密度的确定区域中。在该示例中，金属层288下面的对应的金属层 84和80也是对准的层。金属层76可选地与上面的金属层288、 84和 80对准。因此，金属层76将包括在图1的步骤22和23的或运算后的 金属密度的确定区域中。关于互连焊盘结构的金属层的标记从第N金 属层开始标注，由此金属层84是第M&.D金属层，金属层80是第M(n.2) 金属层，而金属层76是第M(。.3)金属层。金属层84、 80和76在功能 上与图6中的相同的层类似。金属层84上面是层间介电层286。介电 层286上面是金属层288，其具有由开口分隔的不同的分段。层内介电 材料填充金属层288的分段中的开口 104。在该示例中，介电层286的 介电材料是低模量电介质，或者填充开口 104的电介质是低模量介电 材料，或者此两者皆可。在任何情况中，金属层288与低模量介电材 料接触。
图7的介电层286上面是金属层288，其具有由开口分隔的不同 的分段。在互连焊盘区域94中，金属层288具有由开口 248分隔的金 属导体231和232。导体231和导体232均可被视为具有多个开口或槽 262的宽的连续总线或线。层内电介质位于金属层288的所有开口和槽 中。金属层288上面是钝化层190，其由任何传统的钝化层材料形成。 用于钝化层190的示例性材料是等离子体增强氮化物或其他的氮化物 材料。在钝化层190中形成了开口 (未计入)。在该示例中，开口是 在互连焊盘区域94中形成的。在另一示例中，钝化层190中的开口可 以在互连焊盘区域外部的钝化层190部分中形成。钝化层190中的开 口使部分导体232暴露，其基本上小于互连焊盘区域的面积。在部分 钝化层190上面形成铝互连焊盘140，其定义了互连焊盘区域94并且 实现了同位于焊盘区域中的钝化层190中形成的开口下面的导体232 的直接物理接触。在铝互连焊盘的淀积过程中，铝一致地填充钝化层190中的开口。因此，当在互连焊盘140上形成线接合(未示出)时， 所得到的结构提供了钝化层上接合(BOP)结构。该BOP焊盘结构具 有优于图4的标准焊盘结构的优点，即互连焊盘140下面的部分金属 层288现在可以自由地用作与互连焊盘无关的配线。例如，假设导体 231与互连焊盘无关。
在该示例的另一形式中，在钝化层190中未形成开口，并且因此， 没有实现互连焊盘140同金属层288的金属导体232之间的电气连接。 该形式的BOP焊盘结构可以在IC设计中使用，其中互连焊盘电气连接 到远离互连焊盘区域的位置的钝化层下面的金属。
因此，在图4、 6和7的示例中，集成电路60、 160和260具有位 于互连焊盘下面的多个对准的金属层，其用于向互连焊盘提供电信号 和机械支撑。即使在互连焊盘结构的层中使用了低模量的介电材料时， 仍提供了充分的支撑，足以承受在互连焊盘40和140上形成线接合时 施加到互连焊盘的压力。此外，存在充分的机械强度，足以承受线接 合毛细管脱离互连焊盘40和140时以及线接合线张紧时施加到互连焊 盘的向上的张力。在使用诸如传导凸点的其他互连时，也存在相似的 压力。作为利用图1和2中描述的方法使金属层对准而机械加强互连 焊盘结构的结果，不需要在下面的金属层之间安置过孔、插孔或者其 他的"伪"金属支撑元件。该过孔、插孔和其他的金属支撑元件的安 置使下面的金属层全是电气连接的。由图1和2的方法得到的互连焊 盘结构允许在互连焊盘下面的区域中安置分隔的电源线、地线、静电 放电线(ESD)和信号线，以及有源硅器件和局部互连。
到现在为止，应当认识到，提供了一种互连焊盘结构，其使得能 够在具有下面的由低模量介电材料分隔的金属层的互连焊盘下面使用
有源电路。在使用此处描述的对准方法时，使用铜的金属层在结构支 撑上是特别有效的。然而，也可以使用其他的金属实现此处描述的支 撑结构。此处提供的支撑结构允许使用低成本的线接合组装设备执行并入了低模量电介质的产品的组装。该低模量电介质包括许多低k介 电材料。
在一个形式中，提供了一种用于为互连焊盘提供结构支撑的方法。 提供了基板。在基板上面提供了第一金属层，该第一金属层具有多个 开口。在第一金属层上面提供了第一电绝缘层。在第一电绝缘层上面 提供了第二金属层，该第二金属层具有多个开口。在第二金属层上面 提供了互连焊盘，该互连焊盘定义了互连焊盘区域。通过第一金属层 和第二金属层的逻辑运算创建了物理版图形状。确定X值，其是互连 焊盘区域中的物理版图形状的金属密度。X值用于确定是否存在第一 金属层的多个开口同第二金属层的多个开口的充分对准，用于充分的 结构支撑。
在一个形式中，需要X值小于等于预定阈值。在另一形式中，预
定阈值包括0.85。在另一形式中，预定阈值包括范围0.80 0.85 (含)。 在另一形式中，预定阈值包括范围0.70 0.95 (含)。在另一形式中， 在第二金属层上面提供了第二电绝缘层。在另一形式中，在第二电绝 缘层和互连焊盘之间安置了第三金属层，该第三金属层具有多个开口 。 在另一形式中，第一电绝缘层和第二电绝缘层包括相同的材料。在另 一形式中，第一电绝缘层包括电介质。在另一形式中，第一电绝缘层 具有小于4的介电常数。在一个形式中，第一电绝缘层具有小于80千 兆帕斯卡的模量值。在另一形式中，基本上通过第一电绝缘层填充第 一金属层中的多个开口和第二金属层中的多个开口。在另一形式中， 第一金属层和第二金属层分别具有关于第一金属层和第二金属层的各 个区域的20 80%的物理金属密度。在另一形式中，形成了通过第一 电绝缘层的一个或多个过孔，用于将至少一部分第一金属层电气连接 到至少一部分第二金属层。在另一形式中，在互连焊盘和第二金属层 之间安置了钝化层。在另一形式中，在互连焊盘下面的基板中形成了 至少一个器件。在另一形式中，在互连焊盘区域中形成了互连焊盘结 构。其中形成了具有半导体器件的基板。提供了多个传导层，每个传导层在互连焊盘区域中位于基板上面，并且同一个或多个低模量介电 材料接触。多个传导层是通过互连焊盘区域的预定部分上的垂直对准 开口形成的，其足以用于提供关于互连焊盘结构的机械支撑。在另一 形式中，互连焊盘结构进一步包括多个传导层中的最上面的传导层上 面的介电层。该介电层包括在该介电层区域中不具有金属密度的区域， 由此没有金属穿过该介电层的任何开口，该区域占用互连焊盘区域的 至少50%的面积。传导互连焊盘层位于该介电层上面。
在另一形式中，提供了一种在互连焊盘区域中形成的互连焊盘结 构。提供了基板，有源电路在功能上使用该基板。多个金属互连层位 于该基板上面，该多个金属互连层与一个或多个低模量介电材料接触， 并且通过互连焊盘区域的预定部分中的垂直对准开口形成。最上面的 金属互连层位于多个金属互连层上面。绝缘层位于最上面的金属互连 层上面，并且具有一个或多个开口，用于暴露最上面的金属互连层的 第一电导体。在绝缘层上面形成了传导焊盘，并且其通过填充一个或 多个开口连接到第一电导体。最上面的金属互连层的第二电导体仅通 过绝缘层同传导悍盘电气隔离，并且该第二电导体不直接连接到传导 焊盘。第一电导体和第二电导体由介电材料分隔，该介电材料具有大 于一个或多个低模量介电材料的模量。
在另一形式中，使最上面的金属互连层的第一电导体同最上面的 金属互连层的第二电导体分隔的最上面的金属互连层中的开口未完全 与多个金属互连层的垂直对准开口对准。
在另一形式中，提供了一种互连焊盘区域中的互连焊盘结构。基 板具有有源电路。多个金属互连层位于基板上面，该多个金属互连层 均与一个或多个低模量介电材料接触，并且通过互连焊盘区域的预定 部分中的垂直对准开口形成。绝缘层位于多个金属互连层上面。在该 绝缘层上面形成了金属焊盘，并且其通过填充绝缘层中的一个或多个 开口，连接到多个金属互连层中的最上面的金属互连层的第一电导体。多个金属互连层中的最上面的金属互连层的第二电导体仅通过绝缘层 与金属焊盘电气隔离。该第二电导体未直接连接到金属焊盘。
在前面的说明书中，参考具体的实施例描述了本发明。然而，本 领域的普通技术人员应当认识到，不在偏离所附权利要求中阐述的本 发明的范围的前提下，可以进行多种修改和变化。因此，说明书和附 图应被视为说明性的，而非限制性的，并且所有该修改方案应涵盖于 本发明的范围内。
上文针对具体的实施例描述了益处、其他优点和对问题的解决方 案。然而，益处、优点、对问题的解决方案、以及可以使任何益处、 优点、解决方案出现或变得更加显著的任何因素，不应被解释为任何 或所有权利要求的关键的、必需的或基本的特征或要素。如此处使用 的术语"包括"或其任何变化形式，目的在于涵盖非排他性的内含物， 由此包括一系列要素的工艺、方法、物体或装置不仅包括这些列出的 要素，而且可以包括未明确列出的或者对于该工艺、方法、物体或装 置是固有的其他要素。如此处使用的术语"一个"，被定义为一个或 不止一个。如此处使用的术语"多个"，被定义为两个或不止两个。 如此处使用的术语"另一"，被定义为至少第二个或更多。如此处使 用的术语"包括"和/或"具有"，被定义为"包括"(即，开放性语 言)。如此处使用的术语"耦合"，被定义为连接，尽管其没有必要 是直接连接，也没有必要是机械连接。
权利要求
1.一种在互连焊盘区域中形成的互连焊盘结构，包括基板，具有在其中形成的半导体器件；和多个传导层，每个传导层在互连焊盘区域中位于基板上面，并且同一个或多个低模量介电材料接触，多个传导层是通过互连焊盘区域的预定部分上的垂直对准槽形成的，足以提供关于互连焊盘结构的机械支撑。
2. 如权利要求1所述的互连焊盘结构，进一步包括-介电层，其位于多个传导层中的最上面的传导层上面，所述介电 层包括在所述介电层区域中不具有金属密度的区域，由此没有金属穿 过所述介电层的任何开口，所述区域占互连焊盘区域的至少50%;和传导互连焊盘层，其位于所述介电层上面。
全文摘要
本发明提供用于为互连焊盘提供结构支撑同时允许信号传导的方法和装置。一种方法(10)，在下面的功能金属层与低模量电介质绝缘时提供具有增强的结构支撑的互连(60、160、260)结构。具有多个开口的第一金属层(80)位于基板上面。第一电绝缘层(82)位于第一金属层上面。第二金属层(84)位于第一电绝缘层上面，该第二金属层具有多个开口。定义了互连焊盘区域的互连焊盘(61、140)位于第二金属层上面。使两个金属层中的至少特定数量的开口(98、99)对准，以提高互连结构的结构强度。对准的数量可以依赖于应用和所使用的材料而有所不同。线接合连接或者传导凸点可以同该互连结构一起使用。
文档编号H01L23/528GK101556945SQ200910132108
公开日2009年10月14日 申请日期2005年11月30日 优先权日2005年1月11日
发明者凯文·J·埃斯, 杨俊才, 苏珊·H·唐尼, 詹姆斯·W·米勒 申请人:飞思卡尔半导体公司