集成电路的密封环结构及其形成方法与流程

本文所揭示的主题涉及集成电路的密封环结构。具体而言，本文所描述的各个方面涉及包含形成互锁图案(interlockedpatterns)的多个不连续密封壁的密封环结构以及形成这种密封环结构的方法。

背景技术：

含有模拟(analog)、数字(digital)和rf元件的半导体微芯片和集成电路(ic)在切割工艺期间需要一定程度的保护，以防止裂纹以及裂纹扩展，以及保护免受湿气渗透。如果芯片需要经历这些现象中的任何一种(即，开裂或湿气渗透)，则芯片的性能会降低，且芯片将遇到可导致芯片发生灾难性故障的可靠性问题。

为了克服这一点，制作出“止开裂(裂纹stop)”壁结构，用于阻止传播裂纹进入芯片的内核(innercore)。这种防护壁阻挡设于芯片的外周，并环绕芯片的内芯，从而形成一连续环形的ic芯片框架。

典型地，这些壁被制作成连续环形结构，其是完全连接的壁，绝对没有孔隙、空隙、破裂、缝隙或穿孔，使得裂缝或湿气能绕过阻挡或屏障而进入ic芯片的内核。这种连续环形结构可防止湿气降解以及裂纹扩散。然而，由于这些壁的不间断性/连续性，本质上是一个围绕且环绕ic芯片而产生的一无休止的环体。使用这样的一固定金属连续壁可能会不经意地产生和传播不必要的噪声/信号或串扰信号，其可能会干扰芯片的其他元件以及芯片的整体活动、操作和性能。

当位于芯片内的噪声源(例如，数字信号输入/输出引脚、时钟输入引脚、功率放大器等)产生噪声时，噪声/信号串扰发生，该噪声/信号串扰偶尔会沿着连续的固体金属密封壁传播，并可能发生与位于芯片内的其他元件产生交互的异常。为了缓解此沿着固体连续金属密封壁的噪声产生和传播现象，通常会将壁分为多个段。具有间歇中断的一ic密封环的一个显著缺点是：这样的设计无意中生成了允许湿气扩散并渗透到ic核心区域的路径，从而导致装置的退化以及最终失效。这些路径也允许裂纹进入ic的核心区域，从而导致可靠性以及故障的问题。

技术实现要素：

本发明揭示一种集成电路的密封环结构及其形成方法。在本发明的一第一方面中，一集成电路的密封环结构包括：限定(circumscribe)该集成电路的一第一部分的一第一不连续密封壁，该第一密封壁形成一第一图案于一基板上；以及限定该集成电路的一第二部分的一第二不连续密封壁，该第二密封壁形成一第二图案于该基板上，且该第二部分至少部分偏离该第一部分；其中，该第一密封壁的该第一图案与该第二密封壁的该第二图案互锁，使得该些图案与交织而不相交；其中，一间隔形成于该些密封壁之间，该间隔生成通至该集成电路的一非线性路径，且其中，该密封环结构完全限定该集成电路。

本申请的第二方面包括形成集成电路的密封环结构的方法，该方法包括：形成限定该集成电路的一第一部分的一第一不连续密封壁于一基板上，该第一密封壁具有一第一图案，以及形成限定该集成电路的一第二部分的一第二不连续密封壁于该基板上，该第二密封壁具有一第二图案，其中，该第一密封壁与该第二密封壁形成为互锁，使得该第一图案与该第二图案交织而不相交，一间隔形成于该些密封壁之间以生成通至该集成电路的一非线性路径，且其中，该密封环结构完全限定该集成电路。

附图说明

本发明的这些以及其他特征将通过下面的详细描述来更容易的理解，本发明的各个方面与附图相结合描述了本发明的各种实施例。

图1(先前技术)显示了具有一传统不间断密封环的一集成电路。

图2(先前技术)显示了包括在其中具有间隙的一传统密封环的一集成电路。

图3为显示本申请的一实施例的一密封环结构，其中，单个密封壁的图案是同心开放式螺旋(“旋涡”)。

图4示出了本申请的一实施例的一密封环结构，其中，单个密封壁的图案是互补的拼图迷宫图案。

图5示出了本申请的一实施例的一密封环结构，其中，单个密封壁的图案形成具有ic芯片核的一简单迷宫，该ic芯片核能被嵌入迷宫自身中。

图6示出了本申请的一实施例的一密封环结构，其中，单个密封壁的图案为锯齿状的(在此情况下为一齿形)。

图7为根据本申请的各实施例，示出了密封壁的不同锯齿状图案，其中，(a)为一方形齿形图案，(b)为一锯齿形图案，(c)为一箭形图案，(d)为一锚形图案，(e)为一拉链图案，(f)为一闪电图案，(g)为一钩形图案，以及(h)为一象尾图案。

图8示出了本申请的实施例的密封环结构的裂纹扩展路径，该密封环结构具有(a)一旋涡图案，(b)一拼图迷宫图案，以及(c)一锯齿状(在此情况下为闪电)图案。

图9示出了本申请的各实施例的密封环结构的湿气侵入路径，该密封环结构具有(a)一旋涡图案，(b)一拼图迷宫图案以及(c)一锯齿状(在此情况下为闪电)图案。

图10示出了形成在本申请的实施例的密封环结构的密封壁之间的氮化物阻挡壁(见圆圈)，该密封环结构具有：(a)一旋涡图案，(b)一拼图迷宫图案，以及(c)一锯齿状(在此情况下为钩形)图案。

图11示出了本申请的一实施例的一密封环结构的开口处形成的补充金属线。

图12为根据本申请的实施例所示的形成在一密封环结构(a,b)的开口处以及该密封环(b)内的气隙。

图13为根据本申请的实施例所示的形成在密封壁(a:旋涡图案，b：锯齿状/齿状图案)的图案的形状中，形成在集成电路的基板的顶部上，以及形成在一密封壁位置中的基座保护环(即金属段)。

图14为根据本申请的一实施例所示的位于密封壁之间的掺杂区域和未掺杂区域。

图15示出了本申请的一实施例的一密封环结构的一横截面，其中，使用了传统的逐层制造工艺。

图16示出了本申请的一实施例的一密封环结构的一横截面，其中，使用了通介电(through-dielectric)工艺。

应注意的是，本发明的附图不一定是按照比例绘制的。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，因此不应被视为限定本发明的范围。在附图中，相似的编号代表附图之间的相似元件。

主要组件符号说明

100集成电路(ic)

101连续密封壁

102噪声源

103元件

200集成电路(ic)

201密封壁

202噪声源

203元件

300密封环结构

310，310a至310i密封壁

320螺旋中心

400密封环结构

410第一密封壁

420第二密封壁

500密封环结构

510ic核心区域

600密封环结构

610(610a至610f)密封壁

800传播路径或非线性路径

900湿气路径

1100密封环结构

1110补充金属线

1120路径末端

1130宽度

1200a密封环结构

1200b密封环结构

1210气隙

1210b气隙

1220末端

1230密封壁

1300a密封环结构

1300b密封环结构

1310a基座保护环

1310b基座保护环

1400密封环结构

1410掺杂基板区域

1420未掺杂基板区域

1500密封环结构

1510多层

1520金属板

1530基板

1540通孔杆

1600密封环结构

1610多层

1620单金属板

1630基板。

具体实施方式

本文揭示的主题涉及集成电路的密封环结构。更具体而言，本文所描述的各个方面涉及包含形成互锁图案的多个不连续密封壁的密封环结构，以及形成这种密封环结构的方法。

如上所述，用于ic的传统密封环结构不是没有任何间隙的一连续密封壁类形(图1)，就是具有间隙的一分段式密封壁类形(图2)。图1描绘了具有一连续密封壁101的一ic100。一噪声源102可产生一噪声，该噪声可以沿着连续密封壁101传播，并且干扰ic上的元件103，即使元件103位于尽可能远离噪声源102的位置。图2描绘了具有包含间隙的一分段式密封壁201的一ic200。虽然由噪声源202所产生的噪声由于该密封壁201内部的间隙，而不能沿着密封壁201而传播至元件203，但此类间隙允许湿气进入(参见h2o箭头)。还应注意到，裂纹也可以通过这些间隙传播。

与这种传统密封环结构相比，根据本申请的实施例所提供的密封环结构利用了具有交织而不相交的图案的不连续但互锁的密封壁。这样的结构包含到ic核心的非线性路径；然而，根据本申请的实施例所提供的结构可以防止裂纹传播以及湿气侵入，同时也防止了不必要的噪声传播。

更具体而言，根据本申请的一实施例的ic的一密封环结构包括限定该集成电路的一第一部分的一第一不连续密封壁，该第一密封壁形成一第一图案于一基板上；以及限定该集成电路的一第二部分的一第二不连续密封壁，该第二密封壁形成一第二图案于该基板上，且该第二部分至少部分地偏离该第一部分；其中，该第一密封壁的该第一图案与该第二密封壁的该第二图案互锁使得该些图案交织而不相交；其中，一间隔形成于该些密封壁之间，该间隔生成通至该集成电路的一非线性路径；且其中，该密封环结构完全限定该集成电路。该第一图案以及该第二图案例如是同心开放式螺旋(有时称为“旋涡”)，互补的拼图迷宫形状，以及锯齿状形状。

图3为根据本申请的一同心开放式螺旋的实施例所示的一ic的一密封环结构300。具体而言，密封环结构300包括多个单独的密封壁310(见310a至310i)，各密封壁310具有一同心开放式螺旋图案，其与另一具有一同心开放式螺旋的密封壁310交织(不相交)。如图3所示，一给定的密封壁310可具有一个或多个同心开放式螺旋，且该同心开放式螺旋可以相互交织，使得两个螺旋风顺时针旋转或两个螺旋风逆时针旋转到一开放式螺旋中心320。换言之，密封壁310相互交织并相互缠绕，使得螺旋中心320保持畅通(或打开)，以使密封壁310之间的间隔也保持畅通。

图4为根据本申请的一互补拼图迷宫实施例所示的一ic的一密封环结构400。具体而言，密封环结构400包括具有一拼图迷宫的一第一图案的至少一第一密封壁410，以及具有该拼图迷宫的一第二图案的一第二密封壁420，密封壁410和420的图案彼此互补但互不连接。所指出的拼图迷宫中可以包括任意随机的形状以及任意数量的随机形状，仅需形状彼此互补(即，拼凑成拼图游戏)且彼此不重叠(即保持不连接)。

图5为根据本申请的一简单迷宫的实施例所示的一ic的一密封环结构500。图5的密封环结构500具有一迷宫式的图案，其不同于图4的具有一迷宫式的图案的密封环结构400，在密封环结构500中不包含彼此被相加在一起以于该ic核心区域的周围形成一边界框的单独的迷宫段，而不是该ic的核心区域可以嵌入迷宫自身。换言之，密封环结构500不只是围绕该ic核心区域的一迷宫，密封环结构500的独特之处在于ic核心区域510与迷宫的集成。应注意到，密封环结构500的迷宫式图案没有绘制成与ic核心区域510相同的尺寸。密封环结构500的迷宫式图案的尺寸已被放大，以显示其细节。

图6为根据本申请的一锯齿状实施例所示的一ic的一密封环结构600。具体而言，密封环结构600包括多个单独的密封壁610(见610a至610f)，各密封壁610具有一锯齿状图案(在此情况下为一方形齿形)。

图7描绘了可能的锯齿状图案，例如(a)方形齿形，(b)锯齿形，(c)箭形，(d)锚形，(e)拉链形，(f)闪电形，(g)钩形，以及(h)象尾形。任何锯齿状图案可被作为本申请的该密封环结构的密封壁的图案。例如，齿形图案可不仅包括图7(a)以及图7(b)所示的三角形和方形的齿形，也可包括五角形、六边形、七边形、八边形等的齿形，甚至是圆形齿形(例如半圆形)。

此外，图如7(c)以及图7(d)所示的箭形图案以及锚形图案的45°和90°的角度可以增加或减小，并且图案的直线段可以是圆的(或弯曲的)，只要图案的各部分之间的间隔保持打开即可。

关于图7(e)的拉链图案，应当注意的是，一单齿的齿冠(或顶部)可以具有不同形状，例如，椭圆形(如图所示)、卵性(或蛋形)、三角形(顶点向上或平底向上)、或棒形。

图7(f)所示的闪电图案在每个方向上都是均匀的，然而，该闪电图案可在各锯齿之间具有不同的间隔，各锯齿具有不同的长度，以及各锯齿具有不同的宽度。此外，每个锯齿的锐角可以被软化(或圆形化)。

图7(g)和图7(h)示出了一钩形图案以及一象尾形图案，其中，各图案在自身旋转(不连接自身)时具有90度的方形拐角，这样的方形拐角可以是角度大于或小于90°的非方形，甚至可以是圆形。该象尾形图案不同于该钩形图案，该钩形图案包括一连续的段，各段以4个角自身旋转(不连接自身)，而象尾图案具有两个段，各段以3个角自身旋转(不连接自身)。

上述提到的每个密封壁图案(即，旋涡、拼图迷宫、锯齿状)具有一互锁设计，其中，多个图案相互交织而不相交，并且在密封壁之间形成有一间隔，该间隔产生一非线性路径，该非线性路径从ic核心的外部开始并穿越到该ic核心。这样的非线性路径可以防止一裂纹进入该ic核心，这是因为在不违背物理定律的情况下，一裂纹传播路径不能倒退。一裂纹具有一外部能量源，该裂纹由该外部能量源导出传播。该能量源定义一传播方向。由于本申请的该非线性路径被设计为使得该路径必须在某个点遍历每个方向，且由于该能量源仅定义了一传播方向(而不是所有传播方向)，一裂纹不能向后传播。

图8描绘了一裂纹必须遵循的的传播路径800，以破坏ic的(a)涡流图案，(b)拼图迷宫图案，以及(c)锯齿状(在此情况下为闪电)图案。如图所示，图8所示的路径800是极其复杂的，因此，实际上不可能允许一裂纹传播，因为一裂纹不能在其向前移动时，自身倒退或在多个方向上传播。从图8(b)可以看出，该拼图迷宫实施例的非线性路径800形成于该第一以及第二图案之间的界面处(参阅锯齿状白线)。

除了根据本申请的实施例所示的该密封环结构的非线性路径所产生的物理极限(即，在路径遍历的每个方向上传播)，所指出的路径都是长的，例如，150微米(μm)或以上。在一些实施例中，路径的长度为150至300微米(μm)。此长度使得湿气更难以进入ic质点，这是因为在该湿气所必须遵循的该更长路径上发生的蒸发/脱水的自然现象。

图9描绘了长的非线性湿气路径900，包括(a)旋涡图案，(b)拼图迷宫图案，以及(c)锯齿状(在此情况下为闪电)图案。如上所述，这些湿气路径是如此之长，以至于湿气进入ic核心几乎是不可能的，如果不是完全不可能的话。

然而，如果希望具有额外的阻湿效果，氮化物阻挡壁可被纳入本申请的密封环结构中。具体而言，一个或多个氮化物阻挡壁可形成在密封壁之间，从而形成不允许湿气进入的气密密封(hematicseal)。这样的氮化物阻挡壁不会妨碍噪声传播的防止作用，即使它们由于其非金属性质而在密封壁之间形成连接。此外，这些氮化物阻挡壁还提供额外的裂纹传播保护。

图10为根据本申请的实施例所描绘的密封环结构，其中，氮化物阻挡壁(圈)已形成在(a)旋涡图案，(b)拼图迷宫图案，以及(c)锯齿状(在此情况下为钩形)图案内。

可被纳入本申请的密封环结构的额外特征包括，例如，附着在密封壁上的用于防止噪声传播的接地接触件，沿着该非线性路径的密封壁上的一脱水衬垫以用于防潮，以及在该非线性路径的末端形成的补充金属线或气隙，以同时用于防止噪声传播和湿气侵入。

图11描述了根据本申请的一实施例的一密封环结构1100，其中，一补充金属线1110形成在由密封壁1130之间的间隔所生成的非线性路径的两端1120。在此示例中，各补充金属线1110将具有大于路径末端1120的一宽度1130的一长度。在其他示例中，补充金属线可具有等于一路径末端的宽度1130的长度。在此示例中，补充金属线1110形成在路径的两个末端1120；然而，在其他实施例中，补充金属线可仅形成在路径的一个末端。虽然图11描绘了具有一旋涡图案的密封环结构1100，补充金属线1110可应用于本文所描述的任何密封壁图案。

图12描述了根据本申请的实施例的密封环结构1200a和1200b，其中气隙1210形成在由密封壁1230之间的空间所形成的非线性路径的两端1220。在这些例子中，气隙1210形成在路径的两端1220；然而，在其他示例中，气隙可以在路径的一端形成。虽然图12描绘了具有漩涡图案的密封环结构1200，但是气隙1210可以应用于本文所描述的任何密封壁图案。密封环结构1200a在末端1220具有气隙1210，而密封环结构1200b在末端1220具有气隙1210，在密封环结构1200b内和整个密封位置上具有气隙1210b。

气隙1210可以是位于一ic的后段工艺(back-end-of-line；beol)层内的空腔结构。换言之，气隙1210可以是可将金属空隙以及其他特征嵌入其中的一介电质材料矩阵内的小真空空隙。气隙1210可以减少相邻密封壁之间的寄生电容(噪声/信号)。气隙1210也可以帮助裂纹捕获或破坏一裂纹撞击的轨迹。

本申请的密封环结构还进一步包括屏蔽以及减小负载电容效应的一机制，该负载电容效应从接地引起噪声电压。这样的一机制可包括保护元件的并入。于本申请的一实施例中，当密封环结构包括一个或多个基座保护环时，可以进一步降低噪声。各基座保护环包括一形成在该ic基板的一掺杂的，电性功能部分的顶部上的一金属段。基板的金属段和掺杂部分都可以形成在密封壁的图案的形状内。基座保护环提供一表面电荷接地到基板的一路径。

图13描绘了根据本申请的一实施例的一密封环结构1300a，其中，一基座保护环1310a形成在两个不同的密封壁位置处。在此示例中，基座保护环1310a形成在两个不同的密封壁的位置处；然而，在其他示例中，基座保护环可仅形成在一密封壁的位置处或形成在所有密封壁的位置处。虽然图13描绘了具有一涡流图案的密封环结构1300a，但基座保护环1310a可应用于本文所描述的任何密封壁图案。例如，根据本申请的一实施例的密封环结构1300b描绘了利用该锯齿状(在此情况下为一齿形图案)密封壁图案的一基座保护环1310b。此外，应注意的是，密封环结构1300b描绘了在结构1300b的外周周围以及基座保护环1310b下方的一掺杂环(浅灰色区域)。在图13中，基座保护环1310位于密封环结构1300内，这与传统的基座保护环通常放置的密封环结构的外侧放置位置不同。

如上所述，掺杂基板区域可被并入本申请的密封环结构内。掺杂基板区域可位于基座保护环的足迹下方，或由基座保护环的图案所产生的任何开口、间隙或路径下方。这些开口、间隙或路径下方的掺杂区域可延伸至基座保护环的壁上，或可能不完全延伸到壁上，而是在掺杂区域以及基座保护环的壁之间留下一未掺杂区域。在具有与直接位于一密封壁或基座保护环下方的一掺杂浓度不同的一掺杂浓度的间隙/开口处的掺杂区域将增加穿过该间隙/开口的噪声传播的电阻率。可以使用n型和/或p型掺杂。

图14描述了根据本申请的一实施例的一密封环结构1400，其中示出了一掺杂基板区域1410(浅灰色区域)以及一未掺杂基板区域1420(白色区域)。在此示例中，掺杂基板区域1410将进一步有助于噪声的降低/消除。虽然图14描绘了将具有一锯齿状(箭形)图案的密封环结构1400，但是任何密封壁图案都是适用的。

无论采用何种密封壁图案，本申请的ic的密封环结构的形成方法包括：形成限定该集成电路的一第一部分的一第一不连续密封壁于一基板上，该第一密封壁具有第一图案，以及形成限定该集成电路的一第二部分的一第二不连续密封壁于该基板上，该第二密封壁具有一第二图案，其中，该第一以及第二密封壁的形成使得它们互锁，且该第一图案与第二图案交织而不相交，其中，在密封壁之间形成一间隔，该间隔生成通至该集成电路的一非线性路径，且其中，该密封环结构完全限定该集成电路。

本申请的密封环结构的的优点之一为：这些结构可以使用传统逐层制造工艺或使用通介电(through-dielectric)工艺来制造，以生成固体整体金属(例如，铜)壁。通介电工艺，即，打开beol介电质中的沟槽，然后用金属(例如铜)填充，导致固体金属/铜壁没有层间的截面，就像那些逐层工艺所看到的结果。

图15描述了本申请的一实施例的一密封环结构1500的横截面，其中，使用了传统逐层制造工艺。密封环结构1500包括多层1510、金属板1520、以及夹于其间的通孔杆(viabar)1540；密封环结构1500形成在一基板1530的顶部上。

图16描绘了本申请的一实施例的一密封环结构1600的一横截面，其中，使用了通介电工艺。密封环结构1600包括多层1610，以及一单金属板1620；密封环结构1600形成在一基板1630的顶部上。

如果使用了通介电工艺，则形成在层之间没有薄弱接缝或界面(因为没有层)的固体均匀金属(例如铜)段，其提供了断裂韧性和机械稳定性的显著提高。由于此结构提供了更有效的裂缝捕获，因此，产品的故障率低及可靠性好。

本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，并不旨在限制本申请。如本文所使用的，单数形式的“一”，“一个”以及“该”也意图包括复数形式，除非上下文有清楚表明。还应理解的是，术语“包含”和/或“包含在”，当在本说明书中使用时，表示所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件、和/或其组合。

近似语言，如本文所使用的，在说明书和权利要求中，可应用于修改任何可允许变化的量化表示，而不会导致与其相关的基本功能的改变。因此，由术语所修改的值，例如“大约”、“近似”和“实质”，不应被限定为指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于测量值的仪器的精度。在此和整个说明书以及权利要求中，范围限制可以组合和/或互换，这样的范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。应用于某一范围的特定值的“近似”适用于两个值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可指示所述值的±10％。

随附权利要求中的所有装置或步骤加上功能元件的相应结构、材料、行为和等效物旨在包括与所要求的其他要求的元件组合的任何结构、材料或动作。本申请的描述仅为了说明和描述的目的，并不打算穷尽或局限于所申请的形式中的披露内容。在不脱离本申请的范围和精神的情况下，许多修改和变化将对本领域普通技术人员来说是显而易见的。为了最好地解释本发明的原理和实际应用，选择和描述了实施例，并使本领域的普通技术人员能够理解各种不同的实施例的揭示，这些修改适合于预期的特定用途。