JP5270836B2 - 能動領域ボンディングの両立性のある高電流構造体 - Google Patents

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Description

この出願は、２００３年８月２１日付で出願した米国仮特許第60/496,881号（代理人整理番号125.090USPR）及び２００３年９月３０日付で出願した米国仮特許第60/507,539号（代理人整理番号125.090USP2）に関して、米国特許法第１１９条(e)に基づいてその利益を権利主張するものであり、両米国仮特許は参照によって本出願に導入される。
本発明は一般に半導体装置の形成に関し、特にボンディング・パッド下方の能動回路の形成に関する。
集積回路は半導体材料から成る基板中及び/又は該基板上に形成した２つ以上の電子デバイスを具備している。一般に、集積回路は選択デバイス及び該選択デバイス間の相互接続部を形成するのに使用する２つ以上の金属層を備えている。金属層はまた集積回路の入出力接続部に対する電気的経路をもたらす。集積回路の入力及び出力に対する接続部はボンディング・パッドを介して作られる。ボンディング・パッドは集積回路の最上部金属奏上に形成される。ボンディング工程（即ち、ボンディング・パッドに対するボール・ボンディング・ワイヤのボンディング）は、ボンディング・パッドが形成される金属層下方に形成する如何なる能動回路構成にも損傷を与え得る。このため、現在の回路レイアウト・ルールは如何なる回路構成をもボンディング・パッド下方に形成できるようにするものでもなく、注意深くテストしなければならない制限した構造体を単に許容するに過ぎない。
ボンディング・パッド下方の損傷は多くの理由によって引き起こすことができるが、この損傷は主としてボンディング・ワイヤ取付け工程の際に生じた応力、及びパッケージング後の引き続く応力に起因している。例えば、パッケージング後の温度エクスカーションは横方向及び縦方向双方の力を構造体全体に加える。集積回路の金属層は一般に、より硬質の酸化物層によって相互に分離される軟質アルミニウムから作られている。軟質アルミニウムは、より硬質の酸化物層はその傾向はないが、力を加えた状態でへこむ傾向がある。このことによって最終的には酸化物層にクラックが入ることとなる。一旦酸化物層にクラックが入ると、湿気が侵入してきてアルミニウム層の腐食を引き起こし、最終的には回路機能の故障を引き起こし得る。従って、ボンディング工程は一般に、ボンディング・パッド下方の実エステート（real estate）がこのボンディング工程の際に生じる損傷に対してバッファとしてのみ機能することを要求する。しかしながら、チップの設計者がチップの寸法を低減しようとするにつれて、能動回路または相互接続部に対してボンディング・パッド下方の実エステートを使用できることが望まれよう。
以上に述べた理由から、また本明細書を読んで理解すると直ちに当業者には明瞭となる以下に述べる他の理由から、能動回路及び相互接続部に対してボンディング・パッド下方の実エステートを使用することを有効に考慮した改良式集積回路が技術上必要とされている。
前述した課題及び他の課題は本発明によって解消され、また以下の明細書を読み調べることによって理解されよう。
一態様において、集積回路を開示する。この集積回路は、基板と、最上部導電層と、１つ以上の中間導電層と、絶縁材料から成る各層と、各デバイスと、を具備している。前記最上部導電層は少なくとも１個のボンディング・パッド及び比較的硬質の材料から成る副層を有している。前記１つ以上の中間導電層は前記最上部導電層及び前記基板の間に形成している。絶縁材料から成る前記各層は前記各導電層を分離している。更に、絶縁材料から成る前記各層のうちの１つの層は比較的硬質で、かつ前記最上部導電層及び最前記上部導電層に最も近接する中間導電層の間に位置している。前記各デバイスは前記集積回路中にを形成している。また、前記最上部導電層に最も近接する少なくとも前記中間導電層は、ボンディング・パッド下方の各選択デバイスの機能的相互接続部に対して適合している。
別の態様において、集積回路を開示する。この集積回路は、基板と、各デバイス領域と、最上部金属層と、第２の金属層と、比較的厚い絶縁材料から成る層と、を具備している。前記各デバイス領域は前記基板上及び前記基板中に形成している。前記最上部金属層には１個以上のボンディング・パッドが形成されている。前記各デバイス領域は前記基板及び前記最上部金属層の間に位置している。前記第２の金属層は前記最上部金属層及び前記各デバイス領域の間に位置している。比較的厚い絶縁材料から成る前記層は前記最上部金属層を前記第２の金属層から分離している。前記比較的厚い絶縁層はクラッキングに抵抗できるようになっている。
更に別の態様では、別の集積回路を開示する。この集積回路は、基板と、複数のデバイスと、第２の金属層と、絶縁材料から成る第１の層と、を具備している。前記複数のデバイスは前記基板上及び前記基板中に形成している。前記最上部金属層は前記最上部金属層上に形成した少なくとも１個のボンディング・パッドを有している。第２の金属層は前記最上部金属層及び前記基板の間に位置している。更に、前記第２の金属層は、前記集積回路を強化できるようになっている各ギャップを有する。絶縁材料から成る前記第１の層は前記最上部金属層及び前記第２の金属層の間に形成している。
別の態様では、ボンディング・パッド下方の能動回路構成を有する集積回路を形成する方法を開示する。この方法は基板中及び該基板上に各デバイスを形成することを具備している。第１の金属層を形成する。前記第１の金属層を被せるように比較的厚い絶縁材料から成る第１の層を形成し、前記絶縁材料の厚さは前記集積回路を強化する。前記比較的厚い絶縁材料を被せるように最上部金属層を形成し、該最上部層の表面にボンディング・パッドを形成する。
また別の態様では、集積回路を形成する方法を開示する。この方法は基板中に各デバイス領域を形成することを具備している。前記各デバイス領域を被せるように第１の金属層を被着する。前記第１の金属層をパターニングして各ギャップを形成し、該各ギャップは電流の流れる方向に伸張している。前記第１の金属層を被せると共に、前記各ギャップを充填するように絶縁層を形成し、この際、より硬質の絶縁材料から成る各ピラーを設けることにより、前記各ギャップは前記集積回路を強化する。前記酸化物層を被せるように金属から成る最上部層を被着すると共に、金属から成る前記最上部層の表面にボンディング・パッドを形成する。
また別の態様では、集積回路を形成する方法を開示する。この方法は基板中及び該基板上に各デバイス領域を形成することを具備している。前記各デバイス領域を被せるように第１の金属層を形成する。前記第１の金属領域を被せるように絶縁層を形成する。前記酸化物層に近接した比較的硬質の材料から成る副層を備えた前記絶縁層を被せるように最上部金属層を形成すると共に、該最上部金属層の表面にボンディング・パッドを形成する。
好ましい実施例及び図の説明を考慮して考えた場合、本発明をより容易に理解できると共に、その更なる利益及び使用がより容易に明瞭となる。
一般の実施によれば、種々に述べる特徴は本発明に関する特定の特徴を一定の割合にして得られるものではなく、これを強調して得られるものである。参照文字は図及び原文全体を通して同様の要素を示している。
好ましい実施例に関する以下の詳細な説明においては、その一部を形成すると共に、この発明を実施得る特定の好ましい実施例を例証によって示す添付図面を参照する。これらの実施例は当業者がこの発明を実施できるようにするのに十分詳細に説明し、また、他の実施例を利用し得ること、及び本発明の精神及び範囲を逸脱することなく論理的、機械的及び電気的な変更を行い得ることは言うまでもない。従って、以下の詳細な説明は限定的意味合いで取られるべきものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲及びその等価物によってのみ定義される。
以下の説明において、基板という用語は一般に、集積回路を形成する如何なる構造体にも言及するのに使用すると共に、集積回路の製造の種々の段階の際のこういった構造体に言及するのにも使用する。この用語は技術上知られているような他の構造体は勿論のこと、ドープした半導体及びドープしない半導体、保持用半導体または絶縁材料上の半導体から成るエピタキシャル層、こういった各層の組合せを含んでいる。この出願に使用しているような相対的位置に関する用語は、ウェハまたは基板のオリエンテーションとは無関係に、ウェハまたは基板の通常の平面または作用表面に平行な平面に基づいて定義される。この出願で使用しているような「水平な平面(horizontal plane)」または“横方向の平面(lateral plane)”の用語は、ウェハまたは基板のオリエンテーションとは無関係に、ウェハまたは基板の通常の平面または作用表面に平行な平面として定義される。「垂直な(vertical)」の用語は水平方向に垂直な方向に言及している。「上に(on)」、（「側壁(sidewall)」におけるような）「側(side)」、「より高い(higher)」、「より低い(lower)」、「渡って(over)」、「最上部の(top)」及び「下方の(under)」等の各用語は、ウェハまたは基板のオリエンテーションとは無関係に、ウェハまたは基板の最上面上についての通常の平面または作用平面に関して定義される。
本発明の各実施例は、能動デバイス及び相互接続部に対してボンディング・パッド下方の実エステート(real estate)を使用できうるようにした集積回路の方法及び構造体を提供する。更に、本発明の各実施例は、デバイスの機能的相互接続部に対してボンディング・パッド下方の全ての金属層を使用することができる構造体を提供する。また、本発明の各実施例は、TiN最上層を有するサブミクロン相互接続ライン、及び高電流を流すことができる比較的幅の広いラインをボンディング・パッド下方に同時に存在できるようにした構造体を提供する。
図１は本発明の一実施例の集積回路の部分的断面図である。この実施例では、図示した集積回路１００の一部分がN型MOSバイス１０２、N-DMOSデバイス１０４及びNPNバイポーラ・デバイス１０６を備えている。図１がまた３つの導電層を図示する場合、この実施例では、第１の金属層Ｍ１ １０８、第２の金属層Ｍ２ １１０及び第３の金属層Ｍ３ １１２を含む。これらの金属層１０８、１１０及び１１２はアルミニウム、銅等の導電材料から作ることができる。更に、別の実施例では、金属層１０８、１１０及び１１２のうちの少なくとも１つの金属層は、交互する導電層の多くの副層(sub-layer)を形成するサブミクロン工程によって作られる。第３の金属層Ｍ３ １１２は最上部金属層１１２と称することができる。図示するように、ボンディング・パッド１３０は、パッシベーション層１３２をパターニングすることによって第３の金属層Ｍ３ １１２の表面上に形成している。ボール・ボンディング・ワイヤ１１４（ボンディング・ワイヤ１１４）は、集積回路１００に対する入力または出力をもたらすべくボンディング・パッド１３０に接続させることができる。この実施例では、３つの金属層１０８，１１０及び１１２を図示しているに過ぎないが、他の実施例はより多くのあるいはより少ない金属層を有する。例えば、３つ以上の金属層を有する実施例では、金属層１０８及び１１０の間に付加的な金属層を形成する。相互接続金属層１０８、１１０及び１１２のおのおのは、デポジション及びパターニング等の技術上知られている従来の方法によって形成する。
図１に図示するように、ビア１１６は相互接続金属層１１０及び１０８を選択的に結合して、集積回路１００のデバイス１０２，１０４及び１０６の間に電気的接続部を形成する。更に、デバイス１０２、１０４及び１０６の各要素及び第１の金属層１０８に対する電気的接続部をもたらすビア１１８を示している。
一実施例では、金属層Ｍ２ １１０ 及び金属層Ｍ３ １１２を形成するのにサブミクロン工程を使用する。サブミクロン工程は多くの副層を使用して金属層を形成する。一実施例では、副層はTi、TiN及びAl合金から成る交互する層である。更に、一実施例では、金属層１１０の各副層の最上層(即ち、副層対向金属１１２)はTiN層１２０である。TiN層１２０は、金属層１１０のパターニングにおいて助力となる低反射特性を有することから、この場所に使用している。しかしながら、副層１２０が存在することにより、金属層１１０を金属層１１２から分離する酸化物層中にクラックが入る確率を高める傾向がある。特に、TiN層は硬質である傾向があることから、応力が加えられた場合に撓むことがない。この結果、分離用酸化物に加わる横方向の応力は、この分離用酸化物にクラックを入れる傾向がある。更に、別の実施例では、TiWから成る層が副層１２０を形成する。
本発明の各実施例では、分離用酸化物層１２２にクラックが入る確率を低減する。一実施例において、分離用酸化物層１２２(即ち、金属層１１０を金属層１１２から分離する酸化物層)は比較的厚く形成される。一実施例において、分離用酸化物層１２２は少なくとも１．５μmの厚さに形成される。比較的厚い分離用酸化物層１２２を使用することによって、この酸化物層１２２にクラックが入る確率を低減する。また別の実施例では、分離用酸化物層は一般に誘電体、即ち絶縁層である。
更に、一実施例では、第３の金属層Ｍ３ １１２は極めて硬く頑丈な材料から成る比較的硬質の副層１２６を備えている。この硬質の副層１２６は分離用酸化物層１２２に隣接すると共に、ボンディング・パッド１１４を形成する第３の金属層M3１１２の側とは反対に形成する。硬質の副層１２６はアルミ二ウムに比して非常に硬くしかも頑丈である。硬質の副層は酸化物１２２のより大きな領域一面に渡って横方向及び縦方向の応力を分配することにより、酸化物１２２にクラックが入る傾向を低減する。一実施例では、硬質の副層１２６に対して使用される材料はTiNである。このことは、従来のサブミクロン・デポジション及びエッチング技術とのTiNの両立性に起因している。また別の実施例では、硬質の副層１２６は窒化物から成る層である。一実施例において、硬質の副層１２６は厚さが略８０nmである。更に他の実施例では、TiW等の材料が硬質の副層１２６に対して使用される。
また別の実施例では、選択した領域に各ギャップ１２４を有するように第２の金属層Ｍ２ １１０を形成する。第２の金属層１１０が非常に幅が広い（横方向の幅）ということはこの構造体を弱める傾向があり、こうして分離用酸化物層１２２にクラックが生じてしまうという高い可能性を生んでしまう。この実施例では、各ギャップ１２４は、より硬質の酸化物から成るピラーを設けることによって構造体を強化するのに役立つ。集積回路の機能に及ぼすギャップ１２４の影響は適正なレイアウトによって最小化される。即ち、ギャップの密度は、レイアウト設計が意味ありげに圧迫されないように最小化することができる。一実施例では、ギャップ１２４は、ボンディング・パッド下方の第２の金属層Ｍ２ １１０の全領域のうちの僅か１０％しか占めない。別の実施例では、第２の金属層Ｍ２ １１０を通して流れる電流に及ぼす影響を最小化するように、ギャップが向いている。第２の金属層Ｍ２ １１０を通して流れる電流に及ぼす影響を最小化するように形成したギャップ１２４の一例を図２に図示する。図２はまた第３の金属層１１２を図示している。
図３Ａから図３Ｇは本発明の一実施例の適切な態様の形成を図示している。図３Ａは集積回路３００を基板３０１上に形成する開始の部分断面図を図示している。この部分断面図は、この実施例の集積回路３００がN型MOS３０２、N-DMOS３０４及びNPNデバイス３０６を備えていることを図示している。他の形式のデバイスを集積回路３００に形成できること、及び本発明はN型MOS、N-DMOS及びNPNデバイスを有する集積回路にのみ限定されるものではないことは技術上理解されよう。各デバイス３０２、３０４及び３０６の形成は本発明の重大な部分ではないので、図３Ａはこれらのデバイスが既に形成されていることを図示している。これらのデバイス３０２，３０４及び３０６はデポジション、エッチング・マスキング及び注入等の技術上既知の技術によって形成される。第１の絶縁層３０８は各デバイス３０２、３０４及び３０６を被せるように形成する。一実施例において、この絶縁層３０８は第１の酸化物層３０８から成る層である。ビア３１０はマスキング及びエッチング等の技術上既知の技術によって形成する。次いで、ビア３１０を導電材料で充填して、第１の金属層３１２と、各デバイス３０２、３０４及び３０６の各要素とのコンタクトを形成する。金属層を先ず被着することによって第１の金属層３１２を形成し、次いでこの第１の金属層３１２をパターニングして選択相互接続部を形成する。次いで、第１の金属層Ｍ１ ３１２及び第１の酸化物層３０８の露出した領域を被せるように第２の絶縁層３１４を形成する。一実施例において、この第２の絶縁層３１４は第２の酸化物層３１４である。酸化物から成る第２の層の表面をマスクすることによって、酸化物３１４から成る第２の層にビアを形成し、このビア３１６をパターニングした第１の金属層３１２の選択部分までエッチングする。次いで、このビア３１６を導電材料で充填する。
図３Ｂを参照すると、第２の酸化物層の表面に第２の金属層Ｍ２ ３１８を被着する。一実施例において、異なる金属から成る複数の交互する層を具備したサブミクロン工程によって第２の金属層３１８を形成する。一実施例では、金属から成る交互する層はTi、TiN及びAl合金である。第２の金属層M2３１８の最上部副層３２０は、この第２の金属層Ｍ２ ３１８のパターニングにおいて助力となるTiNから成っている。この最上部副層３２０は図３Ｃにおいて図示している。図３Ｃに図示するように、この実施例では、第２の金属層３１８をパターニングしてギャップ３２２を形成する。これらのギャップ３２２は硬質酸化物から成るピラーを設けることによってこの構造体を強化する。次いで、第２の金属層Ｍ２を被せるようにして第３の絶縁層３２４を形成する。このことは図３Ｄに図示している。一実施例では、この第３の絶縁層３２４は第３の酸化物層３２４である。この第３の酸化物層３２４もまたギャップ３２２を充填している。一実施例では、第３の酸化物層３２４（分離用酸化物層３２４）は比較的厚く形成する。更に、一実施例では、この分離用酸化物層３２４の厚さは少なくとも１．５μmである。
次いで、比較的硬く頑丈な金属層３２６から成る層を分離用酸化物層３２４の表面に形成する。このことは図３Ｅに図示している。この硬質層３２６は分離用酸化物層３２４のより大きな領域一面に渡って横方向及び縦方向双方の応力を分配する。硬質層３２６の実施例の中には、TiNまたはSiN等の窒化物から成る層によって形成するものもある。また別の実施例では、硬質の層３２６はTiWから成る層によって形成する。更に、一実施例では、硬質層３２６は略８２０nmの厚さに形成する。図３Ｆを参照すると、硬質層３２６を被せるように第３の金属層Ｍ３３２８を形成する。一実施例では、硬質層３２６は、従来のサブミクロン・デポジション及びエッチング技術により第３の金属層Ｍ３３２８を形成する際に形成する副層である。また別の実施例（図示せず）では、硬質層３２６は分離用酸化物層３２４に近接して形成した第３の金属層Ｍ３３２８の副層である。次いで、被着したパッシベーション層３３２をパターニングすることによって、第３の金属層Ｍ３３２８の上面にボンディング・パッド３３０を形成する。このことは図３Ｇに図示している。更に、図３Ｇに図示するように、ボール・ボンディング・ワイヤ３３４をボンディング・パッド３３０に接続させる。各図には示していないが、最上部金属層３２８を各デバイスを相互接続するのに使用することができるように、ビアを比較的厚い酸化物３２４に形成する。更に、単一の集積回路が多数のボンディング・パッドを有し得ること、及び本発明は単一のボンディング・パッドに限定されないことは技術上理解されよう。
特定の各実施例を本願において例証し説明してきたが，同一の目的を達成すべく意図した如何なる配置構成をも図示した特定の実施例と代え得ることは当業者によって認められよう。この出願は本発明のどんな適合または変更をも包含することを意図している。従って、この発明が特許請求の範囲及びその等価物によってのみ限定されることが明瞭に意図されている。
本発明の一実施例の集積回路の部分断面図である。 本発明の一実施例の各ギャップを有する金属層の部分の平面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。 本発明の一実施例における集積回路を形成する一方法の部分断面図である。
符号の説明
１００、３００ 集積回路
１０２、３０２ N型MOS
１０４、３０４ N-DMOS
１０６，３０６ NPNデバイス
１０８、３１２ 第１の金属層Ｍ１
１１０、３１８ 第２の金属層Ｍ２
１１２、３２８ 第３の金属層Ｍ３
１１４、３３４ ボール・ボンディング・ワイヤ
１１６、１１８、３１０、３１６ ビア
１２０、１２６、３２０ 副層
１２２ 分離用酸化物層
１２４、３２２ ギャップ
１３０、３３０ ボンディング・パッド
１３２、３３２ パッシベーション層
３０１ 基板
３０８ 第１の絶縁層
３１４ 第２の絶縁層
３２４ 第３の絶縁層
３２６ 硬質層

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板に形成された少なくとも１個の能動デバイスと、
    少なくとも１個のボンディング・パッドを有する最上部導電層と、
    前記最上部導電層の表面上に形成されたパッシベーション層であって、前記少なくとも１個の能動デバイスを前記ボンディング・パッドの下方に配置し、前記ボンディング・パッドを前記最上部導電層上に形成するようにパターニングされた前記パッシベーション層と、
    前記最上部導電層及び前記基板の間に形成した１つ以上の中間導電層と、
    前記１つ以上の中間導電層と前記最上部導電層とを分離する１つ以上の絶縁材料層であって、前記１つ以上の絶縁材料層のうちの１つの絶縁材料層が前記最上部導電層及び前記最上部導電層に最も近接した中間導電層の間に位置した前記１つ以上の絶縁材料層と、を具備し、
    前記最上部導電層と前記最上部導電層に最も近接した前記中間導電層との間に配置された前記絶縁材料層は、半導体構造に加わる垂直応力と水平応力とによるクラックに対する耐力を有するように選択された厚さを有することを特徴とする集積回路。
  2. 前記最上部導電層は副層を含み、この副層の材料は前記最上部導電層の残部に比べて相対的に硬いことを特徴とする請求項１に記載の集積回路。
  3. 前記副層はTiW、TiN又は窒化物層の内の１つから成ることを特徴とする請求項２に記載の集積回路。
  4. 前記最上部導電層と前記最上部導電層に最も近接した前記中間導電層との間に配置された前記絶縁材料層は、前記他の絶縁材料層に比べて比較的厚い絶縁層であることを特徴とする請求項２又は３に記載の集積回路。
  5. 前記最上部導電層と前記最上部導電層に最も近接した前記中間導電層との間に配置された前記絶縁材料層は、厚さが少なくとも１．５μmの酸化物層であることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一つに記載の集積回路。
  6. 前記最上部導電層に最も近接した前記中間導電層の一部は、ギャップがパターニングされた導体を形成していることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一つに記載の集積回路。
  7. 前記ギャップは、前記少なくとも１個のボンディング・パッド下方の前記中間導電層の全面積のうちの僅か１０％しか占めないことを特徴とする請求項６に記載の集積回路。
  8. 前記ギャップは、前記中間導電層を通る電流の流れへの影響を最小にするような方向に向いていることを特徴とする請求項６又は７に記載の集積回路。

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