CN102956567B - 裂缝停止结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有裂缝停止结构的半导体结构。半导体结构包含底材、集成电路与切割道。底材具有切割道区与电路区。集成电路设置在电路区中。切割道设置在切割道区中并包含位在底材中且邻近电路区的裂缝停止沟槽。裂缝停止沟槽与电路区的一侧平行并填有栅格形式的一复合材料。

Description

裂缝停止结构

技术领域

本发明大致上涉及一种新颖的裂缝停止结构，以及在切割道中形成裂缝停止结构的方法。特别是涉及一种复合材料的裂缝停止结构，以及在切割道中形成此等复合材料的裂缝停止结构的方法。

背景技术

半导体制造商一直以来都试图要缩小集成电路（IC）中晶体管的尺寸来改进其芯片效能，此举将能同时增加器件的速度与密度。对次微米科技而言，电阻电容的延迟效应（RC delay）变成了影响器件效能的主因。为了进一步的改良，半导体集成电路制造商被迫要改用新的材料，以期借由降低互连结构的线电阻，或是借由降低层间介电层（ILD）的电容来减少电阻电容延迟。目前业界以利用铜（电阻值比铝要低上约30%）来取代铝互连结构的作法而显著的改善了此问题，如进一步以其它的低介电值材料来进行取代，对此问题又将可有进一步的改良。

在现有技术的铝互连技术中，铝会形成自我保护钝化的氧化层，所形成的裂缝停止结构可避免裂缝穿越后段工艺（BEOL）的介电质而进入集成电路芯片区。然而，使用低介电值材料的缺点之一在于，几乎所有低介电值材料的机械强度皆会比习用的氧化硅介电质（如氟硅玻璃FSG或未掺杂硅玻璃USG）来得低。

使用低介电值材料的另一个问题在于其黏着能力。不论是两相邻低介电值层结构之间的界面，或是一低介电值层结构与另一其它不同的介电层结构之间的界面，其皆无法达到接下来晶圆处理工艺的需求，如晶圆切割动作，其通常为对半导体晶圆进行机械性切割而切成多个独立的集成电路芯片。

现今的切晶技术已有相当高程度的开发。切晶步骤的其中一个限制在于，裂缝会从切割线侧向延伸到半导体与绝缘材质中。由于这些裂缝，水气与污染物可以轻易穿过有源电路区并使得电子器件的效能开始严重劣化。就算是现在，裂缝的产生对于电路芯片的微型化而言，依旧是工艺中最重要的限制。此外，由于裂缝在热与机械应力的影响下容易成长并扩散，因而最终危及集成电路的功能性，因故这些裂缝存在也代表了对于可靠度的高风险性。

目前业界已发现在进行切晶工艺期间或之后，低介电值层结构之间会有所谓的界面脱层（interface de-lamination）现象发生，使得集成电路芯片的效能劣化。有鉴于上述缺失，目前业界仍需解决因为切晶工艺所导致的介电结构间界面脱层现象的不良传播等问题。

发明内容

在本发明的第一方面，提出了一种具有裂缝停止结构的半导体结构。此半导体结构包含底材、集成电路与切割道。底材具有切割道区与电路区。集成电路设置在电路区中。切割道设置在切割道区中并包含位在底材中且邻近电路区的裂缝停止沟槽。裂缝停止沟槽与电路区的一侧平行并填有栅格形式的复合材料，以形成一条裂缝停止结构。

在本发明的一实施态样中，复合材料包含金属和绝缘材料。

在本发明的另一实施态样中，复合材料包含第一绝缘材料和第二绝缘材料。

在本发明的另一实施态样中，金属包含铜、铝、钨中的至少一个。绝缘材料则包含多孔性低介电值材料、聚酰亚胺（polyimide）、氧化硅、氮化硅、及氮氧化硅中的至少一个。

在本发明的另一实施态样中，金属呈多条的长条状结构。

在本发明的另一实施态样中，半导体结构更包含位于切割道区中的测试垫（test pad），而使得裂缝停止沟槽位于测试垫与电路区之间。

在本发明的另一实施态样中，半导体结构更包含围绕着集成电路的保护圈结构（guard ring）。

在本发明的另一实施态样中，底材另包含层间介电层、金属间介电层、及浅沟槽隔离结构中的至少一个，又使得裂缝停止沟槽穿过层间介电层、金属间介电层、及沟槽隔离结构中的至少一个而嵌在底材中。

在本发明的另一实施态样中，裂缝停止沟槽的宽度至少为切割道宽度的十分之一。

在本发明的另一实施态样中，半导体结构更包含嵌在底材中并填有复合材料的一种侧裂缝停止沟槽，而使得裂缝停止沟槽位于侧裂缝停止沟槽与电路区之间。

本发明在第二方面又提出了一种在切割道中形成裂缝停止结构的方法。首先，提供包含切割道区及电路区的基底。其次，在电路区内形成集成电路。然后，形成嵌在基底中的第一层，使得部分的第一层会位于切割道区中。继续，形成位于基底上并盖住集成电路与第一层之层间介电层。再来，形成嵌在层间介电层中的第二层，使得第二层也部分地位于切割道区中。接着，形成位于层间介电层上且盖住第二层的金属间介电层。之后，移除位于切割道区中的层间介电层以及金属间介电层，以形成裂缝停止沟槽。接下来，在裂缝停止沟槽中填入介电材料，以形成裂缝停止结构。

在本发明的一实施态样中，介电材料包含多孔性低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一个。

在本发明的另一实施态样中，裂缝停止沟槽的宽度至少为切割道宽度的十分之一。

在本发明的另一实施态样中，位于切割道区中的第一层具有垂直于位于切割道区中的第二层的方向，以形成金属栅格。

在本发明的另一实施态样中，位于切割道区中的第一层与位于切割道区中的第二层共同排成西洋棋盘状。

在本发明的另一实施态样中，在切割道中形成裂缝停止结构的方法更包含形成位于切割道区中的测试垫，使得裂缝停止沟槽位于测试垫与电路区之间。

在本发明的另一实施态样中，在切割道中形成裂缝停止结构的方法更包含形成围绕着集成电路的保护圈结构。

在本发明的另一实施态样中，在切割道中形成裂缝停止结构的方法中的移除层间介电层与金属间介电层的步骤更包含移除位于基底中的浅沟渠隔离结构。

在本发明的另一实施态样中，在切割道中形成裂缝停止结构的方法更包含移除层间介电层与金属间介电层，进而形成侧裂缝停止沟槽，以及在侧裂缝停止沟槽中填入介电材料，以形成侧裂缝停止结构。

附图说明

图1-8绘示出本发明在切割道中形成裂缝停止结构的方法。

图9绘示出具有本发明复合材料的裂缝停止结构的半导体结构的一种实施方式。

其中，附图标记说明如下：

100    半导体结构        140        层间介电层

101    基底              141/141’  第一层

102    切割道区          150        金属间介电层

103    电路区            151/151’  第二层

104    金属栅格          160        裂缝停止沟槽

105    浅沟槽隔离结构    161        裂缝停止结构

109    底材              162        介电材质

110    集成电路          165        侧裂缝停止沟槽

111    保护圈结构        166        侧裂缝停止结构

121    测试垫

具体实施方式

本发明在第一方面首先提出了一种在切割道中形成裂缝停止结构的方法。图1至图8即绘示出此种在切割道中形成裂缝停止结构的方法。然而，本发明方法中尚有多种其它可能的实施态样，而不以此为限。首先，如图1所示，提供一基底101。基底101可为半导性材料，例如硅，并包含有至少两种区域，也就是切割道区102与电路区103。电路区103是用来容纳集成电路，如金氧半导体（MOS）器件或闪存单元（cell）。切割道区102是用来容纳切割基底101用的切割道（scribe line）。视情况需要，基底101中也可选择性地形成有浅沟槽隔离结构（STI）。

如图2所示，由于电路区103是用来容纳集成电路110的，所以集成电路110会被形成在电路区103中。视情况需要，还可以再形成保护圈结构111来围绕并保护集成电路110。或者，在基底101上的切割道区102中则形成有测试垫121，用来测试多种的电路。

如图3所示，形成一嵌在基底101中的第一层141。特别是其中部分的第一层141会位于切割道区102中。可以使用传统的大马士革工艺（damascene，又叫镶嵌技术）来形成第一层141。例如，第一层141可以包含导电材料，例如硅，或是金属，例如铜、铝、钨…等等。或者，第一层141也可以包含绝缘材料，例如多孔性的低介电值（low k）材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅与氮氧化硅中的至少一个。

如果位于切割道区102中的第一层141与位于电路区103中的第一层141分别包含不同的材料，则可以参考以下的步骤。首先，形成多个凹槽（图未示），并在凹槽中填满第一材料而形成了第一层141。位于切割道区102中的第一层141会被光刻胶（未显示）所保护，而位于电路区103中的第一层141则暴露出来，并经由刻蚀的过程而再次得到了凹槽。此时，凹槽中可以填满不同于第一材料的第二材料，而形成具有不同材料的第一层141’。图3同时绘示出第一层141和第一层141’。

第一层141/141’其中的一个功能是，它可作为电性互连结构。位于切割道区102中的第一层141的另一个功能是，也是本发明的特点之一，即作为本发明裂缝停止结构的其中一框架（frameworks）。在本发明的一个实施例中，第一层141可能是呈现多条的长条状，所以第一层141可作为本发明的裂缝停止结构的框架之一。

然后，如图4所示，形成一位于基底101上的层间介电层140，其覆盖着集成电路110和第一层141。层间介电层140可以包括一种绝缘材料或介电材料，例如多孔性的低介电值（low k）材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的一或多个，而可以使用传统的化学气相沉积法，如低压化学气相沉积法（LP-CVD）、常压化学气相沉积法（AP-CVD）、或是电浆辅助式化学气相沉积法（PE-CVD）来形成。图4仅绘示出单一的第一层141。

如图5A所示，另一层，也就是第二层151，形成在基底101上并在嵌在层间介电层140中。第二层151也可能会部分地位于切割道区102中。可以使用传统的大马士革工艺（damascene）与化学气相沉积法，如低压化学气相沉积法（LP-CVD）、常压化学气相沉积法（AP-CVD）、或是电浆辅助式化学气相沉积法（PE-CVD）来形成第二层151。例如，第二层151可以包含导电材料，例如硅，或是金属，例如铜、铝、钨…等等。要不然，第二层151也可以包含绝缘材料，例如多孔性的低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅及氮氧化硅中的至少一个。

第二层151的其中一个功能是，它可作为电性互连结构。位于切割道区102中的第二层151的另一个功能是，其也是本发明的另一项特点，即是作为本发明裂缝停止结构的其中另一框架。

如果位于切割道区102中的第二层151与位于电路区103中的第二层151分别包含不同的材料时，则可以参考以下的步骤。首先，形成多个凹槽（图未示）。凹槽中会填满第一材料，而形成了第二层151。位于切割道区102中的第二层151会被光刻胶（未示于图中）所保护，而位于电路区103中的第二层151则暴露出来，并经由刻蚀的过程而再次得到凹槽。然后，在凹槽中填满不同于第一材料的第二材料，进而形成不同材料的第二层151’。图5同时绘示出了第二层151和第二层151’。

在本发明的一个实施例中，第二层151可能是呈现多条的长条状态样，所以第二层151可作为本发明的裂缝停止结构中的框架之一。然而，在优选的情况下，位于切割道区102中的第一层141具有垂直于位于切割道区102中的第二层151的方向，而形成金属栅格104，如图5所示。

在本发明的另一实施态样中，位于切割道区102中的第一层141与位于切割道区102中的第二层151可以一起排成棋盘状，例如交错的西洋棋盘状（check board）。图5A即绘示出此等实施方式的顶视图。

之后，如图6所示，形成位于层间介电层140上的金属间介电层150并覆盖住第二层151。切割道120即定义为其位于金属间介电层150上的切割道区102之内。层间介电层140上可设有多层的金属间介电层150。然而，为了简明之故，图6中仅描绘出单一的金属间介电层150。金属间介电层150也可含有绝缘材料或介电材料，如多孔性的低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等。

继续，如图7所示，可去除一些位于切割道区102内的层间介电层140与一些位于切割道区102内的金属间介电层150，以形成一条裂缝停止沟槽160。当层间介电层140与金属间介电层150为绝缘材料或介电材料的其中之一个时，则可进行各向同性刻蚀步骤或各向异性刻蚀步骤，来移除层间介电层140与金属间介电层150（例如干刻蚀步骤）。用于上述刻蚀步骤的刻蚀剂可以是氟化物、氯化物、六氟化硫或是含氟气体。

在本发明另一实施态样中，基底101中还可以包含传统的浅沟渠隔离结构105。也可以同时去除浅沟渠隔离结构105，以形成裂缝停止沟槽160。图8即绘示出裂缝停止沟槽160穿过浅沟渠隔离结构105，图9的实施态样中则未具有浅沟渠隔离结构105。

再来，如图8所示，在裂缝停止沟槽160中填入另一种介电材质162，例如多孔性的低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等，以形成设在切割道区102内的裂缝停止结构161。当结构中存在有测试垫121的情况下，裂缝停止结构161可设在测试垫121与集成电路110之间。

在优选的情况下，裂缝停止沟槽160的宽度最好不要太小。举例来说，裂缝停止沟槽160的宽度至少要为切割道120宽度的十分之一以上。

视情况需要，本发明结构中也可形成一条侧裂缝停止沟槽165，以建构出一条侧裂缝停止结构166，如图9所示。侧裂缝停止结构166可设在切割道区102的内部或外部，以辅助切割道区102内的裂缝停止结构161。侧裂缝停止沟槽165与侧裂缝停止结构166可借由类似前述形成裂缝停止沟槽160及裂缝停止结构161的步骤来形成。

举例来说，可以去除一些层间介电层140与一些金属间介电层150来形成上述的侧裂缝停止沟槽165。如果在结构中有选设的浅沟槽隔离结构105时，也会同时移除浅沟槽隔离结构105。然后，侧裂缝停止沟槽165中会填入另一种介电材质，如多孔性的低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等，以形成侧裂缝停止结构166。

在经过前述的步骤后，如图9所示，即形成了含有底材109、集成电路110及切割道120的半导体结构100。底材109包含了切割道区102、电路区103、层间介电层140、金属间介电层150、选设的浅沟槽隔离结构105、裂缝停止沟槽160及裂缝停止结构161。裂缝停止沟槽160邻近电路区103且与电路区103的一侧平行。裂缝停止沟槽160会穿过层间介电层140、金属间介电层150与选设的浅沟槽隔离结构105中的至少一个而嵌入在底材109中。

裂缝停止沟槽160中会填入金属栅格104形式的复合介电材质。复合介电材质可以包含两种不同的材料，在优选的情况下，其中的一种材料会比另一材料还要来的软。例如，复合材料可以包含金属和绝缘材料。或者，复合材料可包含第一绝缘材料和第二绝缘材料，或是更包含选设的第三绝缘材料。金属可以包含如铜、铝、钨等材料中的至少一个。绝缘材料可以包含如多孔性的低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅、或氮氧化硅等材料中的至少一个。

由于裂缝停止沟槽160与选设的侧裂缝停止沟槽165会分别在不同步骤中形成，故此等沟槽的形成可有助于释放层间介电层140、金属间介电层150或基底101内部的应力。故此，裂缝停止结构161或侧裂缝停止结构166可有助于在底材109上的切割道120被切割期间阻止裂缝（未示于图中）往电路区103扩散，以保护电路区103中的集成电路110。在结构中有测试垫121存在的情况下，裂缝停止结构161可设在测试垫121与集成电路110之间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种半导体结构，其特征在于，包含：

一底材，具有一切割道区与一电路区；

一集成电路，设置在所述电路区中；以及

一切割道，设置在所述切割道区中，并包含位于所述底材中且邻近所述电路区的一裂缝停止沟槽，其中所述裂缝停止沟槽与所述电路区的一侧平行并填有栅格形式的一复合材料，且所述复合材料包含一第一层沿着与所述电路区的所述一侧平行的方向延伸以及一第二层与所述第一层重叠并沿着与所述第一层垂直的方向延伸，且所述第二层横跨所述裂缝停止沟槽且未与所述裂缝停止沟槽内的所述第一层直接接触。

2.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述复合材料包含一金属和一绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述复合材料包含一第一绝缘材料和一第二绝缘材料。

4.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属包含铜、铝、钨中的至少一个。

5.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述绝缘材料包含多孔性低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一个。

6.根据权利要求2所述的半导体结构，其特征在于，所述金属为多条长条状。

7.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，更包含：

位于所述切割道区中的一测试垫，使得所述裂缝停止沟槽位于所述测试垫与所述电路区之间。

8.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，更包含：

围绕着所述集成电路的一保护圈结构。

9.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述底材包含一层间介电层、一金属间介电层及一浅沟槽隔离结构中的至少一个，使得所述裂缝停止沟槽穿过所述层间介电层、所述金属间介电层及所述浅沟槽隔离结构中的至少一个而嵌在所述底材中。

10.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，所述裂缝停止沟槽的宽度至少为所述切割道宽度的十分之一。

11.根据权利要求1所述的半导体结构，其特征在于，更包含：

嵌在所述底材中并填有所述复合材料的一侧裂缝停止沟槽，使得所述裂缝停止沟槽位于所述侧裂缝停止沟槽与所述电路区之间。

12.一种在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，包含下列步骤：

提供包含一切割道区及一电路区的一基底；

在所述电路区内形成一集成电路；

形成嵌在所述基底中的一第一层，其中所述第一层部分位于所述切割道区中；

形成位于所述基底上并盖住所述集成电路与所述第一层的一层间介电层；

形成嵌在所述层间介电层中的一第二层，其中所述第二层部分位于所述切割道区中；

形成位于所述层间介电层上并盖住所述第二层的一金属间介电层；

移除位于所述切割道区中的所述层间介电层与所述金属间介电层，以形成一裂缝停止沟槽；以及

在所述裂缝停止沟槽中填入一介电材料，以形成一裂缝停止结构。

13.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，所述介电材料包含多孔性低介电值材料、聚酰亚胺、氧化硅、氮化硅与氮氧化硅中的至少一个。

14.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，所述裂缝停止沟槽的宽度至少为所述切割道宽度的十分之一。

15.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，位于所述切割道区中的所述第一层具有垂直于位于所述切割道区中的所述第二层的方向，以形成一金属栅格。

16.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，位于所述切割道区中的所述第一层与位于所述切割道区中的所述第二层共同排成一棋盘状。

17.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，更包含：

形成位于所述切割道区中的一测试垫，使得所述裂缝停止沟槽位于所述测试垫与所述电路区之间。

18.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，更包含：

形成围绕着所述集成电路的一保护圈结构。

19.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，移除所述层间介电层与所述金属间介电层的步骤更包含：

移除位于所述基底中的一浅沟渠隔离结构。

20.根据权利要求12所述的在切割道中形成裂缝停止结构的方法，其特征在于，更包含：

移除所述层间介电层与所述金属间介电层，而形成一侧裂缝停止沟槽；以及

在所述侧裂缝停止沟槽中填入所述介电材料，以形成一侧裂缝停止结构。