CN103904052A

CN103904052A - 后钝化结构中的电容器及其形成方法

Info

Publication number: CN103904052A
Application number: CN201310067452.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡豪益; 陈宪伟; 郭鸿毅; 邵栋梁; 陈英儒; 于宗源; 陈洁
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: US20150380351A1; TWI532141B; CN103904052B; US9355954B2; TW201426947A; US9136318B2; US9786591B2; US20160247757A1; US9490203B2; US8884400B2; US20170040256A1; US20140183693A1; US20150017778A1

Abstract

本发明涉及的是一种器件，包括金属焊盘和具有与金属焊盘重叠的部分的钝化层。电容器包括位于钝化层下方的底部电容器电极，其中，该底部电容器包括金属焊盘。电容器另外包括位于部分钝化层上方的顶部电容器电极；以及包括部分钝化层的电容器绝缘体。本发明还提供了一种后钝化结构中的电容器及其形成方法。

Description

后钝化结构中的电容器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种后钝化结构中的电容器及其形成方法。

背景技术

在集成电路应用中，越来越多的功能被集成到产品中。例如，不同的功能元件(诸如，3G视频元件、WiFi元件、蓝牙元件以及音频/视频元件)可能需要被集成到一起从而形成一种应用。这些装置的通常所知的一种应用是移动应用，其中形成了移动装置，诸如，手机。

电容器被广泛地使用在移动应用中。当被使用在移动应用中时，电容器可能需要采用高频。例如，在无线电频率中电容器的Q系数需要足够高。击穿电压、泄漏电路等也需要适合相应的应用。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种器件，包括：第一金属焊盘；第一钝化层，包括与所述第一金属焊盘重叠的部分；以及电容器，包括：底部电容器电极，位于所述第一钝化层下方，所述底部电容器包括所述第一金属焊盘；顶部电容器电极，位于所述第一钝化层的所述部分上方；和电容器绝缘体，包括所述第一钝化层的所述部分。

在所述器件中，进一步包括：多个低k介电层，位于所述第一钝化层下方，所述第一钝化层包括非低k介电材料。

在所述器件中，进一步包括：第二钝化层，位于所述第一钝化层和所述第一金属焊盘下方，所述第二钝化层位于所述多个低k介电层上方并且包括非低k介电材料。

在所述器件中，所述底部电容器电极进一步包括：第二金属焊盘，位于所述低k介电层的最上层中，其中，所述第一金属焊盘与所述第二金属焊盘重叠；以及通孔，位于所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘之间且互连所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘。

在所述器件中，进一步包括：附加金属焊盘，与所述第一金属焊盘齐平且由与所述第一金属焊盘相同的材料形成；后钝化互连件(PPI)，位于所述附加金属焊盘上方且与所述附加金属焊盘相连接；以及凸块下金属层(UBM)，位于所述PPI上方且与所述PPI相连接。

在所述器件中，进一步包括：聚合物层，位于所述第一钝化层上方；以及后钝化互连件(PPI)，包括位于所述聚合物层上方的第一部分和延伸到所述聚合物层中且与所述第一部分相连接的第二部分，其中，所述第二部分用作所述顶部电容器电极。

在所述器件中，所述电容器位于半导体晶圆的划片槽中。

根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：多个低k介电层；第一金属焊盘，位于所述多个低k介电层上方；第一钝化层，包括与所述第一金属焊盘重叠的部分，所述钝化层包括非低k介电材料；第一聚合物层，位于所述第一钝化层上方；以及后钝化互连件(PPI)，包括：第一部分，位于所述第一聚合物层上方；和第二部分，穿透所述第一聚合物层以接触所述第一钝化层，所述第二部分与所述第一金属焊盘重叠以与所述第一金属焊盘一起形成电容器，并且所述第一钝化层与所述第一金属焊盘重叠的所述部分用作所述电容器的电容器绝缘体。

在所述器件中，所述第一钝化层包括下子层和位于所述下子层上方的上子层，所述下子层和所述上子层的材料不同，并且所述PPI的所述第二部分接触所述上子层的顶面。

在所述器件中，所述第一钝化层包括下子层和位于所述下子层上方的上子层，所述下子层和所述上子层的材料不同，并且所述PPI的所述第二部分穿透所述上子层且接触所述下子层的顶面。

在所述器件中，所述下子层包括氧化硅，并且所述上子层包括氮化硅。

在所述器件中，进一步包括：第二聚合物层，位于所述第一聚合物层上方，其中，整个所述PPI被所述第二聚合物层覆盖。

在所述器件中，进一步包括：第二金属焊盘，位于所述低k介电层的最上层中，所述第二金属焊盘的俯视尺寸基本等于所述第一金属焊盘的俯视尺寸；以及通孔，位于所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘之间且互连所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘。

在所述器件中，所述电容器位于半导体晶圆的划片槽中。

在所述器件中，所述电容器位于半导体晶圆的芯片中。

根据本发明的又一方面，提供了一种方法，包括：在第一金属焊盘上方形成钝化层，所述第一金属焊盘还位于多个低k介电层上方；在所述第一钝化层上方形成第一聚合物层；图案化所述第一聚合物层以形成开口，所述开口与所述第一金属焊盘重叠；以及形成后钝化互连件(PPI)，所述PPI包括：第一部分，位于所述第一聚合物层上方；和第二部分，位于所述开口中，所述PPI的所述第二部分通过所述第一钝化层的部分与所述第一金属焊盘间隔开，并且所述PPI的第二部分、所述第一钝化层的所述部分和所述金属焊盘分别形成所述电容器的顶部电容器电极、电容器绝缘体和底部电容器电极。

在所述方法中，图案化所述第一聚合物层的步骤停止于所述第一钝化层的顶面。

在所述方法中，进一步包括：在形成所述PPI的步骤之前，蚀刻所述第一钝化层的上子层以暴露出所述第一钝化层的下子层，其中，所述第一钝化层的所述上子层和所述下子层的材料不同。

在所述方法中，进一步包括：在所述第一聚合物层上方形成第二聚合物层；以及形成延伸到所述第二聚合物层中的凸块下金属层(UBM)，其中，所述UBM在与所述第一金属焊盘相同的层中与第二金属焊盘电连接。

在所述方法中，进一步包括：在所述多个低k介电层的最上层中形成第二金属焊盘；形成与所述多个低k介电层的所述最上层重叠的第二钝化层，其中，所述第二钝化层位于所述第一钝化层下方；以及在所述第二钝化层中形成多个通孔，其中，所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘通过所述多个通孔相互连。

附图说明

为了更全面地理解实施例及其优势，现将结合附图所进行的描述作为参考，其中：

图1至图5是根据一些示例性实施例的包括电容器的晶圆在中间制造阶段中的截面图，其中，电容器的至少一个部分形成在后钝化互连(PPI)结构；

图6和图7是根据可选实施例的包括电容器的晶圆的截面图；

图8是电容器和相应连接PPI线的俯视图；并且

图9示出了在其中形成电容器的晶圆部分的俯视图

具体实施方式

下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例是说明性的，不用于限制本发明的范围。

根据一个实施例提供了至少部分地形成在后钝化互连(PPI)结构中的电容器及其形成方法。示出了制造根据多个实施例的电容器的中间阶段。讨论了实施例的多种变型。在多个视图和说明性实施例中，类似参考标号被用于表示类似的元件。

参考图1，提供了包括由半导体衬底10的晶圆100。半导体衬底10可以是块硅衬底或绝缘体上硅衬底。可选地，还可以使用包括III族、IV族和V族元素的其他半导体材料，该材料可以包括硅锗、硅碳以及III-V化合物半导体材料。集成电路器件诸如，晶体管(示意性地示为12)形成在半导体衬底10中或其上。晶圆100可以进一步包括位于半导体衬底10上方的层间电介质(ILD)14和位于ILD14上方的互联结构。互联结构16包括形成在介电层18中的金属线20和通孔22。在相同层上的金属线20的组合在下文中被称为金属层。相应地，互联结构16可以包括多个通过通孔22相互连的金属层。金属线20和通孔22可以由铜或铜合金形成，然而也可以由其他金属形成。在一些实施例中，介电层18由低k介电材料形成。低k介电材料的介电常数(k值)可以例如，小于大约3.0或小于大约2.5。

金属层包括底部金属层(M1)至顶部金属层(Mtop)。在一些实施例中，Mtop层时形成在低k介电材料中的最上面的金属层。金属焊盘130可以形成在Mtop层中。金属焊盘230也可以形成直接位于Mtop层下面的Mtop-1层中。金属焊盘130和230通过通孔26相互连。

在一些实施例中，钝化层28形成在顶部金属层Mtop和金属层Mtop位于其中的相应的介电层18的上方。钝化层28具有大于3.8的k值且使用非低k介电材料形成。在一些实施例中，钝化层28是包括氧化硅层(未示出)和位于氧化硅层上方的氮化硅层(未示出)的复合层。钝化层28也可以由其他非多孔的介电材料，诸如，非掺杂的硅酸盐玻璃(USG)、氮氧化硅和/或类似的形成。通孔29和129形成在钝化层32中且可以与集成电路器件12电连接。通孔29位于金属焊盘130上方且与其相连接。

金属焊盘30和31形成在钝化层28上方且可以通过金属线20和通孔22与集成电路器件12电连接。金属焊盘30和31可以是铝焊盘或铜铝焊盘，并且由此在下文中可选地被称为铝焊盘30和31，然而也可以使用其他金属材料。另外，铝焊盘30可以分别具有与金属焊盘130和230的俯视尺寸和俯视形状相类似的俯视尺寸和俯视形状。

参考图2，钝化层32形成在钝化层28上方。钝化层32的材料可以选自于与钝化层28相同的备选材料。钝化层28和32可以由相同的介电材料形成或可以由不同的介电材料形成。在一些实施例中，钝化层32包括氧化硅层和位于该氧化硅层上方的氮化硅层。钝化层32是图案化的，从而使得钝化层32的一部分覆盖着铝焊盘31的边缘部分，而且铝焊盘31的中心部分被钝化层32中的开口暴露出来。整个铝焊盘31被钝化层32所覆盖。钝化层32还可以包括与金属焊盘30齐平的部分。

参考图3，聚合物层36形成在钝化层32上方。聚合物层36可以包括选自于聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)和/或类似的。形成方法可以包括例如，旋涂。可以液态形式分配聚合物层36，然后将其固化。

聚合物层36被图案化从而形成开口38和40。开口40与铝焊盘31的一部分相对齐，其中，铝焊盘31通过开口40暴露出来。开口38重叠在铝焊盘30上。在一些实施例中，开口38具有与铝焊盘30、金属焊盘130和/或金属焊盘230的俯视尺寸和俯视形状类似的俯视尺寸和俯视形状。通过开口28暴露出钝化层32。在一些实施例中，使用钝化层32作为蚀刻停止层来图案化聚合物层36。在聚合物层36由光敏材料形成的实施例中，通过暴露于穿透光刻掩模(未示出)的光来图案化聚合物层36。暴露的聚合物层36随后显影形成开口38和40。

图4示出了PPI42和44的形成，由于是它们在形成钝化层32之后形成的，所以才被命名为PPI42和PPI44。在一些实施例中，PPI42和PPI44的形成包括沉积晶种层(未示出)，在晶种层上方形成图案化掩模，以及在晶种层上方镀上金属材料(未示出)。然后去除掩模层，并且去除晶种层被掩模层所覆盖的部分。晶种层的剩余部分和金属材料形成PPI42和44。

PPI42包括位于开口38(图3)中的部分42A和位于聚合物层36上方的部分42B。PPI部分42A，金属焊盘30以及在它们两个之间的钝化层32的部分32A组合形成电容器46，其中，PPI部分42A作为电容器46的顶部电容器电极，金属焊盘30作为电容器46的底部电容器电极，而钝化部分32A作为电容器绝缘体。

PPI44包括PPI线44A和PPI焊盘44B，PPI焊盘宽于PPI线44A(在俯视图中)。PPI44另外包括延伸到开口40(图3)中从而与铝焊盘31电连接的部分44C。

图5示出了聚合物层48和凸块下金属层(UBM)50的形成。首先，聚合物层48形成在图4的结构上。聚合物层48可以由选自于与形成聚合物层36的备选材料所构成的组相同的组中的材料形成。例如，聚合物层48可以包括聚酰亚胺或其他聚合物基材料，诸如，PBO、BCB或类似的。可以使用旋涂来形成聚合物层48。

然后，形成UBM层50。在一些实施例中，UBM层50包括阻挡层和位于阻挡层上方的晶种层(未示出)。UBM层50延伸到聚合物层48中的开口，并且与PPI44电连接且可以与其物理接触。阻挡层可以是钛层，氮化钛层，钽层，氮化钽层或由钛合金或钽合金所形成的层。晶种层的材料可以包括铜或铜合金。可以使用PVD或其他适用的方法来形成UBM层50。在一些实施例中，整个PPI42被聚合物层48所覆盖。可选地，可以形成与UBM50类似的UBM和与连接件52类似的连接件从而电连接PPI42。

进一步参考图5，形成了连接件52。在一些实施例中，连接件52是金属区域，该金属区域可以是设置在UBM层50上的金属球(诸如，焊料球或铜球)或是通过电镀形成在UBM层50上的金属柱。然后，可以使该金属区域经历回焊工艺且形成金属球52。在可选的实施例中，连接件52包括金属柱，该金属柱可以使铜柱。也可以在金属柱上形成其他层，诸如，镍层、焊料盖、钯层等。

在一些实施例中，如图5中所示，电容器46的顶部电极42A设置(land)在钝化层32的顶面上。因此，电容器46的电容器绝缘体的厚度基本上等于钝化层32的厚度。在可选的实施例中，如图6中所示，顶部电极42A向下延伸到钝化层32中且由此使得电容器46的电容器绝缘体的厚度小于钝化层32的厚度。因此，电容器46的电容增加。在一些实施例中，钝化层32包括多个子层，这些子层由不同的介电材料所形成。顶部电极42A可以放置在下子层上，同时穿透上子层。例如，如图6中所示，钝化层32包括下子层32A和位于下子层32A上方的上子层32B。下子层32A可以包括氧化硅，而上子层32B可以包括氮化硅。在这些实施例中，顶部电极42A可以穿透上子层32B从而接触到下子层32A的上表面。在图6的结构的形成中，下子层32A可以被作为图案化上子层32B时所用的蚀刻停止层。

在一些实施例中，如图5和图6所示，电容器46的底部电极包括多个金属焊盘，这些金属焊盘可以包括一个或多个铝焊盘30，顶部金属层Mtop中的金属焊盘130，以及金属层Mtop-1中的可能的金属焊盘230。多个金属焊盘通过通孔26和29相互连从而形成集成的底部电容器电极。通过使用多个金属焊盘来形成底部电极改善了所得到的电容器46的电性能，尤其是对于高频应用而言。在可选的实施例中，如图7所示，电容器46的底部电极不包括铝焊盘30。因此，金属焊盘130和/或230形成了底部电容器电极。这些实施例中的电容器绝缘体因此包括这些实施例中的钝化层28和32两者。

图8示出了PPI42和电容器46的俯视图。在一些实施例中，PPI42的部分42B(下文中也被称为PPI线)具有宽度W1，而顶部电极42A和底部电极30/130/230具有宽度W2，其中，在垂直于PPI42B的纵向方向的方向上测量宽度W1和W2。比值W1/W2可以大于2，大于5或大于10。

图9示出了晶圆100的一部分的俯视图，在该部分中包括芯片200。芯片200通过划片槽202彼此间隔开，在接下来的管芯切锯工艺中将锯开划片槽来将芯片200彼此分开。一些电容器46可以形成在划片槽202中。因此，通过探测电容器46的电容值可以监测制造工艺。例如，通过测量这些电容器46的电容值可以检测其厚度对电容值有影响的钝化层32和聚合物层48的一致性。一些电容器46可以形成在芯片200内且被使用在RF应用，移动应用等中。

根据实施例的电容器不会产生附加工艺费用。例如，参考图2，可以通过更改用于图案化钝化层32的光刻掩模来形成电容器绝缘体，并且由此不包括任何附加费用。

根据一些实施例，一种器件包括金属焊盘和具有与金属焊盘重叠的部分的钝化层。电容器包括位于钝化层下方的底部电容器电极，其中，该底部电容器包括金属焊盘。电容器另外包括位于部分钝化层上方的顶部电容器电极；以及包括部分钝化层的电容器绝缘体。

根据其他实施例中，一种器件包括多个低k介电层，位于多个低k介电层上方的金属焊盘，以及包括与金属焊盘重叠的部分的钝化层，其中，钝化层包括非低k介电材料。聚合物层形成在钝化层上方。聚合物层形成在钝化物层上方。PPI机构包括位于聚合物层上方的第一部分以及穿透聚合物层从而接触钝化层的第二部分。第二部分与金属焊盘重叠从而与金属焊盘一起形成了电容器。与金属焊盘重叠的钝化层的部分被作为电容器的电容器绝缘体。

根据另外的其他实施例，一种方法包括在金属焊盘上方形成钝化层，其中，金属焊盘另外位于多个低k介电层上方。聚合物层形成在钝化层上方。图案化聚合物层从而形成开口，其中，该开口与金属焊盘重叠。然后形成PPI从而包括位于聚合物层上方的第一部分和开口中的第二部分。PPI的第二部分通过钝化层的一部分与金属焊盘间隔开。PPI的第二部分、钝化层的一部分以及金属焊盘分别形成了电容器的顶部电容器电极、电容器绝缘体和底部电容器电极。

尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。

Claims

1.一种器件，包括：

第一金属焊盘；

第一钝化层，包括与所述第一金属焊盘重叠的部分；以及

电容器，包括：

底部电容器电极，位于所述第一钝化层下方，所述底部电容器包括所述第一金属焊盘；

顶部电容器电极，位于所述第一钝化层的所述部分上方；和

电容器绝缘体，包括所述第一钝化层的所述部分。

2.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：

多个低k介电层，位于所述第一钝化层下方，所述第一钝化层包括非低k介电材料。

3.根据权利要求2所述的器件，进一步包括：第二钝化层，位于所述第一钝化层和所述第一金属焊盘下方，所述第二钝化层位于所述多个低k介电层上方并且包括非低k介电材料。

4.根据权利要求2所述的器件，其中，所述底部电容器电极进一步包括：

第二金属焊盘，位于所述低k介电层的最上层中，其中，所述第一金属焊盘与所述第二金属焊盘重叠；以及

通孔，位于所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘之间且互连所述第一金属焊盘和所述第二金属焊盘。

5.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：

附加金属焊盘，与所述第一金属焊盘齐平且由与所述第一金属焊盘相同的材料形成；

后钝化互连件(PPI)，位于所述附加金属焊盘上方且与所述附加金属焊盘相连接；以及

凸块下金属层(UBM)，位于所述PPI上方且与所述PPI相连接。

6.根据权利要求1所述的器件，进一步包括：

聚合物层，位于所述第一钝化层上方；以及

后钝化互连件(PPI)，包括位于所述聚合物层上方的第一部分和延伸到所述聚合物层中且与所述第一部分相连接的第二部分，其中，所述第二部分用作所述顶部电容器电极。

7.根据权利要求1所述的器件，其中，所述电容器位于半导体晶圆的划片槽中。

8.一种器件，包括：

多个低k介电层；

第一金属焊盘，位于所述多个低k介电层上方；

第一钝化层，包括与所述第一金属焊盘重叠的部分，所述钝化层包括非低k介电材料；

第一聚合物层，位于所述第一钝化层上方；以及

后钝化互连件(PPI)，包括：

第一部分，位于所述第一聚合物层上方；和

第二部分，穿透所述第一聚合物层以接触所述第一钝化层，所述第二部分与所述第一金属焊盘重叠以与所述第一金属焊盘一起形成电容器，并且所述第一钝化层与所述第一金属焊盘重叠的所述部分用作所述电容器的电容器绝缘体。

9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述第一钝化层包括下子层和位于所述下子层上方的上子层，所述下子层和所述上子层的材料不同，并且所述PPI的所述第二部分接触所述上子层的顶面。

10.一种方法，包括：

在第一金属焊盘上方形成钝化层，所述第一金属焊盘还位于多个低k介电层上方；

在所述第一钝化层上方形成第一聚合物层；

图案化所述第一聚合物层以形成开口，所述开口与所述第一金属焊盘重叠；以及

形成后钝化互连件(PPI)，所述PPI包括：

第一部分，位于所述第一聚合物层上方；和

第二部分，位于所述开口中，所述PPI的所述第二部分通过所述第一钝化层的部分与所述第一金属焊盘间隔开，并且所述PPI的第二部分、所述第一钝化层的所述部分和所述金属焊盘分别形成所述电容器的顶部电容器电极、电容器绝缘体和底部电容器电极。