JP6548825B2 - 半田パッド、半田パッドを含む半導体チップ及びその形成方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０１５年１２月２９日に中華人民共和国の国家知的所有権庁に出願された「半導体チップ及びその形成方法（ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＣＨＩＰ ＡＮＤ ＦＯＲＭＩＮＧ ＭＥＴＨＯＤ ＴＨＥＲＥＦＯＲ）」と題する中国特許出願第２０１５１１００９４５０．８号明細書、及び２０１５年１２月２９日に中華人民共和国の国家知的所有権庁に出願された「半導体チップ（ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＣＨＩＰ）」と題する中国特許出願第２０１５２１１１６２３４．９号明細書の優先権を主張するものであり、この両者の全体を参照により本明細書に援用する。

本開示は半導体チップの技術分野に関し、特に半導体チップ製造の分野に関係する。

レーザ穴あけ技術は半導体分野、特に半導体チップパッケージングの分野で広く使用されている。

図１及び図２を参照すると、図１はウェハレベル半導体チップの概略構造図であり、図２は半導体チップパッケージの概略構造図である。図１では、ウェハ１００にはアレイ状に配列された複数の半導体チップ２０１が含まれる。隣接する半導体チップ２０１の間には切断溝が設けられる。ウェハレベルのパッケージングと試験が完了すると、半導体チップ２０１は切断溝領域に沿って相互に分離される。各半導体チップ２０１には、集積回路と集積回路へ電気的に接続された複数のコンタクトパッドが含まれる。コンタクトパッドは外部回路と電気的に接続されるようになっている。

図２では、イメージセンシングチップが例として取り上げられている。保護層２０３が半導体チップ２０１の第１表面Ｉに配置される。コンタクトパッド２０２は保護層２０３内に位置する。光学デバイス層２０７は保護層２０３内の感光領域に対応する位置に配置される。隔壁２０５が保護基板２００内に配置される。半導体チップ２０１が保護基板２００に位置合わせして積層された後、光学デバイス層２０７は隔壁２０５で囲まれてできる空洞２０６内に配置される。

図２に示す構造において、コンタクトパッド２０２と外部回路とを電気的に接続するために、コンタクトパッド２０２を貫通するレーザ穴２０９がコンタクトパッド２０２上に形成される。そして半導体チップ２０１の第２表面ＩＩまで延在する金属配線層２１０がレーザ穴２０９内に形成される。次に金属配線層２１０に接続された半田ボール２１２が第２表面ＩＩ上に形成される。コンタクトパッド２０２は半田ボール２１２を介して外部回路と電気的に接続される。さらに、金属配線層２１０と半導体チップ２０１内の他の回路との相互干渉を防止するために、絶縁層２０８ａと絶縁層２１１が半導体チップ２０１上に形成されて、金属配線層を他の回路から分離する。

従来技術においては、コンタクトパッドは通常、多層構造、すなわち少なくとも２つの金属層と隣接する金属層間の誘電体層とを含む多層構造を有する。コンタクトパッドの構造と材料は、レーザ穴あきの品質と難度とに直接影響を与える。したがって、当業者が解決すべき技術課題は、コンタクトパッド用レーザ穴あけの品質をどのように向上させ、かつレーザ穴あけの難度をどのように低減するかということにある。

本開示によれば新構造を有するコンタクトパッドが考案され、これによりコンタクトパッド用のレーザ穴あけの品質が向上し、かつレーザ穴あけの難度が低減される。

本開示の一態様ではコンタクトパッドが提供され、コンタクトパッドには少なくとも２つの金属層と、隣接する金属層の間に位置する誘電体層が含まれる。コンタクトパッド上にレーザ穴あけ領域が配置され、誘電体層のレーザ穴あけ領域に対応する位置に開口が配置され、開口に金属プラグが配置され、かつ金属プラグの両端はそれぞれ隣接する金属層に接触している。

所望により、金属プラグには、金属層に接触する開口の底部と開口の側壁に形成されたバリヤ層と、バリヤ層上に位置する拡散バリヤ層と、拡散バリヤ層上に位置して開口を充填するフィラー金属とが含まれる。

所望により、フィラー金属はタングステンで作られ、バリヤ層はチタンで作られ、かつ拡散バリヤ層は窒化チタンで作られている。

所望により、誘電体層に開口の位置とは異なる領域に少なくとも１つの開口がさらに備えられて、少なくとも１つの開口内に導電性プラグが形成され、かつ導電性プラグの両端がそれぞれに隣接する金属層に電気的に接続されている。

所望により、導電性プラグ及び金属プラグは、同一材料から作られかつ同一構造を有する。

所望により、金属層は、コンタクトパッドの保護層又は誘電体層に密着して一体化されたバリヤ層を備え、中間金属層がバリヤ層に接合され、かつ反射防止層が中間金属層上に成膜されている。

所望により、バリヤ層はチタンで作られ、中間金属層はアルミニウム−銅合金で作られ、かつ反射防止層は窒化チタンで作られている。

所望により、レーザ穴あけ領域にレーザ穴が配置され、かつレーザ穴は金属層と金属プラグを順次貫通している。

本開示の別の態様では、上記のコンタクトパッドを含む半導体チップが提供される。

本開示の別の態様では、半導体チップのコンタクトパッドを形成する方法が提供される。この方法は、（ａ）金属層を形成するステップと、（ｂ）金属層上に誘電体層を形成するステップと、（ｃ）誘電体層に金属プラグを形成するステップであって、金属プラグがレーザ穴あけ領域に位置するステップと、（ｄ）金属層上に別の金属層を形成するステップと、を含む。

所望により、誘電体層内に金属プラグを形成するステップは、エッチング工程を用いて誘電体層に開口を形成するステップと、成膜工程を用いて開口の底部と開口の側壁にバリヤ層を形成するステップと、成膜工程を用いてバリヤ層上に拡散バリヤ層を形成するステップと、成膜工程を用いて拡散バリヤ層の開口を充填するフィラー金属を形成するステップと、を含む。

所望により、フィラー金属はタングステンで作られ、バリヤ層はチタンで作られ、かつ拡散バリヤ層は窒化チタンで作られる。

所望により、この方法はさらに、開口の位置とは別の領域に少なくとも１つの開口を配置して、その少なくとも１つの開口内に導電性プラグを形成するステップをさらに含む。ここで、導電性プラグの両端は、隣接する金属層にそれぞれ電気的に接続される。

所望により、導電性プラグと金属プラグは同一の材料と方法で形成される。

所望により、金属層を形成するステップは、成膜工程を用いてコンタクトパッドの保護層又は誘電体層にバリヤ層を成膜するステップと、成膜工程を用いてバリヤ層上に中間金属層を成膜するステップと、成膜工程を用いて中間金属層上に反射防止層を成膜するステップと、ホトレジストを用いてシリコンウェハをインプリントし、エッチング工程を実行することによってコンタクトパッドと同一形状を有する金属層を形成するステップと、を含む。

所望により、バリヤ層はチタンで作られ、中間金属層はアルミニウム−銅合金で作られ、かつ反射防止層は窒化チタンで作られる。

所望により、金属層と金属プラグを順次貫通するレーザ穴が、コンタクトパッドのレーザ穴あけ領域に形成される。

所望により、前記ステップ（ｂ）からステップ（ｄ）が複数の金属層と誘電体層を形成するために反復実行される。本開示の有益な効果は、コンタクトパッド用のレーザ穴あけの品質が改善され、かつレーザ穴あけの難度が低減されることである。レーザは金属材料に作用し、誘電体層への接触が防止される。したがって誘電体層の熱変形が効果的に防止可能であり、かつレーザ穴の内壁でのクラック発生が防止可能である。さらに、レーザ穴の側壁全体が金属製であるので、コンタクトパッドの電気伝導性が改善される。

従来技術によるウェハの概略構造図である。 従来技術によるイメージセンシングチップのパッケージの概略図である。 本開示の好適な実施形態による半導体チップの概略構造図である。 本開示の好適な実施形態による半導体チップの断面図である。 本開示の好適な実施形態によるコンタクトパッドの断面図である。 本開示の好適な実施形態による金属層の概略構造図である。 本開示の好適な実施形態による誘電体層に配置される金属プラグの概略構造図である。

本開示の特定の実施形態を添付の図面を参照して以下で詳細に説明する。ただし、この実施形態は本開示を制限することを意図するものではない。これらの実施形態を基に、当業者によりなされる構造、方法および機能に対するいかなる修正も、本開示の保護範囲内にある。

これらの図面は本開示の実施形態の理解を助けるために提供されるものであり、本開示を制限するものと見なすべきではないことに留意されたい。なお、明瞭とするために図に表示された寸法は縮尺通りではなく、拡大、縮小あるいはその他の形で変更されている場合がある。

図３Ａと図３Ｂを参照すると、半導体チップ３０１には、集積回路（図３Ａには図示せず）と、その集積回路に電気的に接続された複数のコンタクトパッド３１とが含まれている。コンタクトパッド３１は外部回路と電気的に接続されるようになっている。集積回路の構造及び機能は本開示では限定されず、本明細書では集積回路を広範囲に説明する。すなわち、いわゆる集積回路とは、何らかの機能を有し、かつ抵抗、コンデンサ、トランジスタなどの複数の一般的に使用される電子要素、及び電子要素間の接続配線を半導体プロセスによって集積して形成した回路である。保護層３２は半導体チップ３０１の表面上に配置され、コンタクトパッド３１は保護層３２内に配置される。

レーザ穴あけ領域３１０はコンタクトパッド３１上に配置され、後続するレーザ穴あけの工程において、レーザ穴３２０がレーザ穴あけ領域内に配置され、かつレーザ穴あけ領域の面積がレーザ穴の面積より大きい。レーザ穴あけの操作を簡単にし、かつレーザ穴あけ領域へのレーザ穴の位置決めを容易にするために、レーザ穴あけ領域はコンタクトパッド３１の中心に配置される。こうして、レーザ穴あけ操作が、レーザのアライメントマークを追加的に設けることなしに、レーザビームをコンタクトパッド３１の中心に位置合わせするだけで実行される。

この実施形態において、レーザ穴あけ領域３１０の形状は正方形である。レーザ穴あけ領域３１０の形状は本開示に限定されるものではない。レーザ穴がレーザ穴あけ領域内に位置し、かつレーザ穴の側壁とレーザ穴あけ領域３１０の側端との間に間隔がある限りは、レーザ穴あけ領域３１０の形状は円形であってもよい。

図４はコンタクトパッド３１の断面図である。この実施形態では、コンタクトパッド３１が４つの金属層を含む。すなわち第１金属層３１１、第２金属層３１２、第３金属層３１３及び第４金属層３１４である。第１誘電体層３１５が第１金属層３１１と第２金属層３１２の間に設けられ、第２誘電体層３１６が第２金属層３１２と第３金属層３１３の間に設けられ、第３誘電体層３１７が第３金属層３１３と第４金属層３１４の間に設けられる。

各誘電体層内のレーザ穴あけ領域３１０に対応する位置に開口が配置され、金属プラグがその開口内に配置される。図４では、第１金属プラグ３２５、第２金属プラグ３２６及び第３金属プラグ３２７が誘電体層の開口に配置される。各金属プラグの両端は、それぞれが隣接する金属層に接触している。つまり第１金属プラグ３２５の両端は第１金属層３１１と第２金属層３１２にそれぞれ接触しており、第２金属プラグ３２６の両端は第２金属層３１２と第３金属層３１３にそれぞれ接触しており、第３金属プラグ３２７の両端は第３金属層３１３と第４金属層３１４にそれぞれ接触している。

後続のレーザ穴あけ工程において、コンタクトパッド３１のレーザ穴あけ領域３１０にコンタクトパッド３１を貫通するレーザ穴３２０が形成される。図４ではレーザ穴３２０は、第４金属層３１４、第３金属プラグ３２７、第３金属層３１３、第２金属プラグ３２６、第２金属層３１２、第１金属プラグ３２５、第１金属層３１１を順次貫通する。

金属層同士の間の電気接触の安定性を改善するために、誘電体層のこの開口位置以外の領域に少なくとも１つの開口がさらに配置されて、その少なくとも１つの開口に導電性プラグ３３０が設けられる。導電性プラグ３３０の両端は、それぞれ隣接する金属層に電気的に接続される。

この工程の簡略性と便宜性を改良するために、金属プラグと導電性プラグは同時に作製可能である。

コンタクトパッド３１はウェハレベル工程で形成される。

第１に、第１金属層３１１が形成され、そして第１金属層３１１上に第１誘電体層３１５が形成される。第２に、第１金属プラグ３２５と少なくとも１つの導電性プラグ３３０が第１誘電体層３１５内に形成される。次に、第２金属層３１２が第１誘電体層３１５上に形成される。上記のステップが繰り返し実行されて、最終的に図４に示すようなコンタクトパッド構造が形成される。

金属層は多層構造を有する。図５では第２金属層３１２を例示している。そして第２金属層３１２の作製工程は以下の４つのステップを含む。
（１）第１誘電体層３１５上にバリヤ層３１２１を成膜するステップ。ここでバリヤ層３１２１はチタンで作られ、このバリヤ層３１２１は第１誘電体層３１５に密着して一体化される。
（２）バリヤ層３１２１上に中間金属層３１２２を成膜するステップ。ここで中間金属層３１２２はアルミニウム−銅合金で作られ、バリヤ層３１２１は中間金属層に十分接合される。
（３）アルミニウム−銅合金層３１１２上に反射防止層３１２３を成膜するステップ。ここで反射防止層３１２３は窒化チタンで作られ、かつ反射防止層３１２３はエッチング工程における反射防止層として作用する。
（４）ホトレジストを用いてシリコンウェハをインプリントし、エッチング工程を実行することによりコンタクトパッドと同一形状を有する第２金属層３１２を形成するステップ。

第１金属層３１１に関しては、バリヤ層がコンタクトパッドの保護層３２上に成膜される。

図６では第２金属プラグ３２６を例示している。そして第２金属プラグ３２６の作製工程は以下の６つのステップを含む。
（１）第２金属層３１２の形成後に第２金属層３１２上に第２誘電体層３１６を形成するステップ。ここで第２誘電体層３１６は酸化シリコン又は窒化シリコンで作られてよい。
（２）第２誘電体層３１６をエッチングして誘電体層３１６に開口を形成するステップ。ここで第２金属層３１２はこの開口の底部に露出される。
（３）開口の底部および側壁にバリヤ層３１６２を成膜するステップ。ここでバリヤ層３１６２はチタンで作られる。
（４）バリヤ層３１６２の上に拡散バリヤ層３１６３を成膜するステップ。ここで拡散バリヤ層は窒化チタンで作られる。
（５）開口を充填するフィラー金属３１６４を開口内に成膜するステップ。この実施形態ではフィラー金属３１６４は、空洞無しで開口を充填可能でありかつ良好な研削、研磨特性を有するタングステンで作られ、バリヤ層３１６２がフィラー金属３１６４と第２誘電体層３１６の間の接着剤の役割をし、拡散バリヤ層３１６３はフィラー金属３１６４の拡散阻止のために使用される。
（６）フィラー金属３１６４を研削および研磨して、フィラー金属３１６４の高さを第２誘電体層３１６の表面と同じ高さとするステップ。

導電性プラグ３３０の作製工程は第２金属プラグ３２６の作製工程と同じであり、ここでは説明を繰り返さない。

本開示におけるレーザ穴あけ領域３１０の構造の特別の設計に基づき、コンタクトパッドのためのレーザ穴あけの品質が改善され、かつレーザ穴あけの難度が低減される。レーザは金属材料に作用して誘電体層への接触が防止され、誘電体層の熱変形が効果的に防止でき、かつレーザ穴の内壁でのクラック発生が防止できる。さらに、レーザ穴の側壁全体が金属製であるので、コンタクトパッドの電気伝導性が改善される。

本明細書は実施形態に従って記載されているが、各実施形態が必ずしも１つの独立した技術解決策を含む訳ではないことを理解されたい。本明細書の記述は単に明確化を期すためのものであって、当業者は明細書を全体的に捉えるべきであり、当業者であれば理解できるように、実施形態の技術的解決策を適切に組合せて他の実施形態を形成することも可能である。

これまでに述べた一連の詳細な説明は、本開示の実現可能な実施形態を説明しただけであり、本開示の保護範囲の制限を意図するものではない。本開示の技術的趣旨から逸脱することなしになされる任意の等価な実施形態又は修正は、本開示の保護範囲内に当然含まれる。

Claims (14)

1. 少なくとも２つの金属層と、
   隣接する金属層の間に位置する誘電体層と、
   を備えるコンタクトパッドであって、
   前記コンタクトパッド上にレーザ穴あけ領域が配置され、前記レーザ穴あけ領域に対応する前記誘電体層の位置に開口が配置され、前記開口に金属プラグが配置され、かつ前記金属プラグの両端はそれぞれ隣接する金属層に接触しているとともに、
   前記金属プラグは、
   前記金属層に接触する前記開口の底部と前記開口の側壁に形成されたバリヤ層と、
   前記バリヤ層上に位置する拡散バリヤ層と、
   前記拡散バリヤ層上に位置して前記開口を充填するフィラー金属と、
   を備え
   前記レーザ穴あけ領域にレーザ穴が配置され、かつ前記レーザ穴は前記金属層と前記金属プラグを順次貫通している、
   コンタクトパッド。
2. 前記フィラー金属はタングステンで作られ、前記バリヤ層はチタンで作られ、かつ前記拡散バリヤ層は窒化チタンで作られている、請求項１に記載のコンタクトパッド。
3. 前記誘電体層内に前記開口の位置とは異なる領域に少なくとも１つの開口をさらに備え、前記少なくとも１つの開口内に導電性プラグが形成され、かつ前記導電性プラグの両端が隣接する金属層にそれぞれ電気的に接続されている、請求項２に記載のコンタクトパッド。
4. 前記導電性プラグ及び前記金属プラグは、同一材料から作られかつ同一構造を有する、請求項３に記載のコンタクトパッド。
5. 前記金属層は、前記コンタクトパッドの保護層又は誘電体層に密着して一体化されたバリヤ層を備え、中間金属層が前記バリヤ層に接合され、かつ反射防止層が前記中間金属層に成膜されている、請求項１に記載のコンタクトパッド。
6. 前記バリヤ層はチタンで作られ、前記中間金属層はアルミニウム−銅合金で作られ、かつ前記反射防止層は窒化チタンで作られている、請求項５に記載のコンタクトパッド。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のコンタクトパッドを有する、半導体チップ。
8. 半導体チップのコンタクトパッドを形成する方法であって、
   （ａ）金属層を形成するステップと、
   （ｂ）前記金属層上に誘電体層を形成するステップと、
   （ｃ）前記誘電体層内に金属プラグを形成するステップであって、前記金属プラグはレーザ穴あけ領域内に位置するステップと、
   （ｄ）前記誘電体層上に別の金属層を形成するステップと、
   を含み、
   前記誘電体層内に前記金属プラグを形成するステップが、
   エッチング工程を用いて前記誘電体層に開口を形成するステップと、
   成膜工程を用いて前記開口の底部と前記開口の側壁にバリヤ層を形成するステップと、
   前記成膜工程を用いて前記バリヤ層上に拡散バリヤ層を形成するステップと、
   前記成膜工程を用いて前記拡散バリヤ層の前記開口を充填するフィラー金属を形成するステップと、を含み、
   前記金属層と前記金属プラグを順次貫通するレーザ穴は、前記コンタクトパッドの前記レーザ穴あけ領域に形成される、
   コンタクトパッドの形成方法。
9. 前記フィラー金属はタングステンで作られ、前記バリヤ層はチタンで作られ、かつ前記拡散バリヤ層は窒化チタンで作られる、請求項８に記載のコンタクトパッドの形成方法。
10. 前記開口の位置とは別の領域に少なくとも１つの開口を配置し、前記少なくとも１つの開口内に導電性プラグを形成するステップをさらに含み、
    前記導電性プラグの両端は、隣接する金属層にそれぞれ電気的に接続される、請求項９に記載のコンタクトパッドの形成方法。
11. 前記導電性プラグと前記金属プラグは同一の材料と方法で形成される、請求項１０に記載のコンタクトパッドの形成方法。
12. 前記金属層の形成ステップは、
    成膜工程を用いて前記コンタクトパッドの保護層又は前記誘電体層にバリヤ層を成膜するステップと、
    前記成膜工程を用いて前記バリヤ層上に中間金属層を成膜するステップと、
    前記成膜工程を用いて前記中間金属層上に反射防止層を成膜するステップと、
    ホトレジストを用いてシリコンウェハをインプリントし、エッチング工程を実行することによって前記コンタクトパッドと同一形状を有する金属層を形成するステップと、
    を含む、請求項８に記載のコンタクトパッドの形成方法。
13. 前記バリヤ層はチタンで作られ、前記中間金属層はアルミニウム−銅合金で作られ、かつ前記反射防止層は窒化チタンで作られる、請求項１２に記載のコンタクトパッドの形成方法。
14. 前記ステップ（ｂ）からステップ（ｄ）が複数の金属層と誘電体層を形成するために反復される、請求項８に記載のコンタクトパッドの形成方法。

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