具有传感器的集成电路和制造这种集成电路的方法
阅读：570发布：2023-02-03
专利汇可以提供具有传感器的集成电路和制造这种集成电路的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种集成 电路 ，包括：承载多个电路元件的衬底(10)；互连所述电路元件的 金属化 叠层(12，14，16)，所述金属化叠层包括包含第一金属部(20)的 图案化 上金属化层； 覆盖 金属化叠层的 钝化 叠层(24，26，28)；和 传感器 ，包括位于钝化叠层上的传感材料(40)，所述传感器通过延伸穿过钝化叠层的通路(34)连接至第一金属部。还公开了制造这种IC的方法。，下面是具有传感器的集成电路和制造这种集成电路的方法专利的具体信息内容。
1.一种集成电路，包括：
承载多个电路元件的衬底(10)；
互连所述电路元件的金属化叠层(12，14，16)，所述金属化叠层包括图案化上金属化层，所述图案化上金属化层包括第一金属部(20)和键合焊盘部(20’，22)；
覆盖金属化叠层的钝化叠层(24，26，28)，所述钝化叠层(24，26，28)包括至少部分地露出键合焊盘部(22)的开口(38)和围绕所述开口的不透湿气保护环(34’)，所述保护环延伸到键合焊盘部(22)上；和
传感器，包括位于钝化叠层上的传感材料(40)，所述传感器通过延伸穿过钝化叠层的通路(34)连接至第一金属部。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其中传感器还包括位于钝化叠层(24，26，28)上的电极(54)，所述电极电连接至所述通路(34)。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述通路(34)包括钨。
4.根据权利要求1所述的集成电路，还包括位于所述钝化叠层(24，26，28)上的键合焊盘(56)，所述键合焊盘通过延伸穿过钝化叠层的另一个通路(34)电连接至键合焊盘部(20’)。
5.根据权利要求1所述的集成电路，其中传感器还包括位于钝化叠层(24，26，28)上的第二电极(54)，其中上金属化层包括通过延伸穿过钝化层的第二通路电连接至第二电极的第二金属部(20)，第一电极和第二电极通过传感材料(40)彼此电绝缘，并且其中传感材料具有根据相对湿度而变化的可变介电常数。
6.根据权利要求1所述的集成电路，其中钝化叠层包括Ta2O5层(42)，所述传感材料(40)形成在所述Ta2O5层上。
7.一种制造集成电路的方法，包括：
提供承载多个电路元件的衬底(10)；
形成互连所述电路元件的金属化叠层(12，14，16)，所述金属化叠层包括图案化上金属化层，所述图案化上金属化层包括第一金属部(20)和键合焊盘部(20’，22)；
形成覆盖金属化叠层的钝化叠层(24，26，28)；
在钝化叠层中形成沟槽(32)以露出第一金属部，形成至少部分地露出所述键合焊盘部的开口，形成围绕所述开口的不透湿气保护环，所述保护环延伸到键合焊盘部上；
在所述沟槽中形成通路(34)；以及
在所述通路上方形成包括位于钝化叠层上的传感材料(40)的传感器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中形成所述传感器的步骤包括在钝化叠层上形成第一电极(54)，其中第一电极电连接至所述通路(34)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中：
图案化上金属化层包括第二金属部(20)；
形成所述沟槽(32)的步骤还包括形成露出第二金属部的另一沟槽；
形成所述通路(34)的步骤还包括在所述另一沟槽中形成第二通路；以及形成所述传感器的步骤还包括在钝化叠层(24，26，28)上形成第二电极，第二电极通过传感材料(40)与第一电极电绝缘，其中第二电极电连接至第二通路。
10.根据权利要求7所述的方法，还包括：在所述开口中形成另一通路，以及在钝化叠层(24，26，28)上形成电连接至所述另一通路的键合焊盘(56)。
具有传感器的集成电路和制造这种集成电路的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种集成电路(IC)，包括：承载多个电路元件的衬底；互连所述电路元件的金属化叠层，所述金属化叠层包括图案化上金属化层，该图案化上金属化层包括第一金属部；覆盖金属化叠层的钝化叠层；以及传感器。
[0002] 本发明还涉及制造这种IC的方法。
背景技术
[0003] 如今，集成电路(IC)可以包括湿敏传感器，如相对湿度(RH)传感器或浸液检测传感器。由于多种原因，这种传感器可以包括在IC设计中。
[0004] 例如，这种传感器可以包括在IC中，以确定如已经返回其制造厂商的故障IC是否由于暴露至湿气，如浸水事件，而已经损坏，或者确定IC本身是否存在故障。这种作为故障原因的外部影响的确定对于确定将IC或包括该IC的电子装置返回的消费者是否有权利对该装置要求保修主张来说可能是至关重要的，因为诸如前述浸水事件之类的误用通常使保修无效。
[0005] 可替换地，这种传感器可以为IC功能性的一部分。例如，存在提供近场通信IC的趋势，这种近场通信IC如具有各种传感器的射频(RF)识别(ID)芯片，传感器如温度传感器、环境光传感器、机械冲击传感器、浸液传感器、湿度传感器、CO2传感器、O2传感器、pH传感器和乙烯传感器，其例如可以用来监控贴有该芯片的产品的环境条件，以便能够通过监控芯片的传感器读数实现产品质量控制。
[0006] 特别吸引人的是将这些传感器中的至少一些集成在IC制造工艺的后端，如集成在金属化叠层中，因为这便于经济划算地达成这种集成，这归功于可以以对工艺流程的变更最少的方式实现这种集成。
[0007] 然而，IC设计者在将多个传感器集成在金属化叠层中时所面临的一个挑战是环境传感器必须与环境连通接触。这增加了湿气渗透金属化叠层并干扰IC的下层电路元件正确操作的风险。为此，诸如Ta2O5层的湿气阻挡层或钝化层可以沉积在金属化叠层上方以避免下层电路暴露至湿气。不幸的是，当在金属化层中集成具有不同功能的多个传感器时，总是不能避免这种阻挡层的部分去除。
[0008] 在图1中示出了这种多传感器IC的示例，其中具有换能器(transducer)122的环境传感器120和冲击传感器140形成在IC的金属化叠层的顶部金属层中，为清楚起见，顶部金属层的多个下层由单层100示意性地说明。这种顶部金属化层例如可以包括金属层叠层，诸如夹在TiTiN层102和106之间的AlCu层104。同样，仅以举例的方式示出了键合焊盘160。
[0009] 钝化叠层包括诸如Ta2O5层之类的不透湿气层150、氧化物层112和氮化物层114，其覆盖IC并保护它免受损坏，如，避免湿气渗透到IC中并干扰有源电路的正确操作。然而，其中放置传感器140的空腔130的形成结果意味着已经破坏了不透湿气层150，因为这种空腔通常如下形成：在传感器140之上的氮化层114中设置多个开口116，并刻蚀掉围绕传感器140的氧化物112以及不透湿气层150，以形成空腔130。
[0010] 因此，由于环境传感器120必须暴露至环境，即对换能器122之上的钝化叠层进行开口，所以对湿气来说，存在通过该开口、在该开口中暴露的相对多孔的氧化物层112和空腔130而渗透到IC中的路径，如图1中的箭头所示。这当然是不想要的，因为如前所述，这种湿气渗透会不利地影响IC的操作。
[0011] US 4,057,823公开了一种环境传感器的示例，即一种用于相对湿度监测的结构，其可以构建在集成电路芯片中。通过阳极浸蚀法使硅芯片上的一小片区域成为多孔的。随后氧化该区域，并且在该多孔区域的一部分上沉积金属对电极(counter electrode)。由于对电极下的电介质中相对大的表面积和该结构的开放性，环境湿气会快速地扩散到电极下面的电介质中并吸附在二氧化硅表面上，以便通过该装置的电容或电导的可测量变化来反映环境湿度的变化。
[0012] 明显的是，由于多种原因(它们中的一些已经在上文提出)，存在将多种传感器集成在IC上的要求。然而，湿敏传感器的集成不是没有问题，因为证实至少难以以经济划算的方式防止IC的其它电路暴露至湿气。
发明内容
[0013] 本发明旨在提供包括传感器的IC，其不易遭受到湿气渗透金属化叠层的影响。
[0014] 本发明还旨在提供制造这种IC的方法。
[0015] 根据本发明的第一方面，提供了一种集成电路，包括：承载多个电路元件的衬底；互连所述电路元件的金属化叠层，所述金属化叠层包括包含第一金属部的图案化上金属化层；覆盖金属化叠层的钝化叠层；和传感器，包括位于钝化叠层上的传感材料，所述传感器通过延伸穿过钝化叠层的通路连接至第一金属部。
[0016] 本发明基于下述认识，即诸如湿敏材料之类的传感材料可以设置在钝化层的外侧，该传感材料通过金属化叠层和延伸穿过钝化叠层的至少一个通路(via)连接至下层电路元件。这种采用用于互连目的的通路(通路通常用于互连金属化叠层中的不同金属化层)的新颖方式确保了钝化层保持基本上不会透过湿气，从而防止下层金属化层和电路元件出现故障。
[0017] 优选地，传感器还包括位于钝化叠层上的电极，所述电极电连接至所述通路，因为这改善了传感器的灵敏度。
[0018] 在一种实施方式中，通路包括钨。这具有的优点是，可以采用IC制造工艺流程中已经可用的处理步骤来实现通路，因为钨常用于在金属化叠层中形成通路，例如在CMOS工艺中。
[0019] 在IC需要一个或多个键合焊盘的情况中，IC通常包括上金属化层中的键合焊盘部。通过包括至少部分地露出键合焊盘部的开口的钝化叠层，可以提供对该接触的访问。在该情况中，如下设置可能是有利的：钝化叠层还包括围绕所述开口的不透湿气保护环，所述保护环延伸到键合焊盘部上，以防止湿气通过所述开口渗透到金属化叠层。可替换地，该IC可以包括位于所述钝化叠层上的键合焊盘，所述键合焊盘通过延伸穿过钝化叠层的另一通路电连接至键合焊盘部，这具有的优点是，以经济划算的方式降低了湿气经由键合焊盘区域渗透的风险。
[0020] 在一种实施方式中，传感器还包括位于钝化叠层上的第二电极，其中上金属化层包括通过延伸穿过钝化层的第二通路电连接至第二电极的第二金属部，第一电极和第二电极通过传感材料彼此电绝缘，并且其中传感材料具有根据相对湿度而变化的可变介电常数。这便于以直接且经济划算的方式确定相对湿度，而不会明显地增加湿气渗透至该IC的风险。
[0021] 钝化叠层还可以包括Ta2O5层，所述传感材料形成在所述Ta2O5层上，由于Ta2O5的不透湿气特性，这进一步改善了IC的湿气防护。
[0022] 根据本发明的另一个方面，提供了一种制造集成电路的方法，包括：提供承载多个电路元件的衬底；形成互连所述电路元件的金属化叠层，所述金属化叠层包括包含第一金属部的图案化上金属化层；形成覆盖金属化叠层的钝化叠层；在钝化叠层中形成沟槽以露出第一金属部；在所述沟槽中形成通路；以及在所述通路上方形成包括位于钝化叠层上的传感材料的传感器。
[0023] 可以在大多数IC制造工艺中实现该方法，而不要求制造工艺的重大重新设计，从而可以以经济划算的方式提供扩展有传感器功能同时在湿气渗透方面耐用的IC。
[0024] 优选地，形成所述传感器的步骤包括在钝化叠层上形成第一电极，其中第一电极电连接至所述通路。这改善了传感器的灵敏度。
[0025] 图案化上金属化层可以包括第二金属部，形成所述沟槽的步骤还可以包括形成露出第二金属部的另一沟槽，形成所述通路的步骤还可以包括在所述另一沟槽中形成第二通路，形成所述传感器的步骤还可以包括在钝化叠层上形成第二电极，第二电极通过传感材料与第一电极电绝缘，其中第二电极电连接至第二通路。这允许在钝化叠层的顶部形成相对湿度传感器，使得钝化叠层不需要永久开口来向IC提供这种传感功能，从而保护IC免受不希望的湿气渗透到金属化叠层和下层电路元件中的影响。
[0026] 在一种实施方式中，上金属化层还包括键合焊盘部，并且其中该方法还包括在钝化叠层中形成至少部分地露出所述键合焊盘部的开口。优选地，该方法还包括在钝化叠层中形成围绕所述开口的不透湿气保护环，所述保护环延伸到键合焊盘部上，以便充分地保护开口不受湿气通过开口的侧壁渗透金属化叠层的影响。
[0028] 参照附图，通过非限制性示例更详细地描述本发明的实施方式，在附图中：
[0029] 图1示意性地图示了具有多个传感器的现有IC；
[0030] 图2示意性地图示了根据本发明实施方式的制造具有传感器的IC的方法；
[0031] 图3示意性地图示了根据本发明另一实施方式的具有传感器的IC；
[0032] 图4示意性地图示了根据本发明又一实施方式的制造具有传感器的IC的方法；
[0033] 图5示意性地图示了根据本发明又一实施方式的制造具有传感器的IC的方法；
[0034] 图6示意性地图示了根据本发明又一实施方式的具有传感器的IC；以及[0035] 图7示意性地图示了根据本发明又一实施方式的具有传感器的IC。
具体实施方式
[0036] 应当理解，附图仅仅是示意性的且未按比例绘制。还应当理解，相同的附图标记在整个附图中用来指示相同或相似的部件。
[0037] 图2示意性地图示了根据本发明实施方式的制造具有环境传感器(即，暴露至IC的环境中的传感器)的IC的方法的各个步骤，其中，实现了对防止湿气渗透到IC内部的保护改进。如步骤(a)所示，可以设置包括衬底10的IC，金属化叠层形成在衬底10上。这种金属化叠层通常包括通过电绝缘层即电介质层14彼此电绝缘的图案化金属层12的叠层。不同金属化层12中的金属部可以通过通路(via)16彼此电连接，通路16延伸穿过将这种金属部彼此隔开的电介质层14。衬底10可以为任何合适的衬底材料，如单晶Si、SiGe、绝缘体上硅等等，并且可以承载多个电路元件，如晶体管、二极管等等。
[0038] 同样地，金属化叠层可以以任何合适的方式形成，并且可以包括任何合适数量的金属层12和电介质层14。应当理解，示出了三个金属层仅作为非限制性示例。
[0039] 为清楚起见，每个金属层12和电介质层14在图2中图示为单层。应当认识到，这些层可以由多个堆叠的子层组成，例如亚微米CMOS工艺中，Ti、TiN、AlCu、TiN的叠层可以用来限定金属化叠层中的单个金属层。
[0040] 每个电介质层14还可以包括多于单个的层。例如，这种电介质层可以为包括FSG(氟硅酸盐玻璃)、SiO2和HDP氧化物(高密度等离子体)的叠层或任何其它适合的电介质材料组合。也可以使用其它合适的材料。
[0041] 类似地，将会明白，通路16可以由多于单种的材料形成。例如，在前述CMOS 14技术中，通路16可以由TiN衬层和W插塞形成。其它半导体工艺可以采用不同的材料，如铜，用于金属层12和通路16。
[0042] 在图2中，金属化叠层的上金属层包括电极部20和键合焊盘部22。在步骤(b)中，金属化叠层由钝化叠层覆盖，该步骤可以包括高密度等离子体氧化物24的沉积，之后是氧化物平坦化步骤，如化学机械抛光(CMP)步骤，此后可以沉积SiO2层26和Si3N4层28到任何合适的厚度。还可以想到用于钝化叠层的其它层材料。如何形成这种钝化叠层本身对于本领域技术人员而言是已知的，仅出于简要的原因而不对此进行详细说明。
[0043] 该方法如步骤(c)所示继续进行，在步骤(c)中，抗蚀剂30沉积在钝化叠层上，随后被图案化以露出钝化叠层在电极部20上方的部分。任何合适的抗蚀剂材料可以用于此目的，如负抗蚀剂或正抗蚀剂材料。所产生的结构随后经受刻蚀处理，如反应离子刻蚀(RIE)，以从电极部20上方选择性地去除钝化叠层的各层，使得该电极部通过沟槽32而露出，在此之后从图案化的钝化叠层上剥去图案化的抗蚀剂30。所产生的结构在步骤(d)中示出。
[0044] 随后如通过沉积TiN层，接着由钨填充沟槽32的剩余部分，来填充沟槽32，以形成延伸穿过钝化叠层的通路34，如步骤(e)中所示。可以采用如化学气相沉积(CVD)工艺由钨填充沟槽32。其它通路材料同样是可行的，如Cu通路，在Cu用作金属化叠层中的金属时Cu通路可能是有利的。
[0045] 接下来，抗蚀剂36涂敷到形成的结构上，如步骤(f)中所示，以露出键合焊盘部22，同时保护IC的其余部分。抗蚀剂36可以为与用于抗蚀剂30的材料相同的材料，但是采用不同的抗蚀剂材料同样是可行的。可以采用刻蚀步骤，如在诸如Al之类的键合焊盘金属上停止的反应离子刻蚀，以去除由图案化的抗蚀剂36暴露的区域中的钝化叠层，此后可以以任何适合的方式从钝化叠层上剥去抗蚀剂36。所产生的结构包括键合焊盘部22上方的开口38，其在步骤(g)中示出。
[0046] 现在可以通过在穿通钝化通路34上沉积如旋涂传感材料40以及随后对其显影，从而使金属化叠层中的电极20具有功能，来完成该IC的传感器。这在步骤(h)中示出。例如，在相对湿度传感器的情况中，传感材料40可以为能够吸收湿气的材料，湿气引起传感材料的介电常数的变化，从而可以电容性地确定湿气含量。传感材料40的适合实施方式的非限制性示例为聚酰亚胺。
[0047] 在替换实施方式中，如在图2的步骤(d)和(e)中示出的沟槽32的形成和随后通路34的形成可以扩展为包括圆形或任何其它适合形状的通路的形成，如穿过钝化叠层的保护环34’，其在键合焊盘上终止并围绕开口38，从而防止金属化叠层通过开口38的侧壁与环境接触。随后可以如图2所示继续该方法。所产生的IC在图3中示出。
[0048] 图4示出了本发明方法的替换实施方式，其共用了图2中示出的实施方式的步骤(a)-(e)。因此为简要起见，未在图4中示出这些步骤。在形成穿通钝化通路34和随后如通过CMP进行平坦化之后，通过在所产生的结构上沉积Ta2O5层42，来扩展钝化叠层，如图4的步骤(a)所示。已知该氧化物是不透湿气的，从而提供对如通过穿通钝化通路34中裂缝的湿气渗透的附加防护。由于Ta2O5是所谓的高-k电介质材料，当涂敷典型厚度的Ta2O5层42时，它在传感材料40下面的存在仅使环境传感器的灵敏度降低较小的量，如在示出的结构中，对于25nm厚度的Ta2O5层，灵敏度降低5-10％。
[0049] 在形成Ta2O5层之后，该IC可以以类似于图2中示出的方法完成，即通过提供图案化的抗蚀剂36以限定键合焊盘开口(图4的步骤(b))，如通过RIE露出键合焊盘22(图4的步骤(c))，并将传感材料40涂覆在穿通钝化通路34上(图4的步骤(d))，所做的改变是，开口38的形成现在包括从键合焊盘22上方去除额外的Ta2O5层。注意，虽然未在图4中明确示出，本发明的该实施方式还可以包括围绕键合焊盘22的保护环34’。
[0050] 为了增强传感器的灵敏度，本发明的另一种示例性实施方式包括在钝化叠层上设置一个或多个电极，使得钝化叠层位于这些电极和金属化叠层之间。这在图5中示出，其中承载金属化叠层和钝化叠层的衬底在步骤(a)中示出。金属化叠层包括金属化叠层的上金属化层中的电极部20和键合焊盘部20’。钝化叠层包括高密度等离子体氧化物层24、SiO2层26和作为防刮层的Si3N4层，这仅仅是非限制性示例。本领域技术人员清楚其它层(如，如图4中所示的Ta2O5层42)和/或不同层材料的使用。在接下来的步骤中，如步骤(b)所示，抗蚀剂30被沉积并被图案化，以便露出上金属化层中的电极部20和键合焊盘部20’上方的钝化叠层区域。抗蚀剂30可以为如前所述的任何适合材料。
[0051] 所产生的结构经受钝化叠层刻蚀处理，如RIE，以在钝化叠层中开口，如步骤(c)所示。刻蚀在上金属化层中的电极部20和键合焊盘部20’上终止，使得这些部分通过在刻蚀步骤中形成的沟槽32而露出。沟槽32随后由导电材料填充，在填充之前可以在沟槽32的侧壁和底部上形成衬层。例如，沟槽32可以衬有TiN衬层，随后由钨插塞填充，但是在此重申可以采用任何适合的导电材料来形成通路34。
[0052] 优选地，与金属化叠层中的通路16相同的导电材料用于穿通钝化通路34，因为这意味着用于形成通路16的相同处理步骤可以重复用于通路34，因此限制了制造工艺的总成本。在如步骤(d)中所示形成穿通钝化通路34(该步骤通常包括在沉积通路填充物之后的CMP平坦化步骤)之后，该方法如步骤(e)中所示继续进行，将金属层50，如Al层、Cu层或诸如AlCu层之类的金属合金层沉积在所产生的结构上，通过图案化金属层50，将从该金属层形成外部电极和键合焊盘。
[0053] 为了便于金属层50的图案化，抗蚀剂52沉积在金属层50上，随后显影以露出金属层50要被去除的部分，如步骤(f)所示。任何合适的抗蚀剂可以用于此目的。随后例如通过采用诸如RIE之类的刻蚀处理去除露出的金属，并且随后从剩余的金属部分上剥去图案化的抗蚀剂52，形成包括位于钝化叠层上的一个或多个电极54和键合焊盘56的IC，如步骤(g)所示。如步骤(h)所示，可以通过在一个或多个电极54上沉积传感材料40，来完成传感器。可以如前所述沉积和图案化传感材料40。
[0054] 在优选实施方式中，传感器包括两个相互交叉的电极54，如，弯曲或指状电极，其中通过吸湿传感材料40，如聚酰亚胺或其它合适的电绝缘材料，电极彼此电绝缘。这有效地提供了具有相互交叉电极54形式的大表面积电容器极板的电容器，传感材料40用作该电容器的电介质。应当明白，在不偏离本发明教导的情况下，可以组合图2-5的实施方式的多个方面。这些方面的一种特别有利的组合在图6中示出，其中上金属化层中的键合焊盘部22代替设置在钝化叠层顶部上的键合焊盘部用作实际的键合焊盘。这可以通过图案化金属层50使得仅形成电极54而实现，在此之后抗蚀剂36可以以类似于图2中步骤(f)的方式涂覆至所产生的结构，接着对钝化叠层进行开口以在键合焊盘部22上方形成开口38，并且去除抗蚀剂36且之后沉积传感材料40，如在图2的详细描述中更详细地说明的那样。从成本观点看，图6中示出的实施方式特别有吸引力，因为要求现有制造工艺特别是CMOS制造工艺的有限修改。
[0055] 电极54可以由Ta2O5层42保护，如图7所示。这保护电极54免受侵蚀，并且进一步改善该IC的湿气密封性。Ta2O5层42的存在进一步便于pH传感器集成在与本发明的环境传感器相同的晶片上。可以在如图6的描述中说明的那样图案化弯曲电极54之后且露出键合焊盘22之前，沉积Ta2O5层42。
[0056] 可以以任何适合的方式，如PVD或CVD，沉积Ta2O5层42。化学气相沉积(CVD)是优选的，因为这形成具有较好保形性的TaxO5层。
[0057] 虽然所描述的实施方式已经被限制为提供本发明的具有单个环境传感器的IC，但应认识到，在不偏离本发明范围的条件可以在IC设计中包括其它传感器。
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