(57)【要約】【課題】銅ピラーを有するウェハ裏面構造を提供する。【解決手段】集積回路構造は、前面および背面を有する半導体基板と、半導体基板を貫通する導電ビアとを含む。導電ビアは、半導体基板の背面に延伸する後端を含む。再分配線（ＲＤＬ）が半導体基板の背面上にあり、導電ビアの後端に電気的に接続される。パッシベーション層がＲＤＬ上にあり、パッシベーション層には開口があり、ＲＤＬの一部が開口を通して露出される。銅ピラーは開口内に一部を有し、ＲＤＬに電気的に接続される。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路構造であって、
前面および背面を含む半導体基板と、
前記半導体基板を貫通する導通ビアとを含み、前記導通ビアは、前記半導体基板の前記背面に延伸する後端を含み、前記集積回路構造はさらに、
前記半導体基板の前記背面上にあり、前記導電ビアの後端に電気的に接続された再分配線（ＲＤＬ）と、
前記ＲＤＬ上にあり、開口を有するパッシベーション層とを含み、前記ＲＤＬの一部が前記開口を通して露出されており、前記集積回路構造はさらに、
前記開口内に一部を有し、前記ＲＤＬに電気的に接続された銅ピラーを含む、集積回路構造。
【請求項２】
前記ＲＤＬは、さらに、
前記導電ビアの真上にあり、かつ前記導電ビアに接触する一部を含むＲＤＬストリップと、
前記ＲＤＬストリップよりも幅が広いＲＤＬパッドとを含み、
前記銅ピラーは、前記ＲＤＬパッドの上面に接触する底面を含む、請求項１に記載の集積回路構造。
【請求項３】
前記銅ピラーの真上にあるバリア層と、
前記バリア層の真上にあるはんだ層とをさらに含み、
前記銅ピラー、前記バリア層、および前記はんだ層の側壁は実質的に垂直に整列されている、請求項１に記載の集積回路構造。
【請求項４】
前記銅ピラーの上面および側壁上に、金属処理層をさらに含み、
前記金属処理層は、基本的にニッケル、金、パラジウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される金属を含む、請求項１に記載の集積回路構造。
【請求項５】
集積回路構造であって、
前面および背面を含む半導体基板と、
前記半導体基板の前記背面から前記半導体基板に延伸する導電ビアとを含み、前記導電ビアの後端は、前記半導体基板の背面を通して露出されており、前記集積回路構造はさらに、
前記半導体基板の前記背面上にあり、前記導電ビアの後端に接続された再分配線（ＲＤＬ）を含み、前記ＲＤＬは、
前記導電ビアに接触するＲＤＬストリップと、
前記ＲＤＬストリップよりも幅が広いＲＤＬパッドとを含み、前記ＲＤＬパッドは前記ＲＤＬストリップと接合しており、前記集積回路構造はさらに、
前記ＲＤＬ上にあるパッシベーション層と、
前記パッシベーション層にある開口とを含み、前記ＲＤＬパッドの中間部分は前記開口を通して露出され、前記ＲＤＬパッドの辺縁部分は前記パッシベーション層により被覆されており、前記集積回路構造はさらに、
前記開口にあり、前記ＲＤＬの中間部分と接触する銅ピラーを含む、集積回路構造。
【請求項６】
前記銅ピラー上にあり、前記銅ピラーと接触するニッケル層をさらに含む、請求項５に記載の集積回路構造。
【請求項７】
前記ニッケル層の真上にあるはんだ層をさらに含み、前記はんだ層および前記ニッケル層は、前記銅ピラーの真上の領域に実質的に制限されている、請求項６に記載の集積回路構造。
【請求項８】
前記ニッケル層は、前記銅ピラーの真上にある一部を含み、前記集積回路構造は、前記ニッケル層上に、金層またはパラジウム層をさらに含む、請求項６に記載の集積回路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年４月３０日に出願され、「銅ピラーを有するウェハ背面構造」（Wafer Backside Structures Having Copper Pillars）と題された米国特許仮出願連続番号第６１／１７４，３３９号の利益を主張し、当該出願はこれにより、ここに引用により援用される。
【０００２】
関連出願との相互参照
本願は、２００８年１２月１１日に出願され、「再分配線を有するＴＳＶへの背面接続」（Backside Connection to TSVs Having Redistribution Lines）と題された米国特許出願連続番号第１２／３３２，９３４号、および、２００８年１２月３１日に出願され、「テーパ付きプロファイルを有する再分配線への接着パッド接続」（Bond Pad Connection to Redistribution Lines Having Tapered Profiles）と題された米国特許出願連続番号第１２／３４７，７４２号という、同一出願人による米国特許出願に関連する。当該出願はこれにより、ここに引用により援用される。
【０００３】
技術分野
この発明は一般に、集積回路構造に関し、より特定的には、スルーシリコンビア、さらにより特定的には、スルーシリコンビアに接続された接着パッドの形成に関する。
【背景技術】
【０００４】
背景
集積回路の発明以降、半導体産業は、様々な電子部品（すなわちトランジスタ、ダイオード、レジスタ、キャパシタ等）の集積密度の絶え間ない改良により、継続した急成長を経験してきた。ほとんどの場合、集積密度におけるこの改良は最小構造サイズの度重なる減少によるもので、より多くの部品を所与のチップ領域に集積することを可能にしている。
【０００５】
これらの集積改良は、集積部品が占める体積が基本的には半導体ウェハの表面上にあるという点で、事実上、基本的には２次元（２Ｄ）である。リソグラフィの劇的な改良は、２Ｄ集積回路形成においてかなりの改良をもたらしたが、２次元で達成可能な密度に対し、物理的制限が存在する。これらの制限の一つは、これらの部品を作るために必要な最小サイズである。また、より多くの装置を１つのチップに設置する場合、より複雑な設計が必要になる。
【０００６】
さらなる制限は、装置の数が増加するにつれて、装置間の内部接続の数および長さが著しく増加することから生じる。内部接続の数および長さが増加すると、回路ＲＣ遅延および消費電力の両方が増加する。
【０００７】
上述の制限を解決するための努力のうち、３次元集積回路（３ＤＩＣ）およびスタックダイが通常用いられる。よって、スルーシリコンビア（ＴＳＶ）が、３ＤＩＣおよびスタックダイに用いられる。この場合、ＴＳＶはしばしば、ダイ上の集積回路をダイの背面に接続するために用いられる。加えて、ＴＳＶは、接地された金属膜により被覆され得る、ダイの背面を通って集積回路を接地するための短い接地経路を提供するためにも用いられる。
【０００８】
図１は、チップ１０４に形成された従来のＴＳＶ１０２を示す図である。ＴＳＶ１０２はシリコン基板１０６中にある。金属化層中の内部接続（金属線およびビア、図示せず）により、ＴＳＶ１０２は、チップ１０４の前面にある接着パッド１０８に電気的に接続される。ＴＳＶ１０２は、銅ポストの形状でシリコン基板１０６の背面を通して露出される。チップ１０４が他のチップに接着される場合、ＴＳＶ１０２は、はんだを用いて、または用いずに、他のチップ上の接着パッドに接着される。
【０００９】
従来の背面ＴＳＶ接続は欠点に悩まされている。ＴＳＶ接着はＴＳＶ間に比較的大きいピッチを必要とするので、ＴＳＶの位置が制限され、また、ＴＳＶ間の距離が、たとえばはんだボールのための余地を与えるほど十分に大きいものである必要がある。よって、新しい背面構造が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、銅ピラーを有するウェハ背面構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の概要
この発明の一局面によれば、集積回路構造は、前面および背面を有する半導体基板と、半導体基板を貫通する導電ビアとを含む。導電ビアは、半導体基板の背面に延伸する後端を含む。再分配線（ＲＤＬ）が半導体基板の背面上にあり、導電ビアの後端に電気的に接続される。パッシベーション層がＲＤＬ上にあり、パッシベーション層には開口があり、ＲＤＬの一部が開口を通して露出される。銅ピラーは開口内に一部を有し、ＲＤＬに電気的に接続される。
【００１２】
他の実施例も開示される。
この発明の有益な特徴は、スタックダイ間の接着性の改良およびスタンドオフ（standoff）の増加を含む。
【００１３】
この発明およびその利点のより完全な理解のため、添付図面とともに解される以下の説明を、ここで参照する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、チップ間のスタンドオフを増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】スルーシリコンビア（ＴＳＶ）を含む従来の集積回路構造であって、ＴＳＶが基板の背面から突出し、かつ、銅ポストの形状で他のチップ上の接着パッドに接着されることを示す図である。
【図２】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図３】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図４】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図５】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図６】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図７】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図８】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図９】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の上面図である。
【図１０】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図１１】一実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図１２】別の実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【図１３】別の実施例に従った内部接続構造の製造における中間段階の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例示的な実施例の詳細な説明
この発明の実施例の作成および使用を、以下に詳細に説明する。しかしながら、実施例は、様々な特定の状況で実施可能な多くの利用可能な発明概念を提供していることが、理解されるべきである。説明される特定の実施例は、この発明を作成し、使用する特定の方法を単に例示しており、この発明の範囲を限定してはいない。
【００１７】
スルーシリコンビア（ＴＳＶ）に接続する新規の背面接続構造と、その形成方法とが提供される。この発明の一実施例の製造における中間段階が図示される。実施例の変形が説明される。この発明の様々な図および例示的な実施例全体を通し、同じ要素を示すために同じ参照番号が使用される。
【００１８】
図２を参照すると、基板１０と集積回路（ブロック４で示す）とを内部に含むチップ２が設けられる。一実施例では、チップ２は、チップ２と同じチップを複数含むウェハの一部である。基板１０はバルクシリコン基板などの半導体基板であってもよいが、第ＩＩＩ族、第ＩＶ族、および／または第Ｖ族の元素といった他の半導体材料を含んでいてもよい。基板１０の前面（図２で上向きの面）に、トランジスタなどの半導体装置（同じくブロック４で示す）が形成されてもよい。内部に形成された金属線およびビア（図示せず）を含む内部接続構造１２が、基板１０上に形成され、半導体装置に接続される。金属線およびビアは、銅または銅合金から形成されてもよく、周知のダマシンプロセスを用いて形成されてもよい。内部接続構造１２は、周知の層間誘電体（ＩＬＤ）および金属間誘電体（ＩＭＤ）を含んでいてもよい。
【００１９】
ＴＳＶ２０は基板１０中に形成され、背面（図２で下向きの面）から前面（能動回路が形成される面）に延伸する。第一の実施例では、図２に示すように、ＴＳＶ２０は、ビア優先（via−first）アプローチを用いて形成され、かつ、底部金属化層（Ｍ１として周知）の形成前に形成される。よって、内部接続構造１２において、ＴＳＶ２０は、能動素子を被覆するのに用いられるＩＬＤだけに延伸するが、ＩＭＤ層には延伸しない。代替的な実施例では、ＴＳＶ２０はビアラスト（via last）アプローチを用いて形成され、かつ、内部接続構造１２の形成後に形成される。よって、ＴＳＶ２０は、基板１０および内部接続構造１２の両方を貫通する。絶縁層２２が、ＴＳＶ２０の側壁上に形成され、基板１０からＴＳＶ２０を電気的に絶縁する。絶縁層２２は、窒化シリコン、酸化シリコン（たとえば、テトラ・エチル・オルト・シリケート（ＴＥＯＳ）酸化物）などのよく使用される誘電材料から形成されてもよい。
【００２０】
図３を参照すると、接着パッド１４が、チップ２の前面の前側（図３で上向きの側）に形成され、かつ、チップ２の前面から突出する。チップ２（および対応するウェハ）は次に、接着剤１８によりキャリアウェハ１６上に取付けられる。図４において、背面研磨を実行して、基板１０の余剰部分を除去する。チップ２の背面に対し、化学機械研磨（ＣＭＰ）を実行して、ＴＳＶ２０を露出させる。背面絶縁層２４を形成して、基板１０の背面を被覆する。例示的な一実施例では、背面絶縁層２４の形成は、基板１０の背面のエッチバック、背面絶縁層２４のブランケット形成、および、ＴＳＶ２０の真上の背面絶縁層２４の部分を除去するための軽い化学機械研磨（ＣＭＰ）の実行を含む。よって、ＴＳＶ２０は背面絶縁層２４の一開口を通して露出される。代替的な実施例では、ＴＳＶ２０が露出される背面絶縁層２４の開口は、エッチングにより形成される。
【００２１】
図５を参照すると、バンプ下金属層（under-bump metallurgy：ＵＢＭ）とも呼ばれる薄いシード層２６が、背面絶縁層２４およびＴＳＶ２０の上にブランケット形成される。ＵＢＭ２６の使用可能な材料は、銅または銅合金を含む。しかしながら、銀、金、アルミニウム、およびそれらの組み合わせといった他の金属も含まれてもよい。一実施例では、ＵＢＭ２６は、スパッタリングを用いて形成される。他の実施例では、電気めっきが使用されてもよい。
【００２２】
図５は、マスク４６の形成も示す。一実施例では、マスク４６はフォトレジストである。また、これに替えて、マスク４６はドライフィルムにより形成され、それは、アジニモト積層膜（Ajinimoto buildup film：ＡＢＦ）などの有機材料を含んでいてもよい。その後、マスク４６をパターン化して、開口５０をマスク４６に形成し、ＴＳＶ２０が開口５０を通して露出される。
【００２３】
図６において、開口５０を金属材料で選択的に充填し、再分配線（ＲＤＬ)を開口５０中に形成する。好ましい実施例では、充填材料は、銅または銅合金を含むが、アルミニウム、銀、金、またはそれらの組み合わせといった他の材料も使用されてもよい。形成方法は、電気化学めっき（ＥＣＰ）、無電解めっき、または、スパッタリング、印刷、および化学気相蒸着（ＣＶＤ）法などのよく使用される他の堆積方法を含んでいてもよい。その後、マスク４６を除去する。これにより、マスク４６下のＵＢＭ２６の部分が露出される。
【００２４】
図７を参照すると、フラッシュエッチングによりＵＢＭ２６の露出部分を除去する。残ったＲＤＬ５２は、ＴＳＶ２０の真上にあり、かつＴＳＶ２０に接続されている一部を含むＲＤＬストリップ（再分配トレースとも呼ばれる）５２１と、ＲＤＬストリップ５２１に接合するオプションのＲＤＬパッド５２２とを含んでいてもよい。図９に、ＲＤＬ５２の上面図が示される。図７およびそれ以降の図には、UBM２６は図示されていない。なぜなら、それは一般に、ＲＤＬ５２に似た材料で形成されるため、ＲＤＬ５２と融合すると思われるためである。フラッシュエッチングの結果、ＲＤＬ５２の薄層も除去される。しかしながら、ＲＤＬ５２の除去部分は、その全体の厚さと比べると、無視できる程度である。
【００２５】
次に、図８に示すように、パッシベーション層５６をブランケット形成し、パターン化して、開口５８を形成する。パッシベーション層５６は、窒化物、酸化物、ポリイミドなどで形成されてもよい。フォトレジスト６０を塗布し、現像して、開口５８のパターンを規定する。ＲＤＬパッド５２２の一部が、パッシベーション層５６の開口５８を通して露出される。開口５８は、ＲＤＬパッド５２２の中央部分を占めていてもよい（図９を参照）。ＲＤＬストリップ部分５２１はパッシベーション層５６により被覆されたままであってもよい。
【００２６】
図９は、パッシベーション開口５８およびＲＤＬ５２の概略的な上面図を示す。なお、図示された構造の寸法は縮尺どおりではない。好ましくは、開口５８は、ＲＤＬパッド５２２より小さいサイズを有し、かつＲＤＬパッド５２２の中央部分を露出させる。一実施例では、ＲＤＬストリップ５２１の幅Ｗ１は、約５μｍ〜約１５μｍである。ＲＤＬパッド５２２の幅Ｗ２は、約８０μｍ〜約１００μｍであり、一方、パッシベーション開口５８の幅Ｗ３は、約７０μｍ〜約９０μｍである。パッシベーション開口５８の上面図は、八角形、六角形、四角形、またはその他の適用可能な形状を含むもののこれらに限定されない、あらゆる多角形の形状を有していてもよい。
【００２７】
次に、図１０に示すように、フォトレジスト６０を除去し、フォトレジスト６２を形成する。フォトレジスト６２は、好ましくは、フォトレジスト６０よりも厚い。一実施例では、フォトレジスト６２の厚さは、約２０μｍよりも大きいか、さらには約６０μｍよりも大きい。フォトレジスト６２をパターン化して、開口を形成し（同じく５８として示す）、そこからＲＤＬパッド５２２が露出される。次に、電気めっきにより、開口５８を発端として銅ピラー６４が形成される。銅ピラー６４は、銅、および／または、銀、金、タングステン、アルミニウムなどの他の金属、ならびにそれらの組み合わせを含んでいてもよい。
【００２８】
パッシベーション層５６のエッチングの際（図８）、ポリマーが生成される場合があり、また、開口５８中の残余ポリマーが、開口５８でのニッケル層の形成に影響を与える場合がある、ということが認められる。さらに、開口５８に形成されるあらゆる金属構造が、チップ２の回路に電気的に接続される場合がある。無電解めっきを用いて開口５８に金属構造を形成する場合、開口５８の金属構造に接続される回路部分の電圧電位が影響を受ける可能性があり得る。しかしながら、この発明の実施例では、銅ピラー６４の形成の際、電気めっきが使用され、これらの問題を解決する。
【００２９】
電気めっきを用いると、銅ピラー６４は確実に形成され、良好な品質を有するであろう。また、電気めっきの堆積速度は速い。よって、銅ピラー６４は、無電解めっきを用いて堆積された金属構造よりも著しく大きい厚さまで堆積され得る。例示的な一実施例では、銅ピラー６４の高度Ｈは約１５μｍよりも大きいか、さらには、約６０μｍよりも大きい。次に、たとえば、無電解めっきによりバリア層６６を形成し、バリア層６６はニッケルにより形成されてもよい。また、これに替えて、バリア層６６は、バナジウム（V）、クロム（Cr）、およびそれらの組み合わせを含んでいてもよい。はんだ６８も、バリア層６６の頂部に形成されてもよく、また、電気めっきを用いて形成されてもよい。一実施例では、はんだ６８は、錫―亜鉛（Sn-Pb）合金により形成される共晶はんだ材料を含む。代替的な実施例では、はんだ６８は、Sn-AgまたはSn-Ag-Cu合金などの無鉛はんだ材料により形成される。なお、バリア層６６およびはんだ６８は、銅ピラー６４の側壁に実質的に整列された側壁を有する。さらに、バリア層６６およびはんだ６８は、銅ピラー６４の真上の領域に制限される。
【００３０】
図１１を参照すると、フォトレジスト６２が除去されて、図１０に示すような構造が、チップ８０などの別のチップに接着されてもよい。例示的な一実施例では、チップ８０は、銅ポスト８６、バリア層８４、およびはんだ８２をその前面に有し、はんだ８２および６８は、互いに接合されるようリフローされてもよい。
【００３１】
図１２および図１３は、代替的な一実施例を示す。この実施例の当初のステップは、図２〜図９に示すものと基本的に同じであってもよい。次に、図１２を参照すると、銅ピラー６４の形成後、バリア層６６を形成せずに、フォトレジスト６２を除去する。次に、図１３に示すように、金属処理層９０を形成する。金属処理層９０の形成方法は、ＥＣＰ、無電解めっきなどを含む。一実施例では、金属処理層９０は、銅ピラー６４の真上にあり、銅ピラー６４と接触するニッケル層９２を含む。さらに、金属処理層９０は銅ピラー６４の頂部を被覆し、かつ銅ピラー６４の側壁上にある。オプションで追加の層を形成してもよく、金属処理層は、無電解ニッケル置換金（ＥＮＩＧ）、ニッケル無電解パラジウム置換金（ＥＮＥＰＩＧ）、またはニッケルパラジウム層であってもよい。金属処理層９０はまた、チップ８０のはんだ８２に接合されてもよい。
【００３２】
この発明の実施例は、いくつかの有利な特徴を有する。無電解めっきを用いる代わりに電気めっきを用いて銅ピラー６４を形成することにより、堆積速度がはるかにより速くなり、このため銅ピラー６４の高さは、かなり短い時間で数十ミクロンに達する場合がある。よって、チップ２と８０との間のスタンドオフが増加し（図１１および図１３を参照）、その後のパッケージ工程で、アンダーフィルが、チップ２と８０との間の空間に流入しやすくなり得る。
【００３３】
この発明およびその利点を詳細に説明してきたが、添付された請求項により定義されているようなこの発明の精神および範囲を逸脱することなく、各種の変更、置換、および変形をここに加えることができることが理解されるべきである。さらに、本願の範囲は、明細書に記載された事項、手段、方法、およびステップの、プロセス、機械、製造、および構成の特定の実施例に限定されるよう意図されていない。ここに記載された対応する実施例と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する、現在既存の、もしくは後に開発される事項、手段、方法、またはステップの、プロセス、機械、製造、構成が、この発明に従って利用され得ることを、当業者であればこの発明の開示から容易に理解するであろう。よって、添付された請求項は、そのような事項、手段、方法、またはステップの、プロセス、機械、製造、構成を、それらの範囲内に含むよう意図されている。加えて、各請求項は別個の実施例を構成しており、さまざまな請求項および実施例の組合せは、この発明の範囲内にある。
【符号の説明】
【００３４】
１０２〜スルーシリコンビア    
１０４〜チップ      
１０６〜シリコン基板
１０８〜接着パッド      
２、８０〜チップ
４〜ブロック  
１０〜基板      
１２〜内部接続
１４〜接着パッド      
１６〜キャリアウェハ
１８〜接着剤      
２０〜スルーシリコンビア      
２２〜絶縁層
２４〜背面絶縁層      
２６〜シード層（バンプ下金属層）
４６〜マスク    
５０、５８〜開口    
５２〜再分配線
５２１〜ＲＤＬストリップ（再分配トレース）
５２２〜ＲＤＬパッド
５６〜パッシベーション層    
６０，６２〜フォトレジスト
６４〜銅ピラー      
６６，８４〜バリア層
６８，８２〜はんだ      
８６〜銅ポスト
９０〜金属処理層      
９２〜ニッケル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010263208.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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