(57)【要約】【解決手段】  複雑な半導体デバイスのメタライゼーションシステムにおいて、メタライゼーションシステムに作用する最大の機械的応力を低減する一方で、パッケージ基板に接続するために必要とされるコンタクト表面を提供するために、銅ピラーのような金属ピラー（２７１）がくぎ状構造で形成されてよい。くぎ状構造は適切に構成されるレジストマスクに基いて得ることができる。【選択図】図２ｅ
2012519374.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に形成され最終不動態化層を備えているメタライゼーションシステムと、
前記最終不動態化層から延び前記メタライゼーションシステム内に形成されるコンタクトパッドに接触する金属ピラーとを備えた半導体デバイスであって、
前記金属ピラーは、前記最終不動態化層での第１の横方向寸法を有し且つその上面で第２の横方向寸法を有し、前記第１の横方向寸法は前記第２の横方向寸法より小さい半導体デバイス。
【請求項２】
前記最終不動態化層内の開口を更に備えた請求項１の半導体デバイスであって、前記開口は前記金属ピラーを前記コンタクトパッドに接続するコンタクト金属で充填されている半導体デバイス。
【請求項３】
前記開口の横方向寸法は前記第１の横方向寸法に実質的に等しい請求項２の半導体デバイス。
【請求項４】
前記開口の横方向寸法は前記第１の横方向寸法より小さい請求項２の半導体デバイス。
【請求項５】
前記コンタクト金属及び前記金属ピラーは同一の金属含有材質から構成される請求項２の半導体デバイス。
【請求項６】
前記金属ピラーの前記上面の上方に形成される半田材質を更に備えた請求項１の半導体デバイス。
【請求項７】
前記半田材質はリフローされた半田材質として設けられる請求項６の半導体デバイス。
【請求項８】
前記金属ピラーは銅を備えている請求項１の半導体デバイス。
【請求項９】
前記金属ピラーの前記第２の横方向寸法は概ね３０μｍ乃至１００μｍである請求項１の半導体デバイス。
【請求項１０】
前記第１の横方向寸法の値は前記第２の横方向寸法に対して概ね５０パーセント以下である請求項１の半導体デバイス。
【請求項１１】
第１の幅を伴う第１の開口を有する第１の堆積マスクを半導体デバイスのメタライゼーションシステムの最終不動態化層の上方に形成することと、
前記第１の開口に対して位置合わせされる第２の開口を有し前記第２の開口は前記第１の幅よりも大きい第２の幅を有している第２の堆積マスクを前記第１の堆積マスクの上方に形成することと、
前記第１及び第２の堆積マスクを用いて金属ピラーを形成することとを備えた方法。
【請求項１２】
前記第１及び第２の堆積マスクを形成することは、第１のレジストマスクを形成することと、前記第１のレジストマスク上に第２のレジストマスクを形成することとを備えている請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記最終不動態化層内に開口を形成することを更に備えた請求項１１の方法であって、前記最終不動態化層の前記開口は前記第２の幅よりも小さい幅を有している方法。
【請求項１４】
前記最終不動態化層の前記開口の前記幅は前記第１の幅よりも小さい請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記金属ピラーの上面の上方に半田材質を形成することを更に備えた請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記半導体デバイスをパッケージ基板に接続するのに先立ち前記半田材質をリフローすることを更に備えた請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記第２の幅は概ね１００μｍ以下である請求項１１の方法。
【請求項１８】
半導体デバイスを形成する方法であって、
複数のメタライゼーション層の上方に最終不動態化層を形成することと、
コンタクトパッドの一部分を露出させるように前記最終不動態化層内に開口を形成することと、
前記最終不動態化層から延びるように金属ピラーを形成することとを備え、
前記金属ピラーは前記最終不動態化層の上面で第１の横方向寸法を有しており、前記金属ピラーはその上面で第２の横方向寸法を更に有しており、前記第１の横方向寸法は前記第２の横方向寸法に対して少なくとも３０パーセントだけ前記第２の横方向寸法よりも小さい方法。
【請求項１９】
前記第１の横方向寸法は少なくとも５０パーセントだけ小さい請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記金属ピラーを形成することは、前記最終不動態化層の上方に第１の堆積マスクを形成することと、前記第１の堆積マスクの上方に第２の堆積マスクを形成することとを備えており、前記第１の堆積マスクは前記最終不動態化層の前記開口に位置合わせされる第１の開口を有しており、前記第２の堆積マスクは前記第１の開口に位置合わせされる第２の開口を有している請求項１８の方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２の堆積マスクはレジストマスクとして設けられる請求項２０の方法。
【請求項２２】
前記金属ピラー及び前記金属ピラーを前記コンタクトパッドに接続する接続要素を形成するように金属材質が共通の堆積プロセスにおいて前記第１及び第２の開口並びに前記最終不動態化層の前記開口内に充填される請求項２０の方法。
【請求項２３】
前記金属ピラーは銅含有材質から形成される請求項１８の方法。
【請求項２４】
前記金属ピラーの前記上面の上方に半田材質を形成することを更に備えた請求項１８の方法。
【請求項２５】
前記半田材質及び前記金属ピラーは共通の堆積マスクに基いて形成される請求項２４の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
概して本開示は、金属ピラーを含むメタライゼーションシステムを有する集積回路に関し、更に特定的にはチップとパッケージの間での熱的不整合に起因するチップ・パッケージ相互作用を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは典型的には、任意の適切な材質から作製される実質的にディスク形状の基板上に形成される。高度に複雑な電子回路を含む半導体デバイスの大半は、現在のところシリコンに基いて製造されており、また当面の間シリコンに基いて製造されることが予測され、シリコン基板及び、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板のようなシリコン含有基板は、マイクロプロセッサ、ＳＲＡＭ、ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）、システム・オン・チップ（ＳｏＣ）等の半導体デバイスを形成するための存続可能な基本的材質として提供されるであろう。個々の集積回路はウエハ上にアレイ状に配列されており、高度な集積回路における数百以上の個別プロセスステップを伴うであろう製造ステップの多くは、フォトリソグラフィプロセス、計測プロセス、及び基板をダイシングした後の個々のデバイスのパッケージングを除いて、基板上の全てのチップ区域に対して同時に実行される。従って、経済的な制約により、半導体製造業者は着実に基板寸法を大きくして、それにより実際の半導体デバイスの製造に利用可能な面積を増大するとともに製造歩留まりを高めることとなる。
【０００３】
基板面積を増大することに加えて、半導体デバイス及び／又はプロセス制御に用いられ得る試験構造に対して可能な基板面積を実際上できるだけ多く用いるように、所与の基板サイズに対する基板面積の利用を最適化することも重要である。所与の基板サイズに対して有用な基板面積を最大化しようとする試みにおいて、回路要素の形状サイズ(feature sizes)が着実に縮小化されている。高度に洗練された半導体デバイスの形状サイズを縮小化するこの継続的な要望により、金属線層と、層内接続(intra-layer connection)としての金属線及び層間接続(inter-layer connection)としてのビア(vias)を含む中間ビア層とを備えた所謂相互接続構造(interconnect structure)の形成において、低ｋ誘電体材質と組み合わされた銅が代替的にしばしば用いられるようになってきている。典型的には、考慮されている回路設計の全ての内部回路要素とＩ／Ｏ（入力／出力）パッド、電力パッド及び接地のパッドとの間での接続を実現するために、交互に積み重ねられた複数の金属線層及び複数のビア層が必要である。
【０００４】
極めて縮小化された集積回路に対して、信号伝搬遅延はもはや電界効果トランジスタ等の回路要素によっては制限されないが、断面積の減少に起因する線の伝導性の減少と相俟って線対線容量が増大するので、回路要素の密度の増大に伴い電気的接続の数が増大することにより、信号伝搬遅延は金属線の近接近によって制限される。この理由により、二酸化シリコン（４＜ｋ）及び窒化シリコン（７＜ｋ）のような従来の誘電体は、より低い誘電率を有する誘電体材質によって置換され、従ってこれらは３以下の比誘電率を有する低ｋ誘電体とも称される。しかし、低ｋ材質の密度及び機械的な安定性又は強さは、十分に容認されている二酸化シリコン及び窒化シリコンと比較して有意に小さくあるいは低い。その結果、メタライゼーションシステム(metallization system)の形成及びそれに続く集積回路製造の任意の製造工程の間、歩留まりは、低ｋ材質のような敏感な誘電体材質の機械的特性及び他の材質に対するそれらの密着性に依存する。
【０００５】
誘電定数が３．０、そしてそれよりずっと小さい進歩した誘電体材質の機械的安定性の低下の問題に加えて、異なる材質の対応する熱膨張の熱的不整合によるチップとパッケージの間での相互作用に起因して、デバイス信頼性は、洗練された半導体デバイスの動作の間、これらの材質によって影響を受けることがある。例えば複雑な集積回路の製造においては、パッケージキャリアをチップに接続するために、フリップチップパッケージング技術として知られるコンタクト技術が次第に用いられているようである。ワイヤによりパッケージの対応する端子に接続され得るチップの最外金属層の周囲に適切なコンタクトパッドが配置されるであろう十分に確立されたワイヤボンディング技術とは対照的に、フリップチップ技術においては、それぞれのバンプ構造は最後のメタライゼーション層上に形成することができ、例えば半田材質からなるそのメタライゼーション層は、パッケージのそれぞれのコンタクトパッドに接触させられることになろう。従ってバンプ材質をリフローした後に、最後のメタライゼーション層とパッケージキャリアのコンタクトパッドの間で、信頼性のある電気的及び機械的な接続が確立され得る。このようにして、最後のメタライゼーション層の全体的なチップ区域にわたる極めて多数の電気的な接続を、低減された接触抵抗及び寄生容量で提供することができ、それにより、ＣＰＵ、記憶メモリ等のような複雑な集積回路に要求されるであろうＩＯ（入力／出力）能力が提供される。バンプ構造をパッケージキャリアに接続するための対応するプロセスシーケンスの間、チップ上に形成されるバンプの各々とパッケージ基板上に設けられているであろうバンプ又はパッドの各々との間での信頼性のある接続を確立するように、所定の程度の圧力及び／又は熱が複合デバイスに印加されるであろう。しかし、熱的に又は機械的に誘起される応力は、典型的には低ｋ誘電体又は更には超低ｋ（ＵＬＫ）誘電体材質を含むであろう低い位置にあるメタライゼーション層にも影響することがあり、それにより、機械的安定性及び他材質への密着性の低下に起因してこれらの敏感な材質の層間剥離による欠陥が生成される蓋然性が高くなる。
【０００６】
また、洗練された集積回路の大量生産においては、経済的な制約から、シリコンチップとの対比において異なる熱伝導性及び異なる熱膨張係数を典型的には呈するであろう有機材質のようなパッケージ用の特定の基板材質の使用が通常は必要であるから、完成して対応するパッケージ基板に取り付けられた半導体デバイスの動作の間にもまた、シリコンベース半導体チップとパッケージ基板の熱膨張挙動における顕著な不整合に起因して、著しい機械的応力が生じ得る。
【０００７】
最近の動向では、半田バンプ又は半田ボールの代わりに又はこれらに加えて銅ピラー(pillars)を設けることによって、「バンプ構造」の熱的及び電気的な性能が高められており、それにより、個々のコンタクト要素のために必要な設置面積が減少するだけでなく、典型的に用いられる半田材質と比較して優れた銅の特性により熱的及び電気的な伝導性が高まる。しかし、銅ピラーは典型的にはバンプ構造と比較して極めて変形しにくいので、これらの銅ピラーはパッケージとチップのメタライゼーションシステムの間での更に厳しい相互作用の一因となり、電気的及び熱的な挙動を考慮すれば有利ではあろうものの、局部的に極めて制限された様態における機械的な応力成分の増大がもたらされる可能性があり、これを更に詳細に図１ａ及び１ｂを参照して以下に説明する。
【０００８】
図１ａは集積回路１５０の断面図を模式的に示しており、集積回路１５０は、適切なポリマー材質等の有機材質から実質的に構成されるパッケージ基板１８０に接続される半導体ダイ又はチップ１００を備えており、ここではチップ１００とパッケージ基板１８０の間の接続は、ピラー構造１７０によって達成され得る。半導体チップ１００は、回路レイアウトの全体的な構造及び集積回路１５０の性能に応じて、基板１０１、例えばシリコン基板又はＳＯＩ基板を典型的には備えているであろう。また、シリコンベースの半導体層１０２が典型的には基板１０１の「上方」に設けられていてよく、この場合、半導体層１０２は、集積回路１５０の所望の機能的挙動に対して必要とされるトランジスタ、キャパシタ、抵抗等のような極めて多数の回路要素を備えているであろう。既に論じられたように、回路要素の臨界的寸法の継続的な縮小化は、大量生産技術により製造される現在利用可能な高度な半導体デバイスにおいては、５０ｎｍのオーダの、そしてそれより著しく小さなトランジスタの臨界的寸法をもたらし得る。半導体チップ１００はメタライゼーションシステム１１０を備えており、進歩的なデバイスにおけるメタライゼーションシステム１１０は、複数のメタライゼーション層、即ち金属線及びビアが適切な誘電体材質内に組み込まれるデバイスレベルの複数のメタライゼーション層を含む。上で論じられたように、種々のメタライゼーション層内で用いられる対応する誘電体材質の少なくとも一部分は、隣接する金属線の寄生容量を減少させるために、機械的安定性の低い材質から通常は構成される。
【０００９】
前述したように、ピラー構造１７０はメタライゼーションシステム１１０の一部として提供することができ、この場合、対応する銅ピラーは、システム１１０の最後のメタライゼーション層内に形成される。一方、パッケージ基板１８０は適切に位置決めされ且つ寸法付けられたコンタクトパッド（図示せず）を備えており、熱及び／又は機械的圧力の印加によってそれぞれの機械的及び電気的な接続を確立するために、これらのコンタクトパッドは対応するピラー又はその上に形成された任意の半田材質に接触させられ得る。また、パッケージ基板１８０はピラー構造１７０の上部ピラー部分を対応する端子に接続するために適切な伝導線を通常は備えており、これによりプリント配線板等の他の周辺コンポーネントとの電気的なインタフェースが確立される。便宜上、そのような任意の伝導線は図示されていない。
【００１０】
集積回路１５０の動作の間、例えば半導体層１０２内及びその上方に形成された回路要素によって半導体チップ１００内に熱が生じる。この廃熱は、基板１０１の全体的な熱伝導性に応じて、例えばメタライゼーションシステム１１０及びピラー構造１７０によって高度に効率的な様態で且つ／又は基板１０１を介して消散される。例えば、ＳＯＩ基板の放熱能力は、半導体層１０２を残りの基板材質から隔てている埋め込み絶縁酸化層の熱伝導性が低いことに起因して、純粋なシリコン基板と比較して著しく低い。従って、主たる放熱経路は、ピラー構造１７０及びパッケージ基板１８０によってもたらされる。その結果、適度に高い平均温度が半導体チップ１００内で、またパッケージ基板１８０内でも生じ、この場合、既に論じられたように、これら２つの要素の間での熱膨張係数の不整合が顕著な機械的応力を生じさせ得る。例として矢印１０３及び１８３で示されるように、パッケージ基板１８０は半導体チップ１００と比較して大きな熱膨張を有するであろうし、従って対応する不整合が、特に半導体チップ１００とパッケージ基板１８０の間の「インタフェース、界面(interface)」で著しい程度の熱応力をもたらし、即ち、特にピラー構造１７０及びメタライゼーションシステム１１０は、集積回路１５０の動作の間、熱不整合による顕著なせん断力にさらされることになろう。洗練された誘電体材質の機械的安定性の低下及び密着性の低下に起因して、集積回路１５０の全体的な信頼性に影響する対応する欠陥が生じ得る。特にピラー構造１７０の個々のピラーの剛性が局部的に高いせん断力をもたらすことがあり、そのせん断力はメタライゼーションシステム内に転移するが、局部的に極めて限定された区域においては剥離欠陥等が生じ得る。
【００１１】
図１ｂはパッケージ基板１８０と半導体チップ１００の間での顕著な熱的不整合の発生の間の状況を説明するために集積回路１５０の一部分を模式的に示している。図示されるように、最後のメタライゼーション層１４０が誘電体材質１４２を備えているであろうメタライゼーションシステム１１０の一部分が示されているであろうし、誘電体材質１４２内には、洗練された応用において銅材質からなるであろうコンタクトパッド１４１が埋め込まれている。また、最終不動態化層とも称されることがある不動態化層１６０が最後のメタライゼーション層１４０上に設けられており、不動態化層１６０はコンタクトパッド１４１の一部分を露出させている。更に、銅ピラーのような金属ピラー１７１が、最終不動態化層１６０からパッケージ基板１８０、即ちその内部に形成される対応するコンタクトパッド１８１まで延びているであろう。更に、典型的には半田材質１７３が金属ピラー１７１上に形成されているであろうし、半田材質１７３はコンタクトパッド１８１に接続しているであろう。更に、破線で示されるように、最終不動態化層１６０内に形成される開口は、通常は金属ピラー１７１の幅１７１Ｗよりも小さいであろうし、それにより金属ピラー１７１をコンタクトパッド１４１に接続するコンタクト領域１７２を形成し得る。従って、動作の間、せん断力１８３，１０３は、特に金属ピラー１７１の底部が最終不動態化層１６０と接触する対応する部分１６５で生じるある程度のトルクをもたらし得る。その結果、この区域においては、最大の機械的応力がメタライゼーションシステム１１０に局所的に選択的な様態で作用し得るので、主として区域１６５に由来するであろう対応する欠陥を余儀なくさせるであろう。
【００１２】
従って、銅ピラーに基くチップとパッケージ基板の間の進歩的なコンタクト形態が、減少させられた必要な設置面積での放熱能力及び電気的伝導性に関する顕著な利益をもたらすことができ、それによりコンタクト要素及び／又は放熱のためのダミー要素の密度を高めることを可能にするものの、メタライゼーションシステム１１０内に生成される機械的応力の増大は、洗練された半導体デバイスの信頼性の要求とは両立し得ないかもしれない。この理由により、銅ピラーの高さはしばしば減少させられるが、このことはパッケージ基板とチップの間隔の減少を伴うので、任意のアンダーフィル(underfill)材質の信頼性のない充填の原因となることがある。このように、アンダーフィル材質内の対応するボイド(voids)は、例えば熱伝導性等における不均一性に起因する極めて低い信頼性の一因ともなり得る。他の従来の試みにおいては、メタライゼーションシステムの機械的な安定性を高めるために、それほど敏感でない低ｋ誘電体材質又は超低ｋ材質に基いてメタライゼーションシステムが形成されるかもしれないが、この場合、信号伝搬遅延の増大をもたらす寄生容量の増大に起因して、電気的な性能の著しい低下が伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した事情に鑑み、本開示は、ピラー構造を設けることができる一方で、上で特定した１つ以上の問題の影響を回避し又は少なくとも低減することができる方法及び半導体デバイスに関連している。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
概して本開示は、ピラー構造を介してメタライゼーションシステムへ転移する機械的応力の否定的な影響が、金属ピラーが最終不動態化層に接触する位置での最大力を減少させることによって低減され得る一方で、にもかからわず金属ピラーの上部で必要とされるコンタクト区域を維持することができる半導体デバイス及び製造技術に関連している。この目的で、ここに開示される幾つかの例示的な側面においては、金属ピラーの上部でのその横方向寸法は、パッケージ基板への接続を考慮した要求に適合するように選択されてよい一方で、金属ピラーの下部でのその横方向寸法、即ち最終不動態化層の表面に対応する高さでの金属ピラーの横方向寸法は、大幅に減少させられてよく、それにより、メタライゼーションシステム内へ転移される「点状(point-like)」応力を低減することもできる。このように、金属ピラーをくぎ状構造で設けることができ、くぎ状構造は金属堆積のプロセスを適切に修正することによって完成され得るが、全体的なプロセス複雑性に大きく影響することはない。
【００１５】
ここに開示される１つの例示的な半導体デバイスは、基板の上方に形成され且つ最終不動態化層を備えたメタライゼーションシステムを備えている。また、半導体デバイスは、最終不動態化層から延びる金属ピラーを備えており、ここでは金属ピラーは、メタライゼーションシステム内に形成されるコンタクトパッドに接触している。更に、金属ピラーは、最終不動態化層での第１の横方向寸法を有し且つその上面で第２の横方向寸法を有し、ここでは、第１の横方向寸法は第２の横方向寸法より小さい。
【００１６】
ここに開示される１つの例示的な方法は、第１の堆積マスクを半導体デバイスのメタライゼーションシステムの最終不動態化層の上方に形成することを備えており、ここでは、第１の堆積マスクは第１の幅を伴う第１の開口を有している。加えて、方法は、第１の堆積マスクの上方に第２の堆積マスクを形成することを備えており、ここでは、第２の堆積マスクは、第１の開口に対して位置合わせされる第２の開口を有しており、第２の開口は第１の幅よりも大きい第２の幅を伴う。最後に、方法は、第１及び第２の堆積マスクを用いて金属ピラーを形成することとを備えている。
【００１７】
ここに開示される更なる例示的な方法は、半導体デバイスを形成する方法に関連している。方法は、複数のメタライゼーション層の上方に最終不動態化層を形成することと、コンタクトパッドの一部分を露出させるように最終不動態化層内に開口を形成することとを備えている。加えて、方法は、最終不動態化層から延びるように金属ピラーを形成することを備えており、ここでは、金属ピラーは最終不動態化層の上面で第１の横方向寸法を有しており、金属ピラーはその上面で第２の横方向寸法を更に有しており、第１の横方向寸法は第２の横方向寸法に対して少なくとも３０パーセントだけ第２の横方向寸法よりも小さい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本開示の更なる実施形態は、添付の特許請求の範囲において画定されており、また添付の図面を参照したときに下記の詳細な説明と共に更に明らかになろう。
【００１９】
【図１ａ】図１ａは従来の構造を有するピラー構成によって接続されそれにより大きな機械的応力を生じる半導体チップ及びパッケージ基板を含む集積回路を模式的に示す断面図（その１）である。
【図１ｂ】図１ｂは従来の構造を有するピラー構成によって接続されそれにより大きな機械的応力を生じる半導体チップ及びパッケージ基板を含む集積回路を模式的に示す断面図（その２）である。
【００２０】
【図２ａ】図２ａは例示的な実施形態に従いメタライゼーションシステムでの最大応力成分を減少させる一方でパッケージ基板に必要な接続性を提供するための「くぎ状」構造を有する金属ピラーを伴う洗練されたメタライゼーションシステム及びピラー構成を含む半導体デバイスを模式的に示す断面図（その１）である。
【図２ｂ】図２ｂは例示的な実施形態に従いメタライゼーションシステムでの最大応力成分を減少させる一方でパッケージ基板に必要な接続性を提供するための「くぎ状」構造を有する金属ピラーを伴う洗練されたメタライゼーションシステム及びピラー構成を含む半導体デバイスを模式的に示す断面図（その２）である。
【図２ｃ】図２ｃは例示的な実施形態に従いメタライゼーションシステムでの最大応力成分を減少させる一方でパッケージ基板に必要な接続性を提供するための「くぎ状」構造を有する金属ピラーを伴う洗練されたメタライゼーションシステム及びピラー構成を含む半導体デバイスを模式的に示す断面図（その３）である。
【図２ｄ】図２ｄは例示的な実施形態に従いメタライゼーションシステムでの最大応力成分を減少させる一方でパッケージ基板に必要な接続性を提供するための「くぎ状」構造を有する金属ピラーを伴う洗練されたメタライゼーションシステム及びピラー構成を含む半導体デバイスを模式的に示す断面図（その４）である。
【図２ｅ】図２ｅは例示的な実施形態に従いメタライゼーションシステムでの最大応力成分を減少させる一方でパッケージ基板に必要な接続性を提供するための「くぎ状」構造を有する金属ピラーを伴う洗練されたメタライゼーションシステム及びピラー構成を含む半導体デバイスを模式的に示す断面図（その５）である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下の詳細な説明と共に図面に示される実施形態を参照して本開示が説明されるが、以下の詳細な説明及び図面は本開示を特定の例示的に開示されている実施形態に限定することを意図するものではなく、むしろ説明されている例示的な実施形態は単に本開示の種々の側面を例証しているにすぎず、本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって画定されていることが理解されるべきである。
【００２２】
概して本開示は、メタライゼーションシステムに対する局部的な応力負荷を過度に増大することなしに、金属ピラーを含む洗練されたメタライゼーションシステムを効果的に用いることができる半導体デバイス及び技術を提供し、それにより、前述したように従来の誘電体と比較して低い機械的な安定性を有しているであろう高度に洗練された誘電体材質を用いる可能性がもたらされる。局部的な応力負荷又は力は、パッケージ基板に接続するためのコンタクト表面区域を提供することに関する所与の要求に対して、最終不動態化層に作用するトルク力を減少させることによって、効果的に減少させることができ、このことは、最終不動態化層と接触する区域での金属ピラーの横方向の寸法、即ち幅又は直径を適切に減少させる一方で、金属ピラーの少なくとも上面では所望のより大きな幅を設けることによって達成され得る。その結果、金属ピラーと最終不動態化層の誘電体材質の間の界面での既存のトルク力が減少させられ得るので、敏感な低ｋ誘電体材質のような任意の下層の材質の局部的な負荷を低減することもでき、それにより、上述したように、半導体チップをパッケージ基板に接続するための製造プロセスの間の他、集積回路の動作の間にも全体的な安定性を高めることができる。ここに開示される幾つかの例示的な実施形態においては、金属ピラーの減少させられた横方向の寸法又は幅は、この横方向の幅が金属ピラーを最後のメタライゼーション層のコンタクトパッドに接続する接続区域の横方向の寸法にも実質的に対応するように選択されてよい一方で、他の場合には、接続区域は所望の直径に基いて形成されてよく、それよりも大きな幅を有するが従来のピラー構成に比べれば著しく減少させられた幅を有する金属ピラーの下部が続いて形成されてよく、それに続いて接続性等を考慮した要求に適合するために必要なより大きな横方向寸法を有する金属ピラーの上部が形成されてよい。
【００２３】
以下、図２ａ〜２ｅを参照して更に例示的な実施形態をより詳細に説明し、適切であれば図１ａ及び１ｂも参照する。
【００２４】
図２ａは進んだ製造段階における半導体デバイス２００の断面図を模式的に示している。図示されるように、半導体デバイス２００は、デバイス２００の全体的な構成を考慮した要求に応じて、シリコン基板、ＳＯＩ基板等のような基板２０１を備えていてよい。また、デバイスレベル又は半導体層２０２が基板２０１の上方に形成されていてよく、デバイスレベル又は半導体層２０２は、トランジスタ、キャパシタ、抵抗等の多数の回路要素を備えていてよく、これらはデバイス２００に対応する適切な設計規則に基いて形成され得る。例えば、デバイスレベル２０２内の回路要素の臨界的寸法は概ね５０ｎｍ以下であってよく、それにより洗練されたメタライゼーションシステムを必要としていてもよい。ここに開示される技術は複雑な半導体デバイスに関連して極めて有利であるが、ピラー構造を形成するための対応するレジームは、回路要素が５０ｎｍ以上の臨界的寸法を有することのあるそれほど臨界的でない半導体デバイスにも有利に適用され得ることが理解されるべきである。更に、半導体デバイス２００は、典型的には複数のメタライゼーション層２２０，…，２４０を含むメタライゼーションシステム２１０を備えていてよく、メタライゼーション層２２０，…，２４０の少なくとも幾つかは、幾つかの例示的な実施形態では、前述したような敏感な誘電体材質を備えている。また、最後のメタライゼーション層２４０は、コンタクトパッド２４１の形態にある金属領域がその内部に形成されたものであってよく、コンタクトパッド２４１は、銅、アルミニウム、銅／アルミニウム、等のような任意の適切な材質から構成されていてよい。洗練されたメタライゼーションシステムにおいては、金属線及びビアは、前述したように熱的及び電気的な伝導性を考慮する場合における優れた特性により、銅材質に基いて設けられていてよいことが理解されるべきである。しかし、場合によっては他の金属と組み合わされるアルミニウム、銀、等のような他の材質を含むメタライゼーションシステムがここで検討されてもよいことが注目されるべきである。また、周囲の材質２４２との金属の接触が不適切であろうと考えられる場合には、銅のような対応する金属を確実に閉じ込めるために、コンタクトパッド２４１は必要に応じて任意の適切なバリア材質を備えていてよい。
【００２５】
更に、最終不動態化層２６０が最後のメタライゼーション層２４０の上方に形成されていてよく、そして最終不動態化層２６０は、不動態化、機械的な完全性、等に関する全体的な特性を考慮した必要性に応じて２つ以上のサブ層２６１，２６２を備えていてよい。例えば、第１のサブ層２６１は二酸化シリコン、窒化シリコン等から構成されてよい一方、第２のサブ層２６２はポリアミド等のような不動態化材質を代表してよい。図示される製造段階においては、開口２６３がコンタクトパッド２４１まで延びるように最終不動態化層２６０内に形成されていてよく、ここでは、開口２６３の対応する横方向寸法及び最終不動態化層２６０の厚みは、最終不動態化層２６０の及び開口２６３の対応する特性が、最終不動態化層２６０の上方にピラーを形成するための標準的な戦略に適合し得るように、十分に確立されたプロセス戦略に従って選択されてよい。他の場合には、開口の幅は、必要に応じて従来の設計戦略と比較して小さく選択されてよい。また、第１の堆積マスク２６４が設けられてよく、マスク２６４に基いて形成されることになる金属ピラーの第１の部分の位置及び横方向のサイズを規定することができる。この目的で、堆積マスク２６４は、適切に選択された横方向寸法又は幅２６４Ｗを有する開口２６４Ａを備えており、幅２６４Ｗは、別の面では同一のデバイス要求に対する従来の金属ピラーと比較して大幅に小さくてよい。実例として、対応する従来の横方向寸法が破線２６４Ｃで示されている。例えば、従来の幅２６４Ｃは、前述したように、パッケージ基板に接続するために必要とされる所望の断面積に実質的に対応していてよい。実例としては、概ね１００〜３０μｍの直径を伴うコンタクト表面積が必要とされるであろう場合、即ち従来の幅２６４Ｃが概ね１００〜３０μｍに選択されたであろう場合、開口２６４Ａの幅２６４Ｗは、更に形成されることになる金属ピラーのコンタクト表面で必要とされる横方向寸法に対して概ね７０パーセント以下、例えば５０パーセント以下に選択されてよい。更に、堆積マスク２６４の厚み２６４Ｔは、減少させられた横方向寸法を有する金属ピラーの部分の望ましい高さに対応するように選択されてよい。例えば、厚み２６４Ｔは、更に形成されることになる金属ピラーの最終的な高さの概ね半分に対応していてよい一方で、他の場合には、更に減少させられた厚みが必要に応じて選択されてよい。
【００２６】
図２ａに示される半導体デバイス２００は以下のプロセス戦略に基いて形成することができる。先ず、デバイスレベル２０２内の回路要素の他、メタライゼーション層２２０、２３０及び２４０を含むメタライゼーションシステム２１０は、任意の適切なプロセス戦略に基いて形成することができ、ここでは必要に応じて所望の技術標準及びプロセス技術との高度な互換性が維持されてよい。その後、例えばサブ層２６１及び２６２のような対応する誘電体材質を堆積させると共に次いでこれらを十分に確立されたリソグラフィ技術によりパターニングすることによって、最終不動態化層２６０を形成することができる。例えば、ポリイミド材質２６２は、感光性材質の形態で設けられてよく、そして対応する現像プロセスによってパターニングされてよく、それに続いて層２６１がエッチングされてよい。他の場合には、対応するレジストマスクが、コンタクトパッド２４１の部分を露出させるために最終不動態化層２６０を通ってエッチングするように設けられてよい。最終不動態化層２６０の材質との直接の接触が不適切であろうと考えられる場合には、銅のような対応する反応性金属を閉じ込めるために、必要に応じて任意の適切なバリア材質２６５が堆積させられてよい。また、開口２６３内並びに最終不動態化層２６０の上面２６０Ｓ及び側壁２６０Ｗの露出させられた部分上に形成されるべき金属の密着性の向上を考慮すると、層２６５は有利であろう。この目的のために、クロム、銅、タンタル、タンタル窒化物、等のような任意の適切な材質、又は種々の材質の組み合わせを用いることができる。その後、堆積マスク２６４が例えばレジスト材質の形態で設けられてよく、ここでは、その厚みは所望の目標厚み２６４Ｔを得るように選択されてよい。幾つかの例示的な実施形態では、マスク材質を設けた後に、所望の目標厚み２６４Ｔを得るように平坦化プロセスが実行されてよい。その後、減少させられた幅２６４Ｗを得るために、適切なリソグラフィマスクを用いることによって、開口２６４Ａがパターニングされてよい。
【００２７】
図２ｂは更に進んだ製造段階における半導体デバイス２００を模式的に示している。図示されるように、堆積マスク２６４の上方には第２の堆積マスク２６６が形成されてよく、第２の堆積マスク２６６内には開口２６６Ａが形成されていてよく、開口２６６Ａは、開口２６４Ａ及び２６３に対して位置合わせされると共に、開口２６４Ａ，２６６Ａに基いて更に形成されることになる金属ピラーの一部分の横方向の位置並びにサイズ及び形状を規定し得る。その結果、開口２６６Ａの幅２６６Ｗ及び全体的な形状は、図１ａ及び１ｂにおける集積回路１５０に関しても既に論じられたように、パッケージ基板に接続するための金属ピラーに対する要求に適合するように選択されてよい。従って、幾つかの例示的な実施形態では、高度に洗練された応用が考えられる場合に、幅２６６Ｗは１００〜３０μｍの範囲内にあってよい。寸法２６４Ｗに対して顕著に増大された寸法２６６Ｗに起因して、開口２６６Ａ，２６４Ａに基いて形成されることになる金属ピラーは、最終不動態化層２６０に作用する局部的トルク力を低減するために、「くぎ状(nail-like)」構造を有することができる。また、場合によっては必要に応じて半田材質等のような付加的な材質と組み合わせられて更に形成されることになる金属ピラーの上部の厚みを収容するように、堆積マスク２６６が任意の適切な厚みで設けられてよい。堆積マスクはレジスト材質の形態で設けられてよく、レジスト材質は、十分に確立されたリソグラフィ技術を用いることによって、即ちプロセス戦略に応じてポジティブレジスト又はネガティブレジストを設けると共にレジスト材質の露光された部分又は露光されなかった部分を除去することによってパターニングされ得る。その後、必要であれば、場合によっては対応するバリア材質（図示せず）、例えば図２ａを参照して説明したようなバリア材質２６５との組み合わせにおけるコンタクトパッド２４１の露出させられた表面を準備するように、ウエット化学的洗浄プロセスが実行されてよい。
【００２８】
図２ｃは堆積環境２０５に曝されるときの半導体デバイス２００を模式的に示しており、堆積環境２０５の間、金属ピラー２７１を形成するように適切な金属材質が開口２６６Ａ，２６４Ａ内に充填されてよい。理解されるべきことは、図２ａ〜２ｃに示される実施形態においては、堆積プロセス２０５の間に接続要素２７２が開口２６３内に形成されてもよく、その結果、接続要素２７２及び金属ピラー２７１は同一の材質に基いて形成することができ、ピラー２７１は開口２６４Ａによって規定される寸法を伴う下部２７１Ｌと開口２６６Ａによって規定される寸法を有する上部２７１Ｕとを備えていることである。他の場合には、接続部分２７２は、適切であると考えられる場合には、金属ピラー２７１とは別に形成されてよい。例えば、最終不動態化層２６０及び開口２６３に基き電気化学的堆積技術によって特定の材質が堆積させられてよく、その後に、所望の構造を伴い且つ特定の金属材質に基く金属ピラー２７１を設けるために、第１及び第２の堆積マスク２６４及び２６６が形成されてよい。
【００２９】
堆積プロセス２０５は、無電解メッキ、電気メッキ等のような任意の適切な電気化学的堆積技術を備えていてよく、幾つかの例示的な実施形態では、金属ピラー２７１を完成させた後にパターニングされる必要があるであろう対応する電流分配層を伴わない無電解メッキ技術が用いられてよい。この目的で、多くの十分に確立された堆積レシピが利用可能である。幾つかの例示的な実施形態では、例えば後続の製造段階等においてパッケージ基板のコンタクトパッドに直接的に接続するための対応するプロセスの間における性能を高めることを考慮して、必要であれば追加的なキャップ材質が上面２７１Ｓ上に形成されてよい。
【００３０】
図２ｄは更なる例示的な実施形態に従う半導体デバイス２００を模式的に示しており、その実施形態においては、例えば鉛フリー半田材質のような半田材質の形態にある更なる材質２７３が電気化学的堆積プロセスのような堆積プロセス２０６の間に堆積させられてよく、堆積プロセス２０６のためには十分に確立された堆積レシピが利用可能である。この目的で、金属ピラー２７１即ちその上部２７１Ｕと材質２７３の所望の厚みとを収容するように、堆積マスク２６６の厚みが適切に選択されてよい。その後、堆積マスク２６６及び２６４がプラズマストリッピング等のような任意の適切なエッチング技術によって除去されてよく、設けられている場合における電流分配層の部分、バリア材質、等を除去するように任意の更なるエッチングプロセスがそれに続いてよい。そのような材質が最終不動態化層２６０から除去される必要があるであろう場合には、適切な等方性エッチングレシピが用いられてよく、その結果、上部２７１Ｕの陰影効果が任意のそのような材質の効果的な除去に否定的に影響することはないであろうことが理解されるべきである。
【００３１】
図２ｅは幾つかの例示的な実施形態に従い更に進んだ製造段階における半導体デバイス２００を模式的に示している。図示されるように、デバイス２００は金属ピラー２７１を備えていてよく、金属ピラー２７１は、上で指定されるように選択され得るそれぞれ横方向寸法２６６Ｗ及び２６４Ｗを伴う上部２７１Ｕ及び下部２７１Ｌを含んでいる。また、図示される実施形態においては、半田材質の形態にある追加的な材質２７３が金属ピラー２７１の上方に形成されていてよく、追加的な材質２７３は、図示される実施形態においては、先行して堆積させられた半田材質をリフローすることで得られる強化された形状を有していてよい。他の実施形態においては、金属ピラー２７１は図２ｃに示されるように追加的な半田材質を伴うことなしに設けられてよく、あるいは半田材質２７３が設けられている場合には図２ｄに示されるようにそのリフローが省略されてよい。図示されるように、幾つかの実施形態では、部分２７１Ｒによって示されるように、金属ピラー２７１の少なくとも一部分が最終不動態化層２６０の上方に「残って(rest)」いることができるように、減少させられた横方向寸法２６４Ｗが選択されてよい。この場合、減少させられた幅２６４Ｗ全体により、前述したように、最終不動態化層２６０の表面に作用する対応する機械的な力が低減され得る。その結果、最終不動態化層２６０の下方に位置する任意の材質に作用する対応する局部的機械的応力もまた低減され得るので、層間剥離、亀裂等のような欠陥を生成する蓋然性を低くすることができる。他の例示的な実施形態においては、寸法２６４Ｗは接続要素２７２の横方向寸法２６３Ｗに実質的に対応するように選択されてよく、それにより、最終不動態化層２６０に作用するように結果として局部的に生じる力を低減することもできる。更に他の実施形態においては、横方向寸法２６４Ｗは２７１Ｄで示されるように寸法２６３Ｗよりも小さく設定されてよく、それにより、不動態化層２６０の表面２６０Ｓとの金属ピラー２７１の相互作用を実質的に完全に回避することができる。横方向幅２６４Ｗの対応する変化は、堆積マスク２６４（図２ｂ参照）の開口２６４Ａの幅を適切に選択することによって達成され得ることが理解されるべきである。
【００３２】
結果として、本開示は、金属ピラーの下部の横方向寸法を減少させることによって不動態化材質の表面と金属ピラーとの界面での局部的な力が低減され得る一方で、その上部でパッケージ基板に接続するための所望の表面区域は維持することができる半導体デバイス及び製造技術を提供する。その結果、従来の半田材質と比較して高い剛性を有する任意の所望の材質、例えば銅、銅合金、ニッケル等を用いることができる一方で、金属ピラー構造の全体的な接続性に妥協することなしにメタライゼーションシステム内で洗練された誘電体材質を用いる可能性をもたらすこともできる。
【００３３】
本開示の更なる修正及び変更は、この明細書を考慮することによって当業者には明白になろう。従って、明細書は、例示的なものとしてのみ解釈されるべきであり、またここに開示される原理を実施する一般的な手法を当業者に教示することを目的としている。ここに示されまた説明される形態は目下のところ望ましい実施形態として解釈されるべきことが理解されるべきである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【国際調査報告】
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