CN107709227A - 包括具有通过使用修改的通孔改善质量和可靠性的多层微机械结构的集成电路及其获得方法 - Google Patents

Abstract

一种集成电路及其制造方法，包括：基板(10)；有源装置(11)；多个金属层(17)，其中所述金属层通过介电层(13)分隔开并且通过多个通孔(19)彼此连接；至少一个微机械区域(15)，其中去除一些介电层留下空腔(23)，从而一些所述金属层和通孔层在所述微机械区域中形成微机械装置，其中所述微机械装置包括由多个金属层构成的至少一个多层结构(165)以及至少一个通孔层以及所述多层结构的特征在于，所述多层结构的至少两个金属层通过至少一个修改的通孔(41)连接。

Description

包括具有通过使用修改的通孔改善质量和可靠性的多层微机 械结构的集成电路及其获得方法

技术领域

本发明涉及一种包括微机械结构的集成电路；特别是通过与集成电路工艺兼容的薄膜方法以微型化方式生产的MEMS设计(微机电系统)，以及所述部件的使用。

背景技术

集成电路(IC)生产过程可分为两个主要阶段。FEOL(前道工序)包括在半导体基板(通常为硅)上制造有源设备，如晶体管或二极管。BEOL(后道工序)是IC制造过程的其余部分，其主要目的是创建有源设备之间的互连。BEOL工艺产生一堆随后的金属化层(通常为Al、AlCu合金或Cu)，其由IMD(金属间电介质)(通常为二氧化硅)分开，并且在金属间电介质中填充具有导体(例如钨)的小开口的通孔，以提供从一个金属化层到另一个金属化层的垂直连接。在典型的集成电路技术中，通孔具有固定的尺寸，以使最小直径得到优化，从而提供可靠的接触，并且在需要较低通路电阻的情况下，使用这种通孔的矩阵。此外，在具有多个金属和通孔层的技术中，距基板较远的沉积的一些通孔和金属层可具有比较靠近基板沉积的那些厚度更高的厚度。通常使用这样的布置以便提供较低的全局互连电阻或构建具有改善的品质因数的集成电感器。BEOL工艺通常是通过像氮化硅这样的钝化层的沉积来完成的，该钝化层为集成电路提供额外的保护。

DAI、CHING-LIANG等人的论文“A maskless wet etching silicon dioxidepost-CMOS process and its application”公开了通过IMD各向同性蚀刻释放部分BEOL互连堆栈，将各种微机械元件单片集成在标准集成电路上。

作为BEOL微机械加工的一个例子，这种技术可以为生产各种相对较小的微机电元件如射频(RF)开关(例如US20120280393A1)、滤波器或谐振器。然而到目前为止，作为制造更加庞大的设备(如加速度计或陀螺仪)的方法，它是不太成功。

电容式加速度计或其他惯性传感器需要相对大的质量和高感测电容，以便将惯性运动转换为电信号。为此，他们通常使用专门的生产工艺。为此目的，使用BEOL-微机械加工的大部分尝试都需要诸如BEOL反应离子蚀刻和/或基板各向异性或深反应离子蚀刻的附加蚀刻步骤。这些步骤对集成电路的生产过程具有破坏性，并增加了成本。而且它们阻碍了集成电路上的微机械设备的集成。

IMD的各向同性蚀刻是简单的附加后处理，其包括从集成电路互连堆栈的一部分去除绝缘体，这导致在互连层之间获得空腔，从而在该互连的一部分中形成微机械结构。这种工艺可以通过使用溶解金属间电介质的任何蚀刻剂，同时对金属化和通孔层有选择性的湿法或干法蚀刻来执行。用于去除二氧化硅并对铝有选择性的蚀刻剂的一个例子是由Transene生产的Silox Vapox III，并用于DAI、CHING-LIANG等人的“A maskless wetetching silicon dioxide post-CMOS process and its application”。其他例子可以在例如DANIEL等人的“Experiments on the release of CMOS-micromachined metal layers”，传感器杂志，2010中找到。

如果蚀刻是湿式的，通常接着进行临界点干燥过程，或者在低表面张力液体(如异丙醇或甲醇)中冲洗。这些步骤减少了静摩擦的问题。作为蚀刻对象的集成电路部分可以通过钝化层中的开口来选择。可选地，可以使用硬膜或光刻胶来保护钝化。

使用IMD各向同性蚀刻来生产加速度计、陀螺仪或其他庞大的微机械装置的主要困难是使用若干金属化层以提供足够大且厚的质量和高感测电容的必要性。然而，蚀刻步骤的各向同性性质导致从金属化层之间的空间部分或全部IMD移除，使金属和IMD之间的微机械结构丧失了附着力。在这种情况下，由标准通孔提供的剩余附着力可能不足以保持微机械装置的完整性——微机械装置可能由于残余应力、温度变化、机械冲击或其他现象而受损。

发明内容

本公开的发明改善了暴露于IMD各向同性蚀刻的金属堆栈中的接合的金属层之间的机械连接的可靠性。通过使用修改的通孔成形来达到效果，其中局部地防止沉积的通孔插塞(例如钨)完全填充通孔开口而在通孔区域的某些部分上留下空隙。沉积在通孔上方的金属层填充空隙，从而改善了通孔与金属层之间的接触面积以及这两层之间的附着力。

图1示出了集成电路的简化横截面，其包括基板10、有源装置11、BEOL堆栈12，BEOL堆栈12还包括钝化层14金属层17、标准通孔19和IMD13，其中互连堆栈的一部分形成多层微机械结构16，其将通过钝化层开口15施加的IMD各向同性蚀刻释放。

图2表示在进行IMD各向同性蚀刻工艺之后相同集成电路的简化横截面，其导致在一些金属层之间留下空腔23。多层机械结构162内的标准通孔19不能够维持释放的金属层的残余应力，这导致多层微机械结构162的崩溃。

在传统的集成电路技术中，通孔具有填充有导体(例如难熔金属，如使用CVD(化学气相沉积)工艺沉积的钨)的高深宽比、陡峭的IMD开口。图3表示用于连接两个金属层171和172的标准通孔19的横截面，所述金属层171和172例如包括下面的子层：底部钛/氮化钛层31、主AlCu层32和顶部钛/氮化钛层33。一旦IMD层13完成，蚀刻出陡峭的通孔开口，并被作为随后的钨CVD工艺的胶层的薄氮化钛层35覆盖。CVD工艺选择性地使钨塞37逐渐在氮化钛上方生长，直到其填充通孔开口。除去多余的钨，并使用例如物理气相沉积或溅射工艺沉积下一个金属层172。

通常对CVD工艺进行优化以保证通孔开口的完全填充(因此电性能和可靠性)，并且通孔开口具有对于给定技术和金属层的特定的直径。无论是较小的还是较大的通孔都不能保证完全填充。出于这个原因，通孔尺寸是固定的，改变其直径或形状认为是违反设计规则。

然而，发明人已经发现当在集成电路的MEMS部分中使用时，通孔尺寸违规的有利效果。图4表示围绕其直径延伸的点的修改的通孔41的简化横截面。CVD工艺在氮化钛层35a上生成厚度R的钨层37，其厚度R通常稍微大于标准通孔19的半径。由于改变的通孔的半径大于R，所以通孔开口未完全填充并且在通孔的中心留有空隙44。如果空隙足够大，则在下一个步骤金属层沉积期间部分或全部填充，导致金属层的垂直延伸45。尽管可能缺少最佳电气性质，但当移除IMD层13时，通孔的这种构造与标准通孔19相比具有优异的机械性能。

在标准半径R上的更大的通孔延伸提供了通孔空隙的更好的金属填充，然而它加剧了局部金属平面变性47，其可能传播到随后的金属层。因此，通孔尺寸延伸的优选量应该通过实验确定，对于特定情况或者如果过程数据可用，通过数值模拟确定。

因为制造工艺可以保持不变，并且可以将标准设计规则保持在MEMS区域之外，集成电路的其余部分的电接触可靠性和性能不受影响。因此，不需要昂贵的BEOL工艺重新设计和重新鉴定。

附图说明

图1是包括多层微机械元件的集成电路的预刻蚀横截面图，其中使用标准尺寸的通孔连接不同的金属层。

图2是图1的集成电路的蚀刻后横截面图，其中多层微机械元件由于标准通孔提供的附着力不足而遭受分解。

图3是标准通孔的横截面细节图。

图4是修改的通孔的横截面细节图。

图5是包括修改的通孔的集成有多层微机械结构的蚀刻后横截面图。

图6a至6g是本发明不同实施例中通孔的俯视图。

图7a至7d是包括不同的修改的通孔类型的多层悬臂的分解图。

图8a、8b是包括由通孔网结合的多层金属结构的平面内/平面外电容传感器部分的等距的分解图。

具体实施方式

图5表示具有包括修改过的通孔41的多层微机械结构165的集成电路的简化横截面。修改的通孔能够抵抗金属层的残余应力，使得微机械结构165保持其完整性。图中呈现的多层微机械结构165使用三个金属层和两个通孔层，然而，本发明既没有指定被卡住的层的特定数量，也没有指定堆栈的通孔和金属层的厚度。

图6a-6g显示从顶部看到的各种通孔形状。CVD工艺在距通孔周界半径R内沉积钨。为了清楚起见，假设R等于标准通孔19尺寸的一半，但是在一些技术中R可以更大。增加标准通孔的直径导致第一类修改的通孔411，其具有位于通孔411中心的空隙441。

通过沿着一个轴线拉伸通孔的直径可以获得另一种修改的通孔结构，以便获得具有呈现沟槽442的形状的空隙的加宽通孔条412。

修改的通孔413的另一个实施例通过连接两个标准宽度的通孔条获得，在通孔条接合区域中产生空隙443。类似地，两个标准宽度通孔条的交叉414可以在交叉的中心产生空隙444。通孔条互相交叉或连接的角度不必如图6d和6e所示为90度，尽管在某些集成电路技术中其它角度可能是禁止的。

在某些情况下，由通孔条交叉或连接处获得的空隙直径可能不足以保证在空隙内有足够的金属沉积深度。在这种情况下，可以通过局部地增加通孔条交叉点或接合点附近的通孔直径415来增加空隙尺寸445。

本发明的另一个实施例是两个具有延伸宽度的通孔条的交叉416。在这种情况下，通孔中的空隙446形成两个交叉的沟槽，其在交叉中心具有增大的直径。

为了更好地教导本发明，在图7a-7d中给出了使用不同形状的改进通孔的金属-通孔-金属悬臂的分解图。

图7a中呈现的第一示例性悬臂包括底部金属层171，底部金属层171具有延伸直径的通孔矩阵411，其在通孔411的中心具有空隙441，空洞441部分地填充有顶部金属层172，其形成针状垂直金属延伸451卡在空隙441内。

图7b中呈现的第二示例性悬臂包括具有延伸宽度412的通孔条的底部金属层171以及沟槽形状的空隙442，其部分地填充有顶部金属层172，形成楔形的垂直金属延伸部452卡在空隙442内。

图7c中呈现的第三示例性悬臂包括具有标准直径414的几个通孔交叉的底部金属层171，其中空隙444形成在交叉的中心并且部分地填充有形成销形垂直金属延伸部454的顶部金属层172，该销形垂直金属延伸部454卡在空隙444内。

图7d中呈现的第四示例性悬臂包括底部金属层171，其中修改的通孔416布置为与扩展宽度的几个其他通孔条交叉的扩展宽度的条，其中具有沟槽形状的通孔空隙446与几个其他沟槽交叉，部分地填充有相应形状的金属结构456，并且所述金属结构卡在空隙446内。

本发明不限于图6a-6g和图7a-7d中呈现的几何形状。本发明总体上揭示了一种通过利用在标准的钨通孔CVD工艺中，材料仅在距通孔周界的技术特定距离R内的区域中朝通孔的整个高度沉积的事实，获得通孔空隙和特定形状的垂直金属延伸的方法，而距通孔周界较远的通孔区域并未完全填满，在该区域中空隙可以被随后的创建的金属层填充。在图6a-6g和图7a-7d中呈现的通孔几何形状形成了一般指导原则，以获得所需的其他修改的通孔以及可能导致本发明的其他实施例的期望的更复杂的形状。图6a-6g和图7a-7d中呈现的通孔几何形状的任何组合或布置将产生本发明的又一个实施例。

所提出的获得修改的通孔形状的方法是与标准集成电路生产工艺兼容并且不需要修改的便利的方法。然而，本领域技术人员可以开发不同的工艺来获得使用与钨和铝铜合金不同的材料的类似形状的通孔和垂直金属延伸。此外，还可以使用另一种在通孔中不产生所需空隙，然后使用专用蚀刻步骤对空隙进行图案化的工艺，来沉积扩展尺寸的通孔，最终获得具有类似特性的改进通孔和多层微结构。

在图8a和8b中可以看到修改的通孔的另一个示例性应用，其中描绘了可以在平面内和平面外移动的电容传感器的一部分。这样的微结构可以是诸如加速度计、陀螺仪或两者组合的多轴惯性传感器构件。

使用附接到锚定件872的弹簧86来悬置多层块80，其支撑在基板(未示出)上。该块还包括多个转子指状物88，该转子指状物88放置在通过锚定件87附接到基板的两个定子指状物89之间。为了清楚起见，仅画出一个转子和两个定子指状物。

多层物质可以电耦合到至少部分地从同一基板上的有源装置布置的电子电路，使得电子电路将块位置转换成电信号，或者通过施加适当的电子信号，电路可以改变块的位置。例如，通过耦合到电子电路，可以使用定子和转子指状物之间的电容C1和C2来感测装置的水平位置，或者可以用来产生改变水平位置的静电力。类似地，垂直位置可以通过悬置多层块80和悬置在多层块80下面并固定到基板上的底部固定板82之间的电容C3来感测。

多层块80以及指状物88和89由顶部金属层172、通孔网格417和418以及底部金属层171组成。此外通孔网格417和418可以封闭IMD 13的一部分。孔85方便于多层块80和底部固定板82之间IMD的移除。

通孔网格417和418通过在网格节点上产生空隙443和444而提供沉积在网格上的金属172的良好附着，所述空隙443和444由沉积在网格上的金属172部分填充，产生销形垂直金属延伸部453和454，分别卡在空隙443和444内。在所述示例中，使用了具有修改的通孔的双金属层结构，然而，该概念可以扩展到更多的金属层。

此外，使用钨或其他高密度材料构建的通孔网格是生产微结构的一种非常方便的方法，其用于制造互连层，具有比那些主要由铝或铝铜合金等轻金属制成的的微结构更高的整体密度。因此，包含通孔网格的多层微结构，特别地，预定为用作惯性传感器的检测质量块。通孔网格还可以保护蚀刻期间的一部分IMD13不被去除，甚至更多地改进了层之间的整体装置密度和附着力。

通孔网格的另一个有利的特征是，这种形状的通孔层比标准通孔的总体横向电容(如C1和C2)更好，几乎与其连接的金属层一样好，因此它改善了潜在的设备横向电容感测和致动性能。

所述获得修改的通孔形状的方法及其在开发多层微结构中的应用，在BEOL堆栈内提供厚金属层的集成电路技术的情况下特别有利。用于连接厚金属层的通孔往往比用于连接正常金属层的通孔具有更高的厚度和更大的直径。因此，组合包括厚金属层和厚通孔的多层结构是构建大型微机械装置(如加速度计或陀螺仪)的一种非常方便的方式，因为其提供了高质量面积比和高横向电容。

发明人注意到，与使用标准厚度的金属和通孔层的结构相比，包括厚金属层和标称尺寸的通孔的多层结构在IMD蚀刻工艺之后甚至更可能发生崩解。另一方面，将所提出的任何技术应用到具有较大标称直径的通孔(如那些用于厚金属层的通孔)，会产生具有较高空隙直径的形状，其更好地被金属填充。此外，较厚的金属不太可能表现出严重的局部金属平面变性47。

参考文献列表

US 20120280393 A1

DAI、CHING-LIANG等人，A maskless wet etching silicon dioxide post-CMOSprocess and its application，微电子工程，2006，第83卷，第11期，第2543-2550页。

DANIEL等人，Experiments on the release of CMOS-micromachined metal layers，传感器杂志，2010。

Claims (14)

1.一种集成电路，包括：

-基板(10)；

-有源装置(11)；

-多个金属层(17)，其中所述金属层通过介电层(13)分隔开并且通过多个通孔(19)彼此连接；

-至少一个微机械区域(15)，其中一些介电层被去除并留下空腔(23)，从而一些所述金属层和通孔层在所述微机械区域中形成微机械装置，

-其中所述微机械装置包括由多个金属构成的至少一个多层结构(165)以及至少一个通孔层，

所述集成电路的特征在于，所述多层结构(165)的至少两个金属层通过包括空隙空间(44)的至少一个经修改的通孔(41)连接，并且所述空隙空间至少部分地由位于所述修改的通孔顶部的金属层填充。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述修改的通孔(41)中的所述空隙空间位于所述通孔的与通孔开口周界基本上隔开的区域部分中。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中在至少一个修改的通孔(41)中，大体上远离所述通孔开口周界的通孔的区域，特定地产生在至少两个通孔条的交叉(414)或接合(413)处。

4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述一些通孔条以网格(417、418)的形式排列。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成电路，其中所述多层结构(165)包含至少一个比其他金属层更厚的金属层。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成电路，其中至少一个多层结构(165)布置为电耦合到电子电路的可移动块的一部分，并且所述电子电路至少部分地从同一基板上的有源装置布置，从而所述电子电路将所述块相对于基板的位置转换为电信号，和/或所述电子电路通过施加适当的电信号来改变块相对于基板的位置。

7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述可移动块是加速度传感器、陀螺仪或它们的组合的一部分。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的集成电路，其中一些所述有源装置位于所述微机械区域(15)下方。

9.一种集成电路的制造方法，所述集成电路包括基板、具有至少一个多层结构(165)的至少一个微机械区域(15)，所述方法包括：

-在基板(10)上制造有源装置(11)；

-图案化和沉积金属(17)、通孔(19)和金属间介电(IMD)层(13)；

-去除微机械区域内的IMD层的牺牲部分，从而形成空腔(23)

其特征在于，在所述微机械区域中，所述通孔沉积工艺不完全填充至少一个修改的通孔(41)的部分，所述部分基本上远离所述通孔开口周界(35)，从而在所述通孔中产生空隙(44)，使得随后的金属沉积至少部分地用随后的金属层填充空隙，从而在修改的通孔(41)中制造朝向空隙(44)的所述随后的金属层的垂直延伸(45)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中使用化学气相沉积工艺来制造所述修改的通孔(41)。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述通孔包含钨或任何钨合金。

12.根据权利要求9所述的方法，其中通过湿法或干法各向同性蚀刻将所述介电层从微机械区域移除。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述介电层含有二氧化硅。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述金属层包含铝或铜或铝铜合金。