衬垫结构

技术领域

本公开涉及半导体制造技术领域，具体而言，涉及一种衬垫结构。

背景技术

衬垫结构(PAD structure)是半导体制造工艺中用于将底层的信号引出到上层或者将相同层的信号引出到不同位置的一种导体结构，通常采用铜、铝等金属材质制作。

铝材质的衬垫结构曾经由于制作工艺简单(可以通过蚀刻形成)而被广泛应用，但是随着器件尺寸的减小、结构性能越来越复杂，铝材质响应沿迟等缺点越来越明显，具有良好的导电性能和优异的电迁移特性的铜材质进入衬垫结构的材质选择范围。与铝材质不同，铜材质硬度较大无法通过蚀刻形成指定图形，只能通过填充凹槽再对填充后的铜进行CMP(化学机械抛光)工艺形成指定图形，在这一过程中，如果凹槽面积较大，凹槽中央的铜在研磨过程中将出现凹陷等工艺缺陷，因此使用铜材质形成指定形状的衬垫结构时，对凹槽设置了宽度限制(＜2微米)，采用中心窄铜线布局、四周铜线锁边的方式制作呈网格状的指定图形的衬垫结构。

现有技术中，由于铜衬垫结构具有较高的电阻和较小的散热面积，在ESD/TLP脉冲放电测试中面对高压大电流(＞1KV，＞10A)，现有的铜线极有可能被烧坏。在另一方面，上下层铜衬垫结构的框线通常通过多个钨材质的导电结构进行电连接，随着工艺进步，钨材质导电结构与铜框线接触尺寸下降、电阻提高，对多层级的衬垫结构造成了不良的性能影响。

因此，需要一种能够保留铜材质衬垫的优点、避免铜材质衬垫的缺点的衬垫结构。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开提供一种衬垫结构，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的铜材质衬垫结构电阻大、散热能力差等问题。

根据本公开的一个方面，提供一种衬垫结构，包括：多条第一金属线，沿第一方向设置，在第二方向上平行排列；多条第二金属线，沿所述第二方向设置，在所述第一方向上平行排列；多个第三金属区域，呈多边形，至少一条边由所述第一金属线或所述第二金属线构成，每两个所述第三金属区域的边沿均不相接；金属框线，同时连接所述多条第一金属线的两端和所述多条第二金属线的两端。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第三金属区域为四边形，所述四边形的四条边分别由相邻两条所述第一金属线和相邻两条所述第二金属线构成。

在本公开的一种示例性实施方式中，相邻的所述第三金属区域之间的间距为所述第一金属线的间距或所述第二金属线的间距。

在本公开的一种示例性实施方式中，上下两层衬垫结构之间通过多个垂直导电结构相连，所述垂直导电结构包括连通上下两层衬垫结构的所述金属框线的第一垂直导电结构和连通上下两层衬垫结构的所述第三金属区域的第二垂直导电结构。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第一垂直导电结构按照预设间距排布在所述金属框线上，所述第二垂直导电结构的两端分别连接在两层衬垫结构中位置对应的两个所述第三金属区域的几何中心上。

在本公开的一种示例性实施方式中，每个所述第三金属框线均对应一个垂直导电结构。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第一金属线之间的线间距小于2微米，所述第二金属线之间的线间距小于2微米。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第一金属线之间的线间距相同，所述第二金属线之间的线间距相同，且所述第一金属线的线间距与所述第二金属线的线间距相等。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第一方向与所述第二方向垂直。

在本公开的一种示例性实施方式中，所述第一金属线、所述第二金属线、所述第三金属区域、所述金属框线的材质均为铜。

本公开实施例提供的衬垫结构通过设置密集的窄铜线，并在窄铜线之间设置铜片区域，可以在满足铜材质CMP限制条件的前提下增加衬垫结构的铜材质面积，降低衬垫的电阻、增加导热面积，避免高电压大电流的ESD/TLP脉冲对铜材质衬垫结构中的铜线造成损坏，有效改良铜材质衬垫结构的导电性能和导热性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开一个示例性实施例中衬垫结构的结构示意图。

图2是本公开另一个示例性实施例中衬垫结构的结构示意图。

图3是本公开再一个示例性实施例中衬垫结构的结构示意图。

图4A～图4G是本公开实施例中多层衬垫结构的制作工艺示意图。

图5是本公开实施例中多层衬垫结构的另一种剖面图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。

图1是本公开示例性实施例中衬垫结构的结构示意图。

参考图1，衬垫结构100可以包括：

多条第一金属线11，沿第一方向设置，在第二方向上平行排列；

多条第二金属线12，沿第二方向设置，在第一方向上平行排列；

多个第三金属区域13，呈多边形，至少一条边由第一金属线11第二金属线12构成，且每两个第三金属区域13的边沿均不相接；

金属框线14，同时连接多条第一金属线11的两端和多条第二金属线12的两端。

在本公开实施例中，第一金属线11、第二金属线12、第三金属区域13、金属框线14的材质均为铜。

在图1所示实施例中，第一方向与第二方向垂直，第一方向例如为行方向，第二方向例如为列方向。第三金属区域13为四边形，四条边分别由相邻两条第一金属线11和相邻两条第二金属线12构成。相邻两个第三金属区域13的间距等于相邻两条第一金属线11的间距或相邻两条第二金属线12的间距。

在一些实施例中，第一金属线11和第二金属线12均为等间距排列，即第一金属线11之间的线间距相同，第二金属线12之间的线间距相同。

在一些实施例中，第一金属线11与第二金属线12线宽相同、线间距相同，该线间距小于2微米，该线宽小于2微米。在本公开一些实施例中，该线间距可以是线宽的两倍以上，以形成面积较大的第三金属区域和非铜区域(CMP制程中的支撑点)。由于铜材质较为坚硬，在形成图案后需要通过CMP制程研磨平整，在此过程中如果铜材质面积过大会导致研磨区域中央凹陷。申请人在研究中发现，CMP制程的研磨效果与支撑点(非铜区域)的分布密切相关，通过在布铜区域周围设置密集的非铜区域(图1中第三金属区域13之间的位置)，可以为CMP制程提供密集的支撑点，从而有效避免研磨过程对第三金属区域13(布铜区域)造成中央凹陷，在提高整体布铜面积的前提下满足CMP制程对铜材质的限制条件。由于增加了布铜面积，整个衬垫结构的电阻得以降低，导热效果得到升高，避免了相关技术中铜衬垫结构电阻高、温度高、网格线细导致的铜衬垫结构网格线烧毁的问题，有效提高了铜衬垫结构的可靠性。

可以理解的是，在其他实施例中，第一金属线11与第二金属线12的线宽、线间距也可以不同。在效果上而言，线宽越小、线距越小，第一金属线11和第二金属线12的设置越密集，越能够增加整体的布铜面积，从而降低衬垫结构100的电阻、提升导热效果。

第三金属区域13的形状、位置和数量可以根据ESD需求或工艺需求设置，除了图1所示的四边形，第三金属区域13也可以仅有部分边连接第一金属线11或第二金属线12，形状可以为任意形。在图1所示实施例中，同一行的相邻两个第三金属区域13之间的间距可以为第二金属线12的列间距，同一列的两个相邻第三金属区域13之间的间距可以为金属框线13的行间距，即每隔一行或一列设置一个第三金属区域13。为了防止大面积铜连接导致的研磨产生中央凹陷，可以设置第三金属区域13均不与金属框线14相接，每两个第三金属区域13的边沿均不相接。

图2是本公开另一个实施例中第三金属区域13的设置示意图。

参考图2，虽然不同第三金属区域13之间不能够边沿相接，但是在第一金属线11、第二金属线12的宽度较小且第三金属区域13的面积设置合适时，多个第三金属区域13之间可以角相接，以增加第三金属区域13的设置密度、在满足铜材质CMP宽度限制的条件下增加衬垫结构上的铜材质面积。

第一金属线11、第二金属线12、第三金属区域13、金属框线14可以在同一次CMP制程中形成，即这些结构的凹槽可以通过同一次光刻制程在介质层上制作，然后通过一次金属填充制程(例如等离子体溅射)填充铜，最后通过一次CMP制程形成如图1或图2所示的图形。

可以理解的是，虽然本公开实施例中的衬垫结构为矩形，但是在实际应用中衬垫结构的形状还可以为多种，例如多个不同尺寸矩形的拼接等形状，本公开不对衬垫结构的具体形状做限制。

在本公开的一种示例性实施方式中，上下两层衬垫之间通过多个垂直导电结构(塞孔)相连。图3是本公开实施例中导电结构的设置示意图。

参考图3，垂直导电结构可以包括连通上下两层衬垫的金属框线14的多个第一垂直导电结构151和连通上下两层衬垫的第三金属区域13的多个第二垂直导电结构152。各垂直导电结构的材质例如为钨。

在本公开的一种示例性实施方式中，第一垂直导电结构151按照预设间距排布在金属框线14的边上，第二垂直导电结构152的两端分别连接在两层衬垫中位置对应的两个第三金属区域13的几何中心上。在一个实施例中，每个第三金属区域13均对应一个垂直导电结构。在其他实施例中，也可以对一个第三金属区域13设置多个垂直导电结构，此时这些垂直导电结构也可以不对应第三金属区域13的几何中心。垂直导电结构的设置方案可以有多种，本领域技术人员可以根据实际需求自行设置。

第三金属区域以及与第三金属区域对应的垂直导电结构的设置可以提高上下两层衬垫结构的连接面积，降低导通电阻，进而克服由于导电结构和衬垫尺寸减小带来的导电结构与衬垫接触面积减小、衬垫间电阻增大等降低衬垫结构导电性能的缺陷。

图4A～图4G是本公开一个实施例中多层衬垫结构的制造工艺示意图。

参考图4A，衬垫结构42设置于第一介质层41的上表面，衬垫结构41的图案例如为图1或图2所示，衬垫结构的材质为铜。

参考图4B，在第一介质层41上沉积第二介质层43，第一介质层41和第二介质层43的材质可以相同也可以不同，例如可以均为介电常数小于3的化合物，本公开对此不作特殊限制。

参考图4C，在第二介质层43中与衬垫结构42的金属框线和第三金属区域对应的位置通过涂覆光刻胶、曝光显影、清洗光刻胶、干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺制作多个孔44，孔44的深度与第二介质层43的高度相同，孔44的底面露出衬垫结构42的金属框线和第三金属区域等金属的上表面。

参考图4D，通过籽金属植入、金属溅射等一般金属填充制程一次性对多个孔44填充金属钨并进行第一次CMP制程，以一次性形成多个垂直导电结构45(即第一垂直导电结构151)。

参考图4E，在第二介质层43上沉积第三介质层46，第三介质层46的材质可以与第一介质层41的材质相同。

参考图4F，在第三介质层46中进行涂覆光刻胶、曝光显影、清洗光刻胶、干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺以形成新一层衬垫结构的凹槽47，凹槽47在垂直方向上的位置完全对应于衬垫结构42的区域，深度等于第三介质层46的厚度，底面露出全部孔44。虽然在图中视角无法展示，但是可以理解的是，凹槽47在上表面的图案与图1或图2相同，即凹槽47并非是一个矩形凹槽，而是具有多道“壕沟”的一体型凹槽。因此，凹槽47周围区域剩余的第二介质层46并非位于同一水平位置，而是相对于观看方向具有不同的深度，凹槽47包括用于形成图1中第一金属线11、第二金属线12、第三金属区域13、金属框线14的凹槽。由图1～图3可以理解，第二介质层46中未填充金属的区域位于衬垫结构的内部，因此图4F中残留的第二介质层46也位于观看方向不同深度的位置，后续会被填充的金属挡住。

参考图4G，通过籽金属植入、金属溅射等一般金属填充制程对凹槽47填充金属铜并进行第二次CMP制程，以形成与衬垫结构42图案无安全相同、位置完全对应的衬垫结构48。需要注意的是，由于此时图中观看的是衬垫结构42、衬垫结构48的金属框线14，因此无法显示各衬垫结构中的第一金属线11、第二金属线12和第三金属区域13。此时，衬垫结构48与衬垫结构42通过导电结构45电连接，可以将衬垫结构42的电信号引到衬垫结构48上。可以理解的是，图4G中的导电结构45是图3中第一导电结构151的剖面图。

图4A～图4G是从侧面展示衬垫结构的示意图，无法直观展示第二垂直导电结构152，因此本公开还提供了如图5所示的示意图。

从衬垫结构中央纵切，切面如图5所示。参考图5，第二导电结构152可以对应于第三金属区域13设置，两个第二导电结构152的间距不小于两个第三金属区域13的间距。

综上所述，本公开实施例提供的衬垫结构通过设置窄间距的铜线，并在铜线之间设置第三金属区域、在与第三金属区域对应的位置设置导电结构，可以在满足铜材质CMP宽度限制的条件下增大衬垫结构中的导电面积、降低铜衬垫结构的电阻、改善铜衬垫结构的导热性能，在保留铜材质的优点的同时克服工艺限制带来的缺陷。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。