專利名稱：在銅金屬化集成電路之上具有保護性防護層可焊金屬接頭的接觸點的結構和方法
技術領域：
0001本發(fā)明一般涉及電子系統(tǒng)和半導體器件領域，更具體地是涉及銅金屬化集成電路的焊盤結構和制造方法。
背景技術：
0002在集成電路(IC)技術中，將純鋁或摻雜鋁作為涂敷金屬的選擇用于互連和焊盤已經超過四十年。鋁的主要優(yōu)點是易于沉積和圖案化。而且，由金、銅或鋁制成的連接到鋁焊盤的焊絲的技術已經發(fā)展到一種高水平的自動化、微型化和可靠度。
0003在IC持續(xù)的微型化趨勢中，活動或有源電路元件之間的互連的RC時間常數日益決定著可獲得的IC速度功率產品。因此現在，互連鋁的相對高的電阻率與諸如銅之類的金屬的較低電阻率相比要遜色。而且，鋁對電遷移的顯著的敏感性也正成為嚴重的障礙。所以，基于銅具有較高的導電率和較低的電遷移敏感性，因而現在強烈地促使在半導體工業(yè)中利用銅作為優(yōu)選的互連金屬。然而，由于鋁互連技術已經很成熟，因而轉用銅是一個相當大的技術挑戰(zhàn)。
0004銅必須被屏蔽才不會擴散到IC的硅基材料中，這樣才能保護電路，不會在載體的有效期破壞處于硅晶格中的銅原子的特性。對于由銅制成的焊盤，在制造工藝流程中必須防止形成氧化銅(I)薄膜，因為這些膜嚴重地抑制了焊絲的可靠接合，尤其對于傳統(tǒng)的金絲球焊。與覆蓋在金屬鋁上的氧化鋁膜相比，覆蓋在金屬銅上的氧化銅膜不易被焊接工藝中施加的熱壓和超聲能聯合破壞。而另一難題在于，裸露的銅焊盤易被腐蝕。
0005為了克服這些問題，半導體工業(yè)采取這樣一種結構，即，用一個鋁層蓋在干凈的銅焊盤的頂上，這樣就重新構成了通過傳統(tǒng)的金絲球焊來接合鋁焊盤的傳統(tǒng)情形。然而，上述方法存在若干缺點。首先，鋁帽的造價高于所期望的，因為這個工藝要求額外的步驟來沉積金屬、圖案化、蝕刻和清理。第二，所述帽的厚度必須足以允許進行可靠的絲焊(或稱引線接合)，并足以防止銅擴散穿過帽金屬從而可能對IC晶體管造成不良影響。
0006第三，用于所述帽的鋁是軟的，因此會在電測試中被多探針觸點的標記嚴重破壞。而這種破壞在尺寸不斷減小的焊盤中會變成重要因素，以致隨后的球焊接合不再可靠。最后，由于該鋁層高于周圍的防護層平面，從而增加了金屬劃傷和涂抹的危險。在很多高輸入/輸出電路的緊密的焊盤間距處，任何鋁涂抹代表著不能接受的相鄰焊點間短路的風險。
發(fā)明內容
0007因此，需要一種冶金焊盤結構，其適用于具有銅互連涂敷金屬的IC，其結合了一種制造所述焊盤結構的低成本方法、對再擴散的完美控制、涂抹或劃傷風險的消除、以及一種絲焊到這些焊盤的可靠方法。所述焊盤結構應該足夠靈活，以應用于不同的IC產品族和廣泛的設計和工藝變型中。優(yōu)選地，在實現這些創(chuàng)新點的同時還可縮短生產周期、增加產量，而且不需要昂貴的額外制造設備。
0008本發(fā)明的一個實施例是一種用于集成電路(IC)的接觸點的金屬結構，所述集成電路具有銅互連涂敷金屬。該涂敷金屬的一部分被暴露以向IC提供接觸點。導電阻擋層位于所述銅涂敷金屬的暴露部分上?？珊附饘俳宇^，優(yōu)選為約0.4至1.4微米厚的鋁，被置于所述阻擋層上。保護性的防護層包圍著所述接頭，并且該防護層所具有的厚度使得所述接頭的暴露表面位于所述防護層的暴露表面處或之下?？蛇x地，所述防護層的一個約0.1至0.3微米寬的部分可重疊所述接頭的周界上。
0009本發(fā)明的另一個實施例是一種制造用于集成電路接觸點的金屬結構的晶片級方法，所述集成電路具有銅互連涂敷金屬。所述方法包括以化學機械方式拋光所述晶片，以暴露出所述銅涂敷金屬的嵌入絕緣材料中的圖案化接觸點區(qū)域的步驟。然后，將阻擋金屬層沉積到包括暴露的銅涂敷金屬的晶片上。接著，將可焊金屬層(優(yōu)選為鋁)沉積到阻擋層上，其厚度足以進行絲球焊。接著，將沉積的兩個金屬層進行圖案化，以去除接觸點區(qū)域外的層部分，但保留接觸點區(qū)域上的層部分，從而在每個接觸點上形成一個可焊金屬接頭。然后，在晶片上沉積一個保護性的防護層，包括所述圖案化層部分的金屬接頭。所述防護層具有的厚度可使防護層的暴露表面位于可焊金屬層的暴露表面處或之上。最后，在所述防護層上開出窗口，以暴露所述可焊金屬接頭。
0010本發(fā)明的實施例涉及絲焊IC組件、半導體器件封裝、表面安裝和芯片級的封裝。本發(fā)明的一個技術優(yōu)點在于提供了一種減少鋁涂抹或劃傷以及接觸點間電短路風險的低成本方法。因此，可以顯著提高高輸入/輸入器件的組裝成品率。本發(fā)明的一個額外的技術優(yōu)點在于，有利于在無電短路造成的產量損失的風險的情況下，縮小芯片接觸點的間距。進一步的技術優(yōu)點包括有機會將組件縮放到更小的尺寸，滿足現在IC微型化的趨勢。
0011當結合附圖以及所附權利要求中給出的新穎性特征考慮時，根據下文對本發(fā)明優(yōu)選實施例的描述，本發(fā)明的某些實施例所代表的技術優(yōu)點將會變得更加明顯。
0012圖1示出了根據已知技術的具有銅涂敷金屬的集成電路(IC)的接觸點的示意性截面圖?？珊附饘僮鳛轭~外的層添加到晶片表面上且被抬高成高于晶片表面。
0013圖2示出了在已知技術中銅金屬化IC的兩個絲焊接觸點的示意性截面圖。抬高的可焊金屬層已被劃傷和涂抹，引起了電短路。
0014圖3是本發(fā)明的一個實施例的示意性截面圖，示出了具有銅涂敷金屬的IC的接觸點，其中該接觸點具有一個可焊金屬接頭。
0015圖4是根據本發(fā)明的焊盤涂敷金屬的示意性截面圖，其中具有接合到可焊金屬接頭的焊球。
0016圖5是根據本發(fā)明另一個實施例的器件制造工藝流程的方框圖。
具體實施例方式
0017通過比較本發(fā)明的一個實施例和傳統(tǒng)的對集成電路(IC)芯片的接觸點進行絲焊的方法(其使用銅作為互連金屬)，能夠最好地理解本發(fā)明帶來的技術優(yōu)點。圖1中示出了傳統(tǒng)結構的一個實例。在總體上被標識為100的IC接觸點的示意性截面圖中，101是層間(intra-level)電介質，可由二氧化硅、低k電介質、或任何其它合適的傳統(tǒng)上用于IC的絕緣體組成。102表示頂層IC銅涂敷金屬(厚度通常為200至500納米之間)，其被阻擋層(通常為氮化鉭，且厚度通常為10至30納米之間)103a和103b包圍，以防止其擴散到其它IC材料中。接觸窗110處于實質上不滲水的防護層104中(防護層104通常為500至1000納米之間的氮化硅、氮氧化硅、或二氧化硅，并且可以是單層或多層的)，接觸窗的寬度通常為40至70微米之間，其暴露出銅涂敷金屬102，以便建立接觸。阻擋層103b在窗口周界的周圍重疊在防護層104上，以產生涂敷金屬寬度111，因而該寬度大于窗口110(直徑通常為約45至75微米之間)。同樣的寬度111容納可焊金屬層120，該金屬層為鋁或銅鋁合金。為了使絲焊可靠，層120的厚度121通常在700至1000納米之間。
0018圖案化鋁層120相當高的高度121存在偶然劃傷或涂抹鋁的很大風險。在鋁圖案化之后的典型的組裝工藝流程中，有許多晶片和芯片處理步驟。最重要的步驟包括背磨；將晶片從加工設備傳送到組裝設備；將晶片置于條帶(tape)上以便鋸割；鋸割和清洗晶片；將每個芯片固定到引線框；進行絲焊(或稱引線接合)；以及將焊好的芯片包封到模塑料中。在這些工藝步驟的每一個工藝步驟中，以及在工藝步驟之間，可能會發(fā)生偶然的劃傷或涂抹。
0019圖2示意性地示出了一個實例，其是穿過兩個鄰近(距離230)的焊盤201和202的截面圖。焊盤201的鋁層210和焊盤202的鋁層220已經被劃傷，以致鋁在240處被涂抹在一起。因此，焊盤250和251形成電短路。
0020圖3示出了本發(fā)明的一個實施例，其圖解說明了半導體晶片的一部分300的示意性截面圖。層間絕緣材料310例如由低k介電材料、二氧化硅、或介電材料的疊層制成。圖3進一步示出了IC互連涂敷金屬的圖案化頂層部分，該涂敷金屬由銅或銅合金制成，嵌在絕緣體310中。特別示出了銅層中用于提供接觸點的部分311以及用于錨定劃線道的部分312。銅層的厚度范圍優(yōu)選為0.2至0.5微米。銅涂敷金屬分別包含在阻擋層313a和113b中，以防止其擴散到絕緣體310或其它的集成電路材料中；阻擋層313a和313b優(yōu)選由氮化鉭制成，厚度為約10至30納米。焊盤銅層311具有寬度301(通常處于30至60微米的范圍內)。
0021如圖3所示，銅層311的暴露表面(頂表面)311a和劃線道涂敷金屬的暴露表面(頂表面)312a與介電材料310的頂表面310a處于同一高度。之所以要一致的原因在于制造方法中包括了一個化學機械拋光步驟(參考下述內容)。
0022為了與銅建立低電阻的歐姆接觸，一個或多個導電阻擋層330被沉積到銅上，如圖3所示。對于單個層而言，氮化鉭是較佳的選擇。對于兩個層而言，第一阻擋層最好選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻以及它們的合金；該層被沉積在暴露的銅部分311上，以通過“吸除(gettering)”銅上的氧化物與銅建立良好的歐姆接觸。第二阻擋層(通常為鎳釩)，被沉積以防止銅向外擴散。該阻擋層的厚度優(yōu)選在0.02至0.03微米的范圍內。在圖3中，所示阻擋層330與銅涂敷金屬311具有相同的寬度301。雖然這是優(yōu)選結構，但仍可存在其他的器件設計方案，其中阻擋層寬度可以稍微略小或略大。
0023阻擋層330的頂上是一個可焊金屬層350，其厚度適于進行絲球焊。厚度范圍優(yōu)選為從約0.4至1.4微米。由于這一厚度較大，因而層350通常被稱為接頭(plug)?？珊附饘賰?yōu)選為鋁或鋁合金，例如鋁銅合金。在圖3中，這一接頭的暴露表面被標識為350a。同樣厚度的鋁層351在圖3中被示為在劃線道金屬312之上。
0024如上所述，由于表面310a和311a處于一個共同高度上，阻擋層330和可焊接頭350的總厚度在幾何上將堆疊高出這個共同高度；在圖3中，在共同高度之上的這個總高度被標識為360。為了防止任何偶然的劃傷或涂抹，應沉積一個保護性的防護層320(更詳細的內容參見下文)。優(yōu)選的防護層材料實際上是不滲水或鎖水的，并且從機械意義而言是硬的；實例包括一層或多層氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、或包括聚酰亞胺的絕緣材料的疊層。該防護層的厚度320b處于0.5至1.5微米范圍內，優(yōu)選為1.0微米。圖3中，防護層320的暴露表面被標識為320a。
0025根據本發(fā)明，沉積的保護性防護層320具有厚度320b并包圍著接頭350，以致接頭350的暴露表面350a位于防護層320的暴露表面320a處或之下。寬度322的窗口開在防護層320中，以便暴露出接頭350的表面350a。優(yōu)選地，寬度322比接頭350的寬度301窄；因此，防護層320的一部分(在圖3中標識為321)可以重疊在接頭350的周界上。類似的描述也適用于相對于鋁層351的防護層320。接頭表面350a和層表面351a相對于防護層320a并未被抬高；因此，可分別保護接頭350和層351，使其不會發(fā)生偶然劃傷，從而提供了原狀接頭金屬以便可靠地進行球焊。
0026圖4的截面圖示意性地示出了在芯片通過鋸割工藝(410指示的劃線道)從晶片中分離出來并接合了一個焊球之后的圖3中的接觸點。金屬焊絲402(優(yōu)選為金)的自由氣球401(優(yōu)選為金)被壓焊到接頭403(優(yōu)選為鋁或鋁合金)的原狀表面403a。在焊接過程中，金屬間化合物404形成在球和接頭的接觸區(qū)域。
0027本發(fā)明的另一個實施例是一種制造用于集成電路接觸點的金屬結構的晶片級方法，所述集成電路具有銅互連涂敷金屬。圖5的示意性方框圖中示出了該工藝流程。該方法從步驟501開始，在步驟502以化學機械方式拋光晶片，以暴露出嵌入在絕緣材料中的銅涂敷金屬的圖案化接觸點區(qū)域。
0028在下一個步驟503中，阻擋金屬層被沉積在晶片上(包括暴露的銅涂敷金屬)。優(yōu)選的阻擋金屬選擇包括鉭或氮化鉭和鎳釩；優(yōu)選的阻擋層厚度在大約20和30納米之間。在步驟504中，將可焊金屬層沉積在阻擋層上，其厚度足以進行絲球焊。優(yōu)選的可焊金屬選擇包括鋁和鋁合金，優(yōu)選的可焊金屬層厚度在0.4到1.4微米之間。
0029在下一個步驟505中，沉積的兩個金屬層都被圖案化，以便去除接觸點區(qū)域外的層部分，但保留接觸點區(qū)域上的層部分，從而在每個接觸點上形成可焊金屬接頭。
0030在下一個步驟506中，將保護性的防護層沉積在晶片上，包括步驟505中形成的圖案化層部分的金屬接頭。防護層優(yōu)選包括一層或多層氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、碳化硅、或其它鎖水化合物。防護層具有的厚度使得防護層的暴露表面位于可焊金屬層的暴露表面處或之上。優(yōu)選的防護層厚度為約0.6至1.5微米。
0031在步驟507中，窗口被開在防護層中，以暴露可焊金屬接頭。可將窗口的尺寸設計成，使寬度在約0.1和0.3微米之間的防護框留在焊盤區(qū)域的周界的周圍，從而為接頭提供額外的保護避免偶然劃傷。該方法結束于步驟508。
0032雖然本發(fā)明是參考說明性實施例描述的，但不應將這種描述理解為限制性的。對于查閱了本說明書的本領域技術人員而言，這些說明性實施例的各種變型和組合以及本發(fā)明的其它實施例將是明顯的。因此所附權利要求應涵蓋任何這樣的變型和實施例。
權利要求
1.一種具有銅互連涂敷金屬的集成電路，所述涂敷金屬的一部分被暴露以向所述集成電路提供接觸點，所述集成電路包括一個或多個導電阻擋金屬層，其置于所述銅涂敷金屬的所述暴露部分上；一個可焊金屬層，其置于所述阻擋層上，且所述阻擋層具有適于絲焊的厚度以及一個暴露表面；和一個保護性的防護層，其包圍著所述接合層，以使所述接合層的暴露表面位于所述防護層的暴露表面處或之下。
2.一種用于具有銅互連涂敷金屬的集成電路的金屬結構，所述涂敷金屬的一部分被暴露以向所述集成電路提供接觸點，所述金屬結構包括一個導電阻擋層，其置于所述銅涂敷金屬的暴露部分上；一個可焊金屬接頭，其置于所述阻擋層上；和一個保護性的防護層，其包圍著所述接頭，以使所述接頭的暴露表面位于所述防護層的暴露表面處或之下。
3.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述防護層的厚度范圍為約0.6至1.5微米。
4.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述防護層在所述接頭的周界上有約0.1至0.3微米之間的重疊。
5.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述防護層包括一層或多層氮化硅、氮氧化硅、二氧化硅、碳化硅、或其它鎖水化合物。
6.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述可焊金屬接頭為鋁或鋁合金。
7.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述接頭的厚度在約0.4至1.4微米之間。
8.根據權利要求2所述的金屬結構，進一步包括接合于所述接頭的焊球。
9.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述阻擋層包括氮化鉭。
10.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述阻擋層選自鈦、鉭、鎢、鉬、鉻、釩以及它們的合金、疊層和化合物。
11.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述阻擋層的厚度在約0.02至0.03微米之間。
12.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述阻擋層被圖案化到與所述涂敷金屬的所述接觸點部分相同的區(qū)域。
13.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述可焊金屬接頭被圖案化到與所述涂敷金屬的所述接觸點部分相同的區(qū)域。
14.根據權利要求2所述的金屬結構，其中所述防護層的一部分重疊在所述接頭的周界上。
15.一種制造金屬結構的晶片級方法，所述金屬結構用于具有銅互連涂敷金屬的集成電路的接觸點，所述方法包括以下步驟以化學機械方式拋光所述晶片，以暴露出嵌入絕緣材料中的所述銅涂敷金屬的圖案化接觸點區(qū)域；在包括所述暴露的銅涂敷金屬的所述晶片上沉積一個阻擋金屬層；在所述阻擋層上沉積一個可焊金屬層，其厚度足以進行絲球焊；將沉積的兩個所述金屬層圖案化，以去除所述接觸點區(qū)域外的層部分，但保留所述接觸點區(qū)域上的層部分，從而在每個所述接觸點上形成一個可焊金屬接頭；在包括所述圖案化層部分的所述金屬接頭的所述晶片上沉積一個保護性的防護層，所述防護層具有的厚度使得所述防護層的暴露表面位于所述可焊金屬層的暴露表面處或之上；在所述防護層中開出窗口以暴露所述可焊金屬接頭。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述沉積可焊金屬層的步驟包括厚度范圍為約0.4至1.4微米的鋁。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述防護層的厚度范圍為約0.6至1.5微米。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述防護框的寬度為約0.1至0.3微米之間。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述防護層中的所述開口在每個接頭的周界的周圍留下一個防護框。
全文摘要
一種用于集成電路(IC)接觸點的金屬結構，所述集成電路具有銅互連涂敷金屬(311)。該涂敷金屬的一部分(301)被暴露以向IC提供接觸點。導電阻擋層(330)被置于銅涂敷金屬的暴露部分上。厚度優(yōu)選為約0.4至1.4微米之間的可焊金屬接頭(350)被置于到阻擋層上。保護性的防護層(320)包圍著接頭，而且其厚度(320b)使得接頭的暴露表面(322)位于防護層的暴露表面(320a)處或之下?？蛇x地，所述防護層的寬度為約0.1至0.3微米之間的一部分(321)可重疊在接頭的周界上。
文檔編號H01L21/44GK1957455SQ200580016536
公開日2007年5月2日 申請日期2005年3月23日 優(yōu)先權日2004年3月23日
發(fā)明者L·李, E·R·霍塔勒扎 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司