專利名稱：用于輸入/輸出位置的共用球型限制冶金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理，特別是涉及一種工藝，用于制造在封裝集成電路(IC)芯片中所使用的輸入/輸出(I/O)位置的共用球型限制冶金。
背景技術(shù)：
在制造半導(dǎo)體裝置時(shí)，金屬線通常埋放于多層結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層中，特別是在制造過程的后階段(“線的后端”或″BEOL″)。含有金屬線的最后層(有時(shí)候在本領(lǐng)域中稱為端子通路或電視層)具有金屬墊座，金屬墊座在有時(shí)候稱為“線的遠(yuǎn)后端”或″遠(yuǎn)BEOL″的工藝中制造成為接觸于金屬線。墊座與線一起提供芯片至其他系統(tǒng)部件的互聯(lián)。大部分集成電路芯片使用鋁(Al)以形成互聯(lián)，但最近使用銅(Cu)。
使用銅而非鋁形成互聯(lián)的一些優(yōu)點(diǎn)包含高導(dǎo)電率(具有低電阻)、低電容負(fù)載、低功率消耗、較少的串?dāng)_、較少的金屬層及較少的潛在制造步驟。然而，使用銅的缺點(diǎn)包含淀積薄層銅的困難度增加、由下方的硅潛在性污染銅而使性能降低、在線之間的銅移動(dòng)而增加短路的危險(xiǎn)、基片與銅墊座及線之間的熱膨脹不匹配。為了完全利用銅互聯(lián)，形成銅互聯(lián)的方法必須嘗試克服使用銅的這些缺點(diǎn)。
依用途而定，使用多種技術(shù)在芯片與其他部件之間提供互聯(lián)，諸如另一層的互聯(lián)。共用連接包含引線接合及焊料凸塊。
引線接合在本領(lǐng)域中是公知的且使用于大部分集成電路芯片，但缺點(diǎn)包含有限的互聯(lián)位置密度，并且特別是在芯片功能測試期間，可能會(huì)機(jī)械式損害在接合位置的芯片。引線接合的典型例子繪示于圖1B。在此現(xiàn)有技術(shù)的例子中，一基片120具有一埋放的金屬線115。金屬線可以是鋁或銅。一通常由鋁(Al)組成的金屬墊座114形成于金屬線115上方，是由電介質(zhì)110支撐。典型上，鋁墊座具有一氧化物層112，其由于鋁的反應(yīng)性而容易形成于表面上。通常是金(Au)的線11 8將使用本領(lǐng)域中已知的技術(shù)，諸如熱音波接合(thermosonicbonding)，而接合至墊座。在金及鋁之間形成引線接合的一個(gè)問題是金與鋁形成中間金屬，其可能減少接合的可靠度。
目前的集成電路-特別是使用銅金屬化的集成電路-的另一問題是，所使用的低k電介質(zhì)是軟的，且容易由于壓力而損害。電路測試是通過推動(dòng)一組測試探針頂住頂層上的重要導(dǎo)電點(diǎn)而執(zhí)行。表面氧化物必須被破壞(通常通過稱為“擦洗”的技術(shù))，以在測試探針與墊座金屬之間形成良好的接觸。所以，特別是在軟的低k電介質(zhì)的狀況下，芯片承受潛在性機(jī)械式損害。所以，希望形成一輸入/輸出墊座，其不需要擦洗，以提供與測試探針之間的低接觸電阻。
焊料凸塊技術(shù)(在本領(lǐng)域中稱為倒裝片技術(shù))潛在性提供較高的密度及較高的性能，但與引線接合相比，苦于再工作及測試的困難度較大。焊料凸塊技術(shù)一實(shí)例是控制塌陷芯片連接(C4)，其中焊料凸塊設(shè)在芯片及互聯(lián)基片二者上，且連接是通過對(duì)準(zhǔn)芯片及基片的焊料凸塊且使焊料再流以進(jìn)行連接而達(dá)成。焊料凸塊是通過在球型限制冶金(BLM)上淀積焊料而形成，如圖1A所示。金屬特征15-其可以系鋁或銅-形成于基片16中。為了避免焊料擴(kuò)散進(jìn)入金屬特征15，一多層金屬薄膜10在金屬特征上成為一蓋，然后焊料形成于多層蓋10頂部上，其起初可延伸越過蓋而到達(dá)氧化物表面上。球型限制冶金10的形成是使用多層金屬，諸如包含鉻的層11、包含銅的層12和包含金的層13。焊料球18的形成是通過起初淀積焊料(典型的焊料為95％鉛及5％錫)，使用諸如通過掩模的蒸發(fā)的工藝，掩模覆蓋墊座及基片16的一部分表面。用于將倒裝片接合至互聯(lián)基片的焊料具有相當(dāng)高的熔點(diǎn)，以致于當(dāng)含有倒裝片的模塊在后續(xù)的封裝組裝時(shí)，其他低熔點(diǎn)的焊料可以流動(dòng)，而倒裝片焊料連接不再熔化。然后，球18通過將焊料-其再流入為球-加熱而形成，由于表面張力，受限于球型限制冶金的尺寸。
鑒于前述討論，需要提供一種輸入/輸出位置，其可以利用銅的金屬化而不會(huì)降低性能，減少過程步驟及增加制備輸入/輸出位置時(shí)的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種用于制造球型限制冶金(BLM)-其可當(dāng)作引線接合及控制塌陷芯片連接(C4)晶片的共用位置-的工藝，而滿足上述需求。
本發(fā)明通過在線與輸入/輸出墊座之間提供一擴(kuò)散阻擋層，及通過在一基片-本發(fā)明的輸入/輸出位置形成于其上-中形成的特征內(nèi)提供第一凹入金屬層，解決金屬線的污染問題。
本發(fā)明通過在輸入/輸出位置上提供一貴金屬頂層，其消除氧化物層的存在并需要較少的接合力，且在金引線接合的狀況下，不形成中間金屬，從而解決了探測及/或引線接合的力導(dǎo)致?lián)p害芯片的問題。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是減少用于形成輸入/輸出位置之工藝步驟的數(shù)目，且提供一靈活位置，其可以是用于引線接合或球型限制冶金的共用位置，以減少總處理成本。依據(jù)本發(fā)明的一特點(diǎn)，一輸入輸出結(jié)構(gòu)在一形成于基片中的特征中，該基片具有一頂表面，該特征具有特征側(cè)壁及一特征底部，特征底部形成于一導(dǎo)電材料上方，該結(jié)構(gòu)包括一覆蓋特征側(cè)壁與特征底部的阻擋層，阻擋層具有一阻擋底部和阻擋側(cè)壁；一具有一籽晶底部與籽晶側(cè)壁的金屬籽晶層，其至少遮蓋所述阻擋底部；及一第一金屬層，其至少遮蓋所述籽晶底部且具有一形成于其中的凹部，以致于所述第一金屬層的頂表面低于基片的頂表面；及一遮蓋所述第一金屬層的第二金屬層。
依據(jù)本發(fā)明的另一特點(diǎn)，一輸入輸出位置形成于一基片的特征中，該基片具有一頂表面，特征具有特征側(cè)壁與一特征底部，特征底部形成于一導(dǎo)電材料上方，該方法包括下列步驟淀積一阻擋層，其遮蓋基片的頂表面、特征側(cè)壁與特征底部，以致于阻擋層具有一阻擋底部與阻擋側(cè)壁；淀積一金屬籽晶層，其遮蓋所述阻擋層的表面；從至少頂表面選擇性移除所述籽晶層，以致于籽晶層減少成為在至少所述阻擋底部上的一部分籽晶層；使用所述部分的所述籽晶層，電鍍一第一金屬層，以致于所述第一金屬層具有一形成于其中的凹部，以致于所述第一金屬層的一頂表面低于基片的頂表面；且電鍍一第二金屬層，以致于所述第二金屬層遮蓋所述第一金屬層。
相信是本發(fā)明的特征的新穎特征揭示于附屬的權(quán)利要求中。然而，參考待與附圖一起閱讀之所繪示較佳實(shí)施例的下列詳細(xì)說明，可以最了解本發(fā)明本身及它的其他目的與優(yōu)點(diǎn)。


圖1A繪示用于控制塌陷芯片連接位置的現(xiàn)有技術(shù)球型限制冶金。
圖1B繪示一現(xiàn)有技術(shù)引線接合位置。
圖2A繪示在封裝以前的最后階段構(gòu)造的本發(fā)明的初始結(jié)構(gòu)，顯示由一電介質(zhì)基片覆蓋的頂層導(dǎo)電層，電介質(zhì)基片具有一桶(bucket)特征、一阻擋層及一籽晶層。
圖2B繪示從圖2A顯示結(jié)構(gòu)的頂表面移除籽晶層以后的結(jié)構(gòu)，留下桶特征內(nèi)的一部分籽晶層。
圖2C繪示在圖2B的結(jié)構(gòu)上電鍍一第一金屬層以后的結(jié)構(gòu)。
圖2D繪示在圖2C的結(jié)構(gòu)上電鍍一第二金屬層以后的結(jié)構(gòu)。
圖3A繪示從圖2D選擇性移除阻擋層形成引線接合位置以后的結(jié)構(gòu)。
圖3B繪示在將引線接合至圖3A的引線接合位置以后的結(jié)構(gòu)。
圖4A繪示在圖2D的結(jié)構(gòu)上電鍍焊料的步驟以后的結(jié)構(gòu)。
圖4B繪示從圖4A的結(jié)構(gòu)選擇性移除阻擋層以后的結(jié)構(gòu)。
圖4C繪示在圖4B的電鍍的焊料再流以后的控制塌陷芯片連接結(jié)構(gòu)。
圖5A繪示使用掩模在圖3A的結(jié)構(gòu)上蒸發(fā)焊料的步驟。
圖5B繪示在圖5A所繪示的蒸發(fā)焊料以后的結(jié)構(gòu)。
圖5C繪示在圖5B之蒸發(fā)的焊料再流以后的控制塌陷芯片連接結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
在下述本發(fā)明之較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明中，將詳細(xì)說明在封裝以前形成最后層構(gòu)造以形成共用球型限制冶金(BLM)的步驟?？梢粤私?，此僅為一實(shí)例，且本發(fā)明能夠以各種基片與金屬實(shí)施。
如圖2A所示，電介質(zhì)層20中形成一特征21，其在金屬墊座的所希望的位置。電介質(zhì)層20由至少一種電介質(zhì)材料組成，但較佳為由一電介質(zhì)層的堆疊-諸如氮化硅(SiNx)及二氧化硅(SiO2)-組成。特征21形成于一導(dǎo)電特征27上，其典型是金屬，諸如鋁(Al)或銅(Cu)，導(dǎo)電特征27形成于電介質(zhì)基片25中。在使用銅形成導(dǎo)電特征27的狀況下，基片25較佳為低k電介質(zhì)。一層襯墊材料22可以淀積在基片20的整個(gè)表面上，包含特征21的側(cè)壁與底部。襯墊22當(dāng)作擴(kuò)散阻擋及粘結(jié)促進(jìn)劑。此外，依據(jù)本發(fā)明的襯墊22可導(dǎo)電。在待鍍銅的狀況下，此襯墊材料較佳為鉭(Ta)與氮化鉭(TaN)的組合，氮化鉭較佳為與電介質(zhì)層20及導(dǎo)電特征27的頂表面接觸。一金屬籽晶層23使用本領(lǐng)域中已知的淀積方法，諸如通過化學(xué)氣相淀積(CVD)，或較佳為通過物理氣相淀積(PVD)，淀積于襯墊/阻擋層22的表面上。籽晶層23典型上是薄的，例如，在約1000埃的數(shù)量級(jí)。籽晶層較佳為銅，其對(duì)于氮化鉭/鉭具有良好的粘結(jié)力。
然后，從襯墊22的至少頂表面選擇性移除籽晶層23，較佳為使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，在特征21的至少底部上留下一部分籽晶層23，且典型地也留在特征21的側(cè)壁上，得到圖2B所示的結(jié)構(gòu)。雖然圖2B所示之所得的籽晶層23與阻擋層22的表面齊平，但可以從特征21的側(cè)壁部分移除籽晶層23。
第一電鍍層24的形成是使用籽晶層23且施加電流至阻擋層22，得到圖2C所繪示的結(jié)構(gòu)。在形成層24以前，必須清潔籽晶層23的表面。此可以通過清潔方法完成，諸如刷除清潔、濕法清潔或通過超音波的濕法清潔，如本領(lǐng)域所已知的。用于第一電鍍層24的適當(dāng)材料包含鉑(Pt)、金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)、焊料或鎳(Ni)。在導(dǎo)電特征27是銅的狀況下，選用于電鍍層24的材料較佳為選擇為當(dāng)作額外的擴(kuò)散阻擋，例如鎳。在電鍍期間，層24只在籽晶層23上成核，不會(huì)鍍?cè)谧钃鯇?2上。
第二電鍍層26形成于第一電鍍層24上方，其當(dāng)作共用輸入/輸出位置的墊座。層26較佳為貴金屬，諸如金。再次地，于電鍍過程期間，電流施加至導(dǎo)電阻擋層22，其較佳為在鎳鍍液已沖洗以后，當(dāng)鎳層24仍濕時(shí)執(zhí)行。層26的厚度可以依據(jù)所欲的用途而改變，且可以延伸于頂表面22a上，如圖2D所示，但可以與頂表面22a齊平或下凹至低于頂表面22a。層24(較佳為鎳)當(dāng)做籽晶層23(較佳為銅)及層26(較佳為金)之間的阻擋層。依據(jù)本發(fā)明之圖2D所繪示的結(jié)構(gòu)適用于當(dāng)做共用輸入/輸出位置，例如，用于引線接合或控制塌陷芯片連接位置，其導(dǎo)致成本節(jié)約與靈活性。用于引線接合與控制塌陷芯片連接位置之本發(fā)明的實(shí)施例說明如下。
第一實(shí)施例引線接合墊座用于用作引線接合輸入/輸出位置的本發(fā)明的一實(shí)施例能夠從圖2D中的結(jié)構(gòu)開始而形成。自未由鍍層26-其較佳為金-遮蓋之部分頂表面選擇性移除阻擋層22，如圖3A所示。此可以通過本領(lǐng)域已知的選擇性拋光方法執(zhí)行，或通過濕法蝕刻-諸如氫氟酸/硝酸-執(zhí)行。
隨著選擇性移除阻擋層22之后，可以在整個(gè)表面上淀積一選擇性劃痕保護(hù)層(未顯示)。本領(lǐng)域中已知的一典型劃痕保護(hù)層是聚酰亞胺。
現(xiàn)在，引線35-較佳為金-可以接合至圖3B所示的墊座層26。引線35-也較佳為金-使用本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，諸如熱音波接合、超音波接合或熱壓接合，接合至墊座26。依據(jù)本發(fā)明而形成的墊座層26優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，提供接合所需的力較低，原因在于引線35與墊座26可以系金。在集成電路測試期間，現(xiàn)有技術(shù)的鋁墊座需要足夠大的表面，以致于測試探針可以擦洗墊座的表面，以穿透通常形成于鋁表面上的氧化鋁層。與現(xiàn)有技術(shù)的鋁墊座不同，依據(jù)本發(fā)明由金形成的墊座26將具有一表面，其無氧化物，原因在于金是貴金屬。因?yàn)樵跍y試期間不需要擦洗，故依據(jù)本發(fā)明而形成的引線接合墊座26可以小于現(xiàn)有技術(shù)的墊座，其可導(dǎo)致輸入/輸出位置的密度增加。
第二實(shí)施例具有電鍍的焊料的控制塌陷芯片連接位置圖2D的結(jié)構(gòu)也可以當(dāng)作用于本發(fā)明之一實(shí)施例的初始結(jié)構(gòu)，以當(dāng)做一控制式塌陷芯片連接位置，其中焊料凹?jí)K通過鍍敷而形成。
在此實(shí)施例中，通過施加電流至導(dǎo)電阻擋層22，如圖4A所示，以將第三層45電鍍至層26上。再次地，阻擋層22較佳為鉭與氮化鉭的組合。用于形成層45的材料為焊料，較佳為97％鉛(Pb)及3％錫(Sn)，但可以使用許多其他適當(dāng)種類的焊料，如本領(lǐng)域已知的。
其次，選擇性移除導(dǎo)電阻擋層22，較佳為通過本領(lǐng)域中已知的濕法蝕刻，留下焊料層45，如圖4B所示。
最后，使用本領(lǐng)域中已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，使焊料再流，以形成控制塌陷芯片連接焊料凹?jí)K45，如圖4C所示。
第三實(shí)施例具有蒸發(fā)焊料的控制式塌陷芯片連接位置在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，可以由圖3A的結(jié)構(gòu)-其中已選擇性移除圖2D的阻擋層22-開始，形成控制式塌陷芯片連接的焊料凸塊。一掩模52支持于基片表面上方的夾具中，如圖5A所示。掩模材料是本領(lǐng)域中已知用于蒸發(fā)焊料的任何適當(dāng)材料，且較佳為鉬(Mo)。焊料的蒸發(fā)在本領(lǐng)域中公知的，且可以使用任何適當(dāng)?shù)暮噶?，但較佳為97％鉛與3％錫的混合物。
在蒸發(fā)以后，移除掩模52，在墊座層26上留下蒸發(fā)的鉛與錫層55，如圖5B所示。
其次，使焊料再流，以形成圖5C所示的控制塌陷芯片連接焊料凸塊55。
總之，依據(jù)本發(fā)明形成的共用球型限制冶金結(jié)構(gòu)允許使用貴金屬，以形成輸入/輸出墊座，其通過簡化工藝步驟而減少成本，且由于較小的墊座尺寸，亦允許增加輸入/輸出位置密度。
雖然已經(jīng)通過特定實(shí)施例而說明本發(fā)明，但鑒于前述說明，顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明白很多替代物、修改及變化。因此，本發(fā)明企圖涵蓋全部此類替代物、修改及變化，其落于本發(fā)明與下列權(quán)利要求的范疇及精神中。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明用于輸入/輸出位置的共用球型限制冶金在封裝集成電路(IC)芯片中是有用的，特別有用于銅互連和軟低k電介質(zhì)材料的IC芯片的封裝。
權(quán)利要求
1.一種輸入輸出結(jié)構(gòu)，其在一形成于基片(20)中的特征(21)中，基片(20)具有一頂表面，該特征(21)具有特征側(cè)壁及一特征底部，特征底部形成于一導(dǎo)電材料(27)上方，該結(jié)構(gòu)包括一覆蓋特征側(cè)壁與特征底部的阻擋層(22)，阻擋層(22)具有一阻擋底部與阻擋側(cè)壁；一具有一籽晶底部與籽晶側(cè)壁的金屬籽晶層(23)，其至少覆蓋所述阻擋底部；及一第一金屬層(24)，其至少覆蓋所述籽晶底部且具有一形成于其中的凹部，以致于所述第一金屬層(24)的頂表面低于基片(20)的頂表面；及一覆蓋所述第一金屬層(24)的第二金屬層(26)。
2.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中所述第二金屬層包括一貴金屬。
3.如權(quán)利要求2的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中貴金屬選自由金、鉑與鈀組成的組。
4.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中所述籽晶層包括銅。
5.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬層包括選自由銅、鉑、鎳、金、銀和焊料組成的組的材料。
6.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中所述阻擋層包括鉭與氮化鉭。
7.如權(quán)利要求6的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中氮化鉭與該基片接觸。
8.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中又包括一接合至所述第二金屬層的引線.
9.如權(quán)利要求8的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中所述引線與所述第二金屬層包括金。
10.如權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)，其中又包括一連接至所述第二金屬層的焊料球。
11.一種形成權(quán)利要求1的輸入輸出結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括下列步驟淀積一阻擋層(22)，其覆蓋基片(20)的頂表面、特征側(cè)壁與特征底部，以致于阻擋層具有一阻擋底部與阻擋側(cè)壁；淀積一金屬籽晶層(23)，其覆蓋所述阻擋層的表面；從至少頂表面選擇性移除所述籽晶層(23)，以致于籽晶層(23)減少成為在至少所述阻擋底部上的一部分籽晶層(23)；使用所述部分的所述籽晶層(23)，電鍍一第一金屬層(24)，以致于所述第一金屬層(24)具有一形成于其中的凹部，以致于所述第一金屬層(24)的一頂表面低于基片(20)的頂表面；且電鍍一第二金屬層(26)，以致于所述第二金屬層(26)覆蓋所述第一金屬層(24)。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中淀積籽晶層的步驟包括物理氣相淀積或化學(xué)氣相淀積。
13.如權(quán)利要求11的方法，其中選擇性移除所述籽晶層的步驟包括化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。
14.如權(quán)利要求11的方法，其中又包括將一引線接合至所述第二金屬層的步驟。
15.如權(quán)利要求14的方法，其中所述接合引線的步驟選自于熱音波接合、超音波接合及熱壓接合組成的組。
16.如權(quán)利要求11的方法，其中又包括形成連接至所述第二金屬層的一焊料球的步驟。
17.如權(quán)利要求16的方法，其中形成焊料球的步驟包括鍍敷。
18.如權(quán)利要求16的方法，其中形成焊料球的步驟包括蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明描述一種方法，用于形成共用輸入輸出(I/O)位置，其適用于引線接合及焊料凸塊倒裝芯片連接，諸如控制塌陷芯片連接(C4)。本發(fā)明特別適于以銅當(dāng)作互聯(lián)材料的半導(dǎo)體芯片，其中在制造此芯片時(shí)使用的軟電介質(zhì)由于接合力而易損害。通過在墊座頂表面上提供具有貴金屬的位置(26)，且提供一擴(kuò)散阻擋(22)，以維持金屬互聯(lián)的高導(dǎo)電性，本發(fā)明使損害的危險(xiǎn)減少。通過提供一種用于在基片(20)中所形成的特征中選擇性淀積金屬層之方法，使得在基片(20)中形成輸入/輸出位置的工藝步驟減少。因?yàn)楸景l(fā)明的輸入/輸出位置可以用于引線接合或焊料凸塊連接，此使得芯片互聯(lián)選擇的靈活性增加，且也減少工藝的成本。
文檔編號(hào)H01L23/52GK1647260SQ01822556
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月9日
發(fā)明者G·F·沃克, R·D·戈德布拉特, P·A·格魯伯, R·R·霍頓, K·S·佩特拉卡, R·P·沃蘭特, T·-J·程 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司