專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法，尤其涉及具有控制熔塌(Controlled Collapse)芯片連接(C4)凸點的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
控制塌陷芯片連接(C4)互連(倒裝芯片凸點)技術(shù)是手動引線鍵合的一種替代，其包括在半導(dǎo)體芯片鍵合焊盤上形成焊料凸點和凸點下金屬(UBM)結(jié)構(gòu)。使用焊料凸點替代引線把芯片電路連接到外源，例如連接到用于芯片封裝的襯底。UBM提供了關(guān)于C4結(jié)構(gòu)的重要功能，其中包括在C4焊料凸點和半導(dǎo)體芯片之間提供粘附和勢壘保護。
常規(guī)高鉛C4焊料凸點(焊料凸點含97％鉛和3％錫)使用由在鍵合焊盤上順序形成的鉻、鉻銅、銅和金層構(gòu)成的UBM組合并接著在金層上形成C4焊料凸點。接著使用隨后的熱處理回流并形成C4凸點結(jié)構(gòu)，其中金層提供下面銅層的氧化保護；銅層用作C4凸點的主要浸潤表面；在隨后的回流處理期間鉻銅層作為在其上生長銅和錫金屬間化合物(Cu3Sn)的成核層來促進金屬間粘附性；鉻層用作對下面半導(dǎo)體芯片表面勢壘和粘附的促進劑。
當過量的錫從焊料凸點或其它源遷移到鉻-銅層時，形成凸點的回流處理和隨后的高溫處理都成為問題。在鉻-銅層過量的錫引起與C4凸點結(jié)構(gòu)可靠性相關(guān)的問題。過量的錫與Cu3Sn成核層反應(yīng)，由此形成Cu6Sn5形式的銅錫金屬間化合物。因為它有把鉻-銅層散裂到焊料中(即溶解到凸點體積中)的趨勢，所以該Cu6Sn5金屬間化合物是不希望的。這可能導(dǎo)致缺乏銅的鉻到焊料的界面。因為與Cu3Sn成核層相比，它與焊料凸點形成了物理弱鍵，所以該鉻到焊料的界面是不利的。它的出現(xiàn)可能導(dǎo)致關(guān)于C4凸點結(jié)構(gòu)的不理想電斷裂。
常規(guī)高鉛焊料C4凸點回流處理通常不使用引起與Cu6Sn5金屬間化合物形成相關(guān)問題的時間和溫度的組合(常規(guī)高鉛焊料大約在320攝氏度熔化)。但是，替代熔劑、半導(dǎo)體芯片尺寸的增加、增加的芯片復(fù)雜度和凸點數(shù)量的增加都可能需要增加回流時間和/或溫度以確保成功和可靠的凸點回流操作。更長的時間和/或更高的溫度將導(dǎo)致更多的錫遷移到UBM相區(qū)。此外，當前被研究替代高鉛焊料的許多合金材料具有比當前用于半導(dǎo)體工業(yè)中的高鉛焊料高很多的錫濃度。而且，其它錫源，例如安裝凸點和芯片的板的覆層(板面覆層)，也有與Cu6Sn5金屬間化合物相關(guān)的問題。當板面使用較低熔化溫度的覆層或高錫含量覆層時，在熔融狀態(tài)時自覆層的錫還可能破壞在UBM中的銅。因此，由于這兩種可能的過量錫源，將不能充分保護常規(guī)UBM防止Cu6Sn5金屬間化合物形成。


通過附圖中的實例說明本發(fā)明，但不作為限制，其中相同的標號代表相同的元件，其中圖1是說明在半導(dǎo)體襯底上形成互連級和最終的鍵合焊盤之后半導(dǎo)體器件的剖面圖；圖2是說明在襯底上形成可選的過渡金屬層并用光刻膠構(gòu)圖可選的過渡金屬層之后圖1所示的襯底的剖面圖；圖3是說明在半導(dǎo)體襯底上形成鈍化層和聚酰亞胺層之后圖2的剖面圖；圖4是說明在半導(dǎo)體襯底上淀積凸點下金屬和焊料凸點之后圖3的襯底的剖面圖；和圖5是說明在執(zhí)行回流操作并形成C4凸點之后圖4的剖面圖。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，為了簡化和清晰，附圖中的元件是說明性的，無需按比例繪出。例如，為了有助于提高對本發(fā)明實施例的理解，某些元件的尺寸和圖形可以相對于另一些元件被放大。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的一個實施例，在半導(dǎo)體鍵合焊盤上形成半導(dǎo)體器件UBM，其中UBM包括鉻、銅和鎳相區(qū)，且相區(qū)中存在的鎳阻止自焊料凸點和其它錫源的錫轉(zhuǎn)化而形成可散裂銅錫金屬間化合物。
現(xiàn)在將參照附圖更詳細地介紹本發(fā)明的實施例。圖1是說明部分半導(dǎo)體器件10的剖面圖。半導(dǎo)體器件10包括半導(dǎo)體器件襯底100、場絕緣區(qū)102和在半導(dǎo)體器件襯底100中形成的摻雜區(qū)104。柵介質(zhì)層106覆蓋在部分半導(dǎo)體器件襯底100上，柵電極110覆蓋在柵介質(zhì)層106上。鄰近柵極110的側(cè)壁形成隔離層108。在柵極110上形成第一層間介質(zhì)層(ILD)116。接著構(gòu)圖ILD層116，形成用粘附/勢壘層112和接觸填充材料114填充的接觸孔。粘附/勢壘層112通常是難熔金屬、難熔金屬氮化物、或難熔金屬或其氮化物的組合。接觸填充材料114通常包括鎢、多晶硅等。在淀積粘附/勢壘層112和接觸填充材料114之后，拋光襯底以去除沒有包含在接觸孔內(nèi)的部分粘附層112和接觸填充材料114，由此形成了如圖1所示導(dǎo)體插塞111。
在ILD層116和導(dǎo)體插塞111上面形成第一級互連120。通常，使用例如銅或鋁的導(dǎo)體材料來形成第一級互連120。通常使用常規(guī)溝槽和拋光工藝的組合，或使用常規(guī)構(gòu)圖和蝕刻工藝的組合來形成第一級互連120。如果使用銅形成第一級互連120，那么可以環(huán)繞第一級互連120形成勢壘(未示出)以減小銅到鄰近材料中的遷移。
在第一ILD116和第一級互連120上形成第二ILD118。在第二ILD118內(nèi)形成包括導(dǎo)體粘附/勢壘膜122和銅填充材料124的第二互連126。粘附/勢壘膜122通常是難熔金屬、難熔金屬氮化物、或難熔金屬或其氮化物的組合。銅填充材料124通常是銅或銅合金。在一個特定實施例中，銅含量至少為90原子百分比(atomic percent)。銅可以與鎂、硫、碳等熔合成合金以改善互連的粘附性、電遷移或其它性質(zhì)。雖然該實施例中說明的互連126為雙鑲嵌互連，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認識到互連126還可以形成為與單鑲嵌互連或平版印刷構(gòu)圖和蝕刻互連的組合中或使用例如鋁或鋁合金的替換材料的導(dǎo)體插塞。在淀積粘附/勢壘膜122和銅填充材料124之后，拋光襯底以去除沒有包含在雙鑲嵌開孔內(nèi)的部分粘附/勢壘膜122和銅填充材料124，以形成如圖1所示雙鑲嵌互連126。按照本發(fā)明的一個實施例，雙鑲嵌互連126的最上暴露表面形成用于半導(dǎo)體器件的鍵合焊盤128。
圖2說明本發(fā)明的非限定性可選擇實施例，其中在ILD118和鍵合焊盤128上形成過渡金屬層206和構(gòu)圖光刻膠層204。按照一個實施例，使用導(dǎo)體膜200和202形成過渡金屬層206，其中膜200包括鉻或鉻合金膜，導(dǎo)體膜202包括在導(dǎo)體膜200上面的鋁或鋁覆蓋膜。通常使用常規(guī)物理氣相淀積(PVD)方法淀積導(dǎo)體膜202和覆蓋膜。使用過渡金屬提供的優(yōu)點包括在鍵合焊盤128和隨后形成的C4凸點結(jié)構(gòu)之間改善的粘附性和勢壘保護，這在下文將會論述。1999年10月4日提交的名為“Method of Forming Copper Interconnection UtilizingAluminum Capping Film(使用鋁覆蓋膜形成銅互連的方法)”的美國專利申請09/411,266包含了關(guān)于過渡金屬使用的特定說明。
圖3說明了圖2的剖面圖，并且還示出蝕刻過渡金屬層206以在鍵合焊盤128上面形成過渡金屬結(jié)構(gòu)312。在形成過渡金屬結(jié)構(gòu)312之后，在過渡金屬結(jié)構(gòu)312和ILD118上面形成鈍化層300。通常，使用例如等離子體增強氮化物(PEN)、硅氮氧化物(SiON)或其組合形成鈍化層300。接著平板印刷構(gòu)圖和蝕刻鈍化層300，形成暴露部分過渡金屬結(jié)構(gòu)312的開孔。接著在鈍化層300上形成可選擇聚酰亞胺(壓模涂層)層302。平板印刷構(gòu)圖并接著蝕刻(或顯影)聚酰亞胺層，形成壓模涂層開孔，其暴露在鈍化層300中限定的開孔和過渡金屬結(jié)構(gòu)312的暴露部分。
如圖4所示，接著在壓模涂層開孔304內(nèi)形成半導(dǎo)體器件凸點下金屬(UBM)414并在UBM414上形成導(dǎo)體凸點410。雖然在附圖中說明并論述了UBM414為鄰接過渡金屬結(jié)構(gòu)312形成的，但這不是本發(fā)明實施例的必要條件。此外可以直接在鍵合焊盤128(或其它中間結(jié)構(gòu))上形成UBM414。在本發(fā)明的一個特定實施例中，UBM414包括含粘附膜402、相區(qū)404和抗氧化層406的膜的組合。
按照一個特定的實施例，在形成UBM之前，首先使用常規(guī)反濺射轟擊工藝(例如離子清洗或研磨)可選擇地清洗包括絕緣焊盤(壓模涂層開孔)在內(nèi)的半導(dǎo)體襯底表面。接著，在制備襯底的表面之后，通過構(gòu)圖凸點掩模(未示出)把粘附膜402(通常為鉻層)淀積到開孔絕緣焊盤上。在這之后淀積混合相區(qū)404，在一個實施例中混合相區(qū)404由大約50重量百分比(wt.％)鉻、25wt.％銅和25wt.％鎳構(gòu)成，其中鉻、銅和鎳的比例分布在整個相區(qū)是相對均勻的。接著在相區(qū)404上面形成抗氧化金層406。
除了使用鉻之外，可以使用其它金屬例如鈦、鎢、鈦/鎢和其它類似難熔金屬和難熔金屬的組合來形成粘附膜402或者作為相區(qū)中的組分元素。此外，雖然本發(fā)明公開了由大約50％鉻、25％銅和25％鎳構(gòu)成的相區(qū)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認識到可以改變這些組分元素的百分比來獲得特定的膜性質(zhì)，例如隨后論述的金屬間化合的形成程度、增強的粘附性、降低的散裂、對溫度變化的耐受性等。
與圖4所示的相似，在形成金層406之后，通過構(gòu)圖的凸點掩模把包含錫的焊料凸點410淀積到UBM上，由此形成回流前的C4凸點結(jié)構(gòu)。通常在分離處理室中分離淀積處理期間淀積凸點410和UMB414，但是這不是本發(fā)明的必要條件。最后，在淀積焊料凸點410之后，去除金屬掩模并使焊料凸點回流到UBM上，由此如圖5所示形成了C4凸點502。
通常鉻層402淀積到50-500納米范圍的厚度，相區(qū)404淀積到大約100-300納米范圍的厚度，金層淀積到大約80到140納米范圍的厚度。使用單一復(fù)合的鉻/鎳/銅濺射靶(sputtering target)或使用鉻、鎳和銅或其組合的獨立濺射靶來形成相區(qū)404。為了特定的應(yīng)用，可裁剪鉻、鎳和銅的成分百分比以獲得特定特性，例如鍵合強度、勢壘完整性、可靠性等。
在替換實施例中，替代使用構(gòu)圖的凸點掩模，將復(fù)合UBM層(鉻層402、相區(qū)層404和金層406)作為墊膜，順序淀積到襯底表面上。接著通過金屬掩模在與下面的襯底鍵合焊盤相對應(yīng)的部分UBM上局部淀積焊料凸點。通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的電鍍、物理淀積或使用絲網(wǎng)涂漿淀積具有適當金屬混合的焊料凸點。在該實施例中，在去除UBM的暴露部分期間，焊料凸點用作保護掩模。使用常規(guī)的化學(xué)或物理蝕刻工藝去除UBM的暴露部分。蝕刻工藝可以在凸點回流之前或之后執(zhí)行。
因為相區(qū)中存在的鎳阻止了Cu6Sn5金屬間化合物形成，公開的相區(qū)404增強了在導(dǎo)體凸點410和導(dǎo)體鍵合焊盤128之間的金屬間粘附性。在凸點回流(或其它高溫)處理期間，鎳與銅爭奪(compete)過量的錫，由此防止了Cu6Sn金屬間化合物的形成，而替代地形成了鎳和錫金屬間化合物，例如Ni3Sn4、Ni3Sn2和Ni3Sn。公開的相區(qū)404導(dǎo)致以比僅由鉻和銅構(gòu)成的相區(qū)慢很多的速度把過量的錫轉(zhuǎn)化為包含錫的金屬間化合物。較慢形成的鎳和錫金屬間化合物提供了穩(wěn)定的功能，因為它們通過在Cu3Sn金屬間化合物周圍形成次要的鎳和錫金屬間化合物生長來抑制Cu6Sn5金屬間化合物的形成。在存在熔融錫的情況下，以比錫和銅金屬間化合物大約慢100倍的速度形成錫和鎳金屬間化合物。但是，由于銅的存在確保了局域性快速生長和銅/錫的釘軋成核位置，有利地實現(xiàn)了相區(qū)中保有銅的優(yōu)點。
公開的UBM結(jié)構(gòu)414有利地免除了對現(xiàn)有技術(shù)厚銅浸潤層的需要，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)銅浸潤層可以被快速地轉(zhuǎn)化并溶解到體焊料中作為Cu6Sn5。因此，在本發(fā)明中，相區(qū)404用作焊料凸點的主要浸潤表面。此外，公開的UBM提供了可以與多種焊料凸點金屬和多種鉛/錫焊料合金集成的標準平臺，多種焊料凸點金屬包括共熔的63％錫/37％鉛焊料、96.5％錫/3.5％銀焊料、99.3％錫/0.7％銅焊料、95％錫/5％銻焊料、96.3％銻/3％銀/0.7％銅焊料，鉛/錫焊料合金含從高鉛到高錫變化的合成物，例如從大約包含97％的鉛和3％的錫的焊料材料到大約包含100％錫的焊料材料。隨著半導(dǎo)體工業(yè)從共熔錫鉛焊料向著作為覆層的較高溫度錫基焊料或作為凸點的較低溫度錫基焊料轉(zhuǎn)移，這將成為特別重要的考慮因素。
在前實施例公開了在整個相區(qū)404均勻分布組分的比例濃度的一個實施例。因為銅和錫的相對量在整個相區(qū)404是連續(xù)的，所以銅和錫的混合晶粒在相區(qū)404的表面提供了快速(銅錫)和慢速形成的(鎳錫)金屬間化合物的緩沖混合。在另一個實施例中，銅和錫的比例濃度在整個相區(qū)404是遞變的，以更準確地控制可用于相應(yīng)金屬間化合物形成的銅和/或鎳的量。例如，如果需要在相區(qū)404和導(dǎo)體凸點502之間初始制造具有相對低量銅和高量鎳的金屬間化合物的組合，那么可以相對于銅量增加在相區(qū)最上表面的鎳的濃度。因此，如果需要增加銅/錫金屬間化合物的量，并在需要增加銅/錫金屬間化合物的量的位置，相應(yīng)地增加相區(qū)404中的銅的相對量。
因為在芯片制造和在工作條件下使用期間難于預(yù)測和控制C4凸點結(jié)構(gòu)的暴露時間和溫度，所以公開的UBM對隨后溫度暴露比現(xiàn)有技術(shù)UBM更耐用。該較寬溫度范圍歸因于UBM優(yōu)選組合，在初始暴露于升高溫度時形成促進粘附的銅/錫金屬間化合物(Cu3Sn)，之后在延長暴露于和/或升高溫度時形成鎳錫金屬間化合物。與現(xiàn)有技術(shù)不同，因為隨著附加高溫處理發(fā)生，相區(qū)形成爭奪的(competing)鎳和錫金屬間化合物(Ni3Sn4、Ni3Sn2和Ni3Sn)，所以延長的溫度不會不利地導(dǎo)致Cu6Sn5金屬間化合物的形成。這些隨后的高溫處理的實例包括例如在凸點處理再加工、強化、測試等操作。
在工藝的這一步，在回流凸點502之后，如圖5所示制造了基本完成的半導(dǎo)體器件10。該半導(dǎo)體器件10隨后被安裝到封裝襯底(例如倒裝芯片或球柵陣列封裝)的覆層。雖未示出，根據(jù)需要可以形成其它級互連。同樣，可以制得柵極110和摻雜區(qū)104的其它互連。如果形成附加互連，可以使用與用于形成和淀積第二ILD層118、第一導(dǎo)體插塞111、第一級互連120或第二級互連126的工藝相似的工藝來形成它們。
除了上面的描述，由于幾個附加原因這里介紹的實施例是有利的。如前面的論述，從制造的觀點看，公開的UBM的優(yōu)點在于它消除了在相區(qū)上本來需要的厚銅可焊接層。這降低了材料成本、免去了處理步驟，并減小了誤處理的可能。公開的UBM相區(qū)還易于集成到現(xiàn)有的處理工藝流程，而無需使用特殊材料、發(fā)展新工藝或購買新處理設(shè)備。而且，公開的UBM與其它含錫的凸點焊料材料(除了鉛之外，例如銀、銅、銻等)的基質(zhì)是相適應(yīng)的。
在前面詳述中，參照特定實施例介紹了本發(fā)明。但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認識到，在不脫離如所附權(quán)利要求所闡釋的本發(fā)明的范圍的前提下，可以做出各種改進和變型。因此，詳述和附圖應(yīng)認為是說明性的，而非限制含義，而且所有這些改進都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。以上參考特定實施例介紹了好處、其它優(yōu)點和問題的解決方案。但是，好處、優(yōu)點、問題的解決方案和可以使得任何好處、優(yōu)點或解決方案產(chǎn)生或變得更顯著的任何元素不應(yīng)被解釋為任一或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵、所需或必要特征或元素。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其包括含鎳相區(qū)層(404)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中所述含鎳相區(qū)層(404)還包括銅和鉻。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中，鉻量大約為50wt％，銅量大約為25wt％，鎳量大約為25wt％。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中所述含鎳相區(qū)層(404)具有大約100-300納米范圍的厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其還包括在所述含鎳相區(qū)層(404)下的粘附層(402)；和在所述含鎳相區(qū)層(404)上的抗氧化層(406)。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中所述粘附層(402)的特征還在于，其為含鉻層；和所述抗氧化層(406)的特征還在于，其為金層。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其還包括在所述半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)上面的導(dǎo)體凸點(502)；和在所述含鎳相區(qū)層內(nèi)的錫金屬間化合物。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中，在所述含鎳相區(qū)層內(nèi)改變鎳量的濃度。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中，在所述含鎳相區(qū)層內(nèi)改變銅量的濃度。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中，在所述含鎳相區(qū)層內(nèi)均勻地分布銅量的濃度和鎳量的濃度。
全文摘要
按照本發(fā)明的一個實施例，在半導(dǎo)體鍵合焊盤(128)上形成半導(dǎo)體器件凸點下金屬(414)，其中凸點下金屬(414)包括鉻、銅和鎳相區(qū)(404)，在相區(qū)(404)中存在的鎳抑制自焊料凸點和其它錫源的錫轉(zhuǎn)化而形成可散裂的Cu
文檔編號H01L23/52GK1561544SQ02814146
公開日2005年1月5日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月14日
發(fā)明者斯圖亞特·E·格里爾 申請人:摩托羅拉公司