專利名稱：集成電路的電交互連接結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成電路模塊的交互連接結構和制作該交互連接結構的方法，具體地說，涉及用于電性連接兩個或更多電子元件的銅材料的交互連接結構。
背景技術：
交互連接技術是包含半導體裝置的電子元件制作中的一個重要方面。例如，在芯片焊接中，芯片的背面機械地附著于適當?shù)慕橘|，如陶瓷襯底，金屬引線架或者球柵陣列(BGA)。用于芯片配線的較高層通常包括電連接的壓焊盤(bond pad)，通過必要的連接連到下層電路。芯片通常具有防護套(PO)層，一般作為鈍化，防護套層上具有通向壓焊盤的孔。芯片電路側的壓焊盤通過電線或者其它電導物電性連接模塊的導線，使得該集成電路(IC)可應用。所使用的交互連接配置的類型可根據所述模塊的預期特性進行各種變換。例如，細導線典型地用作交互連接的一部分，它們可超聲焊接到壓焊盤(有些時候在這里稱為“導線焊接”)或者通過焊球結構，所述焊球直接連接在芯片的壓焊盤和基層之間(如在倒裝芯片處理中)。其他用于制造IC交互連接的慣用方法，例如連接壓焊盤到引線架的引線，或者其他導體支撐裝置的導線，通過使用導電粘合劑，包括有卷帶式晶粒接合(TAB)，可控塌陷芯片連接(controlled collapse chip connection)(C4)或者焊接突起。
鋁至今還常常作為用于形成交互連接元件中的材料，例如交互連接元件包括半導體電路的金屬線跡，壓焊盤和(應用于大間距)電線。然而，由于集成電路工業(yè)降低成本和IC裝置尺寸，以提高這些裝置輸入/輸出容量和速度的壓力，使用鋁的愿望近來受到了影響。該壓力增加了半導體上更小線跡和更小間距互連的需要，這常常需要更細且某些時候來說更長的電線。結果是，鋁及其合金的一些缺陷，例如相對電流的高阻抗，可靠性和電遷移，激發(fā)了要在IC電路中使用更可靠的和更高導電性金屬的需要。半導體裝置和支撐基底之間的小間距交互連接，例如引線架或球柵陣列(BGA)，通常使用細金線制作。金高昂的成本以及更高速和更細電線的壓焊也產生了為小間距電線焊接尋求更高導電性和更低成本金屬的需要。
為了解決這些問題，引起越來越多關注的金屬就是銅。雖然銅具有比鋁或金更低的阻抗，但應用于交互連接裝置，會遇到一系列使用鋁或金所不曾出現(xiàn)的問題。例如，銅襯墊的交互連接結構的形成通常需要在其連接到壓焊盤前，暴露于周圍空氣和濕度中，且形成連接的過程中溫度高達近200度。這樣，由于金屬表層會快速形成粘附的非導電的氧化物，即使在室溫下也如此，就產生了一個重要的問題。這些氧化銅的出現(xiàn)通常阻礙了電線焊接或者焊球與裸露的銅表層的良好的連接。類似地，由于即使保存在相對低氧濃度和低濕度環(huán)境中銅線表層也會形成薄的氧化層，所以銅線的使用壽命通常很有限。該氧化銅層將在該交互連接的傳導上產生不希望的負面效應。
如果在半導體上鍍銅，一種針對上述問題所通常采用的方法是，在壓焊盤上淀積一更強抗氧化性的金屬薄層，以防止銅被氧化。典型地，該第二層金屬鍍層由金或鋁構成，如5,785,236號美國專利所披露。典型的實現(xiàn)方式為，采用掩模(mask)將金屬層汽相淀積到半導體晶元上。然而，該解決方案產生了一些自身的問題。例如，需要另一套光刻步驟來模制、掩模和蝕刻金屬，從而形成能導線接合的壓焊盤。這些額外的晶元制造步驟大大增加了裝置的成本。另外，當鋁或金與銅焊接，由其他金屬制成的薄的中間阻擋層通常需要防止銅和金或鋁之間的相互擴散。
例如，4,987,750號美國專利描述了使用氮化鈦(TiN)、鎢(W)、氮化鎢(WN)、氮化鋅(ZrN)、碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)，或者鎢化鈦(TiW)作為銅的阻擋層。然而，這類材料大多也形成非導電的氧化物，或者具有弱的導電或導熱性，或者高熱膨脹。
最近，有人提議采用諸如氧化硅或者氮化硅之類的瓷絕緣體的脆層，它具有對焊接來說適合的厚度而不需要助焊劑，且具有在球焊或楔焊(wedgebonding)過程中有足夠的脆性而在焊接表層和需焊接電線之間獲得金屬間連接。上述方法在6,352,743號美國專利中被揭示，該專利已經轉讓給本發(fā)明的申請人。雖然該方法具有一些優(yōu)點和期望的特性，但如果操作步驟沒有精密控制的話，還是要出問題。例如，若陶瓷層脆性不夠，會導致傳導性的實質性下降，甚至在某些情況下，潛在地阻礙連接的構成。
對于銅引線架，用于焊接的端部通常包覆抗氧化金屬，通常是銀。這類方法的明顯缺點是，增加了成本以及制造過程的復雜度和時間。對于焊球撞擊，需要焊劑來去除回流過程中的氧化物。
相應地，需要一個交互連接結構，能簡化高傳導性焊接的構成。也需要一個具有抑制氧化物生成層的銅壓焊盤，它具有良好的導電性、熱傳導性、低熱膨脹性，以及形成該銅壓焊盤的過程要簡單。本發(fā)明符合這些需求，并提供了其它的優(yōu)點。這將在下面的發(fā)明內容和具體

發(fā)明內容
本申請揭露了一種克服上述問題的解決方案，并且達到其他有益的和所需的效果。更為具體地，本發(fā)明涉及采用含氮化銅的焊接表層的交互連接結構和方法。申請人發(fā)現(xiàn)，包括含氮化銅的焊接表層的交互連接結構能非常有效防止其下面的導電材料的氧化和/或其他不想發(fā)生的侵蝕，同時對高傳導焊接提供基礎。另外，本申請簡化了制造過程，和/或降低了制造過程的成本。這些優(yōu)點，至少一部分，來自申請人的發(fā)現(xiàn)和認知，即氮化銅在這種結構中能提供相對絕緣、防侵蝕的焊接表層，并且可在焊接同時或者早于焊接步驟前容易地轉化成導電層。根據本發(fā)明的方法的某些實施例，交互連接的焊接結構可以通過如下方式形成提供具有相對絕緣、抗侵蝕的含Cu(N)的焊接表層的導電基材，在所述焊接表層區(qū)域形成導電壓焊部；在該壓焊部形成之前或者同時，在所述焊接表層分解足夠量的Cu(N)以使含有Cu(N)的層的導電性實質增加，由此形成一相對導電的焊接表層。優(yōu)選地，分解步驟引起的導電效果的變化，足以形成商業(yè)上可接受的電連接。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，交互連接結構包括至少一個從包括銅壓焊盤、銅線，銅引線架，銅接線柱(stud bumps)，以及兩個或兩個以上上述物品的組合中選出的交互連接元件。通常優(yōu)化地，本發(fā)明的包括Cu(N)焊接表層的交互連接元件通過焊接步驟焊接到另一個交互連接元件，所述焊接步驟包括在壓焊部區(qū)域施加能量，例如熱、壓力和/或超聲能量，在電線焊接實施例中，優(yōu)選為熱、壓力和超聲能量。在其他應用中，用發(fā)自激光器的電離的氣體(等離子體)或光可以用來提供分解Cu(N)層的能量。針對該目的，激光的一個特別應用是，用激光器將焊球熔化在帶有氮化銅涂層的銅襯墊上，所述涂層在融化過程中會分解為銅。
這里所用的術語“非導電的”是相對于電導率而言的，意為，其導電率低于構成交互連接元件導電部分或者基層的材料的導電性。類似地，這里所用的術語耐侵蝕是相對于通常的抵抗侵蝕而言，特別是針對抗氧化，其耐侵蝕能力實際大于構成交互連接元件導電部分的金屬，特別是銅或者銅合金的耐侵蝕能力。
Cu(N)的電導性遠低于銅，銅是作為許多諸如壓焊盤、電線以及引線架之類交互連接元件的優(yōu)選導電材料的。由于其低導電性，熟知本領域的人員會很自然地避免在交互連接元件的焊接表層使用Cu(N)。然而，申請人已經認識到，Cu(N)也是相對不穩(wěn)定的，尤其在作為表層頻繁遭受暴露于焊接工序的條件下。這些焊接工序都包括某些形式能量的應用，例如熱能、動能、輻射能、光子能或者兩個或以上這些能量的組合。例如，為了充分增加含Cu(N)的層的導電性，足以分解Cu(N)的能量通常出現(xiàn)在熱聲波的或超聲波電線焊接(包括球焊和楔焊)以及焊接凸起或者接線柱中，就如倒裝芯片處理中所使用的。這樣，在經常出現(xiàn)于許多焊接工序中的適當?shù)臈l件下，含Cu(N)的層或者表面轉化成相對高導電率的表層?？梢韵嘈?，不一定需要受任何特別的操作原理的限定，這種轉化是由Cu(N)分解成元素銅和氮而產生，后者氮作為氣體從表層釋放。
另外，可以相信，銅-氮混合物，即使僅包含少量的氮，也在降低電導性和增加耐侵蝕方面有效果。而且，該混合物還能容易地分解為銅和氮，從而在適當條件下，就在壓焊部形成之前或者同時，能夠轉化成為高導電層。相應地，這里所用術語“Cu(N)”指的是基本由氮和銅組成的所有相態(tài)(phase)和化合物。因此，這里所用的符號“Cu(N)”表明，某些或所有氮與銅的結合(共價鍵或離子鍵)，例如Cu3N，但并非限于該化合物。因此，符號“Cu(N)”也涵蓋了較少見的按照化學計量學(stoichiometry)的Cu4N以及其他有效化學計量和/或銅和氮的組合。
Cu(N)非導電的特性及其形成的方法存在另一優(yōu)點，即不需要屏蔽而在半導體裝置上形成Cu(N)。在一些實施例中，由于Cu(N)基本不導電，因而不需要屏蔽也不會在壓焊盤之間形成短路，所以可在整個裝置或裝置大部分使用Cu(N)。在其他實施例中，可以通過轉化現(xiàn)有的銅交互連接元件的表層為Cu(N)來形成Cu(N)。以這種方式，在諸如壓焊盤之類的分離的銅交互連接元件之間就不形成Cu(N)。


圖1是根據本發(fā)明的一個實施例，在焊接步序之前的一塊典型半導體芯片的一部分的頂視圖。
圖2是圖1中半導體芯片的剖面圖。
圖3是包含圖1中半導體芯片的集成電路模塊的頂視圖，該模塊在根據本發(fā)明的某實施例的焊接步序后，與一電路基層電性連接。
圖4是例1中取樣的元素組成的俄歇(Auger)深度曲線圖。該深度指示是基于二氧化硅的假定濺射速率。
圖5是例2中取樣的元素組成的俄歇深度曲線圖。該深度指示是基于二氧化硅的假定濺射速率。
圖6是例3中取樣的元素組成的俄歇深度曲線圖。該深度指示是基于二氧化硅的假定濺射速率。
具體實施例方式
在下面的描述中，參考了本發(fā)明的各種詳細的實施方式。這些實施方式的描述足夠詳盡，以達到熟悉本領域的人員可以實現(xiàn)本發(fā)明，另外，應該理解，還可以采用其他實施方式，在不脫離本發(fā)明的情況下，可以進行結構的、電的和方法的變化以及等效替換。因此，下述具體實施例并非用以限定本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求書為準。
本發(fā)明將與現(xiàn)在或將來作為半導體器件的一部分使用的任何類型的交互式結構或元件一并使用，例如，芯片或晶片(die)，包括含有這類器件的晶元。本發(fā)明的創(chuàng)新的交互連接結構由任何兩個或更多相互焊接的交互連接元件構成。因而這些元件可包括但不限于導線，引線架和/或引線架的部分，壓焊盤和/或壓焊盤的部分，接線柱，芯片內部節(jié)點和其他任何在焊接過程中披露的連接。在較佳實施例中，本發(fā)明所創(chuàng)新的交互連接結構和方法用于一個集成電路模塊的形成，該模塊包含一芯片，一引線架和連接所述芯片和引線架的導線，這將在下面結合附圖進行描述。在優(yōu)選的實施例中，交互連接結構包括一位于芯片上的銅壓焊盤，一個銅引線架(或者一個引線架的銅的焊接部分)和相互焊接與電性連接的銅電線，其中，在焊接交互連接元件中的至少一個之前，得到一個含有Cu(N)的焊接層。
這里所用的技術術語“芯片”和“晶片”可替換使用，都指半導體材料的較小的片，該小片上嵌有集成電路或分離的電子電路元件，如晶體管、電容、二極管等。這些電子電路元件或者集成電路也可以包括光電裝置，例如發(fā)光二極管，激光器二極管等等。換句話說，芯片或晶片或其一部分可以是微機電系統(tǒng)(MEMS)。
這里所用的技術術語“交互連接”和“交互連接結構”可互換使用，都指至少兩個相互焊接的高傳導元件，所述傳導元件傳遞電信號到芯片或晶片的不同部分，和/或在芯片或晶片之間傳遞電信號。這類高傳導元件有時在此指“交互連接元件”。讓本領域技術人員欣慰的是，本發(fā)明并非限于交互連接結構的具體形狀，而可以與任何交互連接元件的組合同時使用，例如導線，引線架，壓焊盤，接線柱，卷帶式晶粒接合(TAB)，可控塌陷芯片連接(C4)者焊接突起，導電膠等等。雖然許多交互連接結構適于和本發(fā)明一起使用，但典型的和優(yōu)選的是由如下步驟形成的交互連接結構提供至少一個交互連接元件，該結構具有一個基本不導電和耐腐蝕的包含Cu(N)的焊接表層；將不導電的焊接表層轉化成導電的焊接表層，并將轉化后的表層焊接到第二交互連接元件。在較優(yōu)選的實施例中，所述轉化步驟和焊接步驟基本同時進行。換句話說，焊接步驟是在可有效分解焊接層中的Cu(N)為可導電的銅的條件下實施的。本領域的技術人員會贊賞這種具有實質的和較滿意的方法的優(yōu)點。更為具體地，所述優(yōu)選方法提供交互連接元件，其同時具有(1)由于具備耐腐蝕、不導電的焊接表層而有相對較長的使用壽命；以及(2)能容易地和順利地用于交互連接結構中，而不會降低交互連接的電導率。而且，由于本發(fā)明的表層材料不導電，它可就地應用到位于芯片上的壓焊盤上，而不必擔心引起芯片上壓焊盤之間的短路。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，所述交互連接結構上所存在的銅表層被化學轉化成Cu(N)。這樣，本發(fā)明的表層材料可以直接應用，而不需要屏蔽或者接下來的蝕刻步驟。這里所用的技術術語“壓焊盤”包括所有合適的可進行焊接的終端結構，可以是既凸出又凹陷的壓焊盤，以及平坦的，凹陷的或者凸起的壓焊盤等等。
考慮這里所包含的方法，可以想到，焊接條件的多種組合能用于分解Cu(N)，所有這些條件落在本發(fā)明的范圍之內。然而，可以預期，在特定優(yōu)選實施例中，焊接步驟將包括將含有Cu(N)的表層暴露于至少150度的溫度中。更為具體地，為了基于BGA交互連接的焊接，將含Cu(N)的表層暴露于大約150度至180度之間的溫度中更好。為了焊接基于金屬引線架的交互連接，最好將含有Cu(N)的表層暴露于大約180度到240度之間的溫度中，更好的是190度到230度之間。
現(xiàn)在參閱附圖，相同的元件對應圖中相同的標記，本發(fā)明的優(yōu)選方法和裝置將結合圖1-3進行描述。圖1顯示了普通結構的半導體芯片10，包括半導體基層11和形成于基層11上的集成電路12。這里所用的技術術語“半導體基層”包括任何基于半導體的支持結構或者芯片、集成電路或印刷電路板的基材。術語半導體基層理解為包括絕緣硅、摻雜質的硅或純硅，以及其他半導體結構。另外，當涉及一種半導體基層，先前的方法步驟可以用于在基層半導體結構或者基礎內或之上形成區(qū)域或者交聯(lián)。圖2中顯示的半導體基層11為簡便而顯示為一個單層，但實際上它包括一個基礎基層和形成集成電路12所需的各種材料層。終端觸點13電性連接到內部的集成電路12。為了簡化，圖1僅顯示了兩個終端觸點。顯而易見，在許多實際應用中，可以有更多的終端觸點連接到集成電路12。
在典型的集成電路制造過程中，芯片10與大量的其他芯片一塊組裝到晶元上。隨后，晶元上的每個芯片10通過鋸切或者其他合適的方法可成為獨立體。正如將要進一步描述的那樣，含有集成電路12的芯片10的上層包括一個以具有壓焊盤20B的上層導電層20的形式的交互連接元件。在較佳實施例中，層20是金屬的，最好是銅的，本發(fā)明的Cu(N)層就組合入所述壓焊盤的一個表面中。然而，本發(fā)明還包括使用其他類型金屬作為交互連接結構的一個或多個元件的基材。例如，若某一具體實施例采用具有本發(fā)明的焊接表層的銅線，該電線所焊接到的壓焊盤的基層金屬可以是銅，也可以不是銅。另外，可以想見，在某一實施例中，本發(fā)明的Cu(N)層可以形成位于非銅的基層金屬上的焊接表層。所有這些實施例都在本發(fā)明的保護范圍之內。區(qū)域20A的表層是銅壓焊盤的焊接表層，另一個交互連接元件，諸如導線，優(yōu)選的是銅的或者金的導線，更優(yōu)選的是銅導線，焊接到上述區(qū)域。
圖3顯示了半導體芯片10和電路基層30之間的交互連接。電路基層30可以是連接芯片10的引線架，球珊陣列，芯片載體或者其他支持結構，產生一集成電路模塊32。一個導電交互連接元件，如表層電路線路，或者如圖3中顯示的引線架，一套內部引線35包含在電路基層30上。封裝過程中，電連接件40形成于終端連接13的壓焊盤20B部分和電路基層的內部引線35之間。雖然電交互連接元件40可以根據本發(fā)明在較寬的范圍內制成柱體(bump)、電線、導電膠，和/或膠帶(tape)，通常優(yōu)選的，該元件40由電線構成，最好是銅線，該電線球焊或者楔焊到壓焊盤20B上。
根據本發(fā)明優(yōu)選方法，一個或多個交互連接元件，即壓焊盤20B，內部導線35和電線接頭40，在各自的焊接點具有一個焊接表層。在某些實施例中，所有上述三類元件都包括本發(fā)明的焊接表層?，F(xiàn)在再次參閱圖2，優(yōu)選的壓焊盤20B包括在焊接區(qū)域覆蓋在導電的銅上的焊接表層20A。導電的銅層20可以具有任何合適的厚度，例如大約0.1微米到5微米。
根據本文所教導的內容，焊接表層20A可以由多種專門技術制成。所有這些技術都在本發(fā)明的保護范圍之內，所提供的焊接表層有效防止了下面的導電層退化，且在壓焊部形成后，基本不削弱交互連接結構的導電性。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明的焊接表層包括足夠的Cu(N)以形成一表層，其平均Cu∶N摩爾比不超過15∶1，優(yōu)選地為大約10∶1到1∶1，更為優(yōu)選地從大約8∶1到2∶1。在某些實施例中，本發(fā)明的焊接表層優(yōu)選地包括至少大約5％的氮(以氮原子含量計算)，更好的是包括至少8％。在這樣的實施例中，通常優(yōu)選地，焊接表層中的氧濃度不超過大約15％(以氧原子含量計算)。在某些優(yōu)選實施例中，焊接層基本上由Cu3N構成。在這方面，需要提示的是，該Cu(N)層可包括一個或多個不會負面影響到本發(fā)明操作的雜質。正如舉例所述，基本由Cu(N)構成的該層包括沒有負面影響到本發(fā)明操作的作為雜質的碳和氧。還可以預期，在某些實施例中，適量的存在一個或多個氧化銅，不會造成毒化效應。另外，本發(fā)明的焊接表層的厚度可在大范圍內變動并根據具體應用而變化。在某些優(yōu)選實施例中，焊接表層具有至少大約20埃的厚度。更具體地，為大約25埃至大約3000埃之間，更佳地，為大約50埃到500埃之間。對涂有氮化銅的電線，優(yōu)選的焊接表層厚度為至少30埃，更具體地，為大約100埃至大約20000埃之間，最好是大約200埃至大約10000埃之間。在較佳實施例中，一個Cu(N)表層用在一根焊接電線上，該電線上的Cu(N)將在焊球形成過程中分解/轉化還原為銅和氮，特別是在使用所謂電子滅火EFO(electric flame off)的放電的部分過程中。這樣，就在形成壓焊部之前，Cu(N)從焊接表層去除。在優(yōu)選實施例中，EFO在惰性氣體或者還原氣體環(huán)境中進行，例如氮氣、氬氣、氦氣或者合成氣體。
可以預期，在某些應用中，通過直接對導電材料的底部基層涂敷適當?shù)暮珻u(N)材料的層，可以在如圖中顯示的層20的導電層上或者如銅導線之類的金屬導線上形成Cu(N)焊接表層。這些技術包括但不限于在氮氣中銅反應濺射或銅蒸發(fā)而在導電材料上淀積一含有Cu(N)的層；化學氣相淀積；以及電化學技術。銅的濺射或者蒸發(fā)可以采用任何本領域熟知的方法進行，包括但不限于直流或者交流放電，例如射頻或者微波技術，或者通過直接加熱、電加熱、空心陰極放電或者電子或離子轟擊使銅蒸發(fā)。濺射或者蒸發(fā)可在本領域人員所熟知的任何淀積設備中進行，包括標準“高”真空技術和低真空技術，例如淀積過程中的壓力可從幾毫托到基本一個大氣壓。M.A.Lieberman和A.J.Lichtenberg所著的“等離子體放電和材料處理的原理”(John Wiley和Sons，紐約，1994)描述了合適的技術，特別是第十六章，在這里參考引用，此外，還可參考如下的美國專利5,356,673；5,571,332；5,725,672和4,788,082。其他可選擇的方法包括在等離子體中分解揮發(fā)性的銅的金屬有機化合物。由于這些步驟不需要底層的導電元件的銅的存在，這些技術特別適合與主要由非銅構成的交互連接元件一起使用。當然這些技術也適合與主要由銅構成的導電層一起使用?？梢岳斫猓@里使用的術語“銅”不僅包括基本銅，還包括銅與其他痕量金屬(trace metals)，或者半導體領域所公知的只要能導電的與其他金屬的各種合金化合物。
對于其他導電層主要為銅的實施例，Cu(N)焊接表層可以通過使用來自導電層的銅形成。下面對能單獨或者組合使用以形成各層的方法步驟非限定的列示如下通過用氣態(tài)氨對基材進行熱處理，將銅表層轉化為Cu(N)，可選擇地，但最好是在升溫時伴隨用氧氣同時或預處理該表層；用氨或氮氣對銅基層進行等離子處理，可選擇地，但最好伴隨用氧氣同時或預處理該表層；通過標準離子注入或者等離子浸沒離子注入，將氮注入銅基層的表層內。依照本發(fā)明，用氮氣等離子體轉化銅或氧化銅表面，這可通過本文所包括的任何本領域已知的方法進行。例如，氮氣等離子體可通過交流(AC)或直流(DC)電產生。通常，由于所產生的氮化銅的非導電或導電性差的特性，交流電處理更合適。在某些情況，使用直流偏壓結合交流電場，會有好處。交流電場的頻率可以是任何用于等離子處理領域所熟知的，包括射頻和微波頻率。形成等離子體的環(huán)境壓力可從僅幾毫托到接近一個大氣壓。在一些實施例中，通過在大約1托和大約1000托之間的相對高壓情況下進行直流或交流放電來形成等離子體，優(yōu)選地是在大約1托和大約200托之間，然后擴展到裝置的低壓區(qū)域，在此撞擊基層。如本領域技術人員所知，氮氣或氨氣僅是形成等離子體的氣體的一種。在某些應用中，特別對于在高壓情況下形成的等離子體，氮氣或氨氣可在另一氣體中稀釋，如氦或氬，以便等離子體的形成。對于銅壓焊盤和銅引線架的焊接，較優(yōu)選的焊接成形的方法包括用氧熱處理和同時或隨后的氨處理。
申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，用氧氣對表層進行預處理，優(yōu)選地是氧化和熱處理相結合，實際產生的效果比用例如氨氣這樣單獨的氮處理要好。目前獲得這樣較好結果的原因還不清楚。中間的氧化銅的形成也可以用本領域所熟知的其他技術。這樣的替換技術包括用除了氧氣外的氧化化合物進行處理，例如過氧化氫，或者電化學技術。
實例例1圖2中顯示的普通類型的硅芯片，包括一個基層和一個導電銅層。導電銅層是10000埃，在芯片上形成壓焊盤的基礎。通過用95％摩爾百分比的氮氣和5％摩爾百分比的氫氣組成的合成氣體對焊接表層進行第一次預處理，在壓焊盤上形成一保護層。所述表層置于大約400度的第一預處理氣體中大約9小時以形成焊接表層，基本避免了銅的氧化。然后將焊接表層進行第二預處理步驟，即置入大約200度的基本由氧氣構成的合成氣體中大約5分鐘，形成一具有容易控制厚度的氧化銅層。然后氧化層用無水氨在大約275度下處理5小時，形成一基本非導電的大約200埃厚度的表層。表層的顏色從銅的特有色改變成青綠色。按照圖4中的俄歇光譜分析，該層是銅和氮化銅的混合物，帶有少量氧和碳。該層中Cu∶N的摩爾比大約為85∶10。因此形成的焊接表層基本上防止下面的銅氧化，具有的導電性弱于壓焊盤的下層銅基層的導電性。銅電線在下述的條件下焊接到壓焊盤后，交互連接的導電性足夠提供對半導體裝置的良好電性連接。
例2通過在大約4毫托氮氣的氣氛下，采用銅靶射頻濺射1微米均勻厚度的銅的方式，在四分之一的八英寸硅片上淀積氮化銅。在大約每秒33埃的濺射率下，形成一個200埃的淀積。在此過程中，晶元被加熱到100度。圖5顯示了元素組成的俄歇深度曲線圖。該俄歇數(shù)據清晰地指示出一大約200埃厚度的氮化銅涂層。在試驗之前，硅和氧很可能是存在于晶元上的雜質。
例3氮化銅的淀積采用下面的真空淀積技術。大約1個大氣壓的氦氣穿過真空容器內的涂有銅的硅片上方大約10厘米的噴嘴。基層加熱到大約120度。在陽極和銅中空陰極之間的放電在噴嘴內側濺射目標，將銅原子和離子引入氦氣中。在噴嘴下方引入氮氣，產生大約30毫托的氮氣環(huán)境壓力。銅原子或離子與氮氣的交互作用使得在表層淀積氮化銅。圖6顯示了在本試驗中形成的俄歇元素深度曲線。該深度曲線證明了這樣的構造，即在涂敷銅的晶元上形成具有大約50埃氮化銅的表層。看上去有很厚的氧化物是在淀積開始之前存在表面的氧化銅，這是因為在本試驗中沒有設法去除表層氧化物。
例4具有大約300埃厚度的氮化銅層如下所述形成于直徑為1毫英寸的銅線上。該銅線通過一長度為3厘米，內部直徑為1.5毫英寸的小管，從外部線圈水平進入真空室。管子的中間設有一直角連接，通向去除進入真空室的其它氣體的真空泵。銅線的引出也通過一個類似的管子，該管子設在真空室的另一邊，也連接小的真空泵。在真空室內，銅線從距離大約4厘米處具有一3毫米開口的噴嘴下通過。一金屬板通過兩個間隔5毫米的平坦島狀物固定在位于距其大約1毫米高度處的噴嘴的上方。該真空室通過大型真空泵排空到大約500毫托。氮氣從一個小腔室穿流過該噴嘴從該噴嘴溯流而上，噴嘴處的壓力大約為5托。通過對位于從噴嘴溯流而上的該小腔室內側的兩極提供大約100瓦的射頻交流電，在自噴嘴溯流而上的氮氣中產生等離子體。然后氮氣等離子體從噴嘴導出，轟擊于銅線上?？刂沏~線的饋送率使其產生大約300埃厚度的氮化銅層。
例5具有大約500埃厚度的氮化銅將如下所述形成于直徑為1毫英寸的銅線上。該銅線通過一長度為3厘米，內部直徑為1.5毫英寸的小管，從外部線圈水平進入真空室。管子的中間設有一直角連接，通向真空泵，去除另外進入真空室的氣體。銅線的引出也通過一個類似的管子，該管子設在真空室的另一邊，也連接小的真空泵。在真空室內，銅線從距離大約4厘米處具有一3毫米開口的噴嘴下通過。一金屬板通過兩個間隔5毫米的平坦島狀物固定在位于距其大約1毫米高度處的噴嘴的上方。該真空室通過大型真空泵排空到大約500毫托。從該噴嘴向上的小腔室裝有兩個電極，射頻交流電施加于該電極上以在腔室中產生等離子體。在噴嘴下方該銅線的第一段通道內，5托壓力的氧氣導入小腔室內，采用大約100瓦射頻電流在兩極間撞擊等離子體。在噴嘴下方銅線的饋送速率控制在氧化掉銅線外部500埃厚度的銅。一旦氧化銅層產生于銅線的所有線軸上，從噴嘴上溯的穿過小腔室的氣體控制為5托氮氣，且等離子體再次在該氣體中產生。然后銅線再次饋入噴嘴下以將氧化銅轉化為氮化銅。調整饋送率使其轉化75％以上氧化銅到氮化銅。
權利要求
1.一種在半導體裝置或模塊中形成交互連接結構的方法，包括如下步驟1-1從包括壓焊盤、電線，引線架，球珊陣列，接線柱，卷帶式晶粒接合，可控塌陷芯片連接或焊接突起，以及兩個以上上述物品的組合的組中選出至少一個金屬交互連接元件；1-2在至少一個所述交互連接元件上形成一包含Cu(N)的焊接表層，其有效量足以抑制下面金屬層的氧化；1-3在所述表層位置形成導電壓焊；以及1-4在形成壓焊步驟之前或者同步，分解所述Cu(N)來充分增加該表層的傳導性。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述交互連接結構包括一個半導體模塊，該模塊具有一含至少一個銅壓焊盤的芯片；所述芯片的底層；以及含有Cu(N)的表層。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述壓焊形成步驟包括超聲波焊接或者熱聲波焊接。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1-1包括提供至少一個銅制金屬交互連接元件；所述步驟1-2包括將所述銅交互連接元件的表層暴露在氧氣中，至少氧化所述表層的一部分。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟1-2還包括在氧化步驟之前或同時，對所述表層進行加熱的步驟。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟1-2還包括將所述表層置于氮氣等離子體中的步驟。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟1-2還包括將所述表層置于氨中的步驟。
8.如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步驟1-2還包括在將所述表層置于氮離子中的步驟之前或同時，將其加熱。
9.如權利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述置于氮離子中的步驟還包括將所述表層置于無水氨中。
10.一種用于形成具有銅交互連接的集成電路模塊的裝置，包括具有一個含有Cu(N)的焊接表層的至少一個交互連接元件。
11.一種用于形成一個集成電路模塊的引線架，包括一個含有Cu(N)的焊接表層。
12.一種用于形成一個集成電路模塊的電線，包括一個含有Cu(N)的焊接表層。
13.如權利要求12所述的電線，其特征在于，所述Cu(N)由含氮氣和銅的氣源淀積形成。
14.如權利要求13所述的電線，其特征在于，所述氣源中的銅通過從一個銅靶進行電濺射方法產生。
15.如權利要求13所述的電線，其特征在于，所述氣源中的銅通過直接加熱或者暴露在熱燈絲中蒸發(fā)產生。
16.如權利要求12所述的電線，其特征在于，所述Cu(N)通過將銅的表層暴露在氮氣等離子體中產生。
17.如權利要求12所述的電線，其特征在于，所述Cu(N)的產生方式為，形成包含氧化銅的表層，然后將至少一部分氧化銅轉化為Cu(N)。
18.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將含有銅的表層置于氧等離子體中。
19.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將含有銅的表層置于熱的氧氣中。
20.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將含有銅的表層置于氧化劑中。
21.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括用電化學法氧化含有銅的表層。
22.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述轉化包括將氧化銅置于氮離子等離子體中。
23.如權利要求17所述的電線，其特征在于，所述轉化包括將氧化銅置于氣態(tài)氨中。
24.一種在半導體裝置中形成交互連接結構的方法，包括如下步驟提供至少一個導電的交互連接元件；在上述交互連接元件上形成含Cu(N)的焊接表層；以及在上述焊接表層的位置形成導電壓焊。
25.如權利要求24所述的方法，其特征在于，所述導電的交互連接元件是金屬電線。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述金屬電線包括銅線。
27.如權利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述焊接表層形成步驟包括將所述電線表層部分置于含有氮和銅的氣體中。
28.如權利要求27所述的方法，其特征在于，所述焊接表層形成步驟包括將銅從一個銅靶濺射到所述電線的至少一個表層部分上。
29.如權利要求27所述的方法，其特征在于，所述焊接表層形成步驟包括通過直接加熱和/或者暴露在熱燈絲中蒸發(fā)銅。
30.如權利要求27所述的方法，其特征在于，所述焊接表層形成步驟包括將所述電線的至少一個表層部分置于氮氣等離子體中。
31.如權利要求25或26所述的方法，其特征在于，所述焊接表層形成步驟包括在所述電線上形成包含氧化銅的表層，然后將至少一部分氧化銅轉化成氮化銅。
32.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將銅的表層置于氧氣等離子體中。
33.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將銅表層置于熱的氧氣中。
34.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括將銅表層置于氧化劑中。
35.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述氧化銅形成步驟包括用電化學法氧化銅表層。
36.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述轉化包括將所述氧化銅置于氮氣等離子體中。
37.如權利要求31所述的方法，其特征在于，所述轉化包括將所述氧化銅置于氣態(tài)氨中。
38.一種用于半導體裝置中的改進的交互連接結構，其包括一個導電層和至少一個與所述導電層電性連接的壓焊表層，所述壓焊表層包含Cu(N)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了采用含氮化銅的壓焊表層的交互連接結構和方法。所述交互連接結構包括一個含氮化銅的壓焊表層，有效防止下層導電材料的氧化和/或其他不希望的侵蝕，同時為高導電壓焊打基礎。所述氮化銅壓焊表層提供了相對非導電、抗氧化的壓焊表層，且在壓焊之前或同時，容易轉化成一導電層。
文檔編號H01L21/607GK1802744SQ200480015903
公開日2006年7月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權日2003年4月9日
發(fā)明者戴維托馬斯·貝亞特森, 霍斯特·克勞貝格, 肯尼思凱爾·杜里 申請人:庫利克-索法投資公司