專利名稱：用于半導體器件封裝的鈍化層的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及半導體器件的制造，且具體涉及從半導體芯片、封裝載體和/或焊料凸塊上的表面移除氧化的方法。
背景技術：
集成電路，也稱為“1C”或微芯片，是實際上用在當今構造的每個電子器件中的微型電子電路。IC通過在通常由硅構成的晶圓上進行成像、沉積和/或蝕刻エ藝層疊各種材 料(導體和絕緣體)而構成。IC器件通過前段制程加工(front-end-of-line processing)形成，而后段制程加工(back-end-of-line processing)用于形成互連級以及該互連級內的無源器件。從晶圓切割的管芯通常安裝在封裝載體(諸如襯底、電路板或引線框)上，封裝載體提供從管芯到封裝載體的外部的電連接。在一種稱為倒裝芯片安裝的這樣的封裝布置中，管芯包括稱為焊盤的導電接觸陣列，該導電接觸陣列可通過焊球或焊料凸塊連接到諸如封裝載體的襯底上對應的焊盤陣列。通常，焊料凸塊與管芯和/或襯底上焊盤對準，且應用回流エ藝以在管芯與襯底之間以焊接接縫形式生成電連接。倒裝芯片安裝エ藝導致在管芯與襯底之間的空間或間隙。在很多這些常規(guī)エ藝中，使用鋁或金來形成焊盤。但是，由于與黃金相關的成本，且因為銅是比鋁更好的導體，銅目前更普遍。然而，銅的使用并非沒有困難，因為銅在常溫和常壓下容易氧化。氧化的銅的區(qū)域由于中斷電流而大大地減少了電連接的可靠性。因此，在半導體器件中，存在著改善具有銅表面的電連接的可靠性的制造方法的需要。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的代表性實施例中，提供了一種用于保護半導體器件的銅層的方法。通過利用等離子移除氧化層來清潔所述層的表面。使用等離子增強沉積エ藝在所述層的清潔表面上形成聚合物層，以防止層的清潔表面暴露于氧化氣體。本發(fā)明的另一代表性實施例中，提供ー種加工具有焊盤的半導體器件的方法，該焊盤具有包含銅的表面。通過利用等離子移除氧化層來清潔焊盤的表面。使用等離子增強沉積エ藝在焊盤的清潔表面上形成聚合物層，以防止焊盤的清潔表面暴露于氧化氣體。形成與焊盤的清潔表面的電連接。


包含在本說明書中并組成說明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的各實施例，并與以上給出的本發(fā)明的總體說明和以下給出的實施例的詳細說明一起用于解釋本發(fā)明的實施例。圖I是根據(jù)本發(fā)明的原理的用于等離子加工半導體器件的等離子處理系統(tǒng)的示意圖。圖2A、圖2B和圖2C是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于等離子加工半導體器件的步驟エ藝流程的示意圖。圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的半導體器件的等離子加工并與等離子處理的半導體器件建立電連接的流程圖。圖4是圖2C的等離子加工的具有沉積在其上的潤濕劑層的半導體器件的示意圖。圖5A和圖5B是經(jīng)受回流エ藝中的半導體器件的示意圖。圖5C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在圖5B的回流エ藝之后具有鈍化的銅基焊料凸塊的半導體器件的示意圖。圖6A-圖6C是類似于圖2A-圖2C的示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有清潔并鈍化的不同類型的銅層的半導體器件。
具體實施例方式參考附圖，且具體參考圖1，示出等離子處理系統(tǒng)10，并且其包括由封閉加工空間14的壁構成的處理腔室12。在等離子加工過程中，處理腔室12與周圍環(huán)境不漏液體地密封，被抽空到適當?shù)牟糠终婵?，并供應有至少ー種エ藝氣體，該至少ー種エ藝氣體適于需要的等離子處理。真空泵16用于通過裝有閥的真空ロ 18抽空處理腔室12的加工空間14。真空泵16可包括ー個或多個真空抽吸裝置，其具有如真空技術領域普通技術人員知道的可控抽吸速度。一種或多種エ藝氣體通過進氣ロ 22從エ藝氣體源20以規(guī)定的流量被允許進入加エ空間14。從エ藝氣體源20到加工空間14的エ藝氣體流通常由質量流量控制器(未示出)計量。來自工藝氣體源20的氣體流量和真空泵16的抽吸速率按照需要調整到生成適于等離子產生和需要的處理工藝的等離子エ藝壓力。以這種方式，當出現(xiàn)等離子時，連續(xù)地將新鮮エ藝氣體供應到加工空間14，并且除去任何從襯底支承26上的襯底24移除的揮發(fā)性物質和/或エ藝廢氣。電源28與腔室12內部的電極(本文稱為“天線”30)電耦合并將電能傳遞到該電扱。從電源28傳遞到天線30的電能對從限制在加工空間14內的エ藝氣體形成等離子32起作用。電源28還可為與襯底支承26關聯(lián)的電極(本文稱為“偏置電極”34)供電。從電源28傳遞到偏置電極34的電能對使襯底24相對于等離子32電偏置并促進襯底24的等離子加工起作用。電源28可以是控制直流(DC)偏置的一個或多個電源和/或以在約40kHz與約13. 56MHz之間的頻率操作的射頻(RF)電源，且所述射頻電源在40kHz下以約4000瓦特與約8000瓦特之間范圍或在13. 56MHz下以300瓦特到2500瓦特范圍的功率水平操作。也可使用其它適當?shù)念l率和功率范圍。本領域的普通技術人員將理解，不同的處理腔室設計可允許或要求不同的偏置電能。控制器(未示出)耦合到等離子處理系統(tǒng)10的各個部件以便于控制等離子加工。等離子處理系統(tǒng)10可采用本領域的普通技術人員理解的不同構造，并且因此，不限于本文所述的示例性構造。例如，等離子32可遠離處理腔室12產生并被遞送到加工空 間14。還應理解，等離子處理系統(tǒng)10包括圖I中未示出且對系統(tǒng)10的操作是必需的部件，諸如設置在加工空間14與真空泵16之間的閘閥。
圖2A示出包括襯底40的半導體器件38，諸如硅片，該半導體器件38具有ー個或多個焊盤，諸如代表性的焊盤42a、42b。焊盤42a、42b或焊盤42a、42b的最上層包括諸如銅的材料層，其當暴露到氧氣時容易氧化。焊盤42a、42b的相應表面43a、43b被暴露以建立與半導體器件38的集成電路和其他器件的電連接。焊盤42a、42b的表面43a、43b可以由鈍化層44部分地覆蓋。鈍化層44可以包括諸如聚酰亞胺的電絕緣體。因為焊盤42a、42b的用于建立電連接的表面43a、43b在鈍化之后保持部分地暴露，一旦將半導體器件38從用于形成層44的環(huán)境(未具體示出，但可類似于圖I的等離子處理系統(tǒng)10)移出并暴露于大氣條件，焊盤42a、42b的相應表面43a、43b可能由于該暴露而經(jīng)受氧化。氧化層46形成為焊盤42a、42b上的層，且如果不移除，則可能妨礙引線接合或回流加工，并還可對降低器件可靠性起作用。氧化層46可包括氧化的銅區(qū)域，如果不將其移除，可能通過中斷電流而降低與焊盤42a、42b的電連接的可靠性。現(xiàn)參考圖I和圖2A-圖2C，并且根據(jù)本發(fā)明的實施例，加工半導體器件38以從焊 盤42a、42b移除氧化層46并防止焊盤42a、42b的清潔表面43a、43b的重新氧化。該エ藝可用于清潔并保護半導體器件38的其他類型的銅層。圖3A是示出等離子加工半導體器件38的エ藝流程的流程圖48。通過將半導體器件38放到加工腔室14內的襯底支承26上來將半導體器件38裝載入等離子處理系統(tǒng)10(框50)。半導體器件38的焊盤42a、42b構成圖2A所示的由氧化層46覆蓋的銅層。當裝載半導體器件38時，真空泵16抽空腔室12且將エ藝氣體從エ藝氣體源20引入加工空間14，同時控制器調整真空泵16的操作和氣體引入以保持需要的エ藝壓力。范圍從約O. 02W/cm2到約O. 65ff/cm2的RF功率從電源28供應到天線30，該RF功率將加工空間14內的エ藝氣體激勵成等離子32。在等離子32被激發(fā)的同吋，電源28還將直流電源供應到偏置電極34，以從等離子32并朝向現(xiàn)已偏置的半導體器件38偏置ー種或多種離子。等離子32通過移除氧化層46(框58)來清潔焊盤42a、42b的表面43a、43b。在一個實施例中，エ藝氣體可以是氬氣(Ar)和氫氣(H2)的混合物，其中，Ar通過濺射而物理地蝕刻表面43a、43b上的氧化46，而H化學地減少表面43a、43b上氧化層46。圖2B中示出焊盤42a、42b的清潔表面43a、43b，并且不存在氧化層46。在器件10位于腔室12內部時,腔室12的無氧(oxygen-depleted)環(huán)境防止清潔表面43a、43b再次重新氧化。在焊盤42a、42b的清潔表面43a、43b上形成聚合物層61 (圖4)，作為當器件10從腔室12移出并暴露到包含氧氣的周圍大氣環(huán)境時防止其重新氧化的保護(框62)。聚合物層61還形成在鈍化層44上。為此，用于等離子的エ藝氣體流被調整和/或改變。例如，可停止H2氣體的引入，并可引入適于形成聚合物層61的エ藝氣體。エ藝氣體可以是諸如硅氧烷，或者在一個實施例中，是四甲基ニ硅氧烷(“TMDS0”)的單體氣體?？赏ㄟ^在與加工空間14流體耦合的獨立蒸發(fā)腔室(未具體示出，但可以包括在氣體源20中)內供應液態(tài)TMDSO來引入TMDS0。因為在20°C吋，TMDSO的蒸汽壓是112. 5mTorr，一旦在腔室12內部建立適當?shù)磨ㄋ噳毫Γ琓MDSO將容易蒸發(fā)并以從約Isccm到約lOOOsccm范圍的流量進入加工空間14。在替代性實施例中，承載氣體可以用于將單體蒸汽傳送到加工空間14，如本領域普通技術人員所公知的，并被認為與本發(fā)明的實施例相符。當引入TMDSO時，腔室12內的エ藝壓力可保持在約20mTorr到約200mTorr的范圍內。等離子32中的TMDSO在半導體器件38的表面43a、43b上形成聚合物層61。聚合物層61的沉積完成時(膜厚度范圍在約IOnm到約500nm范圍)，停止エ藝氣體的引入，等離子加工結束，且半導體器件38從等離子加工系統(tǒng)10移出(框64)。選擇包括在聚合物層61的材料厚度和/或組分，以減少諸如來自周圍大氣環(huán)境的氧氣的氧化氣體擴散到清潔表面43a、43b，并優(yōu)選地用作防止該擴散的屏障。由于現(xiàn)在焊盤42a、42b的相應暴露表面43a、43b被清潔且無氧化銅，并通過聚合物層61鈍化，只要防止清潔表面43a、43b重新氧化，則可發(fā)生接合而不受因為氧化的銅的妨礙。覆蓋焊盤42a、42b的清潔表面43a、43b的聚合物層61在圖2C中是明顯的。現(xiàn)轉到圖4，并繼續(xù)參考圖3A，在另ー加工步驟的準備中，可將潤濕劑70沉積到聚合物層61的表面上(框66)。但是，對獲得特定潤濕劑均勻沉積到半導體器件38上來說，聚合物層61的表面的接觸角度可能太大。因此，如果需要諸如助焊劑的潤濕劑(框66 的“是”分支)，那么可改變聚合物層61的表面以減小接觸角度(到約80°至約90°的范圍)并制備用于潤濕劑70的表面。雖然未具體示出，該改變可通過在聚合物層的表面被氧化的地方進行等離子增強エ藝來實現(xiàn)。根據(jù)ー個實施例，エ藝氣體流再次被調整和/或改變。具體來說，エ藝氣體流中的調整和改變可包括停止TMDSO単體的引入，并引入氧氣(O2)以產生等離子，該等離子至少部分地氧化聚合物層61的暴露表面并降低接觸角度，而不移除聚合物層61或致使表面43a、43b暴露。然后，潤濕劑70可沉積到聚合物層61的表面上(框68)?？赏ㄟ^液體分配單元來沉積潤濕劑70，諸如2008年10月28日授權且名稱為“Rechargeable Dispensing Head (可排放分配頭)”的美國專利No. 7, 441, 568所描述的液體分配単元，該專利的公開以參考方式整體納入本文。如果不要求或不需要潤濕劑70，則可繼續(xù)エ藝而無沉積步驟(框66的“否”分支)。然后，半導體器件38按照需要準備用于附連エ藝，該エ藝提供了延伸通過聚合物層61到達清潔表面43a、43b的電連接。因此，確定了附連エ藝類型(圖3A中的框72)。僅為說明目的，結合圖5A和5B描述和示出了倒裝芯片類型的附連エ藝(圖3A中框72的分支“A”)。倒裝芯片附連エ藝包括(但不限干)熱壓接合エ藝或熱接合エ藝。任何情況中，如所示的，承載焊料凸塊76a、76b的模具托盤(未示出)分別與焊盤42a、42b對準。如圖5A所示，焊料凸塊76a、76b與焊盤42a、42b對齊，并前進到半導體器件38上。通過足夠的壓カ和溫度，潤濕劑70在焊盤42a、42b區(qū)域處消散，聚合物層61分解，且焊料凸塊76a、76b回流以與相應的焊盤42a、42b接觸(框74)，如圖5B所示，其中該溫度取決于潤濕劑組合物，但通常在約200°C至約300°C范圍。因為不存在氧化層，焊料凸塊76a、76b和焊盤42a、42b之間的電連接的可靠性極大地增強。替代地，可進行不依靠焊料凸塊76a、76b的使用的引線接合エ藝(圖3A中的框72的分支“B”)。雖然未具體示出，可以以本領域普通技術人員通常知道的方式，并以與上面說明相符的方式，實現(xiàn)將引線接合到焊盤42a、42b上(圖3A中的框80)。具體來說，與釬焊或焊接エ藝關聯(lián)的熱和壓力致使聚合物層61在接觸形成的區(qū)域處分解。某些實施例中，焊料凸塊76a、76b可由銅或銅合金構成。因此，焊料凸塊76a、76b的暴露表面77a、77b可以以類似于上面所述的焊盤42a、42b (圖2A)的氧化的方式氧化。因此，可以以與本發(fā)明的一個或多個實施例相一致的方式等離子加工圖5B的半導體器件38以移除氧化并施加聚合物層。例如，可將半導體器件38裝載入等離子處理系統(tǒng)10(圖I)，并等離子處理以移除氧化層井清潔焊料凸塊76a、76b的表面77a、77b，并將第二層82沉積到焊料凸塊76a、76b的表面77a、77b上，如圖5C所示。第二聚合物層82防止在從等離子系統(tǒng)10移出之后，焊料凸塊76a、76b的相應表面77a、77b重新氧化，并保持焊料凸塊76a、76b的整體性，直到要求進ー步處理。雖然代表性實施例涉及前段制程加工和后段制程加工之后的管芯，如半導體器件38，但是清潔和鈍化工藝可用于清潔和鈍化不同于焊盤42a、42b的構造的銅層或銅焊盤，或用于清潔和鈍化與圖2A-圖2C所示半導體器件38的不同的半導體器件上的銅層或銅焊盤。構成半導體38的管芯通常與諸如引線框或球狀柵極陣列(BGA)的襯底結合，其也可能在與管芯的焊盤42a、42b互補的焊盤上具有銅層。本文所描述的用于器件38的清潔和鈍化工藝也可以用于清潔和鈍化襯底上的銅層或銅焊盤。替代地，可以如本文對于器件38所描述的僅清潔和鈍化在襯底上的銅層或銅焊盤。焊料凸塊76a、76b可以僅施加到管芯上的銅層或焊盤，可以僅施加到襯底上的銅層或焊盤，或可以施加到管芯上的銅層或焊盤和襯底上的銅層或焊盤。在每種情形中，如本文所述，在施加到管芯和/或襯底之后，焊料凸塊76a、76b可被清潔和鈍化。作為構造變化的示例，并參考圖6A，焊盤42a、42b可成形為具有如本文所述被清潔的表面43a、43b的柱。用作焊盤42a、42b的清潔柱也可以如本文描述地利用聚合物層61涂覆。該清潔且鈍化的焊盤42a、42b可用于形成組件，其中互補半導體器件(例如，引線框)承載焊料凸塊。替代地，如圖6B所示，焊料凸塊76a、76b可施加到清潔并鈍化的焊盤42a、42b。焊料凸塊76a、76b的表面77a、77b也可以如本文描述并如圖6C所示地被清潔和鈍化。本文所使用的術語僅僅為了描述特定實施例，而不意圖限制本發(fā)明。如本文中所用，単數(shù)形式的“一”、“一個”以及“該” _在也包括復數(shù)形式，除非文本明確地另作指明。還應理解，當用在該說明書時，術語“包括”和/或“包含”指定所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或添加一個或更多其它特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組。此外，對于在詳細描述或權利要求中使用的術語“包括”、“具有”、“由……構成”或它們的變化，這些術語_在以與術語“包括”相似的方式包括?？梢岳斫獾氖?，當一個元件被描述為“連接”或“耦合”到另一元件或與另一元件“連接”或“耦合”吋，它可以直接連接或耦合到另一元件，或者替代地，可存在ー個或多個中間元件。相反，當元件被描述為“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在中間元件。當元件被描述為“非直接連接”或“非直接耦合”到另一元件吋，至少存在一個中間元件。本文以示例性方式，而不以限制性方式參考諸如“垂直”、“水平”等術語以建立參考系。應當理解，可采用各種其他參考系而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
盡管已經(jīng)通過對各種實施例的描述來說明了本發(fā)明且以相當大量的細節(jié)描述了這些實施例，但是申請人并不想要將所附權利要求書的范圍局限于或以任何方式限制于這種細節(jié)。對本領域的技術人員來說易于有其它優(yōu)點和改變。因此，本發(fā)明在其更寬泛的方面并不限于所示和所述的具體細節(jié)、代表性裝置和方法、以及示范性例子。
權利要求
1.一種保護半導體器件的銅層的方法，包括 通過利用等離子移除氧化層來清潔所述層的表面；以及 使用等離子增強沉積工藝在所述層的清潔表面上形成聚合物層，以防止所述層的所述清潔表面暴露于氧化氣體。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，還包括 在清潔所述表面之后并在形成所述聚合物層之前，將所述清潔表面維持在無氧環(huán)境中，以防止所述清潔表面的氧化。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，在等離子增強沉積工藝中使用硅氧烷單體來形成所述聚合物層。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，所述硅氧烷單體是四甲基二硅氧烷。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，以從約Isccm至約IOOOsccm范圍的流量供應所述硅氧烷單體，并且用于等離子增強沉積的工藝壓力范圍為從約20mTorr至約200mTorr。
6.一種加工具有焊盤的半導體器件的方法，所述焊盤具有包括銅的表面，所述方法包括 通過利用等離子移除氧化層來清潔所述焊盤的表面； 使用等離子增強沉積工藝在所述焊盤的清潔表面上形成聚合物層，以防止所述焊盤的所述清潔表面暴露于氧化氣體；以及 形成與所述焊盤的所述清潔表面的電連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，還包括 在清潔所述焊盤的所述表面之后并在形成所述聚合物層之前，將所述焊盤的所述清潔表面維持在無氧環(huán)境中，以防止所述清潔表面的氧化。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，在等離子增強沉積工藝中使用硅氧烷單體來形成所述聚合物層。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述硅氧烷單體是四甲基二硅氧烷。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，以從約Isccm至約IOOOsccm范圍的流量供應所述硅氧烷單體，并且用于等離子增強沉積的工藝壓力范圍為從約20mTorr至約200mTorr。
11.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，形成與含銅焊盤的電連接，包括 將包括銅的焊料凸塊附連到所述焊盤； 通過利用等離子移除氧化層來清潔所述焊料凸塊的外表面；以及 使用等離子增強沉積工藝在所述焊料凸塊的清潔外表面上形成聚合物層，以防止所述焊料凸塊的所述清潔外表面暴露于氧化氣體。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，還包括 在清潔所述焊料凸塊的所述外表面之后并在所述焊料凸塊的所述清潔外表面上形成所述聚合物層之前，將所述焊料凸塊的所述清潔外表面維持在無氧環(huán)境中，以防止所述清潔表面的氧化。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，在等離子增強沉積工藝中使用硅氧烷單體來在所述焊料凸塊的所述清潔外表面上形成所述聚合物層。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述硅氧烷單體是四甲基二硅氧烷。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，以從約Isccm至約IOOOsccm范圍的流量供應所述硅氧烷單體，并且用于等離子增強沉積的工藝壓力范圍為從約20mTorr至約200mTorro
16.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，所述電連接延伸通過所述聚合物層到達所述焊盤的所述清潔表面。
全文摘要
用于半導體器件封裝的鈍化層。一種防止半導體器件上銅層或銅焊盤的表面氧化的方法。通過利用等離子移除氧化層來清潔所述層或焊盤的表面。使用等離子增強沉積工藝在所述層的清潔表面上形成聚合物層，以防止所述層的清潔表面暴露于氧化氣體。
文檔編號H01L21/56GK102637578SQ20121002946
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月10日 優(yōu)先權日2011年2月11日
發(fā)明者大衛(wèi)·基廷·富特, 詹姆斯·唐納德·格蒂 申請人:諾信公司