用于铜金属化集成电路的丝焊工艺 本发明总的涉及半导体器件和工艺的领域，更具体来说涉及焊接(bond)铜金属化集成电路的丝焊工艺。
四十多年来，在集成电路(IC)技术中，纯的或掺杂的铝已成为互连和焊接区的金属化选择。铝的主要优点包括便于沉积和形成图形。此外，由金、铜或铝制成的金属丝焊接到铝焊接区的技术已发展到高度自动化、小型化和可靠性的水平。可在1995年10月3日授权的#5,455,195号(Ramsey等人，“用于在集成电路导电焊接中获得冶金稳定性的方法”)；1993年9月14日授权的#5,244,140号(Ramsey等人，“超过125kHz的超声波焊接工艺”)；1993年4月13日授权地#5,201,454号(Alfaro等人，“IC互连中增强的金属化生长的工艺”)；以及1991年6月11日授权的#5,023,597号(Tsumura,“具有铜丝球焊的半导体器件)的美国专利中可发现技术标准高的铝的丝焊的例子。
在不断使IC小型化的趋势中，有源电路元件之间互连的RC时间常数日益支配着可实现的IC速度-功率积。结果，电阻率相对高的互连铝现在看上去比诸如铜等电阻率较低的金属差。此外，铝对电迁移的显著的敏感性正成为一个严重的障碍。结果，根据铜的电导率较高而对电迁移的敏感性较低，现在在半导体行业中，有一个把铜用作较佳的互连材料的强烈的推动。然而，从成熟的铝互连技术的观点来看，到铜的这种转变是一个重大的技术上的挑战。
必须对铜进行防护，以防止它扩散入IC的硅基底材料，以便保护电路免受位于硅晶格中的铜原子对载流子寿命破坏性特性的影响。对于由铜制成的焊接区，必须防止在制造工艺流程期间形成薄的氧化铜(Ⅰ)膜，这是因为这些膜严重地阻碍了焊丝的可靠焊接，尤其是对于常规的金丝球焊。与覆盖在金属铝上面的氧化铝膜相反，通过热压和在焊接过程中加上超声波能量，覆盖在金属铜上面的氧化铜膜不易破裂。作为进一步的难题，裸露的铜焊接区易于受到腐蚀。
为了克服这些问题，己揭示了在干净的铜焊接区盖上一层铝的工艺，因而重构了应由常规金丝球焊来焊接的铝焊接区的传统情况。在1998年7月28日授权的#5,785,236号美国专利(Cheung等人，“与现有IC丝焊技术兼容的先进铜互连系统”)中描述了一种适宜的焊接工艺。然而，所述方案具有几个缺点。
首先，铝盖的制造成本比预期的高，这是因为该工艺需要沉积金属、形成图形、蚀刻和清洁的附加步骤。其次，这一盖子必须足够厚，以防止铜穿过盖子金属而扩散及污染IC晶体管。第三，盖子所使用的铝是柔软的，因而它在电气测试中将受到多探针触点的痕迹(marking)的严重破坏。继而，这一破坏在焊接区尺寸一直在减小时变得尤为明显，从而使随后的球焊焊接不再可靠。
在2000年2月18日提交的#60/183,405号美国专利申请中已揭示了覆盖铜金属化IC的铜焊接区的低成本的结构和方法。本发明与该申请有关。迫切地需要一种把金属丝焊接到被覆盖的焊接区的可靠方法，该方法把最小的制造成本与在最大程度上对可能妨碍随后丝焊的金属的上扩散进行控制相结合。此焊接方法应足够灵活，以适用于不同的IC产品族和宽的设计和工艺变化范围。最好在缩短生产周期时间和增加产量的同时实现这些创新，而不需要昂贵的附加制造设备。
本发明揭示了一种坚固、可靠和低成本的金属结构和工艺，此金属结构和工艺使能集成电路(IC)的互连铜金属化的金属丝电气连接。该结构包括沉积在无氧化铜表面的阻止铜扩散的一层阻挡(barrier)金属，把其厚度沉积到使它能在250℃下铜的扩散与不存在阻挡层金属时相比减少不止80％。该结构还包括把在250℃下阻挡层金属的扩散与不存在可焊接金属时相比减少不止80％的最外层。最后，把一金属丝焊接到最外层以进行冶金连接。
从镍、钴、铬、钼、钛、钨及它们的合金构成的组中选择这种阻挡层金属。从金、铂和银构成的组中选择最外的金属层。
本发明涉及具有铜互连金属化的高密度高速度IC，尤其涉及具有大量金属化输入/输出或“焊接区”的那些IC。可在诸如处理器、数字和模拟器件、逻辑器件、高频和高功率器件等许多器件族以及在大面积和小面积芯片类中获得这些电路。
本发明的一个方面是可适用于减少焊接区的面积继而支持IC芯片的缩小。结果，本发明有助于减轻对诸如蜂窝式通信、寻呼机、硬盘驱动器、膝上型计算机和医疗器械等不断缩小的应用的空间约束。
本发明的另一个方面是通过无电沉积的自限定(self-defining)工艺来制造焊接区金属盖，因而避免高成本的光刻和对准工艺。
本发明的再一个方面是受金属扩散系数的指导，选择适当的金属对和调节(coordinate)层厚度，以把升高的焊接温度下的上扩散以及随后阻止焊接的化学反应减到最少。
本发明的又一个方面是通过消除探针痕迹(mark)以及随后的焊接难题来推进晶片级多探针探测工艺及可靠性。
本发明的再一个目的是提供灵活的设计和工艺概念，从而可把它们应用于许多半导体产品族，而且这些设计和工艺概念是通用的，从而可把它们应用于好几代的产品。
本发明的还有一个目的是仅使用IC器件制造中最常用和接受的设计和工艺，因而避免新的资本投资以及使用已安装的制造设备基础。
通过本发明有关适用于大量生产的选择标准和工艺流程的描述已实现了这些目的。对焊接区的铜的无氧化表面进行引入诸如钯等金属的籽晶(seed)并覆盖一层诸如镍等的阻挡层金属。此阻挡层金属的厚度必须如此，从而能防止焊接操作的高温时过量的铜的上扩散。最外层是诸如钯或金等可焊接的金属。该层的厚度必须如此，从而它能防止镍到表面的上扩散，在该表面上镍将使金属丝氧化并阻碍焊接。在大量制造中，通过无电电镀来沉积各种金属层，因而避免了对昂贵的光刻限定步骤的需要。
从以下对本发明较佳实施例的详细描述并结合附图及所附权利要求书中所述的新特征，将使本发明的技术进步及其各方面变得明显起来。
图1A和1B示出本发明较佳实施例的示意剖面图。
图1A示出位于具有铜金属化的集成电路的焊接区上的层叠的层的可焊接盖。
图1B示出包括球焊金属丝的图1A的焊接区。
图2是本发明较佳实施例的更详细的示意剖面图。
图3是本发明较佳实施例的更详细的示意剖面图。
图4示出依据本发明制造焊接区盖的工艺流程的方框图。
附件：该表列举了把下层金属的上扩散与不存在阻挡层金属时相比减少不止80％所需的阻挡金属层的计算厚度。
图1A示出本发明较佳实施例的示意剖面图，把其整个表示为100。集成电路(IC)具有铜互连的金属化，且由不能使水分渗透的保护外涂层101所覆盖。此外涂层通常由0.5到1.0μm厚的氮化硅制成。在外涂层中开出窗口102，以暴露铜金属化103的部分。在图1A中未示出埋入的铜并防止其扩散入IC的各部分的下层(通常由氮化钽、钽硅氮化物、氮化钨、钨硅氮化物、钛、氮化钛或钛钨；见图3)。
在图1A中，仅概括地示出介质的IC部分104。这些电绝缘部分不仅可包括诸如二氧化硅等传统的等离子体增强的化学汽相沉积的介质，还包括诸如含硅的氢硅倍半氧丙环(hydrogen silsesquioxane)、有机聚酰亚胺、气凝胶和聚对二甲苯等具有较低介电常数的较新介质材料或包括等离子体产生的或臭氧原硅酸四乙酯氧化物的介质层的堆叠。由于这些材料没有以前的标准绝缘体那么致密且在机械上较弱，所以通常对在铜以下的介质进行加固。在1998年5月18日提交的#60/085,876号(Saran等人，“用于加固半导体中的焊接区的细距系统和方法”)以及1998年7月14日提交的#60/092,961号(Saran，“用于有源集成电路上的焊接的系统和方法”)美国专利申请中可找到其例子。
由于铜容易受到腐蚀，甚至连薄的氧化铜(I)膜也难于焊接，本发明提供了如图1、2和3所示在暴露的铜上形成盖子的结构和工艺。依据本发明，盖子由一堆层金属构成，其厚度调节到使该堆叠满足三个要求：
*盖子起到防备铜上扩散到盖子表面(在该处，铜可能阻碍随后的丝焊操作)的阻挡层的作用。具体来说，调节盖子的金属的选择和厚度，从而盖子把在250℃下铜的上扩散与不存在阻挡层金属时相比减少不止80％。
*以避免昂贵的光刻步骤的技术来制造盖子。具体来说，使用无电工艺来沉积盖子金属层。
*盖子具有可焊接的最外层金属表面。具体来说，可使用常规的球焊和楔焊(wedge bonding)以冶金方式把金属丝和其它耦合部件连接到焊接区。
如图1B和2所示，金属丝球焊是使用耦合部件来产生电气连接的较佳方法。另一个方法是利用楔形焊接器(bonder)的带焊(ribbon bonding)。与楔焊相比，在高温下进行球焊，为此需要协调本发明的材料和工艺。
丝焊工艺通过把具有焊接区的IC芯片与芯片将被焊接到的对象置于-加热底座上并把它们的温度升高到170和300℃之间才开始的。通过加热的毛细管(那里的温度通常在200和500℃之间的范围内)来敷设(string)金属丝110(图1B中)，金属丝110通常为金、金-铍合金、其它金的合金、铜、铝或其合金，其直径通常在从18到33μm的范围内。在金属丝的尖端，使用火焰或火花技术来产生自由空气(free air)球。该球的直径通常从约1.2到1.6个金属丝直径。使毛细管向芯片焊接区(图1A中的102)移动，把该球压在焊接区盖子的金属化层(图1A和1B中的层106)上。压缩力与超声波能量的组合产生了通过金属相互扩散而形成的坚固的冶金焊接。在焊接时，温度范围通常从150到270℃。在图1B中，图示的形态111作为在金属丝球焊中所附着的“球”的最后形状的例子。
对本发明来说，重要的是近来丝焊的技术发展已允许形成小而可靠的球形触点以及可严格控制的线环(wire loop)形状。可实现小到75和40μm之间的球间距。例如，可在美国PA州Willow Grove的Kulicke ＆ Soffa的计算机化焊接器8020或者在美国德克萨斯州Dallas的Texas Instruments的ABACUS SA中找到这些进展。通过空气以预定的计算机控制的方式移动毛细管产生了形状精确限定的线环。最后，毛细管到达其预定的目的地并下降到接触对象的触点焊接区。通过毛细管的痕迹，形成了冶金上的针脚式焊接(stitch bond)，且金属丝被烧掉而放开了毛细管。针脚式触点小而可靠，针脚痕迹的横向尺寸约为金属丝直径(其确切形状与所使用的毛细管的形状有关，诸如毛细管壁的厚度以及毛细管的印迹(footprint))的1.5到3倍。
本发明的一个优点是提供一种焊接区硬到足以使电气多探针探测中所使用的尖端精细的针不产生探针痕迹的金属盖表面。当焊接区的面积小到这种程度一存在焊接区同时缩小的趋势--使得针的压印扰乱了大多数可用的焊接区域时，由针的压印扯碎的柔软金属表面特别难于焊接上。
依据本发明通过两层来提供铜103上的金属盖：
层105位于铜203上，有时也沉积在籽晶(seed)金属层(见图2和3)上。层105的例子是镍、钴、铬、钼、钛、钨及其合金。这些金属不贵，且可通过无电电镀来沉积；然而，它们的可焊接能力较差。在这些金属中，在250℃下，铜的扩散系数小于1X10E-23cm2/s。结果，这些金属成了良好的铜扩散阻挡层。通过扩散计算获得了把铜扩散与不存在这些层时相比减少不止80％所需的层厚。作为一个例子，附件中的表格列出当铜在250℃或160℃的温度下扩散(扩散时间(min)作为参数)时镍的层厚。一般来说，从0.5到1.5μm的阻挡层厚度可安全地满足铜的减少标准。
层106位于层105上作为盖的最外层；它是可焊接的，从而它可接受丝焊111。层106的例子是金、铂、钯和银。此外，在250℃下，这些金属相对于阻挡层105中所使用的金属(诸如镍)的扩散系数小于1x10E-14cm2/s。结果，这些金属是层105的材料的良好扩散阻挡层。此外，从扩散计算获得了把层105中的金属的上扩散与不存在层106时相比减少不止80％所需的层厚。作为一个例子，附件中的表格列出当镍在250℃或160℃下上扩散时金的层厚，以扩散时间(min)作为参数。一般来说，1.5μm或稍小的最外层厚度能安全地满足了来自层105的金属扩散的减少标准。
作为另一个例子，附件中的表格列出当镍在250℃或160℃下上扩散时钯的层厚(μm)，以扩散时间(min)作为参数。一般来说，约0.4到1.5μm的最外层106的厚度将安全地满足来自层105的金属扩散的减少标准。
结合图4来描述无电电镀的流程。通常，被镀的层将符合焊接区的开口(图1A中的102)的尺寸。然而，对于具有厚度减小的保护外涂层的焊接区而言，一个或多个被镀的层可能无电地生长到超过开口的外围。图2示意地示出了这一层生长的一个例子。保护外涂层201具有减小的厚度201a(例如，0.5μm而不是通常的1.0μm)。而直接镀在铜金属化203的无氧化表面203a上的金属籽晶层208容易地配合在外涂层开口内，阻挡层205和可焊接层206生长到超过开口外围。在图2中用205a和206a指示这一盖子区域；它对丝“球”211的冶金焊接没有影响，但可能影响相邻焊接区的最小距离。
图3更详细地归纳了本发明的较佳实施例；大多数尺寸范围标列在图1a和1B，在图4中讨论无电电镀和其它制造工艺步骤。标号外涂层301具有限定焊接区的尺寸的开口，且其厚度足以适应覆盖焊接区IC铜金属化303的所有的堆层。铜迹线303嵌入难熔的金属屏蔽302(例如，氮化钽)中，该金属屏蔽302被介质304和金属增强部件304a所包围；其方法如上所述。
直接面对经过清洁的无氧化铜表面303a的是盖子的第一层，即一薄的籽晶金属层308(例如，钯，约5到10nm厚；另一个选择为锡)。直接在籽晶金属层后的是作为阻挡上扩散的铜的金属层305(例如，镍)。在此阻挡层的顶部是作为阻挡上扩散的阻挡层金属(诸如镍)并且，与此同时也作为在冶金上可焊接的盖子的最外层的金属层306(例如，金或钯)。
在图4中详述了用于制造图3的焊接区盖的无电工艺。在保护外涂层中开了焊接区而在焊接区区域中暴露了铜IC金属化后，盖子的沉积工艺在401处开始；工艺顺序如下：
·步骤402：使用旋涂技术给硅IC晶片的背面涂敷抗蚀剂。此涂层将防止晶片背面上意外的金属沉积。
·步骤403：通常在110℃对抗蚀剂进行时间周期约为30到60分钟的焙烘。
·步骤404：使用等离子体灰化抛光(ashing)工艺对暴露的焊接区铜表面进行约2分钟的清洁。
·步骤405：通过把具有焊接区暴露出的铜的晶片浸入硫酸、硝酸或任何其它酸的溶液中约50到60秒来进行清洁。
·步骤406：在溢流冲洗器中冲洗约100到180秒。
·步骤407：把晶片浸入催化的金属氯化物(诸如氯化钯)溶液中约40到80秒，以“活化”铜表面，即把一薄的籽晶金属层(诸如钯)沉积在清洁的无氧化铜表面上。
·步骤408：在倾卸(dump)冲洗器中冲洗约100到180秒。
·步骤409：无电电镀防备铜上扩散的阻挡层金属。如果选择镍，则150到180秒之间的镀敷将沉积约0.4到0.6μm厚的镍。
·步骤410：在倾卸冲洗器中冲洗约100到180秒。
·步骤411：无电电镀最外层，该最外层是可焊接的并同时也提供了防备在下面的阻挡层金属上扩散的阻挡层。如果选择金或钯，则150到180秒之间的镀敷将分别沉积约0.4到0.6μm厚的金或钯。较佳的工艺首先使用以自限制表面金属替换的浸没步骤。如果选择金，则400到450秒之间的镀敷将沉积大致为30nm厚的金。作为对较厚金属层的第二步骤(0.5到1.5μm厚)，浸没步骤后面是自动催化工艺步骤。
·步骤412：在倾卸冲洗器中冲洗约100到180秒。
·步骤413：在约8到12秒内剥去晶片背面的保护抗蚀剂。
·步骤414：旋转冲洗和干燥约6到8分钟。
焊接区盖子制造工艺在415处停止。
以上描述了通过球焊或楔焊工艺随后以冶金方式来连接金属丝或带。
虽然经对本发明作了关于解说性的实施例的描述，但此描述并不是一个限制意义上的分析。在参考本说明书后，解说性的实施例以及本发明的其它实施例的各种修改和组合将对本领域内的技术人员变得明显起来。作为一个例子，本发明可应用于难于或不可能通过常规的球焊或楔焊技术焊接的除了铜以外的IC焊接区金属化，诸如难熔金属和贵金属的合金。作为另一个例子，本发明可扩展到批量处理，进一步降低制造成本。作为再一个例子，本发明可用于丝/带焊接和焊料互连的混合技术。因此，打算在所附的权利要求书中将包括任何这样的修改或实施例。
表把以下金属的上扩散减少不止80％所需的阻挡金属层的厚度(微米)
时间(分)
250(度) 160(度)
铂中的铜
3 4.68E-07 1.79E-09
60 2.09E-06 8.01E-09
1440 1.03E-05 3.93E-08
4320 1.78E-05 6.80E-08
镍中的铜
3 5.39E-07 2.16E-09
60 2.41E-06 9.66E-09
1440 1.18E-05 4.73E-08
4320 2.04E-05 8.19E-08
钯中的铜
3 1.30E-01 9.00E-02
60 5.60E-01 4.10E-01
1440 2.75E+00 2.00E+00
4320 4.76E+00 3.46E+00
金中的镍
3 9.10E-01 1.10E-01
60 4.06E+00 5.10E-01
1440 1.99E+01 2.51E+00
4320 3.45E+01 4.35E+00
钯中的镍
3 2.70E-02 8.00E-03
60 1.22E-01 3.80E-02
1440 5.98E-01 1.85E-01
4320 1.04E+00 3.20E-01