[發(fā)明專利]用于銅金屬化集成電路的絲焊工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 01112135.1
• 申請(qǐng)日: 2001-03-26
• 公開（公告）號(hào): CN1317389A
• 公開（公告）日: 2001-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: H·R·特斯;G·阿馬德;W·E·薩比多
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號(hào): B23K28/00
• 分類號(hào): B23K28/00;H05K3/40;H01L21/82
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所
• 代理人: 洪玲

本發(fā)明總的涉及半導(dǎo)體器件和工藝的領(lǐng)域，更具體來說涉及焊接(bond)銅金屬化集成電路的絲焊工藝。

四十多年來，在集成電路(IC)技術(shù)中，純的或摻雜的鋁已成為互連和焊接區(qū)的金屬化選擇。鋁的主要優(yōu)點(diǎn)包括便于沉積和形成圖形。此外，由金、銅或鋁制成的金屬絲焊接到鋁焊接區(qū)的技術(shù)已發(fā)展到高度自動(dòng)化、小型化和可靠性的水平。可在1995年10月3日授權(quán)的#5,455,195號(hào)(Ramsey等人，“用于在集成電路導(dǎo)電焊接中獲得冶金穩(wěn)定性的方法”)；1993年9月14日授權(quán)的#5,244,140號(hào)(Ramsey等人，“超過125kHz的超聲波焊接工藝”)；1993年4月13日授權(quán)的#5,201,454號(hào)(Alfaro等人，“IC互連中增強(qiáng)的金屬化生長(zhǎng)的工藝”)；以及1991年6月11日授權(quán)的#5,023,597號(hào)(Tsumura,“具有銅絲球焊的半導(dǎo)體器件)的美國(guó)專利中可發(fā)現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高的鋁的絲焊的例子。

在不斷使IC小型化的趨勢(shì)中，有源電路元件之間互連的RC時(shí)間常數(shù)日益支配著可實(shí)現(xiàn)的IC速度-功率積。結(jié)果，電阻率相對(duì)高的互連鋁現(xiàn)在看上去比諸如銅等電阻率較低的金屬差。此外，鋁對(duì)電遷移的顯著的敏感性正成為一個(gè)嚴(yán)重的障礙。結(jié)果，根據(jù)銅的電導(dǎo)率較高而對(duì)電遷移的敏感性較低，現(xiàn)在在半導(dǎo)體行業(yè)中，有一個(gè)把銅用作較佳的互連材料的強(qiáng)烈的推動(dòng)。然而，從成熟的鋁互連技術(shù)的觀點(diǎn)來看，到銅的這種轉(zhuǎn)變是一個(gè)重大的技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

必須對(duì)銅進(jìn)行防護(hù)，以防止它擴(kuò)散入IC的硅基底材料，以便保護(hù)電路免受位于硅晶格中的銅原子對(duì)載流子壽命破壞性特性的影響。對(duì)于由銅制成的焊接區(qū)，必須防止在制造工藝流程期間形成薄的氧化銅(Ⅰ)膜，這是因?yàn)檫@些膜嚴(yán)重地阻礙了焊絲的可靠焊接，尤其是對(duì)于常規(guī)的金絲球焊。與覆蓋在金屬鋁上面的氧化鋁膜相反，通過熱壓和在焊接過程中加上超聲波能量，覆蓋在金屬銅上面的氧化銅膜不易破裂。作為進(jìn)一步的難題，裸露的銅焊接區(qū)易于受到腐蝕。

為了克服這些問題，己揭示了在干凈的銅焊接區(qū)蓋上一層鋁的工藝，因而重構(gòu)了應(yīng)由常規(guī)金絲球焊來焊接的鋁焊接區(qū)的傳統(tǒng)情況。在1998年7月28日授權(quán)的#5,785,236號(hào)美國(guó)專利(Cheung等人，“與現(xiàn)有IC絲焊技術(shù)兼容的先進(jìn)銅互連系統(tǒng)”)中描述了一種適宜的焊接工藝。然而，所述方案具有幾個(gè)缺點(diǎn)。

首先，鋁蓋的制造成本比預(yù)期的高，這是因?yàn)樵摴に囆枰练e金屬、形成圖形、蝕刻和清潔的附加步驟。其次，這一蓋子必須足夠厚，以防止銅穿過蓋子金屬而擴(kuò)散及污染IC晶體管。第三，蓋子所使用的鋁是柔軟的，因而它在電氣測(cè)試中將受到多探針觸點(diǎn)的痕跡(marking)的嚴(yán)重破壞。繼而，這一破壞在焊接區(qū)尺寸一直在減小時(shí)變得尤為明顯，從而使隨后的球焊焊接不再可靠。

在2000年2月18日提交的#60/183,405號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)中已揭示了覆蓋銅金屬化IC的銅焊接區(qū)的低成本的結(jié)構(gòu)和方法。本發(fā)明與該申請(qǐng)有關(guān)。迫切地需要一種把金屬絲焊接到被覆蓋的焊接區(qū)的可靠方法，該方法把最小的制造成本與在最大程度上對(duì)可能妨礙隨后絲焊的金屬的上擴(kuò)散進(jìn)行控制相結(jié)合。此焊接方法應(yīng)足夠靈活，以適用于不同的IC產(chǎn)品族和寬的設(shè)計(jì)和工藝變化范圍。最好在縮短生產(chǎn)周期時(shí)間和增加產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些創(chuàng)新，而不需要昂貴的附加制造設(shè)備。

本發(fā)明揭示了一種堅(jiān)固、可靠和低成本的金屬結(jié)構(gòu)和工藝，此金屬結(jié)構(gòu)和工藝使能集成電路(IC)的互連銅金屬化的金屬絲電氣連接。該結(jié)構(gòu)包括沉積在無氧化銅表面的阻止銅擴(kuò)散的一層阻擋(barrier)金屬，把其厚度沉積到使它能在250℃下銅的擴(kuò)散與不存在阻擋層金屬時(shí)相比減少不止80％。該結(jié)構(gòu)還包括把在250℃下阻擋層金屬的擴(kuò)散與不存在可焊接金屬時(shí)相比減少不止80％的最外層。最后，把一金屬絲焊接到最外層以進(jìn)行冶金連接。

從鎳、鈷、鉻、鉬、鈦、鎢及它們的合金構(gòu)成的組中選擇這種阻擋層金屬。從金、鉑和銀構(gòu)成的組中選擇最外的金屬層。

本發(fā)明涉及具有銅互連金屬化的高密度高速度IC，尤其涉及具有大量金屬化輸入/輸出或“焊接區(qū)”的那些IC。可在諸如處理器、數(shù)字和模擬器件、邏輯器件、高頻和高功率器件等許多器件族以及在大面積和小面積芯片類中獲得這些電路。

本發(fā)明的一個(gè)方面是可適用于減少焊接區(qū)的面積繼而支持IC芯片的縮小。結(jié)果，本發(fā)明有助于減輕對(duì)諸如蜂窩式通信、尋呼機(jī)、硬盤驅(qū)動(dòng)器、膝上型計(jì)算機(jī)和醫(yī)療器械等不斷縮小的應(yīng)用的空間約束。

本發(fā)明的另一個(gè)方面是通過無電沉積的自限定(self-defining)工藝來制造焊接區(qū)金屬蓋，因而避免高成本的光刻和對(duì)準(zhǔn)工藝。