[發明專利]一種半導體封裝結構及其制備方法

有效

• 申請號: 201310080595.1
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN104051323B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 楊志剛;陳林林
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L21/60;H01L23/532;H01L23/488
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 駱蘇華

技術領域

本發明涉及半導體制備領域，尤其是涉及一種半導體封裝結構及其制備方法。

背景技術

隨著半導體制造技術不斷進步、晶體管中柵極尺寸不斷縮小，使得集成電路裝置尺寸的不斷縮小，而數量巨大的半導體元件以多層互連結構，密集地嵌于芯片基底中，并通過多層金屬互連層連接。在現有的半導體技術中，銅以其良好的導電性能成為最常用的金屬互連層的連線，具體技術可參見公開號為CN1881557A的中國專利申請。

在半導體器件制備的后段制程（The back end of line,BEOL）中，焊接引線鍵合技術是一種廣泛使用的裝配封裝技術。其包括在半導體芯片最上方的互連線上設置一引線鍵合焊盤（wire bond pads，下面簡稱焊盤），所述焊盤材質大多為鋁，并在焊盤上焊接一引線以將具有電路的半導體管芯連接到原件封裝上的引腳，實現I/O（in/out）接口連接。其中焊盤的尺寸以及引線的設置和布局決定了集成電路裝置的最終尺寸。因而現有的半導體器件制備中，大多采用有源區上鍵合封裝（Bond Over Active，BOA）技術，在有源器件、靜電放電電路（Electro-Static discharge，ESD）、電源以及接地總線上面設計焊線焊盤以確保減小芯片的尺寸。

在焊接引線鍵合發展中，銅引線材料以其良好的機械性能、導電性能以及相對于貴金屬金更為便宜的價格，被廣泛用于集成電路封裝領域中以進行高端集成電路的封裝。

但相比于金，銅的硬度更大，因此在封裝過程中，相比于先前的金引線鍵合技術，銅引線需要更高的超聲波功率和鍵合作用力（bond force）才能與焊盤連接。但是較大的超聲波功率和鍵合作用力（bond force）給引線鍵合焊盤帶來更多挑戰，例如，容易造成金屬焊盤（例如鋁）的擠壓、擠出，焊盤的碎裂和脫落，金屬引線的損壞，甚至對鍵合焊盤金屬區域下面的有源區（Bond Over Active，BOA）造成損壞。

目前針對所述問題（例如粘接損壞和焊盤剝離）通常有兩種解決方法，一種是通過DOE（Design Of Experiments）方法來優化鍵合參數，以減小鍵合銅引線對焊盤造成的擠壓力，但是該方法具有局限性，例如當粘合力降低后，必然會導致鍵合銅球脫落（ball lift），而不能滿足銅引線和焊盤的有效鍵合。另外一種方法則是增加焊盤的機械強度，例如選用硬度較大材料制成的金屬屏蔽層以抵抗對金屬下面有源區的損壞，如增加焊盤鋁合金材料中Cu或者其他摻雜物的濃度，其次，增加鋁焊盤和金屬銅互連層之間的擴散屏蔽層如TaN、TiN等硬度較大材質的厚度也可以減少鍵合封裝過程中對焊盤及其下面有源區域的應力沖擊力。在進一步技術發展中，以包括TaN、TiN、Ta等多層金屬或是金屬氮化物層等硬度較大的材料形成的多層結構的金屬屏蔽層以優化應力緩釋。

然而在實際操作中發現，無論單層（一般采用TaN層，其對于防止銅-鋁擴散的能力較強）或是多層金屬屏蔽層結構，金屬屏蔽層對于防止銅-鋁擴散能力與阻擋的厚度成正比（現今的TaN層一般大約為700A），但過厚的TaN與互連金屬連接在引線鍵合強度測試中，往往會出現焊盤剝離現象，這樣大大降低了半導體芯片封裝的良率，并給后續封裝后的半導體芯片造成性能隱患。

發明內容

本發明所解決的問題是，現有的半導體封裝的金屬互連層與焊盤引線鍵合工藝中，易造成半導體器件源區受損，引線鍵合工藝后易出現焊盤剝離以及金屬互連層與焊盤之間的擴散現象。

為解決上述問題，本發明提供了一種半導體封裝結構的制備方法，包括：

在半導體襯底上形成金屬互連層；

在金屬互連層上形成金屬屏蔽層，所述金屬屏蔽層為多層疊加結構，多層疊加結構中的各層由下至上熱膨脹系數遞減；

在所述金屬屏蔽層上形成焊盤層。

可選地，所述多層疊加結構為雙層疊加結構或三層疊加結構。

可選地，當金屬屏蔽層為雙層疊加結構時，形成步驟包括：

在所述金屬互連層上形成Ti層；

在所述Ti層上形成TaN層。

可選地，當金屬屏蔽層為三層疊加結構時，形成步驟包括：

在所述金屬互連層上形成Ti層；

在所述Ti層上形成TiN層；

在所述TiN層上形成TaN層。

可選地，形成金屬屏蔽層的方法為物理氣相沉積法。

可選地，所述TaN層的厚度為100埃至800埃，優選為100～500埃。

可選地，在形成金屬屏蔽層之前，還包括：