集成电路的电交互连接结构及其制造方法技术

本发明专利技术揭示了采用含氮化铜的压焊表层的交互连接结构和方法。所述交互连接结构包括一个含氮化铜的压焊表层，有效防止下层导电材料的氧化和／或其他不希望的侵蚀，同时为高导电压焊打基础。所述氮化铜压焊表层提供了相对非导电、抗氧化的压焊表层，且在压焊之前或同时，容易转化成一导电层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成电路的电交互连接结构及其制造方法
本专利技术涉及集成电路模块的交互连接结构和制作该交互连接结构的方法，具体地说，涉及用于电性连接两个或更多电子元件的铜材料的交互连接结构。
技术介绍
交互连接技术是包含半导体装置的电子元件制作中的一个重要方面。例如，在芯片焊接中，芯片的背面机械地附着于适当的介质，如陶瓷衬底，金属引线架或者球栅阵列(BGA)。用于芯片配线的较高层通常包括电连接的压焊盘(bond pad)，通过必要的连接连到下层电路。芯片通常具有防护套(PO)层，一般作为钝化，防护套层上具有通向压焊盘的孔。芯片电路侧的压焊盘通过电线或者其它电导物电性连接模块的导线，使得该集成电路(IC)可应用。所使用的交互连接配置的类型可根据所述模块的预期特性进行各种变换。例如，细导线典型地用作交互连接的一部分，它们可超声焊接到压焊盘(有些时候在这里称为“导线焊接”)或者通过焊球结构，所述焊球直接连接在芯片的压焊盘和基层之间(如在倒装芯片处理中)。其他用于制造IC交互连接的惯用方法，例如连接压焊盘到引线架的引线，或者其他导体支撑装置的导线，通过使用导电粘合剂，包括有卷带式晶粒接合(TAB)，可控塌陷芯片连接(controlled collapse chip connection)(C4)或者焊接突起。铝至今还常常作为用于形成交互连接元件中的材料，例如交互连接元件包括半导体电路的金属线迹，压焊盘和(应用于大间距)电线。然而，由于集成电路工业降低成本和IC装置尺寸，以提高这些装置输入/输出容量和速度的压力，使用铝的愿望近来受到了影响。该压力增加了半导体上更小线迹和更小间距互连的需要，这常常需要更细且某些时候来说更长的电线。结果-->是，铝及其合金的一些缺陷，例如相对电流的高阻抗，可靠性和电迁移，激发了要在IC电路中使用更可靠的和更高导电性金属的需要。半导体装置和支撑基底之间的小间距交互连接，例如引线架或球栅阵列(BGA)，通常使用细金线制作。金高昂的成本以及更高速和更细电线的压焊也产生了为小间距电线焊接寻求更高导电性和更低成本金属的需要。为了解决这些问题，引起越来越多关注的金属就是铜。虽然铜具有比铝或金更低的阻抗，但应用于交互连接装置，会遇到一系列使用铝或金所不曾出现的问题。例如，铜衬垫的交互连接结构的形成通常需要在其连接到压焊盘前，暴露于周围空气和湿度中，且形成连接的过程中温度高达近200度。这样，由于金属表层会快速形成粘附的非导电的氧化物，即使在室温下也如此，就产生了一个重要的问题。这些氧化铜的出现通常阻碍了电线焊接或者焊球与裸露的铜表层的良好的连接。类似地，由于即使保存在相对低氧浓度和低湿度环境中铜线表层也会形成薄的氧化层，所以铜线的使用寿命通常很有限。该氧化铜层将在该交互连接的传导上产生不希望的负面效应。如果在半导体上镀铜，一种针对上述问题所通常采用的方法是，在压焊盘上淀积一更强抗氧化性的金属薄层，以防止铜被氧化。典型地，该第二层金属镀层由金或铝构成，如5,785,236号美国专利所披露。典型的实现方式为，采用掩模(mask)将金属层汽相淀积到半导体晶元上。然而，该解决方案产生了一些自身的问题。例如，需要另一套光刻步骤来模制、掩模和蚀刻金属，从而形成能导线接合的压焊盘。这些额外的晶元制造步骤大大增加了装置的成本。另外，当铝或金与铜焊接，由其他金属制成的薄的中间阻挡层通常需要防止铜和金或铝之间的相互扩散。例如，4,987,750号美国专利描述了使用氮化钛(TiN)、钨(W)、氮化钨(WN)、氮化锌(ZrN)、碳化钛(TiC)、碳化钨(WC)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)，或者钨化钛(TiW)作为铜的阻挡层。然而，这类材料大多也形成非导电的氧化物，或者具有弱的导电或导热性，或者高热膨胀。最近，有人提议采用诸如氧化硅或者氮化硅之类的瓷绝缘体的脆层，它-->具有对焊接来说适合的厚度而不需要助焊剂，且具有在球焊或楔焊(wedgebonding)过程中有足够的脆性而在焊接表层和需焊接电线之间获得金属间连接。上述方法在6,352,743号美国专利中被揭示，该专利已经转让给本专利技术的申请人。虽然该方法具有一些优点和期望的特性，但如果操作步骤没有精密控制的话，还是要出问题。例如，若陶瓷层脆性不够，会导致传导性的实质性下降，甚至在某些情况下，潜在地阻碍连接的构成。对于铜引线架，用于焊接的端部通常包覆抗氧化金属，通常是银。这类方法的明显缺点是，增加了成本以及制造过程的复杂度和时间。对于焊球撞击，需要焊剂来去除回流过程中的氧化物。相应地，需要一个交互连接结构，能简化高传导性焊接的构成。也需要一个具有抑制氧化物生成层的铜压焊盘，它具有良好的导电性、热传导性、低热膨胀性，以及形成该铜压焊盘的过程要简单。本专利技术符合这些需求，并提供了其它的优点。这将在下面的
技术实现思路
和具体实施方式中讨论。
技术实现思路
本申请揭露了一种克服上述问题的解决方案，并且达到其他有益的和所需的效果。更为具体地，本专利技术涉及采用含氮化铜的焊接表层的交互连接结构和方法。申请人发现，包括含氮化铜的焊接表层的交互连接结构能非常有效防止其下面的导电材料的氧化和/或其他不想发生的侵蚀，同时对高传导焊接提供基础。另外，本申请简化了制造过程，和/或降低了制造过程的成本。这些优点，至少一部分，来自申请人的发现和认知，即氮化铜在这种结构中能提供相对绝缘、防侵蚀的焊接表层，并且可在焊接同时或者早于焊接步骤前容易地转化成导电层。根据本专利技术的方法的某些实施例，交互连接的焊接结构可以通过如下方式形成：提供具有相对绝缘、抗侵蚀的含Cu(N)的焊接表层的导电基材，在所述焊接表层区域形成导电压焊部；在该压焊部形成之前或者同时，在所述焊接表层分解足够量的Cu(N)以使含有Cu(N)的层的导-->电性实质增加，由此形成一相对导电的焊接表层。优选地，分解步骤引起的导电效果的变化，足以形成商业上可接受的电连接。在本专利技术的优选实施例中，交互连接结构包括至少一个从包括铜压焊盘、铜线，铜引线架，铜接线柱(stud bumps)，以及两个或两个以上上述物品的组合中选出的交互连接元件。通常优化地，本专利技术的包括Cu(N)焊接表层的交互连接元件通过焊接步骤焊接到另一个交互连接元件，所述焊接步骤包括在压焊部区域施加能量，例如热、压力和/或超声能量，在电线焊接实施例中，优选为热、压力和超声能量。在其他应用中，用发自激光器的电离的气体(等离子体)或光可以用来提供分解Cu(N)层的能量。针对该目的，激光的一个特别应用是，用激光器将焊球熔化在带有氮化铜涂层的铜衬垫上，所述涂层在融化过程中会分解为铜。这里所用的术语“非导电的”是相对于电导率而言的，意为，其导电率低于构成交互连接元件导电部分或者基层的材料的导电性。类似地，这里所用的术语耐侵蚀是相对于通常的抵抗侵蚀而言，特别是针对抗氧化，其耐侵蚀能力实际大于构成交互连接元件导电部分的金属，特别是铜或者铜合金的耐侵蚀能力。Cu(N)的电导性远低于铜，铜是作为许多诸如压焊盘、电线以及引线架之类交互连接元件的优选导电材料的。由于其低导电性，熟知本领域的人员会很自然地避免在交互连接元件的焊接表层使用Cu(N)。然而，申请人已经认识到，Cu(N)也是相对不稳定的，尤其在作为表层频繁遭受暴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体装置或模块中形成交互连接结构的方法，包括如下步骤：１－１从包括压焊盘、电线，引线架，球珊阵列，接线柱，卷带式晶粒接合，可控塌陷芯片连接或焊接突起，以及两个以上上述物品的组合的组中选出至少一个金属交互连接元件；１－ ２在至少一个所述交互连接元件上形成一包含Ｃｕ（Ｎ）的焊接表层，其有效量足以抑制下面金属层的氧化；１－３在所述表层位置形成导电压焊；以及１－４在形成压焊步骤之前或者同步，分解所述Ｃｕ（Ｎ）来充分增加该表层的传导性。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-4-9 60/461,7761、一种在半导体装置或模块中形成交互连接结构的方法，包括如下步骤：1-1从包括压焊盘、电线，引线架，球珊阵列，接线柱，卷带式晶粒接合，可控塌陷芯片连接或焊接突起，以及两个以上上述物品的组合的组中选出至少一个金属交互连接元件；1-2在至少一个所述交互连接元件上形成一包含Cu(N)的焊接表层，其有效量足以抑制下面金属层的氧化；1-3在所述表层位置形成导电压焊；以及1-4在形成压焊步骤之前或者同步，分解所述Cu(N)来充分增加该表层的传导性。2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交互连接结构包括一个半导体模块，该模块具有一含至少一个铜压焊盘的芯片；所述芯片的底层；以及含有Cu(N)的表层。3、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述压焊形成步骤包括超声波焊接或者热声波焊接。4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1-1包括提供至少一个铜制金属交互连接元件；所述步骤1-2包括将所述铜交互连接元件的表层暴露在氧气中，至少氧化所述表层的一部分。5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1-2还包括在氧化步骤之前或同时，对所述表层进行加热的步骤。6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1-2还包括将所述表层置于氮气等离子体中的步骤。7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1-2还包括将所述表层置于氨中的步骤。8、如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述步骤1-2还包括在将所述表层置于氮离子中的步骤之前或同时，将其加热。-->9、如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述置于氮离子中的步骤还包括将所述表层置于无水氨中。10、一种用于形成具有铜交互连接的集成电路模块的装置，包括具有一个含有Cu(N)的焊接表层的至少一个交互连接元件。11、一种用于形成一个集成电路模块的引线架，包括一个含有Cu(N)的焊接表层。12、一种用于形成一个集成电路模块的电线，包括一个含有Cu(N)的焊接表层。13、如权利要求12所述的电线，其特征在于，所述Cu(N)由含氮气和铜的气源淀积形成。14、如权利要求13所述的电线，其特征在于，所述气源中的铜通过从一个铜靶进行电溅射方法产生。15、如权利要求13所述的电线，其特征在于，所述气源中的铜通过直接加热或者暴露在热灯丝中蒸发产生。16、如权利要求12所述的电线，其特征在于，所述Cu(N)通过将铜的表层暴露在氮气等离子体中产生。17、如权利要求12所述的电线，其特征在于，所述Cu(N)的产生方式为，形成包含氧化铜的表层，然后将...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维托马斯贝亚特森，霍斯特克劳贝格，肯尼思凯尔杜里，
申请(专利权)人：库利克索法投资公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]