用于铜金属化集成电路的丝焊工艺制造技术

实现集成电路的互连铜金属化的电气丝／带连接的坚固而可靠的低成本金属结构和工艺。该结构包括沉积在无氧化铜表面上阻止铜扩散的一层阻挡层金属（从镍、钴、铬、钼、钛、钨及其合金中选出），其厚度能把在２５０℃下铜的扩散比没有阻挡层金属时减少不止８０％；以及最外可焊接层（最外可焊接金属层从金、铂和银中选出），它能把在２５０℃下阻挡层金属的扩散比没有可焊接金属时减少不止８０％。最后，把一金属丝焊接到最外层以进行冶金连接。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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日授权的#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。本专利技术与该申请有关。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。本专利技术揭示了一种坚固、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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。通过本专利技术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。从以下对本专利技术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，将使本专利技术的技术进步及其各方面变得明显起来。附图说明图1A和1B示出本专利技术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是本专利技术较佳实施例的更详细的示意剖面图。图3是本专利技术较佳实施例的更详细的示意剖面图。图4示出依据本专利技术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示出本专利技术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1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于金属丝和位于具有铜互连金属化的集成电路上的焊接区之间的冶金连接的结构，包括： 无氧化铜的焊接区表面； 一层阻挡层金属，所述阻挡层金属阻止沉积在所述铜表面上的铜扩散，如此调节所述阻挡层金属及厚度，从而所述层把在２５０℃下铜的扩散与不存在所述阻挡层金属时相比减少不止８０％； 可焊接金属构成的最外层，如此调节其厚度，从而所述最外层把在２５０℃下所述阻挡层金属的扩散与不存在所述可焊接金属时相比减少不止８０％；以及 焊接到所述最外层可焊接金属的所述金属丝之一。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：HR特斯，G阿马德，WE萨比多，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]