TW200837855A - Copper-metallized integrated circuits having an overcoat for protecting bondable metal contacts and improving mold compound adhesion - Google Patents

Description

200837855 九、發明說明： ； 【發明所屬之技術領域】 本發明一般而言係關於半導體裝置；且更具體古之，本 發明係關於用於銅金屬化積體電路之接合墊結構及製造方 法。 【先前技術】

在積體電路（ic)技術中，純粹或摻雜之鋁已成為互連及 接合塾之金屬化選擇達四十年以上。鋁之主要優點 於沈積及圖案化。另外’將金、銅或銘作成之線接合至該 等鋁接合墊之技術已發展至一高階之自動化、小型化及可 靠度。 在小型化該等IC之持續趨勢中，主動電路元件間之互連 之RC時間常數逐漸地支配可達成Ic速度功率乘積。結 果，該互連紹之相對較高電阻率目前顯得不如例如銅之^ 屬之較低電阻率。 另外，所謂㈣電遷移之敏感心成一嚴重阻礙。結 ^於半導體工業中目前強烈驅使利用銅當作該較佳互連 、^八係基於其較问之導電率及較低之電遷移敏感度。 然而，從成熟！呂互連技術之立場，此移轉至銅係—有 之技術挑戰。 銅必須加以屏蔽，以免擴散至1C之♦基底材料中，以便 等電路免於财晶袼中毒化之鋼原子之載子壽命消 期問L、對於鋼所作成之接合墊，必須防止於該製作流程 ^成薄銅(I)氧化物薄膜，因為此等薄膜嚴重地阻礙接 126859.doc 200837855 合線之可靠附著，特別是習知金線球接合。與金屬銘上面 之銘乳化㈣膜相反，金屬銅上面之銅氧化物薄膜不易遭 到该接合程序中施加之錢縮及超音波能量的―组入打 破。又一另外之困難，裸銅接合墊易於侵蝕。 口

為了克服此等問題，半導體工業採用—種結構以利用一 層鋁覆蓋於該乾淨銅接合墊，因而重建構藉由習知金線球 接合而接合-㈣之f知情形。然而’該所述途徑且有若 干缺點。第-，由於該程序要求沈積金屬、圖案化、钱刻 及清理之額外步驟，該銘外罩之製造成本高於所希望。第 二，該外罩必賴厚，以允許可#之線接合，及防止銅免 於擴散穿過該外罩金屬，而且可能毒化該等ic^晶體。 第三’用以該外罩之㈣軟質，因而受到電性測試中之 多探針接觸之記號嚴重損壞。此損壞進而變成支配又更縮 減之接口墊尺寸’使後績球接合附著不再可靠。最後，在 所圍繞塗覆平面上之紹層之升高高度增強金屬刮痕及污跡 之風險。由於許多高輸入/輸出電路具有緊密接合墊間 距，任何鋁污跡代表鄰近墊間之短路的一不可接受之風 險0 【發明内容】 申請人已認可對於適用於具有銅互連金屬化之IC之一冶 孟接合墊結構之需要，其組合一製造該接合墊結構之低成 本方法 '向上擴散的一較佳控制、污蹟或刮痕的一風險消 除，及一將線接合至此等塾之可靠方法。 申明人已進一步認可使用該新穎接合墊結構以實質上消 126859.doc 200837855 除最近在銅金屬化積體電路中所觀察之困擾之可靠度失效 之機會：用於生產具有多層金屬化之電路所需之高圖案化 步驟數已引入（譬如）藉由例如化學機械研磨之程序之平坦 化該晶圓之方法。當將具有已平坦化晶片表面之已完成裝 置囊封例如模造化合物之塑膠材料中而且然後經受加速應 力測試時，最近失效資料已顯示：具有已平坦化晶片表面 之裝置展現有關塑膠脫層之一實質上增加之風險，進而降 低之裝置可靠度。

該新穎接合墊結構應夠靈活，足以應用於不同IC產品家 族及一廣泛之設計與製程變動。較佳地，應可完成此等創 新’同時縮短生產循環時間並且增加輸出，以及改良可製 造性。 本發明之一具體實施例係—積體電路，其具有由一第一 絕緣塗覆層（較佳地，30 nm至50 nm厚度之氮化矽）所覆蓋 之銅互連金屬化。一第二絕緣塗覆層在該第一塗覆層上， 其由200 11„1至12〇〇 nm厚度範圍中之均質二氧化矽組成。 穿過該第一塗覆層及該第 圖案化導電阻障層定位在 將該銅金屬化的一部分曝露在一 二塗覆層所敞開之窗中。將_已 該銅金屬化之已曝露部 之第二塗覆層的一部分 已圖案化阻障層。由一 緣塗覆層係於該第二塗 一超過5 0 〇 nm高度之突 分、在該窗緣，及在與該窗緣相鄰 。適用於線接合的一金屬層覆蓋該 均質氮化矽化合物組成的一第三絕 覆層；其在該可接合金屬層上形成 出物。 種製造一用於一具有銅互 本發明之另一具體實施例係一 126859.doc 200837855 連金屬化之積體電路之一接觸墊之金屬結構之晶圓層級方 法。平坦化該晶圓表面，以曝露至少該銅金屬化之部分。 為了保護該已曝露之銅’在該平面晶圓表面上沈積一第_ 絕緣塗覆層（較佳地，30 nm至50 nm氮化矽）。在該第一塗 覆層沈積均質二氧化矽的一第二絕緣塗覆層（較佳地，2〇〇 nm至1200 nm厚）。然後穿過該第一塗覆層及該第二塗覆層 而敞開 ® ’以曝路該銅金屬化之部分。其次，在該已曝 蕗銅金屬化、該窗緣及該第二塗覆層沈積一導電阻障金屬 層（較佳地，20 nm至30 nm氮化鈕）。 在該阻障層沈積一可接合金屬層（400 nm至1400 nm厚之 鋁或鋁合金，用於線球接合）。然後圖案化該可接合層及 该阻障層’以便僅留存在該窗裡面、在該緣上之部分，及 與該窗緣相鄰之第二塗覆之部分。在該第二塗覆層及該可 接5至屬層沈積由一超過5〇〇 nm厚度之均質氮化石夕化合物 組成的一第三絕緣塗覆層。最後，從該可接合金屬層選擇 性移除該第三塗覆層，使該金屬邊緣仍然由該塗覆所覆 盍，而且在該可接合金屬之邊緣上形成超過500 nm高度的 一塗覆突出物。結果，該可接合金屬邊緣受到保護，而且 j起過500 nm之步階將該晶圓表面順形，提供用於該塑膠 模造化合物之改良式機械夾。 本發明之具體實施例係關於線接合1C裝配件、半導體裝 置封裝表面黏著及晶片尺度封裝。一技術優點係本發明 提供種降低鋁污跡或刮痕及接觸墊間電性短路之風險之 •、 法因此可顯著改良鬲輸入/輸出裝置之裝配件 126859.doc 200837855 良率。一額外技術優點係本發明促進晶片接觸墊間距之收 縮，而無電性短路之良率損失所致之風險。另一技術優點 包含將該裝配件按比例調整至較小尺寸之機會，以支援lc 小型化之現行趨勢。 【實施方式】 • 圖1說明本發明之一具體實施例，一般而言指定為100， • 其係在一具有（例如）一積體電路（1C)之一裝置之接觸墊之 半導體晶圓的一部分中。圖丨中所示之晶圓部分包含一絕 • 緣材料110，其可由二氧化矽或一低k介電材料或介電材料 的一堆璺組成。由銅或一銅合金作成之裝置互連金屬化的 一圖案化部分111内嵌在該絕緣材料中。特別說明用以提 供一接觸墊之銅層之部分m。較佳地，該銅層之厚度係 於從200 nm至500 nm之範圍中。導電阻障層113含有該銅 金屬化，以免擴散至絕緣體110中；較佳地，阻障層ιΐ3係 由氮化鈕作成，而且大約10 nmS3〇 11111厚。該接合墊銅層 之1度係指定為101，而且通常係於從3〇 ^瓜至⑼pm之範 _ 圍中。 如圖1所指示，銅層lu之已曝露表面（頂表面）111&在與 ， 該介電材料u 0之頂表面11 〇a相同之位階。此均勻性之原 ^ 因係該製造方法牵涉一化學機械研磨步驟（見以下）。 一第一絕緣塗覆層102在銅金屬化lu上；較佳地大約3〇 nm至50 nm厚’而且由氮化矽組成，當作一實務上濕氣不 可滲透或濕氣留存材料；其亦為機械式硬質。一 月 ^7 一 ％緣 塗覆層120在該第一塗覆層102上，其由均質二氧化矽組 126859.doc -10- 200837855 成。較佳地該層120之厚度i20a係於從大約2〇〇 11111至12〇〇 nm之範圍中；更佳地大約1〇⑽nm。 穿過該第二塗覆層及該第一塗覆層的一寬度1〇3之窗曝 露該銅金屬化in之寬度102之部分。窗緣之高度1〇3a係藉 由該二氧化物層厚度UOa決定之所有實務用途，而且結果 可將其保持相對較低。 如圖1中所指示，為了建立對鋼層lu之低電阻歐姆接 觸，在該銅上沈積一或多個導電阻障層13〇。對於一單一 層，氮化鈕係較佳選擇。對於若干層，較佳地，第一阻障 層係選自鈦、鈕、鎢、鉬、鉻及其合金，在該已曝露銅 111上沈積該層，其中希望藉由從該銅「除去」任何氧化 物而建立對該銅之良好歐姆接觸。沈積普通為鎳釩的一第 一阻p早層，以防止銅之向外擴散。較佳地，該阻障層具有 從20 nm至30 nm之範圍中的一厚度。阻障層13〇可使用定 義該銅層111之寬度101所利用之相同光罩加以圖案化。 一可接合金屬層150覆蓋該已圖案化阻障層13〇，該可接 合金屬層具有一適宜線球接合之厚度。該較佳厚度之範圍 從大約400 nm至1400 nm。因為此可觀之厚度，層15〇經常 稱為一插塞。較佳地該可接合金屬係鋁或者例如鋁銅合金 的一鋁合金。圖1中，此插塞之已曝露表面係指定為 150a。如圖i所顯示，該可接合金屬層具有一邊緣15〇1>， 其係由圖案化層150之步驟所建立，較佳地使用如同圖案 化阻障層130之相同光罩。由該可接合插塞所覆蓋之完整 區域之直徑係指定為152。 126859.doc -11 - 200837855 由於該等表面110a及11 la在一共同位階，阻障層130與 可接合插塞1 50之組合厚度幾何上伸出而在此共同位階上 方；圖1中’在該位階上方之此組合高度係指定為151。此 外，於圖案化該阻障層130及可接合層15〇後，兩層通常圍 繞窗103之周邊以一距離121在該第二保護塗覆12〇上與該 窗之邊緣重疊。通常，距離121係於大約1〇〇與3〇〇 nmi 間。以該第一與該第二塗覆之組合厚度1〇3&架高，該全高 度151因而變成曝露於第二塗覆12〇之表面。 為了保護層150及130之已曝露厚度151，在該第二塗覆 層120及該可接合金屬層150之邊緣15〇b定位一第三絕緣塗 覆層160。該第三塗覆層160由例如氮氧化矽的一均質氮化 矽化合物組成。氮化矽化合物實務上係濕氣不可滲透或濕 氣留存，而且為機械式硬質。層160具有一超過5〇〇 ^瓜之 厚度160a，較佳地大約1000 nm。較佳地其係藉由用以圖 案化該第二及第一塗覆層之相同光罩加以圖案化。敞開之 窗因而具有相同直徑103，而且形成超過5〇〇 11111高度的一 突出物160a;在具有一 1000 nm厚之層16〇之裝置中，突出 物160a亦大約1000 11111高。塗覆16〇之突出物具有一已順形 外形，其在該可接合金屬層之邊緣上形成一重疊達一大約 100 nm至300 nm之長度。圖丨中，該已順形疊層係指定為 162 〇 藉由該可接合金屬邊緣之第三塗覆突出物之保護代表實 質減少該可接合金屬之意外刮痕或污跡。於該可接合金屬 之圖案化後，在-典型裝配流程中存在眾多晶圓及晶片處 126859.doc •12· 200837855 置步驟··該等最重要步驟包含背面碾磨；將該晶圓從該工 廠運輸至該裝配設施；將該晶圓放置在一帶子上以便鑛 切；鋸切並且沖洗該晶圓；將每一晶片附著至一引線框架 上，線接合；及將該已接合晶片囊封模造化合物中。於此 等程序步驟之每一步驟，及該等程序步驟之間，意外刮痕 或污跡可能發生，但可藉由根據本發明之第三塗覆層所提 供之保護而實質上加以減少。

作為藉由該第二塗覆之保護所改良之接合墊能力的一範 例’圖2說明該晶片已在-鑛切製程中從該晶圓予以單顆 化切割、在-支撐之基板或引線框架上裝配及已附著一球 接合後之圖1接觸墊。將一金屬線202(較佳地係金）的一電 弧燒球201(較佳地係金）壓力接合（壓擠）至該插塞2〇3(較佳 地係鋁或一鋁合金）之無受擾表面2 〇 3 a。在該接合程序 中’於球與插塞之㈣區中形成金鋁金制化合物2〇4; 實際上該金屬間化合物可消耗該金球底下之大部分鋁。 之二少部分。恰於曝露該銅後，在該平面晶圓表面上沈積 H緣塗覆層（30⑽的—厚度已充幻，以便 保護該銅抵抗例如氧化之周遭影響(步驟3〇3)。該第一塗覆 的-較佳㈣錢切，其係實務上濕氣不可滲透而且為 本發明之另一具體實施例係一種製造一用於該半導體晶 圓上之-接㈣之金屬結構之晶圓層級方I該流程係顯 不於圖3之示意性方塊圖中。於該方法之步驟3()1，提供具 有互連銅盘屬化的一半導體晶圓。於步驟3〇2，例如藉 由化學機械研磨將該晶圓表面平坦化，以曝露該銅金屬化 126859.doc -13- 200837855 機械式硬質。 於步驟304，在該第_塗覆層沈積一第二絕緣塗覆。該 第二塗覆層由從大約200 ^^至^⑼nm之厚度範圍中之均 質二氧化矽組成；一較佳厚度係大約1〇〇〇 nm。該較佳沈 積技術係化學况相沈積。下一步驟3〇5敞開一穿過該第一 塗覆層及該第二塗覆層之窗，以便曝露該銅金屬化之部 分。該銅希望成為該接合墊之金屬，而且具有某一寬度。 該窗具有-緣’其壁達到穿過該第―塗覆層及該第二塗覆

層之厚度。該窗之寬度些許小於該接合墊之銅金屬化之寬 度0 於下一程序步驟306，在該晶圓上沈積從大約20 nm至30 nm之厚度範圍中的一薄阻障金屬層。較佳阻障金屬選擇包 含鈕或氮化鈕，及鎳釩。在該窗裡面，此導電阻障金屬層 覆盍該已曝露銅金屬化及該窗緣壁；在該窗外面，該阻障 層覆蓋該第二塗覆表面。於步驟3〇7，在該阻障層上沈積 一可接合金屬層，其具有一足以填充該塗覆窗及實現線球 接合之厚度。較佳可接合金屬選擇包含鋁及鋁合金，而且 該較佳厚度範圍係從大約4〇〇 nm至1400 nm，其中一更佳 厚度係大約10 0 0 n m。 於下一程序步驟308，圖案化該阻障金屬層及該可接合 金屬層兩者，以便僅留存該等層部分，其在該窗裡面、在 "亥緣壁上及在與該窗緣相鄰之第二塗覆之部分上。一較佳 選項係於此蝕刻步驟使用與已用以定義該銅接合墊金屬化 見度相同之光罩。顯然，此餘刻程序留下具有一邊緣之可 126859.doc 14- 200837855 接合金屬層。 於步驟3 09’在該第二塗覆芦乃 斤一 復層及該可接合金屬層沈積一 弟二絕緣塗覆層，用於機械 。乳保屢。該第三塗霜 如氮氧化矽的一均質氮化矽化合 儿口物組成，而且具有一 50Ό rnn之厚度。該較佳厚度係 ° 又你大約1000 nm。該較佳 程序係一化學汽相沈積方法。 、 於步驟31〇’藉由選擇性移除該可接合金屬層 材料而圖案化該第三塗覆層，使該金屬邊緣仍然由該塗覆 所覆蓋。較佳地’ 1¾圖案化係使用與用於該第— 該第二塗覆層之圖案化步驟相同方式 曰 7八心尤阻、先罩及照明 技術加以執行。較佳地，在該可接合金屬層之邊緣上留下 大約lOOnm至300 nm長度且當然超過则⑽高度的—塗覆 犬出物未移除。由於該可接合今屬 设口孟屬之邊緣上之疊層量係由 使用之光罩所決定，其可以—預定方式擴展。當利用與該 第-及該第二塗覆之圖案化相同之光罩時，重複使用代表 一製程簡化及低成本特點。 於步驟3U，將該晶圓切成離散晶片，一較佳方法係鑛 切。於步驟312，將-選出晶片附著至_基板或引線框 架》於步驟313，將一線球接合（較佳地係金）附著至一晶片 接合塾之可接合金屬層。於步驟3 14，將包含該已接合金 屬接觸結構之晶片表面模造於塑膠囊封物化合物中。聚合 該化合物，較佳地其係以無機顆粒填充的一以環氧為主熱 固性化合物。在該已模造裝置之加速應力測試中，該模造 化合物對該已順形晶片表面之優良接著性導致較改良之裝 126859.doc -15- 200837855 ‘ 置可靠度資料，及降低之脫層失效比率。 該方法於步驟3 15總結。 施例 以實 與本發明相關之熟諳此技術者將了解··所述具體實 僅為說明性範例，而且主張之發明亦可以其他方式加 施0 【圖式簡單說明】

π腥衣置之一接觸墊之 :發明之-具體實施例的-示意性斷面，纟中該接觸墊1 有由第三)保護塗覆密切圍繞的—可接合金屬插塞,、 圖2係根據本發明之接合塾金屬化的—示意性斷面，其 中一球接合附著至該可接合金屬插塞。 圖3係根據本發明之另一具體實旆 一 瓶貝^例之裝置製造流程的 方塊圖。 【主要元件符號說明】 100 晶圓 102 弟一絕緣塗覆層 110 絕緣材料 110a 介電材料之頂表面 111 銅金屬化 111a 鋼金屬化之已曝露表 113 導電阻障層 120 弟一絕緣塗覆層 130 阻障層 150 可接合層 126859.doc -16- 200837855 .

150a 插塞之已曝露表面 150b 可接合金屬層之邊緣 160 第三絕緣塗覆層 162 已順形疊層 201 電弧燒球 202 金屬線 203 插塞 203 a 無受擾表面 204 金銘金屬間化合物 126859.doc 17-

Claims (1)

1. 200837855 十、申請專利範圍： 1. 一種積體電路，其包括： 一互連銅金屬化； 一第一絕緣塗覆層，其在該金屬化上； -第二絕緣塗覆層’其在該第一塗覆層上，該第二塗 覆層由均質二氧化矽組成； 該銅金屬化之部分曝露於一穿過該第—塗覆層及該第 二塗覆層之窗中，該窗具有一緣；

   -匕圖案化導電阻障層，其在該已曝露銅金屬化、該 窗緣及與該窗緣相鄰之第二塗覆層的一部分上； 一可接合金屬層，其覆蓋該已圖案化阻障層，該可接 合金屬層具有一邊緣；以及 一第三絕緣塗覆層，其在該第二塗覆層及該可接合金 屬層之邊緣’該第三絕緣層由—均質氮切化合物組 成而且在該可接合金屬層上形成超過500 nm高度的一 突出物。 2·如請求们之電路，其中該第—絕緣塗覆層係由氮化石夕 作成而且具有一大約30 nm至50 nm間之厚度。 3.如請求項1之電路，其中該第二塗覆具有-從大約200 nm至12〇〇 nm之範圍中之厚度。 4·如請求項!之電路，其中該阻障層包含氮化鈕，而且具 有從大約20 至30 nm之範圍中之厚度。 公月求項1之電路，其中該可接合金屬層包含鋁或鋁合 至而且具有一從大約400 nm至1400 nm之範圍中之厚 126859.doc 200837855， 度0 6·如請求項1之電路，其進一步包含附著至該可接合金屬 層的一球接合。 7·如請求項1之電路，其中該阻障及可接合金屬層重疊在 圍、之第一塗覆層上達一大約之長度。 8.如明求項1之弘路，其中該第三塗覆層之突出物重疊在 钂可接合金屬層之邊緣上達一大約1〇〇 111^至3〇〇 之長 度0 9· 一種在一半導體晶圓上製造一金屬接觸結構之方法，其 包括以下步驟： 提供具有一互連銅金屬化的一半導體晶圓； 平坦化該晶圓表面，以曝露該銅金屬化之至少部分； 在該平面晶圓表面上沈積一第一絕緣塗覆層； 在該第一塗覆層沈積-第二絕緣塗覆層，㈣二塗覆 層由均質二氧化矽組成；

   雨 ^ m 7 μ ^ 鉻該銅金屬化之部分，該窗具有一緣； 在該已曝露鋼金屬化、該窗緣及該第二塗覆層沈積— 導電阻障金屬層； 、 在該阻障層沈積具有一適宜線球接合 合金屬層，· 们了接 圖 面、 分， 一 θ π峨固裡 在該緣上之部分及與該窗緣相鄰之第二塗 藉此該可接合金屬層獲得一邊緣； σ 126859.doc 200837855 在該第二塗覆層及該可接合金屬層沈積一第三絕緣塗 覆層，該第三塗覆層由一均質氮化矽化合物組成，而且 具有一超過500 nm之厚度；以及 從該可接合金屬層選擇性移除該第三塗覆層，使該金 屬邊緣仍然由該塗覆所覆蓋，而且在該可接合金屬之邊 緣上形成超過500 nm高度的一塗覆突出物。 1〇·如請求項9之方法，其中該第一絕緣塗覆層係由氮化矽 作成，而且具有一從大約30 11111至5〇 nm之範圍中之厚 φ 度。 H·如請求項9之方法，其中該二氧化矽層具有—大約2〇〇 nm與12 0 〇 nm間之厚度。 12·如請求項9之方法，其中該阻障金屬層包含從大約20 nm 至30 nm之厚度範圍之氮化鈕。 13·如请求項9之方法，其中該可接合金屬層包含從大約4⑼ nm至1400 nmi厚度範圍中之鋁或鋁合金。 14·如請求項9之方法，於選擇性移除該第三塗覆層後，其 進一步包含以下步驟：將該晶圓切成離散晶片、將一選 出曰曰片附著至一引線框架上，及將一線球接合附著至該 晶片之可接合金屬層。 月求項14之方法，於附著一球接合之步驟後，其進一 v G 3以下步驟：將包含該已接合金屬接觸結構之晶片 表面模造於塑膠囊封物化合物中。 126859.doc