TWI397161B - 具改良熱及機械特性之焊墊之積體電路 - Google Patents

Description

具改良熱及機械特性之焊墊之精體電路

本發明屬於積體電路，且較明確地說，屬於積體電路中焊墊之熱及機械特性的改良。

線路焊接從IC技術初期便已運用於積體電路(IC)封裝中。於線路焊接中，一電性連接係藉由將線路連接至該IC上之焊墊而建立於一IC與一IC封裝基板間。然而，儘管其經過漫長歷史與持續精進，線路焊接於某些範圍仍由較先進的封裝技術所取代。於普通IC互連技術中，取代線路焊接的是覆晶焊接。與線路焊接相反，覆晶焊接會藉由附著至每一該IC上之焊墊的導電焊塊而將一IC電性連接至一IC封裝基板。運用覆晶焊接之封裝經顯示係提供尺寸、效能、彈性、可靠性與成本上超越其他包括線路焊接之封裝技術的優勢。然而，儘管有此等優勢，線路焊接仍在今日的IC互連中佔據了約90%。

就許多種類之IC而言，銅金屬化正迅速取代鋁金屬化，因為相較於鋁，銅的成本較低且導電性較高。此轉變對線路焊接與覆晶焊接二者皆產生了新的問題。銅的電化性係活潑且會在一電氣環境中遷移。此外，銅會在曝露於環境濕氣下時腐蝕而形成氧化銅(一絕緣體)，並會與用於IC中的普通材料形成不需要的合金。結果，傳統線路焊接與覆晶焊接技術便常會與包含裸銅之焊墊不相容。

為回應此等問題，銅焊墊係常在其進行線路焊接或覆晶焊接之前，覆蓋於一鋁薄層中。以上所述對於鋁覆蓋層之運用係說明於，例如美國專利第5,785,236號，標題為"與現有IC線路焊接技術可相容之先進銅互連系統"，其係以提及方式併入本文。該鋁覆蓋層會保護該銅表面，使其免於遭腐蝕，並為線路或焊塊提供一可焊接表面。即便如此，此額外鋁覆蓋層就效能與處理觀點而言，伴隨而來的是可觀的成本。效能方面，該鋁覆蓋層相較於銅會使熱傳導性劣化。以上所述意即從該IC至該IC封裝之散熱速率降低，從而產生IC效能與可靠性降低或需要升級至一較昂貴封裝的結果。關於處理，於銅上之鋁覆蓋層亦容易受到分層的影響，尤其是在該等焊墊的角落處。此分層可對IC製造之產量造成災難性的影響。此外，試圖藉由將該等焊墊形狀從方形或矩形修改成，例如八邊形以修正此角落分層可能會進一步使熱傳導性劣化。非方形或矩形之焊墊亦會趨於產生典型組件與探測裝備上圖案辨識系統的問題。

由於上述原因，對於改良焊墊(尤其是那些於一銅金屬化層上包括一鋁覆蓋層者)之分層阻抗與熱傳導性的設備與方法便有所需求。

本發明藉由提供改良包括一覆蓋層於一金屬化層上之焊墊的分層阻抗與熱傳導性之設備與方法解決上述需求。根據本發明之若干方面的說明性具體實施例會藉由圖案化該覆蓋層使其包括一或多個溝槽而部份達成以上之所述。

根據本發明一方面，一IC包括主動電路與至少一焊墊。該至少一焊墊，接著包括一金屬化層與一覆蓋層。該金屬化層係與該主動電路之至少一部份電性接觸。此外，該覆蓋層係於該金屬化層之至少一部份上形成，且係與該金屬化層電性接觸。藉由圖案化該覆蓋層使其包括一或多個溝槽而至少部份達成本發明之優勢。

根據本發明之另一方面，上述之IC係安裝於一IC封裝內。該IC封裝可以例如線路焊接或覆晶焊接技術為基礎。

於一說明性具體實施例中，一焊墊包括形成於一銅金屬化層上的一鋁覆蓋層與一氮化鉭阻障層。橫跨該覆蓋層會形成一系列平行溝槽，其皆具有約該覆蓋層厚度之40至60%的深度。在IC封裝期間，線路或焊塊係於該經修改之覆蓋層上形成。其優勢在於，該等溝層於該覆蓋層中會降低該覆蓋層發生分層的機會。此外，從該IC至該等線路/焊塊與任何密封材料之熱傳導亦會增強。

於此，將結合用於IC中之範例性焊墊而說明本發明。然而，應瞭解的是本發明並不限於本文中所顯示與說明之特定材料、膜層與處理步驟。熟悉本技術人士將明白可對該等說明性具體實施例進行修改。

應瞭解的是，附圖所顯示之不同層及/或區域並未按比例繪製，同時，為了便於說明，特定圖式可能未明確顯示此類IC中普通類型的一或多個半導體層及/或區域。以上所述並非意味著該等未明確顯示之半導體層及/或區域於實際IC中亦遭省略。

更明確地，關於處理步驟，應強調的是本文中所提出之說明並不意欲包括成功形成一功能性裝置所必要的全部處理步驟。而是，傳統上用於形成IC裝置之特定處理步驟，例如濕式清洗與退火步驟在本文中為精簡說明之考量係有目的地未加以說明。然而，熟悉本技術人士將輕易發現該等在此廣義說明中遭省略的處理步驟。此外，用於製造此等半導體裝置之處理步驟細節可於許多出版刊物中發現，例如由S.Wolf與R.N.Tauber所著，於1986年Lattice Press所出版之「VLSI時代的矽處理」第一冊，以及由S.M.Sze所著，於1988年McGraw－Hill所出版之「VLSI技術」的第二版，此二者係皆以提及方式併入本文中。

本文中係將垂直方向定義為實質上與一包括該IC中所包含之半導體基板表面的平面垂直之方向。相對應地，橫向方向則經定義為實質上與一包括半導體基板表面的平面平行之方向。

圖1A顯示根據本發明一第一說明性具體實施例之一焊墊100的簡化平面圖。於此圖式中，可觀察到的是該焊墊大致上為方形。然而，採用此形狀係為了簡單說明，且任何其他焊墊形狀將仍屬於本發明之範疇內。該焊墊可能為，例如矩形。矩形焊墊可能比方形焊墊較具優勢，因為矩形焊墊在焊接處理期間可為橫向未對準與滑行提供較大的空間。

相對應地，圖1B顯示結合形成該說明性焊墊100之圖案化特徵的斷面圖。可見最低特徵包括一由一層間介電質(ILD)層120橫向環繞的金屬化層110。往上方移動，則是一鈍化層130在該金屬化層上定義一窗口。一阻障層140與一覆蓋層150係保形地位於此窗口與該下方金屬化層之上。

根據本發明之一方面，於圖1A與1B所顯示之說明性具體實施例中該金屬化層110包括銅。如先前所述，銅因為在相較於鋁時所需成本低且所具導電性高，故係為一吸引人的候選材料，以作為一互連材料。於該等金屬化位準中運用銅，尤其是在與一由具有低介電常數之介電材料所形成的ILD結合時，實質上可減輕電子信號於該等金屬化位準中行進時的阻抗電容引起之時間延遲。IC效能從而增強。

根據本發明之另一方面，該覆蓋層150包括鋁。該覆蓋層較佳地將具有一介於約500與2,500奈米(nm)間的厚度。此鋁覆蓋層會保護該銅金屬化層110，使其免於遭腐蝕，並為接續的線路或焊塊提供一可焊接表面。

該阻障層140係形成於該金屬化層110與該覆蓋層150之間。所選擇之阻障層成分較佳地係能限定該等覆蓋與金屬化層材料間之相互擴散，以及增強該覆蓋層對該等金屬化層與鈍化層130的黏著。若該覆蓋層包括鋁且該金屬化層包括銅，則該阻障層較佳地將包括一材料，例如然非限定於鉭或氮化鉭。此一阻障層之厚度較佳地係介於約25與50 nm間。

圖1A與1B中顯示形成說明性焊墊100之傳統方面將為熟悉半導體處理技術人士所熟知。簡言之，該銅金屬化層110較佳地係由一鑲嵌處理順序而形成。於此處理順序中，該ILD層120首先係進行沉積。一溝渠隨後係於該ILD層中藉由運用標準微影蝕刻與反應離子蝕刻(RIE)技術形成該金屬化層所需之形狀。在剝離該微影蝕刻遮罩後，銅隨後較佳地係藉由化學汽相沉積(CVD)或電鍍而保形地沉積於此溝渠中。化學機械拋光隨後係用以從該ILD層頂部移除多餘的銅。

接著，該鈍化層130係於該金屬化層110上沉積。一曝露該下方金屬化層之一部份的窗口，隨後係於該鈍化層中藉由微影蝕刻與RIE而形成，並且此次為所需覆蓋層特徵之形狀。接著，該阻障層140(例如，鉭或氮化鉭)與該鋁覆蓋層150係保形地沉積於該窗口特徵上。該等阻障層與鋁覆蓋層較佳地係藉由蒸發、噴濺沉積或CVD而沉積。微影蝕刻與RIE步驟隨後係用以圖案化該等阻障與覆蓋層，以於該IC表面上形成離散墊。

根據本發明又另一方面，於圖1A與1B中由溝槽160總括代表之一或多個溝槽係於該覆蓋層150中形成。該等溝槽之形成較佳地將藉由標準微影蝕刻與RIE步驟而達到。有利地係，由於該等溝槽特徵之較大尺寸以及於此應用中其之功能，故而對於溝槽寬度與深度變化之公差在與其他半導體圖案化步驟相比較時遂較高。結果，該等溝槽之形成在與其他需要較大精準度之圖案化步驟相比較時便較為便宜。

根據本發明之若干方面將溝槽圖案化至該覆蓋層150中將產生許多利益。由於其之成分、佈置與功能，該覆蓋層可承受許多形式的應力。例如，由於該覆蓋層與該等下方層間熱膨脹係數之差異，該覆蓋層可經歷張力或壓應力。此外，該覆蓋層可在附著該等線路或焊塊之後的焊接與剪應力期間承受壓應力。此等應力之一或結合，以及許多其他應力，可導致該覆蓋層之分層。該覆蓋層之角落最容易受到此分層的影響。一旦發生分層，該處理之產量將由於焊墊變成無法使用、電性連接的分離以及粒子會污染處理工具與測試裝備而受到負面影響。

如同那些於圖1A中所顯示於該覆蓋層150中形成溝槽，例如將減緩部份此等應力。該等溝槽之寬度較佳地將為350至1,500 nm。溝槽間之間隔較佳地將會與該等相關溝槽寬度相等。此外，較佳地將使得所形成之該等溝槽約為該覆蓋層140的深度之40至60%。此等尺寸已然經實驗決定，以提供應力消除之最佳結合，而同時又不會使該焊墊之其他特性劣化。例如，具有此等尺寸之溝槽將使該覆蓋層能夠就一般與剪力維持強度；產生良好的線路或焊塊焊接；以及耐受處理期間之裂縫傳播。然而，於替代性具體實施例中可運用其他深度與其他溝槽尺寸。

圖1A中之焊墊100包括溝槽160，其橫跨該焊墊之大部份面積而延伸。大多數該等溝槽係彼此互相平行，且實質上從該焊墊之一邊緣至對立的邊緣。此外，所形成之額外溝槽係與其他接近分層最可能發生的焊墊角落者垂直。然而，圖1A中顯示之溝槽圖案僅係此類圖案的其中一者，而許多其他配置亦將會在本發明之範疇內。例如，圖2與3分別顯示具有不同溝槽圖案的說明性焊墊200與300。於每一該等焊墊中，分別由溝槽210與310所總括代表之溝槽隨後係鄰近該等焊墊之一或多個角落而形成。於圖2中，該等溝槽實質上係與該焊墊之邊緣成45度角。於圖3中，該等溝槽實質上係與該焊墊之一或多個邊緣垂直。

於該覆蓋層150中形成之溝槽亦會改良該IC的散熱。既然一IC之散熱係緊密地耦合至其之IC封裝，此改良之動態現將就線路焊接與覆晶焊接封裝技術進行說明。此等封裝技術將為熟悉本技術人士所熟知，且亦將詳細地說明於，例如由G.R.Blackwell於1999年所著，CRC Press之「電子封裝手冊」，其係以提及方式併入本文。然而，應注意的是，如同稍早所述，本發明之範疇並不限定於本文中所存在的該等特定封裝技術，同時本發明之其他應用亦將為熟悉本技術人士所明白。

就線路焊接應用而言，該IC上之焊墊通常係位於該IC周圍的附近。細線路隨後係從該等焊墊橫跨至該IC封裝之引線框架或基板。圖4顯示一於一傳導至線路焊接之組態中的說明性IC 400。於該IC中，由焊墊410總括代表之複數個焊墊，經配置係靠近該IC邊緣。此等焊墊接著係連接至主動電路420。該等焊墊與該主動電路間之連接會穿透各個金屬化位準而發生。

該等精細直徑線路與該等IC焊墊間之實際焊接通常係運用二線路焊接處理其中一者而形成，此二者將皆為熟悉本技術人士所熟知。就球形焊接而言，一球形物首先係於一線路末端處形成，該線路通常會包括金。該球形物隨後會與該焊墊接觸。適當量之壓力、熱及/或超音波能量隨後係施加至該球形物一特定量的時間，並於該球形物與該焊墊間形成一冶金焊接。就楔形焊接而言，一通常包括鋁之鉗緊線路係與該焊墊接觸。超音波能量隨後係在該楔形藉由一特定量之力而扳倒的同時，施加至該線路一段特定的期間。焊接從而係於該線路與焊墊間形成。

圖5顯示具有球形焊接至該覆蓋層150之線路510的圖1A焊墊100之斷面圖。重要的係，該線路焊接材料不僅會焊接至該覆蓋層之表面，還可能會於該覆蓋層之溝槽160中沉積。此填充將產生至少三種有利的影響。首先，由該IC所產生之熱在該線路進入前必須透過其而傳導的覆蓋層體積係減少。由於該覆蓋層通常的情況係由所具熱傳導率實質上比銅低之鋁所形成，故而鋁體積的減少有助於該IC的散熱速度。再者，對該等溝槽之填充會加大該線路與該焊墊間的表面積。以上所述同樣地對熱能從一結構傳導至另一者十分有利。最後，完全與熱傳導之任何方面無關，填充該等溝槽會增強該線路與該焊墊間焊接的強度。該線路與該焊墊在各種熱及機械應力下斷開之可能性從而亦有利地降低。

此外，於部份封裝技術中焊接IC之線路可加以密封於包括例如塑膠的模製化合物中。如結晶二氧化矽之填充物係常用以改良此材料之熱傳導率。若存在，則此模製化合物亦可至少部份地填充焊墊100中的溝槽160，從而改良從該IC至該IC封裝之散熱。例如，圖6顯示一封裝於一塑膠密封IC封裝中的說明性IC 600。該IC係電性與熱連接至一金屬引線框架610。一塑膠模製化合物620(於該圖式中有部份遭去除)會密封該IC與該引線框架的一部份。

相反地，圖7顯示於一覆晶焊接組態中圖1A焊墊100的斷面圖。一般而言，於覆晶焊接中，一焊塊首先係附著至該IC上的焊墊。可以許多方式使該等焊塊形成或位於該焊墊上，其包括然非限定於蒸發、電鍍、印刷、噴射、柱形焊塊與直接佈置。該焊料通常將包括錫與鉛的合金。一旦就位，該IC與該等附著焊塊通常係反轉至一具有與該等焊塊佈置吻合之連接器的IC封裝基板上。一旦經對準，該等焊塊便熔化，並於該IC與該IC封裝基板間形成一電性與熱連接。藉由一熔爐、熱氣體或其他局部構件可提供熱。

參考圖7，可見的是該焊塊710已然於該覆蓋層150表面上形成。如線路焊接情況中，該焊塊的某些部分可能在該覆蓋層中該等溝槽160內部形成。此等經填充溝槽，由於與上文所詳述相同的理由，將會使從該IC透過該焊塊進入該IC封裝之散熱，以及該焊塊對該焊墊之黏著二者皆加強。藉由採用根據本發明若干方面之設備與方法，於覆晶封裝中從而亦會達到許多優勢。

此外，在該等焊塊用以使該IC連接至該IC封裝之後，一側填滿材料係常於該IC與該IC封裝基板間進行填充。該側填滿會保護該等焊塊，使其免受濕氣或其他環境因子的危害；對該組件提供額外的機械強度；以及改良從該IC至該IC封裝的散熱。該側填滿材料通常係環氧型。如同線路焊接中之模製化合物，此側填滿材料亦可填充於該焊墊100之曝露的溝槽160中，並從而進一步加強從該IC至該IC封裝的散熱。

應注意的是於該等焊墊中形成溝槽並非一定得於一IC內之每一焊墊上皆進行實作，而是，例如可僅在該等位於該IC封裝中一般習知之不利導熱區域的焊墊上進行實作。此外，應進一步注意的是本發明之若干方面可於普通稱為「經延伸」焊墊中進行實作，而仍屬於本發明之範疇中。經延伸焊墊係說明於，例如美國專利第6,844,631號，標題為「具有一焊墊之半導體裝置以及其之方法」，其係以提及之方式併入本文。經延伸焊墊係經過延長的IC焊墊，遂具有二不同的非重疊區域：一區域在IC製造期間用於探測測試，而一區域在封裝期間用於線路焊接或覆晶焊接。該等用於探測測試之分開區域會使該等經延伸焊墊之焊接部份避免因探針而受到損壞。此外，一經延伸焊墊會有利地提供一較大面積之曝露金屬，以供從該IC散熱至該IC封裝中。

亦應強調的是，儘管本文已參考附圖說明本發明的說明性具體實施例，然而仍應瞭解，本發明並不限於這些精確的具體實施例，且應瞭解，只要不脫離隨附申請專利範圍之範疇，熟悉本技術人士均可在其中進行各種其他變更及修改。

100．．．焊墊

110．．．金屬化層

120．．．層間介電質(ILD)層

130．．．鈍化層

140．．．阻障層

150．．．覆蓋層

160．．．溝槽

200．．．焊墊

210．．．溝槽

300．．．焊墊

310．．．溝槽

400．．．IC

410．．．焊墊

420．．．主動電路

510．．．線路

600．．．IC

610．．．金屬引線框架

620．．．塑膠模製化合物

710．．．焊塊

圖1A顯示根據本發明一第一說明性具體實施例之一焊墊的平面圖。

圖1B顯示圖1A之具體實施例的斷面圖。

圖2顯示根據本發明一第二說明性具體實施例之一焊墊的平面圖。

圖3顯示根據本發明一第三說明性具體實施例之一焊墊的平面圖。

圖4顯示一說明性IC的平面圖。

圖5顯示於一線路焊接組態中之圖1A具體實施例的斷面圖。

圖6顯示安裝於一IC封裝中之一說明性IC的透視圖，其中該IC封裝有部份遭去除。

圖7顯示於一覆晶焊接組態中圖1A具體實施例的斷面圖。

100．．．焊墊

110．．．金屬化層

120．．．層間介電質(ILD)層

130．．．鈍化層

140．．．阻障層

150．．．覆蓋層

160．．．溝槽

Claims (10)

1. 一種包括主動電路與至少一焊墊之積體電路，該至少一焊墊包括：一金屬化層，該金屬化層係與該主動電路之至少一部份電性接觸；以及一覆蓋層，該覆蓋層係於該金屬化層之至少一部份上形成，且係與該金屬化層電性接觸；其中該覆蓋層係經圖案化以包括複數個經蝕刻溝槽；其中該等經蝕刻溝槽之一或多者係形成於該覆蓋層之一上表面中但不透過該覆蓋層延伸至該覆蓋層之一下表面；該等經蝕刻溝槽之至少一者藉此具有一深度，其小於在該上表面與該下表面之間的該覆蓋層之一厚度。
2. 如請求項1之積體電路，其進一步包括一鈍化層，該鈍化層會於該金屬化層上定義一開口，該覆蓋層透過該開口而電性接觸該金屬化層。
3. 如請求項1之積體電路，其中在該覆蓋層中之該等經蝕刻溝槽之至少一者的該深度係該覆蓋層之該厚度的40至60%。
4. 如請求項1之積體電路，其中該覆蓋層包括複數個經蝕刻溝槽，其係彼此互相平行。
5. 如請求項1之積體電路，其中在該覆蓋層中之該等經蝕刻溝槽之至少一者實質上係靠近該覆蓋層的一或多個角落。
6. 如請求項1之積體電路，其中在該覆蓋層中之該等經蝕刻溝槽之至少一者實質上係與該覆蓋層的一或多個邊緣垂直。
7. 如請求項1之積體電路，其中在該覆蓋層中之該等經蝕刻溝槽之至少一者實質上係與該覆蓋層的一或多個邊緣成45度角。
8. 如請求項1之積體電路，其中該等一或多個焊墊之至少一者係一經延伸焊墊。
9. 一種安裝於一積體電路封裝中之積體電路，該積體電路包括主動電路與一焊墊，其中該焊墊包括：一金屬化層，該金屬化層係與該主動電路之至少一部份電性接觸；以及一覆蓋層，該覆蓋層係於該金屬化層之至少一部份上形成，且係與該金屬化層電性接觸；其中該覆蓋層係經圖案化以包括複數個經蝕刻溝槽；其中該等經蝕刻溝槽之一或多者係形成於該覆蓋層之一上表面中但不透過該覆蓋層延伸至該覆蓋層之一下表面；該等經蝕刻溝槽之至少一者藉此具有一深度，其小於在該上表面與該下表面之間的該覆蓋層之一厚度。
10. 一種於包括主動電路之一積體電路中形成一焊墊的方法，該方法包括以下步驟：形成一金屬化層，該金屬化層係與該主動電路之至少一部份電性接觸；以及 於該金屬化層之至少一部份上形成一覆蓋層，且該覆蓋層係與該金屬化層電性接觸；其中該覆蓋層係經圖案化以包括複數個經蝕刻溝槽；其中該等經蝕刻溝槽之一或多者係形成於該覆蓋層之一上表面中但不透過該覆蓋層延伸至該覆蓋層之一下表面；該等經蝕刻溝槽之至少一者藉此具有一深度，其小於在該上表面與該下表面之間的該覆蓋層之一厚度。