TWI731791B - 半導體測試晶片及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種半導體測試晶片，供用於半導體元件的打線可靠度測試，包含一半導體基底及至少一設置在該半導體基底上的測試晶片，該至少一測試晶片具有一反向該半導體基底的頂面，及至少一自該頂面對外裸露的電連接墊，該電連接墊具有一金屬層及一形成於金屬層的至少部分表面的金屬化合物層，其中，該金屬化合物層包括金屬氧化物，且該金屬化合物層的厚度介於2~50nm。此外，本發明還同時提供該半導體測試晶片的製作方法。
Description
本發明是有關於一種半導體晶片及其製作方法，特別是指一種用於打線可靠度測試的半導體測試晶片及其製作方法。
隨著電子產業品輕薄短小的需求及半導體技術的發展，半導體晶片的尺寸也越發微縮。其中，打線焊接則是能夠讓微縮尺寸的半導體晶片對外電連接的一重要技術，因此，如何確保半導體晶片打線的可靠度則是相關業者積極關注的重要課題。
半導體晶片用於與打線連接的金屬層一般是由鋁或銅構成。然而，鋁或銅由於容易被氧化，以及容易吸附外在環境的異質離子，因此，當將表面氧化或是吸附異質離子(例如氯離子、氮離子等)的金屬層進行打線、封裝製成半導體元件使用的過程，由於該等金屬氧化物及吸附於金屬層的異質離子會影響該金屬層的表面性質，或進一步對該金屬層造成的腐蝕，或是於打線金屬與金屬層之間產生影響密著性的介金屬化合物等，使得打線於半導體元件的使用過程剝離或脫落，而對元件的可靠度造成不良影響。
因此，為了確保晶片的可靠度與良率，於封裝前一般會先對半導體元件進行打線的可靠度測試。然而，可靠度測試由於需模擬不同的環境條件並需要長時間測試，因此，測試極為耗時。
因此，本發明的目的，即在提供一種穩定及高品質供用於半導體元件的打線可靠度測試的半導體測試晶片，以模擬半導體元件製造過程之金屬層表面打線可靠度異常可能之態樣，協助研發人員即時掌握問題縮短研發時程。
本發明的半導體測試晶片，包含一半導體基底及至少一測試晶片。
該至少一測試晶片設置在該半導體基底上，包括一反向該半導體基底的頂面，及至少一自該頂面對外裸露的電連接墊。該電連接墊包含一金屬層及一以原子沉積方式形成於該金屬層的至少部分表面的金屬化合物層。
此外，本發明的另一目的，即在提供一種供用於半導體元件打線可靠度測試的半導體測試晶片的製作方法。
於是，本發明該半導體測試晶片製作方法，包含以下步驟。
首先，提供一半導體元件半成品。該半導體元件半成品
具有一半導體基底，及至少一設置於該半導體基底上的晶片。該至少一晶片具有一測試電路，及至少一與該測試電路電連接並自該至少一晶片的頂面對外裸露的金屬層。
利用原子沉積方式於該至少一金屬層的至少部分表面沉積形成一金屬化合物層，而製得該半導體測試晶片。
本發明的功效在於：透過令半導體測試晶片用於對外電連接的電連接墊的至少部分表面形成一層包括金屬氧化物的金屬化合物層，而可在利用該半導體測試晶片進行打線可靠度測試時，透過該金屬化合物層的組成、厚度及圖樣的其中至少一種，模擬半導體元件的電連接墊的表面狀態，如粗糙度、氧化狀態等，及/或於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況，而得以加速利用該半導體測試晶片進行可靠度測試時的反應進行，以減少可靠度測試的時間。
2:半導體基底
3:測試晶片
31:測試電路
311:介電絕緣層
312:金屬線路層
313:導電貫孔
32:重佈線路
33:介電層
331:開口
34:電連接墊
341:金屬層
342:金屬化合物層
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明半導體測試晶片的實施例；圖2是一側視示意圖，輔助說明該實施例的其中一測試晶片；圖3是一局部放大圖，輔助說明該實施例的電連接墊；及圖4是TEM照片，說明於金屬層上形成金屬化合物層的TEM
圖。
有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。
本發明的半導體測試晶片是供用於打線可靠度測試。
參閱圖1、2，該半導體測試晶片的一實施例包含一半導體基底2，及數個測試晶片3。
該半導體基底2可選自矽、化合物半導體如碳化矽(SiC)，或砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等III-IV族，或氧化锌(ZnO)、碲化镉(CdTe)等II-VI族半導體材料。
該等測試晶片3以陣列排列方式設置於該半導體基底2上。每一測試晶片3具有一反向該半導體基底2的頂面、一測試電路31、一位於該測試電路31上方並與該測試電路31電連接的重佈線路32、一覆蓋該重佈線路32並具有至少一開口331的介電層33、分別與該重佈線路32連接並自該介電層33相應的其中一開口331對外裸露的電連接墊34。
詳細的說，該測試電路31具有多層交互層疊的設置於該
半導體基底2上的介電絕緣層311、金屬線路層312，及多數貫穿該等介電絕緣層311以分別將該等金屬線路層312做不同電連接的導電貫孔313，透過該等導電貫孔313與不同的金屬線路層312電連接，以形成不同的導通迴路。其中，為了模擬一般功能晶片的電路，該測試電路31的介電絕緣層311及金屬線路層312的層數、厚度、電連接關係等也可完全模擬功能晶片的電路結構，如此，可藉由該測試晶片3的電路測試結果反饋至功能完整之晶片，以對應調整功能晶片的電路設計。前述該介電絕緣層311可選自二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或高分子材料，該金屬線路層312及該導電貫孔313則可各別選自鎢、鋁、銅、鋁合金，或銅合金等導電材料。由於該測試電路31的相關製程及使用材料為半導體技術領域者周知，因此不再多加贅述。
該重佈線路32設於該測試電路31上方並與該測試電路31電連接。該介電層33覆蓋該重佈線路32並具有多個可令該重佈線路32裸露的開口331。其中，該重佈線路32選自鎢、鋁、銅、鋁合金，或銅合金等導電材料，該介電層33可選自二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或高分子材料。
該等電連接墊34與該重佈線路32自該等開口331裸露的表面連接並分別自相應的開口331對外裸露，用以供後續打線或形成焊錫或銅凸塊，而令該等金屬線路層312串接成至少一獨立的導
電迴路。詳細的說，每一電連接墊34具有一與該重佈線路32自該等開口331裸露的表面連接的金屬層341，及一形成於金屬層341的至少部分表面的金屬化合物層342。該金屬層341是由鋁、鋁合金、銅，或銅合金等材料構成，該金屬化合物層342的材料包括金屬氧化物，以及含鹵素金屬化合物、含氮金屬化合物，及含氧金屬化合物的其中至少一者。
於一些實施例中，該金屬化合物層342包括與該金屬層341的金屬原子相同的金屬氧化物，且該金屬化合物層342的厚度介於2nm~50nm。較佳地，該金屬化合物層342的厚度大於5nm。
於一些實施例中，該金屬化合物層342的厚度介於10nm~50nm。
要說明的是，由於該金屬化合物層342是由包含金屬氧化物，以及含鹵素化合物、含氮化合物，及含氧化合物的其中至少一者所構成，因此，會對該電連接墊34的電性造成影響，所以可視該半導體測試晶片的測試要求及目的，透過該金屬化合物層342的組成、分佈態樣(例如可控制該金屬化合物層342選擇性地全面或部分的覆蓋於該金屬層341表面，如，參閱圖2、圖3，圖2是以該金屬化合物層342全面覆蓋該金屬層341的表面且厚度介於2nm~50nm；圖3是以該金屬化合物層342以圖案化的方式覆蓋該金屬層341的部分表面且厚度介於2nm~50nm)，而令該電連接墊
34可被控制成具有不同電性及粗糙度的表面，以更適用模擬不同打線可靠度的測試條件。此外，要再說明的是，於實際實施時該金屬化合物層342也可以是以不規則方式覆蓋於該金屬層341的部分表面，或是可視需求進一步延伸覆蓋至該介電層33，並不以圖2、3所示結構為限。
一般而言，形成於該金屬層341表面的該金屬化合物層342除了會造成電性改變外，還會造成表面粗糙度及表面化學性質的變化，而影響後續打線、焊錫或銅凸塊與該電連接墊34的密著性及接合強度。然而，因為一般原生之金屬氧化物的厚度極薄(<5nm)，因此，當利用將該表面具有極薄之金屬氧化物的電連接墊的晶片進行打線，並進行打線的可靠度評估試驗時，會需要較長的檢測時間才可量測得到金屬氧化物對打線的影響。因此，本發明透過該金屬化合物層342的組份及該金屬化合物層342的分布及厚度，控制該電連接墊34原始的表面性質及粗糙度，而可提供具有不同表面化性/電性及粗糙度條件的電連接墊34的測試晶片，以供不同條件的打線可靠度測試並得以誘導加速利用該半導體測試晶片於可靠度測試時的反應進行，而可有效減少可靠度試驗時間。
具體的說，前述該金屬化合物層342可利用原子沉積(ALD)方式，沉積形成於該金屬層341表面，而可更精確的控制該金屬化合物層342的厚度、圖案而控制該電連接墊34的表面粗糙
度。
要再說明的是，因為打線/錫球/銅凸塊與該電連接墊34的密著度，除了會受到該電連接墊34的表面粗糙度影響之外，還會受到打線/錫球/銅柱與該電連接墊34的連接介面的化學性質影響，因此，本發明該金屬化合物層342除了金屬氧化物之外，可再進一步包含群組A的其中一化合物，該群組A的化合物是由該金屬層341與非金屬元素(如鹵素、氮、氧)反應後形成，包括：含鹵素化合物、含氮化合物，及含氧化合物。透過該金屬化合物層342的組成變化，讓該電連接墊34的表面除了粗糙度的變化之外，還可藉由表面化學性質的變化先行模擬於不同環境中對該電連接墊34的氧化及腐蝕破壞狀況，而得以在對該半導體測試晶片進行可靠度測試時，加速誘導反應進行，以減少可靠度測試的時間。
於一些實施例中，當該金屬層341是由鋁(Al)為材料構成，該金屬化合物層342的金屬氧化物是氧化鋁(Al2O3)，含鹵素化合物可以是[AlF6]3-，或AlF3，含氮化合物可以是氮化鋁(AlN)。
於另一些實施例中，該金屬層341是由銅(Cu)為材料構成，該金屬化合物層342的金屬氧化物是氧化銅(CuO)及/或氧化亞銅(Cu2O)，該含鹵素化合物可以是CuClx。
又要說明的是，該等測試晶片3後續可透過於其等電連接墊34上形成焊錫凸塊，並將其中一電連接墊34的焊錫凸塊與其它
電連接墊34的焊錫凸塊電連接；或是利用打線讓不同的電連接墊34彼此電連接，令該測試晶片3的測試電路31的多個獨立的電路電導通，或是可據以將不同的測試晶片3串接導通，而為一菊鏈(Daisy chain)。由於該等測試晶片3是以陣列方式分佈於半導體基底2，因此，使用時可視所需的測試晶片3數量及電連接態樣予以裁切(如圖1虛線所示)，而可更易於使用。
參閱圖4，圖4是在由A1構成的金屬層341上形成包含氧化鋁的金屬化合物層342的TEM照片，其中，圖4(b)是圖4(a)的局部放大圖，圖4(c)則是包含氧化鋁及含氟化合物的金屬化合物層342。由圖4可看出，利用該金屬化合物層342的厚度可控制該電連接墊34的表面粗糙度，並可配合該金屬化合物層342的化學組成變化，而得到具有不同表面粗糙度及化學能態的測試晶片，進而可供用於評估不同粗糙度及不同表面能態對打線影響的可靠度評估測試。
綜上所述，本發明利用於該金屬層341表面形成包含金屬氧化物，或是可進一步再包含由不同的非金屬元素與該金屬層341的金屬反應而得的含鹵素化合物、含氮化合物，及含氧化合物的其中至少一者所構成的金屬化合物層342，讓該電連接墊34的表面性質可藉由該金屬化合物層342模擬半導體晶片於不同環境中對電連接墊34的表面粗糙度、氧化及腐蝕破壞狀況，而得以在可靠度
測試中加速誘導反應進行，以減少可靠度測試的時間，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
2:半導體基底
3:測試晶片
31:測試電路
311:介電絕緣層
312:金屬線路層
313:導電貫孔
32:重佈線路
33:介電層
331:開口
34:電連接墊
341:金屬層
342:金屬化合物層
Claims (13)
- 一種半導體測試晶片，供用於半導體元件的打線可靠度測試，包含：一半導體基底；及至少一測試晶片，該至少一測試晶片設置在該半導體基底上，包括：一反向該半導體基底的頂面；至少一電連接墊，自該頂面對外裸露，包含一金屬層及一以原子沉積方式形成於該金屬層的至少部分表面的金屬化合物層，且該金屬化合物層包括與該金屬層的金屬原子相同的金屬氧化物；及一測試電路，供該至少一測試晶片對外電連接。
- 如請求項1所述的半導體測試晶片，其中，該金屬化合物層包括含鹵素金屬化合物、含氮金屬化合物，及含氧金屬化合物的其中至少一者。
- 如請求項1所述的半導體測試晶片，其中，該金屬化合物層的厚度介於2nm~50nm間。
- 如請求項1所述的半導體測試晶片，包含複數陣列分布於該半導體基底的測試晶片，其中，每一測試晶片還包含一測試電路，且該等測試晶片可藉由該等測試電路電連接。
- 如請求項5所述的半導體測試晶片，其中，該每一測試晶片還具有一位於該測試電路上方並與該測試電路電連接的重佈線路，及一覆蓋該重佈線路並具有至少一開口的介電層，每一電連接墊與該重佈線路電連接並自相應的其中一開口對外裸露。
- 如請求項1所述的半導體測試晶片，其中，該金屬層與該 測試電路電連接，且該金屬化合物層完全覆蓋該金屬層表面。
- 如請求項1所述的半導體測試晶片，其中，該金屬層與該測試電路電連接，且該金屬化合物層部分覆蓋該電連接墊表面。
- 如請求項6或7所述的半導體測試晶片，其中，該金屬化合物層還延伸覆蓋該介電層。
- 一種半導體測試晶片的製作方法，包含：提供一半導體元件半成品，該半導體元件半成品具有一半導體基底及至少一設置於該半導體基底上的晶片，該至少一晶片具有一測試電路，及至少一與該測試電路電連接並自該至少一晶片的頂面對外裸露的金屬層；及利用原子沉積方式於該至少一金屬層的至少部分表面沉積形成一金屬化合物層，而製得該半導體測試晶片。
- 如請求項9所述的半導體測試晶片製作方法，其中，該金屬化合物層的材料包括金屬氧化物、含鹵素金屬化合物、含氮金屬化合物，及含氧金屬化合物的其中至少一者。
- 如請求項9所述的半導體測試晶片製作方法，其中，該金屬化合物層厚度介於2nm~50nm間。
- 如請求項9所述的半導體測試晶片製作方法，其中，該半導體元件半成品具有複數陣列分布於該半導體基底的晶片，每一晶片具有一測試電路，且該等晶片可藉由該等測試電路電連接。
- 如請求項12所述的半導體測試晶片製作方法，其中，該 每一晶片還具有一位於該測試電路上方並與該測試電路電連接的重佈線路，及一覆蓋該重佈線路並具有至少一開口的介電層，該等電連接墊與該重佈線路電連接並分別自相應的開口對外裸露。
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