CN101459120B - 去除互连金属层表面氧化膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属层表面的氧化膜，溅射过程中保持反应腔的温度低于23摄氏度。所述方案提供一个温和的等离子溅射蚀刻的制成条件，均匀地，自如地控制反应腔体温度以及晶圆表面的温度，可以减少因温度过高对晶圆表面造成的晶格变化，避免现有技术对互连金属层表面连续溅射时对互连金属层表面的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种去除互连金属层表面氧化膜的方法。
背景技术
晶圆级封装(Wafer Level Chip Scale Package，WLCSP)是一种可以使集成电路(IC)面向下贴装到印刷电路板上的CSP封装技术，晶圆的焊点通过独立的凸点如锡球焊接到印刷电路板的互连金属层上，不需要任何填充材料。这种技术的第一个优点是集成电路到印刷电路板之间的电感很小，第二个优点是缩小了封装尺寸和生产周期并提高了热传导性能。
在晶圆级封装中，连接点的分布更加密集，因此，需要对用于形成凸点的连接点进行再分布，避免过多的凸点互相接触导致凸点之间短路。所谓的凸点再分布就是将晶圆上做好的需要形成连接点的开口重新进行分布，转移至晶圆的其它位置，并形成凸点，以实现凸点的合理分布。
本申请人申请号为200710040237.2的中国专利申请文件给出了一种再分布凸点的形成方法，如图1所示，晶圆10上形成有钝化层11和互连金属层12，其中，钝化层11形成有开口，互连金属层12位于钝化层11的开口处。在互连金属层12以及钝化层11上形成第一绝缘层13，之后，在所述第一绝缘层13上形成第二开口(未标示)，第二开口的位置与互连金属层12的位置相对应，在第一绝缘层13上以及第二开口内形成再分布金属层14，再分布金属层14要求完全覆盖第二开口并在第一绝缘层13上延伸至再分布凸点的位置，之后，在再分布金属层14以及第一绝缘层13上形成第二绝缘层15，并在第二绝缘层15上形成第三开口17，第三开口17的位置即为需要形成再分布凸点的位置，最后，在第三开口17以及第二绝缘层15上形成凸点下金属层(Under-BumpMetallurgy；UBM)，并沉积凸点焊料，回流焊料形成凸点。
所述的互连金属层12的材料为金属铝，再分布金属层14的材料通常为金属铜，而凸点下金属层可以是钛、钛-钨合金、铜、镍等，用于连接再分布金属层14和凸点，并用于阻止凸点的材料扩散。由于金属铝表面容易形成氧化膜，因此，在形成再分布金属层之前，需要去除互连金属层表面的氧化膜。目前，去除互连金属层表面氧化膜的方法是采用惰性气体的等离子体溅射，溅射的时间依据互连金属层表面氧化膜的厚度而定，如果氧化膜的厚度较大，则需要进行等离子体溅射去除互连金属层表面氧化膜的时间就比较长，长时间连续的等离子体溅射会损伤互连金属层的表面，导致随后形成的凸点下金属层以及凸点的截面和表面形貌粗糙。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，以避免现有技术长时间连续的等离子体溅射去除互连金属层表面氧化膜时，对互连金属层表面的损伤。
一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属层表面的氧化膜，溅射过程中保持反应腔的温度低于23摄氏度。
优选的，溅射过程中保持反应腔的温度为21至23摄氏度。
采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属层表面的氧化膜过程中反应腔内晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度。
所述互连金属层的材料为金属铝，互连金属层表面的氧化膜为氧化铝。
所述非氧化性气体为N2或者惰性气体。
所述的惰性气体为氩气。
其中，采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属层表面的氧化膜，溅射过程中保持反应腔的温度低于23摄氏度的具体工艺步骤为：
步骤1，在反应腔中通入非氧化性气体，使反应腔的压强低于1.6E-3mbar，对互连金属层表面氧化物膜层进行等离子体溅射；
步骤2，反应腔的温度达到23摄氏度时，停止等离子体溅射，直至反应腔的温度小于等于21摄氏度时，继续开始等离子体溅射；
重复步骤2，直至完全去除互连金属层表面的氧化膜层。
与现有技术相比，上述方案具有以下优点：
采用本实施例所述的去除互连金属层表面氧化膜的方法，溅射过程中保持反应腔的温度低于23摄氏度，或者保持晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度，提供一个温和的等离子溅射蚀刻的制成条件，均匀地，自如地控制反应腔体温度以及晶圆表面的温度，可以减少应温度过高对晶圆表面造成的晶格变化，避免现有技术对互连金属层表面连续溅射时对互连金属层表面的损伤。
附图说明
图1为现有技术再分布凸点的结构图；
图2A为正常情况下互连金属层以及凸点下金属层的截面的透射电子显微镜形貌图；
图2B为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层以及凸点下金属层的截面的TEM形貌图；
图3A为互连金属层以及凸点下金属层的截面图；
图3B为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层以及凸点下金属层的截面图；
图4A为正常情况下，互连金属层的表面俯视图；
图4B为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层表面俯视图；
图5为本发明实施例去除互连金属层表面氧化膜的方法的具体工艺流程图；
图6为本发明实施例所述晶圆的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，以避免现有技术长时间连续的等离子体溅射去除互连金属层表面氧化膜时，对互连金属层表面的损伤。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例
如附图1所示的再分布凸点的结构，所述的互连金属层材料为金属铝，由于金属铝在空气中极其容易发生氧化，生成氧化膜，因此，为例保证互连金属层与其上形成的再分布金属层的良好的电连接关系，需要去除互连金属层表面的氧化膜层，目前，常用的去除所述氧化膜层的方法是采用等离子体溅射，通过非氧化性的等离子体溅射互连金属层表面从而达到去除互连金属层表面氧化膜的目的。
然而，等离子体溅射的时间依据互连金属层表面氧化膜的厚度而定，如果氧化膜的厚度较大，则等离子体溅射的时间就比较长，由于等离子体溅射的工艺实在真空的反应腔中进行的，随着溅射时间的增加，反应腔的温度随着增加，当温度增加到一定程度时，所述的等离子体溅射工艺会对互连金属层金属的晶格结构造成损伤，产生变形或者重新排序，随后，在互连金属层金属的表面继续形成再分布金属层时，互连金属层的这种晶格结构的变形或者重新排序会继续影响再分布金属层的晶格结构，也产生晶格变形或者重新排序，最终影响形成的凸点下金属层和凸点的晶格结构以及表面形貌。
参考附图2A所示，为正常情况下互连金属层以及再分布金属层的截面的透射电子显微镜(TEM)形貌图，参考附图2B所示，为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层以及凸点下金属层的截面的TEM形貌图，图中，20为互连金属层，21为再分布金属层，而区域201为损伤的互连金属层的原子形貌，211为损伤的再分布金属层的原子形貌。从图中可以明显看出，互连金属层20的区域201中的晶格结构异常，与区域201对应的凸点下金属层21的区域211的晶格结构也发生了异常。本实施例中所采用的TEM设备为FEI TECNAI公司的型号为F20的透射电子显微镜。
参考附图3A，为正常情况下，互连金属层以及再分布金属层的聚焦离子束(Focus In-beam，FIB)截面图，参考附图3B，为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层以及再分布金属层的聚焦离子束(FIB)截面图，从图中可以看出，长时间连续的等离子体溅射之后，互连金属层以及再分布金属层的表面形貌比正常情况下互连金属层以及再分布金属层的表面形貌粗糙。本实施例中，所采用的聚焦离子束设备Fei DualBeam835。
参考附图4A，为正常情况下，互连金属层的表面俯视图，参考附图4B，为现有技术长时间连续的等离子体溅射互连金属层的表面后，互连金属层表面俯视图，从图中可以看出，互连金属层表面的形貌比较粗糙，这是由于互连金属层表面晶格的损伤引起的。
所述的互连金属层的晶格损伤以及引起的再分布金属层的晶格损伤会使再分布金属层表面的凸点下金属层以及凸点的晶格也发生损伤，最终会导致凸点与电连接的线路之间的电连接关系发生异常，在半导体器件的组装中，是不允许的。
本发明的研究人员在认识到互连金属层的上述缺陷后，给出了一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属层表面的氧化膜，等离子体溅射过程中保持反应腔的温度低于23摄氏度，较好的，所述反应腔的温度为21至23摄氏度。在进行等离子体溅射时，虽然反应腔的温度保持在21至23摄氏度，但最关键的，反应腔内进行溅射的表面具有互联金属层的晶圆表面的温度远远高于反应腔的温度，通常大于100摄氏度，为了在等离子体溅射过程中晶圆表面不产生损伤，所述的晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度。
所述互连金属层的材料为常规的可以作为半导体器件互联线的金属，例如金属铝，所述的互连金属层表面的氧化膜为互连金属层材料的氧化物，例如氧化铝。
所述非氧化性气体为N2或者惰性气体例如氩气等，在进行等离子体处理时，可以有效的去除互连金属层表面的氧化膜，并且不会再对互连金属层产生氧化作用即可，本实施例中，所述的非氧化性气体较好的为氮气或者氩气。
在采用等离子体溅射工艺去除互连金属层表面的氧化膜层时，随着等离子体溅射的进行，反应腔的温度会随之升高，这种升高会导致互连金属层的晶格结构损伤，因此，必须避免反应腔的温度不断升高，本实施例中，要求反应腔的温度低于23摄氏度。反应腔内进行等离子体溅射的晶圆的温度为100摄氏度至150摄氏度。
本实施例中，保持反应腔的温度低于23摄氏度，反应腔内进行等离子体溅射的晶圆的温度为100摄氏度至150摄氏度的具体方法参考附图5所示的去除互连金属层表面氧化膜的方法的具体工艺流程图：
步骤S1：在反应腔中通入非氧化性气体，通过射频发生器使其转变为等离子体对晶圆进行等离子体溅射，所述的晶圆结构如附图6所示，晶圆100上形成有钝化层110和互连金属层120，其中，钝化层110形成有开口，互连金属层120位于钝化层110的开口处，由于互连金属层120通常为金属铝，因此表面形成有氧化物膜层130。
通常情况下，反应腔的压强低于1.6E-3mbar的情况下，即可以开始进行等离子体溅射，通入的非氧化性气体的流量和压强根据具体情况确定，不同的等离子体溅射设备，所需要的非氧化性气体的流量和压强各不相同。将非氧化性气体转变为等离子体的射频设备的功率在100瓦左右即可。
在本实施例的一个具体实施方式中，通入的非氧化性气体为氮气，通入反应腔的流量为4sccm～20sccm，压强小于1.6E10-3mbar。
步骤S2：在反应腔的温度升至23摄氏度时，关闭射频发生器，停止等离子体溅射，此时，所述的非氧化性气体还可以按照常规的等离子体溅射的压强继续通入反应腔，通入反应腔的非氧化性气体的流量则可以大于等于常规的等离子体溅射的压强，则反应腔会发生自然降温的过程，当反应腔的温度小于等于21摄氏度时，继续开始等离子体溅射；
步骤S3：重复步骤S2，直至完全去除互连金属层表面的氧化膜层。整个反应过程中，反应腔内进行等离子体溅射的晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度。
本实施例中，等离子体溅射去除互连金属层表面的氧化膜层的工艺可以通过控制进行等离子体溅射的晶圆的温度来实现，具体工艺为：
步骤10：在反应腔中通入非氧化性气体，通过射频发生器使其转变为等离子体对晶圆进行等离子体溅射，所述的晶圆结构如附图6所示，晶圆100上形成有钝化层110和互连金属层120，其中，钝化层110形成有开口，互连金属层120位于钝化层110的开口处，由于互连金属层120通常为金属铝，因此表面形成有氧化物膜层130。
通常情况下，反应腔的压强低于1.6E-3mbar的情况下，即可以开始进行等离子体溅射，通入的非氧化性气体的流量和压强根据具体情况确定，不同的等离子体溅射设备，所需要的非氧化性气体的流量和压强各不相同。将非氧化性气体转变为等离子体的射频设备的功率在100瓦左右即可。
在本实施例的一个具体实施方式中，通入的非氧化性气体为氮气，通入反应腔的流量为4sccm～20sccm，压强小于1.6E10-3mbar。
步骤20：在反应腔内晶圆的温度升至150摄氏度时，关闭射频发生器，停止等离子体溅射，此时，所述的非氧化性气体还可以按照常规的等离子体溅射的压强继续通入反应腔，通入反应腔的非氧化性气体的流量则可以大于等于常规的等离子体溅射的压强，则反应腔内的晶圆会发生自然降温的过程，当反应腔内的晶圆的温度小于等于100摄氏度时，继续开始等离子体溅射；
步骤30：重复步骤20，直至完全去除互连金属层表面的氧化膜层。整个反应过程中，反应腔内进行等离子体溅射的晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度。
采用本实施例所述的工艺方法去除互连金属层表面的氧化膜层，不会对互连金属层的金属晶格产生损伤，最后形成的互连金属层以及再分布金属层的截面TEM图以及俯视图与正常情况下互连金属层以及再分布金属层的截面TEM图以及俯视图完全相同，如附图2A，3A，4A所示。
本实施例所述的方法提供一个温和的等离子溅射蚀刻的制成条件，均匀地，自如地控制反应腔体温度以及晶圆表面的温度，可以减少应温度过高对晶圆表面造成的晶格变化，避免现有技术对互连金属层表面连续溅射时对互连金属层表面的损伤。
虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (4)
1.一种去除互连金属层表面氧化膜的方法，采用非氧化性气体的等离子体溅射互连金属铝层表面的氧化铝，其特征在于，溅射过程中保持反应腔的温度为21至23摄氏度，反应腔内晶圆表面的温度为100摄氏度至150摄氏度。
2.根据权利要求1所述去除互连金属层表面氧化膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在反应腔中通入非氧化性气体，使反应腔的压强低于1.6E-3mbar，对互连金属铝层表面氧化铝层进行等离子体溅射；
步骤2、反应腔的温度达到23摄氏度时，停止等离子体溅射，直至反应腔的温度小于等于21摄氏度时，继续开始等离子体溅射；
步骤3、重复步骤2，直至完全去除互连金属层表面的氧化铝层。
3.根据权利要求1所述去除互连金属层表面氧化膜的方法，其特征在于，所述非氧化性气体为N2或者惰性气体。
4.根据权利要求3所述去除互连金属层表面氧化膜的方法，其特征在于，所述的惰性气体为氩气。
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