CN105225976A - 焊盘的制作方法及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种焊盘的制作方法及半导体器件。该焊盘的制作方法，焊盘形成在金属互连结构中金属区的上方，金属互连结构包括层间介质层和设置在层间介质层中的金属区；在金属区上方形成焊盘的步骤包括：对金属互连结构中金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙化表面；以及在粗糙化表面上形成焊盘。这种焊盘的制作方法中，在金属互连结构的金属区上形成焊盘的步骤之前，先对金属区的上表面进行粗糙化处理，能够形成粗糙化表面。在该粗糙化表面上形成焊盘，有利于增加焊盘与金属区之间的“铰合力”，从而有利于提高二者之间的粘接力。在后期的封装过程中，这种较高的粘结力有利于防止焊盘在机械应力或热应力的作用下从金属区上剥离。
Description
技术领域
本申请涉及半导体制造领域，具体而言，涉及一种焊盘的制作方法及半导体器件。
背景技术
随着电子设备的广泛使用，半导体的制造工艺得到了飞速发展。在半导体的制造流程中，随着半导体器件的特征尺寸进一步缩小，互连结构的RC延迟成为了影响电路速度的主要因素，为了改善这一点，通常以Cu/低K介质形成金属互连结构。相比于其他金属制作的金属互连结构，这种铜金属互连结构的电阻率较低、导电性更好。而对于与铜金属互连结构中金属层相连的焊盘而言，因其需要形成的尺寸相对较大、消耗量较大，在兼顾器件性能与制作成本的情况下，通常采用金属铝作为制作焊盘的主要金属。
金属互连结构中通常包括介质层以及位于介质层中的金属区，该金属区通常包括数层金属层和位于相邻金属层之间的低K介质层，各层金属层之间通过过孔相连。通常情况下，焊盘形成在具有金属互连线结构的金属区上，且其下表面与金属层平面相接触，其上表面与导线相连接。但是，由于金属层的表面光滑，使得焊盘与金属层之间的粘结力较弱。在后期封装过程中，引线与焊盘之间所产生的机械应力和热应力等容易使焊盘从金属层上剥离甚至脱落，进而造成半导体器件失效。
发明内容
本申请旨在提供一种焊盘的制作方法及半导体器件，以解决现有技术中焊盘容易从金属层上剥离甚至脱落的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种焊盘的制作方法，焊盘形成在金属互连结构中金属区的上方，金属互连结构包括层间介质层和设置在层间介质层中的金属区，在金属区上方形成焊盘的步骤包括：对金属互连结构中金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙化表面；以及在粗糙化表面上形成焊盘。
进一步地，金属互连结构中金属区包括：底层金属层、顶层金属层和一层或多层中间金属层，底层金属层与前道工序结构直接接触；顶层金属层位于金属层远离前道工序结构的最上方；中间金属层，位于底层金属层和顶层金属层之间；其中，底层金属层和靠近底层金属层的中间金属层之间，各层中间金属层之间，及顶层金属层和靠近顶层金属层的中间金属层之间通过接触孔相连；焊盘形成在顶层金属层的上方。
进一步地，对金属区的上表面进行粗糙化处理的步骤包括：对金属区的上表面进行喷砂处理以形成粗糙化表面；或者，对金属区的上表面进行化学机械研磨处理以形成粗糙化表面。
进一步地，粗糙化处理的步骤中形成粗糙度为0.01～0.1μm的粗糙化表面。
进一步地，喷砂处理的步骤中，喷砂强度为10～100psi，喷砂时间为5～500s。
进一步地，喷砂处理的步骤中，采用粒径为150～500μm、刚度系数为6～8的砂料。
进一步地，化学机械研磨处理的步骤中，研磨压力为0.1～2.0psi，研磨时间为10～60s。
进一步地，化学机械研磨处理的步骤中，钻石的粒径为1～300μm，研磨浆流速为10～1000ml/min。
进一步地，对金属区的上表面进行粗糙化处理的步骤之后，还包括对所形成的粗糙化表面进行清洗的步骤；清洗的步骤中，清洗剂为去离子水，清洗时间为10～60s。
进一步地，金属互连结构为铜金属互连结构，焊盘为铝焊盘。
根据本申请的另一方面，提供了一种半导体器件，包括焊盘结构，其中，焊盘结构由上述的方法制作而成。
应用本申请的一种焊盘的制作方法及半导体器件，在金属互连结构的金属区上形成焊盘的步骤之前，先对金属区的上表面进行粗糙化处理，能够形成粗糙化表面。在该粗糙化表面上形成焊盘，有利于增加焊盘与金属区之间的“铰合力”，从而有利于提高二者之间的粘接力。在后期的封装过程中，这种较高的粘结力有利于防止焊盘在机械应力或热应力的作用下从金属区上剥离。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请一种实施方式中的焊盘的制作方法的工艺步骤流程示意图；
图2示出了根据本申请一种实施方式中焊盘的制作方法所制备的半导体器件的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术部分所介绍的，现有焊盘与金属互连结构中的金属区之间的粘结力不足，使焊盘容易从金属区上剥离甚至脱落。为了解决这一问题，本申请申请人提供了一种焊盘的制作方法，焊盘形成在金属互连结构中金属区的上方，金属互连结构包括层间介质层和设置在层间介质层中的金属区，如图1所示，在金属区上方形成焊盘的步骤包括：对金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙化表面；以及在粗糙化表面上形成焊盘。
在金属互连结构的金属区上形成焊盘的步骤之前，先对金属区的上表面进行粗糙化处理，能够形成粗糙化表面。在该粗糙化表面上形成焊盘，有利于增加焊盘与金属区之间的“铰合力”，从而有利于提高二者之间的粘接力。在后期的封装过程中，这种较高的粘结力有利于防止焊盘在机械应力或热应力的作用下从金属区上剥离。
本申请上述的制备方法适用于任意的半导体器件。优选地，如图2所示，半导体器件的金属互连结构200中的金属区包括：底层金属层210、顶层金属层230和一层或多层中间金属层220，底层金属层210与前道工序结构100直接接触；顶层金属层230位于金属层200远离前道工序结构100的最上方；中间金属层220位于底层金属层210和顶层金属层230之间；其中，底层金属层210和靠近底层金属层210的中间金属层220之间，各层中间金属层220之间，及顶层金属层230和靠近顶层金属层230的中间金属层220之间通过接触孔201相连；焊盘300形成在顶层金属层230的上方。此外，各金属层间设置有层间介质层240。为将金属互连结构220进行隔离，在金属互连结构220的周围也设置有介质层。焊盘300形成在顶层金属层230上方，为对金属互连结构200进行进一步隔离，在焊盘300的周围设置有钝化层310.
实际制作的过程中，在对金属区进行粗糙化处理的步骤中，为了提高可操作性，优选选用喷砂处理或化学机械研磨的方法对金属区进行粗糙化处理，用以形成粗糙化表面。喷砂处理是采用压缩空气为动力，利用所形成的高速喷射束将砂料高速喷射至金属区表面，使其形成粗糙化表面。而化学机械研磨是使金属区表面在一定的压力下与磨料发生相对运动，从而使金属区实现表面粗糙化。
在不影响金属互连结构导电性的基础上，金属顶层的粗糙度越高，其与焊盘之间的粘接力越高。在一种优选的实施方式中，上述粗糙化处理的步骤中形成粗糙度为0.01～0.1μm的粗糙化表面。该粗糙度下，有利于在不影响金属互连结构导电性的基础上，使其与焊盘具有较高的粘结力。
在对上述金属区进行喷砂处理时，根据所需要的粗糙度，即可调节具体的喷砂工艺。一种优选的实施方式中，该喷砂处理中的喷砂强度为10～100psi，喷砂时间为5～500s。将喷砂强度设置为上述范围，有利于防止喷砂强度过高对金属互连结构造成伤害，同时有利于避免强度过低引起的粗糙化时间过长。
上述喷砂处理时，将金属区的上表面的粗糙度处理至上述范围，即可在一定程度上增加金属区与焊盘之间的粘结力。在一种更为优选的实施例中，上述喷砂处理的步骤中，采用粒径为150～500μm、刚度系数为6～8的砂料。砂料尺寸越大，粗糙化的效率越高，但同时会造成粗糙化程度不易控制的问题。将砂料的粒径设置为上述范围，有利于较为精确地控制表面的粗糙化程度。而喷砂处理时所采用的砂料。只要其具有比金属区的金属更高的硬度即可，优选该砂料为石英砂。石英砂的成分为二氧化硅，选用石英砂作为喷砂处理的砂料，能够避免向半导体中引入其他的杂质元素，从而影响半导体的使用性能。
值得注意的是，上述所指的石英砂应为精纯石英砂，其本身的污染杂质较少。更为优选的实施方式中，上述石英砂的刚度系数为6～8，更优选为7。过高的刚度容易造成金属区表面的过度粗糙化，上述刚度范围内的石英砂相比其他刚度的石英砂而言，更有利于精确控制金属区表面的粗糙度。此外，优选采用球形的石英砂，这更有利于控制金属区的粗糙度，同时还有利于防止在金属区表面引入较为尖锐的毛刺状突起，从而影响半导体的电性能。
本申请上述的方法中，利用化学机械研磨法对金属区表面进行粗糙化处理时，具体的研磨工艺也可以根据所需要的表面粗糙度进行调整。在一种优选的实施方式中，上述化学机械研磨处理的步骤中，研磨压力为0.1～2.0psi，研磨时间为10～60s。研磨压力越大、研磨时间越长，所形成的粗糙化表面的粗糙度越高。相反地，研磨压力越小、研磨时间越短，所形成的粗糙化表面的粗糙度越低。
上述化学机械研磨过程中，所采用的磨料可以是常规化学机械研磨处理时所采用的磨料，同时，研磨浆的流速及所采用的研磨垫底上的钻石粒径也可以根据所需要的粗糙度进行调整。一种较为优选的实施方式中，上述化学机械研磨处理的步骤中，钻石的粒径为1～300μm，研磨浆流速为10～1000ml/min。钻石粒径越大、研磨浆的流速越快，所形成的粗糙化表面的粗糙度越高。相反地，钻石粒径越小、研磨浆的流速越慢，所形成的粗糙化表面的粗糙度越低。
本申请上述的方法中，将金属区的上表面进行上述粗糙化处理后，所形成的粗糙化表面与后期所形成的焊盘之间的粘结力能够有较大提高。这就有利于后期封装过程中避免焊盘在引线的机械应力或热应力等的作用下从金属互连结构中脱落，从而导致半导体器件使用性能下降。而在上述方法的一种更为优选的实施方式中，在对金属区的上表面进行粗糙化处理的步骤之后，还包括对所形成的粗糙化表面进行清洗的步骤。在粗糙化表面的过程中，不可避免地会向金属区表面引入一些磨料、化学试剂等杂质，同时，还会产生一些金属屑。将粗糙化表面进行清洗，有利于去除表面的这些杂质，进而有利于保证所得到的半导体器件的使用性能。而在清洗的步骤中，优选清洗剂为去离子水，清洗时间为10～60s。
本申请上述的方法中，只要对金属互连结构的金属区进行表面粗糙化处理，就能够改善金属区与焊盘之间的粘结力。而这种改善金属区与焊盘直间粘结力的方法使用与任意的金属互连结构和焊盘。一种更为优选的实施方式中，上述金属互连结构为铜金属互连结构，焊盘为铝焊盘。相比于其他金属互连结构，这种铜金属互连结构的电阻率较低、导电性更好。同时，其在电迁移、RC延迟和可靠性等方面也具有更大优势。而对于与铜互连结构相连的焊盘结构而言，因其具有相对较大的尺寸，在兼顾器件性能与制作成本的情况下，通常采用金属铝作为制作焊盘的主要金属。
同时，在本申请中金属区适用于任意的金属区结构，例如采用双镶嵌工艺形成的铜金属互连结构中的金属区，又例如采用铜/低K工艺形成的金属互连结构中的金属区。在本申请中只要对该金属区的顶层金属层进行处理即可。
另外，本申请申请人还提供了一种半导体器件，包括焊盘结构，其中，该焊盘结构即由上述的述的方法制作而成。利用上述的方法所制备的半导体器件，其金属互连结构的金属区与焊盘之间具有更高的粘结力。在半导体制作的后端工序中，对其进行封装时，这种较高的粘结力有利于防止焊盘在引线的机械应力或热应力等的作用下从金属互连结构的金属区上剥离甚至脱落，从而有利于保证半导体器件的使用性能。
下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。
实施例1
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用喷砂处理的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.01的粗糙化表面。具体的处理工艺为：以刚度为8、平均粒径为150μm的球形石英砂为砂料，在喷砂强度为10psi的条件下处理500s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为60s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例2
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用喷砂处理的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.1的粗糙化表面。具体的处理工艺为：以刚度为7、平均粒径为400μm的球形石英砂为砂料，在喷砂强度为100psi的条件下处理5s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘，清洗时间为10s；
封装得到半导体器件。
实施例3
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用喷砂处理的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.01的粗糙化表面。具体的处理工艺为：以刚度为6、平均粒径为500μm的不规则石英砂为砂料，在喷砂强度为10psi的条件下处理500s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为30s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例4
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用喷砂处理的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.008的粗糙化表面。具体的处理工艺为：以刚度为5、平均粒径为500μm的球形石英砂为砂料，在喷砂强度为8psi的条件下处理3s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例5
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用化学机械研磨的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.05的粗糙化表面。具体的处理工艺为：采用平均粒径为300μm的球形石英砂作为研磨浆中的磨料，研磨浆的浓度为20wt％，流速为1000ml/min，研磨垫中的钻石粒径为1μm，研磨压力为2.0psi，研磨时间为10s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为30s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例6
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用化学机械研磨的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.08的粗糙化表面。具体的处理工艺为：采用平均粒径为300μm的球形石英砂作为研磨浆中的磨料，研磨浆的浓度为20wt％，流速为10ml/min，研磨垫中的钻石粒径为300μm，研磨压力为0.1psi，研磨时间为60s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为30s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例7
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用化学机械研磨的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.2的粗糙化表面。具体的处理工艺为：采用平均粒径为300μm的球形石英砂作为研磨浆中的磨料，研磨浆的浓度为20wt％，流速为200ml/min，研磨垫中的钻石粒径为200μm，研磨压力为3psi，研磨时间为70s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为30s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
实施例8
本实施例提供了一种焊盘的制作方法，包括以下步骤：
采用化学机械研磨的方法对铜金属互连结构的金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙度为0.2的粗糙化表面。具体的处理工艺为：采用平均粒径为300μm的球形石英砂作为研磨浆中的磨料，研磨浆的浓度为20wt％，流速为5ml/min，研磨垫中的钻石粒径为400μm，研磨压力为3psi，研磨时间为70s；
以去离子水清洗上述粗糙化表面，清洗时间为30s；
在上述粗糙化表面上形成铝焊盘；
封装得到半导体器件。
对比例1
本对比例提供了一种现有的焊盘制作方法，包括以下步骤：
提供金属互连结构，在金属区上方形成铝焊盘，封装得到半导体器件。
对上述实施例1至8和对比例1中的半导体器件进行斜坡电压(Vramp)测试和漏电流测试，以表征焊盘与金属区的粘结性能。
Vramp测试方法为：在半导体器件的引线和金属互连结构上施加斜坡电压，直至击穿，此时所施加的电压即为击穿电压；
漏电流测试方法为：在半导体器件的引线和金属互连结构上施加测试电压，测试电压从0V至30V，每次增加1V；同时测量金属互连结构金属区和焊盘之间的漏电流，并取平均值；测试结果如表1所示：
表1
| 漏电流(平均值/A) | 斜坡击穿电压(V) | |
| 实施例1 | 2.5×10-9 | 4.23 |
| 实施例2 | 2.3×10-9 | 4.25 |
| 实施例3 | 3.1×10-9 | 4.17 |
| 实施例4 | 3.5×10-9 | 4.15 |
| 实施例5 | 2.6×10-9 | 4.22 |
| 实施例6 | 2.4×10-9 | 4.23 |
| 实施例7 | 3.2×10-9 | 4.18 |
| 实施例8 | 3.6×10-9 | 4.16 |
| 对比例1 | 7.8×10-8 | 4.01 |
从表1可以看出，实施例1至8得到的半导体器件中金属区和焊盘之间的漏电流在2.5×10-9～3.6×10-9之间，低于集成电路工业标准的5×10-8A，符合设计要求。而对比例1得到的互连层的漏电流为7.8×10-8A，大于集成电路工业标准的5×10-8A；
而从表1还可以看出，对比例1得到的半导体器件的斜坡击穿电压为4.02V，低于工业标准的4.14V。实施例1至8得到的半导体器件的斜坡击穿电压在4.14～4.25V之间，超过了工业标准的4.14V。
从以上的描述和数据中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
通过对金属互连结构的金属区进行表面粗糙化处理，有利于提高金属区与焊盘之间的粘结力，从而有利于防止封装过程中焊盘在引线的机械应力或热应力等的作用下从金属区上剥离甚至脱落的问题，进而有利于保证半导体器件的使用性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种焊盘的制作方法，所述焊盘形成在金属互连结构中金属区的上方，所述金属互连结构包括层间介质层和设置在所述层间介质层中的金属区，其特征在于，在所述金属区上方形成所述焊盘的步骤包括：
对金属互连结构中金属区的上表面进行粗糙化处理，形成粗糙化表面；以及
在所述粗糙化表面上形成所述焊盘。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属互连结构中所述金属区包括：
底层金属层，与前道工序结构直接接触；
顶层金属层，位于所述金属层的上方；以及
一层或多层中间金属层，位于所述底层金属层和所述顶层金属层之间；
其中，所述底层金属层和靠近所述底层金属层的中间金属层之间，各层所述中间金属层之间，及所述底层金属层和靠近所述顶层金属层的中间金属层之间通过接触孔相连；
所述焊盘形成在所述顶层金属层的上方。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述金属区的上表面进行粗糙化处理的步骤包括：
对所述金属区的上表面进行喷砂处理以形成所述粗糙化表面；或者，
对所述金属区的上表面进行化学机械研磨处理以形成所述粗糙化表面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述粗糙化处理的步骤中形成粗糙度为0.01～0.1μm的所述粗糙化表面。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述喷砂处理的步骤中，喷砂强度为10～100psi，喷砂时间为5～500s。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述喷砂处理的步骤中，采用粒径为150～500μm，刚度系数为6～8的砂料。
7.根据权利要求3所述的方法中，其特征在于，所述化学机械研磨处理的步骤中，研磨压力为0.1～2.0psi，研磨时间为10～60s。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述化学机械研磨处理的步骤中，钻石的粒径为1～300μm，研磨浆流速为10～1000ml/min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述金属区的上表面进行粗糙化处理的步骤之后，还包括对所形成的所述粗糙化表面进行清洗的步骤；所述清洗的步骤中，清洗剂为去离子水，清洗时间为10～60s。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属互连结构为铜金属互连结构，所述焊盘为铝焊盘。
11.一种半导体器件，包括焊盘结构，其特征在于，所述焊盘结构由权利要求1至10中任一项所述的方法制作而成。
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