CN105355566A

CN105355566A - 焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法

Info

Publication number: CN105355566A
Application number: CN201410414953.2A
Authority: CN
Inventors: 严凯; 钟鑫生; 张英男; 李斌生
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-08-21
Filing date: 2014-08-21
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-08-21
Also published as: CN105355566B

Abstract

本申请提供了一种焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法。该表面处理方法包括以下步骤：对焊盘进行表面氧化处理；对表面氧化处理后的焊盘进行湿法清洗。该焊盘制作方法包括：在具有互连金属层的衬底上沉积焊盘材料薄膜；刻蚀该焊盘材料薄膜形成焊盘；对该焊盘进行表面灰化处理；按照本申请提供的表面缺陷去除方法对焊盘的表面进行表面缺陷去除；对焊盘的表面进行湿法清洗处理。通过该制作方法所得到的焊盘表面上的缺陷得以减少，进而有利于提高后续引线键合的强度和芯片的封装效果。

Description

焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法

技术领域

本申请涉及半导体集成电路制作技术领域，更具体地，涉及一种焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法。

背景技术

芯片焊盘将芯片的输入/输出端(引脚)与外部器件、电路连接起来，是沟通芯片内部世界与外部电路的重要桥梁。随着集成电路上晶体管及电路密度的增大，芯片上的输入/输出引脚从几十根逐渐增加到几百根，甚至可能达到2000多根。因此，芯片焊盘是半导体器件极为重要的连接构件，焊盘的质量直接影响引线连接等封装工艺，甚至还会影响芯片运行速度以及半导体器件的各项性能。

在现有技术中，焊盘的制作通常有两种方法。一种方法是采用物理气相沉积(PVD)工艺在已形成互连金属层的晶圆表面形成焊盘材料薄膜层，接着采用光刻工艺和蚀刻工艺形成焊盘，然后对焊盘进行灰化处理，以去除光刻胶，再对焊盘进行湿法清洗形成焊盘。另一种方法是在已形成互连金属层的晶圆表面上涂上光刻胶，用具有焊盘图形的掩膜对导电层进行光刻和刻蚀，形成焊盘的图形，然后采用物理气相沉积工艺沉积焊盘材料薄膜层，最后在焊盘上形成聚酰亚胺保护层。

焊盘在制造以及与金属互连线的连接过程中会在焊盘上引入缺陷，例如，焊盘松动，焊盘晶格损伤，焊盘表面引入杂质及凹坑等。下面将以凹坑缺陷为例，具体阐明焊盘缺陷的形成过程：因为金属互连线需要与焊盘之间形成相连，所以互连线材料的原子会扩散到焊盘材料的晶界处，结晶形成细小的晶粒；因为焊盘制作过程中通常需要采用湿法清洗工艺来清洗焊盘的表面，以除去光刻胶或者制备工艺中残留的其他杂质，所以在清洗过程中细小的晶粒会与清洗溶液发生化学反应，导致细小的晶粒被腐蚀掉，从而在焊盘上留下了凹坑形成凹坑缺陷。焊盘上的凹坑也是目前焊盘制造工艺中最常见的缺陷之一。图1示出了现有焊盘的制作方法得到的焊盘表面电镜图，从该电镜图中可以看出，焊盘上不但存在较大尺寸的凹陷，也存在许多尺寸较小的凹陷。

焊盘存在上述缺陷后，会对焊盘的导电性和可靠性造成负面影响。例如，焊盘表面存在的凹坑会造成焊盘与引线键合的强度变低，使得引线与焊盘接触不良，芯片与外部电路的电流输入输出不够稳定，甚至造成芯片不能正常使用。

发明内容

本申请旨在提供一种焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法，以减少焊盘表面上的缺陷。

本申请提供了一种焊盘的表面处理方法，该焊盘与互连金属层键合，该表面处理方法包括以下步骤：对焊盘进行表面氧化处理；对表面氧化处理后的焊盘进行湿法清洗。

进一步地，上述表面处理方法中，表面氧化处理的步骤包括：将氧气和氮气形成的混合气体送入真空等离子腔体中；电离该混合气体，生成氧等离子体；将氧等离子体与焊盘表面进行接触。

进一步地，上述表面处理方法中，混合气体中氮气和氧气的体积比在1：10～2000的范围内。

进一步地，上述表面处理方法中，氧气的体积流量为2000～10000毫升/分钟。

进一步地，上述表面处理方法中，氮气的体积流量为5～200毫升/分钟。

进一步地，上述表面处理方法中，采用射频电离混合气体从而生成氧等离子体，射频的感应功率为50～2500瓦。

进一步地，上述表面处理方法中，表面氧化处理的温度为250℃～320℃，表面氧化处理的时间为40～100秒。

进一步地，上述表面处理方法中，将氧等离子体与焊盘表面进行接触后，形成的氧化处理层厚度不小于

进一步地，上述表面处理方法中，湿法清洗所采用的溶剂为氨水和双氧水的混合物。

本申请还提供了一种焊盘的制作方法，该制作方法包括：在具有互连金属层的衬底上沉积焊盘材料薄膜；刻蚀焊盘材料薄膜形成焊盘；对焊盘进行表面灰化处理；按照本申请提供的表面处理方法对焊盘的表面进行处理。

应用本申请提供的技术方案，通过对焊盘进行表面氧化处理，将从互连金属层扩散到焊盘中的金属晶粒进行氧化，使得金属晶粒不会被后续的湿法清洗所腐蚀去除，从而减少了焊盘表面上由于金属晶粒被去除所产生的缺陷，进而有利于提高后续引线键合的强度和芯片的封装效果。

附图说明

附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本申请，附图示出了本申请的优选实施例，并与说明书一起用来说明本申请的原理。图中：

图1示出了根据现有焊盘的制作方法得到的焊盘表面的电镜图；

图2示出了本申请提供的焊盘的表面处理方法的流程示意图；

图3示出了本申请提供的焊盘的制作方法的流程示意图；以及

图4示出了根据本申请提供的焊盘的制作方法得到的焊盘表面的电镜图。

具体实施方式

下面，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施例。然而，这些示例性实施例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例。应当理解的是，提供这些实施例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例的构思充分传达给本领域普通技术人员。但是本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

由背景技术可知，现有焊盘的表面存在凹坑等缺陷，本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种焊盘的表面处理方法及焊盘的制作方法。该焊盘与互连金属层键合，如图2所示，该表面处理方法包括以下步骤：对焊盘进行表面氧化处理；对表面氧化处理后的焊盘进行湿法清洗。该表面处理方法通过对焊盘进行表面氧化处理，将从互连金属层扩散到焊盘中的金属晶粒进行氧化，使得金属晶粒不会被后续的湿法清洗所腐蚀去除，从而减少了焊盘表面上由于金属晶粒被去除所产生的缺陷，进而有利于提高后续引线键合的强度和芯片的封装效果。

在一种优选的实施方式中，上述表面氧化处理的步骤包括：将氧气和氮气形成的混合气体送入真空等离子腔体中；电离该混合气体，生成氧等离子体；将氧等离子体与焊盘表面进行接触。上述去除方法通过对焊盘进行表面氧化处理，将扩散到焊盘中的金属晶粒进行氧化，使得金属晶粒不会被后续的湿法工艺腐蚀，从而解决了焊盘中表面缺陷的问题。

为了使本领域技术人员更好地理解本申请，现在，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。

首先，将氧气和氮气形成的混合气体送入真空等离子腔体中。在本申请提供的一个具体实施方式中，该步骤包括：将载有焊盘的芯片放在等离子腔体中；抽真空，然后将氧气以及氮气送入等离子腔体中。其申请人发现，氮气的加入非常有利于氧气发生电离，是氧气电离生成等离子体的“催化剂”。优选地，混合气体中氮气和氧气的体积比在1：10-2000的范围内，将氮气与氧气的体积比控制在上述范围内可使得氮气充分发挥催化作用，加快氧气的电离。在具体实施方式中，可将氧气的体积流量控制在2000-10000毫升/分钟的范围内，可将氮气的体积流量控制在5-200毫升/分钟的范围内，在此范围内的氧气机氮气流量表现出了更好的氧化处理效果。

然后，对上述混合气体进行电离，生成氧等离子体。混合气体中的N₂当然也会被电离，它的作用是作为O₂电离化的催化剂。进行气体电离的方法可以采用本领域常规的电离方法。在本申请所提供的具体实施方式中，采用射频电离混合气体。按照预先设定的工艺，将射频波施加到等离子腔体中，使得导入的氧气以及氮气发生电离，从而生成氧等离子体。在本申请提供的一个具体实施方式中所采用的射频感应功率为50-2500瓦，当然，功率可以根据制程需要来选择，过低可能导致电离程度不够达不到预期的效果，太大了也容易有PID(plasmainduceddamage)的风险。

最后，电离后生成的氧等离子体与焊盘表面进行接触。优选的，氧化处理的时间为40-100秒，氧化处理层厚度至少为厚度过小的话，processwindow有可能不够大。优选地，氧等离子体与焊盘表面的接触是在一定温度下进行的。更优选地，氧化处理的温度为250℃-320℃，该氧化处理的温度即为真空离子腔内的温度。申请人发现在此温度下，不但氧等离子体能够很好地渗入到焊盘表面，发生的氧化反应比较深入，可以氧化处于焊盘内部的金属晶粒，而且申请人还意外地发现在此温度下进行氧化反应还可以进一步修复焊盘的部分晶格损伤。

完成上述步骤后，由于扩散进入焊盘的互连金属被氧化成金属氧化物，而湿法清洗不能腐蚀金属氧化物，因此，扩散进入焊盘的互连金属以氧化物的形式稳定地存在，从而避免了焊盘表面凹坑缺陷的产生。

另外，本申请还提供了一种焊盘的制作方法。如图3所示，该方法包括：在具有互连金属层的衬底上沉积焊盘材料薄膜；刻蚀焊盘材料薄膜形成焊盘；对焊盘进行表面灰化处理；按照本申请提供的表面处理方法对焊盘的表面进行处理。本申请所提供的焊盘制作方法中，其他步骤均为现有焊盘制作方法所采用的常规技术，只是利用了本申请所提供的焊盘表面缺陷去除方法增加了对焊盘表面进行处理的工艺。经过上述处理后，所制备的焊盘表面上凹坑等表面缺陷得以减少，有利于提高后续引线键合的强度和芯片的封装效果。

对焊盘进行表面灰化处理的目的是去除焊盘表面的光刻胶。表面灰化处理的方式可以采用本申请常见的灰化工艺，在一种优选的实施方式中，采用氧等离子体进行表面灰化处理。上述工艺为本领域中现有技术，在此不再赘述。

对焊盘表面进行湿法清洗处理的目的是去氧化过程中产生的物质，比如有机物等。采用清洗溶液可以是由氨水和双氧水形成的混合物。优选地，NH₄OH、H₂O₂和H₂O的体积比为1:2:50。上述湿法清洗的方式可以为旋转喷淋发或浸泡法等，上述工艺为本领域中现有技术，在此不再赘述。

以下将以铝焊盘和铜线互连为例，进一步说明本申请所提供的焊盘表面缺陷去除方法及焊盘制作方法。但是，本申请所提供的焊盘缺陷去除方法及焊盘制作方法并不仅仅限于铝焊盘和铜线互连，现有产业中常见的焊盘及金属互连都适用于本申请。

实施例1

提供包含互连金属层的衬底；通过物理气相沉积工艺沉积铝薄膜；光刻和刻蚀铝薄膜，形成铝焊盘；采用氧等离子体去除铝焊盘表面的光刻胶，进行表面灰化处理；铝焊盘表面进行表面处理，将由互连线扩散进入铝焊盘中的铜氧化，生成CuxOy；以氨水和双氧水的混合物为溶剂，对铝焊盘表面进行清洗，其中NH₄OH、H₂O₂和H₂O的体积比为1:2:50。

本实施例所提供的铝焊盘表面处理包括：将载有铝焊盘的芯片放在等离子腔体中；抽真空，然后将氧气以及氮气送入等离子腔体中；按照预先设定的工艺，将射频波施加到等离子腔体中，使得导入的氧气和氮气发生电离，从而生成等离子体；在一定的温度下，氧等离子体与焊盘表面相接触，并扩散到焊盘里面至一定的深度。优选地，本实施例中氧气和氮气流量、温度、压力、射频时间、功率等具体参数在整个缺陷去除处理过程中的变化请见表1。

表1

操作步骤	步骤1	步骤2	步骤3	步骤4
					压力(mT)	8000	600	650	10000
射频时间(sec)	0	2	60	2
					间隔时间(sec)	15	8	0	0
功率(W)	50	600	2500	1500
					温度(℃)	275	275	275	275
O₂流量(sccm)	8000	2000	9500	8000
					N₂流量(sccm)	200	200	0	0

对比例1

提供包含互连金属层的衬底；通过物理气相沉积工艺沉积铝薄膜，铝薄膜的厚度为；光刻和刻蚀铝薄膜，形成铝焊盘；采用氧等离子体去除铝焊盘表面的光刻胶，进行表面灰化处理；以氨水为溶剂，对铝焊盘表面进行湿法清洗处理，制备得到铝焊盘。

采用FIB-SEM观察实施例1和对比例1制备的铝焊盘表面的微观结构，其步骤包括：将载有铝焊盘的芯片放入聚焦离子束机台，用聚焦离子束切割制备铝焊盘样品；控制聚焦离子束，利用电子束扫描电子显微镜观察铝焊盘表面的微观形貌并拍照。

图1示出了对比例1制备的焊盘表面的SEM图像。从图中可以看出，在铝晶粒之间的晶界上随机性地分布着很多凹坑，这些凹坑呈”长条”状，凹坑的深度为120纳米左右。在后续的引线连接过程中，这些凹坑的存在会使得焊盘与引线的连接不够紧密，在封装过程中容易造成引线松动，进而导致芯片与外部电路的数据输入输出不够稳定。在现有的焊盘制造过程中，焊盘上的凹坑缺陷是普遍性存在的，为芯片的质量留下了较大的隐患。

图4示出了实施例1制备的铝焊盘表面的SEM图像。从图中可以看出，铝焊盘表面十分平整，没有凹坑缺陷。检测结果表明，本申请提供的焊盘凹坑缺陷处理方法达到了预期结果，所述方法只是在原有工艺中增加了一个氧化处理过程，有利于迅速产业化应用，并且不会增加很多成本。需要说明的是，本实施例只是其中一种工艺参数，在本申请范围的不同工艺参数，制备出的焊盘表面均无凹坑缺陷。

从以上实施例可以看出，本申请上述的实例实现了如下技术效果：

(1)通过对焊盘进行表面氧化处理，将从互连金属层扩散到焊盘中的金属晶粒进行氧化，使得金属晶粒不会被后续的湿法清洗所腐蚀去除，从而减少了焊盘表面上由于金属晶粒被去除所产生的缺陷。

(2)本申请提供的焊盘制造方法只是在原有工艺中增加了一个氧化处理过程，有利于迅速产业化应用，并且不会增加很多成本。

(3)通过本申请提供的焊盘制造方法得到的焊盘表面十分平整，有利于提高后续引线键合的强度和芯片的封装效果。

以上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一。

Claims

1.一种焊盘的表面处理方法，所述焊盘与互连金属层键合，其特征在于，所述表面处理方法包括以下步骤：

对所述焊盘进行表面氧化处理；

对所述表面氧化处理后的所述焊盘进行湿法清洗。

2.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述表面氧化处理的步骤包括：

将氧气和氮气形成的混合气体送入真空等离子腔体中；

电离所述混合气体，生成氧等离子体；

将所述氧等离子体与所述焊盘表面进行接触。

3.根据权利要求2所述的表面处理方法，其特征在于，所述混合气体中氮气和氧气的体积比在1：10～2000的范围内。

4.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述氧气的体积流量为2000～10000毫升/分钟。

5.根据权利要求3所述的表面处理方法，其特征在于，所述氮气的体积流量为5～200毫升/分钟。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的表面处理方法，其特征在于，采用射频电离所述混合气体从而生成所述氧等离子体，所述射频的感应功率为50～2500瓦。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的表面处理方法，其特征在于，所述表面氧化处理的温度为250℃～320℃，所述表面氧化处理的时间为40～100秒。

8.根据权利要求2所述的表面处理方法，其特征在于，将所述氧等离子体与所述焊盘表面进行接触后，形成的氧化处理层厚度不小于100?。

9.根据权利要求1所述的表面处理方法，其特征在于，所述湿法清洗所采用的溶剂为氨水和双氧水的混合物。

10.一种焊盘的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

在具有互连金属层的衬底上沉积焊盘材料薄膜；

刻蚀所述焊盘材料薄膜形成焊盘；

对所述焊盘进行表面灰化处理；

按照权利要求1至9中任一项所述的表面处理方法对所述焊盘的表面进行处理。