CN105826183B - 减少焊盘结构结晶缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，通过对位于焊盘凹槽底部的稀薄而疏松的自然氧化物层进行处理后以进一步疏松或去除该自然氧化物层后，向焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射该氧气以形成臭氧环境，臭氧与顶部金属层暴露的表面发生反应以在位于焊盘凹槽底部的顶部金属层表面生成金属氧化物层，且该金属氧化物层的厚度大于自然氧化物层的厚度，由于该金属氧化物层对焊盘结构表面的保护作用，刻蚀钝化层后残留的氟离子无法穿透该金属氧化物层，从而有效减少了焊盘结构的结晶缺陷，进而提升了器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法。
背景技术
随着芯片集成度的增加和尺寸的减小，对焊盘(PAD)质量的要求也越来越高，而在采用含氟的刻蚀气体对焊盘结构中的钝化层进行刻蚀后会产生聚合物，虽然在后续的光阻去除工艺中会去除一部分的聚合物，但仍会有部分聚合物残留在焊盘结构上，而残留在焊盘结构上的氟离子也会混杂在聚合物中，残留的氟离子穿过稀薄而疏松的自然氧化物层与焊盘结构表面的金属发生反应形成金属氟化物，即焊盘结构的结晶缺陷；而焊盘结构的结晶缺陷是引起半导体后段封装工艺中键合失效的主要原因之一。
目前，一般采用减少氟离子的残留量以减少焊盘结构的结晶缺陷，但是由于氟离子很难去除且不可能完全去除，因此采用这种方式并不能有效减少焊盘结构形成结晶缺陷。
因此如何找到一种有效减少焊盘结构结晶缺陷的方法成为本领域技术人员致力研究的方向。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明公开一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，以克服现有技术中焊盘结构的结晶缺陷会引起半导体后段封装工艺中键合失效的问题。
为了实现上述目的，本申请记载了一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，包括如下步骤：
提供一表面设置有顶部金属层的衬底；
制备一钝化结构覆盖所述顶部金属层的上表面及其侧壁和所述衬底裸露的表面；
部分刻蚀所述钝化结构至所述顶部金属层表面以形成焊盘凹槽，并在位于所述焊盘凹槽底部的顶部金属层暴露的表面形成自然氧化层；
采用氩轰击的方法对所述自然氧化物层进行预处理工艺疏松该自然氧化物层，使所述自然氧化物层产生暴露所述顶部金属层的空隙，在臭氧环境中形成覆盖位于所述焊盘凹槽底部的顶部金属层暴露的表面以及残留的所述自然氧化物层的金属氧化物层；
其中，所述金属氧化物层的厚度大于所述自然氧化物层的厚度。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，所述方法还包括：对所述自然氧化物层进行预处理工艺以去除或疏松该自然氧化物层。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，采用氩轰击的方法对所述自然氧化物层进行预处理工艺以疏松该自然氧化物层。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，对所述自然氧化物层进行预处理工艺后，向所述焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射该氧气以形成所述臭氧环境。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，采用含氟的刻蚀气体部分刻蚀所述钝化结构至所述顶部金属层表面以形成焊盘凹槽的过程中产生聚合物，所述聚合物附着在所述焊盘凹槽的内表面，且刻蚀后残留的氟离子混杂在所述聚合物中。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，所述钝化层结构包括钝化层和阻挡层，所述阻挡层覆盖所述顶部金属层的上表面，所述钝化层覆盖所述衬底裸露的表面、所述顶部金属层的侧壁以及所述阻挡层的上表面及其侧壁。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，所述阻挡层的材质为钛或氮化钛。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，所述钝化层的材质为二氧化硅或氮化硅。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，采用高密度等离子体化学气相沉积的方法沉积所述钝化层。
上述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其中，所述顶部金属层的材质为Al。
综上所述，本发明公开的一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，通过对位于焊盘凹槽底部的稀薄而疏松的自然氧化物层进行处理后以进一步疏松或去除该自然氧化物层后，向焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射该氧气以形成臭氧环境，臭氧与顶部金属层暴露的表面发生反应以在位于焊盘凹槽底部的顶部金属层表面生成金属氧化物层，且该金属氧化物层的厚度大于自然氧化物层的厚度，由于该金属氧化物层对焊盘结构表面的保护作用，刻蚀钝化层后残留的氟离子无法穿透该金属氧化物层，从而有效减少了焊盘结构的结晶缺陷，进而提升了器件的性能。
具体附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1-7是本发明实施例中减少焊盘结构结晶缺陷的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
图1-7是本发明实施例中减少焊盘结构结晶缺陷的方法的流程示意图，如图1-7所示：
本实施例涉及一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供一表面具有顶部金属层2的衬底1；该衬底1上已形成有半导体器件结构(图中未示出)，对于不同的工艺，该衬底1上已形成的半导体器件结构不同，由于本发明不涉及该部分的改进，在此便不予赘述，如图1所示的结构。
其中，上述顶部金属层2的材质优选Al(铝)。
步骤S2，制备钝化结构3覆盖上述衬底1裸露的表面、上述顶部金属层2的上表面及其侧壁；在本发明的实施例中，上述钝化结构3包括钝化层(图中未示出)和阻挡层(图中未示出)，该阻挡层覆盖顶部金属层2的上表面，钝化层覆盖衬底1裸露的表面、顶部金属层2的侧壁以及阻挡层的上表面及其侧壁，如图2所示的结构。
优选的，上述钝化层的材质为二氧化硅或氮化硅。
优选的，上述阻挡层的材质为钛或氮化钛。
具体的，在本发明的实施例中，先沉积一层阻挡层覆盖顶部金属层2的上表面，优选的，根据该阻挡层的材质选择沉积的具体工艺，当阻挡层的材质为钛时，采用物理气相沉积的方法沉积该阻挡层，当该阻挡层的材质为氮化钛时，采用原子沉积的方法沉积该阻挡层；然后再采用高密度等离子体化学气相沉积的方法沉积钝化层覆盖衬底裸露的表面、顶部金属层的侧壁以及阻挡层的表面及其侧壁。
步骤S3，采用含氟的刻蚀气体部分刻蚀上述钝化结构3至顶部金属层2表面以形成焊盘凹槽，上述顶部金属层2、剩余的钝化结构3＇构成焊盘结构，如图3所示的结构。
具体的，刻蚀上述钝化结构3形成焊盘凹槽的步骤包括：
首先，旋涂一层光刻胶覆盖上述钝化结构3的表面，经过曝光、显影后，形成具有焊盘凹槽图形的光阻(图中未示出)，然后以该光阻为掩膜采用含氟的刻蚀气体部分刻蚀上述钝化结构3以暴露上述顶部金属层2的部分表面，形成焊盘凹槽。
在实际的工艺中，采用含氟的刻蚀气体进行干法刻蚀工艺以部分刻蚀上述钝化结构3的过程中，会于刻蚀形成的焊盘凹槽内表面形成聚合物(polymer)，在进行光阻的去除工艺后，焊盘凹槽的侧壁角落仍会残留一些聚合物，且刻蚀后残留的氟离子很容易混杂在这些聚合物中。
在本发明的实施例中，若上述钝化结构3包括的钝化层和阻挡层，则可采用含氟的刻蚀气体按照从上至下的顺序依次刻蚀钝化层和阻挡层至顶部金属层2平面。
步骤S4，由于自然氧化作用，位于上述焊盘凹槽底部的顶部金属层2由于表面暴露在空气中而形成自然氧化物层4，这是由于位于上述焊盘凹槽底部的顶部金属层2的表面的金属与空气中的氧气发生氧化反应而于上述焊盘凹槽底部形成一层自然金属氧化物层，一般来说，该自然氧化物层是稀薄的且疏松的，若该顶部金属层2的材质为铝，则该自然氧化物层4为三氧化铝(Al2O3)，在形成该自然氧化物层4的过程中，残留的氟离子也可能会与顶部金属层暴露的表面发生反应形成结晶缺陷，但是由于时间较短，形成的结晶缺陷对半导体后段封装工艺的影响可以忽略，如图4所示的结构。
步骤S5，对上述自然氧化物层4进行预处理工艺。具体的，采用氩轰击(Ar+bombardment)的方法对自然氧化物层4进行处理以疏松该自然氧化物层4，经过氩轰击的方法处理过的自然氧化层4变得更加稀薄和疏松，形成剩余的自然氧化层4＇，如图5所示的结构。
在本发明的实施例中，直接采用干法刻蚀工艺去除该自然氧化物层4，使得后续形成的O3能够更加充分的与位于焊盘凹槽底部的顶部金属层2表面的金属发生反应。
具体的，根据工艺需求选择对上述自然氧化物层4进行预处理的工艺，只要能够让后续形成的O3能够与自然氧化物层4下方的顶部金属层2的顶部金属发生反应，从而能够生成符合工艺需求的金属氧化物层即可，在此便不予赘述。
在实际的工艺中，在对上述自然氧化物层4进行预处理工艺之后，残留氟离子也可能会与顶部金属层暴露的表面发生反应形成结晶缺陷，但是由于预处理工艺之后马上进行步骤S6，时间间隔较短，形成的结晶缺陷对半导体后段封装工艺的影响可以忽略，
步骤S6，继续向上述焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射(UV irradiation)进而以形成臭氧，即形成臭氧环境，臭氧与上述顶部金属层2暴露的表面发生反应以形成覆盖在位于焊盘凹槽底部的顶部金属层2暴露的表面的金属氧化物层5，且金属氧化物层5的厚度大于上述自然氧化物层4的厚度，如图6和图7所示的结构。
上述步骤S6中，氧分子(O2)吸收紫外线(UV)，分解成活泼的氧原子(O)：O2+UV→O+O，氧原子再与邻近的氧分子反应生成臭氧：O+O2→O3，然后臭氧再穿过剩余的自然氧化物层4＇(在对上述自然氧化物层4进行疏松的情况下)或者直接与位于上述焊盘凹槽底部的顶部金属层2发生氧化反应，生成一层金属氧化物层5，若该顶部金属层2的材质为铝，则Al+O3→Al2O3。
在本发明的实施例中，含氟的刻蚀气体在刻蚀钝化结构3形成焊盘凹槽后，仍有部分氟离子残留在焊盘结构上，极易穿过疏松的自然氧化层与位于焊盘凹槽底部的顶部金属层顶部的金属发生反应，形成金属氟化物，即形成焊盘结构的结晶缺陷，而本实施例中，由于形成了较厚的金属氧化物层，则氟离子无法穿过该金属氧化物层与位于焊盘凹槽底部的顶部金属层顶部的金属发生反应，且在该焊盘结构放置至进行半导体后段封装工艺时也不会再与残留的氟离子发生反应产生金属氟化物，从而减少了焊盘结构的结晶缺陷。
在完成本实施例的步骤之后，即采用本发明的方法后，从位于晶圆边缘的焊盘结构以及位于晶圆中心的焊盘结构中取样，例如，取一个位于晶圆边缘的焊盘结构和一个位于晶圆中心的焊盘结构进行成分检测得到的部分数据如下表所示：
| 位置(location) | C(At％) | O(At％) | F(At％) | Al(At％) |
| 中心(center) | 21.8 | 28.2 | 3.4 | 46.5 |
| 边缘(edge) | 22.3 | 27.3 | 3.5 | 46.8 |
而在完成传统技术的步骤后，取一个位于晶圆边缘的焊盘结构和一个位于晶圆中心的焊盘结构进行成分检测得到的部分数据如下表所示：
| 位置(location) | C(At％) | O(At％) | F(At％) | Al(At％) |
| 中心(center) | 23.8 | 25.5 | 3.2 | 47.4 |
| 边缘(edge) | 23.4 | 24.9 | 3.6 | 48.1 |
对采用本发明的方法后的焊盘结构进行抽样后的成分检测与采用传统技术的步骤后的焊盘结构进行抽样后的成分检测的O的含量进行对比，可以明显看出不管是位于晶圆边缘的还是中心的样品检测中本发明的方法得到的氧的含量高于传统技术，由此可知，本发明的方法形成的更多的金属氧化物。
综上所述，本发明公开的一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，通过对位于焊盘凹槽底部的稀薄而疏松的自然氧化物层进行处理后以进一步疏松或去除该自然氧化物层后，向焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射该氧气以形成臭氧环境，臭氧与顶部金属层暴露的表面发生反应以在位于焊盘凹槽底部的顶部金属层表面生成金属氧化物层，且该金属氧化物层的厚度大于自然氧化物层的厚度，由于该金属氧化物层对焊盘结构表面的保护作用，刻蚀钝化层后残留的氟离子无法穿透该金属氧化物层，从而有效减少了焊盘结构的结晶缺陷，进而提升了器件的性能。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一表面设置有顶部金属层的衬底；
制备一钝化结构覆盖所述顶部金属层的上表面及其侧壁和所述衬底裸露的表面；
部分刻蚀所述钝化结构至所述顶部金属层表面以形成焊盘凹槽，并在位于所述焊盘凹槽底部的顶部金属层暴露的表面形成自然氧化层；
采用氩轰击的方法对所述自然氧化物层进行预处理工艺疏松该自然氧化物层，使所述自然氧化物层产生暴露所述顶部金属层的空隙，在臭氧环境中形成覆盖位于所述焊盘凹槽底部的顶部金属层暴露的表面以及残留的所述自然氧化物层的金属氧化物层；
其中，所述金属氧化物层的厚度大于所述自然氧化物层的厚度。
2.如权利要求1所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，对所述自然氧化物层进行预处理工艺后，向所述焊盘凹槽底部通入氧气并采用紫外线照射该氧气以形成所述臭氧环境。
3.如权利要求1所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，采用含氟的刻蚀气体部分刻蚀所述钝化结构至所述顶部金属层表面以形成焊盘凹槽的过程中产生聚合物，所述聚合物附着在所述焊盘凹槽的内表面，且刻蚀后残留的氟离子混杂在所述聚合物中。
4.如权利要求1所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，所述钝化层结构包括钝化层和阻挡层，所述阻挡层覆盖所述顶部金属层的上表面，所述钝化层覆盖所述衬底裸露的表面、所述顶部金属层的侧壁以及所述阻挡层的上表面及其侧壁。
5.如权利要求4所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，所述阻挡层的材质为钛或氮化钛。
6.如权利要求4所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，所述钝化层的材质为二氧化硅或氮化硅。
7.如权利要求4所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，采用高密度等离子体化学气相沉积的方法沉积所述钝化层。
8.如权利要求1所述的减少焊盘结构结晶缺陷的方法，其特征在于，所述顶部金属层的材质为Al。
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