CN1211838C

CN1211838C - 制作焊垫的方法

Info

Publication number: CN1211838C
Application number: CN 02123313
Authority: CN
Inventors: 李秋德
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: CN1464529A

Abstract

本发明提供一种在一基底上制作焊垫的方法，该基底包括有一第一介电层及至少一第一导电层。首先于该基底表面形成一第二导电层，接着进行一热处理制作工艺(heat treatment process)，以于该第一及第二导电层中形成一第三导电层，同时完全氧化剩余的该第二导电层成一第二介电层。最后形成一第三介电层，并去除位于该第一导电层上方的各该介电层。

Description

制作焊垫的方法

技术领域

本发明涉及一种制作焊垫(bonding pad)的方法，特别是涉及一种利用一道合金制作工艺(alloy process)以及一道黄光暨蚀刻制作工艺(photo-etching-process，PEP)来制作自行对准焊垫(self align bonding pad)的方法。

背景技术

在集成电路的结构中，当每一个晶体管(transistor)或是存储单元(cell)被完成后，必须先分别被电连接至位于不同金属层的金属导线(metal line)，再经由各金属导线而被电连接至焊垫，等封装完成后，集成电路即可通过焊垫而被电连接至接脚(terminal)再与外部电路(external circuit)相电连接。在集成电路发展的初期，铝金属配合二氧化硅介电材料一直是业界在进行金属内连接(interconnect)设计时所采用的标准材料。这样的材料组合由于具有成熟的蚀刻技术支援，因此一直受到欢迎。然而近年来随着制作工艺线宽的缩小，集成电路技术进化到深次微米(deep sub-micron)世代，加上产品的速度要求等现实因素，铜制作工艺技术配合低介电常数材料作为金属之间的绝缘层也在蓬勃发展。因为铜金属具有比铝金属低约40％的电阻率，而低介电常数材料则可降低金属导线之间的电容效应，总体说来，可以有效降低电子信号传递时所产生的RC延迟(RC delay)，并大幅度增加产品运作效能(performance)。

然而，只是着重于金属内连接的材料组合，并不能使集成电路的质量发挥至极至。进入晶片允收测试(wafer acceptance test，WAT)以及包装制作工艺(packaging process)前的焊垫制作工艺，也对产品具有决定性的影响。在制作焊垫的过程中，不仅所选择的材料(material)非常具有影响性，所采取的制作工艺步骤也十分重要。前者对于元件的物理性质有直接的影响，后者中的一些合金制作工艺、清洗制作工艺(cleaning process)以及显影制作工艺(development process)，需要调整热处理制作工艺中的(heat treatment process)一些参数(parameter)，以及使用一些酸溶液(acid solution)和显影液(developer)，在处理时，也非常容易造成焊垫质量的劣化(degradation)。

在美国专利第6,228,753号中，Lo et al.曾提及焊垫的基本制造方法。请参阅图1至图4，图1至图4为现有技术中在一半导体晶片上制作一焊垫16的方法示意图。如图1所示，现有技术是先于一半导体晶片10的硅基底11上形成至少一导电物12，导电物12可能为一导电插塞(conductive plug)、一导线(metal line)、一金属内连线(metal interconnection)或一双镶嵌结构(dual damascence structure)导体，图1中是以一导电插塞为例。各导电物12设置于一介电层14之中，以被有效地电隔绝(electrically isolated)。且构成导电物12的材料包括有钨(tungsten，W)、铜(copper)、铝(aluminum)、铝铜合金(aluminum-copper-alloy)、或其他导电材料。接着在各导电物12之上形成一由铜所构成的焊垫16，再在半导体晶片10上形成一由硼磷硅玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)或是氮化硅(silicon nitride)所构成的护层(passivation layer)18，并暴露(expose)出部分的焊垫16。

如图2所示，接着在护层18以及焊垫16之上形成一牺牲层(sacrificiallayer)22，牺牲层22为一正光致抗蚀剂层(positive photoresist layer)，其厚度为3000～5000。再进行一包括有曝光(exposure)、显影(development)以及蚀刻(etching)等步骤的黄光制作工艺(photolithography process)，在牺牲层22中形成一直达焊垫16表面的开口(opening)23。值得注意的是，此黄光制作工艺中在进行完蚀刻步骤后，并来包括有一硬烤(hard bake)制作工艺，因此，牺牲层22与护层18间的附着力(adhesion ability)并不强。

随后如图3所示，利用蒸镀法(evaporation)或是电子束蒸镀法(E-beamevaporation，EBE)，在半导体晶片10上形成一厚度约为3000～6000，由铝铜合金(Al/Cu alloy)所构成的合金层24，覆盖住牺牲层22以及被暴露出来的焊垫16。

如图4所示，然后于一超音波清洁器(supersonic cleaner)中进行一超音波清洗制作工艺，将半导体晶片10置入一盛满去离子水(deionized water，DIwater)的超音波清洁器中，通过超音波震荡(vibration)而将牺牲层22以及部分的合金层24去除，只留下位于焊垫16之上的合金层24 。因为先前形成由正光致抗蚀剂层所构成的牺牲层22时，并未包括有一硬烤制作工艺，因此牺牲层22只是很松地附着(loosly adhere)在护层18之上，所以当牺牲层22被超音波震荡所移除时，位于牺牲层22之上的合金层24也同时被移除。而位于焊垫16上的合金层24与焊垫16之间并未存在有附着力不佳的牺牲层22，所以超音波震荡制作工艺并不会将焊垫16之上的合金层24移除。

现有技术中制作焊垫的方法，虽然已利用合金制作工艺来制作一层铝铜合金层，以随着铝铜合金与其他金属的合金相(alloy phase)较多，来增进焊垫16于构装时的焊接能力(bonding ability)。同时清洁制作工艺以及显影制作工艺也尽量被减少，并利用去离子水以及超音波震荡来移除牺牲层22以及不必要的合金层24，以避免焊垫16表面合金层24被酸(acid)所腐蚀(erode)的现象产生。然而，现有技术所制作出来的焊垫16的边缘部分(edgeportion)26，因为铜与护层18直接接触，往往会有铜原子向外扩散(outdiffusion)的现象产生，从而造成短路(short circuit)。

发明内容

本发明的目的在于提供一制作焊垫的方法，特别是涉及一种利用一道合金制作工艺以及一道黄光暨蚀刻制作工艺来制作自行对准焊垫(self-alignbonding pad)的方法，以解决上述问题。

本发明的目的是这样实现的，即提供一种于一基底上制作一自行对准垫的方法，该基底上包括有一第一介电层以及至少一第一金属层设于该第一介电层中，该方法包括有下列步骤：

在该第一金属层以及该第一介电层上形成一第二金属层；

进行一热处理制作工艺，以使该第二金属层与该第一金属层接触的该第二金属层通过金属原子的交互扩散中形成一合金层，同时完全氧化剩余的该第二金属层，以形成一第二介电层；

在该第二介电层上形成一第三介电层；以及

进行一黄光暨蚀刻制作工艺，以部分去除位于该第一金属层上方的该第三介电层以及该第二介电层，直至该合金层表面。

在本发明的最佳实施例中，即先于焊垫以及焊垫周围的介电层上溅镀一层铝层，再进行一热处理制作工艺，以将焊垫上的铝层反应成为上下堆叠的三氧化二铝层以及铝铜合金层，并将焊垫周围的介电层上的铝层完全氧化成为三氧化二铝层，以于而后蚀刻时提供自行对准(self align)的作用。而且本发明是利用铝铜合金为一饱和(saturate)的稳定金相(stable phase)，铜原子不容易再塞入(inserted into)其结构的特性，来有效抑制焊垫中的铜原子向上扩散，以解决现有技术中焊垫边缘部分的铜原子向外扩散的问题。同时，铝铜合金层也用来作为制作护层开口时的蚀刻停止层，以避免铜被蚀刻时副产物(byproduct)不易挥发的问题产生。另外，铝铜合金与其他金属的合金相也比铜金属与其他金属的合金相多，就焊接的观点而言，无疑提供了更大的弹性(flexibility)以及可行性(feasibility)。若是以焊接时为打金线(gold wire bonding)而言，铝铜合金对金的固态互溶性(solid solubility)优良，在构装时将可提供良好的焊接性(bondability)。

附图说明

图1至图4为现有技术中于一半导体晶片上制作一焊垫的方法示意图；

图5至图8为本发明的第一实施例于一半导体晶片上制作一自行对准焊垫的方法示意图；

图9为本发明的第二实施例于一半导体晶片上制作铜双镶嵌结构的方法示意图。

具体实施方式

请参阅图5至图8，图5至图8为本发明的第一实施例，在一半导体晶片上制作一自行对准焊垫(self-align bonding pad)109的方法示意图。如图5所示，本发明先在一半导体晶片100的硅基底101上形成至少一导电物102，导电物102可能为一导电插塞(conductive plug)、一导线(metal line)、一金属内连线(metal interconnection)或一双镶嵌结构(dual damascence structure)导体。各导电物102设置于一第一介电层104中，以被有效地电隔绝，且构成导电物102的材料包括有钨(tungsten，W)、铜(copper)、铝(aluminum)、铝铜合金(aluminum-copper-alloy)、或其他导电材料。

而图5中以一导电插塞来做说明，首先于各导电物102以及第一介电层104上形成至少一金属垫106以及一第二介电层108。金属垫106由铜所构成，并位于导电物102上。由于氯(氯化物气体的等离子体通常用来干蚀刻金属)与铜所形成的化合物挥发能力差，铜的蚀刻不能以化学反应的方式进行，必需以等离子体内的离子对铜施以溅击，才能将其以物理的动量转换来除去。故本实施例中的导电插塞以及金属垫106上下堆叠的结构，事实上是一利用双镶嵌制作工艺所制作的铜双镶嵌结构，以省略铜金属蚀刻的步骤。同时，导电物(铜导电插塞)102以及铜金属垫106并不与第一介电层104以及第二介电层108直接接触，一由氮化钛/钛/氮化钛(TiN/Ti/TiN)三层结构所构成的阻障层112被制作于导电物(铜导电插塞)102、铜金属垫106与第一介电层104、第二介电层108之间，以防止铜原子外扩至第一介电层104以及第二介电层108。

如图6所示，接着于第二介电层108以及铜金属垫106之上形成一铝层(aluminum layer)114。铝层114的厚度约为1KA，是利用一溅镀(sputter)法所形成。然后进行一制作工艺温度为400～600℃的热处理制作工艺(heattreatment process)，此热处理制作工艺可于一快速加热制作工艺反应室(rapidthermal processing chamber，RTP chamber)中进行，或于一热炉管(furnace)中进行约30分钟。进行此制作工艺时，可于快速加热制作工艺反应室或热炉管中通入氮气(N₂)、氩气(Ar)或是氧气(O₂)，以防止污染(contamination)，并帮助铝层114与自铜金属垫106扩散出来的铜原子形成预期的铝铜合金相。因此，此热处理制作工艺也可以被视为一合金制作工艺(alloy process)。

如图7所示，由于铝金属对铜金属的固态溶解度(solid solubility)不错，在制作工艺完成后，原来厚度约为1KA的铝层114将不复存在。位于铜金属垫106上的铝层114，将被反应成为铝铜合金属(alloy layer)116以及厚度约为500的三氧化二铝层(Al₂O₃ layer)118。而不位于铜金属垫106之上的铝层114，则将被完全氧化(completely oxidized)成为厚度约为1KA的三氧化二铝层118。事实上，由于热处理进行时铝原子与铜原子为交互扩散(crossdiffusion)，铜金属垫106与铝铜合金层116相接触的铜金属垫106材料内也形成有铝铜合金相(未显示)。而铜金属垫106以及铝铜合金层116即构成为本发明的自行对准焊垫(self-align bonding pad)109。

随后如图8所示，在三氧化二铝层118上形成一第三介电层122，用来当作护层(passivation layer)。接着进行一黄光暨蚀刻制作工艺(photo-etching-process，PEP)，利用一焊垫掩模(pad mask，未显示)以及铝铜合金层116作为蚀刻停止层(etch stop layer)，去除位于铜金属垫106上方的第三介电层122以及三氧化二铝层118，以形成一护层开口(passivationopening)124，用来当作焊垫开口，并使铜金属垫106上的铝铜合金层116裸露出来，以利最后元件测试(testing)与构装(packaging)的进行。事实上，铝层114也可以被其他金属层所取代，只要在热处理制作工艺后其可以与铜形成稳定的合金相并被氧化成金属氧化层，且此稳定的合金相又可以在焊接(wire bonding)时与金互溶良好即达到本方法的基本要求。

相同的制作方法可以被应用于集成电路制作过程中的任何铜双镶嵌结构中，而非仅利用于上述图5至图8所揭露的自行对准焊垫(self-alignbonding pad)制作工艺。请参阅图9，图9为本发明的第二实施例，在一半导体晶片上制作铜双镶嵌结构202、204的方法示意图。如图9所示，半导体晶片200上包括有至少一铜双镶嵌结构202以及至少一铜双镶嵌结构204，铜双镶嵌结构202被一二氧化硅层(SiO₂ layer)206所包围，其包括有一上下堆叠的铜导线(conductive line)208以及铜插塞212，铜导线208以及铜插塞212与二氧化硅层206之间，另包括有一氮化钛/钛/氮化钛三层结构所构成的阻障层214。铜导线208上另包括有一铝铜合金层216，而二氧化硅层206以及铝铜合金层216上另包括有一三氧化二铝层218。事实上，铜导线208与铝铜合金层216相接触的铜导线208材料内也形成有铝铜合金相(未显示)。

铜双镶嵌结构202中的铝铜合金层216与铜双镶嵌结构204直接接触。铜双镶嵌结构204被一二氧化硅层(SiO₂ layer)222所包围，其包括有一上下堆叠的铜焊垫224以及铜插塞226，铜焊垫224以及铜插塞226与二氧化硅层222之间，另包括有一氮化钛/钛/氮化钛三层结构所构成的阻障层228。铜焊垫224上另包括有一铝铜合金层232，而二氧化硅层222以及铝铜合金层232上另包括有一三氧化二铝层234。事实上，铜焊垫224与铝铜合金层232相接触的铜焊垫224材料内也形成有铝铜合金相(未显示)。三氧化二铝层234以及铝铜合金层232上包括有一护层236，护层236中有一护层开口(passivation opening)238，其使铜焊垫224上的铝铜合金层232裸露出来，用来当作焊垫开口，以利于最后元件测试(testing)与构装(packaging)的进行。当然，铜双镶嵌结构202以及二氧化硅层206下，另外包括有介电层(未显示)以及制作于其中的导电物(未显示)。导电物(未显示)可能为一导电插塞、一导线、一金属内连线或其他双镶嵌结构导体。

由于本发明制作焊垫的方法，先于焊垫以及焊垫周围的介电层上溅镀一层铝层，再进行一热处理制作工艺，以将焊垫上的铝层反应成为上下堆叠的三氧化二铝层以及铝铜合金层，并将焊垫周围的介电层上的铝层完全氧化成为三氧化二铝层，以于而后蚀刻时提供自行对准(self align)的作用。由于铝铜合金是为一饱和(saturate)的稳定金相(stable phase)，铜原子并不容易再塞入(inserted into)其结构中，故可抑制焊垫中的铜原子向上扩散，有效解决现有技术中焊垫边缘部分的铜原子向外扩散的问题。同时，铝铜合金层也可以用来作为制作护层开口时的蚀刻停止层，以避免铜被蚀刻时副产物(byproduct)不易挥发的问题。另外，铝铜合金与其他金属的合金相也比铜金属与其他金属的合金相多，就焊接的观点而言，无疑提供了更大的弹性(flexibility)以及可行性(feasibility)。若是以焊接时为打金线(gold wire bonding)为例，铝铜合金对金的固态互溶性(solid solubility)优良，在构装时将可提供良好的焊接性(bondability)。

与现有制作焊垫的方法相比，本发明先于焊垫以及焊垫周围的介电层上溅镀一层铝层，再进行一热处理制作工艺，以将焊垫上的铝层反应成为上下堆叠的三氧化二铝层以及铝铜合金层，并将焊垫周围的介电层上的铝层完全氧化成为三氧化二铝层，以在而后蚀刻时提供自行对准的作用。利用铝铜合金为一饱和的稳定金相，铜原子不容易再塞入其结构的特性，来有效抑制焊垫中的铜原子向上扩散，解决了现有技术中焊垫边缘部分的铜原子向外扩散的问题。铝铜合金层也用来作为制作护层开口时的蚀刻停止层，以避免铜被蚀刻时副产物不易挥发的问题产生。同时，铝铜合金与其他金属的合金相也比铜金属与其他金属的合金相多，就焊接的观点而言，无疑提供了更大的弹性以及可行性。若是以焊接时为打金线而言，铝铜合金对金的固态互溶性优良，在构装时将可提供良好的焊接性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims

1.一种于一基底上制作一自行对准垫的方法，该基底上包括有一第一介电层以及至少一第一金属层设于该第一介电层中，该方法包括有下列步骤：

在该第一金属层以及该第一介电层上形成一第二金属层；

在该第二介电层上形成一第三介电层；以及

2.如权利要求1所述的方法，其中该基底为一半导体基底，且该基底上另包括有一第四介电层设于该第一介电层底部，以及一导电物设于该第四介电层中并电连接该第一金属层。

3.如权利要求2所述的方法，其中该导电物可以是一导电插塞、一导线、一金属内连线或一双镶嵌结构导体，且构成该导电物的材料可以是钨、铜、铝、铝铜合金。

4.如权利要求1所述的方法，其中该第一金属层为一铜金属层，且该合金层用来作为该铜金属层的阻障层，以防止该铜金属层中的铜原子向上扩散。

5.如权利要求4所述的方法，其中该第二金属层为一铝金属层，且该合金层为铝铜合金层。

6.如权利要求5所述的方法，其中该热处理制作工艺包括有一快速加热制作工艺或是一热炉管制作工艺，且该热处理制作工艺的制作工艺温度为400～600℃。

7.如权利要求6所述的方法，其中该第二金属层为一对铜固态溶解度良好的金属层。

8.如权利要求1所述的方法，其中部分的该合金层也同时形成于该第一金属层与该第二金属层接触的该第一金属层中。

9.如权利要求1所述的方法，其中该合金层用来作为该黄光暨蚀刻制作工艺的停止层。

10.如权利要求1所述的方法，其中该第一金属层以及该合金层构成为一自行对准焊垫。