TWI737498B - 具有能態層的半導體測試晶片，及具有能態層之半導體測試晶片的製作方法 - Google Patents

Abstract

一種具有可調能態之電連接墊的半導體測試晶片，供用於半導體元件的打線可靠度測試。包含一半導體基底及，至少一設置在該半導體基底上的測試晶片，該至少一測試晶片具有一遠離該半導體基底的頂面，及一自該頂面露出的電連接墊，該電連接墊具有一金屬層，及一形成於該金屬層表層的能態層，其中，該能態層結合於該金屬層，且具有與該金屬層不同的能隙。此外，本發明還提供該半導體測試晶片的製作方法。

Description

具有能態層的半導體測試晶片，及具有能態層之半導體測 試晶片的製作方法

本發明是有關於一種半導體測試晶片及其製作方法，特別是指一種用於打線可靠度測試的半導體測試晶片及其製作方法。

隨著半導體製程技術的發展，半導體晶片的尺寸也越發微縮。其中，打線焊接則是能夠讓微縮尺寸的半導體晶片對外電連接的一重要技術，因此，如何確保半導體晶片的打線可靠度則是相關業者積極關注的重要課題。

半導體晶片用於對外電連接的金屬層一般是由鋁或銅構成。然而，鋁或銅容易吸附外在環境的異質離子，而表面吸附的異質離子(例如氯離子、氮離子等)因為表面能態與該金屬層不同，容易會造成金屬層的腐蝕或與金屬層反應形成介金屬化合物，因此，當後續利用該金屬層進行打線或形成焊錫用銅凸塊對外電連接，並封裝製成半導體元件後，該等吸附於金屬層的異質離子隨著時間對該金屬層造成的腐蝕，或是導致金屬層與打線/銅凸塊之間的伽凡 尼腐蝕越來越嚴重，從而影響金屬層的導電性，或是影響打線/銅凸塊與金屬層的密著性，使得打線/銅凸塊於半導體元件的使用過程剝離或脫落，而對元件的可靠度造成不良影響。

因此，為了確保半導體晶片的可靠度與良率，於封裝前一般會先對半導體元件進行打線的可靠度測試。然而，由於可靠度測試需模擬不同的環境條件並需要長時間測試，因此，相關測試極為耗時。

因此，本發明的目的，即在提供一種具有能態層的半導體測試晶片，以供進行打線可靠度測試。

於是，本發明的半導體測試晶片，包含一半導體基底，及至少一測試晶片。

該至少一測試晶片設置在該半導體基底上，包括一遠離該半導體基底的頂面，及一自該頂面露出的電連接墊，該電連接墊具有一金屬層，及一形成於該金屬層表層的能態層，其中，該能態層結合於該金屬層，包括含鹵素、氮、氧、氫等至少一種元素之金屬化合物且具有與該金屬層不同的能隙。其中，該電連接墊可用於該半導體測試晶片進行打線，該能態層供用於打線可靠度試驗時用於模擬不同環境條件，以透過該能態層模擬誘導半導體元件於不同 環境的氧化及腐蝕破壞狀況

此外，本發明的另一目的，在於提供一種具有能態層之半導體測試晶片的製作方法。

於是，本發明的製作方法包含以下步驟。

首先，提供一半導體元件半成品，該半導體元件半成品具有一半導體基底及至少一設置於該半導體基底上的晶片，且該至少一晶片具有自頂面對外裸露的至少一金屬層。

接著，利用電漿或腐蝕性氣體對該金屬層進行表面處理，形成一結合於該金屬層表面的能態層，以製得一電連接墊，其中，該能態層包括含鹵素、氮、氧、氫等至少一種元素之金屬化合物並具有與該金屬層不同能隙，以製得該半導體測試晶片。其中，該電連接墊可供該半導體測試晶片進行打線，以進行打線可靠度測試，該能態層供用於打線可靠度測試時用於模擬不同環境條件，以透過該能態層模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況。

本發明的功效在於：利用電漿或腐蝕性氣體對半導體元件半成品用於對外電連接的金屬層進行表面處理，於該金屬層上形成一具有與該金屬層不同能隙的能態層，而可透過該能態層模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況，而得以加速利用該半導體測試晶片進行可靠度測試時的反應進行，以減少可靠度測 試的時間。

2:半導體基底

3:測試晶片

31:測試電路

311:介電絕緣層

312:金屬線路層

313:導電貫孔

32:重佈線路

33:介電層

331:開口

34:電連接墊

341:金屬層

342:能態層

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明半導體測試晶片的實施例；圖2是一側視示意圖，輔助說明該實施例的其中一測試晶片；及圖3是一XPS圖，說明經氧電漿將處理後得到的不同能態層的結合能量測結果。

有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。

本發明具有可調能態之電連接墊的半導體測試晶片是供用於打線可靠度測試。

參閱圖1、2，本發明具有可調能態之電連接墊的半導體測試晶片的一實施例包含一半導體基底2，及多數測試晶片3。

該半導體基底2可選自矽、化合物半導體(如碳化矽 (SiC))、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等III-IV族，或氧化锌(ZnO)、碲化镉(CdTe)等II-VI族半導體材料。

該等測試晶片3以陣列排列方式設置於該半導體基底2上，例如，該等測試晶片3可以是以9x9陣列排列於該半導體基底2上，且每一測試晶片3具有自頂面對外裸露的至少一電連接墊34。

該每一測試晶片3具有一測試電路31、一位於該測試電路31上方並與該測試電路31電連接的重佈線路32、一覆蓋該重佈線路32並具有多個開口331的介電層33，及多個電連接墊34。該等電連接墊34分別與該重佈線路32連接並分別自該介電層33相應的其中一開口331對外裸露。

詳細的說，該測試電路31具有多層交互層疊的設置於該半導體基底2上的介電絕緣層311、金屬線路層312，及多數貫穿該等介電絕緣層311以分別將該等金屬線路層312做不同電連接的導電貫孔313，透過該等導電貫孔313與不同的金屬線路層312電連接，以形成不同的導通迴路。其中，為了模擬一般功能晶片的電路，該測試電路31的介電絕緣層311及金屬線路層312的層數、厚度、電連接關係等也可完全模擬功能晶片的電路結構，如此，也可藉由該測試晶片的電路測試結果反饋至功能完整之晶片，以對應調整功能晶片的電路設計。前述該介電絕緣層311可選自二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或高分子材料，該金屬線路層312及該導電貫孔313 則可各別選自鎢、鋁、銅、鋁合金，或銅合金等導電材料。由於該測試電結構的相關製程及使用材料為半導體技術領域者周知，因此不再多加贅述。

該重佈線路32設於該測試電路31上方並與該測試電路31電連接。該介電層33覆蓋該重佈線路32並具有多個開口331，該等電連接墊34與該重佈線路32連接並分別自該介電層33相應的開口331對外裸露，用以供後續打線或形成焊錫或銅凸塊，而令該等金屬線路層312串接成至少一獨立的導電迴路並可與外部電連接。該重佈線路32可選自鋁、鋁合金、銅或銅合金等導電材料，該介電層33可選自二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或高分子絕緣材料等。

該每一電連接墊34具有一與該重佈線路32電連接的金屬層341，及一覆蓋該金屬層341至少部分表面的能態層342。該金屬層341是由鋁、鋁合金、銅或銅合金等材料構成，與該重佈線路32連接並可自其中一開口331對外裸露。該能態層342覆蓋該金屬層341的至少部分表面，且該能態層342的能隙(band gap)可大於或小於該金屬層341的能隙，而具有與該金屬層341不同的能隙。其中，該能態層342包括含鹵素、氮、氧、氫等其中至少一元素的金屬化合物，且該金屬化合物是由鹵素、氮、氧、氫等其中至少一元素與該金屬層341的金屬反應而得。

要說明的是，該能態層342為對應該金屬層341的構成材 料及用於處理的氣體或電漿的種類不同而有所不同。例如，當該金屬層341的材料為銅或銅合金，該能態層342透過含鹵素、氮、氧、氫等其中至少一元素的電漿或腐蝕氣體的選擇，可包含CuCl_xOH_y、Cu_xOH_yCu_xN_y、Cu_xN_yOH_z，及Cu_xO_yN_z的其中至少一者；當該金屬層341的材料為鋁或鋁合金，該能態層342透過含鹵素、氮、氧、氫等其中至少一元素的電漿或腐蝕氣體的種類選擇，可包含AlCl_x、AlCl_xOH_y、AlOH_x、Al_xN_y、Al_xN_yOH_z，及Al_xO_yN_z的至少一者。

前述該能態層342可以是利用選擇的電漿或是腐蝕性氣體對該金屬層341進行表面處理而形成於該金屬層341表面。

透過不同電漿或是腐蝕性氣體的選擇對該金屬層341進行表面處理，於該金屬層341形成一具有所需能隙的能態層342，而可得到具有可調能態之電連接墊34的半導體測試晶片。

參閱下表1及圖3，圖3是利用氧電漿對該金屬層341處理不同時間(20~70秒(sec))所得到的不同能態層342的XPS能譜圖，表1則是圖3中虛線所示位置的金屬層341與該等能態層342的結合能偏移結果，其中，為了避免金屬層材料341對能態層342之XPS量測影響，因此，圖3是以白金(Pt)為該金屬層341材料。

由前述表1及圖3中可清楚看出經由不同時間的電漿處理後即可於該金屬層341表面形成具有與該金屬層341不同能隙的能態層342，因此，後續利用該具有可調能態之電連接墊34的半導體測試晶片進行打線，以應用於模擬不同環境條件的打線可靠度試驗，即可透過該能態層342模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況，而得以加速可靠度測試時的反應進行，以減少可靠度測試的時間。

綜上所述，本發明利用電漿或腐蝕性氣體對半導體元件半成品的金屬層341進行表面處理，而於該金屬層341上形成一具有與該金屬層341不同能隙的能態層342，製得具有可調能態的電連接墊的半導體測試晶片。因此，當後續利用於該半導體測試片的該電連接墊34進行打線或形成銅凸塊進行打線的可靠度測試時，即可透過該能態層342模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況，而得以加速利用該半導體測試晶片進行可靠度測試的反應進行，以減少可靠度測試的時間，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書 內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2:半導體基底

3:測試晶片

31:測試電路

311:介電絕緣層

312:金屬線路層

313:導電貫孔

32:重佈線路

33:介電層

331:開口

34:電連接墊

341:金屬層

342:能態層

Claims (8)

1. 一種具有能態層的半導體測試晶片，供用於打線可靠度測試，該半導體測試晶片包含一半導體基底，及至少一測試晶片，該至少一測試晶片，設置在該半導體基底上，具有一遠離該半導體基底的頂面，及至少一自該頂面露出的電連接墊，該電連接墊具有一金屬層及一形成於該金屬層表層的能態層，該能態層是該金屬層經由電漿或腐蝕性氣體曝氣處理後形成而結合於該金屬層，包括含鹵素、氮、氧、氫等至少一種元素之金屬化合物，且具有與該金屬層不同的能隙，其中，該電連接墊可供該半導體測試晶片進行打線，以進行打線可靠度測試，該能態層供用於打線可靠度測試時用於模擬不同環境條件，以透過該能態層模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況。
2. 如請求項1所述具有能態層的半導體測試晶片，其中，該金屬層的構成材料為鋁、鋁合金，或銅、銅合金，當該金屬層為銅或銅合金，該能態層選自CuCl_xOH_y、Cu_xOH_yCu_xN_y、Cu_xN_yOH_z，及Cu_xO_yN_z的至少一者，當該金屬層為鋁或鋁合金，該能態層選自AlCl_x、AlCl_xOH_y、AlOH_x、Al_xN_y、Al_xN_yOH_z，及Al_xO_yN_z的至少一者。
3. 如請求項1所述具有能態層的半導體測試晶片，其中，該至少一測試晶片還包含一測試電路、一位於該測試電路上方並與該測試電路電連接的重佈線路，及一覆蓋該重佈線 路並具有至少一開口的介電層，且該至少一電連接墊與該重佈線路連接並自該開口對外裸露。
4. 如請求項3所述具有能態層的半導體測試晶片，包含多數陣列分布於該半導體基底的測試晶片，該等測試晶片可透過該等電連接墊串接而形成至少一可獨立對外電連接的導電電路。
5. 如請求項1所述具有能態層的半導體測試晶片，其中，該能態層是該金屬層經由含鹵素、氮、氧、氫的至少一種元素的電漿處理而得。
6. 一種具有能態層之半導體測試晶片的製作方法，包含：提供一半導體元件半成品，該半導體元件半成品具有一半導體基底及至少一設置於該半導體基底上的晶片，且該至少一晶片具有自頂面對外裸露的金屬層；及利用電漿或腐蝕性氣體對該金屬層進行表面處理，形成一結合於該金屬層表面的能態層，以製得一電連接墊，其中，該能態層包括含鹵素、氮、氧、氫等至少一種元素之金屬化合物並具有與該金屬層不同能隙，以製得該半導體測試晶片，其中，該電連接墊可供該半導體測試晶片進行打線，以進行打線可靠度測試，該能態層供用於打線可靠度測試時用於模擬不同環境條件，以透過該能態層模擬誘導半導體元件於不同環境的氧化及腐蝕破壞狀況。
7. 如請求項6所述的製作方法，其中，該金屬層的材料選自鋁、鋁合金、銅，或銅合金。
8. 如請求項6所述的製作方法，其中，該能態層是該金屬層經由含鹵素、氮、氧、氫的至少一種元素的電漿處理而得。

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