[发明专利]铜镀层集成电路焊点的结构和方法

说明书

本发明一般涉及半导体器件及加工领域，且更具体涉及铜镀层集成电路焊点(bond pads)金属罩的设计和制造。

在集成电路(IC)技术中，将纯净或搀杂铝镀金属，用于互连和焊点已经有40多年了。铝的主要优点包括：容易沉积和图案化。另外，将金、铜或铝制金属丝焊接到铝焊点上的技术已经发展为高度自动化、小型化和高可靠性的技术。在1995年10月3日出版的美国专利US 5455195(Ramsey等“在集成电路导电焊接中获得冶金学稳定性的方法”)中；在1993年9月14日出版的美国专利US 5244140(Ramsey等，“超过125 kHz的超声焊接法”)中；在1993年4月13日出版的美国专利US 5201454(Alfaro等，″在集成电路互连中增强金属间生长的方法″)中，以及在1991年1月11出版的美国专利US 5023697(Tsumura，“附有铜丝球焊接的半导体器件”)中，可找到将金属丝焊接铝的高技术标准实例。

在集成电路不断趋于小型化中，有源电路元件间互连的时间常数RC越来越决定可得到的IC散逸乘积。因此，互连铝的较高电阻性目前看来远不如铜等金属的低电阻。另外，铝对电子迁移显著的敏感性成为一个严重的障碍。因此，半导体工业中，目前存在采用铜作为更优选互连金属的强烈愿望，原因在于铜电导率更高，而电迁移灵敏度更低。然而，从成熟的铝互连技术的观点考虑，更换为铜是一个严峻的技术挑战。

必须屏蔽铜不让其扩散到集成电路的硅基材料中，防止位于硅晶格中的铜原子断送载流子寿命的特性，以便保护电路。对铜制的焊点，必须防止生产工艺流水线中形成氧化铜(I)薄膜，原因是这些薄膜严重阻碍了焊丝、特别是常规金丝球焊接的可靠附着。在和覆盖金属铝的氧化铝薄膜对照中，覆盖金属铜的氧化铜薄膜，不能轻易地用焊接加工中使用的联合热压和超声波能结合将其破坏。更困难的是，裸铜焊点易受腐蚀。

为了解决这些难题，已公开一种用铝层覆盖洁净铜焊点的方法，且因此重新确立了将被传统的金丝球焊焊接的铝焊点常规地位。合适焊接加工描述于1998年7月28日出版的美国专利US 5,785,236(Cheung等，″和现有IC丝焊接技术兼容的高级铜互连系统″)中。但所述方法仍有一些缺点。

首先，铝罩的制作费用比预想的高，因为该法要求另外附加金属沉积、图案化、蚀刻和清洁步骤。其次，该罩必须足够厚，以便防止铜经过该罩金属扩散以及可能的IC晶体管中毒。第三，制作罩的铝柔软，从而在电测试中受到多探针接触标记的严重破坏。其后果是，在焊点不断降低尺寸中，该破坏变得如此显著，以致后续球焊附着不再可靠。

因此，迫切需求这样一种冶金学焊点结构，该结构适于有铜互连镀层的集成电路，并且结合了制作焊点结构、完美地控制向上扩散的低成本方法，以及将金属丝焊接到这些焊点的可靠方法。该焊点结构应当足够灵活，以便适应不同集成电路产品系列以及广谱的设计和工艺变体。优选的是，应当在缩短制造周期及增加生产能力，并且无需增加昂贵的附加生产设备的情况下，完成这些革新。

本发明公开一种坚固、可靠且低成本的金属结构以及一种方法，该方法能使电线连接到集成电路(IC)的互连铜镀层。该结构包括在未氧化铜表面、于250℃铜扩散系数少于1×10E-23cm²/s时沉积厚度约0.5-1.5μm的第一阻挡金属层。其在第一阻挡金属层上进一步包括第二阻挡金属层，该第二阻挡金属层250℃时具有少于1×10E-14cm²/s的第一阻挡金属扩散系数，并且厚度小于1.5μm。最后包括可焊接金属的最外层，在该层上焊接冶金学连接的金属丝。

第一阻挡金属选自镍、钴、铬、钼、钛、钨及其合金。该第二阻挡金属选自钯、钴、铂和锇。最外金属层选自金、铂和银。

本发明涉及带有铜互连镀层、尤其是带大量镀层点输入/输出或“焊点”的高密度和高速的IC。能在许多器件系列中找到这些电路，例如处理器、数码和模拟器件、逻辑器件、高频和大功率器件中，以及在大面积和小面积芯片类。

本发明的一个方面是，可应用于减少焊点面积并从而支持IC芯片小型化。因此，本发明有助于减缓不断变小的应用空间的制约，这些应用例如细胞式通讯、寻呼机、硬盘装置、膝上型计算机和医学仪器。

本发明的另一方面是，用无电沉积(electroless deposition)的自我限定加工来制作该焊点金属罩，由此避免了昂贵的光刻和对准技术。