[发明专利]用于铜金属化集成电路的丝焊工艺

说明书

本发明总的涉及半导体器件和工艺的领域，更具体来说涉及焊接(bond)铜金属化集成电路的丝焊工艺。

四十多年来，在集成电路(IC)技术中，纯的或掺杂的铝已成为互连和焊接区的金属化选择。铝的主要优点包括便于沉积和形成图形。此外，由金、铜或铝制成的金属丝焊接到铝焊接区的技术已发展到高度自动化、小型化和可靠性的水平。可在1995年10月3日授权的#5,455,195号(Ramsey等人，“用于在集成电路导电焊接中获得冶金稳定性的方法”)；1993年9月14日授权的#5,244,140号(Ramsey等人，“超过125kHz的超声波焊接工艺”)；1993年4月13日授权的#5,201,454号(Alfaro等人，“IC互连中增强的金属化生长的工艺”)；以及1991年6月11日授权的#5,023,597号(Tsumura,“具有铜丝球焊的半导体器件)的美国专利中可发现技术标准高的铝的丝焊的例子。

在不断使IC小型化的趋势中，有源电路元件之间互连的RC时间常数日益支配着可实现的IC速度-功率积。结果，电阻率相对高的互连铝现在看上去比诸如铜等电阻率较低的金属差。此外，铝对电迁移的显著的敏感性正成为一个严重的障碍。结果，根据铜的电导率较高而对电迁移的敏感性较低，现在在半导体行业中，有一个把铜用作较佳的互连材料的强烈的推动。然而，从成熟的铝互连技术的观点来看，到铜的这种转变是一个重大的技术上的挑战。

必须对铜进行防护，以防止它扩散入IC的硅基底材料，以便保护电路免受位于硅晶格中的铜原子对载流子寿命破坏性特性的影响。对于由铜制成的焊接区，必须防止在制造工艺流程期间形成薄的氧化铜(Ⅰ)膜，这是因为这些膜严重地阻碍了焊丝的可靠焊接，尤其是对于常规的金丝球焊。与覆盖在金属铝上面的氧化铝膜相反，通过热压和在焊接过程中加上超声波能量，覆盖在金属铜上面的氧化铜膜不易破裂。作为进一步的难题，裸露的铜焊接区易于受到腐蚀。

为了克服这些问题，己揭示了在干净的铜焊接区盖上一层铝的工艺，因而重构了应由常规金丝球焊来焊接的铝焊接区的传统情况。在1998年7月28日授权的#5,785,236号美国专利(Cheung等人，“与现有IC丝焊技术兼容的先进铜互连系统”)中描述了一种适宜的焊接工艺。然而，所述方案具有几个缺点。

首先，铝盖的制造成本比预期的高，这是因为该工艺需要沉积金属、形成图形、蚀刻和清洁的附加步骤。其次，这一盖子必须足够厚，以防止铜穿过盖子金属而扩散及污染IC晶体管。第三，盖子所使用的铝是柔软的，因而它在电气测试中将受到多探针触点的痕迹(marking)的严重破坏。继而，这一破坏在焊接区尺寸一直在减小时变得尤为明显，从而使随后的球焊焊接不再可靠。

在2000年2月18日提交的#60/183,405号美国专利申请中已揭示了覆盖铜金属化IC的铜焊接区的低成本的结构和方法。本发明与该申请有关。迫切地需要一种把金属丝焊接到被覆盖的焊接区的可靠方法，该方法把最小的制造成本与在最大程度上对可能妨碍随后丝焊的金属的上扩散进行控制相结合。此焊接方法应足够灵活，以适用于不同的IC产品族和宽的设计和工艺变化范围。最好在缩短生产周期时间和增加产量的同时实现这些创新，而不需要昂贵的附加制造设备。

本发明揭示了一种坚固、可靠和低成本的金属结构和工艺，此金属结构和工艺使能集成电路(IC)的互连铜金属化的金属丝电气连接。该结构包括沉积在无氧化铜表面的阻止铜扩散的一层阻挡(barrier)金属，把其厚度沉积到使它能在250℃下铜的扩散与不存在阻挡层金属时相比减少不止80％。该结构还包括把在250℃下阻挡层金属的扩散与不存在可焊接金属时相比减少不止80％的最外层。最后，把一金属丝焊接到最外层以进行冶金连接。

从镍、钴、铬、钼、钛、钨及它们的合金构成的组中选择这种阻挡层金属。从金、铂和银构成的组中选择最外的金属层。

本发明涉及具有铜互连金属化的高密度高速度IC，尤其涉及具有大量金属化输入/输出或“焊接区”的那些IC。可在诸如处理器、数字和模拟器件、逻辑器件、高频和高功率器件等许多器件族以及在大面积和小面积芯片类中获得这些电路。

本发明的一个方面是可适用于减少焊接区的面积继而支持IC芯片的缩小。结果，本发明有助于减轻对诸如蜂窝式通信、寻呼机、硬盘驱动器、膝上型计算机和医疗器械等不断缩小的应用的空间约束。

本发明的另一个方面是通过无电沉积的自限定(self-defining)工艺来制造焊接区金属盖，因而避免高成本的光刻和对准工艺。