[发明专利]用于微电子装置中接合的掺杂4N铜线

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于微电子学中接合的掺杂4N铜线。 

背景技术

细的Au、Cu和Al线广泛用于集成芯片中的互连。银线也已经研究用于独特的应用。对于Au和Al线来说，通常应用2N到4N纯度(99%到99.99%)，而对于Cu来说，通常只使用4N纯度。已经研究5N到8N纯度的Cu，但其并未用于实践中。加入掺杂剂以用于例如回路性能、可靠性、可接合性、耐腐蚀性等专门的应用。直径通常在18μm到75μm范围内的线常用于线接合。对于高电流承载应用来说，应用直径通常在200μm到400μm范围内的线。 

用于所述线的合金通常连续铸成直径2mm到25mm的棒，并以称为粗、中间和细的步骤进一步拉延。细拉线在约0.25到0.6Tm(线的熔点)的高温下退火，并稍后缠绕，真空封装并存储用于接合。 

若干专利报道掺杂和合金Cu线的益处。加入量在0.13到1.17质量%范围内的Pd据称在压力锅试验(PCT)测试上具有高可靠性。发现掺杂Mg和P<700ppm、维持30ppm氧(O)并且加入一系列元素Be、Al、Si、In、Ge、Ti、V(6-300ppm)、Ca、Y、La、Ce、Pr、Nd<300ppm的Cu线有效进行接合。加入在20-100ppm范围内的Nb和P以及低于50ppm的元素Cs、Lu、Ta、Re、Os、Ir、Po、At、Pr、Pm、Sm、Gd和低于100ppm的Zr、Sn、Be、Nd、Sc、Ga、Fr、Ra展示软且可接合的线。当掺杂最大1000ppm的元素Mn、Co、Ni、Nb、Pd、Zr和In时，产生可接合的Cu线。如果线含有低于2000ppm的Be、Fe、Zn、Zr、Ag、Sn、V，那么发现其是可接合并且可靠的。加入高达100ppm的硼(B)并加入低于10ppm的少量Be、Ca、Ge，并同时维持硫(S)<0.5ppm显示出低球硬度和降低的加工硬化。Cr<25ppm、Zr<9ppm、Ag<9ppm、Sn<9ppm的Cu线显示与Au线一样好的优良可接合性。加入低于9ppm的少量Fe、Ag、Sn、Zr可产生正常可接合的线。加入低于1000ppm的元素B、Na、Mg、Al、Si、Ca、K、V、Ga、Ge、Rb、Sr、Y、Mo、Cd、Cs、Ba、Hf、Ta、Tl、W展示卓越的性质并且适于接合。 

使用O、C、H、N、S、P<1ppm的例如8N(99.999999%)等超高纯度Cu加工的Cu线产生具有40HV硬度的软线。使用纯度5N和6N加工并掺杂元素Ti、Cr、Fe、Mn、Ni、Co中的任一者或与所述元素的不同组合进行组合且维持低于4.5ppm的Cu线显示优良的可接合性。使用5N和6N纯度，加入Hf、V、Ta、Pd、Pt、Au、Cd、B、Al、In、Si、Ge、Pb、S、Sb和Bi<4.5ppm与Nb<4.5ppm的组合也显示优良的可接合性。加入0.12-8.4ppm的Ti以及Mg、Ca、La、Hf、V、Ta、Pd、Pt、Au、Cd、B、Al、In、Si、Ge、Pb、P、Sb、Bi、Nb<0.16-8.1ppm适合于接合。杂质<4ppm并含有Mg、Ca、Be、In、Ge、Tl<1ppm的Cu线性能与Au线一样并且软到35HV。 

使用含有Mg、Al、Si、P<40ppm的4N Cu线，实现干净的球状无空气球。类似地，维持纯度<10ppm并加入La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、Y<20ppm或Mg、Ca、Be、Ge、Si<20ppm，获得40到50HV的Cu线。加入Ni和Co<100ppm并且Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Zr、Nb、Pd、Ag、In、Sn<150ppm的Cu线显示耐腐蚀以及41HV的硬度。含有Ti、Fe、Cr、Mn、Ni、Co<150ppm的Cu线的接合性能也很优良。使用区域提纯的Cu并维持Mg、Ca、Ti、Zr、Hf＜100ppm获得小于49HV的软Cu线。在无空气球期间加入元素Be、Sn、Zn、Zr、Ag、Cr、Fe到最大2wt%，维持H、N、O、C含量并控制气体形成(H₂、CO、N₂、O₂)，因此获得上佳的接合强度。加入400ppm Mg、痕量Fe和Ag显示减少热影响区(HAZ)附近裂缝的形成。此线耐腐蚀，并且其使用6N纯度Cu加工。加入La<0.002wt%、Ce<0.003wt%、Ca<0.004wt%到4N Cu线中展示长久存储期。