專利名稱：用于去除半導體器件中的鋁終端襯墊材料的方法和結構的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體器件處理技術，更具體而言，涉及用于在最后段制程(FBEOL)半導體結構中去除鋁終端襯墊材料的方法和結構。
技術背景在半導體制造中，制造的集成電路(IC)器件通常裝配到封裝中，以 應用在印刷電路板上作為更大的電路的一部分。為了使封裝的引線與制造 的IC器件的接合襯墊電接觸，要形成金屬接合以制造在IC器件的接合襯 墊與延伸到封裝引線框架的引線之間的連接。在例如可控塌陷芯片連接 (C4)的其它結構中，形成了到陶瓷或聚合芯片載體的焊料球連接。在過去，鋁和鋁合金被用作常規的芯片布線材料。最近，鋁布線材料 被銅和銅合金所取代，這是由于銅互連線相對于鋁和鋁合金而言提供了改 善的芯片性能和更高的可靠性。然而，采用銅布線封裝IC器件存在大量 的技術問題，這些技術問題和銅與在焊料球工藝中使用的材料反應和/或銅 對環境侵蝕和腐蝕的敏感度相關。在目前的C4實踐中，在鈍化層中形成到下面的終端襯墊銅布線層的 終端過孔開口。然后，在終端襯墊銅之上常規地形成終端金屬(TD)鋁襯 墊結構，接著淀積最后的有機鈍化層，在使用球限(BLM)冶金C4鉛-錫焊料球連接至TD襯墊之前進行構圖和固化方法。TD金屬方法表現出 半導體結構的增加的制造步驟和成本。由此希望去除鋁TI)襯墊，將所有 的芯片布線從鋁轉變為銅。然而，從記錄的方法筒單地去除TD鋁結構自 身的制造步驟會把銅暴露到有機鈍化材料以及大氣條件，由此導致不利的 反應。發明內容現有技術的上述缺點和不足可以通過用于最后段制程(FBEOL )半導 體器件形成的方法得以克服或減輕。在示例性的實施例中，所述方法包括 在半導體晶片的上層中形成終端銅襯墊，在所述終端銅襯墊之上形成絕緣疊層，以及在所述絕緣疊層的一部分內構圖并開口終端過孔以留下保護所 述終端銅村墊的所述絕緣疊層的底部覆層。在所述絕緣疊層的頂部之上形 成并構圖有機鈍化層，并去除在所述終端銅襯墊之上的所述底部覆層。在所述有機鈍化層和所述終端銅襯墊之上淀積球限制冶金(BI」M)疊層，以 及在所述BLM疊層的構圖的部分上形成焊料球連接。在另一實施例中， 一種半導體器件包括在半導體晶片(106)的上層 中形成的終端銅襯墊、在所述終端銅襯墊之上形成的絕緣疊層、直接在所 述終端銅襯墊上和在構圖的鈍化層的側壁上形成的球限制冶金(BLM)疊 層、以及在所述BLM疊層的構圖的部分上形成的焊料球連接(108)。
參考示例性的附圖，其中附圖中的相似的單元用相似的標號表示。 圖1是常規形成的、具有終端襯墊鋁的可控塌陷芯片連接(C4)半導 體器件的截面圖；圖2(a)至2(e)示例了用于形成圖1中所示的結構的工藝流程序列；以及圖3(a)至3 (e)為才艮據本發明的實施例的用于在半導體結構的最后 段制程去除鋁終端材料的工藝流程序列。
具體實施方式
在此公開的是用于在半導體結構的最后段制程(FBEOL )中去除鋁終 端材料的方法和結構。簡而言之，形成的作為其中形成了終端銅的絕緣疊 層的一部分的SiC(N，H)覆層(或氮化物或其它適宜的層)，在鈍化層形成、構圖和固化期間留在了原地，而在隨后在BLM淀積之前被去除。先參考圖1,其示出了具有根據常規FBEOL處理技術形成的終端金 屬(TD )鋁襯墊結構102的半導體器件100的橫截面圖。器件100還包括 在半導體晶片106的頂層形成的終端銅層104。如本領域所公知的，該頂 層終端銅層104形成了在晶片106中的下器件區域(為了簡化未示出)與 鋁襯墊結構102之間的界面。而鋁襯墊結構102支撐著例如用于將芯片接 合到外部器件例如陶瓷芯片載體的C4配置的焊料球連接108。圖2 (a)至2 (e)示出了用于形成圖1中所示的半導體結構100的記 錄的現有方法。在例如氟化TE()S (四乙氧基硅烷)或氟化的硅酸鹽玻璃(FSG)的 絕緣層110中形成的構圖的開口中，通過淀積形成銅層104。可選地，可 以在終端銅區域內包括多個垂直的氧化物柱112，以防止銅在其拋光 (CMP)期間的深凹陷。在CMP銅層104的CMP之后，在器件100之 上形成絕緣疊層114，并穿過其開口 TD過孔116 (圖2 (b))。疊層114 包括SiC(N，H)(氮摻雜的氫化碳化硅)覆層118、氧化物層120 (例如， 通過硅烷淀積形成)、以及氮化硅層122 (例如，通過等離子體輔助化學 氣相淀積(PECVD))形成)。如圖2 ( b )所示，在光刻構圖TI)過孔116之后，使用例如使用CF4、 氧、氬或其某種組合的反應離子蝕刻(RIE)，在疊層的每個層(即，氮 化物層122、氧化物層120以及SiC(N，H)層118)中形成開口以暴露銅層 104。然后，在圖2 (c)中，實施常規的TD鋁方法，包括淀積薄襯里疊 層124 (包括以下材料中的一種或多種Ti、 TiN、 Ta、 TaN，每層厚度約 200到約800A)，以用作TD鋁與銅層104之間的擴散阻擋層，并接著進 行TD鋁淀積(例如，1.2微米的鋁銅合金，具有約0.5%的銅濃度)。圖 2 (c)示例了在淀積、光刻以及蝕刻之后的TD鋁襯墊102。接下來，如圖2(d)中所示，在最頂部的襯墊氮化物層122之上形成 最終的鈍化聚酰亞胺層例如感光聚酰亞胺(PSPI)層126。構圖聚酰亞胺 層126以限定開口 ，然后在其中淀積并構圖焊料球限制冶金(BLM )，如圖2 (e)所示。如本領域7>知的，例如，BLM包括由以下材料中的一種 或多種組成的疊層128: TiW、 CrCu以及Cu。最后，在抗蝕劑形成、光 刻和蝕刻BLM疊層128之后，然后淀積焊料材料(例如，97 % Pb/3 % Sn ) 的C4鍍敷層，以形成圖l中所示的結構。
如前面所指出的，如果能夠去除TD鋁襯墊，將會因為降低FBEOL 結構的成本和增加與上述制造步驟相關的成品率而十分有益。然而，從記 錄的方法中簡單的去除TD鋁結構自身，會導致銅-聚酰胺酸或銅-聚酰亞 胺的反應。不幸地是，這樣的反應對電性能和可靠性具有不利的影響。
因此，圖3 (a)至3 (e)示例了根據本發明的實施例的用于在半導體 結構的FBEOL中去除鋁終端材料的方法和結構。具體而言，圖3(a)示 例了 FBEOL方法的這樣的點，在該點處，穿過氮化硅層122和氧化物層 120蝕刻出終端過孔116的圖形，而將氮摻雜的基于SiC的層(或氮化物 材料)層118留在原處，由此保護銅襯墊104。然后，在SiC(N，H)層118 仍留在原處的情況下，淀積、構圖和固化有機聚酰亞胺鈍化層126 (例如， PSPI)，如圖3(b)中所示。在該點處，該結構將準備用于一旦去除了 SiC(N，H)層118就淀積BLM，如圖3 (c)中所示。
在一個實施例中，可以通過不會侵蝕銅的蝕刻劑化學去除SiC(N，H) 層118 (優選在聚酰亞胺固化之后立即實施)。當晶片被傳送到用于BLM 工藝的另一室或另一位置時，可以在BLM淀積之前通過BLM背'踐射蝕 刻清除小量的銅氧化。可選地，在聚酰亞胺固化之后，SiC(N，H)層118可 以留在原處，直至進入BLM淀積室。然后，可以在BLM淀積之前在BLM 室內通過物理背濺射蝕刻去除SiC(N,H)層118自身。
另一種可選的用于保護銅襯墊104的方法可以-使用例如能夠有效防止 表面侵蝕的BTA (笨并三唑)的有機可焊性保護劑(OSP)層覆蓋襯墊。 例如，可以通過在6(TC下，在0.2%水溶液中浸沒2分鐘來實施該方法。 該層在BLM淀積之前可以容易地在濺射蝕刻期間去除。如果需要，也可 以實施附加的步驟，例如N2或形成氣體環境中的高溫烘焙。而另一可選的 用于^f呆護銅4于墊104的方法可以在終端過孔構圖之后用TaN或其它導電氧化阻擋層覆蓋晶片。然后，將接著進行平坦化步驟，以使TaN材料只留在 終端過孔"阱"中，而不在頂表面。
在任何情況下， 一旦去除SiC(N，H)層118,如圖3(d)中所示，就應 該在鈍化層126之上和直接在銅襯墊104上形成BLM疊層128。最后，在 圖3 (e)中，在構圖的BLM疊層128上形成焊料球連接108，由此形成 無TD鋁的結構300。此外，結構300與其中在TD鋁襯墊之上形成了 BLM 的常規器件相比顯示出了良好的強度拉伸測試結果。
雖然參考優選的實施例或實施例描述了本發明，但是本領域內的一般 技術人員應該理解，在不脫離本發明范圍的情況下可以對其進行各種改變 并可以4吏用等價物替換其部件。另外，在不脫離本發明的本質范圍的情況 下，可以對其進行許多修改以使特定的情形或材料適應本發明的教導。因 此，旨在本發明不局限于公開作為實施本發明的最佳模式的特定實施例， 而是本發明將包括所有落入所附權利要求范圍內的實施例。
工業應用
本發明發現了半導體器件處理技術中的效用。
權利要求
1.一種用于最后段制程(FBEOL)半導體器件形成的方法，所述方法包括以下步驟在半導體晶片(106)的上層中形成終端銅襯墊(104)；在所述終端銅襯墊之上形成絕緣疊層(114)；在所述絕緣疊層的一部分內構圖并開口終端過孔(116)以留下保護所述終端銅襯墊的所述絕緣疊層的底部覆層(118)；在所述絕緣疊層的頂部之上形成并構圖有機鈍化層(126)；去除在所述終端銅襯墊之上的所述底部覆層；在所述有機鈍化層和所述終端銅襯墊之上淀積球限制冶金(BLM)疊層(128)；以及在所述BLM疊層的構圖的部分上形成焊料球連接(108)。
2. 根據權利要求l的方法，其中所述底部覆層包括氮摻雜的氬化碳化 硅覆層。
3. 根據權利要求2的方法，其中在固化所述有機鈍化層之后通過化學 蝕刻去除所述氮摻雜的氫化碳化硅覆層。
4. 根據權利要求2的方法，其中在淀積所述BLM疊層之前通過背濺 射蝕刻去除所述氮摻雜的氫化碳化珪覆層。
5. 根據權利要求2的方法，還包括使用有機可焊性保護劑(OSP)層 覆蓋所述終端銅層和在淀積所述BLM疊層之前通過背濺射蝕刻去除所述 OSP層。
6. 根據權利要求2的方法，還包括在所述終端過孔構圖之后使用導電 氧化防止阻擋層覆蓋所述有機鈍化層和所述終端銅層以及在此后從所述有 機鈍化層去除部分的所述阻擋層。
7. 根據權利要求l的方法，其中所述有機鈍化層還包括聚酰亞胺層。
8. 根據權利要求1的方法，其中所述絕緣疊層還包括氮摻雜的氫化碳 化硅覆層(118 )、在所述氮摻雜的氫化碳化硅覆層上淀積的氧化硅層(120 )、以及在所述氧化珪層上淀積的氮化硅層(122)。
9. 一種半導體器件，包括終端銅襯墊(104)，形成在半導體晶片(106)的上層中； 在所述終端銅襯墊之上形成絕緣疊層(114);球限制冶金(BLM)疊層(128)，直接形成在所述終端銅襯墊上和 形成在構圖的有才幾鈍化層(126)的側壁上；以及焊料球連接(108)，形成在所述BLM疊層的構圖的部分上。
10. 根據權利要求9的器件，還包括在所述終端銅襯墊之上形成的底 部覆層(118)。
11. 根據權利要求10的器件，其中所述底部覆層包括氮摻雜的氫化碳 化硅覆層。
12. 根據權利要求9的器件，其中所述有機鈍化層還包括聚酰亞胺層。
13. 根據權利要求9的器件，還包括在所述終端銅襯墊與所述有機鈍 化層之間形成的絕緣疊層(114)。
14. 根據權利要求13的器件，其中所述絕緣疊層還包括氮摻雜的氫化 碳化硅覆層(118)、在所述氮摻雜的氫化碳化硅覆層上淀積的氧化硅層(129)、以及在所述氧化硅層上淀積的氮化硅層(122)。
全文摘要
一種用于最后段制程(FBEOL)半導體器件形成的方法，包括在半導體晶片(106)的上層中形成終端銅襯墊(104)，在所述終端銅襯墊之上形成絕緣疊層(114)，以及在所述絕緣疊層的一部分內構圖并開口終端過孔(116)以留下保護所述終端銅襯墊的所述絕緣疊層的底部覆層(118)。在所述絕緣疊層的頂部之上形成并構圖有機鈍化層(126)，并去除在所述終端銅襯墊之上的所述底部覆層(118)。在所述有機鈍化層和終端銅襯墊之上淀積球限制冶金(BLM)疊層(128)，以及在所述BLM疊層的構圖的部分上形成焊料球連接(108)。
文檔編號H01L21/44GK101410965SQ200780011329
公開日2009年4月15日 申請日期2007年4月4日 優先權日2006年4月4日
發明者D·C·埃德爾斯坦, I·D·梅爾維爾, M·G·法魯克, R·漢農 申請人:國際商業機器公司