用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法，該方法包含以下步驟：形成至少一鈍化層于該集成電路的半導(dǎo)體晶圓的一表面上，并將一鋁線嵌入于該半導(dǎo)體晶圓上；經(jīng)由該鈍化層形成一圖案化接點(diǎn)穿孔開口，以露出該鋁線；通過化學(xué)蝕刻從該圖案化接點(diǎn)穿孔開口移除一部分鋁線，并同時(shí)形成一薄鋅膜于一蝕刻的表面上；形成一鎳膜堆棧層于該鋅膜上；及通過化學(xué)電鍍或金屬電鍍，形成一金屬堆棧層于該圖案化接點(diǎn)穿孔開口中及/或至少一部分該鈍化層上。
【專利說明】
用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種鋁線電連通的方法，特別是涉及一種用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅制程或鋁制程是用于形成集成電路內(nèi)部聯(lián)機(jī)(導(dǎo)線)的主要步驟。對(duì)銅而言，它的比電阻(P Cu= 1.7 μ Ω -Cm)比招(P A1= 2.7 μ Ω -cm)的比電阻低40%，且比銅招合金(P Al =Cu(0.5at% ) 2.9 3.3 Ω-cm)的比電阻低約50%。因此，在集成電路中使用銅導(dǎo)線作為內(nèi)部聯(lián)機(jī)能有效地降低RC延遲。此外，銅具有比鋁更佳的抵抗電子迀移效應(yīng)與抵抗應(yīng)力誘發(fā)空洞效應(yīng)的特性。相較鋁制程，銅制程具有成本上的優(yōu)勢(shì)。
[0003]但是，銅導(dǎo)線存在以下缺點(diǎn)。銅在溫度為200-300°C時(shí)不能形成氟化物和氯化物，以致電漿蝕刻不容易進(jìn)行。此外，銅無法在其表面形成致密的鈍化保護(hù)氧化層。銅原子會(huì)通過熱或偏擴(kuò)散快速散布到二氧化硅中，并建立深厚的雜質(zhì)層，銅與二氧化硅間的附著力不如鋁與二氧化硅間的附著力堅(jiān)牢。最重要的，銅容易與硅產(chǎn)生反應(yīng)，以致產(chǎn)生銅硅化合物，這改變了集成電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并導(dǎo)致更差的性能。因而，許多集成電路的內(nèi)部聯(lián)機(jī)仍然由鋁線所制成。
[0004]然而，鋁具有低粘附能力來連接其它金屬，許多方法因而提供了如何于鋁線與一銅導(dǎo)線墊間形成電氣互連的作法，一種常用的方法通過圖1A到圖1C而說明。一集成電路的半導(dǎo)體晶圓I具有一鋁線2形成于一表面上。接著，一鈍化層3形成以覆蓋該半導(dǎo)體晶圓I與鋁線2。一蝕刻制程執(zhí)行以露出該鋁線2。最終，一銅墊4形成于鋁線2與部分半導(dǎo)體晶圓I上。
[0005]傳統(tǒng)上，在晶圓廠里，蝕刻制程可以是任何一種濕式蝕刻或干式蝕刻，銅墊4可通過化學(xué)氣相沈積法或物理氣相沈積法形成。但是，這些方法既復(fù)雜又昂貴。同時(shí)，銅與鋁的連接不太堅(jiān)固穩(wěn)定。因銅與鋁的熱膨脹系數(shù)不同，這兩種金屬的接口可能在高溫下分裂，例如當(dāng)該集成電路運(yùn)作時(shí)。雖然許多前案，例如美國(guó)專利第6，756，298號(hào)公開了一種特定的方法來處理用于集成電路接合墊結(jié)構(gòu)的銅與鋁接合，但其實(shí)現(xiàn)只會(huì)增加制造成本。對(duì)于不用在先進(jìn)制程下制造的集成電路，需要尋找一種簡(jiǎn)易、有效及便宜的方式，在集成電路內(nèi)的鋁在線形成接合墊(銅接點(diǎn))。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法。該方法包含步驟:形成至少一鈍化層于該集成電路的半導(dǎo)體晶圓的一表面上，并將一鋁線嵌入于該半導(dǎo)體晶圓上；經(jīng)由該鈍化層形成一圖案化接點(diǎn)穿孔開口，以露出該鋁線；通過化學(xué)蝕刻從該圖案化接點(diǎn)穿孔開口移除一部分鋁線，并同時(shí)形成一薄鋅膜于一蝕刻的表面上；形成一鎳膜堆棧層于該鋅膜上；及通過化學(xué)電鍍或金屬電鍍，形成一金屬堆棧層于該圖案化接點(diǎn)穿孔開口中及/或至少一部分該鈍化層上。其中該半導(dǎo)體晶圓具有一阻障層在該鋁線下。
[0007]依照本案構(gòu)想，該鈍化層由二氧化硅、四氮化三硅、氮化硅或前述材料的組合所制成。該鋁線具有一夠大的體積，以便在化學(xué)蝕刻進(jìn)行之后，對(duì)該集成電路而言，鋁線剩下部分仍正常運(yùn)作。該鋁線周邊截面上任何一點(diǎn)離該圖案化接點(diǎn)穿孔開口內(nèi)最近的一點(diǎn)至少5 μπι。該化學(xué)蝕刻使用堿性鋅置換溶液進(jìn)行。該化學(xué)蝕刻將剩余鈍化層與阻障層間的一部分鋁線蝕刻掉。該鋁線由鋁或鋁合金所制成。該阻障層由氮化鈦、氮化鉭、鉻、鉭、鎢、鈦或前述材料的組合所制成。該鎳膜通過電鍍方式或無電電鍍方式形成。該金屬堆棧層由金、銀、鈦、鉻、銅，或銅合金所制成。
[0008]本發(fā)明所述的方法，進(jìn)一步包含一步驟:從該金屬堆棧層形成一電氣互連。其中該電氣互連為金屬電鍍，該電氣互連亦可為導(dǎo)電膠或?qū)щ娔?，甚至該電氣互連為打線接合或金屬凸塊。
[0009]由以上的說明可知，本發(fā)明不似傳統(tǒng)制程，需要由化學(xué)氣相沈積法或物理氣相沈積法形成銅接點(diǎn)，而以化學(xué)電鍍或金屬電鍍替代，對(duì)于不用在先進(jìn)制程下制造的集成電路，可提供一種簡(jiǎn)易、有效及便宜的方式，在集成電路內(nèi)的鋁在線形成接合墊。
【附圖說明】
[0010]圖1A到圖1C為一種鋁線與銅接合墊間形成電氣互連的傳統(tǒng)方法；
[0011]圖2為本發(fā)明提供的用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法的流程圖；
[0012]圖3為該方法的一步驟；
[0013]圖4為該方法的另一步驟；
[0014]圖5為該方法的又一步驟；
[0015]圖6為該方法的再一步驟；
[0016]圖7為不同鎳膜的形成；
[0017]圖8為一實(shí)施例中一圖案化接點(diǎn)穿孔開口的俯視圖；
[0018]圖9為在另一實(shí)施例中一圖案化接點(diǎn)穿孔開口的俯視圖；
[0019]圖10為又一實(shí)施例中一圖案化接點(diǎn)穿孔開口的俯視圖；
[0020]圖11為再一實(shí)施例中一圖案化接點(diǎn)穿孔開口的俯視圖。
[0021]附圖標(biāo)記說明:1_半導(dǎo)體晶圓；2_招線；3_純化層；4-銅塾；101_半導(dǎo)體晶圓；102-阻障層；103-鋁線；1031-薄鋅膜；104-第一鈍化層；105-第二鈍化層；106-金屬堆棧層；1061-鎳膜;107-金線;200_圖案化接點(diǎn)穿孔開口 ；h-距離；H-距離。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明將通過下列實(shí)施方式更具體地描述。
[0023]請(qǐng)見圖2到圖7。圖2為本發(fā)明提供的用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法的流程圖，其余圖式說明該方法的某些步驟。
[0024]依照本發(fā)明，在該方法所有步驟開始時(shí)，至少形成一鈍化層于一集成電路的一半導(dǎo)體晶圓101的一表面上，并將一鋁線103嵌入于該半導(dǎo)體晶圓101上(Sll)。在圖3所示的實(shí)施例中，有兩個(gè)鈍化層:一第一鈍化層104與一第二鈍化層105。半導(dǎo)體晶圓101具有一阻障層102于鋁線103下。
[0025]阻障層102由氮化鈦所制成。阻障層102的功能在于:(I)防止鋁原子從鋁線103發(fā)散；(2)保護(hù)半導(dǎo)體晶圓101免于被侵蝕；(3)增加鋁原子與鈍化層間的附著力。實(shí)際實(shí)施時(shí)，阻障層102也能由氮化鉭、鉻、鉭、鎢、鈦，或前述材料的組合所制成。鋁線103可以是純鋁或鋁合金。最常使用的鋁合金是銅鋁合金及金鋁合金。用來制造鋁線103的材料并不被限定。在此實(shí)施例中，第一鈍化層104由氮化硅所制成，第二鈍化層105由二氧化硅所制成。當(dāng)然，只要夠堅(jiān)硬以及能滿足以上功能的需要，僅一層鈍化層也足夠。實(shí)際實(shí)施時(shí)，鈍化層能由其它材料，諸如四氮化三硅或前述材料的組合所制成。
[0026]接著，經(jīng)由該些鈍化層形成一圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200，以露出鋁線103 (S12)。任何用來移除一部分第一鈍化層104與第二鈍化層105而形成該圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200的蝕刻制程都可以被使用，建議最好使用光刻蝕刻制程。
[0027]步驟Sll與S12應(yīng)在晶圓廠里，以傳統(tǒng)集成電路制造設(shè)備進(jìn)行。以下步驟關(guān)于鋁的蝕刻與鋅的電鍍。因?yàn)榧呻娐反藭r(shí)已將要完成，僅剩下接合墊沒完成，剩下的制程可以轉(zhuǎn)到印刷電路板工廠中進(jìn)行，而傳統(tǒng)用于制造印刷電路板的設(shè)備可以利用得上。從而，集成電路的制造成本可因此而節(jié)省不少。
[0028]接著，通過化學(xué)蝕刻從圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200移除一部分鋁線103，并同時(shí)形成一薄鋅膜1031于蝕刻的表面上(S13)?；瘜W(xué)蝕刻使用堿性鋅置換溶液而進(jìn)行。也就是說，當(dāng)化學(xué)電鍍或金屬電鍍進(jìn)行時(shí)，有一個(gè)如下描述的化學(xué)反應(yīng):
[0029]3Zn(OH)42-+2A1 — 3Zn+2Al(OH)4-+40H-
[0030]該堿性鋅置換溶液洗蝕該鋁線103。某些鋁原子變成鋁離子而被洗掉。因此，通過化學(xué)蝕刻，在阻障層102與第一鈍化層104間，形成(蝕刻掉)了一部分蝕刻掉的鋁線103。事實(shí)上，任何能侵蝕掉鋁原子并提供鋅離子的溶液都能被使用。例如，推薦使用硝酸鋅溶液。要注意的是薄鋅膜1031形成于蝕刻部分的鋁線103上。它有助于接鄰一金屬堆棧層106于薄鋅膜1031上，以形成一接合區(qū)。
[0031]此處，鋅置換溶液的使用有幾個(gè)好處。首先，鎳的化學(xué)浸泡沉積物會(huì)侵蝕鋁線103，以致于干擾化學(xué)鍍鎳涂層的良好附著力。在過程中為了保護(hù)鋁表面，使用了鋅浸泡沉積物(鋅酸鹽)。鋅沉積物保護(hù)鋁免于受大氣曝露下的再氧化，并重新溶解于該化學(xué)鍍鎳溶液中，露出該不被氧化的鋁線103。第二，要考慮的鋅置換處理的一個(gè)重要面向是無電沉積在鋅置換的鋁表面上的開始機(jī)制，它是自催化沉積過程。一般來說，鎳層下仍會(huì)有殘余的鋅。因而，該結(jié)果可以被認(rèn)為是有益于化學(xué)鍍鎳的表現(xiàn)。最后，如果可能的話，一個(gè)雙重鋅置換過程可以應(yīng)用到鋁線103上。這樣處理的好處是降低了第一鋅置換步驟的關(guān)鍵性，以氧化該鋁線103并移除合金過程中的夾雜物，而第二鋅置換處理能被調(diào)整來產(chǎn)生一個(gè)薄且緊密的鋅沉積層于均勻條件的表面上。
[0032]在化學(xué)蝕刻完成后，形成一鎳膜1061堆棧在鋅膜1031上(S14)。鎳膜1061形成在任何有一群鋅原子之處。由于蝕刻的操作，在圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200上有一些鋅原子群是可能的。微量鎳可能會(huì)出現(xiàn)在該處。相較于堆棧在鋅膜1031上的鎳膜1061，鎳在圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200上的量算非常的稀少。最好，該鎳膜由電鍍或無電電鍍所形成。接著，通過(上表面)化學(xué)電鍍或金屬電鍍，形成金屬堆棧層106于圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200中及/或至少一部分第二鈍化層上140(S15)?；瘜W(xué)電鍍或金屬電鍍比化學(xué)氣相沈積或物理氣相沈積制程費(fèi)用更低，但卻能達(dá)成同樣的效果。銅被用作金屬堆棧層106的材料。因此，金屬堆棧106(接點(diǎn)墊)是個(gè)銅接點(diǎn)。實(shí)際實(shí)施時(shí)，該金屬堆棧層106也可由金、銀、鈦、鉻，或銅合金所制成。薄鋅膜1031提供金屬堆棧層106 —個(gè)大接合面，以便金屬堆棧層106能緊緊相鄰。請(qǐng)參閱圖7。鎳膜1061能容置由金屬堆棧層106延伸出的銅。因而，金屬堆棧層106進(jìn)一步由鎳膜1061所維系，這造成銅難以從金屬堆棧層106分離。
[0033]事實(shí)上，依照本發(fā)明的精神，鎳膜1061能更厚一些，以形成一鎳層。請(qǐng)見圖7。鎳層1062延伸以與一部分第一鈍化層104形成接口，并接著由金屬堆棧層106所覆蓋。它由電鍍或無電電鍍時(shí)間所控制。在最后步驟中，從金屬堆棧層106中以金線107形成一電氣互連(S16)，即電氣互連為打線接合或是一金屬凸塊。電氣互連可以是其它金屬電鍍。實(shí)際實(shí)施時(shí)，電氣互連可使用其它的材料，比如導(dǎo)電膠或?qū)щ娔?br>[0034]要強(qiáng)調(diào)的是鋁線103應(yīng)具有夠大的體積，以便在化學(xué)蝕刻進(jìn)行之后，對(duì)該集成電路而言，鋁線剩下部分103仍正常運(yùn)作。為了對(duì)這一點(diǎn)有較佳的理解，請(qǐng)參閱圖6與圖8。圖8是本實(shí)施例中圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200的俯視圖。內(nèi)部實(shí)心輪廓顯示該圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200，虛線顯示在一鋁線103蝕刻側(cè)截面積上所有點(diǎn)的連線。內(nèi)部輪廓顯示鋁線103的周邊。字母h表示鋁線103蝕刻側(cè)截面積上一邊緣點(diǎn)到圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200最近的一點(diǎn)的距離，字母H表示圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200的相同點(diǎn)到鋁線103周邊最近的一點(diǎn)間的距離。h應(yīng)小于H，這樣意味著鋁線103沒有被吃(蝕刻)穿到最外部的部分。實(shí)際實(shí)施時(shí)，化學(xué)蝕刻能到達(dá)的最遠(yuǎn)的距離應(yīng)不超過5 μπι。因此，鋁線103周邊截面上任何一點(diǎn)應(yīng)至少具圖案化接點(diǎn)穿孔開口 200的最近的一點(diǎn)5 μπι的距離。同時(shí)，鋁線103的厚度應(yīng)大于Iym0因而，鋁線103將不會(huì)被化學(xué)蝕刻蝕穿，進(jìn)一步導(dǎo)致集成電路的異常。
[0035]依照本發(fā)明的精神，圖案化接點(diǎn)穿孔開口的形狀與數(shù)量并未被限制。該形狀可像圖8般規(guī)則，或像圖9般不規(guī)則。用作一個(gè)接合墊的圖案化接點(diǎn)穿孔開口數(shù)量可以是一個(gè)以上。圖10顯示有兩個(gè)創(chuàng)造出的圖案化接點(diǎn)穿孔開口用于一個(gè)接合墊。最好，圖案化接點(diǎn)穿孔開口應(yīng)如同圖11所示，具有重復(fù)的圖案，較圖8所示而言，能在鋁線與堆棧層金屬間給予較大的接觸表面積。較大的接觸表面改善在堆棧金屬區(qū)的電導(dǎo)度。
[0036]雖然本發(fā)明已以實(shí)施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視本案權(quán)利要求范圍所界定為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于形成堆棧金屬接點(diǎn)與半導(dǎo)體晶圓內(nèi)鋁線電連通的方法，其特征在于，包含以下步驟: A.形成至少一鈍化層于該集成電路的半導(dǎo)體晶圓的一表面上，并將一鋁線嵌入于該半導(dǎo)體晶圓上； B.經(jīng)由該鈍化層形成一圖案化接點(diǎn)穿孔開口，以露出該鋁線； C.通過化學(xué)蝕刻從該圖案化接點(diǎn)穿孔開口移除一部分鋁線，并同時(shí)形成一薄鋅膜于一蝕刻的表面上； D.形成一鎳膜堆棧層于該鋅膜上；及 E.通過化學(xué)電鍍或金屬電鍍，形成一金屬堆棧層于該圖案化接點(diǎn)穿孔開口中及/或至少一部分該鈍化層上， 其中該半導(dǎo)體晶圓具有一阻障層在該鋁線下。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該鈍化層由二氧化硅、四氮化三硅、氮化硅或前述材料的組合所制成。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該鋁線具有一夠大的體積，以便在化學(xué)蝕刻進(jìn)行之后，對(duì)該集成電路而言，鋁線剩下部分仍正常運(yùn)作。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中該鋁線周邊截面上任何一點(diǎn)離該圖案化接點(diǎn)穿孔開口內(nèi)最近的一點(diǎn)至少5 μπι。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該化學(xué)蝕刻使用堿性鋅置換溶液進(jìn)行。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該化學(xué)蝕刻將剩余鈍化層與阻障層間的一部分鋁線蝕刻掉。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該鋁線由鋁或鋁合金所制成。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該阻障層由氮化鈦、氮化鉭、鉻、鉭、鎢、鈦或前述材料的組合所制成。9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該鎳膜通過電鍍方式或無電電鍍方式形成。10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該金屬堆棧層由金、銀、鈦、鉻、銅，或銅合金所制成。11.如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含一步驟:F.從該金屬堆棧層形成一電氣互連。12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該電氣互連為金屬電鍍。13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該電氣互連為導(dǎo)電膠或?qū)щ娔?4.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該電氣互連為打線接合或金屬凸塊。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK105826206SQ201510002890
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日
【發(fā)明人】林繼周, 和正平
【申請(qǐng)人】旭景科技股份有限公司