专利名称：具有铜触点的集成电路管芯片及其方法
技术领域：
本发明通常涉及集成电路，更具体地，涉及具有铜触点的集成电路管芯。
背景技术：
在集成电路制造中，引线接合是一种得到良好证实的用于将具有电路的半导体管芯连接到元件封装上的引脚的方法。而且，日益普遍的是，使用铜金属互连。然而，由于自然氧化铜在引线接合温度(通常大于130摄氏度～170摄氏度)下的不稳定性，使用现有的生产组装设备，将引线直接接合到铜是不可行的。
现今可利用的一种解决方案是使用铝帽层，其在铜接合焊盘上使用，由此接合线接合到铝而非铜。然而，加入铝帽层增加了工艺成本。而且，使用铝帽层还需要在铝帽层和铜接合焊盘之间使用阻挡层和/或粘合层，其进一步增加了工艺成本。而且，相比于铜到金的接合，铝到金的引线接合通常具有减少的机械强度。
现今可利用的另一种解决方案是使用陶瓷帽层，其在铜接合焊盘上使用。因此，引线接合必须经由引线接合机提供的热声能量，穿透陶瓷帽层，以实现同铜接合焊盘的连接。在该解决方案中，陶瓷帽层是淀积在整个晶片上的覆盖层。然而，为了使引线接合能够穿透陶瓷帽层，帽层必须非常薄。但是，当覆盖层淀积在薄的层上时，难于维持可接受的均匀性，因此导致了减少的组装产率。而且，对覆盖层淀积物的需要也增加了工艺成本。
因此，存在对一种具有铜触点的改进的集成电路管芯的需要，其具有改善的可靠性和热阻，同时减少了工艺成本并增加了组装产率。
附图简介本发明借助于示例说明，并且其不受附图的限制，在附图中相同的参考数字表示相似的元件，并且其中
图1说明了根据本发明的一个实施例的具有涂覆铜触点的集成电路管芯的剖面图；图2说明了根据本发明的一个实施例的具有附连到铜触点的引线接合的集成电路管芯的剖面图；图3以流程图的形式说明了根据本发明的一个实施例的用于形成具有涂覆铜触点的集成电路管芯的方法；技术人员应认识到，图中的元件是出于简要和清楚的目的而被说明的，并且不必按照比例绘制。例如，图中某些元件的尺寸相对于其他的元件可能被放大，以协助增进对本发明的实施例的理解。
具体实施例方式
通常，本发明的实施例提供了一种集成电路管芯，其具有涂覆有有机材料的铜触点。该有机涂层协助防止或限制暴露的铜触点的铜氧化，这在高于室温的温度下是特别成问题的，并且在高于100摄氏度的温度下是更加成问题的。例如，在引线接合工艺中，有机涂层可被用于防止过度的铜氧化，由此可以形成针对铜触点的改善的引线接合。有机涂层还可用于多种其他应用，用于防止或限制铜氧化，以实现改善的可靠性和热阻。
图1说明了一部分集成电路管芯10，其具有有源电路24、覆盖有源电路24的金属互连层22、覆盖金属互连层22的最终金属互连层23、和覆盖最终金属互连层23的钝化层26。有源电路24可以包括多种用于实现不同功能的电路元件。例如，有源电路24可以包括模拟和数字电路的组合，存储器(其可以包含存储在其中的软件)等，其可用于实现集成电路管芯10的所需功能。金属互连层22包括金属连线和过孔，用于提供有源电路24和最终金属互连层23之间的电气连接。最终金属互连层23包括最终金属层，其包括金属线20以及触点16和18。最终金属互连层23还包括过孔，诸如过孔32，其提供了针对下面的金属互连层22的电气连接。例如，过孔32提供了针对金属线34的电气连接。在一个实施例中，金属互连层22和23的金属线和过孔可由铜形成。可替换地，互连层22的金属线和过孔可由铝形成，或者由任何其他的适当的金属形成。而且，应当注意，如同所需要的，金属互连层22和23的金属线和过孔是通过介电材料电气绝缘的，如本领域中所知的。
应当注意，在一个实施例中，集成电路管芯10可以是位于半导体晶片上的多个集成电路管芯中的一个。应当注意，铜触点16和18还可以被称为铜接合焊盘，引线接合焊盘，或者铜接合焊柱。还应当注意，此处提供的描述将使用铜触点16和18作为示例；然而，应当注意，铜触点可以意指在集成电路管芯10的工艺过程中的任何点处的暴露铜触点，或者其中防止了暴露铜的氧化的封装基板。例如，在金属互连层22的形成过程中还可以使用此处描述的有机涂层，或者将其用于涂覆铜接合焊柱。
仍参考图1，覆盖最终金属互连层23的钝化层26包括开口28和30，其使铜触点16和18暴露出来。(应当注意，可以使用如本领域所知的任何适当的钝化材料和任何适当的方法形成钝化层26。还应当注意，钝化层26还可被称为绝缘层26。)在形成用于暴露铜触点16和18的开口28和30之后，在铜触点16和18上分别形成有机涂层12和14。有机涂层12和14用于防止铜触点16和18的铜金属的进一步的氧化。即，一旦铜触点暴露于周围空气中的氧，铜即开始氧化。然而，在增加的温度下(高于室温的温度，特别是高于100摄氏度的温度)，铜氧化率显著增加。在较高的温度下产生的该过大的氧化铜厚度在未来的工艺中造成了问题。
例如，引线接合工艺需要高温(通常高于100摄氏度)。尽管在室温下在铜触点16和18的暴露区域处形成了一些氧化铜(还被称为自然氧化铜)，但是当暴露于引线接合工艺过程中使用的升高的温度下时，在铜触点16和18上形成了过多的氧化铜。该过多的氧化铜阻碍了形成可靠的引线接合的能力。因此，使用了有机涂层12和14，以防止该过度氧化。在一个实施例中，使用苯并三唑(BTA)作为用于形成有机涂层12和14的有机材料。BTA与氧化铜发生化学反应，以便于形成保护涂层。即，BTA与自然氧化铜发生反应，以防止铜的进一步氧化。(在某些情况中，BTA还可以与下面的铜发生反应。)因此，BTA与氧化铜的反应产生了热稳定的保护膜(例如，有机涂层12和14)，其允许随后的可靠的引线接合。
因此，尽管上文提供了关于引线接合的描述，但是有机材料，诸如BTA，可用于其他的其中需要防止铜氧化(或限制铜氧化)的应用中。而且，应当注意，在替换的实施例中，其他材料可用于形成有机涂层。例如，BTA是有机材料，其包括具有氮-氢(N-H)键的分子，其可能键合到氧化铜以形成有机保护膜。因此，也可以使用其他的具有相似结构的有机材料。例如，可用于形成有机涂层的其他的具有同BTA相似的N-H键的有机材料包括，但不限于，甲苯并三氮唑(tolyltriazole)、咪唑(imidazole)、苯并咪唑(benzoimidazole)、苯基偶氮-吡唑啉酮(phenylazo-pyrazolone)、苯甲基羧基三唑(benzylcarboxy triazole)、聚苯胺(polyaniline)、聚咪唑(polyimidazole)、聚氨基三唑(poly aminotriazole)、氨基苯酚(aminophenol)、酞菁衍生物(phthalocyanine derivative)、氨基羧酸(amino carboxylic acid)、氨基聚羧酸(amino polycarboxylic acid)、间苯二酚肼(hytroxyphenolhydrazine)衍生物、苯亚甲基草酰二肼(benzaloxalydihydrazine)衍生物、萘甲酰基肼(naphthoylhydrazine)化合物和二酰基肼(diacylhydrazine)。而且，在替换的实施例中，所使用的有机材料可以是上面的有机材料的任何组合。
在一个实施例中，有机涂层(诸如有机涂层12和14)具有大于或等于100摄氏度的热阻。在引线接合的情况中，该热阻允许可靠地形成针对铜触点的引线接合。而且，有机涂层通常是薄的，例如，150埃或更少。优选地，涂层厚度小于或者等于100埃，并且更优选地，小于或者等于50埃。因此，在引线接合的情况中，引线接合能够穿透有机涂层和氧化铜，以形成针对铜触点的可靠的电气连接。
为了更好地描述有机涂层12和14的形成，下面将参考图3描述工艺。图3说明了根据本发明的一个实施例的用于在集成电路管芯10上形成有机涂层的工艺，并且其将参考图1和2进行描述。在形成开口28和30之后(图1)，包括集成电路管芯10的半导体晶片进行除油(图3的框42)。晶片除油包括，使用稀释的碱性溶液冲洗晶片，以除去有机杂质(诸如手指油脂、空气污染等)。然后，工艺继续进行到图3的框44，其中对晶片进行预处理。预处理包括，清洁晶片，以使预先存在的氧化铜稳定。在一个实施例中，使用稀释的酸性溶液(例如，0.5摩尔)清洁晶片以除去杂质。可替换地，可以使用具有小于2摩尔的浓度的稀释酸性溶液。在一个实施例中，稀释酸性溶液是稀释的硫酸溶液。在替换的实施例中，稀释的过硫酸溶液可用于替换稀释的酸性溶液。然后，工艺继续进行至框46，其中通过施加有机材料形成有机涂层。该有机涂层可以通过多种方法形成，诸如例如，将晶片浸入有机材料的溶液，使用旋涂工艺；喷涂晶片；物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积(CVD)。在一个实施例中，通过使铜触点暴露在具有大于7，或优选地大于7.5，或者更优选地，在7.5和8之间的pH级的有机材料溶液中，在铜触点上形成了有机涂层。
例如，在一个使用BTA作为用于形成有机涂层12和14的有机材料的实施例中，浸渍溶液可用于将BTA施加到铜触点16和18上，以形成有机涂层12和14。在该实施例中，可以由具有大于或等于7的pH的溶液施加BTA。在一个实施例中，水溶液包括BTA和作为缓冲剂的碱，诸如氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)，其中水溶液具有大于或等于7的pH。在该实施例中，至少7的pH确保了用于同BTA进行化学反应的自然氧化铜在浸渍工艺过程中保持完好。即，如果溶液的pH过低，则该溶液可能除去自然氧化铜，由于有机材料不能可靠地同氧化铜进行化学反应，因此阻碍了有机涂层的形成。而且，在该实施例中，为了可靠地形成有机涂层，将晶片浸在溶液中至少5分钟。
如上文所提及的，替换的实施例可以使用其他的有机材料以及其他的用于施加有机材料的浸渍溶液。例如，可以使用除了水溶液以外的其他的浸渍溶液施加BTA。而且，可以使用关于浸渍溶液的不同的pH级，只要足够的氧化铜保持完好，用于同有机材料进行化学反应并形成有机涂层。而且，应当注意，由于有机涂层是通过有机材料和氧化铜的化学反应形成的，因此有机涂层通常形成在铜的暴露区域上。因此，有机涂层12和14优先形成在铜触点16和18上，如图1中所说明的。这消除了提供均匀的覆盖层淀积的需要，并由此改善了可靠性。
回来参考图3，在形成有机涂层之后，流程进行至框48，其中执行晶片的去离子(DI)水漂洗。DI水漂洗除去了未反应的BTA和剩余的浸渍溶液，或者由用于形成有机涂层的工艺所引入的其他杂质。然后流程进行至框50，其中将管芯从晶片上切割下来。即，集成电路管芯10可以是已切割的管芯或者可以仍然是半导体晶片的一部分。可以使用本领域中已知的方法切割管芯，诸如划片或激光烧蚀。还应当注意，可以一起切割多个管芯，由此所导致的切割的管芯实际上包括多个管芯。然后流程进行至框52，其中使管芯附连到封装基板。即，集成电路管芯10，在切割时，可以通过如本领域中已知的多种方法附连到封装基板，诸如使用环氧树脂粘合剂或聚酰亚胺粘合剂，或者任何其他已知的管芯附连。封装基板可以包括，例如，球栅阵列(BGA)基板、引线框、多管芯封装等。
然后流程进行至框54，其中封装基板和所附连的切割芯片进行等离子体清洗。等离子体清洗除去了封装基板和管芯的某些杂质。在一个实施例中，等离子体清洗包括，在RF场中施加氩-氢气体混合物。在替换的实施例中，等离子体清洗包括在RF或微波场中施加氩-氢气体混合物。然后流程进行至框56，其中执行引线接合。将参考图3描述引线接合。
图3说明了引线接合工艺之后的集成电路管芯10，其中在开口28和30中分别形成了引线接合32和34。因此，使用传统的引线接合工艺，接合线32附连到铜触点16，以提供针对铜触点16的电气连接。相似地，接合线34附连到铜触点18，以提供针对铜触点18的电气连接。应当注意，在附连接合线32和34时，接合线分别穿透有机涂层12和14，以便于形成电气连接。因此，应当注意，在引线接合工艺完成之后，有机涂层12和14部分可以在接合线32和34的两侧保留在集成电路管芯10上，如图2所示。还应当注意，在接合线和铜触点之间可能仍存在小量的有机涂层(未示出)。由于有机涂层在引线接合的工艺过程中存在于铜触点上，因此形成了更加可靠的引线接合，这是因为有机涂层防止了铜触点表面在引线接合工艺中通常使用的升高的温度(大于100摄氏度)下进一步氧化。应当注意，多种不同的材料可用于接合线32和34，例如，金、铜、铝等。
回来参考图3，在执行引线接合工艺之后，流程进行至框58，其中使用传统的工艺完成封装组装，以形成完成封装的半导体器件。
应当注意，在替换的实施例中，图3的流程可以绕过框50、52和54。在该替换的实施例中，可以不切割集成电路管芯10，从而以晶片的形式保留。然后晶片可以进行等离子体清洗(同框54的等离子体清洗相似)，并且在半导体晶片上而非切割的管芯上执行框56的引线接合。
在本发明的一个实施例中，其使用引线接合提供同集成电路管芯的电气连接，可以在封装基板上使用铜接合焊柱，提供从封装基板到集成电路管芯的电接触。在该实施例中，使引线接合连接针对集成电路管芯上的铜触点(即，铜引线接合焊盘)和封装基板上的铜触点(即，铜接合焊柱)。如上文所述，可以在集成电路管芯上的铜触点上形成有机涂层，以允许改进的引线接合连接。然而，应当注意，还可以在封装基板上的铜触点(即，铜接合焊柱)上形成有机涂层，以便于防止过度的铜氧化并允许针对铜接合焊柱的引线接合的直接电接触。这样，实现了改进的引线接合，其是可靠的和热阻的。而且，该实施例防止了在铜接合焊柱上使用额外的保护层，诸如用于保护铜的镍-金层的需要。使用有机涂层而非镍-金层允许封装基板上的铜接合焊柱的较细的间距，并且还减少了制造成本。
而且，尽管上面的描述是针对用于引线接合的铜触点16和18提供的，但是替换的实施例可以使用用于多种其他应用的有机涂层。例如，在一个实施例中，诸如在功率器件应用中，可以使用大的铜片作为铜触点。在该实施例中，可以使用上文描述的相同的有机涂层提供针对铜触点的可靠的电气连接(例如，引线接合连接)。在其他的实施例中，诸如在RF应用中，使用了铜电感，其中可能需要针对铜电感的电气连接。因此，还可以使用此处描述的有机涂层保护铜电感，防止过度氧化，以便于提供可靠的、热阻的电接触。
因此，如可以认识到的，可以使用此处描述的有机涂层的实施例防止或限制铜触点的过度氧化，由此导致了改善的可靠性和热阻。还应当注意，有机涂层的实施例可以允许引线接合，其典型地是金，到铜触点之间的直接电接触，由此导致了比先前可利用的接触更加坚固的接触。而且，在使用现有的生产组装设备时，有机涂层的实施例允许铜触点和引线接合之间的该直接的电接触。有机涂层的实施例还可以防止对额外的金属层或覆盖层淀积的需要，因此减少了成本。而且，改善的可靠性和热阻以及更坚固的接触导致了改善的组装产率。
在前面的说明中，针对具体的实施例描述了本发明。然而，本领域的普通技术人员将认识到，在不偏离如附属权利要求中陈述的本发明的范围的前提下，可以进行多种修改和变化。因此，说明和附图将从说明性的角度而非限制性的角度考虑，并且所有该修改的目的在于涵盖于本发明的范围内。
上文针对具体的实施例描述了好处、其他优点和对问题的解决方案。然而，好处、优点、对问题的解决方案、以及可以使任何好处、优点或解决方案出现或变得更加显著的任何要素未被解释为任何或全部权利要求的关键的、必需的或基本的特征或要素。如此处使用的，术语“包括”或者其任何变体，目的在于，涵盖非排他性的内含物，由此包括元素列表的工艺、方法、物体或装置不仅包括这些元素，而且可以包括其他的未清楚列出的或者对于该工艺、方法、物体或装置所固有的元素。
权利要求
1.一种集成电路管芯，包括铜触点；铜触点上的涂层，该涂层包括由有机材料与氧化铜的反应形成的材料。
2.权利要求1的集成电路管芯，其中，通过将铜触点暴露于包括有机材料的溶液中来形成涂层。
3.权利要求2的集成电路管芯，其中，溶液具有至少为7的pH级。
4.权利要求3的集成电路管芯，其中，溶液具有至少为7.5的pH级。
5.权利要求1的集成电路管芯，其中，有机材料包括具有氮-氢键的分子。
6.权利要求1的集成电路管芯，其中，有机材料包括苯并三氮唑。
7.权利要求1的集成电路管芯，其中，有机材料包括甲苯并三氮唑、咪唑、苯并咪唑、聚苯胺和聚咪唑中的至少一个。
8.权利要求1的集成电路管芯，进一步包括多个互连层，包括最终铜互连层；绝缘层，其覆盖互连层；其中，铜触点位于最终铜层中，并且可通过绝缘层中的开口接入。
9.权利要求8的集成电路管芯，其中，涂层位于绝缘层中的开口中。
10.权利要求1的集成电路管芯，其中，铜触点是引线接合焊盘。
11.权利要求1的集成电路管芯，其中，涂层具有100C或更大的热阻。
12.权利要求1的集成电路管芯，其中，涂层具有150埃或更少的厚度。
13.权利要求1的集成电路管芯，其中，涂层具有20～50埃的厚度范围。
14.权利要求1的集成电路管芯，其中，涂层具有50埃或更少的厚度。
15.一种集成电路封装，其包括权利要求1的集成电路管芯，并且进一步包括封装基板，所述集成电路管芯附连到封装基板；引线，其连接到铜触点并且连接到封装基板的触点。
16.一种用于制造集成电路的方法，该方法包括在集成电路的铜触点上通过将铜触点暴露于具有7或更大的pH级并且包括有机材料的溶液中形成涂层。
17.权利要求16的方法，进一步包括在所述形成之后将引线接合到铜触点。
18.权利要求17的方法，其中在100C或以上的温度下，执行引线到铜触点的接合。
19.权利要求17的方法，进一步包括在形成涂层之后，在接合引线之前，等离子体清洗涂层的暴露表面。
20.权利要求17的方法，其中，所述接合除去了至少一部分直接位于引线下面的涂层。
21.权利要求16的方法，其中，溶液具有7.5或更高的pH级。
22.权利要求16的方法，进一步包括在形成涂层之前使用酸预处理铜触点。
23.权利要求16的方法，其中，有机材料同氧化铜反应，其中，涂层包括由有机材料与氧化铜的反应形成的材料。
24.权利要求23的方法，其中，有机材料包括具有氮-氢键的分子。
25.权利要求23的方法，其中，有机材料包括苯并三氮唑。
26.权利要求23的方法，其中，有机材料包括甲苯并三氮唑、咪唑、苯并咪唑、聚苯胺和聚咪唑中的至少一个。
27.权利要求16的方法，其中，形成涂层进一步包括将包括集成电路管芯的晶片浸入到溶液中至少5分钟。
28.用于制造集成电路的方法，该方法包括在铜触点上形成涂层；在形成涂层之后等离子体清洗涂层的暴露表面；在等离子体清洗之后将引线接合到铜触点。
29.权利要求28的方法，其中，等离子体清洗进一步包括，使涂层的暴露表面经受包括氩和氦的至少一个的气体混合物。
30.权利要求28的方法，其中，在100C或以上的温度下，执行引线到铜触点的接合。
31.权利要求28的方法，其中，所述接合除去了至少一部分直接位于引线下面的涂层。
32.权利要求28的方法，其中，溶液包括同氧化铜反应的有机材料，其中，涂层包括由有机材料与氧化铜的反应形成的材料。
33.权利要求32的方法，其中，有机材料包括具有氮-氢键的分子。
34.权利要求32的方法，其中，有机材料包括苯并三氮唑。
35.权利要求32的方法，其中，有机材料包括甲苯并三氮唑、咪唑、苯并咪唑、聚苯胺和聚咪唑中的至少一个。
36.权利要求28的方法，进一步包括在形成涂层之后，在等离子体蚀刻之前，将包括铜触点的管芯从晶片上切割下来。
37.权利要求28的方法，其中铜触点是引线接合焊盘。
38.权利要求28的方法，进一步包括在形成涂层之前使用酸预处理铜触点。
39.一种集成电路管芯，包括多个铜接合焊盘；多个铜接合焊盘的每一个上的涂层，通过将铜接合焊盘暴露于包括有机材料的溶液中形成该涂层，该有机材料包括具有氮氢键的分子，该涂层包括由有机材料与氧化铜的反应形成的材料，该涂层具有150埃或更小的厚度。
全文摘要
一种集成电路管芯(10)，具有铜触点(16、18)，其在暴露于周围空气时形成了自然氧化铜。一种有机材料施加到铜触点，其同自然氧化铜反应以在铜触点上形成有机涂层(12、14)，以便于防止进一步的铜氧化。这样，诸如大于100摄氏度的较高温度下的进一步的工艺，不受过度的铜氧化的限制。例如，由于有机涂层，引线接合工艺的高温不会导致将阻碍可靠的引线接合的过度的氧化。因此，有机涂层的形成允许可靠的和热阻的引线接合(32、34)。可替换地，有机涂层可以在集成电路管芯的形成过程中的任何时间形成在暴露的铜上，以限制铜氧化的形成。
文档编号H01L23/52GK1768426SQ200480009235
公开日2006年5月3日 申请日期2004年3月31日 优先权日2003年4月2日
发明者李巨钟, 菲埃达·B·哈龙, 凯文·J·埃斯, 谭兰春, 杨俊才 申请人:飞思卡尔半导体公司