焊垫结构及其制作方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种焊垫结构及其制作方法。

背景技术：
在半导体制造领域，集成电路（IC）封装是非常重要的一环，其为芯片和电路板提供了电互连、机械支撑、环境保护及导热通道。具体而言，IC封装就是利用金属线将芯片上的电路管脚引导封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板与其它器件相连，从而实现内部芯片与外部电路的连接。因而，在IC封装中，必不可少的一个环节就是打线（wirebonding）过程，即从芯片的焊垫（pad）上引出焊线（bondingwire）的过程。行业内，为检测打线工艺的成功率，一般通过金球推力（ballshear）或金线拉力（wirepull）测试焊线与焊垫之间的连接状况。目前，打线工艺失败的情况比较常见，其原因一般认为是焊垫和焊线之间的粘结性能较差引起的，其次，还与焊垫的结构及其制作方法有关。以下介绍一种现有的焊垫结构制作方法。如图1所示，其为焊垫的截面结构示意图。该焊垫结构形成于芯片的介电层10及顶层金属（topmetal）11上，由钝化层（passivationlayer）12及其间的金属焊垫层13构成，此外，为了在钝化层内形成填充金属焊垫层13的窗口，需控制钝化层12刻蚀停止位置，因而，钝化层12与介电层10及顶层金属之间存在刻蚀终止层（etchstoplayer）14。更多焊垫结构及其制作方法请参照公开号为“US2007/0026631A1”的美国专利。然而，上述焊垫结构存在一些问题。例如，随着多次使用后，金属焊垫层13会出现从钝化层12上剥落的现象，这会导致焊垫金属层13与顶层金属11的电连接性变差，进而造成打线工艺失败。针对上述问题，本发明提供一种可以提高打线成功率的焊垫结构及其制作方法。

技术实现要素：
本发明实现的目的是提出一种新的焊垫结构及其制作方法，以提高打线工艺成功率。为实现上述目的，本发明提供一种焊垫结构，包括：位于芯片顶部的介电层及包埋在所述介电层中的顶层金属，所述介电层与所述顶层金属的上表面齐平；位于所述介电层及顶层金属上钝化层，所述钝化层中具有暴露部分所述顶层金属的窗口，所述窗口内填充有焊垫金属层；其中，所述钝化层至少包括第一钝化层与第二钝化层，所述第二钝化层粘合所述介电层与第一钝化层。可选地，所述第二钝化层为刻蚀终止层。可选地，所述介电层材质为二氧化硅，所述第一钝化层材质为二氧化硅，所述第二钝化层的材质为碳化硅。可选地，所述钝化层还包括介于第一钝化层与第二钝化层之间的第三钝化层，所述第三钝化层为刻蚀终止层。可选地，所述介电层材质为二氧化硅，所述第一钝化层材质为二氧化硅，所述第二钝化层的材质为碳化硅，所述刻蚀终止层材质为氮化硅或碳氮化硅。可选地，所述第二钝化层的厚度占所述第二钝化层与第三钝化层总厚度的比例大于30%。可选地，所述顶层金属的材质为铜，所述焊垫金属层的材质为铝。此外，本发明还提供一种焊垫结构的制作方法，包括：提供芯片，所述芯片顶部具有介电层及包埋在所述介电层中的顶层金属，所述介电层与所述顶层金属的上表面齐平；淀积钝化层，所述钝化层至少包括第一钝化层与第二钝化层，其中，所述第二钝化层粘合所述介电层与第一钝化层；在所述钝化层内形成窗口，所述窗口暴露部分所述顶层金属；在所述窗口内形成焊垫金属层。可选地，在所述钝化层内形成窗口是通过干法刻蚀在所述钝化层内形成沟槽实现的。可选地，所述介电层材质为二氧化硅，所述第一钝化层材质为二氧化硅，所述第二钝化层材质为碳化硅，碳化硅的淀积方法为PVD或CVD。可选地，所述钝化层还包括介于第一钝化层与第二钝化层之间的第三钝化层，所述第三钝化层为刻蚀终止层，所述介电层材质为二氧化硅，所述第一钝化层材质为二氧化硅，所述第二钝化层的材质为碳化硅，所述刻蚀终止层材质为氮化硅或碳氮化硅，碳化硅的淀积方法为PVD或CVD，氮化硅或碳氮化硅的淀积方法也为PVD或CVD。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1）本发明中的钝化层中的一层通过材质选择，起到粘合介电层及其它钝化层的作用，上述起粘合作用的钝化层的设置，使得钝化层与介电层的结合性变强，进而使得位于钝化层中的焊垫金属层不易从钝化层上剥落，焊垫金属层与顶层金属的电连接性变强，提高了打线工艺成功率。2）可选方案中，焊垫结构在制作过程中，需在钝化层中开窗口以淀积焊垫金属层，而窗口刻蚀需在钝化层中设置一层刻蚀终止层，实现上述目的的方案具有两种：a）该起粘合作用的钝化层通过材质选择，既起到粘合作用，又起到刻蚀终止作用；b）起粘合作用与起刻蚀终止作用的两层分别设置。附图说明图1是现有技术中的焊垫结构的截面示意图；图2至图5是实施例一的焊垫结构制作方法的结构示意图；图6是实施例二的焊垫结构的截面示意图。具体实施方式如背景技术所述，现有的打线工艺失败部分原因是由焊垫结构及其制作方法造成的。针对上述问题，本发明提出对钝化层中的一层通过材质选择，起到粘合介电层及其它钝化层的作用，上述起粘合作用的钝化层的设置，使得钝化层与介电层的结合性变强，进而使得位于钝化层中的焊垫金属层不易从钝化层上剥落，焊垫金属层与顶层金属的电连接性变强，提高了打线工艺成功率。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。由于本发明重在解释原理，因此，未按比例制图。如前所述，焊垫结构在制作过程中，需在钝化层中开窗口以淀积焊垫金属层，而窗口刻蚀需在钝化层中设置一层刻蚀终止层，实现上述目的的方案具有两种：a）该起粘合作用的钝化层通过材质选择，既起到粘合作用，又起到刻蚀终止作用；b）起粘合作用与起刻蚀终止作用的两层分别设置。以下对这两种方案进行具体描述。实施例一图2至图5所示为本实施例提供的焊垫结构制作方法的结构截面示意图。以下结合图2至图5进行具体说明。首先，参照图2所示，执行步骤S11：提供芯片，芯片顶部具有介电层20及包埋在介电层20中的顶层金属21，介电层20与顶层金属21的上表面齐平。上述介电层20与顶层金属21都可以为现有可以实现各自功能的材质，本实施例中，该介电层20材质为二氧化硅（k>4.0）。顶层金属21选择铜，以实现较好的导电性能。此外，上述芯片中的层间介电层（IMD）可以为低K（2.0≤k≤4.0）或超低K（k<2.0）材质，以减小寄生电容。执行步骤S12：参照图3所示，依次淀积第二钝化层221、第三钝化层222、第一钝化层223，第二钝化层221起粘合介电层20与其它钝化层222、223的作用。上述第一钝化层223、第二钝化层221及第三钝化层222形成了钝化层22。其中的第三钝化层222为刻蚀终止层，在后续钝化层22内刻蚀沟槽过程中起刻蚀终止作用，其可以选择现有的刻蚀终止层材质，例如为氮化硅或碳氮化硅（NDC）。需要说明的是，此处由于刻蚀终止层222一般较薄（100nm以下），因而可以理解为第二钝化层221主要用于粘合介电层20及第一钝化层223，此外，由于各层为淀积方式形成的叠层结构，因而，第二钝化层221先形成，紧邻介电层20与顶层金属21，以实现较好的粘结效果。第一钝化层223的材质可以选择实现该功能的现有材质，本实施例中，该第一钝化层223材质为二氧化硅，介电常数k>4.0，其材质较密实，可以隔绝水汽或气体污染物污染芯片内部结构。针对介电层20材质为二氧化硅，第一钝化层223材质为二氧化硅的情况，本发明人发现，该第二钝化层221的材质选择碳化硅时，相对没有设置该碳化硅的结构，可以大幅度提高两者的粘合性能。此外，研究表明，碳化硅相对其它刻蚀终止层材质，例如氮化硅或碳氮化硅，其对铜的粘结性能也有增强。氮化硅或碳氮化硅、二氧化硅、碳化硅的形成工艺都可以采用现有的工艺，例如物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）形成。具体实施过程中，第二钝化层221的厚度可以根据粘结效果进行调整，优选地，为实现良好的粘结效果，该层厚度占第二钝化层221与刻蚀终止层222两层厚度之和的比例大于30%。其它实施例中，刻蚀终止层222也可以为多层，例如两层，一层材质为氮化硅，一层为碳氮化硅。执行步骤S13：如图4所示，在钝化层22内形成窗口23，该窗口23暴露部分顶层金属21。本步骤形成的窗口23可以根据焊垫结构的需求进行形状及尺寸大小设置，针对常用的方形焊垫，该窗口23为沟槽。形成沟槽的工艺可以采用现有工艺，例如干法刻蚀，刻蚀气体及工艺参数参照现有工艺。在干法刻蚀过程中，氮化硅与碳氮化硅（NDC）的材质或相对二氧化硅较硬，可以起到刻蚀终止作用，或前者对刻蚀选择气体的选择比低于后者，刻蚀较慢，因而可以起到刻蚀终止作用。执行步骤S14：如图5所示，在窗口23内形成焊垫金属层（pad）24。上述焊垫金属层24可以通过对窗口23填充金属物质，例如铝，而后化学机械研磨（CMP）去除窗口23外多余的金属物质实现。至此，本实施例一的焊垫结构已经形成完毕。结合图5所示，该焊垫结构包括：位于芯片顶部的介电层20及包埋在介电层20中的顶层金属21，介电层20与顶层金属21的上表面齐平；自下而上堆叠于介电层20及顶层金属21上的第二钝化层221、刻蚀终止层222及第一钝化层223，第二钝化层221、刻蚀终止层222及第一钝化层223中具有暴露部分顶层金属21的窗口23，窗口23内填充有焊垫金属层24；其中，第二钝化层221起粘合刻蚀终止层222及第一钝化层223的作用。具体地，介电层20、第一钝化层223的材质均为二氧化硅（k>4.0），顶层金属21的材质为铜，焊垫金属层24的材质为铝，该第二钝化层221的材质为碳化硅，刻蚀终止层222的材质为氮化硅或碳氮化硅。其它实施例中，该刻蚀终止层222也可以为两层或多层。本实施例中的钝化层22中的一层221通过材质选择，起到粘合介电层20及其它钝化层222、223的作用，上述起粘合作用的钝化层221的设置，使得钝化层22与介电层20的结合性变强，进而使得位于钝化层22中的焊垫金属层24不易从钝化层22上剥落，焊垫金属层24与顶层金属21的电连接性变强，提高了打线工艺成功率。研究表明，本实施例一的方案尤其在低K（2.0≤k≤4.0）或超低K（k<2.0）工艺中，对焊垫金属层24从钝化层22上剥落的问题改善效果明显。实施例二本实施例二提供的焊垫结构及其制作方法与实施例一大致相同。区别在于：第二钝化层221通过材质选择，既起到刻蚀终止作用，又起到粘合介电层20及第一钝化层223的作用，换言之，如图6所示，该刻蚀终止层222与第二钝化层221合并为一层。上述方案的好处在于：可以省略一道或几道淀积工艺，提高制作效率，降低成本。仍针对介电层20、第一钝化层223的材质为二氧化硅（k>4.0），顶层金属21的材质为铜，焊垫金属层24的材质为铝，该第二钝化层221（刻蚀终止层222）的材质为碳化硅。本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，各实施例中的相同结构及制作方法参照前述实施例的相同部分。本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。