具有覆铜导体的接合系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有覆铜导体的接合系统。一种半导体部件包括半导体管芯和含铜电导体。所述半导体管芯具有：半导体器件区；所述半导体器件区上的含铝金属层；和所述含铝金属层上的比所述含铝金属层硬的至少一个附加金属层。所述含铜电导体经由所述含铜电导体的导电涂层而被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软。
【专利说明】具有覆铜导体的接合系统
【技术领域】
[0001]本申请涉及用于半导体部件的互连系统，特别涉及用于具有标准铝金属化部的半导体部件的铜基互连系统。
【背景技术】
[0002]针对有源功率半导体管芯的表面的、通过超声接合工艺生成的互连系统通常包括:接合到设置在管芯表面上的铝金属化部的重铝线；或者接合到设置在管芯表面上的铜金属化部的重铜线。已经做出尝试以将覆铝的铜线接合到具有标准铝金属化部的功率半导体管芯。然而，由于这样的线的硬铜芯，该线在超声接合工艺期间沉入到管芯的铝金属化部中，并损坏铝金属化部下面的有源器件区域。
【发明内容】
[0003]本文中描述的实施例提供了一种用于具有标准铝金属化部的半导体部件的铜基互连系统。半导体部件在标准铝金属化层上具有至少一个附加金属层，该附加金属层在包含覆铜(coated copper)的电导体的超声接合期间保护下面的标准招金属化部免于极端变形。
[0004]根据半导体部件的实施例，该部件包括半导体管芯，所述半导体管芯具有:半导体器件区；半导体器件区上的含铝金属层；和含铝金属层上的比含铝金属层硬的至少一个附加金属层。半导体部件进一步包括含铜电导体，所述含铜电导体经由所述含铜电导体的导电涂层而被接合到半导体管芯的至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软。
[0005]根据制造半导体部件的方法的实施例，该方法包括:提供半导体管芯，所述半导体管芯具有:半导体器件区；半导体器件区上的含铝金属层；和含铝金属层上的比含铝金属层硬的至少一个附加金属层；以及经由含铜电导体的导电涂层将含铜电导体超声接合到半导体管芯的至少一个附加金属层，导电涂层比含铜电导体的铜软。
[0006]根据半导体部件的在另一实施例，该部件包括半导体管芯，所述半导体管芯具有:半导体器件区；半导体器件区上的含铝金属层；和含铝金属层上的至少一个附加金属层。所述半导体部件进一步包括含铜电导体，所述含铜电导体经由所述含铜电导体的导电涂层而被接合到半导体管芯的至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软。半导体管芯的至少一个附加金属层足够硬以便当所述含铜电导体被接合到半导体管芯的至少一个附加金属层时防止半导体管芯的含铝金属层的显著变形。
[0007]在阅读下面的详细描述并且查看附图后，本领域技术人员将认识到附加特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图的元件不必相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记指定对应的类似部分。各个所图示的实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中被描绘并在下面的描述中被详述。
[0009]图1图示了具有被超声接合到包含覆铜的电导体的标准铝金属化部的半导体部件的实施例的前横截面视图。
[0010]图2图示了具有被超声接合到包含覆铜的电导体的标准铝金属化部的半导体部件的实施例的侧横截面视图。
[0011]图3图示了具有被超声接合到包含覆铜的电导体的标准铝金属化部的半导体部件的另一实施例的侧横截面视图。
[0012]图4图示了具有被超声接合到包含覆铜的电导体的标准铝金属化部的半导体部件的再另一实施例的侧横截面视图。
[0013]图5图示了具有被超声接合到包含覆铜的电导体的标准铝金属化部的半导体部件的又一实施例的侧横截面视图。
[0014]图6图示了用于将包含覆铜的电导体超声接合到半导体部件的标准铝金属化部的接合工具的实施例。
[0015]图7图示了用于将包含覆铜的电导体超声接合到半导体部件的标准铝金属化部的接合工具的另一实施例。
【具体实施方式】
[0016]图1图示了半导体部件的实施例的前横截面视图。半导体部件包括半导体管芯100，半导体管芯100具有半导体器件区102、半导体器件区102上的标准含铝金属层104(诸如Al、AlSi, AlSiCu等)和含铝金属层104上的至少一个附加金属层106。半导体器件区102是在其中可以形成诸如晶体管、二极管、电阻器、电容器等的有源和/或无源器件的管芯100的区。半导体器件区102包括在其中形成所述器件的半导体材料，并可以包括单晶半导体(诸如Si或Ge)、二元化合物(诸如GaN、GaAs、SiC)、三元化合物等。一个或多个绝缘层(诸如氧化物和/或氮化物)可以作为半导体器件区102的部分而被设置在半导体材料上。可选的阻挡金属108 (诸如TiN、TiW、W、Ti等)可以被设置在半导体器件区102和含铝金属层104之间。在任一情况下，含铝金属层104上的至少一个附加金属层106比含铝金属层104硬，从而防止在随后的铜互连超声接合工艺期间损坏。
[0017]根据图1中图示的实施例，四个附加金属层110、112、114、116被形成在半导体管芯100的含铝金属层104上，以在随后的超声接合工艺期间保护含铝金属层104。最下层110包含铜并被形成在含铝金属层104上。下一个层112包含镍，例如N1、NiP, NiMoP，并被形成在含铜金属层110上。下一个层114包含钮并被形成在含镍金属层112上。最后的层116包含金并被形成在含钮金属层114上。附加层110、112、114、116可以通过派射、电镀或其它合适的传统工艺而被形成在半导体管芯100的含铝金属层104上。
[0018]半导体部件进一步包括含铜电导体118，含铜半导体118包括含铜的芯120和芯120上的导电涂层122。含铜电导体118经由含铜电导体118的芯120上的涂层122而被超声接合到半导体管芯100的至少一个附加金属层106。在一些实施例中，涂层122包括Al、Al合金、Pd、Pd合金、Ni或Ni合金。在一个具体实施例中，涂层122包括具有少量Mg的均质AlMg，例如AlMg0.1。通常，涂层122比含铜电导体118的铜软，以使得含铜电导体118经由涂层122而被超声接合到半导体管芯100的(一个或多个)附加金属层106。
[0019]半导体管芯100的(一个或多个)附加金属层106足够硬，以便当含铜电导体118被超声接合到半导体管芯100的至少一个附加金属层106时，通过将来自含铜电导体118的力散布在含铝金属层104的更大面积上防止下面的含铝金属层104的显著变形。如本文中使用的术语“显著”意指下面的含铝金属层104的某种变形是可接受的并支持超声接合工艺。然而，在含铜电导体18之下，含铝金属层104被位移小于预定量，以确保结构的完整性和可靠性。如图1中所示，在含铜电导体118的芯120是接合线的情况下，半导体管芯100的(一个或多个)附加金属层106可以如此硬以至于接合线芯120在被接合到半导体管芯100的至少一个附加金属层106时被变形，而不显著损坏下面的含铝金属层104。
[0020]图2图示了半导体部件的另一实施例的侧横截面视图。图2中所示的实施例类似于图1中所示的实施例，然而，半导体管芯100的至少一个附加金属层106包括在含铝金属层104上形成的三个金属层110、112、114，而不是四个层。根据这个实施例，最下层110包含铜并被形成在含铝金属层104上。下一个层112包含镍，例如N1、NiP, NiMoP，并被形成在含铜金属层110上。最后的层114包含钯并被形成在含镍金属层112上。附加层106可以通过溅射、电镀或其它合适的传统工艺而被形成在半导体管芯的含铝金属层104上，并在含铜电导体118的超声接合期间保护下面的含铝金属层104免于显著变形。
[0021]进一步根据这个实施例，导电涂层122被施加到含铜电导体芯120的所有侧，如图2中所示。在一种情况下，含铜电导体118具有包括涂层122的至少200 μ m的厚度(tl)。含铜电导体118的芯120可以具有至少10(^111的厚度(丨2)。在一个实施例中，含铜电导体118的涂层122包括Al并具有至少50 μ m的厚度(tc)。在另一实施例中，涂层122包括Al合金并具有至少30μπι的厚度(tc)。在每种情况下，涂层122提供含铜电导体118到半导体管芯100的最上面附加金属层114的超声接合。 [0022]图3图示了半导体部件的再另一实施例的侧横截面视图。根据这个实施例，含铜电导体118是带状物，并且导电涂层122仅被施加到含铜带状物118的面向半导体管芯100的侧。
[0023]图4图示了半导体部件的又一实施例的侧横截面视图。图4中所示的实施例类似于图3中所示的实施例，然而，半导体管芯100的至少一个附加金属层106包括在含铝金属层104上形成的两个金属层110、112，而不是三个层。在一种情况下，底层110包含铜并被形成在含铝金属层104上。顶层112包含镍，例如N1、NiP, NiMoP，并被形成在含铜金属层110上。在另一情况下，底层110包含镍，例如N1、NiP, NiMoP，并被形成在含铝金属层104上。顶层112包含钯并被形成在含铜金属层110上。在每种情况下，附加层110、112可以通过溅射、电镀或其它合适的传统工艺而形成，并在含铜电导体118的超声接合期间保护下面的含铝金属层104免于显著变形。
[0024]图5图示了半导体部件的另一实施例的侧横截面视图。图5中所示的实施例类似于图2中所示的实施例，然而，半导体管芯100的至少一个附加金属层106包括在含铝金属层104上形成的单个金属层110，而不是三个层。单个附加层110包含铜或镍(例如N1、NiP、NiMoP)并被形成在含铝金属层104上。单个附加层110可以通过溅射、电镀或其它合适的传统工艺而形成，并在含铜电导体118的超声接合期间保护下面的含铝金属层104免于显著变形。[0025]图6图示了用于将含铜电导体118超声接合到在半导体管芯100的含铝金属层104上形成的至少一个附加金属层106的V形超声接合工具200的实施例。半导体管芯100被提供有半导体器件区102、半导体器件区102上的含铝金属层104和含铝金属层104上的比含铝金属层104硬的至少一个附加金属层106。V形接合工具200经由含铜电导体118的导电涂层122将含铜电导体118接合到半导体管芯100的至少一个附加金属层106。含铜电导体118的软涂层122接合到在半导体管芯100的含铝金属层104上形成的至少一个附加金属层106，例如可选地在升高的温度下以及始终在压力下并且有超声振动。通过V形接合工具200将含铜电导体118按压抵靠至少一个附加金属层106的最上层。在接合区处含铜电导体118的所产生的V形是通过V形接合工具200施加的超声振动和压力的结果。在超声接合工艺期间，含铜电导体118变得这样变形。
[0026]图7图示了用于将含铜电导体118接合到在半导体管芯100的含铝金属层104上形成的至少一个附加金属层106的U形超声接合工具300的实施例。图7中所示的实施例类似于图6中所示的实施例，然而，利用U形接合工具300而不是V形接合工具将含铜电导体118按压抵靠至少一个附加金属层106的最上层，产生U形横截面接合而不是V形横截面接合。
[0027]诸如“第一”、“第二”等术语用于描述各种元件、区、段等并且也不意图限制。贯穿该描述，相似的术语指代相似的元件。
[0028]如本文中使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是开放式术语，指示所声明的元件或特征的存在，但不排除附加元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”意图包括复数以及单数，除非上下文以其他方式清楚地指示。
[0029]要理解的是，本文中描述的各个实施例的特征可以彼此组合，除非以其他方式具体注明。
[0030]虽然本文中已说明和描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以用各种替代和/或等同实施方式代替所示出和描述的具体实施例。本申请意图覆盖本文中所讨论的具体实施例的任何改编和变形。因此，意图是，本发明仅由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种半导体部件,包括: 半导体管芯，具有:半导体器件区；所述半导体器件区上的含铝金属层；和所述含铝金属层上的比所述含铝金属层硬的至少一个附加金属层；以及 含铜电导体，经由所述含铜电导体的导电涂层而被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软。
2.根据权利要求1的半导体部件，其中所述含铜电导体的涂层包括选自由下列各项构成的组的材料=Al、Al合金、Pd、Pd合金、Ni和Ni合金。
3.根据权利要求2的半导体部件，其中所述含铜电导体的涂层包括AlMg。
4.根据权利要求1的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层包括: 所述含铝金属层上的含铜金属层；以及 所述含铜金属层上的含镍金属层。
5.根据权利要求4的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层进一步包括所述含镍金属层上的含钯金属层。
6.根据权利要求5的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层进一步包括所述含钯金属层上的含金金属层。
7.根据权利要求1的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层包括: 所述含铝金属层上的含镍金属层；以及 所述含镍金属层上的含钯金属层。
8.根据权利要求1的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层包括所述含铝金属层上的含铜或镍金属层。
9.根据权利要求1的半导体部件，其中所述含铜电导体具有包括所述涂层的至少200 μ m的厚度。
10.根据权利要求1的半导体部件，其中所述涂层包括Al并具有至少50μ m的厚度。
11.根据权利要求1的半导体部件，其中所述涂层包括Al合金并具有至少30μ m的厚度。
12.根据权利要求1的半导体部件，其中所述含铜电导体在被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层处具有U形横截面。
13.根据权利要求1的半导体部件，其中所述涂层仅被施加到所述含铜电导体的面向所述半导体管芯的侧。
14.一种制造半导体部件的方法，所述方法包括: 提供半导体管芯，所述半导体管芯具有:半导体器件区；所述半导体器件区上的含铝金属层；和所述含铝金属层上的比所述含铝金属层硬的至少一个附加金属层；以及 经由含铜电导体的导电涂层将所述含铜电导体超声接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软。
15.根据权利要求14的方法，进一步包括通过下述操作来在所述含铝金属层上形成所述至少一个附加金属层: 在所述含铝金属层上溅射或电镀含铜金属层；以及在所述含铜金属层上溅射或电镀含镍金属层。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括通过在所述含镍金属层上溅射或电镀含钯金属层来在所述含铝金属层上形成所述至少一个附加金属层。
17.根据权利要求16的方法，进一步包括通过在所述含钯金属层上溅射或电镀含金金属层来在所述含铝金属层上形成所述至少一个附加金属层。
18.根据权利要求14的方 法，进一步包括通过下述操作来在所述含铝金属层上形成所述至少一个附加金属层: 在所述含铝金属层上溅射或电镀含镍金属层；以及 在所述含镍金属层上溅射或电镀含钯金属层。
19.根据权利要求14的方法，进一步包括通过在所述含铝金属层上溅射或电镀含铜或镍金属层来在所述含铝金属层上形成所述至少一个附加金属层。
20.根据权利要求14的方法，进一步包括使用U形接合工具将所述含铜电导体按压抵靠所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层，使得所述含铜电导体在被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层处具有U形横截面。
21.—种半导体部件，包括: 半导体管芯，具有:半导体器件区；所述半导体器件区上的含铝金属层；和所述含铝金属层上的至少一个附加金属层； 含铜电导体，经由所述含铜电导体的导电涂层而被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层，所述导电涂层比所述含铜电导体的铜软；以及 其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层足够硬，以便当所述含铜电导体被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层时，防止所述半导体管芯的所述含铝金属层的显著变形。
22.根据权利要求21的半导体部件，其中所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层还足够硬，以使得所述含铜电导体在被接合到所述半导体管芯的所述至少一个附加金属层时变形。
【文档编号】H01L21/768GK103928436SQ201410011722
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2013年1月11日
【发明者】R.巴耶雷尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司