部件及其制造方法本发明尤其涉及半导体工业领域并且特别涉及其中的装配和组装
“(Assembling and Packaging)(A+P)”部份。
当然，应该着重指出，本发明亦可应用于其它技术领域，其中希
望在铜表面上实现电压焊连接。
因此如果本发明的起因问题是半导体工业并提出其相关的解决办
法，则应该理解它在技术上并不受限制。该问题本身完全可出现在其
它的技术中，所建议的解决途径亦可在那里应用。
在半导体工业中广泛通过压焊或所谓的“引线压焊”连接零件，
通常是金属丝，而且至少是由铝构成的零件。由铝构成的零件的“引
线压焊”受限于众所周知的在标准气氛中形成的氧化铝层。为了建立
良好的金属间的连接，例如在铝和金之间的连接，来确保尽可能小电
阻及可再现的、长时间稳定的、电和力学上可靠的连接必需将零件加
热至至少80℃，优选更高的温度。
众所周知，铝由于其电导性并不是第一选择的金属。
由于铜高得多的电导性，以及随之在给定电状态下可能的较小的
导电零件，特别是芯片上的金属印制电路、以及金属丝及接触点等，
特别在半导体工业中迫切需要采用与导电的铜零件连接的电接头，如
Terrence Thompson，“Copper IC Interconnect Uptdate”铜集成电路互
连的新改进，HDT，2卷，5期1999年5月，第42页所述。
例如在铜/金-引线压焊体系中出现的问题，在George G.
Harmann，“Wire Bonding in Microelectronics”，(微电子学中的引线
连接)McGraw-Hill，1997，138-140页中已有阐述。
在同一文献的171页上说明了为什么铝的连接比较无问题，即由
于在其中生成一种硬的易脆的氧化物层，该层通过连接裂开。与此相
反，软的氧化物，例如铜的氧化物和镍的氧化物降低了可连接性。
原则上从该文献的128页，表I-3“改变连接的金属界面”可以
看出，软金属上的硬氧化物使连接变得容易。这点与197，198页上的
叙述相符，根据这点，在联接期间，易脆膜裂开并在“脱落区”经冲
洗，从而允许通过较厚的层完成满意的超声连接和热离子连接。与清
洁焊点的连接能力相比，通过2.5nm CVD-涂复的氧化物的连接能力
没有差别。
概括地从有关半导体工业的叙述可以看出，铝和铜的接头可使芯
片进一步小型化。带铜印制电路的芯片的制造方法被受限。困难首先
出现于，如上所述，应该实现芯片铜接触点与“芯片载体”的压焊连
接(引线压焊，倒装技术)。在铝上形成的氧化铝是一种硬的、薄的
阻氧层，该层在引线压焊期间的普通温度下保护层下面的金属不进一
步氧化或沾污，与此相反，氧化铜是软的，它既不能在压焊时如氧化
铝那样立即裂开，以完成无熔剂的焊接或钎焊，又不能尤其在压焊温
度下形成阻止氧扩散的层。
本发明的目的在于提供一种部件，该部件具有至少一个由至少是
基本上由铜组成的金属零件与由金属组成的第二个零件的连接，该连
接在机械与电方面上是无可置疑的，本发明的目的还在于提供一种制
造这种部件的方法。本发明部件的特征由权利要求1或2表征。这种
部件的优选实施方案专述于权利要求3-12。
该目的通过本发明的方法实现，即在拟通过压焊连接的铜零件假
设两个铜零件上涂复一种层，该层至少在80℃的温度下是稳定的并且
它还在此温度下形成一种阻止氧扩散的阻挡层，如果不优于也至少接
近在标准环境下在铝上形成的氧化铝层，并且按照权利要求13在加热
至至少所提及的温度下通过压焊使零件连接。另一些优选实施方案，
按其含义亦适用于本发明的部件。
按照权利要求14，为此采用一种层，该层宜在至少100℃的温度
下，优选至少在150℃下，优选直到至少200℃下是稳定的，尤其优选
直到至少300℃下，而且在加热至至少预期的温度下进行压焊。但这并
不意味如果该层亦在更高的温度下，例如350℃是稳定的，压焊亦在此
温度下进行。压焊完全可在较低的温度下进行，但至少在80℃，应至
少在150℃，更优选至少在200℃。
在另一优选实施方案中，采用一种层，该层在机械和热性质方面
以及在对氧一扩散行为方面如不比在标准环境下在铝上形成的氧化铝
层更好的话，也接近或相等。
在这种情况下，按照权利要求16，第二个零件同样至少基本上可
由铜组成，而且相应地如上所述涂敷一种层，或者优选基本上由金或
铝组成。
至于优选的应用领域，即半导体技术，按照权利要求17优选是零
件中的至少一个由金属丝构成，并用作“引线压焊”。
其次，根据应用领域，所述的层以导电层或以电绝缘层提供，其
有关的性质可以得到充分利用，即将该层用作绝缘层或导电层。
下述的材料或其混合物适宜作上述层的材料：
a)SiOx，其中1.5≤x≤2，优选x＜2，
b)TaSiN，优选TaxSiyNz，其中
35≤x≤55
12≤y≤18
32≤z≤48，并且x+y+z＝100，尤其优选Ta45Si15N40
c)TiN
d)AlO
e)TiSiN
f)TaN
g)SiN，优选Si3N4
h)WSiN
I)ReO
k)PdO
l)ZrO
m)YO
n)ZrN
o)NbN
p)VN
q)有时采用CuN。
在此应指出实质性的实情，在本发明方法的范围内，如上所述，
在一个或多个铜零件上采用一种层。这种考虑包括层的涂敷和需要时
此涂层的后处理，这样得到的层是经涂敷和加上后处理的层产生的。
据此，上述所考虑的层宜用真空涂层方法涂敷，例如用CVD方法、
PVD方法、PECVD方法、PEPVD方法或者用等离子体聚合方法。
需要时应该区分用涂敷过程涂上的层和附加考虑后处理而得到的
本发明拟采用层。
再次，根据有关的基本上由铜构成的零件的历程，建议在涂层之
前清洗零件，而且优选通过在氢等离子体或在氢-氮-等离子体中进
行处理。
再次，层的厚度d至少为1.5nm，优选至少2.0nm，尤其是在下述
范围内：
2.0nm≤d≤15nm，其中尤其是
2.5nm≤d≤3.5nm。
下面，层的厚度尤其受到其上作为氧-扩散阻挡层的要求的限制。
与上面的叙述相反，拟采用的厚度特别受到对拟压焊的可裂开性的限
制。
为了优化该层作为氧-扩散阻挡层的作用，另外建议，层的结构
是伦琴无定型的或玻璃状的。该要求决定了层厚d的下限，因此它不
可由原子单层构成，或者不再是氧致密的。其次，层可由有氧-吸收
剂作用的材料构成，例如由欠化学式计量的氧化物，尤其是由x＜2的
SiOx构成。
考虑到本发明拟采用的层是导电的或电绝缘的结构，亦存在着这
种可能性，即使这种本来由可压焊性而考虑的层也可从涂敷零件的电
导性方面用作功能层，即作为电导层或绝缘层。
在本发明方法的另一优选实施方案中，上述的层可以下述方式提
供、即涂复一种层，此层然后通过在氮等离子体和/或通过在标准气氛
下的后处理。这种过程尤其适宜于涂敷SiO2层，优选涂敷在清洗后的
铜表面上，而且后处理预计采用氮等离子体。优选通过溅射涂敷该SiO2
层。
在上述本发明方法的一个优选实施方案的范围内，其中拟采用的
层包括层的涂敷和层的后处理，还建议涂敷Si层，再又优选通过溅射，
并通过在标准气氛下进行的后处理，优选热处理。
其次，在上述优选的实施方案的范围内，即层的涂敷和后处理，
建议涂复金属层，然后将其充分氧化。实现这个过程的优选方式是，
在此过程中通过对涂敷层厚和/或氧化温度和/或氧化期间的气氛的相应
选择控制该充分氧化过程。
在这种情况下，涂敷和充分氧化后的层厚d优选为：
3nm≤d≤10nm，
更优选
4nm≤d≤6nm
而且在标准气氛下的完全氧化有时在加热下进行。
本发明将在下面用试验及其结果作例以及根据附图加以实例性阐
明。
附图1表示本发明的压焊连接的层厚与可拉性的关系，该结合采
用SiO2-层涂敷在1μm厚的电解涂敷的铜层上或涂敷在500nm厚的溅
射的铜层上，和
附图2表示在本发明部件上的压焊连接。
作为试验的原始基片采用涂敷铜的晶片。采用的铜层厚度为500nm
和1000nm。
500nm范围内的较薄的铜层，藉助溅射涂敷，较厚的则采用电解
沉积。在某些试验中铜表面在氢等离子体中进行净化。但是结果表明，
该表面净化与具有相同的层，但未进行任何净化的晶片相比并未导致
可拉伸性的提高。
因此预先采用净化的必要性未被试验证明。当然应该考虑，在生
产条件下铜表面要经受不同环境条件，最可能完全有利的是在沉积本
发明层之前，预先进行上面提及的净化工序，以便总在相同的初始条
件下进行涂敷。
曾经对不同层厚的多种不同材料进行研究，每次在不同的压焊连
接温度下对直径为1.0mil的金丝进行连接。
表1
层(厚度nm)
Nr.
SiO2
(1)
SiO(H)
(2)
SiN(H)
(3)
Si3N4
(4)
CrO2
(5)
Nb2O5
(5)
Ta45Si15N40
(7)
TiN
(8)
|
d
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
3nm 7nm
40℃
V V
V V
V (V)
V (V)
V (V)
V (V)
V (V)
V (V)
|
200℃
V V
- -
- -
V V
- -
- -
V (V)
V (V)
V…可压焊 (V)…有限的可压焊 -…不可压焊
表1列出了八种硬层材料Nr.1-Nr.8的结果，每种为两种厚度，
压焊试验温度为40℃和200℃。可以看出，在压焊温度为200℃时，该
温度由于上面所述的原因是要力求达到的，在这种情况下SiO2，Si3N4，
或Ta45Si15N40和TiN具有可压焊的能力。还可看出，在3nm范围内的
层厚的可压焊性比较大层厚的情况要好。在铜的氧化不起任何作用的
60℃温度以下，只表明连接中层的硬度与其厚度有决定性的作用：在
这种情况下，层不能太厚，因为否则它在引线压焊时不能完全裂开。
在温度高于80℃时出现软的、油污的氧化铜，它不再符合相应于只是
脆的硬层的厚度。层应该有效地防止铜在压焊温度下的氧化，因此，
在较高温度下，按本发明涂敷的层作为氧-扩散阻挡层的作用更为重
要。在表2中列出了表1的层Nr.1-8的沉积方法和重要的工艺条件。
表2
Nr.
(1)
溅射涂敷
Si-靶，Ar/O2-混合物
3×10-3mbar
(2)
等离子体聚合
二甲基二乙氧基-硅烷
Si(CH3)2(OC2H5)2，10-2mbar
(3)
溅射涂敷
Si-靶，Ar/N2-混合物
10-2mbar
(4)
离子镀
Si-蒸汽，Ar/N2-混合物
5×10-3mbar
(5)
溅射涂敷
Cr-靶，Ar/O2-混合物
5×10-3mbar
(6)
溅射涂敷
Nb-靶，Ar/O2-混合物
4×10-3mbar
(7)
溅射涂敷
Ta-Si-靶，Ar/N2-混合物
5×10-3mbar
(8)
离子镀
Ti-蒸汽，Ar/N2-混合物
5×10-3mbar
表3
硬层
厚度d/nm
拉伸力/g
Nr.
SiO2
7
17.46
(1)
Ta4.5Si2.5N3
3
14.7
(7)
Si3N4
3
14.2
(4)
下面对成功压焊的表1的层Nr1、4和7进行拉伸试验。
从结果可以看出，只有在所采用的压焊温度总是高于80℃，如列
出的200℃下是稳定的那些层具有良好的机械行为。首先是稳定的无定
形的(伦琴无定形，晶粒尺寸≤3nm)并在上述温度下，甚至到300
℃下仍保持稳定的层是适宜的。这类材料包括表1的Nr.1、4、7、8
和TiN，以及SiOx(欠化学式量的硅氧化物)、氧化铝(优选欠化学
式量的)、TiSiN、TaN、WSiN、ReO、PbO、ZrO、YO、ZrN、NbN、
VN、亦可能包括CuN。
通过采用欠化学式量的SiOx或一种基本上具有氧-吸收剂作用的
材料，例如一种欠化学式量的氧化物，可以提高层材料作为氧-扩散
阻挡层的作用。
表3列出了由试验Nr.1，4，7所得的压焊连接所得的可拉伸性。
图1是一种SiO2一层的涂敷层厚d与所得可拉伸性的函数关系，
压焊在200℃的温度下进行，一铜层为1000nm，一铜层为500nm。可
以看出，在硬层层厚小的情况下，所得压焊连接明显优化，而且在实
质上与d的变化和铜层厚度无关。
通过在净化后的铜敷金属上溅射涂敷SiO2-层可以制造在约达180
℃下有效的扩散阻挡层。如果上述SiO2层然后补充在氮等离子体中处
理，结果可得到在约达250℃下有效的扩散阻挡层。
对于铜敷金属上溅射的Si层而言，接着将涂复的层在标准气氛中
加高温，则其扩散阻挡层作用可达到200℃。
如果铜表面涂敷一种薄的金属层，例如Al、Si、Cr等，然后在大
气中需要时加热以充分氧化，与铜的氧化相比可得到一种致密的扩散
阻挡层。在这种情况下形成的层足够薄，致使它能充分被氧化，而不
残留任何金属，以与铜形成金属间的结合。这在金属层厚为3nm-10nm
的情况下可以达到，并且优选4nm-6nm。
图2表示本发明的部件上的压焊连接区，其中：
1：基片；
2：至少主要由铜构成的层；
3：通过在4处与铜层2压焊和形成金属间化合物而连接上的另一
零件，尤其是金属丝；
5：在进行压焊区通过压焊过程裂开的本发明拟采用的硬层。
此外，本发明亦可利用现有的为铜工艺，例如在芯片制造中，提
供用于引线压焊的标准设备。此设备在这高于80℃的压焊温度下工作。