形成焊盘的方法以及其结构 【技术领域】
本发明总体上属于半导体技术领域，更具体地说属于半导体上的焊盘技术领域。
背景技术
随着在半导体加工业中发展到利用铜来取代铝，需要能够将铜丝焊部(copper wire bond)固连到铜质焊盘上。伴随铜质焊盘的一个问题是，当对它们进行化学机械抛光(CMP)时，会发生表面凹陷现象。一种解决方案是在铜质焊盘上形成氧化槽，来提高平整度。但是，氧化槽会使得难以可靠地将金属与探针或者丝焊部发生接触。不带有切槽，不仅更难以进行CMP工艺，而且探针会损坏所述垫片，从而损害对丝焊部的接触能力。因此，需要一种焊盘结构，其允许存在切槽，并且不仅可以将铜丝丝焊到铜质焊盘上，而且能够可靠地与探针发生接触。
附图简述
下面借助于示例对本发明进行例证，但是本发明并不局限于附图中所示内容，在附图中，相似的附图标记指示相似构件，其中：
图1示出了一个半导体衬底一部分的横剖视图，示出了根据本发明一实施例的切槽；
图2示出了图1中所示的那部分半导体衬底，其上形成有一个金属层；
图3示出了图2中所示半导体衬底在平整化处理之后的状态；
图4示出了图3中所示半导体衬底在钝化层形成之后的状态；
图5示出了图4中所示半导体衬底在对钝化层施加图案和蚀刻处理之后的状态；
图6示出了图5中所示半导体衬底在形成一个腐蚀阻隔层之后的状态；
图7示出了所述半导体衬底的一部分在丝焊操作之后的状态；而
图8是一个根据本发明一实施例的焊盘的俯视图。
本技术领域中的熟练技术人员将会明白，附图中的构件鉴于简单化和清晰化而示出，并且无需按照比例进行绘制。例如，附图中某些构件的尺寸可能被相对于其它构件放大，以有助于增进对本发明的实施例地理解。
【具体实施方式】
在一个实施例中，形成一个包括介电区域和铜填料的开槽式焊盘，用以改善将铜丝可靠地丝焊到铜质焊盘和探针上。本发明由权利要求加以限定，并且通过参照附图更好地得以理解。
如图1中所示，在半导体衬底10的一个表面上形成有一个介电层，该介电层形成某种图案，来形成切槽14和隔离区域12。如在此所用，术语“衬底表面”被用于指代衬底10上的功能部件(features)的最顶部显露表面。衬底10是一种半导体衬底，其已经被处理至形成焊盘，但是并不包括焊盘，焊盘的形成操作发生在对最后金属层进行处理的过程中。因此，衬底10可以具有形成于其内的晶体管、位线、字线以及类似器件。衬底10具有一个半导体层，比如硅层、砷化镓层、锗化硅层以及类似材料层，并且可以包括一个绝缘体，比如硅绝缘体(SOI)。所述介电层是用于最后金属层的介电层，并且可以利用化学汽相淀积(CVD)、自旋(spin on)、类似工艺或者它们的组合而形成。所述介电层是一种当暴露于空气中时基本上不会发生反应的介电材料，并且比如可以是通过利用四乙基原硅烷(TEOS)气体制成的二氧化硅。在一个实施例中，介电层的厚度为0.1至1微米。在一个实施例中，切槽14与切槽14之间的开口9的厚度相同，并且在另外一个实施例中，切槽14的最大宽度不超过约4微米。在一个实施例中，切槽14是一种绝缘材料。有益的是，所述切槽与隔离区域12为相同材料，因为这样仅需要进行一次淀积操作和一次图案化处理。如果切槽14与隔离区域12为不同材料，那么会需要对不止一种介电材料进行淀积操作和图案化处理，增加了制造工艺的周期。
在形成了切槽14和隔离区域12之后，可以在所述衬底表面上形成一个第一阻隔层(未示出)。在一个实施例中，第一阻隔层是利用PVD工艺制成的400埃左右厚的钽层。其它耐火金属以及它们的氮化物，比如TiN、Ti以及TaN，也可以被用作第一阻隔层。可选择地，可以使用原子层淀积(ALD)工艺或者其它方式。可以在第一阻隔层上形成一个籽晶层(seed layer)(未示出)。在一个实施例中，所述籽晶层是利用PVD形成的铜层，其厚度大约为800至1500埃。
如图2中所示，在隔离区域12上、切槽14之间以及切槽14上形成有一个金属层16，最好是铜层。如果选择使用了第一阻隔层和籽晶层，那么金属层16也将位于它们之上。在一个实施例中，金属层16是铜层和铜填料，它们淀积于所述功能部件或者切槽14之间以及它们之上。也可以使用其它导电材料，比如钨和铜的合金。金属层16利用电镀或者其它合适工艺形成。金属层16的厚度必须被制成至少等于开口9的高度。在一个实施例中，铜的淀积厚度为8000埃。
在形成了金属层16之后，部分金属层16比如利用平整化处理而被去除，以便如图3中所示出的那样，形成镶嵌结构18或者金属区域18。一般来说，金属层16经过化学机械抛光处理来获得金属区域18，金属区域18与切槽14一同形成了焊盘100。可选择地，金属层16可以经过深内蚀刻处理来获得金属区域18。在金属层16为铜层和铜填料的实施例中，铜层和铜填料经过平整化处理来形成一个基本上平整的表面，该平整表面包括铜填料的顶表面和各个切槽14的顶表面。金属区域18和切槽14是焊盘100或者焊盘区域100中的部分。
如图4中所示，在形成了焊盘100之后，在焊盘100和隔离区域12上形成一个钝化层20。该钝化层20可以是氮化硅、氧氮化硅、类似材料或者它们的组合，并且可以利用CVD、PVD、类似工艺或者它们的组合而形成。已经发现，500埃厚的氮化硅和4500埃厚的氧氮化硅用作钝化层20非常有效。接下来，如图5中所示出的那样，利用光阻材料对钝化层20进行图案化处理，并且对其进行蚀刻处理，来至少在焊盘100的一部分上形成开口90。一种含氟化学物质，比如CF4，可以被用于对钝化层20进行蚀刻。在一个实施例中，开口90利用一种蚀刻-灰化-蚀刻工艺(etch-ash-etch process)形成，意味着首先执行第一次蚀刻，随后进行灰化，接着执行第二次蚀刻，第二次蚀刻可以与第一次蚀刻相同或者不同。也可以使用其它适合于形成开口90的方法。
在一个实施例中，在执行了第一次蚀刻来形成开口90的一部分并且将用于第一次蚀刻中的光阻材料去除之后，在衬底10的整个表面上形成一个聚酰亚胺层(未示出)，并且对其进行图案化处理，来在焊盘100上并且能够在其它区域上形成开口。为了形成开口90的剩余部分，执行第二次蚀刻。可以使用与第一次蚀刻中所用蚀刻化学物质相同或者不同的蚀刻化学物质。第二次蚀刻工艺将对任何未被聚酰亚胺层覆盖起来的区域进行蚀刻。
如图5中所示，在形成开口90的同时，为了使得切槽14凹陷于金属区域18的顶表面的下方，执行过蚀刻(over etch)，在一个实施例中，金属区域18为铜填料。在存在有钝化层20的实施例中，过蚀刻用于确保钝化层20被完全从开口90中去除，以便进行后续的丝焊操作。所述铜填料的高度大于所述多个功能部件或者切槽14的高度，并且在切槽14上形成位于切槽高度与铜填料高度之间的凹槽15。凹槽15至少为100埃左右，并且更具体地说，至少为600埃左右。作为本技术领域中的普通技术人员可以确信，凹槽15的深度不会超过切槽14的高度。在一个实施例中，所述凹槽的深度处于100埃至2000埃之间，或者更具体地说，处于600埃与2000埃之间。
所希望的是，凹槽15的深度足以使得当探针80被施加到焊盘100的一部分上时，探针将沿着切槽14的顶部进行滑动，并且与金属区域18发生接触，如图5中所示出的那样。所述凹槽也可以允许任何积累在探针80上的碎屑脱落下来，并且跌落入至少一个凹槽15中或者被从切槽14的顶部上刮除。此外，切槽14的存在防止了如同现有技术中那样探针80与焊盘100中的金属区域18的底部发生接触，并且至少将所接触到的金属区域18部分去除，在所述现有技术中，未使用切槽并且会导致用于丝焊操作的接触区域较小。
使用切槽与金属区域共面的焊盘防止了焊盘被彻底刺穿，用以确保探针与金属区域之间充分接触。此外，将切槽与探针发生接触可以形成非导电性碎屑，它们会粘附到探针的尖端上，并且增大焊盘受损的可能性或者降低与金属区域18电接触的能力。
正如可以从图5中看出的那样，在一个实施例中，探针80直接与焊盘100的一部分发生接触，意味着探针将不会经由中间层与焊盘100上的所述部分发生接触。
在形成了凹槽15之后，在切槽14和金属区域18上任选性地形成一个第二阻隔层22或者腐蚀阻隔层22，来防止焊盘100受到含氧气氛或者腐蚀气氛。在一个实施例中，第二阻隔层22是由CVD或自旋淀积的薄玻璃材料。例如，第二阻隔层22可以是一种包括硅、碳、氧以及氢的材料，比如与Kulicke & Soffa Industries Inc。的OP2(SM)防氧化工艺组合出售的薄膜。第二阻隔层22的厚度小于凹槽15的高度。在一个实施例中，第二阻隔层22小于约100埃。
可选择地，第二阻隔层22可以是一种呈固体、胶体或者液体形式的腐蚀抑制剂。当使用液体的腐蚀抑制剂时，这种腐蚀抑制剂被存放成至少局部填充切槽14上的凹槽15。通过使用一种液体的腐蚀抑制剂，凹槽15可以用作所述液体的存储器，由于所述液体与金属区域18的可湿性，所述液体会随着时间的流逝而消失。因此，从金属区域18顶表面蒸发掉的腐蚀抑制剂会随着时间的流逝由来自于凹槽15的液体腐蚀抑制剂进行补充，直到没有液体。可以保存在各个凹槽15内的液体腐蚀抑制剂的量是切槽14上的凹槽15容积的一个函数。需要防止金属区域18接触氧化环境的时间越长，就需要越多的液体腐蚀抑制剂，并且凹槽15的容积就必须越大。作为普通技术人员将会认识到，凹槽15的容积取决于凹槽15的高度以及凹槽15的直径或者宽度。
在另外一个实施例中，第二阻隔层22是一种熔剂(flux)，其可以包括氯化物或者氟化物。通常，对所述熔剂进行加热，并且通过蚀刻操作去除任何已经在金属区域18上发生的腐蚀现象。接着，如同将在下面进一步解释的那样，所述熔剂会在丝焊操作中蒸发掉或者基本上由球体取代，所述球体是丝焊部中的部分。
如果没有形成第二阻隔层22，那么可以在丝焊操作之前在氮气、氢气、氩气或者类似气氛下执行标准的预清洁工艺。可选择地，开口90可以保持与氧气隔绝或者以最少方式暴露在氧气中。
在形成了焊盘100和第二阻隔层22之后，如果需要，半导体衬底10被连接在一个封装基片(未示出)上，并且受到加热，以便将至少一个焊盘100丝焊到半导体衬底10上，或者模制到一个位于封装基片上的垫片上，以便在它们之间形成电连接。在一个实施例中，为了形成丝焊部，挤压出一根金属丝，并且随后受到加热，以便在该金属丝的端部形成一个球体。接着，使用一个铁砧或者圆环针将所述球体和金属丝扯拽到焊盘100上。利用所述圆环针向丝焊部24上施加超声波能量和压力，以便将丝焊部24直接粘接到焊盘100上，意味着金属丝或者丝焊部24不会经由中间层与焊盘100上的所述部分发生接触。在一个实施例中，金属丝或者丝焊部24直接连接在铜填料的顶表面上，其中“直接”具有与前述的相同的含义。最终的结构在图7中示出。丝焊部24可以呈球形、楔形或者任何其它合适形状。
如果使用了第二阻隔层22并且是一种腐蚀抑制剂，那么其可以仅在丝焊操作之前或者之中存在。可选择地，如果使用了一种熔剂作为第二阻隔层22，那么这种熔剂可以在丝焊操作之前、之中或者之后存在。通常，熔剂在丝焊操作和加热来将腐蚀抑制剂去除的过程中消失。但是，如果使用一种玻璃作为第二阻隔层22，那么这种玻璃将在丝焊操作之前或者之中存在。在该实施例中，当丝焊部24被施加到第二阻隔层22上时，第二阻隔层22会在金属区域18的拐角处发生龟裂，并且随着时间的流逝，第二阻隔层22的剩余部分也会发生龟裂，逐步从金属区域18或者切槽14上脱落下来。可以使得最终产品在丝焊操作之后不具有第二阻隔层22，即使第二阻隔层22被用于加工程序中。因此，在一个实施例中，第二阻隔层22或者腐蚀阻隔层在对金属丝进行连接的过程中由金属丝或者丝焊部24刺穿。在另外一个实施例中，腐蚀阻隔剂或者阻隔层22在对金属丝或者丝焊部24进行连接操作的同时被去除。
在图8中示出了焊盘100的“地形化”视图，该焊盘100包括多个功能部件和一个环绕在所述多个功能部件周围的金属层，该金属层可以是铜。在所示出的实施例中，显露出来的切槽14被制成成排成列的图案，并且由金属区域18环绕起来；也可以使用任何其它图案或者任何数目的切槽14。但是，与丝焊部24发生接触的金属区域18的面积必须至少为焊盘100的34％。此外，切槽14可以呈任何形状，比如长方形、正方形或者圆柱形。
形成最终带有凹陷切槽的金属焊盘是有益的，因为凹槽15增加了探针与丝焊操作的可靠性，减轻了由于化学机械抛光所导致的抛光凹陷现象，并且控制探针80在焊盘100内的刺入度，由此限制焊盘100在探测过程中受到损坏。所述凹槽还允许任何聚积在探针80上的碎屑跌落入至少一个凹槽中，由此对探针80进行清洁。此外，凹槽15可以允许金属在多次重复探测之后仍有残留。在探测之后，尤其是多次探测之后仍然残留有金属，增加了丝焊工艺的可靠性和简便性。此外，由于凹槽15所导致的地形图案有助于进行丝焊操作，因为凹槽15增大了丝焊部24可以固附到金属区域18上的金属表面面积。还有，所述地形图案允许金属区域18和切槽14上的玻璃阻隔层更易于发生断裂，增强了焊接强度和焊接部的电接触性。
在前面的描述中，已经参照具体实施例对本发明进行了描述。但是，本技术领域的普通技术人员将会明白，在不脱离所附权利要求中陈述的本发明保护范围的条件下，可以进行各种改进和改变。因此，说明书和附图应该被看作是例证目的，而并非加以限制，并且希望将所有的这种改进被包括在本发明的保护范围之内。
在前面已经针对具体实施例对益处、其它优点以及问题解决方案进行了描述。但是，益处、优点、问题解决方案以及任何会导致产生或者明确任何益处、优点或者解决方案的构件，均不用于构成任何权利要求或者所有权利要求中的关键、必要或者基本特征或者构件。如在此所用，术语“包括”“包含”或者任何类似用语，均用于覆盖一种非排它性包括，比如一种包括一组构件的工艺、方法、物品或者设备，不仅包括这些构件，而且可以包括未明确列出或者对于这种工艺、方法、物品或者设备来说固有的其它构件。