一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體器件封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。該凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底、凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)和焊料凸點(diǎn)，所述凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)包括金屬種子層和接焊層；其中：所述接焊層為鐵磷合金材料，所述焊料凸點(diǎn)為錫或錫合金材料，所述金屬種子層為銅、鈦、鎢或銅合金。本發(fā)明利用FeP合金具有的優(yōu)良可焊性、界面層生長速度慢的特性，將其作為凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的接焊層，從而提高互連體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能及服役可靠性并降低封裝成本。
【專利說明】一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件封裝【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于芯片的集成電路制作向高集成度發(fā)展，其芯片封裝也需向高功率、高密度、輕薄與微小化的方向發(fā)展。凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)已成為目前應(yīng)用最廣泛的封裝結(jié)構(gòu)之一，其互連工藝為:首先在芯片上制作焊料凸點(diǎn)，然后將芯片凸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)金屬化陶瓷或多層陶瓷基板上的金屬化焊盤，于保護(hù)氣氛及合適溫度下進(jìn)行回流焊。現(xiàn)有的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)一般采用銅或鎳作為接焊層，但隨著封裝密度的日益提高，凸點(diǎn)上焊球的尺寸變得越來越小，界面金屬間化合物的脆性對(duì)互連體可靠性的影響也變得越來越嚴(yán)重。銅作為界面反應(yīng)層雖具有電導(dǎo)率高及與焊料間優(yōu)異的潤濕性等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，但同時(shí)還存在諸如界面層生長過快、Cu層消耗過快以及易形成Kirkendall孔洞等缺陷。鎳作為界面反應(yīng)層可有效阻擋金屬種子層Cu的擴(kuò)散，但依然存在諸如黑墊、Kirkendall孔洞以及界面層快速生長使焊點(diǎn)脆化等缺陷。此外應(yīng)用高Sn無鉛焊料與Ni之間的反應(yīng)速度明顯快于SnPb焊料，隨著高Sn無鉛焊料的廣泛應(yīng)用，界面化合物的快速生長也同樣會(huì)降低Ni基UBM結(jié)構(gòu)的服役可靠性。具有更優(yōu)性能的界面反應(yīng)層的探索已成為當(dāng)前電子封裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一，如國內(nèi)外諸多學(xué)者欲通過添加其它合金元素以形成二元或多元鍍層的途徑改善現(xiàn)有NiP層的性能。但目前研發(fā)的各種新型合金鍍層，如FeN1、NiV等生產(chǎn)成本較高，目前尚未能得到廣泛應(yīng)用。
[0003]Fe與Sn之間的界面反應(yīng)生成的金屬間化合物FeSn2,而FeSn2具有生長速度慢、致密度好等優(yōu)點(diǎn)，因此Fe基UBM的研發(fā)近年來得到不少微電子封裝企業(yè)的廣泛關(guān)注。但由于Fe易于氧化，導(dǎo)致其潤濕性很差，采用Fe作為UBM接焊層的工作一直未見報(bào)道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于利用FeP合金具有的優(yōu)良可焊性、界面層生長速度慢的特性，提供一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，提高互連體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能及服役可靠性并降低封裝成本。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底、凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)結(jié)構(gòu)和焊料凸點(diǎn)，所述凸點(diǎn)下金屬化層(UBM)結(jié)構(gòu)包括金屬種子層和接焊層；其中:所述接焊層為鐵磷合金材料，所述焊料凸點(diǎn)為錫或錫合金材料，所述金屬種子層為銅、鈦、鶴或銅合金。
[0007]所述接焊層用鐵磷合金其化學(xué)成分按原子百分含量計(jì)為:鐵元素:85_99%，其余為磷元素及不可避免的雜質(zhì)。
[0008]所述接焊層的厚度為1-5 μ m可調(diào)，所述金屬種子層的厚度介于100埃到10000埃之間，所述焊料凸點(diǎn)的直徑為20-300 μ m。
[0009]上述凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)還包括焊盤和鈍化層，所述焊盤和鈍化層設(shè)于所述半導(dǎo)體襯底的上表面，所述鈍化層覆于半導(dǎo)體襯底焊盤開口以外的上表面；所述焊盤開口上方設(shè)有金屬種子層，所述金屬種子層上方設(shè)有接焊層，所述接焊層上方設(shè)有焊料凸點(diǎn)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0011]1、在適當(dāng)條件下，F(xiàn)eP合金層具有良好的潤濕性能，且FeP與Sn基焊料界面反應(yīng)生成的金屬間化合物FeSn2具有生長速度慢、致密度好等優(yōu)點(diǎn)。選用FeP合金代替Cu、Ni和NiP合金作為接焊層，可以抑制界面反應(yīng)層的快速生長及接焊層的快速消耗，大幅度提高凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的服役壽命。
[0012]2、由于原料成本較低，采用FeP合金制備UBM結(jié)構(gòu)的成本較現(xiàn)有其它合金具有較顯著的優(yōu)勢(shì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明一種凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明一種凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的【具體實(shí)施方式】流程圖。
[0015]圖3是FeP/Sn界面上FeSn2金屬間化合物的生長動(dòng)力學(xué)曲線。
[0016]圖中:1-半導(dǎo)體襯底；2-焊盤；3_鈍化層；4_金屬種子層；5_接焊層；6_焊料凸點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0018]圖1是本發(fā)明凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的示意圖，該該凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底1、凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)、焊料凸點(diǎn)6，焊盤2和鈍化層3，所述凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)包括金屬種子層4和接焊層5 ;所述焊盤2和鈍化層3設(shè)于所述半導(dǎo)體襯底I的上表面，所述鈍化層3覆于半導(dǎo)體襯底I焊盤2開口以外的上表面；所述焊盤2開口上方設(shè)有金屬種子層4，所述金屬種子層4上方設(shè)有接焊層5，所述接焊層5上方設(shè)有焊料凸點(diǎn)6。
[0019]所述接焊層5為鐵磷合金材料，所述焊料凸點(diǎn)6為錫或錫合金材料，所述金屬種子層4為銅、鈦、鎢或銅合金。所述接焊層5的厚度為1-5 μ m可調(diào)，所述金屬種子層4的厚度介于100埃到10000埃之間，所述焊料凸點(diǎn)6的直徑為20-300 μ m。
[0020]所述接焊層5用鐵磷合金其化學(xué)成分按原子百分含量計(jì)為:鐵元素:85_99%，其余為磷元素及不可避免的雜質(zhì)。
[0021]圖2是制備上述凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)的工藝流程圖，該工藝首先在芯片(半導(dǎo)體襯底)上表面形成焊盤和鈍化層，鈍化層覆于芯片焊盤開口以外的上表面上；然后在焊盤上形成金屬種子層；在金屬種子層上形成接焊層；在接焊層上形成焊料凸點(diǎn)；最后去除焊料凸點(diǎn)表面的氧化物，并回流焊料凸點(diǎn)。該工藝具體過程如下:首先在芯片上表面形成焊盤和鈍化層，焊盤一般由銅、鋁、銅合金或其他導(dǎo)電材料形成，主要用于接合工藝以使各自芯片中的集成電路和外部部件連接。鈍化層由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等材料或它們的混合物形成，用于保護(hù)芯片中的線路。一般先在芯片及焊盤上形成鈍化層，再利用光刻法和蝕刻工藝，將鈍化層圖案化以形成露出焊盤開口。需要說明的是，所述芯片的焊盤和鈍化層可以是芯片的初始焊盤和初始鈍化層，也可以是根據(jù)線路布圖設(shè)計(jì)需要而形成的過渡焊盤和鈍化層。
[0022]在焊盤上形成金屬種子層，形成方法包括包括物理氣相沉積(PVD)或?yàn)R射；金屬種子層一般為銅、鈦、鎢或銅合金；金屬種子層的厚度一般介于100埃到10000埃之間。
[0023]然后在上述焊盤開口內(nèi)的金屬種子層上形成接焊層，所述接焊層為鐵磷合金，其化學(xué)成分為鐵原子百分含量為85-99%可調(diào)，其余為磷及不可避免雜質(zhì)。具體工藝可以通過用電鍍或化學(xué)鍍的方式，直接在金屬種子層上鍍FeP合金?；亓骱蠼缑嫔蠒?huì)形成FeSn2金屬間化合物，而不是通常的Cu6Sn5或Ni3Sn4金屬間化合物。由于FeSn2的生長速度緩慢,保證了凸點(diǎn)中的焊料層不易在長時(shí)間的使用過程中被快速消耗掉并形成厚的脆性金屬間化合物，從而可以提高封裝互連體的可靠性。圖3為FeP/SnAgCu界面上FeSn2金屬間化合物的生長動(dòng)力學(xué)曲線，可以看出其生長速度遠(yuǎn)低于NiP/SnAgCu界面Ni3Sn4的生長速度。
[0024]然后在界面反應(yīng)層上形成焊料凸點(diǎn)，形成焊料凸點(diǎn)的方法可以采用電鍍、絲網(wǎng)印刷或植球等方式。采用的焊料為純錫或錫合金，如錫銀合金、錫銅合金、錫銀銅合金等。
[0025]最后，去除焊料凸點(diǎn)表面的氧化物，并回流焊料凸點(diǎn)，形成本發(fā)明凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)。
[0026]以上提供的實(shí)施例僅僅是解釋說明的方式，不應(yīng)認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的范圍限制，任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變的方法，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:該凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底、凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)和焊料凸點(diǎn)，所述凸點(diǎn)下金屬化層結(jié)構(gòu)包括金屬種子層和接焊層；其中:所述接焊層為鐵磷合金材料，所述焊料凸點(diǎn)為錫或錫合金材料，所述金屬種子層為銅、鈦、鎢或銅合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述接焊層用鐵磷合金其化學(xué)成分按原子百分含量計(jì)為:鐵元素:85-99%，其余為磷元素及不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述接焊層的厚度為1-5 μ m可調(diào)，所述金屬種子層的厚度介于100埃到10000埃之間，所述焊料凸點(diǎn)的直徑為20-300 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以FeP合金作為接焊層的凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述凸點(diǎn)封裝結(jié)構(gòu)還包括焊盤和鈍化層，所述焊盤和鈍化層設(shè)于所述半導(dǎo)體襯底的上表面，所述鈍化層覆于半導(dǎo)體襯底焊盤開口以外的上表面；所述焊盤開口上方設(shè)有金屬種子層，所述金屬種子層上方設(shè)有接焊層，所述接焊層上方設(shè)有焊料凸點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】H01L23/488GK104465574SQ201310416014
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】郭敬東, 周海飛, 祝清省, 劉志權(quán) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所