專利名稱：半導(dǎo)體管芯上互連凸塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及到半導(dǎo)體器件的封裝，更具體地說(shuō)是涉及到半導(dǎo)體器件上互連凸塊的制作。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，芯片直接焊接(DCA)或倒裝芯片鍵合被用來(lái)將半導(dǎo)體管芯連接到諸如陶瓷芯片載體或有機(jī)印刷電路板之類的下一層互連布線上。一種DCA方法，即熟知的控制熔塌芯片連接(C-4)，涉及到在半導(dǎo)體管芯的可浸潤(rùn)的鍵合焊點(diǎn)上淀積高鉛含量的焊料凸塊。這些焊料凸塊然后焊接到PC板之類的下一層互連上的線路或焊點(diǎn)上。
在將焊料凸塊連接到PC板之前，必須借助于將諸如共晶錫-鉛焊料之類的低溫焊料放置在位于需要物理和電學(xué)連接的PC板上的焊點(diǎn)上來(lái)制備PC板。然后使器件的焊料凸塊對(duì)準(zhǔn)焊料涂覆的焊點(diǎn)并加熱，使共晶焊料在器件、C-4凸塊和PC板之間產(chǎn)生連接。C-4焊料凸塊直接連接到PC板時(shí)，要求高于330℃的高溫，這要求PC板能夠承受這種溫度，這樣的PC板通常對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是太昂貴了。
C-4技術(shù)在DCA應(yīng)用中的問(wèn)題是在PC板上使用第二低溫焊料。為了適應(yīng)C-4管芯的安裝而在印刷電路板上放置共晶焊料，這需要額外的時(shí)間和費(fèi)用。估計(jì)對(duì)于每一個(gè)DCA芯片，在印刷電路板上放置共晶焊料的額外費(fèi)用可能在$0.50-1.00的范圍內(nèi)。這一額外費(fèi)用對(duì)于某些應(yīng)用是無(wú)法接受的。曾經(jīng)試圖克服用在C-4管芯凸塊上放置共晶焊料的方法而對(duì)電路板使用共晶焊料的費(fèi)用。雖然這消除了對(duì)電路板使用共晶焊料的費(fèi)用，但仍然要求在使用共晶焊料之前完成整個(gè)C-4工序，而且是C-4工序中的一個(gè)額外步驟。與采用C-4結(jié)構(gòu)相關(guān)的另一個(gè)缺點(diǎn)是用蒸發(fā)方法制作高鉛含量材料的費(fèi)用。因此，說(shuō)明了在制造環(huán)境中使用C-4凸塊結(jié)構(gòu)傾向于費(fèi)用昂貴。
使用C-4凸塊結(jié)構(gòu)的另一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是器件的長(zhǎng)期可靠性，特別是當(dāng)用高錫焊料來(lái)連接下一層互連時(shí)。很早以前就觀察到，在某些條件下，內(nèi)凸塊合金化(UBM)受到?jīng)_擊，引起可靠性問(wèn)題。在極端的情況下，部分UBM整個(gè)剝離管芯，并進(jìn)入凸塊本身。結(jié)果是高鉛凸塊與鉻層16直接接觸，這不會(huì)提供良好的金屬間界面。
另一種DCA采用蒸發(fā)延伸共晶工藝(E-3)。E-3凸塊結(jié)構(gòu)包括直接在厚得多的鉛層頂部制作的薄的錫層即帽層。利用這一錫帽，凸塊結(jié)構(gòu)在加熱時(shí)借助于與小部分鉛進(jìn)行反應(yīng)而形成共晶液態(tài)層，形成大塊蒸發(fā)凸塊。使用E-3凸塊不需要制備帶有共晶焊料的PC板。而且，使用E-3凸塊不需要在安裝到下一層襯底之前回流焊料凸塊。
雖然使用E-3凸塊結(jié)構(gòu)克服了C-4結(jié)構(gòu)的某些缺點(diǎn)，但E-3凸塊比較軟也是有問(wèn)題的。E-3凸塊由于厚的鉛層而比較軟。鉛是高度可延展的元素。雖然鉛的延展性有某些優(yōu)點(diǎn)，但另一些情況下則高度延展性是不可取的。例如，高度可延展的凸塊更容易因器件封裝和運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的物理力而變形。一旦損壞，后續(xù)工序就無(wú)法保證。因此，一旦E-3凸塊結(jié)構(gòu)變形了，器件就必須報(bào)廢。
DCA工業(yè)中一個(gè)正在成長(zhǎng)的吸引人的領(lǐng)域是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題而采用共晶凸塊。但共晶凸塊的使用也已證明是有問(wèn)題的。與DCA器件上共晶凸塊相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是與安裝凸塊管芯的有機(jī)電路板的限制有關(guān)。通常，特別是在廉價(jià)應(yīng)用中，印刷電路板對(duì)于確定焊點(diǎn)互連位置具有很寬的制造裕度。由于這種寬的容差，PC板上的大量銅互連可以被暴露作為接觸位置。在共晶凸塊管芯結(jié)構(gòu)安裝到這種電路板的過(guò)程中，與DCA凸塊相關(guān)的焊料和PC板上的銅互連之間的浸潤(rùn)使得得到的支座高度(從PC板表面到器件表面的距離)低于現(xiàn)有下部填充工藝得以可靠地使用的尺寸。
用來(lái)克服最小支座高度問(wèn)題的一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)方法是形成其高度被限制為特定距離的用于管芯的銅支座。但使用銅支座也有問(wèn)題。使用銅支座的一個(gè)問(wèn)題是大的銅支座能夠?qū)?yīng)力轉(zhuǎn)移到管芯的有源部分，導(dǎo)致可靠性失效。相反，小的銅支座在與錫發(fā)生反應(yīng)方面有問(wèn)題，導(dǎo)致完全被反應(yīng)的銅支座，因而使連接更不可靠。
因此，確認(rèn)一種能夠用于DCA應(yīng)用中的克服了現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的凸塊結(jié)構(gòu)是有用的。


圖1剖面圖示出了半導(dǎo)體器件上的內(nèi)凸塊合金化結(jié)構(gòu)；
圖2剖面圖示出了淀積凸塊材料之后的圖1的內(nèi)凸塊合金化結(jié)構(gòu)；圖3剖面圖示出了圖2的凸塊材料回流之后的管芯凸塊；圖4剖面圖示出了具有制作在內(nèi)凸塊合金化結(jié)構(gòu)頂部的支座部分的圖3的管芯凸塊。
圖1示出了具有半導(dǎo)體襯底24、導(dǎo)電互連22(也稱為凸塊焊點(diǎn))、鈍化層30以及內(nèi)凸塊合金化部分11的器件32。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底24是單晶硅襯底。作為變通，半導(dǎo)體襯底10可以是絕緣體上硅襯底、藍(lán)寶石上硅襯底之類。
在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電互連22是提供形成對(duì)器件32的連接引出用來(lái)物理鍵合的金屬鍵合焊點(diǎn)。此金屬焊點(diǎn)通常包含鋁或銅。作為變通，導(dǎo)電互連22可以是鋁-銅合金或帶有氮化鈦覆蓋層的鋁之類的復(fù)合層或合金層。
在一個(gè)實(shí)施例中，鈍化層22可以用絕緣材料制作。例如，鈍化層可以用摻磷的玻璃、等離子體淀積的氮氧化硅、等離子體增強(qiáng)氮化物、或它們的組合、或其它絕緣材料來(lái)制作。
在一個(gè)實(shí)施例中，器件32的UBM 11包括制作在金屬焊點(diǎn)22上的鉻層16、銅層36、和錫層40。在UBM 11中可以有另外一些層。例如，在鉻層和銅層之間可以有薄的相位區(qū)，以及/或者在銅上可以制作金層38以便防止銅在后續(xù)加工之前被氧化。
在一個(gè)實(shí)施例中，用蒸發(fā)工藝來(lái)制作錫層40，以便確保后續(xù)凸塊結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體器件32的恰當(dāng)鍵合。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以用濺射等方法來(lái)制作錫層，具體地說(shuō)，錫層40用作銅層36和后續(xù)層之間的鍵合劑。通常，錫層40的厚度為1000-12000埃。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，本發(fā)明人觀察到厚度為1250-1750埃的錫層40足以克服在現(xiàn)有技術(shù)中觀察到的可靠性問(wèn)題。下面更詳細(xì)地討論本發(fā)明的錫層40的相互作用及其在改善整個(gè)可靠性方面的效果。
圖2示出了在UBM結(jié)構(gòu)11上制作共晶材料42之后的圖1結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。為了方便使用半導(dǎo)體管芯的工藝，使用了共晶材料。這種工藝通常是將管芯安裝到印刷電路板。在一個(gè)實(shí)施例中，共晶材料可能包括高錫化合物。一種這樣的共晶材料是64％錫-36％鉛的焊料。已知有許多其它的共晶材料。此外，本發(fā)明人預(yù)測(cè)了可使芯片適當(dāng)?shù)匕惭b到襯底的近共晶材料。通常，本發(fā)明使用的焊料可以用低于280℃的峰值回流溫度來(lái)加工，以便能夠使用經(jīng)濟(jì)的PC板材料。
共晶材料42可以用大量方法和形狀中的任何一種來(lái)制作。在圖2所示的實(shí)施例中，已采用了共晶材料42，使之完全包圍UBM結(jié)構(gòu)11。這樣就有更大的把握在后續(xù)的回流步驟中使共晶材料42沿結(jié)構(gòu)11邊沿浸潤(rùn)。但在另一個(gè)實(shí)施例中，共晶材料42可以主要淀積在UBM結(jié)構(gòu)11的頂部而不整個(gè)地圍繞UBM，其中后續(xù)的回流仍然允許圍繞邊沿而適當(dāng)?shù)亟?rùn)。
在又一個(gè)實(shí)施例(未示出)中，UBM結(jié)構(gòu)11的實(shí)際邊沿可以被部分鈍化材料30覆蓋。在這種結(jié)構(gòu)中，共晶材料42可以制作在結(jié)構(gòu)11的暴露的邊界內(nèi)或結(jié)構(gòu)11的暴露的邊界外?？梢杂萌魏我环N焊料淀積方法來(lái)淀積共晶材料42。例如，可以使用焊料噴射淀積、采用模板或掩模或者采用焊料膠的焊料印刷淀積。而且，淀積的焊料42的實(shí)際量是所希望的凸塊最終尺寸的函數(shù)。換言之，為了制作較大的焊料凸塊，就需要對(duì)器件使用較多的焊料42。通過(guò)采用較厚的淀積或借助于將焊料涂于較大的面積，可以控制焊料材料42的不同的量。
回流工序之后，圖2的共晶材料42被示作圖3中的焊料凸塊45。如圖3所示，在回流步驟之后，形成了通常包住UBM結(jié)構(gòu)11邊沿的回流共晶區(qū)域45。此外，回流工序使共晶區(qū)域45能夠獲得用來(lái)進(jìn)一步安裝到印刷電路板襯底時(shí)所需的形狀。
如前所述，在UBM的銅上制作含錫的凸塊和共晶焊料，已引起長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題。現(xiàn)有技術(shù)指出，過(guò)量的錫引起可靠性問(wèn)題。根據(jù)本發(fā)明人的工作和觀察，現(xiàn)認(rèn)為可靠性問(wèn)題的根本原因不僅僅是過(guò)量的錫，而且還有與銅錫金屬間化合物在UBM層上的形成方法相關(guān)的不均勻的應(yīng)力。此外，本發(fā)明人已觀察到當(dāng)高錫焊料在超過(guò)220℃的工藝溫度下被用于現(xiàn)有技術(shù)時(shí)，UBM受到?jīng)_擊的速率大為增加。這被認(rèn)為是由于銅錫金屬間化合物在227℃下與錫接觸時(shí)變成了液體。見Matijasevic等人的論文Copper Tin Multi-layer Composite Solder。
采用C-4工藝，據(jù)信當(dāng)鉛錫被熔化形成C-4凸塊時(shí)，由于錫-鉛凸塊中錫的動(dòng)態(tài)相互作用而出現(xiàn)UBM的錫層破裂。錫-鉛C-4凸塊是在大約3％錫-97％鉛的濃度中淀積的。形成C-4凸塊的回流步驟之后，在錫-鉛C-4凸塊中觀察到的濃度大約為2％錫-98％鉛。損失的1％與UBM的銅層相互作用。由于凸塊熔化過(guò)程中錫與銅的相互作用，相信在錫與銅反應(yīng)時(shí)就在銅層表面上出現(xiàn)不均勻的應(yīng)力。由于不一致的應(yīng)力，就形成裂紋，從而暴露更多的銅去與錫相互作用。結(jié)果，分析表明現(xiàn)有技術(shù)C-4凸塊中的所有的銅最終都與錫反應(yīng)。這導(dǎo)致錫-鉛凸塊與鉻層16之間的主要物理連接。如已觀察到的，這一物理連接很容易隨時(shí)間變壞。
對(duì)本發(fā)明的銅層(其中在淀積錫-鉛焊料之前制作了均勻的錫層40)的分析顯示，在焊料凸塊回流之后保留了均勻的銅層。但均勻的錫層40意外地有利于反應(yīng)，不引起與現(xiàn)有技術(shù)C-4銅層相關(guān)的破裂。這一結(jié)果的意外性質(zhì)得到了Powell和Trivedi論文Flip Chip on FR-4 IntegratedCircuit Packaging的支持，該文指出可得到的過(guò)量的錫沖擊芯片焊點(diǎn)。
優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的另一點(diǎn)是，比之E3型器件，采用共晶區(qū)45降低了器件對(duì)物理?yè)p傷的敏感性。降低敏感性的一個(gè)原因是，即使受到了損傷，在后續(xù)安裝到印刷電路板的過(guò)程中，共晶區(qū)45具有回流到其所希望的位置的特性。因此，共晶材料對(duì)損傷有較大的容許度。相反，E-3結(jié)構(gòu)具有一旦損傷就傾向保持損傷的剛性的鉛部分。當(dāng)凸塊由共晶錫-鉛之類構(gòu)成時(shí)，由于整個(gè)凸塊回流，裝配工序就比采用E-3結(jié)構(gòu)時(shí)更結(jié)實(shí)。若采用大量共晶錫-鉛焊料來(lái)連接C-4凸塊，則如Powell和Trivedi所指出的那樣，UBM沖擊就引起可靠性問(wèn)題。
在圖2的另一個(gè)實(shí)施例中，層43是C-4工藝所用類型的高鉛含量的焊料。通常為97％鉛，3％錫。在此實(shí)施例中，圖3中的結(jié)構(gòu)45可代表回流的高鉛含量的焊料。
參照?qǐng)D4，示出了一個(gè)變通實(shí)施例。在圖4的實(shí)施例中，在制作共晶部分48之前，在UBM 11頂部制作了支座結(jié)構(gòu)46。支座部分46選擇成具有比共晶區(qū)45更高的熔點(diǎn)。在后續(xù)的安裝到印刷電路板的過(guò)程中，支座部分46確定半導(dǎo)體器件鈍化層30與安裝器件的印刷電路板(未示出)之間的空間。當(dāng)確定將下層膜材料置于器件33和印刷電路板(未示出)之間時(shí)，此支座部分46提供了更大的靈活性。雖然任何鉛淀積工序應(yīng)該都可以用，但通常，可利用蒸發(fā)鉛的工序來(lái)制作支座區(qū)46。在具體的實(shí)施例中，支座區(qū)46基本上是純鉛。結(jié)構(gòu)46的高度依賴于填充安裝在Pc板上的管芯底部所需要的高度。通常，在鈍化區(qū)以上大約75μm的高度是有利的。在制作支座區(qū)46之后，可淀積共晶區(qū)48，然后回流以形成圖4所示的器件。
應(yīng)該指出的是，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一是制作在銅層36上的錫層40提供了均勻的錫銅金屬間化合物。由于這一金屬間化合物，在回流過(guò)程中，銅層比現(xiàn)有技術(shù)更能夠抵抗損傷。例如，在C-4現(xiàn)有技術(shù)中，與C-4結(jié)構(gòu)相關(guān)的UBM的銅層在回流工序中已觀察到完全與錫反應(yīng)。但在本發(fā)明中，由于所形成的均勻的表面結(jié)構(gòu)，UBM的銅層沒(méi)有機(jī)會(huì)以不均勻的方式與錫相互作用。結(jié)果，在回流之后就仍然保留均勻的體銅層36。同時(shí)，部分原來(lái)的銅界面36與原來(lái)的錫層40已反應(yīng)以形成銅錫金屬間化合物。作為比較，采用諸如與C-4結(jié)構(gòu)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)方法，則在鉛錫凸塊材料回流之后不保留連續(xù)的體銅層。此外，保留的銅是金屬間化合物形式并已經(jīng)反應(yīng)，以致在銅錫金屬間化合物的單個(gè)“島”之間形成裂紋和窗口。銅錫金屬間化合物之間的間隙使下方的鉻能夠暴露于鉛凸塊化合物。結(jié)果，鉛與鉻形成接觸，但不一定是可靠的電接觸。
權(quán)利要求
1．一種制作半導(dǎo)體器件上的導(dǎo)電凸塊的方法，其特征是下列步驟提供具有多個(gè)凸塊焊點(diǎn)(22)的半導(dǎo)體管芯；在多個(gè)凸塊焊點(diǎn)的每一個(gè)上制作引晶層(16)；在引晶層上制作錫層(40)；以及在多個(gè)凸塊焊點(diǎn)(22)的每一個(gè)上制作共晶層(42)，使共晶層(42)覆蓋錫層。
2．權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步特征是，在制作錫層的步驟之前和制作引晶層的步驟之后，在多個(gè)凸塊焊點(diǎn)(22)的每一個(gè)上制作銅層(36)的步驟。
3．權(quán)利要求2的方法，其進(jìn)一步特征是，在制作銅層的步驟之后和制作錫層的步驟之前，制作金層的步驟。
4．權(quán)利要求1的方法，其中的錫層用蒸發(fā)工藝制作。
5．權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步特征是，在淀積共晶層(48)的步驟之前，在多個(gè)導(dǎo)電凸塊焊點(diǎn)(22)的每一個(gè)上制作支座層(46)的步驟。
6．權(quán)利要求5的方法，其中的支座層(46)由鉛構(gòu)成。
7．權(quán)利要求5的方法，其中的支座層(46)在回流步驟之后被共晶材料(48)包圍。
8．權(quán)利要求5的方法，其中的支座層(46)在淀積錫層(40)的步驟之后制作。
9．一種制作半導(dǎo)體器件上的導(dǎo)電凸塊的方法，此方法的特征是下列步驟提供具有互連位置(22)的半導(dǎo)體器件；在互連位置上制作引晶層(16)；在引晶層上制作其特征是銅的第一層(36)；使用蒸發(fā)工藝在第一層(36)上制作其特征是錫的第二層(38)；使用蒸發(fā)工藝制作其特征是鉛的第三層(46)；在第三層(46)上制作其特征是共晶材料的第四層(48)；回流第四層(48)，以便在互連位置(22)上形成共晶凸塊，其中第四層(48)在回流之后基本上包圍第三層(46)。
全文摘要
一種制作互連凸塊結(jié)構(gòu)(32,33)的方法。公開了含有鉻層(16)、銅層(36)和錫層(40)的內(nèi)凸塊合金化11(UBM)。在一個(gè)實(shí)施例中,在UBM(11)上制作共晶焊料(45)并回流以形成互連凸塊結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)實(shí)施例中,在制作共晶焊料(48)之前,在UBM(11)上制作鉛支座(46)。
文檔編號(hào)H01L21/60GK1224926SQ9910160
公開日1999年8月4日 申請(qǐng)日期1999年1月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月30日
發(fā)明者羅伯特·A·芒羅, 斯圖爾特·E·格里爾 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司