用於輸入/輸出的球限定冶金結構及其製造方法

2023-09-21 03:50:55

專利名稱：用於輸入/輸出的球限定冶金結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體集成電路(IC)，具體涉及用於器件的輸入/輸出(I/O)的凸起限定冶金結構。
2.背景技術器件中的輸入/輸出用於限定和分配電功率，接地和輸入/輸出信號。輸入/輸出用金(Au)或銅(Cu)絲構成的引線焊到外殼或電路板。但是，當輸入/輸出的數量達到400至1000個時，凸起焊(bumping)往往比絲焊更有利。
圖1(a)和圖1(b)顯示出直徑為1和節距為2的焊料凸起15。焊料凸起15形成在球限定冶金結構(BLM)14上。球限定冶金結構(balllimiting metallurgy，BLM)也是已知的焊盤限定冶金結構(padlimiting metallurgy，即PLM)或凸起下冶金結構(under bumpmetallurgy，UBM)。球限定冶金結構14經鈍化層13中的通路12連接到下層焊盤11b。鈍化層13包括一或多個材料層，例如，氧化矽、氮化矽或聚醯亞胺構成的膜層，它們用作阻擋溼氣，離子或汙物的阻擋層。焊盤11b是器件的金屬頂層中的金屬線11a的焊接部分。金屬線11a通過通路10連接到下層，即，再連接到下層線9。器件通常有2到8層金屬層，所以，通路和金屬線垂直交替直到電接點形成為IC或襯底下的所需部分為止。
凸起焊明顯改善了芯區的進入並使矽區的利用率達到最大。圖1(a)和圖1(b)顯示出晶片整個有效面積上的凸起15的區域陣列3。陣列3基本上是周期性的，而且可以是面心立方體或六面體，以使凸起15有較高的密度。凸起焊後的器件翻轉封裝成倒裝晶片(FC)。以受控的扁平晶片連接(C4)為基礎的焊料凸起技術可用於晶片直插(DCA)到外殼或電路板上的導電線。電路板可以是陶瓷襯底，印刷電路板(PWB)，軟電路，或矽襯底。器件的凸起焊還可以降低輸入/輸出中的電阻值和電感量，因此，能明顯提高性能。
高性能器件，例如，微處理器，特殊用途的集成電路(ASIC)，可編程場柵陣列(FPGA)或晶片上的系統(SOC)可以有600到7000個I/O，因此需要減小規模以限制管芯尺寸。進行絲焊用直徑小於25微米的焊絲，焊球直徑小於40微米，節距應小於60微米。凸起焊涉及的凸起直徑為45到90微米，節距為125到300微米。
引線或凸起的規模下降時，功率控制和熱控制是關鍵。如果每個I/O的接點溫度超過100到125℃，或電流密度超過150到425mA，則I/O會損壞。在造成最後開路之前電遷移和熱遷移造成電阻值增大2個數量級以上。溫度升高還會引起金屬間擴散。生成的金屬間合金易碎，還會造成應力破壞。熱膨脹溫度係數(CTE)不匹配會在引線或凸起上引起大的剪切應力。例如焊料的熱膨脹溫度係數(CTE)是30ppm/℃，可與陶瓷襯底的熱膨脹溫度係數(CTE)7ppm/℃和矽襯底的熱膨脹溫度係數(CTE)5ppm/℃相比。如果，溫度升高速度超過15到20℃/分，引線或凸起會因為熱衝擊而損壞。由於彈性變形和蠕動變形造成疲勞，按低的溫度升高速度進行熱循環也會引起引線或凸起破裂。
由於高溫和大電流導致的I/O，特別是功率I/O故障是關注重點。


圖1a是現有的凸起平面圖；圖1b是現有的凸起的剖視圖；圖2a是半導體器件的局部剖視圖；圖2b是圖2a所示半導體器件中的焊盤上形成開口的剖視圖；圖2c是圖2b所示半導體器上形成球限定冶金結構(BLM)的剖視圖；圖2d是圖2c所示半導體器件上形成凸起的剖視圖；圖2e是從是圖2d所示半導體器件上除去BLM層的露出部分的剖視圖；圖2f是顯示圖2e所示半導體器件上的凸起的回流的剖視圖；具體實施方式
本發明涉及器件的輸入/輸出(I/O)用的球限定冶金結構(BLM)及其製造方法。以下的描述中陳述了諸如具體材料，尺寸，和工藝等許多具體細節，以便充分理解本發明。但是本領域技術人員應了解，除了這些細節也能實施發明。其他實施例中，不再詳細描述公知的半導體設備和工藝，以避免使本發明不必要地不清楚。
本發明涉及諸如半導體器件等器件用的輸入/輸出(I/O)用的球限定冶金結構(BLM)。按本發明的實施例的輸入/輸出(I/O)裝置包括其上形成有球限定冶金結構(BLM)的焊盤，和在球限定冶金結構(BLM)上的凸起。按本發明的第一實施例，球限定冶金結構(BLM)包括含鎳-釩-氮的第一合金膜。按本發明的第二實施例，球限定冶金結構(BLM)包括鎳-鈮合金膜。用氮飽和的釩-鈦膜，或者，用鎳-鈮膜形成球限定冶金結構(BLM)，可以提高輸入/輸出(I/O)的壽命。
按本發明的輸入/輸出(I/O)用到諸如微處理器，存儲器，特殊用途的集成電路(ASIC)，可編程的場柵陣列(FPGA)和那些需要例如600-7000個大量輸入/輸出(I/O)的地方，輸入/輸出(I/O)電信號是很理想的。
圖2a顯示出典型的半導體器件或集成電路200的一部分的一個實例。器件200包括半導體襯底，例如，其上形成有多個電晶體和電容器的有源構件204的矽襯底202。這些有源構件204通過用層間介質層(ILD)207使其相互隔離的多級互連線206連接在一起，形成功能電路。電接點或通路208經層間介質層(ILD)207電連接不同級的互連線。通常用諸如鋁，摻銅的鋁和銅等低電阻金屬構成金屬互連線。接點和通路208通常用鎢構成，但是，也可以用例如銅的其他材料構成。
最上層的金屬化層包括互連線206和焊盤212。焊盤或連接區212是最上層金屬化層的焊接部分，外部器件上的電接點連接到該焊接部分，使外部器件連接到半導體器件200。
最上層的金屬化層是被用於阻擋溼氣，離子和/或汙物的阻擋層的鈍化層214覆蓋的層。通常的鈍化層214包括提供器件200的密封的下層氮化矽密封層216和提供劃傷保護的聚醯亞胺上層218。
按本發明的輸入/輸出(I/O)製造方法中，如圖2b所示，形成穿過鈍化層214的開口220，以露出部分焊盤212。用光刻膠層和公知的光刻腐蝕方法形成開口220。或者，用可以光限定的聚醯亞胺膜218在鈍化層214中形成開口220。
之後，如圖2c所示，在鈍化層214上，開口220中和焊盤212上覆蓋澱積球限定冶金結構(BLM)。本發明的實施例中，球限定冶金結構(BLM)222層包括給焊盤212和鈍化層214提供良好粘接力的下粘接層224。下粘接層224可以用厚度為200-1500(埃)的鈦(Ti)膜構成。可以用作粘接層224的金屬包括鈦化鎢(TiW)，鉭(Ta)或鉻(Cr)，但是，不限於這些金屬。任何公知的方法，例如，濺射法可以用來澱積粘接層224。
按本發明，球限定冶金結構(BLM)222層包括可被焊料浸潤的上層226。按本發明第一實施例，上層226是鎳，釩和氮構成的膜層。氮加入膜中，用氮鎖定釩，使其不與氧反應和損害球限定冶金結構(BLM)222層的穩定性。上層226包含適量的氮，以充分防止上層226中的釩氧化。按本發明的實施例中，上層膜中包含相同量的氮和釩。上層膜中包含8原子百分數的氮，8原子百分數的釩和任意量的鎳。上層鎳-釩-氮合金膜226的厚度範圍可以在1000到4000。
用鎳-釩靶在含氮的環境中反應濺射形成合適的鎳-釩-氮合金膜226。本發明的實施例中，在例如，Material Research Corporation(MRC)製造的磁控濺射室內，同時，給濺射室輸入氮氣(N2)，從鎳-釩靶用氬氣的磁控濺射形成鎳-釩-氮合金膜226。濺射過程中濺射室內沒有氧存在。按足以使澱積的膜226用氮飽和的速度給濺射室輸入氮氣(N2)。本發明的實施例中，給濺射室按15-30sccms的速度輸入氮氣(N2)。通過氮化鎳-釩-合金膜，用氮氣(N2)鎖定釩，以防止它擴散到表面和防止它氧化，以免造成球限定冶金結構(BLM)222層的電組值增大，使其具有可靠性。
本發明第二實施例中，球限定冶金結構(BLM)222的上層226是鎳-鈮(Ni-Nb)合金膜。本發明實施例中，上層226是鎳-鈮(Ni-Nb)合金膜，有10原子百分數的鈮(Nb)和剩餘量的鎳(Ni)。鎳-鈮(Ni-Nb)合金膜的厚度為1000-4000。用任何公知的方法，例如用濺射法從鎳-鈮(Ni-Nb)靶濺射，可以形成合適的鎳-鈮(Ni-Nb)合金膜。鎳-鈮(Ni-Nb)上層合金膜226有良好的可靠性。
球限定冶金結構(BLM)222是金屬擴散阻擋層。根據為凸起和BLM選擇的冶金方法類型，可以在粘接層224與上層226之間插入附加層。所用的中間層必須對粘接層224和上層226有良好的粘接性。
之後，在焊盤212上的球限定冶金結構(BLM)222形成凸起228。如圖2d所示，通過形成有開口的光刻膠掩膜230，以曝光焊盤212上的球限定冶金結構(BLM)222，由此可以在球限定冶金結構(BLM)222上形成凸起228。如圖2d所示，之後，焊料電鍍到球限定冶金結構(BLM)222上。如圖2d所示，焊料形成蘑菇形。焊料可以是鉛-錫(Pb-Sn)焊料，或鉛-銦(Pb-In)焊料。錫防止氧化，並增強球限定冶金結構(BLM)222。在上層226中用鎳使球限定冶金結構(BLM)222能夠鍍鉛。
之後，除去光刻膠掩膜230，經腐蝕除去沒被焊料球228覆蓋的球限定冶金結構(BLM)222的多餘部分，如圖2e所示。
之後在烘箱或爐子內加熱襯底，使焊料回流進焊料凸起228中，如圖2f所示。凸起228中的焊料熔點與根據它的相對濃度選擇的材料類型相關。諸如按95Pb/5Sn重量比的高鉛焊料的回流溫度是300-360℃。而按諸如37Pb/63Sn重量比的低熔點焊料的回流溫度是180-240℃。已回流的凸起228連接到外殼或電路板上的對應凸起。用錫(Sn)或諸如160℃的低熔點焊料構成外殼或電路板上的凸起，使在晶片的連接工藝中晶片上的凸起不會回流。
按本發明的輸入/輸出及其製造方法，可以在器件200的上表面上製造大量的輸入/輸出，例如600-7000個I/O。按本發明的輸入/輸出，每個凸起能承受的電流密度為200-300Ma，能耐受110-120℃的工作溫度而不會對可靠性造成不利的影響。本發明的輸入/輸出可以製造需要大量I/O的半導體器件。
權利要求
1.一種用於器件的輸入/輸出，包括焊盤；所述焊盤上的球限定冶金結構具有包括鎳-釩-氮的第一合金膜；和位於所述球限定冶金結構上的凸起。
2.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述的第一合金膜含相同原子百分數的氮和釩。
3.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述的第一合金膜包括防止釩氧化的足夠量的氮。
4.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述的第一合金膜含有8個原子百分數的氮。
5.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述的第一合金膜的厚度在1000-4000之間。
6.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述球限定冶金結構還包括第二膜，所述第二膜包含鈦並形成在所述第一膜與第二焊盤之間。
7.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述凸起是焊料凸起。
8.如權利要求1所述的輸入/輸出，其中，所述焊料凸起是鉛-錫。
9.一種用於器件的輸入/輸出，包括焊盤；位於所述焊盤上的球限定冶金結構具有包括鎳-鈮合金的第一膜；和位於所述球限定冶金結構上的凸起。
10.如權利要求9所述的輸入/輸出，其中，所述鎳-鈮合金含10個原子百分數的鈮。
11.如權利要求9所述的輸入/輸出，其中，所述第一膜的厚度在1000-4000之間。
12.如權利要求9所述的輸入/輸出，還包括含鈦的第二膜，其中所述第二膜形成在所述第一膜與所述焊盤之間。
13.如權利要求9所述的輸入/輸出，其中，所述凸起是焊料凸起。
14.如權利要求13所述的輸入/輸出，其中，所述焊料凸起是鉛-錫焊料凸起。
15.一種在器件上形成輸入/輸出的方法，包括在焊盤上的鈍化層中形成開口；所述開口中的所述焊盤上和所述鈍化層上形成球限定冶金結構，其中所述球限定冶金結構包括含有鎳-釩-氮的第一合金膜；和在所述球限定冶金結構上形成凸起。
16.如權利要求15所述的方法，其中，通過磁控管濺射利用鎳-釩靶在氮氣環境中形成第一合金膜。
17.如權利要求16所述的方法，其中，在磁控管濺射室內形成第一合金膜，並且在由所述鎳-釩靶濺射時將15-30sccm的氮氣輸入所述磁控管濺射室中。
18.如權利要求15所述的方法，其中，所述第一合金膜包含8個原子百分數的氮氣。
19.如權利要求15所述的方法，其中，所述第一合金膜包含相同原子百分數的氮和釩。
20.一種形成用於器件的輸入/輸出的方法，包括在焊盤上的鈍化層中形成開口；在所述開口中的所述焊盤上和所述鈍化層上形成球限定冶金結構，其中所述球限定冶金結構包括含有鎳-鈮合金的第一合金膜；和在所述球限定冶金結構上形成凸起。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述第一合金膜包含10個原子百分數的鈮。
22.如權利要求20所述的方法，其中，其中所述第一合金膜的厚度在1000-4000之間。
23.如權利要求20所述的方法，還包括這樣的步驟在所述球限定冶金結構中形成第二膜，其中所述第二膜包含鈦，並且在形成所述第一膜之前將所述第二膜形成在所述焊盤和所述鈍化層上。
全文摘要
本發明涉及用於器件的輸入/輸出及其製造方法。本發明的輸入/輸出包括其上形成有球限定冶金結構的焊盤，和球限定冶金結構上形成的凸起。本發明的一個實施例中，球限定冶金結構包括含有鎳－釩－氮的第一膜。本發明的第二實施例中，球限定冶金結構包括含有鎳－鈮合金的第一膜。
文檔編號H01L23/485GK1446375SQ01811988
公開日2003年10月1日 申請日期2001年6月8日 優先權日2000年6月30日
發明者K·塞沙 申請人:英特爾公司