具有減少的界面空洞的用於銅金屬化的焊接點的製作方法
2023-05-02 05:46:21 2
專利名稱：具有減少的界面空洞的用於銅金屬化的焊接點的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及半導體裝置領域，且更具體地說，涉及一種控制焊料互連中的金 屬相互擴散和界面空洞以改進裝置可靠性的結構和方法。
背景技術：
當使用回流材料(例如，焊料)將半導體晶片上的集成電路互連到襯底上的外部電 路時，待組裝的部件必須經歷高於回流材料的熔化溫度的至少一個溫度升高，隨後為冷 卻循環。在完成此過程後，完成的組合件常必須經受退火步驟，其通常由持續延長的時 期的重複的溫度擺動組成。最終，經組裝的部件必須頻繁經測試，以在重複暴露於故障 加速條件(例如，極端溫度劇增和/或提高的溼度)後確定其可靠機能。從20世紀60年代末回流組裝的部件的早期發展(由IBM帶頭)開始研究的故障機 構最主要是應力引發的接點疲勞、蠕變和斷裂。類似地，應力起始的故障已成為對使用 回流材料(例如，焊料)組裝在外部部件上的完整的裝置封裝的研究關注的焦點。這些 年來，相對不關注由金屬間效應(例如，金屬相互擴散、化合物形成和晶格失配)引起 的組合件接點中的逐漸變化。這些變化對於某些金屬來說尤其顯著，如最近的實驗結果 已清楚展示；所述變化是由金屬相互擴散引起的，且導致不可逆的金屬間變化。所述變 化可能導致回流組裝部件的可靠性明顯降低。自從引入銅作為集成電路中的互連金屬化以來，已發現直接與焊料接觸的銅襯墊展 現出影響焊接點的可靠性的弱點。尤其是例如Kirkendall空洞的界面空洞的快速形成在 熱老化期間弱化了焊料界面。較中意的解決方案是實施鎳層作為銅與焊料之間的擴散障 壁，以限制焊料反應。然而，常用於沉積鎳的無電工藝引入其自身的問題在沉浸鍍金期間由無電鍍鎳的 電化腐蝕引起黑襯墊。目前為止所提議的作為替代物的銅表面拋光消失於銅/焊料的直接 接觸中。作為實例，有機表面保護膜將回流焊接(solder reflow)所需的高溫下蒸發；薄 金層將溶解到熔化的焊料中；薄錫層也將溶解到熔化的焊料中；類似地，原始薄焊料膜 將溶解。
發明內容
申請人:意識到需要一種簡單的解決方案來改進銅/焊料的直接接觸的可靠性。已進行 細緻的調查來研究在升溫或反覆的溫度循環(常稱作"老化")的長期影響下銅與焊料之 間的界面。這一調查確定了在什麼條件下，老化後大量空洞形成在焊料與銅之間的界面 處從而大大降低金屬間接點的界面強度。當兩種或兩種以上金屬相互擴散時，產生金屬間化合物(IMC)。當一種金屬(例如， 銅)擴散進入第二種金屬(例如，焊料)的速度快於第二種金屬擴散進入第一種金屬的 速度從而在第一種金屬中留下空缺時，出現空洞。如果足夠量的第一種金屬擴散進入第 二種金屬，那麼可導致空洞。對於銅和焊料的情況，擴散不均等性也隨焊料中所使用的 金屬而變化。對於半導體裝置來說，不均等性是在重複的溫度循環、高溫存儲(即，在 〉10(TC的溫度下)和〉100'C的裝置工作溫度的條件下逐步形成的。由申請人執行的實驗結果指示， 一種物質進入另一種物質的擴散速率由金屬的晶粒 結構控制。由於金屬原子沿著晶粒邊界的較低自由能狀態的緣故，金屬原子沿著晶粒邊 界比其穿過材料的晶體更快地遷移。因此，晶粒邊界將就緒的原子源供應給IMC，從而 導致沿著晶粒邊界的耗盡。由於晶粒邊界與暴露的晶面相比將更多百分比的原子供應給 IMC，所以可通過調節擴散的金屬物質的晶粒結構來控制IMC的形成速率。申請人的調查表明，通過增加銅層的晶粒尺寸，可減緩銅擴散的速率，因此減緩空 洞的形成。常通過將銅鍍敷在薄晶種層上(例如，聚合物膜上)來形成銅層。由於近乎 外延地鍍敷銅，所以必須(例如)通過在鍍敷步驟之前通過烘焙或通過雷射加熱進行退 火來增加晶種層的晶粒尺寸。本發明的一個實施例是一種包括接合襯墊的金屬互連結構，所述接合襯墊具有銅， 所述銅的至少70體積百分比由在晶粒主方向上擴展lpm以上的晶粒組成，且30或少於 30體積百分比由在晶粒主結晶方向上擴展1 pm以下的晶粒組成。錫合金主體與所述接 合襯墊接觸。本發明的另一實施例是一種半導體裝置，其包括具有第一和第二表面的襯底(優選 為聚合物帶)。第一表面具有接合襯墊，所述接合襯墊包括銅；所述銅的至少70體積百 分比由在晶粒主方向上擴展至少1 的晶粒組成，且30或少於30體積百分比由在晶粒 主方向上擴展1 以下的晶粒組成。半導體晶片組裝在第一襯底表面上。在第二襯底表 面上的錫合金主體與接合襯墊接觸。本發明的另一實施例是一種用於製造金屬互連結構的方法。首先，提供襯底，且選 擇用於製造接合襯墊的區域。接著，將優選約50到200 nm厚的銅晶種層沉積到襯墊區
域上。在受控溫度下，優選在約100到24(TC之間，使晶種層退火，並持續受控的時間， 優選從約20到180分鐘，以產生預定濃度的具有預定晶體粒度的銅晶體。所述濃度優選 為至少70體積百分比，且所述晶體粒度優選為在主結晶方向上至少1 pm。優選地，外 延地將銅層沉積到經退火的晶種層上。最終，錫合金主體附接到襯墊區域中的銅層。結合附圖和所附權利要求書中陳述的新穎特徵來考慮，從本發明的優選實施例的以 下描述中，將了解本發明的某些實施例所表現的技術進步。
圖1說明襯底接合襯墊部分與外部部件部分之間的金屬互連(尤其為焊料)結構的 示意橫截面。圖2和圖3中放大了標記為"A"的部分。圖2是當接合襯墊部分包括小晶粒時，圖1中的部分"A"的冶金橫截面在老化後的 顯微照片。圖3是根據本發明當接合襯墊部分包括大晶粒時，圖1中的部分"A"的冶金橫截面 在老化後的顯微照片。圖4是穿過包含本發明的實施例的半導體裝置的示意橫截面。具體實施方式
圖1的示意橫截面說明本發明的實施例，金屬互連結構在其大體用於許多組合件中 時一般表示為100。所述結構包括金屬線101,其提供第一接觸襯墊101a、焊料主體102， 和第二接觸襯墊103。所述接觸襯墊中的至少一者由銅製成；例如，如果線101由銅製 成，那麼接觸襯墊101a是銅。在許多實施例中，互連結構的兩個接觸襯墊都由銅製成。 在圖1的實例中，金屬線101由絕緣載體104支撐。載體104中的具有寬度104a的窗口 允許焊料主體102越過襯墊寬度101a附接到銅線101的表面區。接觸襯墊103也由載體 (表示為105)支撐；載體105通常是外部部件，例如由絕緣材料製成的印刷電路板。線101且因此接觸襯墊101a的銅的至少70體積百分比是由在晶粒主方向上擴展至 少1 pm的晶粒組成，且30或少於30體積百分比是由在晶粒主方向上擴展1 pm以下的 晶粒組成。襯墊103的銅也優選地由大尺寸晶體製成，優選至少70體積百分比由在晶粒 主方向上擴展至少lpm的晶粒組成，且30或少於30體積百分比由在晶粒主方向上擴展 1 pm以下的晶粒組成。附接主體102的優選焊料材料包含由錫和錫合金製成的焊料。因為它們提供較低的 熔化溫度，所以低共熔的錫化合物特別優選。實例是錫/銀(低共熔溫度為221'C)、錫/ 鉍(139°C)、錫/銦(12(TC)、錫/鋅(189.5°C)和錫/鉛(183°C)。與這些合金相比，純 錫的熔點為231.9°C。出於可製造性和接點強度的原因，最優選的焊料化合物是錫/銀和 錫/銀/銅。在回流工藝期間，且在升溫下的延長時期期間，焊料和銅形成由金屬的相互擴散而 產生的金屬間化合物。申請人已研究了金屬相互擴散和金屬間化合物形成的細節；參看 Tz-Cheng Chiu等人的"Effect of Thermal Aging on Board Level Drop Reliability for Pb-free BGA Packages",第54屆電子組件禾口技術會議(Electronics Components and Technology Conference) (2004)會議記錄，第1256-1262頁；Kejun Zeng等人的"Kirkendall Void Formation in Eutectic SnPb Solder Joints on Bare Cu and its Effect on Joint Reliability",應用 物理學期刊97 (Journal of Applied Physics 97) (2005)，第024508-1到024508-8頁。申請人發現，高密度的空洞表示接點的顯著機械弱化； 一排密集的空洞有形成斷裂 的風險。沿著銅/焊料接點具有空洞(在老化，或許多溫度循環，或不充分冷卻的裝置操 作等之後形成)的裝置在大批焊料拉伸測試和板級跌落測試中具有較高的故障率。申請人的調査已表明，當一種金屬(例如，銅)擴散進入第二種金屬(例如，焊料) 的速度快於第二種金屬擴散進入第一種金屬的速度從而在第一種金屬中留下空缺時，出 現空洞。如果足夠量的第一種金屬擴散進入第二種金屬，那麼可導致空洞。在銅到焊料 (尤其是無鉛焊料)的情況中，銅擴散進入錫/銀等焊料的速度比錫擴散進入銅的速度快。此外，申請人的實驗結果指示，銅進入悍料的擴散速率由銅的晶粒結構控制。由於 金屬原子沿著晶粒邊界的較低的自由能狀態的緣故，所以金屬原子沿著晶粒邊界比其穿 過材料的晶體更快地遷移。因此，晶粒邊界將就緒的銅原子源供應給金屬間化合物，從 而導致沿著晶粒邊界的耗盡。由於晶粒邊界與暴露的晶面相比將更多百分比的銅原子供 應給金屬間化合物，所以可通過調節擴散的金屬物質的晶粒結構來控制金屬間化合物的 形成速率。圖2和圖3的顯微照片中再現了銅晶粒尺寸對空洞形成的影響的實例。與銅襯墊形 成接點的焊料主體在125'C下老化持續40天的時期；接著取所述接點的橫截面，並以高 度放大倍率對較小部分(圖1中的"A")進行照相。在圖2的顯微照片中，區201是接 觸襯墊的銅，其中銅的約70體積百分比由在主結晶方向上擴展1 )im以下(小晶粒尺寸) 的晶粒201a組成。202是銅與焊料的金屬間區(例如，Cu3Sn和Cu6Sn5)。 203是焊料的 錫合金。如照片清楚地展示，已沿著焊接點形成許多空洞204;某些空洞甚至可能生長
在一起(205)。相比而言，具有根據本發明的晶粒結構的與銅襯墊形成的焊接點顯示僅有最少的空 洞形成。在圖3的顯微照片中，區301是接觸襯墊的銅，其中銅的至少70體積百分比由 在主結晶方向上擴展至少1 pm (大晶粒尺寸)的晶粒組成，且30或少於30體積百分比 由在晶粒主方向上擴展1 pm以下的晶粒組成。大結晶方向的某些實例表示為301a、 301b 和301c。 302是銅與焊料(主要為錫)的金屬間區。303是焊料的錫合金。如圖3的顯微 照片表明，沿著焊接點僅罕見地形成空洞304。對若干樣本的橫截面的分析指示，在125 'C下40天的老化期之後，每50^1112形成不多於1個空洞。因此，接點的可靠性將較高。現參看圖1，類似的考慮因素適用於沿著錫合金主體102與外部部件的銅接觸襯墊 103的界面的空洞形成。當銅襯墊103由大尺寸晶粒製成時，可將空洞的數目保持最小。本發明的另一實施例是一種製造用於銅金屬化的形成較高可靠性的焊接點的金屬互 連結構的方法。在第一步驟中，提供襯底，且選擇用於製造接合襯墊的區域。當襯底用 作圖1中的載體104時，優選材料是聚醯亞胺帶。接下來，將銅晶種層沉積到襯墊區域上。優選的沉積方法是等離子體沉積技術。晶 種層的厚度優選在約50到200 nm的範圍中。接著在受控的溫度下使晶種層退火，並持續受控的時期，以產生具有預定晶體粒度 的預定濃度的銅晶體。對於較長時間的退火，合適的技術是與晶種層一起烘焙襯底；對 於較快的退火，實施晶種層的雷射加熱。對於大多數晶種層來說，退火溫度在約100與 24(TC之間，且退火時期在約20到180分鐘之間。由於退火步驟的目的是產生較大顆粒 的晶種，所以具有微晶粒的晶種層將通常需要較長的時間和較高的溫度來形成較大的晶 粒。當襯底為無定形時(就聚醯亞胺襯底而言)，尤其如此。在優選實施例中，銅的預定的晶體粒度在主結晶方向上為至少1 ^m。預定的銅晶體 濃度為至少70體積百分比。接下來，將具有所需厚度的銅層(圖1中的101)沉積到經退火的晶種層上。優選 地，銅層厚度在約10與30pm之間。優選的沉積技術是鍍敷技術，因為其允許銅幾乎外 延地生長到經退火的晶種層上。優選地以以下方式製成圖1中的外部部件105上的銅接觸襯墊103。首先將待用於 襯墊103的銅作為一層以所需厚度鍍敷到不鏽鋼鼓上，且隨後轉移並粘附到外部部件105 (如上所述，部件105通常為由絕緣材料(例如，聚醯亞胺、玻璃陶瓷、FR-4和其它合 成物)製成的印刷電路板)。接著通過蝕刻銅層以形成銅跡線而獲得層103的所需圖案。
通過選擇大顆粒不鏽表面，可使經鍍敷的銅首先外延地符合鼓的晶粒結構，並接著形成 柱狀結構，從而產生由所需的大顆粒銅組成的層。另外，可將銅膜退火併持續任一時間 長度，以生長晶粒。當然應注意最終的銅層以避免冷加工，冷加工可破壞大晶粒結構。在隨後已在聚合物帶(104)中蝕刻出窗口 (圖1中的101a)以暴露大晶體銅的一部 分之後，通過使錫合金回流而將錫合金的主體(102)越過整個窗口區域附接到暴露的銅 層。如圖3中所說明，由於銅層的大尺寸銅晶粒的緣故，銅層與焊料金屬間化合物之間 的所得接點將僅具有非常少的空洞。在第二回流步驟中，將錫合金的主體(102)附接到外部部件(105)的各自的銅接 觸襯墊(103)。由於此接觸襯墊由具有大晶體銅顆粒的銅層形成，所以第二回流步驟也 將產生具有僅帶有最小數目的空洞的金屬間化合物的接點。因此，接點展現優良的可靠性。本發明的另一實施例是一種經組裝的裝置，尤其是半導體裝置。廣義上，本發明適 用於其中使用回流接點或其中那些接點的可靠性對於產品的成功應用是必需的任何產 品。本發明適用於經囊封的產品，以及適用於晶片倒裝組裝的裝置；只要在銅金屬化上 使用回流金屬，本發明便適用於封裝和未封裝的產品。各種產品中的一個實例是印刷電路板上的球柵陣列裝置，例如美國Texas Instruments 公司的MicroStarBGA (p*BGA )。在圖4的橫截面中示意性地描繪此裝置。襯底401(例如聚合物帶(例如，由聚醯亞胺製成))具有第一和第二表面，分別為402和403。 第一表面402具有多個接合襯墊404，其由銅組成；此銅的至少70體積百分比由在晶粒 主方向上擴展至少1 的晶粒組成，且30或少於30體積百分比由在晶粒主方向上擴展 1 )im以下的晶粒組成。所述裝置在第二襯底表面403上進一步包括多個回流主體405; 回流主體優選地由錫合金製成。襯底中的孔401a允許每個回流主體405接觸其在第一襯 底表面402上的各自接合襯墊404。絕緣層410(例如，由常用作焊料掩模的絕緣體製成)附接到第一襯底表面402，在 所述絕緣層410上用粘附材料412 (優選為環氧樹脂)安裝半導體晶片411。絕緣層412 具有孔，以暴露接合襯墊404的若干部分。線接合413將晶片接觸襯墊與接合襯墊404 的暴露部分連接。晶片411和線413由模製化合物420囊封。每個回流主體405附接到外部部件431的相應接觸襯墊430。優選地，接觸襯墊430 由銅製成；此銅的至少70體積百分比由在晶粒主方向上擴展至少1 nm的晶粒組成，且 30或少於30體積百分比由在晶粒主方向上擴展1 以下的晶粒組成。大晶粒銅的使用
確保可靠的焊接點，因為在附接(回流)工藝或在隨後的老化工藝中僅形成非常少的空 洞。雖然已參考說明性實施例描述了本發明，但並不期望在限定性意義上解釋此描述內 容。所屬領域的技術人員在參考所述描述內容後將了解說明性實施例的各種修改和組合， 以及本發明的其它實施例。因此，期望所主張的本發明涵蓋任何此類修改或實施例。
權利要求
1. 一種金屬互連結構，其包括接合襯墊，其包括銅，所述銅的至少70體積百分比由在晶粒主方向上擴展至少1μm的晶粒組成，且30或少於30體積百分比由在晶粒主方向上擴展1μm以下的晶粒組成。
2. 根據權利要求l所述的結構，其進一步包括與所述接合襯墊接觸的錫合金主體。
3. 根據權利要求2所述的結構，其中所述合金與所述接合襯墊形成金屬間接點。
4. 根據權利要求2所述的結構，其中所述錫合金是低共熔錫/鉛焊料、低共熔錫/銀焊 料、低共熔錫/鉍焊料、低共熔錫/鋅焊料，或錫/銀/銅焊料中的至少一者。
5. —種半導體裝置，其包括根據權利要求2-4中任一權利要求所述的結構；且進一步 包括半導體晶片，所述半導體晶片用於具有所述接合襯墊和附接到所述接合襯墊的 所述錫合金主體的倒裝晶片組合件。
6. —種半導體裝置，其包括根據權利要求2-4中任一權利要求所述的結構；且進一步 包括具有第一和第二表面的襯底，所述第一表面具有所述接合襯墊；位於所述第二襯底表面上的所述錫合金主體通過所述襯底中的孔與所述第一襯底表面上的所述 接合襯墊接觸；且半導體晶片組裝在所述第一襯底表面的側面。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其中所述襯底是聚合物帶。
8. —種用於製造金屬互連結構的方法，其包括以下步驟提供襯底，並選擇用於製造接合襯墊的區域； 將銅晶種層沉積到所述襯墊區域上；在受控溫度下使所述晶種層退火持續受控的時間，以生長具有預定晶體粒度的預 定濃度的銅晶體；以及將銅層沉積到所述經退火的晶種層上。
9. 根據權利要求8所述的方法，其進一步包括將錫合金主體附接到所述襯墊區域中的 所述銅層的步驟。
10. 根據權利要求8所述的方法，其中所述襯底是聚醯亞胺帶，或經選擇以用於其預定 大顆粒晶體表面的不鏽鋼材料。
11. 根據權利要求8-10中任一權利要求所述的方法,其中所述預定晶體粒度在主結晶方 向上為至少1 ^an，且所述預定晶體濃度為至少70體積百分比。
12. 根據權利要求8-10中任一權利要求所述的方法其中所述沉積所述晶種層的歩驟使用等離子體沉積技術； 其中所述晶種層的厚度在約50到200 nm的範圍中；其中所述退火步驟包括在100與24(TC之間的溫度和從約20到180分鐘的時期；其中所述退火步驟通過烘焙或通過雷射加熱來執行；其中所述沉積晶種層的步驟是外延沉積；其中所述沉積銅層的步驟使用鍍敷技術；其中所述沉積的銅層的厚度在約10到30 pm的範圍中；且其中所述附接所述錫合金主體的步驟包含合金回流步驟。
全文摘要
一種金屬互連結構(100)包括接合襯墊(101)，所述接合襯墊具有銅，所述銅的至少70體積百分比由在晶粒主方向上擴展1μm以上的晶粒組成，且30或少於30體積百分比由在晶粒主結晶方向上擴展1μm以下的晶粒組成。錫合金主體(102)與所述接合襯墊接觸。
文檔編號B32B15/08GK101213076SQ200680024468
公開日2008年7月2日 申請日期2006年5月31日 優先權日2005年5月31日
發明者屈子正, 曾科軍, 達爾文·R·愛德華茲 申請人:德州儀器公司