具有改進的機械可靠性和熱可靠性的半導體裝置的製作方法

2023-09-16 18:27:10

專利名稱：具有改進的機械可靠性和熱可靠性的半導體裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及具有鍍銅接觸墊的半導體裝置且在加速應力測試下解決其可靠性。
技術背景在用於表面安裝組合件的半導體裝置封裝中，球柵陣列(BGA)封裝越來越普遍。 其可用於許多消費者產品並有助於當前的小型化趨勢。分布在整個封裝區域上的焊料元 件提供大量輸入/輸出端子。另外，焊料元件提供具有非常低的故障率("6西格瑪處理") 的板附接技術的機會。然而，最近存在影響BGA封裝的挑戰性要求。僅舉一些例子來說越來越要求焊料 元件不含鉛(出於環境考慮)；這個要求造成冶金學挑戰。接觸墊將銅作為其基底金屬； 這種選擇對焊料元件形成冶金學接口挑戰。封裝組件的特徵尺寸不斷減小對以可接受的 殘存率通過加速應力測試形成新的障礙；舉例來說，在高溫下且在潮溼環境中的加速壽 命測試變得更具挑戰性。含有BGA封裝的裝置產品正散布到越來越多的消費者應用；通 常，這些應用形成更嚴格或甚至全新的驗收測試。作為最近的實例，無線電話應用引發 對於經受住電話跌落測試的要求，以便證實BGA封裝的焊料接點在測試之後仍是可靠 的。發明內容申請人認識到需要一種靈活但成本低且穩固的方法來製造具有焊料接點的裝置(尤 其是半導體封裝)，使得接點給予所述裝置應用專有的機械和熱可靠性且所述裝置將通過 產品專項測試。本發明的一個實施例是一種具有由特定區域的接觸墊和在墊區域上以冶金學方式附 接到接觸墊的合金層製成的焊料接點的裝置。接觸墊的表面具有銅。合金層在接觸區域上包括銅/錫合金和銅/鎳/錫合金。銅/錫合金包括CU6Sll5金屬間化合物。銅/鎳/錫合金包 括(Ni，Cu)6Sll5金屬間化合物。包括錫的焊料元件在墊區域上以冶金學方式附接到合金層。以銅/錫合金為主的第一合金有助於將跌落測試性能改進到由具有銅墊的焊料接點 實現的最佳水平。以含鎳合金為主的第二合金通過減緩老化條件而有助於改進壽命測試 性能。一種形成上述實施例中的合金區的所需數目、分布和厚度的優選方法是在銅接觸墊 上方沉積具有預定厚度的薄鎳層，將含錫焊料元件附接到鎳層，且根據選定時間-溫度曲 線回流焊料。在本發明的另一實施例中，合金層可包括金或鈀。


圖1說明具有用於外部連接的焊料元件的球柵陣列(BGA)型半導體裝置的示意性 橫截面圖。圖2是襯底的部分"A"(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件附接之前的接 觸墊的細節。圖3是襯底的部分"A"(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件回流之後的接 觸墊的細節。圖4是焊料接點的部分"B"(圖3)的示意性橫截面圖。圖5說明具有薄鎳層的銅觸點的時間-溫度曲線的實例，其用以回流錫焊料且形成銅 /錫和鎳/錫、鎳/銅/錫合金區。
具體實施方式
圖1示意性說明球柵陣列(BGA)半導體裝置大家族中的代表。半導體晶片101通 過使用用於機械附接的晶片附接材料103和用於電連接的接合線104而組裝在襯底102 上。組合件通常囊封在模製化合物105中。襯底102具有一個或一個以上圖案化金屬層以用於內部互連(圖1中未展示)，以尤 其在線腳接合點106與接觸墊107之間形成連接線以用於外部連接。金屬層由絕緣層分 開。焊料元件108附接到接觸墊107。這種焊料附接在各種測試和使用條件下的可靠性 值得特殊考慮。圖2和圖3更詳細地展示裝置的部分"A"。圖2說明焊料元件208回流之前的裝置 接觸墊，且圖3說明回流工序之後的裝置接觸墊。在圖2中，襯底102具有絕緣表面層 201，其通常稱為焊料掩模。已經在焊料掩模201中打開具有寬度202的窗口，其暴露襯 底的互連塗敷金屬210的一部分，且因此界定接觸區域。塗敷金屬210由銅製成，且所 暴露銅的區域由焊料掩模窗口的寬度202確定。在所暴露銅的區域上方沉積鎳層211;另外，貴金屬(例如金或鈀)層212沉積在所 述鎳層上方。在此實施例中，鎳層的厚度在約0.01與0.3 pm之間；優選厚度範圍為0.12 ±0.04|im。金層的厚度在約0.1與l.Opm之間；優選厚度範圍為0.5 ± 0.25 pm。焊料回流元件208含有錫；另外，其可含有選自由鉛、銀、鉍、銦、鋅、銅、鎳和 銻組成的群組的金屬中的一者或一者以上。對於本實施例中的鎳層厚度來說，回流元件 208中的錫和其它回流金屬的量比鎳的量大得多。如圖2展示，襯底102在與接觸墊202相對的襯底表面上具有一個或一個以上墊220; 這些墊用作將連接線230接合到半導體晶片接合墊的接合墊。由於線230優選由金製成 且墊220優選供金線腳231使用，因而墊220優選由包括銅層221、鎳層222和金層223 的層堆疊製成。圖3說明焊料元件208回流之後的裝置接觸墊。210是銅線，其中接觸墊由焊料抗 蝕劑201中具有寬度202的窗口暴露。寬度202界定銅接觸區域。在整個區域上以冶金學方式附接到銅的是合金層301，其包括錫、銅和鎳。圖4放 大說明圖3的區域"B"。為了實現最佳的可靠性性能，所述合金應當佔據接觸區域中的 整個沉積鎳層。以冶金學方式附接到合金層301的是以錫作為其主要成分的回流元件 308。在圖4中，在襯底102的絕緣部分上的是銅層210在銅接觸區域中的一部分。以冶 金學方式附接到銅層210的是合金層301，且以冶金學方式附接到合金層301的是回流 元件308的一部分，其主要含有錫。合金層301包含銅/錫合金和銅/鎳/錫合金。銅/錫合金包含較高百分比的CueSn5金屬間化合物，通常具有扇形輪廓。鎳/銅/錫合金包含較高百分比的(Ni， CU)6SI15金屬間化合物，其微晶通常散裂到合金層中。在具有金作為合金組分的實施例中，合金包含較高百分比的(Cu, Ni， Au)6Sns金屬間 化合物。使用後者金屬間化合物，金屬層的厚度優選處於2.0與3.0^m之間。含鎳合金已經從原始鎳層中消耗掉所有可用鎳，以使得在合金成形(回流)工序之 後不會剩餘鎳層的任何部分。可通過選擇兩個參數值來產生銅/錫合金與鎳/銅/錫合金之間的預定比率鎳層厚度 和回流工序的時間-溫度曲線。0.1 ±0.05 iam厚度範圍內的鎳層的優選時間-溫度序列501 的實例在圖5中再現(以'C為單位測量溫度，以分鐘為單位測量時間)。如可見，曲線具 有約1到2分鐘的約130與170'C之間的預熱範圍501和約1/4到3/4分鐘的高於230°C 的高溫範圍502。本發明人所作的定量研究已經表明銅/錫合金有助於將已組裝裝置的跌落測試性能 改進到具有銅墊的焊料接點所實現的最佳水平。另一方面，從約O.l pm的開始鎳層厚度獲得的含鎳合金通過減緩老化條件使得裝置特徵在預期的裝置使用期限中保持近似恆定 來改進成品裝置特徵的壽命測試性能。在本發明的其它實施例中，合金層301連同回流的錫焊料元件308可包括熔化的貴 金屬，例如金或鈀。圖2中展示為沉積層的貴金屬在回流工序步驟中熔化。儘管已經參看說明性實施例描述了本發明，但不希望在限制性意義上解釋此描述內 容。通過參看所述描述內容，所屬領域的技術人員將容易了解所述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。舉例來說，可採用更薄的鎳層---恰好足以防護銅不受氧化的鎳。因此，希望所主張的發明涵蓋任何此類修改。
權利要求
1.一種集成電路裝置，其包含半導體晶片；襯底，在其上組裝所述晶片，所述襯底具有用於外部連接的觸點；每一觸點包括具有銅的接觸區域；覆蓋所述接觸區域的合金層，所述合金層包括銅/錫合金和銅/鎳/錫合金，所述合金層以冶金學方式附接到所述銅區域且大致沒有非合金鎳區；以及包含錫的回流元件，其以冶金學方式附接到所述合金層。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述銅/錫合金包括CU6Sll5金屬間化合物。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述銅/鎳/錫合金包括(Ni，Cu)6Sn5金屬間化合物。
4. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述合金層進一步包含金。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其中主要合金包含(Cu，Ni，Au)6Sn5金屬間化合物。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其中所述金屬間化合物(Cu，Ni, Au)6Sii5的厚度處於約 2.0與3.0 nm之間。
7. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述合金層包含鈀。
8. 根據權利要求l所述的裝置，其中所述回流元件進一步包含選自由鉛、銀、鉍、銦、 鋅、銅、鎳和銻組成的群組中的一種或一種以上金屬。
9. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述襯底觸點由焊料掩模中的窗口界定。
10. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述回流元件跨越整個接觸區域附接到所述合金 層區域。
11. 根據權利要求l所述的裝置，其中銅/鎳/錫合金鄰近於所述銅接觸區域。
12. 根據權利要求ll所述的裝置，其進一步包含從附近的所述銅接觸區域散裂的銅/鎳/ 錫合金。
13. 根據權利要求11所述的裝置，其中所述銅/錫合金鄰近於所述銅接觸區域附近的所 述銅/鎳/錫合金。
全文摘要
本發明提供一種具有由特定區域(202)的銅接觸墊(210)和在墊區域上以冶金學方式附接到所述銅墊的合金層(301)製成的焊料接點的裝置。所述合金層含有包括Cu6Sn5金屬間化合物的銅/錫合金和包括(Ni，Cu)6Sn5金屬間化合物的鎳/銅/錫合金。包括錫的焊料元件(308)在所述墊區域上以冶金學方式附接到所述合金層。在回流工序之後沒有剩下原始薄鎳層的任何部分。銅/錫合金有助於改進跌落測試性能，鎳/銅/錫合金有助於改進壽命測試性能。
文檔編號H01L23/52GK101233613SQ200680028208
公開日2008年7月30日 申請日期2006年8月9日 優先權日2005年8月11日
發明者阿野一章 申請人:德州儀器公司