用於高機械可靠性用途的晶片級互連的製作方法

2023-07-04 04:21:01

專利名稱：用於高機械可靠性用途的晶片級互連的製作方法
技術領域：
本公開一般涉及用於半導體器件的結構和方法，更特別涉
及用於電子晶片級晶片尺寸封裝和倒裝晶片封裝及組件。
背景技術：
在電子封裝工業中，長期存在著改善無鉛(Pb)焊料的機 械性能的需要，所述無鉛焊料用於晶片級晶片尺寸封裝和倒裝晶片器 件中。現有的努力包括痕量地添加或摻雜各種元素，例如Co和Zn。 現有努力還包括關於摻雜(例如用Ti、 Fe、 Co、 Pt、 In和Ni)對無 鉛焊料的機械性能影響的研究。在現有互連結構中發現的一個問題是由單個的、結合的或 系列的機械損壞事件例如跌落沖擊、振動和剪切引起的過早互連失效。 解決該問題並提高接頭機械強度的現有嘗試包括使用具有較低楊氏模 量和硬度的無Pb烀料以通過使焊料(例如銦基無Pb焊料、Sn-Cu無 Pb焊料、或具有較低銀水平的Sn-Ag-Cu合金)更柔順(compliant) 而幫助降低脆性互連開裂。這些現有的嘗試不能令人滿意地消除過早 的互連失效。因此，當使用焊料製造晶片級晶片尺寸封裝或倒裝晶片器 件時，需要具有改善的接頭機械強度。
附圖簡要說明為了更全面地理解本公開，現在將參考以下附圖，其中在 所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的項目圖1圖解了根據本公開的示例性實施方案在組裝到襯底之 前，晶片級晶片尺寸或倒裝晶片封裝一部分的橫截面視圖。
圖2圖解了根據本公開的示例性實施方案的組裝焊料互連。圖3圖解了不摻雜Ni的界面IMC形貌。
圖4圖解了根據本公開的示例性實施方案的摻雜有Ni的界 面IMC形貌。這裡所述的示例圖解了特定實施方案，這樣的示例不應以 任何方式視為限制。
發明詳述以下的描述和


了特定實施方案，其足以使本領域 技術人員實施本文描述的系統和方法。其它實施方案可以包括結構、 邏輯、方法和其它方面的改變。實施例僅代表可能的變體。以下說明了實施本發明結構和方法的各個實施方案的要 素。可以使用公知的結構構建很多要素。還應理解，可以使用各種技 術實施本發明結構和方法的技術。本發明一般涉及使用含有相對小比例Ni的焊料合金的改 善的互連結構。改善的結構典型地提供了用於長期機械可靠性的改善 的接頭機械強度，對於例如用於製造晶片級晶片尺寸封裝(CSP )或倒 裝晶片互連的無Pb焊料。在一個實施方案中，使用0.01-0. 20重量％ (wt% )的Ni增強的無Pb焊料合金。例如，該無Pb烊料合金優選基 本由Sn-Ag-Cu和0. 01-0. 20重量％的Ni組成。通常可以按常規比例 使用Sn、 Ag和Cu。焊料合金可以例如回流且連接到凸點下金屬(under bump metal),可以例如以真空沉積薄膜或鍍覆膜形成所述凸點下金屬。其 它常規製造方法可以用於製造以下所述的互連結構。據認為，Ni增強的無Pb合金與凸點下金屬層(UBM)的 結合通常通過控制焊料/UBM界面處以及主體焊料內Sn晶界(枝晶間) 處的金屬間形成物而提供改善的接頭機械強度。相比使用非Ni增強的 無Pb合金，本發明人在改善的高速剪切條件下觀察到這種情況，並通
5過跌落測試結果證實了這種情況。接頭強度的這種改善對於使用晶片
級CSP或倒裝晶片互連的電子器件(其中器件易於跌落)是有益的， 特別是對於移動產品例如行動電話、個人數字助理、MP3播放器、遊 戲機等。以下更詳細地論述可實施Ni增強的焊料合金互連結構的 更具體的結構實施方案。在第一實施方案中，使用該焊料在兩種不同 襯底之間形成互連。該互連典型地包括主體焊料組分、在主體焊料與 晶片上金屬結構(例如UBM)的(一個或多個)界面處的金屬間化合 物UMC)。通過焊料和UBM之間的冶金反應形成頂C。通常將UBM劃分為薄膜或厚膜。典型通過真空沉積(例如 '濺射沉積或蒸發)製備薄膜UBM。典型通過鍍覆製備厚膜UBM。合適的 UBM結構的例子是鋁-鎳(釩)-銅，其中銅接觸焊料。其它可能的替 代物包括但不限於以下合金Ti/NiV/Cu、 Ti/Ni/Cu、 TiW/Cu 、 TiW/Ni/Cu、 TiW/NiV/Cu、 Cr/Ni/Cu或Cr/NiV/Cu。可以使用以下形 成合適的厚膜UBM的實施例Cu、 NiP/Au、 NiP/NiPd/Au、 PdP/Au、 PdP、 Ni/Au或Cu/Ni/Au。互連的接頭強度取決於主體焊料的延展性(柔順性)以及 焊料/UBM界面處的IMC的接頭機械強度。儘管在互連結構中期望提高 的可靠性，然而認為界面IMC本身相當脆。據認為，通過以下方式之一或其結合有助於無Pb焊料互連 的接頭機械性能的改善改善主體焊料顯微組織的性能，改善UBM結 構(例如UBM膜應力水平或溶解性)與期望的IMC結構的兼容性，以 及通過改善界面IMC生長與演化的控制。通過使用公知的高速剪切和高速冷球拉(cold ball pull) 測試以模擬機械跌落沖擊事件，觀察到了通過使用用於晶片級CSP和 倒裝晶片互連的主體焊料以及上述焊料合金互連所獲得的改善。該測 試包括利用寬範圍的測試條件參數(例如沖擊剪切、拉速以及沖擊剪 切高度)以測量通過使用Ni增強的焊料獲得的改善的程度。使用已知 跌落測試儀器的附加測試對利用Ni增強燁料製成結構的跌落測試的可靠性進行測試，其比可用替代物表現得顯著更優。測試還包括各種
UBM方案的兼容性，特別是整體膜應力水平和可溶金屬厚度。圖1圖解了在組裝到襯底之前晶片級晶片尺寸封裝或倒裝 晶片封裝100—部分的橫截面視圖。提供晶片部件102(例如典型的集 成電路(IC)晶片)用於後續連接到襯底(見圖2)。形成在晶片部件 102上的UBM 108與主體焊料106 (例如焊料凸點或焊料球)在界面 IMC114處接觸。在實際封裝中，典型地使用大量焊料凸點或焊料球。圖2圖解了組裝焊料互連結構200 —部分的橫截面視圖。 使用主體焊料106將晶片部件102連接到襯底104 (例如印刷電路板)。
在襯底104上形成對焊料附著有益的常規金屬面層 (finish)或層IIO，並且該面層或層IIO在界面IMC112處與主體焊 料106接觸。主體焊料106具有本文所述的焊料合金組成。例如，金 屬面層IIO可以具有與UBM相似的銅上層。然而，並不一定總是這樣。 如果金屬面層110具有銅面層，則厚度典型地顯著大於晶片側面上的 UBM的厚度。在板104上的Cu面層的範圍可以在例如約2至5微米 (ums )範圍內。可以使用各種板104面層。例如，常見的板面層是Cu，在 表面具備有機層以保護Cu不被氧化，這稱為"CuOSP"。其它例子是 NiP/Au，或Ag (有時稱作浸鍍銀)。界面IMC 114可以具有例如小於約2. 0微米(ums )的厚度。 UBM 108可以具有例如小於約2. Q微米(ums)的厚度。這些厚度在其 它實施方案中可以顯著變化。例如，還可以在另外類型的晶片尺寸封裝或晶片級封裝(例 如板栽晶片(chip-on-scale)組件應用或在倒裝晶片封裝應用中使用 的標準倒裝晶片封裝)實施本文描述的互連結構和方法。在以下專利 中描述了這樣的實施的例子美國專利No. 6， 441， 487 (題為Chip Scale Package Using Large Ductile Solder Balls, Elenius等,2002 年8月27日授權)、美國專利No. 5,844, 304 (題為Process for Manufacturing Semiconductor Device and Semiconductor Wafer,Kata等，1998年12月1日授權)、以及美國專利No. 5， 547， 740 (題 為Solderable Contacts for Flip Chip Integrated Circuit Devices, Higdon等，1996年8月20授權)和美國專利No. 6， 251， 501 (題為 Surface Mount Circuit Device and Solder Bumping Method Therefor, Higdon等，2001年6月26日)，通過引用將這些專利中每 一篇至少與封裝應用、結構和製備方法相關的教導併入本文。現在，在具體實施例中更詳細地討論互連結構本身。在一 個實施方案中，無Pb焊料合金基本由Sn-Ag-Cu和O. 01-0. 20重量％ 的Ni組成。Pb焊料合金的一個實施例將是98.4%Sn-1. 0%Ag-0. 5%Cu-0.脂。作為Sn-Ag-Cu組成的實施例，Ag組成可為 約0.25-4.0重量％， Cu為約0-2.0重量％。 Sn組成可以例如是約 99. 75-94. 5重量％，或提供任何上述組成的餘量。在任何焊料組合物 中，通常存在痕量元素，它們是次要的並且不期望它們影響保持在常 規標準中的互連結構的性能。焊料合金可以是例如分離的焊料球體(例 如焊料球)或焊料骨的形式。焊料可以例如回流到使用真空沉積薄膜 或鍍覆膜製備的UBM上。據認為，使用上述焊料合金組合物與UBM有助於在焊料回 流後在UBM/焊料界面處提供更平滑、更薄的金屬間化合物的厚度，這 使該脆性界面的異質生長最小化。在優選實施方案中，UBM的上層是 銅，其與主體焊料反應。更具體地，在優選實施方案中，UBM上表面 的大部分Cu在回流過程中形成金屬間(IMC)層，其暴露出UBM中的 邊界Ni層。相反，如果UBM僅僅是相對厚的銅層，則其在處理中的任 何點或界面處均不會被完全消耗。此外，認為上述結構的使用在焊料回流後於主體焊料內圍 繞Sn晶界的枝晶間結合區內提供了較低水平的金屬間化合物。這有助 於使得主體焊料相對於非Ni摻雜的合金更加柔順。在一個實施方案 中，UBM結構具有有限量的Cu，因為封裝工業中的一些薄膜要求。這 不同於僅僅使用鍍覆Cu的厚膜，其將不足以滿足UBM製備封裝要求。 優選實施方案中的UBM具有其它薄膜金屬層例如NiV。在UBM的上層中應使用足夠的銅以使IMC形成為所需的平滑度。例如，UBM中Cu層 的最小厚度應為約7000埃。在優選實施方案中，UBM中的Cu與焊料 中的Ni反應形成平滑IMC層。UBM中的Ni在一定程度上還可有助於 IMC的形成。在其它實施方案中，UBM中的不同金屬結構的組合與焊料 反應，並有助於IMC層的形成及其特性。例如，在NiP基UBM中，UBM 中的Ni可與焊料中的Sn而非Cu反應形成平滑IMC層。在本文描述的所需的Ni摻雜範圍中，觀察到界面IMC的厚 度比同樣的非Ni摻雜合金更薄。還觀察到，界面IMC的較平滑的顯微 結構比在沒有Ni的無Pb合金中常見的鋸齒狀、圓齒狀的顯微結構更 理想。較平滑的顯微結構允許IMC中的均勻應力。鋸齒狀、圓齒狀的 顯微結構具有應力狀態較高的區域，因為該結構不如較平滑的顯微結 構那麼均勻。例如，圖3圖解了無Ni摻雜的界面IMC的形貌300。形貌 300顯示了不期望的尖峰302。相反，圖4圖解了如上所述摻雜有Ni 的界面IMC114的形貌。與無Ni摻雜的IMC相比，界面IMC114的表 面400基本平滑。至於互連結構本身的製造，可以使用常規晶片級晶片尺寸 處理和倒裝晶片處理。例如，可以向UBM施加焊料，並使焊料達到熔 點而回流以便在焊料和UBM之間形成物理結合。在作為替代的實施方案中，可以使用厚膜CuUBM。焊料中 的Ni在回流過程中將與Cu反應形成平滑的界面IMC 114層(見圖2 )。通過上述記載，描述了改良的互連結構和方法。上述結構 和方法典型提供了以下優點。通過使用Ni摻雜的Sn-Ag-Cu合金焊料， 由於主體焊料的柔順性以及異質生長與界面IMC (在互連結構中其是 最脆的結構)厚度形狀的最小化，機械完整性得到提高。整體結構比 其它可用替代結構具有顯著更大的延展性，提高了該結構吸收來自例 如跌落衝擊、振動和剪切事件的意外損傷機械能的能力。對特定實施方案的以上描述充分揭示了本公開的一般性質，其他人通過結合現有知識易於對其進行改變和/或修改以使其適合 於不同應用，而不背離一般概念。因此，這樣的修改和改變在所公開 的實施方案的等效物的含義和範圍之內。本文使用的措辭或術語均用 於說明而非限制。
權利要求
1.位於兩個間隔開的電接觸部之間的互連，該互連包含基本由鎳(Ni)、錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)組成的無鉛(Pb)焊料合金；其中當位於兩個接觸部之間時，鎳(Ni)含量足以在凸點下金屬層(UBM)中產生平滑界面IMC層。
2. 權利要求1的互連，其中鎳(Ni )在0. 01-0. 20重量％ (wt%) 範圍內。
3. 權利要求l的互連，其中將互連併入倒裝晶片封裝中。
4. 器件，包含 襯底；位於襯底上的凸點下金屬層(UBM); 位於凸點下金屬層(UBM)上的主體焊料體； 通過主體焊料體連接到凸點下金屬層(UBM)的晶片部件； 其中主體焊料體包含鎳(Ni)、錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu); 其中鎳(Ni )在0. 01-0. 20重量％ (wt°/。)範圍內。
5. 權利要求4的器件，其中主體焊料體包含 約98.4%錫(Sn)，約1. 0%銀(Ag), 約0. 5%銅(Cu ),和 約0. 1°/。鎳(Ni)。
6. 權利要求4的器件，其中主體焊料體包含約0. 25-約0. 40重量％ (wt% )的銀(Ag); 約0. 0-約2. 0重量％ ( wt % )的銅(Cu );和 約99. 75-約94. 5重量％ ( wt % )的錫(Sn)。
7. 權利要求4的器件，其中凸點下金屬層(UBM)是通過真空沉 積而形成的膜。
8. 權利要求4的器件，其中凸點下金屬層(UBM)是通過鍍覆而形成的膜。
9.權利要求4的器件，其中凸點下金屬層(UBM)是由選自下面的一種或多種合金構成的膜鋁(Al )-鎳釩(NiV)-銅(Cu), 鈦(Ti)-鎳釩(NiV)-銅(Cu)， 鈦(Ti)-鎳(Ni)-銅(Cu)， 鈦鴒(TiW)-銅(Cu)， 鈦鴒(TiW)-鎳(Ni)-銅(Cu)， 鈦鴒(TiW)-鎳釩(NiV)-銅(Cu), 鉻(Cr)-鎳(Ni)-銅(Cu)， 鉻(Cr)-鎳釩(NiV)-銅(Cu)， 銅(Cu)，鎳磷(NiP)-金(Au)，鎳磷(NiP)-鎳鈀(NiPb)-金(Au)，鈀磷(PdP )-金(Au )，鈀磷(PdP )，鎳(Ni)-金(Au)，和銅(Cu)-鎳(Ni )-金(Au)。
全文摘要
本文描述的結構包括位於兩個間隔開的電接觸部之間的互連。該互連包含基本由鎳(Ni)、錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)組成的無鉛(Pb)焊料合金。當位於兩個接觸部之間時，鎳(Ni)含量足以在凸點下金屬層中產生平滑界面IMC層。本文描述結構的實施方案是一種器件，其包含襯底，位於襯底上的凸點下金屬層(UBM)，位於凸點下金屬層(UBM)上的主體焊料體，通過主體焊料體連接到凸點下金屬層(UBM)的晶片部件。主體焊料體包含鎳(Ni)、錫(Sn)、銀(Ag)和銅(Cu)。鎳(Ni)在0.01-0.20重量％(wt％)的範圍內。
文檔編號H01L21/4763GK101589462SQ200780040017
公開日2009年11月25日 申請日期2007年10月5日 優先權日2006年10月5日
發明者A·科提斯, G·F·博格斯, M·詹森, T·特塞爾, Y·羽 申請人:倒裝晶片國際有限責任公司