專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種配備有用于倒裝晶片(flip-chip)安裝的隆起(bump)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
近年來，在考慮到環(huán)境問題的同時(shí)，在用于倒裝晶片安裝的焊接設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)無鉛化已得到積極的發(fā)展。
對(duì)于無鉛焊接，已表明包含Sn、Ag和Cu。相反，當(dāng)使用這種焊料在襯墊形成焊接球時(shí)，在某些情況下，在襯墊和焊接球之間會(huì)發(fā)生界面脫落或者界面斷開。
日本專利公報(bào)JP2001-93928提出了抑制裝置界面脫落的技術(shù)。在日本專利公報(bào)JP2001-93928中描述的這種技術(shù)在銅襯墊上形成諸如Ni、Cr之類的銅擴(kuò)散防止膜，從而防止銅到達(dá)具有已擴(kuò)散的銅的焊接球的表面，從金屬間化合物為因素的觀點(diǎn)來看，銅到達(dá)具有已擴(kuò)散的銅的焊接球的表面會(huì)導(dǎo)致發(fā)生焊接球的界面脫落。如上所述的這種方法，提高了半導(dǎo)體器件的可靠性，同時(shí)抑制了在銅襯墊和焊接球之間發(fā)生界面脫落。
但是，甚至是日本專利公報(bào)JP2001-93928中描述的技術(shù)，也仍然存在進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)點(diǎn)的空間，例如焊接隆起粘合等。另外，在同一文獻(xiàn)描述的技術(shù)中，最好在銅擴(kuò)散防止膜和焊接球之間形成諸如鈀之類的金屬膜，以確保焊接粘合。但是，在某些情況下，不能充分地獲得襯墊部分的長期可靠性。
另外，急需在惡劣環(huán)境中使用產(chǎn)品的半導(dǎo)體器件；而且對(duì)于襯墊部分可靠性要求的程度變得更高。
在這種情況下，對(duì)抑制界面脫落并且提高產(chǎn)品可靠性的新技術(shù)提出了更強(qiáng)烈的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在研究了發(fā)生界面脫落的機(jī)理的基礎(chǔ)上，本發(fā)明人獲得了下列知識(shí)。
圖24解釋性地表示使用無鉛焊接的隆起結(jié)構(gòu)。罩層102形成在嵌入在絕緣膜中的多層互接層的最上層互接層101之上，而且無源膜103和絕緣樹脂層105依次形成在罩層102之上。無源膜103配備有襯墊通道104，而且沿襯墊通道104形成隔離金屬膜106和UBM膜107。
焊接球108設(shè)置在UBM膜107之上。這里，由包含在焊接隆起中的銅、鎳和錫形成的合金層110形成在焊接球108和UBM膜107之間。如后面所述，合金層以這種方式形成，即經(jīng)歷諸如回流工藝之類的熱處理工藝。
根據(jù)本發(fā)明人的研究，由于下述原因發(fā)生了界面斷開。即，在襯底和芯片之間連接的焊接球中，由于襯墊和芯片之間的熱膨脹率的不同在焊接球中產(chǎn)生了殘留熱應(yīng)力。當(dāng)殘留熱應(yīng)力超出容限時(shí)，在具有小機(jī)械強(qiáng)度的合金層110上產(chǎn)生斷開部分，之后，以這個(gè)部位為初始點(diǎn)，破裂傳播到合金層110，導(dǎo)致界面斷開。這樣，由于在由熱壓力引起的合金層110中產(chǎn)生了破裂的事實(shí)，通常會(huì)發(fā)生界面斷開。特別是，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在合金層110暴露在合金層110沒有被焊接球覆蓋部分時(shí)，就容易發(fā)生界面斷開。需要說明的是，這種術(shù)語“界面斷開”與日本專利公報(bào)JP2001-93928中的“界面脫落”相對(duì)應(yīng)。
本發(fā)明人已根據(jù)這種新知識(shí)實(shí)現(xiàn)了下列發(fā)明。
為解決上述問題，在根據(jù)本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件中，焊接球通過導(dǎo)電膜設(shè)置在電極之上，其特征在于包括包含在焊接球中的金屬元素和包含在導(dǎo)電膜中的金屬元素的合金層形成在導(dǎo)電膜和焊接球之間；而且所述焊接球形成為覆蓋所述合金層。
另外，根據(jù)本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于該半導(dǎo)體器件包括互接層；絕緣膜，所述絕緣膜設(shè)置在所述互接層之上，而且設(shè)有到達(dá)所述互接層的孔；導(dǎo)電膜，所述導(dǎo)電膜在所述孔的底部連接至所述互接層、并且從所述孔的底部到所述孔的外部跨接形成；以及焊接球，所述焊接球以與所述導(dǎo)電膜和所述絕緣膜相接觸的方式設(shè)置；其中包括包含在所述焊接球中的金屬元素和包含在所述導(dǎo)電膜中的金屬元素的合金層形成在所述導(dǎo)電膜和所述焊接球之間；而且所述焊接球形成為覆蓋所述合金層。
在上述半導(dǎo)體器件中，通過將設(shè)置在所述互接層上的保護(hù)層和設(shè)置在所述保護(hù)層之上的絕緣樹脂層依次形成為層狀結(jié)構(gòu)、而組成所述絕緣膜。
在上述任何一種半導(dǎo)體器件中，所述導(dǎo)電膜至少包括銅和鎳，包括球底層金屬膜，所述球底層金屬膜至少包括對(duì)焊料顯示出可濕性的材料，該材料被回流到與焊接球相接觸的面。
在上述半導(dǎo)體器件中，在球底層金屬膜與焊接球相接觸的面中至少包含金屬銅、金和鉻中的一種。
在上述半導(dǎo)體器件中，所述導(dǎo)電膜包括所述球底層金屬膜、金屬膜和隔離金屬膜，其中金屬膜中焊料被回流到與球底層金屬膜接觸的面且其至少包含顯示可濕性的材料。
進(jìn)一步地，在上述半導(dǎo)體器件中，所述金屬膜形成在所述球底層金屬膜和所述隔離金屬膜之間；而且所述隔離金屬膜在其與所述金屬膜相接觸的面上至少具有鈦層?；蛘咴谏鲜霭雽?dǎo)體器件中，所述隔離金屬膜自與金屬膜接觸的面依序形成鈦層和鈦-鎢層。
另外，在上述半導(dǎo)體器件中，所述隔離金屬膜和所述金屬膜形成為被暴露至端子側(cè)的外部而不是所述球底層金屬膜；而且所述焊接球至少形成為密封所述金屬膜和所述球底層金屬膜。
進(jìn)一步地，在上述半導(dǎo)體器件中，所述焊接球的端子部分設(shè)置在所述球底層金屬膜的端子部分外部，具有不少于10微米的隔離。
在上述半導(dǎo)體器件中，所述焊接球由包含錫的無鉛焊料組成。
采用這種結(jié)構(gòu)，即便互接層形成在焊接球和導(dǎo)電膜之間，也可以產(chǎn)生焊接球形成為覆蓋合金層的狀態(tài)。因此，用于合金層沒有暴露至外部，因此有可能產(chǎn)生不會(huì)發(fā)生用于合金層的存在而導(dǎo)致的界面斷開的情況。
另外，一旦暴露包括在導(dǎo)電膜中的隔離金屬膜和金屬膜比球底層金屬膜更靠外部時(shí)，就利用熔化的焊料使金屬膜變濕，這就有可能利用熔化的焊料使其穩(wěn)固地濕至球底層金屬膜的側(cè)壁，可以抑制其中的球底層金屬膜的側(cè)壁被暴露的組成部分。從而，能夠抑制由于合金層的存在而導(dǎo)致的界面斷開的發(fā)生。
根據(jù)本發(fā)明，有可能提供能夠保持高可靠性而不會(huì)在焊接球和導(dǎo)電膜之間發(fā)生界面斷開的半導(dǎo)體器件。


從下面結(jié)合附圖的描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將會(huì)更加清晰，其中圖1的示意圖表示根據(jù)第一實(shí)施例所述的半導(dǎo)體器件的主要部分；圖2的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖3的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖4的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖5的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖6的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖7的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例；圖8的示意圖表示半導(dǎo)體器件的焊接球的放大的端子部分的附近；圖9的曲線圖表示焊接印刷掩模尺寸和形成焊接球的隔離金屬膜之間的關(guān)系；圖10的放大示意圖表示其合金層暴露在其外側(cè)的半導(dǎo)體器件的焊接球端子的附近部分；圖11的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例的改進(jìn)實(shí)施例；圖12的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例的另一改進(jìn)實(shí)施例；圖13的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例的另一改進(jìn)實(shí)施例；圖14的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第一實(shí)施例的另一改進(jìn)實(shí)施例；圖15的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第二實(shí)施例；圖16的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第二實(shí)施例；圖17的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第二實(shí)施例；圖18的工藝截面圖表示半導(dǎo)體器件的制作工藝的第二實(shí)施例；圖19的示意圖表示半導(dǎo)體器件的焊接球的端子附近放大部分；圖20的放大示意圖表示其合金層暴露在其外側(cè)的半導(dǎo)體器件的焊接球端子的附近部分；圖21的示意圖表示用于實(shí)施例的焊接印刷掩模的開口和UBM的形狀；圖22的曲線圖表示半導(dǎo)體器件的可靠性提高的結(jié)果；圖23的曲線圖表示形成在本實(shí)施例中的半導(dǎo)體器件的合金層結(jié)構(gòu)確認(rèn)測(cè)試的結(jié)果；圖24的示意圖表示傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的焊接球端子附近的放大部分。
具體實(shí)施例方式
下面參照?qǐng)D示的實(shí)施例說明本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解利用本發(fā)明的教導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)許多可供選擇的實(shí)施例，而且本發(fā)明并不局限于為了說明的目的而圖示的實(shí)施例。
下面，參照附圖詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件。
需要說明的是，在對(duì)

時(shí)，省略了重復(fù)說明，同時(shí)對(duì)相同元件附加相同的標(biāo)記。
(第一實(shí)施例)圖1的示意圖表示根據(jù)第一實(shí)施例所述的半導(dǎo)體器件的主要部分。
在圖1中，該半導(dǎo)體器件包括最上層互接層101，其是電連接至內(nèi)部電路的互接層；無源膜103和絕緣樹脂層105，它們?cè)O(shè)置在最上層互接層101之上而且形成設(shè)有襯墊通道104的絕緣膜，該襯墊通道104為到達(dá)該最上層互接層101的孔；隔離金屬膜106、金屬膜和UBM膜107(下部球金屬或者下部隆起金屬)，它們?cè)谝r墊通道104的底部連接至最上層合金層101并且形成導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜從襯墊通道104的底部跨接至襯墊通道104的外側(cè)形成，在與導(dǎo)電膜和絕緣膜接觸的同時(shí)設(shè)置焊接球108；以及合金層110，其形成在焊接球108和UBM膜107之間的界面上，而且在隔離金屬膜106之上形成在焊接球108和金屬膜之間的界面上。合金層110通過包含包含在焊接球108中的金屬元件和包含在導(dǎo)電膜中的金屬元件組成。
絕緣樹脂層105以與焊接球108接觸的方式設(shè)置，而且作為應(yīng)力緩沖層進(jìn)行工作，以釋放在焊接球108的形成工藝中和在焊接球形成工藝之后的制作工藝中產(chǎn)生的應(yīng)力。對(duì)于絕緣樹脂層105的材料，可以使用聚酰亞胺、聚苯并咪唑等。盡管優(yōu)選絕緣樹脂層105的膜厚度(后面所述的焙烤之后的最終尺寸)為1至10微米，但是在本發(fā)明中，膜厚度為7微米。
最上層互接層101由諸如銅、鋁、或者它們的合金之類的導(dǎo)電材料制成，并且嵌入在絕緣膜100中。罩層102設(shè)置在最上層互接層101和襯墊通道104的開口之間。此外，最上層互接層101可以為層狀結(jié)構(gòu)。
罩層102由TiN、SiCN等形成，而且當(dāng)銅作為最上層互接層101使用時(shí)，罩層102進(jìn)行工作，以防止銅被擴(kuò)散。以覆蓋罩層102的方式形成的無源膜103由SiCN等形成，而且有效地防止潮氣進(jìn)入最上層互接層101和具有最上層互接層101的其余下層的電路元件。
隔離金屬膜106工作，以防止錫從焊接球108擴(kuò)散。另外，隔離金屬膜106的形狀形成為使隔離金屬膜暴露在端子外側(cè)而不是后面所述的UBM膜107的外側(cè)。
UBM膜107為形成焊接球108的基礎(chǔ)膜，而UBM膜107的最外層表面包含對(duì)焊料具有良好可濕性的物質(zhì)，例如銅。由包含在UBM膜107中的金屬元素和包含在焊接球108中的金屬元素形成的合金層110形成在UBM膜107和焊接球108之間的界面處。相反，還是在UBM膜107和隔離金屬膜106之間的界面處，對(duì)焊料具有良好可濕性的物質(zhì)，例如通過包含銅而組成金屬膜，就象隔離金屬膜106那樣形成，從而被暴露在UBM膜107的端子外側(cè)。因此，合金層110形成在焊接球108和隔離金屬膜106的表面的金屬膜之間的界面處。這里，對(duì)于包含在UBM膜107的最外層表面和金屬膜中的物質(zhì)，例如被指示為銅(Cu)，金(Au)、鉻(Cr)等，而且焊料對(duì)這些元素表現(xiàn)出良好的可濕性。附圖中，示出了包括銅的實(shí)例。
在連接在襯底和芯片之間的焊接球108中，由于襯底和芯片之間熱膨脹率之差而產(chǎn)生的焊接球108中出現(xiàn)殘留熱應(yīng)力。當(dāng)這種殘留熱應(yīng)力超出容限時(shí)，利用小的機(jī)械強(qiáng)度在合金層110上產(chǎn)生斷開部分，之后，以該部位為初始點(diǎn)，破裂傳播到合金層110，引起界面斷開。當(dāng)合金層110作為外表面時(shí)，很容易產(chǎn)生界面斷開。為了防止在焊接球108和UBM膜107之間發(fā)生界面斷開，需要合金層110不作為外表面。
焊接球108例如由無鉛焊料形成。焊接球108形成為覆蓋在將作為后續(xù)工藝的焊料回流工藝中產(chǎn)生于焊接球108和UBM膜107之間的合金層110。在如上所述的這種方式中，合金層110并不作為外表面，這樣在這種合金層110中，就有可能有效地抑制界面斷開的發(fā)生。需要說明的是，在附圖1中，一旦暴露金屬膜至更外側(cè)而不是暴露UBM膜107，就利用熔化的焊料弄濕金屬膜，這就有可能利用熔化的焊料可靠地弄濕直到UBM膜的側(cè)壁，具有抑制構(gòu)造(constitution)的效果，其中UBM膜107的側(cè)壁如圖24所示被暴露。
下面，將說明圖1所示隆起結(jié)構(gòu)的制作工藝的一種實(shí)施例。
最初，制作圖2所示的結(jié)構(gòu)。首先，在硅襯底(附圖中未示出)之上形成元件，之后，在采用波形花紋裝飾工藝的同時(shí)，在硅襯底之上形成多層的銅互接層。圖2示出了多層的銅互接層的最上層部分。最上層互接層101嵌入在絕緣膜100中。在絕緣膜100的上表面和最上層互接層101上形成由TiN或者SiCN組成的膜。之后，在有選擇地進(jìn)行蝕刻的同時(shí)，在最上層互接層101之上形成罩層102。需要說明的是，當(dāng)使用將成為絕緣膜的SiCN作為罩層102的材料時(shí)，把接觸孔設(shè)置到最上層互接層101。接下來，采用化學(xué)蒸汽沉積方法(CVD方法)形成膜厚度為大約0.3至1微米的無源膜103。從而，獲得圖2所示的結(jié)構(gòu)。
接下來，在有選擇地對(duì)無源膜103進(jìn)行干蝕刻的同時(shí)，在罩層102上設(shè)置開口。之后，在罩層102的整個(gè)表面和無源膜103上形成絕緣樹脂層105。對(duì)于絕緣樹脂層105的材料，可以使用將成為感光材料的聚酰亞胺、聚苯并咪唑等。絕緣樹脂層105的膜厚度例如設(shè)定為1至10微米。連續(xù)地，在利用掩模進(jìn)行暴露的同時(shí)，形成襯墊通道104，在襯墊通道104處，罩層102暴露至底部，附圖(圖3)中未示出襯墊通道104。設(shè)置開口之后，在350℃的溫度下進(jìn)行焙烤20至30分鐘。
在形成TiW膜113的同時(shí)，獲得隔離金屬膜106，并且采樣采用噴濺方法在設(shè)有圖3所示的襯墊通道104的結(jié)構(gòu)上獲得Ti膜112。進(jìn)一步地，形成將作為對(duì)焊料(圖4)具有良好可濕性物質(zhì)的Cu膜111。Cu膜111變成后面所述的電鍍方法的電極。每層膜的厚度能夠設(shè)定為例如下面的值TiW膜113100至500納米Ti膜11210至200納米Cu膜111100至500納米在本實(shí)施例中，TiW膜113設(shè)定為200納米，Ti膜112設(shè)定為30納米，而Cu膜111設(shè)定為300納米。
在此之后，在Cu膜111上形成經(jīng)歷圖案化的保護(hù)膜。之后，制成Ni膜115(膜厚度為3微米)和Cu膜114(膜厚度為400納米)，以采用電鍍方法進(jìn)行生長。接下來，一旦對(duì)保護(hù)膜形成條紋，就獲得UBM膜107(圖5)。
后續(xù)地，形成在UBM膜107上經(jīng)歷圖案化的保護(hù)層109。之后，把保護(hù)層109作為掩模，有選擇地條紋式蝕刻Cu膜111和隔離金屬膜106，以分開它們。對(duì)于蝕刻，可以采用濕蝕刻。另外，對(duì)于TiW膜113和Ti膜112，還可以采用干蝕刻。但是，對(duì)于這里的整個(gè)膜采用濕蝕刻。圖6的工藝截面圖示出了蝕刻之后的狀態(tài)。組成隔離金屬膜106的每層膜對(duì)于彼此不同的蝕刻劑都具有蝕刻速度；因此，如圖所示，在端面上形成臺(tái)階。
在此之后，在對(duì)保護(hù)層109形成條紋之后，在與UBM膜107(圖7)的上面接觸的同時(shí)，形成焊接球108。對(duì)于焊接球108可以采用各種類型的材料?，F(xiàn)在，在本實(shí)施例中，焊接球108由包含Sn、Ag和Cu的無鉛焊料組成。首先，通過包括隔離金屬膜106、Cu膜111和UBM膜107設(shè)置具有開口的掩模，開口具有暴露的襯墊部分。之后，采用絲網(wǎng)印刷方法印刷焊料材料。在對(duì)掩模形成條紋之后，在例如220℃至265℃的溫度下進(jìn)行回流時(shí)形成球形焊接球108。在此回流工藝中，以下述方式形成合金層，即在UBM膜107和焊接球108之間的界面處使包含在焊接球108中的金屬元素和包含在UBM膜107中的金屬元素相互混合。在本實(shí)施例中，形成焊接球108的包含Sn的合金層110、和UBM膜107的Cu和Ni。如圖所示，從UBM膜107的上面至其側(cè)面跨接形成這種合金層110。在如上所述的相同方式中，還以使Cu膜111與焊接球108相接觸的方式形成合金層110，從而使包含在Cu膜111和焊接球108中的金屬元素相互混合。
在上述工藝的基礎(chǔ)上，形成設(shè)有焊接球108隆起結(jié)構(gòu)。如圖7所示，焊接球108形成為覆蓋包括UBM膜107在內(nèi)的整個(gè)襯墊。見于此，隔離金屬膜106和UBM膜107的端面覆蓋有焊接球108。在上述工藝中，在把焊接印刷掩模的開口設(shè)定地比襯墊寬時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。
圖8的示意圖表示放大半導(dǎo)體器件的焊接球108端子部分的附近的焊接球108。
如圖8所示，在焊接球108的形成過程中，合金層110沿UBM膜107的端面107a形成，這樣合金層110不生長至焊接球108的端子部分。另外，此時(shí)，焊接球108的端子部分被制成在UBM膜107的端子部分的外部位置不少于10微米。
圖9的曲線圖表示形成焊接球108的焊接印刷掩模尺寸和良好成品率(％)之間的關(guān)系。要說明的是，如圖21所示，UBM膜107的尺寸設(shè)定為100微米。這樣，需要形成焊接球108的焊料印刷掩模的開口(幾乎為圓形)的直徑就為130微米至150微米。
因此，在焊接球108的形成工藝中，即便合金層110生長以被形成，這種生長也停止在沿UBM膜107的端面107a的位置。也就是說，如圖10所示，合金層110的形狀結(jié)果形成為合金層110不被暴露在焊接球108的外部。因此，有可能防止由于暴露合金層110而引起的界面斷開。
在上述實(shí)施例中，在圖5所示的步驟之后，形成保護(hù)層109，該保護(hù)層109經(jīng)歷對(duì)上述UBM膜107圖案化。之后，把保護(hù)層109作為掩模，有選擇地條紋化蝕刻Cu膜111和隔離金屬膜106。但是，也采用干蝕刻，以將Cu膜111和隔離金屬膜106形成條紋。圖11的工藝截面圖表示蝕刻之后的狀態(tài)。如圖11所示，干蝕刻之后，Cu膜111和隔離金屬膜106形成為組成Cu膜111和隔離金屬膜106形成的各個(gè)膜的端面沿保護(hù)層109的端面布置。在采用如上所述的另一種條件時(shí)，實(shí)現(xiàn)類似于圖7所示的結(jié)構(gòu)。
另外，在上述實(shí)施例中，如圖3所示，在無源膜103上形成開口。之后，形成絕緣樹脂層105。接下來，采用打開絕緣樹脂層105寬于開口的工藝，以在襯墊通道104內(nèi)部設(shè)置臺(tái)階。也可以采用另一種工藝方法形成襯墊通道104。例如，如圖12所示，形成無源膜103，之后，施加包括絕緣樹脂的涂覆液，結(jié)果，使用附圖中未示出的掩模進(jìn)行暴露，以形成具有開口的絕緣樹脂層105。接下來，在把絕緣樹脂層105作為掩模對(duì)無源膜103進(jìn)行干蝕刻的同時(shí)，形成襯墊通道104。在此之后，如圖13所示，采用濺射方法形成TiW膜113和Ti膜112，以獲取隔離金屬膜106，另外，采用濺射方法形成Cu膜111。在上面所述的方法中，有可能實(shí)現(xiàn)在襯墊通道104內(nèi)部不形成臺(tái)階的狀態(tài)。
進(jìn)一步地，如上所述，制成Ni膜105和Cu膜114，以采用電鍍方法進(jìn)行生長。之后，形成經(jīng)歷圖案化的保護(hù)層109，并在此之后把保護(hù)層109作為掩模使Cu膜111、Ti膜112和TiW膜113經(jīng)歷蝕刻。在于UBM膜107的上表面接觸的同時(shí)形成焊接球108(圖14)。對(duì)于用作焊接球108的材料，形成焊接球108的條件等上述事項(xiàng)已說明了。在此情況下，在回流工藝中、在UBM膜107與焊接球108的之間的界面和Cu膜111與焊接球108之間的界面處形成合金層110，同時(shí)包含在焊接球108中的金屬元素和包含在UBM膜107和Cu膜111中的元素相互擴(kuò)散。在本實(shí)施例中，形成包含焊接球108的Sn、UBM膜107的Cu和Ni、以及Cu膜111的Cu的合金層110。
根據(jù)上述工藝，形成設(shè)有焊接球108的隆起結(jié)構(gòu)。如圖14所述，以覆蓋包括UBM膜107在內(nèi)的整個(gè)襯墊的方式形成焊接球108。隔離金屬膜106和UBM膜107的端面覆蓋焊接球108。在上述工藝中，一旦設(shè)定了寬于襯墊焊接印刷掩模的開口，就形成了這種結(jié)構(gòu)。
(第二實(shí)施例)一旦執(zhí)行從圖2至圖4所述的工藝，就順序形成TiW膜113、Ti膜112和Cu膜111，另外采用電鍍方法(圖15)在Cu膜111之上順序形成Ni膜111和Cu膜114。例如，各個(gè)膜的厚度設(shè)定為下述結(jié)果TiW膜113100至500納米Ti膜11210至200納米Cu膜111100至500納米Ni膜1152至5微米Cu膜114200至500納米要說明的是，在本實(shí)施例中，TiW膜113的膜厚度設(shè)定為200納米，Ti膜112的膜厚度設(shè)定為30納米，Cu膜111的膜厚度設(shè)定為300納米，Ni膜115的膜厚度設(shè)定為3微米，而且Cu114的厚度設(shè)定為400納米。
順序地，采用常用工藝，形成保護(hù)層109(圖16)，該保護(hù)層109經(jīng)歷圖案化，以覆蓋變成Cu膜114之上的UBM膜107的一部分。之后，把保護(hù)層109作為掩模，有選擇地條紋化蝕刻Cu膜114、Ni膜、Cu膜111Ti膜112和TiW膜113。圖7的工藝截面圖表示進(jìn)行蝕刻之后的狀態(tài)。
進(jìn)一步地，如上所述，在對(duì)保護(hù)層109形成條紋之后，以與UBM膜107的上表面相接觸的方式形成焊接球108(圖18)。對(duì)于用作焊接球108的材料，形成焊接球108的條件等上述事項(xiàng)已說明了。在第二實(shí)施例中，以下述方式形成合金層110，即在UBM膜107與焊接球108的之間的界面處使包含在焊接球108、Cu膜114和Ni膜115中的金屬元素相互擴(kuò)散。在本實(shí)施例中，形成包含焊接球108的Sn以及UBM膜107的Cu和Ni的合金層110。如圖所示，從UBM膜107的上面跨至其側(cè)面形成這種合金層110。
采用上述工藝，形成設(shè)有焊接球108的隆起結(jié)構(gòu)。如圖18所述，焊接球108形成為覆蓋包括UBM膜107在內(nèi)的整個(gè)襯墊。隔離金屬膜106、UBM膜107和Cu膜的端面覆蓋焊接球108。在上述工藝中，一旦設(shè)定了寬于襯墊焊接印刷掩模的開口，就形成了這種結(jié)構(gòu)。
圖19的示意圖表示對(duì)焊接球108的端子附近部分進(jìn)行放大時(shí)的焊接球108。
如圖19所述，在焊接球108的形成工藝中，沿UBM膜107的端面107a形成合金層110，從而使合金層110不生長到焊接球108的端子部分。另外，此時(shí)，焊接球108的端子部分可被設(shè)置在UBM膜107的端子部分外部部少于10微米。這樣，在焊接球108的形成工藝中，即便合金層110生長以被形成，這種生長也停止在沿UBM膜107的端面107a的位置。也就是說，如圖20所示，合金層110的形狀結(jié)果形成為合金層110不被暴露在焊接球108的外部。因此，有可能防止由于暴露合金層110而引起的界面斷開。
要說明的是，采用濺射方法形成與用于形成UBM膜107的Ni膜115相對(duì)應(yīng)的膜，同時(shí)使用鎳礬合金(Ni-V)代替鎳作為材料。之后，一旦執(zhí)行濺射Cu，就形成Cu膜114。這種鎳礬合金(Ni-V)膜能夠在3000至4000埃(300至400納米)程度下通過濺射而形成。
如上所述，描述了本發(fā)明的實(shí)施例。不用說也可理解，在本發(fā)明的目的范圍內(nèi)，這些實(shí)施例可以改變。例如，采用無鉛焊料作為焊料來形成焊接球；安全地使用帶有鉛的焊料。
另外，在本實(shí)施例中，也說明了焊接球密封隔離金屬膜106的方式。但是，當(dāng)采用隔離金屬膜106的材料形成并不由其形成焊料和合金層的隔離金屬膜時(shí)，就象本實(shí)施例所使用的，只要焊接球的端子部分設(shè)置在金屬膜外部，焊接球的端子部分就可設(shè)置在隔離金屬膜的端子內(nèi)部。也就是說，隔離金屬膜的端子部分也可設(shè)置在焊接球的端子部分外部。
(實(shí)施例的實(shí)例1)
下面將說明采用一種實(shí)施例的實(shí)例的本發(fā)明。不用說也可理解，本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例的實(shí)例。
在本實(shí)施例的實(shí)例中，已基于第一實(shí)施例所述的工藝形成了半導(dǎo)體器件。這里，在參照?qǐng)D7所述的焊接球的形成工藝中，采用圖21所示的掩模。圖21示意圖是從上面觀到看的UBM膜107和焊接印刷掩模的開口。如圖所示，從上面觀看UBM膜107呈八角形。相對(duì)的面之間的距離為100微米。幾乎為圓形的焊接印刷掩模的開口116的直徑設(shè)定為150微米。
根據(jù)采用這種掩模的絲網(wǎng)印刷方法，一旦印刷焊接材料，就通過回流工藝形成焊接球108。焊接球108的形成條件正如下面一種。
焊接材料包含Sn、Ag、和Cu的無鉛焊料；回流條件220至260℃；峰值溫度持續(xù)時(shí)間1至2分鐘。
這里，通過采用比-45℃至+125℃的條件更加嚴(yán)格的-55℃至+125℃的條件執(zhí)行加熱循環(huán)測(cè)試，可獲得良好成品率，其表示通常的可靠性。另外，相反，作為比較，在制作其內(nèi)暴露合金層(金屬間的化合物)的半導(dǎo)體器件的同時(shí)執(zhí)行加熱循環(huán)時(shí)，獲得良好成品率。要說明的是，為了執(zhí)行評(píng)估，各次使用50個(gè)樣本。
這兩種情況的結(jié)果示出在圖22中。
根據(jù)圖22，在合金層被暴露的半導(dǎo)體器件中，當(dāng)超過1000次循環(huán)時(shí)，良好成品率幾乎為零。相反，在不暴露合金層的半導(dǎo)體器件中，即便達(dá)到2500次循環(huán)，也可實(shí)現(xiàn)良好成品率不低于100％的狀態(tài)。
另外，圖23的曲線圖表示形成在本實(shí)施例的實(shí)例中制作的半導(dǎo)體器件中的合金層的確認(rèn)情況。已利用SEM(掃描電子顯微鏡)確認(rèn)合金層的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)圖23，在安裝焊料之前不檢測(cè)合金層。相反，安裝焊料之后，觀察大約為2.3微米(micro meter)的合金層，進(jìn)一步地，在考慮到與根據(jù)倒裝晶片形式的安裝工藝之后的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的加熱滯后的觀察中，確定5微米(micro meter)的合金層。
很顯然，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，不超出本發(fā)明的保護(hù)范圍和精神實(shí)質(zhì)可以改進(jìn)和改變這些實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，在該半導(dǎo)體器件中，焊接球通過導(dǎo)電膜設(shè)置在電極之上，其中包括包含在所述焊接球中的金屬元素和包含在所述導(dǎo)電膜中的金屬元素的合金層形成在所述導(dǎo)電膜和所述焊接球之間；而且所述焊接球形成為覆蓋所述合金層。
2.一種半導(dǎo)體器件，包括互接層；絕緣膜，所述絕緣膜設(shè)置在所述互接層之上，而且設(shè)有到達(dá)所述互接層的孔；導(dǎo)電膜，所述導(dǎo)電膜在所述孔的底部連接至所述互接層、并且從所述孔的底部到所述孔的外部跨接形成；以及焊接球，所述焊接球以與所述導(dǎo)電膜和所述絕緣膜相接觸的方式設(shè)置，其中包括包含在所述焊接球中的金屬元素和包含在所述導(dǎo)電膜中的金屬元素的合金層形成在所述導(dǎo)電膜和所述焊接球之間；而且所述焊接球形成為覆蓋所述合金層。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中通過將設(shè)置在所述互接層上的保護(hù)層和設(shè)置在所述保護(hù)層之上的絕緣樹脂層依次形成為層狀結(jié)構(gòu)、而組成所述絕緣膜。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電膜至少包括銅和鎳，包括球底層金屬膜，所述球底層金屬膜至少包括對(duì)焊料顯示出可濕性的材料，所述材料被回流到與焊接球相接觸的面。
5.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電膜至少包括銅和鎳，包括球底層金屬膜，所述球底層金屬膜至少包括對(duì)焊料顯示出可濕性的材料，所述材料被回流到與焊接球相接觸的面。
6.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中在球底層金屬膜與焊接球相接觸的面中包含金屬銅、金和鉻中的至少一種。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中在球底層金屬膜與焊接球相接觸的面中包含金屬銅、金和鉻中的至少一種。
8.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電膜包括所述球底層金屬膜、金屬膜和隔離金屬膜，其中所述金屬膜中的焊料被回流到與所述球底層金屬膜接觸的面并至少包含顯示可濕性的材料。
9.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中所述導(dǎo)電膜包括所述球底層金屬膜，金屬膜和隔離金屬膜，其中所述金屬膜中的焊料被回流到與所述球底層金屬膜接觸的面并至少包含顯示可濕性的材料。
10.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬膜形成在所述球底層金屬膜和所述隔離金屬膜之間；而且所述隔離金屬膜在其與所述金屬膜相接觸的面上至少具有鈦層。
11.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬膜形成在所述球底層金屬膜和所述隔離金屬膜之間；而且所述隔離金屬膜在其與所述金屬膜相接觸的面上至少具有鈦層。
12.如權(quán)利要求8所述半導(dǎo)體器件，其中所述隔離金屬膜自與所述金屬膜接觸的面依序至少包括鈦層和鈦—鎢層。
13.如權(quán)利要求9所述半導(dǎo)體器件，其中所述隔離金屬膜自與所述金屬膜接觸的面依序至少包括鈦層和鈦—鎢層。
14.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其中所述隔離金屬膜和所述金屬膜形成為被暴露至端子側(cè)的外部而不是所述球底層金屬膜；而且所述焊接球至少形成為密封所述金屬膜和所述球底層金屬膜。
15.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體器件，其中所述隔離金屬膜和所述金屬膜形成為被暴露至端子側(cè)的外部而不是所述球底層金屬膜；而且所述焊接球至少形成為密封所述金屬膜和所述球底層金屬膜。
16.如權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體器件，其中所述焊接球的端子部分設(shè)置在所述球底層金屬膜的端子部分外部，具有不少于10微米的隔離。
17.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件，其中所述焊接球的端子部分設(shè)置在所述球底層金屬膜的端子部分外部，具有不少于10微米的隔離。
18.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中所述焊接球由包含錫的無鉛焊料組成。
19.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述焊接球由包含錫的無鉛焊料組成。
全文摘要
提供一種半導(dǎo)體器件，有可能保持高可靠性，在焊接球和導(dǎo)電膜之間不發(fā)生界面斷開。根據(jù)本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件，包括最上層互接層(101)；絕緣膜，該絕緣膜設(shè)置在互接層(101)之上，而且設(shè)有到達(dá)最上層互接層的襯墊通道(104)；導(dǎo)電膜，該導(dǎo)電膜在襯墊通道(104)的底部連接至最上層互接層、并且從襯墊通道(104)的底部到襯墊通道(104)的外部跨接形成；焊接球，焊接球以與導(dǎo)電膜和所述絕緣膜相接觸的方式設(shè)置；其中包括包含在焊接球(108)中的金屬元素和包含在所述導(dǎo)電膜中的金屬元素的合金層(110)形成在所述導(dǎo)電膜和所述焊接球之間；而且所述焊接球形成為覆蓋所述合金層。
文檔編號(hào)H01L23/48GK1700435SQ20051007287
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者民田浩靖 申請(qǐng)人:恩益禧電子股份有限公司