專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種將半導(dǎo)體芯片安裝在封裝襯底上的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
在稱為高頻模塊(設(shè)計(jì)用于高頻應(yīng)用)的半導(dǎo)體器件中，通過(guò)倒裝芯片法將化合物半導(dǎo)體芯片如GaAs芯片安裝在安裝襯底如模塊襯底上，而形成MMIC(monolithic microwave integrated circuit，單片微波集成電路)。對(duì)于這種高頻應(yīng)用的半導(dǎo)體器件，在半導(dǎo)體芯片上形成低電阻的金凸塊(stud bump)，在進(jìn)行倒裝時(shí)，該凸塊與安裝襯底上的相應(yīng)金電極焊盤相接合。
金凸塊與金電極焊盤的這種接合可通過(guò)熱壓焊、使用粘合劑的壓焊、超聲波接合等實(shí)現(xiàn)，其中在熱壓焊的情況下所需的溫度為300℃-400℃。
在這種高頻應(yīng)用的半導(dǎo)體器件中，通常使用陶瓷襯底作為安裝襯底，然而，最近需要在這種高頻應(yīng)用的半導(dǎo)體器件中也使用成本低的樹脂襯底作為安裝襯底。但是，當(dāng)使用樹脂襯底時(shí)，就不能使用熱焊接工藝，因?yàn)槿缜懊嫠岬降?，熱焊接所需要的溫度?00℃-400℃。
另一方面，在通過(guò)粘合劑實(shí)現(xiàn)接合的情況下，不需要進(jìn)行熱處理，并且不會(huì)引起有關(guān)安裝襯底的熱阻的問(wèn)題。然而，在通過(guò)粘合劑接合金凸塊與金電極焊盤的情況下，這些部件僅僅相互接觸，從而在進(jìn)行振動(dòng)或熱循環(huán)時(shí)可能引起例如電阻增大或斷線的問(wèn)題。
在這些情況下，超聲波接合技術(shù)的重要性日益提高，該技術(shù)能夠在低溫下實(shí)現(xiàn)金凸塊與金電極焊盤之間的熔接。
為了使用這種超聲波接合技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠且牢固的接合，將要接合的金屬的表面態(tài)是不常重要的。
參考文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1日本特開(kāi)專利申請(qǐng)2002-76832；專利文獻(xiàn)2日本特開(kāi)專利申請(qǐng)2001-127102發(fā)明內(nèi)容圖1示出根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)技術(shù)通過(guò)倒裝芯片法進(jìn)行的MMIC的制造方法。
參照?qǐng)D1，在如GaAs的化合物半導(dǎo)體芯片11的前側(cè)形成包括互連圖案12a的樹脂密封層12，并且在樹脂密封層12中形成塊(bump)電極12A和12B。另外，通過(guò)電解鍍工藝在塊電極12A和12B上分別形成金凸塊13A和13B。
通過(guò)倒裝芯片法將半導(dǎo)體芯片11安裝在模塊襯底14上，因此，相應(yīng)于金凸塊13A和13B，在模塊襯底14上分別形成電極焊盤15A和15B。在圖中所示的實(shí)例中，電極焊盤15A由形成在模塊襯底14上的銅電極圖案15a和通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成在銅電極圖案15a上的鎳膜15b形成。另外，通過(guò)化學(xué)鍍工藝在鎳膜15b上形成金膜15c。類似地，電極焊盤15B由形成在模塊襯底14上的銅電極圖案15d和通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成在銅電極圖案15d上的鎳膜15e形成。另外，通過(guò)化學(xué)鍍工藝在鎳膜15e上形成金膜15f。
目前，在使用超聲波接合工藝進(jìn)行倒裝的情況下，眾所周知，當(dāng)使用較軟的金屬部件和不太硬的金屬部件進(jìn)行接合時(shí)會(huì)獲得更牢固的接合。對(duì)于金部件而言，用作導(dǎo)線的塊狀金材料是最軟的(維氏硬度為20-60)，并且按照通過(guò)電解鍍工藝形成的金材料(維氏硬度為50或更高)和通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成的金材料(維氏硬度為100或更高)的順序硬度增加。
對(duì)于圖1所示的半導(dǎo)體器件，金凸塊13A和13B是通過(guò)電解鍍工藝形成的，因此超聲波接合工藝提供的接合強(qiáng)度大約為50Mpa。值得注意的是，該接合強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到公認(rèn)為可獲得可靠接合的標(biāo)準(zhǔn)值75Mpa或更高。
通過(guò)將塊狀金材料用于金凸塊13A和13B，預(yù)期可獲得更高的接合強(qiáng)度。
另一方面，在將塊狀金材料用于金凸塊13A和13B時(shí)，會(huì)引起如下問(wèn)題由于通過(guò)倒裝芯片法將半導(dǎo)體芯片安裝在模塊襯底上，因此在進(jìn)行超聲波接合工藝時(shí)，軟凸塊引起大范圍的變形(extensive deformation)，這種變形會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的高頻特性如反射特性或損耗退化。應(yīng)注意，金凸塊13A和13B在平面圖中通常是正方形的，例如每條邊長(zhǎng)的尺寸是40μm，并且凸塊以預(yù)定的間隔如200μm設(shè)置。
這樣，在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件中，尤其是在高頻半導(dǎo)體器件中，增加凸塊的接合強(qiáng)度和提高電特性尤其是高頻特性一直是相矛盾的關(guān)系，目前還沒(méi)有能夠同時(shí)滿足這些需要的解決方案。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括安裝襯底；以及半導(dǎo)體芯片，經(jīng)由金屬塊安裝在所述安裝襯底上，所述金屬塊包括與所述半導(dǎo)體芯片接合的內(nèi)部部件和覆蓋所述內(nèi)部部件的外部部件，所述外部部件具有比所述內(nèi)部部件高的硬度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括通過(guò)倒裝芯片法將半導(dǎo)體芯片安裝在安裝襯底上的步驟，該方法包括如下步驟在所述安裝襯底上形成金屬塊；以及在所述金屬塊上形成鍍膜，所述倒裝步驟包括如下子步驟使所述半導(dǎo)體芯片頂壓所述金屬塊，以使所述電極焊盤頂壓所述金屬塊；以及通過(guò)向所述半導(dǎo)體芯片施加超聲波，將所述金屬塊超聲波接合到所述電極焊盤。
根據(jù)本發(fā)明的又一方案，提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括將半導(dǎo)體芯片倒裝在安裝襯底上的步驟，該方法包括如下步驟由帶有金屬鍍膜的金屬線，在所述安裝襯底上形成金屬塊；使所述半導(dǎo)體芯片頂壓所述安裝襯底上的所述金屬塊，以使所述半導(dǎo)體芯片上的電極焊盤頂壓所述金屬塊；以及通過(guò)向所述半導(dǎo)體芯片施加超聲波，將所述金屬塊超聲波接合到所述電極焊盤。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樵诮饘賶K的軟內(nèi)部部件與半導(dǎo)體芯片的電極焊盤之間實(shí)現(xiàn)了超聲波接合，從而獲得金屬塊的牢固接合。同時(shí)，通過(guò)硬度增加的外部部件強(qiáng)化軟內(nèi)部部件，從而可有效地防止在進(jìn)行超聲波接合工藝時(shí)金屬塊的過(guò)度變形。因此，有效地防止了高頻特性偏離預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。
應(yīng)注意，通過(guò)形成晶粒直徑小且硬度高的鍍層作為外部部件，可容易地實(shí)現(xiàn)金屬塊的強(qiáng)化。因此，在已通過(guò)金屬線焊接形成的金屬塊的表面上形成鍍層或者焊接帶有鍍層的金屬塊，可以形成帶有鍍層的金屬塊。
從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它目的和特征將變得更明顯。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件的制造方法；圖2-7示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法；圖8示出本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中凸塊的變形；以及圖9和圖10示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法。
具體實(shí)施例方式圖2-7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法。
參照?qǐng)D2，在例如由環(huán)氧玻璃形成的樹脂安裝襯底41上形成銅互連圖案41A和41B，并且通過(guò)化學(xué)鍍?cè)阢~互連圖案41A和41B的表面上分別形成例如3μm厚的鎳層41a和41b。在鎳層41a和41b上形成例如0.5μm厚的金膜41c和41d。
另外，如圖3所示，通過(guò)焊接直徑為30μm的金線42A，例如使用引線接合器，在覆蓋銅互連圖案41A的金膜41c上形成直徑約為40μm的凸塊43A，其中在金線42A上帶有厚度為1-5μm(例如2μm)的金涂覆膜(coating film)42a，該金涂覆膜42a通過(guò)化學(xué)鍍工藝或電解鍍工藝形成。類似地，如圖3所示，通過(guò)焊接直徑為30μm的金線42B，例如使用引線接合器，在覆蓋銅互連圖案41B的金膜41d上形成直徑約為40μm的凸塊43B，其中在金線42B上帶有厚度為1-5μm(例如2μm)的金涂覆膜42b，該金涂覆膜42b通過(guò)化學(xué)鍍工藝或電解鍍工藝形成。金線42A和42B由塊狀金線材料形成，該塊狀金線材料的特征是典型的晶粒尺寸為0.1-0.5μm，維氏硬度為20-60，典型為50或更低。
另一方面，在通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成金涂覆膜42a和42b的情況下，金涂覆膜42a和42b具有典型晶粒直徑0.01-0.05μm，維氏硬度為100或更高。在通過(guò)電解鍍工藝形成金涂覆膜42a和42b的情況下，金涂覆膜42a和42b具有中等晶粒直徑0.05-0.1μm，維氏硬度為50或更高。
在下文中，將對(duì)通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成金涂覆膜42a和42b的情況作說(shuō)明。
在圖4所示的步驟中，使用切割機(jī)(cutter)或通過(guò)碾壓(crushing)將凸塊43A和43B的尖端部整平，以在尖端部暴露金線42A或金線42B。應(yīng)注意，圖4所示的整平處理可通過(guò)使整平部件頂壓圖3所示的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行，或者如同將參照?qǐng)D6說(shuō)明的，可通過(guò)使待安裝的半導(dǎo)體芯片頂壓圖3所示的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行。
下一步，在圖5所示的步驟中，以反轉(zhuǎn)狀態(tài)或倒裝狀態(tài)將半導(dǎo)體芯片51設(shè)置在安裝襯底41上。
應(yīng)注意，半導(dǎo)體芯片51是如GaAs或InGaAs的化合物半導(dǎo)體的MMIC，并且在位于半導(dǎo)體芯片51前側(cè)的樹脂密封層52中形成金互連圖案52A?；ミB圖案52A與在覆蓋樹脂密封層52表面的保護(hù)膜53中形成的電極焊盤53A和53B相連接。
在圖5所示的步驟中，通過(guò)接合工具(圖中未示出)固定半導(dǎo)體芯片51，并且在圖6所示的步驟中，如箭頭所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)接合工具，以50MPa的載荷使半導(dǎo)體芯片51頂壓安裝襯底41。應(yīng)注意，上述50MPa的載荷是在金超聲波接合中提供最大接合強(qiáng)度的載荷。
由此，半導(dǎo)體芯片51的塊電極53A和53B分別與凸塊43A和43B的尖端部接合，并且在尖端部暴露的塊狀金材料42A和42B分別頂壓塊電極53A和53B。從而，如上所述，在該步驟中也能在凸塊43A和43B的尖端部進(jìn)行整平。
在圖6所示的步驟中，以這種狀態(tài)進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)接合工具并且向芯片51施加超聲波。由此，將凸塊43A超聲波接合到對(duì)應(yīng)的電極焊盤53A，并將凸塊43B超聲波接合到對(duì)應(yīng)的電極焊盤53B。
圖7示出在進(jìn)行超聲波接合工藝后包括襯底41、凸塊43A和43B以及半導(dǎo)體芯片51的半導(dǎo)體器件40的狀態(tài)。應(yīng)注意，在圖7所示的狀態(tài)中，設(shè)置了樹脂密封層52來(lái)填充半導(dǎo)體芯片51和襯底41之間的間隙。例如，在150℃溫度下固化該密封樹脂，進(jìn)一步強(qiáng)化凸塊43A和43B。
對(duì)于圖7所示的半導(dǎo)體器件40，已確定關(guān)于對(duì)應(yīng)的電極53A和53B，塊狀金材料的凸塊43A和43B的內(nèi)部部件42A和42B可獲得大約80Mpa的接合強(qiáng)度，其中應(yīng)注意該接合強(qiáng)度超過(guò)所需的接合強(qiáng)度75Mpa。另外，應(yīng)注意，與圖1所示的相關(guān)技術(shù)所提供的、通過(guò)電解鍍工藝形成凸塊的情況相比，由此獲得的接合強(qiáng)度高出60％或更多。
圖8對(duì)接合前圖5所示的凸塊43A的形狀與接合后圖7所示的凸塊43A的形狀進(jìn)行比較。
參照?qǐng)D8，在進(jìn)行接合步驟前，凸塊43A在平面圖中是正方形的，每條邊的尺寸為40μm，然而可以看出在圖7所示的接合步驟后，在與邊平行的方向上產(chǎn)生了寬度的增加。
因此，對(duì)于圖7所示的半導(dǎo)體器件40，其中凸塊43A和43B分別被作為外部部件的化學(xué)鍍層42a和42b強(qiáng)化，化學(xué)鍍層42a和42b具有高硬度和2μm的厚度，從而占整個(gè)寬度的5％，在與圖7所示的、已進(jìn)行接合的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的圖8的狀態(tài)下，凸塊43A和43B的橫向擴(kuò)展和由此導(dǎo)致的寬度增加得到有效地抑制，并且在圖7所示的狀態(tài)下，凸塊43A和43B的寬度保持在從相應(yīng)于初始寬度的45μm到大約50μm的范圍內(nèi)。在圖8所示的情況下，凸塊寬度的增加率為25％。
因此，通過(guò)抑制凸塊的變形以使寬度最大部分的第一寬度保持在寬度最小部分的第二寬度的1.3倍之內(nèi)，能夠?qū)⒎瓷涮匦缘耐嘶种圃?10dB或以下，將損耗抑制在5dB或以下。由此，確保半導(dǎo)體器件40具有預(yù)定的性能。
另外，在溫度為-55℃和150℃之間對(duì)由此形成的半導(dǎo)體器件40進(jìn)行熱循環(huán)測(cè)試，已確定即使在熱循環(huán)次數(shù)超過(guò)3000次的情況下，凸塊與導(dǎo)電圖案之間接觸電阻的增加仍可抑制在10％的范圍內(nèi)。因此，可確定通過(guò)本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)能夠獲得令人滿意的接觸可靠性。
另外，對(duì)于形成厚度為5μm的化學(xué)鍍層42a和42b的情況也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，化學(xué)鍍層42a和42b占凸塊總寬度的14％。在此情況下，同樣已確定獲得的接合強(qiáng)度為80MPa，也確定凸塊寬度的增加率為17.5％。在這種情況下，進(jìn)一步抑制了凸塊的變形，并且進(jìn)一步抑制了半導(dǎo)體器件40的高頻特性的退化。
雖然圖2-7所示的實(shí)施例在將半導(dǎo)體芯片51安裝在安裝襯底41上之后在半導(dǎo)體芯片51和安裝襯底41之間形成樹脂密封層52，然而也可以在安裝襯底41的表面上形成不導(dǎo)電膠(NCP，non-conductive paste)層，并且通過(guò)使半導(dǎo)體芯片頂壓不導(dǎo)電膠層進(jìn)行超聲波接合。
在這種情況下，也已確定即使在上述熱循環(huán)處理重復(fù)進(jìn)行1000次時(shí)，仍沒(méi)有連接可靠性的問(wèn)題發(fā)生。
在不設(shè)置化學(xué)鍍層42a和42b的情況下形成相同的器件結(jié)構(gòu)時(shí)，獲得了大約85MPa的接合強(qiáng)度，而且該接合強(qiáng)度超過(guò)了所需的接合強(qiáng)度。然而，觀察到凸塊寬度的增長(zhǎng)率高達(dá)32.5％，因此在半導(dǎo)體器件中引起高頻性能特性的嚴(yán)重退化。
另外，在通過(guò)電解鍍工藝形成凸塊43A和43B的情況下，觀察到凸塊寬度的增長(zhǎng)率是12.5％，因此半導(dǎo)體器件就高頻特性而言獲得了預(yù)期的性能。另一方面，觀察到接合強(qiáng)度為50-70MPa，因此不能提供滿意的連接可靠性。
圖9和圖10示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的部分制造方法，其中與上述部件相對(duì)應(yīng)的哪些部件用相同的標(biāo)號(hào)標(biāo)記，并且將省略其描述。
參照?qǐng)D9，通過(guò)金線的引線接合，相應(yīng)于銅互連圖案41A和41B，在安裝襯底41上形成塊狀金材料的凸點(diǎn)(stud)42A和42B，其中銅互連圖案41A和41B分別被金膜41c和41d覆蓋。
下一步，根據(jù)本實(shí)施例，用抗蝕劑膜(圖中未示出)覆蓋襯底41的表面，使其達(dá)到與金膜41c和41d的高度相應(yīng)的水平，并且通過(guò)化學(xué)鍍工藝或電解鍍工藝在凸點(diǎn)42A和42B上分別形成厚度為2-5μm的金涂覆膜42a和42b。由此形成的金涂覆膜42a和42b用作凸塊43A和43B的加強(qiáng)層。
在圖10所示的步驟之后，進(jìn)行圖4-7所示的工藝，并且獲得與上述實(shí)施例相似的半導(dǎo)體器件40，在上述實(shí)施例中將MMIC芯片51倒裝在安裝芯片41上。
雖然上文以通過(guò)超聲波接合工藝接合金凸塊的半導(dǎo)體器件為例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于這種使用純金凸塊的半導(dǎo)體器件。因此，根據(jù)本發(fā)明通過(guò)凸塊上的加強(qiáng)膜來(lái)抑制半導(dǎo)體器件特性退化，在通過(guò)含有金、銀、錫和鉛中的至少一種的塊材料形成凸點(diǎn)的情況下也是有效的。
因此，強(qiáng)化凸塊的材料不限于通過(guò)化學(xué)鍍工藝形成的材料，任何材料都可用于這一目的，只要硬度高于凸塊的硬度，并且在進(jìn)行接合工藝后的狀態(tài)下能夠抑制凸塊的寬度最大部分的寬度是寬度最小部分的寬度的1.3倍或以下。例如，可以使用金、銀、鈀、銅、錫和鉛中的至少一種。
雖然上文針對(duì)優(yōu)選實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施例，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括安裝襯底；以及半導(dǎo)體芯片，經(jīng)由金屬塊安裝在所述安裝襯底上，其中，所述金屬塊包括與所述半導(dǎo)體芯片接合的內(nèi)部部件和覆蓋所述內(nèi)部部件的外部部件，所述外部部件具有比所述內(nèi)部部件高的硬度。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述金屬塊的寬度最大部分的寬度是寬度最小部分的寬度的1.3倍或以下。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述外部部件的厚度為1-5μm。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述內(nèi)部部件具有第一平均晶粒尺寸，而所述外部部件具有比所述第一平均晶粒尺寸小的第二平均晶粒尺寸。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述外部部件是通過(guò)在所述內(nèi)部部件上進(jìn)行化學(xué)鍍工藝而形成的。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述外部部件是通過(guò)在所述內(nèi)部部件上進(jìn)行電解鍍工藝而形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述內(nèi)部部件是由金、銀、錫和鉛中的至少一種形成的。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述外部部件是由金、銀、錫、鈀、銅、錫和鉛中的至少一種形成的。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體芯片包括高頻、微波或毫米波應(yīng)用的任一種半導(dǎo)體器件。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述安裝襯底是由樹脂襯底形成的。
11.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括通過(guò)倒裝芯片法將半導(dǎo)體芯片安裝在安裝襯底上的步驟，該方法包括如下步驟在所述安裝襯底上形成金屬塊；以及在所述金屬塊上形成鍍膜，所述倒裝步驟包括如下子步驟使所述半導(dǎo)體芯片頂壓所述金屬塊，以使所述電極焊盤頂壓所述金屬塊；以及通過(guò)向所述半導(dǎo)體芯片施加超聲波，將所述金屬塊超聲波接合到所述電極焊盤。
12.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其中包括將半導(dǎo)體芯片倒裝在安裝襯底上的步驟，該方法包括如下步驟由帶有金屬鍍膜的金屬線，在所述安裝襯底上形成金屬塊；使所述半導(dǎo)體芯片頂壓所述安裝襯底上的所述金屬塊，以使所述半導(dǎo)體芯片上的電極焊盤頂壓所述金屬塊；以及通過(guò)向所述半導(dǎo)體芯片施加超聲波，將所述金屬塊超聲波接合到所述電極焊盤。
13.如權(quán)利要求11所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，在進(jìn)行所述頂壓步驟之前，還包括如下步驟處理所述金屬塊的尖端部，以在所述尖端部暴露由所述金屬線形成的部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，該半導(dǎo)體器件包括安裝襯底；以及半導(dǎo)體芯片，經(jīng)由金屬塊安裝在該安裝襯底上，其中該金屬塊包括與該半導(dǎo)體芯片接合的內(nèi)部部件和覆蓋該內(nèi)部部件的外部部件，該外部部件具有比該內(nèi)部部件高的硬度。
文檔編號(hào)H01L21/607GK101047158SQ20061010750
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者阿部知行, 飯島真也 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社