專利名稱：互連結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子集成電路(IC)器件到封裝的互連，具體地 涉及常稱為C4 (控制塌陷芯片連接(controlled collapse chip connection))的區(qū)域陣列倒裝芯片互連技術(shù)。由于使用無鉛的焊料 合金和環(huán)保的制造工序，本發(fā)明還涉及環(huán)保的互連方案。此外，本發(fā) 明涉及這樣的互連方案，該互連方案通過除去與微電子電路接觸的焊 料中的a粒子源來消除芯片上電路中的軟錯(cuò)誤源。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體芯片的封裝中，多層次的互連是必要的。在芯片和襯底 (或者芯片載體)之間的互連級別上，廣泛地使用三種不同的互連技 術(shù)栽帶自動(dòng)鍵合(TAB)、引線鍵合和區(qū)域陣列倒裝芯片互連。凸焊點(diǎn)(solder bump)區(qū)域陣列互連方案常常稱為倒裝芯片焊 料連接或C4，集成電路器件(IC)到芯片栽體的朝下焊接。與引線 鍵合不同，為了最高可能的輸入/輸出(1/0)計(jì)數(shù)，區(qū)域陣列凸焊點(diǎn) 結(jié)構(gòu)允許芯片的整個(gè)表面被C4凸點(diǎn)覆蓋，從而滿足對IC技術(shù)的電功 能性和可靠性的日益增加的需求，這是引線鍵合或TAB不能實(shí)現(xiàn)的， 引線鍵合或TAB將互連限制到芯片外圍。更具體地說，C4技術(shù)使用 沉積在稱為焊球受限冶金(BLM)(也稱為凸點(diǎn)下冶金(UBM)) 的圖形化的焊料可濕性層狀結(jié)構(gòu)上的凸焊點(diǎn)。焊球受限冶金(下文稱 為"BLM)限定端子金屬墊在制程前端(front-end-of-line )和制程后 端(back-end-of-line) ( FEOL和BEOL )引線層的頂面上，該引線 層制造在這樣的芯片上，該芯片是可以被焊料弄濕的，并且還限制遠(yuǎn) 離端子墊區(qū)域的熔融焊料的橫向流動(dòng)。在芯片上的圖形化的UBM墊 上制造凸焊點(diǎn)以形成焊球之后，將芯片連接到芯片載體上的焊料可濕
性墊的匹配覆蓋區(qū)。芯片在載體上的朝下放置導(dǎo)致C4技術(shù)稱為倒裝 芯片連接。與其它互連方法相比較，C4技術(shù)提供明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括 下述優(yōu)點(diǎn)l)較短的互連距離，從而允許更快的信號響應(yīng)并減少感 應(yīng)耦合和串?dāng)_；2)更均勻的功率和熱分布；3)降低的同步開關(guān)噪聲； 以及4)在最高可能的總輸入/輸出計(jì)數(shù)的同時(shí)具有更大的設(shè)計(jì)靈活 性。自從二十世紀(jì)六十年代以來，IBM開發(fā)并完成了通過金屬掩模 蒸發(fā)來制造Pb-Sn C4互連。通過圖形化的金屬掩模來蒸發(fā)C4凸點(diǎn)和 BLM墊，以形成高度可靠的、高密度的互連結(jié)構(gòu)，這證明由最早的 低密度的、低輸入/輸出計(jì)數(shù)較小IC器件可以擴(kuò)展成二十一世紀(jì)的高 密度的、高輸入/輸出計(jì)數(shù)IC產(chǎn)品。然而，普遍認(rèn)為，對擴(kuò)展到較大 的晶片尺寸、更密的陣列和無鉛應(yīng)用的限制幾乎通過蒸發(fā)方法來實(shí) 現(xiàn)。可替代蒸發(fā)的其它方法是電鍍、焊骨絲網(wǎng)印刷、焊料噴射以及更 近來的C4NP，該C4NP代表C4"新工序"，這里僅舉幾個(gè)例子。C4 的電化學(xué)鍍敷制造是選擇性的有效的工序，這在(例如)Yung的美 國專利No. 5,162,257文獻(xiàn)中有所凈艮道，該專利以引用方式并入本文 中。Datta等人在J. Electrochem. Soc" 142, 3779 (1995)中描述了電化 學(xué)制造的C4的制造性和其它集成問題，該文獻(xiàn)以引用的方式并入文 本中。使用電鍍和蝕刻工序，通過開發(fā)精細(xì)的工具，有可能得到成分 和體積高度均勻的電鍍焊料、均勻尺寸的焊球受限冶金(BLM)以及 受控的BLM邊緣分布。電化學(xué)工序比蒸發(fā)的C4技術(shù)更加容易擴(kuò)展到較大的晶片和更精 細(xì)的C4尺寸。通過光致蝕刻劑掩模的電沉積僅僅在掩模開口處以及 在UBM的頂面上產(chǎn)生焊料。與蒸發(fā)不同的是，電沉積可以擴(kuò)展到高 錫含量的無鉛合金和300 mm的大晶片。C4NP制造的C4凸焊點(diǎn)在Gruber等人的美國專利No. 6,231,333 文獻(xiàn)中有所描述，該專利以引用方式并入本文中。在Gruber等人的 IBM J. RES & DEV. 49， 4/5 (2005)中也描述了 C4NP制造的C4的制
造和其它集成問題，該文獻(xiàn)以引用的方式并入本文中。該技術(shù)有效地 使用體型焊料，該體型焊料容易結(jié)合三元和四元多組分含鉛和不含鉛的焊料合金，該焊料合金具有被精確地控制的焊料組合物和低a粒子 控制以進(jìn)行環(huán)保的晶片凸起，從而實(shí)現(xiàn)既高密度又低成本的應(yīng)用。這 樣可以得到高度的尺寸和體積均勻性，并且可以擴(kuò)展到300 mm的大 晶片。一般的C4結(jié)構(gòu)由以焊球受限冶金(下文稱為"BLM")開始的所 有元件構(gòu)成。多層BLM結(jié)構(gòu)通常包括粘合層、反應(yīng)阻擋層和可潤濕 層，以促進(jìn)形成連接在IC器件和互連結(jié)構(gòu)、芯片栽體之間的凸焊點(diǎn)。 選擇BLM結(jié)構(gòu)中的不同金屬層，以使它們相互可以相容并且可以與 焊料合金相容，從而不僅滿足C4連接中的嚴(yán)格的電性、機(jī)械和可靠 性要求，而且也可以容易地制造。下面總結(jié)對包括三層BLM結(jié)構(gòu)和C4凸點(diǎn)的元件的詳細(xì)描述。1) 要沉積在晶片的頂面上的第一層是BLM的粘合層，該粘合 層提供與下面的襯底的粘附。該層也可以充當(dāng)擴(kuò)散/反應(yīng)阻擋層，以防止制程后端(BEOL)引線層與焊料之間的任何相互作用。這是通常 通過濺射、蒸發(fā)或感應(yīng)加熱而沉積在晶片鈍化層表面的薄層，該薄層 通常由聚合物、氧化物或氮化物材料或其組合制成。用于粘合層的候 選材料是Cr、 Ti、 W、 TiW、 Ta、 TiN、 TaN、 Zr等，這僅舉幾個(gè)例 子，該粘合層的厚度在數(shù)百埃至數(shù)千埃的數(shù)量級上。2) BLM的下一層是反應(yīng)阻擋層，該反應(yīng)阻擋層可以通過熔融焊 料焊接，但是慢慢反應(yīng)(受限控制的反應(yīng))，以允許多個(gè)熱回流循環(huán)(或再工作循環(huán)(rework cycle)),而沒有全部被消耗。反應(yīng)阻擋 層的候選材料是Ni、 Co、 W、 Ru、 Hf、 Nb、 Mo、 V、 Ta及它們的 合金。這里僅舉幾個(gè)例子。該層的厚度通常在數(shù)千埃至數(shù)微米的數(shù)量 級上，該層通過濺射、蒸發(fā)、無電鍍或電鍍來沉積。3) BLM的最后層是可潤濕層，從而使得焊料的可濕性好并且與 焊料快速反應(yīng)。典型的例子是銅、鈀、金、錫及它們的合金，該層的 厚度通常在幾百埃至幾千埃的范圍內(nèi)，該層通過濺射、蒸發(fā)、無電鍍 或電鍍來沉積。在一些特殊芯片連接應(yīng)用中，Cu厚度可以提高到數(shù) 微米厚的范圍。4) 關(guān)于形成在BLM結(jié)構(gòu)頂部上的C4凸點(diǎn)，已經(jīng)開發(fā)了很多制 造工藝，包括蒸發(fā)、電鍍、模版印刷、焊骨絲網(wǎng)印刷和焊料噴射以及 熔融焊料注射，這里僅舉幾個(gè)例子。5) 在形成凸點(diǎn)之后，回流凸焊點(diǎn)。通常在帶爐(belt furnace )或真空爐或烘箱中的惰性或者還原氣氛(N2或H2/N2混合物氣體)下進(jìn)行回流。在回流的過程中，在焊料和反應(yīng)阻擋層之間形成金屬互化 物。這種化合物為可靠的焊料連接提供了良好的機(jī)械完整性。6) 最后，對晶片進(jìn)行測試，并且，通過切割、分類和挑選(DSP) 操作將晶片切成芯片。挑選好的芯片(通過電測試規(guī)格的那些芯片)并將它們進(jìn)行排列，通過使用合適的焊劑或無焊劑連接來將該芯片倒 裝連接到芯片載體上。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種用于倒裝芯片附著的BLM 結(jié)構(gòu)，該BLM結(jié)構(gòu)適合與無鉛和含鉛焊料一起使用，并且既使用無 鉛焊料又使用含鉛焊料。本發(fā)明的另 一 目的是提供倒裝芯片電連接，該倒裝芯片電連接減 少了計(jì)算機(jī)芯片中的軟錯(cuò)誤的出現(xiàn)。本發(fā)明關(guān)注用于C4連接的無鉛焊料中的成本有效的、環(huán)境無害 的可靠的BLM。本發(fā)明還提供能夠用于制造集成的C4結(jié)構(gòu)的工序， 即，選擇BLM和用來生成最終的BLM結(jié)構(gòu)的沉積及圖形化過程。無鉛C4通常含有Sn作為主要成分(通常，大于90重量％ )以 及一種或多種成合金元素。由于Sn的高反應(yīng)性的性質(zhì)，無鉛焊料需 要更結(jié)實(shí)的反應(yīng)阻擋層，以保護(hù)焊球受限冶金中的端子金屬和下面的 引線層免受富含Sn的焊料沖擊。用于無鉛焊料的最可能的候選材料 是基于錫的合金，該合金摻雜有小量的銀、銅、鈷、鎳、鉍、銻，這 里僅舉幾個(gè)例子。
由于鉛的毒性，希望從電子焊料中除去鉛。廣泛地報(bào)道在酸雨的條件下從垃圾場(lanfill)中的電子組件濾出鉛到地下水。使用無鉛 焊料也有助于限制由于從含鉛的焊料中排放的a粒子所引起的IC器 件中軟錯(cuò)誤率的手段。焊料可以通過電鍍、蒸發(fā)、焊骨絲網(wǎng)印刷或注模的焊料工藝來生 產(chǎn)，這在美國專利5，244，143、 5，775，569、 6，003，757和6,056,191中有 所公開。因此，本發(fā)明涉及互連結(jié)構(gòu)，適用于將微電子器件芯片倒裝芯 片地附著到芯片栽體上；三層焊球受限冶金，包括用于沉積在晶片或 襯底上的粘合層；焊料反應(yīng)阻擋層，優(yōu)選由選自包括Ni、 Co、 W、 Ru、 Hf、 V、 Mo、 Nb及它們的合金的組中的物質(zhì)構(gòu)成；以及焊料可 潤濕層。該粘合層可以優(yōu)選由選自包括Cr、 Ti、 TiW、 TiN、 TaN、 Ta、 Zr和ZrN的組中的物質(zhì)形成。焊料可潤濕層，頂層，可以優(yōu)選 由選自包括Cu、 Pd、 Au、 Pt和Sn的組中的物質(zhì)形成?；ミB結(jié)構(gòu)還 可以包括可任選的第四層，該第四層優(yōu)選由選自包括Au和Sn的組中 的物質(zhì)形成(如果在前面的層中尚未使用Au或Sn)。在一個(gè)實(shí)施例 中，粘合層優(yōu)選包含Cr、 Ti和TiW中的一種；反應(yīng)阻擋層包含Ni、 Co、 Ru、 Hf、 Nb、 V、 W及它們的合金，焊料可潤濕層優(yōu)選包含Cu、 Au、 Sn、 Pd和Pt中的一種。本發(fā)明還涉及一種適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到 封裝上的互連結(jié)構(gòu)，該互連結(jié)構(gòu)包括兩層BLM結(jié)構(gòu)，該兩層BLM 結(jié)構(gòu)包括粘合層和反應(yīng)阻擋層，其中，該兩層結(jié)構(gòu)將多層薄膜結(jié)構(gòu)的 粘附性、反應(yīng)性和可濕性濃縮到兩層上，從而簡化了工藝步驟并降低 了生產(chǎn)成本。在一個(gè)實(shí)例中，粘合/阻擋層與焊料可潤濕層組合，該焊 料可潤濕層是容易與含錫的無鉛焊料反應(yīng)的金屬層，從而在焊接的過 程中所述焊料可潤濕層被消耗，其中，在焊接的過程中，在將所述粘 合/反應(yīng)阻擋層放置成與所述無鉛焊料接觸之后，粘合/反應(yīng)阻擋層保 留下來； 一個(gè)或多個(gè)無鉛焊球選擇性地位于所述焊料可潤濕層上，所 述無鉛焊球含有錫，作為主要組分，該錫摻雜有一種或多種合金組分。所述粘合/反應(yīng)阻擋層可以優(yōu)選包含選自包括TiW、 TiN和Ti之一的 組中的物質(zhì)。所述焊料可潤濕層可以優(yōu)選包含選自包括Cu、 Au、 Pd、 Ni、 Co、 Ru和Sn及它們的合金的組中的物質(zhì)。該互連結(jié)構(gòu)還可以包 括可任選的第三層，該第三層優(yōu)選包含Au或Sn，如果在第二層中尚 未使用Au和Sn。優(yōu)選地，無鉛焊球包含基本上消除了 a粒子發(fā)射的 物質(zhì)。該焊料合金具有作為主要成分的錫以及優(yōu)選選自包括Cu、 Ag、 Bi、 Ni、 Co、 Fe和Sb的組中的一種或多種合金組分。本發(fā)明還涉及一種適用于將微電子IC器件芯片倒裝芯片地附著 到封裝上的互連結(jié)構(gòu)，該互連結(jié)構(gòu)包括三層BLM、粘合層、在粘 合層上面的反應(yīng)阻擋層以及焊料可潤濕層，其中，所述粘合/阻擋層位 于微電子器件和所述焊料可潤濕層之間，并且，其中，所述焊料可潤 濕層是與含錫的無鉛焊料的組分充分反應(yīng)的組合物，在焊接過程中， 在將所述反應(yīng)阻擋層與所述焊料接觸之后，所述反應(yīng)阻擋層基本上很 少與焊料反應(yīng)；以及一個(gè)或多個(gè)無鉛焊球，其選擇性地位于所述焊料 可潤濕層上，從而所述無鉛焊球基本上消除了 a粒子發(fā)射以及由此引 起的感應(yīng)軟邏輯錯(cuò)誤(induced soft logic error )。本發(fā)明還涉及一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，該互連結(jié)構(gòu)適用于將微 電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝上，該方法包括在晶片或襯底 上形成覆蓋式(blanket)的焊球受限冶金；在覆蓋式BLM層上形成 抗蝕劑圖形；通過使用抗蝕劑作為蝕刻掩模來蝕刻BLM;剝離該抗 蝕劑，以形成焊料可濕BLM端子墊；以及在BLM墊上沉積焊料。 該焊料可以基本上不含鉛。該BLM墊可以通過下述方式來形成在 襯底上沉積粘合層；在粘合層上沉積反應(yīng)阻擋層；以及在阻擋層上沉 積焊料可潤濕層。該反應(yīng)阻擋層可以包含優(yōu)選選自包括Ni、 Co、 Ru、 W、 Hf、 Nb、 V、 Mo及它們的合金的組中的物質(zhì)。該粘合層可以通 過濺射、蒸發(fā)或感應(yīng)加熱來沉積，并且可以具有在100?；蚣s5000 埃的厚度。所述反應(yīng)阻擋層可以通過濺射、電鍍或蒸發(fā)來沉積，并且 可以具有在約1000埃至約30000埃的厚度。所述焊料可潤濕層也可 以通過濺射、電鍍或蒸發(fā)來沉積，并且具有約100埃至約20000埃的厚度。
該方法還可以包括在所述焊料可潤濕層上沉積可任選的層，該可任選的層優(yōu)選包含Au、 Pd或Sn。在所述焊料可潤濕層上沉積的該層 可以具有在基本上100埃至基本上10000埃之間的厚度，并且可以優(yōu) 選通過濺射、電鍍或無電鍍或蒸發(fā)中的一種方法來沉積。該方法還優(yōu) 選包括在150-350攝氏度下對焊球受限冶金退火30至90分鐘。
本發(fā)明還涉及一種形成互連結(jié)構(gòu)的方法，該互連結(jié)構(gòu)適用于將微 電子器件芯片倒裝芯片地附著到芯片栽體上，該方法包括將粘合層 沉積在充當(dāng)芯片載體的晶片或襯底上；在該粘合層上沉積焊料反應(yīng)阻 擋層；在該反應(yīng)阻擋層上沉積焊料可潤濕層；在該焊料可潤濕層上沉 積無鉛焊料；以及使所述焊料回流，使得所述焊料可潤濕層擴(kuò)散到無 鉛焊料。所述焊料可潤濕層可以優(yōu)選包含Cu。當(dāng)在回流過程中Cu溶 解到純Sn焊料時(shí)，形成二元Sn-Cu無鉛焊料。無鉛焊料候選者基本 上可以是二元Sn-Ag,因此，在回流過程中在含Cu的可潤濕層上形 成三元Sn-Ag-Cu無鉛焊料。通過Cu的溶解，焊料中的元素種數(shù)增加至少一種元素。可以形 成二元共晶或近三元共晶焊料。該方法還可以包括在150-350攝氏度 下退火30至90分鐘。


結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的以下的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，在附圖中圖l是根據(jù)本發(fā)明的C4結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例的剖視圖。圖1A是在焊料回流之后的圖1的實(shí)施例的剖視圖。圖2A至圖2D示出根據(jù)本發(fā)明的用于形成C4結(jié)構(gòu)的第一方法的步驟。圖3A至圖3D示出根據(jù)本發(fā)明的用于形成C4結(jié)構(gòu)的第二方法 的步驟。圖4是根據(jù)本發(fā)明的C4結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的剖視圖。
圖4A是在焊料回流之后的圖4的實(shí)施例的剖視圖。圖5是在250攝氏度與三層TiW/NiSi/Cu BLM連續(xù)地反應(yīng)40 分鐘之后二元共晶Sn0.7重量。/。Cu無鉛焊料的SEM橫截面圖。圖5A 對應(yīng)于低放大率，圖5B對應(yīng)于高放大率。圖6是在250攝氏度與三層TiW/NiW/Cu BLM連續(xù)地反應(yīng)40 分鐘之后二元共晶Sn0.7%Cu無鉛焊料的SEM橫截面圖。圖6A對 應(yīng)于低放大率，圖6B對應(yīng)于高放大率。圖7是在250攝氏度與兩層TiW/Ru BLM連續(xù)地反應(yīng)20分鐘之 后二元Sn3.8%Ag無鉛焊料的SEM橫截面圖；TiW充當(dāng)粘合層，Ru 既充當(dāng)反應(yīng)阻擋層又充當(dāng)焊料可潤濕層。
具體實(shí)施方式
以適宜每一個(gè)具體應(yīng)用的任何組合的形式可以實(shí)現(xiàn)對本發(fā)明所 述的變型。因此，本文所述的可以對特定應(yīng)用具有特殊的優(yōu)勢的特定 限制和/或?qū)嵤└倪M(jìn)，未必一定都用于所有的應(yīng)用。此外，應(yīng)該認(rèn)識到， 并不是所有的限制都必須實(shí)施于包括本發(fā)明的 一個(gè)或多個(gè)構(gòu)思的方 法、系統(tǒng)和/或設(shè)備中。參照圖1，通過本發(fā)明，提供一種適用于將微電子集成電路(IC) 芯片連接到封裝上的互連結(jié)構(gòu)10。具體來說，本發(fā)明屬于常稱為C4(控制塌陷芯片連接)的區(qū)域陣列或倒裝芯片技術(shù)。BLM(也稱為凸 點(diǎn)下冶金(UBM) ) 11沉積在鈍化的集成電路(IC)器件12 (例如， 硅晶片)上。BLM 11的第一層是粘合/擴(kuò)散阻擋層14,該第一層可以 優(yōu)選是選自包括Cr、 Ti、 TiW、 V、 Zr、 Ta及它們的合金(或化合 物)的組中的金屬、合金或化合物，可以具有約100埃至5000埃的 厚度，并且可以通過蒸發(fā)、濺射或其它已知的技術(shù)來沉積。隨后，優(yōu) 選選自包括Ni、 Co、 Ru、 Hf、 Nb、 Mo、 W、 V及它們的合金(或 化合物)的組中的金屬或化合物的焊料反應(yīng)阻擋層16可以優(yōu)選通過(例如)濺射、電鍍或蒸發(fā)沉積在粘合層上約500埃至30000埃的厚 度。頂層18是優(yōu)選包含選自Cu、 Au、 Pd、 Pt、 Sn及它們的合金的
組中的金屬的可焊接層，通過(例如)濺射、電鍍或者蒸發(fā)達(dá)到約500 埃至2000埃的厚度。在一些特殊應(yīng)用中，如果當(dāng)選擇相同的元素用 于第二層和第三層時(shí)，則三層BLM結(jié)構(gòu)可以簡化為兩層，這同樣也 適用于第一層和第二層?？扇芜x的第四層38，例如，優(yōu)選由金或Sn 構(gòu)成的薄層，可以沉積在層18上，以充當(dāng)防止氧化或腐蝕的保護(hù)層。 然后，施加焊料40，如圖1所示。可以用無鉛的焊球20完成C4結(jié)構(gòu)10，該焊球含有錫，作為主 要成分，并且優(yōu)選包含選自Ag、 Cu、 Bi、 Ni、 Co、 In和Sb中的一 種或多種合金元素。實(shí)例l一三層BLM根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的粘合層14是TiW或Ti，優(yōu)選被濺射或蒸 發(fā)成約100埃至5000埃的優(yōu)選厚度。只要既保持良好的粘附性又保 持良好的阻擋性，粘合層14的厚度可以大幅度地改變。如果在形成 圖形化的BLM結(jié)構(gòu)11的過程中沉積覆蓋式TiW并隨后進(jìn)行蝕刻作 為最后的步驟，則在保持充足的性能的情況下應(yīng)當(dāng)使膜厚度最小。其 它可選的粘合層是厚度為約IOO埃至5000埃的Cr、 Ta、 W或及它們 的合金。第二層16是焊料反應(yīng)阻擋層，其厚度通常優(yōu)選為幾千埃至幾微 米，其優(yōu)選通過濺射、蒸發(fā)或電鍍來進(jìn)行沉積。因?yàn)楦咤a含量的無鉛 焊料的反應(yīng)性比共晶富含鉛的Pb-Sn焊料的反應(yīng)性高，所以需要厚的 反應(yīng)阻擋層，以能夠經(jīng)受多個(gè)熱循環(huán)，而沒有全部被消耗掉。BLM 的總消耗將導(dǎo)致"浮動(dòng)BLM，，的故障，從而降級焊料連接的機(jī)械完整 性。因?yàn)镃u與高含量Sn的焊料反應(yīng)性強(qiáng)，所以對于無鉛應(yīng)用而言， 在BLM中低反應(yīng)性的金屬(例如Ni或其合金)是優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，適合的焊料反應(yīng)阻擋層可以優(yōu)選由Ni、 Ru、 Co、 W、 Hf、 Nb、 Mo、 V及它們的合金形成。第三層18是焊料可潤濕層。在回流連接過程中，層18容易被熔 融焊料弄濕并潛在地完全被溶解入熔融焊料中，從而允許通過與反應(yīng) 阻擋層形成金屬互化物來與BLM墊形成可靠的冶金連接。可潤濕層
優(yōu)選是選自包括Cu、 Au、 Pd、 Pt、 Sn及它們的合金的組中的金屬。 銅和金二者與高含量錫的焊料非?？焖俚胤磻?yīng)，并且不提供合適的反 應(yīng)阻擋層。然而，這些金屬都反應(yīng)并與焊料很好地弄濕，從而充當(dāng)用 于氧化保護(hù)的頂層，弄濕并連接到C4焊料。另外的好處是，溶解入焊料中的Cu可以用作用于焊料的合金元 素。例如，當(dāng)Cu溶解入純Sn焊料時(shí)，其形成二元Sn-Cu焊料合金。 當(dāng)溶解入二元SnAg合金時(shí)，其形成三元近共晶Sn-Ag-Cu焊料。Sn-Cu 和Sn-Ag-Cu是用于微電子組件中的首選的無鉛焊料候選材料。示出 了 Cu作為焊料中的附加合金元素的溶解和結(jié)合，簡化了電鍍過程。 對二元SnAg合金可以容易地進(jìn)行簡單的電鍍，而不用非常復(fù)雜地電 鍍?nèi)辖餝n-Ag-Cu，其中，合金元素Cu來自BLM墊。將同樣的 方法應(yīng)用到電鍍純Sn，這是非常簡單，然后，純Sn與來自BLM墊 的Cu反應(yīng)，從而形成簡單的二元合金系統(tǒng)，這比電鍍二元Sn-Cu合 金簡單，從而有助于制造。在電鍍多組分焊料合金的過程中維持對焊 料組合物的池化學(xué)(bath chemisty )和精確控制是非常復(fù)雜的，使用 該方法可以簡化此復(fù)雜性。請注意，在此過程的回流部分中，Cu基 本上快速地溶解在液體焊料中，從而確保焊球的組合物相對比較均 勻。對于本發(fā)明的第 一 范例實(shí)施例，焊料可潤濕層溶解在焊球中的方 式在圖1A中示出，對于本發(fā)明的第二實(shí)施例，其在圖4A中示出。使用與用于沉積其它BLM層相同的過程，可以濺射、蒸發(fā)或電 鍍可焊接層。隨后，必須對覆蓋式膜進(jìn)行圖形化，以在圖l所示的成 品結(jié)構(gòu)中形成BLMll，實(shí)例2—四層BLM在本實(shí)例中，笫一層優(yōu)選是TiW、 Cr或Ti。第二層優(yōu)選是Ni、 Co、 Ru、 W或其合金(或化合物)。第三層優(yōu)選是Cu、 Pd、 Pt或 其合金。第四層可以優(yōu)選是Au或Sn。實(shí)施例3—簡單的兩層BLM在本實(shí)例中，第一層優(yōu)選是TiW、 Ti或Cr，充當(dāng)粘合/反應(yīng)阻擋
層 第二層優(yōu)選選自包括Ru、 Ni、 Cu、 Co、 Sn或其合金的組中。在所有的三層或四層結(jié)構(gòu)中，Cu是優(yōu)選的可潤濕層，在回流連 接期間Cu快速反應(yīng)并溶解入熔融焊料合金中，形成Cu-Sn金屬互化 物，很好地粘附在BLM/焊料界面上，從而提高了焊料連接的機(jī)械完 整性。用于UBM上的焊料合金的熔性必須與制造要求兼容。用于焊料 的優(yōu)選的沉積方法是C4NP、電沉積(直接電沉積合金，或者依次沉 積各個(gè)合金組分)、模版印刷(stencil printing )或焊骨絲網(wǎng)印刷(paste screening )。圖2A至圖2D示出生產(chǎn)圖1的結(jié)構(gòu)的步驟。在圖2A中，如上 所述，在晶片或襯底12上制造圖l的BLMll，包括層14、 16和18。 C4圖形以合適的光致抗蝕劑圖形24限定在晶片上，該C4圖形的厚 度至少與要沉積的焊料的厚度一樣大。參照圖2B，通過熔融焊料注射、電鍍、焊骨絲網(wǎng)印刷、模版印 刷或烀料噴射(這里僅舉幾個(gè)例子)，無鉛焊料26轉(zhuǎn)移沉積到BLM 上。在回流混合之后，依次電鍍各焊料組分，這是直接電鍍合金的另 一可選方法。如圖2D所示，隨后蝕刻在焊料下沒有被覆蓋的圖2c中 的覆蓋式BLM層。在合適的氣氛下回流焊料，以形成焊球如圖l所示。然后，切割、分類和挑選晶片12，利用合適的焊劑或無焊劑連 接，將好的芯片連接到陶瓷或有機(jī)芯片栽體上。圖3A至圖3D示出形成圖1的結(jié)構(gòu)的另一可選的工藝。在圖3A 中，光致抗蝕劑圖形24沉積在覆蓋式BLM11上。圖3B示出對在光 致抗蝕劑24下沒有被覆蓋的BLM 11的層的蝕刻。光致抗蝕劑圖形 24用作圖形化BLM的蝕刻掩模。在圖3C中，從圖形化的BLM層 剝離光致抗蝕劑圖形24。在圖3D中，通過C4NP熔融焊料轉(zhuǎn)移、焊 骨絲網(wǎng)印刷、模版印刷等，在晶片或襯底上，將凸焊點(diǎn)選擇性地沉積 在圖形化的BLM 11上。然后，在合適的氣氛下回流凸焊點(diǎn)26。
然后，切割、分類和挑選晶片。選擇好的芯片并利用合適的焊劑 或無焊劑連接將其連接到芯片載體上。圖4是根據(jù)本發(fā)明的C4結(jié)構(gòu)的第二范例實(shí)施例的剖視圖。BLM 30是兩層結(jié)構(gòu)，適合沉積在具有氧化物、氮化物或聚酰亞胺鈍化32 的襯底或晶片上。沉積在鈍化晶片或襯底的表面上的第一層34可以 優(yōu)選是Cr、 Ti、 TiW、 Zr、 V或其合金。下一層36既充當(dāng)反應(yīng)阻擋 層又充當(dāng)可焊接層，沉積在層34上，并且可以優(yōu)選選自Ru、 Ni、 Co、 Cu、 Pd、 Pt或其合金?？扇芜x的第三層38，例如金或Sn的第三層， 可以沉積在層36上，充當(dāng)氧化保護(hù)層?？扇芜x的層38應(yīng)當(dāng)是與已經(jīng) 選擇用于第二層的材料不同的材料。此外，在上述的層狀結(jié)構(gòu)中，如 果所選擇的元素已經(jīng)用于前面的層，則它將不用于后面的層，以避免 復(fù)制。然后，施加焊料40，如圖1所示。如上所述，當(dāng)沒有施加可任 選的層38并且圖4的頂層是(例如)Cu時(shí)，焊料可潤濕層溶解入焊 球40中的方式示于圖4A中?？梢允褂脠D2A至圖2D或者圖3A至圖3D所示的任一種方法來 形成圖4所示的實(shí)施例。圖5是在250攝氏度與三層TiW/NiSi/Cu BLM連續(xù)地反應(yīng)40 分鐘之后二元Sn0.7%Cu無鉛焊料的SEM橫截面圖。圖5A是低放 大率，圖5B是高放大率。TiW是粘合層；NiSi是反應(yīng)阻擋層；Cu 是可焊接層，在回流連接之后，該可焊接層全部溶解入焊料。圖6是在250才聶氏度與三層TiW/NiW/Cu BLM連續(xù)地反應(yīng)40 分鐘之后二元Sn0.7。/。Cu無鉛焊料合金的SEM橫截面圖。圖5A對 應(yīng)于低放大率，圖5B對應(yīng)于高放大率。TiW是粘合層，NiW是反應(yīng) 阻擋層，Cu是可焊接層，其通過與焊料反應(yīng)全部被消耗掉。圖7是在250攝氏度與兩層TiW/Ru BLM連續(xù)地反應(yīng)20分鐘之 后二元Sn3.8°/。Ag無鉛焊料的SEM橫截面圖；TiW是粘合層，Ru 既充當(dāng)反應(yīng)阻擋層又充當(dāng)焊料可潤濕層。薄層的金屬互化物形成在焊 料和BLM界面上。實(shí)例4一兩層BLM
第一層優(yōu)選是TiW、 Ti或Cr或其合金。第二層優(yōu)選是Ru、 Cu、 Ni、 Co、 Sn或其合金，充當(dāng)反應(yīng)阻擋層又充當(dāng)可濕表面。 實(shí)例5—三層BLM結(jié)構(gòu)三層BLM結(jié)構(gòu)優(yōu)選包含TiW、 Ti或Cr，作為沉積在村底上 的粘合層；Ni或其合金，充當(dāng)在粘合層上的反應(yīng)阻擋層；以及Cu犧 牲層，用于電鍍焊料沉積。Sn或SnAg 二元合金的無鉛焊料沉積在 Cu層上。當(dāng)如上所述的那樣回流時(shí)，Cu層溶解入所得到的焊球，以 與焊料成合金。焊料優(yōu)選是無鉛的，當(dāng)Cu溶解入焊料時(shí)，形成二元 Sn-Cu合金或三元Sn-Ag-Cu合金，其中，原始焊料分別是純Sn和二 元Sn-Ag。通過在BLM圖形化之前或之后在150-350攝氏度下退火30至 90分鐘，可以進(jìn)一步地提高本發(fā)明的BLM冶金的魯棒性。因此，雖然已經(jīng)示出、描述和指出了本發(fā)明的基本的新穎特征(如 應(yīng)用到本發(fā)明的當(dāng)前的優(yōu)選實(shí)施例的那些特征)，但是，應(yīng)該理解， 在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所示的方 法和產(chǎn)品的形式和細(xì)節(jié)及其操作進(jìn)行各種刪除、替換和改變。另外， 應(yīng)該理解，所述附圖并不一定是按比例繪制的。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)僅 僅由附屬權(quán)利要求及其等同形式限制。請注意，前面概述了本發(fā)明的多個(gè)相應(yīng)目的和實(shí)施例的一些。本 發(fā)明的構(gòu)思可以用于很多應(yīng)用。因此，盡管對特定布置和方法進(jìn)行了 描述，但是，本發(fā)明的目的和構(gòu)思適合應(yīng)用于與其它的布置和應(yīng)用中。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚，在不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況 下，可以對所披露的實(shí)施例進(jìn)行其它的修改。所描述的實(shí)施例應(yīng)該解 釋為僅僅示出本發(fā)明的多個(gè)顯著特征和應(yīng)用中的一些。通過以不同的 方式實(shí)施所披露的發(fā)明或者以本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的方式修改本發(fā) 明，可以實(shí)現(xiàn)其它的有益的結(jié)果。因此，應(yīng)該理解，這些實(shí)施例是作 為例子而不是為了限制的目的而提供的。本發(fā)明的范圍由附屬權(quán)利要 求限定。
權(quán)利要求
1.在適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到芯片載體上的互連結(jié)構(gòu)中，一種三層焊球受限冶金包括粘合層，用于沉積在晶片或襯底上；選自包括Ni、Co、Ru、W、V、Nb、Hf、Mo及它們的合金的組中的物質(zhì)的焊料反應(yīng)阻擋層；以及焊料可潤濕層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合層由選自 包括TiW、 Ti、 Cr、 Ta及它們的合金的組中的物質(zhì)形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述焊料可潤濕層 由選自包括Cu、 Pd、 Au、 Pt、 Sn及它們的合金的組中的物質(zhì)形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，還包括由選自包括Au和 Sn的組中的物質(zhì)形成的第四層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合層選自包 括Ti和TiW的組中，所述反應(yīng)阻擋層選自包括Ni及其合金的組中， 所述焊料可潤濕層選自包括Cu、 Sn、 Pd、 Pt及它們的合金的組中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述Ni合金是通過 將Ni和選自包括W、 Si、 Ru、 Ti、 La、 Zr、 Hf、 V、 Cr、 Cu、 Rh、 Ir、 Re、 Mo、 Nb、 Ta、 Au、 Pd和Pt的組中的一種或多種元素成合 金來形成的，從而形成二元、三元或四元合金反應(yīng)阻擋層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述Ni合金反應(yīng)阻 擋層是通過將Ni和W成合金形成的，從而形成二元非磁性NiW合 金層，其中，\￥組分大于17重量％，以利于從非磁性靶進(jìn)行濺射沉 積。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述Ni合金反應(yīng)阻 擋層是通過將M和Si成合金形成的，從而形成二元非磁性NiSi合金 層，其中，所述合金中的Si大于3.8重量。/。，以利于從非磁性乾進(jìn)行 濺射沉積。
9. 在適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝上的互連 結(jié)構(gòu)中， 一種兩層焊球受限冶金包括粘合/反應(yīng)阻擋層，其中，該粘合/反應(yīng)阻擋層既充當(dāng)粘合層又充 當(dāng)反應(yīng)層；以及 焊料可潤濕層；所述粘合/反應(yīng)阻擋層放置在微電子器件和所述焊料可潤濕層之 間，并且，其中，所述焊料可潤濕層是與含錫的無鉛焊料的組分反應(yīng) 的金屬，從而在焊接的過程中所述焊料可潤濕層被消耗，其中，在焊 接的過程中所述粘合/反應(yīng)阻擋層在其被放置成與所述無鉛焊料接觸 之后保留下來，并且，其中，所述焊料可潤濕層是與含錫的無鉛焊料 的組分反應(yīng)的金屬；并且一個(gè)或多個(gè)無鉛焊球，其選擇性地位于所述焊料可潤濕層上，所 述無鉛焊球包含作為主要組分的錫和一種或多種合金組分。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合/反應(yīng)阻擋 層包含選自包括Ti、 W、 Ta、 Cr、 V及它們的合金的組中的物質(zhì)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述焊料可潤濕層 包含選自包括Cu、 Ru、 Au、 Pd、 Pt、 Sn及它們的合金的組中的物 質(zhì)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合金屬是與 選自包括Ti、 W、 Cu、 Ni、 Co、 Pd、 Pt、 Au、 Zr、 Hf和N的組中 的一種或多種元素成合金的。
13. —種適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝上的 互連結(jié)構(gòu)，包括兩層焊球受限冶金，該兩層焊球受限冶金包括粘合層，其中， 粘合層起到促進(jìn)BLM到襯底的粘附性的作用；以及焊料反應(yīng)阻擋層/ 可潤濕層，所述反應(yīng)阻擋層/可潤濕層起到有利于焊料可濕性和減慢焊 料反應(yīng)的作用，該層放置在微電子器件和所述焊料之間，并且，其中， 所述焊料反應(yīng)阻擋層/可潤濕層是容易與含錫的無鉛焊料的組分反應(yīng) 的金屬，從而，在焊接的過程中所述焊料反應(yīng)阻擋層/可潤濕層僅僅部 分被消耗，其中，在焊接的過程中，在將所述焊料反應(yīng)阻擋層/可潤濕 層放置成與所述無鉛焊料接觸之后，剩余的不反應(yīng)的反應(yīng)阻擋層/可潤 濕層仍保留下來；以及一個(gè)或多個(gè)無鉛烊球，其選擇性地位于所述焊料可潤濕層上，所 述無鉛焊球包含作為主要組分的錫和一種或多種合金組分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述粘合層包含 選自包括Cr、 TiW、 Ti、 TiN、 TaN、 Ta和V的組中的物質(zhì)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述焊料反應(yīng)阻 擋層/可潤濕層包含選自包括Ru、 Ni、 Co、 Pt及它們的合金的組中的 物質(zhì)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的互連結(jié)構(gòu)，還包括包含Au或Sn的 笫三層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述無鉛焊球包含基本上消除a粒子發(fā)射的物質(zhì)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述焊料合金組分 選自包括Sn、 Bi、 Cu、 Ag、 Ni、 Co、 La、 Fe和Sb的組中。
19. 一種適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝上的 互連結(jié)構(gòu)，包括三層焊球受限冶金，該三層焊球受限冶金包括粘合層、在所述 粘合層頂部的反應(yīng)阻擋層以及焊料可潤濕層，其中，所述粘合/阻擋層 位于微電子器件和所述焊料可潤濕層之間，并且，其中，所述焊料可 潤濕層是與含錫的無鉛焊料的組分充分反應(yīng)的組合物，在焊接過程 中，在將所述反應(yīng)阻擋層與所述焊料接觸之后，所述反應(yīng)阻擋層基本 上很少與焊料反應(yīng)；以及一個(gè)或多個(gè)無鉛焊球，其選擇性地位于所述焊料可潤濕層上，所 述無鉛焊球包含作為主要組分的錫和選自包括Cu、 Ag、 Bi、 Co、 La、 Fe、 Ni和Sb的組中的一種或多種合金組分，從而所述無鉛焊球基本 上消除了 a粒子發(fā)射以及由此所引起的感應(yīng)軟邏輯錯(cuò)誤。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的互連結(jié)構(gòu)，其中，所述可焊接層由 選自包括Cu、 Ni、 Co、 Pd、 Ru、 Au、 Pt、 Sn及它們的合金的組中的物質(zhì)形成。
21. —種形成適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝 上的互連結(jié)構(gòu)的方法，包括在襯底上形成焊球受限冶金； 在所述焊球受限冶金上形成抗蝕劑圖形； 通過使用所述抗蝕劑圖形作為蝕刻掩模，蝕刻所述焊球受限冶金；從剩余的焊球受限冶金上除去所述抗蝕劑；以及在所述焊球受限組合物上沉積焊料。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述焊料基本上不含鉛。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述焊球受限冶金通 過下述方式形成在所述襯底上沉積粘合層； 在所述粘合層上沉積反應(yīng)阻擋層；以及 在所述阻擋層上沉積焊料可潤濕層。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述反應(yīng)阻擋層包含 選自包括Ni、 Co、 W、 Ru、 Nb、 V、 Mo、 Hf及它們的合金的組中 的物質(zhì)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述粘合層是通過濺 射或蒸發(fā)而沉積的。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述粘合層被沉積成 具有約100埃至約5000埃的厚度。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述反應(yīng)阻擋層是通 過濺射、電鍍或蒸發(fā)而沉積的。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述反應(yīng)阻擋層被沉 積成具有約1000埃至約40000埃的厚度。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述焊料可潤濕層是 通過濺射、電鍍或蒸發(fā)而沉積的。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述焊料可潤濕層被 沉積成具有約200埃至約20000埃的厚度。
31. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，還包括在所述焊料可潤濕層 上沉積包含Au或Sn的層。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，沉積在所述焊料可潤濕層上 的層具有在基本上100埃至基本上2000埃之間的厚度。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，沉積在所述焊料可潤濕層上 的層是通過濺射、電鍍或無電鍍或蒸發(fā)中的一種方法而沉積的。
34. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括在150-350攝氏度下 對所述焊球受限冶金退火30至90分鐘。
35. —種形成適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到芯片 栽體上的互連結(jié)構(gòu)的方法，包括在充當(dāng)所述芯片栽體的晶片或襯底上形成粘合層； 在所述粘合層上沉積焊料反應(yīng)阻擋層； 在所述反應(yīng)阻擋層上沉積烊料可潤濕層； 在所述焊料可潤濕層上沉積無鉛焊料；以及 對所述焊料進(jìn)行回流，使得所述焊料可潤濕層擴(kuò)散到所述無鉛焊料中。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，所述焊料可潤濕層包含Cu， 所述Cu擴(kuò)散到所述焊料中。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述無鉛焊料基本上 是純的Sn,在回流的過程中形成二元Sn-Cu無鉛焊料。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，所述無鉛焊料基本上 是二元Sn-Ag,在回流的過程中形成三元Sn-Ag -Cu無鉛焊料。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中，形成近共晶的二元或 三元焊料。
40. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，還包括在150-350攝氏度下 對BLM退火30至90分鐘。
全文摘要
一種適用于將微電子器件芯片倒裝芯片地附著到封裝上的互連結(jié)構(gòu)包括兩層、三層或四層焊球受限冶金，該焊球受限冶金包括粘合/反應(yīng)阻擋層，并且具有與含錫無鉛焊料的組分反應(yīng)的焊料可潤濕層，從而在焊接的過程中可焊接層可以全部被消耗掉，但是，在焊接的過程中阻擋層在其被放置成與無鉛焊料接觸之后保留下來。一個(gè)或多個(gè)無鉛焊球，其選擇性地位于所述焊料可潤濕層上，所述無鉛焊球包含作為主要組分的錫和一種或多種合金組分。
文檔編號H01L23/485GK101211878SQ20071018694
公開日2008年7月2日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者喬納森·H·格里菲思, 克里斯蒂·拉沃伊, 利納·P.·布奇沃爾特, 卡馬列什·K.·斯里瓦斯塔瓦, 盧克·比蘭格爾, 史達(dá)原, 唐納德·W.·亨德森, 埃里克·H.·萊內(nèi), 康圣權(quán), 斯蒂芬·L.·布奇沃爾特, 瓦萊里·A.·奧伯森, 邁克爾·J.·薩利文, 阿賈伊·P.·吉利, 鮑爾·A·勞羅 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司