專利名稱：倒裝芯片組裝件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種倒裝芯片焊接結(jié)構(gòu)，尤其是一種用于連接或貼裝半導(dǎo)體工 件，例如器件、裸片、晶圓、芯片(下面統(tǒng)稱為"半導(dǎo)體芯片")的倒裝芯片互 連構(gòu)件，支持(例如封裝或互連)基板，例如卡板，電路板、載體、引線架等 等。
背景技術(shù)：
與線焊采用的將面朝上的半導(dǎo)體芯片通過引線電氣連接至半導(dǎo)體芯片的每 個焊盤的方法不同，倒裝芯片焊接采用將面朝下的半導(dǎo)體芯片通過導(dǎo)電性的互 連(例如焊接凸點或銅端柱)電氣連接至半導(dǎo)體芯片的每個焊盤。除了半導(dǎo)體 芯片外，倒裝芯片焊接也能夠用于其他的元件，例如無源濾波器、檢測器陣列
和MEMS設(shè)備。
半導(dǎo)體芯片運行過程中的溫度變化和半導(dǎo)體芯片及其支持基板之間不同的 熱量膨脹系數(shù)會導(dǎo)致產(chǎn)生倒裝芯片互連的熱感應(yīng)機械應(yīng)力(例如切線應(yīng)力)。例 如，當半導(dǎo)體芯片和其支持基板置于高溫時，兩者會以不同的速率產(chǎn)生不同尺 寸的膨脹，從而導(dǎo)致產(chǎn)生倒裝芯片互連的機械應(yīng)力。
為了減少機械應(yīng)力，半導(dǎo)體芯片及其支持基板通常由熱膨脹系數(shù)十分匹配 的材料制成，從而當高溫時兩者可以向基本相同的方向膨脹。不過，每次芯片 上電或者開啟時也會產(chǎn)生熱感應(yīng)機械應(yīng)力。當芯片被上電或開啟時，芯片及其 支持基板之間會產(chǎn)生較大的瞬時溫度差，直至支持基板溫度接近半導(dǎo)體工件的 溫度。
由于高性能半導(dǎo)體芯片的高溫和高頻的功率循環(huán)周期(例如開啟和關(guān)閉)， 即使半導(dǎo)體芯片及其支持基板具有十分匹配的熱膨脹系數(shù)，倒裝芯片互連構(gòu)件 仍會有機械和電氣的不穩(wěn)定。當半導(dǎo)體芯片被設(shè)計成能在更小的體積內(nèi)耗散更 多的功率，這些不穩(wěn)定將成為倒裝芯片組裝件的更大問題，從而導(dǎo)致更大的熱 感應(yīng)機械應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有采用長銅端柱的倒裝芯片互連構(gòu)件及其制造方法可能會使半休芯片經(jīng)受熱感應(yīng)機械應(yīng)力影響其可靠性的問題，該熱感應(yīng)機械應(yīng) 力在互連構(gòu)件的基層產(chǎn)生或沿著互連構(gòu)件主體產(chǎn)生的。因此，本發(fā)明提供了一 種倒裝芯片互連構(gòu)件，該互連構(gòu)件具有應(yīng)力消除裝置，以及制造該互連構(gòu)件來 消除機械應(yīng)力的方法，從而提高倒裝芯片組裝件的可靠性。
本發(fā)明公開的倒裝芯片互連構(gòu)件可以是各種類型的形狀。例如，倒裝芯片 互連構(gòu)件可以是柱狀(例如圓形或矩形)，端柱形狀或突點形狀，或者其他任何 形狀。此外，本發(fā)明公開的倒裝芯片互連構(gòu)件可以包括與半導(dǎo)體芯片上的焊盤
(例如通過鈦種子層或鎢化鈦(TiW)種子層或鉻種子層)接觸的不可回流焊的基 層(例如銅或鎳金屬層，也稱之為第一不可回流焊金屬層)、不可回流焊主體層
(例如銅或鎳金屬層，也稱之為第二不可回流焊金屬層)、位于不可回流焊基層 和不可回流焊主體層(例如銅或鎳金屬層)之間的可回流焊應(yīng)力消除層(例如 鉛/錫或者錫焊層)，以及與互連點或支持基板接觸的可回流焊熔接層(例如鉛/ 錫或錫焊層)。
本發(fā)明還公開了一種制造倒裝芯片互連構(gòu)件的方法，該方法包括提供具有 一或多個焊盤的半導(dǎo)體工件。同時該方法也包括沉積第一不可回流焯層的步驟， 該第一不可回流焊層具有高于第一預(yù)定回流焊溫度的第一熔化溫度。該方法還 包括沉積可回流焊應(yīng)力消除層的步驟，該可回流焊應(yīng)力消除層在第一預(yù)定回流 焊溫度下能被回流焊。該方法還包括沉積第二不可回流焊層的步驟，該第二不 可回流焊層具有高于第一預(yù)定回流焊溫度的第二熔化溫度，從而使得沉積的可 回流焊應(yīng)力消除層位于第一和第二不可回流焊層之間。
本發(fā)明還公開一種倒裝芯片組裝件，該倒裝芯片組裝件包括半導(dǎo)體工件和 連接至半導(dǎo)體工件的多個互連構(gòu)件。每個互連構(gòu)件包括與半導(dǎo)體工件接觸的第 一不可回流焊金屬層，還包括第二不可回流焊金屬層，和至少一層可回流焊應(yīng) 力消除層，該可回流焊應(yīng)力消除層在第一預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊。可回 流焊應(yīng)力消除層位于第一和第二不可回流焊金屬層之間。
本發(fā)明還公開一種倒裝芯片組裝件，該倒裝芯片組裝件包括半導(dǎo)體工件和 連接至半導(dǎo)體工件的多個互連構(gòu)件。每個互連構(gòu)件包括與半導(dǎo)體工件接觸的第 一不可回流焊金屬層，還包括第二不可回流焊金屬層。每個互連構(gòu)件還包括用 于消除互連構(gòu)件應(yīng)力的裝置。
本發(fā)明的上述各個方面可選擇地包括一個或多個下列的特定具體實施方 式。例如，制造倒裝芯片互連構(gòu)件的方法包括沉積可回流焊熔接層，該熔接層在第二預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊。該方法還包括在一或多個焊盤上光刻具 有開口圖案的絕緣層，并在每個焊盤上沉積種子層。另外，每個互連構(gòu)件包括 可回流焊熔接層，該熔接層在第二預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊。
第一預(yù)定回流焊溫度可以比可回流焊應(yīng)力消除層的熔化溫度高10 30度。 第一預(yù)定回流焊溫度可以與第二預(yù)定回流焊溫度相同。例如，應(yīng)力消除層和熔 接層可以采用相同的焊料。第一預(yù)定回流焊溫度可以高于第二預(yù)定回流焊溫度， 因此可回流焊應(yīng)力消除層不會在第二預(yù)定回流焊溫度下回流焊。
可回流焊應(yīng)力消除層可以比可回流焊熔接層厚。第一不可回流悍層可以位 于種子層上。第一熔化溫度可以與第二熔化溫度相同；例如，第一金屬層和第 二金屬層可以采用相同的金屬。第二不可回流焊金屬層可以比第一不可回流焊 金屬層厚。第一和第二不可回流焊金屬層每層可以采用銅、鎳或錫金屬?？苫?流焊應(yīng)力消除層也可以采用錫、銦、錫-鉛合金，錫-鉍合金、錫-銅合金、錫-銀合金或錫-銀-銅合金。
發(fā)明的各個方面可以實施起來實現(xiàn)一或多重潛在優(yōu)勢。將應(yīng)力消除裝置， 例如一或多層可回流焊應(yīng)力消除層，作為倒裝芯片互連構(gòu)件的一部分，在基層 或沿著互連構(gòu)件的主體層產(chǎn)生的機械應(yīng)力可以得到消除，因為應(yīng)力消除裝置可 以作為震動吸收裝置吸收產(chǎn)生的應(yīng)力。與傳統(tǒng)的互連構(gòu)件相比，本發(fā)明公開的 倒裝芯片互連構(gòu)件和技術(shù)具有相似或更好的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)大規(guī)模低成本的生 產(chǎn)。
此外，與采用長銅端柱倒裝芯片結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明公開的倒裝芯片互連構(gòu) 件和技術(shù)通過并入一或多層應(yīng)力消除層(例如可回流焊焊料層)，提供更為可靠 和牢固的互連。例如，熱感應(yīng)機械應(yīng)力影響可以通過具有大縱橫比的互連構(gòu)件 和應(yīng)力消除裝置得到消除。另外，與焊接凸點倒裝芯片結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明公開 的倒裝芯片互連構(gòu)件和技術(shù)可以具有坍塌可控焊接凸點，無需使用焊堤防止過 焊，使用導(dǎo)熱良好的(例如銅)主體層具有更好的熱傳導(dǎo)能力，不需要在倒裝 芯片組裝之前在凸點級別上進行焊料回流焊。


圖1A和1B為半導(dǎo)體芯片上具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片互連構(gòu)件截面圖 (其中圖1B是回流焊后的截面圖)。
圖1C和1D為半導(dǎo)體芯片和支持基板之間具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片互連構(gòu)件截面圖(其中圖1D是回流焊后的截面圖)。
圖2為本發(fā)明實施例之一的制造具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片的方法流程圖。
圖3為支持基板具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片互連構(gòu)件截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明公開的實施例涉及一種將半導(dǎo)體芯片電氣連接至支持基板的倒裝芯 片互連構(gòu)件，以及制造該倒裝芯片互連構(gòu)件的方法?；ミB構(gòu)件在倒裝組裝件中 有如下一些功能，從電氣上來說，互連構(gòu)件可以提供從芯片到支持基板的傳導(dǎo) 通路；互連構(gòu)件也可以提供熱傳導(dǎo)通路，將芯片的熱量傳遞到支持基板；另外， 互連構(gòu)件也能夠?qū)⑿酒糠只蛉繖C械貼裝到支持基板；此外，互連構(gòu)件也可 以作為一間隔區(qū)，用來防止芯片和支持基板上導(dǎo)體之間的電氣接觸，同時作為 消除裸片和基板之間機械應(yīng)力的短引線。
圖1A為具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片互連構(gòu)件100的截面圖。如上所述， 倒裝芯片互連構(gòu)件100用于將半導(dǎo)體芯片102連接至支持基板(未圖示)。該半 導(dǎo)體芯片102具有一個或多個焊盤104，該焊盤通過倒裝芯片互連構(gòu)件100將半 導(dǎo)體芯片102電氣連接至其他的部件。半導(dǎo)體芯片102同時具有一保護性的應(yīng) 力消除層106 (例如絕緣膜)作為保護半導(dǎo)體芯片102表面的鈍化層，吸收來自 倒裝芯片互連構(gòu)件100的應(yīng)力。 一種子層108 (例如凸點下金屬化層)可以用于 例如改進倒裝芯片互連構(gòu)件100和焊盤104之間的粘著力。另外，種子層108 可以作為防擴散膜，以防止倒裝芯片互連構(gòu)件100和焊盤104之間的金屬互相 擴散。在其他實施方式中，種子層108可以是倒裝芯片互連構(gòu)件100的一部分。
倒裝芯片互連構(gòu)件100可以為突點狀(例如圓形或矩形)，包括一連串在一 預(yù)定高溫下的可回流焊層和不可回流焊層。例如，假設(shè)不可回流焊層由銅和/或 鎳材料構(gòu)成，可回流焊層由共晶鉛/錫焊料構(gòu)成。在一預(yù)定的約為210° C的高 回流焊溫度下，共晶鉛/錫焊料開始熔化，回流焊為一不同的形狀(例如球形)， 而不可回流焊層不會熔化，保持固態(tài)。通常，可以根據(jù)預(yù)定的高溫區(qū)分該層為 可回流焊層或不可回流焊層。因此，在一個實施例中，由某種特定材料構(gòu)成的 一層可以被劃分為不可回流焊層；然而在另外一個實施例中，由于預(yù)定高溫升 高了，同樣的該材料構(gòu)成的層可以被劃分為可回流焊層。
舉例而言，假設(shè)一第一倒裝芯片互連構(gòu)件包括一由錫構(gòu)成的層，其熔化溫度約為231° C，以及由銦構(gòu)成的層，其熔化溫度約為156° C。由于回流焊溫度 通?？梢员热刍瘻囟雀?0 30度，在預(yù)定的170° C左右高溫下，由銦構(gòu)成的 層會開始回流焊，改變其形狀，而由錫構(gòu)成的層則不會回流焊。因此，在該第 一倒裝芯片互連構(gòu)件中，由錫構(gòu)成的層可以被認為是不可回流焊層，而由銦構(gòu) 成的層可以被認為是回流焊層。
另一方面，假設(shè)一第二倒裝芯片互連構(gòu)件包括一由錫構(gòu)成的層，和一由銅 構(gòu)成的層，其熔化溫度遠遠高于錫。在一預(yù)定的約為245° C的回流焊溫度下(該 溫度比熔化溫度高10 30度)，由錫構(gòu)成的層將開始回流焊，改變其形狀，而 由銅構(gòu)成的層則不會回流焊。因此在該第二倒裝芯片互連構(gòu)件中，由銅構(gòu)成的 層可以被認為是不可回流焊層，而由錫構(gòu)成的層(在第一倒裝芯片互連構(gòu)件中 層曾被認為是不可回流焊層)可以被認為是可回流焊層。
^如圖1A所示，倒裝芯片互連構(gòu)件100包括不可回流煤基層110 (也稱^^為 第一不可回流焊金屬層)，該基層通過種子層108與半導(dǎo)體芯片102的焊盤104 接觸。不可回流焊基層U0包括，例如一或多層由銅、鎳、錫和任何合適的上 述金屬的合金(例如錫-鉍、錫-銅或錫-銀)構(gòu)成的金屬層。在一些實施例中， 不可回流焊基層110由銅制成。在一個實施例中，不可回流焊基層110是一未 被延長的銅層，該銅層的尺寸可以為，例如厚度少于25微米，寬度或直徑為50 250微米。此外，如上所述，倒裝芯片互連構(gòu)件100的形狀可以是圓形、八邊形、 矩形或任何其他形狀。
倒裝芯片互連構(gòu)件100還包括置于不可回流焊基層110之上的可回流焊應(yīng) 力消除層112。該回流焊應(yīng)力消除層112可以包括，例如由錫、銦、錫-鉛合金、 錫-鉍合金、錫-銅合金、錫-銀合金和其他任何上述材料合成的合適的三元合金 (例如錫-銀-銅合金)構(gòu)成的焊料。在一些實施例中，可回流焊應(yīng)力消除層112 為一錫焊層。如上所述，可回流焊應(yīng)力消除層112的熔化溫度比焊料的預(yù)定回 流焊溫度低10 30度。在一些實施例中，可回流焊應(yīng)力消除層112上沉積的悍 料量厚度為25 50微米。
倒裝芯片互連構(gòu)件100同時還包括不可回流焊主體層114(也稱之為第二不 可回流焊金屬層)，該主體層可以作為倒裝芯片互連構(gòu)件100的主要部分或者延 長部分。不可回流焊主體層114被置于可回流焊應(yīng)力消除層112上。不可回流 焊主體層114包括，例如一或多層由銅、鎳、錫和任何上述金屬合成的合適的 合金(例如錫-鉍、錫-銅或錫-銀)構(gòu)成的金屬層。在一些實施例中，主體層114由銅制成。在一個實施例中，主體層114和基層110可以是由相同的金屬材料 制成，例如不可回流焊層110和114兩者都可以是銅金屬層。
在另外一個實施例中，主體層114的材料可以跟基層110不同。例如主體 層114可以是銅金屬層，而基層110可以是鎳金屬層。例如，延長的不可回流 焊主體層114的厚度或高度可以在50 100微米之間，寬度或直徑在50 250 微米之間。此外，如上所述，倒裝芯片互連構(gòu)件100的突點形狀可以是圓形、 八邊形、矩形或任何其他的形狀。
倒裝芯片互連構(gòu)件100還包括一置于不可回流焊主體層114上的可回流焊 熔接層116。該可回流焊熔接層可用于回流焊后熔接支持基板(未圖示)。該可 回流焊熔接層116包括，例如由錫、銦、錫-鉛合金、錫-銦合金、錫-銅合金、 錫-銀合金和其他任何上述材料合成的合適的三元合金(例如錫-銀-銅合金)構(gòu) 成的焊料。在一些實施例中，可回流焊熔接層116為一錫焊料層。此外，可回 流焊熔接層116和可回流焊應(yīng)力消除層112兩者可以由相同的焊料構(gòu)成，在相 同的預(yù)定回流焊溫度下回流焊。在一些實施例中，可回流焊熔接層116沉積的 焊料量厚度為15 35微米。
如圖1B所示，在倒裝芯片組裝之前的一個可選的回流焊程序之后，由于焊 料在回流焊溫度回流焊的緣故，倒裝芯片互連構(gòu)件100的形狀可能會有輕微的 不同。例如，根據(jù)焊料量，可回流焊熔接層116可以在回流焊后變成半球狀或 球狀。另外，可回流焊應(yīng)力消除層U2可以在回流焊后變成薄餅狀。如上所述， 倒裝芯片互連構(gòu)件100的潛在優(yōu)勢之一是晶圓級別的回流焊是可選的程序，在 構(gòu)成倒裝芯片組裝件之前并沒有要求。
在一些實施例中，可回流焊應(yīng)力消除層112可以被設(shè)計成具有比可回流悍 熔接層116更高的回流焊溫度。在這種情況下，倒裝芯片互連構(gòu)件100可以(在 更高的回流焊溫度)在晶圓級別上回流焊以首先產(chǎn)生可回流焊應(yīng)力消除層112 的可控坍塌。另外，盡管可回流焊熔接層116在更高的溫度時也回流焊，由于 用于可回流焊熔接層116的焊料可以較少，該層回流焊得并不厲害。因此，倒 裝芯片組裝的可回流焊熔接層116可以在一第二預(yù)定回流焊溫度(低于第一預(yù) 定回流焊溫度，應(yīng)力消除層112不回流焊)下回流焊，使得半導(dǎo)體芯片102及 其支持基板結(jié)合起來。
圖1C為回流焊前包括半導(dǎo)體芯片102、倒裝芯片互連構(gòu)件100和支持基板 的金屬互連件120的倒裝芯片組裝件150截面圖。 一旦倒裝芯片互連構(gòu)件100制作完成，在構(gòu)成倒裝芯片組裝件之前半導(dǎo)體芯片102可以被倒向浸入助焊劑。 助焊劑用于去除電路基板的金屬互連件120上的氧化物，改善焊料焊接。在一 個實施例中，倒裝芯片互連構(gòu)件100僅有熔接層116浸沒在助焊劑中。倒裝芯 片互連構(gòu)件100制造的詳細內(nèi)容將在下面介紹附圖2的說明書部分討論。
圖1D為回流焊后倒裝芯片組裝件150的截面圖。如上面討論過的，倒裝芯 片組裝件150的回流焊溫度可以是一預(yù)定的高溫，該高溫是根據(jù)可回流焊應(yīng)力 消除層112和可回流焊熔接層116的成分決定的。例如，假設(shè)可回流焊應(yīng)力消 除層112和可回流焊熔接層116都是由錫焊料制成。由于錫焊料的緣故，倒裝 芯片組裝件150的回流焯溫度約為245° C。如圖1D所示，對回流焊后的倒裝芯 片組裝件150而言，互連構(gòu)件100的可回流焊熔接層116已經(jīng)和金屬互連件120 熔接起來。
此外，可回流焊應(yīng)力消除層112位于基層110和延長的主體層114之間。 在一個實施例中，互連構(gòu)件100可以具有多于一層的可回流焊應(yīng)力消除層112。 例如，另外的不可回流焊主體層114可以被穿插在一層或一層以上的可回流焊 應(yīng)力消除層112之間。在這種情況下，可回流焊應(yīng)力消除層112可以被一夾層 結(jié)構(gòu)替換，該夾層結(jié)構(gòu)包括一連串可回流焊應(yīng)力消除層112+不可回流焊主體層 114+可回流焊應(yīng)力消除層112+不可回流焊主體層114+可回流焊應(yīng)力消除層112， 如此反復(fù)排列。在一些實施例中，互連構(gòu)件100的每層(例如可回流焊層或不 可回流焊層)都包括一或一層以上。例如可回流焊應(yīng)力消除層112可以包括一 由第一種材料(例如錫)構(gòu)成的第一層， 一由第二種材料(例如銦)構(gòu)成的第 二層， 一由第三種材料(例如鉍)甚至是第一種材料構(gòu)成的第三層等多層結(jié)構(gòu)。
倒裝芯片互連構(gòu)件100可以被設(shè)計成能承受在半導(dǎo)體芯片102工作過程中， 由于溫度變化和半導(dǎo)體芯片102及其支持基板之間由于熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生的不同 機械切線應(yīng)力。例如，當半導(dǎo)體芯片102及其支持基板都處于高溫時，它們會 以不同的速率產(chǎn)生不同尺寸的膨脹，從而導(dǎo)致產(chǎn)生倒裝芯片互連構(gòu)件100的機 械應(yīng)力。
通過加入一或多層可回流焊應(yīng)力消除層112，倒裝芯片互連構(gòu)件100具有震 動吸收功能，能夠適應(yīng)熱感應(yīng)機械應(yīng)力。這是由于應(yīng)力消除層112能夠減少互 連構(gòu)件100的硬度，具有能吸收產(chǎn)生的機械應(yīng)力的柔韌組織的功能。另外，可 以增加互連構(gòu)件100的縱橫比(例如高度和直徑的比例)，從而進一步增強應(yīng)力 消除層112的吸收功能。并且，如上面所討論的，由于不需要錫堤防止過焊，倒裝芯片互連構(gòu)件100可以具有回流焊后的枬塌可控功能，幫助焊料定型。
另外，可以通過設(shè)計可回流焊應(yīng)力消除層112使得應(yīng)力消除層112的回流 焊焊料基本上不會回流焊進入鄰接的不可回流焊主體層114和不可回流焊基層 110。例如，在不可回流焊基層110和不可回流焊主體層114的側(cè)壁可能產(chǎn)生氧 化作用(例如由于氧化作用產(chǎn)生的氧化銅)。而且，應(yīng)力消除層112的回流焊的 焊料和鄰接的不可回流焊層之間接觸角大約為180° ，實質(zhì)上是沒有潤濕角用于 回流焊的焊料。除此之外，與可回流焊熔接層116不同，應(yīng)力消除層112的回 流焊焊料在回流焊時不需要助焊劑?；谏鲜鲈?，應(yīng)力消除層112的回流焊 焊料可以防止過焊進入鄰接的不可回流焊層(110和114)。
圖2為本發(fā)明實施例之一的制造具有應(yīng)力消除裝置的倒裝芯片互連構(gòu)件的 工藝200流程圖。通常，示出的流程包括在半導(dǎo)體芯片的焊盤上表面沉積一系 列的可回流焊層和不可回流焊層。如上所述，倒裝芯片互連構(gòu)件可以包括一不 可回流焊基層，該基層與半導(dǎo)體芯片上的焊盤接觸， 一被延長的不可回流焊主 體層， 一可回流焊應(yīng)力消除層位于不可回流焊基層和不可回流焊主體層中間， 一可回流焊熔接層，該熔接層與支持基板上的金屬互連件接觸。
在該實施例中，工藝200在步驟205中，制作一具有焊盤的半導(dǎo)體芯片， 該焊盤可以是例如鋁、金、銅焊盤。與線焊不同，倒裝芯片組裝件采用通過由 半導(dǎo)體芯片的焊盤上形成的導(dǎo)電互連裝置，將半導(dǎo)體芯片面朝下電氣連接至一 支持基板上。步驟210，在半導(dǎo)體芯片的表面沉積一絕緣層，該絕緣層可以是， 例如硅氧化物，硅氮化物，聚酰亞胺，BCB膜，或者任何上述材料的組合。該絕 緣層可以作為保護半導(dǎo)體芯片表面的鈍化層，和防止應(yīng)力穿透到硅的應(yīng)力緩沖 層?？梢允峭ㄟ^旋涂制程或任何合適的化學氣相沉積制程沉積絕緣層。
在步驟215，工藝200在絕緣層上制作幾個開口使得半導(dǎo)體芯片焊盤的一部 分暴露出來。該步驟可以實施光刻法制作，例如先在光刻膠層上光刻出圖案， 然后通過光刻膠光刻出的開口蝕刻絕緣層(例如在等離子反應(yīng)器中進行反應(yīng))。 可選的，可光刻的絕緣層(例如聚酰亞胺或BCB)可以用于設(shè)定圖案，形成開口。 在一個實施例中，鈍化流程(例如工藝200的步驟215)可以包括(1)沉積硅 氧化物和氮化物，(2)旋涂可光刻聚酰亞胺，(3)實施光刻工藝，在聚酰亞胺 上形成開口，以及(4)使用具有光刻圖案的聚酰亞胺作為掩膜來干蝕刻硅氧化 物/氮化物鈍化層。
在焊盤被設(shè)置開口后，在工藝200的步驟220中，通過反應(yīng)濺射法、熱蒸發(fā)等方法沉積倒裝芯片互連構(gòu)件的種子層。另外本發(fā)明工藝200通過清洗、除 去絕緣氧化物來制備半導(dǎo)體芯片的焊盤上倒裝芯片互連點，提供焊盤冶金保護 半導(dǎo)體芯片，同時實現(xiàn)焊點和支持基板間良好的機械和電氣連接。
種子層通?？梢园ㄟB續(xù)的金屬層，例如粘著層和擴散阻擋層。例如，粘 著層可以很好地粘著到焊盤金屬和周圍絕緣層，提供一可靠的、低應(yīng)力的機械 和電氣連接。擴散阻擋層可以限制焊料擴散進入下面的材質(zhì)。在一個實施例中， 鈦基膜或鉻基膜可以作為粘著層，鎳或鎢基膜可以作為擴散阻擋層。在一些實 施例中，鈦/鎢/銅或鈦/銅合金用于作為種子層。此外，種子層可以在半導(dǎo)體芯 片的整個表面濺射或蒸發(fā)，為電鍍電流提供良好的導(dǎo)電路徑。
在步驟225中，本發(fā)明工藝200通過例如電鍍的方法沉積倒裝芯片互連構(gòu) 件的不可回流焊基層。如上所述，不可回流焊基層可以包括，例如一層或多層 由銅、鎳、錫或任何上述材料制成的合適的合金(例如錫-鉍，錫-銅或錫-銀) 構(gòu)成的金屬層。在一些實施例中，沉積銅作為不可回流焊基層。例如，沉積不 可回流焊基層形成一不可延長金屬層，該金屬層的尺寸為，例如厚度少于25微 米，直徑為50 250微米。在一個實施例中，可以用電鍍法沉積銅作為不可回 流焊基層。不可回流焊基層的電鍍法比蒸發(fā)法更經(jīng)濟更靈活。電鍍槽溶液和電 流密度可以小心地得到控制，避免合金成分和半導(dǎo)體芯片上銅的厚度或高度的 變化。
步驟230中，本發(fā)明工藝200通過例如電鍍的方法沉積倒裝芯片互連構(gòu)件 的可回流焊應(yīng)力消除層。該可回流焊應(yīng)力消除層可以包括，例如由錫、銦、錫-鉛合金，錫-鉍合金，錫-銅合金，錫-銀合金和任何上述材料制成的合適的三元 合金(例如錫-銀-銅合金)構(gòu)成的焊料。在一些實施例中，錫被沉積作為可倒 裝芯片互連構(gòu)件的回流焊應(yīng)力消除層。另外，可回流焊應(yīng)力消除層在一預(yù)定的 高溫下回流焊，該回流焊溫度與焊料的回流焊溫度有關(guān)，可以比焊料熔化溫度 高10 30度。
在一個實施例中，可回流焊應(yīng)力消除層沉積的焊料量(例如厚度)可以根 據(jù)倒裝芯片互連構(gòu)件的層結(jié)構(gòu)和總的幾何形態(tài)預(yù)先設(shè)定。例如，應(yīng)力消除層的 厚度可以與不可回流焊主體層厚度成一定比例。在這種情況下，應(yīng)力消除層可 以有充足的材料作為震動吸收裝置吸收產(chǎn)生的機械應(yīng)力。在一些實施例中，可 回流焊應(yīng)力消除層沉積的焊料量厚度為25 50微米。
在沉積完不可回流焊應(yīng)力消除層后，步驟235中，本發(fā)明工藝200通過如電鍍的方法沉積倒裝芯片互連構(gòu)件的不可回流焊主體層。該不可回流焊主體層 可以作為倒裝芯片互連構(gòu)件的主要部分或者延長部分。另外，該不可回流焊主 體層可以包括，例如一層或多層由銅、鎳、錫或任何上述材料制成的合適的合
金(例如錫-鉍，錫-銅或錫-銀)構(gòu)成的金屬層。在一些實施例中，工藝200 電鍍銅作為延長的可回流焊主體層，厚度為50 70微米，寬或直徑為50 250 微米。
在步驟240中，本發(fā)明工藝200通過例如電鍍的方法沉積倒裝芯片互連構(gòu) 件的可回流焊熔接層。該熔接層可以包括，例如由錫、銦、錫-鉛合金，錫-鉍 合金，錫-銅合金，錫-銀合金和任何上述材料制成的合適的三元合金(例如錫-銀-銅合金)構(gòu)成的焊料。另外，可回流焊熔接層在一預(yù)定的高溫下熔化，該高 溫與焊料的回流焊溫度有關(guān)。在一個實施例中，可回流焊熔接層和可回流焊應(yīng) 力消除層可以是由相同的焊料構(gòu)成，在相同的回流焊溫度下回流焊。
可回流焊熔接層的焊料量可以預(yù)先確定，從而當回流焊過程中焊料處于熔 化狀態(tài)時，絕大部分的可回流焊熔接層可以保持在互連部位(例如圖1B中的金 屬互連件)。在一些實施例中，可回流焊熔接層沉積的焊料量厚度為15 35微 米。在這種情況下，過焊的問題可以得到避免，也無需使用錫堤。例如，電鍍 制程可以更好地控制沉積的焊料量，使焊料更均勻地沉積在半導(dǎo)體芯片上?？?回流焊熔接層的焊料量與下面各種因素有關(guān)焊料種類；不可回流焊主體層尺 寸，互連部分的材料，半導(dǎo)體裸片塊，銅端柱的數(shù)量，焊料回流焊時的回流焊 溫度曲線，預(yù)期的回流焊焊料和銅端柱的最終尺寸，助焊劑種類。
本發(fā)明公開了一些實施例。然而可以預(yù)見的是在不脫離本發(fā)明描述的實施 例的范圍和精神的情況下可以進行各種修改。例如，圖3為具有一應(yīng)力消除裝 置的倒裝芯片互連構(gòu)件，該應(yīng)力消除裝置沉積在支持基板或互連基板上，而非 半導(dǎo)體芯片上。如上所述，倒裝芯片互連構(gòu)件100可用于將半導(dǎo)體芯片(未圖 示)連接至支持基板302。支持基板302具有一或多層金屬互連件120，提供支 持基板302跟其他設(shè)備之間的電氣連接。支持基板302同時還具有一保護層(例 如一絕緣膜)作為焊料掩膜層保護支持基板302的保護表層。
如圖3所示，倒裝芯片互連構(gòu)件100包括一不可回流焊基層110，連接支持 基板302的金屬互連件120。在一些實施例中，不可回流焊基層110由銅制成。 例如，不可回流焊基層110可以是不可延長的金屬層，其尺寸為例如厚度少于 IO微米，寬度或直徑為50 250微米。制作倒裝芯片互連構(gòu)件100的細節(jié)及其它部件已經(jīng)在對圖2的闡述中討論 過了。
權(quán)利要求
1.一種倒裝芯片組裝件，包括半導(dǎo)體工件；多個互連構(gòu)件，連接至半導(dǎo)體工件，每個互連構(gòu)件包括第一不可回流焊金屬層，與半導(dǎo)體工件電連接；第二不可回流焊金屬層；至少一層可在第一預(yù)定回流焊溫度下進行回流焊的可回流焊應(yīng)力消除層；其中所述的可回流焊應(yīng)力消除層位于第一和第二不可回流焊金屬層之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的半導(dǎo) 體工件上具有一個或多個焊盤，用于連接互連構(gòu)件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的互連 構(gòu)件還包括有種子層沉積在所述的焊盤上，用于改進互連構(gòu)件和半導(dǎo)體工件上 焊盤之間的粘著力。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第一 不可回流焊層具有高于第一預(yù)定回流焊溫度的第一熔化溫度，其中所述的第二 不可回流焊層具有高于第一預(yù)定回流焊溫度的第二熔化溫度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第一 熔化溫度與第二熔化溫度相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的可回 流焊應(yīng)力消除層的熔化溫度比第一預(yù)定回流焊溫度比低10 30度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，還包括支持基板， 其中所述的每個互連構(gòu)件還包括與支持基板連接的可回流焊熔接層，在第二預(yù) 定回流焊溫度下能夠被回流焊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第一 預(yù)定回流焊溫度與第二預(yù)定回流焊溫度相同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第一 預(yù)定回流焊溫度高于第二預(yù)定回流焊溫度，從而使得可回流焊應(yīng)力消除層不會 在第二預(yù)定回流焊溫度下被回流焊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第 一和第二不可回流焊金屬層，分別為銅、鎳或錫構(gòu)成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第 二不可回流焊金屬層比第一不可回流焊金屬層厚。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的可 回流焊應(yīng)力消除層是由錫、銦、錫-鉛合金，錫-鉍合金、錫-銅合金、錫-銀合 金或錫-銀-銅合金中的一種構(gòu)成。
13. —種制造倒裝芯片組裝件的方法，該方法包括 提供一半導(dǎo)體工件，具有一個或多個焊盤；沉積第一不可回流焊金屬層，該不可回流焊金屬層具有高于第一預(yù)定回流 焊溫度的第一熔化溫度；沉積可回流焊應(yīng)力消除層，該可回流焊應(yīng)力消除層在第一預(yù)定回流焊溫度 下能被回流焊；沉積第二不可回流焊金屬層，該不可回流焊金屬層具有高于第一預(yù)定回流 焊溫度的第二熔化溫度，從而使得沉積的不可回流焊應(yīng)力消除層位于第一和第 二不可回流焊金屬層之間。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的第一預(yù)定回流 焊溫度比可回流焊應(yīng)力消除層的熔化溫度高10 30度。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括 沉積可回流焊熔接層，該可回流焊熔接層在第二預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述的第一預(yù)定回流 焊溫度與第二預(yù)定回流焊溫度相同。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述的第一預(yù)定回流 焊溫度高于第二預(yù)定回流焊溫度，從而使得可回流焊應(yīng)力消除層不會在第二預(yù) 定回流焊溫度下被回流焊。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，其中所述的沉積的可回流焊應(yīng)力消除層比沉積的可回流焊熔接層厚。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括在一或多個焊盤上圖案光刻出具有開口的絕緣層； 在每個焊盤上沉積種子層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，其中所述的沉積的第一不可回流焊金屬層位于沉積的種子層上。
21. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的第一熔化溫度 與第二熔化溫度相同。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的沉積的第二不 可回流焊金屬層比沉積的第一不可回流焊金屬層厚。
23. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的第一和第二不 可回流焊金屬層，分別為銅、鎳或錫構(gòu)成。
24. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的沉積的可回流 焊應(yīng)力消除層由錫、銦、錫-鉛合金，錫-鉍合金、錫-銅合金、錫-銀合金或錫-銀-銅合金中的一種構(gòu)成。
25. —種倒裝芯片組裝件，包括 支持基板；多個互連構(gòu)件，連接至支持基板，其中每個互連構(gòu)件包括 第一不可回流焊金屬層，與支持基板電連接； 第二不可回流焊金屬層；以及互連構(gòu)件應(yīng)力消除裝置。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的應(yīng)力 消除裝置包括在第一預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊、位于第一不可回流焊金屬 層和第二不可回流焊金屬層之間的可回流焊應(yīng)力消除層，每個互連構(gòu)件還包括 在第二預(yù)定回流焊溫度下能被回流焊的可回流焊熔接層。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的第一 預(yù)定回流焊溫度比第二預(yù)定回流焊溫度高，因此可回流焊應(yīng)力消除層不會在第 二預(yù)定回流焊溫度下被回流焊。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，還包括半導(dǎo)體工 件，其中所述的每個互連構(gòu)件還包括與半導(dǎo)體工件電連接的可回流焊熔接層， 在第二預(yù)定回流焊溫度下能夠被回流焊，用于熔接半導(dǎo)體工件。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，其中所述的互 連構(gòu)件還包括種子層，沉積在所述支持基板的金屬互連件上，用于改進互連構(gòu) 件和支持基板上金屬互連件之間的粘著力。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的倒裝芯片組裝件，其特征在于，還包括支持基板上的金屬互連件；互連構(gòu)件還包括種子層，該種子層沉積在上述金屬互連件上， 該種子層之上依次為第一不可回流焊金屬層、作為互連構(gòu)件應(yīng)力消除裝置的不 可回流焊應(yīng)力消除層、第二不可回流焊金屬層，第二不可回流焊金屬層通過可 回流焊熔接層與半導(dǎo)體工件電連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了倒裝芯片的組裝件及其制作方法，目的是解決現(xiàn)有采用長銅端柱的倒裝芯片互連構(gòu)件及其制造方法可能會使半導(dǎo)體芯片經(jīng)受熱感應(yīng)機械應(yīng)力影響其可靠性的問題，該組裝件包括半導(dǎo)體工件、與半導(dǎo)體工件連接的多個互連構(gòu)件，每個互連構(gòu)件包括與半導(dǎo)體工件接觸的第一不可回流焊金屬層，與半導(dǎo)體工件接觸、第二不可回流焊金屬層，至少一層可在第一預(yù)定回流焊溫度下進行回流焊的可回流焊應(yīng)力消除層；該可回流焊應(yīng)力消除層位于第一和第二不可回流焊金屬層之間。上述方法包括在半導(dǎo)體工件上依次沉積上述金屬層的步驟。
文檔編號H01L21/60GK101567349SQ20081017435
公開日2009年10月28日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月30日
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