專利名稱：電子部件、半導(dǎo)體封裝件和電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含在電極片(electrode pad)上的阻擋金屬層的電子部件、半導(dǎo)體封裝件和電子器件。
背景技術(shù)：
近年來與更高性能的電子器件相關(guān)的是，在半導(dǎo)體封裝件中日益需要更高密度的裝配。在用于提供這種高密度的半導(dǎo)體封裝件的方法的一個(gè)實(shí)例中，在LSI芯片的表面的電極片上形成焊料凸起，并且使用倒裝法連接，將LSI芯片與插入式(interposer)基板或母板如積層(build-up)基板和柔性基板連接，或者與另一個(gè)LSI芯片連接。通常，當(dāng)在倒裝法連接中使用由例如SnPb、SnAg> SnCu> SnAgCu> SnZn> SnZnBi和SnIn制成的焊料凸起時(shí),主要制成焊料凸起的Sn在回流和結(jié)合處理、修復(fù)過程中，或者當(dāng)產(chǎn)品在高溫下使用時(shí)，擴(kuò)散到由LSI芯片的Al或Cu制成的電極片和布線中，從而在一些情況下導(dǎo)致電的問題。為了防止擴(kuò)散，在電極片和焊料凸起之間使用在防止焊料擴(kuò)散方面非常有效的UBM(下凸起金屬)(阻擋金屬層)。作為具有阻擋能力的UBM的一個(gè)典型實(shí)例，通常使用通過電解鍍敷形成的Ni或通過無電鍍敷形成的NiP。這是因?yàn)榕cSn相比，Ni不太可能擴(kuò)散，使得即使在高溫下存儲(chǔ)之后也可以保持阻擋特性。然而，因?yàn)镹i不具有良好的潤濕性(粘附性)，因此通常通過電解電鍍或置換電鍍?cè)贜i或NiP的表面上形成與焊料具有良好的潤濕性的Au，以確保焊料潤濕性。近年來，CSP (芯片小心/尺寸封裝)和BGA (球柵陣列)越來越多地用于在印刷布線基板上以高密度裝配半導(dǎo)體封裝件，并且將焊料凸起用于半導(dǎo)體封裝件中的二次連接。在這些情況下，插入式基板和印刷布線基板典型地使用Cu布線和Cu電極。為了防止因在回流操作中產(chǎn)生的熱量，而在焊料中的組分?jǐn)U散到Cu布線中所導(dǎo)致的電問題，通常在Cu電極片和焊料凸起之間設(shè)置UBM，而所述UBM是由在其上通過電解電鍍形成Au膜的Ni膜或者在其上通過無電電鍍形成Au膜的NiP膜所形成的。在相關(guān)技術(shù)的連接結(jié)構(gòu)中，當(dāng)使用厚度約為Ium的銅作為在電極片和焊料凸起之間的中間金屬層時(shí)，在回流操作過程中大部分銅擴(kuò)散到焊料凸起中，從而不利地導(dǎo)致在中間金屬層和焊料凸起之間的粘附性降低的問題，因而導(dǎo)致可靠性的降低。此外，當(dāng)通過濺射或其它方法在中間金屬層中形成磁性材料的鎳時(shí)，出現(xiàn)工作效率降低的問題。人們已經(jīng)嘗試了通過使用由特殊的合金制成的UBM來解決上述問題。
這樣的UBM的實(shí)例可以包括如在日本專利公開06-084919所述的Ni、NiP、大的膜厚度的Cu、和CuNi。

圖14是其中由CuNi合金制成的阻擋金屬層(UBM)將電極片與焊料凸起連接的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在示于圖14中的連接結(jié)構(gòu)中，阻擋金屬層(UBM) 105使用CuNi合金。與在典型的真空氣相沉積中獲得的那些相比，這樣的UBM 105不僅防止在中間金屬層104和焊料凸起106之間的粘附性的降低，而且增加膜均勻性、膜強(qiáng)度、成膜效率和可靠性,并且降低成本。日本專利公開2002-203925提出了其中在作為UBM的NiP膜上設(shè)置Au膜的連接結(jié)構(gòu)，或者其中在NiCuP膜上設(shè)置Au膜的連接結(jié)構(gòu)。圖15是其中由NiP合金或NiCuP合金制成的UBM將電極片與焊料凸起連接的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在該連接結(jié)構(gòu)中，在金屬布線108上形成NiP層(或NiCuP層)109，并且進(jìn)一步形成高的P-Ni層(或NiCu層)110和NiSn合金層(或NiCuSn合金層)111，以將金屬布線108與焊料凸起112連接。這種防止Kirkendall孔隙產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)粘合強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
(在相關(guān)技術(shù)中的問題)(a)在常規(guī)的LSI芯片和布線基板如印刷基板和柔性基板中，在Al或Cu電極片上，形成其中在電解Ni膜上設(shè)置了 Au膜的UBM或者在無電鍍NiP膜上設(shè)置了 Au膜的UBM。UBM用于連接電極片和由例如SnAg、SnAgCu> SnCu和SnPb制成的焊料凸起。然而，當(dāng)使用這樣的UBM時(shí)，可能在在焊料凸起和阻擋金屬層(UBM)之間的界面上，形成Ni-富含合金，如針狀Ni3Sn4或(Ni，Cu)3Sn4。在其中形成這樣的Ni-富含合金的連接結(jié)構(gòu)中，當(dāng)應(yīng)力或沖擊被施加到結(jié)合界面上時(shí)，Ni-富含合金層通常斷裂，因此結(jié)合強(qiáng)度降低。特別是，當(dāng)焊料固有地根本不含Cu時(shí)，或者在焊料中的Cu的量小時(shí)，合金層越來越趨向于斷裂，因此結(jié)合強(qiáng)度降低。除上述那些以外，還可以想到其它的電子部件，其中，在焊料中的Cu含量較高(約
0.5至1% )，并且在UBM和焊料之間的界面上的合金層中形成由例如Cu6Sn5、(CujNi)6Sn5,Cu3Sn> (Cu7Ni)3Sn制成的Cu-富含合金層。然而，即使也在這種情況下，當(dāng)電子部件在 高溫環(huán)境中長時(shí)間使用時(shí)，在焊料凸起中的Cu也被耗盡。結(jié)果，在UBM和焊料凸起之間的界面中的Cu含量降低，并且逐漸形成Ni-富含的(Ni, Cu)3Sn4或Ni3Sn4金屬間化合物,從而導(dǎo)致在形成這種金屬間化合物的這部分中發(fā)生斷裂，從而降低結(jié)合強(qiáng)度的現(xiàn)象的發(fā)生。即，當(dāng)預(yù)定組成的UBM的組合物導(dǎo)致在連接界面上的幾乎全部的Cu-富含合金轉(zhuǎn)化為Ni-富含合金并且Cu-富含合金不存在時(shí)，發(fā)生結(jié)合強(qiáng)度降低現(xiàn)象。為了防止上述問題，必需使用防止在UBM和焊料凸起之間的界面僅被針狀的Ni-富含合金覆蓋的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中使用的Ni-富含合金指在UBM和焊料之間的界面形成含Cu/Ni的合金，并且該含Cu/Ni的合金具有高于Cu的含量的Ni含量，即Ni/Cu > I (基于原子數(shù)計(jì))的。相反地，將滿足Ni/Cu < I (基于原子數(shù)計(jì))的合金定義為Cu-富含合金。(b)在小的面積內(nèi)包含大量電極片的高密度LSI芯片和布線基板中，即使在沒有電鍍引線(lead wire)或晶種子層存在作為UBM材料時(shí)，也通常使用在其上的Au膜能夠以低成本形成UBM的無電鍍NiP膜。然而，在其上形成有通過無電鍍形成的Au膜的NiP膜中，當(dāng)將NiP膜連接到焊料凸起上時(shí)，在UBM中的Ni擴(kuò)散到焊料凸起中，并且在一些情況下，在焊料凸起和UBM之間的界面上形成P-富含層，如P-富含CuNiP層和P-富含NiP層(主要由Ni3P構(gòu)成的層)。在上述層之中特別硬而脆的P-富含NiP層中可能出現(xiàn)裂紋，并且當(dāng)施加熱應(yīng)力沖擊、落錘沖擊或其它沖擊時(shí)，發(fā)生P-富含層更早斷裂的問題。因此，必需采用抑制UBM和焊料凸起之間的界面上形成P-富含NiP層或其它層以防止結(jié)合強(qiáng)度降低的結(jié)構(gòu)。(c)此外，當(dāng)在LSI中的電極片由Al制成時(shí)，在焊料凸起和Al之間沒有提供足夠的結(jié)合強(qiáng)度，因此采用UBM作為中間層。在這種情況下，當(dāng)所用的阻擋金屬層(UBM)由具有差的阻擋特性的材料如Cu制成，并且在高溫條件下使用時(shí)，UBM完全熔化，從而導(dǎo)致阻擋特性的損失。因此，存在Al與焊料凸起直接接觸，并且在Al和焊料凸起之間的界面的強(qiáng)度顯著降低的問題。此外，在印刷基板、柔性基板和其它基板中，沒有使用UBM，而是將焊料凸起直接連接到Cu電極上。然而，Cu在本性上可能顯著地?cái)U(kuò)散到Sn中。因此，在雙面裝配處理、修復(fù) 處理過程中或在高溫環(huán)境中長時(shí)間使用基板時(shí)，在電極中的Cu擴(kuò)散到焊料凸起中，并且可能在已經(jīng)滲透到Cu布線中的Sn合金部分中出現(xiàn)斷裂。為了預(yù)先防止這種情況，并且提供優(yōu)異的長期結(jié)合可靠性，必需再次在Cu電極和焊料凸起之間使用具有高結(jié)合強(qiáng)度和優(yōu)異的阻擋特性的UBM。此外，在近來的LSI中，在一些情況下，使用Cu代替Al作為布線和電極片的材料。然而，在LSI上的Cu膜的厚度典型地非常(significantly)小，例如約I Pm。因此，存在的問題是當(dāng)在回流或其它操作中Cu膜與焊料凸起接觸時(shí)，在電極中的全部Cu擴(kuò)散到焊料中。為了避免這種問題，必需在Cu電極上形成具有優(yōu)異的阻擋和結(jié)合特性的UBM。如上所述，還必要的是，即使在高溫條件中長時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)，UBM也必須保持其阻擋特性。(d)當(dāng)使用在其上形成Au膜的常規(guī)Ni膜或者在其上形成Au膜的常規(guī)NiP合金UBM時(shí)，在一些情況下，被用于提高UBM與焊料的潤濕性的Au在與焊料凸起連接的界面上形成脆性的SnAu合金。這是因?yàn)锳u和Sn形成脆性的金屬間化合物，因此在施加應(yīng)力或沖擊時(shí)，發(fā)生在AuSn合金上開始的斷裂。為了避免這種問題，適宜的是不使用Au電鍍UBM表面。然而，實(shí)際上，Au電鍍是必需的，因?yàn)槌Ｒ?guī)的UBM材料與焊料和Ni的潤濕性差。為了抑制因使用Au電鍍而形成AuSn合金，在實(shí)踐上，將Au膜的厚度設(shè)定為小值。然而,不能完全抑制形成脆性的AuSn合金。另一方面，日本專利公開06-084919和2002-203925報(bào)道了由CuNi合金和CuNiP合金制成的UBM。然而,對(duì)于在上面(a)至(d)中所述的問題，當(dāng)UBM的組成不是最佳時(shí)，最初的結(jié)合強(qiáng)度足夠，但是在該結(jié)構(gòu)暴露于如上所述的高溫環(huán)境下之后，在UBM和焊料凸起之間的界面的組成變化，因此在一些情況下結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。換言之，由CuNi合金或CuNiP合金制成的UBM的應(yīng)用并沒有確保在整個(gè)組成變化的長時(shí)期內(nèi)，具有足夠的焊料結(jié)合強(qiáng)度。(I)當(dāng)形成焊料凸起時(shí)，⑵當(dāng)將LSI連接到插入式基板上時(shí)，以及(3)當(dāng)將半導(dǎo)體封裝件連接到母板上時(shí)，將被典型地用于LSI的UBM進(jìn)行三種回流操作?？紤]到雙面裝配過程、修復(fù)過程和其它過程，將UBM進(jìn)行總共5個(gè)以上的回流過程。當(dāng)長時(shí)間使用被加熱的LSI時(shí)，對(duì)其中將UBM連接到焊料凸起上的這部分施加的熱量促進(jìn)了在UBM和焊料凸起之間的界面處的組成變化，因此進(jìn)一步降低了結(jié)合強(qiáng)度。因此需要在高溫下保持之后其結(jié)合強(qiáng)度不降低的UBM。
根據(jù)由本發(fā)明人進(jìn)行的研究，下列因素是在如上所述將該結(jié)構(gòu)在高溫保持之后造成結(jié)合強(qiáng)度的降低的原因。需要可以解決上述問題的UBM。(a) Ni-富含(Ni，Cu) 3Sn4的形成和生長(b) P-富含層的生成和生長
(c)焊料凸起與電極片由于完全熔化的UBM而接觸(d)結(jié)合強(qiáng)度由于形成AuSn合金而降低本發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行廣泛的研究，并且發(fā)現(xiàn)了最佳的UBM組成，在該組成，即使在多次回流過程并且在高溫環(huán)境中長時(shí)間使用之后，結(jié)合強(qiáng)度也不降低。即，本發(fā)明提供下列構(gòu)造以解決上述問題。I. 一種電子部件，其包括電極片，所述電極片是在基板或半導(dǎo)體元件上形成的；和阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成，其中所述阻擋金屬層在與所述電極片相反的一側(cè)上包含CuNi合金層，所述CuNi合金層含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni。2. —種電子部件，其包括電極片，所述電極片是在基板或半導(dǎo)體元件上形成的；和阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成，其中所述阻擋金屬層在與所述電極片相反的一側(cè)上包含CuNiP合金層，所述CuNiP合金層含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P。3. —種電子部件，其包括電極片，所述電極片是在基板或半導(dǎo)體元件上形成的；和阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成，其中所述阻擋金屬層在與所述電極片相反的一側(cè)上包含CuNiP合金層，所述CuNiP合金層含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni，和8至16原子％的P，同時(shí)Ni含量至少為P含量的2. 5倍。4 一種半導(dǎo)體封裝件，其包括多個(gè)電子構(gòu)件，所述電子構(gòu)件由基板和半導(dǎo)體元件中的至少一個(gè)形成；電極片，所述電極片形成在每一個(gè)所述電子構(gòu)件上；阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成；CuNiSn合金層，所述CuNiSn合金層具有等于或低于2. 3的平均Ni/Cu比率，形成所述CuNiSn合金層以覆蓋所述阻擋金屬層；和焊料凸起，形成所述焊料凸起，以經(jīng)由所述阻擋金屬層和所述CuNiSn合金層將形成于不同的電子構(gòu)件上的所述電極片相互電連接，其中所述阻擋金屬層包含與所述CuNiSn合金層接觸的CuNi合金層,所述CuNi合金層含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni。5. —種半導(dǎo)體封裝件，其包括多個(gè)電子構(gòu)件，所述電子構(gòu)件由基板和半導(dǎo)體元件中的至少一個(gè)形成；電極片，所述電極片形成在每一個(gè)的所述電子構(gòu)件上；
阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成；CuNiSn合金層，所述CuNiSn合金層具有等于或低于2. 3的平均Ni/Cu比率，并且被形成用于覆蓋所述阻擋金屬層；含P的P-富含層，所述含P的P-富含層形成在所述阻擋金屬層和所述CuNiSn合金層之間；和焊料凸起，形成所述焊料凸起，以經(jīng)由所述阻擋金屬層、所述CuNiSn合金層和所述P-富含層將形成于不同的電子構(gòu)件上的所述電極片相互電連接，其中所述阻擋金屬層包含與所述P-富含層接觸的CuNiP合金層,所述CuNiP合金層含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni，和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P。6. —種半導(dǎo)體封裝件，其包括多個(gè)電子構(gòu)件，所述電子構(gòu)件由基板和半導(dǎo)體元件中的至少一個(gè)形成；電極片，所述電極片形成在每一個(gè)所述電子構(gòu)件上；阻擋金屬層，所述阻擋金屬層為覆蓋所述電極片而被形成；CuNiSn合金層，所述CuNiSn合金層具有等于或低于2. 3的平均Ni/Cu比率，并且被形成用于覆蓋所述阻擋金屬層；和含P的P-富含層，所述含P的P-富含層形成在所述阻擋金屬層和所述CuNiSn合金層之間；和焊料凸起，形成所述焊料凸起，以經(jīng)由所述阻擋金屬層、所述CuNiSn合金層和所述P-富含層將形成在不同的電子構(gòu)件上的所述電極片相互電連接， 其中所述阻擋金屬層包含與所述P-富含層接觸的CuNiP合金層,所述CuNiP合金層含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni和8至16原子％的P，同時(shí)Ni的含量至少為P的含量的2. 5倍。在本說明書中，"原子表示原子數(shù)的百分比，并且還可以被描述為"原子的％"。在上面描述的"5 "和"6 "描述的"含P的P-富含層"包括第一 P-富含層和
第二 P-富含層。即，在本發(fā)明的電子部件、半導(dǎo)體封裝件等中，作為UBM，具體地使用⑴含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni的CuNi合金層，(2)含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P的CuNiP合金層，或⑶含有44至60原子％的&1、29至40原子％的附和8至16原子％的P，同時(shí)Ni的含量至少為P的含量的2. 5倍的CuNiP合金層，以將電極片連接到焊料凸起上。" Cu Sn合金層"是通過將焊料凸起材料沉積在UBM上，然后進(jìn)行熱處理，自動(dòng)形成在UBM和焊料凸起之間的層。通過使用SEM(掃描電子顯微鏡)或者組合使用SEM和EDX(能量色散X射線分析)，可以清楚地證實(shí)本發(fā)明的UBM、CuNiSn合金層、P-富含層、焊料凸起。在上述⑴至(3)中描述的任意UBM組成可以提供長期結(jié)合可靠性優(yōu)異，并且解決下列4個(gè)問題的連接部分，這4個(gè)問題都已經(jīng)成為了在包含Ni、NiP和Cu的UBM中的問題
(a)結(jié)合強(qiáng)度由于Ni-富含金屬間化合物的生長而降低(b)結(jié)合強(qiáng)度由于P-富含NiP或CuNiP層的形成而降低(c)結(jié)合強(qiáng)度由于阻擋特性的損失而降低(d)結(jié)合強(qiáng)度由于AuSn合金的形成而降低當(dāng)將根據(jù)本發(fā)明的由CuNi合金(I)制成的UBM連接到含有Sn的焊料凸起上時(shí)，與Ni相比，在UBM中的Cu優(yōu)先擴(kuò)散到焊料凸起中，由此在UBM和焊料凸起之間的界面中的Cu的濃度變高，從而防止了引起結(jié)合強(qiáng)度降低的針狀Ni-富含金屬間化合物(a)的生長。當(dāng)在UBM中的Cu為15至60原子％時(shí)，明顯表現(xiàn)出這種效果。當(dāng)使用含有15至60原子％的Cu的UBM時(shí)，在組成界面的合金中的Cu濃度變得足夠高，因此可以抑制Ni-富含合金的 形成。此外，在由CuNiP合金⑵制成的UBM中，Cu的含量等于或高于15原子％，并且在由CuNiP合金(3)制成的UBM中，Cu的含量為44至60原子％。Cu的這種含量可以被認(rèn)為是高水平。因此，同樣在這些UBM的每一種中，與Ni相比，在UBM中的Cu優(yōu)先擴(kuò)散到焊料凸起中，從而防止了引起結(jié)合強(qiáng)度降低的針狀Ni-富含金屬間化合物(a)的生長。當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的由CuNiP合金⑵制成的UBM時(shí)，UBM含有等于或高于15原子％的&1。在由CuNiP合金(3)制成的UBM中，Cu的含量為44至60原子％。因此，與使用不含Cu的NiP合金的情況相比，在上述UBM中可能發(fā)生UBM和焊料凸起之間的相互擴(kuò)散。因此，當(dāng)將上述UBM的任一個(gè)連接到含有Sn的焊料凸起上時(shí)，盡管在界面形成的P-富含NiSnP或NiCuSnP層(b)變厚，但是可以顯著地抑制P-富含NiP或CuNiP層的形成。當(dāng)本發(fā)明的CuNi合金層⑴或CuNiP合金層⑵含有等于或高于40原子％的Ni時(shí)，可以顯著地改善阻擋特性(C)，而在由含有少量Ni的CuNi合金制成的UBM中，阻擋特性(c)已成為問題。當(dāng)Ni的含量低于40原子％時(shí)，在該結(jié)構(gòu)被保持在高溫下之后，電極片可以根據(jù)UBM的組成，與焊料凸起接觸，因此結(jié)合強(qiáng)度可能顯著地降低。然而，當(dāng)Ni的含量等于或高于40原子％時(shí)，即使在UBM膜的厚度為5 u m的實(shí)際值的情況下，在該結(jié)構(gòu)經(jīng)歷回流或者在高溫環(huán)境中使用之后，阻擋特性也不損失或者結(jié)合強(qiáng)度也不降低。當(dāng)使用本發(fā)明的由CuNiP合金(3)制成的UBM時(shí)，在焊料凸起和UBM之間的界面形成的P-富含層抑制了在焊料凸起和UBM之間的相互擴(kuò)散。因此，即使在Ni的含量等于或低于40原子％并且膜厚度等于或小于5 u m時(shí)，在該結(jié)構(gòu)經(jīng)歷回流或在高溫環(huán)境中使用之后，在UBM中的阻擋特性(c)也得到提高，并且連接可靠性也得到保證。此外，在由Ni或NiP合金制成的常規(guī)UBM中，如果不在表面上電鍍Au，則與焊料的潤濕性差。然而，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的CuNi合金層(I)或CuNiP合金層(2)或(3)含有Cu，從而具有優(yōu)異的與焊料的潤濕性，與焊料的潤濕性比在Ni或NiP合金中的與焊料的潤濕性好。因此，可以在不進(jìn)行Au電鍍的情況下，容易將焊料凸起連接到電極片上。對(duì)于等于或低于60原子％的Cu含量，Cu對(duì)于提高與焊料的潤濕性的效果得到良好保持。因?yàn)闆]有電鍍Au，因此在連接到焊料凸起上時(shí)，在根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中沒有形成脆性的AuSn層，可以完全消除在AuSn層(d)上開始的結(jié)合斷裂的危險(xiǎn)，并且提供了良好的連接可靠性。在本發(fā)明中，在電極片上形成(I)由CuNi合金制成的UBM，所述CuNi合金含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni ； (2)由CuNiP合金制成的UBM，所述CuNiP合金含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P ;或(3)由CuNiP合金制成的UBM，該CuNiP合金含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni，和8至16原子％的P，同時(shí)Ni含量(基于原子數(shù)計(jì))至少為P含量(基于原子數(shù)計(jì))的2. 5倍。以這種方式，當(dāng)將UBM連接到含有Sn的焊料凸起上時(shí)，可以抑制Ni-富含合金的形成和P-富含的NiP或CuNiP層的產(chǎn)生，同時(shí)在UBM和焊料凸起之間的結(jié)合界面上保持高的阻擋特性。還可以防止在焊料凸起和電極片之間的結(jié)合強(qiáng)度由于AuSn合金的形成而降低。結(jié)果，提供了一種高度可靠的電子部件，該電子部件的焊料結(jié)合強(qiáng)度即使在高溫下長期使用之后也降低很少。在本發(fā)明中，將電極片電連接到一個(gè)或多個(gè)基板或半導(dǎo)體元件(電子構(gòu)件)上。在每一個(gè)電極片上形成(I)由CuNi合金層形成的UBM，所述CuNi合金層含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni ； (2)由CuNiP合金層形成的UBM，所述CuNiP層合金含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P ;或(3)由CuNiP合金層形成的UBM，該CuNiP合金層含有44至60原子％的 Cu、29至40原子％的Ni，和8至16原子％的P，同時(shí)Ni含量(基于原子數(shù)計(jì))至少為P含量(基于原子數(shù)計(jì))的2. 5倍。當(dāng)形成含有Sn的焊料凸起以電連接形成在不同的電子構(gòu)件上的兩個(gè)以上的UBM時(shí)，在每一對(duì)的UBM和焊料凸起之間形成平均Ni/Cu比率等于或低于2. 3的CuNiSn合金層。結(jié)果，可以抑制Ni-富含CuNiSn合金和P-富含的NiP或CuNiP層的產(chǎn)生，同時(shí)保持高的阻擋特性。此外，可以在不進(jìn)行的Au電鍍的情況下，實(shí)現(xiàn)相對(duì)優(yōu)異的與焊料的潤濕性，并且不產(chǎn)生脆性的AuSn合金層，由此提供高的結(jié)合強(qiáng)度。因此，提供了一種高度可靠的半導(dǎo)體封裝件，所述半導(dǎo)體封裝件的焊料結(jié)合強(qiáng)度即使在高溫下長期使用之后也降低很少。附圖簡述圖I是本發(fā)明的示例性電子部件的橫截面圖；圖2是本發(fā)明的示例性電子部件的橫截面圖，其中在每一個(gè)UBM上形成焊料凸起;圖3是本發(fā)明的示例性電子部件的放大橫截面圖，其中在由CuNi合金制成的UBM上形成焊料凸起；圖4是本發(fā)明的示例性電子部件的放大橫截面圖，其中在由CuNiP合金制成的UBM上形成焊料凸起；圖5顯示了在UBM中的Cu含量百分比和在CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率之間的相互關(guān)系；圖6是其中由NiP合金制成的常規(guī)UBM被連接到SnAgCu焊料凸起上的連接部分的橫截面圖；圖7是其中將本發(fā)明的由CuNiP合金制成的UBM連接到SnAgCu焊料凸起上的連接部分的橫截面圖；圖8顯示了在UBM中的Ni含量百分比和熔化的UBM膜的厚度之間的相互關(guān)系；圖9是顯示本發(fā)明的UBM的最佳組成范圍的相圖；圖10是本發(fā)明的示例性電子部件的橫截面圖，其中在UBM和電極片之間形成中間層；
圖11是本發(fā)明的示例性電子部件的橫截面圖，其中在由CuNi合金制成的UBM和電極片之間形成中間層；圖12是本發(fā)明的示例性電子部件的橫截面圖，其中在由CuNiP合金制成的UBM和電極片之間形成中間層；圖13顯示了本發(fā)明的示例性半導(dǎo)體封裝件；圖14是其中由CuNi合金制成的常規(guī)UBM被連接到焊料凸起上的連接部分的橫截面圖；圖15是其中由NiP合金或CuNiP合金制成的常規(guī)UBM被連接到焊料凸起上的連
接部分的橫截面圖；和圖16是顯示本發(fā)明的UBM的最佳組成范圍的相圖。符號(hào)說明I:電子部件2:電極片3 UBM4 :鈍化5 :焊料凸起6 : CuNi Sn 合金層7:第一 P-富含層8:第二 P-富含層9:中間層21 :母板22 :插入式基板23:半導(dǎo)體芯片24 :用于初次連接的焊料凸起25 :用于二次連接的焊料凸起26:印刷基板的電極片27 :用于插入式基板的二次連接的電極片28 :用于插入式基板的初次連接的電極片29:半導(dǎo)體芯片的電極片30 :在印刷基板的電極片上的UBM31 :在用于插入式基板的二次連接的電極片上的UBM32 :在用于插入式基板的初次連接的電極片上的UBM33 :在用于半導(dǎo)體芯片的電極片上的UBM34 :底部填充(underfill)樹脂35:模塑樹脂101 :半導(dǎo)體芯片102 :在半導(dǎo)體芯片的面朝下的結(jié)合表面上的金屬電極(鋁電極)103:SiN 絕緣膜104 :鈦膜(在中間金屬層中的一層)
105 :由銅-鎳合金膜形成的中間金屬層106 :焊料凸起107:陶瓷(絕緣)基板108:布線(金屬圖案)109 :NiP (或 NiCuP)層110 :高 P-NiP (或 NiCuP)層111 NiSn (或 NiCuSn)層112:焊料凸起實(shí)施本發(fā)明的最佳方式下面將參考附圖，基于本發(fā)明的實(shí)施方案更詳細(xì)地描述本發(fā)明。(第一實(shí)施方案)如在圖I中所示，在根據(jù)本發(fā)明的電子部件I的一個(gè)實(shí)例中，在基板或半導(dǎo)體元件上形成的由例如Al、Cu和Ag制成的電極片2上，形成UBM(阻擋金屬層)3。將電極片電連接到在基板或半導(dǎo)體元件中的布線上。UBM 3具有至少在與電極片接觸的一側(cè)相反的一側(cè)上形成下列合金層中的任何一個(gè)(1)含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni的CuNi合金層，(2)含有等于或聞?dòng)?5原子的Cu、等于或聞?dòng)?0原子的Ni,和聞?dòng)?原子并且等于或低于25原子％的P的CuNiP合金層，或(3)含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni，和8至16原子％的P，同時(shí)Ni含量(基于原子數(shù)計(jì))至少為P含量(基于原子數(shù)計(jì))的2.5倍的CuNiP合金層。即，CuNiP合金層(2)需要含有等于或高于15原子％的Cu和等于或高于40原子％的Ni。例如，當(dāng)P含量為x(原子％ )時(shí)，Cu/Ni組合物含有高于或等于15原子％但是低于或等于(60-x)原子％的Cu，以及高于或等于40原子％但是低于或等于(85-x)原子％的Ni (含有Cu、Ni和P，同時(shí)元素的原子數(shù)為Cu Ni P = 15至60 40至85 0(不包括0)至25 (包括25)。CuNiP合金層(3)含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni和8至16原子％的P，同時(shí)Ni含量至少為P含量的2. 5倍。如圖16中所示，滿足上述條件的UBM是在被 Cu44-Ni40-P16、Cu60_Ni29_Pll、Cu60_Ni32_P8 和 Cu52_Ni40_P8 所限定的矩形包圍的組成范圍內(nèi)的那些。當(dāng)使用制造UBM的電解鍍敷或無電鍍敷使P共沉積在UBM中時(shí)，Ni的含量至少為P含量的約2. 5倍，原因是在P含量約為Ni含量的40%或更低時(shí)Ni和P共沉積。UBM可以部分地由CuNi合金層或CuNiP合金層形成，或者可以全部由CuNi合金層或CuNiP合金層形成，但是必需至少在與電極片接觸的一側(cè)相反的一側(cè)上，形成UBM形式的CuNi合金層或CuNiP合金層。在CuNi合金層(I)中的平均Ni/Cu比率優(yōu)選為0. 67至5. 7。在CuNiP合金層(2)中的平均Ni/Cu比率優(yōu)選為0. 60至5. 5。在CuNiP合金層(3)中的平均Ni/Cu比率優(yōu)選為0. 48至0. 91。在CuNi合金層(I)或在CuNiP合金層(2)或
(3)中的平均Ni/Cu比率在熱處理如回流過程之后變化很少，并且可以通過使用與圖5(將稍后描述)中所示的測(cè)量方法相同的方法測(cè)量該比率。在UBM 3中使用的CuNi合金和CuNiP合金分別不限于二元合金和三元合金。CuNi、合金和CuNiP合金可以是一種或多種含有多種元素的將少量Ag、Pd、Sn、Pb或其它元素加入其中以提高與焊料的潤濕性，或者將少量的Co、Fe、Pd、Pt、W、Ti或Cr加入其中以提高阻擋特性的三元或四元材料。然而，本發(fā)明的UBM 3必需具有包括如下的組成(I) 15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni ； (2)等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni，和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P ;或者(3)44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni和8至16原子％的P，同時(shí)Ni的含量至少為P的含量的2. 5倍。如圖2中所示，將焊料凸起5放置在圖I中所示的UBM 3上，它們之間具有CuNiSn合金層 6。焊料凸起 5 主要由 Sn,如 SnPb、SnAg、SnCu、SnAgCu、SnIruSnZn 和 SnZnBi 制成。存在于結(jié)合界面上的CuNiSn合金層6中的平均Ni/Cu比率等于或低于2. 3。在將焊料凸起材料放置在UBM上之后，在焊料凸起的形成過程中，在UBM和焊料凸起之間形成CuNiSn合金層。因此，平均Ni/Cu比率表示在UBM上形成焊料凸起，并且形成CuNiSn合金層之后， CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率。CuNiSn合金層由含有Cu-富含(Cu, Ni)6Sn5或Cu-富含(Cu, Ni) 3Sn的合金制成。有時(shí)所述層的一部分含有Ni-富含(Ni，Cu)3Sn4或Ni-富含(Ni，Cu)3Sn4。即使在含有這種Ni-富含合金時(shí)，在CuNiSn合金層6中的平均Ni/Cu比率也等于或低于2. 3。盡管上述合金的實(shí)際組成比率可能略偏離精確的金屬間化合物的那些，但是基于SEM-EDX的組成分析顯示了下列結(jié)果-Cu-富含(Cu，附)65115:含有24至55原子％的(11，0至24原子％的附和40至50原子％的Sn的CuNiSn合金-Cu-富含(Cu，Ni)3Sn :含有35至75原子％的Cu，0至35原子％的Ni和20至30原子％的Sn的CuNiSn合金-Ni-富含(Ni，&1)35114:含有20至45原子％的附，0至20原子％的(11和55至65原子％的Sn的CuNiSn合金圖3是其中由CuNi合金層(I)制成的UBM 3、CuNiSn合金層和焊料凸起被結(jié)合的界面附近的區(qū)域的放大橫截面圖。圖4是其中由CuNiP合金層⑵或(3)制成的UBM 3、CuNiSn合金層和焊料凸起被結(jié)合的界面附近的區(qū)域的放大橫截面圖。如圖3中所示，當(dāng)使用CuNi合金層(I)作為UBM 3時(shí)，在UBM 3和焊料凸起5之間形成CuNiSn合金層6。因?yàn)閁BM 3不含P，因此CuNiSn合金層6的組成在形成層之后不變化。另一方面，如圖4中所示，當(dāng)UBM 3由CuNiP合金⑵或(3)制成時(shí)，在CuNiSn合金層6和UBM3之間形成主要由NiSnP合金或NiCuSnP合金形成的第一 P-富含層7。第一P-富含層7通過Cu和Sn的相互擴(kuò)散形成，并且比在周圍區(qū)域中具有略高的P含量。第一P-富含層7的組成變化，但是典型地含有約30至50原子％的Ni、20至40原子％的Sn、10至30原子％的P和5至15原子％的Cu。在第一 P-富含層7和UBM 3之間，形成由P-富含NiP合金(主要由Ni3P制成的合金)XuNiP合金或其它P-富含合金制成的第二 P-富含層8。在第二 P-富含層中的CuNiP合金含有45至80原子％的Ni、0至30原子％的Cu和15至30原子％的P。本發(fā)明的特征在于第二 P-富含層8比在其中使用由NiP制成的常規(guī)UBM的情況下明顯更薄。在使用本發(fā)明的CuNiP合金(2)或(3)時(shí)形成的P-富含層包含第一 P-富含層7和第二 P-富含層8，并且這些P-富含層比在UBM和焊料凸起中具有略大的P濃度值。下面將描述本發(fā)明的有利效果。(a)防止Ni-富含金屬間化合物的生長在本發(fā)明中，(I)CuNi合金層含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni，
(2)CuNiP合金層含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni，和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P ;或者(3) CuNiP合金層含有44至60原子％的Cu、29至40原子％的Ni和8至16原子％的P，同時(shí)Ni的含量至少為P的含量的2. 5倍。因此，可以大幅抑制在高溫環(huán)境中使用之后，由Ni-富含(Ni，Cu)3Sn4和Ni3Sn4組成的合金層的產(chǎn)生。還可以促進(jìn)Cu-富含(Cu，ND6Sn5合金層的形成，并且提高在高溫下使用之后在UBM和焊料凸起之間的結(jié)合強(qiáng)度，原因是當(dāng)使用CuNi合金層或CuNiP合金層作為UBM時(shí)，Cu比Ni優(yōu)先擴(kuò)散到焊料凸起中，即，因?yàn)樵诟邷叵卤３衷摻Y(jié)構(gòu)之后，在UBM和焊料凸起之間的 界面上形成的CuNiSn合金層中的Cu濃度變高，并且導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度的降低的針狀Ni-富含合金的形成和生長得到抑制。在CuNi合金層或者CuNiP合金層含有預(yù)定量的Cu并且Ni含量等于或低于85原子％時(shí)，明顯地表現(xiàn)出Cu對(duì)抑制Ni-富含CuNiSn合金的形成的影響。當(dāng)Ni的含量高于85原子％時(shí)，在重復(fù)回流操作之后，Ni-富含CuNiSn合金可能在形成于UBM和焊料凸起之間的界面上的CuNiSn合金層中形成。"Ni-富含CuNiSn合金"是指在CuNiSn合金中的Ni/Cu比率大于I. 0，并且"Cu-富含CuNiSn合金"是指在CuNiSn合金中的Ni/Cu比率小于或等于I. O。幾乎所有形成在界面上的CuNiSn合金層都由Ni-富含CuNiSn合金制成時(shí)，具體而言，當(dāng)在CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率大于約2. 3時(shí)，由于熱歷史所致的結(jié)合強(qiáng)度的降低變得顯著。因此CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率必需小于或等于2. 3。另一方面，當(dāng)Ni-富含CuNiSn合金和Cu-富含CuNiSn合金一起存在時(shí)(當(dāng)平均Ni/Cu比率在約
0.7 < Ni/Cu ( 2. 3的范圍內(nèi))，由Ni-富含CuNiSn合金層的斷裂所致的結(jié)合強(qiáng)度降低很少被觀察到。此外，當(dāng)僅僅Cu-富含CuNiSn合金在CuNiSn合金層中占優(yōu)勢(shì)時(shí)(當(dāng)平均Ni/Cu比率小于或等于約0. 7時(shí))，結(jié)合強(qiáng)度很少降低。(在UBM中的Cu組成和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系以及在CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系)圖5作為實(shí)例地顯示了當(dāng)UBM由CuNiP合金制成并且焊料凸起由SnAgCu制成時(shí)，在CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率與UBM中的Cu含量之間的關(guān)系。在圖5中，按如下進(jìn)行樣品制備和特性測(cè)量。樣品制備方法使用含有Ni離子、Cu離子和次磷酸鈉的鍍敷溶液進(jìn)行無電電鍍。在該方法中，該Ni離子、Cu離子和次磷酸鈉的濃度，以形成由含有不同量的Cu的CuNiP合金制成的UBM。-回流條件通過在最高300°C、氮?dú)夥罩惺褂弥蹌褂没亓鳡t，將固定在UBM上的SnAgCu ( = 96. 5 3 0. 5)焊料凸起熔化，并且將焊料凸起連接到UBM上。當(dāng)制備出已經(jīng)經(jīng)歷第八次回流操作的樣品時(shí)，回流操作被重復(fù)了 8次。
-用于測(cè)量UBM中的Cu含量的方法切割焊料凸起與UBM結(jié)合的界面，以使其暴露。通過SEM-EDS對(duì)UBM進(jìn)行組成分析，并且測(cè)量Cu含量。-在CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率的測(cè)量切割焊料凸起與UBM結(jié)合的界面，以使其暴露。通過SEM-EDS對(duì)與CuNiSn合金層相應(yīng)的部分進(jìn)行UBM的組成分析，并且測(cè)量平均Ni/Cu比率。通過對(duì)厚度2 ii mX寬度50 ii m的區(qū)域進(jìn)行基于SEM-EDX的區(qū)域組成分析,計(jì)算并且確定平均Ni/Cu值。然而，當(dāng)CuNiSn合金層薄，并且由此難以進(jìn)行區(qū)域分析時(shí)，通過使用點(diǎn)分析，在CuNiSn合金層中的10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并且將它們平均化，從而確定平均Ni/Cu值。
當(dāng)將回流操作重復(fù)8次時(shí)，觀察到CuNiSn層的組成變化，但是UBM和焊料凸起的組成根本沒有變化，或變化很少。當(dāng)使用上述UBM和焊料凸起時(shí)，在UBM和焊料凸起之間的界面上形成CuNiSn合金層。CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率隨著UBM中的Cu含量的降低而增加，并且當(dāng)UBM中的Cu含量達(dá)到約15原子％時(shí)，平均Ni/Cu比率的增加比率急劇變高。即，在UBM中的Cu含量高于或等于15原子％的區(qū)域中，即使在最高300°C重復(fù)8次回流操作的極端苛刻的溫度下，平均Ni/Cu比率也是小的，并且CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率隨著UBM中的Cu含量變化的比率(在圖5中的每條線的斜率)是小的。在UBM中的Cu含量高于或等于15原子％的區(qū)域中，可以看到在UBM和焊料凸起之間的結(jié)合界面上幾乎不形成有助于降低結(jié)合強(qiáng)度的Ni-富含合金層，而是形成含有Cu-富含CuNiSn合金的合金層。即，可以看到，在UBM中的Cu含量is高于或等于15原子％的區(qū)域中，經(jīng)歷第一次回流操作的CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率小于或等于2. 3，并且已經(jīng)經(jīng)歷8次回流操作的CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率也是如此。進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)存在于結(jié)合界面上的CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率小于或等于0. 7時(shí)，CuNiSn合金由Cu-富含CuNiSn合金制成；當(dāng)平均Ni/Cu比率大于0. 7但是小于或等于2. 3時(shí)，CuNiSn合金同時(shí)包含Cu-富含CuNiSn合金和Ni-富含CuNiSn合金；并且當(dāng)平均Ni/Cu比率大于23時(shí)，幾乎所有CuNiSn合金由Ni-富含CuNiSn合金制成。表I顯示了在已經(jīng)經(jīng)歷第一次回流操作的CuNiSn合金層中的平均Ni/Cu比率和凸起拉拔強(qiáng)度(bump pull strength)之間的關(guān)系,而表2顯示了對(duì)于已經(jīng)經(jīng)歷第8次操作的CuNiSn合金層的同樣的關(guān)系。以下列方式測(cè)量凸起拉拔強(qiáng)度。-用于測(cè)量凸起拉拔強(qiáng)度的方法在其中形成于直徑為130iim的Al電極上的厚度約為5 y m的UBM上，形成直徑為150 u m 的 SnAgCu ( = 96. 5 : 3 : 0. 5)焊料凸起的樣品,使用來自 Dage Holdings Limited的冷拉拔強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)量凸起拉拔強(qiáng)度。[表 I]在第一次回流之后
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體封裝件，所述的半導(dǎo)體封裝件包括 多個(gè)電子構(gòu)件，所述電子構(gòu)件由基板和半導(dǎo)體元件中的至少一個(gè)形成； 電極片，所述電極片形成在每一個(gè)所述電子構(gòu)件上； 阻擋金屬層，所述阻擋金屬層被形成用于覆蓋所述電極片； CuNiSn合金層，所述CuNiSn合金層具有等于或低于2. 3的平均Ni/Cu比率，并且被形成用于覆蓋所述阻擋金屬層； 含P的P-富含NiCuSnP層或含P的P-富含NiSnP層，其形成在所述阻擋金屬層和所述CuNiSn合金層之間；和 焊料凸起，所述焊料凸起被形成，以經(jīng)由所述阻擋金屬層、所述CuNiSn合金層和所述含P的P-富含NiCuSnP層或所述含P的P-富含NiSnP層將形成在不同的電子構(gòu)件上的所述電極片相互電連接， 其中所述阻擋金屬層包含與所述含P的P-富含NiCuSnP層或所述含P的P-富含NiSnP層接觸的CuNiP合金層,所述CuNiP合金層含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P。
2.—種電子器件， 其中所述電子器件包含電子部件，所述電子部件包括 電極片，所述電極片形成在基板或半導(dǎo)體元件上；和 阻擋金屬層，所述阻擋金屬層被形成用于覆蓋所述電極片， 其中所述阻擋金屬層在與所述電極片相反的一側(cè)上包含CuNiP合金層，所述CuNiP合金層含有等于或高于15原子％的Cu、等于或高于40原子％的Ni和高于0原子％并且等于或低于25原子％的P。
3.—種電子器件， 其中所述電子器件包含根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝件。
全文摘要
在常規(guī)UBM例如Cu、Ni或NiP中，存在的這樣問題在長時(shí)間將電子部件保持在高溫條件下時(shí)導(dǎo)致UBM的阻擋特性被破壞，并且由于在結(jié)合界面形成脆性的合金層，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低。焊料連接部分在高溫下儲(chǔ)存之后長期連接可靠性降低的問題得到了解決。電子部件上提供有安置在基板或半導(dǎo)體元件上的電極片；和為覆蓋所述電極片而安置的阻擋金屬層。所述阻擋金屬層在與所述電極片接觸側(cè)相反的一側(cè)上包含CuNi合金層，所述CuNi合金層含有15至60原子％的Cu和40至85原子％的Ni。
文檔編號(hào)H01L23/31GK102738107SQ20121018316
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2007年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者山崎隆雄, 曾川禎道, 高橋信明 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社, 瑞薩電子株式會(huì)社