專(zhuān)利名稱(chēng)：電鍍的焊接端子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及微電子封裝中所用的焊接互連線(xiàn)，特別涉及一種改進(jìn)的焊接端的金屬化。
在微電子學(xué)中，互連線(xiàn)一詞常被用來(lái)描述一種把半導(dǎo)體、電容器或激光器一類(lèi)有源器件電連接到陶瓷基片或有機(jī)板的結(jié)構(gòu)或方法。稱(chēng)為硬或半永久性的一種互連線(xiàn)使用低熔點(diǎn)合金焊料。這與插針和插孔一類(lèi)可動(dòng)連接大不相同。
倒扣芯片接合是互連線(xiàn)焊接領(lǐng)域內(nèi)的一主要分支。按倒扣芯片連接工藝，用焊球或焊柱使硅片上相應(yīng)的端子與陶瓷基片或有機(jī)板接合，在陶瓷基片或有機(jī)板與電路化的硅片之間建立電學(xué)的和結(jié)構(gòu)上的連接。在下面通篇論述中，“基片”一詞用來(lái)代表硅芯片、陶瓷基片或有機(jī)板。焊球的材料通常形成在器件或者在基片的金屬化端子上，有時(shí)在器件和基片的金屬化端子上。對(duì)微電子而言，焊接端子的制作是一步重要的制造工藝過(guò)程。
在焊接互連要求不嚴(yán)格，輪廓較大(μm級(jí))的大批焊接的應(yīng)用中，可以采用浸漬、網(wǎng)印或噴涂焊接。在要求嚴(yán)格(變化小于20％)的應(yīng)用中，焊料的體積和組成需加仔細(xì)控制，焊接端子是通過(guò)金屬掩模和抗蝕膠掩模蒸發(fā)焊料或通過(guò)抗蝕膠掩模電鍍焊料制作的。一般，可把基片上的焊接端子看作由兩部分制成，一是稱(chēng)為端子金屬化的金屬化層，余者為接合材料(通常是焊料)本體。因?yàn)殂U、鉻、鉬、鎢一類(lèi)的互連金屬不適合用作器件或基片上的布線(xiàn)，一般要求單獨(dú)的端子金屬化，這是由于它們不易被浸潤(rùn)，也不與焊料按可控方式起化學(xué)反應(yīng)。美國(guó)專(zhuān)利3,633,076給出一種焊接互連線(xiàn)，其中列出焊接端子金屬化的要求，如電導(dǎo)率，粘附力/機(jī)械穩(wěn)定性，易淀積與光加工，加工中的可焊性和材料穩(wěn)定性。美國(guó)專(zhuān)利3,633,076還給出在半導(dǎo)體上使用三層金屬化，以滿(mǎn)足這些要求。這些要求至今依然有效，只不過(guò)對(duì)超大規(guī)模集成器件而言，又出現(xiàn)一些新的附加條件。某些新的條件是數(shù)量極大的端子(因輸入/輸出數(shù)目增加)精確的端子布置，高機(jī)械穩(wěn)定性(如應(yīng)力與粘附力)以及低缺陷程度。例如，已發(fā)現(xiàn)由于端子金屬化的應(yīng)力導(dǎo)致金屬化下面絕緣薄膜裂縫的形成(Bhat-tacharya等人的美國(guó)專(zhuān)利4,434,434)。美國(guó)專(zhuān)利4,434,434給出，分層的端子金屬化可減少在其下面的脆性絕緣薄膜形成裂縫。Herdzik等人(在IBM Technical Discloure Bulletin，P1979，Vol.10，No.12，May 1968)論述了使用以Cr、Mo、W覆蓋的Al，來(lái)防止當(dāng)焊料回流時(shí)Al與焊料形成合金。Leonard及Revitz(在IBMTechnical Disclosure Bulletin，P.1121，Vol.13，No.5，Oct.1970)論述了使用氧化鉻與調(diào)相Cr—Cu層配合作為用于焊接端子的阻擋層。Dalal和Jaspal(在IBM Technical Disdosure Bulletin，P.1005，Vol.20，No.3，Aug.1977)描述了通過(guò)蒸發(fā)共淀積Cr和Cu形成調(diào)相Cr—Cu層的工藝。該Cr—Cu調(diào)相層包括機(jī)械互鎖的Cr和Cu顆粒，顯示出對(duì)下面的Cr層和上面的鉬與銅的中間金屬層具有很好的粘附力。Gardner(美國(guó)專(zhuān)利No.4,840,302)給出了使用Cr—Ti合金代替單一的Cr或Ti，作為與其上形成端子的有機(jī)絕緣層的粘附層。美國(guó)專(zhuān)利4,840,302發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)減少在有機(jī)絕緣層上形成焊接端子時(shí)的界面裂痕。
還有另一種專(zhuān)門(mén)關(guān)于制造焊接端子工藝的教導(dǎo)。Kawanobe等人的評(píng)論文章(“Solder Bump Fabricalion by ElectrochemicalMethod for Flip Chip Interconnection”，CH1671—7 IEEE，1981，PP.149—155)綜述了幾種替代的形成焊塊和下層金屬化的方法。美國(guó)專(zhuān)利No.5,162.257(授予Edward K.Yung)給出了制作焊塊的工藝。在美國(guó)專(zhuān)利No.5,162,257工藝中，在最頂層是刻成圖形的焊料屏障層(如鉻)的基片上形成鋪墊金屬層(包括銅)(焊料屏障是使焊料熔化也不浸潤(rùn)的一種材料)。在基片上形成焊料聚集區(qū)，使焊料回流與未被焊料屏障層覆蓋的銅起反應(yīng)。接著用焊料和金屬互化物層作刻蝕掩模，刻蝕掉焊料屏障層和其它金屬化層。美國(guó)專(zhuān)利No.5,268,072(轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的授讓人)給出了濕、干結(jié)合刻蝕方法形成分層的或邊緣輪廓有臺(tái)階的三層金屬化Cr/Cr—Cu/Cu。
上面評(píng)論的每個(gè)已有技術(shù)意在提供解決在焊料制作和使用上所遇到的特定問(wèn)題的一種方法。但似乎沒(méi)有一種辦法普適各種不同的應(yīng)用。這是因?yàn)椋词勾蠖鄶?shù)互連端要求對(duì)所有使用是共同的，但還有對(duì)每種使用是獨(dú)特的要求。而且十分明顯，焊接端子的形成技術(shù)是不容易預(yù)測(cè)的，為確認(rèn)金屬化或工藝中的任何變化往往要求實(shí)驗(yàn)證明。本發(fā)明的主要目的在于達(dá)到更高的產(chǎn)生率，改進(jìn)焊接端子的可靠性，同時(shí)開(kāi)拓工藝，以低成本在大基片(200mm硅片)上形成更小的更大量的焊接端子。從下面在詳細(xì)說(shuō)明部分的具體論述更加明了許多先前的發(fā)明不能充分滿(mǎn)足本發(fā)明的主要目的。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種互連焊接端子結(jié)構(gòu)及其改善產(chǎn)額和可靠性的制作工藝。
本發(fā)明的進(jìn)一步的目的在于提供一種低成本的可用于大基片的制作工藝。
本發(fā)明的更深一層的目的在于改善工藝與包括由薄Al—Cu、Cu線(xiàn)制成的多層布線(xiàn)和薄鈍化層的基片的兼容性。
公開(kāi)一種改善焊接端子的工藝和結(jié)構(gòu)。改善的焊接端子是由一底金屬粘附層、在該粘附層頂上的CrCu層、在CrCu層上面的焊接層及焊料頂層組成的。該粘附層是TiW或TiN。制作改善的端子金屬的工藝包括淀積一粘附金屬層，在該粘附層上的CrCu層及焊接材料層，在其上的選定區(qū)內(nèi)形成焊料層，并用焊料區(qū)作掩?？涛g下面的各層。
從下面以附圖解釋的本發(fā)明更具體的描述會(huì)更加明了本發(fā)明的目的、特性及優(yōu)點(diǎn)。


圖1顯示采用倒扣互連的微電子組合件的視圖。
圖2表示圖1所示的具有多個(gè)焊接端子的半導(dǎo)體芯片的掃描電子顯微照片。
圖3表示圖2所示半導(dǎo)體芯片上焊接端子的剖面圖。
圖4A和4B顯示兩個(gè)采用焊接端子的不同基片構(gòu)成的剖面圖，并示出了在焊接端子蝕刻過(guò)程需要保護(hù)的基片區(qū)。
圖5是解釋本發(fā)明工藝步驟的流程圖。
圖1表示一種采用倒扣芯片互連的組合件(組件)，其中的半導(dǎo)體芯片30，借助于多個(gè)焊塊40與陶瓷基片10電連接和物理接合。焊塊40的一端連到芯片30的金屬端子上，另一端連到基片10的金屬端子上。焊塊40已被回熔，以便在芯片30和陶瓷基片10上的焊料和金屬端子之間建立熔煉鍵合。一般，在接合之前，預(yù)制焊料作為芯片30或基片10或兩者的整體部件。在另一些類(lèi)型的互連中，基片上的端子是預(yù)焊的，并通過(guò)TAB(帶自動(dòng)鍵合)連線(xiàn)接合。在某些情況下，采用回熔焊接作為熱連接，用以把芯片的背面固定到陶瓷基片上，并通過(guò)TAB或絲焊鍵合建立電連接。盡管本文沒(méi)作具體解釋?zhuān)@里所作的論述同樣適用于陶瓷格點(diǎn)陣列、帶狀球格點(diǎn)陣列及類(lèi)似的陣列。本文綜合考慮在半導(dǎo)體芯片30上焊塊的形成來(lái)解釋本發(fā)明的特性，但應(yīng)予理解對(duì)上述其它應(yīng)用可作基本相同的論述。
圖2表示半導(dǎo)體芯片30表面上的多個(gè)焊料端子或焊塊50。焊塊50的位置、數(shù)量及大小一般由芯片和陶瓷基片的設(shè)計(jì)要求、組件的可靠性及焊接端子工藝限制來(lái)確定。目前在VLSI壓力封裝中所用的互連總數(shù)大約是1000，預(yù)計(jì)還會(huì)增加。所以，要求單個(gè)端子焊盤(pán)的可靠性十分高。
圖3表示芯片上的焊塊的某些關(guān)鍵性部件，稱(chēng)為C4(受控可拆芯片連接)(見(jiàn)P.A.Totta and R.P.Sopher，IBM Journal Re-search and Development，May 1969，pp.226—238)。圖3將被用于評(píng)論現(xiàn)有技術(shù)某些突出的特性，及強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的關(guān)鍵實(shí)施方案。半導(dǎo)體芯片30這里包括至少一層布線(xiàn)60，它被一薄絕緣層70所絕緣和鈍化。在絕緣層70形成一通到下層布線(xiàn)60的孔75或通路，對(duì)應(yīng)于預(yù)定的焊塊端子的位置。在現(xiàn)有技術(shù)中，層80是由近似1000的Cr制成，提供與絕緣層70的粘附性，同時(shí)通過(guò)孔75形成到層60的電連接。在圖3中，孔75被表示成一通路，然而在許多應(yīng)用中，它可用通過(guò)網(wǎng)印焙燒在陶瓷基片中的金屬膏或通過(guò)電鍍塑料或陶瓷板中的孔制成的導(dǎo)電接觸(未圖示)來(lái)代替。層90一般是5000?！?0000的銅或鎳或其它合適的可焊材料，當(dāng)焊料加熱時(shí)與焊料反應(yīng)形成熔煉鍵合。中間層85一般是1500的調(diào)相的Cr—Cu，形成于層80和90之間，若需要，提供層90和層80之間的粘附力。在層90上有時(shí)形成層100，由約1000的Au組成，為防止在淀積焊料層120之前的貯存和操作過(guò)程中Cu表面的氧化。層120，焊料，一般含有一種或一種以上的pb、Bi、Sb、Sn、In、Ag、Au。當(dāng)加熱熔化焊料(回熔)時(shí)，Cu層90與焊料層120的至少一種組分反應(yīng)，形成金屬間化合物(未圖示)，諸如CuSn、CuIn及CuSb等。Cu與焊料間的熔煉反應(yīng)(稱(chēng)為浸潤(rùn))將一部或整個(gè)Cu層90轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倩セ?。該金屬互化物的?shí)際組分由在能量上有優(yōu)勢(shì)的化合物確定。元素的相圖，例如Cu和Sn含有可形成金屬互化物的信息。二元系相圖在相圖書(shū)中是現(xiàn)成的。當(dāng)檢修組件，使焊料經(jīng)多次回熔時(shí)，Cu—Sn金屬互化物(未圖示)長(zhǎng)厚，變得粗糙而不連續(xù)。有些金屬互化物彌散到焊料中，被(Berry and Ames，IBM J.Res.Development，May1969，PP.286—296)稱(chēng)為“解消輔助散裂”。Berry和Ames觀測(cè)到，“預(yù)防焊料去濕在很大程度上依賴(lài)于那些最終防止和抑制散裂的工藝因素。這些因素是在采用調(diào)相的Cr—Cu生產(chǎn)中選定的最佳參數(shù)”。保護(hù)層100在接合過(guò)程中完全耗尺，并形成金屬間化合物，一般又彌散在焊塊中。
特定層具體厚度的選擇、各層順序的安排及淀積和模式工藝的選取可按寬范圍的先前論述過(guò)的要求，諸如工藝兼容性、膜的應(yīng)力、層間粘附力等來(lái)確定。同時(shí)，從現(xiàn)有技術(shù)選出的模式工藝是有限的，而且強(qiáng)加許多額外的限制。
本發(fā)明使用下列工藝步驟的結(jié)合，諸如淀積鋪墊層、掩蔽和光刻、在選定面積附加焊料以及刻蝕鋪墊層，以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展至大晶片小端子特性的低成本制造工藝。端子的厚度和刻蝕工藝對(duì)不同層是經(jīng)選擇和優(yōu)化的，以改善產(chǎn)額和可靠性。另外，本發(fā)明的焊接端子的工藝和結(jié)構(gòu)是經(jīng)選擇的，以確保各層和不同工藝間的兼容性。本發(fā)明所要克服的具體問(wèn)題是當(dāng)使用現(xiàn)有技術(shù)以上面的焊料輪廓作掩?？涛g金屬化層時(shí)所見(jiàn)的殘留缺陷和產(chǎn)量低下。例如，美國(guó)專(zhuān)利No.5,268,072給出了電刻蝕CrCu合金屬和Cu鍵合層。在本申請(qǐng)本體中所用的“CrCu層”一詞包括含Cr和Cu原子的所有膜，不管它們是由合金靶淀積的，還是由兩個(gè)分開(kāi)的源以相位法共蒸發(fā)的。Cr-Cu合金一詞按其定義包括調(diào)相的Cr—Cu層。按美國(guó)專(zhuān)利No.5,268,072的工藝焊料加到選定位置的金屬端子上。使用焊塊作掩模，電解刻蝕Cu和CrCu層。在美國(guó)專(zhuān)利No.5,268,072的工藝中對(duì)CrCu層的電解刻蝕也刻蝕了下面的Cu層。工藝的非均勻性和每次投料的變化往往導(dǎo)致在CrCu層完全刻蝕掉之前，部分刻蝕了Cr層。在電刻蝕CrCu層過(guò)程中作為電通路的Cr層變得不連續(xù)，因此妨礙了CrCu層的完全去除，并導(dǎo)致產(chǎn)量低下。全部電刻蝕工藝的可行性低下。
基于上面的論述，本發(fā)明者考慮到一種選擇、制作金屬端子的新的工藝/材料條件。采用圖3描述如下去除頂金屬化層無(wú)用部位形成層85和90的選擇刻蝕工藝不應(yīng)刻蝕下面的粘附層80。這一要求可以通過(guò)開(kāi)發(fā)一種新的刻蝕工藝或采用一種新的材料代替圖3中的層80的Cr。然而，新材料的選取要求說(shuō)明，該新的粘附層80與阻擋層85和焊接鍵合層90相結(jié)合可以滿(mǎn)足先前論述的許多相互關(guān)聯(lián)的要求。本發(fā)明者進(jìn)一步考慮到好的生產(chǎn)工藝的另一要求，即，用于刻蝕圖3粘附層80的工藝一定不能再刻蝕在基片30一些區(qū)域露出的布線(xiàn)層60。借助于圖4A和4B，對(duì)這一點(diǎn)會(huì)有更深的理解。
圖4A表示在基片200上的一通路接觸孔215和一金屬端子，包括一粘附層240、任選鍵合層260和可焊層280，以及一焊料層300。聯(lián)系到先前的論述，層240可以是Cr，層260可以是CrCu，而層280可以是Cu或Ni。圖4A還表示一故意的開(kāi)孔216通至基片內(nèi)隱埋的布線(xiàn)層210?？?16是一故意露出的接觸，通過(guò)除倒扣芯片互連之外的技術(shù)，如絲焊、TAB等或探測(cè)在“切槽”區(qū)的器件，用于連接到布線(xiàn)層210。在圖4A中還表示一個(gè)由缺陷218引起的不注意的孔，露出部分隱埋布線(xiàn)210。缺陷218可以是一針孔、一刻蝕或淀積缺陷。圖4B與圖4A類(lèi)似，只是端子利用柱狀接觸215′代替了通路接觸215。在柱狀接觸工藝中，采用金屬淀積來(lái)填充接觸孔。在故意孔的情況下，露柱狀的表面216′，在缺陷218的情況下，形成有缺陷的連接218′。在某些半導(dǎo)體芯片中包括故意孔，可以靈活地使用不同內(nèi)互連和與不同的基片一起使用。
在基片頂層存在這些故意孔和非故意孔的情況下，本發(fā)明者考慮到，金屬化層240的選擇用來(lái)去掉層240的無(wú)用部位的工藝必須是“兼容的”，即對(duì)層210是無(wú)反應(yīng)的和無(wú)刻蝕的。否則，在制造環(huán)境中，去除層240的無(wú)用部位的刻蝕步驟可導(dǎo)致部分或全部腐蝕故意孔和缺陷孔內(nèi)的布線(xiàn)210。部分腐蝕可引起可靠性下降，而完全腐蝕可導(dǎo)致產(chǎn)量下降。這種利害關(guān)系是現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有顧及到的，也不能用現(xiàn)有技術(shù)解決。例如，美國(guó)專(zhuān)利No.5,162,257給出了用金屬化層Cr，調(diào)相的Cr—Cu及Cu形成焊塊，用氫氯酸基腐蝕劑(欄6，行24—26)刻蝕Cr—Cu和Cr層。眾所周知，氫氯酸基腐蝕劑強(qiáng)烈腐蝕露出的Al表面，這使得該教導(dǎo)不易適合在Al布線(xiàn)的基片上大規(guī)模地制作焊接端子。本發(fā)明者已認(rèn)識(shí)到，對(duì)于高產(chǎn)額的制作工藝，用于腐蝕圖4A的金屬端子粘附層240的工藝必須與(即不腐蝕)隱埋布線(xiàn)層210兼容。為了將下面的絕緣層裂紋所誘導(dǎo)的應(yīng)力減至最小，調(diào)整刻蝕條件和化學(xué)物品不總是容易的，因?yàn)樘囟ǖ母g條件是控制刻蝕的金屬化層的幾何形狀(遞變截面構(gòu)形)所要求的。
通過(guò)以流程圖表示工藝步驟的圖5，結(jié)合圖3所示的剖面圖，可以理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。第一步505，包括在具有頂絕緣層70和接觸區(qū)75的基片30上淀積一層或一層以上的鋪墊金屬化層。當(dāng)在后一工藝步驟從上述的鋪墊層去掉無(wú)用部位時(shí)，形成圖3的層80和85。在最實(shí)際的情況下，基片30應(yīng)有數(shù)個(gè)接觸區(qū)75。在優(yōu)選的工藝中，由一合金靶濺射TiW層，作為一鋪墊層，在后一工藝步驟經(jīng)選擇刻蝕，形成圖3的層80。TiW淀積后，接著由CrCu合金靶濺射淀積一CrCu層，從Cu靶濺射淀積Cu層，在后一工藝步驟選擇刻蝕Cu和CrCu層，分別形成圖3中層90和95。CrCu層也可以用其它工藝淀積，如由二元靶共濺射由兩個(gè)蒸發(fā)源的共蒸發(fā)。不管使用什么工藝，所得之膜是晶粒互鎖物理混合的Cr和Cu晶粒的混合物。在本申請(qǐng)中，可用TiN層作為T(mén)iW層的代替層。這是因?yàn)門(mén)iN類(lèi)似TiW，對(duì)絕緣體的很好的粘附力，對(duì)微電子應(yīng)用中所用的金屬化又是很好的擴(kuò)散阻擋層。用含氟—碳的物質(zhì)等離子體可刻蝕TiN和TiW，而不蝕蝕Al、Cu、或Pb—Sm。當(dāng)使用氟—碳等離子體來(lái)刻蝕時(shí)，在Pb—Sn層120上形成氟化的表面層是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，可能要求附加的處理步驟，以便在焊接互連過(guò)程之前或當(dāng)中去掉氟化物。再有，采用氟—碳的反應(yīng)離子刻蝕工藝要求嚴(yán)密的工藝控制和均勻性，因該工藝能刻蝕圖3下面的絕緣層70。絕緣層70厚度損失太多，對(duì)許多應(yīng)用是不可接受的。在優(yōu)選工藝中，圖3的絕緣層70是聚酰亞胺，其化學(xué)組分是PMDA—ODA(1，2，4，5—苯四酸二酐氧化雙苯胺)，但適合作微電子應(yīng)用的絕緣層的任何化學(xué)組成的有機(jī)材料均可用作層70。此外，通過(guò)物理、熱及PECVD工藝所淀積的二氧化硅、氮化硅及氮氧化硅一類(lèi)的無(wú)機(jī)絕緣物也可用作層70。
TiW層80厚度可在250—2000的范圍。在某些應(yīng)用中，在淀積TiW之前，先剝蝕基片，以確保低電阻及高粘附力。濺射靶中鎢的含量一般約為90％，但也可在60—90％，余量是Ti。CrCu層85的厚度在100—2000。CrCu層85的組分是Cr含量在20—80％，余量為Cu。在優(yōu)選實(shí)施例中，TiW濺射靶含90％的W，而Cr-Cu濺射靶含體積相等的Cr和Cu。雖然濺射是優(yōu)選工藝，圖3中的層80和85，在腐蝕前自然就是鋪墊層，但也可采用電鍍、蒸發(fā)、CUD一類(lèi)的其它工藝。
在淀積TiW和CrCu層后，兩種工藝之一均可用來(lái)淀積銅。按其中的一種工藝510，通過(guò)抗蝕膠或金屬掩模淀積，在CrCu層頂上形成有圖形的Cu層。另一辦法是通過(guò)淀積一層鋪墊層并采用抗蝕掩模刻蝕，同樣可獲得有圖形的Cu層。這種如步驟510中的Cu構(gòu)圖方法與流程圖5的優(yōu)選步驟515相比，其工藝步驟太多。按步驟515，最好用銅靶濺射淀積相應(yīng)于圖3中的層90的銅層作為鋪墊層。銅的厚度在1000—2μm范圍，依應(yīng)用而定。在優(yōu)選實(shí)施例中，銅的厚度采用4300。另一辦法是采用以可焊性而著稱(chēng)的鎳或鉆層代替銅層，形成圖3中的層90。在我們的實(shí)驗(yàn)中，采用一串聯(lián)的帶有多個(gè)靶的濺射系統(tǒng)MRC662，單一抽氣，依次淀積TiW、CrCu和Cu層。接著，如工藝步驟520所示，形成帶有與焊接端子位置相應(yīng)的孔的絕緣掩模層。在優(yōu)選實(shí)施例中，該掩模是由負(fù)性干膜抗蝕膠制成。也可使用其它掩模材料，諸如正性抗蝕膠、及聚合物、氧化硅、氟化物及其混合物一類(lèi)的絕緣物。在優(yōu)選工藝中，Pb—3Sn焊料合金是通過(guò)絕緣掩模層的孔電鍍上的，基本上填平，如有要求，填過(guò)孔的體積。電鍍工藝使用公知的電鍍配方和電鍍?cè)O(shè)備，還使用絕緣掩模層下面的鋪墊金屬化層TiW、CrCu和Cu，為電鍍運(yùn)行提供電通路。另一些所需的焊料組分，如易熔的Pb—Sn、Pb—In、Pb—In—Sn等可用工業(yè)上公知的工藝電鍍。這樣，在步驟520，按孔的位置將焊料選擇加到基片上，形成圖3的層120。在電鍍形成焊料后，在步驟520，用濕或干腐蝕去掉掩模。在有機(jī)抗蝕膠的情況下，采用在O2中灰化去掉掩模。
在步驟525，從焊區(qū)之外的區(qū)域去掉鋪墊鍵合層Cu、Ni或Co及中間層CrCu及底粘附層TiW或TiN或類(lèi)似物的無(wú)用區(qū)，形成圖3的各層90、85、80。在優(yōu)選工藝中，首先按美國(guó)專(zhuān)利No.5,268,072(轉(zhuǎn)給本發(fā)明的受讓人)的教導(dǎo)，用硫酸鉀電刻蝕Cu和Cr-Cu層。本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)選實(shí)施例的TiW層80未被用來(lái)去掉露出區(qū)域中的Cu和CrCu層的電刻蝕工藝腐蝕。這就允許TiW鋪墊層為電刻蝕(及某些過(guò)刻蝕)下面的層Cu和CrCu提供電流通路，形成層90和85，不一點(diǎn)殘留物。在步驟525，在形成CrCu層85和Cu層90之后，接著如美國(guó)專(zhuān)利No.4,814,293的教導(dǎo)，通過(guò)H2O2緩沖混合液化學(xué)腐蝕TiW鋪墊層。在優(yōu)選工藝中，使用H2O2、EDTA和鈍化劑的混合液。這種腐蝕劑選擇去掉TiW，而明顯地不腐蝕Cu、Al和CrCu層。
從而，已表示了以相互兼容和可靠方式用來(lái)形成本發(fā)明實(shí)施例的包括作為底粘附層的TiW或TiN 80、CrCu中間層85及Cu鍵合金90的多層金屬化結(jié)構(gòu)的可行的工藝步驟。然而，仍需確定各選擇層相互間及與絕緣層間形成良好的界面。需要完全三層和整個(gè)互連的結(jié)構(gòu)完善性的實(shí)驗(yàn)證明，以便最終肯定本發(fā)明的實(shí)用性。互連結(jié)構(gòu)良好的機(jī)械完善性確保做到材料的良好選擇及工藝的良好選擇。確保焊接端子結(jié)構(gòu)完善性的粘附性的可行技術(shù)是抗拉伸測(cè)試。在抗拉伸測(cè)試中，通過(guò)焊料互連將芯片與基片接合，如圖1，再將芯片和基片機(jī)械拉開(kāi)。當(dāng)測(cè)試正常運(yùn)行時(shí)，分離將發(fā)生在焊料互連的某一部分。若因焊料的延展形變使分離發(fā)生在焊料體塊內(nèi)，可以推斷金屬化層與芯片或基片上的絕緣層之間界面是完美無(wú)缺的。在金屬化的某一層當(dāng)中或從絕緣層表面分離，則指明結(jié)構(gòu)完善性差。在測(cè)試前在非氧化氣氛中讓互連經(jīng)受多次反復(fù)回熔(讓焊料熔化)可使拉伸測(cè)試做得更帶攻擊性。
表1列出了互連經(jīng)受30次回熔的拉伸測(cè)試的結(jié)果，其中的芯片端子是用本發(fā)明形成的，TiW、CrCu及Cu各具有不同的厚度。表1的結(jié)果包含以各種金屬化層厚度組合進(jìn)行拉伸測(cè)試的芯片實(shí)際數(shù)量、每種等級(jí)的芯片平均抗拉強(qiáng)度及表明界面已脫層的焊塊數(shù)量。
表1 拉伸結(jié)果TiW/Cr-Cu/Cu/pb-3Sn(30次循環(huán)回熔后)
對(duì)應(yīng)于250的CrCu和562的CrCu都表明拉伸強(qiáng)度減弱。某些界面失效。因測(cè)試芯片數(shù)僅三片，實(shí)際價(jià)值尚不算明顯。然而，我們可以推斷，對(duì)較薄的CrCu在拉伸測(cè)試中有界面失效的趨勢(shì)。這暗示在沒(méi)有一定厚度的CrCu層的情況下，焊塊將導(dǎo)致TiW反浸潤(rùn)，一種公知的氧化，自鈍化膜。在測(cè)試前經(jīng)受30次回熔的互連，給出的界面失效數(shù)目尚不壞。由此設(shè)想到TiW與CrCu層之間的粘附是完美無(wú)缺的，有限的失效或許是由于較薄的CrCu層經(jīng)30次回熔而退化所致。應(yīng)該指出對(duì)于阻止散裂，合金CrCu層似乎是等效于同相的CrCu層。這進(jìn)一步提示，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，當(dāng)回熔次數(shù)大約在10次以下，即使250CrCu中間層也是可接受的。然而，由于相同的原因，沒(méi)有中間的CrCu層，5000量級(jí)的薄Cu層直接設(shè)在TiW上，可能導(dǎo)致界面的脫層，因?yàn)殂~轉(zhuǎn)變?yōu)镃u—Sn金屬互化物，而金屬互化物散裂到焊料體塊中。所以，圖3的中間層85起到一種獨(dú)特的作用，盡管它很薄。結(jié)構(gòu)聯(lián)鎖的Cu顆粒確保Cu—Sn金屬互化物與一側(cè)的CrCu層間的粘附力，而Cr顆粒和聯(lián)鎖的Cu—Sn顆粒確保與另一側(cè)的TiW的良好粘附力。從實(shí)驗(yàn)研究(“Reli-ability improvements in Solder bump processing for flip chips”，M.Warrior，1990 IEEE，0589—5503 pp.460—469)推出同樣的結(jié)論。Warrior的研究使用一由TiW和Cu電鍍焊料的互連作金屬化層，沒(méi)有中間層。將互連與基片接合，并做拉伸測(cè)試。該研究在上述參考文獻(xiàn)的第461頁(yè)陳述“因粘附力主要依賴(lài)于良好的Cu—Ti結(jié)構(gòu)鍵合，任何一點(diǎn)疏漏都是一種潛在的凸塊脫落的失敗。研究的做法是在Cu濺射前讓TiW表面暴露于大氣。這是由重復(fù)同樣的失敗原因而得出的…”。在Warrior的研究中，所用的銅層厚是約10000(參見(jiàn)文獻(xiàn)第460頁(yè)的圖1)，在接合過(guò)程中，互連經(jīng)受一次焊料熔化循環(huán)。合理的結(jié)論是，在接合之后，仍保持著Cu—Ti界面。所以關(guān)切的界面是在Cu產(chǎn)與Ti—W層的富Ti表面之間，看來(lái)似乎很敏感。從這些論述及表1中的數(shù)據(jù)，對(duì)采用薄鍵合層的大多數(shù)微電子應(yīng)用而言，如本發(fā)明所預(yù)見(jiàn)，使用沒(méi)有中間層的TiW和Cu不會(huì)滿(mǎn)足本發(fā)明提及的成品率和可靠性方面的要求。因而，本發(fā)明的在TiW層80和Cu(Ni)層90之間使用一薄的CrCu中間層85提供了一種重要的解決辦法。CrCu經(jīng)多次回熔仍作為中間層存在，并提供與下面的TiW層的良好粘附力，如測(cè)試結(jié)果所示。
根據(jù)前面的論述，如圖3所示的金屬端子可使用下列的任何材料TiN、Ti/TiN、Ti/TiW和Ti/W以及類(lèi)似的材料，形成粘附層80以及CrCu中間層85。然而，在刻蝕CrCu層85的工藝中不應(yīng)刻蝕粘附層80，這暗示著任何含Cr或Cu的層不可能適合作層80。在疊層結(jié)構(gòu)如Ti/W的情況下，Ti提供與基片的粘附力。另外根據(jù)對(duì)粘附力的機(jī)械學(xué)論述及鍵合層的有限作用，可以采用鎳、鈷一類(lèi)的材料加添到鍵合層90的Cu中。在使用由Ti/W、Ti/TiW、Ti/TiN等制成的疊層結(jié)構(gòu)的情況下，氟基等離子體可用于刻蝕這些層，形成層80；此外，濕式刻蝕技術(shù)是合用的，且優(yōu)先于隱埋布線(xiàn)層60。
雖然根據(jù)單一優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的前提下可以作出各式各樣的替換及改形。所以，本發(fā)明意欲包含所有的落入所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的這種替換。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的基片上的焊接端子，含有至少一個(gè)導(dǎo)電部件并具有多個(gè)被絕緣物隔開(kāi)的電接觸區(qū)，該焊接端子包括一金屬粘附層，可用一種優(yōu)先于所說(shuō)的導(dǎo)電部件的工藝刻蝕；在上面的、與所說(shuō)的粘附層接觸的一CrCu合金層；所說(shuō)的刻蝕金屬粘附層的工藝進(jìn)一步優(yōu)先于所說(shuō)的CrCu合金層；在上面的、與所說(shuō)的CrCu層接觸的一焊料鍵合金屬層；以及在上面的、與所說(shuō)的焊料鍵合層接觸的一焊料層。
2.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的金屬粘附層是選自實(shí)質(zhì)上由TiN和TiW組成的集合。
3.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的金屬粘附層是由兩層制成的，一Ti底層和一選自實(shí)質(zhì)上由TiN和TiW及W組成的集合的頂層。
4.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的金屬粘附層的厚度在250?！?000的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的金屬粘附層最好為約1000A。
6.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的頂絕緣層是選自實(shí)質(zhì)上由聚酰亞胺、二氧化硅、氮化硅及氮氧化硅組成的集合。
7.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的焊料是選自實(shí)質(zhì)上由Pb—Sn、Pb—In及Pb—Si組成的集合。
8.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的CrCu層的厚度大于250。
9.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的CrCu層是由20—80％的銅制成的。
10.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的焊料鍵合層是選自實(shí)質(zhì)上由Cu、Co和Ni組成的集合。
11.如權(quán)利要求1的一種改進(jìn)的焊接端子，其特征在于，所說(shuō)的焊料鍵合層的厚度選在1000?！?μm的范圍。
12.一種在基片上制作改進(jìn)的焊接端子的方法，該端子含有至少一個(gè)導(dǎo)電部件并具有多個(gè)被絕緣物隔開(kāi)的電接觸區(qū)，該方法包括淀積一粘附金屬層；在所說(shuō)的粘附金屬層上面并與之接觸淀積一層CrCu合金；所說(shuō)的粘附金屬層之特征在于可優(yōu)先于所說(shuō)的導(dǎo)電部件和所說(shuō)的CrCu合金屬被刻蝕；在所說(shuō)的CrCu層上面并與之接觸淀積一層焊料可鍵合的金屬；在所說(shuō)的焊料可鍵合層上面在選定位置有選擇地形成焊料；使用所說(shuō)的焊料作掩模刻蝕所說(shuō)的焊料可鍵合層和CrCu層，停在所說(shuō)的粘附層；以及采用一種工藝，優(yōu)先于基片上的焊料、CrCu合金層、焊料鍵合層及導(dǎo)電部件刻蝕所說(shuō)的金屬粘附層。
13.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的粘附金屬層是選自實(shí)質(zhì)上由TiW和TiN組成的集合。
14.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的粘附金屬層是由兩層制成的，一底Ti層，及一選自實(shí)質(zhì)上由TiN、TiW及W組成的集合的頂層。
15.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的粘附金屬層是由選自濺射、化學(xué)汽相淀積及電鍍的一種工藝形成的。
16.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的CrCu合金層是由含Cr和Cu的合金靶濺射而淀積的。
17.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的CrCu合金層是由Cr靶和Cu靶共濺射而形成的。
18.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的CrCu合金層是由一Cr源和一Cu源共蒸發(fā)而形成的。
19.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的焊料是通過(guò)有孔的絕緣掩模層電鍍而形成的。
20.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)CrCu合金層及焊料鍵合層是通過(guò)電刻蝕工藝刻蝕的。
21.一種如權(quán)利要求12的方法，其特征在于，所說(shuō)的粘附層是通過(guò)采用濕式化學(xué)反應(yīng)或一等離子體的工藝刻蝕的。
全文摘要
公開(kāi)一種改進(jìn)的焊接端子的工藝及結(jié)構(gòu)。該改進(jìn)的焊接端子是由底金屬粘附層、在粘附層頂上的CrCu中間層、在CrCu層上面的焊料鍵合層以及焊料頂層構(gòu)成。一種制作改進(jìn)的端子金屬的工藝包括淀積粘附金屬層、在該粘附層上的CrCu層、及焊料鍵合材料層，在其上選定位置形成焊料層，用焊料區(qū)作掩?？涛g下面的各層。
文檔編號(hào)H01L23/485GK1117655SQ9510506
公開(kāi)日1996年2月28日 申請(qǐng)日期1995年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月28日
發(fā)明者亨利(Iii)阿特金森·奈, 杰弗里·弗雷德里克·羅德, 童洪明, 保羅·安東尼·托它 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司