[發明專利]改善半導體器件中的焊料凸塊連接的結構和方法

有效

• 申請號: 200910212033.1
• 申請日: 2009-11-06
• 公開（公告）號: CN101770962A
• 公開（公告）日: 2010-07-07
• 發明（設計）人: 蒂莫西·H·道本斯匹克;杰弗里·P·甘比諾;克里斯托弗·D·瑪茲;沃爾夫岡·索特;T·D·薩利文
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60;H01L21/50;H01L23/485
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 秦晨

技術領域

本發明涉及集成電路，以及更具體地，涉及具有改進的 焊料凸塊連接的結構和制備此類結構的方法。

背景技術

傳統上，已經使用高溫C4(可控塌陷芯片連接)凸塊以 將芯片接合(bond)到襯底，最常見和廣泛使用的封裝為有機層板 (laminate)。按照常規，C4凸塊(焊料凸塊)由含鉛焊料制成， 因為它具有優良的性能。例如，已經知道鉛可減輕芯片與襯底(即， 有機層板)之間的導熱系數(TCE)失配。因此，在冷卻循環期間所 施加的應力由C4凸塊減輕，從而防止芯片或襯底發生脫層或者其它 損壞。

目前，許多國家正在實行無鉛要求，強制制造商實施將 芯片連結到襯底的新方法。例如，由與SAC合金結合的錫/銅、錫/銀 (具有高濃度的銀)和錫/金構成的焊料互連被用作含鉛焊料互連的 替代。但是，根據無鉛要求，關于C4互連的缺點方面的擔憂已經浮 現，例如，導致器件失效的在C4凸塊下的芯片冶金層 (metallurgy)中的裂痕(crack)(由于它們在CSAM檢查過程中 的外觀而命名為“白凸塊”)。更具體地，白凸塊是沒有與Cu最后 金屬焊盤形成良好的電接觸的C4凸塊，從而導致芯片在功能測試中 或者在實際應用中失效。這可以歸因于，至少部分歸因于使用高應力 無鉛C4(焊料凸塊)的芯片設計，高應力無鉛C4使C4/AlCu凸塊 與Cu絲線的粘附問題惡化。

作為一個說明性的實例，在芯片連結(joining)回流的 過程中，芯片與其襯底被加熱到升高的溫度(約250℃)以形成焊料 互連連結點。冷卻的初始部分導致小應力累積；但是，當焊點固化 (對于小的無鉛焊點為180℃左右)時，在封裝上觀察到增加的應 力。特別地，在封裝(層板、焊料及芯片)開始冷卻時，焊料開始固 化(例如，在180℃左右)并且層板開始收縮然而芯片基本保持相同 尺寸。芯片與襯底之間的熱膨脹差異由器件和襯底的面外變形以及由 焊點的剪切變形所容納。器件上的峰值應力出現于回流的冷卻部分期 間。

當焊料是魯棒的(robust)并且超過芯片的強度時，拉伸 應力開始使芯片上的結構脫層。由芯片(3.5ppm)和層板 (16ppm)之間的TCE失配所引起的高剪切應力導致界面失效 (即，處于C4之下的BEOL銅與電介質(例如，FSG)之間的分 離)。這種界面失效本身表現為C4凸塊下的芯片冶金層中的裂痕。 另外，由于這些疊置膜(overlying?films)中的不充分的勢壘層完整 性，還存在Sn從無鉛焊料凸塊通過BLM/定位焊盤(capture?pad) 結構向下擴散并進入到最后金屬銅層內的趨勢。當這種情況發生時， 在最后金屬層中的銅在與Sn的反應中經受體積膨脹，并且產生裂 痕。

因此，本領域需要克服以上所描述的不足和局限。

發明內容

在本發明的第一方面中，一種制造半導體結構的方法包 括在電介質層中形成上布線層以及在該上布線層之上沉積一個或更多 個電介質層。該方法還包括在一個或更多個電介質層中形成多個延伸 到上布線層的離散溝槽。該方法還包括將球限冶金層(ball?limiting metallurgy)或凸塊下冶金層(under?bump?metallurgy)沉積于所述 多個離散溝槽中以形成與上布線層接觸的離散金屬島狀體。焊料凸塊 被形成為與所述多個離散的金屬島狀體電連接。

在本發明的第二方面中，一種制造封裝的方法包括：在 一個或更多個電介質層中形成延伸到下面的布線層的多個離散溝槽； 將金屬材料沉積于離散的溝槽中，這形成了與下面的布線層接觸的凸 塊下冶金層或球限冶金層的島狀體；沉積與該島狀體電連接的無鉛焊 料凸塊；以及將層板結構接合到無鉛焊料凸塊。

在本發明的第三方面中，一種焊料凸塊結構包括在一個 或更多個電介質層中形成的并且與下電介質層中的上布線層接觸的凸 塊下冶金層或球限冶金層的多個金屬島狀體。焊料凸塊是與金屬島狀 體電連接的。

附圖說明

在下面的詳細描述中參考所注明的多個附圖通過本發明 的示例性實施方案的非限制性實例描述了本發明。

圖1-8顯示了根據本發明的各方面的結構以及各個處理步 驟。

具體實施方式