[發(fā)明專利]用加強冷卻方法在晶粒-基板焊接過程降低精密半導體裝置的金屬堆棧中的機械應力

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110084656.2
• 申請日: 2011-03-31
• 公開（公告）號: CN102248240A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設計）人: M·格里爾貝格爾;M·萊爾;R·吉丁格凱特
• 申請（專利權）人: 格羅方德半導體公司;格羅方德半導體德累斯頓第一模數(shù)有限責任及兩合公司
• 主分類號: B23K1/00
• 分類號: B23K1/00;B23K35/22;B23K3/00;H01L21/60
• 代理公司: 北京戈程知識產(chǎn)權代理有限公司 11314
• 代理人: 程偉;胡冰

技術領域

本發(fā)明是關于集成電路，更特別地，是關于精密金屬化系統(tǒng)，包含敏感介電材料與無鉛凸塊或金屬柱，用于將芯片連接至封裝。?

背景技術

半導體裝置，例如微處理器、SRAMs、ASICs(應用特殊IC)、芯片上系統(tǒng)(SoC)與類似物，典型是形成在適當?shù)幕宀牧希绻枧c類似物上，其中個別的集成電路配置在晶圓上的數(shù)組中，因而在基板上的所有芯片區(qū)域進行大部分的制程步驟，涉及幾在精密集成電路中百個或更多個別工藝步驟，除了在切割基板之后的微影蝕刻工藝、度量工藝與個別裝置的封裝。因此，經(jīng)濟限制驅(qū)使半導體制造者持續(xù)增加基板尺寸，因而也增加用于產(chǎn)生實際半導體裝置的面積，以及增加產(chǎn)率。?

除了增加基板面積之外，也很重要的是優(yōu)化給定基板尺寸的基板面積利用，用以盡可能使用半導體裝置的基板面積與/或用于工藝控制的測試結構。在嘗試將給定基板尺寸的可使用表面積最大化的過程中，電路組件的尺寸穩(wěn)定縮小。由于縮小高精密半導體裝置的需求，銅結合低k介電材料已經(jīng)成為常用的替代品，用于形成所謂的互連結構，包括金屬線層與中間通道層，包含金屬線作為層內(nèi)連接以及通道作為層間連接，共同連接個別電路組件，提供集成電路所需要的功能性。典型地，需要多個金屬線層與信道層堆棧在彼此頂部，用來實行所有內(nèi)部電路組件與I/O(輸入/輸出)、電路設計的電源與接地墊之間的連接。?

對于極度規(guī)模化的集成電路，信號傳輸延遲不再受限于電路組件，例如場效晶體管與類似物，但是由于電路組件密度增加需要更多的電連接數(shù)目，所以受限于金屬線的近端，橫切面積減小造成線對線電容增加以及線的傳導性降低。因此，傳統(tǒng)的介電質(zhì)，例如二氧化硅(k＞4)?與氮化硅(k＞7)被具有較低介電常數(shù)的介電材料取代，也指具有3或更小介電常數(shù)的低k介電材料。然而，相較于已知的介電二氧化硅與氮化硅，低k材料的密度與機械穩(wěn)定性或強度明顯較低。結果，在形成金屬化系統(tǒng)與集成電路任何后續(xù)制造工藝的過程中，產(chǎn)率取決于這些敏感介電材料與他們附著到其他材料的機械特性。?

除了具有介電常數(shù)3或更小的介電材料降低機械穩(wěn)定性的問題之外，在最后組裝精密半導體裝置的過程中，由于不同材料對應熱膨脹的熱錯配造成芯片與封裝之間的交互作用，這些材料影響裝置的可靠度。例如，在制造復雜集成電路過程中，可使用連接技術，已知是覆晶包裝技術(flip?chip?packaging?technique)，將封裝載體連接至芯片。相較于已經(jīng)建立的打線接合技術，其中適當?shù)慕雍蠅|定位在芯片最后金屬層的周圍，通過通道可連接至封裝的對應終端，在覆晶技術中，可在最后的金屬化層上形成個別的凸塊結構，連接封裝的個別接觸墊，有焊接材料形成在接觸墊上。因此，在回流凸塊材料之后，可在最后金屬化層上的終端金屬與封裝載體的接觸墊之間，形成可靠的電性與機械連接。在這方法中，可提供非常多的電連接，以較低的接觸電阻與寄生電容，通過最后金屬化層的整個芯片面積，因而提供IO(輸入/輸出)電容，這是復雜集成電路，例如CPU、儲存內(nèi)存與類似物所需要的。在連接凸塊結構與封裝載體的對應工藝順序過程中，可施加某程度的壓力與熱至組合裝置，用來建立芯片上各個凸塊與封裝基板上凸塊或墊之間可靠的連接。然而，熱或機械誘導的壓力可作用在較下方的金屬化層，可典型地誘導低k介電或甚至超低k(ULK)介電材料，由于機械穩(wěn)定性與對其他材料的附著降低，因而明顯增加產(chǎn)生破裂、分層缺陷的可能性。?

特別地，當回流焊接材料而后將焊接材料固化，將封裝基板實際連接至半導體晶粒(die)，在半導體晶粒的凸塊結構與封裝基板的凸塊結構之間形成金屬間連接時，有一個明顯的錯誤機制。在這個過程中，半導體晶粒與封裝基板彼此機械耦合，并且加熱至焊接材料的熔點以上，因而回流焊接材料以及形成金屬間連接。而后，冷卻組合裝置，亦即半導體晶粒與封裝基板，然而造成產(chǎn)量損失，詳細說明參考圖1a至圖1i。?