具有改进的焊料接合的半导体装置制造方法及图纸

本发明专利技术描述一种具有改进的焊料接合系统的半导体装置。所述焊料系统包括由焊料主体（１２０）连接的两个铜接触垫，且所述焊料是包括锡、银，以及来自元素周期表的过渡族ⅢＡ、ⅣＡ、ⅤＡ、ⅥＡ、ⅦＡ和ⅧＡ的至少一金属的合金。所述焊料接合系统在所述垫与所述焊料之间还包括金属间化合物层，所述金属间化合物包括铜与锡化合物以及铜、银与锡化合物的晶粒。所述化合物含有所述过渡金属。在所述化合物晶粒中包括所述过渡金属减小了所述化合物晶粒尺寸，并避免晶粒尺寸在所述焊料接合经历了反复的固态／液态／固态循环之后增大。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及应用于电子系统与半导体装置的冶金系统的领域，且更具体来说， 涉及在半导体产品的焊料接合处控制金属间晶粒尺寸的方法。
技术介绍
当将要使用例如焊料的回流材料将半导体芯片上的集成电路互连到衬底上的外部 电路时，或当必须使用回流焊料将经包装的半导体芯片互连到板时，将要组装的部件必 须经历至少一次温度升高，而达到高于所述回流材料的熔化温度的一温度，随后为冷却 循环。在完成此过程后，所完成的组合件常必须经受退火步骤一一在延长的时期内反复 变化温度。而所组装的部件常必须经测试以在反复暴露于例如极端温度偏移与高湿度的 故障加速条件之后确定它们的可靠运作。从早期的回流组装部件的研发便已开始研究的故障机制主要是应力诱发的接合疲 劳、蠕变与破裂。类似地，应力起始的故障也是研究使用例如焊料的回流材料在外部部 件上组装的完整装置包装时所关注的焦点。对于因例如金属相互扩散、化合物形成、与 晶格失配的金属间效应而在所述组合件接合中引发渐进式的变化则较少关注。这些变化 对于某些金属来说尤其显著，并可能是不可逆的，同时可能造成所完成装置的可靠性降 低。明确地说，己发现铜垫在直接接触焊料时显得相当脆弱，尤其是在机械冲击("掉 落")测试中。 一种解决方案是在铜与焊料之间实施镍层以作为扩散障壁进而限制所述 焊料反应。然而，增加的电镀过程对于较大的板与衬底来说是不实用的。
技术实现思路
申请人认识到对于高装置可靠性(包括在掉落测试中)的需求；并研究在反复的固 态/液态/固态循环下以及在高温的长期影响下，铜与二元焊料(尤其是锡/银合金)间的 界面。此调查表明，在高温偏移下，初始为小晶粒的金属间化合物(其包括铜)会逐渐 成长为大晶粒化合物，并且会在焊料与铜之间的界面处形成大量的克根达尔(Kirkendall) 空洞。两种现象均使所述金属间接合的界面强度大大降低并使得在掉落测试之后能够观察到焊料接合破裂。此外，申请人还发现含有来自元素周期表某些过渡族的金属的锡/银基三元焊料合金 能够取代某些金属间化合物中的铜，且甚至在反复的固态/液态/固态循环之后产生减小 且固定的金属间晶粒尺寸，以及减小的金属间层厚度。这些效应大大地改进掉落测试中 的装置可靠性。 '本专利技术的一个实施例是一种金属互连结构，其中两个铜接触垫由焊料主体连接。所 述焊料是一种包括锡、银，以及来自元素周期表的过渡族IIIA、 IVA、 VA、 VIA、 VIIA 和VIIIA的至少一金属的合金。在所述垫与所述焊料之间的是金属间化合物层，所述金 属间化合物层具有含有得自焊料主体的过渡金属的铜/锡与铜/银/锡化合物晶粒。接近所 述接触垫的焊料区域中的过渡金属的重量百分比小于所述焊料主体的中央区域中的过 渡金属的重量百分比。在并入所述过渡金属的情况下，所述化合物晶粒较小，且在固态 /液态/固态循环之后仍保持较小。过渡族IIIA中的金属包括钪、钇和镧；族IVA中包括钛、锆和铪；族VA中包括 钒、铌和钽；族VIA中包括铬、钼和钨；族VIIA中包括锰和铼；以及族VIIIA中 包括铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱和铂。本专利技术的另一实施例是堆叠的半导体装置，其包括第一装置与第二装置。所述第一 装置包括衬底、组装在衬底表面上的半导体芯片、以及在相反衬底表面上的铜接触垫。 所述第二装置包括衬底、组装在所述衬底表面上的半导体芯片，以及环绕与由焊料连接 的第一包装的垫对准的经组装芯片的铜接触垫。所述第二装置在经组装芯片的相反衬底 表面上也具有铜接触垫。所述焊料主体是合金，其包括锡、银和来自元素周期表的过渡族IIIA、 IVA、 VA、 VIA、 VIIA和VIIIA的至少一金属。金属间化合物层介于每一铜垫与焊料主体之间。所 述化合物包括铜/锡与铜/银/锡化合物的晶粒，其含有来自所述焊料主体的过渡金属。因 此，接近所述接触垫的焊料区域中的过渡金属重量百分比小于所述焊料主体的中央区域 中的重量百分比。包括过渡金属的化合物晶粒具有较小的晶粒尺寸并且在固态/液态/固 态循环之后仍保持较小；本专利技术因此产生例如包装上包装堆叠装置(package-on-package stacked device)的半导体装置，其在例如掉落测试的可靠性测试中表现出低得多的故障 率。本专利技术的另一实施例是一种电子系统，其具有焊接在电路板的铜接触垫上的堆叠装 置。所述系统也具有第二堆叠装置，其中对准板垫与合金焊料主体的垫连接经对准的垫。 所述合金具有来自上文所列举的过渡族的至少一金属。同样，在垫与焊料主体间存在金属间化合物层，其并入晶粒状的过渡金属。所述并入减小了在焊料回流后所形成的化合 物晶粒尺寸，以及所述化合物层的厚度，并使得所述化合物晶粒尺寸在反复的固态/液态 /固态循环之后可重现为较小，从而产生大幅改进的系统可靠性性能。附图说明图1是在两个接触垫间的金属互连结构的示意性横截面。在图1中， 一个接触垫是 由单一金属层制成； 一个接触垫是由夹心层制成。图2A到7D是以各自的俯视图(图A与C)以及横截面图(图B与D)描绘各种 金属间化合物晶粒Sn3Ag、 Sn3AgCu、 Sn3Ago.01Ni、 Sn3Ago.03Ni、 Sn3Ag0.03Co与Sn3Ago.,Zn 的放大显微照片。图8是包括组装在电路板上的堆叠半导体装置的电子系统的示意性横截面。 具体实施例方式图1示意性说明金属互连结构。元件101表示第一衬底，其由绝缘衬底、电路板、 或半导体材料制成。衬底表面由绝缘材料102 (例如保护涂层(例如，二氧化硅、氮化 硅、或聚酰亚胺)或阻焊膜)覆盖所述厚度优选在约20到40nm之间。涂层102中有 一窗口，其暴露金属接触垫103。接触垫103的优选金属是铜或铜合金，其厚度在从约 10pm到3(Him的范围中。元件111表示第二绝缘衬底、第二电路板、或第二半导体材料。其表面由部分绝缘、 保护材料112覆盖，所述部分绝缘、保护材料112具有暴露第二金属接触垫113的窗口 。 接触垫113的优选金属是铜或铜合金，其厚度在从约10nm到30nm的范围中。在图1的变化形式中，第一接触垫103在其上可具有所述铜表面障壁金属层104与 105。优选的是，层104是由厚度在从约O.Oljnm到3jam的范围中的镍制成，而层105 是由厚度在从约0.3pm到l|_im的范围中的金制成。在另一变化形式中，第二铜接触垫 113在其上可具有障壁层，其优选由O.Olpm到3nm厚的镍制成，其上紧接着优选为由 0.3nm到lpm的金制成的层。图1中，第二接触垫位于第一接触垫的对面。焊料主体120接触所述第一与第二垫， 因此连接所述两个垫。主体120的焊料合金，其包括以下金属锡，其量为约95.5到约 99.49的重量百分比；银，其量为约0.5到约4.0的重量百分比；以及来自元素周期表的 过渡族IIIA、 IVA、 VA、 VIA、 VIIA和VIIIA的至少一金属，其量为约0.01到约0.5的 重量百分比。作为引入的块状部件，原始的焊料主体表现出所述合金成份的大体均匀分布。然而， 在焊料回流之后，接近接触垫的焊料区域中的过渡金属重量百分比小于焊料主体的中央 区域中的过渡金属重量百分比(在某些结构中，小于其一半以上)。过渡族IIIA中的金属包括钪、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构，其包含：　第一接触垫，其具有铜表面；　第二接触垫，其具有铜表面，所述第二接触垫位于所述第一接触垫的对面；　焊料主体，其接触所述第一垫和第二垫，所述焊料是合金，其包括：　锡，其量为第一重量百分比；　银，其量为第二重量百分比；以及　来自元素周期表的过渡族ⅢＡ、ⅣＡ、ⅤＡ、ⅥＡ、ⅦＡ和ⅧＡ的至少一金属，其平均量为约０．０１到约０．５的重量百分比，其中接近所述接触垫的焊料区域具有大于零百分比的第三重量百分比，且所述焊料主体的中央区域具有高于所述第三重量百分比的第四重量百分比；以及　在所述第一垫与所述焊料主体之间的第一金属间化合物层，和在所述第二垫与所述焊料主体之间的第二金属间化合物层；　所述化合物包括铜与锡化合物以及铜、银与锡化合物的晶粒；且所述化合物含有过渡金属。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：雨海正纯，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]