專利名稱：具有改進(jìn)的機(jī)械可靠性和熱可靠性的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有鍍銅接觸墊的半導(dǎo)體裝置且在加速應(yīng)力測(cè)試下解決其可靠性。
技術(shù)背景在用于表面安裝組合件的半導(dǎo)體裝置封裝中，球柵陣列(BGA)封裝越來(lái)越普遍。 其可用于許多消費(fèi)者產(chǎn)品并有助于當(dāng)前的小型化趨勢(shì)。分布在整個(gè)封裝區(qū)域上的焊料元 件提供大量輸入/輸出端子。另外，焊料元件提供具有非常低的故障率("6西格瑪處理") 的板附接技術(shù)的機(jī)會(huì)。然而，最近存在影響B(tài)GA封裝的挑戰(zhàn)性要求。僅舉一些例子來(lái)說(shuō)越來(lái)越要求焊料 元件不含鉛(出于環(huán)境考慮)；這個(gè)要求造成冶金學(xué)挑戰(zhàn)。接觸墊將銅作為其基底金屬； 這種選擇對(duì)焊料元件形成冶金學(xué)接口挑戰(zhàn)。封裝組件的特征尺寸不斷減小對(duì)以可接受的 殘存率通過(guò)加速應(yīng)力測(cè)試形成新的障礙；舉例來(lái)說(shuō)，在高溫下且在潮濕環(huán)境中的加速壽 命測(cè)試變得更具挑戰(zhàn)性。含有BGA封裝的裝置產(chǎn)品正散布到越來(lái)越多的消費(fèi)者應(yīng)用；通 常，這些應(yīng)用形成更嚴(yán)格或甚至全新的驗(yàn)收測(cè)試。作為最近的實(shí)例，無(wú)線電話應(yīng)用引發(fā) 對(duì)于經(jīng)受住電話跌落測(cè)試的要求，以便證實(shí)BGA封裝的焊料接點(diǎn)在測(cè)試之后仍是可靠 的。發(fā)明內(nèi)容申請(qǐng)人認(rèn)識(shí)到需要一種靈活但成本低且穩(wěn)固的方法來(lái)制造具有焊料接點(diǎn)的裝置(尤 其是半導(dǎo)體封裝)，使得接點(diǎn)給予所述裝置應(yīng)用專有的機(jī)械和熱可靠性且所述裝置將通過(guò) 產(chǎn)品專項(xiàng)測(cè)試。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種具有由特定區(qū)域的接觸墊和在墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附 接到接觸墊的合金層制成的焊料接點(diǎn)的裝置。接觸墊的表面具有銅。合金層在接觸區(qū)域上包括銅/錫合金和銅/鎳/錫合金。銅/錫合金包括CU6Sll5金屬間化合物。銅/鎳/錫合金包 括(Ni，Cu)6Sll5金屬間化合物。包括錫的焊料元件在墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到合金層。以銅/錫合金為主的第一合金有助于將跌落測(cè)試性能改進(jìn)到由具有銅墊的焊料接點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)的最佳水平。以含鎳合金為主的第二合金通過(guò)減緩老化條件而有助于改進(jìn)壽命測(cè)試 性能。一種形成上述實(shí)施例中的合金區(qū)的所需數(shù)目、分布和厚度的優(yōu)選方法是在銅接觸墊 上方沉積具有預(yù)定厚度的薄鎳層，將含錫焊料元件附接到鎳層，且根據(jù)選定時(shí)間-溫度曲 線回流焊料。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，合金層可包括金或鈀。


圖1說(shuō)明具有用于外部連接的焊料元件的球柵陣列(BGA)型半導(dǎo)體裝置的示意性 橫截面圖。圖2是襯底的部分"A"(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件附接之前的接 觸墊的細(xì)節(jié)。圖3是襯底的部分"A"(圖1)的示意性橫截面圖，其展示焊料元件回流之后的接 觸墊的細(xì)節(jié)。圖4是焊料接點(diǎn)的部分"B"(圖3)的示意性橫截面圖。圖5說(shuō)明具有薄鎳層的銅觸點(diǎn)的時(shí)間-溫度曲線的實(shí)例，其用以回流錫焊料且形成銅 /錫和鎳/錫、鎳/銅/錫合金區(qū)。
具體實(shí)施方式
圖1示意性說(shuō)明球柵陣列(BGA)半導(dǎo)體裝置大家族中的代表。半導(dǎo)體芯片101通 過(guò)使用用于機(jī)械附接的芯片附接材料103和用于電連接的接合線104而組裝在襯底102 上。組合件通常囊封在模制化合物105中。襯底102具有一個(gè)或一個(gè)以上圖案化金屬層以用于內(nèi)部互連(圖1中未展示)，以尤 其在線腳接合點(diǎn)106與接觸墊107之間形成連接線以用于外部連接。金屬層由絕緣層分 開。焊料元件108附接到接觸墊107。這種焊料附接在各種測(cè)試和使用條件下的可靠性 值得特殊考慮。圖2和圖3更詳細(xì)地展示裝置的部分"A"。圖2說(shuō)明焊料元件208回流之前的裝置 接觸墊，且圖3說(shuō)明回流工序之后的裝置接觸墊。在圖2中，襯底102具有絕緣表面層 201，其通常稱為焊料掩模。已經(jīng)在焊料掩模201中打開具有寬度202的窗口，其暴露襯 底的互連涂敷金屬210的一部分，且因此界定接觸區(qū)域。涂敷金屬210由銅制成，且所 暴露銅的區(qū)域由焊料掩模窗口的寬度202確定。在所暴露銅的區(qū)域上方沉積鎳層211;另外，貴金屬(例如金或鈀)層212沉積在所 述鎳層上方。在此實(shí)施例中，鎳層的厚度在約0.01與0.3 pm之間；優(yōu)選厚度范圍為0.12 ±0.04|im。金層的厚度在約0.1與l.Opm之間；優(yōu)選厚度范圍為0.5 ± 0.25 pm。焊料回流元件208含有錫；另外，其可含有選自由鉛、銀、鉍、銦、鋅、銅、鎳和 銻組成的群組的金屬中的一者或一者以上。對(duì)于本實(shí)施例中的鎳層厚度來(lái)說(shuō)，回流元件 208中的錫和其它回流金屬的量比鎳的量大得多。如圖2展示，襯底102在與接觸墊202相對(duì)的襯底表面上具有一個(gè)或一個(gè)以上墊220; 這些墊用作將連接線230接合到半導(dǎo)體芯片接合墊的接合墊。由于線230優(yōu)選由金制成 且墊220優(yōu)選供金線腳231使用，因而墊220優(yōu)選由包括銅層221、鎳層222和金層223 的層堆疊制成。圖3說(shuō)明焊料元件208回流之后的裝置接觸墊。210是銅線，其中接觸墊由焊料抗 蝕劑201中具有寬度202的窗口暴露。寬度202界定銅接觸區(qū)域。在整個(gè)區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到銅的是合金層301，其包括錫、銅和鎳。圖4放 大說(shuō)明圖3的區(qū)域"B"。為了實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性性能，所述合金應(yīng)當(dāng)占據(jù)接觸區(qū)域中的 整個(gè)沉積鎳層。以冶金學(xué)方式附接到合金層301的是以錫作為其主要成分的回流元件 308。在圖4中，在襯底102的絕緣部分上的是銅層210在銅接觸區(qū)域中的一部分。以冶 金學(xué)方式附接到銅層210的是合金層301，且以冶金學(xué)方式附接到合金層301的是回流 元件308的一部分，其主要含有錫。合金層301包含銅/錫合金和銅/鎳/錫合金。銅/錫合金包含較高百分比的CueSn5金屬間化合物，通常具有扇形輪廓。鎳/銅/錫合金包含較高百分比的(Ni， CU)6SI15金屬間化合物，其微晶通常散裂到合金層中。在具有金作為合金組分的實(shí)施例中，合金包含較高百分比的(Cu, Ni， Au)6Sns金屬間 化合物。使用后者金屬間化合物，金屬層的厚度優(yōu)選處于2.0與3.0^m之間。含鎳合金已經(jīng)從原始鎳層中消耗掉所有可用鎳，以使得在合金成形(回流)工序之 后不會(huì)剩余鎳層的任何部分。可通過(guò)選擇兩個(gè)參數(shù)值來(lái)產(chǎn)生銅/錫合金與鎳/銅/錫合金之間的預(yù)定比率鎳層厚度 和回流工序的時(shí)間-溫度曲線。0.1 ±0.05 iam厚度范圍內(nèi)的鎳層的優(yōu)選時(shí)間-溫度序列501 的實(shí)例在圖5中再現(xiàn)(以'C為單位測(cè)量溫度，以分鐘為單位測(cè)量時(shí)間)。如可見，曲線具 有約1到2分鐘的約130與170'C之間的預(yù)熱范圍501和約1/4到3/4分鐘的高于230°C 的高溫范圍502。本發(fā)明人所作的定量研究已經(jīng)表明銅/錫合金有助于將已組裝裝置的跌落測(cè)試性能 改進(jìn)到具有銅墊的焊料接點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的最佳水平。另一方面，從約O.l pm的開始鎳層厚度獲得的含鎳合金通過(guò)減緩老化條件使得裝置特征在預(yù)期的裝置使用期限中保持近似恒定 來(lái)改進(jìn)成品裝置特征的壽命測(cè)試性能。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，合金層301連同回流的錫焊料元件308可包括熔化的貴 金屬，例如金或鈀。圖2中展示為沉積層的貴金屬在回流工序步驟中熔化。盡管已經(jīng)參看說(shuō)明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但不希望在限制性意義上解釋此描述內(nèi) 容。通過(guò)參看所述描述內(nèi)容，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易了解所述說(shuō)明性實(shí)施例的各種修改和組合以及本發(fā)明的其它實(shí)施例。舉例來(lái)說(shuō)，可采用更薄的鎳層---恰好足以防護(hù)銅不受氧化的鎳。因此，希望所主張的發(fā)明涵蓋任何此類修改。
權(quán)利要求
1.一種集成電路裝置，其包含半導(dǎo)體芯片；襯底，在其上組裝所述芯片，所述襯底具有用于外部連接的觸點(diǎn)；每一觸點(diǎn)包括具有銅的接觸區(qū)域；覆蓋所述接觸區(qū)域的合金層，所述合金層包括銅/錫合金和銅/鎳/錫合金，所述合金層以冶金學(xué)方式附接到所述銅區(qū)域且大致沒(méi)有非合金鎳區(qū)；以及包含錫的回流元件，其以冶金學(xué)方式附接到所述合金層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述銅/錫合金包括CU6Sll5金屬間化合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述銅/鎳/錫合金包括(Ni，Cu)6Sn5金屬間化合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述合金層進(jìn)一步包含金。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中主要合金包含(Cu，Ni，Au)6Sn5金屬間化合物。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述金屬間化合物(Cu，Ni, Au)6Sii5的厚度處于約 2.0與3.0 nm之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述合金層包含鈀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述回流元件進(jìn)一步包含選自由鉛、銀、鉍、銦、 鋅、銅、鎳和銻組成的群組中的一種或一種以上金屬。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述襯底觸點(diǎn)由焊料掩模中的窗口界定。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述回流元件跨越整個(gè)接觸區(qū)域附接到所述合金 層區(qū)域。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中銅/鎳/錫合金鄰近于所述銅接觸區(qū)域。
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的裝置，其進(jìn)一步包含從附近的所述銅接觸區(qū)域散裂的銅/鎳/ 錫合金。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述銅/錫合金鄰近于所述銅接觸區(qū)域附近的所 述銅/鎳/錫合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有由特定區(qū)域(202)的銅接觸墊(210)和在墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到所述銅墊的合金層(301)制成的焊料接點(diǎn)的裝置。所述合金層含有包括Cu₆Sn₅金屬間化合物的銅/錫合金和包括(Ni，Cu)₆Sn₅金屬間化合物的鎳/銅/錫合金。包括錫的焊料元件(308)在所述墊區(qū)域上以冶金學(xué)方式附接到所述合金層。在回流工序之后沒(méi)有剩下原始薄鎳層的任何部分。銅/錫合金有助于改進(jìn)跌落測(cè)試性能，鎳/銅/錫合金有助于改進(jìn)壽命測(cè)試性能。
文檔編號(hào)H01L23/52GK101233613SQ200680028208
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者阿野一章 申請(qǐng)人:德州儀器公司