专利名称：具有减少的界面空洞的用于铜金属化的焊接点的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及半导体装置领域，且更具体地说，涉及一种控制焊料互连中的金 属相互扩散和界面空洞以改进装置可靠性的结构和方法。
背景技术：
当使用回流材料(例如，焊料)将半导体芯片上的集成电路互连到衬底上的外部电 路时，待组装的部件必须经历高于回流材料的熔化温度的至少一个温度升高，随后为冷 却循环。在完成此过程后，完成的组合件常必须经受退火步骤，其通常由持续延长的时 期的重复的温度摆动组成。最终，经组装的部件必须频繁经测试，以在重复暴露于故障 加速条件(例如，极端温度剧增和/或提高的湿度)后确定其可靠机能。从20世纪60年代末回流组装的部件的早期发展(由IBM带头)开始研究的故障机 构最主要是应力引发的接点疲劳、蠕变和断裂。类似地，应力起始的故障已成为对使用 回流材料(例如，焊料)组装在外部部件上的完整的装置封装的研究关注的焦点。这些 年来，相对不关注由金属间效应(例如，金属相互扩散、化合物形成和晶格失配)引起 的组合件接点中的逐渐变化。这些变化对于某些金属来说尤其显著，如最近的实验结果 已清楚展示；所述变化是由金属相互扩散引起的，且导致不可逆的金属间变化。所述变 化可能导致回流组装部件的可靠性明显降低。自从引入铜作为集成电路中的互连金属化以来，已发现直接与焊料接触的铜衬垫展 现出影响焊接点的可靠性的弱点。尤其是例如Kirkendall空洞的界面空洞的快速形成在 热老化期间弱化了焊料界面。较中意的解决方案是实施镍层作为铜与焊料之间的扩散障 壁，以限制焊料反应。然而，常用于沉积镍的无电工艺引入其自身的问题在沉浸镀金期间由无电镀镍的 电化腐蚀引起黑衬垫。目前为止所提议的作为替代物的铜表面抛光消失于铜/焊料的直接 接触中。作为实例，有机表面保护膜将回流焊接(solder reflow)所需的高温下蒸发；薄 金层将溶解到熔化的焊料中；薄锡层也将溶解到熔化的焊料中；类似地，原始薄焊料膜 将溶解。
发明内容
申请人:意识到需要一种简单的解决方案来改进铜/焊料的直接接触的可靠性。已进行 细致的调查来研究在升温或反复的温度循环(常称作"老化")的长期影响下铜与焊料之 间的界面。这一调查确定了在什么条件下，老化后大量空洞形成在焊料与铜之间的界面 处从而大大降低金属间接点的界面强度。当两种或两种以上金属相互扩散时，产生金属间化合物(IMC)。当一种金属(例如， 铜)扩散进入第二种金属(例如，焊料)的速度快于第二种金属扩散进入第一种金属的 速度从而在第一种金属中留下空缺时，出现空洞。如果足够量的第一种金属扩散进入第 二种金属，那么可导致空洞。对于铜和焊料的情况，扩散不均等性也随焊料中所使用的 金属而变化。对于半导体装置来说，不均等性是在重复的温度循环、高温存储(即，在 〉10(TC的温度下)和〉100'C的装置工作温度的条件下逐步形成的。由申请人执行的实验结果指示， 一种物质进入另一种物质的扩散速率由金属的晶粒 结构控制。由于金属原子沿着晶粒边界的较低自由能状态的缘故，金属原子沿着晶粒边 界比其穿过材料的晶体更快地迁移。因此，晶粒边界将就绪的原子源供应给IMC，从而 导致沿着晶粒边界的耗尽。由于晶粒边界与暴露的晶面相比将更多百分比的原子供应给 IMC，所以可通过调节扩散的金属物质的晶粒结构来控制IMC的形成速率。申请人的调查表明，通过增加铜层的晶粒尺寸，可减缓铜扩散的速率，因此减缓空 洞的形成。常通过将铜镀敷在薄晶种层上(例如，聚合物膜上)来形成铜层。由于近乎 外延地镀敷铜，所以必须(例如)通过在镀敷步骤之前通过烘焙或通过激光加热进行退 火来增加晶种层的晶粒尺寸。本发明的一个实施例是一种包括接合衬垫的金属互连结构，所述接合衬垫具有铜， 所述铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展lpm以上的晶粒组成，且30或少于 30体积百分比由在晶粒主结晶方向上扩展1 pm以下的晶粒组成。锡合金主体与所述接 合衬垫接触。本发明的另一实施例是一种半导体装置，其包括具有第一和第二表面的衬底(优选 为聚合物带)。第一表面具有接合衬垫，所述接合衬垫包括铜；所述铜的至少70体积百 分比由在晶粒主方向上扩展至少1 的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒 主方向上扩展1 以下的晶粒组成。半导体芯片组装在第一衬底表面上。在第二衬底表 面上的锡合金主体与接合衬垫接触。本发明的另一实施例是一种用于制造金属互连结构的方法。首先，提供衬底，且选 择用于制造接合衬垫的区域。接着，将优选约50到200 nm厚的铜晶种层沉积到衬垫区
域上。在受控温度下，优选在约100到24(TC之间，使晶种层退火，并持续受控的时间， 优选从约20到180分钟，以产生预定浓度的具有预定晶体粒度的铜晶体。所述浓度优选 为至少70体积百分比，且所述晶体粒度优选为在主结晶方向上至少1 pm。优选地，外 延地将铜层沉积到经退火的晶种层上。最终，锡合金主体附接到衬垫区域中的铜层。结合附图和所附权利要求书中陈述的新颖特征来考虑，从本发明的优选实施例的以 下描述中，将了解本发明的某些实施例所表现的技术进步。
图1说明衬底接合衬垫部分与外部部件部分之间的金属互连(尤其为焊料)结构的 示意横截面。图2和图3中放大了标记为"A"的部分。图2是当接合衬垫部分包括小晶粒时，图1中的部分"A"的冶金横截面在老化后的 显微照片。图3是根据本发明当接合衬垫部分包括大晶粒时，图1中的部分"A"的冶金横截面 在老化后的显微照片。图4是穿过包含本发明的实施例的半导体装置的示意横截面。具体实施方式
图1的示意横截面说明本发明的实施例，金属互连结构在其大体用于许多组合件中 时一般表示为100。所述结构包括金属线101,其提供第一接触衬垫101a、焊料主体102， 和第二接触衬垫103。所述接触衬垫中的至少一者由铜制成；例如，如果线101由铜制 成，那么接触衬垫101a是铜。在许多实施例中，互连结构的两个接触衬垫都由铜制成。 在图1的实例中，金属线101由绝缘载体104支撑。载体104中的具有宽度104a的窗口 允许焊料主体102越过衬垫宽度101a附接到铜线101的表面区。接触衬垫103也由载体 (表示为105)支撑；载体105通常是外部部件，例如由绝缘材料制成的印刷电路板。线101且因此接触衬垫101a的铜的至少70体积百分比是由在晶粒主方向上扩展至 少1 pm的晶粒组成，且30或少于30体积百分比是由在晶粒主方向上扩展1 pm以下的 晶粒组成。衬垫103的铜也优选地由大尺寸晶体制成，优选至少70体积百分比由在晶粒 主方向上扩展至少lpm的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主方向上扩展 1 pm以下的晶粒组成。附接主体102的优选焊料材料包含由锡和锡合金制成的焊料。因为它们提供较低的 熔化温度，所以低共熔的锡化合物特别优选。实例是锡/银(低共熔温度为221'C)、锡/ 铋(139°C)、锡/铟(12(TC)、锡/锌(189.5°C)和锡/铅(183°C)。与这些合金相比，纯 锡的熔点为231.9°C。出于可制造性和接点强度的原因，最优选的焊料化合物是锡/银和 锡/银/铜。在回流工艺期间，且在升温下的延长时期期间，焊料和铜形成由金属的相互扩散而 产生的金属间化合物。申请人已研究了金属相互扩散和金属间化合物形成的细节；参看 Tz-Cheng Chiu等人的"Effect of Thermal Aging on Board Level Drop Reliability for Pb-free BGA Packages",第54届电子组件禾口技术会议(Electronics Components and Technology Conference) (2004)会议记录，第1256-1262页；Kejun Zeng等人的"Kirkendall Void Formation in Eutectic SnPb Solder Joints on Bare Cu and its Effect on Joint Reliability",应用 物理学期刊97 (Journal of Applied Physics 97) (2005)，第024508-1到024508-8页。申请人发现，高密度的空洞表示接点的显著机械弱化； 一排密集的空洞有形成断裂 的风险。沿着铜/焊料接点具有空洞(在老化，或许多温度循环，或不充分冷却的装置操 作等之后形成)的装置在大批焊料拉伸测试和板级跌落测试中具有较高的故障率。申请人的调査已表明，当一种金属(例如，铜)扩散进入第二种金属(例如，焊料) 的速度快于第二种金属扩散进入第一种金属的速度从而在第一种金属中留下空缺时，出 现空洞。如果足够量的第一种金属扩散进入第二种金属，那么可导致空洞。在铜到焊料 (尤其是无铅焊料)的情况中，铜扩散进入锡/银等焊料的速度比锡扩散进入铜的速度快。此外，申请人的实验结果指示，铜进入悍料的扩散速率由铜的晶粒结构控制。由于 金属原子沿着晶粒边界的较低的自由能状态的缘故，所以金属原子沿着晶粒边界比其穿 过材料的晶体更快地迁移。因此，晶粒边界将就绪的铜原子源供应给金属间化合物，从 而导致沿着晶粒边界的耗尽。由于晶粒边界与暴露的晶面相比将更多百分比的铜原子供 应给金属间化合物，所以可通过调节扩散的金属物质的晶粒结构来控制金属间化合物的 形成速率。图2和图3的显微照片中再现了铜晶粒尺寸对空洞形成的影响的实例。与铜衬垫形 成接点的焊料主体在125'C下老化持续40天的时期；接着取所述接点的横截面，并以高 度放大倍率对较小部分(图1中的"A")进行照相。在图2的显微照片中，区201是接 触衬垫的铜，其中铜的约70体积百分比由在主结晶方向上扩展1 )im以下(小晶粒尺寸) 的晶粒201a组成。202是铜与焊料的金属间区(例如，Cu3Sn和Cu6Sn5)。 203是焊料的 锡合金。如照片清楚地展示，已沿着焊接点形成许多空洞204;某些空洞甚至可能生长
在一起(205)。相比而言，具有根据本发明的晶粒结构的与铜衬垫形成的焊接点显示仅有最少的空 洞形成。在图3的显微照片中，区301是接触衬垫的铜，其中铜的至少70体积百分比由 在主结晶方向上扩展至少1 pm (大晶粒尺寸)的晶粒组成，且30或少于30体积百分比 由在晶粒主方向上扩展1 pm以下的晶粒组成。大结晶方向的某些实例表示为301a、 301b 和301c。 302是铜与焊料(主要为锡)的金属间区。303是焊料的锡合金。如图3的显微 照片表明，沿着焊接点仅罕见地形成空洞304。对若干样本的横截面的分析指示，在125 'C下40天的老化期之后，每50^1112形成不多于1个空洞。因此，接点的可靠性将较高。现参看图1，类似的考虑因素适用于沿着锡合金主体102与外部部件的铜接触衬垫 103的界面的空洞形成。当铜衬垫103由大尺寸晶粒制成时，可将空洞的数目保持最小。本发明的另一实施例是一种制造用于铜金属化的形成较高可靠性的焊接点的金属互 连结构的方法。在第一步骤中，提供衬底，且选择用于制造接合衬垫的区域。当衬底用 作图1中的载体104时，优选材料是聚酰亚胺带。接下来，将铜晶种层沉积到衬垫区域上。优选的沉积方法是等离子体沉积技术。晶 种层的厚度优选在约50到200 nm的范围中。接着在受控的温度下使晶种层退火，并持续受控的时期，以产生具有预定晶体粒度 的预定浓度的铜晶体。对于较长时间的退火，合适的技术是与晶种层一起烘焙衬底；对 于较快的退火，实施晶种层的激光加热。对于大多数晶种层来说，退火温度在约100与 24(TC之间，且退火时期在约20到180分钟之间。由于退火步骤的目的是产生较大颗粒 的晶种，所以具有微晶粒的晶种层将通常需要较长的时间和较高的温度来形成较大的晶 粒。当衬底为无定形时(就聚酰亚胺衬底而言)，尤其如此。在优选实施例中，铜的预定的晶体粒度在主结晶方向上为至少1 ^m。预定的铜晶体 浓度为至少70体积百分比。接下来，将具有所需厚度的铜层(图1中的101)沉积到经退火的晶种层上。优选 地，铜层厚度在约10与30pm之间。优选的沉积技术是镀敷技术，因为其允许铜几乎外 延地生长到经退火的晶种层上。优选地以以下方式制成图1中的外部部件105上的铜接触衬垫103。首先将待用于 衬垫103的铜作为一层以所需厚度镀敷到不锈钢鼓上，且随后转移并粘附到外部部件105 (如上所述，部件105通常为由绝缘材料(例如，聚酰亚胺、玻璃陶瓷、FR-4和其它合 成物)制成的印刷电路板)。接着通过蚀刻铜层以形成铜迹线而获得层103的所需图案。
通过选择大颗粒不锈表面，可使经镀敷的铜首先外延地符合鼓的晶粒结构，并接着形成 柱状结构，从而产生由所需的大颗粒铜组成的层。另外，可将铜膜退火并持续任一时间 长度，以生长晶粒。当然应注意最终的铜层以避免冷加工，冷加工可破坏大晶粒结构。在随后已在聚合物带(104)中蚀刻出窗口 (图1中的101a)以暴露大晶体铜的一部 分之后，通过使锡合金回流而将锡合金的主体(102)越过整个窗口区域附接到暴露的铜 层。如图3中所说明，由于铜层的大尺寸铜晶粒的缘故，铜层与焊料金属间化合物之间 的所得接点将仅具有非常少的空洞。在第二回流步骤中，将锡合金的主体(102)附接到外部部件(105)的各自的铜接 触衬垫(103)。由于此接触衬垫由具有大晶体铜颗粒的铜层形成，所以第二回流步骤也 将产生具有仅带有最小数目的空洞的金属间化合物的接点。因此，接点展现优良的可靠性。本发明的另一实施例是一种经组装的装置，尤其是半导体装置。广义上，本发明适 用于其中使用回流接点或其中那些接点的可靠性对于产品的成功应用是必需的任何产 品。本发明适用于经囊封的产品，以及适用于芯片倒装组装的装置；只要在铜金属化上 使用回流金属，本发明便适用于封装和未封装的产品。各种产品中的一个实例是印刷电路板上的球栅阵列装置，例如美国Texas Instruments 公司的MicroStarBGA (p*BGA )。在图4的横截面中示意性地描绘此装置。衬底401(例如聚合物带(例如，由聚酰亚胺制成))具有第一和第二表面，分别为402和403。 第一表面402具有多个接合衬垫404，其由铜组成；此铜的至少70体积百分比由在晶粒 主方向上扩展至少1 的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主方向上扩展 1 )im以下的晶粒组成。所述装置在第二衬底表面403上进一步包括多个回流主体405; 回流主体优选地由锡合金制成。衬底中的孔401a允许每个回流主体405接触其在第一衬 底表面402上的各自接合衬垫404。绝缘层410(例如，由常用作焊料掩模的绝缘体制成)附接到第一衬底表面402，在 所述绝缘层410上用粘附材料412 (优选为环氧树脂)安装半导体芯片411。绝缘层412 具有孔，以暴露接合衬垫404的若干部分。线接合413将芯片接触衬垫与接合衬垫404 的暴露部分连接。芯片411和线413由模制化合物420囊封。每个回流主体405附接到外部部件431的相应接触衬垫430。优选地，接触衬垫430 由铜制成；此铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展至少1 nm的晶粒组成，且 30或少于30体积百分比由在晶粒主方向上扩展1 以下的晶粒组成。大晶粒铜的使用
确保可靠的焊接点，因为在附接(回流)工艺或在随后的老化工艺中仅形成非常少的空 洞。虽然已参考说明性实施例描述了本发明，但并不期望在限定性意义上解释此描述内 容。所属领域的技术人员在参考所述描述内容后将了解说明性实施例的各种修改和组合， 以及本发明的其它实施例。因此，期望所主张的本发明涵盖任何此类修改或实施例。
权利要求
1. 一种金属互连结构，其包括接合衬垫，其包括铜，所述铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展至少1μm的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主方向上扩展1μm以下的晶粒组成。
2. 根据权利要求l所述的结构，其进一步包括与所述接合衬垫接触的锡合金主体。
3. 根据权利要求2所述的结构，其中所述合金与所述接合衬垫形成金属间接点。
4. 根据权利要求2所述的结构，其中所述锡合金是低共熔锡/铅焊料、低共熔锡/银焊 料、低共熔锡/铋焊料、低共熔锡/锌焊料，或锡/银/铜焊料中的至少一者。
5. —种半导体装置，其包括根据权利要求2-4中任一权利要求所述的结构；且进一步 包括半导体芯片，所述半导体芯片用于具有所述接合衬垫和附接到所述接合衬垫的 所述锡合金主体的倒装芯片组合件。
6. —种半导体装置，其包括根据权利要求2-4中任一权利要求所述的结构；且进一步 包括具有第一和第二表面的衬底，所述第一表面具有所述接合衬垫；位于所述第二衬底表面上的所述锡合金主体通过所述衬底中的孔与所述第一衬底表面上的所述 接合衬垫接触；且半导体芯片组装在所述第一衬底表面的侧面。
7. 根据权利要求6所述的装置，其中所述衬底是聚合物带。
8. —种用于制造金属互连结构的方法，其包括以下步骤提供衬底，并选择用于制造接合衬垫的区域； 将铜晶种层沉积到所述衬垫区域上；在受控温度下使所述晶种层退火持续受控的时间，以生长具有预定晶体粒度的预 定浓度的铜晶体；以及将铜层沉积到所述经退火的晶种层上。
9. 根据权利要求8所述的方法，其进一步包括将锡合金主体附接到所述衬垫区域中的 所述铜层的步骤。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中所述衬底是聚酰亚胺带，或经选择以用于其预定 大颗粒晶体表面的不锈钢材料。
11. 根据权利要求8-10中任一权利要求所述的方法,其中所述预定晶体粒度在主结晶方 向上为至少1 ^an，且所述预定晶体浓度为至少70体积百分比。
12. 根据权利要求8-10中任一权利要求所述的方法其中所述沉积所述晶种层的歩骤使用等离子体沉积技术； 其中所述晶种层的厚度在约50到200 nm的范围中；其中所述退火步骤包括在100与24(TC之间的温度和从约20到180分钟的时期；其中所述退火步骤通过烘焙或通过激光加热来执行；其中所述沉积晶种层的步骤是外延沉积；其中所述沉积铜层的步骤使用镀敷技术；其中所述沉积的铜层的厚度在约10到30 pm的范围中；且其中所述附接所述锡合金主体的步骤包含合金回流步骤。
全文摘要
一种金属互连结构(100)包括接合衬垫(101)，所述接合衬垫具有铜，所述铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展1μm以上的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主结晶方向上扩展1μm以下的晶粒组成。锡合金主体(102)与所述接合衬垫接触。
文档编号B32B15/08GK101213076SQ200680024468
公开日2008年7月2日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者屈子正, 曾科军, 达尔文·R·爱德华兹 申请人:德州仪器公司