专利名称：消除镀覆钎料中的空洞的方法
技术领域：
本发明主要涉及焊点和形成该焊点的方法，且更具体地涉及制备用于钎料镀覆和回流的凸点下金属化层。
背景技术：
在本领域中使用钎料凸点将芯片(die)连接至倒装片封装是众所周知的。
图1和图2(后者是图1中区域2的放大视图)说明了用于倒装片应用的一类现有技术的焊点10。如图中所示，提供了具有位于其上的I/O座(pad)或晶粒座(diepad)13的芯片11。提供光聚合物钝化层17以便保护该芯片不受损坏。在该晶粒座上设置籽晶金属化层14，并在该籽晶金属化层上设置凸点下金属化层(UBM)15。然后在该UBM结构上设置或形成钎料球19并通过回流(即通过充分加热该钎料组合物以便使其液化)使其连接至下层的UBM。使用该钎料球形成芯片与印制电路板(PCB)21或其它器件之间的电子和机械连接。
本领域目前存在用无铅钎料来替代芯片连接操作中广泛使用的锡铅钎料，因为铅基钎料会造成健康和环境问题。事实上，国家电子制造计划(NEMI)已正式支持在许多应用中使用某些无铅的钎料，特别是锡基无铅钎料。因此，例如NEMI提倡在与目前生产的大多数PC板结合使用的钎料回流操作中使用SnAg3.9Cu0.6，而且还推荐在波峰焊应用中使用另外两种无铅合金，SnCu0.7和SnAg3.5。
然而，虽然这些锡基钎料具有许多有利的性能，同时它们也存在一些缺点。特别地，经常发现基于这些材料的焊点具有比基于理论考虑的设计寿命显著更短的寿命。换言之，经常发现基于这些材料的焊点每单位时间焊点失效的发生频率出乎意料地高。
因此该领域中存在对基于无铅钎料(特别是无铅锡基钎料)的且可表现更长寿命的改良焊点的需求。该领域中同时存在对获得这种焊点的方法的需求。通过这里所描述的方法可满足这些和其它的需求。
发明概述一方面，提供了向芯片上镀覆钎料的方法。该方法特别适用于无铅钎料，例如SnCu，SnAg和SnAgCu。依照该方法，提供了其上具有籽晶金属化层的芯片。该籽晶金属化层优选包含TiW的第一层和铜的第二层，同时优选具有置于其上并形成图案以便产生至少一个开口的光刻胶，通过该开口暴露出一部分籽晶金属化层。使用包含酸(例如硫酸)和氧化剂(例如过硫酸钠)的溶液(优选稀水溶液)刻蚀暴露的籽晶金属化层，由此形成刻蚀的籽晶金属化层。然后在该刻蚀籽晶金属化层上电镀优选包含铜的凸点下金属化层(UBM)。然后优选用去离子水清洗该芯片，并向该UBM上电镀(优选无铅的)钎料组合物。
另一方面，提供了刻蚀UBM的方法。依照该方法，提供了具有籽晶金属化层，置于该籽晶金属化层之上的UBM，和置于该UBM之上的无铅钎料组合物的芯片。该后对该籽晶金属化层进行刻蚀或者可能的清洗，并用包含酸和氧化剂的溶液刻蚀该UBM。然后向芯片上分布助焊剂，并对该钎料组合物进行回流。
另一个方面，提供了在芯片上镀覆钎料的方法。依照该方法，提供了其上安置有晶粒座的芯片。在该晶粒座上形成籽晶金属化层，并在该籽晶金属化层上设置可光学成形(photo-definable)的聚合物。然后，进行对该可光学成形的聚合物的图案化和曝光以便形成露出至少一部分籽晶金属化层的开口，其后用包含酸和氧化剂的溶液刻蚀该籽晶金属化层的暴露部分。然后向该籽晶金属化层的刻蚀部分上电镀优选包含铜的UBM，并向该UBM上电镀(优选无铅的)钎料组合物。
另外一个方面，提供了电镀钎料组合物的方法。依照该方法，提供了其上设置有籽晶金属化层的基底。然后用包含酸和氧化剂的溶液刻蚀该籽晶金属化层，并向该籽晶金属化层上电镀铜UBM。
下面将更详细地介绍本公开的这些和其它方面。
附图简述图1和图2是说明使用钎料凸点将芯片连接至倒装片封装的常用程序的示意图；图3和图4是显示依照现有技术的镀覆工艺镀覆的回流SnCu钎料中存在空洞的截面显微图；图5是说明依照现有技术方法镀覆的钎料凸点中回流之后存在空洞的细焦点(fine focus)X射线照片(顶视图)；图6是说明依照此处的教导镀覆的钎料凸点中回流之后不存在空洞的细焦点X光照片(顶视图)；图7是在钎料回流之前使用现有技术的籽晶金属化层蚀刻工艺处理的无铅钎料凸点(具有铜UBM和TiW/Cu籽晶金属化层)的截面显微图，该钎料凸点表现出对UBM侧的不良润湿；图8是使用依照此处教导的籽晶金属化层蚀刻工艺处理的无铅钎料凸点(具有铜UBM和TiW/Cu籽晶金属化层)的截面显微图；图9是说明电镀无铅钎料的现有技术方法的流程图；图10是说明依照此处教导的进行电镀无铅钎料的方法的流程图。
图11是说明籽晶金属化层刻蚀的现有技术方法的流程图。
图12是说明依照此处教导的进行籽晶金属化层刻蚀的方法的流程图。
图13-21图解说明了制造带有UBM的焊点的方法。
说明书详述目前发现使用无铅钎料，特别是锡基无铅钎料所观察到的意外高的焊点失效发生率应归因于至少两个因素。首先，发现锡基无铅钎料在回流期间通常易于产生空洞。图3和图4显示了具有这种空洞的钎料球的实例(图3中该空洞呈现为黑点，而图4中为黑色半球)。这种空洞会导致焊点机械完整性的严重劣化，从而会引起热循环期间焊点的失效并减少该焊点的寿命。目前将这种空洞与用于向凸点下金属化层(UBM)上镀覆钎料的常规镀覆工艺相联系。这里在图9中说明了这种常规镀覆工艺的典型实例。
发现使用无铅钎料组合物导致意外高的焊点失效发生率的第二个因素是，在传统的籽晶金属化层刻蚀工艺之后，这些无铅钎料组合物在传统的回流期间不能完全润湿凸点下金属化层(UBM)的倾向。当UBM为铜柱(post)的形式时，这种问题在该柱体的侧面尤为显著，如图7所示。作为这种倾向的结果，钎料与铜的界面存在于较小的面积之上从而具有减小的强度，因此减少了焊点的寿命。
现在发现通过对典型用于焊点形成的传统电镀和籽晶金属化层刻蚀工艺进行适当的改进可以避免上述的问题。具体地，发现可以通过在这些工艺中选择性使用微刻蚀(以及在钎料镀覆的情形中，取消干燥的步骤)来克服上述的问题。下面将更详细地描述对传统的钎料镀覆和籽晶金属化层刻蚀工艺的这些改进。
可以联系图13-21中所说明的制造带有UBM的焊点的一般方法来理解这里所述的方法。参照图13，提供了其上具有晶粒座203的芯片201。为了给稍后阶段引入的钎料凸点提供合适的布置和间距，重新分布金属晶粒座以便形成如图14所示的再分布晶粒座25。
如图15所示，向该芯片基底上涂覆可光学成形的封闭层207然后进行图案化，该层可以是例如应力补偿层(SCL)，其后向所得制品上溅射籽晶金属化层211，该籽晶金属化层包含TiW的第一层和Cu的第二层，如图16所示。然后在该籽晶金属化层上涂覆光刻胶层213并进行图案化，如图17所示，并通过使用铜溶液进行电镀，在暴露的籽晶金属化层上形成UBM215，如图18所示。然后向该UBM上电镀钎料层217例如SnCu，如图19所示。
如图20所示，这时通过使用溶剂或其它适当的方法除去光刻胶。然后如图21所示，对籽晶金属化层进行蚀刻以便电绝缘各晶粒座。可以使用例如过氧化氢溶液刻蚀籽晶金属化层的TiW部分，而可以使用例如碳酸铵，氢氧化铵和亚氯酸钠的稀水溶液刻蚀种子层的Cu部分。然后如图21所示对钎料进行回流以便产生一系列钎料凸点216。这时可以按需要对所得结构进行清洁。
图9说明了典型用于向UBM上镀覆钎料组合物的传统工艺。典型在籽晶金属化层形成之后，以及在晶片上沉积光刻胶并图案化以便选择性暴露部分籽晶金属化层之后使用该工艺(例如已形成图17中所示的这种基底之后)。用于该工艺的籽晶金属化层通常包含TiW的第一层和Cu的第二层。典型约2000厚的TiW层可促进UBM与晶粒座的粘附而且同时可充当Cu的阻挡层，而且典型约5000厚的Cu层可以为UBM电镀操作提供足够的导电性。
该工艺典型以氧气灰化(oxygen ashing)51(即使用氧等离子对晶片进行处理)开始，随后用去离子水清洗53晶片。这些步骤可除去芯片上存在的任何有机杂质，从而确保该籽晶金属化层在随后的电镀操作中充分亲水。
然后向通过光刻胶暴露出的部分籽晶金属化层上电镀55铜柱形式的UBM。然后用去离子水清洗57该晶片，并进行干燥59作为钎料浴的准备。由于UBM形成和钎料电镀开始之间可能存在显著的间隔(有时达几天)，典型对晶片进行第二次氧气灰化步骤61以便除去可能在此间隔期间积聚在晶片上的有机杂质，该杂质会对晶片的润湿性能造成有害影响。然后用去离子水清洗该晶片63，并向UBM上电镀钎料组合物例如SnCu。然后从晶片上除去光刻胶，并通过籽晶金属化层刻蚀和钎料回流对晶片进行处理。
如上文所述，如果使用前述的工艺序列向铜UBM上电镀无铅钎料例如SnCu，SnAg和SnAgCu，会在回流钎料中出现大量的空洞。图3和图4的截面显微图中说明了依照图9所示的方法镀覆的回流SnCu钎料球中这种空洞的具体实例(回流之后在SnAg和SnAgCu中观察到类似的空洞)，其中该空洞呈现为钎料凸点内的黑色区域。当使用这种电镀工艺时空洞的发生可能相当广泛。因此，图5显示了依照图9方法镀覆的一系列钎料凸点的细焦点X射线照片(顶视图)。在该X射线照片中，空洞呈现为钎料凸点内的明亮部分(即不含空洞的凸点全部为黑色)。该X射线照片中，在完全可见的22个钎料凸点中，12个(超过半数)呈现出明显的空洞。
图10说明了依照本发明的镀覆工艺的一个实施方案。类似于图9所示的方法，典型在形成籽晶金属化层之后(但在刻蚀之前)以及在晶片上沉积用于形成镀覆掩模的光刻胶并图案化之后使用该工艺。
图10的工艺首先进行氧气灰化81，随后清洗晶片83(典型使用去离子水)。然后对该籽晶金属化层的暴露部分进行微刻蚀85(该微刻蚀可能涉及使用例如在去离子水中包含1％硫酸和0.25％过硫酸钠并加入约0.01％硫酸铜作为稳定剂的溶液对基底进行处理)，然后用去离子水清洗86，随后向籽晶金属化层新刻蚀出的表面上电镀UBM(优选包含铜)87。然后再一次清洗该晶片89(同样优选使用去离子水)，但不进行干燥，然后迅速向该UBM上电镀91钎料(优选无铅钎料例如SnCu)。然后从晶片上除去光刻胶，并通过籽晶金属化层刻蚀和钎料回流对晶片进行处理。
图10所示的方法在一些关键方面上与图9所示的方法不同。例如，在图10所示的方法中，在UBM电镀之前对晶片(具体为该籽晶金属化层)进行微刻蚀。发现工艺中在此刻使用微刻蚀可显著提高UBM和籽晶金属化层之间的附着，而且同时可以减少回流钎料中的空洞。不希望受理论的限制，据认为这种微蚀刻可从该籽晶金属化层的表面上有效除去会造成空洞的金属氧化物，而且同时可以通过提供新鲜，未氧化的金属层(例如铜)以便向其上镀覆UBM，来提高UBM和籽晶金属化层之间的附着。因此，优选在微刻蚀之后立刻进行该UBM镀覆以便金属氧化物不会有机会在该籽晶金属化层表面上再次形成。
图10的方法不同于图9所示方法之处还在于最终的清洗之后不对晶片进行干燥。更确切地，在清洗晶片之后立刻进行钎料镀覆(例如使用SnCu)。不希望受理论的限制，据认为通过避免干燥步骤(特别是通过在晶片干燥之前进入电镀工艺)可防止干燥期间形成金属氧化物，该金属氧化物会造成空洞。
如果使用图10的电镀工艺向铜UBM上镀覆无铅钎料，这时可有效消除回流钎料凸点中的空洞。通过图6的细焦点X射线照片说明了这种效果，该照片是对依照图10的方法镀覆的一系列回流钎料凸点所拍摄的细焦点X射线照片。从其中可以看到，该X射线照片中可见的所有11个钎料凸点全部为黑色，因此表明完全不存在任何可辨别的空洞。
如上文所述，在图10所示的方法中，向晶片上镀覆UBM并清洗晶片之后立刻进行钎料镀覆，从而取消了现有技术方法中的典型干燥步骤(参见图9)。然而在一些情形中，可能无法避免在两个镀覆工艺之间对晶片进行干燥(或允许晶片干燥)。这可能是如下的情形，例如，如果不能在同一位置进行两个镀覆操作，或者作为连续工艺的部分。在这样的情形中，可以通过如下处理对图10的工艺稍作改进，在钎料镀覆之前对干燥晶片进行氧气灰化随后进行微刻蚀。然而这种改进的工艺会让一些空洞出现在回流钎料中。因此相比图10的方法不是优选的，依照这种改进工艺制造的焊点中的空洞典型小于图9所述类型的现有工艺中出现的空洞，因此在某些应用中是可接受的。
至此，依照这里所述方法实现的焊点可靠性的提高涉及钎料镀覆工艺之前的工艺步骤。然而，焊点可靠性的其它改进，特别是对基于无铅钎料的焊点，可以通过对发生在钎料镀覆之后而在钎料回流之前的标准籽晶金属化层刻蚀工艺进行改进来实现。虽然这些对标准籽晶金属化层刻蚀工艺的改进可通过其自身导致焊点寿命的提高，但是优选结合上述的改良钎料镀覆工艺来使用它们。
图11说明了用于籽晶金属化层刻蚀的传统工艺，其中该籽晶金属化层是TiW上的Cu。典型在钎料电镀工艺例如图9所述的类型之后和除去光刻胶之后(例如，形成图20所示类型的结构之后)使用该工艺。从其中可见，在该工艺的开始，用去离子水对晶片进行清洗101。然后使用碳酸铵，氢氧化铵和亚氯酸钠的稀水溶液对该籽晶金属化层进行铜刻蚀103。再次用去离子水清洗晶片然后使用过氧化氢的水溶液对该籽晶金属化层进行TiW刻蚀107，其后再次用去离子水清洗该晶片。然后对晶片进行干燥111，将助焊剂分布113到晶片上，并对钎料进行回流115。然后除去助焊剂117并对晶片进行干燥。
如上文所述，如果随后进行图11的工艺步骤，在回流期间钎料通常不能完全润湿铜UBM。如果该UBM是铜柱的形式，如图7的截面显微图所示，这种效果在该柱体的侧面将最为显著。不希望受理论的限制，据认为由于在前面的过氧化氢TiW刻蚀期间形成厚的氧化铜层，因此该无铅钎料不能完全润湿该铜UBM。这种氧化物层通常过厚从而不能通过随后使用助焊剂的处理完全除去，特别是在该UBM侧。当存在这种氧化物层的任何部分时，将趋于使UBM抵抗熔融钎料的润湿。
图12说明了依照这里所述方法的籽晶金属化层刻蚀工艺的一个实施方案。类似于使用图11所示的方法，典型在钎料电镀之后(优选依照图10的方法)使用这个工艺，并以使用去离子水清洗131开始。在这个工艺的多个清洗步骤中，优选使用去离子水清洗晶片，然而也可以使用本领域中已知的其它清洗剂和溶剂代替去离子水。
然后对该籽晶金属化层进行铜刻蚀133，该步骤涉及例如使用碳酸铵，氢氧化铵和亚氯酸钠稀水溶液的处理。对晶片进行清洗135然后对籽晶金属化层进行TiW刻蚀137，优选使用过氧化氢的水溶液，其后再次清洗晶片139。然后对晶片进行微刻蚀141，其后再一次对其进行清洗143。然后对晶片进行干燥145，将助焊剂分布到镀覆的钎料上147，然后对钎料进行回流。然后除去助焊剂151，并对晶片进行干燥。
图12所示的方法与图11所示的方法有所不同，在TiW刻蚀之后使用微刻蚀和随后的清洗。当在钎料回流之前使用图12的籽晶金属化层刻蚀工艺时，发现钎料可完全润湿UBM(包括其侧面)，如图8所示。不希望受理论的限制，据认为这是由于微刻蚀从UBM表面特别是侧面上除去金属氧化物而引起的，从而在回流期间钎料组合物易于润湿该UBM的表面。结果，使钎料与铜界面的表面积最大化，该焊点具有最佳的强度，而且最大限度地提高了该焊点的寿命。
可以使用多种溶液来进行依照这里所述方法的微刻蚀。优选地，该溶液是氧化剂和酸的水溶液，且更优选地，该溶液是氧化剂和酸的稀水溶液，最优选地，该微刻蚀是过硫酸钠在硫酸中的稀水溶液，因为这种溶液允许以非常可控的方式对铜进行刻蚀。
虽然在这里所述方法所采用的微刻蚀溶液中优选使用过硫酸钠，但是在这里所述的方法中也可以使用多种其它的氧化剂。这些氧化剂包括，例如过硫酸钾或过硫酸铵，硫酸铵铈，铬酸，过氧化氢，碘化钾，硝酸银，碘，臭氧，氧，一氧化二氮，和氯化铁。也可以使用两种或多种这些氧化剂的各种组合。
类似地，虽然在这里所述的各种方法所采用的微刻蚀溶液中优选使用硫酸，但是也可以使用多种其它酸使溶液形成适当的酸性。这些酸包括有机酸例如乙酸，己二酸，柠檬酸，甲酸，乳酸，和草酸，和无机酸例如硝酸，盐酸，硼酸，铬酸，氢溴酸，氢氰酸，氢氟酸，磷酸，和磺酸。也可以使用两种或多种这些酸的各种组合。
可以在钎料镀覆和籽晶金属化层刻蚀的操作中使用这里所述的方法，该操作可涉及几乎任何类型的钎料，包括锡铅钎料(SnPb)和其它铅基钎料例如SnPbAg，SnPbAgSb，和SnPbSb钎料。然而当与无铅钎料结合使用时这些方法特别有效，因为这些方法能够克服许多无铅钎料中特别普遍的缺点。可以与这里所述的方法结合使用的无铅钎料的实例包括但不限于，SnCu，SnAg，SnAgCu，SnBi，SnAgBi，SnCuNi，SnSb，和SnBiAgCu。在这些钎料中，优选结合SnCu，SnAg，SnAgCu使用这里所述的方法，且特别优选结合SnCu使用这些方法。
主要关于含铜UBM的体系对这里所公开的钎料电镀和籽晶金属化层刻蚀工艺进行了描述。然而，也可以结合具有其它类型UBM的体系使用这些方法中的每一个，特别是包含镍的体系。当结合镍UBM使用这里所公开的方法时，优选使用稀硝酸作为微刻蚀剂。
这里提供了向芯片上电镀钎料的方法。该方法在UBM电镀之前利用了微刻蚀，并取消了现有技术工艺中典型存在的UBM电镀和钎料电镀之间的干燥步骤，据发现该方法可减少经常伴随无铅钎料组合物的回流所产生的空洞的出现几率，并确保籽晶金属化层和UBM之间的更强结合。同时提供了刻蚀UBM的方法，可以单独使用该方法或者可以与前述的方法结合使用。据发现在钎料回流之前利用UBM微刻蚀的该方法可促进UBM的更好润湿，从而可产生跨越更大表面积且具有更大平均寿命的焊点。
上文对本发明的描述是说明性的，而并非意图对其进行限制。因此可以明白，在不背离本发明的范围的情况下可以对上述实施方案做出多种补充，替换和改进。因此，应根据附加的权利要求诠释本发明的范围。
权利要求
1.向芯片上镀覆钎料的方法，该方法包括下列步骤提供其上具有籽晶金属化层(211)的芯片(201)；使用包含酸和氧化剂的溶液刻蚀(137)该籽晶金属化层(211)，由此形成刻蚀的籽晶金属化层；向该刻蚀的籽晶金属化层上电镀(87)凸点下金属化层(215)(UBM)，该UBM包含铜；和向该UBM上电镀(91)无铅钎料组合物(216)。
2.权利要求1的方法，其中该酸是硫酸。
3.权利要求1的方法，其中该氧化剂是过硫酸钠。
4.权利要求1的方法，其中该无铅钎料选自SnCu，SnAg，和SnAgCu。
5.权利要求1的方法，其中该溶液是包含硫酸和过硫酸钠的稀水溶液。
6.权利要求5的方法，其中向UBM上电镀该无铅钎料组合物之后，将该芯片暴露于籽晶金属化层刻蚀(137)，其中该籽晶金属化层包括含TiW的第一层和含铜的第二层，且其中该籽晶金属化层刻蚀包括使用过氧化氢溶液的处理。
7.刻蚀凸点下金属化层(UBM)的方法，该方法包括下列步骤提供芯片(201)，该芯片具有籽晶金属化层(211)，位于该籽晶金属化层上的UBM(215)，以及在该UBM上的无铅钎料组合物(216)；刻蚀(137)该籽晶金属化层，用包含酸和氧化剂的稀溶液刻蚀(141)该UBM；和回流(149)该钎料组合物。
8.权利要求7的方法，其中该籽晶金属化层包含TiW并且使用过氧化物溶液进行刻蚀。
9.在芯片上镀覆钎料的方法，该方法包括下列步骤提供其上设置有晶粒座(205)的芯片(201)；在该晶粒座上形成籽晶金属化层(211)；在该晶粒座上形成可光学成形的聚合物(213)；对该聚合物进行图案化以便产生暴露至少部分籽晶金属化层的开口；用包含酸和氧化剂的溶液刻蚀(137)该籽晶金属化层的暴露部分，由此形成籽晶金属化层的刻蚀部分；向该籽晶金属化层的刻蚀部分上电镀(87)凸点下金属化层(UBM)(215)，该UBM包含铜；和向该UBM上电镀(91)无铅钎料组合物(216)。
10.电镀钎料组合物的方法，该方法包括下列步骤提供其上设置有晶粒座(205)的基底(201)；在该基底上沉积籽晶金属化层(211)，该籽晶金属化层包含铜；在该籽晶金属化层上沉积光刻胶并对其图案化(212)以便在该晶粒座的附近暴露出籽晶金属化层；用包含过硫酸钠的酸性水溶液刻蚀(137)该籽晶金属化层；向该籽晶金属化层上电镀(87)凸点下金属化层(UBM)(215)，该UBM包含铜；和向该UBM上电镀(91)钎料(216)，该钎料选自SnCu，SnAg和SnAgCu。
全文摘要
提供了镀覆钎料的方法。依照该方法，提供了其上具有籽晶金属化层的芯片。用包含酸和氧化物的溶液对该籽晶金属化层进行微蚀刻(85)，由此形成刻蚀的籽晶金属化层。然后向该刻蚀的籽晶金属化层上电镀(87)凸点下金属化层(UBM)，并向该UBM上电镀(91)无铅的钎料组合物，例如SnCu。此外提供了回流钎料的方法，该方法可与镀覆钎料的方法结合使用。依照这后一个方法，可以对基底进行籽晶金属化层蚀刻(137)随后进行微蚀刻。然后将助焊剂分布到基底(147)上并对钎料进行回流(149)。
文档编号H01L21/60GK1689150SQ03824015
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月30日 优先权日2002年10月9日
发明者O·费 申请人:飞思卡尔半导体公司