一种用于形成互连结构的方法技术

一种适合于微电子器件芯片的倒装芯片固定至封装体的互连结构，其包括两层，三层或四层球限成分，其包括粘接／反应阻挡层，并具有和含锡无铅焊料的成分反应的焊料可润湿层，因此可焊接层可在焊接过程中被完全消耗，但阻挡层在焊接过程中被安置和无铅焊料接触之后仍剩余。一个或多个无铅焊料球选择性地位于焊料润湿层上，无铅焊料球包括作为主要成分的锡和一种或多种组成合金的成分。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子集成电路(IC)芯片对封装体的互连，特别涉及分区阵列倒装芯片互连技术，通常称为C4(受控倒塌芯片连接)。本专利技术进一步关于互连方案，由于使用无铅焊料合金且环境友好的制造工艺所以是环境可接受的。进一步，本专利技术涉及关于互连方案，其通过消除与微电子电路接触的焊料中α粒子源，从而消除芯片上(on-chip)电路中的软错误源。
技术介绍
在半导体芯片封装中，互连分级(hierarchy)是必要的。在芯片和衬底(或芯片载体)之间的互连级(level)上，三种不同的互连技术被广泛采用带自动粘接(TAB)，线接合(wire bonding)，和分区倒装芯片互连。焊料凸块分区阵列互连方案通常被称为倒装芯片焊料连接或C4，集成电路器件(IC)面朝下焊接至芯片载体上。与线接合不同，分区阵列焊料凸块构型允许芯片整个表面被C4凸块覆盖，以便最大可能地输入/输出(I/O)计数(counts)以满足对电气功能和IC技术可靠性不断增加的要求，比局限互连于芯片外围的线连接或TAB更可行。更特别地，C4技术使用沉积于成图案的焊料可润湿层状结构上的焊料凸块，即公知的球限冶金术(ball-limiting metallurgy(BLM))，其也被称为凸块下冶金术(UBM)。UBM限定芯片顶部表面上的端点金属焊垫，其可为焊料润湿，且其也限制到焊料区域的横向流动。在焊料凸块在芯片上成图案的UBM焊垫上回流以形成球之后，芯片被结合至芯片载体上焊料可润湿层上匹配的覆盖区(footprint)。芯片面朝下安置在载体上导致C4技术被称为倒装芯片结合。比较其它互连方法，C4技术提供包括下面的独特的优势1)缩短互连距离，允许较快的信号响应和较低的电感；2)更一致的功率和热分布；3)降低同时开关噪声；和4)更大的设计灵活性和最大可能的总输入/输出计数。已经开发了通过金属掩膜蒸发制造PbSn C4互连的技术，并且该技术从20世纪60年代中期就已经完美。C4凸块和BLM焊垫是通过成图案金属掩膜蒸发以形成高度可靠，高密度互连结构；已经从最早的低密度，低输入/输出计数IC器件到2000s的高密度，高输入/输出计数产品证明了可延伸性。然而，对较大晶片尺寸，更高密度阵列和无铅应用的可延伸性的极限可通过蒸发的方法实现。可替换蒸发的方法是C4s的电化学制造，它是选择性的且有效的工艺。电化学C4制造已经有文献报导，例如Yung在美国专利5162257中，该专利被整个并入此处以供参考。电化学制造的C4s的可制造性和其它集成问题已经由Datta等在1995年电化学会杂志的142卷第3779页作了描述，该文以参考的方式并入此处。使用电镀和蚀刻工艺，并通过开发复杂的工具，可以获得成分和体积高度一致的电镀焊料，球限冶金术(BLM)的一致的尺寸，和受控的BLM边缘剖面。电化学工艺比蒸发的C4技术更可延伸至更大晶片和更精细的C4尺寸。通过光刻胶掩膜的电沉积只在掩膜开口和UBM的顶部产生焊料。和蒸发相比，电沉积更可延伸至高锡含量的无铅合金和大至300mm的晶片。一般的C4结构包括从球限冶金(此处表示为“BLM”)开始的所有要素。多层BLM结构一般由粘附层，反应阻挡层，和用于促进焊料凸块在器件与互连结构之间结合的可润湿层，芯片载体。选择BLM结构中不同金属层以和焊料合金彼此相容，并不仅满足C4结合中严格的电气，机械和可靠性要求，而且允许容易地制造。包括多层BLM结构和C4凸块的要素的详细的说明总结如下。1)要在晶片顶表面上沉积的第一层是BLM的粘附层(adhesionlayer)，其提供对下面的衬底的粘附。该层也可以用作扩散/反应阻挡层以防止硅晶片和线后端(back-end-of-line(BEOL))布线层的任何相互作用，该布线层上具有互连结构。这是通常由溅射或蒸发在晶片钝化层表面上沉积的薄膜层，其通常由聚合物，氧化物或氮化物材料组成。候选的粘附层是Cr，TiW，Ta，W，Tj，TiN，TaN，Zr等，仅列举部分，厚度的量级为几百到几千埃。2)BLM的下一层是反应阻挡层，其可通过熔化焊料焊接，但反应缓慢(有限的反应)以允许多个回流周期(或返工周期)而不会全部被消耗。该层厚度通常是几千埃的量级。3)BLM的最后层是可润湿层，允许容易地润湿焊料和与焊料快速反应。典型的例子是铜，通常厚度范围为几百到几千埃，由溅射，化学镀或电镀沉积。在某些特许芯片结合应用中，Cu的厚度可在几微米的范围内。4)对于在BLM结构顶部形成的C4凸块，已经开发多个制造工艺，包括蒸发，镀覆，模板印刷，浆料筛选和焊料喷射，及熔化的焊料注射，不一一列举。5)在凸块形成之后，焊料凸块被回流。回流通常在直通炉中惰性或还原性气氛(H2/N2)中，或真空炉或加热炉中进行。在回流中，金属间化合物在焊料和反应阻挡层之间形成。这些化合物用来为可靠的焊料结合提供良好的机械整体性。6)这些晶片通过切块，分类和挑选操作切割成芯片。挑选好的芯片(这些满足规格的芯片)，对齐并通过使用合适的熔剂或无熔剂结合技术翻转结合至芯片载体上。
技术实现思路
因此为倒装芯片附着提供BLM结构是本专利技术的一个方面，该倒装芯片附着适合于使用且使用无铅焊料。提供倒装芯片电气连接是专利技术的另一个目的，该电气连接减少了计算机芯片中软错误的发生。本专利技术集中于用于C4结合中无铅焊料的成本效率，环境上稳定，可靠的BLM。本专利技术也为集成的C4结构的制造提供了可能的工艺，即，用于制造最终BLM结构的BLM的选择和沉积及蚀刻工艺。无铅C4通常有作为主要成分的Sn，通常重量百分比大于90％，和一种或多种合金元素。由于Sn的高反应性的本质，无铅焊料要求更坚固的反应阻挡层以在球限冶金术中保护端点金属和位于下面的布线层避免被富锡焊料破坏。最可能候选的无铅焊料是有一定重量百分比的银，铜，锌，铋或锑的锡合金。焊接可通过电镀，蒸发，浆料筛选或注入成模的焊接工艺产生的，这在美国专利5244143；5775569；6003757；和6056191中揭示。因此，本专利技术旨在适合于微电子器件芯片的倒装芯片固定至芯片载体的互连结构，三层球限冶金术包括用于在晶片或衬底上沉积的粘接层；从下面组中选择的材料的焊接反应阻挡层，该组由Ti，TiN，Ta，TaN，Zr，ZrN，V和Ni组成；和焊料可润湿层。粘接层可由从下面组中选择的材料形成的，该组由Cr，TiW，TiN，Ti，Ta，Zr，和ZrN组成。焊料可润湿层可由从下面的组中选择的材料形成，该组由Cu，Pd，Co，Ni，Au，Pt，和Sn组成。互连结构可进一步包括可选的第四层，该第四层由从下面的组中选择的材料形成，如果Au或Sn不用在第三层中，该组由Au和Sn组成。在一个实施例中，粘接层包括Cr和TiW中的一种，反应阻挡层由Ti组成，焊料可润湿层由Cu，Co，Ni，Pd和Pt组成。本专利技术也旨在适合于微电子器件芯片倒装固定至封装体的互连结构，该互连结构包括两层球限成分，该两层球限成分包括粘接/反应阻挡层，其中粘接/反应阻挡层用作粘接和反应阻挡层，以及焊料可润湿层，被安置在微电子器件和焊料可润湿层之间的粘接/阻挡层，且其中焊料可润湿层有与含锡无铅焊料元件反应的金属，因此焊料可润湿层在焊接的过程中被消耗，其中粘接/反应阻挡层在焊接过程中被安置在和无铅焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
在一种适合于微电子器件芯片的倒装芯片固定至芯片载体的互连结构中，三层球限冶金术包括：　用于在晶片或衬底上沉积的粘接层；从由Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｔａ，ＴａＮ，Ｚｒ，ＺｒＮ，Ｖ和Ｎｉ组成的组中选择的材料构成的焊料反应阻挡层；以及焊料可润湿层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：凯斯E福格尔，巴拉兰高萨尔，康圣权，斯蒂芬基尔帕特里克，鲍尔A劳罗，亨利A奈伊三世，席大远，多纳S祖潘斯基尼尔森，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]