电镀式无铅凸点沉积制造技术

本发明专利技术提供了一种使用沉积在工件上形成金属特征的方法。该方法包括：在工件上提供用于电子器件的钎料的凸点下金属层，将基本上纯的锡层直接沉积到凸点下金属层，并且将锡银合金层沉积到在基本上纯的锡层上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术提供了一种使用沉积在工件上形成金属特征的方法。该方法包括：在工件上提供用于电子器件的钎料的凸点下金属层，将基本上纯的锡层直接沉积到凸点下金属层，并且将锡银合金层沉积到在基本上纯的锡层上。【专利说明】电镀式无铅凸点沉积
技术介绍
1.
本公开的实施方案一般涉及用于将金属结构施加到工件的方法和装置，并且更具体地涉及用于将无铅钎料沉积为在涂覆有抗蚀剂图案化膜的工件表面中的微尺度图案的方法和装置，并且更具体地涉及用于电沉积锡-银合金钎料凸点的方法和装置。2.相关发展的简要说明根据欧盟的有害物质限用指令(RoHS)的要求，半导体行业一直致力于消除在电子产品中的铅。该行业比提供具有无铅封装的“绿色”消费的电子产品的规定发展更快。无铅钎料的电沉积(如使用通过掩模图案化沉积)是能够提供用于先进电子封装的紧间距凸点(连接间距小于约300微米)或微凸点的技术。锡(Sn)和银(Ag)的合金是用于这些应用的首要备选金属。基本上纯的锡具有钎料金属的大量期望特性，例如抗疲劳性、热循环以及机械韧性性能，但该行业已经发现，基本上纯的锡中的锡晶须生长使其成为用于先进封装应用的不可靠的接合钎料。已经发现加入少量的银(在约1%和4% (按重量计)之间的Ag)可以显著地降低钎焊接头中的Sn晶须形成的可能性。由于锡(-0.13伏SHE)和银(+0.799伏SHE)之间的电化学还原电势中的大差异，因此以传统方式的锡-银合金(SnAg)钎料电镀比基本上纯的锡电镀或铅-锡(PbSn)电镀更困难。该还原电势差异使溶液中的银离子Ag+自发地与金属锡和/或二价锡离子(Sn+2)反应，将Sn或Sn+2氧化为Sn+2或Sn+4，由此将金属Ag浸溃沉积在Sn表面上。类似地，在电镀溶液中的Ag+离子可以浸溃沉积在其它金属如镍或铜上。化学品供应商已经开发了有机分子，该有机分子与Ag+离子络合，以将其还原电势接近于Sn+2的还原电势，由此使电镀溶液中的Ag+离子稳定。当在这样的UBM结构上电镀SnAg无铅钎料时，在电镀溶液中络合的有机Ag+离子络合物并没有消除不需要的Ag浸溃沉积物在通常是镍或铜的凸点下金属(under bump metal, UBM)上的可能性。这种不需要的浸溃沉积物可能引起在UBM/SnAg界面的空隙缺陷，在回流钎料之后，该空隙是可观察到的，并且这样的空隙可以引起芯片到封装接合的机械和电气故障。因此，需要一种电镀SnAg钎料的替换方法以形成连接到下层金属的可靠的无铅凸点来解决当电子工业朝向消除所有集成电路产品的铅行动时所面临的问题。此外，工业也需要开发将铅锡(PbSn)电镀凸点结构替换为无铅(SnAg)电镀凸点结构的经济方法。由于Ag络合物和其它成分在商业SnAg电镀化学品的高成本，所以SnAg电镀凸点的典型成本是PbSn凸点的几倍。在制造设备中，电沉积SnAg凸点的现有方法涉及昂贵的控制系统，例如如美国专利申请11/840，748所描述的，公开了具有控制系统的商业电镀设备，该控制系统确保在整个沉积中，在钎料金属中提供恒定的合金组合物，该专利的全部内容通过引用合并到本文中。因此，SnAg电镀方法需要最大限度地减少昂贵化学品的使用，同时在SnAg和下层金属之间提供可靠的界面。【专利附图】【附图说明】下面的描述结合附图来说明本实施方案的上述方面和其它特征。通过结合附图参考下面描述可以更好地理解上述技术。在附图中，贯穿不同的视图，相同的附图标记一般表示相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是重点一般放在描述技术的原理上。图1示出现有技术的在沉积步骤之后的横截面图；图2示出现有技术的在沉积步骤之后的横截面图；图3示出在热处理之后的钎料凸点的横截面图；图4示出现有技术的自顶向下的截面，其显示在UBM与SnAg的界面处存在空隙；图5示出本公开的实施方案的自顶向下的截面，其显示在UBM与SnAg的界面处没有空隙；图6示出本公开实施方案的在第二沉积步骤之后的横截面图；图7示出适于使用本公开的实施方案的制造过程的商业晶片电沉积机器；图8示出电沉积模块；以及图9不出工艺流程图。【具体实施方式】虽然将参考附图中所示的实施方案描述本实施方案，但应当理解的是，本实施方案可以体现为实施方案的许多可替换的形式。另外，可以使用任何合适的尺寸、形状或类型的元件或材料。本公开的实施方案提供了在电沉积的无铅钎料凸点和凸点下金属(UBM)之间提供可靠界面的方法。现在参考图1，示出了在已经准备好用于电沉积的工件的工件表面处的单一凸点的横截面图。电接触元件101基本上被绝缘膜100包围，这些类型的特征以半周期阵列设置在整个集成电路工件上方，例如300毫米的硅晶片可以具有分布在整个表面的1000至100000这样的电接触元件。注意，可以提供任何合适的工件或衬底，例如，砷化镓或其它的。使用籽层102涂覆工件，然后使用光刻胶104涂覆，光刻胶104被光图案化以提供开口，凸点下金属106(例如镍(Ni)或铜(Cu)、或Ni和Cu层系列)被电沉积到开口中。使用相同的抗蚀剂图案掩模层104将钎料金属120电沉积到凸点下金属106上。例如，美国专利7，012，333教导了 SnAg钎料合金的沉积，在低于SnAg低共熔点下(约3.5% (按重量计))沉积该合金；该专利的全部内容通过引用合并到本文中。现在参考图2，示出了提供无铅凸点(例如SnAg和SnAgCu合金)的另一现有技术方法，其中在沉积基本上纯的锡层130之前，在凸点下金属上沉积更贵重的基本上纯的金属层131。美国专利6，596，621教导了通过如下方法来形成无铅SnAgCu凸点:使用由约2微米厚的Ni组成的凸点下金属层106，然后利用与形成SnAgCu合金凸点所需的基本上纯的Snl30成比例的Ag/Cul31涂覆层106，所述SnAgCu合金凸点具有3.5%的Ag和约0.6%的铜并且具有余量Sn的比例；该专利的全部内容通过引用合并到本文中。现在参考图3，将讨论这些现有技术方法的潜在缺点，图3示出热回流处理之后的钎料凸点的横截面图。在后续处理之前，热回流过程对使钎料凸点结构稳定是有利的。在电沉积步骤之后，移除光刻胶104(未示出)，并且将除了被凸点下金属106保护的地方以外的所有地方的籽层102蚀刻掉。随后，在所谓的回流处理步骤中对晶片进行热处理。简要地描述，回流涉及在控制的气氛中加热工件使得在钎料熔化之前基本上移除锡氧化物，对于SnAg合金，钎料熔化可能发生在约221°C和约232°C之间；约221°C是在约3.5%的Ag的组分下的SnAg低共熔点，约232°C是基本上纯的Sn的熔点，当钎料从固相变到液相时，由于液体表面张力使表面区域最小化，所以表面张力使金属体积改变形状，转化成基本上球形126。在升高温度下还发生金属间化合物(MC)层128的形成，金属间化合物(MC)是若干合金相的混合物，例如在Cu/Sn界面处MC将是Cu5Sn6和Cu3Sn合金相的组合。在升高温度下还发生可能在沉积期间被引入钎料中的各种有机分子的气化和除气。这些升高温度过程通过晶片或衬底的冷却而停止，从而使钎料固化，其中，固体钎料包括可以具有不同的尺寸和组成的许多亚微米尺寸的晶粒。例如，美国专利6，805，974教导了控制合金组成和冷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：丹尼尔·L·古德曼，阿瑟·凯格勒，约翰内斯·基乌，刘震球，
申请(专利权)人：TEL内克斯有限公司，
类型：
国别省市：