专利名称：抑制在集成电路中形成金属间化合物夹杂物的方法
技术领域：
本发明涉及使用无铅焊料的高可靠性集成电路互连结构的制造，尤其涉及防止在回流焊接期间、在存在无电镀Ni(P)金属化层的地方形成金属间化合物夹杂物。
背景技术：
在集成电路互连结构中，多层被组装在一起，其中单独的金属层提供不同的功能。存在许多情况，其中需要尽力避免层与层之间不必要的相互作用。其中一种情况涉及无铅焊料的使用，尤其涉及防止在回流焊接期间、在存在无电镀Ni(P)金属化层的地方形成金属间化合物夹杂物。
对于几种金属化，在微电子工业中广泛使用无电镀镍-磷(Ni-P)薄膜。它们具有许多特性，如很好的可焊性、抗腐蚀性、均匀厚度和可选择沉积。
无电镀镍磷技术及其应用已公知，并在如下出版物中进行了描述Wiegele等人，Proceedings of IEEE Electronic Component and TechnologyConference，1998，p.861；Mei等人，Proceedings of IEEE ElectronicComponent and Technology Conference，1998，p.952；Lin等人，Proceedings of IEEE Electronic Component and Technology Conference，2001，p.455；K.C.Hung，Proceedings of IEEE Electronic Component andTechnology Conference，2002，p.1650；以及O.Villalobos，Proceedings ofIEEE Electronic Component and Technology Conference，2002，p.732。
在这项技术中，当Ni-P薄膜与Sn-Pb共晶焊料反应时，焊料之下的部分薄膜结晶为Ni3P，即富磷层；其在约200～240℃的回流温度下形成。这种低温反应在文章中称为“焊料反应辅助结晶”，并在Kim等人的J Appl.Phys 85，8456(1999)出版物中进行了描述。“焊料反应辅助结晶”与在高温下发生的公知的Ni-P自结晶不同。
这种焊料反应辅助结晶伴随着Ni-Sn金属间化合物夹杂物的形成和层中公知为Kirkendall空隙的空隙形成，如在Hung等人的Mater.Res.Publication Vol.15，pg2534，(2000)和P.L.Liu等人的Metall.Mater.Trans.Publication Vol.A 31A，pg2857，(2000)中所描述。
这种界面反应影响可靠性，并通常是在Ni-P和Sn-Pb焊料之间形成弱的和脆的界面的根源；如在以下出版物中所描述R Wiegele等人，Proceedings of IEEE Electronic Component and Technology Conference，1998，p.861；Mei等人，Proceedings of IEEE Electronic Component andTechnology Conference，1998，p.952O；以及Villalobos，Proceedings ofIEEE Electronic Component and Technology Conference，2002，p.732。
当Sn-Pb焊料被富锡无铅焊料替代时，Ni-P界面的可靠性问题显得格外重要，因为无铅焊料具有更高的锡含量以及更高的回流温度，如在K.C.Hung的Proceedings of IEEE Electronic Component and TechnologyConference，2002，p.1650；和K.Zeng等人的Materials Science andEngineering R 38，55(2002)中所描述。
无电镀Ni(P)是防止富锡无铅焊料反应的较好选择物，因为在焊接过程中，在无电镀Ni(P)表面上形成金属间化合物的速度比在Cu金属化层上形成的速度慢。
然而，Kang等人的Proceeding of the 51st ECTC May 2001pgs448-454报道了当以焊料浆料的形式将无铅焊料如纯Sn、Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-3Bi(重量百分比)施加到无电镀Ni(P)层上时，会出现来自Ni(P)的金属间化合物的严重夹杂物或剥落。金属间化合物夹杂物的典型例子，发生在将例如Sn-3.5Ag焊料施加在Ni(P)层上并在250℃下回流持续2至10分钟的地方。金属间化合物剥落的其它例子，发生在将锡焊料电镀在Ni(P)上并在250℃下回流10分钟的回流条件下或Ni(P)为无电镀Ni(P)的时候。
在热-机械焊接中，焊接界面上的金属间化合物的层离或剥落是影响可靠性的因素。
以前的成果涉及如Au、Ag和Pb的金属。在这些成果中，Ni(P)金属化层上的金薄层并不能保护Ni(P)，由此发现了金属间化合物的形成或剥落。在金层的情况下，金在熔融富锡焊料如Sn-3.5％Ag中的溶解速率非常快，以至于不能保护Ni(P)金属化层。在Ni(P)金属化层上的Ag或Pd薄层中也会发生同样的情况。
发明内容
根据本发明，其中希望控制和抑制Ni(P)和富锡焊料之间的反应，其中由于在Ni(P)中存在的P原子，可能在与无电镀Ni(P)层相邻的地方形成金属间化合物夹杂物，从而导致较差的粘接，可以通过在无电镀Ni(P)金属化层上提供控制或保护层，例如通过在Ni(P)上施加锡薄层或者通过在Ni(P)上施加铜薄层，来实现所述控制和抑制。
图1-7是叠层中的两个相邻层的冶金样品的图，用于说明可以通过在Ni(P)表面上施加一层Sn或Cu，来控制或抑制来自无电镀Ni(P)表面的金属间化合物夹杂物的形成或剥落；其中图1示出了来自Ni(P)金属化层的金属间化合物夹杂物的形成或剥落，其中将Sn-3.5％Ag焊料浆料施加到Ni(P)层上并在250℃下回流2分钟。
图2示出了来自Ni(P)金属化层的金属间化合物夹杂物的形成或剥落，其中将Sn-3.5％Ag焊料浆料施加到Ni(P)层上并在250℃下回流10分钟。
图3示出了很好地附着在Ni(P)界面上的金属间化合物夹杂物，其在250℃下与电镀Sn焊料反应相对短的时间如2分钟。
图4示出了在Ni(P)金属化界面上的金属间化合物夹杂物，其中在250℃下电镀Sn焊料反应延长的时间如10分钟。
图5示出了在Ni(P)金属化界面上的金属间化合物夹杂物的并排样品，每个样品具有约1微米厚的Sn层，该Sn层被电镀在无电镀Ni(P)层上并随后在250℃下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应，左边样品的持续时间为2分钟，右边样品的持续时间为30分钟。
图6示出了在Ni(P)金属化界面上的金属间化合物夹杂物的并排样品，每个样品具有约0.4微米厚的Cu层，该Cu层被电镀在无电镀Ni(P)层上并随后在250℃下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应，一个样品的持续时间为2分钟，另一个样品的持续时间为30分钟。
图7示出了在Ni(P)金属化界面上的金属间化合物夹杂物的并排样品，每个样品具有约0.9微米厚的Cu层，该Cu层被电镀在无电镀Ni(P)层上并随后在250℃下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应，左边样品的持续时间为2分钟，右边样品的持续时间为30分钟。
具体实施例方式
参考图1，它示出了一个无铅焊料连接的典型样品的显微照相图，其中Ni(P)的无电镀金属化层1上的250微米厚的SnAg浆料在氮气中，在250℃回流温度下经历约2分钟，形成层2。在层2中，在与Ni(P)金属化层1的界面5处发生了示为3和4的NiSn的金属间化合物夹杂物形成或剥落区域，导致在金属化界面5处发生层离的可能性增加。
如图2所示，当回流时间延长时，在界面处金属间化合物的生长和分离的可能性增加。
参考图2，它示出了一个典型样品的显微照相图，其中Ni(P)的无电镀金属化层10上的250微米厚的SnAg浆料20在250℃回流温度下经历约20分钟的延长持续时间。
显然，图2示出了无铅焊料连接，其中当回流时间延长时，在金属化界面5处金属间化合物夹杂物的生长30和分离40的可能性增加。
化合物的形成并导致分离的原因可以归结为以下影响Ni(P)层上富磷层之间较差的粘接，金属间化合物夹杂物或剥落和在回流焊接期间对Ni(P)层的保护不足。
可以通过直接在Ni(P)层上施加保护层来提供对Ni(P)金属化层的保护。
参考图3，它示出了本发明的相对薄的保护层50，其施加的厚度范围从约0.1微米至5微米，并很好的附着在Ni(P)界面5上。该施加可以通过如下步骤来实施电镀，无电镀沉积，溅射或沉积，随后在约250℃的温度下回流约200微米厚的如纯锡焊料的材料，持续相对较短时间如2分钟。标准施加技术如焊料浆料蜡纸印刷，焊料浆料丝网印刷，以及电镀、蒸发、溅射和熔融转印的焊料施加技术。
在Ni(P)金属化层上施加的可与保护层50一起使用的材料包括富锡无铅焊料，如纯锡、Sn-3.5％Ag、Sn-0.7％Cu、Sn-3％Bi、Sn-3.5％Ag-0.7％Cu、Sn-3.5％Ag-3％Bi、Sn-8％Zn-3％Bi、Sn-3.5％Ag-0.7％Cu-0.5％Sb、Sn-2.5％Ag-0.5％Cu；含铅焊料如63％Sn-37％Pb、60％Sn-40％Pb、63％Sn-37％Pb-2％Ag。
如图3所示，形成Ni-Sn金属间化合物层60，并很好地粘附在界面5上，并没有出现夹杂物的形成或剥落。
在Ni(P)金属化层上的保护层50很好地浸润了富锡焊料，并形成了用于保护Ni(P)的Ni-Sn或Ni-Cu-Sn金属间化合物。
然而，在长时间延长回流方面具有局限性。当时间延长时，不希望的分离就会日益增多地出现。图4示出了在电镀纯锡的样品在250℃下延长回流10分钟的情况下，在界面5处出现分离，标为70。在这种条件下，在界面5处出现的可能以Ni3P相存在的富磷层，产生较差的粘接。
结合图5、6和7中的并排显微照相图，示出了在无电镀Ni(P)层和金属化层1之间的界面5处的控制或保护层的有效性。
参考图5，其中并排样品的每一个具有在Ni(P)金属化层上的约1微米厚的电镀Sn的保护或控制层，标为80，随后在250℃的温度下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应。一个样品在氮气中回流持续2分钟，另一样品持续30分钟。在这两种情况下，都没有出现金属间化合物夹杂物的形成或剥落。电镀锡的薄层通过在回流期间迅速形成Ni-Sn层保护了Ni(P)的表面。
参考图6，其中并排样品的每一个具有在Ni(P)金属化层上的约0.4微米厚的电镀Cu的保护或控制层，标为81，随后在250℃的温度下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应。一个样品在氮气中回流持续2分钟，另一样品持续30分钟。在这两种情况下，都没有出现金属间化合物夹杂物的形成或剥落。电镀铜层81保护了Ni(P)的表面。
参考图7，示出了与图6相似的样品，其中并排样品的每一个具有在Ni(P)金属化层上的约0.9微米厚的电镀Cu的保护或控制层，标为82，随后在250℃下与Sn-3.5％Ag焊料浆料反应。左边样品回流持续2分钟，右边样品持续30分钟。在这两种情况下，都没有出现金属间化合物夹杂物的形成或剥落。0.9微米厚的电镀铜层保护了Ni(P)的表面。通过使用Pd提供无电镀镍磷籽晶层，也可以在镍镀层上沉积电镀铜层。无电镀方法比电镀更实用。
这里描述的是，通过在无电镀Ni(P)金属化层上提供防止反应或控制层，例如通过在Ni(P)层上施加Sn薄层或通过在Ni(P)层上施加Cu薄层，来抑制在无铅互连中在Ni(P)层和富锡焊料之间形成的金属间化合物夹杂物的反应。
权利要求
1.一种在熔接温度漂移期间抑制第一和第二相邻层的潜在不希望相互作用的方法，其中在集成电路互连结构的制造过程中，通过使不同用途的金属叠层经受所述熔接温度漂移，使所述叠层熔接在一起，该方法包括以下步骤暴露所述潜在相互作用层的所述第一层的表面；在所述潜在相互作用层的所述第一层的所述暴露表面上施加金属保护层，该金属保护层在所述熔接温度漂移期间具有至少一种对于所述相互作用的抑制特性；在所述保护层上施加所述第一和第二潜在相互作用层的所述第二层；以及使所述第一层、所述保护层和所述第二层的组装叠层经受所述熔接温度漂移。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第一层是无电镀Ni(P)金属化层，所述保护层是选自Sn和Cu的金属层，以及所述第二层是所述互连的其它层。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第一层是无电镀Ni(P)金属化层，所述保护层是选自Sn和Cu的金属层，其厚度在0.1至5微米之间，以及所述第二层是所述互连的其它层。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第一层是无电镀Ni(P)金属化层，所述保护层是选自Sn和Cu的金属层，其厚度在0.1至5微米之间，所述第二层是所述互连的其它层，以及所述温度漂移高达250℃。
5.根据权利要求1的方法，其中所述第一层是无电镀Ni(P)金属化层，所述保护层是选自Sn和Cu的金属层，其厚度在0.1至5微米之间，以及所述第二层是选自如下的富锡无铅焊料层纯锡、Sn-3.5％Ag、Sn-0.7％Cu、Sn-3％Bi、Sn-3.5％Ag-0.7％Cu、Sn-3.5％Ag-3％Bi、Sn-8％Zn-3％Bi、Sn-3.5％Ag-0.7％Cu-0.5％Sb、Sn-2.5％Ag-0.5％Cu。
全文摘要
在无铅互连中使用Ni(P)和富锡焊料时，可以通过在无电镀Ni(P)金属化层上提供防止反应或控制层，例如在Ni(P)层上施加锡薄层或者在Ni(P)层上施加铜薄层，来预防或控制金属间化合物夹杂物的形成。
文档编号H01L21/60GK1728357SQ20051007753
公开日2006年2月1日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年7月30日
发明者康圣权, D－Y·史, Y－C·孙 申请人:国际商业机器公司