专利名称：具有增强的线接合稳定性的铝接合焊盘的制作方法
技术领域：
本申请通常涉及电子封装，并且更具体地，涉及金线接合。
背景技术：
集成电路管芯通常通过接合到封装引线的金线和管芯上的铝(Al)接合焊盘而电 气连接到封装引线。线接合工艺有时被称为热超声接合，典型地使用压力和超声能量的组 合来形成金线和Al接合焊盘之间的冶金接合。
发明内容
一个方面提供了一种电子器件接合焊盘，包括位于电子器件基板上的Al层。Al层 包括位于其中的本征族10金属。另一方面提供了一种形成电子器件接合焊盘的方法。该方法包括提供电子器件基 板。Al接合焊盘被放置在基板上。本征族10金属被并入Al接合焊盘中。
现在参考下文结合附图进行的描述，在附图中图1示出了通过接合线连接到封装焊盘的电子器件接合焊盘；图2A 2C示出了位于本公开的接合焊盘上的球焊盘，包括族10金属的层位于它 们之间；图3示出了本公开的接合焊盘，其中Al层均勻地掺杂有族10金属；图4示出了本公开的接合焊盘，其中包括族10金属的层位于上Al层和下Al层之 间；图5示出了本公开的接合焊盘，其中包括Al和族10金属的层位于接合焊盘的上 表面处；以及图6示出了本公开的方法。
具体实施例方式将金(Au)线直接热超声接合到铝(Al)接合焊盘典型地形成了 Au线和Al接合焊 盘之间的金属间化合物(IMC)区域。IMC区域包括例如，Au和Al。包括Au线、IMC和Al焊 盘的热力学系统未处于平衡状态。因此，系统中的原子可以通过各种扩散路径随时间扩散， 从而降低了系统的自由能，有时形成了空隙。该空隙削弱了线接合并且可以导致接合以及 与接合焊盘关联的器件的失效。为了减少空隙的形成，传统的Au线可以与约1衬％的钯(Pd)形成合金。然而，Pd 增加了 Au线的硬度，这使得线接合工艺变得复杂并且可以因其他机制而降低可靠性。目前认识到，通过形成Al接合焊盘(在该接合焊盘中包括本征族10金属)可以 减少或基本上防止空隙的形成。族10金属是元素周期表的族10中的元素镍(Ni)、Pd或钼(Pt) (IUPAC推荐命名法)中的一个或更多个。如下文各种实施例中描述的，族10金属在源 自接合焊盘内时是本征的，但是源自Au线时不是本征的。Al焊盘提供的族10金属可以随时间集中在热超声工艺形成的IMC区域中或附近， 阻止了空隙的形成。然而，有利地，可以使用不含Pd或其他族10金属的Au线。不含Pd的 Au线比Au-Pd合金线更柔顺。更柔顺的线更易于在线接合操作期间加工，减轻了制造商的 负担并且获得了更加可靠的线接合连接。开始转向图1，其示出了封装电子器件100。器件100包括封装基板110和器件基 板120。基板120可以是例如，半导体基板上的集成电路。封装基板110具有引线焊盘130， 并且基板120具有在其上形成的接合焊盘140。接合焊盘140是Al层，该Al层包括Al和 如下文详细描述的分布在其中的本征族10金属。如说明书和权利要求中使用的，Al层是 至少包括约50衬％的Al的层。Al层可以包括元素Al、一种或更多种Al的合金、或者一种 或更多种Al的金属间化合物。Au线150将引线焊盘130连接到接合焊盘140。该连接可 以例如，通过热超声线接合工艺而形成。该线接合工艺可以是传统的。因此，例如，可以通 过预先选择的时长的热、压力和超声能量的组合来形成接合。线接合工艺产生了 Au球160， 其形成了与接合焊盘140的电气和冶金连接。图2A示出了根据本公开形成的接合焊盘140以及在其上形成的球160。接合焊盘 140最初包括可以根据此处描述的实施例形成的层210，例如Al和族10金属的合金。接合 工艺形成了位于球160和层210之间的IMC区域220。在接合工艺期间族10金属的至少一 部分被并IMC区域220。由于如传统工艺中发现的，由于IMC区域中的族10金属源自接合 焊盘140，而非源自接合线，因此族10金属是本征族10金属。因此，可以避免与传统工艺关 联的上述问题。图2B示出了老化之后的接合焊盘140，例如，Au接合形成之后的足够的时间周期， 其中各种原子核素已从其初始位置扩散。在线接合工艺形成IMC区域220之后，接合焊盘 140、球160和IMC区域220的热力学系统通常未立即处于平衡条件。Au容易扩散到Al接 合焊盘140中以形成包括Au和Al的IMC，例如Al2Au5和Al2Au。在许多情况中，在特定IMC 中族10金属的可溶性低于在Al中的可溶性。因此，随着Au扩散到接合焊盘140中，一部 分族10金属集中在球160和层210之间的IMC区域230中。接合焊盘140由此可以从Al 和族10金属的合金转变为Al/Au IMC的IMC区域，其中最初存在于接合焊盘140中的一部 分族10金属保持分布在接合焊盘140中。相对于层210和球160富含族10金属的IMC区 域230的存在被认为阻止了随着接合焊盘140和球160的老化的空隙形成。在一些实施例 中，IMC区域230包括至少约50wt%的族10金属。空隙的减少或缺乏是期望的，以便显著 地减小使用本公开的范围内的实施例的操作电路中的线接合失效的概率，由此提高器件的 可靠性和寿命。在一些实施例中，接合焊盘140包括平均浓度范围为约0. Iwt %至约35wt%的族 10金属。该下限是如下的值，在低于该值时认为将被并IMC区域230以提供益处的族10 金属是不足量的。该上限与如下量关联，在高于该量时，由于例如接合焊盘140的增加的硬 度，线150与接合焊盘140的接合可能变得困难。在一些情况中，例如为了减少范围极限处 的接合焊盘140的性质变化，接合焊盘中的族10金属的平均浓度的范围可以是约0. 5wt% 至约12wt%。在一些情况中，族10金属的平均浓度的范围可以是约1衬％至约8wt%。该较窄的范围被认为降低了与较大的范围的最大和最小值关联的任何风险，同时提供了充裕 的工艺裕量。图2C示出了接合焊盘140和球160，其中IMC区域240位于IMC区域230和球160 之间。IMC区域240是如下的IMC区域，其中的族10金属的浓度低于IMC区域230中存在 的族10金属的浓度。在一些情况中，包括层210、球160和IMC区域240的系统的热力学导 致IMC区域230位于具有较低的族10金属浓度的两个区域之间。因此，在所示出的实施例 中，族10金属的峰值浓度位于IMC区域230中，即IMC区域240和层210之间。在这些情 况中，球160可以不直接接触IMC区域230。在一些实施例中，线150是至少约为99.Au。当线150是99. 99wt %的 Au时，其有时被称为“4个9”或“4N”。在一些情况中，线150和/或球160基本上不含族 10金属，包括Pd。“基本上不含族10金属”意指所有族10金属的总浓度小于约0. 01wt%o 因此，接合焊盘140中存在的基本上所有族10金属是本征族10金属。图3示出了在线接合之前根据本公开形成的接合焊盘140的一个实施例，其通常 被标注为300。接合焊盘140由位于基板120上的层310形成。层310是包括族10金属的 均质Al合金，例如，族10金属大致均勻地分布在接合焊盘140中。在该背景下，均勻性是 以数十nm数量级为距离尺度的，因此诸如晶粒边界和枝状晶的富含族10金属的局部区域 不会使得族10金属的分布不均勻。例如，在线接合和如前文所述的老化之后，预期一部分 均质分布的族10金属集中以形成IMC区域230。预期一部分族10金属剩余在层310中。 因此该剩余的部分位于IMC区域230之下。层310可以可选地包括浓度较小或非常小 的不同于族10金属的一种或更多种合金金属。例如，通常包括约0. 5衬％的01以减少凸起 的形成。例如，通过物理气相淀积(PVD)或蒸发以及随后的用于形成接合焊盘140的传统 构图和蚀刻，可以形成层310。在PVD工艺的情况中，可以使用包括具有层310中所期望的 浓度的族10金属以及Al的金属靶。蒸发工艺可以相似地被配置为产生所期望的Al和族 10金属的合金。具体工艺参数典型地取决于制造商特定的或者器件特定的工艺整合因素。 本领域的技术人员可以确定与特定的制造商工艺流程兼容的适当的工艺。图4示出了根据本公开形成的接合焊盘140的另一实施例，其通常被标注为400。 下Al层410包括Al，但是基本上不含族10金属。在一些实施例中，层410至少包括约 99wt%&Al。层410可以可选地包括合金元素以例如抑制凸起。层410上的上层420也包 括Al，其可以，但不必须是与层410中使用的合金相同的合金。作为族10金属的集中层的金属层430位于下层和上层410、420之间。如前文所 述，族10金属可以扩散到接合焊盘140中有利地抑制空隙的位置。层430可被配置为提供 期望量的族10金属，或者提供接合焊盘140中的某一浓度的族10金属。层430可以基本 上是纯的(例如，大于约99wt% )族10金属，两种或更多种族10金属的合金，或者包括不 是族10金属的金属。层430中甚至可以包括两个或更多个子层，诸如Ni层和Pd层。然 而，不同于一些传统的接合焊盘结构，由于层420包括Al，因此接合焊盘140在其上表面呈 现Al。在实施例400中，通过淀积层410，例如，包括任何所期望的杂质的Al组分，并且随 后淀积层430，在该层430上形成具有Al组分的层420，从而可以形成接合焊盘140。对于每个层可以使用传统的PVD或蒸发。在一些实施例中，使用双室淀积工具，其中在一个室中 淀积Al组分，并且在另一室中淀积族10金属。层410可以通过例如PVD或蒸发形成。在一个实施例中，真空下的第一淀积室中 的PVD工艺形成了具有所期望的Al组分的层410。PVD工艺可以是例如使用可由本领域的 技术人员确定的工艺参数的传统工艺。在不打破真空的情况下将基板120转移到第二淀积 室，其中PVD工艺形成了具有族10金属组分的层430。随后在不打破真空的情况下将基板 120转移回第一淀积室，其中PVD工艺形成了具有所期望的Al组分的层420。通过该方式， 使接合焊盘140中的并入的环境杂质最少。然而，在其中打破真空的实施例，例如，在淀积 上面的层之前使层410或层430暴露于环境，也在本公开的范围内。在形成所期望的金属层叠层之后，可以对该叠层进行构图和蚀刻以形成接合焊盘 140。在一些情况中，可以使用干法(等离子体)蚀刻工艺。该工艺可以使用传统的等离子 体蚀刻步骤。在一些情况中，可以使用单个传统的蚀刻工艺来蚀刻由层410、420、430组成 的整个金属叠层。例如，当层430足够薄时，针对Al蚀刻优化的等离子体工艺可以对族10 金属进行物理溅射。该蚀刻工艺典型地对于基板120是选择性的，由此使得从其移除的材 料最少。依赖于层430的厚度和组分，等离子体蚀刻可能需要使用不同的蚀刻化学的多个 步骤，其被优化以移除层410、420的Al组分和层430的族10金属组分。在非限制性示例 中，可以通过C12/BC13等离子体来移除层410、420。例如，可以使用CF4/02钝化步骤来移除 下面的TiN阻挡层。例如，可以通过Cl2/Ar或C12/SF6等离子体来移除层430。在一些实施例中，可以使用传统的湿法蚀刻来移除层410、420，层430的族10金 属组分或此两者。例如，3 1的HCl HNO3蚀刻可以移除层430，而PAN蚀刻可以移除层 410、420。本领域的技术人员能够利用接合焊盘140的各种层的特定厚度和组分的知识来 确定适当的蚀刻工艺。在一些情况中可以重复形成层430和层420的步骤。因此，例如，接合焊盘140可 以包括层410，族10金属和Al层的交替的层位于该层410上。在一些情况中，例如，较之使 用单个族10金属层的实施例，该配置可以通过将族10金属放置在接合焊盘140中的更有 效的位置来更有效地抑制空隙。在一些实施例中，层430具有范围为约IOnm至约200nm的厚度。当厚度小于约 IOnm时，在一些情况中用于提供益处的族10金属可能是不足量的。当厚度大于约200nm 时，接合焊盘140可能过硬以至于不能形成与其的可靠接合。在非限制性示例中，层410是 厚度约为400nm的铝，并且层430是厚度约为34nm的Pd。在该情况中，接合焊盘140具有 的Pd的整体浓度约为IOwt %。通常，预期仅有层430提供的族10金属的一部分集中在IMC区域230中。而且， 通常预期IMC区域230是包括Al、Au和族10金属的三重IMC或合金。因此，预期IMC区域 230中的族10金属的浓度小于IOOwt %。该浓度可以基本上小于例如20wt%。通常预期使 接合焊盘140的其他部分中的族10金属不牵涉抑制空隙。在一些实施例中，层420具有范围为约IOnm至约200nm的厚度。在一些情况下，当 层420具有小于约IOnm的厚度时，由于表面可能更接近地类似于族10金属表面，因此可能 难于接合到接合焊盘140。另一方面，例如，认为200nm的厚度提供了足以形成Au/Al IMC 区域的Al，因此形成了接合焊盘140和导线150之间的机械坚固的接合。
认为由线150和层420形成的IMC区域将消耗其中的大部分Al，因此将IMC区域 放置为接近族10金属层430或者直接与其接触。在一些情况中，预期该配置使层430相对 于由线接合工艺形成的IMC区域安置，从而使族10金属可以迅速地扩散到抑制空隙形成的 位置。另一方面，即使在IMC中消耗了族10金属，或者如果未反应的Al剩余在IMC层和层 430之间，则预期本公开的范围内的实施例受益于族10金属向着阻止空隙形成的位置的扩 散。当族10金属被形成为例如层430的层时，族10金属层可以被形成为连续层或间 断层。连续层430中不具有或者具有非常少的开口，层420可以通过这些开口直接接触层 410。在一些情况中，采用得到连续层的最小厚度。在一些情况中，该最小厚度是约lOnm，但 是可能依赖于特定的族10金属而变化。在低于该最小厚度时，可能得到间断的层430，该 间断层中可以包括许多开口，或者可以包括族10金属的岛。在一些实施例中，层430是上 述间断层。在这些实施例中，间断层的族10金属可以在驱动力(例如，升高的温度、接合应 力)的影响下在操作期间扩散，以在例如通过接合工艺形成的Au/AIIMC区域中产生连续的 或间断的族10金属层。可以通过例如，SEM、TEM、EDS、XPS或者相似的分析技术来检测该 层。图5示出了通常标注为500的实施例，其中接合焊盘140包括基本上不含族10金 属的层510和包括族10金属的层520。如浓度曲线530所定性地示出的，族10金属的浓度 随着进入层520的深度的增加而降低。该曲线可能是如下产生的，例如，将族10金属的层 540淀积到层510的表面上并且使层540热扩散到层510中。在实施例500中，层520的上 表面是Al和族10金属的合金，区别于包括不含Al的Pd上表面的一些传统的接合焊盘结 构。在一些实施例中，在层520的表面处，族10金属的浓度可以是约50wt%至约95wt%。层540可以例如小于约lOOnm。在一些情况中，层540是间断的，或者可以是不连 续的岛。在接近但低于Al的熔点的温度下，例如约660C，族10金属可以扩散到层510中。 如前文所述，随后可以通过传统的构图和蚀刻来形成接合焊盘140。在一些情况中，可以使 用多步骤等离子体或湿法蚀刻工艺来完成金属叠层的蚀刻。可替选地，可以首先对半导体晶片上的Al层进行构图以形成层510。随后可以将 层540淀积在整个晶片上并且扩散到层510中，形成层510上的合金层520。随后可以通过 不显著影响接合焊盘140的方式来移除其余晶片，例如基板120上的未扩散的层540。在 一个示例中，在族10金属扩散到层510中之后，可以通过诸如溅射蚀刻或Ar/SF6等离子体 蚀刻的非选择性工艺来移除族10金属。尽管可以移除一些接合焊盘140，但是失去的材料 量不会显著地影响接合焊盘140的性能。而且，预期足够的族10金属剩余在接合焊盘140 中，提供了此处讨论的优点。在另一示例中，湿法蚀刻可以用于在扩散之后从基板120移除 族10金属。例如，预期3 1的HNO3 HCl的短暂蚀刻，以移除薄的未扩散的族10金属 层，同时具有对接合焊盘140的小的影响。本领域的技术人员能够确定关于特定族10金属 和层540的厚度的特定工艺条件。在实施例500中，层520和层510之间的界面可能不是清晰的。例如，族10金属 的浓度可以随着进入接合焊盘140的深度而在接合焊盘140的表面处或其附近处从峰值浓 度平滑地下降。在该情况中，层520的厚度被视为如下厚度，在该厚度下，族10金属的浓度 下降到其在层520中的峰值的约10%。
每个层310、430、520可被视为族10金属的源，用于随着接合焊盘140的老化而扩 散到接合焊盘140中。预期在操作温度下，在电子器件100的寿命中，族10金属的原子将 具有足够的移动性，从而它们将扩散到接合焊盘140中的如下位置扩散到所述位置使与 接合焊盘140和线150关联的区域的热力学系统的自由能下降。如前文所述，预期族10金 属的浓度将抑制空隙形成，而不需要在线150中提供Pd。现在转到图6，其示出了本公开的方法，总体地被标注为600。方法600开始于步 骤610，其中提供电子器件基板。在说明书和权利要求中，“提供”意指，器件、基板、结构元件 等可以由执行所公开的方法的个人或商业实体制造，或者由此从不同于该个人或实体(包 括另外的个人或商业实体)的源处获得。在步骤620中，将Al接合焊盘放置在器件基板上。可以通过例如，前文关于接合 焊盘140描述的方式来形成接合焊盘。在步骤630中，将本征族10金属并入接合焊盘。族 10金属可以具有如前文所述的范围为约0. 至约35wt%的接合焊盘中的平均浓度。该 层可被形成为，接合焊盘的表面具有约50wt%至约95wt%的族10金属。族10金属可以是 例如Pd。在一些实施例中，包括族10金属的层可以是Al层，其中Al层被形成为其中具有 均质分布浓度的族10金属。在其他实施例中，包括族10金属的层可以是嵌入在Al接合焊 盘中的层。在一些实施例中，方法600继续至步骤640，其中将Au线接合到Al接合焊盘。如 前文所述，该线可以是4N线。该接合形成了线和接合焊盘之间的Au/Al IMC区域。IMC区 域可以可选地接触族10金属的峰值浓度。本领域的技术人员将认识到，可以对所描述的实施例进行其他和另外的添加、删 除、替换和修改。
权利要求
一种电子器件的接合焊盘，包括Al层，位于器件基板上；以及本征族10金属，位于所述Al层中。
2.如权利要求1所述的接合焊盘，其中，至少一部分所述本征族10金属位于包括Al的 金属间化合物的金属间化合物区域中。
3.如权利要求1所述的接合焊盘，其中，一部分所述本征族10金属位于包括Al的金属 间化合物的金属间化合物区域之下。
4.如权利要求1所述的接合焊盘，进一步包括Au线，通过Au球连接至所述Al层；以 及金属间化合物区域，位于所述Au球和所述Al层之间，其中，所述Au线基本上不含所述族 10金属。
5.如权利要求1所述的接合焊盘，其中至少一部分所述本征族10金属位于包括至少约50衬％的所述族10金属的集中层中；以及所述Al层是下Al层，以及所述集中层位于所述下Al层和上Al层之间。
6.如权利要求1所述的接合焊盘，进一步包括器件封装，所述基板安装到所述器件封 装；以及线接合，将所述器件封装的封装焊盘连接到所述接合焊盘。
7.一种形成电子器件的接合焊盘的方法，包括 提供电子器件基板；将Al接合焊盘设置在所述基板上；以及 将本征族10金属并入所述Al接合焊盘中。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述族10金属位于上和下铝层之间的集中层中，所 述集中层包括至少50衬％的所述族10金属。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述基板安装到器件封装，以及线接合将所述Al层 连接到封装焊盘。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述的并入步骤包括形成第一Al层，在所述Al 层上形成族10金属层，以及在所述族10金属层上形成第二 Al层。
全文摘要
本发明涉及具有增强的线接合稳定性的铝接合焊盘。其中，电子器件接合焊盘包括位于电子器件基板上的Al层。Al层包括位于其中的本征族10金属。
文档编号H01L23/485GK101901793SQ20101018921
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月25日 优先权日2009年5月26日
发明者F·A·拜奥齐, J·M·德鲁卡, J·W·奥森巴赫 申请人:Lsi公司