专利名称：通过添加铜对焊料互连的改善的制作方法
技术领域：
本申请一般针对电子封装，更特别地，涉及倒装芯片(flip-Chip)组件。
背景技术：
倒装芯片封装依赖于焊料以将IC连接到封装(预装件)(package)上。这些焊料 互连被称为凸块。凸块在常规上由Pb/Sn合金制成。但是，随着限制铅的使用的立法的出 现，电子工业被推向无铅合金。例如，欧洲联盟在2003年采用的Restriction of Hazardous Substances(RoHS)(对危险物质的限制)指示将任何均勻成分中的铅的浓度限制到0. 1% (IOOOppm)或更低。大多数常用的无铅凸块合金为三元Sn/Ag/Cu和二元Sn/Ag。Sn/Ag合 金一般被电镀，而Sn/Ag/Cu合金一般被糊剂印刷(paste print)。在电镀的Sn/Ag的情况 下，凸块下金属化(UBM) —般是Ti/Cu/Ni的三层；对于Sn/Ag/Cu合金，UBM 一般是Al/Ni/ Cu。
发明内容
一个方面提供一种形成电子器件的方法。电子器件衬底被提供为上面具有焊料凸 块焊盘和位于焊料凸块焊盘之上的含镍层。该方法包括在使电子器件经受回流处理之前在 含镍层上形成含铜层。另一方面提供一种电子器件。电子器件包括上面具有凸块焊盘的电子器件衬底。 含镍层位于焊料凸块焊盘上，并且，含铜层位于含镍层上。另一方面提供一种形成电子器件的方法。该方法包括设置上面具有焊料凸块的电 子器件衬底。在焊料凸块上形成含铜层。
现在参照结合附图给出的以下的描述，其中，图1示出具有根据本公开形成的焊料凸块的电子器件；图2A和图2B分别示出本公开的凸块焊盘的顶视图和截面图；图3提供凸块焊盘的详细示图；图4A示出其间具有金属间化合物(IMC)区域的焊料凸块和凸块焊盘；图4B示出IMC区域的详细示图；图5A和图5B分别示出本公开的凸块焊盘的顶视图和截面图；图6A和图6B示出在焊料凸块上形成的含铜层；图7和图8示出本公开的方法。
具体实施例方式在一些情况下，焊料凸块可能在电子器件的设计寿命结束之前失效。一些失效可 归因于由于固态机制在失效的焊料凸块内形成机械弱化区域。在例如从器件组件残留或由器件操作中的热膨胀导致的残余机械应力下，弱化区域会断裂。但是，常规的用于减少凸块 失效的方法存在几种缺点。在一个常规的方法中，使得Cu凸块焊盘上的M层足够薄，使得完全熔融的焊料去 除一些位置中的Ni层，从而将底层的Cu暴露于凸块。Cu中的一些被加入凸块和焊盘之间 的Sn/Cu IMC区域中。在较低的浓度下，IMC区域中的一些Cu会是有益的。但是，由于Cu 迅速地与熔融的焊料的Sn和Ag反应，因此溶于熔体中的Cu的量的可控性较差。过量的Cu 加入可导致另一类的可靠性问题。在另一常规的方法中，为了避免从焊盘消耗Cu，在Cu焊盘的顶部形成M/Au层或 Ni/Pd/Au层。在这种情况下，以足以保证Cu不在回流中被露出的厚度形成Ni和/或Pd 层。虽然这种方法减少与焊料凸块中的Cu浓度太大相关的可靠性问题，但是上面描述的断 裂问题没有得到改善。这里描述的实施例针对常规的方法的这些限制。当前认识到，可以在回流焊料凸块之前通过在焊料凸块上或在与凸块接合的凸块 焊盘上形成含铜层以受控制的方式向Sn/Ag焊料凸块添加Cu。含铜层至少部分地被焊料熔 体消耗，从而在焊料凸块、以及焊料凸块和凸块焊盘之间的金属间化合物(IMC)区域中形 成三元Sn/Ag/Cu(SAC)合金。与常规的无铅凸块焊料接合相比，IMC区域具有提高凸块和 焊盘之间的接合的机械和电气可靠性的机械性能。这种提高的性能可望减少凸块失效的发 生并增加封装的器件的计划操作寿命。首先返回示出组装的电子器件100的图1。器件100包含第一电子器件IOOa和 第二电子器件100b。在一些实施例中，器件100a是集成电路(IC)裸片，器件IOOb是电子 器件封装。在示出的实施例中，器件IOOa被颠倒并且焊料凸块110位于器件IOOa和器件 IOOb之间。在一些实施例中，焊料凸块110符合RoHS标准。如在本讨论中以及在权利要求 中使用的那样，符合RoHS的焊料凸块被视为是无铅的。例如通过熔融并冷却焊料凸块110 的焊料回流工艺，接合器件100a、100b。这种配置中的接合电子器件的工艺一般被称为“倒 装芯片”组装。器件IOOa包含衬底120和多个焊料凸块焊盘130。如在这里以及在权利要求中 使用的那样，凸块焊盘是被配置为与焊料凸块形成连接并位于电子器件衬底之上的金属焊 盘。电子器件可以为例如IC裸片或电子封装。焊盘的边(on a side)可以为例如50μπι或 更大，并且可在其上面包含各种金属层，诸如凸块下金属化、扩散阻挡层或氧化禁止层。在 衬底120的顶部金属互连层(未示出)之上形成焊料凸块焊盘130。在一些实施例中，衬底 120为集成电路，并且可包含例如晶体管和金属互连水平面(level)。与焊盘130连接的顶 部金属互连层可以是多层互连叠层的顶部的1/0焊盘或互连水平面。器件100b包含衬底140和多个凸块焊盘150。在一些实施例中，器件100b是电子 器件封装。衬底140可包含例如封装引线和使引线与凸块焊盘150连接的信号路由迹线。 衬底140可包含器件封装衬底内的多个信号路由层。信号路由层可通过例如连接件与焊盘 150连接。图2A和图2B分别示出组装之前的凸块焊盘150和衬底140的一部分的平面图和 截面图。焊盘150被示为形成在衬底140的上表面上并在其之上延伸。其它的设想的实 施例包含焊盘150的上表面大致与衬底140齐平的那些。根据用于形成器件100b的工艺 技术，焊盘150可以为例如Al或Cu焊盘。金属层210位于焊盘150之上。在将焊料凸块
4接合到焊盘150上之前在焊盘150上沉积或形成层210。虽然示出覆盖焊盘150的顶部和 侧面，但是，在其它的实施例中，金属层210可仅覆盖焊盘150的顶部，或者仅覆盖顶部150 的足以防止焊料凸块110和焊盘150之间的接触的一部分。并且，可以在金属层210和焊 盘150之间存在未示出的附加的金属层。这些层在一些情况下被用于促进粘接或在金属层 210和焊盘150之间形成扩散阻挡层。如以下进一步描述的那样，层210包括含铜子层和含镍子层。层210可另外包含 被选择为对于焊料凸块Iio和焊盘150之间的电气和机械连接赋予特性的一个或更多个金 属层。例如，层210可包含改善焊料凸块110的湿润性的牺牲金属层或用于禁止层210表 面的氧化的有机涂层。图3更详细地示出在本公开的一个实施例中配置的金属层210。含铜子层310位 于焊料凸块110'和含镍子层320之间。在以下的讨论中，关于焊料凸块110的“'”表示 法指的是接合器件IOOa和器件IOOb之前的焊料凸块110。如在本公开中以及在权利要求 中使用的那样，含铜层可包含元素铜、例如含铜IMC的含铜化合物或无铜粘合剂。并且，含 铜层可包含具有不同的含铜成分的两个或更个层，例如，元素铜层和含铜IMC层。类似地， 如在本公开中以及在权利要求中使用的那样，含镍层可包含元素M或例如含镍IMC的含镍 的化合物。并且，含镍层可包括具有不同的含镍成分的两个或更个层，例如，元素镍层和含 镍IMC层。为了简洁，在以下的讨论中，在不损失一般性的情况下，子层310可被称为铜子 层，并且，子层320可被称为镍子层。在示出的实施例中，铜子层310位于镍子层320上以及子层320和凸块110' 之间。已知的倒装芯片工艺不包括焊料凸块和凸块焊盘上的含镍层之间的含铜层。铜子 层310具有厚度T。u，该厚度Tai被确定为提供导致回流之后凸块110中的铜的浓度处于约 0. 5wt%-约4wt%的范围中。以下更加详细地探讨这一方面。镍子层320具有足以保证子 层320将在回流之后保持不被破坏使得焊盘150不与熔融的凸块110接触的厚度TNi。关于图3的实施例，任选地，一个或更多个附加的金属层可位于铜子层310和镍子 层320之间。例如，可通过包含例如Pd层、Au层或这两者的末道漆(finish)，包含这样的 一个或更多个层。这些层有时被用于防止凸块焊盘的氧化或促进焊盘的湿润性。如在本公 开中以及在权利要求中使用的那样，即使当例如Au和/或Pd的通常用作末道漆的附加的 金属层位于子层310、320之间，铜子层310也位于镍子层320之上。在以下讨论的一些实施例中，可在进行组装工艺之前在焊料凸块110'上沉积或 形成含铜层。在一些实施例中，在将凸块Iio'接合到焊盘150上之前，焊料凸块110'本 质上没有Cu。本质上没有意味着焊料凸块110'中的铜的浓度不超过约0. lwt%。在非限 制性例子中，焊料凸块110'在回流之前为约96.5wt% Sn/3.5wt% Ag(共晶成分)。另外 本质上没有Cu的焊料凸块不由于在其上面存在形成的含铜层而被视为包含Cu。图4A示出形成焊料接点之后、例如回流之后的焊盘150之上的焊料凸块110。由 于金属层210的一部分的加入，因此焊料凸块110的成分与焊料凸块110'的成分不同。金 属层210在没有限制的情况下被示为仅包含铜子层310和镍子层320。当焊料凸块110' 中的Sn和/或Ag与金属层210中的Ni和/或Cu反应时，回流工艺中的熔融焊料和子层 310,320之间的反应产生含铜IMC区域410。IMC可包含例如含有Cu、Sn、Ag和/或Ni的 化合物。各化合物与构成元素的特征化学计量相关。焊料凸块110和子层320之间的基本
5上所有的子层310可望被熔体消耗并被加入区域410和焊料凸块110中。如果存在的话， 在铜子层310上形成的湿润层也被消耗。镍子层320本质上没有被破坏，这意味着例如镍 子层320的连续部分位于区域410和焊盘150之间。可通过在其中存在各种IMC来将区域410与焊料凸块110区分开。一般地，如由 诸如透射电子显微术(TEM)的各种分析技术确定的那样，IMC区域410的边界可望是鲜明 的。一般地，区域410具有焊料凸块110的约0. 10%的总质量。图4B更详细地示出IMC区域410。与镍子层320共享界面的第一子区域420可 望基本上由Ni/Sn化合物，例如Ni3Sn4组成。位于子区域420和凸块110之间的第二子区 域430可望基本上由Cu/Sn化合物例如Cu6Sn5组成，使得一些Ni取代Cu。子区域430中 的IMC可被称为(Ni，Cu)/Sn化合物，以反映存在一定的量的Ni。但是，子区域430中的基 本上少于50%的Cu可望被Ni取代，因此，出于这种讨论和权利要求的目的，子区域430不 是含镍层。子区域430中的Cu的浓度可以为例如约55wt% -约65wt%。在各种实施例中，并且，出于权利要求的目的，子区域430被视为含铜层，从而反 映其中的高浓度的Cu。另一方面，焊料凸块110不被视为含铜层。凸块110具有小于约 5wt%的铜浓度，并且，其中的铜一般在固溶剂中并且不形成含铜IMC。即使确实在凸块110 中形成一些含铜IMC，这种IMC也被广泛分散并且不形成连续的层。当熔融的焊料凸块110'被置于与层210接触时，子层310中的Cu溶入焊料凸块 110'中并与其中的Sn和/或Ag反应，由此形成焊料凸块110。熔融的焊料凸块110中的 Cu的扩散速度被认为大于约0. 1 μ m/s。凸块组装过程中的典型的焊料回流过程将焊料凸 块110维持在高于约220°C的温度下60-90s。因此，没有与子区域430中的IMC结合的子 层310中的Cu可望与焊料凸块110中的Sn和Ag形成SAC合金。合金可望在其中具有均 勻分布的Cu。当铜子层310被熔融焊料消耗时，焊料与镍子层320接触。焊料中的Sn与子 层320中的Ni反应以形成Ni/Sn IMC，包括子区域420中的Ni3Sn4。随着来自焊盘150的Ni和来自凸块110的Sn扩散到子区域420中，子区域420 中的Ni/Sn IMC，例如，Ni3Sn4,可继续在器件100的寿命期间形成。因此，子区域420可随 着时间在厚度上生长。Ni/SnlMC —般是易破裂的，并且，如果子区域420变得足够厚，那么 子区域420会在应力下破裂。破裂会导致器件100在到达其额定寿命终点之前失效。但是，与常规的情况不同，子区域430的存在被视为抑制子区域420的生长。可以 认为子区域430中的Cu/Sn IMC也通过固态机制继续随着时间形成。在器件100的寿命期 间焊料凸块110中的Cu向子区域430提供Cu，从而允许子区域430生长。子区域430可至 少用作来自凸块110的Sn的部分渗坑(sink)，否则该Sn会扩散到子区域420中。通过限 制子区域420对Sn的可用性，可望限制子区域420的生长速度，由此减少器件100的失效 的发生。并且，子区域430中的Cu/Sn IMC可望在机械上比子区域420的Ni/Sn IMC更坚 韧，因此，子区域430的生长可望不对器件100的可靠性造成有害的影响。在回流之前焊料凸块110'与Cu的合金化与优选的制造方法不相容。为了降低成 本并提高产量，当形成焊料凸块110'时，制造商强烈优选电镀焊料。但是，SruAg和Cu的 电化学电势的固有差异有力地妨碍形成具有稳定SruAg和Cu浓度的焊料凸块。本公开的实施例通过在组装器件IOOaUOOb之前设置铜子层310作为Cu的来 源克服这些缺点。因此，当接合器件IOOaUOOb时，可通过例如电镀的常规工艺形成凸块110'，并且在回流中出现合金化。可通过任何常规或新颖的方法形成铜子层310。在一些实施例中，通过电镀形成 子层310。在下面进一步讨论的另一实施例中，通过含铜糊剂的模版印刷形成子层310。一 般由凸块110中的希望的Cu的浓度确定子层310的厚度。对于各种形成方法，铜子层310 的厚度可以不同。例如，在焊盘150的尺寸( ΙΟΟμπι)上，电镀层一般具有非常均勻的厚 度。由于所有的Cu可望被熔体消耗，因此厚度可由了解焊料凸块110'的体积和成分的本 领域技术人员确定。在非限制性例子中，对于IOOym焊料凸块110'，可对于电镀铜子层310使用 0. 5-2 μ m的厚度。该厚度范围可望导致凸块110中的Cu的浓度处于约0. 5wt% -约4wt% 的范围中。在一些情况下，为了应对例如焊料凸块尺寸的变化，可优选至少Iym的厚度。在 一些情况下，Cu浓度可限于3衬％或更少，以使由于过量的Cu导致凸块失效的可能性最小 化。在这里的实施例中，子层310的厚度将可用的Cu限于小于Cu在凸块110的焊料成分 中的溶度极限。因此，避免了上述的由于凸块110中的过量的Cu浓度导致的器件100可靠 性的降低。含镍子层320中的Ni溶于凸块110中的速度可望明显小于Cu，例如比铜的速度小 10%。因此，与铜子层310相比，子层320可相对较薄，并且仍然防止熔融的焊料到达焊盘 150。消耗的子层320的总量一般也是回流温度和时间的函数。在一些实施例中，子层320 的厚度足以在回流工艺的容限期望的最大时间和温度上保持不被破坏。但是，一般地，希望 限制子层320的厚度以控制封装工艺的总成本。在一些实施例中，回流之前的子层320的 厚度比Ni的最大期望去除量大至少约20%。在上述的回流过程中，约50nm的镍子层320可望被消耗。因此，在一些实施例中， 子层320具有约0. 5 μ m的厚度，从而反映上述的考虑的平衡。可以以常规的方式、例如通 过物理汽相沉积工艺形成子层320。如上所述，层210可在子层310、320之间包含例如Pd层和/或Au层。当存在时， 可通过常规的方式形成这些附加的层。在这些实施例中，Cu、Au和Pd层可望被完全消耗， 并且，Ni层如上面描述的那样被部分消耗。图5A和图5B分别示出凸块焊盘150的实施例的平面图和截面图，在凸块焊盘150 上通过模版印刷在镍子层320上形成铜子层510。铜子层510的厚度可与铜子层310不同。 例如，由于Cu粒子之间的自由空间以及载液或粘接剂的存在，印刷到镍子层320上的含铜 糊剂中的Cu的密度可小于电镀膜中的Cu的密度。并且，糊剂的厚度均勻性可低于电镀的 Cu。在一些情况下，如示出的那样，印刷的铜子层310可能不覆盖整个凸块焊盘150。在这 种情况下，可通过糊剂中的Cu浓度的知识确定糊剂层的体积，在焊料凸块110中提供希望 的Cu浓度。图6A和图6B示出向焊料凸块110提供Cu的替代性实施例。在图6A中，在凸块 110'上形成含铜层610。一般地，凸块110'在含铜层610的形成期间保持固态，但不需要 这样。在一些实施例中，上面具有层610的凸块110'与诸如凸块焊盘140的凸块焊盘之上 的含Ni层接触。当凸块110'回流时，层610将以与在镍子层320上形成铜子层310的实 施例类似的方式向凸块110提供Cu。可确定在凸块110中导致希望的Cu浓度的层610的 厚度。由于Cu在焊料凸块110整个表面上扩散到其中，因此图6A的实施例可导致焊料凸
7块110中的Cu具有比一些其它的实施例更均勻的浓度。可通过例如电镀在焊料凸块110'上形成含铜层610。在非限制性例子中，焊料凸 块110'被视为具有IOOym的直径的球体。在约15nm-约120nm范围中的层610的厚度可 在回流之后的凸块110中提供具有约0. 5% -约4%的浓度的Cu。层610的约30nm的厚度 可望导致约的焊料凸块110中Cu的平均浓度。本领域技术人员能够确定在焊料凸块 110中产生希望的Cu浓度的层610厚度。图6B示出含铜层是在焊料凸块110'上形成的Cu糊剂的珠体620的实施例。可 通过例如将焊料凸块阵列浸入扩展在平坦表面上的含铜浆液中来施加珠体620。例如，浆 液可以是模版印刷糊剂。并且，当与Ni层接触并且回流时，珠体620可望如上面描述的那 样提供Cu以形成IMC区域410。本实施例可提供特别经济的在回流期间向凸块110'提供 Cu的手段。现在到示出本公开的方法700的图7。在步骤710中，提供上面具有凸块焊盘的电 子器件衬底。器件可以为例如IC裸片。如在本公开中以及在权利要求中使用的那样，“被提 供”或“提供”意味着可由执行本公开的方法的个人或商业实体制造的、或者由此从该个人或 实体以外的来源、包括另外的个人或商业实体获得的器件、衬底、结构元件等。凸块焊盘在其 上面包括诸如镍子层320的含镍层。在一些实施例中，含镍层在其上面具有Au和/或Pd层。在步骤720中，在对电子器件进行回流处理之前在含镍层上形成含铜层。可如上 面描述的那样以常规的方式，例如通过电镀或模版印刷，形成含铜层。本领域技术人员可以 理解，这些例子没有排除本公开的范围内的其它等效方法。在一些实施例中，方法700继续有步骤730，在该步骤730中，在凸块焊盘上形成 焊料凸块。凸块可被熔融，由此在凸块和含镍层之间形成(Ni，Cu)/Sn IMC区域。IMC区域 可包含浓度在约55wt% -约65wt%之间的Cu。熔融可接合电子器件和器件封装。凸块可 位于IC裸片或器件封装衬底之上。在熔融之前，焊料凸块可本质上没有Cu，例如，由Sn/Ag 焊料合金形成。熔融可以是例如常规的焊料回流工艺。凸块和含镍层之间的任何层，例如 金或钯，可望基本上被焊料熔体消耗并溶于其中。在一些实施例中，熔融之后的焊料凸块包 含浓度在约0. 5wt% -约4wt%之间的Cu。在一些实施例中，焊料凸块具有约100 μ m的直 径，并且，含铜层具有在约0. 5 μ m-约2 μ m范围中的厚度。最后，图8示出如图6A和图6B的实施例所示的那样在焊料凸块上形成含铜层的 方法800。在步骤810中，提供上面具有焊料凸块焊盘的电子器件衬底。这种衬底可以是例 如集成电路或器件封装。在步骤820中，在焊料凸块上形成含铜层。在一些实施例中，方法800继续有步骤830，其中焊料凸块被熔融，由此在焊料凸 块和凸块焊盘之间形成(Ni，Cu)/Sn IMC区域。焊料凸块可在熔融之前与含镍层接触。任选 地，焊料凸块可在其上面形成含铜层之后、但在使焊料凸块与含镍层接触之前被回流。IMC 区域中的Cu的浓度可以在约55wt% -约65wt%的范围中。在一些实施例中，衬底为IC裸 片，而在一些其它的实施例中，衬底为器件封装衬底。例如，可通过电镀或从铜糊剂形成含 铜层。在一些实施例中，在凸块上形成的Cu的质量为在其中加入Cu之前的焊料凸块的质 量的约0.5% -约4%。本领域技术人员可以理解，可对于描述的实施例提出其它的和进一步的添加、删 除、替代和修改。
权利要求
一种形成电子器件的方法，包括提供电子器件衬底，所述电子器件衬底具有位于其上的焊料凸块焊盘和位于所述焊料凸块焊盘之上的含镍层；和在使所述电子器件经受回流处理之前在所述含镍层上形成含铜层。
2.根据权利要求1的方法，其中，通过模版印刷形成所述含铜层。
3.根据权利要求1的方法，还包括熔融与所述含铜层接触的焊料凸块，由此在所述焊 料凸块和所述含镍层之间形成(Ni，Cu)/Sn金属间化合物区域，所述金属间化合物区域具 有在约55wt%至约65wt%的范围中的铜浓度。
4.一种电子器件，包括电子器件衬底，具有位于其上的凸块焊盘；位于所述焊料凸块焊盘上的含镍层；和位于所述含镍层上的含铜层。
5.根据权利要求4的电子器件，其中，所述电子器件衬底是器件封装衬底。
6.根据权利要求4的器件，其中，所述电子器件衬底是第一衬底，并且，所述器件还包 括包含至少一个焊料凸块的第二电子器件衬底，并且，其中所述第一衬底和第二衬底由所 述至少一个焊料凸块相耦接。
7.根据权利要求6的器件，其中，所述含铜层是具有在约55wt%至约65衬％的范围中 的铜浓度的(Ni，Cu)/Sn金属间化合物区域。
8.一种形成电子器件的方法，包括提供电子器件衬底，所述电子器件衬底具有位于其上的焊料凸块；和在所述焊料凸块上形成含铜层。
9.根据权利要求8的方法，其中，所述电子器件衬底是集成电路衬底。
10.根据权利要求8的方法，其中，由铜糊剂形成所述含铜层。
全文摘要
本发明涉及通过添加铜对焊料互连的改善。一种形成电子器件的方法，提供在其上面具有焊料凸块焊盘的电子器件衬底。含镍层位于焊料凸块焊盘之上。在使电子器件经受回流处理之前在含镍层上形成含铜层。
文档编号H01L21/48GK101958259SQ201010226969
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月12日 优先权日2009年7月13日
发明者J·W·奥森巴赫, K·V·德赛, M·A·巴克曼 申请人:Lsi公司