JP2005294827A - 無鉛はんだを用い反応バリア層を有するフリップ・チップ用相互接続 - Google Patents

無鉛はんだを用い反応バリア層を有するフリップ・チップ用相互接続 Download PDF

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Abstract

【課題】 無鉛はんだと共に用いるのに適した、フリップ・チップ接続のためのＢＬＭ構造を提供する。
【解決手段】 超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造は、２、３、または４層ボール制限構成物を有する。これは、接着／反応バリア層を含み、すず含有無鉛はんだの成分と反応するはんだ濡れ性の層を有し、そのためはんだ付けの間にはんだ可能層は全て使い尽くされる可能性があるが、はんだ付けの間に無鉛はんだと接触して配置された後にバリア層は残っている。はんだ濡れ性の層の上に、１つ以上の無鉛はんだボールを選択的に配置する。無鉛はんだボールは、主要成分としてのすずと１つ以上の合金化成分とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超小型電子集積回路（ＩＣ）チップのパッケージへの相互接続に関し、更に特定すれば、Ｃ４（controlled collapse chip connection）と呼ばれることが多いエリア・アレイ・フリップ・チップ相互接続技術に関する。本発明は、更に、無鉛はんだ合金および環境に優しい製造プロセスを用いるため、環境面で許容できる相互接続方法に関する。更に、本発明は、超小型電子回路に接触するはんだにおいてアルファ粒子源を排除することによってオン・チップ回路におけるソフト・エラーの源を除去する相互接続方法に関する。
半導体チップのパッケージングにおいては、階層状の相互接続が必要である。チップと基板（またはチップ・キャリア）との間の相互接続レベルでは、３つの異なる相互接続技術が広く用いられている。すなわち、テープによる自動ボンディング（ＴＡＢ：tape automated bonding）、ワイヤ・ボンディング、およびエリア・アレイ・フリップ・チップ相互接続である。
はんだバンプのエリア・アレイ相互接続方法は、フリップ・チップはんだ接続またはＣ４と呼ばれることが多く、集積回路デバイス（ＩＣ）の表面を下に向けてチップ・キャリアにはんだ付けするものである。ワイヤ・ボンディングとは異なり、エリア・アレイはんだバンプ構成では、できるだけ入力／出力（Ｉ／Ｏ）数を多くするため、チップの全表面をＣ４バンプによって覆うので、相互接続がチップ周辺部に限定されるワイヤ・ボンディングまたはＴＡＢによって可能であるよりも、ＩＣ技術の電気的機能性または信頼性に対する要求の高まりに応えることができる。
更に具体的には、Ｃ４技術は、パターニングしたはんだ濡れ性の（solder-wettable）層構造の上に堆積したはんだバンプを用いる。この層構造は、ボール制限冶金（ＢＬＭ：ball limiting metallurgy）として知られ、アンダー・バンプ冶金（ＵＢＭ：under bump metallurgy）とも呼ばれる。ＵＢＭは、はんだによって濡らすことができるチップ上面上の端子金属パッドを画定し、横方向の流れをパッド領域に限定する。はんだバンプが、チップ上のパターニングＵＢＭパッド上でリフローしてボールを形成した後、チップ・キャリア上のはんだ濡れ性の層の対応する実装範囲に、チップを接合する。Ｃ４技術がフリップ・チップ接合と呼ばれるようになったのは、キャリア上にチップ表面を下に向けて配置するからである。他の相互接続方法と比べて、Ｃ４技術は独特な利点を提供する。その利点には、（１）相互接続の距離が短く、信号応答の高速化およびインダクタンスの低下が可能となること、（２）電力および熱の分布が均一化すること、（３）同時スイッチング・ノイズが低減すること、および（４）最大限の合計（highest possible total）入力／出力数で設計の柔軟性が高まること、が含まれる。
１９６０年代の半ば以降、金属マスクを介した蒸着によるＰｂＳｎ Ｃ４相互接続の製造が開発され、改良されている。Ｃ４バンプおよびＢＬＭパッドの双方を、パターニングした金属マスクを介して蒸着させて、信頼性の高い高密度の相互接続構造を形成する。これは、最も初期の低密度すなわち入力／出力数の少ないＩＣデバイスから、２０００年代の高密度すなわち入力／出力の多い製品までの拡張性があることが証明されている。しかしながら、蒸着方法では、更に大きいウエハ・サイズ、より高密度のアレイ、およびＰｂを用いない用途への拡張性は、ほぼ限界に達していると考えられる。
蒸着に代わる方法は、選択的かつ効率的なプロセスである、Ｃ４の電気化学的な製造である。電気化学的なＣ４製造は、例えば、Ｙｕｎｇによる米国特許番号第５，１６２，２５７号のような文献に報告されている。これは、引用により本願にも含まれるものとする。電気化学的に製造したＣ４の製造性および他の集積の問題については、Ｄａｔｔａ等により、Ｊ．ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１４２、３７７９（１９９５年）に記載されている。これは、引用により本願にも含まれるものとする。めっきおよびエッチング・プロセスを用い、更に、洗練されたツールを開発することによって、電気めっきしたはんだの組成および体積を高度に均一化し、一様な寸法のボール制限冶金（ＢＬＭ）を形成し、ＢＬＭエッジ・プロファイルを制御することができる。
米国特許第５，１６２，２５７号 米国特許第５，２４４，１４３号 米国特許第５，７７５，５６９号 米国特許第６，００３，７５７号 米国特許第６，０５６，１９１号 Ｄａｔｔａ等による論文、Ｊ．ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１４２、３７７９（１９９５年）
電気化学的プロセスは、蒸着を用いたＣ４技術よりも、大型のウエハおよび小さいＣ４寸法に適用することができる。フォトレジスト・マスクを介した電着によって、マスク開口内でＵＢＭの上部にのみはんだを生成する。電着は、蒸着とは対照的に、すず含有量の多い無鉛合金および大型の３００ｍｍウエハに適用することができる。
一般的なＣ４構造は、ボール制限冶金（ball limiting metallurgy：以降、「ＢＬＭ」と呼ぶ）から始まる全ての要素から成る。多層ＢＬＭ構造は、一般に、接着層、反応バリア層、および濡れ性の層から成り、デバイスおよび相互接続構造、チップ・キャリア間のはんだバンプ接合を容易にする。ＢＬＭ構造において、異なる金属層を、はんだ合金および互いに対して適合するように選択して、Ｃ４接合における厳しい電気的、機械的要求、および信頼性の要求を満足させるだけでなく、容易な製造を可能とする。
多層ＢＬＭ構造およびＣ４バンプを含む要素の詳細な説明は、以下のように要約される。
（１）ウエハの上面上に堆積される第１の層は、ＢＬＭの接着層であり、下にある基板に対する接着を与える。また、この層は、拡散／反応バリア層として機能して、シリコン・ウエハおよびそのウエハ・プロセス後半部（ＢＥＯＬ：back-end-of-line）の配線層がその上の相互接続構造と相互作用を起こすことを防止する。これは、薄い層であり、一般にポリマ、酸化物、または窒化物材料から成るウエハ・パッシベーション層の表面上に、通常はスパッタリングまたは蒸着によって堆積される。接着層の候補は、少数の例を挙げると、Ｃｒ、ＴｉＷ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｚｒ等であり、厚さは約数百から数千オングストロームである。
（２）ＢＬＭの次の層は、反応バリア（reaction barrier）層であり、溶融はんだによってはんだ付けする（solderable）ことができるが、ゆっくり反応して（限定された反応）、全部が使い果たされることなく、多くのリフロー・サイクル（または再加工サイクル）を可能とする。この層は通常、厚さが約数千オングストロームから数ミクロンである。
（３）ＢＬＭの最後の層は、濡れ性の層であり、容易なはんだ濡れ性（solder wettability）およびはんだとの高速反応を可能とする。典型的な例は銅であり、厚さは通常、２〜３００から数千オングストロームの範囲であり、スパッタリング、無電解または電解めっきにより堆積される。一部の特別なチップ接合用途では、Ｃｕの厚さは数ミクロンの範囲である場合がある。
（４）ＢＬＭ構造の上部に形成されるＣ４バンプについては、少数の例を挙げると、蒸着、めっき、ステンシル印刷、ペースト・スクリーニングおよびはんだ噴射、および溶融はんだ注入を含む多数の製造プロセスが開発されている。
（５）バンプの製造後、はんだバンプをリフローする。リフローは、通常、不活性または還元雰囲気（Ｈ2／Ｎ2）において、ベルト炉または真空炉またはオーブン内で行われる。リフローの間、はんだと反応バリア層との間に、金属間化合物が形成する。これらの化合物は、信頼性の高いはんだ接合部のための良好な機械的完全性を与えるように機能する。
（６）ダイシング、分類および選択動作によって、ウエハをダイシングしてチップにする。高品質のチップ（仕様に合致するもの）を選択して、一列に並べ、適切なフラックスまたは無フラックス（fluxless）接合を用いて、チップ・キャリアにフリップ接合する。
従って、本発明の１つの態様は、無鉛はんだと共に用いるのに適した、無鉛はんだを用いるフリップ・チップ接続のためのＢＬＭ構造を提供することである。
本発明の別の目的は、コンピュータ・チップにおいてソフト・エラーの発生を抑えるフリップ・チップ電気的接続を提供することである。
本発明は、Ｃ４接合における無鉛はんだのための、費用効率の高い、環境面で健全な、信頼性の高いＢＬＭに焦点を当てる。また、本発明は、集積Ｃ４構造を製造するための有効なプロセス、すなわち、ＢＬＭの選択ならびに最終的なＢＬＭ構造を生成するために用いる堆積およびエッチング・プロセスを提供する。
無鉛Ｃ４は通常、主要な成分として、典型的に９０ｗｔ．％よりも多いＳｎを有し、更に１つ以上の合金化元素を有する。反応性の高いＳｎの性質のため、無鉛はんだは、ＢＬＭにおける端子金属および下にある配線層をＳｎ含有量の多いはんだの攻撃から保護するために、より堅固な反応バリア層を必要とする。無鉛はんだとして最も可能性の高い候補は、２〜３重量パーセントの銀、銅、亜鉛、ビスマス、またはアンチモンを有するすず合金である。
鉛の有毒性のため、電子はんだから鉛を排除することが望ましい。また、無鉛はんだの使用により、はんだからのアルファ粒子の放出によって引き起こされる回路のソフト・エラーを抑える手段が提供される。
米国特許番号第５，２４４，１４３号、第５，７７５，５６９号、第６，００３，７５７号、および第６，０５６，１９１号に開示された、電解めっき、蒸着、ペースト・スクリーニング、または射出成形（injection molded）はんだプロセスによって、はんだを生成することができる。
このため、本発明は、超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適切な相互接続構造において、ウエハまたは基板上に堆積するための接着層と、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｖ、およびＮｉから成る群から選択された材料のはんだ反応バリア層と、はんだ濡れ性の層と、を有する３層ボール制限冶金を対象とする。接着層は、Ｃｒ、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、およびＺｒＮから成る群から選択された材料で形成することができる。はんだ濡れ性の層は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＳｎから成る群から選択された材料で形成することができる。相互接続構造は、第３の層にＡｕまたはＳｎが用いられていない場合、ＡｕおよびＳｎから成る群から選択された材料で形成される任意選択的な第４の層を更に有することができる。１実施形態では、接着層がＣｒおよびＴｉＷの１つから成り、反応バリアがＴｉから成り、はんだ濡れ性の層が、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、およびＰｔの１つから成る。
また、本発明は、超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を対象とする。これは、接着および反応バリア層の双方として機能する接着／反応バリア層とはんだ濡れ性の層とを有する２層ボール制限構成物であって、接着／バリア層が超小型電子デバイスとはんだ濡れ性の層との間に配置されるためのものであり、はんだ濡れ性の層がすず含有無鉛はんだの成分と反応する金属で形成され、このため、はんだ濡れ性の層がはんだ付けの間に使い果たされ、接着／反応バリア層が、はんだ付けの間に無鉛はんだと接触して配置された後に残っている、２層ボール制限構成物と、はんだ濡れ性の層の上に選択的に配置された１つ以上の無鉛はんだボールであって、主要成分としてのすずと１つ以上の合金成分とを有する、無鉛はんだボールと、を有する。接着／反応バリア層は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、およびＶから成る群から選択された材料で構成することができる。はんだ濡れ性の層は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびＳｎから成る群から選択された材料で構成することができる。相互接続構造は、第２の層がＡｕまたはＳｎで形成されていない場合、ＡｕまたはＳｎから構成された任意選択的な第３の層を更に有する。好ましくは、無鉛はんだボールが、アルファ粒子放出を実質的に防ぐ材料で構成される。合金成分は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、およびＳｂから成る群から選択される。接着／反応バリア層がＴｉを含み、はんだ付け可能層（solderable layer）が、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、およびＰｔの１つを含むことができる。
また、本発明は、超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を対象とする。これは、接着層と、接着層上の反応バリア層と、はんだ濡れ性の層とを有する３層ボール制限構成物（three-layer ball-limiting composition）であって、接着／反応バリア層が超小型電子デバイスとはんだ濡れ性の層との間にあり、はんだ濡れ性の層が、すず含有無鉛はんだの成分と十分に反応する組成のものであり、反応バリア層が、はんだ接合プロセスにおいてはんだと接触して配置された後にはんだと実質的にほとんど反応しない、３層ボール制限構成物と、はんだ濡れ性の層層の上に選択的に配置された１つ以上の無鉛はんだボールであって、主要成分としてのすずと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂから成る群から選択された１つ以上の合金成分とを有し、これによって、無鉛はんだボールが、アルファ粒子放出およびその結果として引き起こされるソフト論理エラー（soft logic error）を実質的に防ぐ、無鉛はんだボールと、を有する。はんだ濡れ性の層は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、ＰｄＮｉ、ＰｄＣｏ、ＮｉＣｏ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＳｎから成る群から選択された材料で形成される。
本発明は、更に、超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法を対象とする。これは、基板上にボール制限構成物を形成するステップと、ボール制限構成物上にレジスト・パターンを形成するステップと、レジストをエッチ・マスクとして用いることによってボール制限構成物をエッチングするステップと、残ったボール制限構成物からレジストを除去するステップと、ボール制限構成物上にはんだを堆積するステップと、を有する。はんだは、実質的に無鉛とすることができる。ボール制限構成物は、基板上に接着層を堆積し、接着層上に反応バリア層を堆積し、バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積すること、によって形成することができる。反応バリア層が、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｚｒ、ＺｎＮ、Ｖ、およびＮｉから成る群から選択される材料で構成することができる。接着層は、スパッタリング、めっき、または蒸着によって堆積することができ、約１００から約４，０００オングストロームの厚さを有することができる。反応バリア層は、スパッタリング、めっき、または蒸着によって堆積することができ、約１００から約２０，０００オングストロームの厚さを有することができる。はんだ濡れ性の層は、スパッタリング、めっき、または蒸着によって堆積することができ、約１００から約２０，０００オングストロームの厚さを有することができる。
この方法は、はんだ濡れ性の層の上にＡｕまたはＳｎを含む層を堆積するステップを更に有することができる。はんだ濡れ性の層上に堆積した層は、ほぼ１００からほぼ２０，０００オングストローム間の厚さを有し、スパッタリング、電解もしくは無電解めっき、または蒸着の１つによって堆積することができる。ボール制限構成物は、基板上に接着／反応バリア層を堆積し、バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積することによって形成することができる。この方法は、好ましくは、摂氏１５０から２５０度で３０から６０分間、前記ボール制限構成物にアニーリングを行うステップを更に有する。
また、本発明は、超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法を対象とする。これは、チップ・キャリアとして機能するウエハまたは基板上に接着層を堆積するステップと、接着層上にはんだ反応バリア層を堆積するステップと、反応バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積するステップと、はんだ濡れ性の層上に無鉛はんだを堆積するステップと、はんだをリフローしてはんだ濡れ性の層が無鉛はんだ内に拡散するようにするステップと、を有する。はんだ濡れ性の層はＣｕを含み、このＣｕがはんだ内に拡散することができる。無鉛はんだは実質的に純粋なＳｎとすることができ、このため、リフローの間に二元（binary）Ｓｎ−Ｃｕ無鉛はんだが形成される。無鉛はんだは実質的に二元Ｓｎ−Ａｇとすることができ、このため、リフローの間に三元（ternary）Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ無鉛はんだが形成される。拡散によって、はんだ内の元素の数が少なくとも１元素だけ増える。共晶はんだ（eutectic solder）を形成することができる。好ましくは、この方法は、摂氏１５０度〜２５０度で３０分〜６０分間アニーリングを行うステップを更に有する。
また、本発明は、超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法を対象とする。これは、チップ・キャリアとして機能するウエハまたは基板上に接着層を堆積するステップと、接着層上に、はんだ濡れ性のはんだ反応バリア層を堆積するステップと、はんだ濡れ性の層上に無鉛はんだを堆積するステップと、はんだをリフローしてはんだ濡れ性の層が無鉛はんだ内に拡散するようにするステップと、を有する。はんだ濡れ性の層はＣｕを含むことができ、このため、Ｃｕがはんだ内に溶解する。無鉛はんだは実質的に純粋なＳｎとすることができ、このため、リフローの間に二元Ｓｎ−Ｃｕ無鉛はんだが形成される。無鉛はんだは実質的に純粋なＳｎ−Ａｇとすることができ、このため、リフローの間に三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ無鉛はんだが形成される。Ｃｕの溶解によって、はんだ内の元素の数が少なくとも１元素だけ増える。共晶はんだを形成することができる。この方法は、摂氏１５０度〜２５０度で３０分〜６０分間アニーリングを行うステップを更に有することができる。
本発明の好適な実施形態は、基板上のＣｒ接着層と、めっきのためのＣｕシード層と、Ｃｕ層上のＮｉ反応バリア層とを有する３層ＢＬＭ構造である。これは、Ｎｉ層の上にＣｕ層が形成される場合、４層構造とすることができる。上部Ｃｕ層は、無鉛はんだに溶解して二元Ｓｎ−Ｃｕ合金または三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金を形成することができる。追加の元素としてＣｕを取り込む前に、はんだ材料は元来純粋なＳｎおよびＳｎ−Ａｇとしてそれぞれめっきされている。
本発明のこれらおよび他の態様、特徴、および利点は、本発明の以下の詳細な説明を更に考慮し、図面に関連付けて読むと、明らかとなろう。
本発明について記載される変形を、各々の特定の用途に望ましいいずれかの組み合わせで実現することができる。このため、特定の用途に対して特定の利点を有することができる、本明細書中に述べる特定の限定および／または実施形態の改良を、全ての用途に用いる必要はない。また、本発明の１つ以上の概念を含む方法、システム、および／または装置において、全ての限定を実施する必要がないことは認められよう。
図１を参照すると、本発明に従って、超小型電子集積回路（ＩＣ）チップをパッケージに接続するのに適した相互接続構造１０が提供されている。具体的には、本発明は、多くの場合Ｃ４と呼ばれるエリア・アレイまたはフリップ・チップ技術に関する。パッシベーションを行った集積回路（ＩＣ）デバイス１２（例えばシリコン・ウエハ）上に、ＢＬＭ（アンダー・バンプ冶金（under bump metallurgy：ＵＢＭ）とも呼ばれる）１１を堆積する。ＢＬＭ１１の第１の層は、接着／拡散バリア層１４であり、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、およびそれらの合金（または化合物）から成る群から選択された金属または化合物とし、厚さは約１００から４，０００オングストロームとし、蒸着、スパッタリング、電気めっき、またはその他の既知の技法により堆積することができる。続けて、接着層の上に、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｗ、Ｖ、Ｎｉ、およびそれらの合金（または化合物）から成る群から選択した金属または化合物のはんだ反応バリア層１６を、例えばスパッタリング、めっき、または蒸着によって、厚さ約５００から２５，０００オングストロームに堆積することができる。上層１８は、はんだ付け可能層であり、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｓｎ、およびそれらの合金の群から選択された金属から成り、例えばスパッタリング、めっき、または蒸着により、厚さ約５００から１０，０００オングストロームに形成する。いくつかの特別な用途では、Ｃｕを濡れ性の層として用いる場合、１〜６ミクロンの範囲の厚いＣｕ層を用いて、Ｐｂを用いないはんだによって合金化元素を形成することができる。第３の層においてＡｕおよびＳｎがすでに用いられない場合、ある条件のもとで、層１８の上に、金またはＳｎの薄い層等の任意選択的な第４の層３８を堆積して、酸化または腐食に対する保護層として機能させることができる。記載した層構造では、選択した元素が前の層においてすでに用いられている場合、繰り返しを避けるため、次の層ではこれを用いない。次いで、図１に示すように、はんだ４０を適用する。
Ｃ４構造１０は、無鉛はんだボール２０によって完成させることができる。はんだボール２０は、主要成分としてすずを含むと共に、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｉｎ、およびＳｂから選択された１つ以上の合金化元素を含む。
実施例１ ３層ＵＢＭ
本発明によれば、好適な接着層１４はＣｒ、ＴｉＷ、またはＴｉであり、好ましくはスパッタリングまたは蒸着のいずれかを行い、厚さは約１００から３，０００オングストロームであると好ましい。接着層１４の厚さは、良好な接着および良好なバリア特性が維持される限り、大きく異なるものとすることも可能である。パターニングしたＢＬＭ構造１１を形成する際の最終ステップとして、ブランケットＴｉＷを堆積し、続けてエッチングする場合は、膜の厚さを最小限に抑え、適切な性能と両立させなければならない。代替的な接着層は、厚さが約１００から３，０００オングストロームのＣｒまたはＴｉである。
第２の層１６は、はんだ反応バリア層であり、典型的に厚さは２〜３０００オングストロームから２ミクロンであり、スパッタリング、蒸着、またはメッキにより堆積する。すず含有量の多いＰｂフリーのはんだは、Ｐｂを多く含むＰｂＳｎはんだ合金よりもはるかに反応性が高いため、Ｐｂを多く含むはんだにおいて広く用いられるＣｕは、銅とすず含有量の多いはんだとの間の界面で厚いすず−銅金属間化合物を形成し、薄膜Ｃ４構造において２〜３回のみのリフロー・サイクルで全て使い果たされるので、構造の完全性が損なわれることが示されている。このため、無鉛Ｃ４におけるＢＬＭのはんだ反応バリア層としては、銅以外の金属を用いなければならない。
本発明によれば、適切なはんだ反応バリア層は、チタン、窒化チタン、タンタル、窒化タンタル、ジルコニウム、窒化ジルコニウム、バナジウム、またはＮｉで形成可能であるが、Ｔｉが好適な材料であることがわかっている。また、Ｔｉがデバイスのパッシベーション層に良好に接着する場合、Ｔｉを用いることによって、接着および反応バリア層を１つの層にまとめることができる。
第３の層１８は、はんだ濡れ性の層である。層１８は、リフロー接合の間、溶融はんだに容易に濡らされ、全て溶融はんだに溶解する可能性がある。このため、反応バリア層との金属間化合物の形成によって、ＢＬＭパッドとの信頼性の高い冶金接合を形成することができる。濡れ性の層は、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＣＯ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｕ、およびそれらの合金から成る群から選択された金属である。銅およびパラジウムは双方とも、すず含有量の多い合金と極めて迅速に反応し、適切な反応バリア層を提供しない。しかしながら、これらの金属は全て、はんだと反応し、良好に濡れるので、Ｃ４はんだを濡らして接合するための上層として機能する。
追加の利点では、はんだのための合金化元素として、はんだに溶解するＣｕを用いることができる。例えば、Ｃｕが純粋なＳｎはんだに溶解すると、これは二元Ｓｎ−Ｃｕ共晶合金を形成する。二元ＳｎＡｇ合金に溶解すると、これは三元共晶Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを形成する。Ｓｎ−ＣｕおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕは双方とも、超小型電子アセンブリのためのＰｂフリーはんだの候補として有力である。はんだにおける追加の合金化元素としてＣｕを溶解させ取り込むと、特にめっきプロセスが単純化することが示されている。極めて複雑であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの三元合金のめっきを行う代わりに、もっと単純な二元ＳｎＡｇ合金のめっきを行い、第３の元素であるＣｕはＢＬＭパッドから得ることができる。同じ手法を、極めて単純な純粋Ｓｎのめっきに適用し、続けて純粋なＳｎをＢＬＭパッドから得られるＣｕと反応させて、単純な二元合金を形成する。これは、二元Ｓｎ−Ｃｕ合金のめっきよりもはるかに単純である。多成分のはんだ合金をめっきする間、溶液の化学的性質およびはんだ組成の精密な制御を維持することは極めて複雑であるが、この手法を用いてこの複雑さを回避することができる。プロセスのリフロー部分の間、Ｃｕは本質的に液体のはんだ内に急速に拡散し、このため、はんだボールの組成は比較的均一であることが保証されることに留意すべきである。
はんだ濡れ性の層がはんだボール内に拡散する様子を、本発明の第１の実施形態のための図２、および本発明の第２の実施形態のための図１２に示す。
はんだ付け可能層は、他のＢＬＭ層を堆積するために用いるものと同じ手順を用いて、スパッタリング、蒸着、またはめっきすることができる。続けて、図１に示す完成した構造にＢＬＭ１１を形成するため、ブランケット膜をパターニングしなければならない。
実施例２ ４層ＵＢＭ
この例では、第１の層は、ＣｒまたはＴｉＷであると好ましい。第２の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、またはそれらの合金（または化合物）であると好ましい。第３の層は、好ましくは、Ｃｕ、ＣＯ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、またはそれらの合金である。第４の層は、ＡｕまたはＳｎとすることができる。
実施例３ 単純な２層ＵＢＭ
この例では、第１の層は、好ましくはＴｉであり、接着層および反応バリア層の双方として機能する。第２の層は、Ｃｕ、ＣＯ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、またはそれらの合金から成る群から選択される。
３つの構造の全てにおいて、リフロー接合の間にはんだ合金と反応（reaction）させ、溶解（dissolution）し、取り込ん（incorporation）で、バンプ材料としてそれぞれ純粋ＳｎまたはＳｎ−Ａｇのめっきを単に必要とすることによりＳｎ−ＣｕまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金を形成するために、Ｃｕが好適な層である。
ＵＢＭ上で用いられるはんだ合金の溶融特性は、Ｃ４用途の要件と一致していなければならない。この制約により、好適な合金は、すず−銀共晶（重量で２．０〜３．８％の銀を含む）、すず−銅、すず−ビスマス、すず−銀−銅三元共晶、およびすず−アンチモン合金に近い組成を有するものに限定される。すず−銀共晶は、摂氏２２１度の融点を有し、この用途に適している。すず含有量の多いすず−銅合金は２２７度で溶融し、すず−ビスマス合金も適切な範囲で溶融する。しかしながら、Ｓｎ−Ｂｉ相の図では、重量で約２０％のビスマス濃度を有する合金が、リフローの際に、すず含有量の多い相およびすず−ビスマス共晶に分離することが示されている。この理由のため、好適な実施形態では、ビスマス含有量が重量で約１０％未満のすず−ビスマスはんだを採用する。また、アンチモンの含有量が重量で約５％未満のすず−アンチモン合金も、Ｃ４用途に適した融点範囲を有する。
はんだのための好適な堆積方法は、電着（合金の直接的な電着または合金成分の順次堆積）、ステンシル印刷、または射出成形はんだプロセス、またはペースト・スクリーニングによるものである。
図３から６は、図１の構造を生成する際のステップを示す。図３において、先に説明したように、ウエハまたは基板１２の上に、層１４、１６、および１８を含む図１のＢＬＭ１１が生成されている。適切なフォトレジスト・パターン２４によって、ウエハの上にＣ４パターンを画定し、その厚さは、少なくとも堆積するはんだの厚さと同じとする。
図４を参照すると、レジスト開口内に無鉛はんだ２６が堆積されている。その方法は、少数の例を挙げれば、めっき、ペースト・スクリーニング、ステンシル印刷、または溶融はんだ注入である。合金を直接めっきすることに代わる方法としては、はんだ成分を順次電解めっきし、その後のリフローの際に混合する。
図５を参照すると、従来のレジスト剥離プロセスによって、レジスト２４が除去されている。図６を参照すると、選択的な電気エッチング、またはウエット化学エッチング、ドライ・エッチング、またはそれらの技法の組み合わせによって、はんだ２６の下の領域以外のＢＬＭ１１の層１４、１６、および１８が除去されている。また、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）またはイオン・ミリング（ion-milling）によってＴｉＷまたはＣｒ層１４を除去することも可能である。
次いで、適切な雰囲気内で、はんだをリフローして、図１に示すようなはんだボールを形成する。
次いで、ウエハ１２をダイシングし、分類し、選択して、適切なフラックスを用いて、または無フラックス接合により、高品質のチップをセラミックまたは有機チップ・キャリアに接合する。
図７から１０は、図１の構造を形成するための代替的なプロセスを示す。図７において、ブランケットＢＬＭ１１の上にフォトレジスト・パターン２４が堆積されている。図８は、フォトレジスト２４の下で被覆されていないＢＬＭ１１の層をエッチングすることを示す。フォトレジスト・パターン２４をエッチ・マスクとして用いて、ＢＬＭをパターニングする。図９では、パターニングしたＢＬＭ層からフォトレジスト・パターン２４が剥離されている。図１０では、ペースト・スクリーニング、溶融はんだ注入、ステンシル印刷、無電解および電解めっき等によって、ＢＬＭ１１上にはんだバンプが選択的に堆積されている。
次いで、適切な雰囲気内で、はんだバンプ２６をリフローする。
次いで、ウエハをダイシングし、分類し、選択する。高品質のチップを選択し、適切なフラックスまたは無フラックス接合のいずれかにより、チップ・キャリアに接合する。
図１１は、本発明によるＣ４構造の第２の実施形態の断面図である。ＢＬＭ３０は、酸化物、窒化物、またはポリイミドのパッシベーション３２を有する基板またはウエハ上に堆積するのに適した２層構造である。第１の層３４は、パッシベーションを行ったウエハまたは基板の表面上に堆積され、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｖまたはそれらの合金とすることができる。次の層３６は、はんだ付け可能層として機能し、層３４の上に堆積され、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｎの群から選択することができる。層３６は、第１の層のためにすでに選択されたもの以外の材料としなければならない。層３６の上に、金またはＳｎの薄い層等の任意選択的な第３の層３８を堆積して、酸化保護層として機能させることができる。図１に示すように、次いではんだ４０を適用する。
先に注記したように、任意選択的な層３８を適用せず、図４の上層が例えばＣｕである場合、はんだ濡れ性の層がはんだボール４０に溶解する様子を図１２に示す。
図１１に示す実施形態は、図３から６または図７から１０に示す方法のいずれか１つを用いて形成することができる。
実施例４ ２層ＵＢＭ
第１の層は、好ましくはＴｉまたはその合金であり、Ｔｉが接着および反応バリア材料の双方として機能する。この層の上の第２の層は、Ｃｕ、ＣＯ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｎ、およびＰｔから成る群から選択される。
実施例５ ３層ＢＬＭ構造
３層ＢＬＭ構造は、基板上に堆積したＣｒ接着層、Ｃｒ層上のＮｉ反応バリア層、およびＣｒ層上に堆積しためっき用のＣｕシード層を含む。Ｃｕ層上に、ＳｎまたはＳｎＡｇ合金の無鉛はんだを堆積する。リフローを行うと、上述のように、Ｃｕ層は、結果として生じるはんだボールに溶解して、はんだと合金を形成する。はんだは、好ましくは無鉛であり、Ｃｕがはんだに溶解し元のはんだがそれぞれ純粋なＳｎおよび二元Ｓｎ−Ａｇである場合に、二元Ｓｎ−Ｃｕ合金または三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金が形成される。
実施例６
４層構造は、基板上に堆積するためのＣｒ接着層、Ｃｒ層上のＣｕ層、Ｃｕ層上のＮｉ反応バリア層、Ｎｉ層の上部のＣｕ層を含む。めっきした純粋Ｓｎまたは二元Ｓｎ−Ａｇはんだのリフローの際、Ｃｕの上層が無鉛はんだに溶解して、二元Ｓｎ−Ｃｕ合金または三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金をそれぞれ形成する。
本発明のＢＬＭ冶金は、更に、ＢＬＭパターニングの後に３０から６０分間、摂氏１５０から２５０度でアニーリングを行うことによって、堅固さを向上させることができる。
このように、本発明の現在好適な実施形態に適用した、本発明の基本的な新規の特徴を示し、説明し、指摘したが、本発明の精神から逸脱することなく、例示した方法および製品の形態および詳細において、更にそれらの動作において、様々な省略、置換、および変更を当業者によって行い得ることは理解されよう。更に、図面は、必ずしも一律の縮尺通りでないことは理解されよう。従って、本明細書に添付した特許請求の範囲およびその均等物によって示されるようにのみ限定されるよう意図するものである。
前述の事項は、本発明のいっそう関連のある目的および実施形態の一部を略述したことに留意すべきである。本発明の概念は、多くの用途のために使用可能である。このため、特定の構成および方法について説明を行っているが、本発明の意図および概念は、他の構成および用途に対しても適切であり適用可能である。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、開示した実施形態に対する他の変更を行い得ることは、当業者には明らかであろう。記載した実施形態は、本発明の更に顕著な特徴および用途の一部を例示するに過ぎないものとして解釈すべきである。開示した本発明を異なる方法で適用することによって、または、本発明を当業者に既知の方法で変形することによって、他の有用な結果を実現することができる。このため、実施形態は、限定としてでなく１例として提供したことは理解されよう。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって画定される。
本発明に従ったＣ４構造の第１の実施形態の断面図である。 はんだリフローの後の図１の実施形態の断面図である。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第１の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第１の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第１の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第１の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第２の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第２の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第２の方法によるステップを示す。 本発明に従ってＣ４構造を形成するための第２の方法によるステップを示す。 本発明に従ったＣ４構造の第２の実施形態の断面図である。 はんだリフローの後の図１１の実施形態の断面図である。
符号の説明
１０：相互接続構造
１１：ボール制限冶金（ＢＬＭ）
１２：集積回路（ＩＣ）デバイス
１４：接着／拡散バリア層
１６：はんだ反応バリア層
１８：上層
２０：無鉛はんだボール
３８：第４の層

Claims (30)

  1. 超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造において、３層ボール制限冶金であって、
    ウエハまたは基板上に堆積するための接着層と、
    Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、Ｖ、およびＮｉから成る群から選択された材料のはんだ反応バリア層と、
    はんだ濡れ性の層と、
    を有することを特徴とする、３層ボール制限冶金。
  2. 前記接着層が、Ｃｒ、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ、およびＺｒＮから成る群から選択された材料で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の相互接続構造。
  3. 前記はんだ濡れ性の層が、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、およびＳｎから成る群から選択された材料で形成されることを特徴とする、請求項１に記載の相互接続構造。
  4. 前記第３の層にＡｕまたはＳｎが用いられていない場合、ＡｕおよびＳｎから成る群から選択された材料で形成される任意選択的な第４の層を更に有することを特徴とする、請求項１に記載の相互接続構造。
  5. 前記接着層がＣｒおよびＴｉＷの１つから成り、前記反応バリアがＴｉから成り、前記はんだ濡れ性の層が、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、およびＰｔの１つから成ることを特徴とする、請求項１に記載の相互接続構造。
  6. 超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造であって、
    接着および反応バリア層の双方として機能する接着／反応バリア層とはんだ濡れ性の層とを有する２層ボール制限構成物であって、前記接着／バリア層が超小型電子デバイスと前記はんだ濡れ性の層との間に配置されるためのものであり、前記はんだ濡れ性の層がすず含有無鉛はんだの成分と反応する金属で形成され、このため、前記はんだ濡れ性の層がはんだ付けの間に使い果たされ、前記接着／反応バリア層が、はんだ付けの間に前記無鉛はんだと接触して配置された後に残っている、２層ボール制限構成物と、
    前記はんだ濡れ性の層の上に選択的に配置された１つ以上の無鉛はんだボールであって、主要成分としてのすずと１つ以上の合金成分とを有する、無鉛はんだボールと、
    を有することを特徴とする、相互接続構造。
  7. 前記接着／反応バリア層が、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｚｒ、ＺｒＮ、およびＶから成る群から選択された材料で構成されることを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  8. 前記はんだ濡れ性の層が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、およびＳｎから成る群から選択された材料で構成されることを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  9. 前記第２の層がＡｕまたはＳｎで形成されていない場合、ＡｕまたはＳｎから構成された任意選択的な第３の層を更に有することを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  10. 前記無鉛はんだボールが、アルファ粒子放出を実質的に防ぐ材料で構成されることを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  11. 前記合金成分が、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、およびＳｂから成る群から選択されることを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  12. 接着／反応バリア層がＴｉを含み、前記はんだ付け可能層が、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、およびＰｔの１つを含むことを特徴とする、請求項６に記載の相互接続構造。
  13. 超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造であって、
    接着層と、前記接着層上の反応バリア層と、はんだ濡れ性の層とを有する３層ボール制限構成物であって、前記接着／反応バリア層が超小型電子デバイスと前記はんだ濡れ性の層との間にあり、前記はんだ濡れ性の層が、すず含有無鉛はんだの成分と十分に反応する組成のものであり、前記反応バリア層が、はんだ接合プロセスにおいてはんだと接触して配置された後にはんだと実質的にほとんど反応しない、３層ボール制限構成物と、
    前記はんだ濡れ性の層の上に選択的に配置された１つ以上の無鉛はんだボールであって、主要成分としてのすずと、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂから成る群から選択された１つ以上の合金成分とを有し、これによって、前記無鉛はんだボールが、アルファ粒子放出およびその結果として引き起こされるソフト論理エラーを実質的に防ぐ、無鉛はんだボールと、
    を有することを特徴とする、相互接続構造。
  14. 超小型電子デバイス・チップをパッケージにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法であって、
    基板上にボール制限構成物を形成するステップと、
    前記ボール制限構成物上にレジスト・パターンを形成するステップと、
    前記レジストをエッチ・マスクとして用いることによって前記ボール制限構成物をエッチングするステップと、
    残ったボール制限構成物から前記レジストを除去するステップと、
    前記ボール制限構成物上にはんだを堆積するステップと、
    を有することを特徴とする、方法。
  15. 前記はんだが実質的に無鉛であることを特徴とする、請求項１4に記載の方法。
  16. 前記ボール制限構成物が、
    前記基板上に接着層を堆積し、
    前記接着層上に反応バリア層を堆積し、
    前記バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積すること、
    によって形成されることを特徴とする、請求項１4に記載の方法。
  17. 前記接着層が、スパッタリング、めっき、または蒸着によって堆積されることを特徴とする、請求項１6に記載の方法。
  18. 前記ボール制限構成物が、
    前記基板上に接着／反応バリア層を堆積し、
    前記バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積すること、
    によって形成されることを特徴とする、請求項１4に記載の方法。
  19. 摂氏１５０から２５０度で３０から６０分間、前記ボール制限構成物にアニーリングを行うステップを更に有することを特徴とする、請求項１4に記載の方法。
  20. 超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法であって、
    前記チップ・キャリアとして機能するウエハまたは基板上に接着層を堆積するステップと、
    前記接着層上にはんだ反応バリア層を堆積するステップと、
    前記反応バリア層上にはんだ濡れ性の層を堆積するステップと、
    前記はんだ濡れ性の層上に無鉛はんだを堆積するステップと、
    前記はんだをリフローして前記はんだ濡れ性の層が前記無鉛はんだ内に拡散するようにするステップと、
    を有することを特徴とする、方法。
  21. 前記はんだ濡れ性の層がＣｕを含み、前記Ｃｕが前記はんだ内に拡散することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記無鉛はんだが実質的に純粋なＳｎであり、リフローの間に二元Ｓｎ−Ｃｕ無鉛はんだが形成されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記無鉛はんだが実質的に二元Ｓｎ−Ａｇであり、リフローの間に三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ無鉛はんだが形成されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
  24. 共晶はんだが形成されることを特徴とする、請求項３３に記載の方法。
  25. 前記拡散によって、前記はんだ内の元素の数が少なくとも１元素だけ増えることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
  26. 摂氏１５０度〜２５０度で３０分〜６０分間アニーリングを行うステップを更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
  27. 超小型電子デバイス・チップをチップ・キャリアにフリップ・チップ接続するのに適した相互接続構造を形成するための方法であって、
    前記チップ・キャリアとして機能するウエハまたは基板上に接着層を堆積するステップと、
    前記接着層上に、はんだ濡れ性のはんだ反応バリア層を堆積するステップと、
    前記はんだ濡れ性の層上に無鉛はんだを堆積するステップと、
    前記はんだをリフローして前記はんだ濡れ性の層が前記無鉛はんだ内に拡散するようにするステップと、
    を有することを特徴とする、方法。
  28. 基板上に配置するためのＣｒ接着層と、Ｃｕシード層と、前記Ｃｕ層上のＮｉ反応バリア層とを有することを特徴とする、３層ボール制限構造。
  29. 無鉛はんだ構成物であって、はんだのリフローの間に前記Ｎｉ層が前記はんだと反応する無鉛はんだ構成物を更に有することを特徴とする、請求項２８に記載の構造。
  30. 基板上に堆積するためのＣｒ接着層と、前記Ｃｒ層上のＣｕ層と、前記Ｃｕ層上のＮｉ反応バリア層と、前記Ｎｉ層上のＣｕの層とを有し、前記Ｃｕの層が無鉛はんだに溶解して、めっきした純粋Ｓｎまたは二元Ｓｎ−Ａｇはんだから二元Ｓｎ−Ｃｕ合金または三元Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金を形成することを特徴とする、３層ボール制限構造。
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