[发明专利]具有减少的界面空洞的用于铜金属化的焊接点

说明书

技术领域

本发明大体上涉及半导体装置领域，且更具体地说，涉及一种控制焊料互连中的金属相互扩散和界面空洞以改进装置可靠性的结构和方法。

背景技术

当使用回流材料(例如，焊料)将半导体芯片上的集成电路互连到衬底上的外部电路时，待组装的部件必须经历高于回流材料的熔化温度的至少一个温度升高，随后为冷却循环。在完成此过程后，完成的组合件常必须经受退火步骤，其通常由持续延长的时期的重复的温度摆动组成。最终，经组装的部件必须频繁经测试，以在重复暴露于故障加速条件(例如，极端温度剧增和/或提高的湿度)后确定其可靠机能。

从20世纪60年代末回流组装的部件的早期发展(由IBM带头)开始研究的故障机构最主要是应力引发的接点疲劳、蠕变和断裂。类似地，应力起始的故障已成为对使用回流材料(例如，焊料)组装在外部部件上的完整的装置封装的研究关注的焦点。这些年来，相对不关注由金属间效应(例如，金属相互扩散、化合物形成和晶格失配)引起的组合件接点中的逐渐变化。这些变化对于某些金属来说尤其显著，如最近的实验结果已清楚展示；所述变化是由金属相互扩散引起的，且导致不可逆的金属间变化。所述变化可能导致回流组装部件的可靠性明显降低。

自从引入铜作为集成电路中的互连金属化以来，已发现直接与焊料接触的铜衬垫展现出影响焊接点的可靠性的弱点。尤其是例如Kirkendall空洞的界面空洞的快速形成在热老化期间弱化了焊料界面。较中意的解决方案是实施镍层作为铜与焊料之间的扩散障壁，以限制焊料反应。

然而，常用于沉积镍的无电工艺引入其自身的问题：在沉浸镀金期间由无电镀镍的电化腐蚀引起黑衬垫。目前为止所提议的作为替代物的铜表面抛光消失于铜/焊料的直接接触中。作为实例，有机表面保护膜将回流焊接(solder reflow)所需的高温下蒸发；薄金层将溶解到熔化的焊料中；薄锡层也将溶解到熔化的焊料中；类似地，原始薄焊料膜将溶解。

发明内容

申请人意识到需要一种简单的解决方案来改进铜/焊料的直接接触的可靠性。已进行细致的调查来研究在升温或反复的温度循环(常称作“老化”)的长期影响下铜与焊料之间的界面。这一调查确定了在什么条件下，老化后大量空洞形成在焊料与铜之间的界面处从而大大降低金属间接点的界面强度。

当两种或两种以上金属相互扩散时，产生金属间化合物(IMC)。当一种金属(例如，铜)扩散进入第二种金属(例如，焊料)的速度快于第二种金属扩散进入第一种金属的速度从而在第一种金属中留下空缺时，出现空洞。如果足够量的第一种金属扩散进入第二种金属，那么可导致空洞。对于铜和焊料的情况，扩散不均等性也随焊料中所使用的金属而变化。对于半导体装置来说，不均等性是在重复的温度循环、高温存储(即，在＞100℃的温度下)和＞100℃的装置工作温度的条件下逐步形成的。

由申请人执行的实验结果指示，一种物质进入另一种物质的扩散速率由金属的晶粒结构控制。由于金属原子沿着晶粒边界的较低自由能状态的缘故，金属原子沿着晶粒边界比其穿过材料的晶体更快地迁移。因此，晶粒边界将就绪的原子源供应给IMC，从而导致沿着晶粒边界的耗尽。由于晶粒边界与暴露的晶面相比将更多百分比的原子供应给IMC，所以可通过调节扩散的金属物质的晶粒结构来控制IMC的形成速率。

申请人的调查表明，通过增加铜层的晶粒尺寸，可减缓铜扩散的速率，因此减缓空洞的形成。常通过将铜镀敷在薄晶种层上(例如，聚合物膜上)来形成铜层。由于近乎外延地镀敷铜，所以必须(例如)通过在镀敷步骤之前通过烘焙或通过激光加热进行退火来增加晶种层的晶粒尺寸。

本发明的一个实施例是一种包括接合衬垫的金属互连结构，所述接合衬垫具有铜，所述铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展1μm以上的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主结晶方向上扩展1μm以下的晶粒组成。锡合金主体与所述接合衬垫接触。

本发明的另一实施例是一种半导体装置，其包括具有第一和第二表面的衬底(优选为聚合物带)。第一表面具有接合衬垫，所述接合衬垫包括铜；所述铜的至少70体积百分比由在晶粒主方向上扩展至少1μm的晶粒组成，且30或少于30体积百分比由在晶粒主方向上扩展1μm以下的晶粒组成。半导体芯片组装在第一衬底表面上。在第二衬底表面上的锡合金主体与接合衬垫接触。