[发明专利]互连结构及其形成方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子集成电路(IC)器件到封装的互连，具体地涉及常称为C4(控制塌陷芯片连接(controlled collapse chipconnection))的区域阵列倒装芯片互连技术。由于使用无铅的焊料合金和环保的制造工序，本发明还涉及环保的互连方案。此外，本发明涉及这样的互连方案，该互连方案通过除去与微电子电路接触的焊料中的α粒子源来消除芯片上电路中的软错误源。

背景技术

在半导体芯片的封装中，多层次的互连是必要的。在芯片和衬底(或者芯片载体)之间的互连级别上，广泛地使用三种不同的互连技术：载带自动键合(TAB)、引线键合和区域阵列倒装芯片互连。

凸焊点(solder bump)区域阵列互连方案常常称为倒装芯片焊料连接或C4，集成电路器件(IC)到芯片载体的朝下焊接。与引线键合不同，为了最高可能的输入/输出(I/O)计数，区域阵列凸焊点结构允许芯片的整个表面被C4凸点覆盖，从而满足对IC技术的电功能性和可靠性的日益增加的需求，这是引线键合或TAB不能实现的，引线键合或TAB将互连限制到芯片外围。更具体地说，C4技术使用沉积在称为焊球受限冶金(BLM)(也称为凸点下冶金(UBM))的图形化的焊料可湿性层状结构上的凸焊点。焊球受限冶金(下文称为“BLM)限定端子金属垫在制程前端(front-end-of-line)和制程后端(back-end-of-line)(FEOL和BEOL)引线层的顶面上，该引线层制造在这样的芯片上，该芯片是可以被焊料弄湿的，并且还限制远离端子垫区域的熔融焊料的横向流动。在芯片上的图形化的UBM垫上制造凸焊点以形成焊球之后，将芯片连接到芯片载体上的焊料可湿性垫的匹配覆盖区。芯片在载体上的朝下放置导致C4技术称为倒装芯片连接。与其它互连方法相比较，C4技术提供明显的优点，包括下述优点：1)较短的互连距离，从而允许更快的信号响应并减少感应耦合和串扰；2)更均匀的功率和热分布；3)降低的同步开关噪声；以及4)在最高可能的总输入/输出计数的同时具有更大的设计灵活性。

自从二十世纪六十年代以来，IBM开发并完成了通过金属掩模蒸发来制造Pb-Sn C4互连。通过图形化的金属掩模来蒸发C4凸点和BLM垫，以形成高度可靠的、高密度的互连结构，这证明由最早的低密度的、低输入/输出计数较小IC器件可以扩展成二十一世纪的高密度的、高输入/输出计数IC产品。然而，普遍认为，对扩展到较大的晶片尺寸、更密的阵列和无铅应用的限制几乎通过蒸发方法来实现。

可替代蒸发的其它方法是电镀、焊膏丝网印刷、焊料喷射以及更近来的C4NP，该C4NP代表C4“新工序”，这里仅举几个例子。C4的电化学镀敷制造是选择性的有效的工序，这在(例如)Yung的美国专利No.5,162,257文献中有所报道，该专利以引用方式并入本文中。Datta等人在J.Electrochem.Soc.142，3779(1995)中描述了电化学制造的C4的制造性和其它集成问题，该文献以引用的方式并入文本中。使用电镀和蚀刻工序，通过开发精细的工具，有可能得到成分和体积高度均匀的电镀焊料、均匀尺寸的焊球受限冶金(BLM)以及受控的BLM边缘分布。

电化学工序比蒸发的C4技术更加容易扩展到较大的晶片和更精细的C4尺寸。通过光致蚀刻剂掩模的电沉积仅仅在掩模开口处以及在UBM的顶面上产生焊料。与蒸发不同的是，电沉积可以扩展到高锡含量的无铅合金和300mm的大晶片。

C4NP制造的C4凸焊点在Gruber等人的美国专利No.6,231,333文献中有所描述，该专利以引用方式并入本文中。在Gruber等人的IBM J.RES&DEV.49，4/5(2005)中也描述了C4NP制造的C4的制造和其它集成问题，该文献以引用的方式并入本文中。该技术有效地使用体型焊料，该体型焊料容易结合三元和四元多组分含铅和不含铅的焊料合金，该焊料合金具有被精确地控制的焊料组合物和低α粒子控制以进行环保的晶片凸起，从而实现既高密度又低成本的应用。这样可以得到高度的尺寸和体积均匀性，并且可以扩展到300mm的大晶片。

一般的C4结构由以焊球受限冶金(下文称为“BLM”)开始的所有元件构成。多层BLM结构通常包括粘合层、反应阻挡层和可润湿层，以促进形成连接在IC器件和互连结构、芯片载体之间的凸焊点。选择BLM结构中的不同金属层，以使它们相互可以相容并且可以与焊料合金相容，从而不仅满足C4连接中的严格的电性、机械和可靠性要求，而且也可以容易地制造。