[发明专利]用于减缓金属间化合物成长的方法

说明书

技术领域

本发明是有关于一种用于减缓金属间化合物成长的方法，特别是一种用于减缓焊锡与金属垫层形成金属间化合物的方法。此外，本发明还有关于一种覆晶接合的结构。

背景技术

半导体技术及封装的发展趋势是密度越来越高，且接点(interconnects)越来越小，目前覆晶焊锡接点的尺寸(直径)约为100微米(μm)。现有的覆晶焊锡接点，参照图1、图2A、图2B，是在一硅(Si)板(11)镀上一厚度5微米的铜(Cu)金属垫层(12)；之后在该铜金属垫层(12)镀上一厚度3微米的镍(Ni)金属层(13)；及在该镍金属层镀上厚度约70至100微米的焊锡(14)，形成一含有微焊锡接点的半导体芯片元件(1)；接着进行覆晶(Flip-Chip)程序，将该元件(1)与硅板(21)上镀有铜金属垫层(22)、镍金属层(23)的元件(2)接合。通常对于很小的接点而言，例如3D IC中的微焊锡接点(microbumps)(参照图2B)，接点的总厚度(bump height)约为20微米，而焊锡厚度仅有约数微米至10微米，上下端的铜或镍金属垫层(under-bump-metallization，UBM)总厚度各约8微米。当接点工艺完成或是经过10次回焊测试后，或是在使用一段时间后，焊锡接点将会全部转换成诸如Cu-Sn、Ni-Sn或是Cu-Ni-Sn之类的金属间化合物接点，已发现这类金属间化合物性质较脆，因此会严重影响焊锡接点的机械性质，例如元件若用于可携式产品，当掉落或撞击到后，接点有可能会断裂。近年，改善上述问题的解决方式是在微焊锡接点(microbumps)再镀上一层镍作为扩散阻止层，但是这种方式的成本较高，且由于镍的应力较大，对接点的机械性质也有负面的影响。

焊锡是封装领域最常用的焊料，早期封装从业人员是以共晶锡铅焊锡与铜或镍金属在熔融状态下(例如温度约220℃)进行接合。然而，共晶锡铅焊锡会与铜发生反应，而生成如Cu₃Sn及/或Cu₆Sn₅之类的金属间化合物。由于含铅材料有害环境，因此随着环保意识的重视，此类共晶铅焊锡材料已被禁止用作覆晶接点的焊料，进而以无铅焊锡取代。

目前较常使用的无铅焊锡，例如锡银、锡银铜等等，它们的熔点通常比现有的共晶锡铅焊锡的熔点高约50℃，也就是说，使用无铅焊锡需要在约250℃至260℃的更高温度下进行接合。但是，大部分的无铅焊锡与铜镍的反应更快，会形成更厚的例如Cu-Sn化合物。虽然焊锡本身的机械性质较好，能够吸收整个结构体的应力，但是反应所产生的Cu-Sn化合物的机械性质比较差(例如较脆)，因此，若是形成较厚的Cu-Sn化合物，当整个结构体受到应力时，容易从Cu-Sn化合物脆断而破坏整个结构体。

铜及锡的反应很快，甚至在室温下就会反应，现有技术并没有办法减缓或控制如Cu₆Sn₅之类的金属间化合物的形成。一般，在尺寸较大的焊锡接点，如覆晶焊锡接点，生成金属间化合物会形成接点，并不会影响接点的机械性质，但是对于很小的接点而言，例如3D IC工艺中的微焊锡接点(microbumps)，焊锡体积仅约为覆晶焊锡接点的一百分之一而已，当接点工艺完成或是经过多次(例如10次)回焊测试后，或是在使用一段时间后，焊锡接点将会全部转换成Cu-Sn金属间化合物接点，由于此金属间化合物性质较脆，因此会严重影响到接点的机械性质。

目前的解决方式，通常在微焊锡接点再镀上一层镍作为扩散阻止层，但是这种方式的成本较高，且由于镍的应力较大，对接点的机械性质有负面的影响。

另一种现有技术，是利用溅射(sputtering)的方法共溅射铜与镍，但这种方法并没有办法镀上厚的膜，成本更高，此外，因为无铅焊锡与铜及镍的反应速率比含铅焊锡快很多，这种方法也无法适用于无铅焊锡。

现有技术中，如美国专利US6,716,738B2(公告日期：2004年4月6日)公开【通过电镀制造覆晶相互接的多层UBM的方法(Method of fabricating multilayered UBM for flip chip interconnections by electroplating)】，此专利是通过调整电镀得到的金属层，变成Cu-Ni金属层来控制镀得的金属层的应力与金属层的成分，其利用镍作为反应阻止层，以减缓铜、镍与焊锡反应形成的化合物厚度。这种利用阻止层的缺点在于同时镀铜与镍金属层，工艺复杂且成分不易控制，及金属层的应力也不容易控制，因此稳定性不好，会影响产品合格率，此外，铜也会跟焊锡反应。