JP2004048012A - 細かいピッチの、高アスペクト比を有するチップ配線用構造体及び相互接続方法 - Google Patents

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    • H01L2224/13101Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13109Indium [In] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13101Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/13111Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13139Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13144Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13147Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13155Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13163Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13164Palladium [Pd] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13163Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13166Titanium [Ti] as principal constituent
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    • H01L2224/13163Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13181Tantalum [Ta] as principal constituent
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    • H01L2224/12Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/13Structure, shape, material or disposition of the bump connectors prior to the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/13001Core members of the bump connector
    • H01L2224/13099Material
    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13163Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than 1550°C
    • H01L2224/13184Tungsten [W] as principal constituent
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    • H01L2224/13198Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
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    • H01L2224/1354Coating
    • H01L2224/1356Disposition
    • H01L2224/13562On the entire exposed surface of the core
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    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
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    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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    • H01L2224/161Disposition
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Abstract

【課題】本発明は、複数のコンタクトパッド及び被膜層によって保護されたパターン化されたメタライゼーションを有するIC用の金属構造体である。
【解決手段】本発明の構造体300は、被膜303、306に複数の窓301aを有し、選択的にチップのメタライゼーション301を露出する。これらの窓は、中心から中心まで150μmより小さく離間されている。金属コラム308が各々の窓上に配置される。好適な金属は銅であり、コラムは、1.25より大きな高さと幅のアスペクト比及びリフロー可能な金属によってぬれ可能な上部表面を有している。好適なコラムの高さと幅のアスペクト比は、2.0〜4.0の間にあり、熱機械的ストレスを吸収するために動作可能である。リフロー可能な金属のキャップ309が各々のコラム上に配置される。本金属構造体は、ICチップを外部パーツ311に取り付けるために用いられる。
【選択図】     図3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体デバイス及びその製造方法の分野に関し、特に、細かいピッチの、高アスペクト比のはんだ接続のウエハレベル製造に関する。
【0002】
【従来の技術】
集積回路(IC)チップを半導体パッケージまたは外部パーツへ接続するためのコンタクトパッドメタライゼーション及びはんだバンプの構造ばかりでなく、熱機械ストレス及び信頼性のリスクについて、非特許文献1に記載されている。
【0003】
これらの文献に基づいて、図1は一般にICチップ100の小さな部分のコンタクトパッドの例を概略示している。半導体材料101、一般にシリコンは、パターン化されたアルミニウムのメタライゼーション102を有し、誘電体の湿気を通さない保護被膜103、通常はシリコンナイトライド、またはオキシナイトライドによって保護されている。メタライゼーション102を露出し、メタライゼーション102の周りの保護周囲103aを残すために、この被膜103に窓が開けられている。追加の「アンダーバンプ」メタライゼーション104が被膜103上である距離だけ重なるように、「アンダーバンプ」メタライゼーション104がメタライゼーション102に堆積され、パターン化されている。この追加のメタライゼーション104は、通常一連の薄い層からなっている。下層は、一般に、例えばクロム、チタン、またはタングステンのような耐熱性金属で、オーミックコンタクトをアルミニウム102に与え、そして湿気が通らない境界面を被膜103に与える。上層の金属106は、例えば、金、銅、ニッケル、またはパラジウムで、はんだ付け可能でなければらない。最後に、はんだ物質が、一般に、蒸着、メッキ、またはスクリーン印刷によって堆積され、バンプ107を形成するためにリフローされる。リフロープロセス中に表面張力によって影響されて、これらのはんだバンプは、リフロープロセス後にいろいろな形状(例えば、半球状、ドーム状及び一部切り取られた球状)をとる。高さ/幅のアスペクト比は1.0より小さい。
【0004】
はんだのリフローによって、例えば基板または回路板のような外部パーツへのICチップの組み立て中及び組み立て後に、及びその後のデバイスの動作中に、著しい温度差及び温度サイクルが半導体チップ100と基板の間に現れる。はんだ接続の信頼性は、半導体材料と基板材料の熱膨張係数によって非常に影響される。例えば、シリコンとFR−4の熱膨張係数間に1桁以上の大きさの差がある。この差によってはんだ接合が吸収しなければならない熱機械的ストレスを生じる。はんだ接続の最適な高さと体積、及び疲労とひび割れの予期された発生を含む上記の非特許文献1および1989年代の初期の他の文献(非特許文献2)における詳細な計算が、多くのはんだ設計の解決策を提案している。はんだに対して、1.0より大きなアスペクト比が熱機械的ストレスを減少し、接合のひび割れを遅らせることがわかった。
【0005】
1つの、一般に実用化された方法は、接合の周りのプラスチック材料によってはんだ接合上の熱機械的ストレスの一部を吸収すること及びチップと基板の間のギャップを充填することを目的としている。例えば、特許文献1ないし3を参照されたい。しかし、このアンダーフィル(underfill)方法は、母板(マザーボード)へのデバイスの取り付け後に好ましくないプロセスステップを呈する。
【0006】
他の方法は、被膜の周囲やコンタクトパッドの下にある誘電体材料へのストレスを減少する目的で、保護被膜の上部にポリマー層を与える。例えば、非特許文献5を参照されたい。この記事は、アンダーバンプメタライゼーション上にはんだバンプを用いるフリップチップをパッケージする技術の記載を含んでおり、それは、その周辺を厚いポリイミド層の上に置いている。バンプ構造は、他のポリイミド層によってしばしば支持されている。
【0007】
図2は、ポリマー被膜を含み、一般にコンタクトパッド200の例を概略示している。シリコンチップ201はパターン化されたアルミニウムのメタライゼーション202を有し、湿気を通さない無機被膜203(シリコンナイトライド)及びポリマー層210(ベンゾシクロブテンまたはポリイミド)によって保護されている。アンダーバンプ(バンプ下の)メタライゼーションの層204は、アルミニウムへのコンタクト、2つの被膜への接着、及びはんだバンプ207へのはんだ付けの可能性を確立する。
【0008】
高速で、低いエレクトロマイグレーションICにおいて、アルミニウムは、チップメタライゼーションとして銅によって置き換えられている。酸化銅のボンドの可能性及びコンタクト抵抗の問題のために、はんだ材料の信頼性のあるコンタクトを確立することは問題がある。アルミニウムまたは高い密着性のある金属の境界面層を銅より酸素に加えることに基づいた手法は費用がかかるし、非常に効果的でない。一方、銅の層に続いてはんだボールを銅の金属処理されたパッド上に形成する方法が特許文献4に記載されている。
【0009】
【特許文献1】米国特許第6,228,680号 (issued on May 8, 2001)
【特許文献2】米国特許第6,213,347号 (issued on April 10, 2001)
【特許文献3】米国特許第6,245,583号 (issued on June 12, 2001)
(Thomas et at., Low Stress Method and Apparatus for Underfilling Flip−Chip Electronic Devices)
【特許文献4】02/26/02に出願された米国特許出願10/086,117(Bojkov et al.,”Wafer−level Method for Direct Bumping an Copper Pads in Integrated Circuits”)
【非特許文献1】International Business Machines Corporationによる1969発行, IBM J. Res. Develop. Vol. 13, pp. 226−296/ P. A. Totta et al., SLT Device Metallurgy and its Monolithic Extension, L. F. Miller, Controlled Collapse Reflow Chip Joining, L. S. Goldmann, Geometric Optimization of Controlled Collapse Interconnections, K. C. Norris et al., Reliability of Controlled Collapse Interconnections, S. Oktay, Parametric Study ofTemperature Profiles in Chips Joined by Controlled Collapse Techniques,B. S. Berry et al., Studies of the SLT Chip Terminal Metallurgy.
【非特許文献2】C. G. M. Van Kessel et al., ”The Quality of Die Attachment and its Relationship to Stresses and Vertical Die−Cracking”, IEEE1983
【非特許文献3】E. Suhir, ”Calculated Thermally Induced Stresses in Adhesively Bonded and Soldered Assemblies, ISHM Int. Symp. Miroel., Oct.1886
【非特許文献4】”Die Attachment design and its Influence on thermal Stresses in the Die and the Attachment”, IEEE 1987
【非特許文献5】IBM J. Res. Develop., vol.24, May 1980, pp. 268−282,”A Silicon and Aluminum Dynamic Memory Technology” by Richard A. Larsen
【0010】
【発明の概要】
従って、銅への金属コンタクト及び熱機械的なストレスの信頼性の基本的な解決を提供する半導体デバイスのフリップチップアッセンブリのコヒーレントで、低コストの方法に対する緊急な必要性がある。本方法は、いろいろな半導体製品のファミリ及び設計やプロセス変化の広い範囲に対して与えるのに十分な柔軟性がなければらない。好ましくは、これらの革新は、新しい製造機械の投資の必要性がないように既存の装置を用いて行なわれなければならない。
【0011】
本発明は、複数のコンタクトパッド及び被膜層によって保護されたパターン化されたメタライゼーションを有する集積回路用の金属構造体に関する。この構造体は、被膜に複数の窓を有して、チップメタライゼーションを選択的に露出し、この窓は、中心から中心まで150μmより小さく離間されている。金属コラムが各々の窓に配置される。公的な金属は銅であり、このコラムは1.25より大きな高さと幅のアスペクト比及びリフロー金属によってぬらすことができる上面を有している。公的な、高さと幅のアスペクト比は2.0と4.0の間であり、熱機械的なストレスを吸収するように働くことができる。リフロー金属のキャップがこれらコラムの各々の上に配置される。
【0012】
本発明は、銅の相互接続メタライゼーションを有する高密度、高速ICに関し、特に、それらはフリップチップアッセンブリ用の、高い数の金属化された入力/出力を有する。これらの回路は、多くのデバイス群、例えばプロセッサ、ディジタル及びアナログデバイス、論理デバイス、高周波及び高電力デバイスにおいて、及び大小の面積チップカテゴリーにおいて知られている。
【0013】
本発明の目的は、コンタクトパッド面積の減少及び細かなピッチの相互接続に応用可能であり、従って、ICチップの縮小化を支えることである。結果として、本発明は、絶えず縮小化する応用、例えば携帯電話通信、ページャ、ハードディスドライブ、ラップトップコンピュータ、及び他の携帯電子装置のスペース制約を楽にするのに役立つ。
【0014】
本発明の他の目的は、いかなる中間バリアー層もないICの銅メタライゼーション上に直接銅のコンタクトパッドコラムを製造し、その結果最小の電気的抵抗がICの高速性能を増進することである。
【0015】
本発明の他の目的は、銅のメタライゼーション上に、またはメッキされた被膜を受けるのに適した金属層上に銅のコラムを電気めっきすることによって厚いホトレジスト(好ましくは、ノボラック樹脂:Novolak resin)の窓に銅のコラムを堆積する適応性であり、それによって、銅のコラムを堆積するための電気メッキプロセスを可能にし、中心から中心までの小さなピッチのコラムを提供する。
【0016】
本発明の他の目的は、最適な熱機械的ストレスを吸収するためコラムの高さと幅のアスペクト比を選択することによってチップアッセブリの信頼性を増進することである。
【0017】
本発明の他の目的は、設計及び製造コンセプトが多くの半導体製品群に応用されるように適応性があり、またそれらが製品の数世代まで適用されるように一般的である設計及び製造コンセプトを提供することである。
【0018】
本発明の他の目的は、ICデバイスの製造に最も一般的に用いられ、受け入れられる設計およびプロセスのみを用いることであり、したがって、新規な資本投資の費用を避け、据付けられた既存の製造装置を用いることができる。
【0019】
これらの目的は、大量生産に適した選択規準及びプロセスフローに関する本発明の教示によって達成された。いろいろな材料の選択及びメッキ技術を満足するために、いろいろな変更が成功裡に採用された。
【0020】
本発明の第1の実施の形態では、金属コラムの全表面はぬらすことができ、結果的にコラム表面全体は、キャップリフロープロセスの完了後にキャップ金属の膜によって覆われ、コラム金属の如何なる酸化をも防止する。
【0021】
本発明の第2の実施の形態では、金属コラムはぬらすことができず、リフロー金属の信頼できる取付けのために、追加のぬらすことができる金属層がコラムの上部表面に必要とされる。結果的に、キャップのリフロープロセス後にリフローされた金属はコラムの上部表面上だけに残る。
【0022】
接続コラムを製造する好適な方法は電気メッキである。ホトレジスト層、好ましくは、ノボラック樹脂がコラムの予定された高さに匹敵する厚さを有して、与えられる。その後複数の窓がこのホトレジスト層に開けられ、コラムがこれらの窓に電気メッキされる。好適なコラム金属は、銅、ニッケル、金、及び銅の合金である。
【0023】
本発明によって示された技術的進歩ばかりでなく、それらの特徴は、添付図面及び請求項に記載された新規な特徴とともに考慮されるならば、本発明の最適な実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明は、2002年2月26日に出願された米国特許出願10/086,117号(Bojkov et al., ”Waferlevel Method for Direct Bumping on Copper Pads in Integrated Circuits”)に関し、レファレンスによってここに含まれる。
【0025】
図3は、集積回路(IC)チップのコンタクトパッドと外部のパーツ、例えばプリント回路板の端子パッド間の金属による相互接続(配線)300の概略断面図を示す。図示された相互接続の例は、本発明の製造方法によって与えられた高アスペクト比を示す。
【0026】
上部のメタライゼーション、すなわちICのパターン化された層301は絶縁材料302上に配置され、無機被膜303と高分子被膜306によって保護される。パターン化されたメタライゼーション301は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金からなる群から選択される。無機の被膜303は、好ましくは、湿気を通さないシリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、シリコンカーバイド、またはそれらの多層からなり、好ましくは0.2〜2.5μmの厚さである。有機被膜306は、好ましくはポリイミド、ベンゾシクロブテンまたは関連する材料からなり、好ましくは2.0〜8.0の厚さである。被膜303は長さ303aだけメタライゼーション301と重なっている。有機材料306の主な機能は、外部のパーツ上へのデバイスアッセンブリの完了後に熱機械的ストレスを吸収するのに役立つことである。被膜303と特に厚い被膜306は、メタライゼーション301を露出するための窓の開口プロセス中に被膜のエッチングによってもたらされるメタライゼーション層301に向かう傾斜306aを示す。
【0027】
メタライゼーション301が銅である場合、露出された銅の表面301bは、窓301aを開けた後に入念にクリーニングされる(以下のプロセス詳細を参照されたい)。“アンダーバンプ(バンプ下の)金属”307も銅である。銅301と銅層307の境界面は、コンタクトパッド300の抵抗に対して測定可能な電気抵抗を示さない。メタライゼーション301がアルミニウムまたはアルミニウム合金である場合、アンダーバンプ金属307は、チタン、タングステン、タンタル、ニッケル、バナジウム、または他の耐熱金属から選択された1つまたはそれより多い層から一般に作られる。アンダーバンプ金属層307の好適な厚さの範囲は、0.1〜2.0μmである。以下に説明されるように、背の高いコラム用のメッキプロセスの後、アンダーバンプ金属層307は、パターン化され、その後、図3に示されるように、メタライゼーション表面301bと被膜の傾斜306aにかぶさるような形状を有する。
【0028】
アンダーバンプ金属層307上に金属コラム308がメッキされる。この金属は、銅、金、銀、ニッケル、パラジウム、及びそれらの合金からなる群から選ばれる。合金の例は、好ましくは、28.1重量%の銅を有する銅/ニッケル合金である。コラム308用の金属は、半導体チップと外部のパーツが異なる熱膨張係数を有するとき、温度サイクル中に相互接続300に生じる熱機械的ストレスを吸収するのに適した剛性(スティッフネス)をコラム308に与えるように選ばれる。(ここで定義されるように、弾性ストレス(応力)/ストレイン(歪)の値において、“スティフ(stiff)”は高い比率に対して用いられ、“コンプライアント(compliant)”は低い比率に対して用いられる。)
【0029】
コラム308が1.25と5.0の間、好ましくは2.0と4.0の間の高さと幅のアスペクト比を有することが本発明にとって非常に重要である。図3において、コラムの高さは、被膜306の表面から測定され、308aで示され、そしてコラムの幅は308bで示される。2.0と4.0の範囲にあるアスペクト比、高さ/幅について、コラム308は熱機械的ストレスを吸収するようにに最適に働く。
【0030】
コラム308に用いられる金属は、一般的なアッセンブリの温度範囲では溶けないので、リフローすることができる金属または合金から作られる、更なる層309が必要とされる。図3の層309の輪郭は概略を示すだけである。より現実的な実施例が図10A、図10B、図10C、図11A及び図11Bに示されている。層309用の金属は、チタン、インジウム、チタン/インジウム、チタン/銀、チタン/ビスマス、及びチタン/鉛を含むチタン合金から成る群から選ばれる。他の選択は、導電性接着材及びz−軸導電性材料を含む。金属のための好適な堆積方法はメッキである。コラム308上のキャップとしての層309は、1.0から25.0μmまでの範囲の好適な厚さを有する。
【0031】
図3に示されるように、リフロー可能な金属309は、外部のパーツ311の端子パッド310に取付けられる。一般に、パーツ311は、プリント配線板、セラミック基板、またはフレキシブルなポリマー基板である。端子パッド310は、一般に銅から作られ、しばしば金のフラッシュを有する。
【0032】
本発明の相互接続構造の他の重要な特徴は、相互接続するコラムの中心から中心までの細かなピッチである。図4Aの斜視図は、ICチップ403上の被膜402にある窓に取付けられた相互接続コラム401の2行分を示している。それぞれのコラム401は、リフロー可能な金属から作られるキャップ404を有している。
【0033】
図4Bの上面図において、図4Bは中心から中心までの距離を測ることができるようにリフロー可能なキャプ404を示す。図4Bに示された例において、相互接続は“最も接近したパッキング”形状で配列されており、それらの中心は等距離ピッチを有している。相互接続410、411及び412間で、ピッチは420で示されている。本発明によって提供される、コラムの大きなアスペクト比は、ピッチの最小化を可能にする。中心から中心までの間隔は150μmより小さい。50μmの直径と100μmの高さを有するコラムに対して、そのピッチは、好ましくは80μmより小さく、例えば75μmである。
【0034】
図5乃至図11の概略断面図は、ICチップのコンタクトパッド上の高アスペクト比の相互接続(配線)を形成するためのプロセスフローを示す。このプロセスフローは、本発明の2つの実施の形態の形成ばかりでなく2つの変形を示すために区別される。製造プロセスは全体の半導体ウエハに対してであることが強調される必要がある。
【0035】
図5は、絶縁材料503上に配置され、1つまたはそれより多い被膜層506によって保護された、ICウエハ501の上部メタライゼーションのパターン化された層502を示す。パターン化されたメタライゼーション502はアルミニウム合金または銅であるのが好ましい。被膜506は、好ましくは無機の、湿気を通さない層及び有機のストレスを吸収する層からなる。被膜506は、短い、傾斜した長さ506aに対してメタライゼーションに重なる。窓508が被膜506に開けられて、メタライゼーションを露出する。電気メッキをするために、“アンダーバンプ”金属層507が全体のウエハ上に連続して堆積される。このメタライゼーション502が銅である場合、層507は銅であるのが好ましく、メタライゼーションがアルミニウムである場合、層507は耐熱金属を含む。
【0036】
パターン化された銅のメタライゼーション502上に堆積された、特に銅の“アンダーバンプ”(UBM)層507の場合、露出した銅のメタライゼーション502は、ウエハを以下のステップに従わせることによって堆積する前に入念にクリーニングされなければならない。
・ウエハを有機溶剤に曝し、それによりメタライゼーションコンタクトパッドから有機汚染及び機械的粒子を除去し、その後ウエハを乾燥する;
・ウエハを酸素及び窒素/アルゴン/ヘリウムプラズマに曝し、それによりメタライゼーションコンタクトパッド上の全ての有機残留物をアッシングし、かつメタライゼーション表面を10nmより小さい制御された厚さに酸化する;
・真空を保ち、ウエハを酸素及び窒素/アルゴン/ヘリウムのプラズマに曝し、それによりパッド表面から制御されたメタライゼーションの酸化物を除去し、かつクリーニングされた表面を不動態化する;及び
・不動態化したパッド表面を活性化イオンでスパッタエッチングし、それによりフレッシュ表面を形成し及びそれを同時に活性化する。
【0037】
図6において、ホトレジスト層610が全体の半導体ウエハ上に設けられる。好ましくは、このレジストは、クレゾールノボラック樹脂であり、一般にプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を含む。適したレジストは、例えばClariant Corp. Somerville, NJ, USAからAZ4620、PLP100、及びAZ49xtのブランド名で商業的に利用可能である。層610の厚さ610aは、図5の被膜窓の直径508より少なくとも50%大きく、代表的な厚さは100μmである。レジストの型に依存して、層の厚さは、単一または多層被膜の応用により製造することができる。窓611はレジストを広い帯域すなわちI−ライン光源にさらすことによってレジスト610に開けられる。窓611の直径は、意図した電気メッキされたコラムが1.25と5.0の間、好ましくは2.0と4.0の間の所望の高さと幅のアスペクト比を得るようにレジストの厚さ610aに関連する。実際の製造において、コラムの壁は互いに正確に平行でないが、しかしコラムがICコンタクトパッドとの下部の境界面上より上部で幾らか広いように僅かに傾斜される。
【0038】
ホトレジストの窓611がそれぞれの被膜の窓508の位置に一致するように、ホトレジストの窓を配置するのに注意が払われなければならない。ホトレジストの窓611が被膜の窓508の直径より5%以上大きい直径を有するように、被膜の窓508は、それぞれのホトレジストの窓611内に収められる。
【0039】
図7は、ホトレジストの窓にある電気メッキされた金属コラム701を示す。コラム701用の好適な金属は、銅または銅/ニッケル合金である。明らかに、コラム701の直径711は、ホトレジストの窓の直径611と同じであるが、コラムの高さ710aは、リフロー可能な金属をメッキするための(図9参照)幾らかの残りの高さを保つために、ホトレジストの厚さ610aより小さくするのが好ましい。コラムの電気メッキをするステップの前に、アンダーバンプ層507の表面は、ウエハを水素及び窒素/アルゴンのプラズマに曝すことによって入念にクリーニングされなければならない、それによりホトレジストの窓においてアンダーバンプ層をクリーニングし、不動態化する。この不動態化したアンダーバンプ層507を新たな汚れに露出することなく、金属コラム701は、露出したアンダーバンプ層507上に電気メッキされる。ぬれることができる金属から作られるコラム701は、701aで示されており、ぬれることができない金属から作られるコラム701は、701bで示されている。
【0040】
図8は、リフロー可能な金属によってぬらされないコラム701に対して金属または金属合金が選ばれる場合でも行なわれなければならないプロセスステップを含む本発明の第2の実施の形態を示す。コラム701bのためのこのような金属は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケル、バナジウム、またはそれらの合金を含む。本発明のこの第2の実施の形態において、層801がコラム701bの上端に電気メッキされなければならず、コラム701bの金属へ付着し、その外面上ではぬれることができる。層801に対する好適な選択は約15〜20μmの範囲の厚さのニッケルであり、外面はパラジウムのフラッシュを有することができる。さらに、境界面の層801は、コラム701bの幾つかの金属に対して拡散バリアーとして働く。
【0041】
図9A、9B及び9Cは、リフロー可能な金属または金属合金(“はんだ”)のキャップを電気メッキするプロセスステップを示す。これらのはんだは、錫、インジウム、錫/インジウム、錫/銀、錫/ビスマス、及び錫/鉛等の錫合金を含む。キャップの厚さは、オーバメッキすることなく約1.0μmから約25.0μmまで、及びオーバメッキをして1.0μmから65.0μmまで広く変化することができる。いわゆるオーバメッキは、図9Aに示されるようにマッシュルーム形状のキャップ901を生じるであろう。ホトレジストの厚さの上部までの丁度のメッキは、ぬれることができるコラム701aの場合には図9Bに示される層902を、またはぬれることができないコラム701b上のぬれることができる境界面の層801の場合には図9Cに示される層903を形成する。図9Cに対する例示によって、100μmの高さの全体のホトレジストの窓は、70μmの高さの金属コラム701bで充填され、次いで15μmの境界面層801、さらに15μmのはんだキャップ903によって充填される。
【0042】
ホトレジスト610を除去し及びアンダーバンプ金属(UBM)層507をエッチングした後、仕上げの、高アスペクト比の相互接続がオーバメッキされたはんだキャップ901の場合には図10Aに、オーバメッキされないはんだキャップ903の場合には図10Bに、そしてぬれることができる境界面層801上にオーバメッキされないはんだキャップの場合には図9Cに、それぞれ示されている。図10A、10B、10Cに示された相互接続は、はんだのリフローを含むアッセンブリに対して便利である。
【0043】
図11A、11B及び11Cは、はんだの溶解温度においてはんだをリフローする追加のプロセスステップの効果を示す。図11A、11Bにおいて、メッキされたコラム701aはぬれることができる金属から作られ、結果的に、はんだ901a、902aは、全体のコラム表面上に分布される。図11Cにおいては、メッキされたコラム701bはぬれることができない金属から作られており、結果的に、はんだはバリア層801の上部にだけキャップ903aとして残る。
【0044】
図12は、本発明の第1及び第2の実施の形態である、細かいピッチの、高アスペクト比のチップ相互接続を形成するための好適なウエハレベルのプロセスフローのブロック図を示す。
・ステップ1201:入力:ウエハFABからICウエハを入力する。ウエハは銅の相互接続メタライゼーションを有している。
【0045】
・ステップ1202:コンタクト窓のエッチング:コンタクトパッド用の窓を開けるためにベースデベロッパー(テトラメチルアンモンニウムハイドロオキサイド)においてホットウエットエッチングを用いて、高分子の被膜をエッチングする。ウエットエッチングは、パッドの銅に向かって窓の周辺の周りに被膜の比較的緩やかな傾斜を生じる。
ICメタライゼーションの銅パッドを露出するために、フッ素を含むプラズマを用いて無機被膜(例えば、シリコンナイトライド、またはシリコンオキシナイトライド)をエッチングする。このステージにおいて、パッドは、まだ(制御されない)酸化銅の表面を有している。さらに、パッドは有機残留物(例えば、ホトレジスト)及び/または粒子によって汚染されるかもしれない。
【0046】
・ステップ1203:ウエハを有機溶剤に曝し、それにより有し汚染および機械的粒子を銅のコンタクトパッドから除去する。適したクリーニングプロセスの例は、以下のステップを含む。
・ウエハを攪拌されたイソプロピルアルコール、メタノール、グリコール、N−メチルピロリジン及び他の溶剤に浸す。
・超音波/メガソニック(megasonic)のエネルギーをこれらの溶剤に加える。
・ウエハを有機溶剤でスプレーする。
・ウエハを乾燥した化学蒸気中で扱う。
【0047】
・ステップ1204:ウエハを酸素及び窒素/ヘリウム/アルゴンのプラズマに曝し、それにより銅のコンタクトパッド上の更なる有機残留物をアッシングし、銅の表面を10nmより小さな制御された厚さに酸化する。好適なプラズマの圧力は、0.2〜0.1モルの僅かな酸素及び0〜0.8モルの僅かなヘリウム/アルゴンで0.1〜10トルの間、流量は2.0〜4.0slpmの間、温度範囲は25〜250℃、時間は0.5〜5分である。
【0048】
・ステップ1206:真空を保って、ウエハを第1の水素及び窒素/ヘリウム/アルゴンのプラズマに曝し、それによりパッド表面から制御された酸化銅を除去し、クリーニングされた表面を不動態化する。好適なプラズマの圧力は、0.2〜0.1モルの僅かな水素、0〜0.8モルの僅かな窒素及び0〜0.8モルの僅かなヘリウム/アルゴンで0.1〜10トルの間、流量は2.0〜4.0slpmの間、温度範囲は25〜250℃、時間は0.5〜5分である。
【0049】
・ステップ1207:真空の下でウエハを更に処理するために直接移送するか、あるいは代わりにウエハをウエットクリーニングするかを決定する。
・ステップ1208:酸化された(“アッシュされた”)材料を除去するために、ウエハをウエットクリーニングする。ウエットクリーニング剤は、例えば薄いクエン酸、酢酸、または蓚酸を含む。温度範囲は、25〜80℃の間で、時間は0.5〜15分である。
【0050】
・ステップ1209:ウエハを水素及び窒素/アルゴンのプラズマに曝し、それによりホトレジスト窓における銅の層をクリーニングし、不動態化する。
・ステップ1210:不動態化したパッド表面を活性化イオンでスパッタエッチングし、それにより新しい表面を形成し、同時にそれを活性化する。好適なプラズマ圧力は750〜1000Vのバイアスで5〜100mTorr(ミリトル)の間である。温度範囲は25〜400℃の間で、時間は1.0〜4.0分である
【0051】
・ステップ1211:UBMまたは銅の層をスパッタ堆積し、新しいパッド表面及びパッドの周囲を覆う。この層は最小の熱機械的ストレスをパッドに与える。
・ステップ1212:厚いホトレジスト被膜に窓を形成する:
・ウエハを厚いホトレジストで被覆する;
・窓を露出して、残りをマスクする;
・ホトレジストを現像する;及び
・ホトレジストを紫外線(UV)硬化する。
【0052】
・ステップ1213:ウエハを水素及び窒素/アルゴンのプラズマに曝し、それによりホトレジスト窓におけるUBMまたは銅の層をクリーニングし、不動態化する。
・ステップ1214:UBM/不動態化した銅の層を新しい汚染に曝すことなく、露出したUBM/銅の層上に銅のコラムを電気メッキする。
【0053】
・ステップ1215:錫/はんだのキャップを銅のコラム上に電気メッキする。錫/はんだによってぬらされない金属または合金のコラムがメッキされる場合、金属の層(好ましくは、ニッケル)が、先ず、コラム金属に付着し、その外表面上にぬれることができるコラム上にメッキさらなければならない。
【0054】
・ステップ1216:ホトレジストを除去する。
・ステップ1217:キャップを有するコラムを互いに電気的に絶縁するためにUBM/銅の層をエッチングする。
・ステップ1218:DI水でクリーニングする。
【0055】
・ステップ1219:出力:高アスペクト比の相互接続(コラム及びはんだ可能なキャップ)を有するICウエハを得る。
・第2の実施の形態:
ステップ1218a:フラックスるを塗布し、はんだキャップをリフローする。
ステップ1218b:クリーニングし、フラックスを除去する。
【0056】
図示された実施の形態を参照して、本発明を説明したけれども、この説明は限定した意味に解釈されることを意図していない。図示された実施の形態ばかりでなく本発明の他の実施の形態のいろいろな変更及び組合せが上記説明を参照することによって当業者に明らかであろう。例として、本発明は、従来の錫またははんだ技術によってコンタクトするのが困難または不可能である銅以外のICボンドパッドメタライゼーション、例えば耐熱金属及び貴金属に適用できる。他の例として、本発明はバッチ処理に広げることができ、さらに製造コストを削減できる。他の例として、本発明は、ワイヤ/リボンのボンディング及びはんだの相互接続のハイブリッド技術に用いることもできる。従って、請求項はこのような変更または実施の形態を含むことが意図される。
以上の記載に関連して、以下の各項を開示する。
(1)複数のコンタクトパッド及び被膜層によって保護されたパターン化されたメタライゼーションを有する集積回路用の金属構造体であって、
選択的に前記メタライゼーションを露出する前記被膜に複数の窓を有し、前記窓は中心から中心まで150μmより小さく離間されており、
前記窓の各々に配置された金属コラムを有し、前記コラムは、1.25より大きい高さと幅のアスペクト比、及びリフロー可能な金属によってぬらすことができる表面を有し、及び
前記コラムの各々に配置されたリフロー可能な金属のキャップを有することを特徴とする構造体。
(2)前記露出しためたりゼーション上に金属の層をさらに有する前記(1)に記載の構造体。
(3)前記金属の層は、チタン、タンタル、タングステン、ニッケルバナジウム、及び銅からなる群から選ばれることを特徴とする前記(2)に記載の構造体。
(4)前記コラムは、銅、金、銀、ニッケル、パラジウム、及びそれらの合金から成る群から選ばれた金属であることを特徴とする前記(1)に記載の構造体。
(5)前記コラムの高さと幅のアスペクト比は、1.25〜5.0の間であることを特徴とする前記(1)に記載の構造体。
(6)前記コラムの高さと幅のアスペクト比は、2.0〜4.0の間であることを特徴とする前記(1)に記載の構造体。
(7)アッセンブリ及び外部パーツとの相互接続に適した集積回路のコンタクトパッド上に細かいピッチで、高アスペクト比の金属相互接続を形成する方法であって、
被膜層によって保護されるパターン化されたメタライゼーションを有する集積回路ウエハを備えるステップと、
前記メタライゼーションを選択的に露出するために、前記被膜に複数の窓を開けるステップを有し、前記窓は、中心から中心まで150μmより小さく離間され、
メッキされた被膜を受けるのに適した第1の金属層を堆積するステップと、
前記窓の直径より大きな厚さを有するホトレジスト層を堆積するステップと、前記第1の金属を露出するために、前記ホトレジスト層に複数の窓を開けるステップを有し、前記ホトレジストの窓の各々は、前記被膜窓の直径より大きな直径を有し、前記ホトレジストの窓の位置は、それぞれ前記被膜窓の位置に一致し、前記被膜窓の各々は、そのそれぞれのホトレジストの窓内に嵌められ、かつ
前記ホトレジスト窓の各々に露出した前記第1の金属上に第2の金属のコラムを堆積するステップを有し、前記コラムは1.25より大きな高さと幅のアスペクト比を有していることを特徴とする方法。
(8)前記被膜における各窓は、80μmより小さな直径を有することを特徴とする前記(7)に記載の方法。
(9)前記コラムの各々は、リフロー可能な金属によってぬれることができる上部表面を有し、前記方法は、さらに、前記コラムの各々上にリフロー可能な金属のキャップを堆積するステップを有することを特徴とする上記(7)に記載の方法。
(10)前記コラムの各々の上端部に第3の金属を堆積する更なるステップを有し、前記第3の金属は、前記上端部に付着し、かつその外表面上でぬれることができることを特徴とする前記(7)に記載の方法。
(11)複数のコンタクトパッド及び被膜層303、306によって保護されたメタライゼーションを有する集積回路用の金属構造体300である。この構造体は、被膜に複数の窓を有し、選択的にチップのメタライゼーションを露出する。これらの窓は、中心から中心まで150μmより小さく離間されている。金属コラム308が各々ノ窓上に配置される。好適な金属は銅であり、コラムは、1.25より大きな高さと幅のアスペクト比及びリフロー可能な金属によってぬれ可能な上部表面を有している。好適なコラムの高さと幅のアスペクト比は、2.0〜4.0の間にあり、熱機械的ストレスを吸収するために動作可能である。リフロー可能な金属のキャップ309が各々のコラム上に配置される。本金属構造体は、ICチップを外部パーツ311に取り付けるために用いられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】既知の技術によって製造された、フリップチップアッセンブリ用のはんだバンプ及び下層金属層の概略断面図。
【図2】既知の技術による、フリップチップの応用のためのチップコンタクトパッドメタライゼーション上のはんだバンプ及び下層金属配置の概略断面図。
【図3】外部のパーツに取付けられる、本発明による電気メッキによって製造されたリフロー可能なキャップを有する高アスペクト比の相互接続コラムの概略断面図。
【図4A】本発明による細かいピッチのICチップコンタクトパッド上に製造される、複数の高アスペクト比の相互接続コラムの概略斜視図。
【図4B】図4Aの相互接続コラムの概略上面図で、細かいピッチの、コラムの中心から中心までの間隔を示す。
【図5】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図6】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図7】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図8】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図9A】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図9B】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図9C】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図10A】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図10B】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図10C】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図11A】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図11B】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図11C】チップコンタクトの概略断面図で、外部のパーツへの取付けに適したコラム形状の相互接続を製造するための主なプロセスステップを示す。
【図12】ウエハレベルの細かなピッチの高アスペクト比チップの相互接続を製造するためのプロセスフローのブロック図。

Claims (2)

  1. 複数のコンタクトパッド及び被膜層によって保護されたパターン化されたメタライゼーションを有する集積回路用の金属構造体であって、
    選択的に前記メタライゼーションを露出する前記被膜に複数の窓を有し、前記窓は中心から中心まで150μmより小さく離間されており、
    前記窓の各々に配置された金属コラムを有し、前記コラムは、1.25より大きい高さと幅のアスペクト比、及びリフロー可能な金属によってぬらすことができる表面を有し、及び
    前記コラムの各々に配置されたリフロー可能な金属のキャップを有することを特徴とする構造体。
  2. アッセンブリ及び外部パーツとの相互接続に適した集積回路のコンタクトパッド上に細かいピッチで、高アスペクト比の金属相互接続を形成する方法であって、
    被膜層によって保護されるパターン化されたメタライゼーションを有する集積回路ウエハを備えるステップと
    前記メタライゼーションを選択的に露出するために、前記被膜に複数の窓を開けるステップと、前記窓は中心から中心まで150μmより小さく離間され、
    メッキされた被膜を受けるのに適した第1の金属層を堆積するステップと、
    前記窓の直径より大きな厚さを有するホトレジスト層を堆積するステップと、前記第1の金属を露出するために、前記ホトレジスト層に複数の窓を開けるステップと、前記ホトレジストの窓の各々は、前記被膜窓の直径より大きな直径を有し、前記ホトレジストの窓の位置は、それぞれ前記被膜窓の位置に一致し、前記被膜窓の各々は、そのそれぞれのホトレジストの窓内に収められ、かつ
    前記ホトレジスト窓の各々に露出した前記第1の金属上に第2の金属のコラムを堆積するステップと、前記コラムは1.25より大きな高さと幅のアスペクト比を有していることを特徴とする方法。
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