特表2020-534695IP Force 特許公報全文掲載

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2020-534695(P2020-534695A)
(43)【公表日】2020年11月26日
(54)【発明の名称】合金拡散障壁層
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/60 20060101AFI20201030BHJP
【ＦＩ】
   H01L21/92 603Z
   H01L21/92 602Z
   H01L21/92 604Z
   H01L21/60 311Q
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2020-516384(P2020-516384)
(86)(22)【出願日】2018年9月20日
(85)【翻訳文提出日】2020年3月26日
(86)【国際出願番号】US2018051874
(87)【国際公開番号】WO2019060496
(87)【国際公開日】20190328
(31)【優先権主張番号】62/561,070
(32)【優先日】2017年9月20日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】15/954,254
(32)【優先日】2018年4月16日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ合同会社
(71)【出願人】
【識別番号】507107291
【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド
(74)【1名の代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】ナズリア ダドヴァンド
(72)【発明者】
【氏名】サルヴァトーレ フランク パヴォーネ
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー ダニエル マナック
【テーマコード（参考）】
5F044
【Ｆターム（参考）】
5F044AA01
5F044QQ03
5F044QQ04
5F044QQ05
(57)【要約】
マイクロ電子デバイス（１００）がリフロー構造（１１０）を含む。リフロー構造（１１０）は、銅含有部材（１１４）、はんだ部材（１１８）、及びそれらの間の障壁層（１１６）を有する。障壁層（１１６）は金属粒子（１２０）を有し、金属粒子（１２０）間に拡散障壁充填材（１２２）を備える。金属粒子（１２０）は、少なくとも第１の金属及び第２の金属を含み、第１の金属及び第２の金属は各々、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムから選択され、金属粒子における濃度が少なくとも１０重量パーセントである。拡散障壁充填材（１２２）は、タングステン及びモリブデンから選択される少なくとも第３の金属を含む。拡散障壁充填材（１２２）におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度は、銅の拡散に対する所望の抵抗を提供するために、金属粒子（１２０）内よりも高い。障壁層（１１６）は、２重量パーセント〜１５重量パーセントのタングステン及びモリブデンの混合濃度を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ電子デバイスであって、
リフロー構造を含み、
前記リフロー構造が、
銅含有部材、
前記銅含有部材上の障壁層であって、金属粒子と前記金属粒子間の拡散障壁充填材とを含む前記障壁層、及び
前記障壁層上のはんだ部材であって、リフロー温度が１５０℃〜４００℃である前記はんだ部材、
を含み、
前記金属粒子が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される、少なくとも１０重量パーセントの第１の金属を含み、
前記金属粒子が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される、前記第１の金属とは異なる、少なくとも１０重量パーセントの第２の金属を含み、
前記障壁層が、タングステン及びモリブデンからなる群から選択される、少なくとも１つの金属を含み、前記障壁層におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度が２重量パーセントより大きく、１５重量パーセント未満であり、前記拡散障壁充填材におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度が、前記金属粒子におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度より高い、
マイクロ電子デバイス。
【請求項2】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記金属粒子が少なくとも１０重量パーセントのニッケルを含み、前記金属粒子が少なくとも１０重量パーセントのコバルトを含み、前記金属粒子が１重量パーセント未満のランタン、及びセリウムを含む、マイクロ電子デバイス。
【請求項3】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記障壁層が１重量パーセント未満のモリブデンを含む、マイクロ電子デバイス。
【請求項4】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記障壁層が２ミクロン〜２０ミクロンの厚みである、マイクロ電子デバイス。
【請求項5】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記リフロー構造がパンプ接合構造であり、前記銅含有部材が銅含有ピラーであり、前記はんだ部材がはんだバンプである、マイクロ電子デバイス。
【請求項6】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記リフロー構造がリードフレーム上のはんだ接続であり、前記銅含有部材が前記リードフレームの銅含有端子である、マイクロ電子デバイス。
【請求項7】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記はんだが少なくとも２５重量パーセントの錫を含む、マイクロ電子デバイス。
【請求項8】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記リフロー構造が前記障壁層と前記はんだ部材との間の金属間化合物を含み、前記金属間化合物が、前記はんだ部材からの金属と、前記金属粒子からの少なくとも２つの金属とを含む、マイクロ電子デバイス。
【請求項9】
請求項８に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記金属間化合物が、Ｎｉ３Ｓｎ４よりも可鍛性がある、マイクロ電子デバイス。
【請求項10】
請求項１に記載のマイクロ電子デバイスであって、前記リフロー構造が、銅及び錫を含む金属間化合物を含まない、マイクロ電子デバイス。
【請求項11】
マイクロ電子デバイスを形成する方法であって、
銅含有部材を提供すること、
障壁めっき槽を提供することであって、前記障壁めっき槽が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される第１の金属と、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される、前記第１の金属とは異なる第２の金属と、タングステン及びモリブデンからなる群から選択される第３の金属とを含む、前記障壁めっき槽を提供すること、
前記障壁めっき槽からの前記第１の金属、前記第２の金属、及び前記第３の金属を同時に前記銅含有障壁層上にめっきすることによって、前記銅含有部材上に障壁層を形成することであって、前記障壁層が、金属粒子と前記金属粒子間の拡散障壁充填材とを含む、前記障壁層を形成すること、及び
前記障壁層上に１５０℃〜４００℃のリフロー温度を有するはんだ部材を形成すること、
を含み、
前記金属粒子が、少なくとも１０重量パーセントの第１の金属及び少なくとも１０重量パーセントの、前記第１の金属とは異なる第２の金属を含み、前記第１の金属及び前記第２の金属の各々が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択され、
前記障壁層におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度が２重量パーセントより大きく、１５重量パーセント未満であり、
前記拡散障壁充填材におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度が前記金属粒子におけるタングステンとモリブデンの組み合わせ濃度よりも高い、
方法。
【請求項12】
請求項１１に記載の方法であって、前記障壁めっき槽が、ニッケル及びコバルトを含み、ランタン及びセリウムを本質的に含まない、方法。
【請求項13】
請求項１１に記載の方法であって、前記障壁めっき槽が、タングステンを含み、モリブデンを本質的に含まない、方法。
【請求項14】
請求項１１に記載の方法であって、
前記第１の金属、前記第２の金属、及び前記第３の金属を同時にめっきすることが、逆方向パルスめっきプロセスを用いて成され、順方向電流密度の大きさが逆方向電流密度の大きさよりも大きく、
前記第１の金属、前記第２の金属、及び前記第３の金属が、前記順方向電流密度によって前記障壁めっき槽からめっきされ、前記逆方向電流密度によって前記障壁層から金属が除去される、
方法。
【請求項15】
請求項１１に記載の方法であって、
前記銅含有部材が銅含有ピラーであり、
前記銅含有ピラーを提供することがアンダーバンプメタライゼーション（ＵＢＭ）層上に銅をめっきすることを含み、
前記はんだ部材がはんだバンプであり、
前記はんだ部材を形成することが前記障壁層上にはんだバンプをめっきすることを含む、
方法。
【請求項16】
請求項１１に記載の方法であって、前記銅含有部材がリードフレームの銅含有端子である、方法。
【請求項17】
マイクロ電子デバイスを形成する方法であって、
リフロー構造を提供することであって、
前記リフロー構造を提供することが、銅含有部材、前記銅含有部材上の障壁層であって、金属粒子と前記金属粒子間の拡散障壁充填材とを含む前記障壁層、及び前記障壁層上の１５０℃〜４００℃のリフロー温度を有するはんだ部材を含み、
前記金属粒子が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される少なくとも１０重量パーセントの第１の金属を含み、
前記金属粒子が、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムからなる群から選択される、第１の金属とは異なる、少なくとも１０重量パーセントの第２の金属を含み、
前記障壁層がタングステン及びモリブデンからなる群から選択される少なくとも１つの金属を含み、
前記障壁層におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度が２重量パーセントより大きく、１５重量パーセント未満であり、
前記拡散障壁充填材におけるタングステンとモリブデンの濃度が前記金属粒子におけるタングステンとモリブデンの濃度よりも高い、前記リフロー構造を提供すること、及び
前記はんだ部材が前記障壁層と前記マイクロ電子デバイスの部材との間に接続を形成するように、前記リフロー構造を前記リフロー温度を上回って加熱すること、
を含む、方法。
【請求項18】
請求項１７に記載の方法であって、前記リフロー構造がパンプ接合構造であり、前記銅含有部材が銅含有ピラーであり、前記はんだ部材がはんだバンプである、方法。
【請求項19】
請求項１７に記載の方法であって、前記リフロー構造がリードフレーム上のはんだ接続であり、前記銅含有部材が前記リードフレームの銅含有端子である、方法。
【請求項20】
請求項１７に記載の方法であって、前記金属粒子が少なくとも１０重量パーセントのニッケルを含み、前記金属粒子が少なくとも１０重量パーセントのコバルトを含み、前記金属粒子が１重量パーセント未満のランタン及びセリウムを含み、前記障壁層が１重量パーセント未満のモリブデンである、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、一般にマイクロ電子デバイスに関し、より詳細にはマイクロ電子デバイスにおける障壁層
【背景技術】
【0002】
多くのマイクロ電子デバイスは、リードフレーム及び他のパッケージ端子への接続を提供するために、銅ピラーと銅ピラー上のはんだバンプとを備えるパンプ接合構造を有する。銅ピラーの小型化及び高ピラー密度化の要求が高まるにつれて、銅ピラー及びはんだバンプを介する電流密度が増大してきている。銅ピラーに直接接するはんだを備えるパンプ接合構造におけるエレクトロマイグレーション欠陥は、銅、及び、通常は錫を含有するはんだの界面における金属間化合物のデプリーションに起因している。これらの欠陥は、銅とはんだとの間の障壁層の使用につながっている。ニッケル、ニッケルリン、ニッケルリンタングステン、ニッケル鉄リン、ニッケルレニウムリン、コバルトリン、及びコバルトタングステンリンが、障壁層の潜在的な候補として報告されている。これらの層の各々は欠点を伴う。ニッケルはＮｉ３Ｓｎ４の脆い金属間化合物を形成し、これは信頼性の問題を引き起こす恐れがある。銅上の薄いニッケル層が低リフロー温度で錫リッチはんだとの界面反応を低減させることができるが、リフロープロセスがより高温度でより長期間行われる場合には、それほど効果的ではない場合がある。残りの提案されている障壁層組成は、錫リッチはんだと反応し、脆い金属間化合物の形成をもたらし、パンプ接合構造における破損又はボイドをもたらす。
【発明の概要】
【0003】
記載される例において、マイクロ電子デバイスが、銅含有部材及びはんだ部材とのリフロー構造、並びに銅含有部材とはんだ部材との間の障壁層を有する。障壁層は、金属粒子と、金属粒子間の拡散障壁充填材とを有する。
【0004】
金属粒子は、少なくとも第１の金属及び第２の金属を含み、これらは各々、金属粒子における濃度が各々少なくとも１０重量パーセントである。第１の金属及び第２の金属は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムから選択される。金属粒子におけるニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの組み合わせ濃度は、少なくとも８５重量パーセントである。
【0005】
障壁層は、タングステン及びモリブデンから選択される、少なくとも第３の金属を含む。障壁層は、少なくとも２重量パーセント及び１５重量パーセント未満の組み合わせ濃度のタングステン及びモリブデンを含む。拡散障壁充填材におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度は、金属粒子におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度よりも高い。
【0006】
一態様において、リフロー構造はパンプ接合構造として顕在化され得、銅含有部材は銅含有ピラーとして顕在化され得、はんだ部材は、はんだバンプとして顕在化され得る。別の態様において、リフロー構造はリードフレームパッケージとして顕在化され得、銅含有部材は銅含有リードフレーム端子として顕在化され得、はんだ部材ははんだ層として顕在化され得る。
【0007】
障壁層は、第１の金属、第２の金属、及び第３の金属を銅含有部材上に同時にめっきすることによって形成され得る。第３の金属は金属粒子の内部から拡散して、金属粒子間の拡散障壁充填材に蓄積する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、例示のマイクロ電子デバイスの断面図である。
【0009】
【図2A】形成の例示の方法の各段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。
【図2B】形成の例示の方法の各段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。
【図2C】形成の例示の方法の各段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。
【図2D】形成の例示の方法の各段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。
【図2E】形成の例示の方法の各段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。
【0010】
【図3】例示の逆方向パルスめっき波形を示す。
【0011】
【図4A】形成の例示の方法の各段階で示される、障壁層を含むリードフレームを有するマイクロ電子デバイスを示す。
【図4B】形成の例示の方法の各段階で示される、障壁層を含むリードフレームを有するマイクロ電子デバイスを示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図面は一定の縮尺で描いてはいない。幾つかの行為又は事象が、異なる順で及び／又は他の行為又は事象と同時に起こり得るので、本記載は行為又は事象の例示される順によって限定されない。また、幾つかの例示される行為又は事象は、本記載による手法を実装するために任意選択であり得る。
【0013】
マイクロ電子デバイスが、パンプ接合構造又はリードフレームパッケージなどのリフロー構造を含む。リフロー構造は、銅含有部材及びはんだ部材、並びに銅含有部材とはんだ部材との間の障壁層を有する。障壁層は、金属粒子間に拡散障壁充填材を備える金属粒子を有する。はんだ部材は、ビスマス、インジウム、又は銀などの他の金属と共に、錫を含み得る。はんだ部材は、１５０℃〜４００℃のリフロー温度を有する。はんだ部材は、所望のリフロー温度、及び、硬度及び導電率などの所望の特性を提供するために、少なくとも２５重量パーセントの錫を含み得る。
【0014】
金属粒子は、少なくとも第１の金属及び第２の金属を含み、少なくとも第１の金属及び第２の金属の各々は、各々金属粒子において少なくとも１０重量パーセントの濃度を有する。第１の金属及び第２の金属は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムから選択される。金属粒子は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの群からの付加的な金属を含み得る。金属粒子におけるニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの組み合わせ濃度は、少なくとも８５重量パーセントである。金属粒子は、Ｎｉ３Ｓｎ４よりも延性の混合錫金属間化合物を形成し得、有利にも、信頼性の問題を低減させる。
【0015】
障壁層は、タングステン及びモリブデンから選択される、少なくとも２重量パーセントの第３の金属を含む。障壁層は、タングステンとモリブデンの両方を含み得る。拡散障壁充填材におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度は、銅の拡散に対する所望の抵抗を提供するため、金属粒子におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度よりも高い。障壁層は、１５重量パーセント未満の組み合わせ濃度のタングステン及びモリブデンを含む。障壁層において少なくとも２重量パーセントのタングステン及びモリブデンを有することは、等しい厚みのニッケルと比較して、拡散障壁充填材が障壁層を介する銅の拡散を低減させることを有利に提供し得る。１５重量パーセント未満のタングステン及びモリブデンを有することは、所望の値を上回る障壁層の導電率を維持する。
【0016】
一例において、リフロー構造はパンプ接合構造として顕在化され得、銅含有部材は銅含有ピラーとして顕在化され得、はんだ部材ははんだバンプとして顕在化され得る。別の例において、リフロー構造は、銅含有部材が銅含有リードフレーム端子として顕在化され得、はんだ部材がはんだ層として顕在化され得るリードフレームパッケージとして顕在化され得る。障壁層を備えるリフロー構造の他の顕在化も本記載の範囲内にある。
【0017】
障壁層は、第１の金属、第２の金属、及び第３の金属を銅含有部材上に同時にめっきすることによって形成され得る。第３の金属は金属粒子の内部から拡散して、金属粒子間の拡散障壁充填材に蓄積する。
【0018】
本記載において、或る要素が別の要素上にあると言及される場合、それは、直接他の要素上にあってもよく、又は介在要素が存在してもよい。
【0019】
図１は、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、例示のマイクロ電子デバイスの断面図である。マイクロ電子デバイス１００は誘電体層１０２を含み、誘電体層１０２は、二酸化シリコン、シリコン窒化物、又は同様の誘電性材料の１つ又は複数の誘電体サブ層を含み得る。マイクロ電子デバイス１００は、誘電体層１０２内に相互接続１０４を含む。相互接続１０４は、頂部相互接続レベルの一部であってもよく、又は再配線層の一部であってもよい。マイクロ電子デバイス１００のボンドパッド１０６が、相互接続１０４に電気的に結合されている。ボンドパッド１０６は、アルミニウム、銅、ニッケル、又はボンドパッドに適した他の金属を含み得る。保護オーバーコート（ＰＯ）層１０８が、誘電体層１０２上に置かれる。ＰＯ層１０８は、各ボンドパッド１０６の少なくとも一部を露出させる。ＰＯ層１０８は、二酸化シリコン、シリコン窒化物、シリコンオキシナイトライド、ポリイミド、アルミニウム酸化物、又は、水蒸気及び他の汚染物質への障壁を提供する他の誘電性材料の１つ又は複数の層を含み得る。
【0020】
マイクロ電子デバイス１００は、ボンドパッド１０６上のパンプ接合構造１１０を含む。各パンプ接合構造１１０は、対応するボンドパッド１０６への電気的接触を成すアンダーバンプメタライゼーション（ＵＢＭ）層１１２を含む。ＵＢＭ層１１２は、チタン、ニッケル、パラジウム、銅、又は、ボンドパッド１０６への接着及びパンプ接合構造１１０のめっき表面を提供する金属層に適した他の金属を含み得る。
【0021】
各パンプ接合構造１１０は、対応するＵＢＭ層１１２上に、本明細書では銅ピラー１１４と称する銅含有ピラー１１４を更に含む。銅ピラー１１４は、主として、数パーセントの他の要素を有する銅を含み得、又は本質的に銅から成り得る。
【0022】
各パンプ接合構造１１０は、対応する銅ピラー１１４に結合される障壁層１１６と、障壁層１１６に結合されるはんだのはんだバンプ１１８とを含み、障壁層１１６がはんだバンプ１１８から銅ピラー１１４を分離するようになっている。はんだバンプ１１８は、１５０℃〜４００℃のリフロー温度を提供する金属を含む。例えば、はんだバンプ１１８は錫を含み得、ビスマス、インジウム、又は銀などの他の金属を含み得る。以前は鉛がはんだバンプに用いられてきたが、本記載の時点では、鉛は概して、健康及び環境の問題のため、はんだバンプに用いられていない。
【0023】
例えば、障壁層１１６は、はんだバンプにおける金属からの銅の隔離とパンプ接合構造１１０の製造コスト及び複雑度との間の所望の均衡を提供するために、２ミクロン〜２０ミクロンの厚さとし得る。障壁層１１６は、金属粒子１２０と、金属粒子１２０間の拡散障壁充填材１２２とを含む。金属粒子１２０は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムから選択される、少なくとも第１の金属及び第２の金属を含む。第１の金属及び第２の金属は、各々、少なくとも１０重量パーセントの金属粒子１２０の濃度を有する。金属粒子１２０は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの任意の組み合わせを含み得る。金属粒子１２０におけるニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの組み合わせ濃度は、少なくとも８５重量パーセントである。信頼性と製造コストとの間に所望の均衡を提供するために、金属粒子１２０の異なる組成が選択され得る。例えば、金属粒子１２０は、少なくとも１０重量パーセントのニッケル及び少なくとも１０重量パーセントのコバルト、並びに１重量パーセント未満のランタン及びセリウムを含み得る。
【0024】
障壁層１１６は、タングステン及びモリブデンから選択される、第３の金属を含む。拡散障壁充填材は、タングステンとモリブデンの両方を含み得る。拡散障壁充填材１２２におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度は、金属粒子１２０におけるタングステン及びモリブデンの組み合わせ濃度よりも高い。障壁層１１６は、少なくとも２重量パーセント及び１５重量パーセント未満の総濃度のタングステンとモリブデンとを含む。信頼性と製造コストとの間に所望の均衡を提供するために、拡散障壁充填材１２２の異なる組成が選択され得る。例えば、拡散障壁充填材１２２は、タングステンと、非常に少ないモリブデンとを含み得る。
【0025】
障壁層１１６は、マイクロ電子デバイス１００に２つの利点を提供し得る。第１に、金属粒子１２０ははんだバンプ１１８における錫と結合して混合錫金属間化合物１２４を形成して、脆い錫ニッケル金属間化合物Ｎｉ３Ｓｎ４の形成を防止又は低減し得る。混合錫金属間化合物１２４はＮｉ３Ｓｎ４よりも延性があり、そのため、パンプ接合構造１１０に応力が加わったときに破断及びボイドを形成する傾向が少なく、有利にも、信頼性の問題を低減する。第２に、拡散障壁充填材１２２におけるタングステン又はモリブデンは障壁層１１６を介する銅の拡散を低減し、銅は、等しい厚みのニッケルを介するよりも障壁層１１６を介する拡散の速度が一層遅い。
【0026】
図２Ａ〜図２Ｅは、形成の例示の方法の種々の段階で示される、銅含有ピラー、障壁層、及びはんだバンプを含む、マイクロ電子デバイスの断面図である。図２Ａを参照すると、この例のマイクロ電子デバイス２００は、誘電体層２０と、及び誘電体層２０２内の相互接続２０４を含む。マイクロ電子デバイス２００のボンドパッド２０６が、相互接続２０４に電気的に結合される。ＰＯ層２０８が、誘電体層２０２上に配置され、各ボンドパッド２０６の少なくとも一部分を露出させる。
【0027】
ＰＯ層２０８の上、及びＰＯ層２０８によって露出されるボンドパッド２０６上に、ＵＢＭ層２１２が形成される。ＵＢＭ層２１２は、ＰＯ層２０８への良好な接着を提供し、ボンドパッド２０６への低抵抗で信頼性のある電気的接続を成すチタン又はその他の金属を備える接着サブ層を含み得る。ＵＢＭ層２１２は接着サブ層上にシードサブ層を更に含み得、シードサブ層は、ニッケル、銅、又は後続のめっきオペレーションのための低シート抵抗層を提供するためのその他の金属を含み得る。ＵＢＭ層２１２は、例えば、逐次スパッタプロセスによって形成され得る。
【0028】
めっきマスク２２６がＵＢＭ層２１２上に形成される。めっきマスク２２６は、パンプ接合構造２１０のためにボンドパッド２０６上のエリアを露出させる。めっきマスク２２６は、フォトレジストを含み得、フォトリソグラフィプロセスによって形成され得る。あるいは、めっきマスク２２６は、有機ポリマーを含み得、インクジェットプロセスなどのアディティブ法によって形成され得る。
【0029】
ＵＢＭ層２１２は、銅を含む銅めっき槽２２８に露出される。銅は、図２Ａに示されるように、硫酸銅の形態で、銅めっき槽２２８の所望の導電性を提供するために酸と共に、銅めっき槽２２８に付加され得る。所望のプロファイル及び表面仕上げを提供するために、湿潤剤、レベラー、アクセラレータ、又は抑制剤を銅めっき槽２２８に付加してもよい。電流が銅めっき槽２２８からＵＢＭ層２１２に流れ、銅めっき槽２２８から、めっきマスク２２６によって露出された箇所のＵＢＭ層２１２上に銅がメッキされ、各パンプ接合構造２１０におけるＵＢＭ層２１２上に、本明細書で銅ピラー２１４と称する銅含有ピラー２１４が形成される。
【0030】
図２Ｂを参照すると、めっきマスク２２６がその場に残され、銅ピラー２１４が障壁めっき槽２３０に露出される。障壁めっき槽２３０は、ニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムから選択される、少なくとも２つの金属と、タングステン及びモリブデンから選択される、少なくとも１つの金属とを含む。図２Ｂに示すように、ニッケルが硫酸ニッケルの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。コバルトが硫酸コバルトの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。ランタンがランタン酸化物又は塩化ランタンの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。セリウムが硫酸セリウムの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。タングステンがタングステン酸ナトリウムの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。モリブデンがモリブデン酸ナトリウムの形態で障壁めっき槽２３０に付加され得る。障壁めっき槽２３０は、湿潤剤、レベラー、アクセラレータ、又は抑制剤などの付加剤を更に含み得る。障壁めっき槽２３０における金属は、銅ピラー２１４上にめっきされて、各パンプ接合構造２１０における対応する銅ピラー２１４上に障壁層２１６を形成する。障壁層２１６は、図１の障壁層１１６に関して説明した組成及び構造を有する。
【0031】
障壁めっき槽２３０の組成は、信頼性と製造コストとの間に所望の均衡が提供されるように選択され得る。一例において、障壁めっき槽２３０は、ニッケル及びコバルトを含み得、ランタン及びセリウムを本質的に含まないようにし得る。別の例において、障壁めっき槽２３０は、タングステンを含み得、モリブデンを本質的に含まないようにし得る。
【0032】
障壁層２１６は、逆方向パルスめっきプロセスと称することもある、逆方向パルスめっきプロセスを用いて形成され得る。障壁めっき槽２３０に印加される反転パルスめっきプロセスの間、障壁めっき槽２３０から銅ピラー２１４へ一つ又はそれ以上の順方向パルスで順方向電流が流れ、障壁めっき槽２３０から銅ピラー２１４上へ金属をめっきして、障壁層２１６の一部を形成し、部分的に形成された障壁層２１６となる。順方向パルスの振幅及び持続時間は、部分的に形成された障壁層２１６における所望の金属粒子サイズを提供するように選択される。順方向パルスの後、逆方向電流が銅ピラー２１４から障壁めっき槽２３０へ一つ又はそれ以上の反転パルスで流されて、部分的に形成された障壁層２１６の表面からタングステン及びモリブデンを選択的に除去する。逆方向パルスの振幅及び持続時間は、タングステン及びモリブデンの所望の量を除去するように選択される。タングステン及びモリブデンは、障壁層２１６における金属粒子の内部から拡散し、蓄積して、金属粒子の粒子境界間に拡散障壁充填材を形成する。このように、逆方向パルスめっきプロセスは、図１の障壁層１１６に関して説明した組成及び構造を用いて障壁層２１６を形成する。
【0033】
図３は、例示の逆方向パルスめっき波形を示す。波形は、横軸上の時間に対して縦軸上の電流密度を示す。この例示の波形では、４つの順方向パルスが印加され、続いて４つの逆方向パルスが印加される。順方向パルスの順方向電流密度は、図２Ｂの障壁めっき槽２３０と銅ピラー２１４との間により高い順方向電圧を提供するため、障壁めっき槽２３０における金属を所望の組成でめっきするために、逆方向パルスの逆方向電流密度より大きな振幅を有し得る。逆方向パルスの逆方向電流密度の一層低い振幅は、障壁めっき槽２３０と銅ピラー２１４との間に充分な電圧を提供し得、Ｗ＋６及びＭｏ＋６などのより高い酸化状態のタングステン及びモリブデンを除去し、図２Ｂの部分的に形成された障壁層２１６における、一層低い酸化状態を有するニッケル、コバルト、ランタン、及びセリウムの大部分を残すことができる。順方向電流密度は、約０．５アンペア／平方センチメートル（Ａ／ｃｍ２）〜約１．０Ａ／ｃｍ２の範囲とし得、各順方向パルスの持続時間は、７５パーセント〜１００パーセントのデューティサイクルで、１０ミリ秒〜５０ミリ秒の範囲とし得、障壁層２１６内の所望の金属粒子構造を提供する。逆方向電流密度は順方向電流密度の３５パーセント〜６０パーセントとし得、逆方向パルスの持続時間は順方向パルス持続時間の３０パーセント〜７０パーセントの範囲とし得、デューティサイクルは６０パーセント〜１００パーセントであり、拡散障壁充填材内に所望のタングステン及びモリブデンを提供する。順方向パルスとそれに続く逆方向パルスとの組み合わせは、所望の厚みを有する障壁層２１６を形成するために繰り返される。
【0034】
図２Ｃを参照すると、めっきマスク２２６がその場に残され、障壁層２１６がはんだめっき槽２３２に露出される。はんだめっき槽２３２は、図２Ｃに示すように、錫及び銀などの金属を含み、ビスマスなどのその他の金属を含み得る。はんだめっき槽２３２はまた、湿潤剤、レベラー、アクセラレータ、又は抑制剤を含み得る。はんだめっき槽２３２のためのその他の配合物も本例の範囲内にある。障壁層２１６からはんだめっき槽２３２に電流が流れ、はんだめっき槽２３２から障壁層２１６上にはんだがめっきされて、各パンプ接合構造２１０の障壁層２１６上にはんだバンプ２１８が形成される。
【0035】
その後、めっきマスク２２６が除去され、パンプ接合構造２１０がその場に残される。めっきマスク２２６は、例えば、有機溶媒又は有機酸に溶解することによって、又は酸素ラジカル又はオゾンに曝すことによって除去され得る。めっきマスク２２６が除去された後、銅ピラー２１４によって露出された箇所のＵＢＭ層２１２が除去され、銅ピラー２１４とボンドパッド２０６との間にＵＢＭ層２１２が残される。ＵＢＭ層２１２は、例えば、時限ウェットエッチングプロセスによって除去され得る。
【0036】
図２Ｄを参照すると、パンプ接合構造２１０は、はんだバンプ２１８をリフローさせるために任意で加熱され得る。パンプ接合構造２１０は、図２Ｄに示すように、放射加熱プロセス２３４によって加熱され得る。あるいは、パンプ接合構造２１０は、チェーンファーネスにおいて又はパンプ接合構造２１０に接する雰囲気を加熱するその他のプロセスにおいて加熱され得る。はんだバンプ２１８をリフローさせるには、はんだバンプ２１８の組成に応じて、はんだバンプ２１８を１５０℃〜４００℃の温度まで加温する必要があり得る。はんだバンプ２１８をリフローさせることにより、はんだバンプ２１８と障壁層２１６との間により強い接続が提供され得る。図１に関連して説明したように、障壁層２１６の構造及び組成は、はんだバンプ２１８のリフローの間、銅及び錫の並びにニッケル及び錫の望ましくない金属間化合物の形成を有利に低減し得る。
【0037】
図２Ｅを参照すると、マイクロ電子デバイス２００は、リードフレーム２３６にバンプ接合される。例えば、リードフレーム２３６は、金属端子２４０間にモールド化合物２３８を有する事前モールドされたリードフレーム２３６とし得る。金属端子２４０は、例えば銅を含み得る。バンプ接合プロセスでは、はんだバンプ２１８を加熱してはんだをリフローさせ、金属端子２４０にはんだ接続させる。はんだバンプ２１８は、図２Ｅに示すように、放射加熱プロセス２４２などによって、又は、チェーンファーネスプロセスなどの雰囲気加熱プロセスによって加熱され得る。マイクロ電子デバイス２００をリードフレーム２３６にバンプ接合するには、はんだバンプ２１８の組成に応じて、はんだバンプ２１８を１５０℃〜４００℃の温度まで加温する必要がある。バンプ接合プロセスを補助するために、任意でマイクロ電子デバイス２００に圧力が印加され得る。マイクロ電子デバイス２００をリードフレーム２３６にパンプ接合するために必要な温度は、図２Ｄに関して説明したようにはんだバンプ２１８をリフローするために必要とされる温度よりも高くし得る。障壁層２１６の構造及び組成は、有利にも、バンプ接合プロセスの間、銅及び錫の並びにニッケル及び錫の望ましくない金属間化合物の形成を低減し得る。障壁層２１６の構造及び組成は、ニッケル及び錫の脆い金属間化合物の形成を更に低減し得、これは、リードフレーム２３６とマイクロ電子デバイス２００との間の機械的及び熱的応力の間のパンプ接合構造２１０の信頼性を改善し得る。
【0038】
図４Ａ及び図４Ｂは、形成の例示の方法の種々の段階で示される、障壁層を含むリードフレームを有するマイクロ電子デバイスを示す。図４Ａを参照すると、マイクロ電子デバイス４００はリードフレーム４３６を含む。この例において、リードフレーム４３６は、主として銅を含み得る。第１の障壁層４１６が、はんだ接続のためにリードフレーム４３６上のエリアを覆うようにリードフレーム４３６上に形成される。第１の障壁層４１６は、図２Ｂ及び図２Ｃに関して説明したようなめっきプロセスによって形成され得る。第１の障壁層４１６を形成するための他のプロセス、例えば、直流（ＤＣ）電気めっき、又は無電解めっきも本例の範囲内にある。第１の障壁層４１６は、図１に関して説明したような構造及び組成を有する。第１の障壁層４１６は、図４Ａに示されるように、はんだ接続のためのエリアに局所化され得、又はリードフレーム４３６を覆ってもよい。
【0039】
マイクロ電子デバイス４００は、第２の障壁層４４６を有するクリップ４４４を更に含む。第２の障壁層４４６は、はんだ接続のためのクリップ４４４上のエリアを覆う。第２の障壁層４４６は、第１の障壁層４１６と同様の構造及び組成を有し得、同様のプロセスによって形成され得る。
【0040】
マイクロ電子デバイス４００は、はんだ接続のためのはんだ材料４１８を更に含む。はんだ材料４１８は、例えば、はんだ予備成形物（preform）又はんだペーストとして顕在化され得る。はんだ材料４１８は、錫、銀、ビスマス、又は他の金属を含み得る。
【0041】
マイクロ電子デバイス４００は、図４Ａに示すように、リードフレーム４３６を第１の障壁層４１６を介してはんだ材料４１８に接触させ、クリップ４４４を第２の障壁層４４６を介してはんだ材料４１８に接触させることによって形成される。
【0042】
図４Ｂを参照すると、マイクロ電子デバイス４００は加熱されて、はんだ材料４１８をリフローさせ、リードフレーム４３６とクリップ４４４との間のはんだ接続を成す。マイクロ電子デバイス４００は、図４Ｂに示すように放射加熱プロセス４４２によって、又はファーネスプロセスによって加熱され得る。
【0043】
第１の障壁層４１６の構造及び組成は、有利にも、はんだリフロープロセスの間、銅及び錫の並びにニッケル及び錫の望ましくない金属間化合物の形成を低減し得る。第１の障壁層４１６の構造及び組成は、ニッケル及び錫の脆い金属間化合物の形成を更に低減し得、これはリードフレーム４３６とクリップ４４４との間の機械的及び熱的応力の間のマイクロ電子デバイス４００の信頼性を改善し得る。第２の障壁層４４６が第１の障壁層４１６と同様の構造及び組成を有するこの例のバージョンにおいて、同じ利点が存在し得る。
【0044】
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例が可能である。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【国際調査報告】

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