半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法。一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括：在布線板的第一電極和半導(dǎo)體元件的第二電極中的至少一者的表面上形成阻擋金屬膜；在第一電極與第二電極之間設(shè)置連接端子，連接端子由含錫、鉍和鋅的釬料制成；以及通過(guò)加熱連接端子并且將連接端子的溫度保持在不低于釬料熔點(diǎn)的恒定溫度下一定時(shí)間段，來(lái)將連接端子接合至阻擋金屬膜。
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文討論的實(shí)施方案涉及半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于安裝在布線板上的半導(dǎo)體元件，其連接端子的數(shù)目在增加，因此連接端子中的每個(gè)之間的間距也越來(lái)越縮小。倒裝芯片安裝是一種解決這樣的連接端子數(shù)目增加且間距縮小的安裝技術(shù)。
[0003]在倒裝芯片安裝中，使由釬料凸點(diǎn)等制成的連接端子回流，由此通過(guò)連接端子使布線板和半導(dǎo)體元件的電極彼此連接。
[0004]連接端子的回流涉及半導(dǎo)體元件和布線板的加熱。然而，半導(dǎo)體元件與布線板之間的熱膨脹系數(shù)的差異可導(dǎo)致半導(dǎo)體元件在回流期間受損。
[0005]為了抑制這樣的損害，使用具有盡可能低熔點(diǎn)的材料作為用于由釬料凸點(diǎn)等制成的連接端子的材料是有效的，由此降低在回流期間的加熱溫度。
[0006]無(wú)鉛釬料被廣泛地用作用于連接端子的材料，但由于其高熔點(diǎn)而不適合這樣的低溫回流。Sn-Ag-Cu基無(wú)鉛釬料例如具有217°C的高熔點(diǎn)。
[0007]因此，通常使用具有139°C的低熔點(diǎn)并且具有共晶點(diǎn)組成的Sn-Bi基釬料作為用于連接端子的材料。
[0008]然而，使用Sn-Bi基釬料形成的連接端子在與電極的接合強(qiáng)度的提高方面仍然具有改進(jìn)余地。
[0009]注意，日本公開(kāi)特許公報(bào)第2012-157873號(hào)和第2010-167472號(hào)中公開(kāi)了涉及本申請(qǐng)的技術(shù)。
[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的是提高半導(dǎo)體器件中連接端子與電極之間的接合強(qiáng)度以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)以下公開(kāi)內(nèi)容的一個(gè)方面，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括:在布線板的第一電極和半導(dǎo)體兀件的第二電極中的至少一者的表面上形成阻擋金屬膜；在第一電極與第二電極之間設(shè)置連接端子，連接端子由含錫、鉍和鋅的釬料制成；以及通過(guò)加熱連接端子并且將連接端子的溫度保持在不低于釬料的固相線溫度的恒定溫度下恒定時(shí)間段，來(lái)將連接端子接合至阻擋金屬膜。
[0012]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，包括:包括第一電極的布線板；包括第二電極的半導(dǎo)體元件；設(shè)置在第一電極和第二電極中的任一者的表面上的阻擋金屬膜；以及設(shè)置在第一電極與第二電極之間的連接端子，連接端子接合至阻擋金屬膜并由含錫、鉍和鋅的釬料制成，其中在阻擋金屬膜與連接端子之間形成有由阻擋金屬膜的材料和鋅制成的合金層。
[0013]根據(jù)以下公開(kāi)內(nèi)容，當(dāng)熔化連接端子時(shí)，連接端子的材料中包含的鋅抑制了連接端子中的鉍的偏析。因而，可以防止由于機(jī)械脆性的鉍而導(dǎo)致的連接端子與阻擋金屬膜之間接合強(qiáng)度的降低。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1A和圖1B為用于研究的半導(dǎo)體器件在其制造過(guò)程中的放大橫截面圖；
[0015]圖2A和圖2B為根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件在其制造過(guò)程中的放大橫截面圖；
[0016]圖3為根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的整體橫截面圖；
[0017]圖4為通過(guò)研究連接端子的接合強(qiáng)度得到的曲線圖；
[0018]圖5A為根據(jù)本實(shí)施方案的第一實(shí)施例的第一阻擋金屬膜的橫截面圖，圖5B為根據(jù)本實(shí)施方案的第二實(shí)施例的第一阻擋金屬膜的橫截面圖；
[0019]圖6A和圖6B為當(dāng)將連接端子接合至根據(jù)圖5A和圖5B的各自實(shí)施例的第一阻擋金屬膜時(shí)，基于橫截面BF STEM(明場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡)的圖像而繪制的圖；
[0020]圖7為示出根據(jù)本實(shí)施方案的回流溫度曲線的曲線圖；
[0021]圖8為用于說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所使用的第一阻擋金屬膜的樣品的層結(jié)構(gòu)的表；
[0022]圖9為用于說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所使用的回流溫度曲線的表；
[0023]圖10為示出實(shí)驗(yàn)中所使用的第一阻擋金屬膜的樣品和回流溫度曲線的組合的表;
[0024]圖11為示出用作實(shí)驗(yàn)中的連接端子的材料的釬料樣品的組成的表。
【具體實(shí)施方式】
[0025]在描述實(shí)施方案之前，將描述由本申請(qǐng)的本發(fā)明人進(jìn)行的研究。
[0026]如上所述，為了減少對(duì)半導(dǎo)體元件的損害，使用具有盡可能低熔點(diǎn)的釬料作為用于將半導(dǎo)體元件連接至布線板的連接端子的材料是有效的。
[0027]因此，在該研究中，將作為低熔點(diǎn)釬料使用的Sn-Bi基釬料用作連接端子的材料以研究電極與連接端子之間的接合強(qiáng)度。
[0028]圖1A和圖1B為在研究過(guò)程中制造半導(dǎo)體器件的放大橫截面圖。
[0029]首先，如圖1A所示，制備電路板I和半導(dǎo)體元件10如LSI (大規(guī)模集成電路)。
[0030]在布線板I的表面上設(shè)置由銅制成的第一電極2，并通過(guò)將鎳膜3和金膜4以此順序?qū)盈B來(lái)在第一電極2上形成第一阻擋金屬膜5。
[0031]鎳膜3通過(guò)非電解鍍覆形成為約4 μ m至6 μ m的厚度，并且包含鍍覆液中含有的少量磷。另外，金膜4通過(guò)非電解鍍覆形成為約0.1ym至0.3μπι的厚度。
[0032]同時(shí)，在半導(dǎo)體元件10的表面上，設(shè)置由銅制成的第二電極11。在第二電極11上，通過(guò)將鎳膜12和金膜13以此順序?qū)盈B來(lái)形成第二阻擋金屬膜14。具體地，鎳膜12通過(guò)電解鍍覆形成為約I μ m至2 μ m的厚度，并且金膜13通過(guò)電解鍍覆形成為約0.1 μ m至
0.3 μ m的厚度。
[0033]預(yù)先將連接端子8接合至第二阻擋金屬膜14。連接端子8的材料為Sn_57Bi釬料，Sn-57Bi釬料為Sn-Bi釬料的一個(gè)實(shí)例，其固相線溫度低至139°C。
[0034]然后，使連接端子8與第一阻擋金屬膜5進(jìn)行接觸，并且將連接端子8加熱至熔化。在此情況下，作為各自阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14的最上層而形成的金膜4和金膜13使阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14的表面具有Sn-57Bi釬料的良好潤(rùn)濕性。
[0035]此外，形成在由銅制成的第一電極2上的第一阻擋金屬膜5防止銅從第一電極2擴(kuò)散出而進(jìn)入連接端子8中。
[0036]在所保持的該狀態(tài)下，如圖1B所示，在熔化的連接端子8中的錫與在阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14中的每個(gè)中的鎳反應(yīng)。因此，在阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14中的每個(gè)中形成錫和鎳的合金層7，并且連接端子8經(jīng)由合金層7接合至電極2和電極11兩者。
[0037]因而，得到了具有安裝在布線板I上的半導(dǎo)體元件10的半導(dǎo)體器件15的基本結(jié)構(gòu)。
[0038]這里，在圖1B的步驟中，在合金層7的形成期間，在連接端子8中的比鉍更具反應(yīng)性的錫優(yōu)先與阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14反應(yīng)。因此，未反應(yīng)的鉍可留在連接端子8與阻擋金屬膜5和阻擋金屬膜14之間的界面X周?chē)@進(jìn)而導(dǎo)致鉍的局部偏析。
[0039]鉍有助于降低連接端子8的熔點(diǎn)，但在機(jī)械上是硬且脆性的。如上所述，當(dāng)鉍在界面X上偏析時(shí)，降低了連接端子8與電極2和電極11之間的接合強(qiáng)度，因而降低了半導(dǎo)體器件15的可靠性。
[0040]在下文中，將描述即使當(dāng)使用鉍作為用于連接端子的材料時(shí)也能防止半導(dǎo)體器件的可靠性降低的實(shí)施方案。
[0041](實(shí)施方案)
[0042]在本實(shí)施方案中，如下所述，通過(guò)將與阻擋金屬膜具有良好反應(yīng)性的鋅添加至連接端子來(lái)防止連接端子中的鉍的偏析。
[0043]圖2A和圖2B為根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件在其制造過(guò)程中的放大橫截面圖。
[0044]首先，如圖2A所示，制備布線板21和半導(dǎo)體元件25如LSI。
[0045]在布線板21的表面上設(shè)置由銅制成的第一電極22，并且在第一電極22上形成第一阻擋金屬膜23。另外，在半導(dǎo)體元件25的表面上設(shè)置由銅制成的第二電極26，并且在第二電極26上形成第二阻擋金屬膜27。
[0046]注意，后續(xù)將描述第一阻擋金屬膜23和第二阻擋金屬膜27的優(yōu)選層結(jié)構(gòu)。
[0047]預(yù)先將具有約0.6_直徑的釬料凸點(diǎn)作為連接端子24接合至第二阻擋金屬膜27。
[0048]作為用于連接端子24的材料的釬料主要由錫和鉍制成，并包含作為附加材料的鋅。釬料的成分組成沒(méi)有特別限制。本實(shí)施方案使用由具有錫和鉍的共晶組成的Sn-57B1-xZn(0.1 ^ x ^ I)所表示的釬料。鉍的包含將釬料的固相線溫度降低至約139°C。
[0049]然后，在第一阻擋金屬膜23與第二阻擋金屬膜27之間設(shè)置有連接端子24的情況下，通過(guò)回流將連接端子24加熱至熔化。后續(xù)將描述用于回流的優(yōu)選條件。
[0050]如上所述，作為連接端子24的材料的釬料具有約139°C的低固相線溫度。因此，能夠降低用于熔化連接端子24的溫度，并且因此減少了在回流期間對(duì)半導(dǎo)體元件25所造成的損害。
[0051]此后，通過(guò)保持連接端子24的熔化狀態(tài)，形成了連接端子24與阻擋金屬膜23和阻擋金屬膜27的材料的合金層30。因而，連接端子24經(jīng)由合金層30接合至電極22和電極26。
[0052]這里，在熔化的連接端子24中，其中所含的鋅的反應(yīng)性遠(yuǎn)高于剩余的錫。因此，在合金層30的形成期間，鋅比錫更優(yōu)先與阻擋金屬膜23和阻擋金屬膜27反應(yīng)。因此，合金層30主要由錫合金形成。
[0053]此外，與鋅相比具有較低反應(yīng)性的錫和鉍的大部分以未反應(yīng)狀態(tài)共存于連接端子24中。因而，防止了在連接端子24與阻擋金屬膜23和阻擋金屬膜27之間的界面Y處的單獨(dú)的鉍的偏析。因此，可以防止由于機(jī)械上脆性的鉍而導(dǎo)致連接端子24與電極22和電極26之間的接合強(qiáng)度的降低。
[0054]如上所述，通過(guò)抑制連接端子24中的錫與阻擋金屬膜23和阻擋金屬膜27反應(yīng)，添加至連接端子24的鋅起著使得錫和鉍共存于連接端子24中的作用。
[0055]然而，由于鋅比錫更容易氧化，因此添加至連接端子24的大量鋅導(dǎo)致在連接端子24的表面上形成氧化物層。這可妨礙電極22和電極26通過(guò)連接端子24的良好電連接。為了防止在連接端子24上形成氧化物層，優(yōu)選地，將連接端子24中的鋅的濃度設(shè)置為I重量％或更小。
[0056]另一方面，當(dāng)鋅的濃度太低時(shí)，這樣低濃度的鋅難以抑制連接端子24中鉍的偏析。因此，優(yōu)選地，通過(guò)將連接端子24中的鋅濃度設(shè)置為0.1重量％或更大來(lái)有效地抑制鉍的偏析。
[0057]此外，為了防止連接端子24通過(guò)回流被氧化，優(yōu)選在氧濃度降低至IOOOppm或更小的氮?dú)夥罩袌?zhí)行回流。
[0058]此外，第一阻擋金屬膜23的設(shè)置抑制了銅從第一電極22擴(kuò)散進(jìn)連接端子24中。這防止了由于錫與銅之間的反應(yīng)而導(dǎo)致的連接端子24中的鉍濃度的相對(duì)增加，并且抑制了連接端子24中的鉍的偏析。因此，提高了連接端子24與第一電極22之間的接合強(qiáng)度。類(lèi)似地，第二阻擋金屬膜27也防止了銅從第二電極26擴(kuò)散進(jìn)連接端子24中。
[0059]因而，實(shí)現(xiàn)了具有安裝在布線板21上的半導(dǎo)體元件25的半導(dǎo)體器件31的基本結(jié)構(gòu)。
[0060]圖3為半導(dǎo)體器件31的整體橫截面圖。
[0061]如圖3所示，在布線板21的主表面上設(shè)置有由銅制成的多個(gè)焊墊34，布線板21的主表面是與安裝有半導(dǎo)體元件25的一側(cè)相反的一側(cè)。此外，作為外部連接端子，釬料凸點(diǎn)36接合至焊墊34。這樣配置的半導(dǎo)體器件31也被稱為BGA(球柵陣列)半導(dǎo)體器件。
[0062]注意，為了提高布線板21與半導(dǎo)體元件25之間的機(jī)械連接強(qiáng)度，可以在它們之間設(shè)置底部填充樹(shù)脂。
[0063]在如上所述的本實(shí)施方案中，將與阻擋層金屬膜23和阻擋層金屬膜27的反應(yīng)性比錫高的鋅添加至連接端子24，從而防止了連接端子24中的鉍的偏析。因而，提高了連接端子24與電極22和電極26之間的接合強(qiáng)度。
[0064]本申請(qǐng)的發(fā)明人研究了連接端子24的接合強(qiáng)度被提高了多少。
[0065]圖4示出了研究結(jié)果。
[0066]在此研究中，在如上所述的在連接端子24被接合至電極22和電極26之后，將連接端子24加熱至125°C以加快鉍的偏析，并且因而進(jìn)行了加速試驗(yàn)。
[0067]在圖4中，橫軸表示如上所述加熱連接端子24的時(shí)間，而縱軸表示第一電極22與連接端子24之間的接合強(qiáng)度。注意，接合強(qiáng)度被定義為在沿連接端子24從布線板21剝離的方向增加力時(shí)，連接端子24從第一電極22剝離時(shí)所施加的力。[0068]在將Sn-57B1-l.0Zn用作用于連接端子24的材料和將Sn-57Bi_0.5Zn用作用于連接端子24的材料的情況中的每個(gè)情況下研究接合強(qiáng)度。注意，將鎳用作用于第一阻擋金屬膜23的材料。
[0069]此外，在研究中，還將圖1B所示的連接端子8與第一電極2之間的接合強(qiáng)度作為比較例來(lái)研究。如上所述，在比較例中，將未添加鋅的Sn-57Bi釬料用作用于連接端子8的材料。
[0070]如圖4所示，在比較例中，接合強(qiáng)度隨著時(shí)間突然下降。這被認(rèn)為是由于連續(xù)加熱連接端子8并且因此加快了連接端子8中的鉍的偏析而導(dǎo)致的。
[0071]在本實(shí)施方案中，另一方面，在Sn-57B1-l.0Zn和Sn-57Bi_0.5Zn兩者的情況下，均抑制了接合強(qiáng)度的降低。這證實(shí)了，通過(guò)將鋅添加至主要由錫和鉍制成的釬料中并且將所述釬料用作用于連接端子24的材料，實(shí)際保持了連接端子24與第一電極22之間的接合強(qiáng)度。
[0072]接著，將描述上述的第一阻擋金屬膜23的優(yōu)選層結(jié)構(gòu)。
[0073]圖5A為在接合連接端子24之前的狀態(tài)下根據(jù)第一實(shí)施例的第一阻擋金屬膜23的橫截面圖。
[0074]在此實(shí)施例中，將鎳膜23a和金膜23b以此順序形成在第一電極22上，并且這些金屬層被用作第一阻擋金屬膜23。
[0075]在這些膜中，鎳膜23a具有優(yōu)良的防止銅擴(kuò)散的能力。因此，鎳膜23a抑制了銅從第一電極22擴(kuò)散進(jìn)連接端子24中。
[0076]對(duì)于形成鎳膜23a的方法，存在電解鍍覆和非電解鍍覆。當(dāng)鎳膜23a通過(guò)非電解鍍覆形成時(shí)，鎳膜23a包含鍍覆液中含有的微量磷。如上所述的含磷的鎳也被稱為NiP。
[0077]此外，鎳膜23a的厚度沒(méi)有特別限制。當(dāng)鎳膜23a通過(guò)非電解鍍覆形成時(shí)，膜23a的厚度為例如約4 μ m至6 μ m。另一方面，當(dāng)通過(guò)電解鍍覆形成NiP膜作為鎳膜23a時(shí)，膜23a的厚度為例如I μ m至2 μ m。
[0078]同時(shí)，第一阻擋金屬膜23的最上層中的金膜23b起著改善第一阻擋金屬膜23上的連接端子24的潤(rùn)濕性的作用。金膜23b例如通過(guò)非電解鍍覆形成，并且厚度為約0.3 μ m。
[0079]圖5B為在接合連接端子24之前的狀態(tài)下根據(jù)第二實(shí)施例的第一阻擋金屬膜23的橫截面圖。
[0080]在第二實(shí)施例中，在第一實(shí)施例中所述的鎳膜23a與金膜23b之間設(shè)置有鈀膜23c。
[0081]與金膜23b的情況一樣，鈀膜23c具有改善連接端子24的潤(rùn)濕性的功能。因而，在通過(guò)減少金膜23b的厚度而減少了用于形成昂貴金膜23b成本的同時(shí)，保持了連接端子24的潤(rùn)濕性。
[0082]雖然鈀膜23c的厚度沒(méi)有特別限制，但在此實(shí)施例中，鈀膜23c通過(guò)非電解鍍覆而形成約0.05 μ m的厚度。
[0083]另外，在第二實(shí)施例中，如上所述，可以減小金膜23b的厚度。因而，在本實(shí)施方案中，通過(guò)閃鍍來(lái)形成約0.075 μ m厚度的金膜23b。
[0084]注意，形成鎳膜23a的方法與第一實(shí)施例中的方法相同。鎳膜23a可以通過(guò)電解鍍覆形成，或者鎳膜23a可以通過(guò)非電解鍍覆形成為NiP膜。當(dāng)鎳膜23a通過(guò)非電解鍍覆形成時(shí)，鎳膜23的厚度為例如約4 μ m至6 μ m。另一方面，當(dāng)鎳膜23a通過(guò)非電解鍍覆形成為NiP膜時(shí)，鎳膜23a的厚度為例如I μ m至2 μ m。
[0085]雖然如上描述第一阻擋金屬膜23的層結(jié)構(gòu)，但第二阻擋金屬膜27也可以采用與圖5A和圖5B中所示的層結(jié)構(gòu)相同的層結(jié)構(gòu)。
[0086]圖6A和圖6B為當(dāng)連接端子24接合至根據(jù)圖5A和圖5B的各自實(shí)施例的第一阻擋金屬膜23時(shí)，根據(jù)橫截面BF STEM(明場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡)圖像所繪制的圖。注意，在圖6A和圖6B的實(shí)施例中的每個(gè)中，鎳膜23a通過(guò)非電解鍍覆形成為NiP膜。
[0087]在第一實(shí)施例中，如圖6A所示，鎳膜23a的表面層部分與連接端子24中的鋅之間的反應(yīng)導(dǎo)致在第一阻擋金屬膜23與連接端子24之間的界面處形成主要由NiZn制成的合金層30。注意，在第一阻擋金屬膜23的最上層中形成的金膜23b是薄的并且因而不會(huì)出現(xiàn)在BF STEM圖像中。
[0088]同時(shí)，在第二實(shí)施例中，如圖6B所示，形成包含AuZn和PbZn的合金層30。通過(guò)金膜23b和鈀膜23c的表面層部分與包含在連接端子24中的鋅的反應(yīng)來(lái)形成合金層30。
[0089]在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例兩者中，不與第一阻擋金屬膜23反應(yīng)的未反應(yīng)的錫、鉍和鋅共存在于合金層30上方的連接端子24中。
[0090]接著，將描述根據(jù)本實(shí)施方案的用于連接端子24的優(yōu)選回流條件。
[0091]如上所述，在本實(shí)施方案中，通過(guò)圖2B的步驟中的回流來(lái)熔化連接端子24。
[0092]圖7為示出在回流期間的溫度曲線的曲線圖。橫軸表示回流時(shí)間，并且縱軸表示連接端子24的溫度。
[0093]另外，在圖7中，由實(shí)線所示的曲線A表示本實(shí)施方案的溫度曲線，而由虛線所示的曲線B表示根據(jù)比較例的溫度曲線。
[0094]注意，如上所述，在此實(shí)施例中，為了防止連接端子24在回流期間被氧化，在氧濃度降低至1000ppm或更小的氮?dú)夥罩袌?zhí)行回流。
[0095]如曲線A所示，在本實(shí)施方案中的溫度曲線分為第一時(shí)段41至第五時(shí)段45。
[0096]在第一時(shí)段41中，開(kāi)始回流以提高連接端子24的溫度，然后在連接端子24的溫度達(dá)到其固相線溫度Tmp之前停止溫度上升。
[0097]在下個(gè)第二時(shí)段42中，通過(guò)將連接端子24保持在恒定溫度下來(lái)將布線板21和半導(dǎo)體元件25兩者的構(gòu)成成分保持在溫?zé)岬臓顟B(tài)。
[0098]然后，在第三時(shí)段43中，恢復(fù)連接端子24的溫度上升以將連接端子24加熱至等于或高于連接端子24的固相線溫度Tmp的溫度，因而熔化連接端子24。
[0099]這里，在本實(shí)施方案中，當(dāng)連接端子24達(dá)到比固相線溫度Tmp高預(yù)定溫度Λ T的溫度時(shí)，再次停止溫度上升。然后，在第四時(shí)段44中，將連接端子24保持在恒定溫度Td =Tmp+ΔΤ)下。
[0100] 如上所述，通過(guò)將連接端子24保持在不低于固相線溫度Tmp的溫度Ttl下，確保了第一阻擋金屬膜23有足夠時(shí)間與熔化的連接端子24接觸。因此，促進(jìn)了上述合金層30的形成。因而，合金層30被形成為在第一阻擋金屬膜23的整個(gè)表面上具有均勻厚度。因此，提高了第一阻擋金屬膜23與連接端子24之間的接合強(qiáng)度。
[0101]雖然不特別限制如上所述的預(yù)定溫度AT，但優(yōu)選采用在連接端子24中共存有固相釬料和液相釬料的溫度△ Τ。這樣固相釬料和液相釬料的共存使得合金層30形成的進(jìn)度比整個(gè)連接端子24在液相的情況下慢。因而，更容易形成具有均勻厚度的合金層30，并且通過(guò)穩(wěn)定形狀的合金層30來(lái)實(shí)現(xiàn)上述接合強(qiáng)度的有效改善。
[0102]注意，上述共存有固相釬料和液相釬料的溫度Λ T的范圍為例如O0C^ ΔΤ ^ 10。。。
[0103]當(dāng)?shù)谒臅r(shí)段44的時(shí)間t較短時(shí)，合金層30的形成就變得困難。因而，優(yōu)選地，通過(guò)將時(shí)間t設(shè)置為15秒或更多來(lái)形成具有足夠厚度的合金層30以改善接合強(qiáng)度。
[0104]之后，在第五時(shí)段45中，恢復(fù)連接端子24的溫度上升來(lái)將連接端子24加熱至回流的最高溫度Tmax(約180°C )，從而大致將整個(gè)連接端子24設(shè)置在液相下。因而，減少了連接端子24中元素的組成變化。因此，較有效地抑制了連接端子24中鉍的偏析。因此，進(jìn)一步改善了連接端子24與電極22和電極26之間的接合強(qiáng)度。
[0105]隨后，將連接端子24冷卻至室溫以被凝固。因而，布線板21和半導(dǎo)體元件25經(jīng)由連接端子24機(jī)械地連接。
[0106]在本實(shí)施方案中，如上所述，通過(guò)將連接端子24保持在不低于第四時(shí)段44中的固相線溫度Tmp的溫度Ttl下，促進(jìn)了合金層30的形成以改善連接端子與第一電極22之間的接合強(qiáng)度24。
[0107]注意，比較例的曲線B不具有連接端子被保持在恒定溫度Ttl的時(shí)段。因而，合金層30的快速形成 使得合金層30的厚度不均勻。因此，利用合金層30改善連接端子24與第一電極22之間的接合強(qiáng)度被認(rèn)為是困難的。
[0108]接著，將描述本申請(qǐng)的發(fā)明人所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。
[0109]圖8為用于說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中所用的第一阻擋金屬膜23的樣品Pl到樣品P4的層結(jié)構(gòu)的表。
[0110]如參照?qǐng)D5A和圖5B所述,存在用于第一阻擋金屬膜23的第一實(shí)施例和第二實(shí)施例。此外，在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例兩者中，在第一阻擋金屬膜23中形成鎳膜23a。如上所述，存在兩種方法即電解鍍覆和非電解鍍覆作為形成鎳膜23a的方法。
[0111]在此實(shí)驗(yàn)中，在第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中的每個(gè)中，電解鍍覆和非電解鍍覆被用作形成鎳膜23a的方法，如圖8所示。因而，共形成四個(gè)樣品Pl至P4。
[0112]同時(shí)，使用圖9所示的四個(gè)溫度曲線作為回流溫度曲線。
[0113]溫度曲線中的每個(gè)均具有與圖7所示的曲線A相同的形狀。然而，在此實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)采用固相線溫度和150°C作為第四時(shí)段44中的恒定溫度Ttl(見(jiàn)圖7)并且還采用15秒和30秒作為第四時(shí)段44中的時(shí)間t來(lái)總共使用四個(gè)溫度曲線I至4。
[0114]注意，在將“固相線溫度”設(shè)置為溫度V清況下的溫度曲線I和溫度曲線2中，采用連接端子24的固相線溫度Tmp(約139°C)作為第四時(shí)段44中的恒定溫度I；。同時(shí)，在將“150°C”設(shè)置為溫度Ttl情況下的溫度曲線3和溫度曲線4中，采用比連接端子24的固相線溫度Tmp(約139°C )高約10°C的150°C作為第四時(shí)段44中的恒定溫度T。。
[0115]圖8中的四個(gè)樣品Pl至P4和圖9中的四個(gè)溫度曲線對(duì)應(yīng)于第一阻擋金屬膜23和溫度曲線的總共十六個(gè)(4X4)組合。
[0116]圖10為示出上述十六個(gè)組合的表。
[0117]在此實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于所有的十六個(gè)組合，使用具有以下組成的釬料來(lái)測(cè)量第一電極22與連接端子24之間的接合強(qiáng)度。[0118]圖11為示出在實(shí)驗(yàn)中用作用于連接端子24的材料的釬料樣品SI至釬料樣品S21的組成的表。注意，在圖11中由質(zhì)量百分比來(lái)表示釬料組成。此外，空白單元格表示不存在對(duì)應(yīng)于這些單元格的組成。并且錫濃度“Bal.”表示平衡錫濃度以使整個(gè)釬料的質(zhì)量百分比成為100重量％。
[0119]所有釬料樣品SI至釬料樣品S24主要由錫和鉍制成，并且使用鋅作為附加材料。
[0120]注意，在樣品SI至樣品S3中，只有鋅被用作附加材料并且沒(méi)有使用除鋅以外的其它附加材料。
[0121]此外，還使用銀(Ag)作為樣品S4至樣品S6中的附加材料，并且還使用銻(Sb)作為樣品S7至樣品S9中的附加材料。此外，還使用鈷(Co)作為樣品SlO至樣品S12中的附加材料，并且還使用鎳(Ni)作為樣品S13至樣品S15中的附加材料。此外，還使用鋁(Al)作為樣品S16至樣品S18中的附加材料，并且還使用鍺作為樣品S19至樣品S21中的附加材料。在樣品S22至樣品S24中，還使用磷作為附加材料。
[0122]作為實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在含有作為附加材料的鋅的樣品SI到樣品S24中，第一電極22與連接端子24之間的接合強(qiáng)度為20N或更大，即使針對(duì)圖10中的所有十六個(gè)組合使第一電極22和連接端子24兩者接合然后在125°C下加熱這兩者達(dá)500小時(shí)之后也是如此。
[0123]上述結(jié)果表明，鋅有效地改善了接合強(qiáng)度并且即使當(dāng)除鋅以外的銀、銻、鈷、鎳、鋁、磷和鍺中的任一種添加到釬料中時(shí)，接合強(qiáng)度也得到了改善。
[0124]還證實(shí)了，在圖8中的樣品P3和P4的情況下，特別是當(dāng)?shù)谝蛔钃踅饘倌?3包括鈀膜23c時(shí)，接合強(qiáng)度是其他樣品Pl和P2的1.2倍或更多倍。
[0125]另一方面，如圖4所示，在將未添加鋅的Sn_57Bi釬料用作連接端子24的比較例中，當(dāng)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下將加熱時(shí)間設(shè)置為500小時(shí)時(shí)，接合強(qiáng)度降低至本實(shí)施方案中的接合強(qiáng)度的約一半。
[0126]這證實(shí)了，對(duì)于圖8中的第一阻擋金屬膜23的四個(gè)層結(jié)構(gòu)，圖9中的四個(gè)溫度曲線以及圖10中的釬料組成的所有二十一種組合，與比較例相比，均改善了第一電極22與連接端子24之間的接合強(qiáng)度。
[0127]此外，本申請(qǐng)的發(fā)明人進(jìn)行如下測(cè)試以評(píng)估根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件31 (見(jiàn)圖3)的可靠性。
[0128]所述測(cè)試是將半導(dǎo)體器件31在_25°C與125°C之間重復(fù)冷卻和加熱500個(gè)周期的溫度周期測(cè)試。在溫度周期測(cè)試之后，根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件31具有電極22與電極26之間的電阻的10%或更小的良好上升率。此外，即使當(dāng)半導(dǎo)體器件31留在具有121°C溫度和85%濕度的熱且潮濕的條件下達(dá)1000小時(shí)時(shí)，電阻的上升率仍保持在低至溫度周期測(cè)試情況下的電阻的上升率的10%或更小。
[0129]另一方面，在將未添加鋅的Sn_57Bi釬料用作連接端子24的比較例中，在相同的溫度周期測(cè)試之后，電阻的上升率超過(guò)10%。此外，當(dāng)根據(jù)比較例的半導(dǎo)體器件留在具有121°C溫度和85%濕度的熱且潮濕的條件下達(dá)1000小時(shí)時(shí)，電阻的上升率超過(guò)10%。
[0130]此結(jié)果證實(shí)，本實(shí)施方案在改善半導(dǎo)體器件的可靠性上也是有效的。
[0131]雖然上面詳細(xì)描述了本實(shí)施方案，但本實(shí)施方案并不限于上述內(nèi)容。
[0132]例如，雖然在圖11中銀、銻、鈷、鎳、鋁、鍺和磷中的任一種單獨(dú)添加至釬料來(lái)作為用于連接端子24的材料，但其任意組合均可以添加至釬料。在此情況下，如上所述，也改善了連接端子24與電極22和電極26中的每個(gè)電極之間的接合強(qiáng)度。
[0133]此外，雖然在圖3中，根據(jù)實(shí)施方案，布線板21和半導(dǎo)體元件25經(jīng)由連接端子24連接，但任意有源元件或無(wú)源元件均可以經(jīng)由連接端子24連接至布線板21。此外，也不特別限制布線板21的使用。布線板21可以用于任意電子設(shè)備如服務(wù)器和個(gè)人計(jì)算機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括: 在布線板的第一電極和半導(dǎo)體兀件的第二電極中的至少一者的表面上形成阻擋金屬膜； 在所述第一電極與所述第二電極之間設(shè)置連接端子，所述連接端子由含錫、鉍和鋅的釬料制成；以及 通過(guò)加熱所述連接端子并且將所述連接端子的溫度保持在不低于所述釬料的固相線溫度的恒定溫度下一定時(shí)間段，來(lái)將所述連接端子接合至所述阻擋金屬膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述阻擋金屬膜為包含鎳膜的金屬層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬層為通過(guò)按敘述順序?qū)盈B所述鎳膜和金膜而得到的層疊膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬層為通過(guò)按敘述順序?qū)盈B所述鎳膜、鈀膜和金膜而得到的層疊膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述恒定溫度為固相釬料和液相釬料在所述連接端子中共存的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述恒定溫度為不高于通過(guò)將所述固相線溫度加10°c所得到的溫度的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述一定時(shí)間段為15秒或更多。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在所述連接端子的加熱中，在所述一定時(shí)間段過(guò)去之后，將所述連接端子的溫度升至比所述恒定溫度高的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述釬料的主要組分為所述錫和所述鉍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在所述釬料中的所述鋅的濃度為不小于0.1重量％并且不大于I重量％。
11.一種半導(dǎo)體器件，包括: 包括第一電極的布線板； 包括第二電極的半導(dǎo)體元件； 設(shè)置在所述第一電極和所述第二電極中的任一者的表面上的阻擋金屬膜；以及設(shè)置在所述第一電極與所述第二電極之間的連接端子，所述連接端子接合至所述阻擋金屬膜并由含錫、鉍和鋅的釬料制成，其中， 在所述阻擋金屬膜與所述連接端子之間形成有由所述阻擋金屬膜的材料和所述鋅制成的合金層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件，其中所述阻擋金屬膜為包含鎳膜的金屬層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬層為通過(guò)按敘述順序?qū)盈B所述鎳膜和金膜而得到的層疊膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其中所述金屬層為通過(guò)按敘述順序?qū)盈B所述鎳膜、鈀膜和金膜而得到的層疊膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述釬料的主要組分為所述錫和所述鉍。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件，其中所述釬料中的所述鋅的濃度為不小于0.1重量％并且不大于I重量％。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK103972115SQ201310594257
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】清水浩三, 作山誠(chéng)樹(shù), 宮島豐生 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社