(57)【要約】  改良されたはんだ接合システムを備えた半導体デバイスを説明する。はんだシステムは、はんだの本体（１２０）によって接続される２つの銅コンタクト・パッドを含み、このはんだは、錫、銀、及び元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属、を含む合金である。このはんだ接合システムは、更に、銅及び錫の化合物、及び銅、銀、及び錫の化合物の粒子を含む金属間化合物層を、パッドとはんだとの間に含む。これらの化合物は遷移金属を含む。化合物粒子内に遷移金属を含むことで、化合物粒子サイズが低減し、繰り返される固体／液体／固体サイクルを受けるはんだ接合後に粒子サイズが増大することを防ぐ。
2009526382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造体であって、
銅の面を備えた第１のコンタクト・パッド、
銅の面を備え、第１のコンタクト・パッドに対向して配置される、第２のコンタクト・パッド、
前記第１及び第２のコンタクト・パッドに接するはんだ本体であって、前記はんだが、第１の重量パーセントの量の錫と、第２の重量パーセントの量の銀と、平均量が約0.01から約0.5重量パーセントの、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属と、を含む合金であり、前記第１及び第２のコンタクト・パッド近辺のはんだ領域が、ゼロパーセントより大きい第３の重量パーセントを有し、前記はんだ本体の中央領域が、前記第３の重量パーセントより大きい第４の重量パーセントを有する、前記はんだ本体、及び
前記第１のコンタクト・パッドと前記はんだ本体との間の金属間化合物の第１の層と、前記第２のコンタクト・パッドと前記はんだ本体との間の金属間化合物の第２の層とを含み、
前記化合物が、銅及び錫の化合物、及び銅、銀、及び錫の化合物の粒子を含み、前記化合物が遷移金属を含む、構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の構造体であって、前記遷移金属が、ニッケル、プラチナ、又はコバルトのうち少なくとも１つである、構造体。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の構造体であって、前記金属間化合物が、Sn３Ag、Ag3Sn、及び(CuX)6Sn5を含み、ここで、Ｘが前記遷移金属である、構造体。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の構造体であって、前記銅のコンタクト・パッドの少なくとも１つの上に、銅以外の１つ又はそれ以上の障壁金属層を更に含む、構造体。
【請求項５】
請求項４に記載の構造体であって、前記銅のコンタクト・パッドに接する前記障壁金属層が、ニッケル層及び金層である、構造体。
【請求項６】
第１のデバイス、第２のデバイス、はんだ本体、及びはんだ接合を含む半導体デバイスであって、
前記第１のデバイスが、
第１の面及び第２の面を有する基板と、
前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップと、
前記第１の基板面上の前記組み立てられた少なくとも１つのチップ近辺に配置される、第１の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の基板面上の第２の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の複数の銅コンタクト・パッドの各銅コンタクト・パッドに取り付けられる、はんだ本体とを含み、
前記第２のデバイスが、
第１及び第２の面を有する基板と、
前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップと、
前記第１のデバイスの前記第１の複数のコンタクト・パッドに合致して配置される、前記第２の基板面上の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の基板面上の各コンタクト・パッドに取り付けられるはんだ本体とを含み、
前記第２のデバイスは、前記第２のデバイスの前記第２の基板面上の１つのコンタクト・パッドに取り付けられた各はんだ本体が、前記第１のデバイスの前記第１の複数のコンタクト・パッドの対応するパッドに接し、かつ接続されるように、前記第１のデバイスと整合され、
前記はんだ本体が、第１の重量パーセントの量の錫と、第２の重量パーセントの量の銀と、平均量が約0.01から約0.5重量パーセントの、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属と、を含む合金であって、前記第１及び第２のコンタクト・パッド近辺のはんだ領域が、ゼロパーセントより大きい第３の重量パーセントを有し、前記はんだ本体の中央領域が、前記第３の重量パーセントより大きい第４の重量パーセントを有し、
前記はんだ接合が、各銅コンタクト・パッドと前記はんだ本体との間に金属間化合物の層を含み、前記金属間化合物が、銅及び錫の化合物、及び銅、銀、及び錫の化合物の粒子を含み、
前記金属間化合物が前記遷移金属を含む、
半導体デバイス。
【請求項７】
電子的システムであって、
第１の半導体デバイスであって、
第１及び第２の面を有する基板と、
前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップと、
前記組み立てられた少なくとも１つの半導体チップ近辺の前記第１の基板面上の第１の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の基板面上の第２の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の複数の銅コンタクト・パッドの各銅コンタクト・パッドに取り付けられるはんだ本体とを含む、前記第１の半導体デバイス、
第２の半導体デバイスであって、
第１及び第２の面を有する基板と、
前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップと、
前記第１のデバイスの前記第１の複数の銅コンタクト・パッドに合致して配置される、前記第２の基板面上の複数の銅コンタクト・パッドと、
前記第２の基板面上の各銅コンタクト・パッドに取り付けられるはんだ本体とを含み、
前記第２のデバイスの前記第２の基板面上のパッドに取り付けられる各はんだ本体が、前記第１のデバイスの前記第１の複数の銅コンタクト・パッドの対応するパッドに接するように、前記第１のデバイスと整合される、前記第２の半導体デバイス、
前記第１のデバイスの前記第２の複数の銅コンタクト・パッドに合致して配置される銅コンタクト・パッドを有する回路基板、
を含み、
第１のデバイスは、前記第１のデバイスの前記第２の基板面上の１つのパッドに取り付けられる各はんだ本体が、前記回路基板の対応するパッドに接するように、前記回路基板と整合され、
前記はんだ本体が、第１の重量パーセントの量の錫と、第２の重量パーセントの量の銀と、平均量が約0.01から約0.5重量パーセントの、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属と、を含む合金であって、前記第１及び第２のコンタクト・パッド近辺のはんだ領域が、ゼロパーセントより大きな第３の重量パーセントを有し、前記はんだ本体の中央領域が、前記第３の重量パーセントより大きな第４の重量パーセントを有し、
更に、各銅コンタクト・パッドと前記はんだ本体との間の金属間化合物の層であって、前記化合物が、銅及び錫の化合物、及び銅、銀、及び錫の化合物の粒子を含む、前記金属間化合物の層、
を含み、
前記金属間化合物が前記遷移金属を含む、
電子的システム。
【請求項８】
積層半導体デバイスを製造するための方法であって、前記方法が、
第１の半導体デバイスを製造する工程であって、第１及び第２の面を有し、前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップを更に有する、基板を提供する工程を含み、前記基板が、前記第１の基板面上に前記組み立てられた少なくとも１つのチップを囲む位置に第１の複数の銅コンタクト・パッドを、及び前記第２の基板面上に第２の複数の銅コンタクト・パッドを有する、前記第１の半導体デバイスを製造する工程、及び
第２の半導体デバイスを製造する工程であって、第１及び第２の面を有し、前記第１の基板面上に組み立てられる少なくとも１つの半導体チップを更に有する、基板を提供する工程を含み、前記基板が、前記第１のデバイスの前記第１の複数の銅コンタクト・パッドに合致して配置される複数の銅コンタクト・パッドを前記第２の基板面上に有する、前記第２の半導体デバイスを製造する工程、
第１の重量パーセントの錫と、第２の重量パーセントの銀と、約0.01から約0.5重量パーセントの量の、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属との実質的に均一な合金としてはんだ本体を選択する工程、
各銅コンタクト・パッドとはんだ本体との間に金属間化合物の層をつくるため、前記第２の基板面上の各銅コンタクト・パッドにはんだ本体を取り付け及びリフローさせる工程であって、前記化合物が、銅及び錫の化合物、及び銅、銀、及び錫の化合物の粒子を含み、前記化合物が、前記少なくとも１つの遷移金属を含む、前記取り付け及びリフローさせる工程、
各はんだ本体が、前記第１のデバイスの前記第１の複数のパッドの対応するパッドに接するように、前記第２のデバイスを前記第１のデバイスに整合させる工程、
前記はんだ本体をリフローさせる工程、
前記第１のデバイスの前記第２の複数の銅コンタクト・パッドの各々に合金はんだ本体を取り付ける工程、及び
前記はんだ本体をリフローさせる工程
を含む、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記遷移金属が、ニッケル、プラチナ、又はコバルトのうち少なくとも１つを含む、方法。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の方法であって、
前記第１のデバイスの前記第２の複数の銅コンタクト・パッドに合致する位置に、銅コンタクト・パッドを有する回路基板を提供し、
前記第１のデバイスの前記第２の複数の銅コンタクト・パッドの１つに取り付けられる各はんだ本体が、対応する基板パッドに接するように、積層デバイスを前記回路基板と整合させ、更に、
前記はんだ本体をリフローさせる
工程を更に含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的に、電子的システム及び半導体デバイスへの適用を含む治金学的システムの分野に関し、更に具体的には、半導体製品のはんだ接合における金属間粒子サイズを制御するための方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
（背景）
半導体チップ上の集積回路が、はんだなどのリフロー材料を用いて基板上の外部回路に相互接続されるとき、又はパッケージングされた半導体チップが、リフローはんだを用いて基板に相互接続される必要があるとき、組み立てられるべき部品は、リフロー材料の溶融温度を超える温度までの少なくとも１回の温度上昇、及びその後続く冷却サイクルに耐える必要がある。このプロセスが終了した後、完成したアッセンブリは、たいてい、アニール工程、即ち、長時間にわたって繰り返される温度変動、を受ける必要がある。また、組み立てられた部品は、しばしば、著しい温度偏移及び高湿などの欠陥加速条件に繰り返し曝露された後の信頼性の高い機能性を判定するために試験される必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リフロー組み立てされる部品の初期開発以来研究された故障のメカニズムは、大半は応力により引き起こされる接合疲労、クリープ、及びクラックであった。同様に、応力により引き起こされる故障は、はんだなどのリフロー材料を用いて外部部品上に組み立てられるデバイス・パッケージ全体の研究対象の中心となっている。金属相互拡散、化合物形成、及び格子不整合などの金属間作用によって起こる、アッセンブリ接合において徐々に進行する変化にはあまり注目が向けられていない。これらの変化は、或る金属では特に顕著であり、不可逆であり得、完成したデバイスの信頼性を低減させ得る。
特に、はんだに直に接する銅パッドは、とりわけ機械的衝撃（「落下」）試験において、脆弱性を示すことがわかっている。はんだ反応を制限するために、銅とはんだとの間の拡散障壁としてニッケル層を実装することが１つの解決策となっている。しかし、めっきするプロセスを付加することは、大型のボード及び基板では実用的ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（概要）
出願人は、落下試験においても高いデバイス信頼性が必要であることを認識しており、繰り返される固体／液体／固体サイクル下、及び長期間の高温の影響下で、銅と二元はんだ、特に錫／銀合金、との間の界面を研究した。この調査により、高温偏移下では、銅を含む、元々小さな粒子の金属間化合物は、大きな粒子の化合物に次第に成長し、更に、はんだと銅との間の界面で大量のカーケンダル・ボイドを形成することが分かった。いずれの現象も、金属間接合の界面強度を次第に低減させ、落下試験後に見られるはんだ接合クラックにつながる。
【０００５】
更に、出願人は、元素の周期系の或る遷移族からの金属を含む、錫／銀ベースの三元はんだ合金は、或る金属間化合物内の銅に取って代わる能力を有し、繰り返される固体／液体／固体サイクル後でも金属間粒子サイズが低減されかつ一定となり、金属間層の厚みを低減させることを認識している。これらの効果は、落下試験におけるデバイス信頼性を著しく改善させる。
【０００６】
本発明の一実施例は、２つの銅コンタクト・パッドがはんだの本体によって接続される、金属相互接続構造である。このはんだは、錫、銀、及び元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属、を含む合金である。これらのパッドとはんだとの間は、はんだ本体に由来する遷移金属を含む、銅／錫の、及び銅／銀／錫の化合物の粒子を備えた金属間化合物の層である。これらのコンタクト・パッド近辺のはんだ領域内の遷移金属の重量パーセントは、はんだ本体の中央領域内の遷移金属の重量パーセントより小さい。遷移金属を含むため、化合物粒子は小さく、固体／液体／固体サイクル後も小さいままである。
【０００７】
遷移族IIIaの金属は、スカンジウム、イットリウム、及びランタンを、IVa族の金属は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムを、Va族の金属は、バナジウム、ニオブ、及びタンタルを、VIa族の金属は、クロム、モリブデン、及びタングステンを、VIIa族の金属は、マンガン、及びレニウムを、及びVIIIa族の金属は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及びプラチナを含む。
【０００８】
本発明の別の実施例は、第１のデバイスと第２のデバイスとを含む積層半導体デバイスである。第１のデバイスは、基板、１つの基板面上に組み立てられる半導体チップ、及び反対側の基板面上の銅コンタクト・パッドを含む。第２のデバイスは、基板、１つの基板面上に組み立てられる半導体チップ、及び、はんだによって接続される第１のパッケージのパッドと整合される、組み立てられたチップを囲む銅コンタクト・パッドを含む。第２のデバイスは、組み立てられたチップの反対側の基板面上に銅コンタクト・パッドを更に有する。
【０００９】
はんだの本体は、錫、銀、及び元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属、を含む合金である。各銅コンタクト・パッドとはんだ本体との間に金属間化合物の層がある。金属間化合物は、はんだ本体からの遷移金属を含む、銅／錫の、及び銅／銀／錫の化合物の粒子を含む。従って、これらのコンタクト・パッド近辺のはんだ領域内の遷移金属重量パーセントは、はんだ本体の中央領域内の重量パーセントより小さい。遷移金属を含む化合物粒子は、粒子サイズが小さく、固体／液体／固体サイクル後も小さいままである。このため、本発明は、落下試験などの信頼性試験における故障率が著しく低減された、パッケージ・オン・パッケージ積層デバイスなどの半導体デバイスを生成する。
【００１０】
本発明の別の実施例は、回路基板の銅コンタクト・パッド上にはんだ付けされた積層デバイスを有する、電子的システムである。この電子的システムは、更に、この基板のパッドに整合されるパッドを備えた第２の積層デバイス、及び整合されたパッドを接続する合金はんだの本体を有する。この合金は、前に列記した遷移族から少なくとも１つの金属を有する。この場合も、パッドと、遷移金属を粒子状で含むはんだ本体との間に、金属間化合物の層がある。遷移金属を含むことにより、はんだリフロー後に形成される化合物粒子サイズだけでなく、化合物層厚みも低減され、繰り返される固体／液体／固体サイクル後の化合物粒子サイズを再現可能に小さくし、その結果、システム信頼性性能が著しく改良される。
【実施例】
【００１１】
図１は、絶縁基板、回路基板、又は半導体材料でつくられる第１の基板を示す、金属相互接続構造体要素１０１を概略的に示す。基板面は、保護オーバーコート（例えば、二酸化シリコン、シリコン窒化物、又はポリイミド）又ははんだマスクなどの絶縁性材料１０２で覆われ、その厚みは約20μmから40μmの間であることが好ましい。オーバーコート１０２には、金属性コンタクト・パッド１０３を露出させる窓がある。コンタクト・パッド１０３に好ましい金属は、約10μmから30μmまでの厚み範囲の、銅又は銅合金である。
【００１２】
要素１１１は、第２の絶縁性基板、第２の回路基板、又は第２の半導体材料を示す。その表面は、第２の金属性コンタクト・パッド１１３を露出させる窓を有する、何らかの絶縁性の、保護材料１１２で覆われる。コンタクト・パッド１１３に好ましい金属は、約10μmから30μmまでの厚み範囲の、銅又は銅合金である。
【００１３】
図１の変形例において、第１のコンタクト・パッド１０３は、銅面上に障壁金属層１０４及び１０５を有していてもよい。層１０４は、約0.01μmから3μmまでの厚み範囲のニッケルでつくられ、層１０５は、約0.3μmから1μmまでの厚み範囲の金でつくられることが好ましい。別の変形例において、第２の銅コンタクト・パッド１１３は、その上に、好ましくは0.01μmから3μmまでの厚みのニッケルでつくられる障壁層、その後続く、好ましくは0.3μmから1μmまでの金でつくられる層を有していてもよい。
【００１４】
図１において、第２のコンタクト・パッドは、第１のコンタクト・パッドに対向して配置される。はんだの本体１２０が第１及び第２のパッドに接しており、このため、これらの２つのパッドを接続する。本体１２０のはんだは、以下の金属、即ち、約95.5から約99.49重量パーセントの量の錫、約0.5から約4.0重量パーセントの量の銀、及び約0.01から約0.5重量パーセントの量の、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属、を含む合金である。
【００１５】
初期の断片部分として、元のはんだ本体は、合金の成分が実質的に均一な分布している。しかし、はんだリフロー後、コンタクト・パッド近辺のはんだ領域内の遷移金属重量パーセントは、はんだ本体の中央領域内の遷移金属重量パーセントより小さく、或る構造体では半分以下である。
【００１６】
遷移族IIIaの金属は、スカンジウム、イットリウム、及びランタンを含み、遷移族IVaの金属は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムを含み、遷移族Vaの金属は、バナジウム、ニオブ、及びタンタルを含み、遷移族VIaの金属は、クロム、モリブデン、及びタングステンを含み、遷移族VIIaの金属は、マンガン、及びレニウムを含み、及び遷移族VIIIaの金属は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及びプラチナを含む。
【００１７】
はんだ本体１２０が液化し、その後、コンタクト・パッド１０３に取り付けられるべく固化すると、パッド１０３とはんだ１２０との間に金属間化合物の層が形成される。この金属間化合物は、以下の図面に示すように、(CuX)6Sn5、Sn3Ag、及びAg3Snなど、銅／錫の、及び銅／銀／錫の化合物の粒子を含み、ここでＸははんだ本体からの遷移金属である。化合物粒子に遷移金属が含まれることで、化合物粒子サイズ及び化合物層厚みが低減する。また、液化及び固化のサイクルが繰り返される際、遷移金属を含む化合物粒子は、再現可能なままである。これは、固体／液体／固体サイクルが繰り返された後、粒子サイズが著しく増大しないことを意味する。
【００１８】
はんだ本体１２０が再び液化され、その後、第２のコンタクト・パッド１１３に取り付けるため固化されると、第２のパッドとはんだとの間に金属間化合物の別の層が形成される。この金属間化合物も、錫／銀の、銅／錫の、及び銅／銀／錫の化合物を含み、この場合も、遷移金属を含むことで、化合物粒子サイズ及び化合物層厚みが低減する。また、粒子サイズは再現可能なままである。
【００１９】
この現象の１つの説明として考えられるのは、遷移金属の原子が金属間粒子に連結すると、これらの原子は、化合物粒子内の原子、例えば、銅を含む化合物内の銅原子、に取って代わるということである。この金属性結合プロセスにおいて、遷移金属は、遷移金属の１つ又はそれ以上の電子でその金属内の電子「ガス」に寄与し、その結果、遷移金属の原子核の引力は強くなり、結果として金属原子の直径が小さくなる。
【００２０】
出願人の実験の例示の化合物の顕微鏡写真は、添付の図面の図２Ａ〜図７Ｄに再現されており、これらの図面は異なる化合物を示す。図Ａは、2000倍に拡大した、化合物形成（第１のはんだリフロー）後の上面の顕微鏡写真、図Ｂは、3000倍に拡大した、金属間化合物の層を示すための化合物の断面、図Ｃは、2000倍に拡大した、４回のはんだリフロー後の金属間化合物の上面の顕微鏡写真、図Ｄは、3000倍に拡大した、４回のリフロー後の金属間化合物の層を示す断面である。化合物層の上面図を得るため、研磨によってはんだが取り除かれた後、その面は、化学薬品（Meltex HN-980M）によってエッチングされ、超音波洗浄で洗浄される。
【００２１】
図２Ａ〜図２Ｄは、遷移金属を含まない、錫／銀はんだで形成された金属間化合物Sn３Agを図示する。１回のみのリフロー後の化合物粒子、図２Ａ及び図２Ｂと、４回のリフロー後の化合物粒子、図２Ｃ及び図２Ｄとを比較すると、リフローの数に比例して粒子サイズが著しく増大することが明らかである。金属間化合物粒子サイズのこの増大は、はんだ接合の機械的脆弱化につながるため、これらの結果は、このような金属間化合物を用いるデバイスは、落下試験などの信頼性試験で不合格となる可能性が一層高いことを示している。
【００２２】
図３Ａ〜図３Ｄは金属間化合物Sn３AgCuを示す。１回のみのリフロー後の化合物粒子、図３Ａ及び図３Ｂと、４回のリフロー後の化合物粒子、図３Ｃ及び図３Ｄとを比較すると、リフロー後の粒子サイズが著しく増大していること、即ち、デバイス信頼性の点から望ましくない結果を伴うこと、が明らかである。Sn3Ag0.7Cu、Sn3Ag0.5Cu、Sn3Ag0.3Cu、及びSn3Ag0.1Cuなどの関連する化合物も同様に、固体／液体／固体はんだサイクルが繰り返された後の望ましくない粒子サイズ増大を示す。
例えば、遷移族VIIIaの金属であるニッケルなどを付加することにより均一な三元合金を形成することは、図４Ａ〜図４Ｄに示す例示の化合物Sn3Ag0.01Niにつながる。図４Ａ及び図４Ｂの金属間化合物を、図２Ａ及び図２Ｂの錫／銀化合物、及び図３Ａ及び図３Ｂの錫／銀／銅化合物と比較すると、ニッケルの付加が金属間粒子サイズを低減させることがはっきりと示されている。図４Ｃ及び図４Ｄを、図２Ｃ、図２Ｄ、及び図３Ｃ、図３Ｄと比較すると、繰り返されるリフロー・サイクルは遷移金属化合物粒子サイズには殆ど影響を与えず、遷移金属化合物粒子サイズは、４回の固体／液体／固体サイクル後にわずかだけ増大するのみであるという事実が更に強調される。金属間化合物粒子サイズのこの安定性は、はんだ接合の機械的強度増強を導く。このような金属間化合物を有するはんだ接合を備えたデバイスは、落下試験などの信頼性試験に合格する可能性が一層高くなる。
【００２３】
図５Ａ〜図５Ｄに図示する三元化合物Sn3Ag0.03Niは、更に一歩進んだニッケル付加の有益な効果を備えている。図５Ａ〜図５Ｄを図４Ａ〜図４Ｄと比較すると、Sn3Ag0.03Niの化合物粒子サイズは更に一層小さく、かつ４回又はそれ以上のリフロー・サイクル後に変化又は増大しないことが示されている。一層小さな粒子サイズへの傾向、及びサイクルの影響を受けないことへの傾向は、三元化合物Sn3Ag0.05Niでも継続する。
【００２４】
別の例示の遷移族VIIIaはプラチナであり、対応する金属間化合物はSn3Ag0.05Ptである。
【００２５】
一例の遷移族VIIa金属はコバルトであり、図６Ａ〜図６Ｄは、錫／銀合金と銅パッドの界面に形成される金属間化合物にコバルトを含むことにより得られる、望ましい効果を図示する。図６Ａ及び図６Ｂが示すように、結果として生ずるSn3Ag0.03Co粒子の大きさは小さい。また、繰り返されるリフロー・サイクルは、４回の固体／液体／固体サイクル後の図６Ｃ及び６Ｄの粒子の顕微鏡写真で図示するように、粒子サイズの如何なる著しい変化も起こさない。
【００２６】
出願人は更に、反例、特に、遷移族Ib、IIb、IIIb、IVb、及びVbから１つ又はそれ以上の金属を含む合金を調査した。
【００２７】
一例として、図７Ａ〜図７Ｄは、遷移族IIbからの元素である亜鉛による影響を図示する。図示した化合物はSn3Ag0.1Znであり、Sn3Ag0.005Znにも同様の結果があてはまる。１回のみのリフロー後の化合物粒子、図７Ａ及び図７Ｂと、４回のリフロー後の化合物粒子、図７Ｃ及び図７Ｄとを比較すると、４回のリフロー後粒子サイズが著しく増大していることが明らかである。
【００２８】
上述したように、固体／液体／固体はんだサイクルが繰り返された後の金属間化合物粒子サイズの著しい増大は、はんだ接合の機械的脆弱化につながり、その結果、デバイス信頼性試験における故障率の高さにつながる。IIb、IIIb、IVb、及びVb族の遷移金属を用いた望ましくない結果の説明として考えられるのは、満たされていない殻の電子数が多い元素が、その金属内の電子「ガス」へ電子を放出するためではなく殻を満たすために電子を付加する傾向である。電子を付加することにより、その金属原子核の引力は弱くなり、かつ、金属原子の直径を増大させる。原子直径の増加は、その遷移金属を含む金属間化合物の増加をもたらす。
【００２９】
出願人の実験から、三元はんだ合金が、アルミニウム又はインジウムなど、IIIb族からの金属を含むとき、同様に望ましくない結果が得られた。例示の金属間化合物は、Sn3Ag0.005Al、Sn3Ag0.1In、Sn3Ag0.2In、及びSn3Ag0.3Inである。
【００３０】
リフロー・サイクルが繰り返された後の大きな金属間化合物の増加は、IVb族元素であるゲルマニウム、及び対応する化合物Sn3Ag0.05Ge、Vb族元素であるリン、及び対応する化合物Sn3Ag0.003P、及びVb族元素であるアンチモン、及び対応する化合物Sn3Ag0.3Sb及びSn3Ag0.5Sbにも見られた。
【００３１】
本発明の別の実施例は、多数のユニットデバイスを含む積層半導体デバイスである。１つの例示のデバイス８００を図８に概略で示す。第１のデバイスと呼ぶこともある底部デバイスを８１０で示し、第２のデバイスと呼ぶこともある上部デバイスを８２０で示す。
【００３２】
第１のデバイス８１０は、第１の面８０１ａ及び第２の面８０１ｂを有する、基板８０１を含む。基板８０１は、絶縁性材料でつくられることが好ましく、絶縁性材料及び導電性材料の交互の薄膜から構成される、積層された基板であってもよい。多くのデバイス適用例において、基板８０１の好ましい厚みは約0.3mmである。第１の基板面８０１ａ上にあるのは、組み立てられた半導体チップ８０２であり、１つ以上のチップがこのように組み立てられ得る。幾つかの製品において、このチップは、２つ又はそれ以上のチップの積層であり得る。ワイヤ・ボンディングされるデバイスでは、このアッセンブリは、第１の面８０１ａへの接着材を用いたチップの取り付け、及び面８０１ａ上のボンド・パッド８０５へのチップ・コンタクト・パッドの電気的接続８０４を含む。フリップチップ・デバイスでは、このアッセンブリは、チップからコンタクト・パッドへの、はんだ要素を用いた面８０１ａへの機械的及び電気的接続を含む。
【００３３】
第１の複数の（例えば、140から160個の）銅コンタクト・パッド８０３が、組み立てられたチップを囲んで、第１の基板面８０１ａ上に配置される。第２の複数の（例えば、440から460個の）銅コンタクト・パッド８０６が第２の基板面８０１ｂ上にある。はんだ本体８０７（例えば、直径30μm）が、第２の複数のパッドの各パッド８０６に取り付けられる。図８において、組み立てられたデバイスの一部は、封止体８０８内にパッケージングされる。デバイス８１０に１つのチップのみが用いられる場合、はんだ要素８０７を含む、パッケージングされたデバイスの総厚は、約0.8mm±0.1mmであることが好ましい。
【００３４】
図８は、第１の面８１１ａ及び第２の面８１１ｂを備えた基板８１１を含む第２のデバイス８２０を示す。多くのデバイス用途例において、基板８１１の好ましい厚みは約0.3mmである。図８では、２つの半導体チップ８１２ａ及び８１２ｂの積層が、第１の基板面８１１ａ上に組み立てられて示されている。第２の基板面８１１ｂ上に、銅コンタクト・パッド８１３が、第１のデバイス８１０の複数の第１のパッド８０３に合致するように配置される。はんだ本体８１７が、第２の基板面上の各パッド８１３に取り付けられる。図８において、組み立てられたデバイスの一部は、封止化合物８１６内にパッケージングされる。デバイス８２０に２つのチップが用いられる場合、はんだ要素８１７を含むパッケージングされたデバイスの総厚は、約0.9mm±0.1mmであることが好ましい。
【００３５】
第２のデバイス８２０は、第２のデバイス８２０の第２の基板パッド８１３に取り付けられた各はんだ本体８１７が、第１のデバイス８１０の第１の複数のパッドのうち対応するパッド８０３に接触しかつ接続されるように、第１のデバイス８１０と整合される。
【００３６】
この例示の実施例のはんだ本体８０７及び８１７は、約95.5から約99.49重量パーセントの量の錫、約0.5から約4.0重量パーセントの量の銀、及び平均量が約0.01から約0.5重量パーセントの、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから１つの金属、を含む三元合金であり、１つ以上の遷移金属がこの合金に含まれ得る。リフロー後、コンタクト・パッド近辺のはんだ領域内の遷移金属の重量パーセントは、はんだ本体の中央領域内の重量パーセントより、多くの場合において２分の１だけ、小さい。
【００３７】
遷移族IIIaの金属は、スカンジウム、イットリウム、及びランタンを含み、遷移族IVaの金属は、チタン、ジルコニウム、及びハフニウムを含み、遷移族Vaの金属は、バナジウム、ニオブ、及びタンタルを含み、遷移族VIaの金属は、クロム、モリブデン、及びタングステンを含み、遷移族VIIaの金属は、マンガン、及びレニウムを含み、及び遷移族VIIIaの金属は、鉄、コバルト、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及びプラチナを含む。
【００３８】
リフロー後、各銅コンタクト・パッドとはんだ本体との間に、金属間化合物の層が形成される。この金属間化合物は、Sn3Ag、Ag3Sn、(CuX)6Sn5、及びその他のものなど、銅／錫の、及び銅／銀／錫の化合物の粒子を含み、ここで、Ｘははんだ本体からの遷移金属である。これらの化合物及び粒子は、取り付けのプロセスにおいて、はんだ本体が液化され、その後固化されるとき、形成される。
【００３９】
図８に示す積層デバイスの場合、少なくとも３回の固体／液体／固体サイクルが必要とされ得る。これらは、はんだ要素８１７を第２のデバイス８２０の基板パッド８１３上に取り付けること（第２のデバイス８２０の製造方法におけるプロセス工程）、及びはんだ本体８１７を再びリフローさせることによって第２のデバイス８２０を第１のデバイス８１０上に取り付けることを含む。第２のデバイスのはんだ本体８１７は、第１のデバイスの合致している基板パッド８０３と整合され、及び基板パッド８０３と接触させられ、及びリフローされる。
【００４０】
このプロセス実施例において、積層デバイス８００は、第１のデバイス８１０と第２のデバイス８２０を接合させ、はんだ要素８０７を第１のデバイス８１０の基板パッド８０６上に取り付ける（第１のデバイス８１０の製造方法におけるプロセス工程）ことによってつくられる。
【００４１】
これらの３回の固体／液体／固体サイクルにおいて、第２のデバイスのはんだ本体は、３回のリフロー・プロセスを受ける。
【００４２】
上述の遷移金属が化合物粒子に含まれる場合、それらは、化合物粒子サイズ、及びそのため化合物層厚みを低減させ、更に、化合物粒子サイズを連続するはんだ固体／液体／固体サイクルにおいて再現可能にする。
【００４３】
図８の積層半導体デバイスのようなデバイスが、はんだ取り付けされたデバイスの機械的頑強さを調査する、落下試験などの信頼性試験を受ける場合、金属間化合物内に遷移金属を含むはんだ接合を備えたデバイスは、優れた性能を示す。固体／液体／固体サイクルが繰り返された後でも再現可能である、金属間化合物の小さいサイズの粒子は、接合のクラック、又は他のはんだ剥離を阻止する。
【００４４】
典型的な落下試験において、落下台は1.5 Gの加速度まで負荷がかけられ、落下高さは１メートルであり、印刷回路基板は30ミリ秒又はそれ以上の時間の間、減衰波形の力を受ける。落下試験装置は、例えば、Salon Teknopajaから市販されている。
【００４５】
積層半導体デバイスを製造するための１つの例示の方法は、以下の工程：
２つの面を有する基板を提供し、１つの半導体チップ又は多数のチップを第１の基板面上に組み立て、第１の複数の銅コンタクト・パッドでチップを囲み、第２の基板面上に第２の複数の銅コンタクト・パッドを形成することによって、第１の半導体デバイスを製造し、
２つの面を有する基板を提供し、第１の基板面上に１つ又はそれ以上の半導体チップを組み立て、第１のデバイスのパッドに合致するように第２の基板面上に銅コンタクト・パッドを配置することによって第２の半導体デバイスを製造し、
約95.5から約99.49重量パーセントの量の錫、約0.5から約4.0重量パーセントの量の銀、及び約0.01から約0.5重量パーセントの量の、元素の周期表の遷移族IIIa、IVa、Va、VIa、VIIa、及びVIIIaから少なくとも１つの金属、を含む実質的に均一な合金であるはんだ本体を選択し、
各銅コンタクト・パッドとはんだ本体との間に、はんだ本体を形成する遷移金属を含む銅金属間化合物の層を生成させるため、はんだ本体を第２の基板面上のパッドに取り付け、かつリフローさせ、
第２のデバイスの第２の基板パッドに取り付けられた各はんだ本体が、第１のデバイスの第１の複数のパッドのうち対応するパッドに接するように、第２のデバイスを第１のデバイスと整合させ、更に、
合金はんだ本体を第１のデバイスの第２の複数のパッドの各々に取り付けるため、はんだ本体をリフローさせる、
工程を含む。
【００４６】
本発明の別の実施例は、基板又はボード上に搭載されるデバイスを含む、電子的システムである。図８は、このような一実施例を示し、この例において、積層デバイス８００は、印刷回路基板８３０上にはんだ取り付けされる。回路基板８３０は、第１のデバイス８１０の基板上の第２の複数のコンタクト・パッド８０６に合致するように配置される、銅コンタクト・パッド８２３を有する。この電子的システムの製造プロセスにおいて、積層半導体デバイス８００は、第１のデバイス８１０の第２の複数のパッド８０６に取り付けられる各はんだ本体８０７が、対応する基板パッド８２３に接するように、回路基板８３０と整合される。その後、はんだ本体８０７がリフローされる。
【００４７】
この取り付けサイクルは、第４の固体／液体／固体サイクルであり、そのため、この電子的システムの幾つかのはんだ要素のための第３のリフロー・サイクルであってもよい。はんだシステムの金属間粒子内に、前に列記した族からの遷移金属を有するため、この電子的システムが、許容し得る欠陥率で落下試験及び他の信頼性試験に合格する可能性が一層高まる。
【００４８】
本発明を例示の実施例を参照して説明してきたが、この説明が限定的意味に解釈されることは意図していない。例示の実施例の種々の変形及び組み合わせばかりでなく、本発明の他の実施例も、以上の説明を参照すれば当業者に明らかであろう。一例として、複合デバイスをつくるために２つ以上のデバイスが積層されてもよい。別の例として、元素の周期系の遷移族から１つ以上の金属をはんだ合金に用いて、四元合金などを生成してもよい。従って、特許請求の範囲に記載されている発明は、すべてのこのような変形及び実施例を包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、２つのコンタクト・パッド間の金属相互接続構造体の略断面図である。図１において、１つのコンタクト・パッドは単一の金属層でつくられ、１つのコンタクト・パッドはサンドイッチ状の層でつくられる。
【図２】図２Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図３】図３Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図４】図４Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図５】図５Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図６】図６Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図７】図７Ａ〜Ｄは、種々の金属間化合物粒子、Sn3Ag、Sn3AgCu、Sn3Ag0.01Ni、Sn3Ag0.03Ni、Sn3Ag0.03Co、及びSn3Ag0.1Znの拡大した顕微鏡写真であり、それぞれの上面図（図Ａ及びＣ）及び断面図（図Ｂ及び図Ｄ）を示す。
【図８】図８は、回路基板上に組み立てられた積層半導体デバイスを含む、電子的システムの略断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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