DE68907033T2

DE68907033T2 - Löten und Verbinden von Halbleiterkontakten.

Info

Publication number: DE68907033T2
Application number: DE1989607033
Authority: DE
Inventors: Chin-An Chang; Nicholas George Koopman; Judith Marie Roldan; Kamalesh Kumar Srivastava; Steven Strickman; Helen Li Yeh
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2009-11-17
Also published as: EP0374475A1; DE68907033D1; JPH0620088B2; JPH038556A; EP0374475B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum flußmittelfreien Lötverbinden einer lötmittelbeschichteten Kontaktfläche auf einem ersten Substrat auf eine Kontaktfläche auf einem zweiten Substrat. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Entfernung überschüssigen Lötmittels.
Bei der Kontakttechnologie integrierter Halbleiterschaltungen hat sich die Technik auf ein Niveau entwickelt, wo Kontakte mit Anschlußflächen kleinen Durchmessers mit feinem Mittenabstand bei der Verbindung der hochdicht integrierten Schaltung verwendet werden, die gelegentlich umgearbeitet werden muß, so daß die immer kleineren Verbindungen nicht nur in großen Anzahlen verbindbar sein müssen, sondern auch wiederholtes Trennen und Wiederverbinden bei einer niedrigen Temperatur erlauben müssen. Bei dieser Technologie werden Schichten verschiedener Metalle zu Zwecken der Erleichterung der Verbindung, der Verhinderung einer Diffusion, der Erhöhung der Kontaktleitfähigkeit und zur Behinderung der Korrosion eingeführt. Das Herstellungsverfahren wird im allgemeinen vereinfacht, wenn ein Teil des Verfahrens, wie etwa die Herstellung der Halbleiterstruktur, abgeschlossen werden kann und dann das Produkt in einem Zustand ist, mit einer kleinen Temperaturänderung und ohne Zerstörung befestigt und nach dem Umarbeiten wiederbefestigt zu werden.
Als eine Darstellung dessen würde eine typische Chip-/Substrat- Kontaktflächenkombination aus einer dünnen, haftenden Barrieremetallschicht bestehen, die im Kontakt mit einem Durchgangsloch- Metall stehen würde, welches wiederum im Kontakt mit dem Halbleiterchip oder einer dielektrischen Substratoberfläche stehen würde. Die Barrieremetailschicht wird so gewählt, daß die Haftung zwischen der Kontaktfläche und dem Chip oder Dielektrikum gefördert wird und sie auch als eine metallurgische Barriere zur Verhinderung eines Mischens ("Mixing") während des Lötverbindens des für den Durchgangsloch-Leiter gewählten Metalls und einer dicken leitenden Schicht im Kontakt dient. Diese letztere Kontaktschicht ist üblicherweise Kupfer. Gelegentlich besteht die haftende Barrieremetallschicht aus zwei Schichten, einer Schicht aus einem Metall zur Förderung der Haftung, der anderen Schicht aus einem Metall, das als eine Barriere gegenüber der Wechselwirkung zwischen den Schichten wirkt. Die leitende Schicht ist an der Oberfläche mit einer dünnen Goldschicht bedeckt, um die Oberflächenkorrosion zu verzögern. Bei diesem Strukturtyp liegt ein Problem darin, daß Kupfer durch eine Goldschicht hindurchdiffundiert und an der Kontaktflächen-Oberfläche ein Oxid bildet. Bisher wurde in der Technik bei den meisten Anwendungen ein Flußmittel beim Löten verwendet.
Traditionell wird auf dem Gebiet des Lötens ein Flußmittel verwendet, um ein Oxid auf den verschmelzenden Oberflächen aufzulösen, um das Benetzen der Metalle zu erlauben. Unglücklicherweise hat die Benutzung eines Flußmittels in der Halbleiter-Kontaktierungstechnologie verschiedene Nachteile. Das Material des Fluß mittels ist im allgemeinen korrodierend. Weiter siedet es bei Temperaturen in der Nähe der Schmelztemperatur der Metalle und kann so ein Träger für flüssige Metalltröpfchen werden, die bei den Größen, die eine Rolle spielen, einen Kurzschluß oder eine Störung erzeugen können, wenn sie die Seiten des Chips treffen. Weiterhin werden in den geschmolzenen Metall-Grenzflächen und an den Grenzflächen mit anderem Material am Kontakt Löcher erzeugt. Die Löcher können eingefangenes Material enthalten, das entfernt werden sollte und das später von Nachteil ist, wenn es ausgast. Sie können drastisch die Wärmeableitung beeinträchtigen, da sie bei kleinen Kontakten die Fläche verringern und folglich den Widerstand erhöhen. Da es so schwierig ist, Flußmittel zu entfernen, und alle verbleibenden Reste dazu neigen, die verschiedenen, beschriebenen Nachteile hervorzurufen, sind Anstrengungen in der Technik darauf gerichtet, eine Technologie für Kontakte integrierter Halbleiterschaltungen bereitzustellen, die nicht den Gebrauch eines Flußmittels beinhaltet.
Viele Bemühungen bei der Entwicklung eines flußmittelfreien Lötverbindens im Stand der Technik verwendeten Reinigungs- und Aufschmelzvorgänge in derselben ununterbrochenen, gesteuerten Umgebung. In IBM Technical Disclosure Bulletin Bd. 23, Nr. 11, April 1981, S. 4915 ist ein Ionenabtragen in einem Vakuum, gefolgt durch ein Aufschmelzen in demselben Vakuum, beschrieben.
US-A-3 413 711 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Palladium-Kupfer-Kontakts zum Löten, bei dem eine Schicht aus Palladium auf eine Schicht auf Kupfer so abgeschieden wird, daß eine Oxidation des Kupfers ausgeschlossen wird. Das Palladium ist unter 50 nm und nicht dick genug, um die Kupferschicht gegen Oxidation zu schützen.
In US-A-4 379 218 bricht ein Ionenstrahl-Aufheizen in einer Vakuumumgebung das Oxid auf, und dann findet in demselben Vakuum das Aufschmelzen des Lötmittels statt.
In Circuits Manufacturing, Oktober 1984, S. 40 ist ein flußmittelfreies Lötverfahren beschrieben, bei dem eine dicke Schicht eines Niedertemperatur-Lötmittels zum Schmelzen in einer Umgebung veranlaßt wird, in der die Temperatur durch das Vorhandensein latenter Wärme in einem Dampf vom Fluorkohlenwasserstoff- Typ gesteuert wird.
In jüngerer Zeit verwenden Entwicklungen in der Technik während des Aufschmelzvorganges eine reduzierende Atmosphäre. Dies ist in US-A-4 646 958 und in US-A-4 645 116 beschrieben. Die chemische Reduktionsfähigkeit einer reduzierenden Atmosphäre variiert in einem weiten Bereich mit der Wasserstoffkonzentration und der Temperatur und ist bei einer niedrigen Temperatur so relativ schwach, daß sie die Ausbeute an guten Kontakten beeinflußt.
Da die Kontaktflächen immer kleiner werden und das Verfahrens- "Fenster", d. h. die erlaubte Temperaturänderung, der die Vorrichtung beim Aufschmelzen ohne äußere Beschädigung ausgesetzt werden kann, schmaler wird, wird es in der Technik sehr schwierig, gleichzeitig allen Beschränkungen gerecht zu werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile abzustellen. Dies wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 erreicht.
Es wurde in Übereinstimmung mit der Erfindung gefunden, daß eine dünne, in der Größenordnung von 20 bis 150 nm liegende Schicht des Elements Palladium beim Lötmittel-Schmelzvorgang benachbart zu Kupfer in einer reduzierenden Atmosphäre so wirkt, daß das Verschmelzen bei niedriger Temperatur bei vollständiger Abwesenheit eines Flußmittels verbessert wird. Das Verbesserungspotential der Erfindung kann in nahezu allen Schmelzverbindungsvorgängen verwendet werden, die Nieder- und Hochtemperaturlötmittel und Hochtemperatur-Hartlötmaterialien verwenden, und ist in allen Halbleiterkontakttechnologien unter Einschluß dessen der Verwendung eines Kupferblocks zum Entfernen und dadurch Aufbereiten des Lötmittels auf Anschlußflächen, wenn Chips wiederzuverbinden sind, anwendbar.
Die vorliegende Erfindung stellt damit ein Verfahren zur Entfernung eines verbliebenen Lötmittels entsprechend Anspruch 2 dar.
Die Palladiumschicht der Erfindung führt die chemische Reduktion beliebiger Oxide zurück zu den elementaren Metallen, wobei die Oxide entweder im Verschmelzungsgebiet des Chips oder des Schaltungselements sind, mit dem er zu befestigen ist, wodurch radikal die Benetzung durch das Verschmelzungsmaterial erhöht und das Verbinden bei merklich verringerten Temperaturen bewirkt wird.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer weiteren Aufgaben und Vorteile werden unten bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei denen
Fig. 1 eine schematische Darstellung des metallurgischen Zweischichten-Querschnitts ist, die die Erfindung illustriert,
Fig. 2 eine Mikrofotografie der flußmittelfreien Niedertemperatur-Benetzbarkeit eines Lötmittels auf Kupfer in einer reduzierenden Atmosphäre nach dem Stand der Technik ist,
Fig. 3 den Vorteil der Erfindung hinsichtlich der Benetzbarkeit in einer Mikrofotografie eines Lötmittels auf Kupfer unter den gleichen Bedingungen wie Fig. 2 darstellt,
Fig. 4 eine Darstellung der Verarbeitung ist, bei der ein Kontakt auf einem Halbleiterchip zur Verschmelzung mit einer Anschlußfläche in Übereinstimmung mit der Erfindung positioniert ist,
Fig. 5 eine Darstellung der Bearbeitung eines Kontakts auf einem Chip, der zur Verschmelzung beim Wiederverbinden mit einer Anschlußfläche in Übereinstimmung mit der Erfindung positioniert ist,
Fig. 6 eine Darstellung eines die Erfindung anwendenden Zurichtblockes ist, der zum Einstellen der Kontaktflächen einer integrierten Schaltung nach der Entfernung eines Chips und vor dem Wiederverbinden dient,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Gebrauchs eines Zurichtblocks zur Präparation einer Anschlußfläche für das Chip-Wiederverbinden ist,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines dreischichtigen Zwischenproduktes zur Kontaktherstellung ist, das in Übereinstimmung mit der Erfindung erhalten wird,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines fünfschichtigen Zwischenproduktes zur Kontaktherstellung ist, das in Übereinstimmung mit der Erfindung erhalten wird,
Fig. 10 eine Darstellung eines Haft- und Oberflächenspannungs-Grenzflächenelements der Erfindung ist, und
Fig. 11 eine Darstellung des Haft- und Oberflächenspannungs- Grenzflächenelements der Erfindung bei einer Oberflächenkontakt-Anwendung ist.
Es wurde in Übereinstimmung mit der Erfindung gefunden, daß das Element Palladium in einer 20 bis 150 nm dicken Schicht in einem Verschmelzungsvorgang benachbart zu Kupfer in einer reduzierenden Atmosphäre bei totaler Abwesenheit eines Flußmittels radikal die Benetzung beim Verschmelzen erhöht und eine lochfreie Schmelzverbindung bei sehr niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 215 ºC bis 350 ºC bewirkt. Dies ist von besonderem Wert in der Kontaktierungstechnologie von Halbleitervorrichtungen und integrierten Schaltungen, bei denen die miteinander verbundenen Elemente so empfindlich gegenüber Temperaturänderungen sind und bei denen wiederholte Schmelzvorgänge tendenziell die Schichten der Materialien aufbrauchen, die im Kontaktierungsgebiet für elektrische und Barrierezwecke vorhanden sind.
Das übliche Element für einen Korrosionswiderstand beim flußmittelfreien Löten ist Gold (Au) gewesen. Es ist bekannt gewesen, daß die Elemente der Platin-Gruppe der Metalle, von denen Palladium ein Element ist, d. h. die Gruppe Pt, Pd, Rh, Ru und Os, die Korrosion behindern werden, so daß die Ersetzung des Au durch ein Metall der Pt-Gruppe postuliert werden kann.
Es ist in der Technik katalytischer chemischer Reaktionen weiter bekannt gewesen, daß Metalle der Pt-Gruppe bewirken, daß Wasserstoffmoleküle in Wasserstoffatome dissoziieren und daß diese Wasserstoffatome einen chemischen Reduktionsprozeß beschleunigen, so daß postuliert werden kann, daß die Anwesenheit eines Elements der Pt-Gruppe die chemische Reduktion eines Oxids verbessert.
In der Technik der Kontaktierung integrierter Halbleiterschaltungen sind Metalle jedoch wegen kombinierter physikalischer, elektrischer und mitunter chemischer Eigenschaften vorhanden, was eine Unvorhersehbarkeit bei Verfahrens- und Materialänderungen bewirkt.
Weiter sind, da der Kontakt aus Schichten verschiedener Metalle gemacht werden kann und das Verschmelzungsmaterial eine Legierung verschiedener Metalle sein kann, viele Oxide beteiligt. In einem Beispiel würden bei einem Pb/Sn-Lötmittel-Cu-Ti-Kontakt Zinnoxid, Bleioxid und Kupferoxid bei niedrigen Temperaturen eine Rolle spielen.
In Übereinstimmung mit der Erfindung wurde gefunden, daß in der Technik der Kontaktierung von Halbleitern Palladium (Pd) die kombinierten Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit, der Verbesserung der chemischen Reduktion über das gesamte Verschmelzungsgebiet und der Benetzbarkeit gegenüber dem Lötmittel zeigt. Diese und wahrscheinlich noch andere Eigenschaften gestatten die radikal verbesserte Benetzung auf Kupfer, die für die Verbindungsfähigkeit bei niedrigen 215 ºC bis 350 ºC als verantwortlich zu betrachten ist. Es ist gefunden worden, daß Platin (Pt) nicht diese kombinierten Eigenschaften zeigt.
Die Dicke der Pd-Schicht ist von Bedeutung. Die Schicht muß eine minimale Dicke haben, um genügend Material für die Oxid-Reduktion bereitzustellen, und diese Dicke ist größer als 20 nm. Die Schicht sollte weiter nicht so dick sein, daß sie die Temperaturübertragung stört und Material für eine unerwünschte Bildung intermetallischer Verbindungen liefert. Die Schicht sollte nicht dicker als etwa 150 nm sein. Die Schicht wird vorzugsweise durch eine Abscheidungstechnik wie Sputtern, Bedampfen oder Eintauchplattieren aufgebracht.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines metallurgischen Zweischicht-Querschnitts eines Herstellungs-Zwischenprodukts zur Darstellung der Erfindung gezeigt, bei dem eine Schicht 1 des Elements Palladium (Pd) mit einer Dicke zwischen 20 und 150 nm in Kontakt mit einem Teil 2 aus Kupfer (Cu) oder einem Verschmelzungsmaterial wie etwa einem Lötmittel ist.
Der Aufbau der Fig. 1 ist eine Herstellungs-Zwischenstruktur in einem Schmelzverbindungsvorgang, bei der die Pd-Schicht 1 in einer Situation, wo die Schicht 2 eine Kupferschicht ist, der Korrosion widersteht, so daß in Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre bei einem Verschmelzungsvorgang die Palladiumschicht 1 die Schwäche im Reduktionsvermögen der reduzierenden Atmosphäre bei der Reduktion von im Verschmelzungsgebiet vorhandenen Oxiden ausgleicht und damit eine radikal verbesserte Benetzung des Kupfers bei niedriger Temperatur erzeugt.
Die unerwartete Verbesserung der Benetzung bei der Erfindung kann in einem Vergleich der Fig. 2 und 3 des gleichen eutektischen Blei-Zinn-Lötmittels auf Kupfer bei einer Temperatur von 250 ºC in einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre gesehen werden.
In Fig. 2, die die Situation beim Stand der Technik darstellt, breitet sich das Lötmittel auf dem Kupfer nicht aus oder benetzt das Kupfer, sondern häuft sich vertikal auf.
Im Gegensatz dazu ist in Fig. 3 eine radikal verbesserte Benetzung erreicht. Bei der Erfindung reduziert die Palladiumschicht während des Schmelzens die Oxide im Schmelzgebiet.
In Fig. 3 wird deutlich, daß die laterale Ausbreitung bei der Erfindung einem Einnehmen der gesamten Kupferunterlage nahekommt. Es wurde in Übereinstimmung mit der Erfindung gefunden, daß alle Lötmittel, die Niedertemperatur-Lötmittel - allgemein der eutektische Pb/Sn-Typ - und die Lötmittel für relativ hohe Temperaturen - wie der Pb/5-Gew.-%-Sn-Typ - in ihrem Benetzungsvermögen in einer reduzierenden Atmosphäre durch die Anwesenheit der Palladiumschicht in der erforderlichen Dicke entscheidend verbessert sind. Die Dicke der Palladiumschicht 1 in Fig. 1 sollte mindenstens 20 nm sein, um genügend Material bereitzustellen, um die Oxide zu reduzieren, die vorhanden sein können - aber die Dicke sollte 150 nm nicht überschreiten, um intermetallische Verbindungen zu verhindern, die sich tendenziell bilden und die die Qualität und Reproduzierbarkeit der Verbindungsstelle verringern können.
Obgleich ein volles Verständnis des physikalischen Mechanismus für die Ausführung der Erfindung nicht wesentlich ist, kann die folgende Beschreibung eines möglichen physikalischen Mechanismus bei der Erweiterung der Prinzipien der Erfindung von Unterstützung sein.
Es wird postuliert, daß die Palladiumschicht Wasserstoff absorbiert und dessen Moleküle zur Dissoziation in absorbierte Wasserstoffatome veranlaßt, welche wiederum in der Oberflächenstruktur, die viele Spitzen zum Festhalten der kollidierenden Wasserstoffatome hat, stabilisiert werden und so wirksam als ein Katalysator dienen.
Es wird postuliert, daß dieser Mechanismus mit dem Mechanismus konsistent ist, über den Bond und Tripathi in Faraday Trans. I, Bd. 72, S. 933 berichtet haben.
Die Begrenzung der Schichtdicke verhindert die Bildung gesundheitsschädlicher Palladiumverbindungen mit den mit ihnen in Verbindung kommenden Metallen im Kontakt.
Weiterhin wird es in Übereinstimmung mit der Erfindung in der Praxis der Kontaktierung integrierter Schaltungen zumeist sowohl auf dem Kontakt auf dem Chip als auch dem Kontakt auf dem Gehäusesubstrat eine Kupferschicht geben, die zu einer grundlegenden Verbesserung der Leitfähigkeit genutzt wird. Das Palladium 1 der Erfindung ist von besonderem Vorteil bei der Förderung der Benetzungsfähigkeit in Anwesenheit dieses Kupfers, obwohl es andere Schichten zwischen dem Kupfer und dem Lötmittel oder Verbindungsmittel geben kann. Das Palladium 1 reduziert während des Schmelzens Oxide in die metallischen Elemente, aus denen sie gebildet wurden.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist das Palladium 1 in einer erreichbaren Oberfläche vorhanden, so daß es das Benetzungsvermögen verbessern kann. Eine befriedigende Leistungsfähigkeit kann sich ergeben, ob das Palladium von einer dünnen Schicht von weniger als 3 nm Sauerstoff oder Kohlenstoff bedeckt ist, oder ob das Palladium mit dem Kupfer gemischt ist. Allerdings wird klar sein, daß, je mehr Kupfer es auf der Oberfläche gibt, desto mehr Oxid reduziert werden muß. Weiterhin scheint - mit der Ausnahme von leichten Dickenunterschieden - es keinen wesentlichen Unterschied zu machen, ob die Palladiumschicht 1 durch Bedampfen, Sputtern oder Eintauchplattieren aufgebracht wird.
Die Zwischenstruktur bei der Herstellung der Fig. 1 kann sich auch in einer Situation ergeben, wo die Schicht 2 das Lötmittel oder Verbindungsmittel ist und die Struktur in Verbindung mit einer Kupferschicht eines Kontakts verwendet werden soll. Eine Situation dieses Typs kann beim Umarbeiten oder Wiederbefestigen von Chips vorkommen, und das Leistungsvermögen der Erfindung bewährt sich auf dieselbe Weise wie in der ersten Situation.
Die verschiedenen Situationen werden datailierter in Verbindung mit Fig. 4 bis 7 diskutiert.
Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 4 wird eine Verfahrensdarstellung gezeigt, bei der ein Kontakt auf einem Halbleiterchip zum Verschmelzen mit einer Kontaktfläche oder Oberflächenverbindung einer Verdrahtungsstruktur positioniert ist. In Fig. 4 würde der Chip 3 als eine Verbindung ein Gebiet 4 aus leitendem Material haben, das als Kontakt dazu dient. Auf dem Element 4 ist ein Element 5 aus Verschmelzungs-Material, wie ein Lötmittel oder ein Hartlötmaterial, geschmolzen. In vielen Halbleiteranwendungen wird als Element 5 ein Pb/Sn-Lötmittel verwendet. Auf dem Element 5 befindet sich eine Schicht 6 eines Oxids jedes der Bestandteile des Elements 5. Das Element 5 und die Oxidoberfläche 6 haben die Gestalt eines Hügels oder einer Kugel, wie das in der Technik die Standard-Praxis ist.
Bei der Verfahrensdarstellung der Fig. 4 ist eine Anschlußfläche 7, die die Oberflächenverbindung zum weiteren Verdrahten darstellt, aus einer darunterliegenden Schicht aus Kupfer 8 gemacht, über der eine Schicht 9 aus Pd, deren Dicke weniger als 150 nm beträgt, angeordnet ist. Bei der Bildung des Kontakts werden die Elemente 5 und 6 bei der Schmelztemperatur mit der Pd-Schicht 9 in Anwesenheit einer chemisch reduzierenden Atmosphäre, die als Element 10 dargestellt ist, in Kontakt gebracht.
Bei einer niedrigen Schmelztemperatur übt die Schicht 9 jetzt die Funktion einer Verbesserung der chemischen Reduktion beim Ausgleichen der Schwäche in der chemischen Reduktionsfähigkeit der reduzierenden Umgebung 10 aus, wodurch die Zwänge bezüglich dessen, welche reduzierenden Umgebungsgase verwendet werden können, bezüglich der erforderlichen Temperaturen und der reduzierten Oxide verringert werden. Das Ergebnis ist ein Benetzen und Schmelzen bei niedrigerer Temperatur und kürzerer Aufenthaltsdauer über der Verflüssigungstemperatur.
Wie als nächstes Fig. 5 zeigt, kann es unter den Bedingungen des Umarbeitens vorteilhaft sein, die Lage der Pd-Schicht zu modifizieren. In Fig. 5, die eine Darstellung der Bearbeitung eines Chipkontakts in einer Lage zum Wiederverbinden mit einer Verdrahtungs-Anschlußfläche ist, ist der Chip als Element 11, das Gebiet des leitenden Materials als Element 12, das kugelförmige Schmelzmaterial als Element 13 und die Oxidschicht als Element 14 bezeichnet. In dieser Situation wird die Pd-Schicht auf der Chipseite plaziert und als Element 15 bezeichnet. Die Anschlußfläche 16 wird aus Kupfer mit einem Rest von Schmelzmaterial - üblicherweise Lötmittel und intermetallische Verbindungen - sein und ist als Element 17 in der Oberfläche 18 gezeigt. Die reduzierende Atmosphäre ist als Element 19 dargestellt.
Bei der Umarbeitungs-Situation der Fig. 5 würde das verbliebene Lötmittel 17 in der Oberfläche 18 ein Oxid aufweisen. Zusätzlich dazu, daß es leichter ist, die Pd-Beschichtung auf den Chipkontakten oder umgearbeiteten Chips bei der Herstellung vorzusehen, ist es viel schwieriger, eine lokalisierte Pd-Beschichtung nur auf den Anschlußflächen-Oberflächen 18 einer isolierten Chip- Stelle, die umgearbeitet wird, inmitten einer Anordnung vorzusehen.
Die Erfindung kann solche Abwandlungen umfassen, wie sie in den Bearbeitungs-Darstellungen der Fig. 4 und 5 abgebildet sind, wobei in Fig. 4 die Zwischen-Struktur der Fig. 1 die Elemente 8 und 9 sein werden, während in der Situation der Fig. 5 die Schichten der Fig. 1 die Elemente 13 bis 15 sein werden.
Beim Umarbeiten einer Vorrichtung, d. h. Entfernen und Wiederverbinden oder Ersetzen der Chips darin, erfordert die Entfernung des Rest-Schmelzmaterials oder -Lötmittels von der Anschlußfläche eines entfernten Chips einige Sorgfalt. Alle Beschränkungen bezüglich der Wärmezufuhr beim Kontaktverbinden gelten hier ebenso. Das Rest-Lötmittel ist nicht eben und stört einen guten Kontakt. Die Größen und Abstände sind so, daß physikalische Abtragungsvorgänge selten praktikabel sind.
Die Struktur der Erfindung der Fig. 1 ist modifiziert in Fig. 6 als ein Zurichtblock zum Entfernen des Rest-Lötmittels gezeigt. Der Block 20 ist aus gesintertem Kupfer und hat auf mindestens einer Oberfläche die Schicht aus Pd der Erfindung, die als Element 21 bezeichnet ist. Solche Zurichtblöcke sind in der Technik bekannt, und einige haben Schichten von Lötmitteln auf der Oberfläche, die zum Zurichten verwendet werden. In Übereinstimmung mit der Erfindung verbessert die Pd-Schicht 21 die Benetzungsfähigkeit des Lötmittels und beschleunigt die Übertragung von auf der Anschlußfläche verbliebenem Lötmittel auf den Block 20. Die Schicht 21 ermöglicht es, die Lötmittelschicht auf dem Block 20 zu beseitigen, was die Herstellung des Blocks 20 erleichtert und eine längere Benutzungsdauer gewährleistet.
Der Anschlußflächen-Zurichtvorgang ist Fig. 7 dargestellt, die eine perspektivische Darstellung ist, welche den Block 20 mit der Pd-Schicht 21 so positioniert zeigt, daß er über der Oberfläche des Elements 22 gezeichnet ist, auf der sich ein senkrechtes Relief von Lötmittelresten 23 befindet, das erzeugt wurde, als eine Chip-Verbindung aufgeschmolzen und der Chip abgehoben wurde. Das Element 22 und der Block 21 werden in Kontakt miteinander auf Schmelztemperatur gebracht, und in Übereinstimmung mit der Erfindung verbessert die Pd-Schicht 21 die Benetzungsfähigkeit des Blocks 20, so daß das Rest-Lötmittel an den Stellen 23 bei einer niedrigeren Spitzentemperatur und in einer kürzeren Verweildauer bei dieser Temperatur auf den Block 20 übertragen wird. In der Bearbeitungs-Darstellung der Fig. 5 erfüllt die Schicht 21 die Funktion der Schicht 1 in Fig. 1, und das Element 23 erfüllt die Funktion der Schicht 2.
Als Beispiele für solche Abwandlungen stellt die Erfindung verschiedene einzigartige Metallisierungsstrukturen für Kontakte integrierter Schaltungen bereit. Diese Strukturen sind in den Fig. 8, 9, 10 und 11 gezeigt.
In Fig. 8 ist ein Kontakt einer integrierten Schaltung dargestellt, der einfach und besonders nützlich bei Verbindungsteilen hoher Leitfähigkeit oder "Vias" ist, welcher Begriff in der Technik üblich geworden ist. Der Kontakt 25 hat auf der oberen Oberfläche oder dem externen Verbindungsabschnitt 26 eine erste Schicht 27 aus Chrom. Die Chromschicht 27 liefert die Leitfähigkeit mit Haftungseigenschaften gegenüber dem isolierenden Material 28, welches ein Polymer wie Polyimid oder ein keramisches Oxid sein kann, das die Via 29 umgibt, die aus einem Metall hoher Leitfähigkeit wie Kupfer besteht. Das Chrom 27 hat auch die Eigenschaft einer Barriere zur Verhinderung einer Wechselwirkung des Lötmittels der Verbindung, gepunktet dargestellt. Im externen Verbindungsabschnitt 26 über der Schicht 27 ist eine Schicht 30 aus Kupfer vorgesehen, die die kombinierten Eigenschaften zeigt, das Verbindungsteil beim Lötvorgang zu sein und die Leitfähigkeit zu verbessern. Die Schicht 30 kann in der Dicke so eingestellt sein, daß sie das teilweise Aufbrauchen der Schicht bei jedem Aufschmelzen und Wiederverbinden erlaubt. Auf der Oberfläche des Kontakts dient eine 20 bis 150 nm dicke Schicht 31 aus Palladium zur Reduzierung von Oxid und zum Fördern der Benetzung bei einem Lötvorgang, der ohne Flußmittel in Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre ausgeführt wird. Der in Fig. 8 dargestellt Kontakt sorgt für eine Möglichkeit des wiederholten, flußmittelfreien Verbindens, wobei der Kontakt die erforderlichen elektrischen Leitungseigenschaften während der wiederholten Verbindungen auch dann behält, wenn die Schicht 30 vollständig aufgebraucht wird.
In Fig. 9 ist als nächstes ein Kontakt einer integrierten Schaltung dargestellt, der einen besonderen Vorteil in Situationen hat, wo das für die Durchgangsverbindung verwendete Material von niedriger Leitfähigkeit oder Verbindbarkeit ist. Solche Materialien sind z. B. Molybdän und Aluminium.
Beim Polymer oder keramischen Oxid oder isolierenden Abschnitt 32 ist die Via 33 aus einem Material, auf das bezüglich guter Leitfähigkeit während Niedertemperatur-Verbindungen nicht gebaut werden kann. Im Abschnitt der oberen Oberfläche des Kontakts über dem Material 32 und der Via 33 ist eine Schicht 34 aus Chrom vorgesehen, um die Haftung mit dem isolierenden Material 32 zu gewährleisten und weniger leitend als vielmehr als Barriere hinsichtlich der Wechselwirkungseigenschaft zwischen dem Material der Via 33 und einer für die Leitfähigkeit sorgenden Schicht 35 aus Kupfer zu wirken. Über der für die Leitfähigkeit sorgenden Kupferschicht 35 ist eine Schicht 36 aus Titan vorgesehen, um zu verhindern, daß Lötmittel damit wechselwirkt und die für die elektrische Leitfähigkeit sorgenden Eigenschaften der Schicht 35 verschlechtert. Eine Kupferschicht 37 ist dafür vorgesehen, die Verbindungsschicht mit dem gepunktet dargestellten Lötmittel zu sein, wenn die Verbindung fertiggestellt wird. Eine Oberflächenschicht 38 aus Palladium, zwischen 20 und 150 nm dick, vervollständigt die Struktur. Die Palladiumschicht 38 hemmt die Oxidation der Kupferschicht 37 vor dem Verbinden, reduziert alle Oxide und fördert die Benetzung während des Verschmelzens in einem flußmittelfreien Vorgang in einer reduzierenden Atmosphäre.
Der Kontakt der Fig. 9 hat die Vorteile, daß die verschachtelten Barriereschichten und leitfähigkeitserzeugenden Schichten die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften während wiederholten Schmelzens aufrechterhalten, obwohl auf das Material der Via 33 für eine gute Leitfähigkeit in Niedertemperaturverbindungen nicht vertraut werden kann und die Schicht 37 in den Schmelz- und Zurichtungsvorgängen der wiederholten Verbindungen vollständig aufgebraucht wird.
Die Kontakte der Fig. 8 und 9 sind auf das Vorsehen eines Ausbreitungssteuer- oder Eindämmungsteils, das die seitliche Wanderung eines Materials begrenzt, adaptierbar.
Das Ausbreitungssteuerteil ist in Fig. 10 und 11 auf einer Kontaktoberfläche und als ein Teil einer Oberflächenmetallisierung für andere Verdrahtung und Verbindungen dargestellt.
In Fig. 10 zeigt der Kontakt 40 nur die Kupferschicht 41 mit der 20 bis 150 nm dicken Palladiumschicht 42 darüber an der Oberfläche. Häufig ist es bei der Herstellung von Kontakten mit engem Abstand und mit Isoliermaterialien wünschenswert, daß der Fluß ein Mittel zum Eindämmen oder Steuern der lateralen Wanderung habe. Dies wird mit dem Teil 43 aus Chrom erreicht, das die Peripherie des Kontakts umgibt und einen seitlichen Fluß des Lötmittels auf der Oberfläche der Schicht 42, die nicht gezeigt ist, aufhält, und das ein seitliches Fließen einer Isolierung 44 vom Polymertyp wie Polyimid an der Kante 45 des Chromteils 43 verhindert.
Wie als nächstes Fig. 11 zeigt, wird das Prinzip des lateralen Steuerteils beim Aufbau eines Kontakts vom Oberflächenmetallisierungs-Typ ausgenutzt. Beim Kontakt der Fig. 9 ist die vom isolierenden Material 47 umgebende Via 46 durch eine erste Haft- und Kontaktierungsschicht 48, etwa aus Chrom, mit Barriereeigenschaften bedeckt, um eine Wechselwirkung zwischen dem Material der Via 46 und einer für die Leitfähigkeit sorgenden Schicht 49, etwa aus Kupfer, zu verhindern. Über der Schicht 49 ist eine Ausbreitungssteuerteil-Schicht 50, etwa Chrom, mit einer Öffnung 51 abgeschieden, die allgemein über der Via 46 angeordnet ist. Ein isolierendes Polymer 52, das sich zu - nicht gezeigten - Gebieten zwischen Vias erstreckt, wird aufgebracht, wobei die laterale Ausbreitung an einer Kante 52, die mit der Kante der Schicht 50 zusammenfällt, gestoppt wird.
Die Oberflächenmetallisierungsverbindung wird dann durch eine - nicht gezeigte - Maske abgeschieden, die die seitlichen Abmessungen steuert. Eine Schicht 53 aus Titan wird so abgeschieden, daß sie sich in die Öffnung 51 erstreckt und die Schicht 49 kontaktiert. Die Schicht 53 aus einem Material wie Titan liefert die Eigenschaften der Haftung, leitenden Verbindung und Barrierebildung gegenüber einer Schichtwechselwirkung. Die Hauptfunktion ist es, das Lötmittel bei künftigem wiederholten Aufschmelzen an einer Wechselwirkung mit der Schicht 49 zu hindern.
Eine Verschmelzungsschicht 54 aus Kupfer ist über der Schicht 53 vorgesehen. Die Kupfer-Verschmelzungsschicht 54 soll mit dem gepunktet gezeigten Lötmittel verschmelzen, wenn der Kontakt zusammengefügt wird. Über der Kupferschicht 54 ist eine gesteuert 20 bis 150 nm dicke Schicht 55 aus Palladium aufgebracht, die vor dem Schmelzvorgang die Oxidation des Kupfers 54 hemmt und es damit ermöglicht, das relativ geringe chemische Reduktionsvermögen der reduzierenden Atmosphäre beim Verschmelzen effektiver zu nutzen und dann - während des Verschmelzungsvorganges -, wenn das gepunktet gezeigte Lötmittel bei der Schmelztemperatur in Anwesenheit einer reduzierenden Atmosphäre in Kontakt mit der Palladiumschicht 55 gebracht wird, reduziert die Palladiumschicht 55 alle Oxide und sorgt für eine durchgängige Benetzung bei niedrigerer Temperatur und einer kürzeren Verweilzeit bei dieser Temperatur.
Bei der besten Art und Weise des Ausführens der Erfindung würde die Palladiumschicht aus 100 nm reinen Palladiums bestehen, das durch Bedampfen auf eine Verschmelzungsschicht aus Kupfer in der Nachbarschaft mit 2 um Dicke aufgebracht wurde. Die reduzierende Atmosphäre wird durch ein 10 % Wasserstoff enthaltendes Gas gebildet. Die Temperatur würde 250 ºC betragen.
Wenn eine Kupfer-Leitfähigkeitsschicht vorhanden ist, würde diese etwa 1 um dick sein. Die Haft- und Barriereschichten würden aus Chrom und etwa 100 nm dick sein. Das Ausbreitungssteuer- Schichtelement würde etwa 100 nm dickes Chrom sein.
Was beschrieben worden ist, sind Herstellungsprodukt-Zwischenstrukturen und Kontaktierungsverfahren für integrierte Schaltungen, die das Prinzip anwenden, daß eine 20 bis 150 nm dicke Schicht aus Palladium die Benetzungsfähigkeit von Kupfer und Lötmittel bei niedrigen Temperaturen in einer flußmittelfreien reduzierenden Atmosphäre verbessert.

Claims

1. Verfahren zum flußmittelfreien Lötverbinden einer lötmittelbedeckten Kontaktfläche (4, 12) auf einem ersten Substrat (3, 11) mit einer Kontaktfläche (8, 16) auf einem zweiten Substrat, wobei mindestens eine der lötmittelbedeckten Kontaktfläche auf dem ersten Substrat und der Kontaktfläche auf dem zweiten Substrat ein Oxid (6, 14) darauf hat, das in Kombination die Schritte aufweist:

Bilden einer Palladium-Oberflächenschicht (9, 15) auf der Oberfläche mindestens einer der lötmittelbedeckten Kontaktflächen auf dem ersten Substrat und der Kontaktfläche auf dem zweiten Substrat, wobei das Palladium zwischen 20 und 150 nm dick ist,

Anordnen der lötmittelbedeckten Kontaktfläche gegen die Kontaktfläche auf der zweiten Oberfläche mit dem Palladium dazwischen,

Bereitstellen einer Wasserstoffatmosphäre (10, 19),

Schmelzen des Lötmittels auf der lötmittelbedeckten Kontaktfläche, wobei das geschmolzene Lötmittel

die Kontaktfläche auf dem besagten zweiten Substrat benetzt, und

Abkühlen, bis die besagte Kombination verschmolzen ist.

2. Verfahren zum Entfernen von Rest-Lötmittel auf einem Element (22), das einen Rest hat, in Kombination die Schritte aufweisend:

Bilden einer Palladium-Oberflächenschicht (21) auf der Oberfläche eines Kupferblocks (20), wobei das Palladium zwischen 20 und 150 nm dick ist,

Anordnen des besagten Elements (22) mit den Lötmittelstellen (23) auf dem besagten Kupferblock (20) mit dem Palladium dazwischen,

Bereitstellen einer Wasserstoffatmosphäre,

Schmelzen des Lötmittels auf dem Element, wobei das geschmolzene Lötmittel auf den Kupferblock übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lötmittel bei einer Temperatur von mindestens 215 ºC geschmolzen wird.