專利名稱：凸塊下金屬層結構、晶圓結構與該晶圓結構的形成方法
第l/7頁凸塊下金屬層結構、晶圓結構與該晶圓結構的形成方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種凸塊下金屬層結構、晶圓結構以及該晶圓結構的形 成方法，且特別是有關于一種利用無電電鍍技術形成的凸塊下金屬層結構、晶圓結構以及該晶圓結構的形成方法。背景技術：
在半導體封裝技術中，常見的芯片連接技術包括倒裝接合(flip chip )、打線接合(wire bonding)以及巻帶自動接合(tape automated bonding )等方 式，以將芯片與基板電性連接。其中倒裝接合技術利用焊料凸塊(solder bump ) 作為芯片與基板間電性連接的媒介，相較于打線接合以及巻帶自動接合的方 式，倒裝接合技術具有較短的電性連接路徑，并且具有較佳的電性連接品質， 使得凸塊愈來愈廣泛地應用在半導體封裝政術中。傳統(tǒng)的凸塊形成方法中，將一 凸塊下金屬層(Under Bump Metallurgy ， UBM)形成在芯片表面上，并且覆蓋芯片表面的銅焊墊上， 一般利用濺鍍(sputtering )或電鍍(electroplating )的方式形成凸塊下金屬層。4妻著進4亍 涂布光阻層、黃光蝕刻等步驟，使得凸塊下金屬層的尺寸大約對應于銅焊墊 的尺寸。而后，將光阻層剝離，并且在凸塊下金屬層上印刷錫膏。最后，回 焊錫膏，使得錫膏內的錫顆粒熔化成錫湯，并冷卻固化成凸塊。傳統(tǒng)凸塊的形成方法具有繁復的制程步驟，無法有效地降低制程成本， 因此業(yè)界發(fā)展出一種不需進行黃光蝕刻的凸塊形成方法。這種不需黃光蝕刻 步驟地凸塊形成方法，包括在銅焊墊上無電電鍍(electroless plating)鎳(nickel)層，以及在鎳層上無電電鍍鈀(palladium )層的步驟，并且接著形 成例如是金材料的濕潤層。而后，通過印刷及回焊的步驟形成凸塊。無電鍍
鎳是一種化學還原反應，利用溶液中的還原劑(如次磷酸鈉)將鎳離子還原 沉積在催化表面上。在界面反應方面，由于無電鍍鎳對于銅的擴散阻絕效果 良好，因此被廣泛采用于電子封裝中，以在焊錫凸塊中扮演一個擴散屏障的角色。在無電電鍍鎳層的步驟中， 一般將晶圓(wafer)浸入鍍液中，鍍液中 由硫酸鎳(NiS04 )提供鎳離子，并且由次磷酸鈉(NaH2P02 )作為還原劑 以使鎳離子還原為鎳金屬，并且以鎳金屬做為催化劑進行自催化反應(autocatalytic reaction),從而在鋁或銅焊墊上析鍍一含磷的鎳層(Ni-P )。 這種無電電鍍的方式具有鍍層厚度均勻、孔隙率低、結晶細致、硬度高、可 焊性良好等優(yōu)點。然而，由于這種無電電鍍制程受到鍍液組成成分及其濃度、 操作溫度以及酸堿值等參數條件影響，當進行例如回焊錫膏等高溫制程步驟 時，容易因為高溫影響，在錫膏以及鎳層間的接口形成一富磷的結晶狀介金 屬相(Inter-Metallic Compound, IMC )。在無電電鍍的置換反應中，當 一個 尺寸較小的鎳原子溶走(氧化)的同時，會有兩個相對尺寸很大的金原子沉 積(還原)，這樣在晶格成長時會造成全面推擠性的差排(Misalignment), 因而使得鎳與金的界面中出現(xiàn)很多的空隙疏孔，甚至藏有溶液等，容易造成 鎳層的繼續(xù)鈍化及氧化，使得界面品質受到影響。此外，當鎳層中磷量較高 時，容易造成焊性降低，因此一般的作法是將含磷量控制在7~9%之間。以 下以凸塊與含磷的鎳層的接口為例來進行說明，請同時圖1及圖4,圖l繪 示傳統(tǒng)的凸塊與無電電鍍鎳層之間接口的示意圖，圖4是圖l的電子掃瞄攝 影照片。通過電子掃瞄4聶影(Scanning Electron Microscopy, SEM)以及成分 分析可知，凸塊103以及含磷鎳層101間形成富磷的結晶狀介金屬相102。 由于富磷的結晶狀介金屬相102具有易脆的特性，使得凸塊103與芯片間接 點強度降低。當進行芯片焊接、封膠或者產品測試時，容易在此結晶狀介金 屬相102發(fā)生斷裂，降低了產品的良率以及可靠度。
發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于提出一種凸塊下金屬層結構、晶圓結構及該晶圓 結構的形成方法，其可提高接點強度，進一步提升產品的可靠度以及品質。為達成本發(fā)明的前述目的，本發(fā)明提出一種凸塊下金屬層結構，包括一 黏附層、 一阻障層以及一濕潤層。黏附層設置在一晶圓的一接墊上，翁附層 的材料為含硼的鎳。阻障層設置在黏附層上，阻障層的材料為鈷。濕潤層設 置在阻障層上，濕潤層的材料為金。本發(fā)明還提出一種晶圓結構，包括一晶圓、 一接墊、 一鈍化層以及一凸 塊下金屬層。接墊設置在晶圓上，鈍化層覆蓋晶圓并且暴露出部分接墊。凸 塊下金屬層包括一祐附層、 一阻障層及一濕潤層。黏附層設置在接墊上，教 附層的材料為含硼的鎳。阻障層設置在黏附層上，阻障層的材料為鈷。濕潤 層設置在阻障層上，濕潤層的材料為金。本發(fā)明再提出一種晶圓結構的形成方法。首先，提供一晶圓，晶圓的表 面設置有一接墊并且覆蓋有一鈍化層，鈍化層暴露出部分接墊。其次，在接 墊上無電電鍍一黏附層，黏附層的材料為含硼的鎳。然后，在黏附層上無電 電鍍一阻障層，阻障層的材料為鈷。然后，在阻障層上形成一濕潤層，濕潤 層的材料為金。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明凸塊下金屬層結構、晶圓結構以及該晶圓結構 的形成方法分別利用含硼的鎳、鈷以及金作為黏附層、阻障層以及濕潤層的 材料，使得凸塊以及晶圓的接墊間經過熱循環(huán)的步驟后，不會生成易脆的介 金屬相，提升了接點的機械強度，進一步改善了產品的可靠性。其次，由于 黏附層、阻障層以及濕潤層是以無電電鍍的方式形成，可減少制程步驟，還 節(jié)省了制造成本。再者，利用鈷作為阻障層的材料，相較于傳統(tǒng)利用鈀作為 阻障層材料的方式，可降低成本并且提高電性表現(xiàn)。為讓本發(fā)明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳的實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下

圖l繪示傳統(tǒng)的凸塊與無電電鍍鎳層之間接口的示意圖； 圖2A繪示依照本發(fā)明較佳實施例在一硅晶圓(silicon wafer )表面上設 置接墊以及鈍化層的示意圖；圖2B繪示在圖2A的晶圓上形成私附層的示意圖； 圖2C繪示在圖2B的恭附層上形成阻障層的示意圖； 圖2D繪示在圖2C的阻障層上形成濕潤層的示意圖； 圖2E繪示在圖2D的濕潤層上形成焊料層的示意圖； 圖3繪示依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓結構的示意圖； 圖4是圖1的電子掃瞄攝影照片；以及圖5是依照本發(fā)明較佳實施例的凸塊下金屬層與凸塊間接口的電子掃瞄攝影照片。
具體實施方式依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓結構包括一晶圓、 一接墊、 一鈍化層以及 一凸塊下金屬層。本實施例中接墊設置在晶圓的表面，鈍化層覆蓋在晶圓表 面并且暴露部分的接墊。凸塊下金屬層設置在接墊上，并且包括一翻附層、 一阻障層及一 濕潤層。依照本實施例的晶圓結構的形成方法詳述如下。請同時參照圖2A至圖2E，圖2A繪示依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓的 示意圖；圖2B繪示在圖2A的晶圓上形成勒附層的示意圖；圖2C繪示在圖 2B的黏附層上形成阻障層的示意圖；圖2D繪示在圖2C的阻障層上形成濕 潤層的示意圖；圖2E繪示在圖2D的濕潤層上形成焊料層的示意圖。依照本 發(fā)明較佳實施例的晶圓結構的形成方法，首先提供一晶圓12,如圖2A所示。 本實施例中晶圓12豐i佳地是一^圭晶圓(silicon wafer),其表面"i殳置有一4矣墊 14以及一4屯化層(passivation layer) 16。 4妻墊14的才才料例如是銅(copper) 或是鋁(aluminum),作為晶圓12上的電性接點。鈍化層16覆蓋在晶圓 上，并且具有一接觸窗(contact windows) 16a,以暴露部分的接墊14。其次，在接墊14上無電電鍍(electroless plating ) —勦附層22。在無電 電鍍黏附層22之前，較佳地將接墊14進行表面處理。將接墊14表面的氧化 物(例如氧化銅)及有機、無機物質移除，并且利用例如鋅(zinc )或鈷(cobalt) 等材料進行接墊14的表面活化(activation),而后將晶圓12浸入鎳硼的鍍液 中，以進行黏附層22的無電電鍍。本實施例中，在無電電鍍的鍍浴中，利用 鎳金屬的自催化反應，在活化后的接墊14表面析鍍含硼的鎳(Ni-B)。此處 所形成的鎳硼材料層即為黏附層22，且其形成的厚度大約為1 ~ 15微米 (um )。接著，如圖2C所示，在黏附層22上無電電鍍一阻障層24，用以阻擋私 附層22的鎳金屬向外擴散。本實施例中阻障層24的厚度大約為0.15-7.5 微米，并且較佳地以鈷(Co)作為阻障層24的材料，相較于利用4巴作為阻 障層24的材料，鈷材料的阻障層24具有較低的材料成本，并且可提高后續(xù) 制程形成的凸塊與接墊14間的電性接觸特性。如圖2D所示，在阻障層24上接著形成一濕潤層26。潤濕層26用以防 止阻障層24被氧化，同時改善對于凸塊的濕潤性。本實施例中，濕潤層26 的材料為金(Au),且較佳地以無電電鍍的方式形成在阻障層24上，其厚度 大約為0.05 ~ 0.15微米。然濕潤層26也可以例如是利用浸鍍(immersion plating)的方式形成在阻障層24上。形成濕潤層26之后，黏附層22、阻障 層24及濕潤層26構成一凸塊下金屬層(Under Bump Metallurgy, UBM ) 20。再來，形成一焊料層30在濕潤層上，如圖2E所示。在本實施例中，焊 料層30印刷(printing)在濕潤層26上，且其材料較佳地為金，然焊料層30 的材料也可以是錫(Sn)、鉛(Pb)、鎳、金、銀(Ag)、銅或其組合。本實施例的晶圓結構的形成方法接下來進行回焊焊料層30的步驟，焊料 層30經過回焊后形成一凸塊。本發(fā)明所屬技術領域的技術人員，可了解形成 凸塊的方式不限制于上述利用印刷及回焊的方式，凸塊也可以利用直接植球 的方式形成在凸塊下金屬層上。植球的步驟可例如是利用植球機臺或機械手 臂來進行，其直接將凸塊對應放置在凸塊下金屬層上，并且利用助焊劑將凸 塊接合在凸塊下金屬層上?；蛘撸部衫镁W板進行凸塊的對位，將凸塊對 應放置于凸塊下金屬層上，然后同樣利用助焊劑將凸塊接合在凸塊下金屬層 上。然而，其它在此領域中所常用的將凸塊接合在凸塊下金屬層上的方法均 可應用于jt匕。形成凸塊后完成依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓結構。請參照圖3,其繪 示依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓結構的示意圖。晶圓結構100包括晶圓12、 接墊14、鈍化層16、凸塊下金屬層20以及凸塊30，。凸塊下金屬層20包括 黏附層22、阻障層24及濕潤層26。本實施例中，教附層22、阻障層24及濕潤層26均為無電電鍍層，在鍍 液中進行凸塊下金屬層20各材料層的無電電鍍時，這些材料層具有大約相同 的寬度。當凸塊下金屬層20形成之后，不需再進行涂布光阻、黃光以及蝕刻 的步驟。另外，凸塊下金屬層20中黏附層22的材料是含硼的鎳，當晶圓結 構100進行熱處理相關的制程步驟時，例如回焊焊料層30以形成凸塊30，時， 可避免在凸塊30，以及接點14之間形成富磷的結晶狀介金屬相。請同時參照 圖5，其為依照本發(fā)明較佳實施例的凸塊下金屬層與凸塊間接口的電子掃瞄 攝影照片。通過實驗以及成分分析結果得知，凸塊下金屬層20與凸塊30，間 并沒有生成易脆的富磷結晶狀介金屬相，且接面結構平整，使得凸塊下金屬 層20與凸塊30，間具有良好的接合性質，進一步提升了凸塊30，與接墊14接 合的穩(wěn)定性。此外，本實施例中阻障層24的材料為鈷，相較于傳統(tǒng)利用鈀作為阻障層 的材料，具有較低的材料成本。再者，通過實驗測量結果得知，傳統(tǒng)鎳/釔/ 金結構的凸塊下金屬層的薄層電阻值，相較于鎳/鈷/金結構的凸塊下金屬層
大約增加8.6%。因此，相較于傳統(tǒng)鈀材料的阻障層，本實施例中鈷材料的 阻障層24更具有較佳的電性表現(xiàn)。另一方面，上述依照本發(fā)明較佳實施例的晶圓結構的形成方法中，是以 一個接墊14以及對應形成一個凸塊下金屬層20為例做說明。然而，在實際 應用中，晶圓12的表面較佳地具有多個數組排列的接墊14,并且在晶圓12 進行切單(wafer sawing )前，利用晶圓等級(wafer level)的制程在接墊14 上對應形成多個凸塊下金屬層20。更進一步來說，依照本發(fā)明較佳實施例的 晶圓結構的形成方法，例如應用于晶圓級芯片封裝(Wafer Level Chip Size Package, WLCSP )技術以及倒裝芯片封裝(flip chip package )技術中。上述依照本發(fā)明較佳實施例的凸塊下金屬層結構、晶圓結構以及該晶圓 結構的形成方法，分別利用含硼的鎳、鈷以及金作為黏附層、阻障層以及濕 潤層的材料，使得凸塊以及晶圓的接墊間經過熱循環(huán)的步驟后，不會生成易 脆的介金屬相，提升了接點的機械強度，進一步改善了產品的可靠性。其次， 由于黏附層、阻障層以及濕潤層是以無電電鍍的方式形成，可減少制程步驟， 還節(jié)省了制造成本。再者，利用鈷作為阻障層的材料，相較于傳統(tǒng)利用鈀作 為阻障層材料的方式，可降低成本并且提高電性表現(xiàn)。
權利要求
1.一種凸塊下金屬層結構，包括一黏附層、一阻障層以及一濕潤層，其中黏附層設置在一晶圓的一接墊上，阻障層設置在該黏附層上，以及濕潤層設置在該阻障層上，其特征在于該黏附層的材料為含硼的鎳(Ni-B)，該阻障層材料為鈷(Co)，該濕潤層的材料為金(Au)。
2. 如權利要求1所述的凸塊下金屬層結構，其特征在于該li附層是無 電電鍍層(electroless plating layer ),其厚度大約為1 ~ 15微米(um ),該阻 障層是無電電鍍層，其厚度大約為0.15-7.5微米，該濕潤層是無電電鍍層 或浸鍍層(immersion plating layer )，其厚度大約為0.05 ~ 0.15微米。
3. —種晶圓結構，包括 一晶圓、 一接墊、 一鈍化層以及一凸塊下金屬 層，其中該接墊設置在該晶圓上，該鈍化層覆蓋該晶圓并且暴露出部分的接 墊，該凸塊下金屬層包括 一祐附層、 一阻障層以及一濕潤層，其中該黏附 層設置在該接墊上，阻障層設置在該黏附層上，濕潤層設置在該阻障層上， 其特征在于該黏附層的材料為含硼的鎳，該阻障層的材料為鈷，該濕潤層 的材料為金。
4. 如權利要求3所述的晶圓結構，其特征在于該黏附層為無電電鍍層， 厚度大約為1~15微米，該阻障層為無電電鍍層，厚度大約為0.15 ~ 7.5微 米，該濕潤層為無電電鍍層或浸鍍層，厚度大約為0.05 ~ 0.15微米。
5. 如權利要求3所述的晶圓結構，其特征在于該結構還包括 一設置 在該濕潤層上的凸塊(bump),該凸塊的材料為錫(Sn)、鉛(Pb)、鎳、金、 銀(Ag)、銅或其組合。
6. —種晶圓結構的形成方法，包括提供一晶圓，該晶圓的表面設置有 一接墊并且覆蓋有一鈍化層，該鈍化層暴露出部分接墊；在該接墊上無電電 鍍(electroless plating ) —翁附層；在該黏附層上無電電鍍一阻障層；以及在 該阻障層上形成一濕潤層，其特征在于該黏附層的材料為含硼的鎳(Ni-B), 該阻障層的材料為鈷(Co),該濕潤層的材料為金(Au)。
7. 如權利要求6所述的晶圓結構的形成方法，其特征在于該祐附層的 厚度大約為1~15微米，該阻障層的厚度大約為0.15 ~ 7.5微米，該濕潤層 的厚度大約為0.05 ~ 0.15微米。
8. 如權利要求6所述的晶圓結構的形成方法，其特征在于在形成該濕 潤層的步驟中，該濕潤層是無電電鍍或浸鍍(immersion plating )在該阻障層 上。
9. 如權利要求6所述的晶圓結構的形成方法，其特征在于該方法還包 括在該濕潤層上印刷一焊料層；及回焊該焊料層以形成一凸塊。
10. 如權利要求6所述的晶圓結構的形成方法，其特征在于該方法還包 括利用直接植球的方式將一凸塊設置在該濕潤層上。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種凸塊下金屬層結構、晶圓結構以及該晶圓結構的形成方法。凸塊下金屬層結構包括一黏附層、一阻障層及一濕潤層。黏附層設置在一晶圓的一接墊上，阻障層設置在黏附層上，濕潤層設置在阻障層上。黏附層的材料為含硼的鎳，阻障層的材料為鈷，濕潤層的材料為金。
文檔編號H01L23/485GK101159253SQ20071016727
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權日2007年10月31日
發(fā)明者余瑞益 申請人:日月光半導體制造股份有限公司