專利名稱：焊料凸塊ubm結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開通常涉及半導(dǎo)體器件及其形成方法，更具體地，涉及具有多個金屬或金屬 合金層的可靠的凸塊下金屬化(under bump metallization，UBM)。
背景技術(shù)：
基于半導(dǎo)體的集成電路(通常稱為“芯片”)與封裝引線之間的互連通過引線接 合、焊料凸塊或載帶自動接合(TAB)來實現(xiàn)。其中，引線接合技術(shù)由于其低成本而最常使 用。然而，當(dāng)芯片_封裝互連的尺寸按比例降低時，由于引線接合要求將所有輸入/輸出 (I/O)連接都路由到芯片的邊緣，因此引線接合的性能和可靠性可能受到影響。焊料凸塊法是利用可回流的焊料球來接合芯片上的觸點(diǎn)與封裝上的對應(yīng)觸點(diǎn)。提 供了相對傳統(tǒng)引線接合技術(shù)的有效替代。通常在位于承載芯片的基板頂面的接合墊(bond pad)上沉積焊料凸塊。然而，在焊料凸塊和芯片之間典型地存在UBM結(jié)構(gòu)。在美國專利 No. 6，878，465中公開了一種這樣的UBM。該UBM結(jié)構(gòu)用作接合墊和焊料凸塊之間的電氣和機(jī)械接口。其在焊料凸塊和接合 墊之間提供必要的粘接并且也作為兩者之間的擴(kuò)散阻擋物。大多數(shù)UBM結(jié)構(gòu)包括多個金屬或金屬合金層。在這種UBM結(jié)構(gòu)中，銅是通常使用 的金屬。其增加了焊料的可接合性和可浸潤性。已知通過在回流期間或芯片使用期間產(chǎn)生的熱量，焊料凸塊中的錫與UBM結(jié)構(gòu) 中的銅反應(yīng)，形成金屬間化合物。由于形成的金屬間化合物易碎，因此如果銅與焊料凸塊直 接接觸，將大大危及焊料凸塊和接合墊之間的接合強(qiáng)度。另外，為了防止由這種反應(yīng)導(dǎo)致 的銅的自熄，通常使用非常厚的銅層，根據(jù)美國專利公布2004/0217482，在4-8微米級的量 級。由于銅具有高的熱膨脹系數(shù)(CTE)，因此在使用更多銅的時候，將引起更多的熱應(yīng)力。鎳相比銅而言與錫的反應(yīng)速度慢，并且已被引入UBM結(jié)構(gòu)中來保護(hù)銅層。然而，包 括鎳層的UBM結(jié)構(gòu)遇到與鎳的焊接能力差和鎳層中固有的殘余應(yīng)力相關(guān)的問題。美國專利No. 6，716，738公開了在焊料凸塊和鎳層之間形成另一銅或金層，以增 加該UBM結(jié)構(gòu)的可浸潤性和可接合性。然而，金不是成本有效的，而且在使用銅時，由于銅 將與焊料凸塊直接接觸，因此將形成金屬間材料。對于UBM結(jié)構(gòu)還需要具有薄的銅層，同時需要具有好的可浸潤性和可接合性。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供了一種凸塊下金屬化結(jié)構(gòu)，其包括設(shè)置在芯片接合墊上方的基于鈦的 層、設(shè)置在基于鈦的層上方的基于銅的層、設(shè)置在基于銅的層上方的基于鎳的層、和設(shè)置在 基于鎳的層上方的純錫層或錫合金層(例如錫銀(tin-silver))。因為基于銅的層的厚度被降低到大約0. 3微米和10微米之間，優(yōu)選在大約0. 3微 米和2微米之間，因此所公開的UBM結(jié)構(gòu)具有對半導(dǎo)體器件的應(yīng)力改善。純錫或錫合金層 的存在防止了基于鎳的層的氧化和污染。也為隨后的工藝形成了良好的可焊接表面。
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本公開還提供了一種具有所公開的UBM結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及其制造方法。


圖1示出了根據(jù)本公開一個實施例的半導(dǎo)體器件隔離部分的橫截面圖。圖2示出了具有重新分布的接合墊的半導(dǎo)體器件隔離部分的橫截面圖。
具體實施例方式圖1是根據(jù)本公開的一個實施例形成在基板1上的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)隔離部分的橫截面 圖。如圖1所示，在基板1的表面2上有接合墊3。接合墊3可以經(jīng)由任何常規(guī)手段形成。 其是由導(dǎo)電材料制成的。最常使用的是Al或Cu。至少有一個鈍化層4形成在基板1和接合墊3上方。圖1中的鈍化層4通常是由 絕緣材料形成的，例如氧化硅和氮化硅。電絕緣是鈍化層4的主要功能。其還用來將塵埃 和濕氣排除在外，以保護(hù)芯片不受腐蝕和其它損害。鈍化層4之上的電介質(zhì)層5由有機(jī)材 料制成，優(yōu)選聚酰亞胺。電介質(zhì)層5是柔順的(compliant)，并可用作應(yīng)力緩沖層。在電介質(zhì)層中形成有孔，以至少暴露一部分接合墊3。該孔可以是任何形狀和尺 寸。當(dāng)使用多個鈍化層時，也至少暴露每個鈍化層的一部分。該UBM結(jié)構(gòu)由形成在接合墊3上的多個金屬層組成，其中沒有兩個相鄰層由相同 金屬或金屬合金形成。設(shè)置在接合墊3和部分鈍化層4和5上的第一金屬或金屬合金層6 優(yōu)選是基于鈦的?！盎凇币馑际窃摵辖鸬闹辽?0%是指定的金屬，在這種情況下，為鈦。其 提供了接合墊3和第二金屬或金屬合金層7之間的良好粘合，并且具有大約500至3000A 的厚度。設(shè)置在層6上方的層7優(yōu)選是基于銅的。該層提供了焊料凸塊10和接合墊3之 間的良好電氣連接。其具有大約0.3至10微米的厚度，優(yōu)選為0.3至2微米。與常規(guī)UBM 結(jié)構(gòu)相比，根據(jù)本公開的銅層是薄的。因為銅具有高的CTE并且應(yīng)力水平是CTE差和厚度 的函數(shù)，所以具有薄銅層的UBM大大降低了熱應(yīng)力，由此提高了焊料凸塊與接合墊連接的
可靠性。第三金屬或金屬合金層，即層8，設(shè)置在層7上方。其優(yōu)選由基于鎳制成，并且具有 大約1. 0微米到5. 0微米的厚度。層8用作對于在層7和焊料凸塊10之間金屬間化合物 形成的良好阻擋物。即使根據(jù)本公開的銅層非常薄，但是因為所公開的厚度的鎳層的存在， 它將不會自熄。設(shè)置在層8上的層9由純錫或錫合金制成，且具有大約2微米到大約10微米的厚 度。該層用來增加UBM結(jié)構(gòu)的可浸潤性和可接合性，并防止層8的污染。該錫層還有利于 后面的制造工序。該UBM結(jié)構(gòu)的每個層可以利用常規(guī)的制造技術(shù)形成，例如，濺射、蒸發(fā)和鍍覆工 藝。通過利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)或焊料球滴(solder sphere drop)技術(shù)將焊料凸塊10設(shè) 置在層9上方。如圖2所示，可以通過重新分布層11使該UBM結(jié)構(gòu)與芯片接合墊3偏離。重新分 布層11覆蓋接合墊3，并包括至少一個電連接到接合墊3的金屬層。例如，該重新分布層可以包括鈦層和銅層，其中鈦層覆蓋在接合墊3上，并且銅層沉積在鈦層上方。該重新分布層 通常被一個或更多個鈍化層覆蓋。鈍化層形成有用來暴露部分重新分布層11的孔。如第 一實施例中公開的UBM結(jié)構(gòu)以完全覆蓋暴露的接合墊3的方式形成在接合墊3上方。
權(quán)利要求
一種凸塊下金屬化UBM結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在半導(dǎo)體基板的接合墊上方的第一金屬或金屬合金層；設(shè)置在所述第一層上方的第二金屬或金屬合金層；設(shè)置在所述第二層上方的第三金屬或金屬合金層；設(shè)置在所述第三層上方的第四金屬或金屬合金層，所述第四層包括純錫或錫合金并且與焊料凸塊接觸；其中沒有兩個相鄰層由相同的金屬或金屬合金形成。
2.如權(quán)利要求1的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層是基于鈦的。
3.如權(quán)利要求2的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第二層是基于銅的。
4.如權(quán)利要求3的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第三層是基于鎳的。
5.如權(quán)利要求4的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層具有大約500-3000A的厚度；所述第二 層具有大約0. 3-10微米的厚度；所述第三層具有大約1. 0-5. 0微米的厚度；和所述第四層 具有大約2. 0-10. 0微米的厚度。
6.如權(quán)利要求5的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述UBM經(jīng)由重新分布層從所述接合墊偏移，所述重 新分布層包括電連接到所述接合墊的至少一個金屬層。
7.如權(quán)利要求1的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層具有大約500-3000A的厚度。
8.如權(quán)利要求7的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第二層具有大約0.3-10微米的厚度。
9.如權(quán)利要求8的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第三層具有大約1.0-5. 0微米的厚度。
10.如權(quán)利要求9的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第四層具有大約2.0-10. 0微米的厚度。
11.如權(quán)利要求10的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層是基于鈦的；所述第二層是基于銅的； 和所述第三層是基于鎳的。
12.如權(quán)利要求1的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述UBM經(jīng)由重新分布層從所述接合墊偏移；所述 重新分布層包括電連接到所述接合墊的至少一個金屬層。
13.如權(quán)利要求12的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述重新分布層包括鈦層和銅層，所述鈦層覆蓋在 所述接合墊和至少一部分鈍化層上，并且所述銅層沉積在所述鈦層上方。
14.如權(quán)利要求13的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層包括鈦；所述第二層包括銅；并且所述 第四層包括鎳。
15.如權(quán)利要求14的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述第一層具有大約500-3000A的厚度；所述第 二層具有大約0. 3-10微米的厚度；所述第三層具有大約1. 0-5. 0微米的厚度；和所述第四 層具有大約2. 0-10. 0微米的厚度。
16.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成焊料連接的方法，包括提供基板，所述基板具有至少一個接合墊和在所述接合墊上形成的鈍化層，其中所述 鈍化層包括暴露每個所述接合墊的至少一部分的孔；在所述孔和部分所述鈍化層上方形成凸塊下金屬化UBM結(jié)構(gòu)，所述UBM結(jié)構(gòu)包括 設(shè)置在所述孔和部分所述鈍化層上方的第一金屬或金屬合金層， 設(shè)置在所述第一層上方的第二金屬或金屬合金層， 設(shè)置在所述第二層上方的第三金屬或金屬合金層， 設(shè)置在所述第三層上方的第四金屬或金屬合金層，所述第四層包括純 錫或錫合金，其中沒有兩個相鄰層由相同的金屬或金屬合金形成；在所述UBM結(jié)構(gòu)上方形成焊料凸塊。
17.一種在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成焊料連接的方法，包括提供基板，所述基板包括至少一個接合墊和形成在該接合墊上的第一鈍化層，其中所 述第一鈍化層具有暴露每個所述接合墊的至少一部分的孔；在所述基板上方沉積重新分布層，所述重新分布層電連接到每個所述接合墊； 在所述重新分布層上方形成第二鈍化層； 移除部分所述第二鈍化層以暴露至少一部分所述重新分布層； 在所述暴露的重新分布層和部分所述第二鈍化層上方形成凸塊下金屬化UBM結(jié)構(gòu)，所 述UBM結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述暴露的重新分布層和部分所述第二鈍化層上方的第一金 屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第一層上方的第二金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第二層上方的第三金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第三層上方的第四金屬或金屬合金層，所述第四層包括純錫或錫合金，其中沒有兩個相鄰層由相同的金屬或金屬合金形成；在所述UBM結(jié)構(gòu)上方形成焊料凸塊。
18.一種晶片結(jié)構(gòu)，包括具有至少一個接合墊和鈍化層的基板，所述鈍化層包括暴露每個所述接合墊的至少一 部分的孔；形成在所述孔和部分所述鈍化層上的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述UBM結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述孔和部分所述鈍化層上方的第一金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第一層上方的第二金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第二層上方的第三金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第三層上方的第四金屬或金屬合金層，所述第四層包括純錫或錫合金，其中沒有兩個相鄰層由相同的金屬或金屬合金形成；形成在所述UBM結(jié)構(gòu)上的焊料凸塊。
19.一種晶片結(jié)構(gòu)，包括具有至少一個接合墊和第一鈍化層的基板，其中所述第一鈍化層具有暴露每個所述接 合墊的至少一部分的第一組孔；設(shè)置在所述基板上的重新分布結(jié)構(gòu)，所述重新分布結(jié)構(gòu)電連接到每個所述接合墊； 形成在所述重新分布結(jié)構(gòu)上的第二鈍化層，所述第二鈍化層具有暴露至少一部分所述 重新分布結(jié)構(gòu)的第二組孔；設(shè)置在所述第二組孔和部分所述第二鈍化層上的UBM結(jié)構(gòu)，其中所述UBM結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在通孔和部分第二鈍化層上的第一金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第一層上的第二金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第二層上的第三金屬或金屬合金層，設(shè)置在所述第三層上的第四金屬或金屬合金層，所述第四層包括純錫或錫合金，其中沒有兩個相鄰層由相同的金屬和金屬合金形成；形成在所述UBM結(jié)構(gòu)上的焊料凸塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及焊料凸塊UBM結(jié)構(gòu)。公開了一種包括形成在芯片接合墊上的多個金屬或金屬合金層的凸塊下金屬化結(jié)構(gòu)。因為基于銅的層的厚度被降低到大約0.3微米和10微米之間，優(yōu)選在大約0.3微米和2微米之間，因此所公開的UBM結(jié)構(gòu)具有對半導(dǎo)體器件上的應(yīng)力改善。純錫層的存在防止了基于鎳的層的氧化和污染。也為隨后的工藝形成了良好的可焊接表面。還公開了具有所公開的UBM結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
文檔編號H01L23/485GK101894814SQ201010136548
公開日2010年11月24日 申請日期2010年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者劉頌初, 程子玶 申請人:宇芯先進(jìn)技術(shù)有限公司