一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。其形成方法如下：提供一晶圓級(jí)的芯片基體；在芯片基體的上表面沉積一介電層，并在芯片電極的正上方開(kāi)設(shè)介電層開(kāi)口，并在介電層開(kāi)口的正上方通過(guò)光刻工藝開(kāi)設(shè)光刻膠開(kāi)口；通過(guò)電鍍工藝在介電層開(kāi)口和光刻膠開(kāi)口內(nèi)電鍍銅柱凸塊；在上述銅柱凸塊的頂部通過(guò)電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間；多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過(guò)回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。本發(fā)明提供了一種合金焊料的組份比例穩(wěn)定的金屬帽的形成方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，隨著芯片制程發(fā)展超出摩爾定律，芯片密度越來(lái)越高，芯片之間的間距不斷減少，得益于銅材料優(yōu)越的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和可靠性，帶有錫金屬帽的銅柱凸塊(Cu pillar)技術(shù)逐漸取代錫鉛凸塊(solder bump),成為覆晶主流技術(shù)。
[0003]但由于錫結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較差，由純錫制成的錫金屬帽易產(chǎn)生金屬晶須，其潤(rùn)濕性也會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生劣化，使電子產(chǎn)品存在失效隱患，因此行業(yè)內(nèi)通常采用合金焊料來(lái)制做焊料，常用的方法是選擇一定配比的錫基合金焊料電解液通過(guò)電鍍的方法在銅柱的頂端共沉積形成錫基金屬合金的金屬帽，然而該錫基合金焊料電解液成分配比復(fù)雜，在形成錫基金屬合金的金屬帽的過(guò)程中合金焊料的組份比例也往往存在一定的偏差，尤其在除錫之外的兩種或兩種以上合金焊料時(shí)，很難獲得穩(wěn)定配比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有銅柱凸塊的錫基金屬合金的金屬帽的不足，提供一種合金焊料的組份比例穩(wěn)定的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)制作銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其為晶圓級(jí)的半導(dǎo)體器件提供封裝，以提高電氣性質(zhì)、增加密度、降低器件尺寸、降低成本，以及晶圓級(jí)的附加測(cè)試，其形成方法如下:
提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極的芯片基體，所述芯片電極的表面露出芯片基體的上表面；
在所述芯片基體的上表面沉積一介電層，所述介電層在芯片電極的正上方開(kāi)設(shè)介電層開(kāi)口，所述介電層開(kāi)口露出芯片電極的一表面；
在上述設(shè)有介電層開(kāi)口的介電層的表面涂覆厚光刻膠，并在介電層開(kāi)口的正上方通過(guò)光刻工藝開(kāi)設(shè)光刻膠開(kāi)口，形成具有光刻膠開(kāi)口圖案的光刻膠層；
通過(guò)電鍍工藝在介電層開(kāi)口和光刻膠開(kāi)口內(nèi)電鍍銅柱凸塊，所述銅柱凸塊的上端面不高于光刻膠層的上表面；
在上述銅柱凸塊的頂部通過(guò)電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間；采用去膠工藝去除剩余的光刻膠；
所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過(guò)回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。
[0006]可選地,所述金屬層的厚度范圍為0.01?0.5 μ m。所述金屬層為單層結(jié)構(gòu),其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In ;所述金屬層為多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一層的材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
[0007]進(jìn)一步地，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過(guò)光刻膠層的上表面。
[0008]進(jìn)一步地，所述銅柱凸塊的高度不小于介電層的厚度。
[0009]進(jìn)一步地，所述光刻膠開(kāi)口的開(kāi)口邊界大于介電層開(kāi)口的開(kāi)口邊界。
[0010]進(jìn)一步地，所述介電層開(kāi)口的橫截面呈圓形或多邊形。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述光刻膠開(kāi)口的橫截面呈圓形或多邊形。
[0012]本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過(guò)金屬合金化形成，金屬合金化是通過(guò)加入某種或某些元素，使金屬成為(在一定的工藝條件下，如高溫、真空等)具有預(yù)期性能的合金，以改善原有性能，如強(qiáng)度、可靠性等。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明通過(guò)電鍍或浸金工藝在若干層金屬錫(即錫柱凸塊)之間分次沉積薄層(厚度為微米級(jí)或納米級(jí))的Ag、Cu、Zn、Bi和/或In金屬，形成錫與另外一種或兩種或兩種以上金屬構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，再通過(guò)回流的方式將銅柱凸塊的頂端的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層金屬合金化形成錫基金屬合金的金屬帽，與傳統(tǒng)的電鍍合金焊料相比，該方法形成的錫基金屬合金的金屬帽的成分可以更多元化，方法更簡(jiǎn)單；同時(shí)，通過(guò)控制各金屬層的沉積厚度實(shí)現(xiàn)成分的配比控制，工藝操作更容易；各金屬薄層嵌在若干層金屬錫之間回流形成錫基金屬合金的金屬帽，可以使金屬擴(kuò)散地更均勻。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法形成的銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示意圖；
圖2至圖9為本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法的工藝流程示意
圖；
圖中:
芯片基體I 芯片電極11 介電層2 介電層開(kāi)口 21 光刻膠層3 光刻膠開(kāi)口 31 銅柱凸塊4 金屬帽5 錫柱凸塊I 511 錫柱凸塊II 512 錫柱凸塊III 513 金屬層I 521 金屬層II 522。
【具體實(shí)施方式】[0015]現(xiàn)在將在下文中參照附圖更加充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，從而本公開(kāi)將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)被解釋為限制于這里闡述的實(shí)施例。
[0016]本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法形成的銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，如圖1所示。表面預(yù)先處理有鈍化層(圖中未示出)的晶圓級(jí)的芯片基體I的上表面帶有若干個(gè)芯片電極11，芯片電極11按陣列或工藝需要排列，芯片電極11的表面露出芯片基體I的上表面。在芯片基體I的上表面設(shè)置帶有介電層開(kāi)口 21的介電層2，介電層開(kāi)口 21位于芯片電極11的正上方。介電層開(kāi)口 21的橫截面形狀可以為圓形，也可以為矩形、六邊形等多邊形，通常，介電層開(kāi)口 21的橫截面形狀與芯片電極11的橫截面形狀一致，且介電層開(kāi)口 21的橫截面邊界不超出芯片電極11的橫截面邊界。在介電層開(kāi)口 21內(nèi)設(shè)置高度高于介電層2的銅柱凸塊4。銅柱凸塊4的下端，即在介電層開(kāi)口 21內(nèi)的部分，受介電層開(kāi)口 21的形狀限制，形成與介電層開(kāi)口 21的橫截面形狀相同的橫截面形狀；銅柱凸塊4的上端，即在介電層開(kāi)口 21外的部分，其橫截面形狀可以與銅柱凸塊4的下端的橫截面形狀相同，也可以根據(jù)實(shí)際需要制作，如銅柱凸塊4的下端的橫截面呈方形，其上端的橫截面可以呈方形也可以呈圓形。在銅柱凸塊4的頂端設(shè)置錫基金屬合金的金屬帽5，其材質(zhì)主要為Sn,摻雜Ag、Cu、Zn、B1、In等中的一種或其中任意幾種的組合,如Sn_Ag、Sn-Cu> Sn-Zn>Sn-B1、Sn-1n、Sn-Ag-Cu,以克服純錫金屬帽的強(qiáng)度較差、易產(chǎn)生金屬晶須等現(xiàn)有缺陷，有助于銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)與基板連接。
[0017]上述實(shí)施例的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法如下:
如圖2所示，提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極11的芯片基體1，芯片基體I的表面預(yù)先處理有鈍化層(圖中未示出)，芯片電極11的表面露出芯片基體I的上表面。
[0018]如圖3所示，在上述芯片基體I的上表面沉積一介電層2，所述介電層2在芯片電極11的正上方開(kāi)設(shè)介電層開(kāi)口 21,露出芯片電極11的表面。
[0019]如圖4所示，在上述設(shè)有介電層開(kāi)口的介電層2的表面涂覆厚光刻膠，厚光刻膠層通過(guò)光刻工藝于介電層開(kāi)口 21的正上方開(kāi)設(shè)光刻膠開(kāi)口 31，形成具有光刻膠開(kāi)口圖案的光刻膠層3 ；
光刻膠開(kāi)口 31的開(kāi)口邊界大于介電層開(kāi)口 21的開(kāi)口邊界，光刻膠開(kāi)口 31和介電層開(kāi)口 21的橫截面形狀可以相同，也可以不同。
[0020]如圖5所示，通過(guò)電鍍工藝在介電層開(kāi)口 21和光刻膠開(kāi)口 31內(nèi)電鍍銅柱凸塊4，銅柱凸塊4高度不小于介電層2的厚度；再在所述銅柱凸塊4的頂部電鍍一定厚度的錫柱凸塊I 511，錫柱凸塊I 511的上表面不超過(guò)光刻膠層3的上表面。
[0021]如圖6所示，通過(guò)電鍍或浸金工藝在錫柱凸塊I 511的上表面形成分布均勻的金屬層I 521，金屬層I 521可以為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等；金屬層I 521也可以為包括多個(gè)子金屬層的多層結(jié)構(gòu)，多個(gè)子金屬層通過(guò)重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一子金屬層分布均勻，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，并控制每一層形成的子金屬層的厚度在微米或納米級(jí)。
[0022]如圖7所不,通過(guò)電鍍的方式在金屬層I 521的表面形成比金屬層I 521厚的錫柱凸塊II 512 ;再通過(guò)電鍍或浸金工藝在錫柱凸塊II 512的上端面沉積金屬層II 522，金屬層II 522可以為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為八8、(:11、211、81、111等；金屬層11 522也可以為包括多個(gè)子金屬層的多層結(jié)構(gòu)，多個(gè)子金屬層通過(guò)重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一子金屬層沉積均勻，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，并控制每一層形成的子金屬層的厚度在微米或納米級(jí)；通過(guò)電鍍的方式在金屬層II 522的表面形成比金屬層II 522厚的錫柱凸塊III 513 ；
錫柱凸塊I 511、金屬層I 521、錫柱凸塊II 512、金屬層II 522、錫柱凸塊III 513形成銅柱凸塊4之上的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過(guò)光刻膠層3的上表面；其中，金屬層I 521、金屬層II 522的厚度范圍為0.0l?0.5 μ m。
[0023]如圖8所示，采用去膠工藝去除剩余的光刻膠。
[0024]如圖9所示，通過(guò)回流工藝使多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層形成錫基金屬合金的金屬帽5。
[0025]采用本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法可以形成含有1.0%Ag和0.5%Cu的錫銀銅合金的金屬帽，具體如下:其先在銅柱凸塊頂端電鍍3 μ m錫柱，其次在錫柱凸塊的頂端沉積0.1 μ m銀金屬層，然后在銀金屬層的表面電鍍形成3 μ m錫柱凸塊，再在錫柱凸塊的表面沉積0.05 μ m銅金屬層,最后在銅金屬層的表面電鍍3.85 μ m錫柱凸塊，回流后形成錫銀銅合金的金屬帽；或者先在銅柱凸塊頂端電鍍3 μ m錫柱凸塊，其次在錫柱凸塊的頂端沉積0.05 μ m銅金屬層，然后在銅金屬層的表面電鍍形成3 μ m錫柱凸塊，再在錫柱凸塊的表面沉積0.1 μ m銀金屬層,最后在銀金屬層的表面電鍍3.85 μ m錫柱凸塊，回流后同樣可以形成錫銀銅合金的金屬帽。由于各子金屬層的厚度都很薄，在微米或納米級(jí)，常規(guī)的回流溫度即可實(shí)現(xiàn)金屬合金化，所以可以采用常規(guī)的回流溫度進(jìn)行回流工藝。
[0026]本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法不限于上述優(yōu)選實(shí)施例，各金屬層及其子金屬層的厚度需要根據(jù)錫基金屬合金的金屬帽中各成分配比及錫柱凸塊高度而定，一般而言，錫柱凸塊比金屬層厚些；各金屬層及其子金屬層的形成次序也沒(méi)有特殊規(guī)定；多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的層數(shù)沒(méi)有限制，根據(jù)實(shí)際需要確定，銅柱凸塊上的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層一般以錫柱凸塊開(kāi)始，以錫柱凸塊結(jié)束，金屬層嵌入相鄰的錫柱凸塊之間，以利于金屬合金化，也可以使金屬擴(kuò)散更均勻；每層金屬層及其子金屬層的材質(zhì)可以相同，也可以不同。
[0027]因此任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其形成方法如下: 提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極的芯片基體，所述芯片電極的表面露出芯片基體的上表面； 在所述芯片基體的上表面沉積一介電層，所述介電層在芯片電極的正上方開(kāi)設(shè)介電層開(kāi)口，所述介電層開(kāi)口露出芯片電極的一表面； 在上述設(shè)有介電層開(kāi)口的介電層的表面涂覆厚光刻膠，并在介電層開(kāi)口的正上方通過(guò)光刻工藝開(kāi)設(shè)光刻膠開(kāi)口，形成具有光刻膠開(kāi)口圖案的光刻膠層； 通過(guò)電鍍工藝在介電層開(kāi)口和光刻膠開(kāi)口內(nèi)電鍍銅柱凸塊，所述銅柱凸塊的上端面不高于光刻膠層的上表面； 在上述銅柱凸塊的頂部通過(guò)電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間； 采用去膠工藝去除剩余的光刻膠； 所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過(guò)回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層的厚度小于錫柱凸塊的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層的厚度范圍為0.0l?0.5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層為多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一層的材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過(guò)光刻膠層的上表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述銅柱凸塊的高度不小于介電層的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述光刻膠開(kāi)口的開(kāi)口邊界大于介電層開(kāi)口的開(kāi)口邊界。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述介電層開(kāi)口的橫截面呈圓形或多邊形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述光刻膠開(kāi)口的橫截面呈圓形或多邊形。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK103972118SQ201410229821
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】徐虹, 張黎, 陳棟, 陳錦輝, 賴(lài)志明 申請(qǐng)人:江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司