專利名稱：焊料凸塊結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件的制作，且特別涉及一種在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)(solder bump structure)的方法。
技術(shù)背景凸塊底層金屬(UBM， under bump metallization)已廣泛用在半導(dǎo)體制造 工藝上。半導(dǎo)體制造工藝通常包含在半導(dǎo)體晶圓上進(jìn)行薄膜沉積、圖案化、 摻雜、熱處理等步驟。當(dāng)半導(dǎo)體元件制作完畢后，還包括將晶圓上的半導(dǎo)體 集成電路芯片(ICchip)進(jìn)行測(cè)試、封裝及組裝。芯片倒裝(flip chip)封裝 是一種先進(jìn)的半導(dǎo)體封裝技術(shù)，其特色是將芯片倒置后，直接讓芯片上的導(dǎo) 電凸塊(conductive bump)或接合墊(bonding pads)與外部元件(例如基板)連接，如此即可達(dá)成傳導(dǎo)接觸。芯片倒裝的接合墊通常包含最上層金屬，例如鋁，用于IC芯片的電性傳 導(dǎo)。接合墊上通常還包括焊料凸塊，以電性連接接合墊與封裝體的接腳，其 中封裝體例如是陶瓷基板、印刷電路板、承載基板(carrier)等。焊料凸塊 的材料通常是金屬合金，例如鉛-錫合金，且通常是在半導(dǎo)體晶圓尚未切割成 獨(dú)立的芯片之前形成的。然而，焊料凸塊通常不會(huì)直接設(shè)置在接合墊上，主要原因是因?yàn)樽钌蠈?金屬(例如鋁)暴露在空氣中會(huì)快速氧化，從而造成導(dǎo)電性能不良。再者， 鋁對(duì)大部分焊料的接合能力與潤(rùn)濕能力并非特別突出。為解決上述問題，可 在焊料凸塊與接合墊之間設(shè)置凸塊底層金屬結(jié)構(gòu)，以形成低電阻的電性連接、 并抵擋各種外來的應(yīng)力。凸塊底層金屬結(jié)構(gòu)通常包括一層或數(shù)層例如鈦與銅制成的金屬層，沉積 在IC芯片的接合墊上。然后，將焊料沉積在凸塊底層金屬結(jié)構(gòu)上，回焊后形 成球形的焊料凸塊。然而，傳統(tǒng)的焊料凸塊結(jié)構(gòu)因?yàn)橥箟K底層金屬的底切現(xiàn) 象，具有可靠度與性能不佳的缺點(diǎn)。 圖1A-圖1D顯示上述凸塊底層金屬的底切現(xiàn)象。請(qǐng)先參照?qǐng)D1A，其顯 示制作中的傳統(tǒng)焊料凸塊結(jié)構(gòu)，其中接合墊4設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2上。接合 墊4上具有圖案化的保護(hù)層6，且保護(hù)層6露出部分的接合墊4。第一凸塊底 層金屬8A (例如鈦)形成在保護(hù)層6與露出的接合墊4上。第二凸塊底層金 屬8B (例如銅)形成在第一凸塊底層金屬8A上。掩模層10 (例如光致抗蝕 劑)形成在第二凸塊底層金屬8B上，且掩模層10中具有開口 12，開口 12 露出部分的第二凸塊底層金屬8B。一般而言，掩模層10的開口 12中會(huì)沉積額外的凸塊底層金屬。如圖1B 所示，沉積額外的銅層8B'與鎳層8C填入部分的開口 12。去除掩模層10后， 如圖1C所示，對(duì)凸塊底層金屬進(jìn)行蝕刻，例如以濕法蝕刻方式對(duì)鎳層8C、 銅層8B'、第二凸塊底層金屬8B、第一凸塊底層金屬8A (例如鈦)依序進(jìn) 行蝕刻。由于濕法蝕刻為各向同性(isotropic)的蝕刻，每一個(gè)方向的蝕刻速 率相同，使得被蝕刻的材料形成底切(undercut)，造成不必要的線寬損失。 蝕刻銅層8B'和第二凸塊底層金屬8B造成如圖1D所示的底切14。由于銅層 的厚度，需要將銅層暴露在蝕刻液中較長(zhǎng)時(shí)間，因此形成了底切14，而蝕刻 鈦層8A時(shí)則形成底切16。銅底切14可達(dá)到每邊6pm，而鈦底切16可達(dá)到 每邊4pm，因此總共造成悍料凸塊結(jié)構(gòu)中每邊l(Him的底切。雖然底切是蝕 刻步驟的必然結(jié)果，但底切會(huì)影響接線的長(zhǎng)期可靠度，因?yàn)榈浊袝?huì)減弱接合 墊與焊料凸塊之間的結(jié)合力，降低焊料凸塊結(jié)構(gòu)的整合度(integrity)，使得芯片提早失效。由上述說明可知，業(yè)界亟需提出一種改良的焊料凸塊結(jié)構(gòu)來解決上述底 切問題，以提高焊料凸塊結(jié)構(gòu)的可靠度與性能。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方 法。在一實(shí)施例中，首先提供半導(dǎo)體襯底，其上具有接合墊以及位于接合墊 上的保護(hù)層，其具有開口露出部分的接合墊。在接合墊與保護(hù)層上形成第一 凸塊底層金屬。在第一凸塊底層金屬上設(shè)置掩模層，其具有開口以露出部分 的第一凸塊底層金屬。蝕刻掩模層以在第一凸塊底層金屬與掩模層之間的邊 緣形成凹陷。形成第二凸塊底層金屬于掩模層的開口中，使第二凸塊底層金 屬填入凹陷與部分的掩模層開口。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中，該第一凸塊底層金屬 可包含鈦。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中，該第一凸塊底層金屬 可包含銅。上述在半導(dǎo)體元件上制作悍料凸塊結(jié)構(gòu)的方法還可包括形成聚亞酰胺 層，該聚亞酰胺層鄰接并接觸該保護(hù)層、該接合墊、及該第一凸塊底層金屬。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中，該掩模層可為光致抗 蝕劑層，且形成該掩模層的開口的步驟可包括圖案化并顯影該光致抗蝕劑 層。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中，該第二凸塊底層金屬 可包含銅。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中，該第二凸塊底層金屬 可包含鎳。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法還可包括蝕刻該第二凸 塊底層金屬，使得該第二凸塊底層金屬每一邊的底切小于約3pm。上述在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法中還可包括將焊料填入 該掩模層的開口；去除該掩模層；以及將該焊料回焊以形成焊料凸塊。本發(fā)明還提供了一種焊料凸塊結(jié)構(gòu)，該焊料凸塊結(jié)構(gòu)是通過上述在半導(dǎo) 體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法形成的。本發(fā)明能夠減少焊料凸塊結(jié)構(gòu)的底切程度，因此凸塊底層金屬之間相對(duì) 不易受損，由此提高了焊料凸塊結(jié)構(gòu)的可靠度。為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下


圖1A 圖1D為一系列剖面圖，用以說明現(xiàn)有技術(shù)制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的 流程。圖2A 圖2E為一系列剖面圖，用以說明本發(fā)明一實(shí)施例制作焊料凸塊 結(jié)構(gòu)的流程。
其中，附圖標(biāo)記說明如下:2 半導(dǎo)體襯底 6~保護(hù)層io-掩模層14 底切 18~凹陷 20~焊料 24~底切4~接合墊8A-8F 凸塊底層金屬12 開口16~底切19 足部22 底切8B， 銅層具體實(shí)施方式
請(qǐng)參照?qǐng)D2A，其顯示依照本發(fā)明實(shí)施例制作中的焊料凸塊結(jié)構(gòu)剖面圖， 其中接合墊4設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2上。接合墊4上具有圖案化的保護(hù)層6， 且保護(hù)層6露出部分的接合墊4。接合墊或接觸墊通常通過多層金屬內(nèi)連線 與芯片形成電性連接。接合墊4可由傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法(CVD, chemical vapor deposition)形成，材料例如是銅、鋁、或其它導(dǎo)電金屬。形成接合墊4 之后，沉積一層作為保護(hù)與電性隔離用的保護(hù)層6覆蓋在接合墊4表面上。 保護(hù)層6可隔絕芯片表面并保護(hù)芯片免于濕氣或污染物的傷害，以及免于在 組裝時(shí)受到機(jī)械力傷害。保護(hù)層6可用傳統(tǒng)的CVD法沉積在襯底2與接合 墊4上，然后經(jīng)過圖案化蝕刻出對(duì)應(yīng)于接合墊4的開口。保護(hù)層6中的開口 在后續(xù)工藝中用來讓焊料凸塊形成電性接觸。保護(hù)層6的材料可包括氮化硅、 氧化硅、氮氧化硅、和/或其它任何材料。在一實(shí)施例中，保護(hù)層6的厚度約 為1000A-2000A。在另一實(shí)施例中可進(jìn)一步沉積各種聚亞酰胺(polyimide), 以在保護(hù)層6上形成聚亞酰胺層(未示出)，對(duì)芯片作進(jìn)一步的保護(hù)。聚亞 酰胺層可鄰接并接觸保護(hù)層6、接合墊4、及第一凸塊底層金屬8A。之后，通常以電鍍法或氣相沉積法，將一層或數(shù)層的凸塊底層金屬(厚 度約500A-5000A)沉積在接合墊4與保護(hù)層6上。最上層的凸塊底層金屬 可以增加對(duì)焊料的接合力與潤(rùn)濕性，而最下層的凸塊底層金屬可以增加對(duì)接 合墊4的保護(hù)。在一實(shí)施例中，將包含鈦的第一凸塊底層金屬8A沉積在接 合墊4與保護(hù)層6上。第一凸塊底層金屬8A的厚度約為800-1000A。之后， 將包含銅的第二凸塊底層金屬8D沉積在第一凸塊底層金屬8A上。第二凸塊
底層金屬8D的厚度約為3000-5000A。接著，將掩模層或光致抗蝕劑層10 形成在凸塊底層金屬上。在一實(shí)施例中，光致抗蝕劑層IO形成在第二凸塊底 層金屬8D上。光致抗蝕劑層10的高度約為10-120pm。如圖2A所示，光致 抗蝕劑層IO經(jīng)過曝光圖案化與顯影從而形成開口 12，露出接合墊4上部分 的第二凸塊底層金屬8D。依照本發(fā)明的特征之一，接下來對(duì)圖案化的光致抗蝕劑層10進(jìn)行選擇性 的蝕刻，以在第二凸塊底層金屬8D與光致抗蝕劑層10之間的邊緣或角落處 形成凹陷18，如圖2B所示。整體而言，第二凸塊底層金屬8D并未被蝕刻 劑嚴(yán)重蝕刻。由以下可知，凹陷18可使后續(xù)沉積在光致抗蝕劑開口中的凸塊 底層金屬形成較厚的足部(footing)，以抵擋后續(xù)的蝕刻，避免造成底切。 現(xiàn)有技術(shù)中有許多方法可形成凹陷18，例如濺擊蝕刻(sputter etch)、變壓 耦合式等離子體蝕刻(TCP, transformer coupled plasma)、反應(yīng)性離子蝕刻 (reactive ion etch)、和/或其它在含有氯、氧、氬、和/或其它化學(xué)品環(huán)境下 的蝕刻技術(shù)。在一實(shí)施例中，凹陷18是以每分鐘大于1500A的蝕刻速率蝕 刻形成的。請(qǐng)參照?qǐng)D2C，例如以電鍍或氣相沉積法，在光致抗蝕劑層10的開口 12 中形成額外的凸塊底層金屬。在本發(fā)明一實(shí)施例中，在開口 12中形成第三凸 塊底層金屬8E與第四凸塊底層金屬8F，其中第三凸塊底層金屬8E填入凹 陷18而形成足部19。在一實(shí)施例中，第三凸塊底層金屬8E的材料可為銅， 高度約為4-5pm，而足部19的寬度約為3-4pm。第四凸塊底層金屬8F的材 料可為鎳，高度約為2-3拜。之后，沉積柱狀的焊料20，例如先沉積一層鉛， 再沉積一層錫，然后將之回焊(reflow)從而成為均質(zhì)(homogeneous)的焊 料。在另一實(shí)施例中，可利用第四凸塊底層金屬8F當(dāng)作籽晶層(seedlayer)， 以電鍍或氣相沉積法形成均質(zhì)的焊料。去除光致抗蝕劑層10后，如圖2D所示，對(duì)凸塊底層金屬8F、 8E、 8D、 8A進(jìn)行蝕刻以露出底下的保護(hù)層6，此工藝?yán)缫詽穹ㄎg刻或反應(yīng)性離子蝕 刻進(jìn)行。在蝕刻過程中，焊料20可作為蝕刻掩模保護(hù)底下的凸塊底層金屬。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，第三凸塊底層金屬8E具有較厚的足部19，因此凸塊底層 金屬8F、 8E、 8D、 8A較能夠阻擋蝕刻，從而避免形成嚴(yán)重的底切。在一實(shí) 施例中，在蝕刻凸塊底層金屬8E、 8D (銅)時(shí)形成底切22，而在蝕刻凸塊
底層金屬8A (鈦)時(shí)形成底切24。銅底切22的每一邊約為3pm，鈦底切 24的每一邊約為2^m,因此總共造成焊料凸塊結(jié)構(gòu)中每邊約5,的底切。 由以上可知，雖然底切是蝕刻所造成的必然現(xiàn)象，但借助本發(fā)明的方法可減 少焊料凸塊結(jié)構(gòu)的底切程度，因此凸塊底層金屬之間較不容易受損，由此提 高了焊料凸塊結(jié)構(gòu)的可靠度。蝕刻完凸塊底層金屬后，將焊料20短暫加熱至熔點(diǎn)(回焊)，利用其表 面張力的作用在凸塊底層金屬8F上形成大體呈球形的焊料凸塊(未顯示)。應(yīng)注意的是，上述形成悍料凸塊結(jié)構(gòu)的方法僅為舉例說明，因此，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)也可使用其它各種方法形成前述 的焊料凸塊結(jié)構(gòu)，例如可使用光致抗蝕劑以外的制造工藝。此外，雖然在前 述實(shí)施例中凸塊底層金屬8F為鎳，但本領(lǐng)域技術(shù)人員也可使用其它材料。 另外，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可調(diào)整保護(hù)層與 聚亞酰胺層，甚至加以去除。雖然本說明書已通過較佳實(shí)施例揭示了各種形成凸塊底層金屬的方法， 然而以上說明并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員， 在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)可作任意的改動(dòng)與修改，因此本發(fā)明的 保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，包括下列步驟提供半導(dǎo)體襯底，其上具有接合墊以及位于該接合墊上的保護(hù)層，該保護(hù)層具有露出部分該接合墊的開口；在該接合墊與該保護(hù)層上形成第一凸塊底層金屬；在該第一凸塊底層金屬上設(shè)置掩模層，該掩模層具有露出部分該第一凸塊底層金屬的開口；蝕刻該掩模層，以在該第一凸塊底層金屬與該掩模層之間的邊緣形成凹陷；以及在該掩模層的開口中形成第二凸塊底層金屬，該第二凸塊底層金屬填入該凹陷與部分的該掩模層的開口。
2. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，其中 該第一凸塊底層金屬包含鈦。
3. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，其中 該第一凸塊底層金屬包含銅。
4. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，還包 括形成聚亞酰胺層，該聚亞酰胺層鄰接并接觸該保護(hù)層、該接合墊、及該 第一凸塊底層金屬。
5. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，其中 該掩模層為光致抗蝕劑層，且形成該掩模層的開口的步驟包括圖案化并顯 影該光致抗蝕劑層。
6. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，其中 該第二凸塊底層金屬包含銅。
7. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，其中 該第二凸塊底層金屬包含鎳。
8. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，還包 括蝕刻該第二凸塊底層金屬，使得該第二凸塊底層金屬每一邊的底切小于 約3,
9. 如權(quán)利要求1所述的在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法，還包 將焊料填入該掩模層的開口；去除該掩模層；以及將該焊料回焊以形成焊料凸塊。
10. —種焊料凸塊結(jié)構(gòu)，該焊料凸塊結(jié)構(gòu)是通過權(quán)利要求9所述的在半 導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法形成的。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種焊料凸塊結(jié)構(gòu)以及在半導(dǎo)體元件上制作焊料凸塊結(jié)構(gòu)的方法。在一實(shí)施例中，首先提供半導(dǎo)體襯底，其上具有接合墊以及位于接合墊上的保護(hù)層，其具有露出部分接合墊的開口。在接合墊與保護(hù)層上形成第一凸塊底層金屬。在第一凸塊底層金屬上設(shè)置掩模層，其具有露出部分第一凸塊底層金屬的開口。蝕刻掩模層，以在第一凸塊底層金屬與掩模層之間的邊緣形成凹陷。在掩模層的開口中形成第二凸塊底層金屬，使第二凸塊底層金屬填入凹陷與部分的掩模層開口。本發(fā)明能夠減少焊料凸塊結(jié)構(gòu)的底切程度，因此凸塊底層金屬之間相對(duì)不易受損，由此提高了焊料凸塊結(jié)構(gòu)的可靠度。
文檔編號(hào)H01L21/60GK101211798SQ20071011202
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月29日
發(fā)明者張碧蘭, 游秀美, 邱頌盛, 黃志恭 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司