專(zhuān)利名稱(chēng)：集成電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路，且特別涉及一種倒裝芯片接合結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體芯片/晶片的制造工藝中，集成電路裝置(例如晶體管)形成于半導(dǎo)體 芯片/晶片中的半導(dǎo)體基材上。隨后，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)形成于集成電路裝置上。金屬及焊料凸 塊形成于半導(dǎo)體芯片/晶片上，以使集成電路裝置能形成通路。在半導(dǎo)體芯片的封裝中，通常使用倒裝芯片封裝來(lái)接合半導(dǎo)體芯片。半導(dǎo)體芯片 中的金屬凸塊及封裝基材中的連接墊是使用焊料來(lái)作接合。傳統(tǒng)的共晶焊料凸塊使用含有 鉛及錫的材料來(lái)接合金屬凸塊。例如，常用的含鉛共晶焊料含有約63%的錫及37%的鉛， 此種成分使焊料能具有合適的熔點(diǎn)及低電阻。此外，此種共晶焊料具有良好的破裂抵抗能 力。鉛為具有毒性的材料，因而無(wú)鉛材料是較佳的選擇。因此，已發(fā)展出以無(wú)鉛焊料來(lái) 取代含鉛焊料的方法。然而，現(xiàn)有的無(wú)鉛焊料，例如SnAg、SnAgCu及其介金屬化合物，皆過(guò) 脆而易碎，因而會(huì)遭遇破裂的問(wèn)題。因此，由無(wú)鉛焊料所形成的焊點(diǎn)(solder joint)通常 可靠度不足且無(wú)法通過(guò)例如熱循環(huán)的可靠度測(cè)試。焊料破裂通常是由應(yīng)力所導(dǎo)致。封裝組件中，不同材料間熱膨脹系數(shù)(CTE)的差 異是造成應(yīng)力的主要原因之一。例如，硅基材通常具有約3ppm/°C的熱膨脹系數(shù)，低介電常 數(shù)材料通常具有約20ppm/°C的熱膨脹系數(shù)，而封裝基材通常具有約17ppm/°C的熱膨脹系 數(shù)。熱膨脹系數(shù)的顯著差異，導(dǎo)致在熱交換時(shí)形成應(yīng)力并施予至結(jié)構(gòu)中。在金屬凸塊中使 用銅使得此問(wèn)題更加惡化，既然銅是剛性材料，可施予高應(yīng)力至鄰接于銅凸塊的焊料上，并 因此使焊料易于破裂。例如，回焊的工藝容許度(process window)(意指可承受重復(fù)進(jìn)行 多少次回焊，不會(huì)有破裂產(chǎn)生)對(duì)于集成電路的量產(chǎn)可能過(guò)窄。并且，所得到的接合結(jié)構(gòu)對(duì) 于抗電遷移能力不佳。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括一第一工作件，包 括一銅凸塊，位于此第一工作件的主要表面上，且在一平行于第一工作件的主要表面的第 一平面中具有一第一尺寸及一含鎳阻擋層，位于此銅凸塊上并與其鄰接；一第二工作件， 接合至此第一工作件上且包括一連接墊，位于此第二工作件的主要表面上；一阻焊層，位 于此第二工作件的主要表面，且具有一第二尺寸的阻焊開(kāi)口，暴露一部分的此連接墊，其中 此第二尺寸是以平行于此第二工作件的主要表面的一第二表面所測(cè)量，且其中此第一尺寸 對(duì)此第二尺寸的比例大于約1 ；以及一焊接區(qū)，電性連接此銅凸塊及此連接墊，其中此連接 墊及此銅凸塊之間的垂直距離大于約30 μ m。本發(fā)明也提供一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括一半導(dǎo)體芯片，包括一半導(dǎo)體基材；一 銅凸塊，設(shè)置于此半導(dǎo)體基材的主要表面上，且具有一平行于此半導(dǎo)體基材的主要表面的第一水平尺寸；及一含鎳阻擋層，位于此銅凸塊上；一封裝基材，包括一連接墊，位于此封 裝基材的主要表面；及一阻焊層，位于此連接墊上并通過(guò)此阻焊層中的阻焊開(kāi)口暴露此連 接墊的一中央部分，其中此阻焊開(kāi)口具有一平行于此第一水平尺寸的第二水平尺寸，且其 中此第一水平尺寸對(duì)此第二水平尺寸的比例于大于約1 ；以及一焊料區(qū)，通過(guò)此阻焊開(kāi)口 電性連接此含鎳阻擋層及此連接墊，其中此含鎳阻擋層及此連接墊相加的總厚度大于約 30 μ m0本發(fā)明能使應(yīng)力降低至某種程度，例如至產(chǎn)生破裂的臨界點(diǎn)以下。為讓本發(fā)明的上述和其他目的、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(shuō)明如下。


圖IA及圖IB顯示含銅凸塊的半導(dǎo)體芯片的剖面圖；圖2顯示含有連接墊及設(shè)于其上的焊球的封裝基材；圖3顯示將圖IA/圖IB所示的結(jié)構(gòu)接合至圖2所示的結(jié)構(gòu)；圖4顯示依照本發(fā)明另一實(shí)施例的封裝體；以及圖5顯示本發(fā)明實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要附圖標(biāo)記說(shuō)明2 工作件10 基材
12 --內(nèi)連線結(jié)構(gòu)14 半導(dǎo)體裝:
28 --金屬墊30 保護(hù)層
32 --凸塊下金屬34 銅凸塊
36 --鎳阻擋層38 焊料層
40 --含金層100 --工作件
110 連接墊112 金屬內(nèi)連線
114 連接墊116 介電基材
122 金屬墊123 阻焊開(kāi)口
124 阻擋層1 阻焊層
130 焊料層131 焊接區(qū)
具體實(shí)施例方式本發(fā)明接下來(lái)將詳加討論各種的實(shí)施例的制造及討論。然而，值得注意的是，本發(fā) 明所提供的這些實(shí)施例僅提供本發(fā)明的發(fā)明概念，且其可以寬廣的形式應(yīng)用于各種特定情 況下。在此所討論的實(shí)施例僅用于舉例說(shuō)明，并非以各種形式限制本發(fā)明。依照本發(fā)明實(shí)施例，在此提供了一種新穎的集成電路結(jié)構(gòu)，并將討論此實(shí)施例的 各種變化。在本說(shuō)明書(shū)中的各種圖示及實(shí)施例中，相似符號(hào)代表相似元件。參見(jiàn)圖1A，首先提供工作件2，其可為包含基材10的半導(dǎo)體芯片。在本說(shuō)明書(shū)中， 工作件2也可稱(chēng)為芯片2，或可為封裝基材、轉(zhuǎn)接基材(interposersubstrate)或其類(lèi)似物。 在一實(shí)施例中，基材10為半導(dǎo)體基材，例如硅基材，或者，其可包含其他半導(dǎo)體材料，例如 第III族、第IV族及/或第V族的元素。半導(dǎo)體裝置14，例如晶體管，可形成基材10表面。內(nèi)連線結(jié)構(gòu)12，其包含金屬線及通孔(未顯示)形成于其中，可形成于基材10上并與半導(dǎo) 體裝置14連接。金屬線及通孔可由銅及銅合金形成，且可使用現(xiàn)有的鑲嵌工藝形成。內(nèi)連 線結(jié)構(gòu)12可包含現(xiàn)有的層間介電層(ILDs)及金屬間介電層(IMDs)。金屬墊28形成于內(nèi)連線結(jié)構(gòu)12上。金屬墊28可包含鋁、銅、銀、金、鎳、鎢、前述 的合金及/或前述的多層結(jié)構(gòu)。金屬墊觀可與半導(dǎo)體裝置14電性連接，例如，通過(guò)底下的 內(nèi)連線結(jié)構(gòu)12。保護(hù)層30可形成用以覆蓋金屬墊觀的邊緣部分。在一實(shí)施例中，保護(hù)層 30是由聚酰亞胺或其他現(xiàn)有介電材料形成，例如氧化硅、氮化硅或前述的多層結(jié)構(gòu)。凸塊下金屬(under bump metallurgy, UBM) 32形成于金屬墊28上并與其電性連 接。凸塊下金屬32可包含銅層及鈦層(未顯示)。銅凸塊34形成于凸塊下金屬32上。在 一實(shí)施例中，銅凸塊34由電鍍形成。在形成凸塊下金屬的電鍍工藝中，包含形成掩模于凸 塊下金屬層上；圖案化掩模以形成開(kāi)口 ；在開(kāi)口中電鍍銅凸塊34;及移除掩模使凸塊下金 屬層具有未被覆蓋的部分。銅凸塊34可由實(shí)質(zhì)上純的銅形成，其超過(guò)約95%是銅原子，或 甚至超過(guò)99%。銅凸塊34的厚度T可大于約30 μ m，或甚至大于約45 μ m。厚度T也可小 于約60 μ m。銅凸塊34可具有水平尺寸(長(zhǎng)度或?qū)挾?Li，其可介于約80 μ m至約IlOym 之間。尺寸Ll可在平行于工作件2的頂面或底面的平面中測(cè)量得到。本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員可知的是，在本說(shuō)明書(shū)中所述的尺寸僅用于舉例，且可在不同的制造技術(shù)中隨之變化。阻擋層36形成于銅凸塊34上，例如，由電鍍形成。阻擋層36可由鎳或鎳合金形 成，因而在此后也可稱(chēng)為(含)鎳阻擋層36，雖然其也可由其他金屬形成。焊料層38可形 成于鎳阻擋層36上。焊料層38可相對(duì)較薄，例如其厚度可小于約35 μ m。此外，電鍍形成 焊料層38時(shí)，所使用的掩模可使用與電鍍銅凸塊34及鎳阻擋層36時(shí)所使用的掩模相同。 因此，可限制焊料層38的邊緣及鎳阻擋層36僅位于銅凸塊34所占區(qū)域的垂直向上的區(qū)域 內(nèi)。在一實(shí)施例中，鎳阻擋層36的厚度大于約0. 1 μ m。焊料層38的厚度可小于約35 μ m， 或介于約1 μ m至約35 μ m之間。在另一實(shí)施例中，如圖IB所示，沒(méi)有形成焊料層38，但形成含金層40于銅凸塊34 上。電鍍銅凸塊34、鎳阻擋層36及/或含金層40所使用的掩?？墒褂门c電鍍銅凸塊34時(shí) 所使用的掩模(未顯示)相同。因此，形成的鎳阻擋層36及/或含金層40為限制在銅凸 塊；34所占區(qū)域垂直向上的區(qū)域內(nèi)，但未形成在銅凸塊34的側(cè)壁上。在又一實(shí)施例中，是在 移除用以電鍍銅凸塊34的掩模后，電鍍形成鎳阻擋層36及/或含金層40。因此，鎳阻擋層 36及/或含金層40也形成于銅凸塊34的側(cè)壁上。含金層40的厚度可小于約1 μ m。圖2顯示工作件100。在一實(shí)施例中，工作件100為封裝基材(因而此后稱(chēng)為封 裝基材100)，雖然其也可為半導(dǎo)體芯片、轉(zhuǎn)接基材或其類(lèi)似物。封裝基材100包含連接墊 110，其通過(guò)金屬內(nèi)連線112與連接墊114電性連接。連接墊114及連接墊110位于封裝基 材100的兩側(cè)。金屬內(nèi)連線112可形成于介電基材116中。連接墊110包含金屬墊122，其可由銅(例如純或?qū)嵸|(zhì)上為純的銅)、鋁、銀及/或 前述的合金形成。阻擋層1 可視需要由例如電鍍或無(wú)電電鍍方式形成于金屬墊122上。 阻擋層1 可由鎳或鎳合金形成，或也可添加其他金屬。阻焊層1 形成于金屬墊122上， 且具有阻焊開(kāi)口(solder resist opening, SRO) 123，通過(guò)此阻焊開(kāi)口 123暴露出連接墊 110。在一實(shí)施例中，阻焊開(kāi)口 123具有一尺寸L2，其可小于約100 μ m，例如可介于約60至 約100 μ m之間。
焊料層130設(shè)置于連接墊110上。在一實(shí)施例中，焊料層130是由無(wú)鉛材料形成， 例如包含SnAg、SnAgCu等?；蛘撸噶蠈?30也可由其他例如含鉛及錫的共晶焊料形成。如圖3所示，無(wú)論圖IA或圖IB所示的工作件2皆可通過(guò)倒裝芯片接合與工作件 100接合。進(jìn)行例如回焊或熱壓接合的高溫工藝，以熔融焊料層130及焊料層38。因此，焊 料層130得以將工作件2及工作件100相互接合，并使銅凸塊34及連接墊110電性連接。 通過(guò)熔融焊料層130及焊料層38所形成的回焊區(qū)域，在此后稱(chēng)為焊接區(qū)(solder joint region)0所得結(jié)構(gòu)如圖3所示，尺寸Ll對(duì)尺寸L2的比例(L1/L2)為約大于1。此比例也可 大于約1. 15。銅凸塊；34及連接墊110之間的距離D可大于約30 μ m或甚至大于約40 μ m。 在某些實(shí)施例中，銅凸塊34的表面為非平坦的，距離D為非在銅凸塊34的中央處測(cè)量，而 是在銅凸塊34的角隅(corner)處測(cè)量(如虛線及箭頭所示)。因此，距離D可與焊接區(qū) 131及鎳阻擋層36 (或更加上含金層40，如其存在)的總厚度相等。距離D及比例L1/L2 的重要性將于以下段落中討論。圖4顯示本發(fā)明的另一實(shí)施例，其中銅凸塊34及鎳阻擋層36 (或含金層40，未顯 示于圖4中，請(qǐng)參見(jiàn)圖1B)形成于封裝基材100的一側(cè)上，且在封裝基材100與半導(dǎo)體芯片 2相接合之前，焊料層130(請(qǐng)參見(jiàn)圖2、為預(yù)先設(shè)置在半導(dǎo)體芯片2的一側(cè)上。圖5顯示本發(fā)明的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其顯示距離D及比例Ll/L2(參見(jiàn)圖3)的重要 性。由這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)到不可預(yù)期的結(jié)果。X軸為比例L1/L2。Y軸為距離D。測(cè)量每 個(gè)樣品晶片在焊接區(qū)131(參見(jiàn)圖幻破裂的最大長(zhǎng)度?？砂l(fā)現(xiàn)的是，破裂的最大長(zhǎng)度為比 例L1/L2與距離D的函數(shù)，且意外的是，當(dāng)比例L1/L2與距離D增大至某種程度后，可實(shí)質(zhì) 上消除焊接區(qū)131中的破裂。可觀察到，當(dāng)比例L1/L2增加及/或距離D增加時(shí)，在焊接區(qū) 的破裂長(zhǎng)度可變得較小。實(shí)驗(yàn)顯示當(dāng)比例L1/L2大于約1. 15且距離D大于約40μπι時(shí)，在 晶片中的破裂最大長(zhǎng)度將降低至可接受的程度，例如小于約15 μ m，且有時(shí)甚至不會(huì)破裂。 另一方面，當(dāng)比例L1/L2小于約1. 15及/或距離D小于約40 μ m時(shí)，破裂最大長(zhǎng)度即顯著 增長(zhǎng)，有時(shí)甚至達(dá)約83 μ m或更長(zhǎng)?？赡艿慕忉尀?，銅凸塊34的角隅造成高應(yīng)力，且連接墊 110(在連接墊110及焊接區(qū)131之間的區(qū)段)角隅的應(yīng)力也很高。通過(guò)將高應(yīng)力區(qū)遙遠(yuǎn)地 隔離，將實(shí)質(zhì)上消除倍增效應(yīng)(multiplication effect)，因而使應(yīng)力降低至某種程度，例 如至產(chǎn)生破裂的臨界點(diǎn)以下。比例L1/L2的增加更可使應(yīng)力分散。雖然本發(fā)明已以多個(gè)較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明 的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。此外，熟知本領(lǐng)域的技術(shù)人員將可依 照本發(fā)明所公開(kāi)的現(xiàn)有或未來(lái)所發(fā)展的特定程序、機(jī)器、制造、物質(zhì)的組合、功能、方法或步 驟達(dá)成相同的功能或相同的結(jié)果。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍包含這些程序、機(jī)器、制造、物質(zhì) 的組合、功能、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括 一第一工作件，包括一銅凸塊，位于該第一工作件的主要表面上，且在一平行于第一工作件的主要表面的 第一平面中具有一第一尺寸及一含鎳阻擋層，位于該銅凸塊上并與其鄰接； 一第二工作件，接合至該第一工作件上且包括一連接墊，位于該第二工作件的主要表面上；一阻焊層，位于該第二工作件的主要表 面，且具有一第二尺寸的阻焊開(kāi)口，暴露一部分的該連接墊，其中該第二尺寸是以平行于該 第二工作件的主要表面的一第二表面所測(cè)量，且其中該第一尺寸對(duì)該第二尺寸的比例大于 約1;以及一焊接區(qū)，電性連接該銅凸塊及該連接墊，其中該連接墊及該銅凸塊之間的垂直距離 大于約30 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該第一工作件為一含集成電路結(jié)構(gòu)的半 導(dǎo)體芯片，該第二工作件為一封裝基材。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該第一工作件為一封裝基材，該第二工 作件為一含集成電路結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該第一尺寸對(duì)該第二尺寸的比例更大于 約 1. 15。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該連接墊及該銅凸塊之間的垂直距離更 大于約40 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成電路結(jié)構(gòu)，更包含一含金層，位于該焊接區(qū)及該含鎳阻 擋層之間。
7.一種集成電路結(jié)構(gòu)，包括 一半導(dǎo)體芯片，包括 一半導(dǎo)體基材；一銅凸塊，設(shè)置于該半導(dǎo)體基材的主要表面上，且具有一平行于該半導(dǎo)體基材的主要 表面的第一水平尺寸；及一含鎳阻擋層，位于該銅凸塊上； 一封裝基材，包括一連接墊，位于該封裝基材的主要表面；及一阻焊層，位于該連接墊上并通過(guò)該阻焊層中的阻焊開(kāi)口暴露該連接墊的一中央部 分，其中該阻焊開(kāi)口具有一平行于該第一水平尺寸的第二水平尺寸，且其中該第一水平尺 寸對(duì)該第二水平尺寸的比例于大于約1 ；以及一焊料區(qū)，通過(guò)該阻焊開(kāi)口電性連接該含鎳阻擋層及該連接墊，其中該含鎳阻擋層及 該連接墊相加的總厚度大于約30 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該第一水平尺寸及該第二水平尺寸的比 例更大于約1. 15。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成電路結(jié)構(gòu)，其中該含鎳阻擋層及該連接墊相加的總厚度 大于約40 μ m。2
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成電路結(jié)構(gòu)，更包含一含金層，介于該焊料區(qū)及含鎳阻擋 層之間。
全文摘要
本發(fā)明提供一種集成電路結(jié)構(gòu)，其包括一第一工作件及一第二工作件。此第一工作件包含一銅凸塊位于此第一工作件的主要表面上且具有一第一尺寸；及一含鎳阻擋層，位于此銅凸塊上并與其鄰接。第二工作件與第一工作件接合，且此第二工作件包含一連接墊及一阻焊層位于此第二工作件的主要表面上，且此阻焊層具有一第二尺寸的阻焊開(kāi)口以暴露一部分的此連接墊。第一尺寸對(duì)第二尺寸之比例大于約1。此外，一焊接區(qū)電性連接此銅凸塊及此連接墊，且此連接墊及此銅凸塊之間的垂直距離大于約30μm。本發(fā)明能使應(yīng)力降低至某種程度，例如至產(chǎn)生破裂的臨界點(diǎn)以下。
文檔編號(hào)H01L23/00GK102064136SQ20101053041
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日
發(fā)明者莊曜群, 蕭景文, 郭正錚, 陳承先, 黃儒瑛 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司