專利名稱：半導(dǎo)體管芯與導(dǎo)電柱的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體的封裝工藝，尤其涉及一種倒裝芯片封裝中的導(dǎo)電柱的結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體元件的封裝中，倒裝芯片技術(shù)扮演重要角色。倒裝芯片微電子組裝含有基板(如電路板)與倒裝電子構(gòu)件之間的直接電性連接，其內(nèi)連線采用焊料凸塊。倒裝芯片封裝的優(yōu)點在于尺寸縮小、效能提高、以及封裝芯片的可撓性，因此倒裝芯片封裝的成長速度遠高于其他封裝方法。近來發(fā)展的銅柱技術(shù)中，采用銅柱而非焊料凸塊將電子構(gòu)件連接至基板。銅柱的間距較小，其短路橋接的可能性較低，可降低電路的電容負載并提高電子構(gòu)件的操作頻率。然而，應(yīng)力可能沿著銅柱與用以接合電子構(gòu)件的焊料之間的界面造成碎裂。上述碎裂會造成漏電流，將造成嚴重的可信度問題。應(yīng)力也可能沿著底填材料與銅柱之間的界面造成底填碎裂。底填碎裂會傳遞至下方基板的低介電常數(shù)的介電層。綜上所述，目前亟需改良銅柱的結(jié)構(gòu)與形成方法以應(yīng)用于半導(dǎo)體晶片，使其具有強大的電性效能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明一實施例提供一種半導(dǎo)體管芯，包括基板； 接合墊位于基板上；導(dǎo)電柱位于接合墊上，導(dǎo)電柱具有上表面、邊緣側(cè)壁、與高度；蓋層位于導(dǎo)電柱的上表面上，并沿著導(dǎo)電柱的邊緣側(cè)壁延伸長度；以及焊料位于蓋層的上表面上。本發(fā)明另一實施例提供一種半導(dǎo)體管芯，包括基板；接合墊位于基板上；保護層位于焊料墊與基板上，開口具有第一開口 ；緩沖層位于保護層上，緩沖層具有第二開口，其中第一開口與第二開口形成組合開口，且組合開口具有側(cè)壁并露出部分接合墊；凸塊下冶金層襯墊組合開口的側(cè)壁，位于緩沖層頂部上，并接觸露出的部分接合墊；導(dǎo)電柱位于凸塊下冶金層上，導(dǎo)電柱具有上表面、邊緣側(cè)壁、與高度；蓋層位于導(dǎo)電柱的上表面上，并沿著導(dǎo)電柱的邊緣側(cè)壁延伸長度；以及焊料位于蓋層的上表面上。本發(fā)明又一實施例提供一種導(dǎo)電柱的形成方法，包括形成接合墊于基板上；形成凸塊下冶金層于接合墊上；形成圖案化光致抗蝕劑層于凸塊下冶金層上，圖案化光致抗蝕劑層具有孔洞露出部分凸塊下冶金層；將導(dǎo)電材料填入部分孔洞以形成導(dǎo)電柱于凸塊下冶金層上，其中導(dǎo)電柱具有上表面、邊緣側(cè)壁、與高度；將蓋層填入導(dǎo)電柱的上表面上的部分孔洞中，其中蓋層沿著導(dǎo)電柱的邊緣側(cè)壁延伸長度；將焊料填入蓋層的上表面上的部分孔洞中；以及移除圖案化光致抗蝕劑層。本發(fā)明可以改良銅柱的結(jié)構(gòu)與形成方法以應(yīng)用于半導(dǎo)體晶片，使其具有強大的電性效能。


圖1-圖8是本發(fā)明一個或多個實施例中，形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝中不同步驟的結(jié)構(gòu)剖視圖。主要附圖標記說明H 導(dǎo)電柱高度；L 長度；101 基板；103 內(nèi)連線層；105 第一保護層； 107 保護墊；108、114 側(cè)壁；109 第二保護層；111 開口 ； 113 緩沖層；115 組合開口 ；117 凸塊下冶金層；119 光致抗蝕劑層；121 孔洞；123 導(dǎo)電柱；125 導(dǎo)電柱上表面；127 導(dǎo)電柱邊緣側(cè)壁；1 蓋層；131 焊料；133 構(gòu)件；135 底填材料
具體實施例方式下列說明中的實施例將公開如何形成并使用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。然而必需理解的是，這些實施例提供多種可行的發(fā)明概念，并可應(yīng)用于多種特定內(nèi)容中。特定實施例僅用以說明形成及使用實施例的特定方式，并非用以局限本發(fā)明的范圍。圖1至圖8是本發(fā)明一個或多個實施例中，形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝中不同步驟的結(jié)構(gòu)剖視圖。以下的“基板”指的是半導(dǎo)體基板，其上形成有多種層狀結(jié)構(gòu)與集成電路構(gòu)件。 基板的組成可為硅或半導(dǎo)體化合物如砷化鎵、磷化銦、硅鍺合金、或碳化硅。層狀結(jié)構(gòu)可為介電層、摻雜層、金屬層、多晶硅層、和/或?qū)⒛硨舆B線至其他一層或多層的通孔插塞。集成電路構(gòu)件可為晶體管、電阻、和/或電容?；蹇蔀榫囊徊糠郑揖卸鄠€半導(dǎo)體管芯形成于基板表面上，其中每一管芯含有一個或多個集成電路。多個半導(dǎo)體管芯之間隔有切割線(未圖示)。后續(xù)工藝步驟將施加于基板表面上的一個或多個半導(dǎo)體管芯。如圖1所示，部分的基板101具有一個或多個半導(dǎo)體管芯于其表面上。圖1中部分的基板101只含有多個管芯之一的一部分。形成于基板101的表面上的多個內(nèi)連線層103 含有一個或多個導(dǎo)電層與一個或多個介電層形成其中。導(dǎo)電層電性接觸集成電路構(gòu)件，使集成電路電性連接至較上層。內(nèi)連線層103中的介電層可為低介電常數(shù)的介電材料(介電常數(shù)介于約2. 9至約3. 8之間)、超低介電常數(shù)的介電材料(介電常數(shù)介于約2. 5至約2. 9 之間)、低介電材料的組合、或類似物。介電材料的介電常數(shù)越低其物性越脆弱，這將造成分層甚至碎裂等現(xiàn)象。形成于內(nèi)連線層103上的第一保護層105可保護集成電路與內(nèi)連線層103免于損傷或受到污染。在某些實施例中，第一保護層105可為單層或多層結(jié)構(gòu)，含有非摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)、氮化硅、氧化硅、或氮氧化硅。第一保護層105可阻絕或減少水氣、機械力、或輻射損傷集成電路。如圖1所示，接合墊107形成于第一保護層105上。接合墊電性接觸內(nèi)連線層103 中的導(dǎo)電層，并提供電性連接至下方的集成電路。在一實施例中，接合墊107可為導(dǎo)電材料如鋁、鋁合金、銅、銅合金、或上述的組合。接合墊107的沉積方法可為物理氣相沉積法 (PVD)如濺鍍沉積法，其靶材可為鋁、銅、或上述的合金。在濺鍍后可進行圖案化工藝如光刻工藝與蝕刻以形成接合墊107。如圖2所示，第二保護層109形成于第一保護層105與接合墊107上。在某些實施例中，第二保護層可為一層或多層結(jié)構(gòu)，包含前述第一保護層105所用的材料。第一保護層105與第二保護層109可采用相同或不同的材料。保護層109沉積于第一保護層105與接合墊107上的方法可為沉積技術(shù)如化學(xué)氣相沉積法(CVD)。在沉積后以光刻與蝕刻選擇性地定義開口 111于接觸墊107上的第二保護層109中。第二保護層109覆蓋部分的接合墊107，而開口 111露出接合墊107的表面。開口 111具有側(cè)壁108。第二保護層109將吸收或釋放因封裝基板101所產(chǎn)生的熱或機械應(yīng)力。如圖3所示，緩沖層113形成于第二保護層109與接合墊107上。緩沖層113可為聚酰亞胺、聚苯并惡唑(ΡΒ0)、或環(huán)氧樹脂，其厚度介于約2μπι至約ΙΟμπι之間。緩沖層 113先沉積覆蓋于第二保護層109上，并填入開口 111以覆蓋接合墊107露出的表面。在沉積緩沖層113后接著進行光刻與圖案化工藝，可選擇性定義組合開口 115以露出部分的接合墊107。組合開口 115具有側(cè)壁114。緩沖層113在組裝工藝中具有應(yīng)力緩沖的功能，可減少應(yīng)力傳遞至第一保護層105與第二保護層109。如圖4所示，凸塊下冶金(UBM)層117形成于緩沖層上，除了襯墊組合開口 115的側(cè)壁外還接觸接合墊107露出的部分。在某些實施例中，凸塊下冶金層117可為導(dǎo)電材料的多層結(jié)構(gòu)，比如鈦層加上銅層。凸塊下冶金層117中的每一層的形成方法可為電鍍工藝如電化學(xué)電鍍法，或其他工藝如濺鍍、蒸鍍、無電電鍍、或等離子體增強式化學(xué)氣相沉積法 (CVD)，端視凸塊下冶金層117的組成而定。接著圖5所示，光致抗蝕劑層119形成于凸塊下冶金層117上。接著圖案化光致抗蝕劑層119以形成孔洞121，露出組合開口 115與接合墊107上的部分凸塊下冶金層117。 光致抗蝕劑層119可作為形成導(dǎo)電柱的金屬沉積工藝的模具。光致抗蝕劑材料可為與公知設(shè)備相容，并與電鍍所用的標準輔助工藝化學(xué)品相容的材料之一。如圖6所示，導(dǎo)電材料可借由蒸鍍、電鍍、或網(wǎng)版印刷等方式填入部分的孔洞121 中，以形成導(dǎo)電柱123于凸塊下冶金層117上。導(dǎo)電材料可為任何金屬或合金。舉例來說， 導(dǎo)電材料可為銅、錫、銀、或金。導(dǎo)電柱123具有上表面125、邊緣側(cè)壁127、與高度H。蓋層1 形成于導(dǎo)電柱123的上表面125上，并填入部分孔洞121中。蓋層1 也沿著導(dǎo)電柱123的邊緣側(cè)壁127延伸長度L。在一實施例中，將基板101浸潤于含鎳的電鍍?nèi)芤阂孕纬缮w層129，溶液溫度需保持于預(yù)定溫度如約50°C，且溶液中Ni (SO3NH2)2的濃度可保持于預(yù)定濃度如大于約330g/L。鎳層沉積于導(dǎo)電柱123的上表面125的方法可為化學(xué)反應(yīng)工藝。一般相信電鍍?nèi)芤褐械母邼舛孺囯x子會讓溶液穿透光致抗蝕劑層119與導(dǎo)電柱123之間的界面，這將使含鎳的蓋層形成于導(dǎo)電柱123的邊緣側(cè)壁127上。在某些實施例中，蓋層1 延伸的長度L與導(dǎo)電柱123的高度L的比例介于約0. 0022至約0. 088之間。蓋層129的厚度可介于約1000人至約40000A之間。在不考慮機械力的情況下，蓋層 1 可減少沿著焊料與導(dǎo)電柱123之界面產(chǎn)生的碎裂。上述焊料是用以接合后續(xù)工藝中的構(gòu)件。同樣地，沿著底填材料與銅柱的界面產(chǎn)生的底填碎裂也可減少。在其他實施例中，蓋層1 可為金、錫、或銀。在某些實施例中，蓋層129的組成不同于導(dǎo)電柱123。如圖6所示，將焊料131沉積填入蓋層129上表面的部分孔洞121中。在一實施例中，焊料131為無鉛焊料。在某些實施例中，焊料131是含有少量鉛的焊料膏。焊料131 的熔點低于導(dǎo)電柱123與蓋層129的熔點。如圖7所示，在移除光致抗蝕劑層119后以導(dǎo)電柱123作掩模，并移除未被導(dǎo)電柱 123覆蓋的凸塊下冶金層117。上述移除步驟可采用蝕刻工藝，蝕刻露出的部分凸塊下冶金層117直到露出下方的緩沖層113。保留于導(dǎo)電柱123下的凸塊下冶金層117是位于組合開口 115的側(cè)壁114上及緩沖層的頂部上，并接觸接合墊107露出的部分。圖8為本發(fā)明一實施例的電子構(gòu)件的剖視圖?；?01以圖7所示的導(dǎo)電柱123 接合至構(gòu)件133。為了節(jié)省篇幅，構(gòu)件133僅以簡單的芯片示意而無全部的特征。在一實施例中，構(gòu)件133可為半導(dǎo)體芯片、封裝基板、電路板、或任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的合適構(gòu)件?；?01可借由導(dǎo)電柱123電性連接至構(gòu)件133。接合方法可為銅對銅接合、焊料接合、或任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的合適方法。在接合工藝后，基板101與構(gòu)件133之間的距離將定義為空隙(gap)。底填材料 135可填入空隙以保護導(dǎo)電柱123，并增加封裝的可信度。底填材料可減少導(dǎo)電柱123、基板 101、與構(gòu)件133之間的應(yīng)力，并平均分散電子構(gòu)件的堆迭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱。底填材料135可含有但不限定于環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、其他熱塑性或熱固性材料、或任何其他本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所熟知的合適材料。本發(fā)明的多種實施例可用以改善公知焊料凸塊工藝的缺點。舉例來說，多種實施例的蓋層1 保護導(dǎo)電柱123頂角的設(shè)計可減少因應(yīng)力導(dǎo)致沿著導(dǎo)電柱123與焊料的界面所產(chǎn)生的碎裂。上述焊料是用以接合后續(xù)工藝中的構(gòu)件。簡言之，形成蓋層1 可改善組裝良率。雖然本發(fā)明已以數(shù)個較佳實施例公開如上，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)，當可作任意的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當以所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體管芯，包括 一基板；一接合墊位于該基板上；一導(dǎo)電柱位于該接合墊上，該導(dǎo)電柱具有一上表面、一邊緣側(cè)壁、與一高度； 一蓋層位于該導(dǎo)電柱的上表面上，并沿著該導(dǎo)電柱的該邊緣側(cè)壁延伸一長度；以及一焊料位于該蓋層的上表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體管芯，其中該長度與該高度的比例介于約0.0022至約 0. 088之間。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體管芯，其中該蓋層的厚度介于約1000人至約4000A之間。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體管芯，還包括一封裝基板接合至該焊料。
5.一種半導(dǎo)體管芯，包括 一基板；一接合墊位于該基板上；一保護層位于該焊料墊與該基板上，該開口具有一第一開口 ；一緩沖層位于該保護層上，該緩沖層具有一第二開口，其中該第一開口與該第二開口形成一組合開口，且該組合開口具有側(cè)壁并露出部分該接合墊；一凸塊下冶金層襯墊該組合開口的側(cè)壁，位于該緩沖層頂部上，并接觸露出的部分該接合墊；一導(dǎo)電柱位于該凸塊下冶金層上，該導(dǎo)電柱具有一上表面、一邊緣側(cè)壁、與一高度； 一蓋層位于該導(dǎo)電柱的上表面上，并沿著該導(dǎo)電柱的該邊緣側(cè)壁延伸一長度；以及一焊料位于該蓋層的上表面上。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體管芯，其中該長度與該高度的比例介于約0.0022至約 0. 088之間。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體管芯，其中該蓋層的厚度介于約ioooA至約4000A之間。
8.一種導(dǎo)電柱的形成方法，包括 形成一接合墊于一基板上； 形成一凸塊下冶金層于該接合墊上；形成一圖案化光致抗蝕劑層于該凸塊下冶金層上，該圖案化光致抗蝕劑層具有一孔洞露出部分該凸塊下冶金層；將一導(dǎo)電材料填入部分該孔洞以形成一導(dǎo)電柱于該凸塊下冶金層上，其中該導(dǎo)電柱具有一上表面、一邊緣側(cè)壁、與一高度；將一蓋層填入該導(dǎo)電柱的上表面上的部分該孔洞中，其中該蓋層沿著該導(dǎo)電柱的該邊緣側(cè)壁延伸一長度；將一焊料填入該蓋層的上表面上的部分該孔洞中；以及移除該圖案化光致抗蝕劑層。
9.如權(quán)利要求8所述的導(dǎo)電柱的形成方法，還包括在移除該圖案化光致抗蝕劑層后， 以導(dǎo)電柱為掩模并蝕刻該凸塊下冶金層。
10.如權(quán)利要求8所述的導(dǎo)電柱的形成方法，其中該長度與高度的比例介于約0. 0022 至約0. 088之間。
全文摘要
本發(fā)明一實施例公開了一種半導(dǎo)體管芯與導(dǎo)電柱的形成方法，該半導(dǎo)體管芯包含導(dǎo)電柱位于半導(dǎo)體管芯上。首先提供基板。接合墊位于基板上，且導(dǎo)電柱位于接合墊上。導(dǎo)電柱具有上表面、邊緣側(cè)壁、與高度。蓋層位于導(dǎo)電柱的上表面上，并沿著導(dǎo)電柱的邊緣側(cè)壁延伸一段長度。焊料位于蓋層的上表面上。本發(fā)明提供的方法可以改良銅柱的結(jié)構(gòu)與形成方法以應(yīng)用于半導(dǎo)體晶片，使其具有強大的電性效能。
文檔編號H01L23/488GK102315188SQ20101059770
公開日2012年1月11日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者何明哲, 劉重希, 呂文雄, 林志偉, 鄭明達 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司