專(zhuān)利名稱(chēng)：半導(dǎo)體元件、封裝結(jié)構(gòu)、及半導(dǎo)體元件的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體元件，尤其涉及半導(dǎo)體元件中的凸塊結(jié)構(gòu)的工藝。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代的集成電路是由水平排列，且數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的有源元件如晶體管和/或無(wú)源元 件如電容組成。這些元件在初期工藝中彼此絕緣，但在后續(xù)工藝中以?xún)?nèi)連線連接元件以形 成功能電路。典型的內(nèi)連線結(jié)構(gòu)包含水平內(nèi)連線如金屬線路，與垂直內(nèi)連線如接孔和接點(diǎn)。 現(xiàn)代集成電路的效能與密度取決于內(nèi)連線。在內(nèi)連線結(jié)構(gòu)頂部，每一芯片表面上各自形成 有露出的焊盤(pán)。經(jīng)由焊盤(pán)，芯片可電性連接至封裝基板或另一裸片。焊盤(pán)可用以打線接合 或倒裝芯片接合。在一般的凸塊工藝中，內(nèi)連線結(jié)構(gòu)形成于金屬化層上，接著再形成凸塊下 冶金層(UBM)與焊球。倒裝芯片封裝采用凸塊作為芯片的輸入/輸出焊盤(pán)與基板(或封裝 的導(dǎo)線架)之間的電性接點(diǎn)。結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，凸塊除了凸塊本身以外，還含有所謂的UBM位于 凸塊與輸入/輸出焊盤(pán)之間。位UBM —般含有黏著層、阻擋層、與濕潤(rùn)層依序位于輸入/輸 出焊盤(pán)上。凸塊依其材料組成可分為焊料凸塊、金凸塊、銅柱凸塊、或混合金屬凸塊。一般來(lái)說(shuō)，用于焊料合金的材料為所謂的錫鉛共熔焊料，其中鉛占38重量％。近 來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)用無(wú)鉛封裝與無(wú)鉛元件的連接技術(shù)。上述趨勢(shì)導(dǎo)致形成集成電路與封 裝的連接結(jié)構(gòu)的焊料凸塊與焊球無(wú)鉛。與含鉛焊料或焊球相比較，無(wú)鉛焊料對(duì)環(huán)保、勞工、 與消費(fèi)者來(lái)說(shuō)較安全。然而無(wú)鉛焊料凸塊的品質(zhì)與可靠度并非永遠(yuǎn)符合需求。對(duì)更小的腳 距與更大的集成密度來(lái)說(shuō)，在工藝與倒裝芯片封裝中采用無(wú)鉛焊料產(chǎn)生短路的風(fēng)險(xiǎn)更高
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明一實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體元件，包括半 導(dǎo)體基板；焊盤(pán)區(qū)位于半導(dǎo)體基板上；焊料凸塊位于焊盤(pán)區(qū)上并電性連接至焊盤(pán)區(qū)；以及 金屬蓋層位于至少部分焊料凸塊上；其中金屬蓋層的熔點(diǎn)高于焊料凸塊的熔點(diǎn)。本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種封裝結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體基板；封裝基板；以及凸塊結(jié) 構(gòu)位于半導(dǎo)體基板與封裝基板之間，且凸塊結(jié)構(gòu)電性連接半導(dǎo)體基板與封裝基板；其中凸 塊結(jié)構(gòu)包括焊料凸塊與金屬蓋層，金屬蓋層覆蓋至少部分焊料凸塊，且金屬蓋層的熔點(diǎn)高 于焊料凸塊的熔點(diǎn)。本發(fā)明又一實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體元件的形成方法，包括形成焊料層于半導(dǎo)體基 板上；進(jìn)行再流動(dòng)熱工藝于焊料層上；以及形成金屬蓋層于至少部分焊料層上；其中金屬 蓋層的熔點(diǎn)高于焊料層的熔點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例中，金屬蓋層可作為硬停元件，使封裝完成后的凸塊結(jié)構(gòu)維持一致 的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。


圖IA-圖IG是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖2A-圖2C是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3A-圖3D是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖； 以及圖4A-圖4E是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖。主要附圖標(biāo)記說(shuō)明
10 半導(dǎo)體基板；12 焊盤(pán)區(qū)；14 保護(hù)層；16 凸塊下冶金層；18 掩模層； 19 開(kāi)口 ；20 金屬化層；22 焊料層；22a 焊料柱；22b、22c、22d、22e 焊料凸塊； 22θι 底部的凸塊；22Sl、22SU 焊料柱較上方的側(cè)壁表面；22slt 焊料柱的側(cè)壁頂部表 面；22、、22S2 焊料柱較上方的側(cè)壁表面；22sm 焊料柱中間部分的側(cè)壁表面；22t 焊 料柱頂部表面；24 金屬蓋層；26、28a、28b、30、32 凸塊結(jié)構(gòu)；100 基板；102 連接結(jié) 構(gòu)；104 接觸焊盤(pán)；106 焊料層；108a、108b、108c、108d 接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)；200、300、400、 500 封裝結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下述說(shuō)明的半導(dǎo)體元件中的凸塊工藝，可應(yīng)用于倒裝芯片封裝、晶片等級(jí)的芯片 尺寸封裝(WLCSP)、三維集成電路(3D-IC)堆疊、和/或任何先進(jìn)的封裝技術(shù)領(lǐng)域。實(shí)施例 是關(guān)于半導(dǎo)體元件所用的焊料凸塊及其形成方法。在下述說(shuō)明中，多種特例會(huì)先置前以利 本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明有全面性的了解。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，實(shí)際上的操作并 不需完全符合這些特例。在某些例子中，不會(huì)詳細(xì)地描述本領(lǐng)域熟知的結(jié)構(gòu)與工藝，以避免 不必要地模糊公開(kāi)內(nèi)容。在下述說(shuō)明中，“一實(shí)施例”指的是特定特征、結(jié)構(gòu)、或至少一實(shí)施 例中包含的實(shí)施例所連結(jié)的結(jié)構(gòu)。因此，不同段落中的“一實(shí)施例”指的不一定是同一實(shí)施 例。此外，一或多個(gè)實(shí)施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點(diǎn)可由任何合適形式組合。可以理解 的是，下述附圖并非依比例繪示，僅用以方便說(shuō)明而已。此外在一或多個(gè)實(shí)施例中，上述特 定特征或結(jié)構(gòu)可采用合適的形式組合?？梢岳斫獾氖?，下述附圖并未以比例繪示，僅用以示 意說(shuō)明。圖IA-圖IG是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖。如圖IA所示，提供半導(dǎo)體基板10以利后續(xù)凸塊工藝形成其中，且集成電路也可形 成其中和/或其上。半導(dǎo)體基板10的組成可包含半導(dǎo)體材料，比如但不限定于基體硅、半 導(dǎo)體晶片、絕緣層上硅(SOI)基板、或硅鍺基板。半導(dǎo)體基板10也可含有III族、IV族、或 V族元素。半導(dǎo)體基板10可包含多個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)(未示出)如淺溝槽絕緣(STI)結(jié)構(gòu)或局部 氧化硅(LOCOS)結(jié)構(gòu)。絕緣結(jié)構(gòu)可用以隔離多個(gè)微電子單元(未示出)。形成于半導(dǎo)體基 板10中的多個(gè)微電子單元含有晶體管如金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)、互補(bǔ)式 金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管、雙極結(jié)連接晶體管(BJT)、高電壓晶體管、高頻晶體管、ρ 溝道和/或η溝道場(chǎng)效晶體管(PFET/NFET)，電阻，二極管，電容，電感，熔絲，或其他合適單 元。形成多種微電子單元的多種工藝含有沉積、蝕刻、注入、光刻、回火、或其他合適工藝。微 電子單元可經(jīng)由內(nèi)連線形成集成電路元件如邏輯元件、輸入/輸出元件、系統(tǒng)單芯片(SoC) 元件、上述的組合、或其他合適種類(lèi)的元件。半導(dǎo)體基板10還可含有層間介電層與金屬化結(jié)構(gòu)于集成電路上。位于金屬化結(jié) 構(gòu)中的層間介電層含有低介電常數(shù)的介電材料、未摻雜的硅酸鹽玻璃(USG)、氮化硅、氮氧化硅、或其他常用 材料。低介電常數(shù)的介電材料的介電常數(shù)(k值)可小于約3. 9，或小于約 2.8。金屬化結(jié)構(gòu)中的金屬線的組成可為銅或銅合金。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)了解金屬化 層的形成方法，在此不贅述。如圖IA所示，在半導(dǎo)體基板10上形成焊盤(pán)區(qū)12與保護(hù)層14。焊盤(pán)區(qū)12形成于 層間介電層上的金屬化層。焊盤(pán)區(qū)12是部分的導(dǎo)電線路，且可根據(jù)需要進(jìn)行平坦化工藝于 焊盤(pán)區(qū)12露出的表面上。適用于焊盤(pán)區(qū)12的材料可為但不限定于銅、鋁、銅合金、或其他 現(xiàn)有的導(dǎo)電材料。焊盤(pán)區(qū)12的組成也可為銀、金、鎳、鎢、上述的合金、和/或上述的多層結(jié) 構(gòu)。在一實(shí)施例中，焊盤(pán)區(qū)12為焊盤(pán)區(qū)，可在接合工藝中使個(gè)別芯片的集成電路連線至外 部結(jié)構(gòu)。形成于半導(dǎo)體基板10上的保護(hù)層14位于焊盤(pán)區(qū)12上。借由光刻與蝕刻工藝，可 圖案化保護(hù)層14以形成開(kāi)口露出部分的焊盤(pán)區(qū)12。在一實(shí)施例中，保護(hù)層14的組成為非 有機(jī)材料如USG、氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、或上述的組合上。在另一實(shí)施例中，保護(hù)層14 的組成為有機(jī)材料如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺、雙苯并環(huán)丁烷(BCB)、聚苯并惡唑(PBO)、或其他 較軟的有機(jī)介電材料。圖IA也顯示凸塊下冶金層16形成于保護(hù)層14上并電性連接至焊盤(pán)區(qū)12。凸塊 下冶金層16形成于保護(hù)層14上，并露出部分焊盤(pán)區(qū)12。在一實(shí)施例中，凸塊下冶金層16 含有擴(kuò)散阻擋層和/或籽晶層。擴(kuò)散阻擋層又稱(chēng)作膠層，覆蓋保護(hù)層14的開(kāi)口的側(cè)壁及底 部。擴(kuò)散阻擋層的組成可為鈦，也可為其他材料如氮化鈦、鉭、氮化鉭、或類(lèi)似物。擴(kuò)散阻擋 層的形成方法可為物理氣相沉積法(PVD)或?yàn)R鍍法。籽晶層可為形成于擴(kuò)散阻擋層上的銅 籽晶層，其形成方法可為PVD或?yàn)R鍍。籽晶層的組成可為銅合金，除了銅以外還含有銀、鉻、 鎳、錫、金、或上述的組合。在一實(shí)施例中，凸塊下冶金層16為銅/鈦層。擴(kuò)散阻擋層的厚 度可介于約1000A至2000A之間，而籽晶層的厚度可介于約3000A至7000A之間，不過(guò) 上述層狀結(jié)構(gòu)的厚度可大于或小于上述范圍。在后述公開(kāi)中的尺寸范圍僅用以舉例，可隨 著更小尺寸的集成電路調(diào)整。圖IA也顯示掩模層18形成于凸塊下冶金層16上，并可圖案化掩模層18以形成 開(kāi)口 19。舉例來(lái)說(shuō)，圖案化掩模層18的方法可為曝光、顯影、及蝕刻。開(kāi)口 19可露出部分 凸塊下冶金層16以利形成凸塊。掩模層18可為干膜或光致抗蝕劑膜。在一實(shí)施例中，掩 模層18為干膜，其組成可為有機(jī)材料如Ajinimoto增層膜(ABF)。在另一實(shí)施例中，掩模層 18為光致抗蝕劑。掩模層18的厚度可大于約5 μ m,或介于約10 μ m至約120 μ m之間。如圖IB圖所示，在掩模層18的開(kāi)口 19中形成焊料層22，使焊料層22位于凸塊下 冶金層16上。焊料層22的組成為錫、錫銀、錫鉛、錫銀銅(銅的重量％小于0.3%)、錫銀 鋅、錫鋅、錫鉍銦、錫銦、錫金、錫鉛、錫銅、錫鋅銦、錫銀銻、或類(lèi)似物。在一實(shí)施例中，焊料層 22為無(wú)鉛焊料層。在某些實(shí)施例中，在形成焊料層22之前，可視情況先沉積金屬化層20于 開(kāi)口 19中。金屬化層20的厚度小于10 μ m。在某些實(shí)施例中，金屬化層20的厚度介于約 1 μ m至10 μ m之間，比如4μπι至8μπι之間，不過(guò)金屬化層20的厚度可大于或小于上述范 圍。金屬化層20的形成方法可為電鍍法。在一實(shí)施例中，金屬化層20的組成可為銅層、銅 合金層、鎳層、鎳合金層、或上述的組合。在某些實(shí)施例中，金屬化層20含有金、銀、鈀、銦、 鎳鈀金、鎳金、或其他類(lèi)似材料或合金。接著如圖IC圖所示，移除掩模層18。若掩模層18的組成為干膜，其移除方法需采 用堿性溶液。若掩模層18的組成為光致抗蝕劑，其移除方法為濕式剝除法，其采用的溶劑可為丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亞砜(DMSO)、2-(氨基乙氧基)乙醇、或類(lèi)似物。 上述移除步驟將露出未被焊料層22覆蓋的凸塊下冶金層16，并使焊料層22形成焊料柱 22a。在一實(shí)施例中，焊料柱22a的厚度大于40 μ m。在其他實(shí)施例中，焊料柱22a的厚度介 于約40 μ m至70 μ m之間，但焊料柱的厚度也可大于或小于上述范圍。接著如圖ID所示， 移除露出的凸塊下冶金層16并露出其下方的保護(hù)層14，且移除方法可為蝕刻如濕蝕刻、干 蝕刻、或類(lèi)似方法。如圖IE所示，于焊料柱22a上進(jìn)行再流動(dòng)熱工藝，形成球狀的焊料凸塊22b。在熱 循環(huán)中，可形成金屬間化合物(IMC)層于焊料凸塊22b與金屬化層20之間。形成IMC層可 消耗金屬化層20。如圖IF所示，形成金屬蓋層24于至少部分露出的焊料凸塊22b上。在一實(shí)施例 中，金屬蓋層24形成于焊料凸塊22b的所有表面上。在其他實(shí)施例中，金屬蓋層24延伸至 覆蓋金屬化層20與凸塊下冶金層16的表面上。金屬蓋層24為金屬材料層，其溶點(diǎn)高于焊 料層22的熔點(diǎn)。在某些實(shí)施例中，金屬蓋層24的組成為銅、鎳、金、銀、鈀、銦、鎳鈀金、鎳 金、其他類(lèi)似材料、或合金。在某些實(shí)施例中，金屬蓋層24還包含其他用于半導(dǎo)體封裝的導(dǎo) 電材料如銦、鉬、鈷、釩、或上述的合金。在一實(shí)施例中，金屬蓋層24的厚度介于約0. 02μπι 至5μπι之間，但金屬蓋層24的厚度也可大于或小于上述范圍。金屬蓋層24可為單層或多 層結(jié)構(gòu)。在一實(shí)施例中，金屬蓋層24的沉積方法可為無(wú)電或浸潤(rùn)金屬沉積工藝，比如無(wú)電 鎳無(wú)電鈀與浸金結(jié)構(gòu)(無(wú)電鎳/無(wú)電鈀/浸潤(rùn)金的堆疊結(jié)構(gòu)，ENEPIG)、無(wú)電鎳無(wú)電鈀結(jié)構(gòu) (無(wú)電鎳/無(wú)電鈀的堆疊結(jié)構(gòu)，ΕΝΕΡ)、無(wú)電鎳層(EN)、無(wú)電鎳與浸金結(jié)構(gòu)(無(wú)電鎳/浸潤(rùn)金 的堆疊結(jié)構(gòu)，ENIG)、或上述的組合。上述步驟形成的凸塊結(jié)構(gòu)26具有凸塊下冶金層16、視情況形成的金屬化層20、焊 料凸塊22b、與金屬蓋層24。此實(shí)施例的凸塊結(jié)構(gòu)26可具有不同尺寸的直徑，且可包含所 謂的微凸塊。舉例來(lái)說(shuō)，凸塊結(jié)構(gòu)26的直徑可介于65μπι至80μπι之間。凸塊結(jié)構(gòu)26之 間的腳距可小于150 μ m，比如介于130μπι至140μπι之間，甚至更小的尺寸。在微凸塊的 應(yīng)用中，凸塊之間的腳距可介于20 μ m至50 μ m之間，且凸塊直徑可介于10 μ m至25 μ m之 間。凸塊結(jié)構(gòu)26被金屬蓋層24覆蓋的部分較硬，其熔點(diǎn)也高于焊料凸塊22b的熔點(diǎn)。在 實(shí)質(zhì)上推擠基板時(shí)，金屬蓋層24可讓焊料凸塊22b作為彈簧或充氣的氣球，以避免破壞凸 塊 結(jié)構(gòu)26。某方面來(lái)說(shuō)，金屬蓋層24可作為硬停元件(hard stop)。封裝完成后，凸塊結(jié) 構(gòu)26可維持一致的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。如圖IG所示，是應(yīng)用凸塊結(jié)構(gòu)26的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。在形成凸塊結(jié)構(gòu)26后切 割半導(dǎo)體基板10，并將其嵌置于封裝基板或另一裸片上的焊盤(pán)上的銅柱或焊球。經(jīng)上述步 驟后，可將圖IF的結(jié)構(gòu)連接至另一基板100。基板100可為封裝基板、板子如印刷電路板 (PCB)、或其他合適基板。連接結(jié)構(gòu)102接觸基板100的方式可為多種導(dǎo)電接點(diǎn)，比如位于 接觸焊盤(pán)104和/或?qū)щ娋€上的焊料層106。焊料層106可為共熔焊料如含有錫、鉛、銀、 銅、鎳、鉍、或上述的組合的合金。舉例來(lái)說(shuō)，耦合工藝含有采用助焊劑、放置芯片、熔融的焊 料接點(diǎn)的再流動(dòng)熱工藝、與清除助焊劑殘余物。經(jīng)上述耦合步驟，即形成接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108a 于半導(dǎo)體基板10與基板100之間。半導(dǎo)體基板10、接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108a、與基板100可稱(chēng)作 封裝結(jié)構(gòu)200，或稱(chēng)之為倒裝芯片封裝。在某些實(shí)施例的封裝結(jié)構(gòu)的熱循環(huán)步驟中，金屬蓋 層24可與焊料凸塊22b和/或焊料層106反應(yīng)，在接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108a中形成金屬間化合物(IMC)。此外，在熱循環(huán)步驟后，金屬蓋層24中的金屬元素會(huì)擴(kuò)散至焊料凸塊22b和/ 或焊料層106。金屬間化合物(IMC)會(huì)消耗部分金屬蓋層24?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，在焊料凸塊 22b上采用金屬蓋層24有助于完成的封裝結(jié)構(gòu)具有更一致的高度，進(jìn)而改善半導(dǎo)體元件的
可靠度。

圖2A-圖2C是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖。 在下述說(shuō)明中，將省略與圖IA-圖IG重疊的部分。如圖2A所示，在圖ID中蝕刻凸塊下冶金層的工藝后，接著形成金屬蓋層24。如此 一來(lái)，在進(jìn)行焊料再流動(dòng)的熱工藝之前，已先形成金屬蓋層24于焊料柱22a上。在一實(shí)施 例中，以無(wú)電或浸潤(rùn)法沉積金屬蓋層24于焊料柱22a的整個(gè)表面上。在某些實(shí)施例中，金 屬蓋層24延伸至覆蓋部分的金屬化層20與凸塊下冶金層16。這將使凸塊結(jié)構(gòu)28a含有凸 塊下冶金層16、視情況形成的金屬化層20、焊料柱22a、與金屬蓋層24。在實(shí)質(zhì)上推擠基板 時(shí)，金屬蓋層24可讓焊料柱22a作為彈簧或充氣的氣球。金屬蓋層24可作為硬停元件，使 封裝完成后的凸塊結(jié)構(gòu)28a維持一致的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。在另一實(shí)施例中，凸塊結(jié)構(gòu)28a接著進(jìn)行焊料再流動(dòng)的熱工藝。如圖2B所示，熱工 藝可再流動(dòng)焊料柱22a，使其形成具有圓潤(rùn)邊角的焊料凸塊22c。在一實(shí)施例的剖視圖中， 焊料凸塊22c具有圓潤(rùn)邊角。此外在熱循環(huán)的步驟后，金屬蓋層24中的金屬元素可能擴(kuò)散 至焊料凸塊22c。這將形成另一焊料凸塊28b，其含有凸塊下冶金層16、視情況形成的金屬 化層20、具有圓潤(rùn)邊角的焊料凸塊22c、與金屬蓋層24。在實(shí)質(zhì)上推擠基板時(shí)，金屬蓋層24 可讓焊料凸塊22c作為彈簧或充氣的氣球。金屬蓋層24可作為硬停元件，使封裝完成后的 凸塊結(jié)構(gòu)28b維持一致的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。如圖2C所示，是應(yīng)用凸塊結(jié)構(gòu)28b的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。在形成凸塊結(jié)構(gòu)28a或 28b后切割半導(dǎo)體基板10，并經(jīng)由連接結(jié)構(gòu)102將其嵌置于另一基板100。連接結(jié)構(gòu)102可 為位于接觸焊盤(pán)104和/或?qū)щ娋€上的焊料層106。經(jīng)由耦合步驟，可形成接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu) 108b于半導(dǎo)體基板10與基板100之間。半導(dǎo)體基板10、接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108b、與基板100可 稱(chēng)作封裝結(jié)構(gòu)300。在形成凸塊結(jié)構(gòu)28a于半導(dǎo)體基板10上的情況下，耦合工藝的熱能可 使焊料柱22a再流動(dòng)，以形成具有圓潤(rùn)邊角的焊料凸塊22c，使焊料結(jié)構(gòu)28a轉(zhuǎn)變?yōu)榉庋b結(jié) 構(gòu)300中的焊料結(jié)構(gòu)28b。此外在熱循環(huán)后，金屬蓋層24的金屬元素可能會(huì)擴(kuò)散至焊料凸 塊22c和/或焊料層106中。可以發(fā)現(xiàn)的是，凸塊結(jié)構(gòu)28a與28b的金屬蓋層24有助于完 成的封裝結(jié)構(gòu)具有一致的高度，進(jìn)而改善半導(dǎo)體元件的可靠度。圖3A-圖3D是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分半導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖。 在下述說(shuō)明中，將省略與圖IA-圖IG重疊的部分。如圖3A所示，移除掩模層形成圖IC所示的結(jié)構(gòu)后，形成金屬蓋層24。如此一來(lái)， 在蝕刻凸塊下冶金層16的步驟前，已先形成金屬蓋層24于焊料柱22a與部分露出的凸塊 下冶金層16上。在一實(shí)施例中，形成金屬蓋層24于焊料柱22a的整個(gè)表面上的方法可為 電鍍法、無(wú)電電鍍法、或化學(xué)氣相沉積法(CVD)。接著如圖3B所示，進(jìn)行蝕刻工藝如濕蝕刻、干蝕刻、或類(lèi)似方法移除焊料柱22a以 外的凸塊下冶金層16，直到露出保護(hù)層14。上述蝕刻工藝將移除焊料柱22a以外的金屬蓋 層24與凸塊下冶金層16，也移除焊料柱22a表面上的部分金屬蓋層24。在一實(shí)施例中，位 于焊料柱22a頂部上的部分金屬蓋層24被移除，以露出焊料柱22a的頂部表面22t。在某些實(shí)施例中，鄰接焊料柱22a較上方的側(cè)壁表面的部分金屬蓋層24被移除，以露出焊料柱 22a較上方的側(cè)壁表面22su。此時(shí)金屬蓋層24保留于焊料柱22a較下方的側(cè)壁表面22sL 上。如圖3C圖所示，進(jìn)行熱工藝使焊料柱22a再流動(dòng)，以形成圓潤(rùn)表面的焊料凸塊 22d。在熱循環(huán)步驟后，金屬蓋層24中的金屬元素會(huì)擴(kuò)散至焊料凸塊22d，可形成金屬間化 合物(IMC)于焊料凸塊22d與金屬蓋層24之間。這將使凸塊結(jié)構(gòu)30含有凸塊下冶金層 16、視情況形成的金屬化層20、焊料柱22d、與金屬蓋層24。金屬蓋層24保留于焊料凸塊 22d較下方的側(cè)壁表面22、上。在實(shí)質(zhì)上推擠基板時(shí)，金屬蓋層24可讓焊料凸塊22d作為 彈簧或充氣的氣球。金屬蓋層24可作為硬停元件，使封裝完成后的凸塊結(jié)構(gòu)30維持一致 的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。如圖3D所示，是應(yīng)用凸塊結(jié)構(gòu)30的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。在形成凸塊結(jié)構(gòu)30后切 割半導(dǎo)體基板10，并經(jīng)由連接結(jié)構(gòu)102將其嵌置于另一基板100。連接結(jié)構(gòu)102可為位于 接觸焊盤(pán)104和/或?qū)щ娋€上的焊料層106。經(jīng)由耦合步驟，可形成接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108c于 半導(dǎo)體基板10與基板100之間。半導(dǎo)體基板10、接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108c、與另一基板100可稱(chēng) 作封裝結(jié)構(gòu)400。可以發(fā)現(xiàn)的是，凸塊結(jié)構(gòu)30的金屬蓋層24有助于完成的封裝結(jié)構(gòu)具有一 致的高度，進(jìn)而改善半導(dǎo)體元件的可靠度。

圖4A-圖4E是本發(fā)明一實(shí)施例中，部分導(dǎo)體元件在凸塊工藝中的結(jié)構(gòu)剖視圖。在 下述說(shuō)明中，將省略與圖IA-圖IG重疊的部分。如圖4A所示，在形成焊料層22于掩模層18的開(kāi)口 19后，移除部分掩模層18以 露出部分的焊料柱22a并保留部分掩模層18于焊料柱22a靠近底部的部分。在一實(shí)施例 中，上述步驟露出焊料柱22a的頂部表面22t及較上方的側(cè)壁表面22Sl。舉例來(lái)說(shuō)，此步驟 可露出超過(guò)50%的側(cè)壁表面，比如露出約70%至80%之間的側(cè)壁表面。接著如圖4B圖所示，形成金屬蓋層24于焊料柱22a露出的表面上，其形成方法可 為電鍍法或無(wú)電電鍍法。之后再移除殘留的掩模層18。如此一來(lái)，金屬蓋層24可形成于焊 料柱22a露出的表面如頂部表面22t及較上方的側(cè)壁表面22Sl上。在完全移除掩模層18 后，將露出凸塊下冶金層16與焊料柱22a較下方的側(cè)壁表面22s2。接著如圖4C所示，進(jìn)行蝕刻工藝如濕蝕刻、干蝕刻、或類(lèi)似方法移除焊料柱22a以 外的凸塊下冶金層16，直到露出保護(hù)層14。上述蝕刻工藝也移除焊料柱22a表面上的部分 金屬蓋層24。在一實(shí)施例中，位于焊料柱22a頂部上的部分金屬蓋層24被移除，以露出焊 料柱22a的頂部表面22t。在某些實(shí)施例中，位于焊料柱22a較上方的側(cè)壁上的部分金屬 蓋層24被移除，以露出焊料柱22a的側(cè)壁頂部表面22slt，使金屬蓋層24保留于焊料柱22a 的中間部分的側(cè)壁表面22sm上。如圖4D所示，進(jìn)行熱工藝使焊料柱22a再流動(dòng)，以形成卵狀的焊料凸塊22e。由 于金屬蓋層24的熔點(diǎn)高于焊料，底部的凸塊22ei將會(huì)水平延展出金屬蓋層24。底部的凸 塊22%具有多種好處如下具有額外的應(yīng)力緩沖結(jié)構(gòu)、增加焊料凸塊與其下材料層之間的 黏著力、以及提供機(jī)械應(yīng)力緩沖。在熱循環(huán)步驟中，金屬蓋層24中的金屬元素會(huì)擴(kuò)散至焊 料凸塊22e，可形成金屬間化合物(IMC)于焊料凸塊22e與金屬蓋層24之間。上述步驟形成的凸塊結(jié)構(gòu)32含有凸塊下冶金層16、視情況形成的金屬化層20、焊 料柱22e、與金屬蓋層24。在實(shí)質(zhì)上推擠基板時(shí)，金屬蓋層24可讓焊料凸塊22e作為彈簧或充氣的氣球。金屬蓋層24可作為硬停元件，使封裝完成后的凸塊結(jié)構(gòu)30維持一致的高 度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。如圖4E所示，是應(yīng)用凸塊結(jié)構(gòu)32的封裝結(jié)構(gòu)的示意圖。在形成凸塊結(jié)構(gòu)32后切 割半導(dǎo)體基板10，并經(jīng)由連接結(jié)構(gòu)102將其嵌置于另一基板100。連接結(jié)構(gòu)102可為位于 接觸焊盤(pán)104和/或?qū)щ娋€上的焊料層106。經(jīng)由耦合步驟，可形成接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108d于 半導(dǎo)體基板10與基板100之間。半導(dǎo)體基板10、接點(diǎn)焊料結(jié)構(gòu)108d、與另一基板100可稱(chēng) 作封裝結(jié)構(gòu)500?？梢园l(fā)現(xiàn)的是，凸塊結(jié)構(gòu)32的金屬蓋層24有助于完成的封裝結(jié)構(gòu)具有一 致的高度，進(jìn)而改善半導(dǎo)體元件的可靠度。雖然本發(fā)明已以數(shù)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，任何熟悉 本領(lǐng)域普通知識(shí)的技術(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)以所附的權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，包括一半導(dǎo)體基板；一焊盤(pán)區(qū)位于該半導(dǎo)體基板上；一焊料凸塊位于該焊盤(pán)區(qū)上并電性連接至該焊盤(pán)區(qū)；以及 一金屬蓋層位于至少部分該焊料凸塊上； 其中該金屬蓋層的熔點(diǎn)高于該焊料凸塊的熔點(diǎn)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中該金屬蓋層包括鎳、鈀、金、銅或無(wú)鉛焊料中 至少之一。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中該金屬蓋層至少形成于該焊料凸塊的整個(gè)表 面上、該焊料凸塊較下方的側(cè)壁表面上、或該焊料凸塊中間的側(cè)壁表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其中該焊料凸塊的底部于水平方向延展出該金屬
5.一種封裝結(jié)構(gòu)，包括 一半導(dǎo)體基板；一封裝基板；以及一凸塊結(jié)構(gòu)位于該半導(dǎo)體基板與該封裝基板之間，且該凸塊結(jié)構(gòu)電性連接該半導(dǎo)體基 板與該封裝基板；其中該凸塊結(jié)構(gòu)包括一焊料凸塊與一金屬蓋層，該金屬蓋層覆蓋至少部分該焊料凸 塊，且該金屬蓋層的熔點(diǎn)高于該焊料凸塊的熔點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求5所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中該金屬蓋層包括鎳、鈀、金、銅、或無(wú)鉛材料中至 少之一。
7.如權(quán)利要求5所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中部分該焊料凸塊于水平方向延展出該金屬蓋層。
8.一種半導(dǎo)體元件的形成方法，包括 形成一焊料層于一半導(dǎo)體基板上； 進(jìn)行一再流動(dòng)熱工藝于該焊料層上；以及 形成一金屬蓋層于至少部分該焊料層上； 其中該金屬蓋層的熔點(diǎn)高于該焊料層的熔點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求8的所述的半導(dǎo)體元件的形成方法，其中形成該金屬蓋層的步驟在該再 流動(dòng)熱工藝之后或之前。
10.如權(quán)利要求8的所述的半導(dǎo)體元件的形成方法，其中該焊料層是一焊料凸塊，且該 金屬蓋層至少覆蓋該焊料凸塊其部分的側(cè)壁表面。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種半導(dǎo)體元件、封裝結(jié)構(gòu)、及半導(dǎo)體元件的形成方法，本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體元件中提供的焊料凸塊，位于焊盤(pán)區(qū)上并電性連接至焊盤(pán)區(qū)。此外，形成金屬蓋層于至少部分的焊料凸塊上。金屬蓋層的熔點(diǎn)高于焊料凸塊的熔點(diǎn)。本發(fā)明實(shí)施例中，金屬蓋層可作為硬停元件，使封裝完成后的凸塊結(jié)構(gòu)維持一致的高度，可減少甚至避免短路或橋接等問(wèn)題。
文檔編號(hào)H01L21/60GK102148201SQ20111003117
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者余振華, 蕭義理, 董志航, 鄭心圃, 魏程昶 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司