專利名稱：半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝技術(shù)，特別涉及一種高可靠性的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在當(dāng)前的半導(dǎo)體行業(yè)中，電子封裝已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方面。經(jīng)過幾十年封裝技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的周邊布線型封裝方式和球柵陣列封裝技術(shù)越來越無(wú)法滿足當(dāng)前高密度、小尺寸的封裝要求，晶圓級(jí)芯片封裝方式(Wafer-Level Chip Scale PackagingTechnology, WLCSP)技術(shù)已成為當(dāng)前熱門的封裝方式。請(qǐng)參考圖1，為現(xiàn)有晶圓級(jí)芯片封裝方式的一種封裝結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，包括硅基片1，位于所述硅基片I表面的絕緣層2，所述絕緣層2具有開口，所述開口暴露出的硅基片I表面具有焊盤3 ;位于所述焊盤3、絕緣層2表面的再布線金屬層4，所述再布線·金屬層4用于將球柵陣列封裝焊點(diǎn)的位置重新分布；位于所述再布線金屬層4表面的銅柱·5，所述銅柱5通過再布線金屬層4與焊盤3相連接；覆蓋所述再布線金屬層4、絕緣層2的由有機(jī)樹脂組成的密封材料層6，且所述密封材料層6的頂部表面與所述銅柱5的頂部表面齊平，位于所述銅柱5的頂部表面的焊球7。更多關(guān)于晶圓級(jí)芯片封裝方式的封裝結(jié)構(gòu)及形成工藝請(qǐng)參考公開號(hào)為US2001/0094841A1的美國(guó)專利文獻(xiàn)。但是上述封裝結(jié)構(gòu)中所述焊球7容易從所述銅柱5的頂部表面脫落，從而引起芯片失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，可以有效地提高焊球的結(jié)合力。為解決上述問題，本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括芯片，所述芯片表面具有金屬互連結(jié)構(gòu)，位于所述芯片表面且暴露出所述金屬互連結(jié)構(gòu)的絕緣層；位于所述金屬互連結(jié)構(gòu)上的柱狀電極，所述柱狀電極周圍暴露出部分金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層；位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面?？蛇x的，所述焊球還覆蓋金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層?？蛇x的，所述擴(kuò)散阻擋層為鎳層。可選的，還包括，位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的浸潤(rùn)層，所述焊球形成于所述浸潤(rùn)層表面?？蛇x的，所述浸潤(rùn)層的材料至少包括金元素、銀元素、銦元素和錫元素中的一種。可選的，所述金屬互連結(jié)構(gòu)為焊盤和位于所述焊盤表面的電鍍種子層，所述電鍍種子層上形成有柱狀電極?？蛇x的，還包括位于所述絕緣層表面的鈍化層，所述鈍化層暴露出所述柱狀電極?？蛇x的，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包括焊盤、位于所述焊盤表面的電鍍種子層和位于所述電鍍種子層表面的再布線金屬層，在所述再布線金屬層上形成柱狀電極。可選的，還包括位于所述絕緣層和再布線金屬層表面的鈍化層，所述鈍化層暴露出所述柱狀電極。可選的，還包括位于所述絕緣層表面的第一鈍化層，且所述第一鈍化層覆蓋部分焊盤。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明實(shí)施例中的擴(kuò)散阻擋層位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面，所述焊球形成在所述擴(kuò)散阻擋層表面，所述擴(kuò)散阻擋層 將柱狀電極與所述焊球相隔離，界面上不會(huì)形成錫銅界面合金化合物，所述焊球不容易從柱狀電極脫落；且所述擴(kuò)散阻擋層的剖面形狀為“幾”字形，所述擴(kuò)散阻擋層不僅形成于所述柱狀電極側(cè)壁表面和頂部表面，還形成于柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面，所述擴(kuò)散阻擋層能提高柱狀電極和金屬互連結(jié)構(gòu)表面的結(jié)合力，使得柱狀電極不容易從金屬互連結(jié)構(gòu)表面脫離；且在所述擴(kuò)散阻擋層表面形成焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面，使得外力對(duì)所述焊球進(jìn)行撥動(dòng)時(shí)，焊球不容易從柱狀電極表面剝離。進(jìn)一步的，由于所述擴(kuò)散阻擋層表面形成有浸潤(rùn)層，焊球在所述浸潤(rùn)層表面具有較佳的浸潤(rùn)性，可以提高焊球和浸潤(rùn)層之間的結(jié)合力，且所述浸潤(rùn)層包裹在所述柱狀電極的側(cè)壁和頂部表面，使得外力對(duì)所述焊球進(jìn)行撥動(dòng)時(shí)，所述焊球不容易從所述浸潤(rùn)層表面剝離。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成方法的流程示意圖；圖3至圖12是本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖13至圖23是本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式由背景技術(shù)中可知，現(xiàn)有技術(shù)的封裝結(jié)構(gòu)中焊球容易從銅柱的頂部表面脫落，從而會(huì)引起芯片失效。發(fā)明人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，引起上述問題主要包括兩個(gè)主要原因(1)由于所述焊球直接形成與所述銅柱表面，所述焊球與銅柱、密封材料層的接觸面在同一平面上，因此所述焊球與銅柱、密封材料層之間的機(jī)械強(qiáng)度較低。(2)由于所述焊球的材料主要包括錫，還可以包括鉛、銀等，所述焊球形成在所述銅柱表面后，在高溫回流的過程中，在接觸面上的錫會(huì)與銅發(fā)生反應(yīng)形成錫銅界面合金化合物(Intermetallic Compound, IMC),隨著錫銅界面合金化合物厚度的提高，焊錫中靠近接觸面的錫原子會(huì)逐漸減少，相對(duì)的使得焊錫中鉛原子、銀原子的比例增加，以致使得焊球的柔軟性增大。固著強(qiáng)度降低，從而使得整個(gè)焊球容易從銅柱的頂部表面脫落；且當(dāng)所述錫會(huì)與銅發(fā)生反應(yīng)形成錫銅界面合金化合物時(shí)，在最初狀態(tài)下，所述錫會(huì)與銅發(fā)生反應(yīng)形成η-phase (Eta相)的Cu6Sn5,所述Cu6Sn5中銅的重量百分比含量約為40%，但隨著時(shí)間的推移，銅柱中的銅原子不斷擴(kuò)散到錫銅界面合金化合物中，形成ε-phase (Epsilon相)的Cu3Sn,所述Cu3Sn中銅的重量百分比含量上升到約為66%,所述 ε -phase (Epsilon 相)的 Cu3Sn 的表面能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 n -phase (Eta 相)的 Cu6Sn5,所述錫銅界面合金化合物表面容易發(fā)生縮錫或不沾錫，從而使得整個(gè)焊球容易從銅柱的頂部表面脫落。因此，發(fā)明人經(jīng)過研究，提出了一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括位于所述金屬互連結(jié)構(gòu)上的柱狀電極，所述柱狀電極周圍暴露出部分金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層；位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面。由于所述擴(kuò)散阻擋層位于所述柱狀電極側(cè)壁表面和頂部表面，使得柱狀電極與所述焊球相隔離，不會(huì)形成錫銅界面合金化合物，所述焊球不容易從柱狀電極脫落；且所述擴(kuò)散阻擋層不僅形成于所述柱狀電極側(cè)壁表面和頂部表面，還形成于柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面，所述擴(kuò)散阻擋層能提高銅柱和金屬互連結(jié)構(gòu)表面的結(jié)合力，使得銅柱不容易從金屬互連結(jié)構(gòu)表 面脫離；且所述焊球至少形成于所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面，使得外力對(duì)所述焊球進(jìn)行撥動(dòng)時(shí)，焊球不容易從柱狀電極表面剝離。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。第一實(shí)施例本發(fā)明第一實(shí)施例首先提供了一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成方法，請(qǐng)參考圖2，為所述半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成方法的流程示意圖，具體包括步驟S101，提供芯片，所述芯片表面具有焊盤，在所述芯片表面形成暴露出所述焊盤的絕緣層；步驟S102，在所述絕緣層表面形成第一鈍化層，所述第一鈍化層覆蓋部分焊盤；步驟S103，在所述焊盤和第一鈍化層表面形成電鍍種子層，在所述電鍍種子層表面形成第二掩膜層，在所述第二掩膜層內(nèi)形成貫穿所述第二掩膜層的第二開口 ；步驟S104，利用電鍍工藝在所述第二開口內(nèi)形成柱狀電極；步驟S105，去除所述第二掩膜層；步驟S106，在所述電鍍種子層表面形成第一掩膜層，所述第一掩膜層對(duì)應(yīng)于柱狀電極的位置具有第一開口，所述第一開口的尺寸大于所述柱狀電極的尺寸，且所述第一開口側(cè)壁與柱狀電極側(cè)壁之間具有間隙；步驟S107,在所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、第一開口暴露出的電鍍種子層表面形成擴(kuò)散阻擋層；步驟S108，在所述擴(kuò)散阻擋層表面形成浸潤(rùn)層；步驟S109，去除所述第一掩膜層和暴露出的電鍍種子層，在所述第一鈍化層表面形成鈍化層，所述鈍化層暴露出所述柱狀電極；步驟S110，在所述柱狀電極上的浸潤(rùn)層表面形成焊球。在所述擴(kuò)散阻擋層表面形成焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面。具體的，請(qǐng)參考圖3至圖12，為本發(fā)明第一實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。請(qǐng)參考圖3，提供芯片100，所述芯片100表面具有焊盤101，在所述芯片100表面形成暴露出所述焊盤101的絕緣層110。所述芯片100為娃基底、錯(cuò)基底、絕緣體上娃基底其中的一種，所述芯片100內(nèi)形成有半導(dǎo)體器件(未圖示)和金屬互連結(jié)構(gòu)(未圖示)等，所述半導(dǎo)體器件與所述焊盤可以位于芯片的同一側(cè)表面，也可以位于芯片的不同側(cè)表面。所述半導(dǎo)體器件與焊盤電學(xué)連接，當(dāng)所述半導(dǎo)體器件與所述焊盤位于芯片的不同側(cè)表面時(shí)，利用貫穿所述芯片的硅通孔將焊盤與半導(dǎo)體器件電學(xué)連接。
在本實(shí)施例中，所述焊盤101和后續(xù)形成的位于焊盤表面的電鍍種子層構(gòu)成金屬互連結(jié)構(gòu)。后續(xù)的柱狀電極形成在所述焊盤101上。所述焊盤101的材料為鋁、銅、金或銀等，所述半導(dǎo)體器件利用所述焊盤101和后續(xù)形成的柱狀電極、焊球等與外電路相連接。形成所述焊盤101后，在所述芯片100和焊盤101表面形成絕緣材料層，并對(duì)所述絕緣材料層進(jìn)行刻蝕，暴露出所述焊盤101，形成絕緣層110。所述絕緣層110為氧化硅層、氮化硅層或聚酰亞胺樹脂層、苯并惡嗪樹脂層其中的一層或多層堆疊結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，所述絕緣層110為氧化硅層。請(qǐng)參考圖4，在所述絕緣層110表面形成第一鈍化層111，所述第一鈍化層111覆蓋部分焊盤101。由于從芯片制造廠所生產(chǎn)的芯片的焊盤往往較大，使得直接在所述焊盤上形成的柱狀電極的尺寸也較大。因此可以在所述絕緣層110表面再形成第一鈍化層111，所述第一鈍化層111覆蓋部分焊盤101，使得暴露出的焊盤101的面積縮小，使得后續(xù)形成柱狀電極的尺寸縮小，有助于形成密集度高的封裝結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施例中，也可以不形成所述第一鈍化層111，直接在所述絕緣層和焊盤表面形成電鍍種子層。所述第一鈍化層的材料可以與絕緣層的材料相同，也可以不同。請(qǐng)參考圖5，在所述焊盤101和第一鈍化層111表面形成電鍍種子層120，在所述電鍍種子層120表面形成第二掩膜層130，在所述第二掩膜層130內(nèi)形成貫穿所述第二掩膜層的第二開口 135，所述第二開口 135暴露出部分電鍍種子層120。所述電鍍種子層120的材料為鋁、銅、金、銀其中的一種或幾種的混合物，形成所述電鍍種子層120的工藝為濺射工藝或物理氣相沉積工藝。在其他實(shí)施例中，在所述焊盤和第一鈍化層表面形成凸塊底部金屬(UBM)層,所述凸塊底部金屬(UBM)層用于作為電鍍種子層。當(dāng)所述電鍍種子層120的材料為鋁時(shí)，形成所述電鍍種子層120的工藝為濺射工藝，當(dāng)所述電鍍種子層120的材料為銅、金、銀其中的一種，形成所述電鍍種子層120的工藝為物理氣相沉積工藝。在本實(shí)施例中，所述電鍍種子層120的材料為銅。所述第二掩膜層130的材料為光刻膠、氧化硅、氮化硅、無(wú)定形碳其中的一種或幾種，在本實(shí)施例中，所述第二掩膜層130的材料為光刻膠。利用光刻工藝在所述第二掩膜層130內(nèi)形成貫穿所述第二掩膜層130的第二開口 135，所述第二開口 135后續(xù)用于形成柱狀電極。所述第二開口 135的俯視視角的尺寸可以大于所述焊盤101的尺寸，也可以等于或小于所述焊盤101的尺寸。請(qǐng)參考圖6，利用電鍍工藝在所述第二開口 135(如圖5所示)內(nèi)形成柱狀電極140。
所述柱狀電極140的材料為銅。將所述電鍍種子層120與電鍍的直流電源的陰極相連接，直流電源的銅陽(yáng)極浸泡在所述硫酸銅的水溶液中，然后通直流電，在所述第二開口135暴露出的電鍍種子層120表面形成銅柱，成為柱狀電極140。所述柱狀電極140的高度可以與第二開口 135的深度相同，也可以低于第二開口 135的深度。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于焊球直接在平整的銅柱頂部表面形成，由于焊球內(nèi)部的張力作用，所述焊球經(jīng)過回流后的最終形狀為球形，因此所述焊球的尺寸較大，在本實(shí)施例中，由于后續(xù)形成的焊球在所述柱狀電極140的頂部和側(cè)壁表面形成，在回流過程中，熔融狀態(tài)的焊錫與位于柱狀電極表面的擴(kuò)散阻擋層表面具有張力，使得所述焊錫較均勻地覆蓋在所述擴(kuò)散阻擋層表面，使得所述銅柱和位于銅柱側(cè)壁的擴(kuò)散阻擋層、焊錫的總寬度小于所述焊球的寬度，有利于提高焊點(diǎn)密集度，且利用本發(fā)明實(shí)施例的方法所耗費(fèi)的焊錫的量小于現(xiàn)有技術(shù)耗費(fèi)的焊錫的量。請(qǐng)參考圖7，去除所述第二掩膜層130 (如圖6所示)。
去除所述第二掩膜層130的工藝為灰化工藝。去除所述第二掩膜層130后，暴露出所述電鍍種子層120。在本實(shí)施例中，由于后續(xù)工藝形成擴(kuò)散阻擋層和浸潤(rùn)層的工藝為電鍍工藝，此步驟中保留電鍍種子層120。在其他實(shí)施例中，當(dāng)后續(xù)形成擴(kuò)散阻擋層和浸潤(rùn)層的工藝為化學(xué)鍍工藝，去除部分電鍍種子層。去除所述電鍍種子層的工藝包括在所述電鍍種子層表面形成第四掩膜層(未圖示)，所述第四掩膜層覆蓋所述柱狀電極，以所述第四掩膜層為掩膜，利用濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝去除所述暴露出的電鍍種子層，在所述柱狀電極周圍保留部分電鍍種子層，然后去除所述第四掩膜層。在其他實(shí)施例中，去除所述第二掩膜層后，利用干法刻蝕工藝回刻蝕去除未被柱狀電極覆蓋的電鍍種子層。由于電鍍種子層往往很薄，而柱狀電極很厚，通過控制刻蝕時(shí)間和刻蝕功率，在除去所述電鍍種子層的同時(shí)不會(huì)對(duì)所述柱狀電極造成較大影響。請(qǐng)參考圖8，在所述電鍍種子層120表面形成第一掩膜層150，所述第一掩膜層150對(duì)應(yīng)于柱狀電極140的位置具有第一開口 155，所述第一開口 155的尺寸大于所述柱狀電極140的尺寸，且所述第一開口 155側(cè)壁與柱狀電極140側(cè)壁之間具有間隙。所述第一掩膜層150的材料為光刻膠、氧化硅、氮化硅、無(wú)定形碳其中的一種或幾種，在本實(shí)施例中，所述第一掩膜層150為光刻膠層。利用光刻工藝在所述光刻膠層內(nèi)形成第一開口 155。由于所述第一開口 155的側(cè)壁與柱狀電極140側(cè)壁之間具有間隙，使得后續(xù)可以在所述柱狀電極的側(cè)壁和頂部形成擴(kuò)散阻擋層。在本實(shí)施例中，所述第一開口 155還暴露出位于柱狀電極140下方周圍的電鍍種子層120，使得后續(xù)形成的擴(kuò)散阻擋層的剖面形狀為“幾”字形。在其他實(shí)施例中，所述柱狀電極下方未暴露電鍍種子層，所述柱狀電極完全覆蓋在剩余的電鍍種子層表面，使得后續(xù)只能在所述柱狀電極的側(cè)壁和頂部形成擴(kuò)散阻擋層。請(qǐng)參考圖9,在所述柱狀電極140側(cè)壁表面、頂部表面、第一開口 155暴露出的電鍍種子層120表面形成擴(kuò)散阻擋層160。所述擴(kuò)散阻擋層160用于阻止柱狀電極140中的銅與焊球中的錫發(fā)生反應(yīng)形成ε-phase的錫銅界面合金化合物。在本實(shí)施例中，所述擴(kuò)散阻擋層160為鎳層。所述鎳層可以阻止柱狀電極140中的銅擴(kuò)散到焊球中與焊球中的錫發(fā)生反應(yīng)形成ε -phase的錫銅界面合金化合物，且所述鎳層可以避免柱狀電極表面發(fā)生氧化，影響導(dǎo)通電阻。由于擴(kuò)散阻擋層位于所述柱狀電極與焊球之間，使得所述柱狀電極與焊球相隔離，當(dāng)后續(xù)在所述擴(kuò)散阻擋層或浸潤(rùn)層表面形成焊球，界面上不會(huì)形成錫銅界面合金化合物，所述焊球不容易從柱狀電極頂部表面脫落。在本實(shí)施例中，形成所述擴(kuò)散阻擋層的工藝為化學(xué)鍍工藝。在其他實(shí)施例中，形成所述擴(kuò)散阻擋層的工藝也可以為電鍍工藝，電鍍鎳層的電鍍液包含氨基磺酸鎳700 800克每升，氯化鎳6 8克每升，硼酸35 45克每升，PH值為4 6，鍍液的溫度為45 55攝氏度。由于化學(xué)鍍和電鍍是在金屬表面形成鍍層，在本實(shí)施例中，所述鎳層在所述柱狀電極140側(cè)壁和頂部表面、第一開口 155暴露出的電鍍種子層120表面形成,使得所述擴(kuò)散阻擋層160的剖面形狀為“幾”字形，所述擴(kuò)散阻擋層160的最下端平行于焊盤101表面且與電鍍種子層120相連接，使得后續(xù)形成的浸潤(rùn)層的剖面形狀也為“幾”字形，使得后續(xù)形成的焊球不僅會(huì)位于所述柱狀電極140的頂部表面、側(cè)壁表面，還會(huì)位于所述電鍍種子層120上的浸潤(rùn)層表面，所述焊球與浸潤(rùn)層三個(gè)表面接觸，提高了焊球與柱狀電極之間的結(jié)合力，抑制焊球上下或左右晃動(dòng)，使得焊球不容易脫落，提高了封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。且由于擴(kuò) 散阻擋層160的剖面形狀為“幾”字形，所述擴(kuò)散阻擋層160的最下端平行于焊盤101表面且與電鍍種子層120相連接，所述擴(kuò)散阻擋層160的上端覆蓋住所述柱狀電極140側(cè)壁和頂部表面，利用所述擴(kuò)散阻擋層160可以提高柱狀電極140與電鍍種子層120之間的結(jié)合力，使得所述柱狀電極140不容易從電鍍種子層120表面剝離。請(qǐng)參考圖10，在所述擴(kuò)散阻擋層160表面形成浸潤(rùn)層170。在本實(shí)施例中，所述浸潤(rùn)層170的材料至少包括金元素、銀元素、銦元素或錫元素其中的一種，例如金層、銀層、錫層、錫銀合金層、錫銦合金層等，形成所述浸潤(rùn)層170的工藝為化學(xué)鍍工藝或電鍍工藝。由于鎳也較容易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，而具有金元素、銀元素、銦元素或錫元素的浸潤(rùn)層170較不容易與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，在所述鎳層表面形成所述浸潤(rùn)層，可以避免在鎳層表面形成氧化層，且焊錫在具有金元素、銀元素、銦元素或錫元素的浸潤(rùn)層170表面具有較佳的浸潤(rùn)性，使得后續(xù)回流后形成的焊球與柱狀電極具有較強(qiáng)的結(jié)合力，所述焊球不容易剝落。金、銀具有較低的電阻，所述浸潤(rùn)層在后續(xù)工藝中會(huì)在一定程度與焊球、擴(kuò)散阻擋層相互擴(kuò)散，形成合金層，所述含有金、銀的合金層可以有效降低封裝結(jié)構(gòu)的互連電阻。在本實(shí)施例中，所述浸潤(rùn)層170為電鍍形成的錫層，電鍍錫層的電鍍液包括錫酸鈉4(Γ60克每升，氫氧化鈉1(Γ16克每升，醋酸鈉2(Γ30克每升，鍍液溫度為7(Γ85攝氏度。由于焊球中主要成分為錫，焊球與所述錫層的成分大致相同，且焊錫和錫層的熔點(diǎn)后較低，在后續(xù)的回流工藝中，位于柱狀電極上的焊球與所述錫層溶化后會(huì)互相擴(kuò)散，形成一個(gè)整體，由于所述錫層的剖面結(jié)構(gòu)為“幾”字形，所述焊球最終的剖面結(jié)構(gòu)形狀也為“幾”字形，所述焊球包裹在所述柱狀電極頂部表面、側(cè)壁的表面和所述電鍍種子層上的浸潤(rùn)層表面，所述焊球不容易搖動(dòng)，提高了焊球的可靠性。在其他實(shí)施例中，也可以不形成所述浸潤(rùn)層，在所述擴(kuò)散阻擋層表面形成焊球。請(qǐng)參考圖11，去除所述第一掩膜層150 (請(qǐng)參考圖10)和暴露出的電鍍種子層120(請(qǐng)參考圖10)，在所述第一鈍化層111表面形成鈍化層180，所述鈍化層180暴露出所述柱狀電極140。在本實(shí)施例中，去除所述第一掩膜層150的工藝為灰化工藝。在本實(shí)施例中，去除所述暴露出的電鍍種子層120的工藝為在所述電鍍種子層120表面形成第五掩膜層(未圖示)，所述第五掩膜層覆蓋所述柱狀電極，以所述第五掩膜層為掩膜，利用濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝去除所述暴露出的電鍍種子層，然后去除所述第五掩膜層。在其他實(shí)施例中，去除所述暴露出的電鍍種子層的工藝為去除所述第一掩膜層后，利用干法刻蝕工藝回刻蝕去除未被柱狀電極覆蓋的電鍍種子層。由于電鍍種子層往往很薄，而柱狀電極上的擴(kuò)散阻擋層或浸潤(rùn)層較厚，通過控制刻蝕時(shí)間和刻蝕功率，在除去所述電鍍種子層的同時(shí)不會(huì)對(duì)所述擴(kuò)散阻擋層或浸潤(rùn)層造成較大影響。所述鈍化層180的材料為氧化硅層、氮化硅、氮氧化硅層、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、酚 醛樹脂、苯并惡嗪樹脂其中的一種或幾種，利用所述鈍化層將所述芯片與外界電絕緣，水汽絕緣。在本實(shí)施例中，所述鈍化層180的材料為環(huán)氧樹脂，利用網(wǎng)版印刷工藝等將環(huán)氧樹脂材料覆蓋在所述第一鈍化層111表面，且所述鈍化層180暴露出所述柱狀電極，使得后續(xù)可以在所述柱狀電極上形成焊球。在其它實(shí)施例中，也可以先形成焊球，再形成所述鈍化層。在其他實(shí)施例中，也可以不形成所述鈍化層，利用所述絕緣層或第一鈍化層實(shí)現(xiàn)芯片的電絕緣和水汽絕緣。請(qǐng)參考圖12，在所述柱狀電極140上的浸潤(rùn)層170表面形成焊球190。形成所述焊球190的工藝包括焊錫膏形成工藝和回流焊工藝兩個(gè)步驟，先利用焊錫膏形成工藝將焊錫膏形成于所述柱狀電極140表面，在利用回流工藝將所述焊錫膏進(jìn)行回流，使得形成的焊球190包裹在所述柱狀電極140頂部、側(cè)壁的表面以及電鍍種子層上的浸潤(rùn)層170表面。其中，所述焊料為錫、錫鉛混合物或其它錫合金等，焊錫膏形成工藝包括網(wǎng)版印刷錫膏、點(diǎn)焊形成錫球、化學(xué)鍍形成錫層、電鍍形成錫層等，回流焊工藝包括超聲波回流焊工藝、熱風(fēng)式回流焊工藝、紅外線回流焊工藝、激光回流焊工藝、氣相回流焊工藝等。所述焊錫膏形成工藝和回流焊工藝兩個(gè)步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不作贅述。由于所述浸潤(rùn)層的表面能較大，浸潤(rùn)性較佳，在回流工藝中，焊錫不僅會(huì)位于所述柱狀電極140的頂部，還會(huì)流到所述柱狀電極140的側(cè)壁和側(cè)壁底部，且通過控制所述焊錫膏的量，還可以使得所述焊球190覆蓋在電鍍種子層上的浸潤(rùn)層170表面。由于本發(fā)明實(shí)施例的焊球與銅柱的接觸面至少包括頂部平面和側(cè)壁弧面，使得外力對(duì)所述焊球190進(jìn)行撥動(dòng)時(shí)，焊球不容易從柱狀電極表面剝離。根據(jù)上述形成方法，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參考圖12，具體包括芯片100，所述芯片100表面具有焊盤101，位于所述芯片100表面且暴露出所述焊盤101的絕緣層110，位于所述絕緣層110表面且覆蓋部分焊盤101的第一鈍化層111 ’位于所述焊盤101和部分第一鈍化層111表面的電鍍種子層120 ;位于所述電鍍種子層120表面的柱狀電極140，所述柱狀電極140周圍暴露出部分電鍍種子層120 ;位于所述第一鈍化層111表面的鈍化層180，所述鈍化層180暴露出所述柱狀電極140 ;位于所述柱狀電極140側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極140底部周圍的擴(kuò)散阻擋層160 ;位于所述擴(kuò)散阻擋層160表面的浸潤(rùn)層170，位于所述浸潤(rùn)層170表面的焊球190，所述焊球190包裹在所述柱狀電極140頂部、側(cè)壁的表面以及電鍍種子層120上的浸潤(rùn)層170表面。第二實(shí)施例本發(fā)明第二實(shí)施例提供了另一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成方法，具體的，請(qǐng)參考圖13至圖23，為本發(fā)明第二實(shí)施例的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)的形成過程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。請(qǐng)參考圖13，提供芯片200，所述芯片200表面具有焊盤201，在所述芯片200表面形成暴露出所述焊盤201的絕緣層210。所述焊盤201、后續(xù)形成的位于焊盤表面的電鍍種子層和位于所述電鍍種子層表面的再布線金屬層構(gòu)成金屬互連結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參考圖14，在所述焊盤201和絕緣層210表面形成電鍍種子層220，在所述電鍍種子層220表面形成第三掩膜層225，在所述第三掩膜層225內(nèi)形成貫穿所述第三掩膜層225的溝槽226。 所述第三掩膜層225的材料為光刻膠、氧化硅、氮化硅、無(wú)定形碳其中的一種或幾種，在本實(shí)施例中，所述第三掩膜層225的材料為光刻膠。利用光刻工藝在所述第三掩膜層225內(nèi)形成貫穿所述第三掩膜層225的溝槽226，所述溝槽226后續(xù)用于形成再布線金屬層。所述溝槽226的一端位于所述焊盤201上，所述溝槽226的另一端位于絕緣層210上。請(qǐng)參考圖15，利用電鍍工藝在所述溝槽226 (如圖14所示)內(nèi)形成再布線金屬層227。所述再布線金屬層227為單層結(jié)構(gòu)或多層堆疊結(jié)構(gòu)，在本實(shí)施例中，所述再布線金屬層227為單層金屬結(jié)構(gòu)。所述再布線金屬層227的材料為銅。具體的電鍍工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。在其他實(shí)施例中，也可以先采用濺射工藝或物理氣相沉積工藝在所述電鍍種子層表面形成鋁金屬層、銅金屬層或鋁銅金屬層等，然后利用干法刻蝕工藝對(duì)所述鋁金屬層、銅金屬層或鋁銅金屬層等進(jìn)行刻蝕，形成再布線金屬層。所述再布線金屬層227 —端位于所述焊盤201上的電鍍種子層220表面，另一端位于絕緣層210上的電鍍種子層220表面，后續(xù)形成的柱狀電極形成在所述絕緣層210上的再布線金屬層227表面。由于為了提高封裝質(zhì)量，最終形成的封裝焊點(diǎn)(即焊球)的間距、位置需要合理設(shè)置，封裝焊點(diǎn)的位置往往是規(guī)則固定的，而半導(dǎo)體芯片的焊盤的位置受限于內(nèi)部電路布線，焊盤的位置排布往往與理想的封裝焊點(diǎn)的排布不同，因此需要利用再布線金屬層將焊盤與封裝焊點(diǎn)電學(xué)連接。請(qǐng)參考圖16，去除所述第三掩膜層225 (如圖15所示)，在所述電鍍種子層220和再布線金屬層227表面形成第二掩膜層230，在所述第二掩膜層230內(nèi)形成貫穿所述第二掩膜層230的第二開口 235，所述第二開口 235暴露出部分再布線金屬層227的表面，且所述第二開口 235的俯視視角的尺寸小于對(duì)應(yīng)位置的再布線金屬層227的尺寸，使得暴露出的再布線金屬層227的周圍還具有部分再布線金屬層227。具體形成工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。請(qǐng)參考圖17，利用電鍍工藝在所述第二開口 235 (如圖16所示)內(nèi)形成柱狀電極240。具體形成工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。請(qǐng)參考圖18，去除所述第二掩膜層230 (如圖17所示)和部分電鍍種子層220，所述柱狀電極240周圍暴露出部分再布線金屬層227。在去除所述第二掩膜層230后，暴露出電鍍種子層220和再布線金屬層227，在所述電鍍種子層220、再布線金屬層227表面形成第四掩膜層(未圖示)，所述第四掩膜層覆蓋所述柱狀電極140、再布線金屬層227，以所述第四掩膜層為掩膜，利用濕法刻蝕工藝或干法刻蝕工藝去除所述暴露出的部分電鍍種子層220，直到暴露出所述絕緣層210，然后去除所述第四掩膜層。請(qǐng)參考圖19，在所述絕緣層210和再布線金屬層227表面形成第一掩膜層250，所述第一掩膜層250對(duì)應(yīng)于柱狀電極240的位置具有第一開口 255，所述第一開口 255的尺寸大于所述柱狀電極240的尺寸，且所述第一開口 255側(cè)壁與柱狀電極240側(cè)壁之間具有間隙。具體形成工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。請(qǐng)參考圖20，在所述柱狀電極240側(cè)壁表面、頂部表面、第一開口 255暴露出的部分再布線金屬層227表面形成擴(kuò)散阻擋層260。具體形成工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。請(qǐng)參考圖21，在所述擴(kuò)散阻擋層260表面形成浸潤(rùn)層270。具體形成工藝請(qǐng)參考
第一實(shí)施例。 請(qǐng)參考圖22，去除所述第一掩膜層250 (請(qǐng)參考圖21)，在所述絕緣層210和再布線金屬層227表面形成鈍化層280，所述鈍化層280暴露出所述柱狀電極240。具體形成工
藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。請(qǐng)參考圖23，在所述浸潤(rùn)層270表面形成焊球290，所述焊球290包裹在所述柱狀電極240頂部、側(cè)壁的表面以及再布線金屬層227上的浸潤(rùn)層270表面。具體形成工藝請(qǐng)參考第一實(shí)施例。根據(jù)上述形成方法，本發(fā)明第二實(shí)施例還提供了一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，請(qǐng)參考圖23，具體包括芯片200，所述芯片200表面具有焊盤201，位于所述芯片200表面且暴露出所述焊盤201的絕緣層210 ;位于所述絕緣層210和焊盤201表面的電鍍種子層220，位于所述焊盤201和絕緣層210上的電鍍種子層220表面的再布線金屬層227，所述焊盤201、位于焊盤201和絕緣層210表面的電鍍種子層220、位于所述電鍍種子層220表面的再布線金屬層227構(gòu)成金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所述再布線金屬層227表面的柱狀電極240，所述柱狀電極240周圍暴露出部分再布線金屬層227 ;位于所述絕緣層210和再布線金屬層227表面的鈍化層280，所述鈍化層280暴露出柱狀電極240 ;位于所述柱狀電極240側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極240周圍暴露出的再布線金屬層227表面的擴(kuò)散阻擋層260;位于所述擴(kuò)散阻擋層260表面的浸潤(rùn)層270，位于所述浸潤(rùn)層270表面的焊球290，所述焊球290包裹在所述柱狀電極240頂部、側(cè)壁的表面以及再布線金屬層227上的浸潤(rùn)層270表面。本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，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)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括芯片，所述芯片表面具有金屬互連結(jié)構(gòu)，位于所述芯片表面且暴露出所述金屬互連結(jié)構(gòu)的絕緣層；位于所述金屬互連結(jié)構(gòu)上的柱狀電極，所述柱狀電極周圍暴露出部分金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層；位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述焊球還覆蓋金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋層為鎳層。
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括，位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的浸潤(rùn)層，所述焊球形成于所述浸潤(rùn)層表面。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述浸潤(rùn)層的材料至少包括金元素、銀元素、銦元素和錫元素中的一種。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬互連結(jié)構(gòu)為焊盤和位于所述焊盤表面的電鍍種子層，所述電鍍種子層上形成有柱狀電極。
7.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括位于所述絕緣層表面的鈍化層，所述鈍化層暴露出所述柱狀電極。
8.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬互連結(jié)構(gòu)包括焊盤、位于所述焊盤表面的電鍍種子層和位于所述電鍍種子層表面的再布線金屬層，所述再布線金屬層上形成有柱狀電極。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括位于所述絕緣層和再布線金屬層表面的鈍化層，所述鈍化層暴露出所述柱狀電極。
10.如權(quán)利要求6或8所述的半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括位于所述絕緣層表面的第一鈍化層，且所述第一鈍化層覆蓋部分焊盤。
全文摘要
一種半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)，包括芯片，所述芯片表面具有金屬互連結(jié)構(gòu)，位于所述芯片表面且暴露出所述金屬互連結(jié)構(gòu)的絕緣層；位于所述金屬互連結(jié)構(gòu)上的柱狀電極，所述柱狀電極周圍暴露出部分金屬互連結(jié)構(gòu)；位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面、柱狀電極周圍暴露出的金屬互連結(jié)構(gòu)表面的擴(kuò)散阻擋層；位于所述擴(kuò)散阻擋層表面的焊球，所述焊球至少包裹在所述柱狀電極頂部和側(cè)壁的表面。由于所述擴(kuò)散阻擋層位于所述柱狀電極側(cè)壁表面、頂部表面和柱狀電極周圍的金屬互連結(jié)構(gòu)表面，使得柱狀電極與所述焊球相隔離，不會(huì)形成錫銅界面合金化合物，且所述擴(kuò)散阻擋層能提高柱狀電極和金屬互連結(jié)構(gòu)表面的結(jié)合力，使得柱狀電極不容易從金屬互連結(jié)構(gòu)表面脫離。
文檔編號(hào)H01L23/485GK102945836SQ20121044415
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者林仲珉, 陶玉娟 申請(qǐng)人:南通富士通微電子股份有限公司