一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。其形成方法如下：提供一晶圓級(jí)的芯片基體；在芯片基體的上表面沉積一介電層，并在芯片電極的正上方開設(shè)介電層開口，并在介電層開口的正上方通過光刻工藝開設(shè)光刻膠開口；通過電鍍工藝在介電層開口和光刻膠開口內(nèi)電鍍銅柱凸塊；在上述銅柱凸塊的頂部通過電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間；多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。本發(fā)明提供了一種合金焊料的組份比例穩(wěn)定的金屬帽的形成方法。
【專利說明】一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，屬于半導(dǎo)體封裝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，隨著芯片制程發(fā)展超出摩爾定律，芯片密度越來越高，芯片之間的間距不斷減少，得益于銅材料優(yōu)越的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和可靠性，帶有錫金屬帽的銅柱凸塊(Cu pillar)技術(shù)逐漸取代錫鉛凸塊(solder bump),成為覆晶主流技術(shù)。
[0003]但由于錫結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較差，由純錫制成的錫金屬帽易產(chǎn)生金屬晶須，其潤(rùn)濕性也會(huì)隨時(shí)間的推移發(fā)生劣化，使電子產(chǎn)品存在失效隱患，因此行業(yè)內(nèi)通常采用合金焊料來制做焊料，常用的方法是選擇一定配比的錫基合金焊料電解液通過電鍍的方法在銅柱的頂端共沉積形成錫基金屬合金的金屬帽，然而該錫基合金焊料電解液成分配比復(fù)雜，在形成錫基金屬合金的金屬帽的過程中合金焊料的組份比例也往往存在一定的偏差，尤其在除錫之外的兩種或兩種以上合金焊料時(shí)，很難獲得穩(wěn)定配比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有銅柱凸塊的錫基金屬合金的金屬帽的不足，提供一種合金焊料的組份比例穩(wěn)定的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其采用晶圓級(jí)封裝技術(shù)制作銅柱凸塊結(jié)構(gòu)，其為晶圓級(jí)的半導(dǎo)體器件提供封裝，以提高電氣性質(zhì)、增加密度、降低器件尺寸、降低成本，以及晶圓級(jí)的附加測(cè)試，其形成方法如下:
提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極的芯片基體，所述芯片電極的表面露出芯片基體的上表面；
在所述芯片基體的上表面沉積一介電層，所述介電層在芯片電極的正上方開設(shè)介電層開口，所述介電層開口露出芯片電極的一表面；
在上述設(shè)有介電層開口的介電層的表面涂覆厚光刻膠，并在介電層開口的正上方通過光刻工藝開設(shè)光刻膠開口，形成具有光刻膠開口圖案的光刻膠層；
通過電鍍工藝在介電層開口和光刻膠開口內(nèi)電鍍銅柱凸塊，所述銅柱凸塊的上端面不高于光刻膠層的上表面；
在上述銅柱凸塊的頂部通過電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間；采用去膠工藝去除剩余的光刻膠；
所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。
[0006]可選地,所述金屬層的厚度范圍為0.01?0.5 μ m。所述金屬層為單層結(jié)構(gòu),其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In ;所述金屬層為多層結(jié)構(gòu)，通過重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一層的材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
[0007]進(jìn)一步地，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過光刻膠層的上表面。
[0008]進(jìn)一步地，所述銅柱凸塊的高度不小于介電層的厚度。
[0009]進(jìn)一步地，所述光刻膠開口的開口邊界大于介電層開口的開口邊界。
[0010]進(jìn)一步地，所述介電層開口的橫截面呈圓形或多邊形。
[0011 ] 進(jìn)一步地，所述光刻膠開口的橫截面呈圓形或多邊形。
[0012]本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過金屬合金化形成，金屬合金化是通過加入某種或某些元素，使金屬成為(在一定的工藝條件下，如高溫、真空等)具有預(yù)期性能的合金，以改善原有性能，如強(qiáng)度、可靠性等。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明通過電鍍或浸金工藝在若干層金屬錫(即錫柱凸塊)之間分次沉積薄層(厚度為微米級(jí)或納米級(jí))的Ag、Cu、Zn、Bi和/或In金屬，形成錫與另外一種或兩種或兩種以上金屬構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，再通過回流的方式將銅柱凸塊的頂端的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層金屬合金化形成錫基金屬合金的金屬帽，與傳統(tǒng)的電鍍合金焊料相比，該方法形成的錫基金屬合金的金屬帽的成分可以更多元化，方法更簡(jiǎn)單；同時(shí)，通過控制各金屬層的沉積厚度實(shí)現(xiàn)成分的配比控制，工藝操作更容易；各金屬薄層嵌在若干層金屬錫之間回流形成錫基金屬合金的金屬帽，可以使金屬擴(kuò)散地更均勻。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法形成的銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的示意圖；
圖2至圖9為本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法的工藝流程示意
圖；
圖中:
芯片基體I 芯片電極11 介電層2 介電層開口 21 光刻膠層3 光刻膠開口 31 銅柱凸塊4 金屬帽5 錫柱凸塊I 511 錫柱凸塊II 512 錫柱凸塊III 513 金屬層I 521 金屬層II 522。
【具體實(shí)施方式】[0015]現(xiàn)在將在下文中參照附圖更加充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，從而本公開將本發(fā)明的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)被解釋為限制于這里闡述的實(shí)施例。
[0016]本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法形成的銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，如圖1所示。表面預(yù)先處理有鈍化層(圖中未示出)的晶圓級(jí)的芯片基體I的上表面帶有若干個(gè)芯片電極11，芯片電極11按陣列或工藝需要排列，芯片電極11的表面露出芯片基體I的上表面。在芯片基體I的上表面設(shè)置帶有介電層開口 21的介電層2，介電層開口 21位于芯片電極11的正上方。介電層開口 21的橫截面形狀可以為圓形，也可以為矩形、六邊形等多邊形，通常，介電層開口 21的橫截面形狀與芯片電極11的橫截面形狀一致，且介電層開口 21的橫截面邊界不超出芯片電極11的橫截面邊界。在介電層開口 21內(nèi)設(shè)置高度高于介電層2的銅柱凸塊4。銅柱凸塊4的下端，即在介電層開口 21內(nèi)的部分，受介電層開口 21的形狀限制，形成與介電層開口 21的橫截面形狀相同的橫截面形狀；銅柱凸塊4的上端，即在介電層開口 21外的部分，其橫截面形狀可以與銅柱凸塊4的下端的橫截面形狀相同，也可以根據(jù)實(shí)際需要制作，如銅柱凸塊4的下端的橫截面呈方形，其上端的橫截面可以呈方形也可以呈圓形。在銅柱凸塊4的頂端設(shè)置錫基金屬合金的金屬帽5，其材質(zhì)主要為Sn,摻雜Ag、Cu、Zn、B1、In等中的一種或其中任意幾種的組合,如Sn_Ag、Sn-Cu> Sn-Zn>Sn-B1、Sn-1n、Sn-Ag-Cu,以克服純錫金屬帽的強(qiáng)度較差、易產(chǎn)生金屬晶須等現(xiàn)有缺陷，有助于銅柱凸塊封裝結(jié)構(gòu)與基板連接。
[0017]上述實(shí)施例的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法如下:
如圖2所示，提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極11的芯片基體1，芯片基體I的表面預(yù)先處理有鈍化層(圖中未示出)，芯片電極11的表面露出芯片基體I的上表面。
[0018]如圖3所示，在上述芯片基體I的上表面沉積一介電層2，所述介電層2在芯片電極11的正上方開設(shè)介電層開口 21,露出芯片電極11的表面。
[0019]如圖4所示，在上述設(shè)有介電層開口的介電層2的表面涂覆厚光刻膠，厚光刻膠層通過光刻工藝于介電層開口 21的正上方開設(shè)光刻膠開口 31，形成具有光刻膠開口圖案的光刻膠層3 ；
光刻膠開口 31的開口邊界大于介電層開口 21的開口邊界，光刻膠開口 31和介電層開口 21的橫截面形狀可以相同，也可以不同。
[0020]如圖5所示，通過電鍍工藝在介電層開口 21和光刻膠開口 31內(nèi)電鍍銅柱凸塊4，銅柱凸塊4高度不小于介電層2的厚度；再在所述銅柱凸塊4的頂部電鍍一定厚度的錫柱凸塊I 511，錫柱凸塊I 511的上表面不超過光刻膠層3的上表面。
[0021]如圖6所示，通過電鍍或浸金工藝在錫柱凸塊I 511的上表面形成分布均勻的金屬層I 521，金屬層I 521可以為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等；金屬層I 521也可以為包括多個(gè)子金屬層的多層結(jié)構(gòu)，多個(gè)子金屬層通過重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一子金屬層分布均勻，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，并控制每一層形成的子金屬層的厚度在微米或納米級(jí)。
[0022]如圖7所不,通過電鍍的方式在金屬層I 521的表面形成比金屬層I 521厚的錫柱凸塊II 512 ;再通過電鍍或浸金工藝在錫柱凸塊II 512的上端面沉積金屬層II 522，金屬層II 522可以為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為八8、(:11、211、81、111等；金屬層11 522也可以為包括多個(gè)子金屬層的多層結(jié)構(gòu)，多個(gè)子金屬層通過重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一子金屬層沉積均勻，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、B1、In等，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，并控制每一層形成的子金屬層的厚度在微米或納米級(jí)；通過電鍍的方式在金屬層II 522的表面形成比金屬層II 522厚的錫柱凸塊III 513 ；
錫柱凸塊I 511、金屬層I 521、錫柱凸塊II 512、金屬層II 522、錫柱凸塊III 513形成銅柱凸塊4之上的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過光刻膠層3的上表面；其中，金屬層I 521、金屬層II 522的厚度范圍為0.0l?0.5 μ m。
[0023]如圖8所示，采用去膠工藝去除剩余的光刻膠。
[0024]如圖9所示，通過回流工藝使多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層形成錫基金屬合金的金屬帽5。
[0025]采用本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法可以形成含有1.0%Ag和0.5%Cu的錫銀銅合金的金屬帽，具體如下:其先在銅柱凸塊頂端電鍍3 μ m錫柱，其次在錫柱凸塊的頂端沉積0.1 μ m銀金屬層，然后在銀金屬層的表面電鍍形成3 μ m錫柱凸塊，再在錫柱凸塊的表面沉積0.05 μ m銅金屬層,最后在銅金屬層的表面電鍍3.85 μ m錫柱凸塊，回流后形成錫銀銅合金的金屬帽；或者先在銅柱凸塊頂端電鍍3 μ m錫柱凸塊，其次在錫柱凸塊的頂端沉積0.05 μ m銅金屬層，然后在銅金屬層的表面電鍍形成3 μ m錫柱凸塊，再在錫柱凸塊的表面沉積0.1 μ m銀金屬層,最后在銀金屬層的表面電鍍3.85 μ m錫柱凸塊，回流后同樣可以形成錫銀銅合金的金屬帽。由于各子金屬層的厚度都很薄，在微米或納米級(jí)，常規(guī)的回流溫度即可實(shí)現(xiàn)金屬合金化，所以可以采用常規(guī)的回流溫度進(jìn)行回流工藝。
[0026]本發(fā)明一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法不限于上述優(yōu)選實(shí)施例，各金屬層及其子金屬層的厚度需要根據(jù)錫基金屬合金的金屬帽中各成分配比及錫柱凸塊高度而定，一般而言，錫柱凸塊比金屬層厚些；各金屬層及其子金屬層的形成次序也沒有特殊規(guī)定；多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的層數(shù)沒有限制，根據(jù)實(shí)際需要確定，銅柱凸塊上的多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層一般以錫柱凸塊開始，以錫柱凸塊結(jié)束，金屬層嵌入相鄰的錫柱凸塊之間，以利于金屬合金化，也可以使金屬擴(kuò)散更均勻；每層金屬層及其子金屬層的材質(zhì)可以相同，也可以不同。
[0027]因此任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其形成方法如下: 提供一晶圓級(jí)的帶有若干個(gè)芯片電極的芯片基體，所述芯片電極的表面露出芯片基體的上表面； 在所述芯片基體的上表面沉積一介電層，所述介電層在芯片電極的正上方開設(shè)介電層開口，所述介電層開口露出芯片電極的一表面； 在上述設(shè)有介電層開口的介電層的表面涂覆厚光刻膠，并在介電層開口的正上方通過光刻工藝開設(shè)光刻膠開口，形成具有光刻膠開口圖案的光刻膠層； 通過電鍍工藝在介電層開口和光刻膠開口內(nèi)電鍍銅柱凸塊，所述銅柱凸塊的上端面不高于光刻膠層的上表面； 在上述銅柱凸塊的頂部通過電鍍或浸金工藝形成多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層，所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層包括若干個(gè)錫柱凸塊和若干個(gè)金屬層，所述金屬層沉積于相鄰錫柱凸塊之間； 采用去膠工藝去除剩余的光刻膠； 所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層通過回流工藝形成錫基金屬合金的金屬帽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層的厚度小于錫柱凸塊的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層的厚度范圍為0.0l?0.5 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層為單層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述金屬層為多層結(jié)構(gòu)，通過重復(fù)電鍍或浸金工藝分層實(shí)現(xiàn)，每一層的材質(zhì)為Ag、Cu、Zn、Bi或In。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述多層結(jié)構(gòu)復(fù)合金屬層的上表面不超過光刻膠層的上表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述銅柱凸塊的高度不小于介電層的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述光刻膠開口的開口邊界大于介電層開口的開口邊界。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述介電層開口的橫截面呈圓形或多邊形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的晶圓級(jí)銅柱凸塊結(jié)構(gòu)的金屬帽的形成方法，其特征在于:所述光刻膠開口的橫截面呈圓形或多邊形。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK103972118SQ201410229821
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】徐虹, 張黎, 陳棟, 陳錦輝, 賴志明 申請(qǐng)人:江陰長(zhǎng)電先進(jìn)封裝有限公司