CN101996888B - 凸点的形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种凸点的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属垫层和钝化层，所述金属垫层镶嵌于钝化层中，且通过钝化层上的开口暴露出金属垫层；在钝化层开口内的金属垫层上依次形成金属屏蔽层和凸点下润湿金属层；将半导体衬底放入含氢氧根离子的电解槽溶液内；利用外加电场进行反应以处理凸点下润湿金属层表面；在凸点下润湿金属层上形成凸点。本发明消除了后续回流时，凸点内产生的空洞；使所有凸点的尺寸保持一致，避免产生短路与断路缺陷的发生，提高了封装的质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造领域，尤其涉及凸点的形成方法。
背景技术
随着集成电路技术的不断发展，电子产品越来越向小型化、智能化、高性能以及高可靠性方向发展。而集成电路封装不仅直接影响着集成电路、电子模块乃至整机的性能，而且还制约着整个电子系统的小型化、低成本和可靠性。在集成电路晶片尺寸逐步缩小，集成度不断提高的情况下，电子工业对集成电路封装技术提出了越来越高的要求。
倒装芯片(flip chip)技术是通过在芯片表面形成的焊球，使芯片翻转与底板形成连接，从而减小封装尺寸，满足电子产品的高性能(如高速、高频、更小的引脚)、小外形的要求，使产品具有很好的电学性能和传热性能。
凸点(bump)制作技术是倒装芯片中的一个关键技术。现有技术中的凸点是焊料通过一定工艺沉积在芯片金属垫层上，经过一定温度回流形成的金属焊球。申请号为03159833的中国专利申请文件提供了一种凸点的形成方法，具体工艺如下：如图1所示，在芯片100上配置有金属垫层104以及用以保护芯片100表面并将金属垫层104暴露的钝化层102；在钝化层102以及金属垫层104上通过溅射或者蒸镀工艺形成金属屏蔽层105，所述金属屏蔽层105的作用在于同金属垫层104保持良好粘附性，并且有效阻止后续的凸点材料同金属垫层104的相互扩散，所述金属屏蔽层105的材料为钛；用溅镀法在金属屏蔽层105上形成凸点下润湿金属层106，其作用是在后续回流工艺中保护金属垫层104，所述凸点下润湿金属层106的材料为铜。
接着请参照图2，在凸点下润湿金属层106上形成光刻胶层107，通过现有光刻技术定义出金属垫层104形状，然后进行曝光、显影工艺，在光刻胶层107中形成开口，暴露出下层的金属垫层104上的凸点下润湿金属层106；以光刻胶层107为掩模，在开口内的凸点下润湿金属层106上采用电镀法依次形成铜金属层(未图示)和焊料层108，所述焊料层108为共溶锡铅合金、高铅锡铅合金、锡银合金或锡银铜合金。
参考图3，去除光刻胶层107后，刻蚀去除焊料层108以外的凸点下润湿金属层106和金属屏蔽层105至露出钝化层102；在焊料层108上涂布助焊剂，然后，将芯片100放入回流炉内，正置于热板上，即芯片100的焊料层所在面的相对面放置在热板上方并进行固定，接着进行保温回流，形成凸点108a。
在现有形成凸点的过程中，由于非晶格铜金属层的表面容易形成局部的不均匀的氧化铜。目前去除氧化铜的方法，通常在电镀槽内加入含硫酸根离子和氢离子的溶液；或在进入铜的电镀槽之前，先经过硫酸槽处理。但是，由于硫酸的强酸性，会形成局部的不均匀的表面缺陷。会使凸点下润湿金属层表面部分位置产生凹陷或者在金属垫层表面产生凹陷，进而一直延续至凸点下润湿金属层上与锡铅合金的界面；该凹陷界面内形成的氢分子或其他气体分子，在后续回流形成凸点的过程中，由于温度升高的影响而膨涨，在凸点内形成空洞，使凸点的面积增大(如图4中10所示)，进而使凸点之间可能产生短路或凸点本身产生断路，影响封装的质量。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种凸点的形成方法，防止凸点内形成空洞，形成大小不均匀的凸点。
为解决上述问题，本发明提供一种凸点的形成方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属垫层和钝化层，所述金属垫层镶嵌于钝化层中，且通过钝化层上的开口暴露出金属垫层；在钝化层开口内的金属垫层上依次形成金属屏蔽层和凸点下润湿金属层；将半导体衬底放入含氢氧根离子的电解槽溶液内；利用外加电场进行反应以处理凸点下润湿金属层表面；在凸点下润湿金属层上形成凸点。
可选的，所述金属屏蔽层为钛、钛化钨或铬。
可选的，所述凸点下润湿金属层为铜。
可选的，电解槽所述溶液的PH值范围为：7≤PH＜10。
可选的，所述半导体衬底置于电解槽溶液内的方式为垂直方式或水平方式。
可选的，所述半导体衬底在电解槽溶液内作为阴极，阳极材料为铂或其他耐热金属。
可选的，所述电解槽溶液内所加电流为直流电或交流电或脉冲电流，电压为0.5V～10V。
可选的，所述电解槽溶液内的温度为15℃～30℃。
可选的，所述半导体衬底放入电解槽溶液内加电流进行反应的时间为10秒～5分。
可选的，在凸点下润湿金属层上形成凸点包括：在润湿状态下，于凸点下润湿金属层上电镀铜金属层；在铜金属层上电镀焊料层；回流焊料层。
可选择，回流焊料层的温度为220℃～360℃。
可选的，所述焊料层的材料为共溶锡铅合金、高铅锡铅合金，锡银合金或锡银铜合金。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：将带有缺陷的半导体衬底放入电解槽内加电流进行反应去除缺陷，所述电解槽内的溶液含氢氧根离子。利用含氧化铜的缺陷与氢氧根离子作用形成铜分子，再通过外加电位以提供反应所需的电子，使氢氧根离子产生负电位的效应。去除缺陷，进而以消除后续凸点内产生的空洞，使所有凸点的尺寸保持一致，避免了短路与断路的发生，提高了封装的质量。
进一步，在电解槽内，半导体衬底接于阴极，铂或其它耐热金属接于阳极，电子在外加线路中由阴极流向阳极，电流则由阳极流向阴极；半导体衬底上的氧化铜还原为铜，产生的带负电的氢氧根离子则在溶液中，由阴极流向阳极，形成电流的回路。有效去除缺陷，以消除后续凸点内产生的空洞，使所有凸点的尺寸保持一致，避免了短路与断路的发生，提高了封装的质量。
附图说明
图1至图3是现有工艺制作凸点的示意图；
图4是现有工艺制作的凸点产生缺陷的效果图；
图5是本发明制作凸点的具体实施方式流程图；
图6、图7A、图7B、图8和图9是本发明制作凸点的实施例示意图。
具体实施方式
本发明的实质为将带有缺陷的半导体衬底放入电解槽内加电流进行反应去除缺陷，所述电解槽内的溶液含氢氧根离子。利用含氧化铜的缺陷与氢氧根离子作用形成铜分子，再通过外加电位以提供反应所需的电子，使氢氧根离子产生负电位的效应。去除缺陷，进而以消除后续凸点内产生的空洞，使所有凸点的尺寸保持一致，避免了短路与断路的发生，提高了封装的质量。
本发明给出了制作凸点的具体流程如图5所示，执行步骤S11，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属垫层和钝化层，所述金属垫层镶嵌于钝化层中，且通过钝化层上的开口暴露出金属垫层；执行步骤S12，在钝化层开口内的金属垫层上依次形成金属屏蔽层和凸点下润湿金属层；执行步骤S13，将半导体衬底放入含氢氧根离子的电解槽溶液内；执行步骤S14，利用外加电场进行反应以处理凸点下润湿金属层表面；执行步骤S15，在凸点下润湿金属层上形成凸点。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图6、图7A、图7B、图8和图9是本发明制作凸点的实施例示意图。
参照图6所示，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200为带有半导体器件的半导体衬底，为了简化示图，此处仅以空白半导体衬底示意。在半导体衬底200上形成钝化层202和金属垫层204，所述金属垫层204镶嵌于钝化层202中，所述钝化层202中形成有开口，金属垫层204通过钝化层202的开口暴露出来。
所述形成钝化层202和金属垫层204工艺为本领域技术人员公知技术，作为本发明的一个实施方式，首先在半导体衬底200上形成第一金属层，所述第一金属层为Al、Cu或者它们的合金构成，所述第一金属层的厚度范围为100至300nm，所述第一金属层为采用物理气相沉积(PVD)方法制备，然后采用现有光刻和蚀刻技术图形化第一金属层，形成金属垫层204。
接着在半导体衬底200和金属垫层204上形成钝化层202，所述钝化层202可以为苯并环丁烯(BCB)、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等高分子聚合物，通常采用旋涂方法制备；然后采用现有的光刻和显影技术，在钝化层202上形成开口，所述开口暴露出金属垫层204。
接着，在金属垫层204和钝化层202上形成金属屏蔽层205，所述金属屏蔽层205材料为钛、钛化钨或铬；所述金属屏蔽层205的作用在于同金属垫层204保持良好粘附性，并且有效阻止后续的凸点材料同金属垫层204的相互扩散；形成所述金属屏蔽层205的方法可采用现有的蒸发或溅射的方法，其中较优的方法为溅射；所述金属屏蔽层的厚度为500埃～3000埃。
用溅射法或蒸发法在金属屏蔽层205上形成厚度为200nm～1500nm的凸点下润湿金属层206，所述点下润湿金属层206的材料为铜，本实施例采用溅射法。
本实施例中，凸点下润湿金属层206表面部分位置由于非晶格铜金属层的表面容易形成局部的不均匀的氧化铜，而产生缺陷207。
参照图7A所示，将带有各膜层的半导体衬底200垂直放入电解槽208内，外加电源经由可变电阻(未图示)与半导体衬底200相连接，外加电源阴极接半导体衬底200，阳极210接外加电源阳极；将半导体衬底200作为阴极，阳极210为铂板或其他耐热金属板，所述阳极210与半导体衬底200平行；其中，在电解槽208内有PH值范围为：7PH＜10的溶液，所述溶液内含氢氧根离子。半导体衬底200接于外加电源阴极，铂板或其它耐热金属板接于外加电源阳极，电子在外加电路中由阴极流向阳极，电流则由阳极流向阴极；使凸点下润湿金属层206表面的氧化铜缺陷还原为铜，而产生的带负电的氢氧根离子则在溶液中，由阴极流向阳极，形成电流的回路。其中各电解槽208内所加电流为直流电或交流电或脉冲电流，即通过外加电源向半导体衬底200和阳极210加的电压为0.5V～10V，电解槽208内的温度为15℃～30℃，所述半导体衬底200放入电解槽208内加电流进行反应去除缺陷207时间为10秒～5分。
作为第二实例，如图7B所示，将带有各膜层的半导体衬底200垂直放入电解槽208顶部的载置台上，外加电源经由可变电阻(未图示)与半导体衬底200相连接，外加电源阴极接半导体衬底200，阳极210接外加电源阳极；将半导体衬底200作为阴极，阳极210为铂板或其它耐热金属板，所述阳极210放置于电解槽208的底部；其中，在电解槽208内有PH值范围为：7PH＜10的溶液，所述溶液内含氢氧根离子。半导体衬底200接于外加电源阴极，铂板或其它耐热金属板接于外加电源阳极，电子在外加电路中由阴极流向阳极，电流则由阳极流向阴极；使凸点下润湿金属层206表面的氧化铜缺陷还原为铜，而产生的带负电的氢氧根离子则在溶液中，由阴极流向阳极，形成电流的回路。其中向电解槽208内所加电流为直流电或交流电或脉冲电流，即通过外加电源向半导体衬底200和阳极210加的电压为0.5V～10V，电解槽208内的温度为15℃～30℃，所述半导体衬底200放入电解槽208内加电流进行反应去除缺陷207时间为10秒～5分。
作为一个优选实施例，所述电解槽208内注入的溶液为PH＝7的去离子水，通过外加电源向半导体衬底200和阳极210加的电压为2V，使阳极和阴极产生交流电，电解槽208内的温度为20℃，所述半导体衬底200放入电解槽208内加电流进行反应去除缺陷207时间为10秒～2分。
当所述电解槽208内溶液为去离子水时，含氧化铜的缺陷与水分子和电子作用形成铜分子、再通过外加电位以提供反应所需的电子，使氢氧根离子产生负电位的效应，即氢氧根离子带负电。从而达到去除缺陷207的目的，进而以消除后续凸点内产生的空洞，使所有凸点的尺寸保持一致，避免了短路与断路的发生，提高了封装的质量。
如图8所示，用旋涂法在凸点下润湿金属层206上形成光刻胶层212；对光刻胶层212进行曝光、显影工艺后，在光刻胶层212上形成开口，所述开口的位置与金属垫层204的位置对应；先采用电镀法在凸点下润湿金属层206上形成铜金属层(未图示)，所述铜金属层的厚度为2μm-40μm，作用为形成稳定的锡铜合金态以加强凸点的接合力。接着，再用电镀的方法在开口内形成一层厚度为20μm～200μm的焊料层214，所述焊料层214的材料为锡、锡铅合金或锡银合金等。
除本实施例外，在形成焊料层214之前，可以在开口内的凸点下润湿金属层206上用电镀法形成厚度为1μm～10μm的籽晶层，其材料为Cu、Ni或其组合构成。
如图9所示，去除光刻胶层212，去除所述光刻胶层212为本领域技术人员公知技术。
继续参考图9，以焊料层214为掩膜，用湿法刻蚀法刻蚀凸点下润湿金属层206和金属屏蔽层205至露出钝化层202；在焊料层214上涂布助焊剂；然后，将芯片200放入回流炉内，对半导体衬底200上的焊料层214进行保温回流，形成凸点214a。
本实施例中，回流温度为220℃～360℃。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种凸点的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属垫层和钝化层，所述金属垫层镶嵌于钝化层中，且通过钝化层上的开口暴露出金属垫层；
在钝化层开口内的金属垫层上依次形成金属屏蔽层和凸点下润湿金属层，所述凸点下润湿金属层为铜；
将半导体衬底放入含氢氧根离子的电解槽溶液内，所述电解槽溶液的PH值范围为：7≤PH<10；
利用外加电场进行反应以处理凸点下润湿金属层表面；
在凸点下润湿金属层上形成凸点。
2.根据权利要求1所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述金属屏蔽层为钛、钛化钨或铬。
3.根据权利要求1所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述半导体衬底置于电解槽溶液内的方式为垂直方式或水平方式。
4.根据权利要求1或3所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述半导体衬底在电解槽溶液内作为阴极，阳极材料为铂。
5.根据权利要求4所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述电解槽溶液内所加电流为直流电或交流电或脉冲电流，电压为0.5V~10V。
6.根据权利要求5所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述电解槽溶液内的温度为15℃~30℃。
7.根据权利要求6所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述半导体衬底放入电解槽溶液内加电流进行反应的时间为10秒~5分。
8.根据权利要求1所述的凸点的形成方法，其特征在于：在凸点下润湿金属层上形成凸点包括：
在润湿状态下，于凸点下润湿金属层上电镀铜金属层；
在铜金属层上电镀焊料层；
回流焊料层。
9.根据权利要求8所述的凸点的形成方法，其特征在于：回流焊料层的温度为220℃~360℃。
10.根据权利要求8所述的凸点的形成方法，其特征在于：所述焊料层的材料为共溶锡铅合金、锡银合金或锡银铜合金。
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