CN103943579A - 晶圆级铜柱微凸点结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶圆级铜柱微凸点结构及制作方法，包括晶圆、多个导电柱体和介质层，导电柱体包括聚合物核心、电镀种子层和金属铜层，导电柱体上表面露出介质层上表面、并设置凸点，导电柱体下表面与晶圆上的焊盘连接。所述晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，包括以下步骤：（1）在晶圆上表面涂覆聚合物层，刻蚀得到聚合物核心；（2）在晶圆上表面制作电镀种子层；在电镀种子层上表面制作金属铜层；（3）刻蚀掉不需要的电镀种子层和金属铜层；（4）导电柱体间填充介质；（5）在步骤（4）结构上表面涂覆光刻胶，露出金属铜层上表面、并电镀钎料后回流焊形成凸点；去除光刻胶。本发明可以防止凸点开裂现象的发生，提高铜柱凸点的可靠性。

Description

晶圆级铜柱微凸点结构及制作方法

技术领域

本发明涉及一种晶圆级铜柱微凸点结构及制作方法，属于高密度电子封装技术领域。

背景技术

随着CMOS工艺的不断推进和发展，晶体管数量越来越多，导致互连尺寸越来越小，信号延迟问题日趋严重，成为影响系统速度提高的关键因素。采用3D集成的芯片堆叠技术，将有助于大大减小布线长度、缩短信号延迟，降低功耗，同时又可以缩小芯片尺寸，从而提高器件的系统性能。目前国际主流高端集成电路圆片直径达到12英寸。新型器件结构的产生将带动新型封装工艺的开发，因此，很多现有的封装方式将被新型圆片级、高密度Cu pillar（铜柱微凸点）结构封装所取代，更先进的圆片级系统封装方式将进入实用化。铜柱微凸点可提供高导线连接密度、改善电性与热传导性能、抗电迁移性质。然而该技术仍然面临着诸多的技术挑战，比如现有的铜柱微凸点结构由于设置了钝化层，工艺制程非常复杂，而且生产成本高；而且在热循环过程中容易产生应力集中，在微凸点和铜柱的界面发生开裂等问题。

目前，铜柱微凸点基本都是利用电镀机设备进行电镀成型。首先进行铜的电镀，然后再电镀凸点部分，完成整个铜柱微凸点的制备方法。工艺过程中需要两次电镀工艺，大大提高了制造成本。而且，由于铜柱凸点在热循环过程中容易产生应力集中，造成微凸点的开裂，降低可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶圆级铜柱微凸点结构，可以有效地缓解铜柱凸点在服役过程中的应力集中，起到应力缓冲的作用，防止凸点开裂现象的发生，提高铜柱凸点的可靠性。

本发明的另一目的是，提供一种晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，制备方法简单、成本低廉。

按照本发明提供的技术方案，所述晶圆级铜柱微凸点结构，其特征是：包括晶圆和设置于晶圆正面的垂直互连结构，晶圆的正面具有多个焊盘；所述垂直互连结构包括多个导电柱体和填充于该多个导电柱体之间的介质层，导电柱体包括聚合物核心、位于该聚合物核心表面的电镀种子层和位于该电镀种子层表面的金属铜层，导电柱体的上表面露出介质层的上表面，导电柱体的下表面分别与晶圆上的焊盘连接，在导电柱体的上表面分别设置凸点。

所述聚合物核心的下端面与焊盘连接。

所述金属铜层的上表面与介质层的上表面平齐。

所述晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）在晶圆上表面涂覆聚合物层，在聚合物层上通过刻蚀工艺得到多个聚合物核心，聚合物核心位于焊盘的正上方；

（2）在步骤（1）得到的结构上表面电镀铜，从而在聚合物核心和晶圆暴露的上表面上形成电镀种子层；

（3）在电镀种子层上表面电镀铜材料，得到金属铜层；

（4）刻蚀掉晶圆上表面的电镀种子层和金属铜层；

（5）对上述多个导电柱体间进行介质填充，在导电柱体之间形成介质层，并露出金属铜层的上表面； 

（6）在步骤（5）得到的结构的上表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层；在光刻胶层上制作多个图形开口，露出聚合物核心上方金属铜层的上表面；

（7）在上述光刻胶层的图形开口中电镀钎料材料；对钎料材料进行回流焊工艺，形成凸点；

（8）去除光刻胶，得到所述的晶圆级铜柱微凸点结构。

本发明晶圆级铜柱微凸点结构，由于是铜包覆聚合物材料结构，有效地缓解了铜柱凸点在服役过程中的应力集中，起到应力缓冲的作用，防止凸点开裂现象的发生，提高铜柱凸点的可靠性；所述的晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，制备方法简单、成本低廉。

附图说明

图1～图11为本发明所述晶圆级铜柱微凸点结构制造过程的示意图。

图1为在晶圆上表面得到聚合物层的示意图。

图2为聚合物层刻蚀得到聚合物核心的示意图。

图3为得到电镀种子层的示意图。

图4为得到金属铜层的示意图。

图5为对电镀种子层和金属铜层刻蚀后的示意图。

图6为在导电柱体之间填充介质层的示意图。

图7为得到光刻胶层的示意图。

图8为在光刻胶层上制作图形开口的示意图。

图9为在光刻胶层的图形开口中电镀钎料材料的示意图。

图10为对钎料材料进行回流焊工艺形成凸点的示意图。

图11为所述铜柱微凸点结构的示意图。

图中序号为：晶圆1、焊盘2、垂直互连结构3、导电柱体30、聚合物核心31、电镀种子层32、金属铜层33、介质层4、凸点5。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图11所示：所述晶圆级铜柱微凸点结构包括晶圆1和设置于晶圆1正面的垂直互连结构3，晶圆1的正面具有多个焊盘2；所述垂直互连结构3包括多个导电柱体30和填充于该多个导电柱体30之间的介质层4，导电柱体30包括聚合物核心31、位于该聚合物核心31表面的电镀种子层32和位于该电镀种子层32表面的金属铜层33，导电柱体30的上表面露出介质层4的上表面、与介质层4的上表面平齐，导电柱体30的下表面分别与晶圆1上的焊盘2连接，在导电柱体30的上表面分别设置凸点5；所述聚合物核心31的作用是使得导电柱体30具有贯通介质层4的形状和长期，同时能够提供外围的电镀种子层32和金属铜层33一个覆着的依托；在本发明中，采用金属铜层33包覆在聚合物核心31上的结构，可以有效地缓解铜柱凸点在服役过程中的应力集中，起到应力缓冲的作用，防止凸点开裂现象的发生，提高铜柱凸点的可靠性。

所述晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，包括以下步骤：

（1）如图1所示，在晶圆1上表面进行聚合物材料的涂覆，得到聚合物层310，聚合物材料可以采用光刻胶材料、树脂、有机玻璃、聚氟乙烯等；

（2）如图2所示，在聚合物层310上进行图形化，刻蚀出所需图案，得到多个聚合物核心31，聚合物核心31的一端面分别与晶圆1上的焊盘2连接；

（3）如图3所示，在步骤（2）得到的结构的上表面电镀铜，从而在聚合物核心31和晶圆1暴露的上表面上形成电镀种子层；

（4）如图4所示，在步骤（3）得到的结构的上表面电镀铜材料，从而在电镀种子层的上表面形成金属铜层；

（5）如图5所示，刻蚀掉晶圆1上表面的电镀种子层和金属铜层；

（6）如图6所示，对上述多个导电柱体30间进行介质填充，在导电柱体30之间形成介质层4，填充完毕后，进行机械研磨，将金属铜层33上表面的塑封材料去除，露出金属铜层33的上表面；所述介质填充可以采用塑封工艺，介质层4的材质可以选择环氧树脂等；

（7）如图7所示，在步骤（6）得到的结构的上表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层6；

（8）如图8所示，在光刻胶层6上制作多个图形开口，露出聚合物核心上方金属铜层的上表面；

（9）如图9所示，在上述光刻胶层6的图形开口中电镀钎料材料，如Sn, SnAgCu、SnAg材料等；

（10）如图10所示，对上述的钎料材料进行回流焊工艺，形成凸点5；

（11）如图11所示，去除光刻胶，得到所述的晶圆级铜柱微凸点结构。

Claims (4)

1.一种晶圆级铜柱微凸点结构，其特征是：包括晶圆（1）和设置于晶圆（1）正面的垂直互连结构（3），晶圆（1）的正面具有多个焊盘（2）；所述垂直互连结构（3）包括多个导电柱体（30）和填充于该多个导电柱体（30）之间的介质层（4），导电柱体（30）包括聚合物核心（31）、位于该聚合物核心（31）表面的电镀种子层（32）和位于该电镀种子层（32）表面的金属铜层（33），导电柱体（30）的上表面露出介质层（4）的上表面，导电柱体（30）的下表面分别与晶圆（1）上的焊盘（2）连接，在导电柱体（30）的上表面分别设置凸点（5）。

2.如权利要求1所述的晶圆级铜柱微凸点结构，其特征是：所述聚合物核心（31）的下端面与焊盘（2）连接。

3.如权利要求1所述的晶圆级铜柱微凸点结构，其特征是：所述金属铜层（33）的上表面与介质层（4）的上表面平齐。

4.一种晶圆级铜柱微凸点结构的制作方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）在晶圆（1）上表面涂覆聚合物层，在聚合物层上通过刻蚀工艺得到多个聚合物核心（31），聚合物核心（31）位于焊盘（2）的正上方；

（2）在步骤（1）得到的结构上表面电镀铜，从而在聚合物核心（31）和晶圆（1）暴露的上表面上形成电镀种子层；

（3）在电镀种子层上表面电镀铜材料，得到金属铜层；

（4）刻蚀掉晶圆（1）上表面的电镀种子层和金属铜层；

（5）对上述多个导电柱体（30）间进行介质填充，在导电柱体（30）之间形成介质层（4），并露出金属铜层（33）的上表面； 

（6）在步骤（5）得到的结构的上表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层；在光刻胶层上制作多个图形开口，露出聚合物核心（31）上方金属铜层（33）的上表面；

（7）在上述光刻胶层的图形开口中电镀钎料材料；对钎料材料进行回流焊工艺，形成凸点（5）；

（8）去除光刻胶，得到所述的晶圆级铜柱微凸点结构。