CN104701245B - 芯片形成方法、提高芯片封装成品良率的方法 - Google Patents

Abstract

一种芯片形成方法、提高芯片封装成品良率的方法，其中芯片形成方法包括：提供芯片图形，芯片图形包括多个互连金属层图形，在多个互连金属层图形中，当一互连金属层图形的金属密度小于0.3时，在该互连金属层图形的空隙中形成有填充金属线图形，使互连金属层图形和填充金属线图形的金属密度大于等于0.3；根据芯片图形形成芯片。在设计芯片图形阶段，设计互连金属层图形的金属密度大于等于0.3，根据互连金属层图形和填充金属线图形制作互连金属层和填充金属线，在封装过程中，焊料凸点下相邻两层互连金属层之间的层间介电材料层部分能承受较大机械应力，避免甚至消除层间介电材料层部分和插塞层断裂的风险，封装成品良率满足量产需求。

Description

芯片形成方法、提高芯片封装成品良率的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种芯片形成方法及提高芯片封装成品良率的方法。

背景技术

在半导体芯片封装工艺中，在芯片正面形成焊料凸点，之后将芯片翻转后与封装基板连接，在电气上和机械上连接于电路，此种封装方法称为倒装芯片封装（flip chip）方法。

参照图1，现有的半导体技术的40nm/28nm工艺的高密度I/O芯片，普遍都采用基于铜柱凸块（Copper Pillar Bump）1的倒装芯片封装方法。芯片2正面分布的多个铜柱凸块1分别与基板3正面的凸起焊盘（Bump Pad）4焊接在一起。接着，在基板3背面形成焊球（Solder Ball）5，多个焊球5呈球栅阵列结构，焊球5作为引脚。之后，使用表面贴装技术（Surface Mounted Technology，SMT）将该焊球5与印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）7正面的球焊盘8焊接连接。在基板3中存在互连导线，凸起焊盘4和基板3正面的导线6电连接，焊球5和基板3背面的导线6电连接，实现芯片通过基板3和印制电路板7电连接。至此形成芯片封装成品。

但是，上述焊接过程均使用回流焊接（reflow soldering）工艺。也就是，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好芯片的基板或印制电路板，让铜柱凸块顶端的焊料融化后与凸起焊盘粘结，和让焊球融化后与球焊盘8粘结。在该过程中，由于芯片材料、基板材料和印制电路板材料之间的热膨胀系数不匹配，芯片以及封装成品受热作用会产生机械应力，引起封装成品形变或翘曲。由于铜柱凸块属于刚性硬材料，铜柱凸块正下方的层间介电材料层（Inter-layer Dielectric，ILD）中的多层互连金属层会受到封装成品形变或翘曲带来的应力，引起相邻两层互连金属层之间的层间介电材料层部分断裂，引起层间介电材料层中的插塞层断裂。这样，会造成相邻两层互连金属层之间的互连断开（Open）,造成芯片失效，例如芯片的某些功能不能正常工作或芯片的性能达不到设计的要求，引起良率降低。

发明内容

本发明解决的问题是，使用现有的半导体倒装芯片封装方法形成的封装成品良率较低。

为解决上述问题，本发明提供一种芯片形成方法，该芯片形成方法包括：

提供芯片图形，所述芯片图形包括多个互连金属层图形，在所述多个互连金属层图形中，当一个互连金属层图形的金属密度小于0.3时，在该层互连金属层图形的空隙中形成有填充金属线图形，使该层互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.3；

根据所述芯片图形形成芯片，包括：根据所述互连金属层图形和其中的填充金属线图形，在基底上形成互连金属层和其中的填充金属线。

可选地，所述互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.5。

可选地，所述填充金属线图形在所述互连金属层图形中的空隙中分散排布。

可选地，所述填充金属线图形在所述互连金属层图形中的空隙中均匀排布。

本发明还提供一种提高芯片成品封装成品良率的方法，该提高半导体倒装芯片封装成品良率的方法包括：

提供前述任一所述的芯片形成方法形成的芯片；

使用半导体倒装芯片封装方法形成芯片封装成品。

可选地，所述半导体倒装芯片封装方法包括：

在所述芯片正面形成焊料凸点；

提供基板，所述基板包括第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第一面具有凸起焊盘，将所述焊料凸点和所述凸起焊盘焊接连接；

在所述第二面形成焊球；

提供印制电路板，所述印制电路板正面具有球焊盘，将所述焊球和所述球焊盘焊接连接。

可选地，所述焊料凸点包括位于所述芯片正面的铜柱凸块、和位于所述铜柱凸块顶端的锡帽，所述锡帽和所述凸起焊盘焊接连接。

可选地，所述述铜柱凸块和所述芯片正面的键合焊盘连接。

可选地，使用回流焊技术，使所述焊料凸点和所述凸起焊盘焊接连接、使所述焊球和所述球焊盘焊接连接。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

提供芯片图形，当一个互连金属层图形的金属密度小于0.3时，在该互连金属层图形的空隙中形成填充金属线图形，使该互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.3。这样，在设计芯片图形阶段，就设计芯片的互连金属层图形和同层的填充金属线图形的金属密度均大于等于0.3，后续根据多个互连金属层图形和填充金属线图形制作得到互连金属层和填充金属线，这增强了相邻两层互连金属层之间的层间介电材料层部分的机械强度。在后续芯片封装过程中，焊料凸点下的两层互连金属层之间的层间介电材料层能够承受较大应力，避免甚至消除层间介电材料层和其中的插塞层断裂的风险，相邻两层互连金属层之间的互连性能良好，最终提高芯片的可靠性与芯片封装成品的良率，封装成品的良率能满足量产的要求。

而且，使用本技术方案，在芯片图形设计之初，就预设好填充金属线的位置，不会影响到后续生产工艺进程。在预设填充金属线的位置时，可适时调整互连金属层中互连金属线和填充金属线之间的位置关系，避免后续形成的填充金属线对邻近的互连金属线中的信号造成干扰。

附图说明

图1是现有技术的半导体倒装芯片封装的剖面结构示意图；

图2是本发明具体实施例的芯片图形的示意图；

图3是本发明具体实施例的互连金属线密度大于等于0.3的一互连金属层的剖面结构示意图；

图4是本发明具体实施例的包括互连金属线和填充金属线的另一互连金属层的剖面结构示意图；

图5～图9是本发明具体实施例的半导体倒装芯片封装过程中的剖面结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术存在的问题，通过统计分析，发现：在垂直于芯片正面方向上，发生断裂的层间介电材料层两侧的两层互连金属层中，其中一层或两层互连金属层的金属密度较小，大约小于0.3。所述金属密度是指铜柱凸块正下方的一层互连金属层在芯片正面投影的表面积，与铜柱凸块所占芯片正面的表面积之比。当位于铜柱凸块下的一层互连金属层的金属密度小于0.3，则该互连金属层在垂直于芯片正面方向的两侧层间介电材料层的机械强度不足，在封装过程中，易引起它两侧的层间介电材料层部分和其中的插塞层断裂。

因此，使用本发明技术方案，在设计芯片图形，包括设计互连金属层图形时，当一个互连金属层图形的互连金属线的金属密度小于0.3，在该互连金属层图形的空隙中设计填充金属线图形，以确保该互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.3。这样，后续根据该互连金属层图形得到的所有互连金属层的金属密度均大于等于0.3，以降低甚至消除层间介电材料层部分和其中的插塞层断裂的风险。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参照图2，提供芯片图形，所述芯片图形包括位于基底100中的器件结构图形、和位于基底100上的层间介电材料层101中的多个互连金属层图形。每个互连金属层102图形包括互连金属线121，且在垂直于芯片正面方向上，相邻两层互连金属层102的互连金属线121之间通过插塞层（图中未示出）电连接。

结合参照图3，对一个互连金属互连层102图形，计算得到其中的互连金属线121的金属密度大于等于0.3时，该互连金属层102图形仅包括互连金属线121；

结合参照图4，对另一个互连金属层102图形，计算得到其中的互连金属线121的金属密度小于0.3时，在该互连金属层102图形的空隙中具有填充金属线122图形，确保该互连金属层102图形中的互连金属线121和填充金属线122的金属密度大于等于0.3。也就是，填充金属线122图形仅是起到补充互连金属线密度小于0.3的互连金属层的金属密度的作用，不参与电信号的连接，也不影响芯片的电性能。为避免信号串扰和短路，填充金属线122和相邻的互连金属线121是相互隔开的。

使用本技术方案，在设计芯片图形阶段，就设计芯片图形的所有互连金属层图形的金属密度均大于等于0.3，这样后续根据该互连金属层图形制作得到的所有互连金属层的金属密度均大于等于0.3，在封装过程中，焊料凸点下的互连金属层两侧的层间介电材料层部分具有较强的机械强度，能承受较大的机械应力，避免层间介电材料层和其中的插塞层断裂的风险，相邻两层互连金属层之间的互连性能良好，芯片封装成品良率能满足量产的需求。

在本实施例中，设计芯片图形的所有互连金属层图形的金属密度均大于等于0.5，焊料凸点下的互连金属层两侧的层间介电材料层部分能承受更大的机械应力，更好避免甚至消除层间介电材料层和其中的插塞层断裂的风险。

而且，使用本技术方案，在芯片图形设计之初，就预设好填充金属线的位置，不会影响到后续生产工艺进程。在预设填充金属线的位置时，可适时调整互连金属层中互连金属线和填充金属线之间的位置关系，避免后续形成的填充金属线对邻近的互连金属线中的信号造成干扰。

在具体实施例中，填充金属线122在互连金属线121之间的空隙中分散排布，可使封装过程中的互连金属层受到的应力分散，避免因应力局部集中而引起层间介电材料层和其中的插塞层断裂。进一步地，设置填充金属线在互连金属线的空隙中均匀分布，这样可使互连金属层以及层间介电材料层所承受的应力均匀分散。

之后，根据芯片图形形成芯片，包括根据器件结构图形，在基底中形成器件结构，和根据互连金属层图形和其中的填充金属线图形，在基底上形成互连金属层和其中的填充金属线。

具体地，在基底上形成互连金属层和其中的填充金属线的方法包括：

在基底上形成第一层间介电材料层；

在第一层间介电材料层中形成插塞层：首先，在第一层间介电材料层中形成接触孔，该接触孔与基底中的器件结构连通，接着，在接触孔中形成导电材料，该导电材料与器件结构电连接，第一层间介电材料层中的导电材料构成插塞层；

在第一层间介电材料层上形成金属材料层，具体可使用物理气相沉积，如溅射或化学气相沉积，该金属材料层覆盖第一层间介电材料层，之后对该金属材料层进行图形化，形成第一层互连金属层，该第一互连金属层的互连金属线与插塞层电连接，如果第一互连金属层的金属密度小于0.3，在形成第一互连金属层时，还在第一互连金属层的空隙中形成填充金属线，两者同时形成；

在形成第一互连金属层后，在第一层间介电材料层上形成第二层间介电材料层；

在第二层间介电材料层中形成插塞层，该插塞层和第一互连金属层的互连金属线电连接；

在第二层间介电材料层上形成第二互连金属层，该第二互连金属层和第二层间介电材料层中的插塞层电连接，如果第二互连金属层的金属密度小于0.3，在形成第二互连金属层时，还在第二互连金属层中的空隙中形成填充金属线，两者同时形成；

之后，重复上述步骤，在基底上的层间介电材料层中形成多层互连金属层。

在具体实施例中，互连金属线和填充金属线的材料为钨或铜。在本实施例中，互连金属线和填充金属线的材料为铜，铜相比于钨能承受更大机械应力，而且有更好的电连接性能。

接着，使用半导体倒装芯片封装方法形成芯片封装成品。

具体地，半导体倒装芯片封装方法包括：

参照图5，在芯片103正面S1形成有多个相互隔开的键合焊盘（bond pad）104，键合焊盘104和芯片103正面S1的互连金属层（图中未示出）电连接。在芯片103正面S1上形成钝化层105，所述钝化层105具有露出键合焊盘104的开口，且覆盖键合焊盘104的边缘部分，在该开口中形成凸点底部金属层（Under Bump Metallization，简称UBM）106，凸点底部金属层106和键合焊盘104电连接。

参照图6，在芯片103正面S1形成焊料凸点107，该焊料凸点107包括位于芯片正面S1的铜柱凸块171、和位于铜柱凸块171顶端的锡帽172。所述铜柱凸块171和凸点底部金属层106焊接连接，以实现和芯片103正面的键合焊盘104电连接，并最终与互连金属线电连接。而锡帽172将作为焊料，实现后续基板和铜柱凸块之间的焊接。

参照图7，提供基板200，基板200包括第一面L1和与第一面L1相对的第二面L2，将芯片103倒转，芯片103正面S1与基板200第一面L1相对，将芯片103正面S1的铜柱凸块171和基板200第一面L1通过凸起焊盘201焊接连接。

参照图7，在基板200第一面L1形成有第一导线202。首先，在基板200第一面L1上形成第一光刻胶层203，该第一光刻胶层203覆盖第一导线202；

之后，对第一光刻胶层203进行图形化，在第一光刻胶层203中形成窗口（图中未示出），窗口露出第一导线202；

接着，在窗口中形成凸起焊盘201，凸起焊盘201和第一导线202电连接，且凸起焊盘201上表面高于第一光刻胶层203上表面；

将芯片103正面S1翻转，芯片103正面S1和基板200第一面L1相对，使锡帽172和基板200第一面L1的相应的凸起焊盘201对准、接触，使用回流焊技术，锡帽172熔化后和凸起焊盘201焊接连接，实现铜柱凸块171和凸起焊盘201电连接。这样，对于一个芯片的所有铜柱凸块171能和基板200第一面L1中的对应第一导线202电连接。

参照图8，在基板200第二面L2的第二导线205上形成呈球栅阵列结构（Ball GridArray，BGA）排列的多个焊球204，BGA是现有集成电路采用印制电路板的一种封装方法，每个焊球可作为一个引脚，焊球204和第二面L2的第二导线205电连接。其中，部分第二导线205和第一导线202是电连接的，其他部分第二导线205作为焊球204的焊接点，因此，焊球204除作为引脚外，部分焊球204还起到电连接作用，将芯片103和后续印制电路板电连接。

具体地，在基板200第二面L2形成第二光刻胶层206，第二光刻胶层206具有窗口（图中未示出），该窗口露出第二导线205；

形成焊球204，焊球204与露出的第二导线205焊接连接。

参照图9，将焊球204和印制电路板220正面S2的球焊盘221焊接连接。

具体地，在印制电路板220正面S2形成第三光刻胶层222，第三光刻胶层222具有窗口223；

在窗口223中形成球焊盘221，将焊球204和印制电路板220的对应电路的球焊盘221对准、接触，使用回流焊技术，使两者焊接连接，以实现焊球204和印制电路板220连接。

至此，形成半导体芯片封装成品。由于芯片中各个互连金属层的金属密度均能保持大于等于0.3，因此，铜柱凸块下的任意相邻两层互连金属层之间的层间介电材料层部分均能承受较大机械应力，相邻两层互连金属层之间的层间介电材料层部分和其中的插塞层不会发生断裂，互连金属层之间的互连性能良好。

虽然本发明披露如上，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 (7)

1.一种倒装芯片形成方法，其特征在于，包括：

提供芯片图形，所述芯片图形包括多个互连金属层图形，在所述多个互连金属层图形中，当一个互连金属层图形的金属密度小于0.3时，在该层互连金属层图形的空隙中形成有填充金属线图形，使该层互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.3，所述金属密度是指铜柱凸块正下方的一层互连金属层在芯片正面投影的表面积，与铜柱凸块所占芯片正面的表面积之比；

根据所述芯片图形形成芯片，包括：根据所述互连金属层图形和其中的填充金属线图形，在基底上形成互连金属层和填充金属线；

在所述芯片正面形成焊料凸点，所述金属密度大于等于0.3的互连金属层图形位于焊料凸点下方，所述焊料凸点包括位于所述芯片正面的铜柱凸块、和位于所述铜柱凸块顶端的锡帽，所述锡帽和凸起焊盘焊接连接；

提供基板，所述基板包括第一面和与所述第一面相对的第二面，所述第一面具有凸起焊盘，将所述焊料凸点和所述凸起焊盘焊接连接。

2.如权利要求1所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，所述互连金属层图形和其中的填充金属线图形的金属密度大于等于0.5。

3.如权利要求1所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，所述填充金属线图形在所述互连金属层图形中的空隙中分散排布。

4.如权利要求3所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，所述填充金属线图形在所述互连金属层图形中的空隙中均匀排布。

5.如权利要求1所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，还包括：

在所述第二面形成焊球；

提供印制电路板，所述印制电路板正面具有球焊盘，将所述焊球和所述球焊盘焊接连接。

6.如权利要求5所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，所述铜柱凸块和所述芯片正面的键合焊盘连接。

7.如权利要求5所述的倒装芯片形成方法，其特征在于，使用回流焊技术，使所述焊料凸点和所述凸起焊盘焊接连接、使所述焊球和所述球焊盘焊接连接。