CN105006437B - 一种高密度凸块结构的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度凸块结构的制造方法，属于半导体封装技术领域。其公开了两种方案：方案一，该方案通过光刻工艺替代湿法腐蚀方法成形钛或钛钨阻挡层，形成的凸块结构克服了侧向纵深腐蚀的缺陷；方案二，该方案用在芯片电极上化学镀镍阻挡层的方法代替物理气相沉积金属钛或钛钨阻挡层的方法，避免了高密度铜柱金属凸块电镀完成之后的腐蚀工艺，形成的凸块结构克服了侧向纵深腐蚀的缺陷。本发明通过采用先进的光刻工艺或从材料学出发寻找更合适的替换材料优化现有工艺流程，形成的凸块结构克服了侧向纵深腐蚀的缺陷，解决了高密度铜柱凸块在制造过程中脱落问题，以及在后续使用中潜在的结构可靠性问题。

Description

一种高密度凸块结构的制造方法

技术领域

本发明涉及一种高密度凸块结构的制造方法，属于半导体封装技术领域。

背景技术

随着电子信息技术的发展，系统终端变得功能越来越多，尺寸却变得越来越小。为了满足这种整机设计的要求，必然要求缩小其中的电子器件封装尺寸，同时提升电性能要求。为此，在半导体产业，从芯片制造到芯片封装，均在寻求满足这种发展趋势的技术方案。在芯片制造领域，半导体产业沿着摩尔定律已经走过几十年，使得单位面积上晶体管的密度大大增加。与此对应的是，晶体管密度的增加必然使得芯片单位面积的输入/输出端子个数增加，从而造成封装工艺的难度日益加大，为此推出了不同封装密度的封装技术解决方案。从低密度的引线键合到倒装键合技术，极大程度地满足了芯片上输入/输出端子增加带来的连接问题。

但是，随着芯片特征尺寸的进一步缩小，芯片上输入/输出端子的节距朝着100微米以下尺寸发展（甚至到了40微米），这对倒装封装上凸块结构的制造形成了巨大挑战，因为在凸块结构的制造工艺过程中，为了得到准确的凸块尺寸结构，光刻与电镀生长工艺是业界的标准工艺选择，电镀铜凸块结构工艺需要金属种子层用以导电。因芯片表面电极通常为铝（或者铝-铜、铝-硅）材料，从材料学的考量，为了避免金属铝与铜的相互扩散，需要在铝电极表面沉积一层具有阻挡金属相互扩散与保障金属之间良好连接的金属层，该金属层业内称之为阻挡层，材质通常为金属钛或钛钨，常采用物理气相沉积的方法成形。成形的凸块结构与芯片的连接关系的局部剖面示意图，如图1所示，在凸块结构500的现有成形过程中，通常采用湿法腐蚀方法去除无效的金属钛或钛钨，成形的阻挡层210（钛或钛钨）往往会形成一定量的侧向纵深腐蚀（undercut），如图1中Ⅰ区域所示，造成凸块结构500中实际与芯片电极102连接面积减小，从而导致凸块结构500在制造过程中掉落，影响产品终端的可靠性问题。随着凸块结构500尺寸的再进一步的缩小，这种影响会更加明显。

发明内容

本发明专利的目的在于克服上述不足，提供一种无侧向纵深腐蚀的高密度凸块结构的制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种高密度凸块结构的制造方法的方案一，其工艺步骤如下：

步骤一、取来料圆片，其芯片电极露出芯片表面钝化层；

步骤二、清洗来料圆片；

步骤三、在清洗后的整个圆片上物理气相沉积钛或钛钨金属层；

步骤四、对整个圆片涂布光刻胶，进行光刻工艺，在钛或钛钨金属层的表面形成光刻胶掩膜图案，该光刻胶掩膜图案遮掩不小于芯片电极上方的垂直区域的区域；

步骤五、借助光刻胶掩膜图案对钛或钛钨金属层用腐蚀液进行腐蚀，去掉光刻胶掩膜图案未覆盖的钛或钛钨金属层，形成阻挡层，去除无用的光刻胶掩膜图案；

步骤六、再在整个圆片上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构所需的金属种子层，所述凸块结构包括凸块电镀层及其上部的凸块焊料层；

步骤七、涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构的高度；

步骤八、对光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶开口对应每一个芯片电极；

步骤九、在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层及其上部的凸块焊料层；

步骤十、去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤十一、对凸块电镀层区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层；

步骤十二、所述凸块焊料层进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

进一步地，所述阻挡层的成形区域不小于金属种子层的成形区域。

本发明一种高密度凸块结构的制造方法的方案二，其工艺步骤如下：

步骤一、取来料圆片，其芯片电极露出芯片表面钝化层；

步骤二、清洗来料圆片 ；

步骤三、在清洗后的整个圆片的芯片电极上化学镀镍金属，形成阻挡层；

步骤四、在整个圆片上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构所需的金属种子层，所述凸块结构包括凸块电镀层及其上部的凸块焊料层；

步骤五、涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构的高度；

步骤六、对光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶开口对应每一个芯片电极；

步骤七、在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层及其上部的凸块焊料层；

步骤八、去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤九、对凸块电镀层区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层；

步骤十、凸块焊料层进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

进一步地，所述阻挡层的成形区域小于金属种子层的成形区域。

相比与现有方案，本发明的有益效果是：

本发明通过采用先进的光刻工艺并从材料学出发寻找更合适的替换材料优化现有工艺流程，形成的凸块结构克服了侧向纵深腐蚀的缺陷，解决了高密度铜柱凸块在制造过程中脱落问题，以及在后续使用中潜在的结构可靠性问题，有利于凸块结构向尺寸更小、密度更高的方向发展。

附图说明

图1为现有凸块结构与芯片连接关系的剖面示意图；

图2为本发明凸块结构与芯片连接关系的实施例一的剖面示意图；

图3为图2中本发明凸块结构的制造方法的流程图；

图4为本发明凸块结构与芯片连接关系的实施例二的剖面示意图；

图5为图4中本发明凸块结构的制造方法的流程图；

图中：

圆片100

芯片电极102

芯片表面钝化层103

芯片表面钝化层开口1031

阻挡层220、230

金属种子层310

凸块结构500

凸块电镀层510

凸块焊料层530。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例，从而本公开将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应被解释为限制于这里阐述的实施例。

实施例一，参见图2和图3

本发明一种高密度凸块结构，最简单的凸块结构500以图2中所示的为例，其包括凸块电镀层510及其顶部的凸块焊料层530。在实际使用中，凸块结构500的凸块电镀层510的材质可以包括但不限于金属铜，凸块电镀层510的横截面形状可以是圆形，也可以是四边形、六边形等多边形，其侧面还可以裹有氧化层、绝缘层等结构。圆片100的一表面分布有芯片电极阵列，每一芯片电极102的上表面通过芯片表面钝化层开口1031露出芯片表面钝化层103，一般地，芯片电极102的上表面会尽可能多地露出芯片表面钝化层开口1031，以提高芯片电极102的利用率。

芯片表面钝化层开口1031内形成阻挡层220，该阻挡层220的材质为钛或钛钨，其厚度一般小于0.3微米。阻挡层220既能很好地粘附于芯片表面钝化层103的表面，又能阻止芯片电极102表面的金属铝原子与凸块电镀层510的金属铜原子的相互扩散。一般地，阻挡层220的成形区域略大于芯片表面钝化层开口1031的区域，以确保芯片电极102被阻挡层220完整保护。在阻挡层220与凸块结构500之间为金属种子层310，其为凸块结构500的凸块电镀层510成形的基础层。金属种子层310的成形区域不大于阻挡层220的成形区域。

本发明一种高密度凸块结构的实施例一实现无侧向纵深腐蚀的效果，需要对现有的工艺流程进行改进，参见图3，本发明的整个制造过程是以圆片为单位进行的，其工艺流程具体如下：

步骤一：取来料圆片100，其芯片电极102露出芯片表面钝化层103；

步骤二：清洗来料圆片100表面的灰尘、杂质等污物；

步骤三：在清洗后的整个圆片100上物理气相沉积钛或钛钨金属层，其厚度一般小于0.3微米；

步骤四、对整个圆片100涂布光刻胶，进行光刻工艺，在钛或钛钨金属层的表面形成光刻胶掩膜图案，该光刻胶掩膜图案遮掩芯片电极102上方的垂直区域或比芯片电极102上方垂直区域略大的区域，光刻胶掩膜图案不连续，以使后续形成的每个凸块结构500对应的阻挡层220不连续；

步骤五、借助光刻胶掩膜图案对钛或钛钨金属层用腐蚀液进行腐蚀，去掉光刻胶掩膜图案未覆盖的钛或钛钨金属层，形成阻挡层220，去除无用的光刻胶掩膜图案；

步骤六：再在整个圆片100上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构500所需的金属种子层；

步骤七：涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构500的高度；

步骤八：对厚膜光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶每一开口对应每一个芯片电极102；

步骤九：在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层510及其上部的凸块焊料层530；

步骤十：去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤十一：对凸块电镀层510区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层310；

步骤十二：凸块焊料层530进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

该方案通过光刻工艺替代湿法腐蚀方法成形钛或钛钨阻挡层，形成的凸块结构克服了侧向纵深腐蚀的缺陷。

实施例二，参见图4和图5

本发明一种高密度凸块结构，最简单的凸块结构500以图4中所示的为例，其包括凸块电镀层510及其顶部的凸块焊料层530。在实际使用中，凸块结构500的凸块电镀层510的材质可以包括但不限于金属铜，凸块电镀层510的横截面形状可以是圆形，也可以是四边形、六边形等多边形，其侧面还可以裹有氧化层、绝缘层等结构。圆片100的一表面分布有芯片电极阵列，每一芯片电极102的上表面露出芯片表面钝化层103，一般地，芯片电极102的上表面会尽可能多地露出芯片表面钝化层开口1031，以提高芯片电极102的利用率。

芯片表面钝化层开口1031内形成阻挡层230，该阻挡层230的材质为镍，其与铝的结合强度为400Mpa以上，其既能很好地粘附于芯片电极102的表面，也能阻止芯片电极102表面的金属铝原子与凸块电镀层510金属铜原子的相互扩散。如图4所示，阻挡层230的成形区域不大于芯片表面钝化层开口1031的区域。在阻挡层230与凸块结构500之间为金属种子层310，其为凸块结构500的凸块电镀层510成形的基础层。金属种子层310的成形区域略大于芯片表面钝化层开口1031的区域，以增大凸块结构500与芯片电极102的接触面积，且金属种子层310完全覆盖阻挡层230。

本发明一种高密度凸块结构的实施例二实现无侧向纵深腐蚀的效果的工艺流程具体如下：

步骤一：取来料圆片100，其芯片电极102露出芯片表面钝化层103；

步骤二：清洗来料圆片100表面的灰尘、杂质等污物；

步骤三：在清洗后的整个圆片100的芯片电极102上化学镀镍金属，形成阻挡层230；

步骤四：在整个圆片100上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构500所需的金属种子层；

步骤五：涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构500的高度；

步骤六：对厚膜光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶每一开口对应每一个芯片电极102；

步骤七：在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层510及其上部的凸块焊料层530；

步骤八：去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤九：对凸块电镀层510区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层310；

步骤十：凸块焊料层530进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

上述整个制造过程也是以圆片为单位进行的，用在芯片电极上化学镀镍阻挡层的方法代替物理气相沉积金属钛或钛钨阻挡层的方法，避免了高密度铜柱金属凸块电镀完成之后的腐蚀工艺；因凸块电镀层510与金属种子层310的材质相同，形成的阻挡层230被金属种子层310完全覆盖、不外露，从而实现凸块结构的无侧向纵深腐蚀的效果。

本发明一种高密度凸块结构的制造方法不限于上述优选实施例，如可选地，对凸块焊料层530不进行回流工艺或在后续适当的工序中再进行回流工艺。因此，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高密度凸块结构的制造方法，其工艺步骤如下：

步骤一、取来料圆片（100），其芯片电极（102）露出芯片表面钝化层（103）；

步骤二、清洗来料圆片（100）；

步骤三、在清洗后的整个圆片（100）上物理气相沉积钛或钛钨金属层；

步骤四、对整个圆片（100）涂布光刻胶，进行光刻工艺，在钛或钛钨金属层的表面形成光刻胶掩膜图案，该光刻胶掩膜图案遮掩不小于芯片电极（102）上方的垂直区域的区域；

步骤五、借助光刻胶掩膜图案对钛或钛钨金属层用腐蚀液进行腐蚀，去掉光刻胶掩膜图案未覆盖的钛或钛钨金属层，形成阻挡层（220），去除无用的光刻胶掩膜图案；

步骤六、再在整个圆片（100）上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构（500）所需的金属种子层，所述凸块结构（500）包括凸块电镀层（510）及其上部的凸块焊料层（530）；

步骤七、涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构（500）的高度；

步骤八、对光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶开口对应每一个芯片电极（102）；

步骤九、在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层（510）及其上部的凸块焊料层（530）；

步骤十、去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤十一、对凸块电镀层（510）区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层（310）；

步骤十二、所述凸块焊料层（530）进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

2.根据权利要求1所述的一种高密度凸块结构的制造方法，其特征在于：所述阻挡层（220）的成形区域不小于金属种子层（310）的成形区域。

3.一种高密度凸块结构的制造方法，其工艺步骤如下：

步骤一、取来料圆片（100），其芯片电极（102）露出芯片表面钝化层（103）；

步骤二、清洗来料圆片（100） ；

步骤三、在清洗后的整个圆片（100）的芯片电极（102）上化学镀镍金属，形成阻挡层（230）；

步骤四、在整个圆片（100）上物理气相沉积金属铜层，为形成凸块结构（500）所需的金属种子层，所述凸块结构（500）包括凸块电镀层（510）及其上部的凸块焊料层（530）；

步骤五、涂布厚膜光刻胶，该光刻胶的厚度不小于后续成形的凸块结构（500）的高度；

步骤六、对光刻胶进行先曝光再显影的方法形成高密度光刻胶开口阵列图形，该光刻胶开口对应每一个芯片电极（102）；

步骤七、在光刻胶开口区域内电镀凸块电镀层（510）及其上部的凸块焊料层（530）；

步骤八、去除剩余的厚膜光刻胶；

步骤九、对凸块电镀层（510）区域之外的金属铜层进行腐蚀，形成金属种子层（310）；

步骤十、凸块焊料层（530）进行回流形成弧形球冠状的焊料凸点。

4.根据权利要求3所述的一种高密度凸块结构的制造方法，其特征在于：所述阻挡层（230）的成形区域小于金属种子层（310）的成形区域。