CN105448755B - 一种铜柱凸点的封装方法及封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铜柱凸点的封装方法及封装结构，所述封装结构包括：金属焊料盘，制作于器件上；绝缘层，其于欲制备铜柱凸点的位置具有通孔；氧化还原石墨烯层，形成于所述金属布线层表面；铜柱，形成于所述氧化还原石墨烯层表面；金属阻挡层，形成于所述铜柱表面；焊料凸点，形成于所述金属阻挡层表面。本发明通过采用电镀工艺于金属焊料盘表面制作石墨烯层，代替传统工艺中的球下金属层，然后采用电镀制作铜柱及焊料金属，节省了传统采用溅射工艺及光刻‑刻蚀工艺制作铜柱的步骤，大大节约了工艺成本。本发明可以在氧化还原石墨烯上电镀出高质量的铜柱。可见，本发明能提高器件的性能，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

Description

一种铜柱凸点的封装方法及封装结构

技术领域

本发明属于半导体制造领域，特别是涉及一种铜柱凸点的封装方法及封装结构。

背景技术

随着集成电路的功能越来越强、性能和集成度越来越高，以及新型的集成电路出现，封装技术在集成电路产品中扮演着越来越重要的角色，在整个电子系统的价值中所占的比例越来越大。同时，随着集成电路特征尺寸达到纳米级，晶体管向更高密度、更高的时钟频率发展，封装也向更高密度的方向发展。随着封装密度不断提高，芯片与芯片或者芯片与封装基板的窄节距电学互连及其可靠性已成为挑战。传统的无铅焊料凸点技术已难以满足窄间距互连的进一步发展需求。铜柱凸点互连技术，以其良好的电学性能、抗电迁移能力，正成为下一代芯片窄节距互连的关键技术。

微电子封装为半导体芯片提供了连接至电路基板的电气连接，同时对脆弱敏感的芯片加以保护，便于测试、返修、标准化输入，输出端口，以及改善半导体芯片与电路基板的热失配。为了顺应硅基半导体芯片技术的不断发展和环境保护法令对微电子封装的需求，微电子封装互连技术(结构和材料)也在不断演变：从引线键合到倒装芯片互连、从锡铅/高铅焊料凸点互连到无铅焊料凸点互连、从焊料凸点互连到铜柱凸点互连。作为下一代芯片封装互连技术，铜柱凸点互连正逐渐被越来越多的芯片封装设计所采用。

现有的铜柱凸点制作工艺中，一般是通过溅射的方法制备铜柱及焊料金属，然而，在溅射工艺后，需要将多余的铜和焊料金属去除，通常地，会采用价格昂贵的光刻工艺及刻蚀工艺去除多余的铜和焊料金属，大大地增加了工艺复杂程度以及工艺成本，并不利于成本的降低以及生产效率的提高。

鉴于以上所述，提供一种工艺简单、成本较低的铜柱凸点的封装方法及封装结构实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铜柱凸点的封装方法及封装结构，用于解决现有技术中铜柱凸点制作工艺复杂、成本较高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种铜柱凸点的封装方法，所述封装方法包括：1)提供一具有金属焊盘的半导体衬底，所述半导体衬底表面覆盖有绝缘层，刻蚀所述绝缘层暴露出所述金属焊盘；2)采用电镀法于所述金属焊盘表面形成氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽下还原成还原氧化石墨烯层；3)采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层表面形成铜柱；

4)采用电镀法于所述铜柱表面形成金属阻挡层；5)采用电镀法于所述金属阻挡层表面形成焊料金属，并采用高温回流工艺于所述金属阻挡层表面形成焊料凸点。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，所述绝缘层表面还形成有聚酰亚胺层。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，所述金属焊盘的材料包括Al及铜。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，所述金属阻挡层的材料包括镍。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，所述还原氧化石墨烯层的上表面不超过所述绝缘层的上表面。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，步骤2)中，包括步骤：2-1)采用旋涂工艺于所述待封装结构表面旋涂光刻胶；2-2)采用光刻工艺于欲制备铜柱凸点的位置打开窗口；2-3)基于所述窗口，采用电镀法于金属焊盘表面形成氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽下还原成还原氧化石墨烯层。

优选地，步骤3)中，基于所述光刻胶的窗口，采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层表面依次形成铜柱、金属阻挡层以及焊料金属。

进一步地，步骤4)中，所述焊料金属电镀完成后，还包括将所述光刻胶去除的步骤。

作为本发明的铜柱凸点的封装方法的一种优选方案，所述焊料金属包括铅、锡及银中的一种或包含上述任意一种焊料金属的合金。

本发明还提供一种铜柱凸点的封装结构，包括：具有金属焊盘的半导体衬底；绝缘层，覆盖在所述半导体衬底表面，并露出所述金属焊盘；还原氧化石墨烯层，形成于金属焊盘表面；铜柱，形成于所述石还原氧化石墨烯层表面；金属阻挡层，形成于所述铜柱表面；以及焊料凸点，形成于所述金属阻挡层表面。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，还包括聚酰亚胺层，形成于所述绝缘层表面。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，所述金属焊盘的材料包括Al及铜。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，所述金属阻挡层的材料包括镍。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，所述还原氧化石墨烯层的上表面不超过所述绝缘层的上表面。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，所述焊料凸点的材料包括铅、锡及银中的一种或包含上述任意一种焊料金属的合金。

作为本发明的铜柱凸点的封装结构的一种优选方案，所述绝缘层包括二氧化硅层及氮化硅层中的一种或其组合。

如上所述，本发明的铜柱凸点的封装方法及封装结构，具有以下有益效果：本发明通过采用电镀工艺于金属焊盘表面制作石墨烯层，代替传统工艺中的球下金属层(UBM)，然后采用采用电镀制作铜柱及焊料金属，节省了传统采用溅射工艺及光刻-刻蚀工艺制作铜柱的步骤，大大节约了工艺成本。另外，石墨烯具有非常良好的导电性能，并且，可以石墨烯上电镀出高质量的铜柱。可见，本发明工艺步骤简单，有利于节约成本，且能提高器件的性能，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1～图9显示为本发明实施例1中的铜柱凸点的封装方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图9显示为本发明的铜柱凸点的封装结构的结构示意图。

图10显示为本发明实施例2中的铜柱凸点的封装结构的结构示意图。

元件标号说明

101 硅衬底

102 金属焊盘

103 绝缘层

104 光刻胶

105 石墨烯层

106 铜柱

107 金属阻挡层

108 焊料金属

109 焊料凸点

110 聚酰亚胺层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1～图9所示，本实施例提供一种铜柱凸点的封装方法，所述封装方法包括：

如图1所示，首先进行步骤1)，提供具有金属焊盘102的半导体衬底101，所述半导体衬底101表面覆盖有绝缘层103，刻蚀所述绝缘层103暴露出所述金属焊盘102

具体地，所述半导体衬底101可以是硅衬底，比如，单晶硅、多晶硅或非晶硅中的一种，也可以是绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)，还可以是硅锗化合物。本实施例中，所述半导体衬底101为硅衬底。需要说明的是，提供的半导体衬底101中已经形成有栅极、源极和漏极等半导体结构，该些半导体结构通过金属互连结构及焊垫可以与外界电连，从而实现器件的各种功能。所述半导体衬底101中可进一步含有多个绝缘结构，比如浅沟槽隔离结构(STI)或局部氧化硅(LOCOS)等。

作为示例，所述金属焊盘102的材料可包含但不限定于铜、铝、铝铜、铜合金、或其他现有导电材料，可用于连接不同芯片中的集成电路至外部结构。所述半导体衬底101表面覆盖有绝缘层103，刻蚀所述绝缘层103暴露出所述金属焊盘102。所述绝缘层103可以是氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、或上述的组合、或其他常用的绝缘材料，在此不限。

如图2～图4所示，然后进行步骤2)，采用电镀法于所述金属焊盘102表面形成氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽下还原成还原氧化石墨烯层105。

具体地，步骤2)中，包括步骤：

如图2所示，首先进行步骤2-1)，采用旋涂工艺于所述待封装结构表面旋涂光刻胶104；

如图3所示，然后进行步骤2-2)，采用光刻工艺于欲制备铜柱凸点的位置打开窗口；

如图4所示，接着进行步骤2-3)，基于所述窗口，采用电镀法于所述金属焊料盘102表面形成氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽的条件下进行还原形成还原氧化石墨烯层105。

作为示例，所述还原氧化石墨烯层105的厚度选择为：还原氧化石墨烯层105的上表面不超过所述绝缘层103的上表面。如图5所示，接着进行步骤3)，采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层105表面形成铜柱106。

作为示例，基于所述光刻胶104的窗口，采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层105表面形成铜柱106。

如图6所示，接着进行步骤4)，采用电镀法于所述铜柱106表面形成金属阻挡层107。

作为示例，所述金属阻挡层的材料包括镍。

如图7～图9所示，最后进行步骤4)，采用电镀法于所述金属阻挡层107表面形成焊料金属108，并采用高温回流工艺于所述金属阻挡层107表面形成焊料凸点109。

作为示例，步骤4)中，所述焊料金属108电镀完成后，还包括将所述光刻胶104去除的步骤。

作为示例，所述焊料金属108包括铅、锡及银中的一种或包含上述任意一种焊料金属108的合金。在本实施例中，所述焊料金属108为锡。

如图9所示，本实施例还提供一种铜柱凸点的封装结构，包括：具有金属焊盘102的半导体衬底101，所述金属焊盘制作于半导体器件上实半导体现器件的电性引出；绝缘层103，覆盖于所述金属焊料盘102表面，所述绝缘层103于欲制备铜柱凸点的位置具有通孔，以露出所述金属焊盘102；还原氧化石墨烯层105，形成于所述金属焊料盘102表面；铜柱106，形成于所述还原氧化石墨烯层105表面；金属阻挡层107，形成于所述铜柱106表面；以及焊料凸点109，形成于所述金属阻挡层107表面。

作为示例，所述金属焊料盘102的材料包括Al及铜。

作为示例，所述金属阻挡层107包括镍。

作为示例，所述还原氧化石墨烯层105的上表面不超过所述绝缘层103的上表面。

作为示例，所述焊料凸点109的材料包括铅、锡及银中的一种或包含上述任意一种焊料金属的合金。在本实施例中，所述焊料凸点109的材料为锡。

实施例2

如图10所示，本实施例提供一种铜柱凸点的封装方法，其基本步骤如实施例1，与实施例1的区别之处在于：所述半导体衬底101表面的绝缘层103表面还形成有聚酰亚胺(PI)层110。

如图10所示，本实施例还提供一种铜柱凸点的封装结构，其基本结构如实施例1，与实施例1的区别之处在于：所述铜柱凸点的封装结构还包括聚酰亚胺(PI)层110，形成于所述绝缘层103表面。

如上所述，本发明提供一种铜柱凸点的封装方法及封装结构，所述封装结构包括：金属焊料盘102，制作于器件上实现器件的电性引出；绝缘层103，覆盖于所述金属焊料盘102表面，所述绝缘层103于欲制备铜柱凸点的位置具有通孔；还原氧化石墨烯层105，形成于所述金属焊料盘102表面；铜柱106，形成于所述还原氧化石墨烯层105表面；金属阻挡层107，形成于所述铜柱106表面；以及焊料凸点109，形成于所述金属阻挡层107表面。本发明通过采用电镀工艺于金属焊料盘表面制作还原氧化石墨烯层105，代替传统工艺中的球下金属层(UBM)，然后采用电镀制作铜柱106及焊料金属108，节省了传统采用溅射工艺及光刻-刻蚀工艺制作铜柱的步骤，大大节约了工艺成本。另外，可以在还原氧化石墨烯上电镀出高质量的铜柱。可见，本发明工艺步骤简单，有利于节约成本，且能提高器件的性能，在半导体制造领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种铜柱凸点的封装方法，其特征在于，所述封装方法包括：

1)提供一具有金属焊盘的半导体衬底，所述半导体衬底表面覆盖有绝缘层，刻蚀所述绝缘层暴露出所述金属焊盘；

2)采用电镀法于所述金属焊盘表面形成氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽下还原成还原氧化石墨烯层；

3)采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层表面形成铜柱；

4)采用电镀法于所述铜柱表面形成金属阻挡层；

5)采用电镀法于所述金属阻挡层表面形成焊料金属，并采用高温回流工艺于所述金属阻挡层表面形成焊料凸点，其中，

步骤2)中，包括步骤：

2-1)采用旋涂工艺于待封装结构表面旋涂光刻胶；

2-2)采用光刻工艺于欲制备铜柱凸点的位置打开窗口；

2-3)基于所述窗口，采用电镀法于金属焊盘表面形成所述氧化石墨烯层并在水合肼蒸汽下还原成所述还原氧化石墨烯层；

步骤3)中，基于所述光刻胶的窗口，采用电镀法于所述还原氧化石墨烯层表面依次形成所述铜柱、所述金属阻挡层以及所述焊料金属。

2.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：所述绝缘层表面还形成有聚酰亚胺层。

3.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：所述金属焊盘的材料包括Al或Cu。

4.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：所述金属阻挡层的材料包括镍。

5.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：所述还原氧化石墨烯层的上表面不超过所述绝缘层的上表面。

6.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：步骤4)中，所述焊料金属电镀完成后，还包括将所述光刻胶去除的步骤。

7.根据权利要求1所述的铜柱凸点的封装方法，其特征在于：所述焊料金属包括铅、锡及银中的一种或包含上述任意一种焊料金属的合金。