微凸塊結構的製作方法
2023-05-29 16:00:01
專利名稱：微凸塊結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微凸塊結構，且特別是一種自動對準的微凸塊結構。
背景技術：
目前在超細間距微凸塊封裝的應用上，常常會因為(1)設備對位能力不佳、(2)凸塊均勻度不良、(；3)凸塊錫量不足，以及(4)凸塊焊錫性不佳等問題而導致對位偏移現象加劇，進而嚴重影響凸塊接合能力。由於超細間距的微凸塊的錫量乃遠低於覆晶凸塊，已偏移的微接點即使經過多次的回焊(Reflow)熱處理，上下凸塊也不會因焊錫的毛細現象而拉回正確位置。偏移的微接點不僅會導致接點的接合強度下降，更會影響其接點可靠度。在實際的應用上，若能提升對位精準度或避免對位偏移的問題，進而提高微接點接合能力與可靠性，是具有極高產業利用價值。
發明內容
本發明的目的是公開一種微凸塊結構，可提升對位精準度，並避免對位偏移，顯著提高微接點接合能力與可靠性，且易於產業化生產。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是—種微凸塊結構，包括位於一半導體基底上的至少一焊墊、一保護層、一環形金屬層與一中央下凹的盤狀金屬結構。該保護層位於該焊墊上並覆蓋部分該焊墊，而該環形金屬層，位於該保護層的一開口中，至少覆蓋該開口的側壁與該開口邊緣的部分該保護層。此外，中央下凹的該盤狀金屬結構位於該環形金屬層上、位於該環形金屬層中空處並覆蓋部分該環形金屬層。其中該盤狀金屬結構至少包括一種層位於該環形金屬層上、一金屬底層位於該種層上與一焊料層位於該金屬底層上。一種微凸塊結構，包括位於一半導體基底上的至少一焊墊、一保護層、一種層以及一環狀金屬結構。該保護層位於該焊墊上且具有一環形開口而暴露出部分該焊墊，而該種層位於該保護層的該環形開口中，共形覆蓋該環形開口的側壁、底面與該環形開口邊緣的部分該保護層。該環狀金屬結構位於該種層上，其中該環狀金屬結構至少包括一金屬底層位於該種層上、一金屬層位於該金屬底層上與一焊料層位於該金屬層上。本發明的微凸塊結構，利用其中央凹陷結構，來協助與對應微凸塊達成精準的高對位度，且有很高的微接點接合能力與可靠性。
圖IA 圖IE所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的製造流程剖面圖。圖2A所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖2B所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。圖3A 圖;3B所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分製造流程剖面圖。
圖4A所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖4B所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。圖5A 圖5C所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分製造流程剖面圖。圖6A所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖6B所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。主要元件符號說明10,40,60 微凸塊結構100、300、400、500、600 基底IOOa 主動表面102、102a、302、402、502、602 焊墊104、104a、304a、404a、504a、604a 保護層105、107、109、505 圖案化光刻膠層106、306、406、506、606 開口108、308、408、508、608 金屬層110、410、510、610 種層112、412、512、612 金屬底層114、414、514、614 焊料層620:環狀金屬結構
具體實施例方式為讓本發明的上述和其它特徵能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合附圖， 作詳細說明如下。圖IA 圖IE所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的製造流程剖面圖。請參照圖1A，首先提供一基底100，該基底100例如為一半導體圓片或晶片，該基底100具有一主動表面100a，而該基底100上還具有一保護層104及多個焊墊102 (僅繪示出其中的兩個代表的)，均配置在該基底100的主動表面IOOa上。並於該保護層104上形成一圖案化的光刻膠層105。其中焊墊102的材質例如是鋁。參照圖1B，以該圖案化光刻膠層105做光掩膜進行一蝕刻步驟，而於保護層104及焊墊102中形成多個開口 106而暴露出部分該基底100，形成圖案化的保護層10 及焊墊 10加。其中，開口的深度例如約為5 50微米，而開口 106的形狀並不局限於圓形孔，亦可為方形或多角形的孔，而開口 106的大小可視焊墊102的尺寸或後續凸塊尺寸而調整。該蝕刻步驟可分兩階段分別蝕刻移除保護層104及焊墊102，亦可以單一步驟移除保護層104 及焊墊102。該蝕刻步驟例如包括非等向性蝕刻步驟。之後，移除該圖案化光刻膠層105。請參照圖1C，於該保護層10 上形成另一圖案化的光刻膠層107後，形成一金屬層108覆蓋住開口 106的側壁與開口附近的部分保護層10如。該金屬層108例如是無電解電鍍所形成的一鎳金屬或鎳合金層，具有厚度約3-5微米。該金屬層108從上視角度看來乃為一環形結構，覆蓋住開口 106的側壁與邊緣，但露出部分基底100。參照圖1D，移除該圖案化光刻膠層107後，於基底100上全面覆蓋(blanketly)沉積形成一種層110，覆蓋住金屬層108、保護層10 與部分被開口所暴露的基底100。其中
5種層110的材質比如是鈦、鈦鎢合金、鈦鎢銅、鈦銅或鉻。但是，若後續所形成各層並不需要種層，亦可省略此一步驟。參照圖1E，於該種層110上形成另一圖案化的光刻膠層109，暴露出開口 106位置的種層110。之後，在暴露出的種層110上，依序形成一金屬底層112與一焊料層114。形成金屬底層112的方法包括濺鍍或電鍍的方式，其中金屬底層112的材質比如是銅、或鎳銅合金，而金屬底層112具有厚度約3微米。形成焊料層114的方法包括電鍍的方式，其中焊料層114的材質比如是錫、錫銀合金或錫鉛合金，而焊料層114具有厚度約5-10微米。由於開口 106的存在，導致後續形成於開口 106中與保護層10 上的金屬層108、種層110、金屬底層112與焊料層114皆有高度落差，而在開口 106的中央具有一凹陷處C。視開口 106 的深度與後續各層的厚度而定，凹陷處C 一般深度約在10微米左右，且位於開口 106位置的中央。當然其深度與形狀亦可依照設計需要而調整。由於具有凹陷處C，該金屬底層112 與焊料層114從上視角度看來乃為一碟狀或盤狀結構。在後續封裝步驟，其它晶片的微接點(微凸塊)可滑入凹陷處C而具有對位的功效，而以自動對準的方式，達到良好電性連接並幫助增強接合強度。上述各層的形成步驟僅是舉例，但於此技術領域具有普通知識者可輕易推知，該些形成順序與步驟均可視元件設計或工藝需要更改。本申請並非限定本發明的製造方法僅限於此。圖2A所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖2B所繪示為本發明一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。請參照圖2A、圖2B，形成於基底100上的微凸塊結構10包括環形焊墊102a、保護層104a、環形金屬層108、種層110、金屬底層112與焊料層114。從圖2A、圖2B來看，保護層10 覆蓋於環形焊墊10 上，而環形金屬層108位於保護層10 與環形焊墊10 的開口 106中並覆蓋開口 106的側壁與邊緣，但露出部分基底100。種層110位於環形金屬層 108上覆蓋住部分環形金屬層108，並覆蓋住環形金屬層108所露出部分基底100。金屬底層112與焊料層114的盤狀結構則位於種層110上，並覆蓋住部分環形金屬層108。由於後續形成於開口 106中與保護層10 上的金屬層108、種層110、金屬底層112與焊料層114 皆有高度落差，而微凸塊結構10在開口 106的中央具有一凹陷處C。亦可將相堆棧的種層 110、金屬底層112與焊料層114視為一中央凹陷的盤狀金屬結構，位於中空的環狀金屬層 108 上。此處乃以圓形開口為例，但開口 106可為方形或多角形的孔。依照本發明的另一實施例，接續圖IA步驟後可調整圖IB的步驟，如圖3A所示，改變該圖案化光刻膠層的圖案設計並以該圖案化光刻膠層做光掩膜，蝕刻保護層304直至暴露出焊墊302。也就是僅於保護層304中形成多個環狀開口 306(僅顯示其中一個為例)而成圖案化的保護層304a。其中，開口 306的形狀並不局限於圓形環狀，亦可為方形或多角形的環狀開口。之後，於環狀開口 306中與該保護層30 上形成一金屬層308，覆蓋住開口 306的側壁與開口附近的部分保護層30如。該金屬層308例如是無電解電鍍所形成的一鎳金屬或鎳合金層，具有厚度約3-5微米。該金屬層308從上視角度看來乃為一環形結構，覆蓋住開口 306的側壁與邊緣，但中間露出保護層30如。後續製作流程類似於圖1D-1E的步驟，而形成微凸塊結構。
圖4A所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖4B所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。請參照圖4A、圖4B，形成於基底400上的微凸塊結構40包括焊墊402、保護層 40 、環形金屬層408、種層410、金屬底層412與焊料層414。從圖4A、圖4B來看，保護層 404a位於焊墊402上而暴露出部分焊墊402，而環形金屬層408位於保護層40 的開口 406中與焊墊402上，並覆蓋開口 406的側壁與開口邊緣，但中央露出部分保護層4(Ma。種層410位於環形金屬層408上覆蓋住部分環形金屬層408，並覆蓋住環形金屬層408所露出部分保護層4(Ma。金屬底層412與焊料層414的盤狀結構則位於種層410上，並覆蓋住部分環形金屬層408。由於金屬層408的高度，後續形成的種層410、金屬底層412與焊料層 414皆有高度落差，微凸塊結構40在開口 406的中央具有一凹陷處C。此處，由於微凸塊結構具有中央凹陷處，而有自動對位的功效。若保護層40 的材質例如為聚亞醯胺(polyimide ；PI)時，則位於焊墊中央保護層更可提供應力緩衝，強化凸塊整體結構。此外，亦可替換位於環形開口中央的保護層為低阻值金屬材質(例如金等) 材料，由於其被外側較高阻值的材料所包圍，此低阻值區塊可有效改善電流擁擠的現象，並提升抗電子遷徙特性。請參照圖5A，依照本發明的又一實施例，可改變製造流程順序，直接在圖3A步驟之後先於保護層50 上共形形成一種層510覆蓋保護層50 與焊墊502，並形成一圖案化光刻膠層505於種層510與保護層50 上，如圖5A所示。但是，若後續所形成各層並不需要種層，亦可省略此一步驟。接著，如圖5B所示，於圖案化光刻膠層505的開口 506中依序形成金屬底層512、金屬層508與焊料層514。其中金屬底層512的材質比如是銅、或鎳銅合金，而金屬底層512具有厚度約3微米。該金屬層508例如是電鍍所形成的一鎳金屬或鎳合金層，具有厚度約3-5微米。焊料層514的材質比如是錫、錫銀合金或錫鉛合金，具有厚度約5-10微米。從上視方向看來，金屬底層512、金屬層508與焊料層514乃構成一環狀金屬結構位於開口 506中。之後，如圖5C所示，移除圖案化光刻膠層505，並蝕刻移除未被金屬底層512、金屬層508與焊料層514所覆蓋的種層510，然後進行一回焊步驟，而使焊料層514融化而表面
變圓滑。圖6A所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的剖面示意圖。圖6B所繪示為本發明另一實施例的微凸塊結構的部分立體示意圖。請參照圖6A、圖6B，形成於基底600上的微凸塊結構60包括焊墊602、保護層 60 、位於保護層60 的開口 606中的種層610、金屬底層612、金屬層608與焊料層614。 從圖6A、圖6B來看，保護層60 位於焊墊602上而暴露出部分焊墊602，而種層610位於保護層60 的環形開口 606中與焊墊602上，並覆蓋開口 606的側壁與開口邊緣，但並未覆蓋環形開口 606中央所露出部分保護層60如。金屬底層612、金屬層608與焊料層614 堆棧而成的環狀金屬結構620則位於種層610上。由於環狀金屬結構620與其中間所露出的保護層60 有高度落差，微凸塊結構60在金屬結構620的中央同樣具有一凹陷處C。此處所述的環狀金屬結構620更可設計具有一特定側向開口，幫助後續接合過程氣體排放。因此本發明實施例的微凸塊結構設計於中央具有一凹陷處，而可以在後續接合過程中幫助與其它凸塊微接點的對位，進而達到自動對準與改善結合強度的目的，提升產品可靠度。此外，本發明所提出的製造流程與現有工藝兼容，無須添加額外步驟或使用特殊材料，故元件的成本並未增加。此外，可視產品設計需要，調整工藝步驟與/或搭配不同形狀圖案設計，更有彈性地製造微凸塊結構。本發明的微凸塊結構可適用於高密度或超細間距(小於50微米)接合結構，而達到提升對準精確度與強化接合強度的目的。本發明所提供的凹形微凸塊結構特別適合設置於超細間距(小於50微米)的微接點封裝結構中，或應用於多晶片堆棧封裝結構或高接合密度封裝結構。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求書的保護範圍所界定者為準。
權利要求
1.一種微凸塊結構，適用於封裝結構中，其特徵在於，所述凸塊結構至少包括 至少一焊墊，位於一半導體基底上；一保護層，位於該焊墊上並覆蓋部分該焊墊；一環形金屬層，位於該保護層的一開口中，至少覆蓋該開口的側壁與該開口邊緣的部分該保護層；以及一中央下凹的盤狀金屬結構，位於該環形金屬層上、位於該環形金屬層中空處並覆蓋部分該環形金屬層，其中該盤狀金屬結構至少包括一金屬底層位於該環形金屬層上與一焊料層位於該金屬底層上。
2.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述焊墊為中空環狀，而該盤狀金屬結構覆蓋住該環形金屬層中空處所暴露出的該半導體基底。
3.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述保護層的該開口為一環形開口暴露出部分該焊墊，而該盤狀金屬結構覆蓋住該環形金屬層中空處所暴露出的該保護層。
4.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述環狀金屬層的材質包括鎳金屬或鎳合金。
5.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述盤狀金屬結構更包括一種層位於該環形金屬層與該金屬底層之間，該種層的材質包括鈦、鈦鎢合金、鋁或鉻。
6.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述金屬底層的材質包括銅、或鎳銅I=I 巫 O
7.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述焊料層的材質包括錫、錫鉛合金與錫銀合金。
8.如權利要求1所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述保護層的材質為聚亞醯胺或苯環丁醯(Benzocyclobutene, BCB)。
9.如權利要求3所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述介於該盤狀金屬結構與該環形金屬層間的該保護層的材質為金、銅或其它金屬材質。
10.一種微凸塊結構，適用於封裝結構中，其特徵在於，所述凸塊結構至少包括 至少一焊墊，位於一半導體基底上；一保護層，位於該焊墊上，其中該保護層具有一環形開口而暴露出部分該焊墊； 以及一環狀金屬結構，位於該保護層上與位於該焊墊上，其中該環狀金屬結構至少包括一金屬底層位於該焊墊上並部份位於該保護層上、一金屬層位於該金屬底層上與一焊料層位於該金屬層上。
11.如權利要求10所述的微凸塊結構，其特徵在於，更包括一種層位於該保護層的該環形開口中，共形覆蓋該環形開口的側壁、底面與該環形開口邊緣的部分該保護層。
12.如權利要求11所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述種層的材質包括鈦、鈦鎢合金、鋁或鉻。
13.如權利要求10所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述金屬層的材質包括鎳金屬或銀合金。
14.如權利要求10所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述金屬底層的材質包括銅、或鎳銅合金。
15.如權利要求10所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述焊料層的材質包括錫、錫鉛合金或錫銀合金。
16.如權利要求10所述的微凸塊結構，其特徵在於，所述保護層的材質為聚亞醯胺或苯環丁醯(Benzocyclobutene, BCB)。
全文摘要
本發明公開了一種微凸塊結構，具有自動對準功效的凹形。該微凸塊結構至少包括至少一焊墊，位於一半導體基底上；一保護層，位於該焊墊上並覆蓋部分該焊墊；一環形金屬層，位於該保護層的一開口中，至少覆蓋該開口的側壁與該開口邊緣的部分該保護層；以及一中央下凹的盤狀金屬結構，位於該環形金屬層上、位於該環形金屬層中空處並覆蓋部分該環形金屬層，其中該盤狀金屬結構至少包括一種層位於該環形金屬層上、一金屬底層位於該種層上與一焊料層位於該金屬底層上。該微凸塊結構利用其中央凹陷結構，來協助與對應微凸塊達成精準的高對位度。
文檔編號H01L23/485GK102222653SQ20101016442
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者張道智, 蔡宗甫, 詹朝傑 申請人:財團法人工業技術研究院