凸點製作方法

2023-06-09 23:55:21 1

專利名稱：凸點製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體製程中的凸點製作方法，更具體的說，涉及一種可提高凸點密度的凸點製作方法,，背景技術隨著集成電路技術的不斷發展，電子產品越來越向小型化、智能化、高 性能以及高可靠性方向發展,，而集成電路封裝不僅直接影響著集成電路、電 子模塊乃至整機的性能，而且還制約著整個電子系統的小型化、低成本和可 靠性。在集成電路晶片尺寸逐步縮小，集成度不斷提高的情況下，電子工業 對集成電路封裝技術提出了越來越高的要求。倒裝晶片(fUpchip)技術是通過在晶片表面形成的焊球，使晶片翻轉與 底板形成連接，從而減小封裝尺寸，滿足電子產品的高性能(如高速、高頻、 更小的引腳)、小外形的要求，使產品具有很好的電學性能和傳熱性能。凸點製作技術(bump)是倒裝晶片中的一個關鍵技術。現有技術中的凸 點是焊料通過一定工藝沉積在晶片互連金屬層上，經過一定溫度回流形成的 金屬焊球。在凸點製作之前.如圖1所示，晶片1已經完成鈍化層2和互連金屬 層3工藝，進入凸點製作之後，需要在晶片表面形成一凸點下金屬層6 (Under-Bump Metallurgy; UBM)，然後在凸點下金屬層6上形成一光刻膠層， 並曝光、顯影以形成所需的凸點圖案；然後形成凸點焊料，形成凸點焊料的 技術包括金屬掩膜蒸發、電鍍凸點技術、雷射植球技術、模板印刷技術等； 最後，去除光刻膠層和凸點下金屬層6，在一定溫度下焊料回流形成焊球4。 所述焊球4一般為圓球狀。
隨著集成電路的進一步發展，要求凸點的尺寸進一步減小，而且要求凸 點的密度進一步提高。集成電路板中兩個球狀凸點最接近的兩點之間的距離 為球邊間距，如果球邊間距的數值較小，會導致凸點之間短路。如果球狀凸點的直徑過小，凸點的厚度太低，會增加封裝的難度。申請號為03140656的 中國專利申請文件提供了 一種微細間距倒裝焊凸點電鍍製備技術，能夠滿足 焊球邊間距50um以上，焊球直徑在50至300um的要求，但是這種球狀凸點在 保證這種凸點直徑和焊球邊間距的情況下，進一步提高集成電路板中凸點密 度的能力有限。發明內容本發明解決的問題是現有技術中的球狀凸點不能進一步提高集成電路板 中凸點能力的缺陷。為解決上述問題，本發明提供了一種凸點製作方法，包括如下步驟在晶片上沉積凸點下金屬層；在凸點下金屬層上形成光刻膠層、並通過曝光和顯影形成光刻膠開口 ；在光刻膠開口位置的凸點下金屬層上形成厚度不大於光刻膠厚度的第一 層焊料；在第一層焊料上沉積第二層焊料，其中，第二層焊料的熔融溫度小於第一 層焊料的熔融溫度；去除光刻膠和凸點下金屬層； 回流第二層焊料，形成凸點。其中，所述第一層焊料的熔融溫度與第二層焊料的熔融溫度之差值大於 50°C。其中，第一層焊料為高鉛鉛錫合金，第二層焊料為共晶鉛錫合金。 上述的第一層焊料的厚度為30至200um,進一步優選50um至150um， 更加優選60um至120um。回流後第二層焊料的厚度為2至20um。其中，第一層焊料為鉛的質量百分比含量高於95%的高鉛鉛錫合金，第二 層焊料為共晶鉛錫合金，鉛的質量百分比含量高於95%的高鉛鉛錫合金的電 鍍工藝包括如下步驟在凸點下金屬層上以0.1A/dn^至1A/dm2的電流密度電 鍍1至5分鐘；在3A/dm"至10A/dm2的電流密度下電鍍，直至設定的高鉛鉛 錫合金的厚度。其中，第二層焊料的回流溫度為210。C至245。C。 與現有技術相比，本發明具有以下優點1、 本發明提供一種凸點的製作方法，首先形成第一層焊料，隨後在第一 層焊料上形成第二層焊料，第二層焊料的熔融溫度小於第一層焊料的熔融溫 度之後，回流第二層焊料形成半球狀焊球，由於本發明第二層焊料的熔融溫 度小於第一層焊料的熔融溫度，因此，回流過程中以及回流之後第一層焊料 的物理狀態不會發生變化，仍然為柱狀，比起現有技術中的球狀凸點，在保 持相同的凸點下金屬層寬度和焊球邊距的情況下，在相同面積的集成電路上， 仍能大大提高凸點的密度。2、 本發明形成第一層焊料和第二層焊料的工藝優選電鍍工藝，使第一層 焊料和第二層焊料之間產生較強的結合力，在回流之後，進一步了加強這種 結合力。3、 本發明形成第一層焊料的工藝，當第一焊料層為高鉛合金時，先在凸 點下金屬層上以0.1A/dm2至1A/dm2的電流密度下電鍍1至5分鐘；在3A/dm2 至10A/dm2的電流密度下電鍍至設定的鉛錫合金焊料厚度，避免了在電鍍過 程中在焊料中產生氣泡。


圖1是現有4支術的凸點結構；圖2至圖8為本發明凸點形成方法的工藝流程中的截面結構示意圖； 圖9為本發明所述方法形成的兩個凸點的截面結構示意圖； 圖IO為現有技術形成的兩個凸點的截面結構示意圖。
具體實施方式
針對本發明所採用的鉛錫合金凸點製作方法，下面結合附圖和實施例做 一詳細說明。本發明提供了一種凸點製作方法，包括如下步驟在晶片上沉積凸點下金 屬層；在凸點下金屬層上形成光刻膠層、並通過曝光和顯影形成光刻膠開口； 在光刻膠開口位置的凸點下金屬層上形成低於光刻膠厚度的第一層焊料；在 第一層焊料上沉積第二層焊料至完全填滿光刻膠開口 ；去除光刻膠和凸點下 金屬層；回流第二層焊料，形成凸點。下面結合附圖2到附圖8對本發明的具體工藝步驟做一個詳細的說明。如圖2所示，晶片IO上已經完成鈍化層11和互連金屬層12,所述的鈍 化層11以及互連金屬層12為現有技術中的常規材料。參考圖3，在晶片IO上通過濺射或者蒸發工藝形成凸點下金屬層13,凸 點下金屬層13可以是鈦、鈦-鎢合金、銅、鎳等，本發明是採用濺射的方法 在互連金屬層12上形成金屬鎳層作為凸點下金屬層13。濺射或者蒸發形成凸 點下金屬層13的工藝為本領域技術人員熟知的現有技術，不做具體描述。如圖4所示，在晶片IO上噴塗一光刻膠層14，在形成光刻膠層14過程 中，應該保證使塗覆的光刻膠的厚度達到電鍍鉛錫合金焊料工藝需要的厚度。 一般來說，光刻膠14厚度在30微米至200微米之間。然後，根據設計好的 光刻膠圖案，進行曝光，顯影，形成光刻膠開口，所述的形成光刻膠開口的位置即為需要形成鉛錫合金凸點的位置。在光刻膠曝光和顯影形成光刻膠圖案的過程中，應該保證滿足焊球中心間距在100微米至400微米的要求。如圖5所示，在凸點下金屬層上的光刻膠開口處形成第一層焊料15,所 述的第一層焊料15可以是高鉛鉛錫合金含鉛的質量百分比含量大於95 %的高 鉛鉛錫合金，如95wt。/。Pb、 5wt%Sn或者97wt°/。Pb、 3wt%Sn，所述第一次焊 料15的厚度應該小於等於光刻膠的厚度，較好的在30um至200um，進一步 優選的在50um至150um，更加優選的是在60um至120um。形成第一層焊料15的工藝可以是本領域技術人員熟知的各種工藝如電 鍍、等離子體沉積等。本發明優選採用電鍍法形成第一層焊料15。最為優選 的工藝是先在凸點下金屬層13上以較低的電流密度形成一厚度為0.2um至 4um的高鉛鉛錫合金，所述的較低電流密度為0.1 A/dm2至1 A/dm2,然後再以 常規的工藝大電流密度進行電鍍沉積高鉛鉛錫合金焊料，所述的較大電流密 度為3A/dn^至10A/dm2，電鍍至高鉛鉛錫合金焊料的厚度為30um至200um 即可。在本發明的一個具體實施方式
中，第一層焊料15為95wt%Pb、 5wt%Sn 或者97wt。/。Pb、 3wt%Sn,採用金屬鉛和金屬錫的可溶性鹽的混合溶液做為電 鍍溶液，其中鉛離子濃度(Pb2+)為40g/L至60g/L，錫離子(Sn2+)濃度為 5g/L至10g/L，甲基磺酸作為絡合劑，濃度為200g/L至300g/L,為了避免電 鍍過程中產生氣泡，先採用(UA/dn^至1A/dn^的電流密度進行電鍍，較好的 是0.5A/dn^至1A/dm2,溫度為25。C至35。C之間，電鍍1分鐘到5分鐘，之 後，將電流密度調節為3A/dtr^至10A/dm2,其餘工藝條件不變，電鍍至鉛錫 合金焊料的厚度為30um至200um即可。在電鍍第一層焊料15的過程中，首先以0.1A/dm2至1A/dm2的電流密度 進行電鍍，可以避免電鍍過程中產生析氫現象，從而避免在高鉛合金含量中 產生氣泡，當以0.1A/dm2至1A/dm2的電流密度電鍍的焊料厚度完全覆蓋凸點 下金屬層之後，改用3A/dn^至10A/dm2的常規電流密度進行電鍍，可提高電 鍍製程所需時間，提高效率。如圖6所示，在第一層焊料15上沉積第二層焊料16,所述第二層焊料 16的熔融溫度應低於第一層焊料15的熔融溫度，也就是說，應該保證在第二 層焊料16進行回流的過程中不會使第一層焊料15的物理狀態發生變化，即 起碼上保證第一層焊料15不會成為熔融狀態。較好的是，第二層焊料16的 熔融溫度與第一層焊料15的熔融溫度的差值大於50攝氏度。在第一層焊料 15為含鉛量大於95%的高鉛鉛錫合金的狀況下，本發明優選第二層焊料16 為共晶鉛錫合金，如37wtQ/oPb、 63wt。/oSn合金。沉積第二層焊料16的工藝較好的仍然選用電鍍工藝。在本發明的一個具 體實施例中，採用金屬鉛和金屬錫的可溶性鹽的混合溶液作為電鍍溶液，其 中鉛離子濃度(Pb")為15g/L至25g/L,錫離子(Sn")濃度為36g/L至44g/L， 曱基磺酸濃度為200g/L至300g/L，設定電流密度為3A/dm2至10A/dm2,溫度 為25。C至35。C。之後，參考附圖7所示，去除光刻膠層14以及鉛錫合金焊料之外的凸點 下金屬層13，去除工藝為本領域技術人員熟知的現有技術，在此不做進一步 的描述。參考附圖8所示，回流第二層焊料16形成焊5求17。由於第二層焊料16 的熔融溫度小於第一層焊料15的熔融溫度，因此，回流第二層焊料16的過 程中第一層焊料15的物理狀態不會發生變化，回流工藝完成後，如圖7所示， 第二層焊料16成為半球狀，而第一層焊料15依然保持回流之前的柱狀。為 了保證回流之後第二層焊料16形成的半球狀的最大橫截面的直徑小於第一層 焊料15的橫截面的直徑，應該保證回流後第二層焊料16的厚度在2um至 20um。由於本發明優選電鍍工藝沉積第一層焊料15和第二層焊料16,因此，可 以保證第一層焊料15和第二層焊料16的接觸界面具有較強的結合力。回流 過程中，第一層焊料15和第二層焊料16的接觸界面的原子之間進一步互相 遷移、滲透，具有更強的結合力，因此，本發明提供的第一層焊料15和焊球 17之間具有很強的結合力，使用過程中不會產生焊球17與第一層焊料15之 間分離的缺陷。以第一層焊料15為含鉛量大於95%的高鉛鉛錫合金、第二層焊料16為 37wt%Pb、 63wt%Sn的共晶鉛錫合金為例，在21(TC至245°C的溫度範圍進行 鉛錫合金焊料回流，由於高鉛鉛錫合金的熔融溫度大於300度，因此， 37wt%Pb、 63wto/。Sn的共晶鉛錫合金在回流的過程中，第一層焊料15的高鉛 鉛錫合金物理狀態不發生變化。參考附圖9所示，為本發明所述方法形成的兩個凸點的截面結構示意圖， 如圖中所示，dl為凸點下金屬層的寬度，也為本發明所形成的凸點的最大寬 度，D1為焊球邊間距，也即相鄰兩個凸點之間的最小距離，設定dl為100um， Dl也為100的情況下，則兩個相鄰的凸點的中心之間的距離Al為200um。參考附圖10所示，為現有技術中常規的兩個凸點的截面結構示意圖，如 圖中所示，d2為凸點下金屬層的寬度，也為本發明所形成的凸點的最大寬度， D2為焊球邊間距，也即相鄰兩個凸點之間的最小距離，設定d2為100um， 則單個凸點的直徑大於100um，根據經驗推算其數值為125um，設定Dl也為 IOO的情況下，則兩個相鄰的凸點的中心之間的距離Al為250um。通過附圖9和附圖IO所做的設定和附圖表示，在保持焊球邊間距和凸點 下金屬層的寬度相同並且為上述的設定值的情況下，則在1000umx 1000um 的平面上，採用本發明所提供的凸點可以布25個凸點，而現有技術中的凸點
只可以布16個凸點。因此，本發明提供的技術方案大大的提高了在集成電路 板上可形成的凸點的密度。在集成電路逐漸縮小的情況下，即使不縮小凸點 的尺寸和焊球邊間距，也能夠滿足在相同面積上形成多個凸點的要求。本發明在附圖9和附圖10中所作的設定僅僅是為了說明發明的效果，並非對形成 的凸點的尺寸和焊球邊間距進行限定，本領域的技術人員可以根據實際的工 藝要求，可以做任何的改動和變更，而不會對本發明的應用範圍產生影響。雖然本發明己以較佳實施例糹皮露如上，但本發明並非限定於此。任何本 領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改， 因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。
權利要求
1、一種凸點製作方法，其特徵在於，包括如下步驟在晶片上沉積凸點下金屬層；在凸點下金屬層上形成光刻膠層、並通過曝光和顯影形成光刻膠開口；在光刻膠開口位置的凸點下金屬層上形成厚度不大於光刻膠厚度的第一層焊料；在第一層焊料上沉積第二層焊料，其中，第二層焊料的熔融溫度小於第一層焊料的熔融溫度；去除光刻膠和凸點下金屬層；回流第二層焊料形成凸點。
2、 根據權利要求1所述的凸點製作方法，其特徵在於，所述第一層焊 料的熔融溫度與第二層焊料的熔融溫度的差值大於5(TC。
3、 根據權利要求1所述的凸點製作方法，其特徵在於，形成第一層焊 料和第二層焊料的工藝為電鍍工藝。
4、 根據權利要求1至3中任一項所述的凸點製作方法，其特徵在於， 第一層焊料的厚度為30至200um。
5、 根據權利要求4所述的凸點製作方法，其特徵在於，第一層焊料的 厚度為50至150um。
6、 根據權利要求5所述的凸點製作方法，其特徵在於，第一層焊料的 厚度為60至120um。
7、 根據權利要求1至3中任一項所述的凸點製作方法，其特徵在於， 回流後第二層焊料的厚度為2至20um。
8、 根據權利要求3所述的凸點製作方法，其特徵在於，第一層焊料為 鉛的質量百分比含量高於95%的高鉛鉛錫合金，第二層焊料為共晶鉛錫合金。
9、 根據權利要求8所述的凸點製作方法，其特徵在於，回流第二層焊 料的溫度為21(TC至245。C。
10、 根據權利要求8所述的凸點製作方法，其特徵在於，鉛的質量百分 比含量高於95 %的高鉛鉛錫合金的電鍍工藝包括如下步驟在凸點下金屬層上以0.1 A/dm2至1 A/dm2的電流密度電鍍1至5分鐘；在3A/dn^至10A/dtT^的電流密度下電鍍。
全文摘要
一種凸點製作方法，包括如下步驟在晶片上沉積凸點下金屬層；在凸點下金屬層上形成光刻膠層、並通過曝光和顯影形成光刻膠開口；在光刻膠開口位置的凸點下金屬層上形成厚度不大於光刻膠厚度的第一層焊料；在第一層焊料上沉積第二層焊料，其中，第二層焊料的熔融溫度小於第一層焊料的熔融溫度；去除光刻膠和凸點下金屬層；回流第二層焊料，形成凸點。上述方法形成的凸點可以提高集成電路板上凸點的密度。
文檔編號H01L21/02GK101154604SQ20061011685
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月30日 優先權日2006年9月30日
發明者丁萬春, 津 孟, 李德君 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司