集成電路器件中的細長凸塊的製作方法與工藝

2023-05-23 19:24:11

集成電路器件中的細長凸塊本申請要求2012年3月29日提交的標題為「ElongatedBumpsinIntegratedCircuitDevices」的美國臨時專利申請序列號61/617,480的優先權，其內容結合於此作為參考。技術領域本發明總來說涉及半導體領域，更具體地，涉及集成電路器件中的細長凸塊。

背景技術：
集成電路由數百萬個諸如電晶體和電容器的有源器件構成。這些器件最初彼此隔離，但稍後被互連來形成功能電路。典型的互連結構包括諸如金屬線(配線)的橫向互連和諸如通孔和接觸件的縱向互連。在互連結構的頂部上形成連接結構，並且連接結構包括在相應晶片的表面上形成並露出的接合焊盤或金屬凸塊。通過接合焊盤/金屬凸塊進行電連接以將晶片連接至封裝襯底或另一個管芯。可通過引線接合或倒裝晶片接合來進行電連接。一種類型的連接結構包括鋁焊盤，其電連接至相應下方的互連結構。形成鈍化層和聚合物層，其中部分鈍化層和部分聚合物層覆蓋鋁焊盤的邊緣部分。形成凸塊下金屬化層(UBM)以延伸到鈍化層和聚合物層的開口中。銅柱和焊料蓋可形成在UBM上。

技術實現要素：
根據本發明的一個方面，提供了一種器件，包括：襯底；金屬焊盤，於襯底上方；鈍化層，覆蓋金屬焊盤的邊緣部分，鈍化層包括與金屬焊盤重疊的第一開口，並且第一開口具有在與襯底的主面平行的方向上測量的 第一橫向尺寸；聚合物層，位於鈍化層上方並覆蓋金屬焊盤的邊緣部分，聚合物層包括與金屬焊盤重疊的第二開口，第二開口具有在該方向上測量的第二橫向尺寸，並且第一橫向尺寸比第二橫向尺寸大7μm以上；以及凸塊下金屬化層(UBM)，包括位於第二開口中的第一部分和覆蓋部分聚合物層的第二部分。優選地，UBM具有在該方向上測量的第三橫向尺寸，第一橫向尺寸比第三橫向尺寸小約2μm以上。優選地，該器件進一步包括位於UBM上方的金屬柱。優選地，器件管芯包括金屬焊盤、鈍化層、聚合物層和UBM，並且金屬柱通過銅柱導線直連接合而接合至封裝襯底的金屬線。優選地，UBM具有細長的俯視形狀並包括一長度和小於該長度的寬度，並且該方向與UBM的縱向平行。優選地，UBM具有細長的俯視形狀並包括一長度和小於該長度的寬度，並且該方向與UBM的橫向平行。優選地，第一開口、第二開口和UBM具有細長的俯視形狀。根據本發明的另一方面，提供了一種器件，包括：襯底；金屬焊盤，位於襯底上方；鈍化層，覆蓋金屬焊盤的邊緣部分，鈍化層包括與金屬焊盤重疊的第一開口，並且第一開口具有在與襯底的主面平行的方向上測量的第一橫向尺寸；聚合物層，位於鈍化層上方並覆蓋金屬焊盤的邊緣部分，聚合物層包括與金屬焊盤重疊的第二開口；以及凸塊下金屬化層(UBM)，包括位於第二開口中的第一部分和覆蓋部分聚合物層的第二部分，UBM具有在該方向上測量的第二橫向尺寸，並且第一橫向尺寸比第二橫向尺寸小約2μm以上。優選地，第二開口具有在該方向上測量的第三橫向尺寸，第一橫向尺寸比第三橫向尺寸大約7μm以上。優選地，該器件進一步包括位於UBM上方的金屬柱，金屬柱的邊緣與UBM的對應邊緣對齊。優選地，器件管芯包括金屬焊盤、鈍化層、聚合物層和UBM，並且金屬柱通過銅柱導線直連接合而接合至封裝襯底的金屬線。優選地，UBM具有細長的俯視形狀並包括一長度和小於該長度的寬度，並且該方向與UBM的縱向平行。優選地，UBM具有細長的俯視形狀並包括一長度和小於該長度的寬度，並且該方向與UBM的橫向平行。優選地，第一開口、第二開口和UBM具有細長的俯視形狀。根據本發明的另一方面，提供了一種器件，包括：襯底；金屬焊盤，位於襯底上方；鈍化層，覆蓋金屬焊盤的邊緣部分，鈍化層包括第一開口，金屬焊盤的一部分設置在第一開口的下方，並且第一開口具有在第一方向和第二方向上測量的第一長度和第一寬度，第一方向和第二方向平行於襯底的主面；聚合物層，位於鈍化層上方並覆蓋鈍化層，聚合物層具有第二開口，部分金屬焊盤設置在第二開口下方，第二開口具有分別在第一方向和第二方向上測量的第二長度和第二寬度，並且第一長度比第二長度大約7μm以上且第一寬度比第二寬度大約7μm以上；以及凸塊下金屬化層(UBM)，包括位於第二開口中的第一部分和位於部分聚合物層上方的第二部分，UBM具有分別在第一方向和第二方向上測量的第三長度和第三寬度，並且第一長度比第三長度小約2μm以上且第一寬度比第三寬度小約2μm以上。優選地，第一長度、第二長度和第三長度分別大於第一寬度、第二寬度和第三寬度。優選地，該器件進一步包括位於金屬焊盤下方的低k介電層。優選地，UBM包括銅。優選地，該器件進一步包括位於UBM上方的金屬柱，金屬柱的邊緣與UBM的對應邊緣對齊。優選地，器件管芯包括金屬焊盤、鈍化層、聚合物層和UBM，並且金屬柱通過銅柱導線直連接合而接合至封裝襯底的金屬線。附圖說明為了更完整地理解本發明的實施例以及它們的優點，現在結合附圖作為參考進行以下描述，其中：圖1示出了根據一些示例性實施例的封裝部件的截面圖；圖2示出了包括兩個封裝部件之間的銅柱導線直連(bump-on-trace)接合的封裝件；以及圖3示出了圖1中的各個部件的俯視圖。具體實施方式以下詳細討論本發明實施例的製作和使用。然而，應該理解，本實施例提出了許多可以在各種具體環境中具體化的可應用發明概念。所討論的具體實施例是說明性的，而不限制本發明的範圍。圖1示出了根據示例性實施例的封裝部件20的截面圖。在一些實施例中，封裝部件20是器件管芯。根據這些實施例，半導體襯底30可以是體矽襯底或絕緣體上矽襯底。可選地，半導體襯底30還可以包括含有III族、IV族和V族元素的其他半導體材料。集成電路32形成在半導體襯底30的表面30A。集成電路32可包括互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件。在可選實施例中，封裝部件20是中介管芯、封裝襯底、封裝件等。在封裝部件20是中介管芯的實施例中，封裝部件20中不包括諸如電晶體的有源器件。在這些實施例中，封裝部件20可包括諸如電阻器和電容器的無源器件，或者不包括無源器件。封裝部件20可進一步包括位於半導體襯底30上方的層間介電層(ILD)33和位於ILD33上方的金屬層34。金屬層34包括形成在介電層38中的金屬線35和通孔36。在一些實施例中，介電層38由低k介電材料形成。低k介電材料的介電常數(k值)例如可小於約2.8或小於約2.5。金屬線35和通孔36可由銅、銅合金或其他金屬形成。金屬焊盤40形成在金屬層34上方，並且可通過金屬層34中的金屬線35和通孔36與電路32電耦合。金屬焊盤40可以是鋁焊盤或鋁-銅焊盤。金屬焊盤40的橫向尺寸標記為DAP。橫向尺寸DAP可以是在與襯底30的主面(諸如頂面30A)平行的方向上測量的長度或寬度。鈍化層42被形成為覆蓋金屬焊盤40的邊緣部分。金屬焊盤40的中心部分通過鈍化層42中的開142露出並位於開142下方。開142具有 橫向尺寸Dpass2，其可以是在與襯底30主面30A平行的方向上測量的長度或寬度。鈍化層42可以是單層或複合層，並且可以由非多孔材料形成。在一些實施例中，鈍化層42是包括氧化矽層(未示出)和位於氧化矽層上方的氮化矽層(未示出)的複合層。在可選實施例中，鈍化層42包括非摻雜矽酸鹽玻璃(USG)、氮氧化矽等。儘管示出了一個鈍化層42，但可以有多個鈍化層。例如，在金屬焊盤40下方，可以有鈍化層39。在實施例中，鈍化層39和鈍化層42在整個說明書中還被稱為鈍化層-1(或鈍化層1)39和鈍化層-2(或鈍化層2)42。聚合物層46形成在鈍化層42的上方並覆蓋鈍化層42。聚合物層46可包括諸如環氧樹脂、聚醯亞胺、苯並環丁烯(BCB)、聚苯並惡唑(PBO)等的聚合物。聚合物層46被圖案化以形成開口146，通過該開口露出金屬焊盤40。開口146具有橫向尺寸DPIO，在與襯底30主面30A平行的方向上測量該橫向尺寸。凸塊下金屬化層(UBM)48形成在金屬焊盤40上方。UBM48包括位於聚合物層46上方的第一部分和延伸到開口146中以接觸金屬焊盤40的第二部分。UBM48的橫向尺寸被標記為DUBM，在與襯底30主面30A平行的方向上測量該橫向尺寸。在一些實施例中，UBM48包括鈦層和由銅或銅合金形成的種子層。金屬柱50形成在UBM48上方並與UBM48共終端。例如，金屬柱50的每一個邊緣均與UBM48的對應邊緣對齊。因此，金屬柱50的橫向尺寸也等於UBM48的相應橫向尺寸。UBM48可與金屬焊盤40和金屬柱50物理接觸。在一些示例性實施例中，金屬柱50由在回流工藝中不會熔化的非回流金屬形成。例如，金屬柱50可由銅或銅合金形成。金屬柱50的頂面50A高於聚合物層46的頂面46A。除金屬柱50之外，還可以有諸如金屬層52的其他金屬層形成在金屬柱50上，其中金屬層52可包括鎳層、鈀層、金層或它們的多層。焊料蓋54還可形成在金屬層52上，其中焊料蓋54可由Sn-Ag合金、An-Cu合金或Sn-Ag-Cu合金等形成，並且可以是無鉛或含鉛的。根據一些實施例，為了最小化低k介電層38中的應力和施加在鈍化層 242和聚合物層46上的應力，UBM48的橫向尺寸DUBM、鈍化層242中開口142的橫向尺寸Dpass2以及聚合物層46中開口146的橫向尺寸DPIO可具有以下關係式：(DPIO+7μm)＜Dpass2＜(DUBM-2μm)[方程式1]當滿足這種關係時，低k介電層38、鈍化層242以及聚合物層46中的應力足夠小，使得封裝部件20可通過可靠性測試。圖2示出了通過銅柱導線直連(BOT)接合方式將金屬柱50接合至封裝部件60的金屬線62。在一些實施例中，封裝部件60是封裝襯底，其可以是層壓襯底。封裝部件60包括多個層壓介電層以及嵌入層壓介電層的金屬線和通孔(未示出)。在可選實施例中，封裝部件60是器件管芯、封裝件、中介管芯等。在BOT接合方式中，焊料區54接合至金屬線62的表面62A和側面62B。圖3示出了金屬焊盤40、UBM48、鈍化層2開口142以及聚合物開口146的示例性俯視圖。還示意性示出了封裝部件60(圖2)的金屬線62。在一些實施例中，金屬焊盤40、UBM48、鈍化層2開口142以及聚合物開口146具有細長的俯視圖形狀，並且具有在相應的縱向方向上測量的長度和在相應的橫向方向上測量的寬度。金屬線62的縱向方向與金屬焊盤40、UBM48、鈍化層2開口142以及聚合物開口146的縱向方向平行。方程式1中的UBM48、鈍化層2開口142以及聚合物開口146的橫向尺寸DUBM、Dpass2以及DPIO可以分別是長度LUBM、Lpass2以及LPIO。因此，方程式1可改寫為：(LPIO+7μm)＜Lpass2＜(LUBM-2μm)[方程式2]此外，UBM48、鈍化層2開口142以及聚合物開口146的橫向尺寸DUBM、Dpass2以及DPIO也可以分別是寬度WUBM、Wpass2以及WPIO。因此，方程式1可改寫為：(WPIO+7μm)＜Wpass2＜(WUBM-2μm)[方程式3]根據一些實施例，當形成如圖1和圖3所示的封裝部件20時，可以滿足方程式2或方程式3。此外，可以同時滿足方程式2和方程式3。方程式2和3不包括金屬焊盤40的長度LAP和寬度WAP之間的關係。 實驗結果表明金屬焊盤40的形狀和尺寸對於減小圖1所示結構中的應力沒有明顯的影響。因此，可靈活選擇金屬焊盤40的尺寸和形狀而不犧牲封裝部件20的可靠性。對具有不同尺寸LAP/WAP、LUBM/WUBM、Lpass2/Wpass2以及LPIO/WPIO的不同抽樣管芯20(圖1)執行仿真。表1列出了部分仿真結果。表1抽樣管芯12345678LAP/WAP7956/10179797956/1017979Lpass2/Wpass2696969/7450/7448/7444/7442/7437/74LPIO/WPIO30/4030/4030/4030/4030/4030/4030/4030/40LUBM/WUBM50/9550/9550/9550/9550/9550/9550/9550/95標準化應力1.191.191.201.11.031.000.980.97在表1中，對具有圖1所示結構的八個抽樣管芯進行仿真，以揭示對應低k介電層38中的相應應力。表中最後一行所示的最終應力是相對值，相對於抽樣管芯6中低k介電層38的應力對它們進行標準化。除了被仿真之外，抽樣管芯6還形成在物理矽襯底上。結果表明抽樣管芯6的結構可具有足夠裕度地通過可靠性測試。考慮到一些裕度，分別具有標準化應力1.1、1.03、1.00、0.98和0.97的樣品4、5、6、7和8是通過仿真的可接受樣品，而分別具有標準化應力1.19、1.19和1.20的樣品1、2和3是失敗樣品。此外，抽樣管芯1也形成在物理矽襯底上，並且結果表明由於對應低k介電層38中的低k分層而失敗。表1的第二、第三、第四、第五行是橫向尺寸(長度和寬度，請參見圖3)。表1中的第二到第五行中的每個單元格都包括一個值或者以「/」標記分隔的兩個值。「/」標記前的值是長度(單位為μm)，而「/」標記後的值是寬度(單位為μm)。如果單元格具有一個值，則該值既表示長度又表示寬度，長度和寬度彼此相等。比較抽樣管芯1和2的LAP/WAP值，發現將金屬焊盤40(圖1)的形狀從直徑為79μm的圓形改變為LAP/WAP為56/101的細長形狀並沒有導致應力減小，其中抽樣管芯1和2的應力都是1.19。這表明金屬焊盤40的尺寸和形狀對應力沒有影響。比較抽樣管芯2和3的Lpass2/Wpass2值還揭示出鈍化層2開口142的形狀對應力減小也 沒有明顯的影響。抽樣管芯3的Lpass2和LUBM值分別是69μm和50μm。抽樣管芯4的Lpass2和LUBM值分別是50μm和50μm。發現減小Lpass2和LUBM值之間的差值使應力從抽樣管芯3的1.20減小到抽樣管芯4的1.1。如抽樣管芯5至8所示，當滿足關係式Lpass2≤(LUBM-2μm)時，相應的應力較低，並且落入可接受範圍。此外，比較抽樣管芯3至8的Lpass2和LPIO值，發現當滿足關係式(LPIO+7μm)＜Lpass2時，可以得到可接受的低應力。表1揭示出長度LAP/Lpass2/LUBM/LPIO和相應應力之間的關係。寬度WAP/Wpass2/WUBM/WPIO和相應應力也具有相似的關係(請參見方程式3)。例如，表2示出了仿真結果，其中長度LAP/Lpass2/LUBM/LPIO保持不變，而抽樣管芯的寬度WAP/Wpass2/WUBM/WPIO發生變化。應力也隨著寬度WAP/Wpass2/WUBM/WPIO的變化而變化。表2抽樣管芯1234567LAP/WAP79797979797979Lpass2/Wpass245/10545/9545/9345/5045/5045/4745/44LPIO/WPIO30/4030/4030/4030/4030/4030/4030/40LUBM/WUBM50/9550/9550/9550/9550/9550/9550/95標準化應力1.221.151.021.000.980.970.96表2所示的仿真結果表明當滿足關係式3時應力值較低。例如，抽樣管芯1和2不滿足關係式Wpass2＜(WUBM-2μm)，並且抽樣管芯1和2的相應應力較高。抽樣管芯4至7滿足關係式Wpass2＜(WUBM-2μm)，並且抽樣管芯4-7的相應應力較低。樣品3處於可接受邊緣，並且其應力是從高應力到低應力的過渡應力。在實施例中，通過優化凸塊結構的尺寸，可減小低k介電層、鈍化層和聚合物層中的應力。這種改進不需要附加的光刻步驟和附加的生產成本。而且，由於對金屬焊盤40的形狀和大小沒有要求，所以金屬焊盤40的布線靈活性也不會受到不利影響。根據實施例，一種器件包括襯底、位於襯底上方的金屬焊盤和覆蓋金屬焊盤的邊緣部分的鈍化層。鈍化層具有與金屬焊盤重疊的第一開口，其 中第一開口具有在與襯底的主面平行的方向上測量的第一橫向尺寸。聚合物層位於鈍化層上方並覆蓋金屬焊盤的邊緣部分。聚合物層具有與金屬焊盤重疊的第二開口。第二開口具有在該方向上測量的第二橫向尺寸。第一橫向尺寸比第二橫向尺寸大約7μm以上。UBM包括位於第二開口中的第一部分和覆蓋部分聚合物層的第二部分。根據其他實施例，一種器件包括襯底、位於襯底上方的金屬焊盤和覆蓋金屬焊盤的邊緣部分的鈍化層。鈍化層包括與金屬焊盤重疊的第一開口。第一開口具有在與襯底的主面平行的方向上測量的第一橫向尺寸。聚合物層位於鈍化層上方並覆蓋金屬焊盤的邊緣部分。聚合物層包括與金屬焊盤重疊的第二開口。UBM包括位於第二開口中的第一部分和覆蓋部分聚合物層的第二部分。UBM具有在方向上測量的第二橫向尺寸。第一橫向尺寸比第二橫向尺寸小約2μm以上。根據又一些其他實施例，一種器件包括襯底、位於襯底上方的金屬焊盤和覆蓋金屬焊盤的邊緣部分的鈍化層。鈍化層具有位於金屬焊盤上方的第一開口。第一開口具有在第一方向和第二方向上測量的第一長度和第一寬度，第一方向和第二方向平行於襯底的主面。聚合物層位於鈍化層上方並覆蓋鈍化層，聚合物層具有第二開口，金屬焊盤的一部分設置在第二開口下方。第二開口具有分別在第一方向和第二方向上測量的第二長度和第二寬度。第一長度比第二長度大約7μm以上，並且第一寬度比第二寬度大約7μm以上。UBM包括位於第二開口中的第一部分和位於部分聚合物層上方的第二部分。UBM具有分別在第一方向和第二方向上測量的第三長度和第三寬度。第一長度比第三長度小約2μm以上，並且第一寬度比第三寬度小約2μm以上。儘管詳細描述本發明的實施例及它們的優點，但是應該理解，可以進行各種改變、替換和變更而不背離所附權利要求限定的實施例的精神和範圍。而且，本申請的範圍不旨在限於說明書中描述的工藝、機器裝置、製造和物質組成、工具、方法和步驟的具體實施例。根據本發明本領域技術人員很容易理解，根據本發明可使用與本文描述的對應實施例執行基本相同功能或實現基本相同結果的目前現有或即將開發的工藝、機器裝置、制 造和物質組成、工具、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在包括這種工藝、機器裝置、製造和物質組成、工具、方法或步驟的範圍內。此外，每個權利要求都構成獨立的實施例，並且各種權利要求和實施例的組合均在本發明的範圍內。