鈍化後互連件結構及其形成方法
2023-12-07 19:33:26 1
鈍化後互連件結構及其形成方法
【專利摘要】本發明公開了鈍化後互連件結構及其形成方法。器件包括金屬焊盤、與金屬焊盤的邊緣部分重疊的鈍化層、以及位於鈍化層上方的第一聚合物層。鈍化後互連件(PPI)具有覆蓋第一聚合物層的水平部分和具有連接到水平部分的頂部的插頭部分。插頭部分延伸到第一聚合物層的內部。插頭部分的底面與介電材料相接觸。第二聚合物層覆蓋第一聚合物層。
【專利說明】鈍化後互連件結構及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體領域，更具體地，涉及鈍化後互連件結構及其形成方法。
【背景技術】
[0002]在晶圓級晶片尺寸封裝(WLCSP)的形成過程中，先在晶圓中的半導體襯底的表面上形成電晶體這樣的集成電路器件。然後在集成電路器件的上方形成互連件結構。金屬焊盤形成在且電連接至互連件結構。鈍化層和第一聚合物層形成在金屬焊盤上，同時，通過鈍化層和第一聚合物層中的開口露出金屬焊盤。
[0003]然後形成鈍化後互連件(PPI)，接著，在PPI的上方形成第二聚合物層。形成的凸塊下金屬化層(UBM)延伸至第二聚合物層的開口中，其中，UBM電連接至PPI。然後焊料球放置在UBM的上方且進行回流焊。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明提供了一種器件，包括:金屬焊盤；鈍化層，與金屬焊盤的邊緣部分重疊；第一聚合物層，位於鈍化層的上方；鈍化後互連件(PPI)，包括:水平部分，覆蓋第一聚合物層；和插頭部分，包括連接至水平部分的頂部，插頭部分延伸進第一聚合物層，插頭部分的底面與介電材料相接觸；以及第二聚合物層，覆蓋第一聚合物層。
[0005]其中，插頭部分的底面與鈍化層的頂面相接觸。
[0006]該器件進一步包括:凸塊下金屬化層(UBM)，延伸進第二聚合物層以電連接至PPI ;以及電連接件，位於UBM的上方。
[0007]其中，插頭部分不與UBM對準。
[0008]其中，PPI不具有與UBM重疊的插頭部分。
[0009]該器件進一步包括:延伸進第一聚合物層且連接至PPI的水平部分的多個插頭部分，多個插頭部分的底面與鈍化層的頂面相接觸。
[0010]其中，PPI包括銅，並且鈍化層包括:氧化物層；以及氮化物層。
[0011]其中，PPI進一步包括將水平部分電連接至金屬焊盤的第三部分。
[0012]此外，還提供了一種器件，包括:金屬焊盤；鈍化層，與金屬焊盤的邊緣部分重疊；第一聚合物層，覆蓋鈍化層；鈍化後互連件(PPI)，包括:水平部分，覆蓋第一聚合物層；多個插頭部分，位於水平部分的下方且延伸進第一聚合物層，插頭部分的底面與鈍化層相接觸；和第三部分，將水平部分電連接至金屬焊盤；第二聚合物層，位於第一聚合物層的上方；凸塊下金屬化層(UBM)，延伸進第二聚合物層以電連接至PPI ;以及連接件，位於UBM的上方且通過PPI電連接至金屬焊盤。
[0013]其中，多個插頭部分的底面與鈍化層的頂面相接觸。
[0014]其中，多個插頭部分與UBM不對準，並且PPI不具有與UBM重疊的插頭部分。
[0015]其中，PPI包括銅，並且鈍化層包括:氧化物層；以及氮化物層。
[0016]該器件進一步包括:半導體襯底；以及集成電路，形成在半導體襯底中和半導體襯底上，其中，金屬焊盤電連接至集成電路。
[0017]此外，還提供了一種器件，包括:金屬焊盤；鈍化層，包括與金屬焊盤的邊緣部分重疊的部分；第一聚合物層，位於金屬焊盤的上方；
[0018]鈍化後互連件(PPI)，包括:第一部分，覆蓋第一聚合物層；和第二部分，位於第一部分的下方且將第一部分電連接至金屬焊盤；以及第二聚合物層，包括:水平部分，位於PPI的上方；和聚合物插頭部分(聚合物插頭)，延伸進PPI且被PPI環繞。
[0019]其中，聚合物插頭部分的底面與第一聚合物層的頂面相接觸。
[0020]該器件進一步包括:凸塊下金屬化層(UBM)，延伸進第二聚合物層以電連接至PPI ;以及電連接件，覆蓋UBM。
[0021]其中，聚合物插頭與UBM不對準。
[0022]其中，第二聚合物層不具有與UBM重疊的聚合物插頭部分。
[0023]該器件進一步包括:延伸進PPI的多個聚合物插頭部分，多個聚合物插頭部分的每一個都是第二聚合物層的一部分且被PPI環繞，並且多個聚合物插頭部分的底面與第一聚合物層的頂面相接觸。
[0024]該器件進一步包括:半導體襯底；以及集成電路，形成在半導體襯底中和半導體襯底上，其中，金屬焊盤電連接至集成電路。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]為了更全面地理解實施例及其優勢，現將結合附圖所進行的描述作為參考，其中:
[0026]圖1-圖4A示出了根據一些示例性實施例的製造包含鈍化後互連件結構的晶圓的中間階段的截面圖；
[0027]圖4B示出了圖4A所示結構的頂視圖；
[0028]圖5-圖7A示出了根據可選實施例的製造包含鈍化後互連件結構的晶圓的中間階段的截面圖；以及
[0029]圖7B示出了圖7A所示結構的頂視圖。
【具體實施方式】
[0030]下面，詳細討論本發明各實施例的製造和使用。然而，應該理解，這些實施例提供了許多可以在各種具體環境中實現的可應用的概念。所討論的具體實施例僅僅示出了製造和使用本發明的具體方式，而不用於限制本發明的範圍。
[0031]根據實施例提供包含鈍化後互連件(PPI)結構的晶圓及其形成方法。示出了製造各種實施例的中間階段。然後討論了實施例的變化。在各種圖和示出的實施例中，相同的參考數字用於表示相同的元件。
[0032]參見圖1，提供了包括半導體襯底20的晶圓100。半導體襯底20可以是塊體矽襯底或絕緣體上矽襯底。或者，也可以使用包括族II1、IV和V元素的其他半導體材料，其可以包括矽鍺、碳化矽和II1-V化合物半導體材料。在半導體襯底20中和/或上形成諸如電晶體(如圖所示21)的集成電路器件。晶圓100可以進一步包括半導體襯底20上方的層間電介質(ILD) 22和ILD 22上方的互連件結構24。互連件結構24包括均形成在介電層25中的金屬線26和通孔28。以下將在同一平面上的金屬線的組合稱之為金屬層。因此，互連件結構24可以包括通過通孔28互連的多個金屬層。金屬線26和通孔28可以由銅或銅合金形成，當然，也可以由其他金屬形成。在一些實施例中，介電層25由低k介電材料形成。例如，低k介電材料的介電常數(k值)可以小於大約3.0,或小於大約2.5。
[0033]金屬焊盤30形成在互連件結構24的上方，且可以通過金屬線26和通孔28電連接至集成電路器件21，其中，示出的線29代表電連接。金屬焊盤30可以是鋁焊盤或鋁銅焊盤，因此，下文可以稱其為鋁焊盤30，當然也可以使用其他金屬材料。鈍化層32形成在互連件結構24的上方。鈍化層32的一部分可以覆蓋鋁焊盤30的邊緣部分，而通過鈍化層32的開口露出鋁焊盤30的中心部分。鈍化層32可以是單層或複合層，也可以由無孔材料形成。在一些實施例中，鈍化層32是包含氧化娃層(未不出)和氮化娃層(未不出)的複合層。鈍化層32也可以由其他無孔介電材料形成,如非摻雜娃玻璃(USG)、氮氧化娃、和/或其他材料。
[0034]參見圖2，聚合物層36形成在鈍化層32的上方。聚合物層36可以包括諸如環氧樹脂、聚醯亞胺、苯並環丁烯(BCB)、聚苯並惡唑(PBO)、的聚合物等。例如，形成方法可以包括旋塗。聚合物層36可以以液態形式分布然後被固化。
[0035]圖案化聚合物層36，以形成開口 38和40。開口 40與金屬焊盤30對準，其中，通過開口 40露出金屬焊盤30。開口 38不與金屬焊盤和與金屬焊盤30同時形成的金屬線(如果有)對準。因此，通過開口 38露出鈍化層32。在聚合物層36由光敏材料形成的實施例中，通過光刻掩膜(未示出)曝光以圖案化聚合物層36。然後顯影露出的聚合物層36以形成開口 38和40。
[0036]圖3示出了 PPI 44的形成，其中，先形成鈍化層32，再形成PPI 44，這樣的過程被稱為PPI 44的形成。在一些實施例中，PPI 44的形成包括沉積晶種層41，在晶種層41的上方形成並圖案化掩膜46，然後在晶種層41的上方形成金屬層42。晶種層41可以是使用物理氣相沉積(PVD)沉積的銅層。金屬層42可以由純銅、基本純的銅或銅合金形成，也可以通過電鍍形成。掩膜層46可以是幹膜或光刻膠。金屬層42形成之後，去除掩膜層46。然後在蝕刻步驟中，去除晶種層41的部分，S卩，與掩膜層46重疊的部分。
[0037]PPI 44包括覆蓋聚合物層36的部分44A (下文也之稱為水平部分)，和作為通孔的部分44B(下文也稱之為插頭部分)，以電連接至金屬焊盤30。此外，PPI 44進一步包括部分44C，該部分44C形成在開口 38中(如圖2所示)並延伸至聚合物層36內。部分44C的底面44C』與鈍化層32的頂面32』相接觸。此外，底面44C』不與任何導電部件接觸，如鈍化層32中的金屬焊盤和金屬線。通過整個描述，部分44C被稱為PPI插頭。PPI插頭44C和覆蓋部分44A在同一個步驟中由相同材料形成。因此，在PPI插頭44C和覆蓋部分44A之間無可視界面。
[0038]圖4A示出了聚合物層48和凸塊下金屬化層(UBM) 50的形成和圖案化。聚合物層48可以包括聚醯亞胺或其他聚合物基材料(如PB0、BCB、環氧樹脂、或其他材料)。在一些實施例中，通過使用旋塗，形成聚合物層48。
[0039]接著，形成UBM層50。在一些實施例中，UBM層50包括阻擋層和阻擋層上方的晶種層(未示出)。UBM層50延伸至聚合物層48的開口中，以及電連接至並且可以物理接觸於PPI 44。阻擋層可以是鈦層、氮化鈦層、鉭層、氮化鉭層、或由鈦合金或鉭合金形成的層。晶種層的材料可以包括銅或銅合金。在一些實施例中，使用PVD或其他可用方法形成UBM層50。
[0040]進一步參見圖4A，形成連接件52。在一些實施例中，連接件52是金屬區，其可以是位於UBM層50上的金屬球(如，焊料球或銅球)，或者也可以是通過電鍍形成在UBM層50上的金屬柱。然後，對金屬區進行回流焊工藝，並形成金屬球52。在可選的實施例中，連接件52包括金屬柱(可以是銅柱)。在金屬柱上也可以形成附加層，如鎳層、焊料蓋頂、鈀層、和其他層。
[0041]PPI部分44A包括與UBM層50和連接件52重疊的部分44D和與UBM50和連接件52不重疊的部分44E。在一些實施例中，PPI插頭44C形成在部分44E的下方，而在部分44D的下方，沒有形成PPI插頭。在可選的實施例中，PPI插頭44C形成在部分44D和44E的下方。
[0042]圖4B示出了圖4D所示結構的頂視圖,其中，根據示例性實施例,示意性示出了 PPI44、連接件52和金屬焊盤30。PPI插頭44C可以被布置成陣列或其他可用布局，如蜂窩狀布局。PPI插頭44C的頂視圖形狀可以是條形、正方形、圓形、六邊形、八角形、或其他形狀。在一些實施例中，PPI插頭44C和PPI 44的最近邊緣44F之間的間距為SI，間隔SI大於大約5μηι，或大於大約ΙΟμπι。相鄰PPI插頭44C之間的間隔S2可以大於大約5μηι或大於大約10 μ m。PPI插頭44C的橫向尺寸(如長度LI和寬度Wl)的範圍介於大約2μπι和大約40μηι之間，或大約5μηι和大約20μηι之間。然而,應該理解,在整個描述中，該值僅僅為實例，並且可以變成不同值。
[0043]在相同晶片或相同晶圓中，一些PPI(如PPI 44)可以包括PPI插頭，而其他PPI (如144)可以不包括PPI插頭。在一些實施例中，PPI的局部圖像密度決定了是否形成PPI的PPI插頭。局部圖像密度是由局部晶片區54中所有PPI的總頂視圖面積除以局部晶片區54的頂視圖面積而得出的。例如，局部晶片區54的長度L2和寬度W2可以等於或大於大約125 μ m，當然也可以規定為其他不同尺寸以確定局部區的尺寸。例如，長度L2和寬度W2的值範圍可以介於大約50 μ m和大約500 μ m之間。例如，當局部圖像密度大於預定閾值圖像密度大約60%時，需要在相應局部晶片區中的PPI中形成PPI插頭44C。否則，如果PPI的局部圖像密度小於預定閾值圖像密度時，可以形成或不形成PPI插頭作為相應局部晶片區中PPI的部分。例如，參見圖4，局部晶片區54中的PPI的圖像密度低，因此，在局部晶片區54中沒有形成PPI插頭。
[0044]下面的方程式I指定形成PPI插頭的條件為:
[0045]AppiAlocal > Pth[方程式 I]
[0046]其中，Appi是局部晶片區54中PPI的總面積，Altjeal是局部晶片區54的總晶片面積，Pth是局部晶片區54中PPI的預定閾值圖像密度。根據設計規則，確定局部晶片區54的最小尺寸和預定閾值圖像密度。
[0047]當在相應局部晶片區54中形成PPI插頭44C時，下列關係也可成立:
[0048](App1-Aplug) /Alocal〈 一 Pth[方f王式 2]
[0049]其中，Aplug是相應局部晶片區54中所有PPI插頭44C的總面積。方程式2表明，選擇PPI插頭44C的總頂視圖面積，以抵消局部晶片區中PPI的過度高的圖像密度。因此，PPI的圖像密度越高，形成的PPI插頭44C就越多(和/或越大)。[0050]圖5-圖7A示出了根據可選實施例的形成鈍化後結構的中間階段的截面圖。除非另有說明，這些實施例中的部件的材料和形成方法與其他相同部件的材料和形成方法基本相同，因此，可以用圖1-圖4B所示實施例中的相同參考數字來表示。所以，在圖1-圖4B所示實施例的討論中可以找到有關圖5-圖7B所示部件的形成工藝、材料和值的詳細內容。
[0051]參見圖5，形成初始結構。除了在聚合物層36中未形成PPI插頭44C，而是在PPI44中形成開口 56之外，該結構與圖3所示的結構相似。除了掩膜層46也包括附加部分46』以確定開口 56的尺寸和位置之外，PPI 44的形成與圖3所示的實施例相似。然後，如圖6所示，形成聚合物層48。聚合物層48包括延伸到開口 56 (圖5)中的部分48A (或者下文稱之為插頭部分)。聚合物層48的部分48A被稱為聚合物插頭48A。聚合物插頭48A和聚合物層48的覆蓋部分(或者被稱為水平部分)在同一步驟中由相同材料形成。因此，在聚合物插頭48A和覆蓋部分之間沒有可視界面。然後，參見圖7A，形成UBM 50和連接件52。
[0052]圖7B示出了圖4D所示結構的頂視圖,其中,根據示例性實施例示出PPI 44、連接件52、和金屬焊盤30。聚合物插頭48A可以被布置成陣列或其他可用布局,如蜂窩狀布局。聚合物插頭48A的頂視圖形狀可以是條形、正方形、圓形、六邊形、八角形、或其他形狀。在一些實施例中，聚合物插頭48A和PPI 44的最近邊緣44F之間的間距為SI，間隔SI可以大於大約5 μ m,或大於大約10 μ m。相鄰聚合物插頭48A之間的間隔S2可以大於大約5 μ m或大於大約ΙΟμπι。聚合物插頭48Α的橫向尺寸(如長度LI和寬度Wl)的範圍可以介於大約2 μ m和大約40 μ m之間，或大約5 μ m和大約20 μ m之間。
[0053]和PPI插頭44C的形成相似，PPI的局部圖像密度決定是否在PPI中形成聚合物插頭48A。例如，當局部晶片區54中的PPI的局部圖像密度大於預定閾值圖像密度時，在局部晶片區54中的PPI中形成開口 56 (如圖6所示)，以降低局部圖像密度至預定閾值圖像密度以下。否則，如果局部晶片區中的PPI的局部圖像密度小於預定閾值圖像密度，則在相應部分晶片區中的PPI中可以形成或不形成聚合物插頭。
[0054]在實施例中，使用PPI插頭和/或聚合物插頭來減少PPI 44 (圖4A-圖7A所示)和聚合物層36和48之間的分層(delamination)。因為PPI 44的熱膨脹係數(CTE)和聚合物層36和48的CTE之間存在明顯的不匹配，所以在可靠性測試(包括在大約-40°C和125°C之間進行多次熱循環)後，會出現分層。但是，在一些實施例中，通過形成PPI插頭和/或聚合物插頭來減少分層。
[0055]根據實施例，一種器件包括金屬焊盤、與金屬焊盤的邊緣部分重疊的鈍化層和鈍化層上方的第一聚合物層。鈍化後互連件(PPI)具有覆蓋第一聚合物層的水平部分和具有與水平部分相連的頂部的插頭部分。插頭部分延伸到第一聚合物層的內部。插頭部分的底面與介電材料相接觸。第二聚合物層覆蓋第一聚合物層。
[0056]根據其他實施例，一種器件包括金屬焊盤、與金屬焊盤的邊緣部分重疊的鈍化層和覆蓋鈍化層的第一聚合物層。PPI包括覆蓋第一聚合物層的水平部分、第一部分下面且延伸到第一聚合物層內部的多個插頭部分，其中，插頭部分的底面與鈍化層和將水平部分電連接至金屬焊盤的第三部分相接觸。第二聚合物層位於第一聚合物層的上方。UBM延伸至第二聚合物層的內部，以電連接至PPI。含焊料的連接件位於UBM的上方且通過PPI電連接至金屬焊盤。插頭部分在垂直方向上不與UBM對準。
[0057]根據其他實施例，一種器件包括金屬焊盤、具有與金屬焊盤的邊緣部分重疊的部分的鈍化層，以及在金屬焊盤上方的第一聚合物層。PPI包括覆蓋第一聚合物層的第一部分和位於第一部分下面且將第一部分電連接至金屬焊盤的第二部分。第二聚合物層包括PPI上方的水平部分和延伸至PPI的內部且由PPI環繞的插頭部分。聚合物插頭的底面可以與第一聚合物層的頂面相接觸。
[0058]儘管已經詳細地描述了本發明及其優勢，但應該理解，可以在不背離所附權利要求限定的本發明主旨和範圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請的範圍並不僅限於本說明書中描述的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。作為本領域普通技術人員應理解，通過本發明，現有的或今後開發的用於執行與根據本發明所採用的所述相應實施例基本相同的功能或獲得基本相同結構的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟本屆本發明可以被使用。因此，所附權利要求應該包括在這樣的工藝、機器、製造、材料組分、裝置、方法或步驟的範圍內。此外，每條權利要求構成單獨的實施例，並且多個權利要求和實施例的組合在本發明的範圍內。
【權利要求】
1.一種器件，包括: 金屬焊盤； 鈍化層，與所述金屬焊盤的邊緣部分重疊； 第一聚合物層，位於所述鈍化層的上方； 鈍化後互連件(PPI)，包括: 水平部分，覆蓋所述第一聚合物層；和 插頭部分，包括連接至所述水平部分的頂部，所述插頭部分延伸進所述第一聚合物層，所述插頭部分的底面與介電材料相接觸；以及第二聚合物層，覆蓋所述第一聚合物層。
2.根據權利要求1所述的器件，其中，所述插頭部分的底面與所述鈍化層的頂面相接觸。
3.根據權利要求1所述的器件，進一步包括: 凸塊下金屬化層(UBM)，延伸進所述第二聚合物層以電連接至所述PPI ;以及 電連接件，位於所述UBM的上方。
4.根據權利要求3所 述的器件，其中，所述插頭部分不與所述UBM對準。
5.根據權利要求3所述的器件，其中，所述PPI不具有與所述UBM重疊的插頭部分。
6.根據權利要求1所述的器件，進一步包括:延伸進所述第一聚合物層且連接至所述PPI的所述水平部分的多個插頭部分，所述多個插頭部分的底面與所述鈍化層的頂面相接觸。
7.根據權利要求1所述的器件，其中，所述PPI包括銅，並且所述鈍化層包括: 氧化物層；以及 氮化物層。
8.根據權利要求1所述的器件，其中，所述PPI進一步包括將所述水平部分電連接至所述金屬焊盤的第三部分。
9.一種器件，包括: 金屬焊盤； 鈍化層，與所述金屬焊盤的邊緣部分重疊； 第一聚合物層，覆蓋所述鈍化層； 鈍化後互連件(PPI)，包括: 水平部分，覆蓋所述第一聚合物層； 多個插頭部分，位於所述水平部分的下方且延伸進所述第一聚合物層，所述插頭部分的底面與所述鈍化層相接觸；和 第三部分，將所述水平部分電連接至所述金屬焊盤； 第二聚合物層，位於所述第一聚合物層的上方； 凸塊下金屬化層(UBM)，延伸進所述第二聚合物層以電連接至所述PPI ;以及 連接件，位於所述UBM的上方且通過所述PPI電連接至所述金屬焊盤。
10.一種器件，包括: 金屬焊盤； 鈍化層，包括與所述金屬焊盤的邊緣部分重疊的部分； 第一聚合物層，位於所述金屬焊盤的上方；鈍化後互連件(PPI)，包括:第一部分，覆蓋所述第一聚合物層；和第二部分，位於所述第一部分的下方且將所述第一部分電連接至所述金屬焊盤；以及第二聚合物層，包括:水平部分，位於所述PPI的上方；和聚合物插頭部分(聚合物插頭)，延伸進所述PPI且被所述PPI環繞。
【文檔編號】H01L23/538GK103681611SQ201210559178
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年12月20日 優先權日:2012年9月14日
【發明者】陳憲偉, 陳英儒 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司