专利名称：具有用于化学镀镍沉积的种子层的底部凸块金属化结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及孩i电子半导体晶片级的芯片尺寸和倒装芯片的加 工。更具体地，/>开了一种底部凸块金属化结构的构成以及相关的 制造方法，其中的底部凸块金属化结构具有金属种子层和化学镀镍
沉积层。
背景技术：
倒装芯片技术是先进的半导体技术，其中，芯片或才莫被面朝下 放置并用各种互连材料结合到基板上。在倒装芯片附接中，焊料凸 块沉积在芯片或才莫上，并用于芯片或集成电i 各与基一反之间的电互连。晶片级芯片尺寸封装和晶片级封装通过在半导体器件制造过
程中直接在半导体器件上形成电连接而发展了倒装芯片的概念。这 允许半导体器件直接被安装到印刷电路板上，因此对于单独封装的
需要被消除了 。所产生的封装器件的尺寸被类似地设置成对应于无
封装的半导体器件。
倒装芯片的底部凸块金属化(UBM )层是用于整体结构的支撑 件。需要UBM作为可焊的表面，并在焊料与焊盘金属成分的最后 金属层(终金属层，final metal layer )之间提供阻挡层。UBM必须 满足若干要求，包括但不限于，向最后金属层提供强、稳定、低电 阻的电连接、很好地粘附到铝和钝化层以密封铝免受环境影响、以 及提供强屏障以防止其它凸块金属的扩散。
图1A和1B示出了处理前的传统的晶片。该器件包括基板10、 器件最后金属12,以及器件钝化层14。基板IO可由包括但不限于 石圭、4家砷化物、4旦酸4里、石圭4者的材津牛或其它用在半导体工业中的适 当晶片基板。器件最后金属12由典型为铝、铜或金，或这些材料 的复合物的金属构成。
器件钝化层14典型地包括氮化硅、氧化氮(oxidenitride )或相 似物质。4屯化层不连续，而是具有开口的，在开口中没有《屯化材泮牛， 该开口被单独的表示为钝化开口 。钝化开口通常为圓形并位于器件 的中心。在钝化开口所限定的区域中，金属将在晶片级芯片尺寸或 倒装芯片封装处理中随后沉积，以形成连接并粘附到器件。
图2A示出了通过化学镀镍过程形成的传统的UBM 16的顶视 图，图2B示出了通过化学镀镍过程形成的传统的UBM 16的横截 面图。UBM 16部分地覆盖4屯化层14,粘附于最后金属12，并典型 地形成约为l.O微米或更厚的层。UBM 16的上表面为焊料凸块的 放置提供地点，并有利于其粘附。但是，利用化学镀镍形成UBM存在若干缺点。化学镀镍不粘 附于钝化层。在某些情况下，因为最后金属合金的变化以及用于产 生接触开口的钝化接触的不一致，使得化学镀镍的沉积不均匀。由 于没有提供稳定且低电阻的电接触，从而可能导致电子器件的集成 性出现问题。另外，在这些开口中会形成湿气，导致在某些区域中 焊料凸块没有被适当结合，从而导致与电接触有关的问题。
另外，化学镀4臬沉积难于在不适于化学镀镍沉积的电子器件上 进行。例如，纯铝、铜和金可能不适合粘附于化学镀4臬，除非化学 镀工艺的化学作用针对每种单独的金属而进行了特别的优化。其它 最后金属层可能不具有与化学镀镍的合适的导电性以提供强电连接。
其它传统的倒装芯片和晶片级芯片尺寸封装器件使用薄膜溅 射，用于沉积用作UBM的薄金属层。但是，这些溅射层更昂贵， 并不像化学镀镍层一样厚。因此，UBM的热机械性能不那么强。 随着凸块产品的市场继续增加，成本和性能压力迫使工业界寻找更 易于执行的薄膜技术。
发明内容
在本发明/>开的一个方面中，^是供了一种底部凸块金属化结 构，该结构利用了金属种子层上的化学镀镍，其提供了改善的热机 械能力、均匀的沉积以及与多种最后金属层的结构相容性和电相容性。
将附图包括进来以提供对于所公开的具有改善的金属性能和 抛掷法试验性能的底部凸块金属化结构的进一步理解，并且将附图并入并构成本i兌明书的一部分，附图示出了示范性实施例，并且连
同i兌明一起用于i兌明本发明的至少一个实施例，图中
图1A示出了处理前的具有4屯化开口和最后金属层的晶片的顶视图。
图1B示出了处理前的具有^/f匕开口和最后金属层的晶片的才黄
截面图。
图2A示出了具有通过化学镀4臬过程形成的传统UBM的晶片
的顶—见图。
图2B示出了具有通过化学镀4臬过^E形成的传统UBM的晶片
的冲黄截面图。
图3A示出了其上沉积有未图案化的薄金属种子层的晶片的顶视图。
图3B示出了其上沉积有未图案化的薄金属种子层的晶片的横
截面图。
图4A示出了置于金属种子层上的图案化的光致抗蚀剂层的顶视图。
图4B示出了置于金属种子层上的图案化的光致抗蚀剂层的横
截面图。
图5A示出了在暴露金属被化学蚀刻且除去了光致抗蚀剂后的 金属种子层的顶-f见图。图5B示出了在暴露金属一皮化学蚀刻且除去了光致抗蚀剂后的 金属种子层的横截面图。
图6A示出了在化学镀镍处于图案化的种子层上后所完成的 UBM结片勾的顶—见图。
图6B示出了在化学镀镍处于图案化的种子层上后所完成的 UBM结构的横截面图。
图7A示出了置于用于可替换的UBM结构的金属种子层上的 图案化光致抗蚀剂层的顶一见图。
图7B示出了置于用于可替换的UBM结构的金属种子层上的 图案化光致抗蚀剂层的横截面图。
图8A示出了在暴露的金属净皮化学蚀刻且除去了光致抗蚀剂后 的用于可替换的示范性UBM结构的金属种子层的顶一见图。
图8B示出了在暴露的金属被化学蚀刻且除去了光致抗蚀剂后 的用于可替换的示范性UBM结构的金属种子层的4黄截面图。
图9A示出了在图案化的化学镀镍处于用于可替换的示范性 UBM结构的金属种子层结构上后的所完成的UBM结构的顶一见图。
图9B示出了在图案化的化学镀镍处于用于可替换的示范性 UBM结构的金属种子层上后的所完成的UBM结构的冲黄截面图。
图IOA示出了器件的顶视图，其利用了用于生产该器件的可替 换过程并且示出了置于金属种子层上的图案化的光致抗蚀剂层。图IOB示出了器件的截面图，其利用了用于生产该器件的可替 换过程并且示出了置于金属种子层上的图案化的光致抗蚀剂层。
图IIA示出了器件的顶视图，其中，在化学镀镍已经利用光致 抗蚀剂层沉积在种子层上之后，利用了用于生产该器件的可替换过 程并且示出了该器件。
图11B示出了器件的截面图，其中，在化学镀镍已经利用光致 抗蚀剂层沉积在种子层上之后，利用了用于生产该器件的可替换过 程并且示出了该器件。
图12A示出了器件的顶视图，其利用了用于生产该器件的可替 换过程，并且已经AM立于种子层上的化学镀镍层去除了光致抗蚀剂。
图12B示出了器件的截面图，其利用了用于生产该器件的可替 换过程，并且已经^v位于种子层上的化学镀4臬层去除了光致抗蚀剂。
图13A示出了在化学镀镍过程之后以及在被暴露的种子金属 一皮4匕学蚀刻之后所完成的UBM结构的顶—见图。
图13B示出了在化学镀镍过程之后以及在被暴露的种子金属 ^^f匕学蚀刻之后所完成的UBM结构的截面图。
图14示出了描述各种类型的UBM的抛掷法试验结果的曲线 图，其中，化学镀镍的执行显示出了经过次数更多的抛掷才出现失效。图15示出了描述各种类型的UBM的抛掷法试-验结果的曲线 图，其中，化学镀镍的执行显示出了在500次抛掷之后的失效率降低。
具体实施例方式
公开了底部凸块金属化(UBM)结构，其具有用作种子层的薄 膜金属层，种子层用于化学镀镍或化学镀镍合金的沉积。种子层可 为粘附化学镀镍的任何材料或金属。金属种子层与化学镀镍层结合 的使用产生了提供改善的热机械强度和抛掷法试验性能的底部凸 块金属化。这种用于晶片级封装应用的改善的才几械性能通过UBM 结构固有的低脆性、化学镀镍的改善的附于另外的非导电表面的粘 合性，以及用于化学镀镍UBM沉积的优化的设计而获得。
种子层的使用允许将化学镀镍用作器件上的UBM，其不具有 适当的最后金属合金作为电接触。例如，公开的具有薄金属种子层 的UBM允许将相同的化学镀镍沉积过程用在用作电子器件的电接 触的各种金属上，诸如纯铝、铜和金。另夕卜，其提供了化学镀镍附 于诸如氧化物、氮化物和聚合物层的非导电表面的优异的粘合性。 另夕卜，通过乂人该过程中消除主要的变化原因，4吏化学镀4臬沉积过程 稳定。例如，如果用作未图案化的覆盖层(blanket layer),则UBM 消除了电子器件的各种电接触上的电镀中的变化，而与包含在电子 器件中的有源器件的交互作用会导致这样的变化。
至于电子器件，该金属种子层沉积在钝化接触开口上以密封开 口并产生用于化学镀镍沉积的优化表面。种子层也可以沉积在4屯化 接触开口的外部区域并该区域图案化，从而允许化学镀镍的图案化沉积。为了制备该结构，可以执行两种不同的方法。图3至图6示出 了用于形成改进的UBM结构的第一实施方式。首先，3。图3A和 3B所示，至少一个金属种子层18通过使用賊射或电镀沉积被沉积， 并被优化用于预期的化学镀镍沉积。金属种子层18覆盖了钝化层 14和最后金属层12。在示范性实施例中，沉积的金属种子层18可 由铝铜合金、诸如钬、铝铜合金跟随的其它賊射材料的成层结构， 或其它选择用于化学镀镍的沉积的合适的合金组成。
化学4度^^到金属种子层18上的沉积^"吏结构可以更好地密封电 子器件的飩化开口和电接触。这产生了较强的电连接，因此改善了 倒装芯片或晶片的性能。
另外，薄金属种子层18允许化学镀镍UBM 16沉积在最后金 属和脆的结构上，如果不这样，则最后金属和脆的结构太薄以致于 不能形成可靠的连接。这使得UBM能够与更多种材料一起使用，
该使用更为灵活。
在其它实例中，在化学镀4臬沉积前沉积金属种子层，以抑制化 学镀镍厚度中的与器件有关的变化。
然后，如图4A和4B所述，光致抗蚀图案祐L;改置在金属层18 上。具有光致抗蚀剂20的沉积层覆盖化学镀镍沉积的预期区域。 然后利用化学腐蚀剂除掉不受光致抗蚀剂20保护的区域中的不想 要的金属。然后，利用用合适的传统光致抗蚀剂除去工艺除去光致 抗蚀剂20。这留下了如图5A和5B所示的覆盖4屯化开口中的最后 金属层12的图案化的金属种子层18。最后，执行化学镀镍沉积过 程，因此产生了具有良好的附于最后金属层12的粘合性的UBM 16, 并在如图6A和6B所示的器件中提供强电连接。在示范性实施例中，可将4太或其它溅射材津牛用作具有约200到 5000埃厚度的粘附。在其它示范性实施例中，铝铜合金可用作具有 约2000到20000埃厚度的化学镀Ni的种子金属。在其它示范性实 施例中，化学镀镍可具有0.5微米到50微米的厚度。典型地，图案 化种子层将为圆形，并大于钝化开口。但是，具体的直径将根据期 望的凸块高度变化。
在图10至13示出的可替换实施例中，完成钝化层14上的至 少一个金属种子层18的溅射沉积，以优化预期的化学镀4臬沉积。
如图IOA和10B所述，用覆盖将由化学镀镍沉积保护的区域的光致 抗蚀剂20沉积光致4元蚀图案。
然后，利用处于适当位置的光致抗蚀剂20完成化学镀4臬沉积 过程。之后，用适当的光致抗蚀剂除去过程除去光致抗蚀剂20。最 后，利用化学腐蚀剂除去不想要的种子金属，其中将沉积的化学镀 镍用作保护掩模层。这提供了具有附于最后金属层12的良好的粘 合性的UBM 16 ，并提供了与图6A和6B示出的器件相似的强电连 接。
图7至9示出了允许将化学镀镍的设计优化为用于在沖击和抛 掷法试验中具有改善的机械性能的底层结构的过程。金属种子层18 在钝化层14上生成。然后，图案化的光致抗蚀结构20在金属种子 层上生成。在该实施例中，图案化的光致抗蚀层20包括交叠在4屯 化开口上的部分，以及交叠在钝化层14上的部分。然后，金属种 子层18和随后的化学镀镍UBM不仅交叠在钝化开口 15中的最后 金属12上，也交叠在4屯化层14的部分上。通过允许将UBM》文置 在钝化层14的部分上，该器件的热机械强度变得更大。
尽管此处描述了采用参照图6至9示出和讨论的圓形几何形状 或示范的几何形状，但是在不背离本乂>开的精神和范围的情况下，UBM和种子层可4吏用可4,换的几4可形状。通过示范性实施例，用 正方形几4可形状可以限定一个或多个结构。另外，在第60/913337 号美国临时专利申请(ALVARADO等人的标题为Bump Interconnect for Improved Mechanical and Thermo-Mechanical Performance (用于改善的枳4成和热枳4成性能的凸块互连))中，可 找到可采用的几何形状的实例，上述所列专利参考文献通过引用方 式结合于此，至少涉及其封装应用、结构和制造方。
另外，通过允i午该过程形成其它用于UBM的几<可结构，化学 镀镍UBM的尺寸可以根据预期的凸块应用而适当地制造，这与电 子器件的钝化开口或电接触的尺寸无关。可替换地，其它结构也可 以。例如，可构成夺支凸块(dummy bump)或其它需要的结构。另 外，该过程允许在具有多种钝化接触开口尺寸的情况下在电子器件 上形成均匀的一定大小的化学镀4臬图案。
联合电子设备工程会议(JEDEC ) JESD22-B1 11标准提供了评 估倒装芯片或晶片级芯片经受机械冲击的能力的方法，所述机械冲 击是指在便携装置掉落时其中的半导体器件将经历的机械冲击。因 为这些器件将用在移动电话和个人^t字助理(PDA)中，因此这是 重要的。消费者可能多次掉落这些装置，但是消费者又希望这些装 置能够继续工作。JEDEC要求这些装置必须至少经受30次掉落而 不失效。
图14和15示出了才艮据以上描述制成的示范性UBM结构的测 试结果。这些通过化学镀4臬形成的结构在第一次失效之前至少能够 承受400次掉落。另外，在经过500次掉落后，化学镀镍器件呈现 小于5%失效的失效率。传统的只具有溅射UBM的器件较快失效， 在一个实例中第 一次失效是在200次掉落以内出现的，在另 一个示 范性实例中，只在刚刚超过JEDEC類L才各的30次掉落时就出现第一 次失效。传统的溅射器件也具有高得多的失效百分比，其500次掉落之后的失效率比化学镀镍UBM高超出20%。目前公开的结构提 供改善的热才几械稳定性，同时还具有溅射金属UBM器件所具有的 电稳定性的益处。另外，对于不同形状的器件结构，当具有此处描 述的几何形状时也提高了热机械稳定性。
虽然已经根据目前认为是最实用的方式和优选实施例描述了 特定的示范性结构和方法，但可以理解，不必将本公开限制为公开 的实施例。本发明旨在覆盖包括在本发明权利要求的精神和范围内 的各种修改和相似的布置，其范围应与最广的解释一致，以便包括 所有这种修改和相似的结构。本发明包括所附权利要求的任何和所 有实施例。
权利要求
1.底部凸块金属化(UBM)结构，包括半导体基板，具有形成在其上的钝化层以及多个通过所述钝化层中的开口暴露的最后金属层；金属种子层，形成在暴露所述最后金属层的每个所述钝化开口上并延伸超出每个所述钝化开口；所述金属种子层形成在用于电子器件的终钝化层中的非导电材料上，诸如氮化物、氧化物或各种聚合物；金属化层，由位于所述金属种子层上的化学镀沉积形成。
2. 根据权利要求1所述的UBM结构，其中，所述金属种子层在 化学镀镍沉积之前沉积，以抑制化学镀镍厚度的与器件有关的变化。
3. 根据权利要求1所述的UBM结构，其中，在所述化学镀镍 UBM沉积之前沉积所述金属种子层，以密封所述电子器件的 所述4屯化开口和电4妾触。
4. 根据权利要求1所述的UBM结构，其中，所述金属种子层在 所述化学镀4臬UBM之前^皮沉积，以〗更其尺寸才艮据预期的凸块 应用而制造，并且在热机械性能上被优化，其与所述电子器件 的所述4屯化开口或电4妄触的尺寸和形状无关。
5. 根据权利要求1所述的UBM结构，其中，沉积金属种子层以 使所述化学镀镍能够用在所述器件的晶片上的非常薄的最后 金属和脆性结构上。
6. —种底部凸块金属化(UBM)结构，包括半导体基板； 至少一个最后金属层，其中，所述至少一个最后金属层形成在所述半导体基板 的至少一部分上；钝化层，其中，所述钝化层形成在所述半导体基板的至少一部分上，其中，所述钝化层包括多个开口，其中，所述钝化层由非导电材料形成，其中，所述至少一个最后金属层通过所述多个开口暴露；金属种子层，其中，所述金属种子层形成在所述钝化层上并覆盖所述 多个开口；金属化层，其中，所述金属化层形成在所述金属种子层上， 其中，所述金属4匕层由化学镀沉积形成。
7. 根据权利要求6所述的UBM结构，其中，所述金属种子层在 所述化学镀镍沉积之前沉积，以抑制化学镀镍厚度的与器件有 关的变化。
8. 根据权利要求6所述的UBM结构，其中，所述金属种子层被 沉积以在化学镀镍UBM的沉积之前密封所述钝化层中的多个 开口以及所述电子器件的电4妄触。
9. 才艮据4又利要求6所述的UBM结构，其中，所述金属种子层在化学镀镍UBM之前被沉积以便其尺寸根据预期的凸块应用而制造，并且在热机械性能上被优化，其与所述电子器件的所述4屯化开口或电冲妄触的尺寸和形状无关。
10. 才艮据斥又利要求6所述的UBM结构，其中，沉积金属种子层以 使化学镀镍能够用在所述器件晶片上的非常薄的最后金属和 脆性结构上。
全文摘要
公开了一种具有用于化学镀镍沉积的种子层的底部凸块金属化(UBM)结构和方法，其涉及UBM结构，该结构包括半导体基板，至少一个最后金属层、钝化层、金属种子层以及金属化层。该至少一个最后金属层形成在半导体基板的至少一部分上。而且，钝化层形成在半导体基板的至少一部分上。另外，钝化层包括多个开口。另外，钝化层由非导电材料形成。该至少一个最后金属层通过多个开口暴露。金属种子层形成在钝化层上并覆盖多个开口。金属化层形成在金属种子层上。金属化层由化学镀沉积形成。
文档编号H01L21/60GK101689515SQ200880020888
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月20日 优先权日2007年6月20日
发明者托马斯·施特罗特曼 申请人:弗利普芯片国际有限公司