用于改进无引线c4互连可靠性的结构和方法

专利名称：用于改进无引线c4互连可靠性的结构和方法
技术领域：
本发明总体上涉及制造的结构和方法，并且更具体地，涉及用于改进无引线C4互 连可靠性的结构和方法。
背景技术：
对于有机衬底上的芯片而言，C4(可控坍塌芯片连接)互连可靠性是产品可靠 性的关键因素。然而，C4在某些情况下会失效是已知的。C4可靠性的一个失效模式是由 于芯片与层压体之间的热失配所引起的焊料疲劳。例如，当与倒装芯片塑料球栅格阵列 (FCPBGA)有机层压封装结合使用时，无Pb的C4倾向于将热膨胀系数(CTE)失配应力传导 至底层芯片级后端连线(BEOL)。这可能导致电介质破裂和结构性损伤，造成可靠性风险。 目前，这种芯片封装交互(CPI)问题是集成电路制造商所面临的正在出现的可靠性问题。影响C4可靠性的第二种失效模式由向无引线焊料的迁移造成，其中无引线焊料 导致“白焊块(white bump)”。术语“白焊块”是指在封装内由于芯片接合或者芯片被接合 到有机层压体之后的其他热处理期间的由垂直应力传导所引起的芯片破裂的问题。更具体 地，“白焊块”是由于热循环期间在Si芯片与有机载体之间的CTE失配所导致的应力而引起 的对芯片BEOL金属化的撕断。已经发现，该撕断在芯片接合回流的冷却期间发生，其中C4 将芯片刚性地连接至载体。白焊块具有可靠性问题，因为包含白焊块的结构可以或者不可 以作为电“开口”来测试。作为一个示例，对于较大的芯片尺寸和有机层压体FCPBGA封装，层压体与芯片之 间的CTE失配造成了热处理期间的应力，这可能导致芯片级破裂和薄膜剥离。一个失效机 制与芯片附接过程期间在个体C4焊块所在处的剪切应力有关，该剪切应力继而引起充分 量的张应力，从而引起直接位于焊料球之下的粘结或者粘合薄膜失效。如果允许应力超过 芯片BEOL的强度，则芯片中将发生损坏。作为示范，模块级应力可以引起无Pb的C4互连 之下的芯片级BEOL破裂。一旦开始，裂痕可能通过附近的BEOL结构侧向传播，这导致“白 焊块”失效模式。对于无Pb的C4技术而言，白焊块问题尤其严重，这归因于无Pb焊块的坚硬度。而 且，白焊块问题可能特别地影响拐角C4。此外，由于较低的芯片支架，白焊块问题对于较小 的C4 (例如，节距< =150 μ m)将恶化。由此，在本领域中需要克服上面描述的缺陷和限制。

发明内容
在本发明的第一方面，一种制作集成电路(IC)封装结构的方法，包括形成至少 一个聚酰亚胺层；以及刻蚀所述至少一个聚酰亚胺层，以提供对金属焊盘和至少一个支撑 肩的最终通孔。而且，该方法包括在所述最终通孔中形成球限定金属化(BLM)层，并且至 少与金属焊盘与所述至少一个聚酰亚胺层的部分相接触，以及形成BLM层上的可控坍塌芯 片 接(C4)焊料球，使得所述C4焊料球由所述至少一个支撑肩支撑。
本发明的另一方面包括设计具有多个球限定金属化(BLM)-可控坍塌芯片连接 (C4)结构的倒装芯片塑料球栅格阵列结构的方法，其中每个BLM-C4结构都具有最终通孔。 该方法包括使用在所述多个BLM-C4结构中每一个的芯片边缘侧上的、直接在BLM边缘和最 终通孔边缘之下的后端连线(BEOL)层中的针对布线和通孔连接的禁入区域，使得所述禁 入区域中没有布线和通孔连接。在本发明的另一方面，一种集成电路(IC)封装结构，包括球限定金属化(BLM)层 以及在BLM层上形成的可控坍塌芯片连接(C4)焊料球。而且，该结构包括BLM层之下的最 终金属焊盘层以及最终金属焊盘层之下的保护(cap)层。此外，该结构包括在C4焊料球之 下以及最终金属焊盘层与BLM层和保护层之一之间形成的空气间隙。在本发明的又一方面，一种结构，包括在芯片上构造和排列的多个球限定金属化 (BLM)，每个容纳有可控坍塌芯片连接(C4)焊料球。至少定位在芯片拐角处的、多个BLM的 子集在中性点距离(DNP)轴的方向上的维度小于芯片的多个BLM中其余BLM的DNP轴的方 向上的维度，使得在多个BLM的子集之一处容纳的C4焊料球采用椭圆形形状。在本发明的另一方面，一种集成电路(IC)封装结构，包括具有BLM周长的球限定 金属化(BLM)层，在BLM层上形成的可控坍塌芯片连接(C4)焊料球，以及具有金属焊盘层 周长的、在BLM层之下的金属焊盘层。至少在C4焊料球的芯片边缘侧上，在与金属焊盘层 平行的方向上，金属焊盘层周长超过BLM周长。


下面通过以本发明示例性实施方式的非限制性示例的方式参考多幅附图，来详细 描述本发明。图1-图7示出了按照本发明的方面的示例性处理步骤和有关结构；图8-图11示出了按照本发明的附加方面的示例性处理步骤和有关结构；图12和图13示出了按照本发明的附加方面的具有空气间隙的C4结构的示例性 顶视图；图14-图20示出了按照本发明的附加方面的示例性处理步骤和有关结构；图21-图24示出了按照本发明的方面用来形成具有空气间隙的C4结构的示例性 掩膜的顶视图；图25示出了记录工艺(POR) C4结构；图26示出了按照本发明的附加方面的具有支撑肩的示例性C4结构；图27-图40示出了按照本发明的附加方面的示例性中间处理步骤以及具有支撑 肩的C4结构；图41示出了 POR C4结构的应力图；图42和图43示出了按照本发明的附加方面的具有支撑肩的示例性C4结构的应 力图；图44示出了按照本发明的附加方面的示出POR C4结构和椭圆形C4结构的芯片 的示例性顶视图和侧视图；图45示出了指示剪切应力的轴的延长(或者椭圆形)C4结构的示例性顶视图；图46示出了包含附接至层压体的POR C4结构和示例性延长C4结构的芯片，并且示出了冷却时C4结构上引起的应力；图47示出了 C4结构的应力图，其示出了最终通孔边缘和BLM边缘处引起的应力；图48示出了对于不同的BLM直径在冷却时芯片中的相对应力相对最终通孔直径 的图示；图49示出了芯片中的相对应力相对PSPI层厚度的图示；图50示出了一个示例性C4结构，其示出了垂直偏移连接；图51示出了具有垂直偏移连接的图50中示例性C4结构的应力图；图52示出了具有置于高应力区域中的通孔的POR C4设计；图53和图54示出了按照本发明的方面的设计用于在高应力区域之上放置通孔的 示例性C4结构；图55和图56示出了按照本发明的方面的C4结构设计的基本规则参数；图57和图58示出了按照本发明的方面的具有POR金属焊盘和延伸金属焊盘的芯 片；图59示出了具有POR金属焊盘的C4结构的应力图；图60示出了按照本发明的方面的具有延伸金属焊盘的C4结构的应力图；以及图61是在半导体设计、制造和/或测试中使用的设计过程的流程图。
具体实施例方式本发明总体上涉及制造的结构和方法，并且更具体地，涉及用以改进无引线C4互 连可靠性的结构和方法。通过实现本发明的一个或多个方面，可以防止或者减少CPI破裂。 而且，实现本发明将减小或者降低白焊块形成。CPI (芯片封装交互)破裂是一个“集成”问题，其可能受到以下因素的影响BE0L 芯片级完整性；薄膜的粘合性；界面的粘附性；芯片尺寸；最终芯片级焊盘/通孔模块设 计；焊料焊块BLM维度、类型和/或朝向；晶片完成过程，例如切割；最终芯片级焊盘/通孔 模块设计；芯片接合和键合以及组装(B&A)工艺；封装层压体结构；以及其他因素。例如， 对于FCPBGA的C4技术，显著的可靠性失效模式是张应力在C4处(例如，距DNP大于5mm) 引起的破损，这响应于旋转CTE应力而开始于离开芯片中心的C4侧。这引起了底层BEOL 级别的破损，以及C4的电开口失效。按照本发明的方面，可以为C4结构设计用于防止或者减少CPI破裂或者白焊块形 成的特征。例如，在实施方式中，C4结构可以具有空气间隙，以使C4结构较为柔软，并且受 CPI破裂和白焊块形成的影响较小。而且(或者备选地)，C4结构可以形成为具有侧壁支 撑结构，这使得C4结构受CPI破裂和白焊块形成的影响较小。此外，在实施方式中，C4结 构可以包括椭圆形C4焊料球，以使C4结构较为柔软并且受到CPI破裂和白焊块形成的影 响较小。按照本发明的其他方面，C4结构可以设计具有“禁入”区域，其中没有定位通孔或 者布线，以防止可能出现的任何CPI破裂和/或白焊块形成影响通孔或者布线。而且，在实 施方式中，焊盘层(例如，铝焊盘层)至少可以在朝向芯片边缘的方向上延伸到BLM焊盘之 上(从上面观察)，以防止CPI破裂和白焊块形成。空气间隙按照本发明的一个方面，C4结构包括焊盘结构(例如，最终铝焊盘或者BLM层)，其在空气间隙上跨焊盘结构的宽度在很大程度上是无支撑的，以便在C4结构经历通常将 导致破裂或者白焊块的接合(或者其他热CPI)应力之前，赋予焊盘(例如，最终铝焊盘或 者BLM层)柔性(例如，可弯曲性)。在实施方式中，空气间隙形成于铝焊盘层与球限定金 属化(BLM)捕获焊盘金属化之间。在另一实施方式中，空气间隙形成于铝焊盘层与铝焊盘 层之下的层(例如，保护氮化物层)之间。本发明包括一种结构和用于创建该结构的工艺 二者，所述结构包括“独立式”BLM捕获焊盘金属化薄膜，其可以包含在例如C4NP等任何干 法C4工艺技术或者其他焊料放置工艺中。该结构本身也能够附加地连同压印的C4 一起使 用。图1到图6示出了中间处理步骤，并且图7示出了处理步骤和C4结构，该C4结构 具有牢固的最终BLM捕获焊盘结构，其跨BLM捕获焊盘的宽度在很大程度上是无支撑的。 按照本发明的实施方式，最终BLM捕获焊盘结构在焊盘的部分经历通常将导致破裂和白焊 块的接合(或者其他热CPI)应力之前，赋予焊盘柔性(例如，可弯曲性)。更具体地，对于 图1到图7的实施方式，空气间隙形成于BLM捕获焊盘与铝焊盘之间。与采用四个掩膜级 别的子焊盘通孔、焊盘形成、最终芯片级通孔和BLM焊料焊盘最终级处理(也即，C4和BLM 的形成)的标准记录工艺(POR)序列不同，有益地，图1到图7的实施方式仅需要三个掩膜 级别，例如，通孔掩膜、铝焊盘掩膜和BLM掩膜，如下文详述。图1示出了用于与本发明结合使用的中间结构。该结构包括形成于电介质层5(例 如，高介电绝缘体薄膜或者二氧化硅)中的铜金属层级10。保护层15沉积在电介质层5和 铜层级10之上。在实施方式中，保护层15例如可以是用于铜布线层级的标准保护层，例如 氮化物薄膜，例如高密度等离子(HDP)氮化物。而且，在实施方式中，保护层15可以使用例 如等离子增强的化学气相沉积(PECVD)工艺或者低压化学气相沉积(LPCVD)来沉积。HDP 保护层15可以是单个层或者多个层。例如，HDP保护层15可以包括在氧化物层之上形成 的氮化物层，氮化物层又形成在氮化物保护层之上。在图1的示例中，氧化物层的厚度可以 约为0. 45 μ m,并且第二氮化物层的厚度可以约为0. 40 μ m,其他厚度也是本发明所可以设
术目的
> LH、U J ο而且，如图1所示，光敏聚酰亚胺(PSPI)层20应用于保护层15 (例如，旋涂地应 用)。对于图1的示例性实施方式，PSPI层20的厚度可以约为9 μ m，其他厚度也是本发明 可以设想的。PSPI层20按照本领域普通技术人员可以理解的传统方式来曝光和烘干。如图2所示，PSPI层20已经被显影和固化，并且对其使用传统光刻工艺(例如， 利用光抗蚀剂的掩膜和刻蚀)来执行图案转移以及例如反应离子刻蚀(RIE)的刻蚀，以形 成通过HDP氮化物保护层15去往最后金属铜层级10的开口 37。使用例如物理气相沉积 (PVD)工艺以及随后对抗蚀剂掩膜的剥离和清除，将铝焊盘25沉积在开口 37内的最后铜层 级10和PSPI层20的其余部分上方。还如图2所示，旋转(spun-on)玻璃(SOG)层30形成在铝焊盘25之上。在实施 方式中，SOG层30的厚度可以约为2 μ m-5 μ m,其他厚度也是本发明可以设想的。继而例如 使用化学机械抛光/平整化(CMP)工艺对SOG层30进行平整化，以便移除铝焊盘25的部 分“35”(在PSPI层20之上)以及PSPI层20之上的S0G。该工艺留下了填充铝焊盘覆盖 的开口 37的SOG层30。SOG层30具有可以利用CMP工艺来控制的形状，诸如凹陷(如所 示)、升高和/或锥形等的形状。
如图3所示，例如使用标准PVD工艺(例如，Tiff/Cu/Ni)，在图2所示的结构之上 沉积捕获焊盘球限定金属化(BLM) 40 (也称为下焊块冶金(UBM))。对BLM 40应用捕获焊盘 抗蚀剂掩膜45 (例如，阻挡掩膜抗蚀剂)，以定义BLM捕获焊盘形状。如图4所示，例如使用标准捕获焊盘湿法刻蚀工艺，将捕获焊盘抗蚀剂掩膜45转 移到BLM 40。如图4所示，BLM 40在捕获焊盘抗蚀剂掩膜45之上的部分已经被刻蚀过程 移除。如图5所示，使用传统工艺对捕获焊盘抗蚀剂掩膜45进行剥离。如图6所示，执行SOG湿法刻蚀工艺，以移除BLM 40之下的S0G，从而形成间隙50。 按照本发明的方面，湿法刻蚀通过使用小于例如两侧上的开口 37(如图12和图13所示，并 在下文详述)的捕获焊盘抗蚀剂掩膜45来访问S0G。附加地(或者备选地)，在实施方式 中，BLM 40可以被设计具有带狭缝的开口，通过所述开口可以对SOG进行刻蚀和移除，这也 将在下文详述。如图7所示，在独立式BLM 40上放置(例如，沉积)C4无Pb的焊料焊块55。在此 实施方式中，间隙50在C4无Pb的焊料焊块55之下，BLM 40与铝焊盘25之间。图8到图10示出了中间处理步骤和有关结构，并且图11示出了 C4结构和处理步 骤，其得到牢固的最终铝焊盘结构，所述焊盘结构在空气间隙之上跨最终铝焊盘结构的宽 度在很大程度上是无支撑的。对于图8到图11的实施方式，空气间隙形成于BLM捕获焊盘 与铝焊盘之间。按照本发明的实施方式，空气间隙在焊盘的部分经历通常将导致破裂和白 焊块的接合(或者其他热CPI)应力之前赋予焊盘柔性(例如，可弯曲性)。而且，对于图 8到图11的实施方式，使用第二 PSPI层，而不是在图1到图7的实施方式中使用的SOG层 30。如图8所示，对PSPI层20进行显影和固化，并且使用传统光刻工艺(例如，利用 光抗蚀剂的掩膜和刻蚀)来执行图案转移以及例如反应离子刻蚀(RIE)的刻蚀，以形成通 过HDP氮化物保护层15去往金属铜层级10的开口 37。例如使用物理气相沉积(PVD)工艺 以及随后的抗蚀剂掩膜(未示出)的剥离和清除，将铝焊盘25沉积在PSPI层20的部分以 及开口 37内的最后铜层级10之上。仍然如图8所示，第二 PSPI层60形成在铝焊盘25和PSPI层20的部分之上。在 实施方式中，第二 PSPI层60的厚度可以约为9μπι，其他厚度也是本发明可以设想的。如图9所示，第二 PSPI层60继而被曝光和显影，以形成铝焊盘25之上的PSPI块 65，用于BLM支撑。可以控制第二 PSPI层60，使得PSPI块65的形状是例如凹陷的、升起 的(如图所示)和/或锥形的等。而且，PSPI块65被部分地固化以保持其形状，同时保持 溶解性以用于通过溶剂(例如，热NMP或者等效物)的后续移除。此外，如图9所示，例如 使用标准PVD工艺(例如，Tiff/Cu/Ni)，在PSPI块65和铝焊盘25的部分之上沉积捕获焊 盘球限定金属化(BLM) 40。对BLM 40应用捕获焊盘抗蚀剂掩膜，例如块掩膜抗蚀剂(未示 出)，以定义BLM捕获焊盘形状。如图10所示，执行PSPI溶剂移除或者湿法刻蚀工艺，以移除BLM 40之下的PSPI 块65。该过程形成间隙50。按照本发明的实施方式，湿法刻蚀通过使用小于例如两侧上的 开口 37(如图12和图13所示，并在下文详述)的捕获焊盘抗蚀剂掩膜(图8到图10中未 示出)来访问PSPI块65。附加地(或者备选地)，在实施方式中，BLM 40可以被设计为具 有带狭缝的开口，通过该开口 PSPI块65可以被刻蚀和移除，这也将在下文详述。
如图11所示，将C4焊料焊块55放置在图10的独立式BLM结构40上。更具体 地，C4焊料焊块55沉积在独立式BLM结构40之中，并且在间隙50之上。该过程可以包括 使用例如C4NP转移工艺，这是本领域普通技术人员可以理解的。图12和图13示出了按照本发明的方面的C4结构的顶视图。可以观察到，图12 包括截面线11-11，其指示相对于图12视图的图11视图。如下文详述的，图12的实施方式 包括带狭缝的BLM焊盘40，用以辅助SOG和/或PSPI的移除从而创建间隙50。在图12的 实施方式中，可以通过BLM焊盘40中的狭缝63和/或通过BLM焊盘40的两侧(图12中 所示的顶部和底部)上对HDP氮化物的开口，来移除SOG和/或PSPI。相反，图13的实施方式不包括带狭缝的BLM焊盘40。取而代之，对于图13的实施 方式，可以通过在BLM焊盘40的两侧(如图13中所示的顶部和底部)上对HDP氮化物的 开口，来移除SOG和/或PSPI。而且，应当理解，这些开口沿垂直于图11纸面向里延伸的ζ 轴ο如参考图4所讨论的，BLM捕获焊盘掩膜45应当小于例如开口掩膜图像的两侧上 的开口掩膜图像(用来形成如图2中所示的开口 37)。利用如图12中所示的相应掩膜的这 种布置，形成的BLM捕获焊盘40在两侧上小于对氮化物层的开口，以允许材料(例如，SOG 和/或PSPI)的清除。对HDP氮化物的开口位于铝焊盘25向上地在PSPI层20之上的区 域与BLM 40的底部之间的区域，所述BLM40的底部例如为铝焊盘25向下地在铜焊盘10之 上并且未在PSPI层20之上的区域，也即，图12中指示的下区域。而且，如上所述，图12的 实施方式包括具有狭缝63的带狭缝的BLM焊盘40。狭缝63附加地允许材料(例如，SOG 和/或PSPI)的清除。对于图13的示例性实施方式，通过上述对HDP氮化物的开口来进行材料(例如， SOG和/或PSPI)的清除。而且，尽管图12和图13的示例性实施方式的每一个都包括上 述对HDP氮化物的开口以允许材料(例如，SOG和/或PSPI)的清除，但是本发明可以设想 到可以单独通过BLM焊盘40中的狭缝63来进行材料(例如，SOG和/或PSPI)的移除。 也即，本发明可以设想到，在实施方式中，BLM捕获焊盘掩膜45不小于开口掩膜图像的任何 侧上的开口掩膜图像(用来形成开口 37)。对于这种布置，不在例如两侧上提供对HDP氮化 物的开口，并且材料(例如，SOG和/或PSPI)的清除仅通过BLM焊盘的狭缝来进行。图14到图19示出了中间处理步骤，并且图20示出了处理步骤和C4结构，其得到 牢固的最终铝焊盘结构，最终铝焊盘结构在空气间隙之上跨焊盘结构的宽度在很大程度上 是无支撑的。按照本发明的实施方式，空气间隙在结构经历通常将导致破裂和白焊块的接 合(或者其他热CPI)应力之前，赋予焊盘柔性(例如，可弯曲性)。图14示出了用于形成本发明的中间结构。该结构包括在电介质层5(例如，高电 介质绝缘体薄膜或者二氧化硅)中形成的铜金属层级10。高密度离子(HDP)保护层15沉 积在电介质层5之上。HDP保护层15可以包括体氮化物层17、体氧化物层18以及保护氮 化物层19。对于图14的示例，体氧化物层18的厚度可以约为0. 45 μ m并且体氮化物层17 的厚度可以约为0.40μπι，其他厚度也是本发明可以设想到的。而且，如图14所示，执行图 案转移和例如反应离子刻蚀(RIE)的刻蚀，以形成对保护氮化物层19的开口 37。如图15所示，在图14的结构之上(包括在开口 37之内)应用SOG层30。SOG抗 蚀剂掩膜70形成于在SOG层30之上，并且使用本领域普通技术人员可以理解的光刻工艺
10按照传统方式被曝光和显影。如图16所示，执行图案转移刻蚀工艺(诸如，RIE工艺)，以对SOG层30进行构 形，从而形成SOG块75。该过程还对HDP氮化物保护层19的开放部分进行刻蚀(例如，过 刻蚀)，以暴露出铜焊盘10。如图17所示，使用本领域普通技术人员可以理解的传统光刻 和刻蚀工艺(例如，抗蚀剂和RIE工艺)，在SOG块75、暴露的铜焊盘10以及氮化物保护层 15的部分之上，形成铝焊盘25。如图18所示，执行刻蚀过程(例如，湿法刻蚀过程)，以移除铝焊盘25之下的SOG 块75。该过程形成间隙50。按照本发明的方面，湿法刻蚀通过使用小于例如两侧上的开口 37 (图14)的铝焊盘掩膜(下文详述)来访问SOG块75 (与图13中的捕获抗蚀剂掩膜45 的形成相类似的方式)。而且，光敏聚酰亚胺(PSPI)层80被沉积在该结构之上(例如，应 用旋涂)，并且使用传统的光刻和刻蚀工艺被刻蚀，以形成BLM:A1最终通孔83。通孔83与 空气间隙50对准。如图19所示，BLM层40沉积在PSPI层80之上，并且在BLM:Al最终通孔83之内。 而且，在BLM层40的部分之上形成捕获焊盘抗蚀剂85。如图20所示，执行BLM湿法刻蚀工艺，以刻蚀BLM焊盘40的部分。捕获焊盘抗蚀 剂85也被剥离，以创建独立的C4NP BLM焊盘40。而且，如图20所示，使用例如本领域普通 技术人员可以理解的C4NP转移工艺，将C4无Pb的焊料焊块55放置(例如，沉积)在BLM 结构40之上。BLM结构30在空气间隙50之上。图21到图23示出了按照本发明的方面可以用来形成图24中所示的示例性C4结 构(也在图20的侧视图中示出)的一系列示例性掩膜。图21示出了掩膜90，其用于刻蚀 通过氮化物层17和体氧化物层18去往保护氮化物层19的开口 37 (例如，使用RIE)。此 外，图21示出了氧化物块状的形状92，这是本领域普通技术人员可以理解的。图22示出了按照本发明的实施方式用于对SOG块75 (如图15和图16所示)进 行构图的示例性掩膜70。掩膜70可以用来刻蚀如图16所示的铜焊盘10之上的氮化物保 护层19的部分。图22还示出了用于形成如图17所示的铝焊盘25的示例性掩膜95。掩膜 95可以被设计为在例如两端处小于用于对SOG块75进行构图的掩膜70，从而允许在完成 铝焊盘工艺级别后“清除” SOG材料。由此，使用如图22所示的掩膜，所得结构(图20所示)包括在SOG块(以及氮化 物保护层10的部分)之上和体氮化物层17之上形成的铝焊盘的部分，其被表示为铝焊盘 向上区域。该部分表示为铝焊盘向上区域，因为所得结构(图20中所示)包括在SOG块75 和体氮化物17之上的铝焊盘25。而且，所得结构(图20中所示)包括铝焊盘25的部分， 其被表示为铝焊盘“向下”区域，其与铜焊盘10相接触。该区域被表示为铝焊盘“向下”区 域，因为铝焊盘25向下地在铜焊盘层级10之上(如图20所示)。图23示出了示例性掩膜97，其用来刻蚀PSPI层80以形成如图18所示的BLM:A1 最终通孔83。此外，图23示出了示例性BLM捕获焊盘抗蚀剂掩膜85，其用来刻蚀如图19 和图20所示的BLM层40的部分。图24示出了已经利用C4NP工艺放置了 C4焊料球55的结构的示例性顶视图。如 图24所示，最终通孔接触区在铝向上区域与BLM捕获焊盘之间，这也在图19和图20的侧 视图中示出。
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侧壁支撑肩结构按照本发明的其他方面，在C4边缘周围形成的支撑材料允许应力的有利分布，这 将阻止白焊块。在实施方式中，在回流期间，在C4焊料球与之自对准的晶片层级创建诸如 支撑肩或者套圈结构的结构。以此方式，C4焊料球自动地向侧壁支撑(例如，套圈结构或 者支撑肩)倾斜。在实施方式中，侧壁支撑通过充当C4本身的外周长之下的BLM覆盖的基 础，而被创建为C4支撑结构的部分。在实施方式中，本发明可以采用网目掩膜或者薄第二 PSPI薄膜应用工艺，以形成在表面平面中连续但是非均勻高度的最终套圈。图25示出了传统C4结构100，其不包括支撑肩结构。相反，图26示出了具有示例 性支撑肩结构或者套圈结构的C4结构105。在实施方式中，支撑肩包括C4边缘周围的支撑 材料(例如，PSPI)。按照本发明的方面，支撑材料允许应力的有利分布，这将防止白焊块。图27到图30示出了图31中所示的C4结构的形成中的示例性中间处理步骤，其使 用C4NP转移工艺。如图27所示，芯片110包括铜焊盘层10和PSPI层20。如图28所示， 使用传统光刻和刻蚀工艺(例如，渐变曝光或者灰阶)将PSPI层20刻蚀到铜焊盘层10，以 便除BLM:A1焊盘通孔37以外形成支撑肩115。如图29所示，BLM层40沉积在PSPI层20和铜焊盘层10之上，在开口之内。使 用传统光刻和刻蚀工艺来移除支撑肩115和BLM:A1焊盘通孔37之上的BLM层40的部分， 如图29所示。图30示出了使用C4NP转移工艺在支撑肩115和BLM:A1焊盘通孔37之中放置C4 焊料球55，以形成如图31所示的最终C4结构。C4焊料球55由支撑肩115来支撑，以提供 比图25中所示的传统C4结构所提供的更大程度的支撑。图32和图33示出了中间处理步骤和有关结构，并且图34示出了按照本发明实施 方式的C4结构和处理步骤。该实施方式使用“压印”工艺来形成C4结构。图32跟随着图 29的处理(上文描述)，而没有对BLM层40的光刻和刻蚀过程。也即，如图32所示，在支 撑肩115和BLM:A1焊盘通孔37之上的那些区域，尚未刻蚀BLM层40。而且，如图32所示， 使用本领域普通技术人员可以理解的传统光刻、刻蚀和沉积工艺，在BLM层40上形成干膜 (riston) 120和压印片(plate) 125 (包括焊料球材料)。如图33所示，使用本领域普通技术人员能够理解的传统工艺对支撑肩115和 BLM: Al焊盘通孔37之上的干膜120和BLM层40的部分进行剥离。如图34所示，使用本领 域普通技术人员可以理解的工艺对压印片125进行回流，以形成C4焊料球55。而且，如图 34所示，C4焊料球55由支撑肩115支撑，以提供比图25中所示的传统C4结构所提供的支 撑更大程度的支撑。图35到图40示出了按照本发明的方面的具有变化的肩支撑结构的示例性C4结 构。图35示出了上文图34中所示的C4结构以用于比较。图36示出了具有带轮廓的PSPI 层130的C4结构。应当理解，带轮廓的PSPI层130可以使用本领域普通人员公知的传统 光刻和刻蚀工艺(例如，灰阶工艺)来形成。对于灰阶工艺，可以使用一步光刻工艺而不是 两个或者更多光刻工艺来形成带轮廓的PSPI层。也即，“灰阶”掩膜是在完全曝光(掩膜上 的透明区域)与非曝光(掩膜上不透明部分)区域之间的过渡区域提供部分光学曝光的掩 膜。带轮廓的PSPI层130允许C4焊料球55周围的未充满的流动。图37示出了具有在PSPI层20之上形成的附加层135的示例性C4结构。附加层135可以是PSPI或者其他适当的材料(例如，S0G、电介质等)。附加层135可以使用本领 域普通技术人员能够理解的传统光刻和刻蚀工艺来形成。与使用渐变刻蚀工艺(例如，利 用“灰阶”专用光掩膜)来形成单个PSPI层20以具有BLM:A1焊盘通孔37和支撑肩115的 图35的实施方式对比，图37的实施方式需要附加的掩膜步骤和刻蚀步骤。“灰阶”掩膜是 在完全曝光(掩膜上的透明区域)与非曝光(掩膜上不透明部分)区域之间的过渡区域提 供部分光学曝光的掩膜。更具体地，如图37的示例中所示，BLMiAl焊盘通孔37使用传统 的掩膜和刻蚀工艺形成于PSPI层20中。而且，支撑肩115使用传统的掩膜和刻蚀工艺形 成于附加层135中。然而，使用两个层(也即，PSPI层20和附加层135)可以避免在对例 如图35的实施方式所使用的灰阶掩膜进行优化时遇到的任何困难。图38到图40对应于 图35到图37的实施方式，然而图38到图40的实施方式的每一个都是用BLM掩膜，从而未 在支撑肩115上形成BLM层40。图41到图43示出了 C4结构的示例性应力图(每个具有相同的应力标尺)。更具 体地，图41示出了 POR结构(如图25所示)的应力图。图42示出了按照本发明的方面的 具有带轮廓的PSPI层130的结构(如图36所示)的应力图。图43示出了按照本发明的 其他方面的具有延伸PSPI层20的结构(如图35所示)的应力图。存在两个值得关注的 高应力区域，一个直接在最终聚酰亚胺通孔边缘之下延伸，第二个从外BLM边缘从低到高 延伸到聚酰亚胺顶部。而且，对于POR结构(例如，如图41所示)，这两个应力区域可能汇 聚并且相互加强。然而，按照本发明的方面，支撑肩115具有如下效果将高应力区域从最 终通孔边缘移走，并且针对芯片接合和热循环期间引起的张应力在BLM/C4结构的关键边 缘处提供缓冲。如图41中可以观察到的，POR结构的应力位于BLM层40和铝焊盘层25之下，并 且创建了层离的起始点，如图所示。而且，如图41所示，两个应力区域在彼此的顶部，例如， 汇聚，这带来了布线层级中BEOL损坏的较高风险。相反，如图42和图43中每一个所示，其示出了按照本发明的方面的结构的应力 图，应力已经基本上被移至铝焊盘层25之上，并且不会具有图41的POR结构中出现的层离 起始点。而且，如图42和图43所示，高应力区域彼此隔离，使得它们不会彼此汇聚，这使布 线层级中BEOL损坏的风险较低。而且，图43中所示的应力区域没有图41的应力区域大。 而且，在带轮廓的PSPI层实施方式(图42)和延伸的PSPI层实施方式(图43) 二者中的 总体应力水平低于POR结构(图41)。表1示出了针对C4结构的关键层离位置处的示例性最大相对应力水平，这些C4 结构包括POR结构(例如，如图25所示)、C4周围的带轮廓的PSPI层130 (或者楔子)(例 如，如图36所示)、延伸PSPI层20 (例如，如图35所示)以及延伸的较高系数材料层。
权利要求
一种制作集成电路(IC)封装结构的方法，包括形成至少一个聚酰亚胺层；刻蚀所述至少一个聚酰亚胺层，以提供去往金属焊盘和至少一个支撑肩的最终通孔；在所述最终通孔内、并且至少与所述金属焊盘和所述至少一个聚酰亚胺层的部分相接触地形成球限定金属化(BLM)层；以及在所述BLM层上形成可控坍塌芯片连接(C4)焊料球，使得所述C4焊料球由所述至少一个支撑肩支撑。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述C4焊料球通过与所述至少一个支撑肩的直接接 触，而由所述至少一个支撑肩来支撑。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述BLM层还与所述至少一个支撑肩相接触，并且所 述C4焊料球通过在所述至少一个支撑肩处与所述BLM层的直接接触，而由所述至少一个支 撑肩来支撑。
4.如权利要求1所述的方法，其中刻蚀所述至少一个聚酰亚胺层包括以下至少一个 使用灰阶刻蚀工艺；形成具有所述至少一个支撑肩的带轮廓的聚酰亚胺层； 形成具有所述至少一个支撑肩的延伸聚酰亚胺层；以及 刻蚀至少两个聚酰亚胺层，以形成所述至少一个支撑肩。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述至少一个聚酰亚胺层上形成层，其中所述层具有高于所述至少一个聚酰亚胺层 的弹性系数；以及刻蚀所述层，以提供去往所述金属焊盘和所述至少一个支撑肩的所述最终通孔。
6.一种设计具有多个球限定金属化(BLM)-可控坍塌芯片连接(C4)结构的倒装芯片塑 料球栅格阵列结构的方法，其中每个所述BLM-C4结构都具有最终通孔，所述方法包括在所述多个BLM-C4结构中每一个的芯片边缘侧上直接处于BLM边缘和最终通孔边缘 之下的后端连线(BEOL)层中，使用针对布线和通孔连接的禁入区域，使得所述禁入区域中 没有布线和通孔连接。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述禁入区域的宽度约为5μ m到10 μ m。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括对于所述多个BLM-C4结构中的至少一个 BLM-C4结构，根据针对所述至少一个BLM-C4的特定局部布线要求，最大化BLM边缘与最终 通孔边缘之间的距离。
9.如权利要求8所述的方法，其中最大化所述距离通过最小化所述最终通孔的维度来 实现。
10.如权利要求9所述的方法，其中最小化所述最终通孔的维度按照以下来执行 (电流所需的最小通孔尺寸)< {a} <b:{(b-a)/2>/= 10ym}其中b = BLM直径；并且a=最终通孔直径。
11.一种集成电路(IC)封装结构，包括 球限定金属化(BLM)层；形成于所述BLM层之上的可控坍塌芯片连接(C4)焊料球； 所述BLM层之下的最终金属焊盘层；所述最终金属焊盘层之下的保护层；以及在所述C4焊料球之下、并且在所述最终金属焊盘层与所述BLM层和所述保护层之一之 间形成的空气间隙。
12.如权利要求11所述的结构，其中所述BLM层具有去往所述最终金属焊盘层的至少 一个开口，其提供用于移除所述最终金属焊盘层与所述BLM层之间沉积的材料以便创建所 述空气间隙的至少一个通路。
13.如权利要求12所述的结构，其中所述至少一个开口是所述BLM层中的带狭缝的开
14.如权利要求12所述的结构，其中至少在一个方向上，所述BLM层的维度小于所述最 终金属焊盘层的维度，以提供所述至少一个开口。
15.如权利要求11所述的结构，其中至少在一个方向上，所述最终金属焊盘层的维度 小于所述保护层的维度，以提供去往所述保护层的至少一个开口，所述开口提供用于移除 所述最终金属焊盘层与所述保护层之间沉积的材料以创建所述空气间隙的至少一个通路。
16.如权利要求11所述的结构，其中所述空气间隙为所述结构提供了柔性，这降低了 芯片封装交互破裂和白焊块形成的至少一个。
17.一种结构，包括在芯片上构造和排列的多个球限定金属化(BLM)，每个容纳有可控坍塌芯片连接(C4) 焊料球，其中至少定位在所述芯片的拐角处的、所述多个BLM的子集在中性点距离(DNP)轴方 向上的维度小于所述芯片的所述多个BLM中其余BLM在DNP轴方向上的维度，使得在所述 多个BLM的所述子集之一处容纳的所述C4焊料球采用椭圆形形状。
18.如权利要求17所述的结构，其中所述多个BLM的所述子集包括在所述芯片的拐角 处的、所述多个BLM的外部两行或者更多行。
19.如权利要求17所述的结构，其中所述多个BLM的所述子集包括所述芯片上的所述 多个BLM的外部两行或者多行。
20.如权利要求17所述的结构，进一步包括通过多个C4焊料球中的每一个而附接至所述芯片的层压体；其中所述层压体包括与所述多个BLM的所述子集的位置相对应的多个椭圆形焊料抗 蚀剂开口。
21.如权利要求17所述的结构，其中所述多个BLM的所述子集至少包括多数所述BLM， 使得多数所述C4焊料球采用椭圆形形状。
22.—种集成电路(IC)封装结构，包括球限定金属化(BLM)层，其具有BLM周长；在所述BLM层上形成的可控坍塌芯片连接(C4)焊料球；以及在所述BLM层之下的金属焊盘层，其具有金属焊盘层周长，其中至少在所述C4焊料球的芯片边缘侧上，在与所述金属焊盘层平行的方向上，所述 金属焊盘层周长超过所述BLM周长。
23.如权利要求22所述的结构，其中在所述C4焊料球的至少两侧上，在与所述金属焊 盘层平行的方向上，所述金属焊盘层周长超过所述BLM周长。
24.如权利要求22所述的结构，其中在所述C4焊料球的所有侧上，在与所述金属焊盘 层平行的方向上，所述金属焊盘层周长超过所述BLM周长。
25.如权利要求22所述的结构，其中作用于所述C4焊料球的芯片边缘侧的张力拉拽所 述金属焊盘层，从而减轻了向所述金属焊盘之下的BEOL层的应力转移。
全文摘要
可控坍塌芯片连接(C4)结构和制造方法，并且更具体地，涉及用以改进无引线C4互连可靠性的结构和方法。一种结构，包括球限定金属化(BLM)层和形成于所述BLM层之上的可控坍塌芯片连接(C4)焊料球。此外，该结构包括所述BLM层之下的最终金属焊盘层以及所述最终金属焊盘层之下的保护层。而且，该结构包括在所述C4焊料球之下、并且在所述最终金属焊盘层与所述BLM层和所述保护层之一之间形成的空气间隙。
文档编号H01L23/485GK101958260SQ20101022958
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月13日 优先权日2009年7月13日
发明者C·D·穆兹, D·L·奎斯塔德, J·P·甘比诺, P·P·弗蒂尔, T·D·沙利文, T·H·道本斯佩克, W·索特 申请人:国际商业机器公司