专利名称：具有厚聚合物层的焊球保护结构的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及半导体领域，更具体地来说，涉及一种集成电路结构。
背景技术：
现代集成电路实际上由数百万个诸如晶体管和电容器的有源器件构成。这些器件最初相互隔离，并且稍后互连到一起以形成功能电路。典型的互连结构包括诸如金属线(配线)的横向互连以及诸如通孔和接触的垂直互连。互连越来越多地确定现代集成电路的性能和密度的限制。在互连结构的顶部，在对应芯片的表面上形成并露出接合焊盘。通过接触焊盘进行将芯片连接至封装衬底或另一管芯的电连接。接合焊盘可用于引线接合或倒装芯片接
口 ο 目前，晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)由于其低成本和相对简单的工艺而被广泛使用。在典型的WLCSP中，互连结构形成在金属层上，随后是凸块下金属化层(UBM)的形成以及焊球的安装。在WLCSP使用的传统互连结构中，形成铝焊盘以电连接至形成在相同管芯中的硅衬底表面上的器件。形成钝化层。钝化层包括在铝焊盘之上的部分。在钝化层中形成开口以露出铝焊盘。第一聚合物层形成在钝化层之上，并被图案化以露出铝焊盘。然后，形成钝化后互连(PPI)，随后是第二聚合物层的形成以及凸块下金属化层(UBM)的形成。在穿过第二聚合物的开口中形成UBM。然后，可以将焊球放置在UBM上。第一聚合物和第二聚合物可以由旋涂形成。第二聚合物的厚度通常在大约7 μ m和大约ΙΟμπι之间。上面讨论的WLCSP可以接合到印刷电路板(PCB)上。为了能够具有用好的WLCSP代替接合到PCB上的缺陷WLCSP的选择，优选地，在WLCSP和PCB之间没有填充底部填充物。然而，这种结构将WLCSP技术的管芯尺寸限制到5mmX5mm及以下。原因在于，在不具有底部填充物的保护的情况下，WLCSP中的管芯与PCB之间的热失配可以在热循环或坠落实验期间引起焊点断裂。因此，对于大管芯应用，要求倒装芯片封装以使用底部填充物，并且允许板上管芯直接接合。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种集成电路结构，包括衬底金属焊盘，位于所述衬底上方；钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分；钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘和所述钝化层上方的部分；PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘是所述PPI线的延伸部分；聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；以及凸块下金属化层(UBM)，延伸到所述聚合物层中的开口，并连接至所述PPI焊盘。在该集成电路结构中，所述聚合物层的厚度大于约100 μ m。该集成电路结构还包括焊球，位于所述UBM上方并连接至所述UBM，其中，所述焊球包括在所述聚合物层的所述开口中的第一部分以及位于所述聚合物层上方的第二部分。该集成电路结构还包括附加焊球，具有在所述聚合物层中的第一部分，其中，所述聚合物层包括从位于所述焊球的部分正下方延伸到位于所述附加焊球的第二部分正下方的平坦顶面。在该集成电路结构中，所述聚合物层由被配置为用于在固化之前形成层压膜的材料形成。 该集成电路结构还包括附加聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘下方并与所述PPI线和所述PPI焊盘接触。在该集成电路结构中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有半球状。在该集成电路结构中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有楔形轮廓，所述UBM的部分的底部的宽度小于所述UBM的部分的顶部的宽度。 在该集成电路结构中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有垂直轮廓，所述UBM的部分的底部的宽度基本上等于所述UBM的部分的顶部的宽度。根据本发明的另一方面，提供了一种集成电路结构，包括衬底；金属焊盘，位于所述衬底上方；钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分；钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘上方的部分；PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘与所述金属焊盘未垂直对准；聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；凸块下金属化层(UBM)，延伸到所述聚合物层中的开口中并接触所述PPI焊盘，其中，所述聚合物层具有平坦的顶面，所述顶面包括位于所述UBM的一部分正下方的第一部分以及与所述第一部分接触且不位于所述UBM正下方的第二部分；以及焊球，位于所述UBM上方。在该集成电路结构中，所述聚合物层的所述厚度大于约100 μ m。在该集成电路结构中，所述焊球包括在所述聚合物层的所述开口中的第一部分以及位于所述聚合物层上方的第二部分，以及其中，所述第二部分具有在大约150μπι和大约250 μ m之间的高度。在该集成电路结构中，所述聚合物层由被配置为用于在固化之前形成层压膜的材料形成。在该集成电路结构中，所述UBM具有楔形轮廓，在所述聚合物层中的底部具有第一宽度，所述第一宽度小于所述UBM在所述聚合物层中的顶部的第二宽度。在该集成电路结构中，所述UBM包括在所述聚合物层中的侧壁部分，以及其中，所述侧壁部分基本上垂直。 在该集成电路结构中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有半球状。在该集成电路结构中，所述UBM包括位于所述聚合物层的一部分正上方的突出部分，以及其中，所述突出的底面与所述聚合物层的顶面接触。根据本发明的又一方面，提供了一种集成电路结构，包括衬底；金属焊盘，位于所述衬底上方；钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分；钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘上方的部分；PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘是所述PPI线的延伸部分；聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；以及第一凸块下金属化层(UBM)和第二凸块下金属化层，延伸到所述聚合物层中的开口中，其中，所述第一 UBM电连接至所述PPI焊盘，以及其中，所述聚合物层包括连续地从位于所述第一 UBM的第一突出部分正下方延伸到位于所述第二 UBM的第二突出部分正下方的顶面。在该集成电路结构中，所述聚合物层的厚度大于约100 μ m。在该集成电路结构中，所述顶面基本上为平坦的，以及其中，所述顶面中位于所述第一突出部分和所述第二突出部分正下方的部分基本上与所述顶面不位于所述第一突出部分和所述第二突出部分正下方的部分平齐。
为了更加完整地理解实施例及其优点，现在将接合附图所进行以下描述作为参考，其中图I至图3是根据实施例的制造钝化后结构的中间阶段的截面图；以及 图4至图11示出了根据各个可选实施例的钝化后结构。
具体实施例方式以下详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解，实施例提供了许多可以在各种特定环境下实施的可应用发明概念。所讨论的特定实施例仅仅是示例性的，并不用于限制公开的范围。根据实施例提供了钝化后结构及其形成方法。示出了制造各个实施例的中间阶段。然后讨论实施例的变型例。在整个附图和所描述的实施例中，类似的参考标号用于指定类似的元件。参照图I，提供包括半导体衬底20的晶圆10。半导体衬底20可以为体硅衬底或绝缘体上硅衬底。还可以使用包括III族、IV族和V族元素的其他半导体材料。在半导体衬底20的表面上形成诸如晶体管(示意性地示为21)的集成电路器件。晶圆10可进一步包括半导体衬底20上方的层间介电层(ILD) 22以及ILD 22上方的金属化层24。金属化层24包括介电层25以及介电层25中的金属线26和通孔28。在实施例中，介电层25由低k电介质材料形成。例如，低k电介质材料的介电常数(k值)可以小于约2. 8，或者小于约
2.5。金属线26和通孔28可以由铜或铜合金形成，但是该金属线和通孔还可以由其他金属形成。本领域的技术人员应该知道金属化层的形成细节。在后面的附图中，没有示出半导体衬底20、ILD 22和金属化层24。形成顶部金属焊盘26A作为顶部金属化层的一部分。金属焊盘30形成在金属化层24上方，并且可以与顶部金属焊盘26A接触，或者可选地，经由通孔电连接至顶部金属焊盘26A。金属焊盘30可以为铝焊盘或铝铜焊盘，因此可选地在下文中将该金属焊盘称为铝焊盘30，但是还可以使用其他金属材料。钝化层32形成在金属化层24上方。钝化层32的一部分被形成为覆盖铝焊盘30的边缘部分。通过钝化层32中的开口露出铝焊盘30的中心部分。在实施例中，钝化层32由复合层形成，该复合层包括氧化硅层(未示出)以及位于氧化硅层上方的氮化硅层(未示出)。钝化层32还可以由其他非有机材料形成，诸如未掺杂硅酸盐玻璃(USG)、氮氧化硅等。此外，钝化层32可以为单层或复合层。钝化层32可以由无孔材料形成。聚合物层36形成在钝化层32上方。聚合物层36可以由诸如环氧树脂、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)等的聚合物形成，但是还可以使用其他相对较软、通常为有机的电介质材料。形成方法包括旋涂或其他方法。将聚合物层36被图案化以形成开口，通过该开口露出铝焊盘30。聚合物层36的图案化可包括光刻技术。然后，可以实施固化以固化聚合物层36。形成钝化后互连(PPI)线38和PPI焊盘39，以通过钝化层32和聚合物层36中的开口电连接至铝焊盘30。钝化后互连(PPI)线38和PPI焊盘39由于它们在形成钝化层32之后形成而如此命名。PPI线38和PPI焊盘39可以同时形成，并且可以由相同材料形成，例如，材料可以为充分纯的铜或铜合金。因此，PPI焊盘39为PPI线38的延伸部分。PPI线38和PPI焊盘39可以在铜的顶部进一步包括包含镍的层(未示出)。形成方法包括电镀、无电镀、溅射、化学汽相沉积方法等。在图I结构的俯视图中，PPI线38可以为条状，并且PPI焊盘39可具有六边形或八边形的形状。通过PPI线38的布线，PPI焊盘39可以位于铝焊盘30正上方或者不位于铝焊盘30正上方。通过PPI线38的连接，PPI焊盘39可以形成为与金属焊盘30未垂直对准，并且可以用于例如对从对应管芯的中心到管芯的外围区域的电连接进行布线。图2示出了聚合物层42的形成和图案化。聚合物层42可包括选自环氧树脂、聚 酰亚胺、BCB和PBO的聚合物，并且可以使用与图案化聚合物层36相同的方法来图案化该聚合物层。在实施例中，聚合物层42为层压膜，其层压在PPI线38、PPI焊盘39和聚合物层36上方。聚合物层42可具有相对较高的弹性。由于聚合物层42较厚，所以用于使用旋涂形成传统薄聚合物层的聚合物不能用于形成聚合物层42。此外，聚合物层42可以由适合于在固化之前形成层压膜的材料形成。在聚合物层42的形成过程中，层压膜被粘附在晶圆10的上方。在形成UBM 46和可能的焊球50之后，例如，可以在高温或紫外线光下固化层压膜。为了减少用于形成开口 44(图2)的图案化步骤的成本，聚合物层42(和对应的层压膜)还可以由光敏材料形成，其可以在曝光之后容易被图案化。开口 44形成在聚合物层42中以露出下层的PPI焊盘39。开口 44的形成方法可包括光刻、湿或干蚀刻、激光钻孔等。然后，形成UBM 46以延伸到开口 44中以及接触PPI焊盘39。UBM 46可进一步包括位于聚合物层42正上方以形成突出46A的部分。因此，如图2所示，聚合物层42可具有顶面42A，其包括位于UBM 46的突出46A正下方的第一部分(标为42A1)以及与第一部分42A1接触且不位于UBM 46正下方的第二部分(标为42A2)。突出46A的底面接触聚合物层42的顶面42A。在一个实施例中，UBM 46由诸如铜、铜合金、钛或钛合金的导电材料形成，但是还可以使用其他金属材料。如图3所示，焊球50形成在UBM 46上，然后回流。在实施例中，通过将焊球放置在UBM 46上方来形成焊球50。在一些实施例中，通过利用光刻技术的焊料电镀工艺来形成焊球50。每一个焊球50都可以包括聚合物层42中的部分50A以及聚合物层42上方的部分50B。应该意识到，如图3所示，在相同的芯片(晶圆)中，可存在多个钝化后结构，该多个钝化后结构包括铝焊盘30、PPI线38、UBM 46和焊球50的。结果，聚合物层42形成在相邻UBM 46之间的区域中。聚合物层42还可以为基本横跨整个晶圆10延伸的层，并且聚合物层42的顶面42A可以基本上为平坦的且在第一个焊球50正下方延伸到在第二个焊球50正下方。此外，顶面42A包括不位于突出46A正下方的部分以及位于突出46A正下方的部分。在形成焊球50之后，晶圆10可以沿着划线52被切割为多个与所述管芯100相同的管芯。聚合物层42的厚度T可以大于30 μ m,并且可以大于约100 μ m。厚度T还可以在大约30 μ m和大约200 μ m之间。通过良好的厚度，聚合物层42用作有效的应力缓冲器。在管芯100接合至另一封装部件(诸如印刷电路板)之后，管芯100与封装部件之间的隔开距离由于厚度T而增加。衬底20与封装部件之间的距离也增加。结果，施加于焊球50、半导体衬底20和集成电路器件21 (图I)的应力减小。通过使焊球50的厚部分埋入聚合物层42，衬底20与封装部件之间的距离的增加不会引起焊球50的横向尺寸的增加。为了增加管芯100接合至封装部件的隔开距离，作为聚合物层42的顶面42A上方焊球50的部分的高度的高度H也较大，并且可以大于约100 μ m、在大约100 μ m和大约250 μ m之间或者在大约200 μ m和大约250 μ m之间。比率Η/T需要被调节以实现对焊球50和集成电路器件21的最大保护，而同时不会使焊球50大于所需尺寸。在实施例中，比率Η/T在大约250/30和大约300/200之间。图4至图11示出了根据可选实施例的钝化后结构。除非另有指定，否则这些实施例中的参考标号都表示与图I至图3所示实施例类似的元件。具体地，这些实施例中的聚 合物层42的结构、材料和厚度可以基本上与图I至图3所示的聚合物层42相同。在图3中，UBM 46在聚合物层42中的部分具有楔形轮廓，并且UBM 46的底部宽度Wl小于UBM 46的顶部宽度W2。在图4中，UBM 46在聚合物层42中的侧壁部分基本上为垂直的，因此，UBM46的底部宽度Wl基本上等于UBM 46的顶部宽度W2。在图5中，UBM 46在聚合物层42中的部分具有半球状，其具有连续变化的轮廓。UBM 46这种连续变化的轮廓利于减小施加于焊球50的应力，因为其没有拐角，因此没有应力集中点。可以通过调整蚀刻条件和/或蚀刻剂的组成来形成聚合物层42中的半球状开口。在实施例中，可通过细微调节的光学处理来形成半球状开口。在一些实施例中，诸如图3和图4所示，可以形成UBM 46的突出部分46A (突出部分为在聚合物层42正上方的水平部分)，或者诸如图5所示，不形成UBM 46的突出部分46A。除了没有形成聚合物层36以外，图6、图7和图8示出了分别类似于图3、图4和图5的实施例。代替地，PPI线38和PPI焊盘39形成在钝化层32上方并与该钝化层接触。聚合物层42还与钝化层32接触。图9、图10和图11示出了 UBM 46具有不同轮廓的实施例。在图9和图11中，UBM46包括突出部分46A，而在图10中不形成UBM突出。UBM 46的底部还可以具有不同的轮廓。例如，在图9中，UBM 46中接触PPI焊盘39的底部具有连续的轮廓且不具有平坦的顶面。在图10和图11中，UBM 46中接触PPI焊盘39的底部具有平坦的表面46B。从图3至图11可以看出，UBM 46在聚合物层42中的部分的轮廓确定对应焊球50的轮廓。因此，聚合物层42中的焊球50的部分还可以具有楔形轮廓、垂直轮廓、半球状、连续的非平坦底部或者平坦底部。通过增加聚合物层42的厚度，观察到不期望的结果。模拟结果揭示，如果对应的聚合物层42具有大于30 μ m的厚度，则具有7mmX 7mm尺寸的管芯可以基本上通过所有的热循环测试。相反，如果对应的聚合物层42具有小于30 μ m的厚度，则基本上具有7mmX 7mm尺寸的所有管芯都在热循环测试中失败。根据实施例，集成电路结构包括衬底；以及位于衬底上方的金属焊盘。PPI线连接至金属焊盘，其中，PPI线至少包括在金属焊盘上方的部分。PPI焊盘连接至PPI线。聚合物层在PPI线和PPI焊盘上方，其中，聚合物层具有大于约30 μ m的厚度。UBM延伸到聚合物层中的开口中，并且电连接至PPI焊盘。根据其他实施例，集成电路结构包括衬底；铝焊盘，位于衬底上方；钝化层，包括位于铝焊盘上方的部分；PPI线，连接至铝焊盘，其中，PPI线至少包括位于铝焊盘上方的部分；PPI焊盘，连接至PPI线，其中，PPI焊盘与铝焊盘未垂直对准；聚合物层，位于PPI线和PPI焊盘上方，其中，聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；以及UBM，延伸到聚合物层中的开口中，并接触PPI焊盘。聚合物层具有平坦的顶面，该平坦的顶面包括位于UBM的一部分正下方的第一部分以及与第一部分接触且不位于UBM正下方的第二部分。焊球位于UBM上方并与其接触。根据又一个实施例，集成电路结构包括金属焊盘，位于衬底上方；钝化层，包括位于金属焊盘上方的部分；以及PPI线，通过钝化层中的开口连接至金属焊盘，其中，PPI线至少包括位于金属焊盘上方的部分。PPI焊盘连接至PPI线。聚合物层位于PPI线和PPI 焊盘上方，其中，聚合物层具有大于约30 μ m的厚度。UBM延伸到聚合物层中的开口，并且电连接至PPI焊盘。UBM包括在聚合物层中且具有半球状的部分。焊球在UBM层之上并与其接触。尽管详细描述了实施例及其优点，但应该理解，在不背离由所附权利要求限定的实施例的主旨和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和修改。此外，本申请的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域的技术人员应该容易地从公开中理解，可以根据发明利用现有或稍后开发的执行与本文所描述对应实施例基本相同的功能或实现基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求用于在它们的范围内包括这些工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤。此外，每个权利要求都构成独立的实施例，并且各个权利要求和实施例的组合在公开的范围之内。
权利要求
1.一种集成电路结构，包括 衬底 金属焊盘，位于所述衬底上方； 钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分； 钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘和所述钝化层上方的部分； PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘是所述PPI线的延伸部分； 聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；以及 凸块下金属化层(UBM)，延伸到所述聚合物层中的开口，并连接至所述PPI焊盘。
2.根据权利要求I所述的集成电路结构，其中，所述聚合物层的厚度大于约ΙΟΟμπι。
3.根据权利要求I所述的集成电路结构，还包括焊球，位于所述UBM上方并连接至所述UBM，其中，所述焊球包括在所述聚合物层的所述开口中的第一部分以及位于所述聚合物层上方的第二部分。
4.根据权利要求3所述的集成电路结构，还包括附加焊球，具有在所述聚合物层中的第一部分，其中，所述聚合物层包括从位于所述焊球的部分正下方延伸到位于所述附加焊球的第二部分正下方的平坦顶面。
5.根据权利要求I所述的集成电路结构，其中，所述聚合物层由被配置为用于在固化之前形成层压膜的材料形成。
6.根据权利要求I所述的集成电路结构，还包括附加聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘下方并与所述PPI线和所述PPI焊盘接触。
7.根据权利要求I所述的集成电路结构，其中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有半球状。
8.根据权利要求I所述的集成电路结构，其中，所述UBM在所述聚合物层中的部分具有楔形轮廓，所述UBM的部分的底部的宽度小于所述UBM的部分的顶部的宽度。
9.一种集成电路结构，包括 衬底； 金属焊盘，位于所述衬底上方； 钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分； 钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘上方的部分； PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘与所述金属焊盘未垂直对准； 聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度； 凸块下金属化层(UBM)，延伸到所述聚合物层中的开口中并接触所述PPI焊盘，其中，所述聚合物层具有平坦的顶面，所述顶面包括位于所述UBM的一部分正下方的第一部分以及与所述第一部分接触且不位于所述UBM正下方的第二部分；以及焊球，位于所述UBM上方。
10.一种集成电路结构，包括衬底； 金属焊盘，位于所述衬底上方； 钝化层，包括位于所述金属焊盘上方的部分； 钝化后互连(PPI)线，连接至所述金属焊盘，其中，所述PPI线至少包括位于所述金属焊盘上方的部分； PPI焊盘，连接至所述PPI线，其中，所述PPI焊盘是所述PPI线的延伸部分； 聚合物层，位于所述PPI线和所述PPI焊盘上方，其中，所述聚合物层具有大于约30 μ m的厚度；以及 第一凸块下金属化 层(UBM)和第二凸块下金属化层，延伸到所述聚合物层中的开口中，其中，所述第一 UBM电连接至所述PPI焊盘，以及其中，所述聚合物层包括连续地从位于所述第一 UBM的第一突出部分正下方延伸到位于所述第二 UBM的第二突出部分正下方的顶面。
全文摘要
集成电路结构包括衬底和位于衬底上方的金属焊盘。钝化后互连(PPI)线连接至金属焊盘，其中，PPI线至少包括位于金属焊盘上方的部分。PPI焊盘连接至PPI线。聚合物层位于PPI线和PPI焊盘上方，其中，聚合物层具有大于约30μm的厚度。凸块下金属化层(UBM)延伸到聚合物层中的开口中并连接至PPI焊盘。本发明还提供了一种具有厚聚合物层的焊球保护结构。
文档编号H01L23/488GK102832188SQ20121007861
公开日2012年12月19日 申请日期2012年3月22日 优先权日2011年6月16日
发明者余振华, 许呈锵, 蔡豪益, 李建勋 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司