晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的制作方法

本实用新型涉及一种晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，尤指一种利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中两个分开制作过程或同一制作过程，以在该多个化镀镍凸块的顶面及环侧面分开地或同时地形成一外护层，以改良并降低该化镀镍凸块的硬度，并避免化镀镍凸块的侧壁容易氧化及因电子迁移而易造成凸块的短路的问题，达成制作过程简化、制作成本降低及品质稳定的功效。

背景技术：

在有关半导体晶片或晶圆的连结(如焊垫凸块)、封装(package)或其相关制作过程的技术领域中，目前已存在多种现有技术，如：中国台湾M397591、M352128、M412460、M412576、M410659，I306638、I320588、I255538、I459362、I253733、I273651、I288447、I295498、I241658、I259572、I472371、I242866、I269461、I329917、I282132、I328266、I284949；及美国实用新型专利US8,030,767、US7,981,725、US7,969,003、US7,960,214、US7,847,414、US7,749,806、US7,651,886、US7,538,020、US7,750,467、US7,364,944、US7,019,406、US6,507,120、US7,999,387、US7,993,967、US7,868,470、US7,868,449、US7,972,902、US7,960,825、US7,952,187、US7,944,043、US7,934,313、US7,906,855等。上述现有技术几乎都属于在其技术领域中的微小的改进。由此可见，在有关半导体晶片或晶圆的连结、封装或其相关制作过程的技术领域中，其技术发展的空间已相当有限，因此在此技术发展空间有限的领域中(in the field of the crowded art)，如能在技术上有微小的改进，亦得视为具有进步性。

本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，是在凸块结构的技术领域中，提出一种具有简化制作过程及降低制作成本的功效，且进一步能有效改良并降低所形成的化镀镍凸块的硬度以满足后制作过程中接着程式的要求，并避免化镀镍凸块的侧壁容易氧化及因电子迁移(migration)而易造成凸块之间短路的缺点的实用新型。由于上述现有技术在形成该多个凸块之前必须以凸块底层金属化(Under Bump Metallization，UBM)制作过程在该多个焊垫上先形成一金属层，再以金属电镀或印刷银膏的方式在该多个焊垫的金属层上形成该多个凸块，因此，现有技术的制作过程不仅成本较高且制作困难度也较高，相对地造成制作过程较复杂化及产量降低，况且该多个凸块需使用较多的贵金属材料。

另，以银胶形成的凸块而言，银胶凸块的硬度范围较大，也就是硬度可以由较软改变至较硬，可利用烘烤条件来调整；然而，以本实用新型的化镀镍凸块而言，化镀镍凸块的硬度范围较小，也就是化镀镍凸块的表面硬度过大且无法利用烘烤条件来调整，因此不利于后制作过程的接着程式。

另，若在形成的化镀镍凸块上未能增设侧壁外护层，则该化镀镍凸块会有容易氧化的问题，同时亦因电子迁移(migration)作用，而容易造成凸块之间短路的缺点。部分现有技术虽已揭示侧壁外护层的结构或制法的相关技术，如中国台湾M410659、US2011/0260300及中国台湾M397591等，但所揭示的侧壁外护层的结构及制法皆较为繁复，即制作过程不够简化，制作成本相对无法降低，因此不利于量产化；又，现有技术的化镀镍凸块一般是以无光阻方式形成，虽有侧壁外护层，但化镀镍凸块的高度较低如2-10微米(μm)，且凸块之间距无法做到较小，致凸块无法精细化，无法满足目前本技术领域的实际需求。

由上可知，现有技术的凸块结构及其制作过程难以符合实际使用时的需求，因此在晶圆焊垫的凸块结构及其制法的技术领域中，发展并设计一种制作过程简化、制作成本降低、凸块的表面硬度符合后制作过程的接着程式要求、且设具侧壁外护层的凸块结构，确实有其需要性。

技术实现要素：

本实用新型主要目的在于提供一种晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，其是在设有光阻的状态下，利用无电解镍方式以在该多个晶圆焊垫的表面的触媒层上各形成一具预设高度的以无电解镍构成的凸块，再利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中两个分开制作过程或同一制作过程，以在该多个凸块的顶面及环侧面分开地或同时地各形成一外护层以完全包覆在该化镀镍凸块的外露表面上，并使该外护层得包含至少一保护层是选自浸金(IG)层、化银(ES)层的族群中的一种材料所构成，以改良并降低该化镀镍凸块的硬度，并避免化镀镍凸块的侧壁容易氧化及因电子迁移而易造成凸块的短路的问题，达成制作过程简化、制作成本降低及品质稳定的功效。

为达成上述目的，本实用新型提供一种晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，其特征在于，包括：

一晶圆，其包含：一表面；多个焊垫设在该表面上；及一保护层形成于该表面上并设有多个开口供对应显露该多个焊垫；

多个触媒层，其利用锌化处理制作过程以在该多个焊垫的表面上分别形成一触媒层；

多个化镀镍凸块，其利用无电解镍方式，并配合有光阻方式，以在该多个触媒层的表面分别形成一具有预设高度的化镀镍凸块；

多个顶面外护层，其分别设在该多个化镀镍凸块的顶面上，其中各顶面外护层包含至少一浸金层或化银层的材料所构成的保护层，利用化金制作过程或化银制作过程以在该多个化镀镍凸块的顶面形成顶面外护层；及

多个侧壁外护层，其分别设在该多个化镀镍凸块的环侧面上，其中各侧壁外护层包含至少一浸金层或化银层的材料所构成的保护层，是利用化金制作过程或化银制作过程以在该多个化镀镍凸块的环侧面上分别形成侧壁外护层；

其中各化镀镍凸块在其顶面上所形成的顶面外护层与在其环侧面上所形成的侧壁外护层完全密合地包覆在各化镀镍凸块的外表面，以形成一完整的外护层。

所述的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，其中，形成在该化镀镍凸块顶面的顶面外护层由一由浸金层所构成的单层结构、一由在内层的浸金层及在外层的厚金层所构成的双层结构、一由化银层所构成的单层结构或一由在内层的化银层及在外层的浸金层所构成的双层结构所形成。在更进一步的技术方案中，该化镀镍凸块的厚度为2～14微米，该浸金层的厚度为0.01～0.05微米，该厚金层的厚度为0.5～2.0微米，该化银层的厚度为0.5～2.0微米。

所述的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，其中，形成在该化镀镍凸块环侧面的该侧壁外护层是由一由浸金层所构成的单层结构、一由在内层的浸金层及在外层的厚金层所构成的双层结构、一由化银层所构成的单层结构或一由在内层的化银层及在外层的浸金层所构成的双层结构所形成。

所述的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构，其中，形成在该化镀镍凸块顶面的顶面外护层及形成在该化镀镍凸块的环侧面的侧壁外护层是由选自一由浸金层所构成的单层结构、一由在内层的浸金层及在外层的厚金层所构成的双层结构、一由化银层所构成的单层结构、一由在内层的化银层及在外层的浸金层所构成的双层结构的族群中的一种结构所形成。在更进一步的技术方案中，该化镀镍凸块的厚度为2～14微米，该浸金层的厚度为0.01～0.05微米，该厚金层的厚度为0.5～2.0微米，该化银层的厚度为0.5～2.0微米。

本实用新型的有益效果是：改良并降低该化镀镍凸块的硬度，并避免化镀镍凸块的侧壁容易氧化及因电子迁移而易造成凸块的短路的问题，达成制作过程简化、制作成本降低及品质稳定的功效。

附图说明

图1为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的第一实施例的截面示意图；

图2为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的第二实施例的截面示意图；

图3为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的第三实施例的截面示意图；

图4为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的第四实施例的截面示意图；

图5A-图5G为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的制作过程第一实施例(以两个分开的制作过程分开形成)的截面示意图；

图6A-图6F为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的制作过程第二实施例(以同一制作过程同时形成)的截面示意图。

附图标记说明：1-化镀镍凸块结构；10-晶圆；11-表面；12-焊垫；13-保护层；14-开口；20-触媒层；30-化镀镍凸块；40-顶面外护层；40a-浸金(IG)层；40b-厚金层；40c-化银层；40d-化银层；40e-浸金层；50-光阻层；51-开口；60-侧壁外护层；60a-浸金层；60b-厚金层；60c-化银层；60d-化银层；60e-浸金层。

具体实施方式

为使本实用新型更加明确详实，将本实用新型的结构、技术特征及其制造方珐，配合下列附图详述如后：

参考图1-图4所示，其分别为本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的四个不同实施例的截面示意图。本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构1包括：一晶圆10、多个触媒层20、多个化镀镍(electroless nickel)凸块30、多个顶面外护层40及多个侧壁外护层60。

该晶圆10包含：一表面11；多个焊垫(die pad)12，其设在该表面11上；及一第一保护层13，其形成于该表面11上并设有多个开口14供对应显露该多个焊垫12。该晶圆10一般是由晶圆制造厂提供，其中多个焊垫12设在该表面11上的布局(layout)并不限制，可随客户需要而设计为各种阵列的排列方式。其中该第一保护层13一般为氮化物材质。

该多个触媒层20利用选自凸块下金属化(under bump metallization，UBM)、锌化处理(zincating)的族群中一制作过程以在该多个焊垫的表面上各形成一触媒层20。该触媒层20利用凸块下金属化(UBM)或锌化处理(zincating)所构成的一触媒层，其主要功能是用以连接该多个焊垫12，并同时作为在进行后续的无电解金属方式时的沉积媒介层，以形成一以无电解镍构成的凸块30。本实用新型的一较佳实施例中，该触媒层20是采用重量百分比浓度为15～30％的锌盐水溶液，在溶液温度20～35℃中经过时间10～60秒(sec)以形成一以锌构成的触媒层，但本实施例并非用以限制本实用新型的触媒层20。

该多个凸块30利用无电解镍(electroless nickel)的无电解金属方式，并配合有光阻方式，以在该多个焊垫12表面的该多个触媒层20的表面各形成一具预设高度且以无电解镍构成的凸块(bump)30，在此亦称为化镀镍(electroless nickel)凸块30。在本实施例中，该多个凸块30的形成厚度是由无电解(化镀)镍沉积生成，但因配合有光阻方式形成，故该多个凸块30的高度可达到并符合原设计所需的预期高度。本实施例所使用的镍盐材料中，以磷酸系列的镍材如磷酸镍为最佳，因磷酸镍具有自我催化反应的作用功能，可有效提高以无电解镍所沉积生成的化镀镍凸块30的厚度(高度)，以达到设计所需的凸块30的厚度。在本实施例中，该多个以无电解镍构成的凸块30是采用浓度为4-6.5g/L(克/公升)的镍盐水溶液，在溶液温度75-100℃中经过时间30-75分(min)以沉积形成，但本实施例并非用以限制本实用新型的凸块30。

该多个顶面外护层40分别设在该多个化镀镍凸块30的顶面上，其中各顶面外护层40包含至少一选自浸金(IG，Immersion Gold)层、化银(ES，Electroless Silver)层的族群中一种材料所构成的保护层，其在设有或去除图案化光阻层(50)的状态下(容后再述)，利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中一制作过程以在该多个化镀镍凸块30的顶面各形成一顶面外护层40。

该多个侧壁外护层60，其分别设在该多个化镀镍凸块30的环侧面上，其中各侧壁外护层60包含至少一选自浸金(IG，Immersion Gold)层、化银(ES，Electroless Silver)层的族群中一种材料所构成的保护层，其在去除图案化光阻层(50)的状态下(容后再述)，利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中一制作过程以在该多个化镀镍凸块30的环侧面上分别形成一侧壁外护层60。其中，在各化镀镍凸块30的环侧面上所形成的侧壁外护层60与在各化镀镍凸块30的顶面上所形成的顶面外护层40完全密合地包覆在各化镀镍凸块30的外露表面上，以形成一完整且密合的外护层。

本实用新型的顶面外护层40及侧壁外护层60各分别包含下列四种不同的结构型态；而在实际应用上，依据选择及利用不同的制作过程(容后再述)，该顶面外护层40的四种不同结构型态与侧壁外护层60的四种不同结构型态之间可任意相互选择及组合，如选择该顶面外护层40的任一种结构型态(如第一种结构型态)以与该侧壁外护层60的任一种结构型态(如第二种结构型态)搭配使用(如图1所示)，故可产生16种不同的结构型态(即4x4＝16种排列组合)；兹说明四种不同的结构型态如下：

第一种结构型态：其是一由一在内层的浸金(IG，Immersion Gold)层及一在外层的厚金(EG，Electroless Gold)层所构成的双层结构。该顶面外护层40(如图1所示的40a、40b)及该侧壁外护层60(如图2所示的60a、60b)，是一由一在内层的浸金(IG，Immersion Gold)层40a/60a及一在外层的厚金(EG，Electroless Gold)层40b/60b所构成的双层结构，其利用化金制作过程以在该化镀镍凸块30的外露表面(如顶面及环侧面)上先形成一浸金(IG)层40a/60a，再于该浸金(IG)层40a/60a的外表面上再形成一厚金(EG)层40b/60b；在此第一种结构型态中，该化镀镍凸块30的厚度约为2～14微米(μm)，该浸金(IG)层40a/60a的厚度约为0.01～0.05微米(μm)，该厚金(EG)层40b/60b的厚度约为0.5～2.0微米(μm)。

第二种结构型态：其是由一浸金(IG，Immersion Gold)层所构成的单层结构。该顶面外护层40(如图3所示的40a)及该侧壁外护层60(如图3所示的60a)，是一由一浸金(IG，Immersion Gold)层40a/60a所构成的单层结构，其是利用化金制作过程以在该化镀镍凸块30的外露表面(如顶面及环侧面)上形成一浸金(IG)层40a/60a；在此第二种结构型态中，该化镀镍凸块30的厚度约为2～14微米(μm)，该浸金(IG)层40a/60a的厚度约为0.01～0.05微米(μm)。

第三种结构型态：其是由一化银(ES，Electroless Silver)层所构成的单层结构。该顶面外护层40(如图3所示的40c)及该侧壁外护层60(如图3所示的60c)，是一由一化银(ES，Electroless Silver)层40c/60c所构成的单层结构，其是利用化银制作过程以在该化镀镍凸块30的外露表面(如顶面及环侧面)上分别形成一化银(ES)层40c/60c；在此第三种结构型态中，该化镀镍凸块30的厚度约为2～14微米(μm)，该化银(ES)层40c/60c的厚度约为0.5～2.0微米(μm)。

第四种结构型态：其是一由一在内层的化银(ES)层及一在外层的浸金(IG)层所构成的双层结构。如图4所示，该顶面外护层40(如图4所示的40d、40e)及该侧壁外护层60(如图4所示的60d、60e)，是一由一在内层的化银(ES)层40d/60d及一在外层的浸金(IG)层40e/60e 所构成的双层结构，其是利用化银制作过程以在该化镀镍凸块30的外露表面(如顶面及环侧面)上先形成一化银(ES)层40d/60d，再于该化银(ES)层40d/60d的外表面上再形成一浸金(IG)层40e/60e；在此第四种结构型态中，该化镀镍凸块30的厚度约为2～14微米(μm)，该化银(ES)层40d/60d的厚度约为0.5～2.0微米(μm)，该浸金(IG)层40e/60e的厚度约为0.01～0.05微米(μm)。

由上可知，参考图1所示，其选择该顶面外护层40的第一种结构型态以与该侧壁外护层60的第二种结构型态搭配使用。参考图2所示，其选择该顶面外护层40的第二种结构型态以与该侧壁外护层60的第二种结构型态搭配使用。参考图3所示，其选择该顶面外护层40的第二或第三种结构型态以与该侧壁外护层60的第二或第三种结构型态搭配使用，其中，当制作过程中先形成该顶面外护层40c(第三种结构型态)之后再形成该侧壁外护层60a(第二种结构型态)时，或许在形成该侧壁外护层60a的同时会在该顶面外护层40c的外表面上另再形成一浸金(IG)层而如同第四种结构型态(图中未示)，但仍视为达成该顶面外护层40的预期功效；参考图4所示，其选择该顶面外护层40的第四种结构型态以与该侧壁外护层60的第四种结构型态搭配使用。但图1～图4仅用以表示该顶面外护层40与侧壁外护层60之间的四种不同的选择及组合，并非用以限制本实用新型。

参考图5A～图5G所示，其为图1～图4所示各种凸块结构1的制造方法一优选实施例的截面示意图；本实施例的凸块制作过程包含下列步骤：

参考图5A所示，提供一晶圆10，该晶圆10具有一表面11；多个焊垫12设在该表面11上；及一第一保护层13形成于该表面11上并设有多个开口14供对应显露该多个焊垫12，其中该多个开口之间的距离为小于或等于16μm(微米，10^-6m)。

参考图5B所示，再形成一光阻层50在该第一保护层上并图案化该光阻层50，以在已图案化的光阻层50具有多个开口51供分别对应显露各焊垫12及各焊垫12的周围一部分的第一保护层13。

参考图5C所示，再利用选自凸块下金属化(under bumpmetallization，UBM)、锌化处理(zincating)的族群中一制作过程以在该多个焊垫12的表面上各形成一触媒层20；在一较佳实施例中，该触媒层20是采用重量百分比浓度为15～30％的锌盐水溶液，在溶液温度20～35℃中经过时间10～60秒(sec)以形成一以锌构成的触媒层20。

参考图5D所示，再利用无电解镍方式，以在该多个开口51中分别形成一以无电解镍构成的化镀镍凸块30；在本实施例中，该多个化镀镍凸块30的厚度大于或等于6μm(微米，10^-6m)(即厚度≥6μm)。由于本实施例的化镀镍凸块30在已设有图案化光阻层50的状态下所形成，故本实施例的化镀镍凸块30的高度通常是高于在未设光阻层的状态下所形成的凸块的高度；在本实施例中，该多个化镀镍凸块30是采用浓度为4-6.5g/L(克/公升)的镍盐水溶液，在溶液温度75-100℃中经过时间30-75分(min)以沉积形成。又本实施例中，该多个化镀镍凸块30的厚度为2-15μm(微米，10^-6m)。

参考图5E所示，再于仍设有图案化光阻层50的状态下如图5D所示，利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中的一制作过程，以在该多个化镀镍凸块30的顶面上分别形成一顶面外护层40；其中各顶面外护层40包含至少一保护层，如图1、图2中所示40a、40b或如图3中所示40a、40c或如图4中所示40d、40e。该顶面保护层选自浸金(IG)层、化银(ES)层的族群中的一种材料所构成；也就是，本实用新型的该顶面外护层40可包含上述第一种至第四种等四种不同的结构型态，分别为如图1、2所示的第一种结构型态(40a、40b)、如图3所示的第二种或第三种结构型态(40a/40c)、及如图4所示的第四种结构型态(40d、40e)。在图5E、5F所示的顶面外护层40(40a、40b)是以图1、2所示的第一种结构型态为例说明但不限制。

参考图5F所示，再移除该光阻层50，以显露该多个顶面外护层40、该多个化镀镍凸块30及该多个凸块下方以外的该第一保护层13。再移除该光阻层50，以显露该多个外护层40、该多个化镀镍凸块30及该多个凸块下方以外的该第一保护层13。

参考图5G所示(在本实施例中，图5G等同于图1)再利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中的一制作过程，以在该多个化镀镍凸块30的环侧面上各形成一侧壁外护层60，其中各侧壁外护层60包含至少一保护层，其选自浸金层、化银层的族群中的一种材料所构成，即完成本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构1的制作过程。其中，各侧壁外护层60包含至少一保护层，如图1中所示60a或如图2中所示60a、60b或如图3中所示60c或如图4中所示60d、60e。该侧壁保护层选自浸金(IG)层、化银(ES)层的族群中的一种材料所构成；也就是，本实用新型的该侧壁外护层60可包含上述第一种至第四种等四种不同的结构型态，分别为如图1所示的第二种结构型态(60a)、如图2所示的第一种结构型态(60a、60b)、如图3所示的第三种结构型态(60c)及如图4所示的第四种结构型态(60d、60e)。在图5G所示的侧壁外护层60(60a)是以图1所示的第二种结构型态为例说明但不限制。

在图5A～图5G所示的制造方法实施例中，该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60以两个分开的制作过程形成，其中该多个顶面外护层40是利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中一制作过程以先形成在该多个化镀镍凸块30的顶面上，在移除该光阻层50的后(如图5F所示)，再利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中一制作过程，以使各化镀镍凸块30的环侧面上各再形成一侧壁外护层60。以图5A～图5G所示的制造方法而言，由于该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60是以两个分开的制作过程形成，因此该侧壁外护层60的结构型态并不一定相同于该顶面外护层40的结构型态如图1所示，其中又以图1所示的搭配情形为较佳实施例，因为该多个侧壁外护层60采用第二种结构型态，即为一由一浸金(IG，Immersion Gold)层所构成的单层结构，故相对节省材料成本，且不影响本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的完成品品质。

此外，再参考图6A～图6F所示，其是图2～图4所示各种凸块结构1的制造方法另一优选实施例的截面示意图；本实施例的凸块制作过程包含下列步骤，包含下列步骤：

参考图6A～图6D所示，在本实施例中，图6A～图6D所示的步骤等同于图5A-5D所示的步骤。

参考图6E所示，再移除该光阻层50，以显露该多个化镀镍凸块30，即包括该多个化镀镍凸块30的顶面及环侧面，及该多个化镀镍凸块30下方以外的该第一保护层13。

参考图6F所示，利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中的一制作过程，以在该多个化镀镍凸块30的顶面及环侧面上同时地各形成一外护层(40、60)，即该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60同时形成并密合地包覆在该多个化镀镍凸块30的外露表面(包含顶面及环侧面)上，其中各外护层(40、60)包含至少一保护层其选自浸金层、化银层的族群中的一种材料所构成。

在图6A～图6F所示的制造方法实施例中，该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60以同一制作过程形成，也就是该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60利用选自化金制作过程、化银制作过程的族群中一制作过程同时形成在该多个化镀镍凸块30的包含顶面及环侧面的外露表面上。因此以图5A～图5G所示的制造方法而言，由于该多个顶面外护层40及该多个侧壁外护层60以同一制作过程形成，该侧壁外护层60的结构型态相同于该顶面外护层40的结构型态如图2～图4所示。由于该多个侧壁外护层60是采用与该多个顶面护层40相同的结构型态，而该多个顶面护层40一般是采用第一种结构型态，即为一由一在内层的浸金(IG)层及一在外层的厚金(EG)层所构成的双层结构，故与图1所示实施例相比，相对无法节省材料成本，但并不影响本实用新型的晶圆焊垫的化镀镍凸块结构的完成品品质。

以上所示仅为本实用新型的优选实施例，对本实用新型而言仅是说明性的，而非限制性的。在本专业技术领域具通常知识人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效的变更，但都将落入本实用新型的保护范围内。