金属凸块结构及其形成方法与流程

本发明涉及封装技术领域，尤其涉及一种金属凸块结构及其形成方法。

背景技术：

金属凸块是半导体封装中常用的技术之一，通常采用Au、Cu或SuAg等材料，成本比较昂贵。

请参考图1，在应用中，金属凸块10在形成之后，将与Sn材料层20进行共晶的键合，形成合金材料，以实现电连接。

现有的金属凸块采用较多的Au等成本较高的金属材料，使得金属凸块的成本较高。

需要一种新的金属凸块结构及其形成方法，以降低金属凸块的成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种金属凸块结构及其形成方法，以降低成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种金属凸块结构的形成方法，包括：提供基底；在所述基底上形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层具有开口，所述开口暴露出部分基底；在所述开口内形成位于基底上的第一金属层；在所述第一金属层表面形成第二金属层，所述第二金属层的材料与第一金属层的材料能够形成共晶化合物。

可选的，所述第二金属层的材料包括Au、Cu或SnAg。

可选的，所述第一金属层为单层金属层。

可选的，所述第一金属层为Sn层。

可选的，所述第一金属层包括第一子金属层和位于所述第一子金属层表面的第二子金属层，或者所述第一金属层包括间隔堆叠的若干第一子金属层和第二子金属层。

可选的，所述第一子金属层的材料包括Au、Cu或SnAg，所述第二子金属层材料为Sn。

可选的，还包括：在形成所述图形化掩膜层之前，在所述基底表面形成过渡层。

可选的，还包括形成所述第二金属层之后，去除所述图形化掩膜层以及位于所述图形化掩膜层下方的部分过渡层。

可选的，所述第一金属层与第二金属层的厚度根据所述共晶合金的成分比例进行调整。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种金属凸块结构，包括：基底，位于所述基底上的金属凸块，所述金属凸块包括：第一金属层和位于所述第一金属层表面的第二金属层，所述第二金属层的材料与第一金属层的材料能够形成共晶化合物。

可选的，包括：所述第二金属层的材料包括Au、Cu或SnAg。

可选的，所述第一金属层为单层金属层。

可选的，所述第一金属层包括第一子金属层和位于所述第一子金属层表面的第二子金属层，或者所述第一金属层包括间隔堆叠的若干第一子金属层和第二子金属层。

可选的，所述第一子金属层的材料包括Au、Cu或SnAg，所述第二子金属层材料为Sn。

可选的，所述金属凸块还包括位于基底与第一金属层之间的过渡层。

可选的，所述第一金属层与第二金属层的厚度与所述共晶合金的成分比例对应。

本发明的金属凸块结构及其形成方法中，形成第一金属层和第二金属层的堆叠结构作为金属凸块，可以降低贵重金属的用量，降低金属凸块的成本。并且，所述第一金属层和第二金属层的材料能够形成共晶合金，在所述金属凸块结构进行倒装焊过程中，进行共晶键合时，所述第一金属层与第二金属层之间也能形成共晶合金，从而提高共晶键合效率，以及键合效果。

附图说明

图1为本发明现有技术的共晶键合示意图；

图2A～图2E为本发明一具体实施方式的金属凸块结构形成过程的结构示意图；

图3A～图3B为本发明一具体实施方式的金属凸块结构形成过程的结构示意图；

图4A～图4B为本发明一具体实施方式的金属凸块结构形成过程的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的金属凸块及其形成方法的具体实施方式做详细说明。

如背景技术所述，现有技术形成的金属凸块，成本较高。

请参考图2A至图2E，为本发明一实施方式的金属凸块的形成过程示意图。

请参考图2A，提供基底100，在所述基底100表面形成过渡层101，所述过渡层101用于提高基底100表面的导电性和粘附力，便于后续再基底100表面电镀形成金属凸块。

请参考图2B，在所述过渡层101表面形成图形化掩膜层200，所述图形化掩膜层200具有开口201，暴露出过渡层101的部分表面。所述图形化掩膜层200可以是光刻胶层。

请参考图2C，采用电镀工艺在所述开口201内形成金属层202。所述金属层202的材料为Au、Cu或SnAg等。

请参考图2D，采用干法或湿法刻蚀工艺去除所述图形化掩膜层200(请参考图2C)。

请参考图2E，去除未被金属层102覆盖的过渡层101(请参考图2D)，仅保留金属层102与基底100之间的部分过渡层101a。

所述金属层102作为金属凸块，成分单一，通常为Au、Cu或SnAg等，成本较高。

请参考图3A至3B，为本发明另一具体实施方式的金属凸块结构的形成过程的示意图。

请参考图3A，提供基底300，在所述基底300上形成图形化掩膜层302，所述图形化掩膜层302具有开口303，所述开口303暴露出部分基底300；在所述开口303内形成位于基底300上的第一金属层304；在所述第一金属层304表面形成第二金属层305，所述第二金属层305的材料与第一金属层304的材料能够形成共晶化合物。

所述基底300可以包括半导体衬底以及位于所述半导体衬底表面的介质层。所述半导体衬底的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本实施例中，所述基底的半导体衬底内形成有半导体器件，所述介质层内形成有金属连接结构。所述基底300的类型与结构不应限制本发明的保护范围。

本具体实施方式中，所述图形化掩膜层302的材料为光刻胶，所述图形化掩膜层302的形成方法包括：采用旋涂或喷涂工艺，在基底300表面形成光刻胶层之后，对所述光刻胶层进行曝光显影，形成开口303。在本发明的其他具体实施方式中，所述图形化掩膜层302的材料还可以是氮化硅、氧化硅或氮氧化硅等材料，具体的，可以在基底300上沉积掩膜材料层之后，采用刻蚀工艺对所述掩膜材料层进行图形化，形成所述具有开口303的图形化掩膜层302。

在本具体实施方式中，在形成所述图形化掩膜层302之前，首先在所述基底300表面形成过渡层301，所述过渡层301为籽晶层，具体材料可以是TiW、Ti或TiN等，提高基底300表面的导电性和粘附性。可以通过物理沉积、气相沉积或原子层沉积工艺形成所述过渡层301。后续在所述过渡层301表面形成图形化掩膜层302。

在本发明的另一具体实施方式中，还可以在所述基底301表面直接形成图形化掩膜层302之后，在开口303底部的基底303表面形成过渡层。在另一具体实施方式中，也可以不形成所述过渡层。

采用电镀工艺形成所述第一金属层304和第二金属层305。所述第一金属层304可以为单层金属层，具体的所述第一金属层304的材料可以为Sn，第二金属层305的材料为Au，所述第一金属层304与第二金属层305的材料可以形成AuSn共晶合金。在本发明的其他具体实施方式中，所述第二金属层305的材料还可以是Cu或SnAg等金属材料，所述第一金属层304与上述第二金属层305的材料也可以分别形成共晶合金。所述第一金属层304与第二金属层305构成金属凸块。对于一定厚度的金属凸块，由于所述第一金属层304的存在，可以降低第二金属层305的厚度，由于第二金属层305的材料成本较高，与现有技术相比，就可以降低形成金属凸块的成本。并且，在后续所述金属凸块在倒装焊过程中，与另一金属形成共晶键合的过程中，所述第一金属层304与第二金属层305之间也可以形成共晶化合物，从而提高共晶键合的效率。

所述第一金属层304与第二金属层305的厚度比例可以根据能够形成的共晶合金的成分比例进行调整。例如所述AuSn合金中，Au质量分数为80％，Sn质量分数为20％，若倒装焊过程，与所述第二金属层305键合的待焊接金属也为Sn，则可以调整所述第一金属层304与第二金属层305的厚度，使得所述的第一金属层304与待焊接金属的总质量与第二金属层304的总质量比例为1:4。

请参考图3B，去除所述图形化掩膜层302(请参考图3A)以及位于所述图形化掩膜层302下方的部分过渡层301。

本具体实施方式中，所述图形化掩膜层302的材料为光刻胶，可以采用湿法清洗或灰化工艺去除所述图形化掩膜层302。本发明的其他具体实施方式中，可以采用湿法刻蚀或干法刻蚀工艺去除所述图形化掩膜层302。

去除所述图形化掩膜层302之后，以所述第二金属层305、第一金属层304为掩膜，刻蚀所述过渡层301，暴露出金属凸块周围的基底300表面。可以采用干法或湿法刻蚀工艺刻蚀所述过渡层301，仅保留第一金属层304与基底300之间的部分过渡层301a。

请参考图4A，在本发明的另一具体实施方式中，在所述基底400上形成过渡层401、具有开口403的图形化掩膜层402；然后在所述开口403内形成第一金属层以及位于第一金属层表面的第二金属层405。

所述第一金属层为多层结构，包括第一子金属层404a和所述第一子金属层404a表面的第二子金属层404b。所述第一子金属层404a的材料包括Au、Cu或SnAg，所述第二子金属层404b的材料为Sn。

在本发明的其他实施方式中，所述第一金属层包括间隔堆叠的若干第一子金属层404a和第二子金属层404b，例如所述第一金属层从过渡层301表面往上依次为Au层、Sn层、Au层、Sn层……等。

可以根据共晶键合形成的共晶合金的成分比例，调整其中第一子金属层404a和第二子金属层404b的厚度。

所述第一子金属层404a的材料与第二金属层405的材料可以相同或不同，并且，在进行共晶键合时，可以在第二金属层404b的两个界面均形成共晶合金，提高共晶效率以及键合效果。

请参考图4B，去除所述图形化掩膜层402(请参考图4A)以及位于所述图形化掩膜层402下方的部分过渡层401，仅保留第一金属层与基底400之间的部分过渡层301a，形成位于基底300表面的金属凸块。

上述金属凸块的形成方法，降低成本较高的金属的用量，从而可以降低形成金属凸块的成本，并且提高键合的效率，以及键合效果。

本发明的具体实施方式还提供一种采用上述方法形成的金属凸块结构。

请参考图3B，为本发明一具体实施方式中的金属凸块结构的结构示意图。

所述金属凸块结构包括：基底300，位于所述基底300上的金属凸块，所述金属凸块包括：第一金属层304和位于所述第一金属层304表面的第二金属层305，所述第二金属层305的材料与第一金属层304的材料能够形成共晶化合物。

所述基底300可以包括半导体衬底以及位于所述半导体衬底表面的介质层。所述半导体衬底的材料包括硅、锗、锗化硅、砷化镓等半导体材料，所述半导体衬底可以是体材料也可以是复合结构如绝缘体上硅。本实施例中，所述基底的半导体衬底内形成有半导体器件，所述介质层内形成有金属连接结构。所述基底300的类型与结构不应限制本发明的保护范围。

所述第一金属层304可以为单层金属层，具体的所述第一金属层304的材料可以为Sn，第二金属层305的材料为Au，所述第一金属层304与第二金属层305的材料可以形成AuSn共晶合金。

在本发明的其他具体实施方式中，所述第二金属层305的材料还可以是Cu或SnAg等金属材料，所述第一金属层304与上述第二金属层305的材料也可以分别形成共晶合金。所述第一金属层304与第二金属层305构成金属凸块。对于一定厚度的金属凸块，由于所述第一金属层304的存在，可以降低第二金属层305的厚度，由于第二金属层305的材料成本较高，与现有技术相比，就可以降低形成金属凸块的成本。并且，在后续所述金属凸块在倒装焊过程中，与另一金属形成共晶键合的过程中，所述第一金属层304与第二金属层305之间也可以形成共晶化合物，从而提高共晶键合的效率。

所述第一金属层304与第二金属层305的厚度比例可以根据能够形成的共晶合金的成分比例进行调整。

所述金属凸块还包括位于基底300与第一金属层304之间的过渡层301a。所述过渡层301a为籽晶层，具体材料可以是TiW、Ti或TiN等，提高基底300表面的导电性和粘附性。

请参考图4B为本发明另一具体实施方式的金属凸块结构的示意图。

所述金属凸块结构包括：基底400，位于所述基底400上的金属凸块，所述金属凸块包括：第一金属层和位于所述第一金属层表面的第二金属层405，所述第二金属层405的材料与第一金属层的材料能够形成共晶化合物。

该具体实施方式中，所述第一金属层为多层复合结构，包括第一子金属层404a和所述第一子金属层404a表面的第二子金属层404b。所述第一子金属层404a的材料包括Au、Cu或SnAg，所述第二子金属层404b的材料为Sn。

在本发明的其他实施方式中，所述第一金属层包括间隔堆叠的若干第一子金属层404a和第二子金属层404b，例如所述第一金属层从过渡层301表面往上依次为Au层、Sn层、Au层、Sn层……等。

上述第一子金属层404a和第二子金属层404b的厚度可以由共晶键合形成的共晶合金的成分比例决定。

所述第一子金属层404a的材料与第二金属层405的材料可以相同或不同，并且，在进行共晶键合时，可以在第二金属层404b的两个界面均形成共晶合金，提高共晶效率以及键合效果。

该具体实施方式中，所述金属凸块还包括位于基底300与第一金属层304之间的过渡层301a。所述过渡层301a为杍晶层，具体材料可以是TiW、Ti或TiN等，提高基底300表面的导电性和粘附性。

上述金属凸块结构中，成本较高的第二金属层的厚度较低，从而可以降低所述金属凸块结构的成本，并且提高键合的效率，以及键合效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。