相关申请的交叉参考
本申请要求以下专利申请的优先权：于2012年9月28日提交的名称为“interconnectionstructuremethodofformingsame”的美国临时专利申请第61/707,609号、于2012年9月28日提交的名称为“metalbumpandmethodofmanufacturingsame”的美国临时专利申请第61/707,644号、于2012年9月18日提交的名称为“laddbumpstructuresandmethodsofmakingthesame”的美国临时专利申请第61/702,624号以及于2012年9月28日提交的名称为“bumpstructureandmethodofformingsame”的美国临时专利申请第61/707,442号，这些申请的全部内容结合于此作为参考。
本发明一般地涉及半导体技术领域，更具体地来说，封装器件及其形成方法。
背景技术：
通常，传统倒装芯片凸块具有垂直或者几乎垂直的侧壁，并且使用焊料回流工艺将倒装芯片凸块连接至下面的导线(诸如位于衬底、印刷电路板、中介层、另一芯片等上)。
焊料接合方法在金属-焊料界面之间形成金属间化合物(imc)。imc会产生更高的电阻率(接触电阻)。更高的电阻率导致提高的电迁移，从而进一步增大了接触电阻。此外，由于凸块下金属层(ubm)的面积较小，因此焊料/金属电迁移问题会让人更担心。
随着器件封装尺寸的缩小，凸块和相邻导线之间的较小间距会在回流期间导致不期望的桥接。另外，随着器件封装尺寸的缩小，互连凸块的尺寸也缩小。凸块尺寸的减小导致互连电阻和电容增大，进而引起信号传输延迟(rc延迟)。较小的凸块尺寸还增加了极低k(elk)电介质分层的风险。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种凸块导线直连(bot)结构，包括：接触元件，由集成电路支撑；凸块下金属(ubm)部件，与所述接触元件电连接；绝缘层和钝化层，设置在所述凸块下金属部件和所述集成电路之间；金属梯状凸块，安装在所述凸块下金属部件上，所述金属梯状凸块具有第一楔形轮廓，并具有最接近所述集成电路的安装端和离所述集成电路最远的末端，所述末端的宽度介于10μm至80μm之间，所述安装端的宽度介于20μm至90μm之间；以及衬底导线，安装在衬底上，所述衬底导线具有第二楔形轮廓并且通过直接金属与金属接合连接至所述金属梯状凸块。
在该结构中，所述金属梯状凸块与所述衬底导线相连接而没有形成金属间化合物。
在该结构中，所述金属梯状凸块和所述衬底导线的末端均没有焊料。
在该结构中，所述金属梯状凸块的底部宽度大于所述梯状凸块的顶部宽度。
在该结构中，所述金属梯状凸块的顶部宽度与所述金属梯状凸块的底部宽度的比值介于约0.75和约0.97之间。
在该结构中，所述衬底导线的顶部宽度与所述衬底导线的底部宽度的比值介于约0.75和约0.97之间。
在该结构中，所述金属梯状凸块的第一楔形轮廓是线性的。
在该结构中，所述金属梯状凸块的侧壁覆盖有金属氧化物。
在该结构中，当从安装端看时，所述金属梯状凸块的边界类似于圆形、矩形、椭圆形、长圆形、六边形、八边形、梯形、菱形、胶囊形和它们的组合中的一种。
在该结构中，钝化层位于所述集成电路上方，所述钝化层具有暴露所述接触元件的钝化开口，并且聚酰亚胺层位于所述钝化层上方，所述聚酰亚胺层具有暴露所述接触元件的聚酰亚胺开口。
在该结构中，极低k介电层夹置在所述集成电路和所述钝化层之间和/或所述集成电路和所述接触元件之间。
根据本发明的另一方面，提供了一种芯片互连结构，包括：第一接触元件，由第一集成电路支撑；第一凸块下金属(ubm)部件，与所述第一接触元件电连接；第一绝缘层和第一钝化层，设置在所述第一凸块下金属部件和所述第一集成电路之间；第一金属梯状凸块，安装在所述第一凸块下金属部件上，所述第一金属梯状凸块具有第一楔形轮廓，并具有最接近所述第一集成电路的安装端和离所述第一集成电路最远的末端，所述末端的宽度介于10μm至80μm之间，所述安装端的宽度介于20μm至90μm之间；以及第二金属梯状凸块，安装在第二集成电路的第二凸块下金属部件上，所述第二金属梯状凸块具有第二楔形轮廓并且通过直接金属与金属接合与所述第一金属梯状凸块连接。
在该结构中，所述第一金属梯状凸块与所述第二金属梯状凸块相连接而没有形成金属间化合物。
在该结构中，所述第一金属梯状凸块和所述第二金属梯状凸块的末端都没有焊料。
在该结构中，所述第一金属梯状凸块和所述第二金属梯状凸块的每一个的顶部宽度与底部宽度的比值均介于约0.75和约0.97之间。
在该结构中，所述第一金属梯状凸块和所述第二金属梯状凸块中的至少一个的侧壁覆盖有金属氧化物。
根据本发明的又一方面，提供了一种使用具有第一楔形轮廓的金属梯状凸块形成凸块导线直连(bot)结构的方法，所述凸块导线直连(bot)结构包括：由集成电路支撑的接触元件；与所述接触元件电连接的凸块下金属(ubm)部件；设置在所述凸块下金属部件和所述集成电路之间的绝缘层和钝化层；所述金属梯状凸块安装在所述凸块下金属部件上；所述金属梯状凸块具有最接近所述集成电路的安装端和离所述集成电路最远的末端，所述末端的宽度介于10μm至80μm之间，所述安装端的宽度介于20μm至90μm之间；所述方法包括：在衬底上安装衬底导线，所述衬底导线具有第二楔形轮廓；以及通过直接金属与金属接合将所述金属梯状凸块和所述衬底导线连接到一起。
该方法进一步包括：使用电解喷镀工艺成形所述衬底导线。
该方法进一步包括：使用热压接合来通过直接金属与金属接合将所述金属梯状凸块和所述衬底导线连接到一起。
该方法进一步包括：使用约100℃至约400℃的温度，使所述金属梯状凸块和所述衬底导线经受退火处理约1小时至2小时。
附图说明
为了更充分地理解本发明及其优势，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：
图1是凸块导线直连(bot)结构的一个实施例的截面图；
图2是芯片-芯片结构(还称为芯片互连结构)的一个实施例的截面图；
图3是来自图1的bot结构或者图2的芯片-芯片结构的金属凸块的截面图，该附图示出了楔形轮廓和形成在侧壁上的金属氧化物；
图4是来自图1的bot结构或者图2的芯片-芯片结构的金属凸块的平面图，该附图示出了各种外围形状；以及
图5是形成图1的bot结构的方法的流程图。
除非另有指明，否则不同附图中的相应的编号和标号通常表示相应的元件。绘制附图以清晰地示出实施例的相关方面并且没有必要按比例绘制这些附图。
具体实施方式
以下详细论述了本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所论述的具体实施例仅仅是示例性的，而不用于限制本发明的范围。
在具体上下文中结合优选实施例描述本发明，即，用于凸块导线直连(bot)组件或者倒装芯片的芯片级封装件(fccsp)的梯状凸块结构。然而，本发明的构思还可以应用于其他半导体结构或者电路中。
现参考图1，示出了凸块导线直连(bot)结构10的一个实施例。如图所示，bot结构10包括：接触元件12、凸块下金属(ubm)部件14、金属梯状凸块16、衬底导线18和衬底20。如图所示，通常由集成电路22(即芯片)支撑接触元件12。在一个实施例中，绝缘层24设置在接触元件12和集成电路22之间。在一个实施例中，接触元件12是铝焊盘。在一个实施例中，绝缘层24包括极低k(elk)电介质。
在一个实施例中，钝化层26位于集成电路22(和/或钝化层24)上方。如图1所示，钝化层26可以具有暴露接触元件12的钝化层的开口。在一个实施例中，聚酰亚胺层28位于钝化层26上方。聚酰亚胺层28可以具有暴露接触元件12的聚酰亚胺层的开口。
由于集成电路22的各种层和部件(包括晶体管、互连层、钝化后互连件、再分布层等)对于理解本发明是不必要的，所以为了清楚起见，从附图中省略了集成电路的这些层和部件。
再次参考图1，ubm部件14电连接至接触元件12。在一个实施例中，ubm部件14是由钛(ti)、氮化钛(tin)、镍化铜(cuni)、铝(al)等形成，根据应用ubm部件的厚度可以为约0.1μm至0.5μm。如图所示，例如，可以在ubm部件14的部件和接触元件12之间设置包括钝化层和聚酰亚胺层的各种层。
再次参考图1，在ubm部件14上安装金属梯状凸块16。在一个实施例中，金属梯状凸块16具有楔形轮廓。在一个实施例中，金属梯状凸块16具有线性楔形轮廓。事实上，金属梯状凸块16通常为截锥状。在一个实施例中，金属梯状凸块16的侧壁30沿金属梯状凸块16的侧壁30的整体高度(即，或长度)从末端32至金属梯状凸块16的安装端34为线性的。
在一个实施例中，金属梯状凸块16由诸如铜(cu)、镍(ni)、金(au)、钯(pd)、钛(ti)等或者它们的合金的合适材料形成。金属梯状凸块16的安装端34是最接近集成电路22的端部，而金属梯状凸块16的末端32是离集成电路22最远的端部，其中，安装端34具有比末端32更大的宽度。在一个实施例中，末端32的宽度介于约10μm至约80μm之间。在一个实施例中，安装端34的宽度介于约20μm至约90μm之间。
通过上文，应该理解，安装端34宽于或者大于末端32。例如，可以通过相对于金属梯状凸块16的末端32使安装端34更大来满足这种条件。例如，还可以通过相对于金属梯状凸块16的安装端34使末端32更小来满足这种条件。
本领域技术人员应该理解，不期望增大相邻凸块之间的间距。这意味着末端32的宽度不能增大到超过设计尺寸。因此，为了得到用于金属梯状凸块16的截锥结构，应该增大安装端34的宽度以获得优选结构。安装端34较宽的宽度还用于降低金属梯状凸块16和相邻层之间分层的可能性，并且还用于降低对下面的层的应力冲击，诸如下面的elk层(例如，绝缘层24)。如图1所示，通过形成小于金属梯状凸块16的安装端34的末端32，相邻导线18和接合的衬底导线18/金属凸块16之间的间距d较大以阻止桥接。
在一个实施例中，如图1所示，光刻工艺用用于成形金属梯状凸块16。事实上，在光刻工艺中，可以适当地成形光刻胶，从而以图1所示的形式制造金属梯状凸块16。在一个实施例中，可以使用电解喷镀工艺来形成金属梯状凸块16和/或衬底导线18。
再次参考图1，通常在衬底20上安装衬底导线18。在一个实施例中，衬底导线18由铜(cu)、镍(ni)、金(au)、铝(al)、银(ag)等或者它们的合金形成。如图所示，衬底导线18还具有楔形轮廓。事实上，衬底导线18的安装端36是安装至衬底20的端部，而衬底导线18的末端38是离衬底20最远的端部，其中，安装端36具有比末端38更大的宽度。
除上述情况以外，衬底导线18通过直接金属与金属接合结构连接并电连接至金属梯状凸块16。事实上，金属梯状凸块16和衬底导线18的端部均没有焊料。由于使用直接金属与金属接合来代替焊料，所以金属梯状凸块16可操作地连接至衬底导线而没有在接合点处或者邻近形成任何不期望的金属间化合物。另外，焊料的缺少降低了在衬底导线18和/或金属梯状凸块16与相邻的衬底导线18之间发生不期望的桥接的可能性。
在一个实施例中，直接金属与金属接合工艺包括若干步骤。例如，适当地清洗金属梯状凸块16和/或衬底导线18的顶部或表面，以去除可能对接合或接合强度产生不利影响的残渣或污染物。此后，金属梯状凸块16和衬底导线18相互对准。一旦对准，就实施永久的接合工艺(例如热压接合)以将金属梯状凸块16接合至衬底导线18。在一个实施例中，可以实施退火步骤以提高接合强度。例如，可以使金属梯状凸块16和衬底导线18在约1小时至约2小时的时间段内经受约100℃至约400℃的温度。
现参考图2，示出了芯片与芯片结构(还可称为芯片互连结构)40的一个实施例。芯片与芯片结构40类似于图1的bot结构10。然而，图2的芯片与芯片结构40包括安装在第二集成电路46的第二ubm部件44上的第二金属梯状凸块42，来代替衬底20上的衬底导线18。如图所示，第二金属梯状凸块42也具有楔形轮廓，并且通过直接金属与金属接合结构连接并电连接至第一金属梯状凸块16。
在一个实施例中，第二集成电路46包括第二钝化层48、第二绝缘层50(例如，elk介电层)和第二接触元件52(例如，铝焊盘)。由于第二集成电路46的各种层和部件(包括晶体管、互连层、钝化后互连件、再分布层等)对于理解本发明是不必要的，所以为了清楚起见，从附图中省略了第二集成电路的这些层和部件。此外，相对于图1的金属梯状凸块16，可以类似的方式和类似的尺寸来形成第二金属梯状凸块16。
如图3所示，在一个实施例中，在金属梯状凸块16、衬底导线18或第二金属梯状凸块42的侧壁30上形成金属氧化物54(例如氧化铜(cuo)、氧化亚铜(cu2o)、氧化铝(al2o3)等)。在一个实施例中，金属梯状凸块16的末端32的宽度(wt)与金属梯状凸块16的安装端34的宽度(wb)的比值介于约0.75和约0.97之间。在一个实施例中，衬底导线18的末端38的宽度(wt)与衬底导线18的安装端36的宽度(wb)的比值介于约0.75和约0.97之间。在一个实施例中，第二金属梯状凸块42的末端56的宽度(wt)与第二金属梯状凸块42的安装端58的宽度(wb)的比值介于约0.75和约0.97之间。
如图4所示，当从上面观看时，金属梯状凸块16(或者第二金属梯状凸块42)的外围可以采用或者类似于各种不同的形状。在一个实施例中，当从安装端34、58观看时，金属梯状凸块16(或者第二金属梯状凸块42)是圆形、矩形、椭圆形、长圆形、六边形、八边形、梯形、菱形、胶囊形和它们的组合。在图4中，相对于下面的金属衬底导线18(图1)，示出金属梯状凸块16(或者第二金属梯状凸块42)的外围。
本领域技术人员应该理解，本文中所论述的用于各种宽度和间隔的特定尺寸是设计选择事项，并且该特定尺寸取决于所采用的特定技术节点和应用。
参考图5，提供了形成图1的bot结构10的方法60的实施例。在框62中，在集成电路22上形成接触元件12。在框64中，ubm部件电连接至接触元件12。然后，在框66中，在ubm部件14上安装具有楔形轮廓的金属梯状凸块16。在框68中，在衬底20上安装具有楔形轮廓的衬底导线18。此后，在框70中，通过本文所描述的直接金属与金属接合将金属梯状凸块16和衬底导线18连接在一起。本领域技术人员应该理解，可以以类似的方式形成图2的芯片与芯片结构。因此，为了简洁起见，本文中不再重复这种方法的详细描述。
通过上文所述，应该理解，bot结构10和芯片与芯片结构40的实施例提供了优选特征。例如，在不必依赖焊料接合的情况下，bot结构10和芯片与芯片结构40均没有任何不期望的金属间化合物(imc)。此外，相对于传统器件，bot结构10和芯片与芯片结构40提供了更低的电阻率、更低的电迁移失效的风险并且显著降低了互连rc延迟。而且，结构10、40抑制或者阻止绝缘层24、46(elk介电层)的分层。另外，金属梯状凸块16、衬底导线18和/或第二金属梯状凸块42的较小的顶面面积使接合更容易。此外，可以使用本文所公开的结构10、40和方法来缩短接合时间和减小界面缝隙空孔(interfacialseamvoid)。
以下参考文献涉及本申请的主题。将该参考文献的全部内容结合于此作为参考：沈某等人于2011年11月24日提交的名称为“substrateinterconnectionshavingdifferentsizes”的公开号为2011/0285023的美国申请。
凸块导线直连(bot)结构的一个实施例包括：由集成电路支撑的接触元件、电连接至接触元件的凸块下金属(ubm)部件、安装在凸块下金属部件上的金属梯状凸块(该金属梯状凸块具有第一楔形轮廓)和安装在衬底上的衬底导线，该衬底导线具有第二楔形轮廓并且通过直接金属与金属接合连接至金属梯状凸块。
芯片与芯片结构的一个实施例包括：由第一集成电路支撑的第一接触元件、电连接至第一接触元件的第一凸块下金属(ubm)部件、安装在第一凸块下金属部件上的第一金属梯状凸块，和安装在第二集成电路的第二凸块下金属部件上的第二金属梯状凸块，其中，该第一金属梯形凸块具有第一楔形轮廓，该第二金属梯状凸块具有第二楔形轮廓并且通过直接金属与金属接合连接至第一金属梯状凸块。
一种形成凸块导线直连(bot)结构的方法的一个实施例包括：在集成电路上形成接触元件，将凸块下金属(ubm)部件电连接至接触元件，在凸块下金属部件上安装金属梯状凸块，在衬底上安装衬底导线，其中，该金属梯状凸块具有第一楔形轮廓，该衬底导线具有第二楔形轮廓并且通过直接金属与金属接合将金属梯状凸块和衬底导线连接到一起。
尽管参考示例性实施例描述了本发明，但是该描述不应该解释为限制意义。参考说明书，示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对本领域技术人员是显而易见的。因此，所附的权利要求意图涵盖任何这样的修改或者实施例。