一种铟凸点器件结构及其制备方法

文档序号:10472596阅读:598来源:国知局
一种铟凸点器件结构及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种铟凸点器件结构及其制备方法,属于铟凸点器件制备技术领域。该器件结构包含半导体衬底、焊盘、第一钝化层、第二钝化层、UBM金属层和铟凸点;UBM金属层包括粘附层、阻挡层、缓冲层和浸润层;在该器件结构中,粘附层覆盖了部分第一钝化层,第二钝化层又覆盖了部分粘附层,这种堆叠结构提供了较高的结构强度,当器件受到热冲击时,可防止由于热应力而导致的铟凸点和UBM组成的结构沿着粘附层和第一钝化层界面而脱落的情况。此外,缓冲层的设置缓和了衬底和UBM之间在回流时内应力的变化,进而防止由于内应力变化过大而导致的铟凸点从浸润层上脱落的情况。所以本发明器件结构具有更高的稳定性,更长的使用寿命。
【专利说明】
一种铟凸点器件结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于铟凸点器件制备技术领域,具体涉及一种铟凸点器件结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前,红外焦平面探测器已经大量应用于军事、工业、环境、医学等方面,并且随着科技的进步,人们对大面阵探测器的需求正在不断增加。然而,伴随着像元数目的增加,焦平面和读出电路的设计及互连的难度也在不断增大。传统金丝引线键合技术暴露出明显的缺点,例如:互连电阻高、电路过长、封装尺寸大及互连密度低等缺点。倒装互连技术不仅能很好克服上述的缺点,而且其成本低廉,因此得到广泛的应用。
[0003]红外探测器倒装互连技术中,打底金属(UBM)起着粘附、阻挡扩散、浸润以及功函数匹配作用。此外,金属铟低温下延展性好,常温下具有很好的柔软性,很容易实现键合,具有良好的机械和电气互连特性,特别适用于红外探测器低温工作要求。因此,对于红外探测器的倒装互连来说,具有打底金属UBM的铟凸点结构是至关重要的。
[0004]图1所示的是现有技术的铟凸点器件的横截面结构图。该结构100包含有半导体衬底101,焊盘102,钝化层103,打底金属UBM104,铟球105。钝化层103覆盖了衬底101和一部分焊盘102,UBM104位于焊盘102和铟球105之间。
[0005]UBM104总共有三层,分别是粘附层104a,阻挡层104b,浸润层104c。粘附层104a覆盖在暴露的焊盘102和部分钝化层103上,阻挡层104b覆盖在粘附层104a上,浸润层104c覆盖在阻挡层104b上,且粘附层104a,阻挡层104b和浸润层104c的截面尺寸大小相同;铟球105覆盖在浸润层104c上。其中,粘附层104a可以增强焊盘102和阻挡层104b之间的粘附力,阻挡层104b的作用在于阻挡铟球105和下层金属的扩散反应,浸润层104c能够增强铟球105和UBMl 04的粘附力。
[0006]—般铟球105在形成之前,需要进行回流缩球的过程,即就是加温回流前的铟柱使之融化,利用铟的表面张力和UBM的浸润作用使铟柱变成铟球,进而提高铟凸点的高度。在回流的过程中,熔融的铟会和其底部的浸润层104c反应生成一层金属化合物,金属化合物层的形成会改变UBM104和衬底101之间的内应力,当这种内应力变化较大时,就会导致铟球105从浸润层104c上脱落。
[0007]此外,在结构100中,由于UBM104的外围部分分布在钝化层103上,由衬底101和钝化层103组成的结构106与UBM104和铟凸点105组成的结构107之间的热膨胀系数的差异,当铟凸点器件在回流受到高温(180°C)热冲击时,粘附层104a和钝化层103之间产生热应力,最终导致UBM104和铟凸点105组成的结构107沿着粘附层104a和钝化层103的界面而脱落。
[0008]上述的两种情况都会影响到器件的性能和稳定性,缩短器件的寿命。因此如何克服现有技术的不足是目前铟凸点器件制备技术领域亟需解决的问题。

【发明内容】

[0009]本发明的目的是为了解决现有技术的不足,提供一种铟凸点器件结构及其制备方法,以改善铟凸点脱落的情况,提高铟凸点器件的稳定性和寿命。
[0010]为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种铟凸点器件结构,其特征在于,包括半导体衬底、焊盘、第一钝化层、第二钝化层、UBM金属层和铟凸点;
UBM金属层包括从下到上依次设置的粘附层、阻挡层、缓冲层和浸润层;
焊盘置于半导体衬底的表面,第一钝化层覆于半导体衬底及焊盘表面,且第一钝化层与焊盘重叠处设有第一开口,将焊盘表面由第一开口处暴露;
粘附层覆于第一开口处暴露的焊盘表面上,且粘附层的周边部分位于第一钝化层表面上,使得粘附层与第一钝化层部分重叠;
第二钝化层覆于第一钝化层表面及粘附层表面,且第二钝化层与粘附层重叠处设有第二开口,将粘附层由第二开口暴露;
第二开口的截面宽度大于第一开口的截面宽度;
阻挡层设于第二开口处暴露的粘附层表面上,缓冲层覆于阻挡层表面,浸润层覆于缓冲层表面,铟凸点覆于浸润层表面;
并且,阻挡层、缓冲层和浸润层与第二钝化层均不相接触;
阻挡层、缓冲层和浸润层的截面宽度均相同;粘附层的截面宽度大于阻挡层的截面宽度。
[0011]进一步,优选的是所述的半导体衬底的材质为Si。
[0012]进一步,优选的是所述的第一钝化层的材质为S12或Si3N4,第二钝化层的材质为S12或Si3N4,且第一钝化层和第二钝化层材质相同。
[0013]进一步,优选的是所述的焊盘的材质为金属Al或Cu。
[OOM]进一步,优选的是所述的粘附层的材质为为金属T1、N1、Cr或Ta。
[0015]进一步,优选的是所述的阻挡层的材质为金属?1:、?(1、附。
[0016]进一步,优选的是所述的缓冲层和浸润层的材质相同,均为金属Au。
[0017]进一步,优选的是所述的铟凸点的材质为金属铟;铟凸点为球形或柱状。
[0018]上述铟凸点器件结构的制备方法,包括如下步骤:
步骤(I),取一个具有焊盘的半导体衬底,将第一钝化层覆盖在衬底和焊盘上,然后通过光刻和刻蚀得到第一开口,以暴露出部分焊盘;
步骤(2),将粘附层覆盖在第一开口处暴露的焊盘表面上,并部分覆盖于第一钝化层上;
步骤(3),将第二钝化层覆于第一钝化层表面及粘附层表面,然后通过光刻和刻蚀得到第二开口,以暴露出部分粘附层;
步骤(4),在第二开口处暴露的粘附层表面上沉积阻挡层,然后在阻挡层上覆盖缓冲层,接着在缓冲层上覆盖浸润层;
步骤(5),在浸润层上沉积金属铟形成铟柱,然后回流使铟柱变成铟球。
[0019]
本发明与现有技术相比,其有益效果为:
在本发明提供的铟凸点器件结构中,粘附层覆盖了部分第一钝化层,第二钝化层又覆盖了部分粘附层,这种堆叠结构提供了较高的结构强度,这样当器件受到热冲击时,就可以防止由于热应力而导致的铟凸点和UBM组成的结构沿着粘附层和第一钝化层界面而脱落的情况。
[0020]此外,在本发明提供的铟凸点器件结构中,UBM结构中有一层缓冲层金属Au,其起至IJ了缓冲的作用,即就是缓和了衬底和UBM之间在回流时内应力的变化,进而防止由于内应力变化过大而导致的铟凸点从浸润层上脱落的情况。
[0021]因此,本发明提供的铟凸点器件结构相比传统的器件结构,具有更高的稳定性,器件的使用寿命与传统器件相比,提高了 15%。
[0022]
【附图说明】
[0023]图1所示的是现有技术的铟凸点器件的横截面结构图。
[0024]图2所示的是本发明的铟凸点器件的横截面结构图。
[0025]图3A-3I所示的是本发明的铟凸点器件结构形成的流程图。
[0026]其中,200、铟凸点器件结构;201、半导体衬底;202、焊盘;203、第一钝化层;203a、第一开口 ;204、第二钝化层;204a、第二开口 ;205、UBM金属层;205a、粘附层;205b、阻挡层;205c、缓冲层;205d、浸润层;206、铟凸点;207、第一光刻掩膜层;208、第一截面开口 ;209、第二光刻掩膜层;210、第二截面开口;211、第三光刻掩膜层;212、第三截面开口 ;213、铟柱;214、具有UBM层的铟球。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0028]本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过购买获得的常规产品。
[0029]本领域技术人员应该理解,由于本发明层状结构重叠,所以将第一开口203a和第二开口204a的两边引出后再标注,引出的宽度也为截面宽度。
[0030]图2所示的是本发明的铟凸点器件的横截面结构图。该铟凸点器件结构200包含半导体衬底201、焊盘202、第一钝化层203、第二钝化层204、UBM金属层205、铟凸点206 WBM金属层205包括从下到上依次设置粘附层205a、阻挡层205b、缓冲层205c和浸润层205d。
[0031]焊盘202置于半导体衬底201的表面,第一钝化层203覆于半导体衬底201及焊盘202表面,且第一钝化层203与焊盘202重叠处设有第一开口 203a,将焊盘202表面由第一开口 203a处暴露;
粘附层205a覆于第一开口 203a处暴露的焊盘202表面上,且粘附层205a的周边部分位于第一钝化层203表面上,使得粘附层205a与第一钝化层203部分重叠;
第二钝化层204覆于第一钝化层203表面及粘附层205a表面,且第二钝化层204与粘附层205重叠处设有第二开口 204a,将粘附层205a由第二开口 204a暴露;
第二开口 204a的截面宽度大于第一开口 205a的截面宽度; 阻挡层205b设于第二开口 204a处暴露的粘附层205a表面上,缓冲层205c覆于阻挡层205b表面,205d浸润层覆于缓冲层205c表面,铟凸点206覆于浸润层表面;图2中的铟凸点206为球形,S卩铟球。
[0032]并且,阻挡层205b、缓冲层205c和浸润层205d与第二钝化层204均不相接触;
阻挡层205b、缓冲层205c和浸润层205d的截面宽度均相同;粘附层205a的截面宽度大于阻挡层205b的截面宽度。
[0033]即第一钝化层203覆盖在衬底201和部分焊盘202上;粘附层205a覆盖在暴露的焊盘202和部分第一钝化层203上,其截面宽度为Cl1;第二钝化层204覆盖了第一钝化层203和部分粘附层205a;阻挡层205b,缓冲层205c和浸润层205d相继覆盖在暴露的部分粘附层205a上,阻挡层205b,缓冲层205c和浸润层205d的截面宽度相同为d2,且如小于cU;铟凸点206覆盖在浸润层205d上。
[0034]所述的半导体衬底的材质为Si。
[0035]所述的第一钝化层203的材质为S12或Si3N4,第二钝化层204的材质为S12或Si3N4,且第一钝化层203和第二钝化层204材质相同。
[0036]所述的焊盘202的材质为金属Al或Cu。
[0037]所述的粘附层205a的材质为为金属T1、N1、Cr或Ta。
[0038]所述的阻挡层205b的材质为金属Pt、Pd、Ni。
[0039]所述的缓冲层205c和浸润层205d的材质相同,均为金属Au。
[0040]所述的铟凸点206的材质为金属铟;铟凸点206还可以为柱状。
[0041]图3A中提供了一个具有焊盘202的半导体衬底201。第一钝化层203覆盖在半导体衬底201和部分焊盘202上。第一钝化层203为S12或Si3N4,焊盘202为金属Al或Cu。第一钝化层203的结构可以通过等离子增强化学气相沉积PECVD、光刻和刻蚀等一系列过程来实现。
[0042]图3B中第一光刻掩膜层207具有大小为CU的第一截面开口208,粘附层205a沉积到第一截面开口 208里,覆盖了暴露的焊盘202和部分第一钝化层203。第一光刻掩膜层207可以通过涂覆光刻胶、光刻和显影等一系列过程实现。粘附层205a为金属T1、Ta、Cr,粘附层205a的沉积可以通过溅射、热蒸发等手段实现,第一光刻掩膜层207可以利用丙酮去除掉,最终得到横截面尺寸为CU的粘附层205a,粘附层205a覆盖了暴露的焊盘202和部分第一钝化层203,如图3C所示。
[0043]在图3D中,第二钝化层204覆盖了第一钝化层203和部分粘附层205a。第二钝化层204为Si02、Si3N4,第二钝化层204的结构可以通过等离子增强化学气相沉积PECVD、光刻和刻蚀等一系列过程来实现。
[0044]图3E中第二光刻掩膜层209具有大小为出的第二截面开口210,阻挡层205b,缓冲层205c和浸润层205d依次沉积到第二截面开口210中,即依次沉积到暴露的粘附层205a上。阻挡层205b为Pt、Pd、Ni,缓冲层205c和浸润层205d同为金属Au。阻挡层205b,缓冲层205c和浸润层205d的沉积可以通过溅射、热蒸发等手段实现。第二光刻掩膜层209可以通过涂覆光刻胶、光刻和显影等一系列过程实现。第二光刻掩膜层209可以利用丙酮去除掉,得到横截面尺寸为出的阻挡层205b,缓冲层205c和浸润层205d,如图3F所示,特别地,d2小于粘附层205a的横截面尺寸di。
[0045]图3G中具有第三截面开口212的第三光刻掩膜层211,金属铟沉积到第三截面开口212中。第三光刻掩膜层211可以通过涂覆光刻胶,光刻和显影等一系列过程实现,金属铟的沉积可以通过溅射、热蒸发等手段实现,随后第三光刻掩膜层211利用丙酮去除掉,最终得到铟柱213,如图3!1所示。
[0046]图31中的铟凸点206可以通过回流铟柱213得到,在回流过程中,熔融的铟柱213利用表面张力形成铟凸点206(本实施例形成了铟球)。此外,熔融的铟柱213会和其底部的浸润层205d的Au反应生成Au-1n金属化合物,Au-1n金属化合物的生成会改变UBM金属层205和半导体衬底201之间的内应力,但是在本发明中的UBM金属层205中有一层金属Au的缓冲层205c,缓冲层205c的存在极大减小了UBM金属层205和半导体衬底201之间的内应力的变化,进而防止铟凸点206从浸润层205d的表面脱落。
[0047]此外,在本发明中由第一钝化层203、粘附层205a和第二钝化层204组成的结构具有较高的结构强度,这样当器件受到高温热冲击时,就可以防止由于热应力而导致由UBM金属层205和铟凸点206组成的结构214沿着粘附层205a和第一钝化层203的界面而脱落的情况。
[0048]因此,本发明提供的铟凸点的器件结构相比传统的器件结构,具有更高的稳定性,极大提高器件的使用寿命。
[0049]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种铟凸点器件结构,其特征在于,包括半导体衬底、焊盘、第一钝化层、第二钝化层、UBM金属层和铟凸点; UBM金属层包括从下到上依次设置的粘附层、阻挡层、缓冲层和浸润层; 焊盘置于半导体衬底的表面,第一钝化层覆于半导体衬底及焊盘表面,且第一钝化层与焊盘重叠处设有第一开口,将焊盘表面由第一开口处暴露; 粘附层覆于第一开口处暴露的焊盘表面上,且粘附层的周边部分位于第一钝化层表面上,使得粘附层与第一钝化层部分重叠; 第二钝化层覆于第一钝化层表面及粘附层表面,且第二钝化层与粘附层重叠处设有第二开口,将粘附层由第二开口暴露; 第二开口的截面宽度大于第一开口的截面宽度; 阻挡层设于第二开口处暴露的粘附层表面上,缓冲层覆于阻挡层表面,浸润层覆于缓冲层表面,铟凸点覆于浸润层表面; 并且,阻挡层、缓冲层和浸润层与第二钝化层均不相接触; 阻挡层、缓冲层和浸润层的截面宽度均相同;粘附层的截面宽度大于阻挡层的截面宽度。2.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的半导体衬底的材质为Si03.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的第一钝化层的材质为S12或Si3N4,第二钝化层的材质为S12或Si3N4,且第一钝化层和第二钝化层材质相同。4.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的焊盘的材质为金属Al或Cu05.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的粘附层的材质为为金属T1、N1、Cr或Ta。6.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的阻挡层的材质为金属Pt、Pd、Ni。7.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的缓冲层和浸润层的材质相同,均为金属Au。8.根据权利要求1所述的铟凸点器件结构,其特征在于,所述的铟凸点的材质为金属铟;铟凸点为球形或柱状。9.权利要求1-8所述的铟凸点器件结构的制备方法,其特征在于,包括如下步骤: 步骤(I),取一个具有焊盘的半导体衬底,将第一钝化层覆盖在衬底和焊盘上,然后通过光刻和刻蚀得到第一开口,以暴露出部分焊盘; 步骤(2),将粘附层覆盖在第一开口处暴露的焊盘表面上,并部分覆盖于第一钝化层上; 步骤(3),将第二钝化层覆于第一钝化层表面及粘附层表面,然后通过光刻和刻蚀得到第二开口,以暴露出部分粘附层; 步骤(4),在第二开口处暴露的粘附层表面上沉积阻挡层,然后在阻挡层上覆盖缓冲层,接着在缓冲层上覆盖浸润层; 步骤(5),在浸润层上沉积金属铟形成铟柱,然后回流使铟柱变成铟球。
【文档编号】H01L31/0352GK105826421SQ201610316689
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】杨超伟, 李京辉, 韩福忠, 王琼芳, 封远庆, 左大凡, 杨毕春, 周连军, 吴圣娟
【申请人】昆明物理研究所
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