专利名称：焊料凸点的无助焊剂制作工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造中的封装方法，特别是涉及一种凸点的无助焊剂制作方法。
背景技术：
虽然倒装芯片技术已经具有30年的历史，但是开始量产只有几年。基板技术和材料技术开发的发展已经加速了采用高级封装技术。终端客户对更复杂和更多功能的器件的封装要求继续快速增长。随着这种增长带来了对更复杂和更多功能器件封装的需求。最早的高级封装技术是晶片凸点的应用，其是以凸点或球的形式将焊接应用于晶片级器件。晶片凸点取代了金属线连接作为用于组件数量增长的互连的选择。晶片凸点的应用是受性能、波形因数或阵列互连需要的驱动。典型的电镀焊料凸点制作流程如图2所示，包括凸点下金属淀积、涂光刻胶和曝光、显影、电镀、凸点下金属刻蚀、涂助焊剂、再回流、去除助焊剂等。在该流程中，首先用于焊料凸点着陆的焊盘2被定义在晶片1上和用电介质层4隔离以后，凸点下的金属层5通过均厚膜淀积形成，如图1A所示。然后形成光刻胶层6，如图1B所示。然后在该焊盘2上光刻产生通孔，如图1C所示。电化学淀积到开口区域制作电镀的焊料凸点7，如图1D所示。去除光刻胶层，并以电镀的焊料凸点为掩模刻蚀凸点下的金属层，如图1E所示。在焊料凸点上有一层高熔点的氮化钛氧化物层，因为该氮化钛氧化物层限制焊料凸点的流动，而且严重阻碍焊料对临近连接表面的润湿，因此需要去除。为了去除覆盖在焊料凸点上的高熔点氮化钛氧化物，通常在焊料结构上淀积一层助焊剂，然后对焊料凸点在炉管回流工艺中进行再回流，形成焊料球71，如图1F所示。但是助焊剂的应用不仅需要额外的应用步骤、额外的制程设备，而且需要后续的清洗步骤以去除助焊剂残留物。助焊剂残留物与锡铅共金结合还存在影响环境的危险。
这种方法形成的焊料凸点还容易产生孔洞。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种在制作导电的焊料凸点时不用传统助焊剂的制作工艺。
本发明还有一个目的是提供没有孔洞的焊料球凸点。
本发明的焊料凸点的无助焊剂制作方法，包括在接触焊盘上淀积一层电介质层；形成凸点下金属层；形成光刻胶层和部分开口以形成通孔图案于接触焊盘上；将焊料填充入所述通孔中；去除光刻胶层；以焊料凸点为掩模刻蚀凸点下金属层；在真空反应腔中去除凸点上的氧化物层；在真空反应腔中回流焊料凸点。
根据本发明的凸点上氧化物是高熔点氮化钛氧化物。
根据本发明的焊料是共晶体、无铅焊料或高铅焊料。无铅焊料是如锡银焊料。
根据本发明，是用酸还原去除氧化物，其步骤包括氮气通入装有酸的起泡器；酸被氮气携带进入反应腔；在反应腔中酸与覆盖在凸点上的氧化物发生反应。
其中，所述的酸是柠檬酸、草酸或酒石酸。通入氮气量至少为5标准升每分钟(slm)。较好是氮气量为5～8标准升每分钟(slm)。所述的酸的携带量为少于5体积％。较好是酸的携带量为2～3体积％。
根据本发明，去除氧化物的真空反应腔的真空度在10到20豪托(mtorr)。
根据本发明，用氢气与惰性气体的混合气体还原去除所述氧化物，其步骤包括将氢气和惰性气体的混合物通入反应腔中；
在真空反应腔中氢气与所述凸点上的氧化物进行还原反应。
其中，所述的气体混合物中氢气含量为5体积％。所述的真空反应腔的真空度为10到20豪托(mtorr)。
根据本发明，焊料凸点的再回流在真空反应腔中进行，其真空度为10到20豪托(mtorr)。
本发明的无助焊剂制作方法，可以提供没有孔洞的焊料凸点。本发明的方法适合应用于导电性焊料凸点的制作，可以设置于芯片封装衬底上的锡球阵列封装中。该方法不仅采用完全没有助焊剂的组合物形成而且也不用任何助焊剂清洗溶剂，而且省去了在衬底上电镀导电的焊料凸点时通常采用的助焊剂设备和清洗助焊剂设备。
下面结合附图详细介绍本发明。然而需要注意的是，这些附图只是用来说明本发明的典型实施例，而不构成为对本发明的任何限制，在不背离本发明的构思的情况下，可以具有其他更多等效实施例。而本发明的保护范围由权利要求书决定。
图1A～1F表示现有技术的典型的焊料凸点的形成过程的截面示意图。
图2表示现有技术的典型的焊料凸点的制作工艺流程的示意图。
图3表示本发明的焊料凸点的无助焊剂制作工艺流程的示意图。
图4表示本发明的氧化物去除反应腔的工作流程示意图。
图5表示本发明的再回流反应腔的工作流程示意图。
图6表示本发明的无助焊剂制作工艺获得的无孔焊料凸点的X射线检测结果。
图7表示显微镜下观察到的本发明的焊料凸点的剪切模式图。
图8表示显微镜下观察到的具有孔洞的焊料凸点的剪切模式图。
附图标记说明1晶片2焊盘3钝化层 4电介质层5凸点下金属 6光刻胶
61光刻胶图案7焊料71焊料球具体实施方式
本发明的无助焊剂制作方法，可以提供没有孔洞的焊料凸点。本发明的方法适合应用于导电性焊料凸点的制作，可以设置于芯片封装衬底上的锡球阵列封装中。该方法不仅采用完全没有助焊剂的组合物形成而且也不用任何助焊剂清洗溶剂，因此省去了在衬底上电镀导电的焊料凸点时通常采用的助焊剂设备和清洗助焊剂设备。
本发明的无助焊剂制作过程包括两个反应腔，氧化物去除反应腔和再回流反应腔，适用于所有焊料凸点的应用，如共晶体(63锡37铅)、无铅、高铅和超低alpha焊料凸点。
在本发明的一个实施例中，按照如图3所示流程进行无助焊剂凸点的制作，而本发明的焊料凸点的形成过程也可参考图1A～1F。首先如图1A所示，在形成有铝接触焊盘2、钝化层3、电介质层4的芯片1上，电镀形成凸点下金属5，如锡铅；然后如图1B所示，形成光刻胶层6，并部分开口以形成通孔图案于接触焊盘2上，如图1C所示；淀积一焊料7(如锡铅合金)填充于所述通孔中，如图1D所示；去除光刻胶61，并以该焊料凸点7为掩模刻蚀掉凸点下金属5，如图1E所示；其中，在焊料凸点7上，由于锡铅氧化层覆盖有氮化钛氧化物层，其阻止焊料的流动，需要去除掉。
图4所示是本发明的一个实施例的氧化物去除反应腔的示意框图。其中，包括真空反应腔，其内部设置有气体分配板、真空前置线(vacuumforeline)(用于抽真空)、气体控制板以及酸起泡器(未示出)。
在一个实施例中，至少5标准升每分钟(slm)，优选为5～8标准升每分钟(slm)的氮气传送通过柠檬酸起泡器，携带约少于5％(2～3％)的柠檬酸、草酸或酒石酸，优选为用柠檬酸，然后与氮气(多于2slm)混合，进入反应腔。其中氧化物的还原过程是MeO+CxHxO(COOH)x→Me(COOH)+H2OMe(COOH)→Me+CO2+H2
式中的MeO是金属氧化物。在金属氧化物还原制程以后，将晶片传送到如图5所示的再回流反应腔中。
在另一个实施例中，氧化物去除制程还可以结合氢气(5％)和氦气。用具有1mm均匀开孔的气体分配板将气体均匀分配到晶片上。该制程是在10到20豪托(mtorr)的真空环境下进行。其中氧化物的还原过程是MeO+H2→Me+H2O式中的MeO是金属氧化物。在金属氧化物还原制程以后，将晶片传送到如图5所示的再回流反应腔中。
图5是本发明的一个实施例的再回流反应腔的示意框图。其中，包括真空反应腔，其中设置有加热台、前置真空线(vacuum foreline)，以及气体控制板。
在一个实施例的再回流过程中，5～10slm的氮气传送到再回流反应腔中，其加热温度根据再回流温度进行设定，即无铅焊料的回流温度在200～260℃，共晶体焊料回流温度在150～200℃。整个再回流制程在10mtorr到20mtorr的真空环境下进行，该过程可以有效去除焊料中的气泡，可以确保无孔洞的产品。
图6是应用X射线对本发明的焊料凸点进行孔洞监测的结果。可以看出，焊料凸点的表面光滑无缺陷可见，说明在上述再回流过程中气泡从焊料中已经被赶出。
可靠性数据(高温储存168小时)还显示共晶体和无铅焊料凸点都满足要求，而且该数据与应用典型焊料制程的数据等同。无铅和共晶体的剪切力规格都是大于35.4克/凸点；而无铅焊料和共晶体焊料在可靠性测试后的剪切力规格是37.4克/凸点和43.6克/凸点。
本发明还提供一种光亮、无氧化物的焊料凸点，而不需要用助焊剂和去除助焊剂过程。
图7是将无助焊剂制程应用于共晶体凸点得到的凸点外观图，该共晶体的组成通过Thermal Noran XRF测定，结果锡Sn(63±-5)，铅Pb(37±-5)。
图8是具有孔洞的焊料凸点外观图。其测定的组成是(Sn63.5％，Pb36.5％)，剪切力规格是32.5克/凸点。
本发明不用助焊剂和去除助焊剂制程步骤，可以极大地降低操作成本(包括间接材料，化学品成本)，对于共晶体、高铅和无铅焊料可以降低成本至少80％。对于超低alpha焊料凸点的应用约可降低30％。而且，整个周期将降低至少150％(对于凸点下金属刻蚀以后的制程步骤，可以降低20WPH到50WPH)。因为不用助焊剂和去除助焊剂的化学溶剂而没有化学废弃物，因此该无助焊剂焊料凸点制作方法还提供环境友好的制程。
虽然以上所述是针对本发明的实施例，但本发明的其它及进一步的实施例可以在不背离其基本范围之下设计出，而其保护范围是由权利要求书的范围决定。
权利要求
1.一种焊料凸点的无助焊剂制作方法，包括在接触焊盘上淀积一层电介质层；形成凸点下金属层；形成光刻胶层和部分开口以形成通孔图案于接触焊盘上；将焊料填充入所述通孔中；去除光刻胶层；以焊料凸点为掩模刻蚀凸点下金属层；在真空反应腔中去除凸点上的氧化物层；在真空反应腔中回流焊料凸点。
2.根据权利要求1所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的凸点上氧化物是高熔点氮化钛氧化物。
3.根据权利要求1所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的焊料是共晶体、无铅焊料、高铅焊料。
4.根据权利要求3所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的无铅焊料是锡银焊料。
5.根据权利要求1所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的去除氧化物是用酸还原，其步骤包括氮气通入装有酸的起泡器；酸被氮气携带进入反应腔；在反应腔中酸与覆盖在凸点上的氧化物发生反应。
6.根据权利要求5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的酸是柠檬酸、草酸、酒石酸。
7.根据权利要求5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的氮气通入量至少为5标准升每分钟(slm)。
8.根据权利要求5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的氮气通入量为5～8标准升每分钟(slm)。
9.根据权利要求5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的酸的携带量为少于5体积％。
10.根据权利要求5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的酸的携带量为2～3体积％。
11.根据权利要求1或5所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，去除氧化物真空反应腔的真空度在10到20豪托(mtorr)。
12.根据权利要求1所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，用氢气与惰性气体的混合气体还原去除所述氧化物，其步骤包括将氢气和惰性气体的混合物通入反应腔中；在真空反应腔中氢气与所述凸点上的氧化物进行还原反应。
13.根据权利要求12所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的气体混合物中氢气含量为5体积％。
14.根据权利要求1或12所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，去除氧化物真空反应腔的真空度为10到20豪托(mtorr)。
15.根据权利要求1所述的焊料凸点的无助焊剂制作方法，其特征在于，所述的再回流反应腔的真空度为10到20豪托(mtorr)。
全文摘要
一种焊料凸点的无助焊剂制作方法，包括在接触焊盘上淀积一层电介质层；形成凸点下金属层；形成光刻胶层和部分开口以形成通孔图案于接触焊盘上；将焊料填充入所述通孔中；去除光刻胶层；以焊料凸点为掩模刻蚀凸点下金属层；在真空反应腔中去除凸点上的氧化物层；在真空反应腔中回流焊料凸点。该方法可以提供没有孔洞的焊料凸点，而且省去了在衬底上电镀导电的焊料凸点时通常采用的助焊剂设备和清洗助焊剂设备。该方法适合应用于导电性焊料凸点的制作，可以设置于芯片封装衬底上的锡球阵列封装中。
文档编号H01L21/60GK101026106SQ20061002413
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者张璋炎, 蒋瑞华 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司