专利名称：凸点制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制程中的凸点制作方法，更具体的说，涉及一种可提高凸点密度的凸点制作方法,，背景技术随着集成电路技术的不断发展，电子产品越来越向小型化、智能化、高 性能以及高可靠性方向发展,，而集成电路封装不仅直接影响着集成电路、电 子模块乃至整机的性能，而且还制约着整个电子系统的小型化、低成本和可 靠性。在集成电路晶片尺寸逐步缩小，集成度不断提高的情况下，电子工业 对集成电路封装技术提出了越来越高的要求。倒装晶片(fUpchip)技术是通过在晶片表面形成的焊球，使晶片翻转与 底板形成连接，从而减小封装尺寸，满足电子产品的高性能(如高速、高频、 更小的引脚)、小外形的要求，使产品具有很好的电学性能和传热性能。凸点制作技术(bump)是倒装晶片中的一个关键技术。现有技术中的凸 点是焊料通过一定工艺沉积在晶片互连金属层上，经过一定温度回流形成的 金属焊球。在凸点制作之前.如图1所示，晶片1已经完成钝化层2和互连金属 层3工艺，进入凸点制作之后，需要在晶片表面形成一凸点下金属层6 (Under-Bump Metallurgy; UBM)，然后在凸点下金属层6上形成一光刻胶层， 并曝光、显影以形成所需的凸点图案；然后形成凸点焊料，形成凸点焊料的 技术包括金属掩膜蒸发、电镀凸点技术、激光植球技术、模板印刷技术等； 最后，去除光刻胶层和凸点下金属层6，在一定温度下焊料回流形成焊球4。 所述焊球4一般为圆球状。
随着集成电路的进一步发展，要求凸点的尺寸进一步减小，而且要求凸 点的密度进一步提高。集成电路板中两个球状凸点最接近的两点之间的距离 为球边间距，如果球边间距的数值较小，会导致凸点之间短路。如果球状凸点的直径过小，凸点的厚度太低，会增加封装的难度。申请号为03140656的 中国专利申请文件提供了 一种微细间距倒装焊凸点电镀制备技术，能够满足 焊球边间距50um以上，焊球直径在50至300um的要求，但是这种球状凸点在 保证这种凸点直径和焊球边间距的情况下，进一步提高集成电路板中凸点密 度的能力有限。发明内容本发明解决的问题是现有技术中的球状凸点不能进一步提高集成电路板 中凸点能力的缺陷。为解决上述问题，本发明提供了一种凸点制作方法，包括如下步骤在芯片上沉积凸点下金属层；在凸点下金属层上形成光刻胶层、并通过曝光和显影形成光刻胶开口 ；在光刻胶开口位置的凸点下金属层上形成厚度不大于光刻胶厚度的第一 层焊料；在第一层焊料上沉积第二层焊料，其中，第二层焊料的熔融温度小于第一 层焊料的熔融温度；去除光刻胶和凸点下金属层； 回流第二层焊料，形成凸点。其中，所述第一层焊料的熔融温度与第二层焊料的熔融温度之差值大于 50°C。其中，第一层焊料为高铅铅锡合金，第二层焊料为共晶铅锡合金。 上述的第一层焊料的厚度为30至200um,进一步优选50um至150um， 更加优选60um至120um。回流后第二层焊料的厚度为2至20um。其中，第一层焊料为铅的质量百分比含量高于95%的高铅铅锡合金，第二 层焊料为共晶铅锡合金，铅的质量百分比含量高于95%的高铅铅锡合金的电 镀工艺包括如下步骤在凸点下金属层上以0.1A/dn^至1A/dm2的电流密度电 镀1至5分钟；在3A/dm"至10A/dm2的电流密度下电镀，直至设定的高铅铅 锡合金的厚度。其中，第二层焊料的回流温度为210。C至245。C。 与现有技术相比，本发明具有以下优点1、 本发明提供一种凸点的制作方法，首先形成第一层焊料，随后在第一 层焊料上形成第二层焊料，第二层焊料的熔融温度小于第一层焊料的熔融温 度之后，回流第二层焊料形成半球状焊球，由于本发明第二层焊料的熔融温 度小于第一层焊料的熔融温度，因此，回流过程中以及回流之后第一层焊料 的物理状态不会发生变化，仍然为柱状，比起现有技术中的球状凸点，在保 持相同的凸点下金属层宽度和焊球边距的情况下，在相同面积的集成电路上， 仍能大大提高凸点的密度。2、 本发明形成第一层焊料和第二层焊料的工艺优选电镀工艺，使第一层 焊料和第二层焊料之间产生较强的结合力，在回流之后，进一步了加强这种 结合力。3、 本发明形成第一层焊料的工艺，当第一焊料层为高铅合金时，先在凸 点下金属层上以0.1A/dm2至1A/dm2的电流密度下电镀1至5分钟；在3A/dm2 至10A/dm2的电流密度下电镀至设定的铅锡合金焊料厚度，避免了在电镀过 程中在焊料中产生气泡。
图1是现有4支术的凸点结构；图2至图8为本发明凸点形成方法的工艺流程中的截面结构示意图； 图9为本发明所述方法形成的两个凸点的截面结构示意图； 图IO为现有技术形成的两个凸点的截面结构示意图。
具体实施方式
针对本发明所采用的铅锡合金凸点制作方法，下面结合附图和实施例做 一详细说明。本发明提供了一种凸点制作方法，包括如下步骤在芯片上沉积凸点下金 属层；在凸点下金属层上形成光刻胶层、并通过曝光和显影形成光刻胶开口； 在光刻胶开口位置的凸点下金属层上形成低于光刻胶厚度的第一层焊料；在 第一层焊料上沉积第二层焊料至完全填满光刻胶开口 ；去除光刻胶和凸点下 金属层；回流第二层焊料，形成凸点。下面结合附图2到附图8对本发明的具体工艺步骤做一个详细的说明。如图2所示，芯片IO上已经完成钝化层11和互连金属层12,所述的钝 化层11以及互连金属层12为现有技术中的常规材料。参考图3，在芯片IO上通过溅射或者蒸发工艺形成凸点下金属层13,凸 点下金属层13可以是钛、钛-钨合金、铜、镍等，本发明是采用溅射的方法 在互连金属层12上形成金属镍层作为凸点下金属层13。溅射或者蒸发形成凸 点下金属层13的工艺为本领域技术人员熟知的现有技术，不做具体描述。如图4所示，在芯片IO上喷涂一光刻胶层14，在形成光刻胶层14过程 中，应该保证使涂覆的光刻胶的厚度达到电镀铅锡合金焊料工艺需要的厚度。 一般来说，光刻胶14厚度在30微米至200微米之间。然后，根据设计好的 光刻胶图案，进行曝光，显影，形成光刻胶开口，所述的形成光刻胶开口的位置即为需要形成铅锡合金凸点的位置。在光刻胶曝光和显影形成光刻胶图案的过程中，应该保证满足焊球中心间距在100微米至400微米的要求。如图5所示，在凸点下金属层上的光刻胶开口处形成第一层焊料15,所 述的第一层焊料15可以是高铅铅锡合金含铅的质量百分比含量大于95 %的高 铅铅锡合金，如95wt。/。Pb、 5wt%Sn或者97wt°/。Pb、 3wt%Sn，所述第一次焊 料15的厚度应该小于等于光刻胶的厚度，较好的在30um至200um，进一步 优选的在50um至150um，更加优选的是在60um至120um。形成第一层焊料15的工艺可以是本领域技术人员熟知的各种工艺如电 镀、等离子体沉积等。本发明优选采用电镀法形成第一层焊料15。最为优选 的工艺是先在凸点下金属层13上以较低的电流密度形成一厚度为0.2um至 4um的高铅铅锡合金，所述的较低电流密度为0.1 A/dm2至1 A/dm2,然后再以 常规的工艺大电流密度进行电镀沉积高铅铅锡合金焊料，所述的较大电流密 度为3A/dn^至10A/dm2，电镀至高铅铅锡合金焊料的厚度为30um至200um 即可。在本发明的一个具体实施方式
中，第一层焊料15为95wt%Pb、 5wt%Sn 或者97wt。/。Pb、 3wt%Sn,采用金属铅和金属锡的可溶性盐的混合溶液做为电 镀溶液，其中铅离子浓度(Pb2+)为40g/L至60g/L，锡离子(Sn2+)浓度为 5g/L至10g/L，甲基磺酸作为络合剂，浓度为200g/L至300g/L,为了避免电 镀过程中产生气泡，先采用(UA/dn^至1A/dn^的电流密度进行电镀，较好的 是0.5A/dn^至1A/dm2,温度为25。C至35。C之间，电镀1分钟到5分钟，之 后，将电流密度调节为3A/dtr^至10A/dm2,其余工艺条件不变，电镀至铅锡 合金焊料的厚度为30um至200um即可。在电镀第一层焊料15的过程中，首先以0.1A/dm2至1A/dm2的电流密度 进行电镀，可以避免电镀过程中产生析氢现象，从而避免在高铅合金含量中 产生气泡，当以0.1A/dm2至1A/dm2的电流密度电镀的焊料厚度完全覆盖凸点 下金属层之后，改用3A/dn^至10A/dm2的常规电流密度进行电镀，可提高电 镀制程所需时间，提高效率。如图6所示，在第一层焊料15上沉积第二层焊料16,所述第二层焊料 16的熔融温度应低于第一层焊料15的熔融温度，也就是说，应该保证在第二 层焊料16进行回流的过程中不会使第一层焊料15的物理状态发生变化，即 起码上保证第一层焊料15不会成为熔融状态。较好的是，第二层焊料16的 熔融温度与第一层焊料15的熔融温度的差值大于50摄氏度。在第一层焊料 15为含铅量大于95%的高铅铅锡合金的状况下，本发明优选第二层焊料16 为共晶铅锡合金，如37wtQ/oPb、 63wt。/oSn合金。沉积第二层焊料16的工艺较好的仍然选用电镀工艺。在本发明的一个具 体实施例中，采用金属铅和金属锡的可溶性盐的混合溶液作为电镀溶液，其 中铅离子浓度(Pb")为15g/L至25g/L,锡离子(Sn")浓度为36g/L至44g/L， 曱基磺酸浓度为200g/L至300g/L，设定电流密度为3A/dm2至10A/dm2,温度 为25。C至35。C。之后，参考附图7所示，去除光刻胶层14以及铅锡合金焊料之外的凸点 下金属层13，去除工艺为本领域技术人员熟知的现有技术，在此不做进一步 的描述。参考附图8所示，回流第二层焊料16形成焊5求17。由于第二层焊料16 的熔融温度小于第一层焊料15的熔融温度，因此，回流第二层焊料16的过 程中第一层焊料15的物理状态不会发生变化，回流工艺完成后，如图7所示， 第二层焊料16成为半球状，而第一层焊料15依然保持回流之前的柱状。为 了保证回流之后第二层焊料16形成的半球状的最大横截面的直径小于第一层 焊料15的横截面的直径，应该保证回流后第二层焊料16的厚度在2um至 20um。由于本发明优选电镀工艺沉积第一层焊料15和第二层焊料16,因此，可 以保证第一层焊料15和第二层焊料16的接触界面具有较强的结合力。回流 过程中，第一层焊料15和第二层焊料16的接触界面的原子之间进一步互相 迁移、渗透，具有更强的结合力，因此，本发明提供的第一层焊料15和焊球 17之间具有很强的结合力，使用过程中不会产生焊球17与第一层焊料15之 间分离的缺陷。以第一层焊料15为含铅量大于95%的高铅铅锡合金、第二层焊料16为 37wt%Pb、 63wt%Sn的共晶铅锡合金为例，在21(TC至245°C的温度范围进行 铅锡合金焊料回流，由于高铅铅锡合金的熔融温度大于300度，因此， 37wt%Pb、 63wto/。Sn的共晶铅锡合金在回流的过程中，第一层焊料15的高铅 铅锡合金物理状态不发生变化。参考附图9所示，为本发明所述方法形成的两个凸点的截面结构示意图， 如图中所示，dl为凸点下金属层的宽度，也为本发明所形成的凸点的最大宽 度，D1为焊球边间距，也即相邻两个凸点之间的最小距离，设定dl为100um， Dl也为100的情况下，则两个相邻的凸点的中心之间的距离Al为200um。参考附图10所示，为现有技术中常规的两个凸点的截面结构示意图，如 图中所示，d2为凸点下金属层的宽度，也为本发明所形成的凸点的最大宽度， D2为焊球边间距，也即相邻两个凸点之间的最小距离，设定d2为100um， 则单个凸点的直径大于100um，根据经验推算其数值为125um，设定Dl也为 IOO的情况下，则两个相邻的凸点的中心之间的距离Al为250um。通过附图9和附图IO所做的设定和附图表示，在保持焊球边间距和凸点 下金属层的宽度相同并且为上述的设定值的情况下，则在1000umx 1000um 的平面上，采用本发明所提供的凸点可以布25个凸点，而现有技术中的凸点
只可以布16个凸点。因此，本发明提供的技术方案大大的提高了在集成电路 板上可形成的凸点的密度。在集成电路逐渐缩小的情况下，即使不缩小凸点 的尺寸和焊球边间距，也能够满足在相同面积上形成多个凸点的要求。本发明在附图9和附图10中所作的设定仅仅是为了说明发明的效果，并非对形成 的凸点的尺寸和焊球边间距进行限定，本领域的技术人员可以根据实际的工 艺要求，可以做任何的改动和变更，而不会对本发明的应用范围产生影响。虽然本发明己以较佳实施例纟皮露如上，但本发明并非限定于此。任何本 领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改， 因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
1、一种凸点制作方法，其特征在于，包括如下步骤在芯片上沉积凸点下金属层；在凸点下金属层上形成光刻胶层、并通过曝光和显影形成光刻胶开口；在光刻胶开口位置的凸点下金属层上形成厚度不大于光刻胶厚度的第一层焊料；在第一层焊料上沉积第二层焊料，其中，第二层焊料的熔融温度小于第一层焊料的熔融温度；去除光刻胶和凸点下金属层；回流第二层焊料形成凸点。
2、 根据权利要求1所述的凸点制作方法，其特征在于，所述第一层焊 料的熔融温度与第二层焊料的熔融温度的差值大于5(TC。
3、 根据权利要求1所述的凸点制作方法，其特征在于，形成第一层焊 料和第二层焊料的工艺为电镀工艺。
4、 根据权利要求1至3中任一项所述的凸点制作方法，其特征在于， 第一层焊料的厚度为30至200um。
5、 根据权利要求4所述的凸点制作方法，其特征在于，第一层焊料的 厚度为50至150um。
6、 根据权利要求5所述的凸点制作方法，其特征在于，第一层焊料的 厚度为60至120um。
7、 根据权利要求1至3中任一项所述的凸点制作方法，其特征在于， 回流后第二层焊料的厚度为2至20um。
8、 根据权利要求3所述的凸点制作方法，其特征在于，第一层焊料为 铅的质量百分比含量高于95%的高铅铅锡合金，第二层焊料为共晶铅锡合金。
9、 根据权利要求8所述的凸点制作方法，其特征在于，回流第二层焊 料的温度为21(TC至245。C。
10、 根据权利要求8所述的凸点制作方法，其特征在于，铅的质量百分 比含量高于95 %的高铅铅锡合金的电镀工艺包括如下步骤在凸点下金属层上以0.1 A/dm2至1 A/dm2的电流密度电镀1至5分钟；在3A/dn^至10A/dtT^的电流密度下电镀。
全文摘要
一种凸点制作方法，包括如下步骤在芯片上沉积凸点下金属层；在凸点下金属层上形成光刻胶层、并通过曝光和显影形成光刻胶开口；在光刻胶开口位置的凸点下金属层上形成厚度不大于光刻胶厚度的第一层焊料；在第一层焊料上沉积第二层焊料，其中，第二层焊料的熔融温度小于第一层焊料的熔融温度；去除光刻胶和凸点下金属层；回流第二层焊料，形成凸点。上述方法形成的凸点可以提高集成电路板上凸点的密度。
文档编号H01L21/02GK101154604SQ20061011685
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月30日 优先权日2006年9月30日
发明者丁万春, 津 孟, 李德君 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司