专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明有关于一种半导体装置的制造技术，且特别有关于一种用于半导 体装置在封装工艺中的焊料凸块结构。
背景技术：
集成电路芯片的封装为半导体制造工艺中最重要的步骤之一，其对于半 导体元件的整体性能、可靠度及芯片封装成本均有显著的贡献。当半导体元 件进入高阶整合时，例如芯片接合的封装技术将成为关键。随着元件尺寸持 续縮小、芯片上元件的密度逐渐增加，以及芯片尺寸逐渐增大，因此，使得 芯片接合技术成为一种挑战。导致封装失败的主要问题之一，就是当芯片尺 寸增加时，材料间热膨胀系数不匹配的问题会更为严重，而产生应力而造成
封装失败。特别是在倒装芯片(flip-chip packaging)封装中， 一系列的悍料凸 块形成于半导体基底上，使得晶粒易于以物理及电连接至分离的基底。图1 为传统焊料凸块结构的剖面图，该结构包括下列附属零件 10为半导体基底，其上方将形成悍料凸块。
12为接触焊盘， 一般包含铝或铜，与后续形成的焊料凸块结构接触。 14为图案化的第一保护层。
16为金属焊盘层， 一般包含铝，可作为输入/输出走线(routingtraces)。 18为图案化的第二保护层。
20为绝缘的图案化层，包含聚亚酰胺(polyimide)。
22为导电层；以及
24为已形成的焊料凸块。
在先进集成电路封装技术中，在晶粒上形成焊料凸块结构之前，需使用 聚亚酰胺来进行平坦化，使焊料凸块容易贴附在分离的晶粒上。将聚亚酰胺 涂覆在保护层上，使集成电路的表面平坦化，以解决导电层阶梯覆盖的问题。 特别是聚亚酰胺层所形成的表面，可降低例如输入/输出走线等下层图案的阶
梯高度，减缓阶梯的斜率并使其平坦化。在封装产业上，通常在保护层形成
后，沉积聚亚酰胺层在整个半导体晶粒(Die)上。然而，随着聚亚酰胺层覆盖 在整个晶粒上，所产生的高热膨胀系数，使得聚亚酰胺层与其下层及其相邻 结构间不匹配，而造成芯片翘曲(warpage)的问题。若改变聚亚酰胺层的特性， 则可能会降低聚亚酰胺层与其下方的保护层，或覆盖在聚亚酰胺层上的导电 层之间的接合性，导致元件性能与可靠度的问题，而降低产品的合格率。
基于上述理由，需改善例如倒装芯片(flip-chip)等先进集成电路封装工艺 中的凸块结构，以避免产生与传统焊料凸块结构相关的问题。
发明内容
本发明提供一种半导体装置，包括半导体基底，其上方形成有接合焊
盘(bondpad)与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口露出该接 合焊盘的一部分；金属焊盘层，形成于该接合焊盘的一部分的上方，其中该 金属焊盘层接触该接合焊盘；第二保护层，形成于该金属悍盘层上方，该第 二保护层具有开口于其中，并露出该金属焊盘层的一部分；图案化的聚亚酰 胺层，形成于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；导电 层，形成于该图案化的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一部分的上 方，其中该导电层接触该金属焊盘层；以及导电凸块结构，连接至该导电层。
如上所述的半导体装置，其中该第一保护层选自氮化硅、二氧化硅或氮 氧化硅所组成的族群中且厚度约为1,000A至20,000A。
如上所述的半导体装置，其中该金属焊盘层包含铝。
如上所述的半导体装置，其中该第二保护层选自氮化硅、二氧化硅或氮 氧化硅所组成的族群中且厚度约为1，000A至20,000A。
如上所述的半导体装置，其中该聚亚酰胺层包含聚酰胺绝缘体且厚度约
为20，000A至ioo，oooA。
如上所述的半导体装置，其中该导电层包含凸块下方金属层(UBM layer)。
本发明又提供一种位于半导体基底上的凸块结构，包括半导体基底， 其上方形成有接合焊盘与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开 口露出该接合焊盘的一部分；金属焊盘层，形成在该接合焊盘的一部分的上 方，其中该金属焊盘层接触该接合焊盘；第二保护层，形成于该金属焊盘层 上方，该第二保护层具有开口于其中，并露出该金属焊盘层的一部分；图案 化的聚亚酰胺层，形成于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的 上方；导电层，形成于该图案化的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一 部分的上方，其中该凸块下方金属层接触该金属焊盘层；以及导电凸块结构， 连接至该导电层。
本发明也提供一种倒装芯片封装的结构，包括半导体基底，其上方形 成有接合焊盘与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口露出该 接合焊盘的一部分；金属焊盘层，形成于该接合焊盘的一部分的上方，其中 该金属焊盘层接触该接合焊盘；第二保护层，形成于该金属焊盘层上方，该 第二保护层具有开口于其中，并露出该金属悍盘层的一部分；图案化的聚亚 酰胺层，形成于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；导 电层，形成于该图案化的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一部分的上 方，其中导电层接触该金属焊盘层；以及导电凸块结构，连接至该导电层。
本发明还提供一种半导体装置的制造方法，包括提供半导体基底，其 上方形成有接合焊盘与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口 露出该接合焊盘的一部分；形成金属焊盘层于该接合焊盘的一部分的上方， 其中该金属焊盘层接触该接合焊盘；形成第二保护层于该金属焊盘层的上 方，该第二保护层具有开口于其中，并露出金属焊盘层的一部分；形成聚亚 酰胺层于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；图案化聚 亚酰胺层以形成独立且隔离的聚亚酰胺层；形成导电层于该独立且隔离的聚 亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一部分的上方，其中该导电层与该金属 焊盘层接触；以及形成导电凸块连接至该导电层。
本发明还提供一种利用上述半导体装置的制造方法所形成的装置。
本发明可以减少用来形成整个凸块结构的聚亚酰胺的使用量，因此可避 免现有技术中的翘曲与分层的问题。
从以下详细的说明、权利要求及所附的附图中，将使本发明的特征、观 点及优点更完整地呈现，其中
图1为传统焊料凸块结构的剖面图。
图2为本发明的实施例的焊料凸块结构的剖面图。
其中，附图标记说明如下 10 半导体基底；12~接合焊盘；
16 金属焊盘层； 21 聚亚酰胺层；
24 焊料凸块。
14 第一保护层 18 第二保护层 22~导电层；
具体实施例方式
为更详细地了解本发明，下列叙述提出许多特定的说明。然其并非用以 限制本发明，任何本发明所属技术领域技术人员，在不脱离本发明的精神和 范围内，当可作些许变更与修饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要 求书所界定的范围为准。在某些实施例中，众所周知的工艺与结构并未详加 描述，以避免对本发明产生不必要的混淆。
图2为本发明的实施例的焊料凸块结构的剖面图。该焊料凸块具有包含 接合焊盘12的半导体基底10与具有开口的第一保护层14，其中露出接合焊 盘12的一部分。 一般通过所谓的接合焊盘或接触悍盘(contact pad)与金属内 连线的图案化层以电接触至芯片而形成电接口(dectrical interfaces).接合焊 盘12可通过传统的化学气相沉积(CVD)技术来形成并可使用例如铜、铝或其 他导电金属构成。接合焊盘12形成在基底10的表面之后，通过沉积在接合 焊盘12表面上方的保护层，以保护接合焊盘12并使其绝缘。利用传统化学 气相沉积(CVD)技术在接合焊盘12与基底10上沉积第一保护层14，随后再 与接合焊盘12对准来进行图案化及蚀刻以产生开口。在接合焊盘12上方的 第一保护层14中的开口可随后电接触至焊料凸块。第一保护层14可包含氮 化硅(SiN)、二氧化硅(Si02)与氮氧化硅(SiON)，并且在实施例中厚度约为1000 A至20,000 A。接下来在接合焊盘12的一部分的上方形成金属焊盘(metal pad) 层16，其中金属焊盘层16与接合焊盘12接触。金属焊盘层16 —般包括输 入/输出走线并可包含铝或其他导电金属。
在金属焊盘层16上方形成第二保护层18。第二保护层18具有开口，其 中该开口露出金属焊盘层16的一部分。第二保护层18可包含氮化硅(SiN)、
二氧化硅(Si02)与氮氧化硅(SiON)并在实施例中具有约1000 A至20,000 A
的厚度。
与业界标准制造方式不同之处为，本发明在第二保护层形成后，沉积独 立并隔离的聚亚酰胺层；而业界标准制造方式则在第二保护层形成后，在整 个半导体晶粒上沉积单一聚亚酰胺层。本发明实施例之一为在保护层上方沉 积独立并隔离的聚亚酰胺层，使其覆盖并对准下方的接触焊盘。相对于单一 聚亚酰胺层，利用此独立并隔离的聚亚酰胺层，可减少用来形成整个凸块结 构的聚亚酰胺的使用量，因此可避免现有技术中的翘曲与分层(delamination) 的问题。如图2所示，使用例如旋转涂布式的传统沉积技术在金属焊盘层16 的一部分与第二保护层18的一部分的上方沉积聚亚酰胺层21。聚亚酰胺层 21可在例如40(TC的真空或氮气的环境中进行一小时的沉积,然后固化形成。 接着进行聚亚酰胺层21的图案化及蚀刻以形成独立且隔离的聚亚酰胺层并 产生开口于其中，该开口露出接合焊盘12且对准接合悍盘12。在实施例中， 聚亚酰胺层21可包含厚度约为20,000 A至100,000 A的聚酰胺(polyamide) 绝缘体，而在另一实施例中，聚亚酰胺层21可包含陶氏化学公司(Dow Chemical)生产的双苯环丁烯(BCB,bisbenzocyclobutene )。
导电层22通常包含一种或一种以上厚度约为500A至100，000A的凸块 下方金属层(UBM， under bump metallurgy),沉积在独立且隔离的聚亚酰胺层 21的一部分与金属焊盘层16的一部分的上方，其中导电层22与金属焊盘层 16接触。凸块下方金属层可通过传统电镀或气相沉积工艺来形成。 一般凸块 下方金属层形成于接合焊盘12上方，以提供焊料与邻近焊料的导电层的最 顶层之间较好的接合性及润湿性，并通过凸块下方金属层的最底层来保护接 合焊盘12。利用传统光刻工艺形成圆柱状的焊柱(solder column,图未显示) 之后，将焊柱加热至熔点("回焊"，Reflow)，以在导电层22上方形成导电凸 块结构或焊料凸块24。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，然其并非用以限制本发明，本领 域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做变更与修饰，因此本 发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种半导体装置，包括半导体基底，其上方形成有接合焊盘与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口露出该接合焊盘的一部分；金属焊盘层，形成于该接合焊盘的一部分的上方，其中该金属焊盘层接触该接合焊盘；第二保护层，形成于该金属焊盘层上方，该第二保护层具有开口于其中，并露出该金属焊盘层的一部分；图案化的聚亚酰胺层，形成于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；导电层，形成于该图案化的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一部分的上方，其中该导电层接触该金属焊盘层；以及导电凸块结构，连接至该导电层。
2. 如权利要求1所述的半导体装置，其中该第一保护层选自氮化硅、二 氧化硅或氮氧化硅所组成的族群中且厚度约为1，000A至20,000A。
3. 如权利要求1所述的半导体装置，其中该金属焊盘层包含铝。
4. 如权利要求1所述的半导体装置，其中该第二保护层选自氮化硅、二 氧化硅或氮氧化硅所组成的族群中且厚度约为1，000A至20，000A。
5. 如权利要求1所述的半导体装置，其中该聚亚酰胺层包含聚酰胺绝缘 体且厚度约为20,000A至100，000A。
6. 如权利要求1所述的半导体装置，其中该导电层包含凸块下方金属层。
7. —种半导体装置的制造方法，包括提供半导体基底，其上方形成有接合焊盘与一第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口露出该接合焊盘的一部分；形成金属焊盘层于该接合焊盘的一部分的上方，其中该金属焊盘层接触 该接合焊盘；形成第二保护层于该金属焊盘层的上方，该第二保护层具有开口于其 中，并露出金属焊盘层的一部分；形成聚亚酰胺层于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；图案化聚亚酰胺层以形成独立且隔离的聚亚酰胺层；形成导电层于该独立且隔离的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的 一部分的上方，其中该导电层与该金属焊盘层接触；以及 形成导电凸块连接至该导电层。
8. —种利用权利要求7所述的半导体装置的制造方法所形成的装置。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置及其制造方法，其中该半导体装置包括半导体基底，其上方形成有接合焊盘与第一保护层，该第一保护层具有开口于其中，该开口露出该接合焊盘的一部分；金属焊盘层，形成于该接合焊盘的一部分的上方，其中该金属焊盘层接触该接合焊盘；第二保护层，形成于该金属焊盘层上方，该第二保护层具有开口于其中，并露出该金属焊盘层的一部分；图案化的聚亚酰胺层，形成于该金属焊盘层的一部分与该第二保护层的一部分的上方；导电层，形成于该图案化的聚亚酰胺层的一部分与该金属焊盘层的一部分的上方，其中该导电层接触该金属焊盘层；以及导电凸块结构，连接至该导电层。
文档编号H01L23/485GK101174601SQ200710088630
公开日2008年5月7日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年11月3日
发明者刘忆台, 曹佩华, 林亮臣, 江浩然, 牛保刚 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司