专利名称：半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种半导体元件及其形成方法，而特别有关于一种具有导电凸块的半导体元件及其形成方法。
背景技术：
半导体工业中已发展出许多封装方法，在这些封装方法中需建立封装结构与集成电路芯片间的电性连接，通常是利用金线、卷带式自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)或覆晶封装(Flip-Chip)作为其连接介质。在覆晶封装中，集成电路芯片是直接面朝下连接至基板上的连接垫，其中基板可为陶瓷基板，电路板或晶片载体(chip carrier)。
一般而言，利用覆晶接合的集成电路芯片是指在晶片上形成导电凸块后进行接合，其中导电凸块例如是焊点凸块。覆晶接合为一种晶圆级封装制程。每一个导电凸块与集成电路芯片电性接触，且与基板上的一连接垫电性接触。在相对于具有连接垫基板的另一面上具有连接引线(connection pins)，其透过基板与集成电路芯片连接。覆晶接合制程中的导电凸块具有多种功能，其可用以电性连接基板电路晶片与基板，也用来将晶片运转所产生的热传导至基板，以及作为集成电路芯片连接至基板的底座。此外，导电凸块还可作为一间隙壁，用来避免集成电路芯片与基板上其他部分电性连接。导电凸块还可作为一短引线，以释放晶片与基板间的机械应变。
覆晶接合制程包括将焊点凸块置于硅晶圆上，焊点凸块的覆晶接合制程主要包括四步骤，1.进行凸块下金属化制程(under-bump metallization，UBM)以利焊点凸块的沉积。接着，2.在凸块下金属化层上回焊形成焊点凸块。将晶圆切割成晶粒后接着进行后续两步骤。3.晶圆切割后，将形成有焊点凸块的晶粒贴合至基板或载体上。最后，4.将集成电路芯片与基板间的空间填满环氧树脂以确保封装可靠度。
在上述第一个步骤中，会先在未切割晶圆的各晶片上决定凸块位置。晶圆在进行封装前的预备工作包括清洗、移除绝缘氧化物以及在连接垫上形成一金属保护垫，用来保护集成电路芯片以及用以与焊点凸块形成良好的机械及电性接触。上述的金属保护垫例如是凸块下金属化层(under bumpmetallization，UBM)，其是由连续的金属层所形成，其也可称之为粘接层，用来粘接连接垫及周围的保护层，并提供一高强度、低应力、良好的机械及电性连接。扩散阻障层可用来焊点扩散至其下层的材料。焊点湿润层(solder wetting layer)是在形成焊点凸块制程中提供融化的焊点一湿润表面，使焊点与下层材料有良好的连接。
传统具有上述功能的凸块下金属化层一般为二或三层结构。若为焊点凸块，凸块下金属化层结构可为Cr-Cu-Au、Cr-NiV-Au、TiCu、TiW-Cu或Ti-Ni。凸块下金属化层的形成方法包括无电镀、溅镀或电镀。焊点凸块一般是由铅锡合金或锡合金所形成。电镀及模板印刷(stencil printing)为常用来形成焊点的两种方法。
在形成凸块后，进行集成电路芯片连接至基板的制程只需非常短的时间，因此在凸块上并不会有氧化物所产生的问题。然而，一般的IC晶圆在进行切割并透过凸块接合至基板前，需经过测试及储存一段时间。在IC上形成凸块至将IC连接至基板期间，铅锡焊点因暴露至大气下而严重氧化。氧化过程连续且会穿透至凸块内部。若凸块产生氧化现象，后续将IC连接至基板的制程中，粉末状的氧化物会造成不可靠的焊点接合，也就是冷接合(cold joint)。
因此，透过凸块将IC连接至基板前，必须以蚀刻-清洁-助焊制程将氧化物移除。但造成制程成本提高。若进行上述制程后未能在短时间内将IC透过凸块连接至基板，则氧化物会再度形成，而必须再次进行蚀刻-清洁-助焊氧化物移除制程。
此外，也可将半导体元件存放在惰性环境中，例如氮气下或真空环境。然而，无氧环境下也不能完全避免氧化物的生成。
每一次氧化物移除制程后，由于会在焊点凸块与凸块下金化层的界面上形成介金属化合物，因此，凸块下金属化层中的可焊层会被消耗。
发明内容
本发明提供一种形成半导体元件的方法，包括提供一半导体晶片，包括一连接垫；在该连接垫上形成一导电凸块；以及在该导电凸块上形成至少一保护层使该导电凸块至少被一保护层覆盖。
本发明提供一种半导体元件，包括一半导体晶片，包括一连接垫；一导电凸块，位于该连接垫之上；以及至少一保护层，覆盖该导电凸块。
本发明所述的半导体元件，其中该保护层包括惰性金属。
本发明所述的半导体元件，其中该惰性金属包括金。
本发明所述的半导体元件，其中该保护层包括有机金属。
本发明所述的半导体元件，其中该有机金属包括有机护焊剂(Organic Solderability Preservative)。
本发明所述的半导体元件，其中该保护层包括锡。
本发明所述的半导体元件，在该连接垫上更包括一凸块下金属化层。
本发明所述的半导体元件，其中该导电凸块包括金、铜、铝以及镍至少其中之一。
本发明所述的半导体元件，其中该导电凸块包括铅锡焊点。
本发明所述的半导体元件，提供一种具有凸块上保护层的焊点凸块，以避免产生焊点冷接合现象及降低焊点接合失败(solder joint failure)。
图1显示本发明实施例中具有凸块上保护层的焊点凸块。
具体实施例方式
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。
本发明提供一种形成半导体元件的方法，该半导体元件具有一焊点凸块，其上包括一凸块上保护层(over-bumppassivation)避免导电凸块在封装制程前产生氧化，以及焊点冷接合现象(solder cold joint)。
图1显示本发明一实施例的半导体元件100，包括在一半导体晶片上形成一导电凸块。如图1所示，半导体元件100包括一半导体晶片200，其中具有多层金属化层及介电层。在晶片内金属连线层207上具有一连接垫205，连接至半导体元件100中的集成电路。一晶片表面保护层210位于晶片内金属连线层207上，并具有一开口露出部分连接垫205。一凸块下金属化层(under-bump metallization，UBM)215位于晶片表面保护层210之上并填满开口以与连接垫205相接触。其中连接垫205、晶片表面保护层(凸块下保护层)210以及凸块下金属化层215皆可以已知技术形成。
在凸块下金属化层215上，可以已知技术沉积导电凸块220，其材质包含铅(或其他合适的凸块材料)。而导电凸块较佳为焊点，其材料组成例如是3wt％-5wt％的锡以及95wt％-97wt％的铅。导电凸块220的形成方法包括电镀法、网印(screen printing)或模板印刷(stencil printing)、蒸镀、热机械式/压力(thermomechanical/pressure)喷嘴喷墨印刷(jet printing)，利用热机械/压电元件、磁力流体(magneto-fluidynamic)或电磁力流体(electromagneto-fluidynamic))元件或其他已知方法。
在传统导电凸块的形成方法中，由于导电凸块220直接暴露于空气中而造成氧化。在以焊点凸块作为导电凸块220的方法中，在焊点凸块接触至空气后很短的时间内就会产生氧化铅(PbO2)。导电凸块220上氧化物的形成，会导致上述的焊点冷接合现象(solder cold joint phenomenon)。
为了消除上述的焊点冷接合现象以及导电凸块上氧化重复形成，本发明提供一种焊点凸块，通过凸块上保护层230保护导电凸块200，避免在覆晶接合等后续制程前造成氧化。凸块上保护层230是以惰性或可溶性金属选择性覆盖至导电凸块220上，其中惰性金属或可溶性金属例如是金或有机材料，其中有机材料例如是有机护焊剂(Organic Solderability Preservative，OSP)。当凸块融化以进行接合制程时，金很容易扩散至焊点凸块中，例如导电凸块220。在后续融化凸块的制程中，有机护焊剂(Organic Solderability Preservative)很快就蒸发。若凸块上保护层230是由金或有机护焊剂所形成，则不会对导电凸块220可焊度(soderability)产生负面影响。
此外，由于锡所形成的氧化物可用来作为保护层，可避免在导电凸块220内部形成氧化物，因此，锡也可用来作为凸块上保护层230。
若惰性金属用来作为凸块上保护层230，其必须选择性单独涂布在导电凸块220上。由于惰性金属具有导电性，若涂布至导电凸块外的其他区域，则会在操作时产生负面影响。图1中箭头间所示的区域240即为导电凸块上保护层230可涂布的范围。金或锡的形成方法是将具有导电凸块220的半导体元件100浸入含有金或锡等惰性金属的电解液中进行无电镀制程，以将金或锡选择性地涂布在导电凸块220上。由于导电凸块220为自活化(self-activated)材料，例如铅，因此在无电镀涂布制程中不需使用催化剂。可通过选择性涂布制程将金或锡等惰性金属单独涂布至导电凸块220上。同理，可以化学气相制程将锡选择性氧化。然而，由于二价锡与四价锡不溶于含铅焊点中，因此，必须使用助焊剂来移除氧化锡以利后续接合制程。
此外，凸块上保护层230尚包括有机材料，例如是有机护焊剂(Organic Solderability Preservative，OSP)，可以旋涂或喷洒的方式形成在半导体元件100上，或者是将半导体元件100浸入具有OSP溶液中形成凸块上保护层230。接着，将半导体元件100烘烤以移除OSP中的溶剂，以形成OSP基凸块上保护层。
本发明提供一种具有凸块上保护层的焊点凸块，以避免产生焊点冷接合现象。本发明也可延长具有凸块的半导体元件的寿命，而不受储存环境的影响。此外，由于本发明利用金或锡作为凸块上保护层以避免氧化物的形成，因此，在进行覆晶接合制程时不需使用助焊剂。在焊点融化以进行接合制程时，OSP也可作为助焊剂。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下半导体元件100半导体晶片200连接垫205晶片内金属连线层207晶片表面保护层210凸块下金属化层215导电凸块220凸块上保护层230
权利要求
1.一种半导体元件，其特征在于，该半导体元件包括一半导体晶片，包括一连接垫；一导电凸块，位于该连接垫之上；以及至少一保护层，覆盖该导电凸块。
2.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该保护层包括惰性金属。
3.根据权利要求2所述的半导体元件，其特征在于，该惰性金属包括金。
4.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该保护层包括有机金属。
5.根据权利要求4所述的半导体元件，其特征在于，该有机金属包括有机护焊剂。
6.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该保护层包括锡。
7.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，在该连接垫上更包括一凸块下金属化层。
8.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该导电凸块包括金、铜、铝以及镍至少其中之一。
9.根据权利要求1所述的半导体元件，其特征在于，该导电凸块包括铅锡焊点。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件，特别涉及一种半导体元件及其形成方法，包括在一半导体晶片上形成一导电凸块，以及在该导电凸块上形成至少一保护层以降低焊点接合失败。本发明所述的半导体元件，提供一种具有凸块上保护层的焊点凸块，以避免产生焊点冷接合现象。
文档编号H01L23/485GK101079406SQ20071010205
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月22日
发明者赵智杰, 曹佩华, 卢思维, 郭祖宽 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司