专利名称：凸块下金属层结构、晶圆结构与该晶圆结构的形成方法
第l/7页凸块下金属层结构、晶圆结构与该晶圆结构的形成方法
技术领域：
本发明是有关于一种凸块下金属层结构、晶圓结构以及该晶圓结构的形 成方法，且特别是有关于一种利用无电电镀技术形成的凸块下金属层结构、晶圓结构以及该晶圓结构的形成方法。背景技术：
在半导体封装技术中，常见的芯片连接技术包括倒装接合(flip chip )、打线接合(wire bonding)以及巻带自动接合(tape automated bonding )等方 式，以将芯片与基板电性连接。其中倒装接合技术利用焊料凸块(solder bump ) 作为芯片与基板间电性连接的媒介，相较于打线接合以及巻带自动接合的方 式，倒装接合技术具有较短的电性连接路径，并且具有较佳的电性连接品质， 使得凸块愈来愈广泛地应用在半导体封装政术中。传统的凸块形成方法中，将一 凸块下金属层(Under Bump Metallurgy ， UBM)形成在芯片表面上，并且覆盖芯片表面的铜焊垫上， 一般利用溅镀(sputtering )或电镀(electroplating )的方式形成凸块下金属层。4妻着进4亍 涂布光阻层、黄光蚀刻等步骤，使得凸块下金属层的尺寸大约对应于铜焊垫 的尺寸。而后，将光阻层剥离，并且在凸块下金属层上印刷锡膏。最后，回 焊锡膏，使得锡膏内的锡颗粒熔化成锡汤，并冷却固化成凸块。传统凸块的形成方法具有繁复的制程步骤，无法有效地降低制程成本， 因此业界发展出一种不需进行黄光蚀刻的凸块形成方法。这种不需黄光蚀刻 步骤地凸块形成方法，包括在铜焊垫上无电电镀(electroless plating)镍(nickel)层，以及在镍层上无电电镀钯(palladium )层的步骤，并且接着形 成例如是金材料的湿润层。而后，通过印刷及回焊的步骤形成凸块。无电镀
镍是一种化学还原反应，利用溶液中的还原剂(如次磷酸钠)将镍离子还原 沉积在催化表面上。在界面反应方面，由于无电镀镍对于铜的扩散阻绝效果 良好，因此被广泛采用于电子封装中，以在焊锡凸块中扮演一个扩散屏障的角色。在无电电镀镍层的步骤中， 一般将晶圓(wafer)浸入镀液中，镀液中 由硫酸镍(NiS04 )提供镍离子，并且由次磷酸钠(NaH2P02 )作为还原剂 以使镍离子还原为镍金属，并且以镍金属做为催化剂进行自催化反应(autocatalytic reaction),从而在铝或铜焊垫上析镀一含磷的镍层(Ni-P )。 这种无电电镀的方式具有镀层厚度均匀、孔隙率低、结晶细致、硬度高、可 焊性良好等优点。然而，由于这种无电电镀制程受到镀液组成成分及其浓度、 操作温度以及酸碱值等参数条件影响，当进行例如回焊锡膏等高温制程步骤 时，容易因为高温影响，在锡膏以及镍层间的接口形成一富磷的结晶状介金 属相(Inter-Metallic Compound, IMC )。在无电电镀的置换反应中，当 一个 尺寸较小的镍原子溶走(氧化)的同时，会有两个相对尺寸很大的金原子沉 积(还原)，这样在晶格成长时会造成全面推挤性的差排(Misalignment), 因而使得镍与金的界面中出现很多的空隙疏孔，甚至藏有溶液等，容易造成 镍层的继续钝化及氧化，使得界面品质受到影响。此外，当镍层中磷量较高 时，容易造成焊性降低，因此一般的作法是将含磷量控制在7~9%之间。以 下以凸块与含磷的镍层的接口为例来进行说明，请同时图1及图4,图l绘 示传统的凸块与无电电镀镍层之间接口的示意图，图4是图l的电子扫瞄摄 影照片。通过电子扫瞄4聂影(Scanning Electron Microscopy, SEM)以及成分 分析可知，凸块103以及含磷镍层101间形成富磷的结晶状介金属相102。 由于富磷的结晶状介金属相102具有易脆的特性，使得凸块103与芯片间接 点强度降低。当进行芯片焊接、封胶或者产品测试时，容易在此结晶状介金 属相102发生断裂，降低了产品的良率以及可靠度。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种凸块下金属层结构、晶圆结构及该晶圓 结构的形成方法，其可提高接点强度，进一步提升产品的可靠度以及品质。为达成本发明的前述目的，本发明提出一种凸块下金属层结构，包括一 黏附层、 一阻障层以及一湿润层。黏附层设置在一晶圓的一接垫上，翁附层 的材料为含硼的镍。阻障层设置在黏附层上，阻障层的材料为钴。湿润层设 置在阻障层上，湿润层的材料为金。本发明还提出一种晶圓结构，包括一晶圆、 一接垫、 一钝化层以及一凸 块下金属层。接垫设置在晶圆上，钝化层覆盖晶圆并且暴露出部分接垫。凸 块下金属层包括一祐附层、 一阻障层及一湿润层。黏附层设置在接垫上，教 附层的材料为含硼的镍。阻障层设置在黏附层上，阻障层的材料为钴。湿润 层设置在阻障层上，湿润层的材料为金。本发明再提出一种晶圓结构的形成方法。首先，提供一晶圓，晶圆的表 面设置有一接垫并且覆盖有一钝化层，钝化层暴露出部分接垫。其次，在接 垫上无电电镀一黏附层，黏附层的材料为含硼的镍。然后，在黏附层上无电 电镀一阻障层，阻障层的材料为钴。然后，在阻障层上形成一湿润层，湿润 层的材料为金。相较于现有技术，本发明凸块下金属层结构、晶圆结构以及该晶圆结构 的形成方法分别利用含硼的镍、钴以及金作为黏附层、阻障层以及湿润层的 材料，使得凸块以及晶圆的接垫间经过热循环的步骤后，不会生成易脆的介 金属相，提升了接点的机械强度，进一步改善了产品的可靠性。其次，由于 黏附层、阻障层以及湿润层是以无电电镀的方式形成，可减少制程步骤，还 节省了制造成本。再者，利用钴作为阻障层的材料，相较于传统利用钯作为 阻障层材料的方式，可降低成本并且提高电性表现。为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳的实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
图l绘示传统的凸块与无电电镀镍层之间接口的示意图； 图2A绘示依照本发明较佳实施例在一硅晶圆(silicon wafer )表面上设 置接垫以及钝化层的示意图；图2B绘示在图2A的晶圓上形成私附层的示意图； 图2C绘示在图2B的恭附层上形成阻障层的示意图； 图2D绘示在图2C的阻障层上形成湿润层的示意图； 图2E绘示在图2D的湿润层上形成焊料层的示意图； 图3绘示依照本发明较佳实施例的晶圆结构的示意图； 图4是图1的电子扫瞄摄影照片；以及图5是依照本发明较佳实施例的凸块下金属层与凸块间接口的电子扫瞄摄影照片。
具体实施方式依照本发明较佳实施例的晶圓结构包括一晶圆、 一接垫、 一钝化层以及 一凸块下金属层。本实施例中接垫设置在晶圓的表面，钝化层覆盖在晶圆表 面并且暴露部分的接垫。凸块下金属层设置在接垫上，并且包括一翻附层、 一阻障层及一 湿润层。依照本实施例的晶圆结构的形成方法详述如下。请同时参照图2A至图2E，图2A绘示依照本发明较佳实施例的晶圆的 示意图；图2B绘示在图2A的晶圆上形成勒附层的示意图；图2C绘示在图 2B的黏附层上形成阻障层的示意图；图2D绘示在图2C的阻障层上形成湿 润层的示意图；图2E绘示在图2D的湿润层上形成焊料层的示意图。依照本 发明较佳实施例的晶圓结构的形成方法，首先提供一晶圆12,如图2A所示。 本实施例中晶圆12丰i佳地是一^圭晶圆(silicon wafer),其表面"i殳置有一4矣垫 14以及一4屯化层(passivation layer) 16。 4妻垫14的才才料例如是铜(copper) 或是铝(aluminum),作为晶圆12上的电性接点。钝化层16覆盖在晶圆 上，并且具有一接触窗(contact windows) 16a,以暴露部分的接垫14。其次，在接垫14上无电电镀(electroless plating ) —勦附层22。在无电 电镀黏附层22之前，较佳地将接垫14进行表面处理。将接垫14表面的氧化 物(例如氧化铜)及有机、无机物质移除，并且利用例如锌(zinc )或钴(cobalt) 等材料进行接垫14的表面活化(activation),而后将晶圆12浸入镍硼的镀液 中，以进行黏附层22的无电电镀。本实施例中，在无电电镀的镀浴中，利用 镍金属的自催化反应，在活化后的接垫14表面析镀含硼的镍(Ni-B)。此处 所形成的镍硼材料层即为黏附层22，且其形成的厚度大约为1 ~ 15微米 (um )。接着，如图2C所示，在黏附层22上无电电镀一阻障层24，用以阻挡私 附层22的镍金属向外扩散。本实施例中阻障层24的厚度大约为0.15-7.5 微米，并且较佳地以钴(Co)作为阻障层24的材料，相较于利用4巴作为阻 障层24的材料，钴材料的阻障层24具有较低的材料成本，并且可提高后续 制程形成的凸块与接垫14间的电性接触特性。如图2D所示，在阻障层24上接着形成一湿润层26。润湿层26用以防 止阻障层24被氧化，同时改善对于凸块的湿润性。本实施例中，湿润层26 的材料为金(Au),且较佳地以无电电镀的方式形成在阻障层24上，其厚度 大约为0.05 ~ 0.15微米。然湿润层26也可以例如是利用浸镀(immersion plating)的方式形成在阻障层24上。形成湿润层26之后，黏附层22、阻障 层24及湿润层26构成一凸块下金属层(Under Bump Metallurgy, UBM ) 20。再来，形成一焊料层30在湿润层上，如图2E所示。在本实施例中，焊 料层30印刷(printing)在湿润层26上，且其材料较佳地为金，然焊料层30 的材料也可以是锡(Sn)、铅(Pb)、镍、金、银(Ag)、铜或其组合。本实施例的晶圓结构的形成方法接下来进行回焊焊料层30的步骤，焊料 层30经过回焊后形成一凸块。本发明所属技术领域的技术人员，可了解形成 凸块的方式不限制于上述利用印刷及回焊的方式，凸块也可以利用直接植球 的方式形成在凸块下金属层上。植球的步骤可例如是利用植球机台或机械手 臂来进行，其直接将凸块对应放置在凸块下金属层上，并且利用助焊剂将凸 块接合在凸块下金属层上。或者，也可利用网板进行凸块的对位，将凸块对 应放置于凸块下金属层上，然后同样利用助焊剂将凸块接合在凸块下金属层 上。然而，其它在此领域中所常用的将凸块接合在凸块下金属层上的方法均 可应用于jt匕。形成凸块后完成依照本发明较佳实施例的晶圆结构。请参照图3,其绘 示依照本发明较佳实施例的晶圆结构的示意图。晶圆结构100包括晶圆12、 接垫14、钝化层16、凸块下金属层20以及凸块30，。凸块下金属层20包括 黏附层22、阻障层24及湿润层26。本实施例中，教附层22、阻障层24及湿润层26均为无电电镀层，在镀 液中进行凸块下金属层20各材料层的无电电镀时，这些材料层具有大约相同 的宽度。当凸块下金属层20形成之后，不需再进行涂布光阻、黄光以及蚀刻 的步骤。另外，凸块下金属层20中黏附层22的材料是含硼的镍，当晶圆结 构100进行热处理相关的制程步骤时，例如回焊焊料层30以形成凸块30，时， 可避免在凸块30，以及接点14之间形成富磷的结晶状介金属相。请同时参照 图5，其为依照本发明较佳实施例的凸块下金属层与凸块间接口的电子扫瞄 摄影照片。通过实验以及成分分析结果得知，凸块下金属层20与凸块30，间 并没有生成易脆的富磷结晶状介金属相，且接面结构平整，使得凸块下金属 层20与凸块30，间具有良好的接合性质，进一步提升了凸块30，与接垫14接 合的稳定性。此外，本实施例中阻障层24的材料为钴，相较于传统利用钯作为阻障层 的材料，具有较低的材料成本。再者，通过实验测量结果得知，传统镍/钇/ 金结构的凸块下金属层的薄层电阻值，相较于镍/钴/金结构的凸块下金属层
大约增加8.6%。因此，相较于传统钯材料的阻障层，本实施例中钴材料的 阻障层24更具有较佳的电性表现。另一方面，上述依照本发明较佳实施例的晶圆结构的形成方法中，是以 一个接垫14以及对应形成一个凸块下金属层20为例做说明。然而，在实际 应用中，晶圓12的表面较佳地具有多个数组排列的接垫14,并且在晶圓12 进行切单(wafer sawing )前，利用晶圆等级(wafer level)的制程在接垫14 上对应形成多个凸块下金属层20。更进一步来说，依照本发明较佳实施例的 晶圆结构的形成方法，例如应用于晶圆级芯片封装(Wafer Level Chip Size Package, WLCSP )技术以及倒装芯片封装(flip chip package )技术中。上述依照本发明较佳实施例的凸块下金属层结构、晶圓结构以及该晶圓 结构的形成方法，分别利用含硼的镍、钴以及金作为黏附层、阻障层以及湿 润层的材料，使得凸块以及晶圓的接垫间经过热循环的步骤后，不会生成易 脆的介金属相，提升了接点的机械强度，进一步改善了产品的可靠性。其次， 由于黏附层、阻障层以及湿润层是以无电电镀的方式形成，可减少制程步骤， 还节省了制造成本。再者，利用钴作为阻障层的材料，相较于传统利用钯作 为阻障层材料的方式，可降低成本并且提高电性表现。
权利要求
1.一种凸块下金属层结构，包括一黏附层、一阻障层以及一湿润层，其中黏附层设置在一晶圆的一接垫上，阻障层设置在该黏附层上，以及湿润层设置在该阻障层上，其特征在于该黏附层的材料为含硼的镍(Ni-B)，该阻障层材料为钴(Co)，该湿润层的材料为金(Au)。
2. 如权利要求1所述的凸块下金属层结构，其特征在于该li附层是无 电电镀层(electroless plating layer ),其厚度大约为1 ~ 15微米(um ),该阻 障层是无电电镀层，其厚度大约为0.15-7.5微米，该湿润层是无电电镀层 或浸镀层(immersion plating layer )，其厚度大约为0.05 ~ 0.15微米。
3. —种晶圓结构，包括 一晶圓、 一接垫、 一钝化层以及一凸块下金属 层，其中该接垫设置在该晶圆上，该钝化层覆盖该晶圆并且暴露出部分的接 垫，该凸块下金属层包括 一祐附层、 一阻障层以及一湿润层，其中该黏附 层设置在该接垫上，阻障层设置在该黏附层上，湿润层设置在该阻障层上， 其特征在于该黏附层的材料为含硼的镍，该阻障层的材料为钴，该湿润层 的材料为金。
4. 如权利要求3所述的晶圓结构，其特征在于该黏附层为无电电镀层， 厚度大约为1~15微米，该阻障层为无电电镀层，厚度大约为0.15 ~ 7.5微 米，该湿润层为无电电镀层或浸镀层，厚度大约为0.05 ~ 0.15微米。
5. 如权利要求3所述的晶圓结构，其特征在于该结构还包括 一设置 在该湿润层上的凸块(bump),该凸块的材料为锡(Sn)、铅(Pb)、镍、金、 银(Ag)、铜或其组合。
6. —种晶圆结构的形成方法，包括提供一晶圆，该晶圆的表面设置有 一接垫并且覆盖有一钝化层，该钝化层暴露出部分接垫；在该接垫上无电电 镀(electroless plating ) —翁附层；在该黏附层上无电电镀一阻障层；以及在 该阻障层上形成一湿润层，其特征在于该黏附层的材料为含硼的镍(Ni-B), 该阻障层的材料为钴(Co),该湿润层的材料为金(Au)。
7. 如权利要求6所述的晶圓结构的形成方法，其特征在于该祐附层的 厚度大约为1~15微米，该阻障层的厚度大约为0.15 ~ 7.5微米，该湿润层 的厚度大约为0.05 ~ 0.15微米。
8. 如权利要求6所述的晶圓结构的形成方法，其特征在于在形成该湿 润层的步骤中，该湿润层是无电电镀或浸镀(immersion plating )在该阻障层 上。
9. 如权利要求6所述的晶圓结构的形成方法，其特征在于该方法还包 括在该湿润层上印刷一焊料层；及回焊该焊料层以形成一凸块。
10. 如权利要求6所述的晶圓结构的形成方法，其特征在于该方法还包 括利用直接植球的方式将一凸块设置在该湿润层上。
全文摘要
本发明揭示一种凸块下金属层结构、晶圆结构以及该晶圆结构的形成方法。凸块下金属层结构包括一黏附层、一阻障层及一湿润层。黏附层设置在一晶圆的一接垫上，阻障层设置在黏附层上，湿润层设置在阻障层上。黏附层的材料为含硼的镍，阻障层的材料为钴，湿润层的材料为金。
文档编号H01L23/485GK101159253SQ20071016727
公开日2008年4月9日 申请日期2007年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者余瑞益 申请人:日月光半导体制造股份有限公司