专利名称：基板上的凸块结构与其形成方法
技术领域：
本发明涉及一种制造集成电路元件的方法，尤其涉及一种制造半导体集成电路中凸块结构的方法。
背景技术：
现有的集成电路是由横向排列的百万个有源元件如晶体管及电容所组成。这些元件在初步工艺中彼此绝缘，但在后段工艺中将以内连线连接元件以形成功能电路。一般的内连线结构包含横向内连线如金属线路，与垂直内连线如通孔与接点。现有的集成电路其效能与密度的上限取决于内连线。在内连线结构的顶部上方，每一晶片表面上各自有对应的接合垫。经由接合垫，晶片可电性连接至封装基板或其他晶粒。接合垫可应用于打线接合或覆晶接合。在覆晶封装中，凸块可在封装结构的导线架或基板，与晶片的输出/输入垫之间形成电性接触。上述凸块结构除了凸块本身，还具有凸块与输出/输入垫之间的凸块下冶金层(UBM)。近来发展的铜柱凸块技术中，采用铜柱凸块而非焊料凸块将电子构件连接至基板。铜柱凸块的间距较小，其短路桥接的可能性较低，可降低电路的电容负载并提高电子构件的操作频率。下述说明将进一步公开上述主旨。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明一实施例提供一种基板上的凸块结构，包括导电复合层位于基板上，其中导电复合层包含导电保护层位于导电底层上，且其中导电保护层与导电底层沉积于系统中以避免氧化导电底层，其中导电复合层对空气或水的氧化速率小于导电底层对空气或水的氧化速率；介电层位于导电复合层上；高分子层位于介电层上； 以及金属凸块，其中金属凸块填入光致抗蚀剂层的第二开口，其中第二开口是形成于高分子层的第一开口上以接触导电复合层的导电保护层，且其中金属凸块与导电保护层之间具有强力接合。本发明另一实施例提供一种基板上的凸块结构，包括导电复合层位于基板上，其中导电复合层包含导电保护层位于导电底层上，且其中导电保护层与导电底层沉积于系统中以避免氧化导电底层，其中导电复合层对空气或水的氧化速率小于导电底层对空气或水的氧化速率；介电层位于导电复合层上；高分子层位于介电层上；金属凸块，其中金属凸块填入光致抗蚀剂层的第二开口，其中第二开口是形成于高分子层的第一开口上以接触导电复合层的导电保护层，且其中第一开口与高分子层与光致抗蚀剂层之间的界面衬垫有凸块下冶金层，且凸块下冶金层与导电保护层之间具有强力接合。本发明又一实施例提供一种基板上的凸块结构的形成方法，包括形成导电复合层于基板上，其中导电复合层包含导电保护层与导电底层，且沉积导电底层后立刻沉积导电保护层以避免基板暴露于空气或水中；沉积介电层于导电复合层上；沉积高分子层于介电层上；蚀刻介电层与高分子层以形成第一开口，用以定义铜柱凸块结构；沉积凸块下冶金层，其中凸块下冶金层包含铜籽晶层；形成光致抗蚀剂图案于基板上，其中光致抗蚀剂图案具有第二开口定义于第一开口上；以及沉积金属柱凸块层，其中凸块下冶金层与金属柱凸块层均为凸块结构的一部分。本发明可解决基板上导电层与连接至导电层的金属凸块两者界面的分层问题。
图IA-图ID是本发明部分实施例中，铜柱凸块的工艺剖视图；图2A是本发明部分实施例中，沉积保护层于导电层上的结构剖视图；图2B是本发明部分实施例中，对应图ID与图2A的相同区域中缺乏较低UBM层的结构剖视图；图2C是本发明部分实施例中，形成图2B中位于导电层上且缺乏较低UBM层的铜柱结构的流程图；图2D是本发明部分实施例中，对图2B的基板进行再流动工艺后的结构剖视图；图3A是本发明部分实施例中，位于基板上的焊料凸块的结构剖视图；图;3B是本发明部分实施例中，形成图3A的焊料凸块的流程图；图4A是本发明部分实施例中，位于基板上的焊料凸块的结构剖视图；图4B是本发明部分实施例中，将图4A的光致抗蚀剂移除并对基板进行再流动工艺后的焊料凸块其结构剖视图；以及图4C是本发明部分实施例中，形成图4A及图4B的焊料凸块的流程图；主要附图标记说明A 底切区域；D、D’ 金属层高出高分子层的距离；H 金属层厚度；100 凸块形成区；101 半导体基板；105 导电层；108 保护层；109 介电层；110 高分子层； 111 凸块下冶金层；IllL 铜扩散阻挡层；IllU 籽晶层；112 掩模层；120、123 开口 ； 125 金属层；125’ 焊料金属层；1 盖层；127 焊料层；131 铜层；132 铜扩散阻挡层;135、135，、135，， 凸块结构；250,350,450 工艺；251、253、254、255、256、257、 258、259、260、261、262、263、264、265、266、351、353、354、355、356、357、358、359、360、361、 362、363、364、365、366、451、453、454、455、456、457、460、461、464、466 步骤。
具体实施例方式可以理解的是，下述内容提供多种实施例或实例以说明本发明的多种特征。为了简化说明，将采用特定的实施例、单元、及组合方式说明。然而这些特例仅用以说明而非限制本发明。此外为了简化说明，本发明在不同图示中采用相同符号标示不同实施例的类似元件，但上述重复的符号并不代表不同实施例中的元件具有相同的对应关系。图IA-图ID是本发明部分实施例中，铜柱凸块的工艺剖视图。凸块的分类取决于采用的材料，可分为焊料凸块、金凸块、铜柱凸块、或混合金属凸块。如图IA所示，部分实施例具有凸块形成区100形成于半导体基板101上。半导体基板101的定义为半导体材料， 包括但不限定于基体硅、半导体晶片、绝缘层上硅(SOI)基板、或硅锗基板。其他适用于半导体基板101的半导体材料可采用III族、IV族、或V族元素。半导体基板101可更包含多个绝缘结构(未图示)，如浅沟槽绝缘(STI)结构或区域氧化硅(LOCOS)结构。绝缘结构可绝缘多个微电子元件(未图示)。上述形成于半导体基板101中的微电子元件可为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、互补式金属氧化物半导体(CM0Q晶体管、双极性结晶体管(BJT)、高电压晶体管、高频晶体管、ρ沟道及/或η沟道场效晶体管(PFET/NFET)、 或其他晶体管，电阻，二极管，电容，电感，熔丝，或其他合适元件。不同的微电子元件的形成方法可包含不同工艺如沉积、蚀刻、注入、光刻、回火、及其他合适工艺。微电子元件可借由内连线形成集成电路元件如逻辑元件、存储元件(例如SRAM)、射频元件、输入/输出(I/O) 元件、单晶片系统(SoC)元件、上述的组合、或其他合适型态的元件。半导体基板101可具有层间介电层与金属结构形成于集成电路上。层间介电层可为低介电常数的介电材料、未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)、氮化硅、氮氧化硅、或其他一般常用材料。低介电常数的介电材料其介电常数(k)可小于约3. 9，或小于约2. 8。金属结构中的金属线路可由铜或铜合金组成。金属结构与层间介电层的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不赘述。如图IA所示，导电层105形成于半导体基板101上。在某些实施例中，导电层105 可为金属垫、后保护内连线(PPI)层、或顶金属层。金属垫可让I/O元件电性连接至下方的内连线与元件。在某些实施例中，金属垫可将金属内连线重新布线(再绕线)。在后保护内连线(PPI)工艺中，接触垫与其他导体是形成于保护层(未图示)顶部上，并连接至半导体基板101中的集成电路的接触区。PPI可将集成电路的连线重新布线，以接触封装结构。导电层105的材料可包含但不限定于铜、铝、铜合金、或其他现有的导电材料。若导电层105由铜组成，将需要铜扩散阻挡层(未提及)围绕导电层105以避免铜扩散至半导体基板101的元件区。铜扩散阻挡层的材料可为钛、氮化钛、氮化钛、钽、氮化钽、或上述的组合。导电层105的形成方法可为电化学电镀法、无电电镀法、溅镀法、化学气相沉积法 (CVD)、或类似方法。若采用电镀法沉积铜材质的导电层105，可利用铜籽晶层(未图示)增加铜电镀的速率与品质。在某些实施例中，铜籽晶层的沉积方法为溅镀法或CVD。导电层 105下的金属内连线借由导电层连接至凸块结构。导电层105可作为输电线路及再分布线路(RDL)。此外，导电层105可进一步作为电感、电容、或其他被动构件。导电层105的厚度可小于约30 μ m,比如介于约2 μ m至约25 μ m之间。接着形成介电层109 (也称之为绝缘层或保护层)于半导体基板101及导电层105 上。介电层109的组成可为介电材料如氮化硅、碳化硅、氮氧化硅、或其他可用材料。介电层109的形成方法可为等离子体增强式CVD(PECVD)或其他常见的CVD方法。在某些实施例中，可视情况形成或不形成介电层109。举例来说，由于PPI层下已沉积保护层，当导电层 105为PPI层时可省略介电层109。在图案化介电层109后，可沉积高分子层110。接着进行另一光刻工艺及另一蚀刻工艺以图案化高分子层110。如此一来，将形成开口 120穿过高分子层110及介电层109，并露出部分导电层105以利后续的凸块工艺。虽然图IA中的介电层109与高分子层110均具有倾斜的侧壁，但两者在其他实施例中可具有实质上垂直的侧壁。高分子层110 —如其名，是由高分子如环氧树脂、聚酰亚胺、双苯并环丁烷(BCB)、 聚苯并恶唑(PBO)、或其他较软的有机材料所组成。在某些实施例中，高分子层110为聚酰亚胺层。在某些实施例中，高分子层为PBO层。高分子层110为软性材质，因此可减少基板上的固有应力。此外，可轻易将高分子层110的厚度调整至数十微米。如图IB所示，可形成凸块下冶金层(UBM)Ill于图IA所示的结构上。在某些实施例中，UBM层111包含铜扩散阻挡层与籽晶层。UBM层111是形成于高分子层110与导电层105露出的部分上，并衬垫开口 120的侧壁及底部。在某些实施例中，铜扩散阻挡层也可作为粘着层(或粘结层)。铜扩散阻挡层可覆盖开口 120的侧壁与底部，其材料可为氮化钽，或其他材料如氮化钛、钽、钛、或类似物。在某些实施例中，铜扩散阻挡层的厚度介于约500A至5000人之间。在某些实施例中，铜扩散阻挡层的形成方法可为物理气相沉积法 (PVD)或溅镀。籽晶层可为形成于铜扩散阻挡层上的铜籽晶层，其组成可为铜或含有下列金属之一的铜合金银、铬、镍、锡、金、或上述的组合。在某些实施例中，铜籽晶层的厚度介于约2000A至8000A之间。在某些实施例中，UBM层111包含由钛组成的铜扩散阻挡层及由铜组成的籽晶层，两者的沉积方法可为PVD或溅镀。接着形成掩模层112于UBM层111上，并图案化掩模层112形成开口 123露出部分UBM层111，以利形成后续铜柱凸块。在某些实施例中，开口 123是位于开口 120上。在某些实施例中，开口 123的尺寸大于或等于开口 120的尺寸。在某些实施例中，开口 123的尺寸介于5μπι与IOOym之间。掩模层112可为干膜或光致抗蚀剂膜。之后可将具有焊料润湿性的导电材料填入部分或全部的开口 123中。在一实施例中，金属层125是形成于开口 123中以接触下方的UBM层111。金属层125比高分子层110的表面高出一段距离D。在某些实施例中，距离D介于约5μπι至约IOOym之间。除了铜以外，其他高导电性的金属也可用以填充开口 123。在某些实施例中，金属层125为铜。在本公开中，所谓的铜层实质上包含纯元素铜、含有无可避免的杂质的铜、或次要成份为钽、铟、锡、锌、锰、铬、钛、锗、锶、钼、镁、铝、或锆的铜合金。金属层125的形成方法可为溅镀、印刷、电镀、无电电镀、或常见的CVD。举例来说，电化学电镀可用以形成铜金属层125。在某些实施例中，铜金属层125的厚度大于 30ymo在某些实施例中，铜金属层125的厚度大于40 μ m。在某些实施例中，铜金属层125 的厚度(如图IB所示之H)介于40μπι至50μπι之间。在某些实施例中，铜金属层125的厚度H介于40μπι至70μπι之间。在某些实施例中，铜金属层125的厚度H介于2μπι至 150 μ m之间。在某些实施例中，金属层125的组成为焊料如锡、锡银、锡铅、铜含量小于3重量％ 的锡银铜、锡银锌、锡锌、锡铋铟、锡铟、锡金、锡铅、锡铜、锡锌铟、或锡银锑等等。焊料金属层125的形成方法可为溅镀、印刷、电镀、无电电镀、或常见的CVD。举例来说，可采用ECP形成焊料金属层125。在某些实施例中，焊料金属层125的厚度大于30 μ m。在某些实施例中， 焊料金属层125的厚度大于40μπι。在某些实施例中，焊料金属层125的厚度(如图IB所示的H)介于40μπι至50μπι之间。在某些实施例中，焊料金属层125的厚度H介于40 μ m 至70 μ m之间。在某些实施例中，焊料金属层125厚度H介于2μπι至150μπι之间。在某些实施例中，接着形成盖层1 于铜金属层125的上表面上。盖层1 可作为阻挡层，以避免铜柱金属层125的铜扩散至接合材料如焊料合金。接合材料是用以接合半导体基板101至外部结构。减少铜扩散可增加封装结构的可靠性与接合强度。盖层126 可为镍、锡、锡铅合金、金、银、钯、铟、镍钯金合金、镍金合金、其他合适材料、或合金。在某些实施例中，盖层126为镍层，其厚度介于约1 μ m至5 μ m之间。在某些实施例中，盖层1 的形成方法为电镀。在某些实施例中，接着可形成焊料层127于盖层上。焊料层可含铅或不含铅。在某些实施例中，焊料层127与盖层1 可为共熔合金。形成于导电层105上的焊料层127、 盖层126、与铜柱金属层125可称作凸块结构135。焊料层127的形成方法可为电镀。在某些实施例中，焊料层127为形成于盖层1 上的焊球。在某些实施例中，焊料层127为形成于盖层1 上的电镀焊料层。在某些实施例如无铅焊料系统中，焊料层127为锡银，其银含量小于1.6重量％。如图IB所示，借由电镀形成焊料层127与盖层1 于掩模层(光致抗蚀剂层)112的开口中。若金属层125的组成为焊料，可省略盖层126与无铅焊料层127。此外，若金属层 125的组成为焊料，可形成额外层于UBM层111与金属层125之间。在某些实施例中，在形成焊料金属层125’之前，会先沉积铜层131与铜扩散阻挡层132如镍层于UBM层上，如图 IC所示。焊料金属层125’之组成可含铅或不含铅。铜层131可降低电阻，铜扩散阻挡层 132可避免铜层中的铜成份扩散至焊料金属层125’。此外，铜扩散阻挡层可作为粘着层，并可与焊料形成共熔合金。在某些实施例中，铜扩散阻挡层132之组成可为镍、锡、锡铅、金、 银、钯、铟、镍钯金、镍金、其他类似材料、或合金。在某些实施例中，铜层131的厚度介于约1 μ m至约10 μ m之间。铜扩散阻挡层132 的厚度介于约0.5μπι至约5μπι之间。铜层131与铜扩散阻挡层132可由不同方法沉积， 如溅镀、CVD、或电镀。在图IC中的铜层131与扩散阻挡层的沉积法为电镀工艺。焊料金属层125’高出高分子层110之上表面的距离为D’。在某些实施例中，距离D’介于约5μπι至约IOOym之间。金属柱的凸块结构135’其高度为Η’，如图IC所示。在某些实施例中，高度H’介于约5 μ m至约100 μ m之间。接着如图ID所示，移除图IB所示的掩模层112以露出金属层125(及盖层126与无铅焊料层127)以外的部分UBM层111。在某些实施例中，掩模层112为干膜，可由碱性溶液移除。在某些实施例中，掩模层112的组成为光致抗蚀剂，可由丙酮、N-甲基吡咯烷酮 (NMP)、二甲基亚砜(DMSO)、2-(氨基乙氧基)乙醇、或类似物移除。接着以蚀刻法移除露出的部分UBM层111并保留金属层下方的UBM层，以露出金属层125以外的高分子层110。若金属层125的组成为铜，保留的金属层125可称作铜柱凸块层。移除露出的UBM层111之工艺可为干蚀刻或湿蚀刻。在某些实施例中，可采用短时间的等向湿蚀刻(闪蚀)，其蚀刻液是氨为主的酸液。在蚀刻UBM层后即形成柱状的凸块结构。柱状凸块包含柱状凸块的金属层125、UBM层111、盖层(非必要)、及无铅焊料层127(非必要)。如前所述，若金属层125 的组成为焊料，则可省略盖层126与无铅焊料层127。如图IB所示，金属的柱状结构135的高度为H。在某些实施例中，金属的柱状结构135其高度H介于约5μπι至IOOym之间。若采用等向湿蚀刻移除露出的部分UBM层111，在铜柱凸块的金属层125下方的部分UBM层会被蚀刻，即所谓的底切。如前所述，某些实施例的UBM层111可由扩散阻挡层 IllL如钛层及籽晶层IllU如铜层所组成，如图ID所示。为了移除露出的UBM层111，可采用一或多种湿蚀刻化学品以移除露出的籽晶层IllU与铜扩散阻挡层111L。如前所述，某些实施例中短时间的等向湿蚀刻(闪蚀)采用氨为主的酸液。为确保完全移除露出的籽晶层IllU与铜扩散阻挡层111L，可采用过蚀刻的方式。 在某些实施例中，采用湿蚀刻化学品的过蚀刻会造成底切，如图ID所示的底切区域Α。除了避免铜扩散的功能外，铜扩散阻挡层IllL也可作为粘着层或粘着辅助层。由于铜扩散阻挡层IllL产生底切，其他位于金属柱状的凸块结构下的铜扩散阻挡层必需担负更多的粘着功能。如此一来，将提高铜扩散阻挡层IllL与导电层105之间的应力，这会使UBM层111与导电层105分层。举例来说，若导电层105的组成为铝且铜扩散阻挡层IllL的组成为钛， 铜扩散阻挡层IllL的底切所造成的额外界面应力，将使钛层与铝层的界面分层。为解决导电层与粘着性的阻挡层之间的界面分层问题，可增加导电层105(如金属垫或PPI)与铜扩散阻挡层IllL(可作为粘着层，如钛层)之间的粘着品质。以图IA-图 IC所示的实施例为例，形成金属柱凸块的工艺可在形成导电层105后，先形成并蚀刻介电层109与高分子层110，之后再沉积铜扩散阻挡层(或称粘着层)111L。当导电层105的表面暴露于空气与水时，其表面将因此氧化。举例来说，若导电层105的组成为铝，导电层 105的表面在暴露于空气与水后将氧化形成氧化铝。在沉积铝导电层105并将其移出真空沉积腔室(如PVD腔室)后，铝层表面开始形成氧化铝层。在蚀刻介电层109与高分子层 110时，将移除至少部分的氧化铝层。然而，蚀刻后露出的铝表面可氧化并再次形成氧化层。 若铜扩散阻挡层(粘着层)111L的沉积步骤与高分子层110的蚀刻步骤之间的等待时间过久，铝导电层105的表面将被氧化铝覆盖。氧化铝层与钛组成的铜扩散阻挡层之间的粘着力，比铝层与钛组成的铜扩散阻挡层之间的粘着力还差。如此一来，氧化铝层更无法承担因钛组成的铜扩散阻挡层底切所造成的额外应力。为了改善导电层105(如金属垫或PPI)与 UBM层111(如钛组成的铜扩散阻挡层111L)之间的粘着品质，在沉积导电层后可在相同系统下临场沉积导电保护层。上述导电保护层对导电层105与较下层的UBM层111均具有良好的粘着力。在某些实施例中，用以沉积导电层105的真空系统也可用以沉积保护108于导电层上，如图2A所示。保护层108的材质为导电材质。在某些实施例中，保护层108的氧化速率小于导电层105的氧化速率，或者保护层108的氧化物对UBM层111(或较下层的铜扩散阻挡层111L)具有良好粘着力。若导电层105线路的组成为铜、铝、铜合金、铝合金、或其他现有的导电材料，则保护层108可为钽、氮化钽、钛、氮化钛、或上述的组合。举例来说，钽、氮化钽、钛、或氮化钛的氧化速率低于铝，且上述组成的氧化物与铜扩散阻挡层 IllL(如钽、氮化钽、钛、氮化钛、或上述的组合)之间具有良好粘着力。保护层也可为其他合适材质。若导电层105由铜组成，则保护层108可作为铜扩散阻挡层。临场沉积的定义为沉积步骤在同一腔室中进行，或者在两个分开的腔室进行，但两腔室之间的传输需于真空下进行。临场沉积保护层108于导电层105上可避免导电层105 因暴露于氧气下所造成的氧化。在后续工艺中，暴露于空气与水中的将会是导电的保护层 108而非导电层105。在某些实施例中，导电的保护层108其氧化速率相对小于导电层105 的氧化速率。举例来说，当暴露于空气或水中时，钛的氧化速率小于铝的氧化速率。在某些实施例中，保护层108的氧化物如氧化钛、氮氧化钛、氧化钽、氮氧化钽、或类似物与铜扩散阻挡层IllL的粘着力，高于氧化铝与铜扩散阻挡层IllL的粘着力。保护层108与铜扩散阻挡层IllL之间的强力接合可避免两者之间因额外应力，在图2A的底切区域A发生界面分层。在某些实施例中，导电的保护层108的厚度可介于1000A至2000A之间。形成图2A的结构的工艺与形成图ID的结构的工艺大致类似，如图IA-图ID所示的工艺。两者之间的差别仅在于图2A的结构在沉积导电层105后，立刻进行额外的临场沉积工艺以形成保护层108。
如前所述，铜扩散阻挡层IllL可为钛、氮化钛、钽、氮化钽、或上述的组合。由于保护层108与铜扩散阻挡层11IL采用相同材料，为了简化工艺可省略铜扩散阻挡层111L。不过省略铜扩散阻挡层IllL的前提为，较上层的UBM层如籽晶层IllU与高分子层110之间具有良好的粘着性。此外，必需顾及金属柱的凸块结构135或135’及/或铜组成的籽晶层 IllU的铜扩散问题。在某些实施例中，可省略图ID与图2A的结构中的铜扩散阻挡层111L，如图2B所示。在图2B的实例中，金属层125的材质为铜。图2B的铜柱凸块结构135包含铜金属层 (或铜柱凸块层)125及较上层的UBM层(或铜籽晶层111U)。如前所述，铜籽晶层IllU与保护层108之间具有良好粘着力，而籽晶层IllU可为铜，或含有下列元素的铜合金银、铬、 镍、锡、金、或上述的组合。除了与保护层108具有良好的粘着性，籽晶层IllU也需与高分子层110有良好的粘着性以降低铜柱凸块结构135的界面应力。研究显示，铜与含有亚酰胺或三唑的聚酰亚胺可反应形成铜亚酰胺错合物，因此两者之间具有良好粘着力。与铜具有良好粘着力的聚酰亚胺可为聚(4，4’ -氧基二酞酸酐-1，3-胺基苯氧基苯-8-氮杂腺嘌呤(ODPA-APB-8-azaadenine)。研究也显示等离子体处理高分子如聚酰亚胺，可增加高分子表面的交联程度，进而提高铜与等离子体处理后的高分子表面的反应性。如此一来，铜与等离子体处理后的聚酰亚胺之间将不存在粘着性的问题。交联的聚酰亚胺也可阻挡铜扩散。 在某些实施例中，用以处理聚酰亚胺的等离子体气体可为氧气、氮气、或上述的组合。如此一来，可选择适当材料作为高分子层110以增加高分子层110与铜籽晶层之间的粘着力，并以等离子体处理高分子层110也可避免铜扩散。经上述材料选择和等离子体处理，可采用单一铜籽晶层作为UBM层111而不需额外的铜扩散阻挡层(粘着层)111L。图2C是本发明某些实施例中形成铜柱凸块结构于导电层上的工艺250。与图2B 相比较，图2C的结构省略铜扩散阻挡层111L。在某些实施例中，导电层作为输电线路或再分布线路(RDL)。在某些实施例中，导电层为金属垫。在其他实施例中，导电层为PPI。在步骤251中，导电底层是沉积于基板上。在步骤251前，先对基板进行其他工艺步骤如图 IA的相关说明，比如形成基板上元件与内连线。在某些实施例中，导电底层的厚度介于约 1,000人至约10,000人之间。在沉积导电底层后，进行步骤253以沉积导电保护层。在某些实施例中，导电保护层的厚度介于约500人至约2,000人之间。如前所述，导电保护层与导电底层的沉积步骤可进行于相同腔室，或进行于相同系统中的不同腔室。若沉积导电保护层的腔室不同于沉积导电底层的腔室，两者之间的传输需进行于真空下，以减少或避免基板暴露于环境中的空气或氧气下。经上述步骤后，导电底层与导电保护层将形成导电复合层。在某些实施例中，图案化导电复合层后，将介电材料填入图案化的导电复合层之间的空隙。在某些实施例中，导电复合层可填入基板上的开口，开口以外的导电复合层将被移除，而移除方法可为一或多道的化学机械研磨工艺(CMP)。在形成导电复合层后，步骤 2M将沉积介电层。在某些实施例中，介电层的厚度介于约5G0人至约10，000A之间。如前所述，介电层也称作绝缘层或保护层。在步骤邪4之后，步骤255将图案化及蚀刻介电层， 形成(定义)开口以露出其下方的导电复合层。在某些实施例中，接着进行步骤256以沉积高分子层。高分子层可由较软的有机材料所组成，如环氧树脂、聚酰亚胺、双苯并环丁烷(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)、或类似物。如前所述，高分子层可粘合至铜。在某些实施例中，高分子材料的组成可为聚(4，4’_氧基二酞酸酐-1，3-胺基苯氧基苯-8-氮杂腺嘌呤。在某些实施例中，高分子层的厚度介于约 500入至约10,000入之间。在某些实施例中，为了形成铜柱凸块结构，沉积高分子层后可进行步骤257以图案化并蚀刻基板，形成的开口可露出导电复合层。接着可依开口图案蚀刻高分子层与介电层，直到露出保护层。在步骤257后，步骤258以等离子体处理高分子层的表面，以增加等离子体处后后的高分子层表面与后续沉积的铜层之间的反应性。如前所述，等离子体处理的气体可为氧气、氮气、或上述的组合。在某些实施例中，在等离子体处理高分子层的表面后，步骤259将沉积铜籽晶层 111U。在某些实施例中，铜籽晶层的厚度介于绚㈨入至约10,000人之间。铜籽晶层直接接触保护层，并有益后续步骤中铜柱凸块结构的成长。铜籽晶层的沉积方式可为PVD、CVD、原子层沉积(ALD)、或无电沉积法。在某些实施例中沉积铜籽晶层后，步骤沈0图案化基板以形成(定义)开口以利沉积铜。图案化基板所用的光致抗蚀剂可为干式或湿式。在某些实施例中，步骤沈0的图案化开口会大于步骤257所形成的开口，如图2B所示。在步骤中，沉积金属层如铜于步骤260与257形成的开口中。在某些实施例中，铜膜的沉积方式可为电化学电镀法(ECP)或无电电镀法。铜膜也可由其他沉积方式形成。在某些实施例中沉积铜层的步骤后，步骤262沉积盖层如镍或其他前述的材料。在某些实施例中，盖层的沉积方法可为ECP或无电电镀法。在某些实施例中，步骤263沉积焊料层于盖层上。如前所述，焊料层可为无铅或含铅材料。接着进行步骤264移除步骤260形成的光致抗蚀剂层，再进行步骤265蚀刻(或移除)露出的铜籽晶层(未被铜柱覆盖的部分)。在步骤265的最后，将形成铜柱凸块结构接触导电复合层。在某些实施例的步骤265后，将进行再流动的步骤沈6以圆润化无铅焊料层的形状，如图2D所示。如图IC所示，金属层125’的组成可为焊料。在焊料金属层125’下为铜层131与铜扩散阻挡层132如镍层。铜层131是直接沉积于UBM层111上。如前所述，导电保护层 108也可沉积于导电底层105上以形成导电复合层。如前所述，导电保护层108的组成可为导电材料如钽、氮化钽、钛、氮化钛、或上述的组合。此外在某些实施例中，采用额外导电保护层的作法可让UBM层111简化为单一铜层(或籽晶层111U)。在某些实施例中，焊料组成的凸块结构135’如图3A所示。与图IC所示的焊料组成的凸块结构135’类似，图3A的凸块结构的差异在于进行额外的再流动工艺。在某些实施例中，形成图3A所示之的焊料凸块结构的工艺为图;3B所示的工艺 350。工艺350步骤351-360与图2C中工艺250的步骤251-260类似。在形成用以沉积金属的开口后，步骤361沉积铜层131于开口中。在某些实施例中，铜层的沉积方法为电镀工艺如ECP工艺或无电电镀工艺。如图IC的相关说明所述，铜层可降低焊料凸块的电阻。后续的步骤362将沉积铜扩散阻挡层。在某些实施例中，铜扩散阻挡层的沉积方法为电镀工艺如ECP工艺或无电电镀工艺。接着进行步骤363以沉积金属层于铜扩散阻挡层上。在某些实施例中，金属层的组成为焊料。在某些实施例中，铜层的沉积方法为电镀工艺如ECP工艺或无电电镀工艺。在沉积铜层后，移除步骤360形成的光致抗蚀剂层，再进行步骤365移除露出的铜籽晶层如前述的步骤沈5。接着进行步骤366以再流动基板，可调整金属层如焊料层的形状。图3A所示为再流动后的焊料凸块。
在图IC及图3A的实施例中，焊料金属层125’位于铜层131下。在某些实施例中，可省略铜层131与铜扩散阻挡层132。在这些实施例中，同样可省略UBM层111或铜籽晶层111U。然而，位于导电层(或导电底层)上的导电保护层108仍可避免导电层105的氧化，同时可改善焊料金属层125’的粘着性。在某些实施例中，焊料凸块结构135”的剖视结构如图4A所示。图4A的焊料凸块结构135”类似于图IC的焊料凸块结构135’及图3A 的焊料凸块结构135’，差异在于图4A的焊料凸块结构135”不具有UBM层111、铜层131、及铜扩散阻挡层132。焊料的金属层125可用于半导体基板101的表面上以填满开口 123，其形成方法为施加焊料膏于半导体基板101上。焊料膏可填满开口 123。少量的焊料膏可能会残留在光致抗蚀剂层112的表面上，但残留的量少到不会影响后续的光致抗蚀剂112移除工艺。图4B显示某些实施例中，移除光致抗蚀剂层112并对半导体基板101进行再流动工艺后的焊料的凸块结构135”。图4C显示某些实施例中，形成图4B中的焊料凸块结构的工艺450。图4C的步骤 451-457类似于图:3B的步骤351-357与图2C的步骤251-257。在之后的步骤460中，形成开口于步骤457所形成的开口上。在步骤460后，沉积焊料金属层于步骤457与460所形成的开口上。在某些实施例中，焊料金属层是作为膏状物施加于基板表面上，并残留非常少量的焊料膏于光致抗蚀剂层的表面上。由于焊料金属层形成于基板上的方法并非电镀，因此不需要等离子体处理高分子层。此外，此方法中高分子层的材质选择更加多样化。本方法可采用一般封装基板的公知高分子材料。之后进行步骤464以移除光致抗蚀剂层，再进行步骤465以再流动基板(或焊料凸块)。上述金属凸块结构的形成机制，可解决基板上导电层与连接至导电层的金属凸块两者界面的分层问题。导电层可为金属垫、PPI、或顶金属层。经由临场沉积导电保护层于导电层(或导电底层上)，金属凸块的凸块下冶金层与导电层之间具有良好粘着力，并可减少界面分层。在某些实施例中，由于导电保护层可作为铜括散阻挡层，可省略凸块下冶金层中的铜扩散阻挡层。在这些实施例中，可采用与铜有良好粘着力的高分子如聚酰亚胺。此外，可采用等离子体处理高分子层表面，以形成铜扩散阻挡层。在某些实施例中，若金属凸块结构的沉积方法为非电镀工艺且金属凸块的组成不是铜，则可省略凸块下金属层。某些实施例中提供基板上的凸块结构。凸块结构包括导电复合层位于基板上，且导电复合层包含导电保护层位于导电底层上。导电保护层与导电底层是沉积于系统中以避免氧化导电底层。导电复合层对空气或水的氧化速率小于导电底层对空气或水的氧化速率。凸块结构也具有介电层位于导电复合层上，且具有高分子层位于介电层上。凸块结构更包含金属凸块，且金属凸块填入光致抗蚀剂层的第二开口。第二开口形成于高分子层的第一开口上以接触导电复合层的导电保护层，且金属凸块与导电保护层之间具有强力接合。另一实施例提供基板上的凸块结构的形成方法。凸块结构包括导电复合层位于基板上，且导电复合层包含导电保护层位于导电底层上。导电保护层与导电底层是沉积于系统中以避免氧化导电底层。导电复合层对空气或水的氧化速率小于导电底层对空气或水的氧化速率。凸块结构也具有介电层位于导电复合层上，且具有高分子层位于介电层上。凸块结构更包含铜凸块填入光致抗蚀剂层的第二开口，且第二开口形成于高分子层的第一开口上以接触导电复合层的导电保护层。第一开口表面与高分子层与光致抗蚀剂层之间的界面衬垫有凸块下冶金层(UBM)，且凸块下冶金层与导电保护层之间具有强力接合。
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又一实施例还提供基板上的凸块结构的形成方法，包括形成导电复合层于基板上，且导电复合层包含导电保护层与导电底层。沉积导电底层后立刻沉积导电保护层可避免基板暴露于空气或水中。此方法也沉积介电层于导电复合层上，并沉积高分子层于介电层上。为了形成铜柱凸块结构，此方法更蚀刻介电层与高分子层以形成第一开口，并沉积凸块下冶金层以以定义铜柱凸块结构。凸块下冶金层包含铜籽晶层。此外，形成光致抗蚀剂图案于基板上，且光致抗蚀剂图案具有第二开口定义于第一开口上。接着沉积金属柱凸块层，其中凸块下冶金层与金属柱凸块层均为凸块结构的一部分。虽然本发明已以数个较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以所附的权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种基板上的凸块结构，包括一导电复合层位于该基板上，其中该导电复合层包含一导电保护层位于一导电底层上，且其中该导电保护层与该导电底层沉积于一系统中以避免氧化该导电底层，其中该导电复合层对空气或水的氧化速率小于该导电底层对空气或水的氧化速率； 一介电层位于该导电复合层上； 一高分子层位于该介电层上；以及一金属凸块，其中该金属凸块填入一光致抗蚀剂层的一第二开口，其中该第二开口是形成于该高分子层的一第一开口上以接触该导电复合层的该导电保护层，且其中该金属凸块与该导电保护层之间具有强力接合。
2.如权利要求1所述的基板上的凸块结构，其中该第一开口与该高分子层与该光致抗蚀剂层之间的界面衬垫有一凸块下冶金层，且该凸块下冶金层为该金属凸块的一部分。
3.如权利要求1所述的基板上的凸块结构，其中该导电复合层为金属垫、后保护内连线、或顶金属层。
4.一种基板上的凸块结构，包括一导电复合层位于该基板上，其中该导电复合层包含一导电保护层位于一导电底层上，且其中该导电保护层与该导电底层沉积于一系统中以避免氧化该导电底层，其中该导电复合层对空气或水的氧化速率小于该导电底层对空气或水的氧化速率； 一介电层位于该导电复合层上； 一高分子层位于该介电层上；一金属凸块，其中该金属凸块填入一光致抗蚀剂层的一第二开口，其中该第二开口是形成于该高分子层一第一开口上以接触该导电复合层的该导电保护层，且其中该第一开口与该高分子层与该光致抗蚀剂层之间的界面衬垫有一凸块下冶金层，且该凸块下冶金层与该导电保护层之间具有强力接合。
5.如权利要求4所述的基板上的凸块结构，其中该凸块下冶金层为一铜籽晶层。
6.一种基板上的凸块结构的形成方法，包括形成一导电复合层于该基板上，其中该导电复合层包含一导电保护层与一导电底层， 且沉积该导电底层后立刻沉积该导电保护层以避免该基板暴露于空气或水中； 沉积一介电层于该导电复合层上； 沉积一高分子层于该介电层上；蚀刻该介电层与该高分子层以形成一第一开口，用以定义一铜柱凸块结构； 沉积一凸块下冶金层，其中该凸块下冶金层包含一铜籽晶层； 形成一光致抗蚀剂图案于该基板上，其中该光致抗蚀剂图案具有一第二开口定义于该第一开口上；以及沉积一金属柱凸块层，其中该凸块下冶金层与该金属柱凸块层均为该凸块结构的一部分。
7.如权利要求6所述的基板上的凸块结构的形成方法，还包括在定义该第二开口后，进行一等离子体表面处理以处理该高分子层露出的表面，其中该等离子体表面处理提高该高分子表面的交联程度，并提高该铜籽晶层与等离子体处理后的该高分子表面的反应性，且交联的该高分子层形成一铜扩散阻挡层。
8.如权利要求7所述的基板上的凸块结构的形成方法，其中该等离子体表面处理采用氧气、氮气、或上述的组合。
9.如权利要求6所述的基板上的凸块结构的形成方法，其中该导电保护层对空气或水的氧化速率小于导电底层对空气或水的氧化速率。
10.如权利要求6所述的基板上的凸块结构的形成方法，其中该导电保护层降低该金属凸块结构与该导电底层之间的分层现象。
全文摘要
本发明公开了一种基板上的凸块结构与其形成方法，可解决基板上导电层与连接至导电层的金属凸块两者界面的分层问题。导电层可为金属垫或顶金属层。经由临场沉积导电保护层于导电层(或导电底层上)，金属凸块的凸块下冶金层与导电层之间具有良好粘着力，并可减少界面分层。在某些实施例中，可省略凸块下冶金层中的铜扩散阻挡层。在某些实施例中，若金属凸块结构的沉积方法为非电镀工艺且金属凸块的组成不是铜，则可省略凸块下金属层。
文档编号H01L21/60GK102347298SQ20101056964
公开日2012年2月8日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月5日
发明者何明哲, 刘重希, 吕文雄, 吴逸文, 张家栋, 林志伟, 郑明达, 陈静雯 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司