專利名稱：半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件及其形成方法，而特別有關(guān)于一種具有導(dǎo)電凸塊的半導(dǎo)體元件及其形成方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)中已發(fā)展出許多封裝方法，在這些封裝方法中需建立封裝結(jié)構(gòu)與集成電路芯片間的電性連接，通常是利用金線、卷帶式自動(dòng)接合(Tape Automated Bonding，TAB)或覆晶封裝(Flip-Chip)作為其連接介質(zhì)。在覆晶封裝中，集成電路芯片是直接面朝下連接至基板上的連接墊，其中基板可為陶瓷基板，電路板或晶片載體(chip carrier)。
一般而言，利用覆晶接合的集成電路芯片是指在晶片上形成導(dǎo)電凸塊后進(jìn)行接合，其中導(dǎo)電凸塊例如是焊點(diǎn)凸塊。覆晶接合為一種晶圓級(jí)封裝制程。每一個(gè)導(dǎo)電凸塊與集成電路芯片電性接觸，且與基板上的一連接墊電性接觸。在相對(duì)于具有連接墊基板的另一面上具有連接引線(connection pins)，其透過基板與集成電路芯片連接。覆晶接合制程中的導(dǎo)電凸塊具有多種功能，其可用以電性連接基板電路晶片與基板，也用來將晶片運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)至基板，以及作為集成電路芯片連接至基板的底座。此外，導(dǎo)電凸塊還可作為一間隙壁，用來避免集成電路芯片與基板上其他部分電性連接。導(dǎo)電凸塊還可作為一短引線，以釋放晶片與基板間的機(jī)械應(yīng)變。
覆晶接合制程包括將焊點(diǎn)凸塊置于硅晶圓上，焊點(diǎn)凸塊的覆晶接合制程主要包括四步驟，1.進(jìn)行凸塊下金屬化制程(under-bump metallization，UBM)以利焊點(diǎn)凸塊的沉積。接著，2.在凸塊下金屬化層上回焊形成焊點(diǎn)凸塊。將晶圓切割成晶粒后接著進(jìn)行后續(xù)兩步驟。3.晶圓切割后，將形成有焊點(diǎn)凸塊的晶粒貼合至基板或載體上。最后，4.將集成電路芯片與基板間的空間填滿環(huán)氧樹脂以確保封裝可靠度。
在上述第一個(gè)步驟中，會(huì)先在未切割晶圓的各晶片上決定凸塊位置。晶圓在進(jìn)行封裝前的預(yù)備工作包括清洗、移除絕緣氧化物以及在連接墊上形成一金屬保護(hù)墊，用來保護(hù)集成電路芯片以及用以與焊點(diǎn)凸塊形成良好的機(jī)械及電性接觸。上述的金屬保護(hù)墊例如是凸塊下金屬化層(under bumpmetallization，UBM)，其是由連續(xù)的金屬層所形成，其也可稱之為粘接層，用來粘接連接墊及周圍的保護(hù)層，并提供一高強(qiáng)度、低應(yīng)力、良好的機(jī)械及電性連接。擴(kuò)散阻障層可用來焊點(diǎn)擴(kuò)散至其下層的材料。焊點(diǎn)濕潤(rùn)層(solder wetting layer)是在形成焊點(diǎn)凸塊制程中提供融化的焊點(diǎn)一濕潤(rùn)表面，使焊點(diǎn)與下層材料有良好的連接。
傳統(tǒng)具有上述功能的凸塊下金屬化層一般為二或三層結(jié)構(gòu)。若為焊點(diǎn)凸塊，凸塊下金屬化層結(jié)構(gòu)可為Cr-Cu-Au、Cr-NiV-Au、TiCu、TiW-Cu或Ti-Ni。凸塊下金屬化層的形成方法包括無電鍍、濺鍍或電鍍。焊點(diǎn)凸塊一般是由鉛錫合金或錫合金所形成。電鍍及模板印刷(stencil printing)為常用來形成焊點(diǎn)的兩種方法。
在形成凸塊后，進(jìn)行集成電路芯片連接至基板的制程只需非常短的時(shí)間，因此在凸塊上并不會(huì)有氧化物所產(chǎn)生的問題。然而，一般的IC晶圓在進(jìn)行切割并透過凸塊接合至基板前，需經(jīng)過測(cè)試及儲(chǔ)存一段時(shí)間。在IC上形成凸塊至將IC連接至基板期間，鉛錫焊點(diǎn)因暴露至大氣下而嚴(yán)重氧化。氧化過程連續(xù)且會(huì)穿透至凸塊內(nèi)部。若凸塊產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，后續(xù)將IC連接至基板的制程中，粉末狀的氧化物會(huì)造成不可靠的焊點(diǎn)接合，也就是冷接合(cold joint)。
因此，透過凸塊將IC連接至基板前，必須以蝕刻-清潔-助焊制程將氧化物移除。但造成制程成本提高。若進(jìn)行上述制程后未能在短時(shí)間內(nèi)將IC透過凸塊連接至基板，則氧化物會(huì)再度形成，而必須再次進(jìn)行蝕刻-清潔-助焊氧化物移除制程。
此外，也可將半導(dǎo)體元件存放在惰性環(huán)境中，例如氮?dú)庀禄蛘婵窄h(huán)境。然而，無氧環(huán)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，由于會(huì)在焊點(diǎn)凸塊與凸塊下金化層的界面上形成介金屬化合物，因此，凸塊下金屬化層中的可焊層會(huì)被消耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種形成半導(dǎo)體元件的方法，包括提供一半導(dǎo)體晶片，包括一連接墊；在該連接墊上形成一導(dǎo)電凸塊；以及在該導(dǎo)電凸塊上形成至少一保護(hù)層使該導(dǎo)電凸塊至少被一保護(hù)層覆蓋。
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件，包括一半導(dǎo)體晶片，包括一連接墊；一導(dǎo)電凸塊，位于該連接墊之上；以及至少一保護(hù)層，覆蓋該導(dǎo)電凸塊。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該保護(hù)層包括惰性金屬。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該惰性金屬包括金。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該保護(hù)層包括有機(jī)金屬。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該有機(jī)金屬包括有機(jī)護(hù)焊劑(Organic Solderability Preservative)。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該保護(hù)層包括錫。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，在該連接墊上更包括一凸塊下金屬化層。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該導(dǎo)電凸塊包括金、銅、鋁以及鎳至少其中之一。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，其中該導(dǎo)電凸塊包括鉛錫焊點(diǎn)。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，提供一種具有凸塊上保護(hù)層的焊點(diǎn)凸塊，以避免產(chǎn)生焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象及降低焊點(diǎn)接合失敗(solder joint failure)。


圖1顯示本發(fā)明實(shí)施例中具有凸塊上保護(hù)層的焊點(diǎn)凸塊。
具體實(shí)施例方式
為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下。
本發(fā)明提供一種形成半導(dǎo)體元件的方法，該半導(dǎo)體元件具有一焊點(diǎn)凸塊，其上包括一凸塊上保護(hù)層(over-bumppassivation)避免導(dǎo)電凸塊在封裝制程前產(chǎn)生氧化，以及焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象(solder cold joint)。
圖1顯示本發(fā)明一實(shí)施例的半導(dǎo)體元件100，包括在一半導(dǎo)體晶片上形成一導(dǎo)電凸塊。如圖1所示，半導(dǎo)體元件100包括一半導(dǎo)體晶片200，其中具有多層金屬化層及介電層。在晶片內(nèi)金屬連線層207上具有一連接墊205，連接至半導(dǎo)體元件100中的集成電路。一晶片表面保護(hù)層210位于晶片內(nèi)金屬連線層207上，并具有一開口露出部分連接墊205。一凸塊下金屬化層(under-bump metallization，UBM)215位于晶片表面保護(hù)層210之上并填滿開口以與連接墊205相接觸。其中連接墊205、晶片表面保護(hù)層(凸塊下保護(hù)層)210以及凸塊下金屬化層215皆可以已知技術(shù)形成。
在凸塊下金屬化層215上，可以已知技術(shù)沉積導(dǎo)電凸塊220，其材質(zhì)包含鉛(或其他合適的凸塊材料)。而導(dǎo)電凸塊較佳為焊點(diǎn)，其材料組成例如是3wt％-5wt％的錫以及95wt％-97wt％的鉛。導(dǎo)電凸塊220的形成方法包括電鍍法、網(wǎng)印(screen printing)或模板印刷(stencil printing)、蒸鍍、熱機(jī)械式/壓力(thermomechanical/pressure)噴嘴噴墨印刷(jet printing)，利用熱機(jī)械/壓電元件、磁力流體(magneto-fluidynamic)或電磁力流體(electromagneto-fluidynamic))元件或其他已知方法。
在傳統(tǒng)導(dǎo)電凸塊的形成方法中，由于導(dǎo)電凸塊220直接暴露于空氣中而造成氧化。在以焊點(diǎn)凸塊作為導(dǎo)電凸塊220的方法中，在焊點(diǎn)凸塊接觸至空氣后很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生氧化鉛(PbO2)。導(dǎo)電凸塊220上氧化物的形成，會(huì)導(dǎo)致上述的焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象(solder cold joint phenomenon)。
為了消除上述的焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象以及導(dǎo)電凸塊上氧化重復(fù)形成，本發(fā)明提供一種焊點(diǎn)凸塊，通過凸塊上保護(hù)層230保護(hù)導(dǎo)電凸塊200，避免在覆晶接合等后續(xù)制程前造成氧化。凸塊上保護(hù)層230是以惰性或可溶性金屬選擇性覆蓋至導(dǎo)電凸塊220上，其中惰性金屬或可溶性金屬例如是金或有機(jī)材料，其中有機(jī)材料例如是有機(jī)護(hù)焊劑(Organic Solderability Preservative，OSP)。當(dāng)凸塊融化以進(jìn)行接合制程時(shí)，金很容易擴(kuò)散至焊點(diǎn)凸塊中，例如導(dǎo)電凸塊220。在后續(xù)融化凸塊的制程中，有機(jī)護(hù)焊劑(Organic Solderability Preservative)很快就蒸發(fā)。若凸塊上保護(hù)層230是由金或有機(jī)護(hù)焊劑所形成，則不會(huì)對(duì)導(dǎo)電凸塊220可焊度(soderability)產(chǎn)生負(fù)面影響。
此外，由于錫所形成的氧化物可用來作為保護(hù)層，可避免在導(dǎo)電凸塊220內(nèi)部形成氧化物，因此，錫也可用來作為凸塊上保護(hù)層230。
若惰性金屬用來作為凸塊上保護(hù)層230，其必須選擇性單獨(dú)涂布在導(dǎo)電凸塊220上。由于惰性金屬具有導(dǎo)電性，若涂布至導(dǎo)電凸塊外的其他區(qū)域，則會(huì)在操作時(shí)產(chǎn)生負(fù)面影響。圖1中箭頭間所示的區(qū)域240即為導(dǎo)電凸塊上保護(hù)層230可涂布的范圍。金或錫的形成方法是將具有導(dǎo)電凸塊220的半導(dǎo)體元件100浸入含有金或錫等惰性金屬的電解液中進(jìn)行無電鍍制程，以將金或錫選擇性地涂布在導(dǎo)電凸塊220上。由于導(dǎo)電凸塊220為自活化(self-activated)材料，例如鉛，因此在無電鍍涂布制程中不需使用催化劑。可通過選擇性涂布制程將金或錫等惰性金屬單獨(dú)涂布至導(dǎo)電凸塊220上。同理，可以化學(xué)氣相制程將錫選擇性氧化。然而，由于二價(jià)錫與四價(jià)錫不溶于含鉛焊點(diǎn)中，因此，必須使用助焊劑來移除氧化錫以利后續(xù)接合制程。
此外，凸塊上保護(hù)層230尚包括有機(jī)材料，例如是有機(jī)護(hù)焊劑(Organic Solderability Preservative，OSP)，可以旋涂或噴灑的方式形成在半導(dǎo)體元件100上，或者是將半導(dǎo)體元件100浸入具有OSP溶液中形成凸塊上保護(hù)層230。接著，將半導(dǎo)體元件100烘烤以移除OSP中的溶劑，以形成OSP基凸塊上保護(hù)層。
本發(fā)明提供一種具有凸塊上保護(hù)層的焊點(diǎn)凸塊，以避免產(chǎn)生焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象。本發(fā)明也可延長(zhǎng)具有凸塊的半導(dǎo)體元件的壽命，而不受儲(chǔ)存環(huán)境的影響。此外，由于本發(fā)明利用金或錫作為凸塊上保護(hù)層以避免氧化物的形成，因此，在進(jìn)行覆晶接合制程時(shí)不需使用助焊劑。在焊點(diǎn)融化以進(jìn)行接合制程時(shí)，OSP也可作為助焊劑。
以上所述僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的改進(jìn)和變化，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以本申請(qǐng)的權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號(hào)的簡(jiǎn)單說明如下半導(dǎo)體元件100半導(dǎo)體晶片200連接墊205晶片內(nèi)金屬連線層207晶片表面保護(hù)層210凸塊下金屬化層215導(dǎo)電凸塊220凸塊上保護(hù)層230
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體元件，其特征在于，該半導(dǎo)體元件包括一半導(dǎo)體晶片，包括一連接墊；一導(dǎo)電凸塊，位于該連接墊之上；以及至少一保護(hù)層，覆蓋該導(dǎo)電凸塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該保護(hù)層包括惰性金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該惰性金屬包括金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該保護(hù)層包括有機(jī)金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該有機(jī)金屬包括有機(jī)護(hù)焊劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該保護(hù)層包括錫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，在該連接墊上更包括一凸塊下金屬化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該導(dǎo)電凸塊包括金、銅、鋁以及鎳至少其中之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，該導(dǎo)電凸塊包括鉛錫焊點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件，特別涉及一種半導(dǎo)體元件及其形成方法，包括在一半導(dǎo)體晶片上形成一導(dǎo)電凸塊，以及在該導(dǎo)電凸塊上形成至少一保護(hù)層以降低焊點(diǎn)接合失敗。本發(fā)明所述的半導(dǎo)體元件，提供一種具有凸塊上保護(hù)層的焊點(diǎn)凸塊，以避免產(chǎn)生焊點(diǎn)冷接合現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H01L23/485GK101079406SQ20071010205
公開日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月22日
發(fā)明者趙智杰, 曹佩華, 盧思維, 郭祖寬 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司