[发明专利]焊料凸块UBM结构

说明书

技术领域

本公开通常涉及半导体器件及其形成方法，更具体地，涉及具有多个金属或金属合金层的可靠的凸块下金属化(under bump metallization，UBM)。

背景技术

基于半导体的集成电路(通常称为“芯片”)与封装引线之间的互连通过引线接合、焊料凸块或载带自动接合(TAB)来实现。其中，引线接合技术由于其低成本而最常使用。然而，当芯片-封装互连的尺寸按比例降低时，由于引线接合要求将所有输入/输出(I/O)连接都路由到芯片的边缘，因此引线接合的性能和可靠性可能受到影响。

焊料凸块法是利用可回流的焊料球来接合芯片上的触点与封装上的对应触点。提供了相对传统引线接合技术的有效替代。通常在位于承载芯片的基板顶面的接合垫(bond pad)上沉积焊料凸块。然而，在焊料凸块和芯片之间典型地存在UBM结构。在美国专利No.6,878,465中公开了一种这样的UBM。

该UBM结构用作接合垫和焊料凸块之间的电气和机械接口。其在焊料凸块和接合垫之间提供必要的粘接并且也作为两者之间的扩散阻挡物。

大多数UBM结构包括多个金属或金属合金层。在这种UBM结构中，铜是通常使用的金属。其增加了焊料的可接合性和可浸润性。

已知：通过在回流期间或芯片使用期间产生的热量，焊料凸块中的锡与UBM结构中的铜反应，形成金属间化合物。由于形成的金属间化合物易碎，因此如果铜与焊料凸块直接接触，将大大危及焊料凸块和接合垫之间的接合强度。另外，为了防止由这种反应导致的铜的自熄，通常使用非常厚的铜层，根据美国专利公布2004/0217482，在4-8微米级的量级。由于铜具有高的热膨胀系数(CTE)，因此在使用更多铜的时候，将引起更多的热应力。

镍相比铜而言与锡的反应速度慢，并且已被引入UBM结构中来保护铜层。然而，包括镍层的UBM结构遇到与镍的焊接能力差和镍层中固有的残余应力相关的问题。

美国专利No.6,716,738公开了在焊料凸块和镍层之间形成另一铜或金层，以增加该UBM结构的可浸润性和可接合性。然而，金不是成本有效的，而且在使用铜时，由于铜将与焊料凸块直接接触，因此将形成金属间材料。

对于UBM结构还需要具有薄的铜层，同时需要具有好的可浸润性和可接合性。

发明内容

本公开提供了一种凸块下金属化结构，其包括设置在芯片接合垫上方的基于钛的层、设置在基于钛的层上方的基于铜的层、设置在基于铜的层上方的基于镍的层、和设置在基于镍的层上方的纯锡层或锡合金层(例如锡银(tin-silver))。

因为基于铜的层的厚度被降低到大约0.3微米和10微米之间，优选在大约0.3微米和2微米之间，因此所公开的UBM结构具有对半导体器件的应力改善。纯锡或锡合金层的存在防止了基于镍的层的氧化和污染。也为随后的工艺形成了良好的可焊接表面。

本公开还提供了一种具有所公开的UBM结构的半导体器件及其制造方法。

附图说明

图1示出了根据本公开一个实施例的半导体器件隔离部分的横截面图。

图2示出了具有重新分布的接合垫的半导体器件隔离部分的横截面图。

具体实施方式

图1是根据本公开的一个实施例形成在基板1上的半导体结构隔离部分的横截面图。如图1所示，在基板1的表面2上有接合垫3。接合垫3可以经由任何常规手段形成。其是由导电材料制成的。最常使用的是Al或Cu。

至少有一个钝化层4形成在基板1和接合垫3上方。图1中的钝化层4通常是由绝缘材料形成的，例如氧化硅和氮化硅。电绝缘是钝化层4的主要功能。其还用来将尘埃和湿气排除在外，以保护芯片不受腐蚀和其它损害。钝化层4之上的电介质层5由有机材料制成，优选聚酰亚胺。电介质层5是柔顺的(compliant)，并可用作应力缓冲层。

在电介质层中形成有孔，以至少暴露一部分接合垫3。该孔可以是任何形状和尺寸。当使用多个钝化层时，也至少暴露每个钝化层的一部分。

该UBM结构由形成在接合垫3上的多个金属层组成，其中没有两个相邻层由相同金属或金属合金形成。设置在接合垫3和部分钝化层4和5上的第一金属或金属合金层6优选是基于钛的。“基于”意思是该合金的至少50％是指定的金属，在这种情况下，为钛。其提供了接合垫3和第二金属或金属合金层7之间的良好粘合，并且具有大约500至3000A的厚度。