專利名稱：具有厚聚合物層的焊球保護結構的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及半導體領域，更具體地來說，涉及一種集成電路結構。
背景技術：
現代集成電路實際上由數百萬個諸如晶體管和電容器的有源器件構成。這些器件最初相互隔離，并且稍后互連到一起以形成功能電路。典型的互連結構包括諸如金屬線(配線)的橫向互連以及諸如通孔和接觸的垂直互連。互連越來越多地確定現代集成電路的性能和密度的限制。在互連結構的頂部，在對應芯片的表面上形成并露出接合焊盤。通過接觸焊盤進行將芯片連接至封裝襯底或另一管芯的電連接。接合焊盤可用于引線接合或倒裝芯片接
口 ο 目前，晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)由于其低成本和相對簡單的工藝而被廣泛使用。在典型的WLCSP中，互連結構形成在金屬層上，隨后是凸塊下金屬化層(UBM)的形成以及焊球的安裝。在WLCSP使用的傳統互連結構中，形成鋁焊盤以電連接至形成在相同管芯中的硅襯底表面上的器件。形成鈍化層。鈍化層包括在鋁焊盤之上的部分。在鈍化層中形成開口以露出鋁焊盤。第一聚合物層形成在鈍化層之上，并被圖案化以露出鋁焊盤。然后，形成鈍化后互連(PPI)，隨后是第二聚合物層的形成以及凸塊下金屬化層(UBM)的形成。在穿過第二聚合物的開口中形成UBM。然后，可以將焊球放置在UBM上。第一聚合物和第二聚合物可以由旋涂形成。第二聚合物的厚度通常在大約7 μ m和大約ΙΟμπι之間。上面討論的WLCSP可以接合到印刷電路板(PCB)上。為了能夠具有用好的WLCSP代替接合到PCB上的缺陷WLCSP的選擇，優選地，在WLCSP和PCB之間沒有填充底部填充物。然而，這種結構將WLCSP技術的管芯尺寸限制到5mmX5mm及以下。原因在于，在不具有底部填充物的保護的情況下，WLCSP中的管芯與PCB之間的熱失配可以在熱循環或墜落實驗期間引起焊點斷裂。因此，對于大管芯應用，要求倒裝芯片封裝以使用底部填充物，并且允許板上管芯直接接合。
發明內容
為了解決現有技術所存在的問題，根據本發明的一個方面，提供了一種集成電路結構，包括襯底金屬焊盤，位于所述襯底上方；鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分；鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤和所述鈍化層上方的部分；PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤是所述PPI線的延伸部分；聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；以及凸塊下金屬化層(UBM)，延伸到所述聚合物層中的開口，并連接至所述PPI焊盤。在該集成電路結構中，所述聚合物層的厚度大于約100 μ m。該集成電路結構還包括焊球，位于所述UBM上方并連接至所述UBM，其中，所述焊球包括在所述聚合物層的所述開口中的第一部分以及位于所述聚合物層上方的第二部分。該集成電路結構還包括附加焊球，具有在所述聚合物層中的第一部分，其中，所述聚合物層包括從位于所述焊球的部分正下方延伸到位于所述附加焊球的第二部分正下方的平坦頂面。在該集成電路結構中，所述聚合物層由被配置為用于在固化之前形成層壓膜的材料形成。 該集成電路結構還包括附加聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤下方并與所述PPI線和所述PPI焊盤接觸。在該集成電路結構中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有半球狀。在該集成電路結構中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有楔形輪廓，所述UBM的部分的底部的寬度小于所述UBM的部分的頂部的寬度。 在該集成電路結構中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有垂直輪廓，所述UBM的部分的底部的寬度基本上等于所述UBM的部分的頂部的寬度。根據本發明的另一方面，提供了一種集成電路結構，包括襯底；金屬焊盤，位于所述襯底上方；鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分；鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤上方的部分；PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤與所述金屬焊盤未垂直對準；聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；凸塊下金屬化層(UBM)，延伸到所述聚合物層中的開口中并接觸所述PPI焊盤，其中，所述聚合物層具有平坦的頂面，所述頂面包括位于所述UBM的一部分正下方的第一部分以及與所述第一部分接觸且不位于所述UBM正下方的第二部分；以及焊球，位于所述UBM上方。在該集成電路結構中，所述聚合物層的所述厚度大于約100 μ m。在該集成電路結構中，所述焊球包括在所述聚合物層的所述開口中的第一部分以及位于所述聚合物層上方的第二部分，以及其中，所述第二部分具有在大約150μπι和大約250 μ m之間的高度。在該集成電路結構中，所述聚合物層由被配置為用于在固化之前形成層壓膜的材料形成。在該集成電路結構中，所述UBM具有楔形輪廓，在所述聚合物層中的底部具有第一寬度，所述第一寬度小于所述UBM在所述聚合物層中的頂部的第二寬度。在該集成電路結構中，所述UBM包括在所述聚合物層中的側壁部分，以及其中，所述側壁部分基本上垂直。 在該集成電路結構中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有半球狀。在該集成電路結構中，所述UBM包括位于所述聚合物層的一部分正上方的突出部分，以及其中，所述突出的底面與所述聚合物層的頂面接觸。根據本發明的又一方面，提供了一種集成電路結構，包括襯底；金屬焊盤，位于所述襯底上方；鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分；鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤上方的部分；PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤是所述PPI線的延伸部分；聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；以及第一凸塊下金屬化層(UBM)和第二凸塊下金屬化層，延伸到所述聚合物層中的開口中，其中，所述第一 UBM電連接至所述PPI焊盤，以及其中，所述聚合物層包括連續地從位于所述第一 UBM的第一突出部分正下方延伸到位于所述第二 UBM的第二突出部分正下方的頂面。在該集成電路結構中，所述聚合物層的厚度大于約100 μ m。在該集成電路結構中，所述頂面基本上為平坦的，以及其中，所述頂面中位于所述第一突出部分和所述第二突出部分正下方的部分基本上與所述頂面不位于所述第一突出部分和所述第二突出部分正下方的部分平齊。
為了更加完整地理解實施例及其優點，現在將接合附圖所進行以下描述作為參考，其中圖I至圖3是根據實施例的制造鈍化后結構的中間階段的截面圖；以及 圖4至圖11示出了根據各個可選實施例的鈍化后結構。
具體實施例方式以下詳細討論本發明實施例的制造和使用。然而，應該理解，實施例提供了許多可以在各種特定環境下實施的可應用發明概念。所討論的特定實施例僅僅是示例性的，并不用于限制公開的范圍。根據實施例提供了鈍化后結構及其形成方法。示出了制造各個實施例的中間階段。然后討論實施例的變型例。在整個附圖和所描述的實施例中，類似的參考標號用于指定類似的元件。參照圖I，提供包括半導體襯底20的晶圓10。半導體襯底20可以為體硅襯底或絕緣體上硅襯底。還可以使用包括III族、IV族和V族元素的其他半導體材料。在半導體襯底20的表面上形成諸如晶體管(示意性地示為21)的集成電路器件。晶圓10可進一步包括半導體襯底20上方的層間介電層(ILD) 22以及ILD 22上方的金屬化層24。金屬化層24包括介電層25以及介電層25中的金屬線26和通孔28。在實施例中，介電層25由低k電介質材料形成。例如，低k電介質材料的介電常數(k值)可以小于約2. 8，或者小于約
2.5。金屬線26和通孔28可以由銅或銅合金形成，但是該金屬線和通孔還可以由其他金屬形成。本領域的技術人員應該知道金屬化層的形成細節。在后面的附圖中，沒有示出半導體襯底20、ILD 22和金屬化層24。形成頂部金屬焊盤26A作為頂部金屬化層的一部分。金屬焊盤30形成在金屬化層24上方，并且可以與頂部金屬焊盤26A接觸，或者可選地，經由通孔電連接至頂部金屬焊盤26A。金屬焊盤30可以為鋁焊盤或鋁銅焊盤，因此可選地在下文中將該金屬焊盤稱為鋁焊盤30，但是還可以使用其他金屬材料。鈍化層32形成在金屬化層24上方。鈍化層32的一部分被形成為覆蓋鋁焊盤30的邊緣部分。通過鈍化層32中的開口露出鋁焊盤30的中心部分。在實施例中，鈍化層32由復合層形成，該復合層包括氧化硅層(未示出)以及位于氧化硅層上方的氮化硅層(未示出)。鈍化層32還可以由其他非有機材料形成，諸如未摻雜硅酸鹽玻璃(USG)、氮氧化硅等。此外，鈍化層32可以為單層或復合層。鈍化層32可以由無孔材料形成。聚合物層36形成在鈍化層32上方。聚合物層36可以由諸如環氧樹脂、聚酰亞胺、苯并環丁烯(BCB)、聚苯并惡唑(PBO)等的聚合物形成，但是還可以使用其他相對較軟、通常為有機的電介質材料。形成方法包括旋涂或其他方法。將聚合物層36被圖案化以形成開口，通過該開口露出鋁焊盤30。聚合物層36的圖案化可包括光刻技術。然后，可以實施固化以固化聚合物層36。形成鈍化后互連(PPI)線38和PPI焊盤39，以通過鈍化層32和聚合物層36中的開口電連接至鋁焊盤30。鈍化后互連(PPI)線38和PPI焊盤39由于它們在形成鈍化層32之后形成而如此命名。PPI線38和PPI焊盤39可以同時形成，并且可以由相同材料形成，例如，材料可以為充分純的銅或銅合金。因此，PPI焊盤39為PPI線38的延伸部分。PPI線38和PPI焊盤39可以在銅的頂部進一步包括包含鎳的層(未示出)。形成方法包括電鍍、無電鍍、濺射、化學汽相沉積方法等。在圖I結構的俯視圖中，PPI線38可以為條狀，并且PPI焊盤39可具有六邊形或八邊形的形狀。通過PPI線38的布線，PPI焊盤39可以位于鋁焊盤30正上方或者不位于鋁焊盤30正上方。通過PPI線38的連接，PPI焊盤39可以形成為與金屬焊盤30未垂直對準，并且可以用于例如對從對應管芯的中心到管芯的外圍區域的電連接進行布線。圖2示出了聚合物層42的形成和圖案化。聚合物層42可包括選自環氧樹脂、聚 酰亞胺、BCB和PBO的聚合物，并且可以使用與圖案化聚合物層36相同的方法來圖案化該聚合物層。在實施例中，聚合物層42為層壓膜，其層壓在PPI線38、PPI焊盤39和聚合物層36上方。聚合物層42可具有相對較高的彈性。由于聚合物層42較厚，所以用于使用旋涂形成傳統薄聚合物層的聚合物不能用于形成聚合物層42。此外，聚合物層42可以由適合于在固化之前形成層壓膜的材料形成。在聚合物層42的形成過程中，層壓膜被粘附在晶圓10的上方。在形成UBM 46和可能的焊球50之后，例如，可以在高溫或紫外線光下固化層壓膜。為了減少用于形成開口 44(圖2)的圖案化步驟的成本，聚合物層42(和對應的層壓膜)還可以由光敏材料形成，其可以在曝光之后容易被圖案化。開口 44形成在聚合物層42中以露出下層的PPI焊盤39。開口 44的形成方法可包括光刻、濕或干蝕刻、激光鉆孔等。然后，形成UBM 46以延伸到開口 44中以及接觸PPI焊盤39。UBM 46可進一步包括位于聚合物層42正上方以形成突出46A的部分。因此，如圖2所示，聚合物層42可具有頂面42A，其包括位于UBM 46的突出46A正下方的第一部分(標為42A1)以及與第一部分42A1接觸且不位于UBM 46正下方的第二部分(標為42A2)。突出46A的底面接觸聚合物層42的頂面42A。在一個實施例中，UBM 46由諸如銅、銅合金、鈦或鈦合金的導電材料形成，但是還可以使用其他金屬材料。如圖3所示，焊球50形成在UBM 46上，然后回流。在實施例中，通過將焊球放置在UBM 46上方來形成焊球50。在一些實施例中，通過利用光刻技術的焊料電鍍工藝來形成焊球50。每一個焊球50都可以包括聚合物層42中的部分50A以及聚合物層42上方的部分50B。應該意識到，如圖3所示，在相同的芯片(晶圓)中，可存在多個鈍化后結構，該多個鈍化后結構包括鋁焊盤30、PPI線38、UBM 46和焊球50的。結果，聚合物層42形成在相鄰UBM 46之間的區域中。聚合物層42還可以為基本橫跨整個晶圓10延伸的層，并且聚合物層42的頂面42A可以基本上為平坦的且在第一個焊球50正下方延伸到在第二個焊球50正下方。此外，頂面42A包括不位于突出46A正下方的部分以及位于突出46A正下方的部分。在形成焊球50之后，晶圓10可以沿著劃線52被切割為多個與所述管芯100相同的管芯。聚合物層42的厚度T可以大于30 μ m,并且可以大于約100 μ m。厚度T還可以在大約30 μ m和大約200 μ m之間。通過良好的厚度，聚合物層42用作有效的應力緩沖器。在管芯100接合至另一封裝部件(諸如印刷電路板)之后，管芯100與封裝部件之間的隔開距離由于厚度T而增加。襯底20與封裝部件之間的距離也增加。結果，施加于焊球50、半導體襯底20和集成電路器件21 (圖I)的應力減小。通過使焊球50的厚部分埋入聚合物層42，襯底20與封裝部件之間的距離的增加不會引起焊球50的橫向尺寸的增加。為了增加管芯100接合至封裝部件的隔開距離，作為聚合物層42的頂面42A上方焊球50的部分的高度的高度H也較大，并且可以大于約100 μ m、在大約100 μ m和大約250 μ m之間或者在大約200 μ m和大約250 μ m之間。比率Η/T需要被調節以實現對焊球50和集成電路器件21的最大保護，而同時不會使焊球50大于所需尺寸。在實施例中，比率Η/T在大約250/30和大約300/200之間。圖4至圖11示出了根據可選實施例的鈍化后結構。除非另有指定，否則這些實施例中的參考標號都表示與圖I至圖3所示實施例類似的元件。具體地，這些實施例中的聚 合物層42的結構、材料和厚度可以基本上與圖I至圖3所示的聚合物層42相同。在圖3中，UBM 46在聚合物層42中的部分具有楔形輪廓，并且UBM 46的底部寬度Wl小于UBM 46的頂部寬度W2。在圖4中，UBM 46在聚合物層42中的側壁部分基本上為垂直的，因此，UBM46的底部寬度Wl基本上等于UBM 46的頂部寬度W2。在圖5中，UBM 46在聚合物層42中的部分具有半球狀，其具有連續變化的輪廓。UBM 46這種連續變化的輪廓利于減小施加于焊球50的應力，因為其沒有拐角，因此沒有應力集中點。可以通過調整蝕刻條件和/或蝕刻劑的組成來形成聚合物層42中的半球狀開口。在實施例中，可通過細微調節的光學處理來形成半球狀開口。在一些實施例中，諸如圖3和圖4所示，可以形成UBM 46的突出部分46A (突出部分為在聚合物層42正上方的水平部分)，或者諸如圖5所示，不形成UBM 46的突出部分46A。除了沒有形成聚合物層36以外，圖6、圖7和圖8示出了分別類似于圖3、圖4和圖5的實施例。代替地，PPI線38和PPI焊盤39形成在鈍化層32上方并與該鈍化層接觸。聚合物層42還與鈍化層32接觸。圖9、圖10和圖11示出了 UBM 46具有不同輪廓的實施例。在圖9和圖11中，UBM46包括突出部分46A，而在圖10中不形成UBM突出。UBM 46的底部還可以具有不同的輪廓。例如，在圖9中，UBM 46中接觸PPI焊盤39的底部具有連續的輪廓且不具有平坦的頂面。在圖10和圖11中，UBM 46中接觸PPI焊盤39的底部具有平坦的表面46B。從圖3至圖11可以看出，UBM 46在聚合物層42中的部分的輪廓確定對應焊球50的輪廓。因此，聚合物層42中的焊球50的部分還可以具有楔形輪廓、垂直輪廓、半球狀、連續的非平坦底部或者平坦底部。通過增加聚合物層42的厚度，觀察到不期望的結果。模擬結果揭示，如果對應的聚合物層42具有大于30 μ m的厚度，則具有7mmX 7mm尺寸的管芯可以基本上通過所有的熱循環測試。相反，如果對應的聚合物層42具有小于30 μ m的厚度，則基本上具有7mmX 7mm尺寸的所有管芯都在熱循環測試中失敗。根據實施例，集成電路結構包括襯底；以及位于襯底上方的金屬焊盤。PPI線連接至金屬焊盤，其中，PPI線至少包括在金屬焊盤上方的部分。PPI焊盤連接至PPI線。聚合物層在PPI線和PPI焊盤上方，其中，聚合物層具有大于約30 μ m的厚度。UBM延伸到聚合物層中的開口中，并且電連接至PPI焊盤。根據其他實施例，集成電路結構包括襯底；鋁焊盤，位于襯底上方；鈍化層，包括位于鋁焊盤上方的部分；PPI線，連接至鋁焊盤，其中，PPI線至少包括位于鋁焊盤上方的部分；PPI焊盤，連接至PPI線，其中，PPI焊盤與鋁焊盤未垂直對準；聚合物層，位于PPI線和PPI焊盤上方，其中，聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；以及UBM，延伸到聚合物層中的開口中，并接觸PPI焊盤。聚合物層具有平坦的頂面，該平坦的頂面包括位于UBM的一部分正下方的第一部分以及與第一部分接觸且不位于UBM正下方的第二部分。焊球位于UBM上方并與其接觸。根據又一個實施例，集成電路結構包括金屬焊盤，位于襯底上方；鈍化層，包括位于金屬焊盤上方的部分；以及PPI線，通過鈍化層中的開口連接至金屬焊盤，其中，PPI線至少包括位于金屬焊盤上方的部分。PPI焊盤連接至PPI線。聚合物層位于PPI線和PPI 焊盤上方，其中，聚合物層具有大于約30 μ m的厚度。UBM延伸到聚合物層中的開口，并且電連接至PPI焊盤。UBM包括在聚合物層中且具有半球狀的部分。焊球在UBM層之上并與其接觸。盡管詳細描述了實施例及其優點，但應該理解，在不背離由所附權利要求限定的實施例的主旨和范圍的情況下，可以進行各種改變、替換和修改。此外，本申請的范圍不限于說明書中描述的工藝、機器、制造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定實施例。本領域的技術人員應該容易地從公開中理解，可以根據發明利用現有或稍后開發的執行與本文所描述對應實施例基本相同的功能或實現基本相同的結果的工藝、機器、制造、物質組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求用于在它們的范圍內包括這些工藝、機器、制造、物質組成、裝置、方法和步驟。此外，每個權利要求都構成獨立的實施例，并且各個權利要求和實施例的組合在公開的范圍之內。
權利要求
1.一種集成電路結構，包括 襯底 金屬焊盤，位于所述襯底上方； 鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分； 鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤和所述鈍化層上方的部分； PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤是所述PPI線的延伸部分； 聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；以及 凸塊下金屬化層(UBM)，延伸到所述聚合物層中的開口，并連接至所述PPI焊盤。
2.根據權利要求I所述的集成電路結構，其中，所述聚合物層的厚度大于約ΙΟΟμπι。
3.根據權利要求I所述的集成電路結構，還包括焊球，位于所述UBM上方并連接至所述UBM，其中，所述焊球包括在所述聚合物層的所述開口中的第一部分以及位于所述聚合物層上方的第二部分。
4.根據權利要求3所述的集成電路結構，還包括附加焊球，具有在所述聚合物層中的第一部分，其中，所述聚合物層包括從位于所述焊球的部分正下方延伸到位于所述附加焊球的第二部分正下方的平坦頂面。
5.根據權利要求I所述的集成電路結構，其中，所述聚合物層由被配置為用于在固化之前形成層壓膜的材料形成。
6.根據權利要求I所述的集成電路結構，還包括附加聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤下方并與所述PPI線和所述PPI焊盤接觸。
7.根據權利要求I所述的集成電路結構，其中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有半球狀。
8.根據權利要求I所述的集成電路結構，其中，所述UBM在所述聚合物層中的部分具有楔形輪廓，所述UBM的部分的底部的寬度小于所述UBM的部分的頂部的寬度。
9.一種集成電路結構，包括 襯底； 金屬焊盤，位于所述襯底上方； 鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分； 鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤上方的部分； PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤與所述金屬焊盤未垂直對準； 聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度； 凸塊下金屬化層(UBM)，延伸到所述聚合物層中的開口中并接觸所述PPI焊盤，其中，所述聚合物層具有平坦的頂面，所述頂面包括位于所述UBM的一部分正下方的第一部分以及與所述第一部分接觸且不位于所述UBM正下方的第二部分；以及焊球，位于所述UBM上方。
10.一種集成電路結構，包括襯底； 金屬焊盤，位于所述襯底上方； 鈍化層，包括位于所述金屬焊盤上方的部分； 鈍化后互連(PPI)線，連接至所述金屬焊盤，其中，所述PPI線至少包括位于所述金屬焊盤上方的部分； PPI焊盤，連接至所述PPI線，其中，所述PPI焊盤是所述PPI線的延伸部分； 聚合物層，位于所述PPI線和所述PPI焊盤上方，其中，所述聚合物層具有大于約30 μ m的厚度；以及 第一凸塊下金屬化 層(UBM)和第二凸塊下金屬化層，延伸到所述聚合物層中的開口中，其中，所述第一 UBM電連接至所述PPI焊盤，以及其中，所述聚合物層包括連續地從位于所述第一 UBM的第一突出部分正下方延伸到位于所述第二 UBM的第二突出部分正下方的頂面。
全文摘要
集成電路結構包括襯底和位于襯底上方的金屬焊盤。鈍化后互連(PPI)線連接至金屬焊盤，其中，PPI線至少包括位于金屬焊盤上方的部分。PPI焊盤連接至PPI線。聚合物層位于PPI線和PPI焊盤上方，其中，聚合物層具有大于約30μm的厚度。凸塊下金屬化層(UBM)延伸到聚合物層中的開口中并連接至PPI焊盤。本發明還提供了一種具有厚聚合物層的焊球保護結構。
文檔編號H01L23/488GK102832188SQ20121007861
公開日2012年12月19日 申請日期2012年3月22日 優先權日2011年6月16日
發明者余振華, 許呈鏘, 蔡豪益, 李建勛 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司