[发明专利]凸块下金属层结构、晶圆结构与该晶圆结构的形成方法

说明书

【技术领域】

本发明是有关于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，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、晶圆结构以及该晶圆结构的形成方法。

【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)以及卷带自动接合(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卷带自动接合的方式，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技术中。

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。接着进行涂布光阻层、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，一般将晶圆(wafer)浸入镀液中，镀液中由硫酸镍(NiSO4)提供镍离子，并且由次磷酸钠(NaH2PO2)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1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1的电子扫瞄摄影照片。通过电子扫瞄摄影(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、晶圆结构及该晶圆结构的形成方法，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。黏附层设置在一晶圆的一接垫上，黏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圆结构，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黏附层、一阻障层及一湿润层。黏附层设置在接垫上，黏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。