一種高密度凸塊結構的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高密度凸塊結構的制造方法，屬于半導體封裝技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著電子信息技術的發展，系統終端變得功能越來越多，尺寸卻變得越來越小。為了滿足這種整機設計的要求，必然要求縮小其中的電子器件封裝尺寸，同時提升電性能要求。為此，在半導體產業，從芯片制造到芯片封裝，均在尋求滿足這種發展趨勢的技術方案。在芯片制造領域，半導體產業沿著摩爾定律已經走過幾十年，使得單位面積上晶體管的密度大大增加。與此對應的是，晶體管密度的增加必然使得芯片單位面積的輸入/輸出端子個數增加，從而造成封裝工藝的難度日益加大，為此推出了不同封裝密度的封裝技術解決方案。從低密度的引線鍵合到倒裝鍵合技術，極大程度地滿足了芯片上輸入/輸出端子增加帶來的連接問題。
[0003]但是，隨著芯片特征尺寸的進一步縮小，芯片上輸入/輸出端子的節距朝著100微米以下尺寸發展(甚至到了 40微米)，這對倒裝封裝上凸塊結構的制造形成了巨大挑戰，因為在凸塊結構的制造工藝過程中，為了得到準確的凸塊尺寸結構，光刻與電鍍生長工藝是業界的標準工藝選擇，電鍍銅凸塊結構工藝需要金屬種子層用以導電。因芯片表面電極通常為鋁(或者鋁-銅、鋁-硅)材料，從材料學的考量，為了避免金屬鋁與銅的相互擴散，需要在鋁電極表面沉積一層具有阻擋金屬相互擴散與保障金屬之間良好連接的金屬層，該金屬層業內稱之為阻擋層，材質通常為金屬鈦或鈦鎢，常采用物理氣相沉積的方法成形。成形的凸塊結構與芯片的連接關系的局部剖面示意圖，如圖1所示，在凸塊結構500的現有成形過程中，通常采用濕法腐蝕方法去除無效的金屬鈦或鈦鎢，成形的阻擋層210 (鈦或鈦鎢)往往會形成一定量的側向縱深腐蝕(undercut)，如圖1中I區域所示，造成凸塊結構500中實際與芯片電極102連接面積減小，從而導致凸塊結構500在制造過程中掉落，影響產品終端的可靠性問題。隨著凸塊結構500尺寸的再進一步的縮小，這種影響會更加明顯。

【發明內容】

[0004]本發明專利的目的在于克服上述不足，提供一種無側向縱深腐蝕的高密度凸塊結構的制造方法。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:
本發明一種高密度凸塊結構的制造方法的方案一，其工藝步驟如下:
步驟一、取來料圓片，其芯片電極露出芯片表面鈍化層；
步驟二、清洗來料圓片；
步驟三、在清洗后的整個圓片上物理氣相沉積鈦或鈦鎢金屬層；
步驟四、對整個圓片涂布光刻膠，進行光刻工藝，在鈦或鈦鎢金屬層的表面形成光刻膠掩膜圖案，該光刻膠掩膜圖案遮掩不小于芯片電極上方的垂直區域的區域；
步驟五、借助光刻膠掩膜圖案對鈦或鈦鎢金屬層用腐蝕液進行腐蝕，去掉光刻膠掩膜圖案未覆蓋的鈦或鈦鎢金屬層，形成阻擋層，去除無用的光刻膠掩膜圖案；
步驟六、再在整個圓片上物理氣相沉積金屬銅層，為形成凸塊結構所需的金屬種子層，所述凸塊結構包括凸塊電鍍層及其上部的凸塊焊料層；
步驟七、涂布厚膜光刻膠，該光刻膠的厚度不小于后續成形的凸塊結構的高度；
步驟八、對光刻膠進行先曝光再顯影的方法形成高密度光刻膠開口陣列圖形，該光刻膠開口對應每一個芯片電極；
步驟九、在光刻膠開口區域內電鍍凸塊電鍍層及其上部的凸塊焊料層；
步驟十、去除剩余的厚膜光刻膠；
步驟十一、對凸塊電鍍層區域之外的金屬銅層進行腐蝕，形成金屬種子層；
步驟十二、所述凸塊焊料層進行回流形成弧形球冠狀的焊料凸點。
[0006]進一步地，所述阻擋層的成形區域不小于金屬種子層的成形區域。
[0007]本發明一種高密度凸塊結構的制造方法的方案二，其工藝步驟如下:
步驟一、取來料圓片，其芯片電極露出芯片表面鈍化層；
步驟二、清洗來料圓片；
步驟三、在清洗后的整個圓片的芯片電極上化學鍍鎳金屬，形成阻擋層；
步驟四、在整個圓片上物理氣相沉積金屬銅層，為形成凸塊結構所需的金屬種子層，所述凸塊結構包括凸塊電鍍層及其上部的凸塊焊料層；
步驟五、涂布厚膜光刻膠，該光刻膠的厚度不小于后續成形的凸塊結構的高度；
步驟六、對光刻膠進行先曝光再顯影的方法形成高密度光刻膠開口陣列圖形，該光刻膠開口對應每一個芯片電極；
步驟七、在光刻膠開口區域內電鍍凸塊電鍍層及其上部的凸塊焊料層；
步驟八、去除剩余的厚膜光刻膠；
步驟九、對凸塊電鍍層區域之外的金屬銅層進行腐蝕，形成金屬種子層；
步驟十、凸塊焊料層進行回流形成弧形球冠狀的焊料凸點。
[0008]進一步地，所述阻擋層的成形區域小于金屬種子層的成形區域。
[0009]相比與現有方案，本發明的有益效果是:
本發明通過采用先進的光刻工藝并從材料學出發尋找更合適的替換材料優化現有工藝流程，形成的凸塊結構克服了側向縱深腐蝕的缺陷，解決了高密度銅柱凸塊在制造過程中脫落問題，以及在后續使用中潛在的結構可靠性問題，有利于凸塊結構向尺寸更小、密度更高的方向發展。
【附圖說明】
[0010]圖1為現有凸塊結構與芯片連接關系的剖面示意圖；
圖2為本發明凸塊結構與芯片連接關系的實施例一的剖面示意圖；
圖3為圖2中本發明凸塊結構的制造方法的流程圖；
圖4為本發明凸塊結構與芯片連接關系的實施例二的剖面示意圖；
圖5為圖4中本發明凸塊結構的制造方法的流程圖；
圖中:
圓片100 芯片電極102 芯片表面鈍化層103 芯片表面鈍化層開口 1031 阻擋層220、230 金屬種子層310 凸塊結構500 凸塊電鍍層510 凸塊焊料層530。
【具體實施方式】
[0011]現在將在下文中參照附圖更加充分地描述本發明，在附圖中示出了本發明的示例性實施例，從而本公開將本發明的范圍充分地傳達給本領域的技術人員。然而，本發明可以以許多不同的形式實現，并且不應被解釋為限制于這里闡述的實施例。
[0012]實施例一，參見圖2和圖3
本發明一種高密度凸塊結構，最簡單的凸塊結構500以圖2中所示的為例，其包括凸塊電鍍層510及其頂部的凸塊焊料層530。在實際使用中，凸塊結構500的凸塊電鍍層510的材質可以包括但不限于金屬銅，凸塊電鍍層510的橫截面形狀可以是圓形，也可以是四邊形、六邊形等多邊形，其側面還可以裹有氧化層、絕緣層等結構。圓片100的一表面分布有芯片電極陣列，每一芯片電極102的上表面通過芯片表面鈍化層開口 1031露出芯片表面鈍化層103，一般地，芯片電極102的上表面會盡可能多地露出芯片表面鈍化層開口 1031，以提尚芯片電極102的利用率。
[0013]芯片表面鈍化層開口 1031內形成阻擋層220，該阻擋層220的材質為鈦或鈦鎢，其厚度一般小于0.3微米。阻擋層220既能很好地粘附于芯片表面鈍化層103的表面，又能阻止芯片電極102表面的金屬鋁原子與凸塊電鍍層510的金屬銅原子的相互擴散。一般地，阻擋層220的成形區域略大于芯片表面鈍化層開口 1031的區域，以確保芯片電極102被阻擋層220完整保護。在阻擋層220與凸塊結構500之間為金屬種子層310，其為凸塊結構500的凸塊電鍍層510成形的基礎層。金屬種子層310的成形區域不大于阻擋層220的成形區域。
[0014]本發明一種高密度凸塊結構的實施例一實現無側向縱深腐蝕的效果，需要對現有的工藝流程進行改進，參見圖3，本發明的整個制造過程是以圓片為單位進行的，其工藝流程具體如下:
步驟一:取來料圓片100，其芯片電極102露出芯片表面鈍化層103 ;
步驟二:清洗來料圓片100表面的灰塵、雜質等污物；
步驟三:在清洗后的整個圓片100上物理氣相沉積鈦或鈦鎢金屬層，其厚度一般小于
0.3微米；
步驟四、對整個圓片100涂布光刻膠，進行光刻工藝，在鈦或鈦鎢金屬層的表面形成光刻膠掩膜圖案，該光刻膠掩膜圖案遮掩芯片電極102上方的