TWI258195B - Bumped wafer structure - Google Patents

Description

1258195 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有凸塊之晶圓結構，且特別是有 關於一種能改善設置於晶圓銲墊與銲料凸塊間之球底金 屬層之接合強度之晶圓結構。 【先前技術】 在高度資訊化社會的今日，多媒體應用市場不斷地急 速擴張，積體電路封裝技術也隨之朝電子裝置的數位化、 網路化、區域連接化以及使用人性化的趨勢發展。為達成 上述的要求’電子元件必須配合高速處理化、多功能化、 積集化、小型輕量化及低價化等多方面之要求，也因此積 體電路封裝技術也跟著朝向微型化、高密度化發展。其中 球格陣列式構裝（Ball Grid Array，BGA )，晶片尺寸構裝 (Chip-Scale Package，CSP )，覆晶構裝（Flip Chip，F/C )， 多晶片模組（Multi-Chip Module，MCM )等高密度積體電 路封裝技術也因應而生。 其中覆晶構裝技術(Flip Chip Packaging Technology) 主要是利用面陣列（area array)的排列方式，將多個晶片銲 塾（bonding pad)配置於晶片（die)之主動表面（active surface) ’並在各個晶片銲墊上形成凸塊(bump)，接著再將 晶片翻面（flip)之後，利用晶片銲墊上的凸塊分別電性 (electrically)及機械（mechanically)連接至基板（substrate)或 印刷電路板(PCB)之表面所對應的接合塾加⑽价丨叩pad)。 1258195 再者，由於覆晶接合技術係可應用於高接腳數（High Pin =unt)之晶片封裝結構’並同時具有缩小封裂面積及縮短 訊號傳輸路徑等多項優點，所以覆晶接合技術目前已經廣 泛地應用在晶片封裝領域。 〃 而所謂的晶圓凸塊製程，則常見於覆晶技術(flip chip) 中主要係在形成有多個晶片的晶圓上對外的接點（通常是 金屬銲墊；亦即為晶圓銲墊)上形成球底金屬層（UBM， φ Under Bump Metallurgy Layer)，接著於球底金屬層之上形 成凸塊或植入銲球以作為後續晶片與基板(substrate)電性 導通之連接介面。 明參照圖1，係為習知之具有凸塊之晶圓結構剖面示 意圖。晶圓100之主動表面101上係具有保護層102及複 數個暴i各出保護層102之晶圓鮮墊1 〇4，另外於晶圓銲墊 上104形成有一球底金屬層1〇6，且球底金屬層1〇6上形 成有一銲料凸塊108。其中，球底金屬層1〇6係配置於晶 • 圓銲墊104與銲料凸塊1〇8之間，用以作為晶圓銲墊104 及在于料凸塊1 〇 8間之接合介面。 請再參考圖1，習知之球底金屬層1〇6主要包括黏著 層（adhesion layer) 106a、阻障層（barrier layer) 106b 及 潤濕層（wettable layer) 106c。黏著層i〇6a係用以增加晶 圓鮮墊104與阻障層l〇6b間之接合強度，其材質例如為 鋁或鈦等金屬。而阻障層l〇6b係用以防止阻障層i〇6b之 上下兩側的金屬發生擴散（diffusion)的現象，其常用材 質例如為鎳釩合金、鎳銅合金及鎳等金屬。另外，潤濕層 1258195 H)6C係用以增加球底金屬層1〇6對於鲜料凸塊⑽之沾附 力（wetability)，其常用材質包括銅等金屬。 值付注意的是如圖i所示，當球底金屬層1〇6之潤濕 層106c的組成成分包括銅時，在迴銲（RefJ〇w)過程期間， 由於紅料凸塊108之錫極易與潤濕層1〇6c之銅發生反應， 而生成介金屬化合物（inter_Metallic c〇mp()und，IMC)， 即CuAn5 ’進而在潤濕層1〇6c及銲料凸塊1〇8間反應生 • 成一介金屬化合物層（IMC layer)。此外，當球底金屬層 106之阻障層106b的組成成分主要包括鎳釩合金、鎳銅合 金及鎳金屬時，在迴銲過程期間，銲料凸塊1〇8之錫將先 與潤濕層106c之銅反應生成介金屬化合物，即Cu6Sn5， 接著銲料凸塊108之錫將再與阻障層1〇6b之鎳金屬粒子 反應生成另一種介金屬化合物，即Nig%4。值得注意的是， 由於銲料凸塊108之錫與阻障層106b之鎳於較長時間反 應下，所產生的介金屬化合物（即Nijn4)係為不連續之 • 塊狀結構，如此將使得銲料凸塊108易於從此處脫落（即黏 著層106a與阻障層10仉之介面處 因此，如何提供解決上述問題，實為本發明之重要課 題。 【發明内容】 有鑑於此，本發明之目的係在於提出一種具有適於配 置在晶圓銲墊與銲料凸塊間之球底金屬層之晶圓結構，以 使銲料凸塊中之錫金屬粒子與球底金屬層之反應速率變 1258195 緩並降低介金屬化合物（即Ni3Sn4)之生成速率減緩，以 解決銲料凸塊易於脫落之問題，故可長時間地維持銲料凸 塊與晶圓銲墊間之接合強度，進而提高具有凸塊之晶圓結 構及晶片封裝結構之使用壽命。 緣是，為達上述目的，本發明係提出一種具有適於配 置在晶圓銲墊與銲料凸塊間之球底金屬層之具有凸塊之 晶圓結構，其中銲料凸塊之材質係包含錫，且球底金屬層 至少具有：一黏著層，配置於晶圓銲墊上；一鈦銅合金層， 配置於黏著層上；一潤濕層，配置於鈦銅合金層上。其中， 鈦銅合金層可繼續與銲料凸塊中未與潤濕層完全反應之 錫金屬粒子反應，而形成Cu6Sn5介金屬化合物 (Inter-Metallic Compound，IMC)。由於此介金屬化合物 係為一連續面，故可避免銲料凸塊與球底金屬層在此破壞 脆裂（crack)。再者，由於鈦銅合金層亦會抑制銅與錫金屬 粒子之反應速率，故Cu6Sn5介金屬化合物之生成亦較為緩 φ 慢。 綜前所述，由於鈦銅合金層係用以取代原先之含鎳金 屬之鎳合金層，故可避免阻障層（即鈦銅合金層）與黏著層 之界面處反應生成不連續塊狀結構之介金屬化合物（即 Ni3Sn4) 〇如此，可提升晶圓結構於後續封裝製程及工作運 算時之可靠度。 【實施方式】 以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之具 1258195 有凸塊之晶圓結構。 請參考圖2，其顯示根據本發明之較佳實施例之具有 凸塊之晶圓結構的剖面示意圖。 晶圓200係具有保護層2〇2及晶圓銲墊204，且晶圓 銲墊204上係形成有一球底金屬層2〇6。其中，保護層2的 係配置於晶圓主動表面201上，用以保護晶圓200表面並 具有一開口使晶圓銲墊204暴露出；而球底金屬層則主要 瞻係由黏著層206a、阻障層206b及潤濕層206c所組成。當 晶圓銲墊204為鋁銲墊時，黏著層/阻障層/潤濕層較佳地 可為鋁/鈦銅合金/銅三層結構。而當晶圓銲墊2〇4為鋼銲 墊時，黏著層/阻障層/潤濕層較佳地可為鈦/鋁/鈦銅合金/ 銅四層結構。惟不論其黏著層、阻障層、潤濕層是由何材 料所組成，一般而言，黏著層之材質係選自於由鈦、鎢、 鈦鎢合金、鈦铭合金、鉻、銘所組成族群中之一種材質或 其組合；阻障層之材質係為鈦銅合金；而潤濕層之材質係選 φ 自於銅、鉻銅及銅合金所組成族群或其組合。其中，黏著 層、阻卩早層及潤濕層可利用減鍍之方式或電鑛之方式形成 之，保護層之材質可包含聚亞醯胺(polyimideji)或苯併 環丁稀（Benzocyclobutene，BCB)。 承上所述，由於銲料凸塊208係形成於潤濕層206c 上’即是所謂的銅、鉻銅或銅合金上，故銲料凸塊208迴 銲時，銲料凸塊208中之錫係先與潤濕層206c中之銅互相 反應，之後再往較下層之阻障層（即鈦銅合金層）2〇6b反 應。由於鈦銅合金層可繼續與銲料凸塊2〇8中未與潤濕層 1258195 206c完全反應之錫金屬粒子反應，而形成Cu6Sn5介金屬 化合物（Inter-Metallic Compound，IMC)。由於此介金屬 化合物係為一連續面，故可避免銲料凸塊與球底金屬層在 此破壞脆裂（crack)。再者，由於鈦銅合金層亦會抑制銅與 錫金屬粒子之反應速率，故Cu6Sn5介金屬化合物之生成亦 較為緩慢。 再者，由於鈦銅合金層係用以取代原先之含鎳金屬之 鎳合金層，故可避免阻障層（即鈦銅合金層）與黏著層之界 •面處反應生成不連續塊狀結構之介金屬化合物（即 Ni3Sn4) 〇如此，可提升晶圓結構於後續封裝製程及工作運 算時之可靠度。 由上可知，本發明之主要特徵係為形成一含鈦銅合金 之材質於與銲料凸塊相接合之球底金屬層中，以取代原先 之鎳釩合金層，故不會使銲料凸塊中之錫與球底金屬層於 較長時間反應下，在球底金屬層之其他下層結構中形成不 φ 連續之塊狀結構之介金屬化合物（即生成Ni3Sn4)，而降低 銲料凸塊與球底金屬層之接合強度。 於本實施例之詳細說明中所提出之具體的實施例僅 為了易於說明本發明之技術内容，而並非將本發明狹義地 限制於實施例，因此，在不超出本發明之精神及以下申請 專利範圍之情況，可作種種變化實施。 【圖式簡單說明】 圖1為習知之具有凸塊之晶圓結構剖面示意圖。 1258195 圖2為依照本發明較佳實施例之具有凸塊之晶圓結構 剖面示意圖。 元件符號說明： 100 ·晶圓 101:主動表面 102 :保護層 104 :晶圓銲墊 _ 106 :球底金屬層 106a:黏著層 106b:阻障層 106c:潤濕層 108 :銲料凸塊 200 ·晶囫 201:主動表面 _ 202 :保護層 204 :晶圓銲墊 206 :球底金屬層 206a:黏著層 206b:阻障層 206c:潤濕層 208 :銲料凸塊 11

Claims (1)

1258195 十、申請專利範圍： h —種具有凸塊之晶圓結構，包含： 一主動表面； 複數個晶圓銲墊，設置於該主動表面上； 保濩層，設置於該主動表面上且具有複數個開口暴 露出該等晶圓銲墊；及 複數個球底金屬層，係設置於該等晶圓銲墊上且每一 該等球底金屬層係分別包含一黏著層、一鈦銅合金 層與一潤濕層，該黏著層係與該晶圓銲墊連接，而 該鈦銅合金層係設置於該黏著層上，且該潤濕層係 設置於該鈦銅合金層上。 2·如申晴專利範圍帛i項戶斤述之具有凸塊之晶圓結構，其 中該黏著層之材質係選自於由鈦、鎢、鈦鎢合金、鉻、 鋁、鈦鋁合金所組成族群中之一種材質。 如申明專利^圍第丨項所述之具有凸塊之晶圓結構，更 形成一銲料凸塊於潤濕層上。 如申明專利範圍第i項所述之具有凸塊之晶圓結構，其 中該保護層之材質係包含聚亞醯胺(P〇lyimide，PI)。 5·如申請專利範圍第1項所述之具有凸塊之晶圓結構，其 中該保護層之材質係包含苯併環丁烯 12 1258195 (Benzocyclobutene，BCB)。 6. 如申請專利範圍第1項所述之具有凸塊之晶圓結構，其 中該黏著層係為鈦金屬層/铭金屬層兩層結構。 7. 如申請專利範圍第1項所述之具有凸塊之晶圓結構，其 中該潤濕層之材質係選自於由銅、鉻銅及銅合金所組成 族群中之一種材質。 13