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半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法與流程

文檔序號:12129203閱讀:448來源:國知局
半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法與流程

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域,特別是涉及一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法。



背景技術(shù):

晶圓級封裝(wafer level packaging,WLP)是芯片封裝方式的一種,它是在整片晶圓生產(chǎn)完成后,直接在晶圓上進(jìn)行封裝和測試,完成之后才切割制成單顆芯片,不需要經(jīng)過打線或者填膠。晶圓級封裝具有封裝尺寸小和封裝后電性能優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn),其還容易與晶圓制造和芯片組裝兼容,簡化生產(chǎn)過程,有利于控制成本。

隨著技術(shù)節(jié)點(diǎn)的不斷降低,銅柱凸塊封裝逐漸成為晶圓級封裝中最先進(jìn)的封裝形式,成為了40nm及40nm以下節(jié)點(diǎn)的芯片的主流封裝方式。相比其他封裝,這種封裝方式一方面能夠使得封裝后的芯片面積大幅減小,另一方面也能夠降低引線鍵合(wire bonding)所帶來的阻抗。

如圖1所示,利用銅柱凸塊進(jìn)行封裝的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括:

芯片,圖1中僅示出了芯片中的金屬互連結(jié)構(gòu),包括:

若干金屬層1和連接金屬層1的插塞3,金屬層1之間由介質(zhì)層(IMD)2隔離;

鋁層4,一端連接至金屬層1,另一端作為焊墊;

銅柱凸塊5,形成于所述焊墊上。

其中銅柱凸塊5采用電鍍形成,且涉及到對銅柱凸塊5進(jìn)行熱處理。然而,發(fā)明人發(fā)現(xiàn),這個熱處理過程產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超出芯片的抗拉強(qiáng)度,從而導(dǎo)致金屬層1、IMD層2或者插塞3斷裂,進(jìn)而導(dǎo)致芯片失效。例如,圖1中在插塞3處發(fā)生斷裂(通常將其稱為裂紋6)。

為了改善這種情況,如圖2所示,發(fā)明人嘗試在金屬互連層中加入鉸鏈層7,以增加各層之間的粘附力。然而,這雖然有助于防止產(chǎn)生裂紋,但卻引入其他 問題,比如,鉸鏈層7的增加會使得k值變高,使得寄生電容增大,影響芯片的響應(yīng)速度。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法,以降低銅柱凸塊封裝時易發(fā)生芯片失效的問題。

為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括:

前端芯片,包括金屬互連層;

位于所述前端芯片上的保護(hù)層;

位于所述保護(hù)層上的焊墊,所述焊墊與所述金屬互連層電連接;以及

位于所述焊墊上的銅柱凸塊,所述銅柱凸塊與所述焊墊電連接;

其中,所述保護(hù)層的強(qiáng)度小于所述前端芯片的強(qiáng)度。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述保護(hù)層的材質(zhì)包括碳氧化硅、碳氮氧化硅。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述保護(hù)層的厚度為

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),還包括一再分配層,所述再分配層一端貫穿所述保護(hù)層連接至金屬互連層,另一端與所述焊墊相連接。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述再分配層的材質(zhì)為鋁。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述焊墊是鋁焊墊。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),還包括一擴(kuò)散阻擋層,所述一擴(kuò)散阻擋層位于所述前端芯片與保護(hù)層之間。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述擴(kuò)散阻擋層的材質(zhì)是摻氮的碳化硅層。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),所述擴(kuò)散阻擋層的厚度為

相應(yīng)的,本發(fā)明提供一種如上所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,包括:

提供前端芯片,所述前端芯片形成有金屬互連層;

在所述前端芯片上形成一層保護(hù)層,所述保護(hù)層的強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片的強(qiáng)度;

在所述保護(hù)層上形成焊墊,并使得所述焊墊與所述金屬互連層相連接;

在所述焊墊上形成銅柱凸塊。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,采用CVD工藝形成所述保護(hù)層。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,在形成所述保護(hù)層之前,還包括:在所述前端芯片上形成一層擴(kuò)散阻擋層。

可選的,對于所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法,在所述保護(hù)層上形成焊墊,并使得所述焊墊與所述金屬互連層相連接包括:

利用刻蝕工藝形成貫穿所述保護(hù)層的通孔,暴露出金屬互連層;

形成焊墊及再分配層,所述再分配層的一端填充所述通孔并連接所述金屬互連層;另一端連接所述焊墊。

本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法,包括在形成有金屬互連層的前端芯片上形成保護(hù)層,在所述保護(hù)層上形成焊墊,所述焊墊與所述金屬互連層相連接;以及位于所述焊墊上的銅柱凸塊;其中,所述保護(hù)層的強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片的強(qiáng)度。與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明中由于保護(hù)層的引入,在發(fā)生應(yīng)力拉扯時,保護(hù)層可以起到釋放應(yīng)力的效果,而不破壞芯片的結(jié)構(gòu),保證芯片結(jié)構(gòu)的完整,同時芯片的功能也不受影響。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中另一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖;

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的流程流程圖;

圖5-7為本發(fā)明實(shí)施例中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在形成過程中的剖面示意圖;

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)釋放應(yīng)力時的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合示意圖對本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法進(jìn)行更詳細(xì)的描述,其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明,而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此,下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道,而并不作為對本發(fā)明的限制。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書,本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是,附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例,僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

本發(fā)明的核心思想是,在前端芯片與焊墊之間形成保護(hù)層,并且所述保護(hù)層的強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片的強(qiáng)度。從而由于保護(hù)層的引入,在發(fā)生應(yīng)力拉扯時,保護(hù)層可以起到釋放應(yīng)力的效果,而不破壞芯片的結(jié)構(gòu),保證芯片結(jié)構(gòu)的完整,同時芯片的功能也不受影響。

下面,請參考圖3-圖8,對本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法進(jìn)行詳細(xì)說明。其中圖3為本發(fā)明中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為本發(fā)明中的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的流程圖;圖5-7為本發(fā)明實(shí)施例中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在形成過程中的結(jié)構(gòu)示意圖;圖8為本發(fā)明實(shí)施例中半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)釋放應(yīng)力時的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖3所示,本發(fā)明提供的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),包括:

前端芯片10,包括有金屬互連層;

位于所述前端芯片10上的保護(hù)層106;

位于所述保護(hù)層106上的焊墊108,所述焊墊108與所述金屬互連層電連接;

位于所述焊墊108上的銅柱凸塊110;

其中,所述保護(hù)層106的強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片10的強(qiáng)度。所述強(qiáng)度即是指在外力作用下,材料或結(jié)構(gòu)抵抗破壞(永久變形和斷裂)的能力。本發(fā)明中由于引入強(qiáng)度小于或等于前端芯片的保護(hù)層,在發(fā)生應(yīng)力拉扯時,保護(hù)層可以起到釋放應(yīng)力的效果,而不破壞芯片的結(jié)構(gòu),保證芯片結(jié)構(gòu)的完整,同時芯片的功能也不受影響。

在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中,所述保護(hù)層106的材質(zhì)包括碳氧化硅、碳氮氧化硅等,其強(qiáng)度具體小于或等于前端芯片10中的金屬間介質(zhì)層102、金屬層101以及插塞103等,從而當(dāng)受到拉應(yīng)力時,斷裂會在保護(hù)層106中發(fā)生,從而釋放應(yīng)力,為了獲得較好的效果,所述保護(hù)層106的厚度為例如等。由圖3可見,由于保護(hù)層106處于前端芯片10的外部,也就是說利用這一保護(hù)層106將應(yīng)力阻擋在芯片外,防止了應(yīng)力對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的破壞。

請繼續(xù)參考圖3,所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括一再分配層(RDL,其材質(zhì)為鋁)107,所述再分配層107一端貫穿所述保護(hù)層106連接至金屬互連層,另一端與所述焊墊(例如材質(zhì)為鋁)108相連接。再分配層107能夠使得焊墊108與金屬層(例如材質(zhì)為銅)101之間形成較好的連接。

在所述前端芯片10與保護(hù)層106之間還包括一擴(kuò)散阻擋層105,所述擴(kuò)散阻擋層105例如是一摻氮的碳化硅層,所述擴(kuò)散阻擋層105可以有效防止金屬鋁的擴(kuò)散,此外,所述擴(kuò)散阻擋層105也可以歸為保護(hù)層106的一部分,即可以是保護(hù)層106與擴(kuò)散阻擋層105共同作為阻擋應(yīng)力拉扯的層。優(yōu)選的,所述擴(kuò)散阻擋層105的厚度為例如等。

下面對所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法進(jìn)行介紹。請參考圖4,該方法包括:

首先,執(zhí)行步驟S101,提供前端芯片10,所述前端芯片10形成有金屬互連層。具體的,前端芯片10包括襯底、形成于所述襯底上的器件層(例如CMOS結(jié)構(gòu))以及形成于襯底上并與器件層電連接的金屬互連層。所述金屬互連層例如是包括若干金屬層以及連接若干金屬層的插塞,金屬層之間通過金屬間介質(zhì)層進(jìn)行隔離,圖5中示出了兩層金屬層101及連接金屬層101的插塞103以作示意,在金屬互連層之間填充有金屬間介質(zhì)層102,金屬互連層上形成有鈍化層104。所述前端芯片101的形成過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知,在此不再詳細(xì)說明。當(dāng)然了,由于本發(fā)明提供的方法能夠解決前端芯片10內(nèi)部斷裂的問題,就不需要引入鉸鏈層。

接著,請參考圖6,執(zhí)行步驟S102,在所述前端芯片10上形成一層保護(hù)層106,所述保護(hù)層106的強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片10的強(qiáng)度。較佳的,本發(fā)明中,先在鈍化層104上形成一層擴(kuò)散阻擋層105,用作防止金屬的擴(kuò)散。所述擴(kuò)散阻擋層105例如是一摻氮的碳化硅層,其厚度為例如等。之后在擴(kuò)散阻擋層105上形成所述保護(hù)層106,例如可以采用CVD工藝形成所述保護(hù)層106,所述保護(hù)層106的材質(zhì)例如可以是碳氧化硅、碳氮氧化硅等,厚度為例如等。在實(shí)際生產(chǎn)中,可以依據(jù)實(shí)際芯片的制程需要,對保護(hù)層106的材質(zhì)、厚度等進(jìn)行選擇,以及,可以更改保護(hù)層106的形成結(jié)構(gòu),例如考慮到拉應(yīng)力主要集中在銅柱凸塊110下方, 可以將保護(hù)層106僅形成在對應(yīng)銅柱凸塊110的區(qū)域。

之后,請參考圖7,執(zhí)行步驟S103,在所述保護(hù)層106上形成焊墊108,并使得所述焊墊108與所述金屬互連層相連接。具體的,先形成鈍化層109,然后利用刻蝕工藝對鈍化層109進(jìn)行開口,并形成貫穿所述保護(hù)層106、擴(kuò)散阻擋層105及鈍化層104的通孔,暴露出金屬互連層;在鈍化層109中形成焊墊108及再分配層107,所述再分配層107的一端填充所述通孔并連接所述金屬互連層;另一端連接所述焊墊108。本步驟可以按照現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行,本發(fā)明對此不再詳述。

最后,執(zhí)行步驟S104,請參考圖3,在所述焊墊108上形成銅柱凸塊110。例如,利用電鍍工藝形成,其中涉及到熱處理過程。本步驟為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉,故不進(jìn)行詳述。

為了更了解本發(fā)明保護(hù)層的作用,下面請參考圖8,由于銅柱凸塊110在電鍍形成時需要進(jìn)行熱處理以及在后續(xù)的封裝使用過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,銅柱凸塊110正下方區(qū)域是所受拉扯力度最大的區(qū)域,很容易產(chǎn)生裂紋。而本發(fā)明中引入的保護(hù)層106,由于強(qiáng)度小于或等于所述前端芯片10的強(qiáng)度,因此作為了承受應(yīng)力作用的結(jié)構(gòu),發(fā)生斷裂,產(chǎn)生裂紋111。那么由于保護(hù)層106的斷裂,很好的釋放了拉應(yīng)力,另外由圖8也可看出,擴(kuò)散阻擋層105也會產(chǎn)生裂紋111,因而能夠進(jìn)一步的完成應(yīng)力釋放。因此,本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)能夠有效避免對前端芯片10的影響,從而保證芯片結(jié)構(gòu)的完整,同時芯片的功能也不受影響。

顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣,倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。

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