一种凸点下金属化层构件及制备方法技术

本发明专利技术提供一种凸点下金属化层构件及制备方法，所述构件包括：位于半导体衬底金属焊盘上方的第一层金属、位于所述第一层金属上方的第二层金属、位于所述第二层金属上方的第三层金属，其中所述第二层金属与所述第三层金属经过金属热处理工艺后，形成第二层金属与第三层金属的合金层；位于所述合金层上方的第四层金属。还公开了凸点下金属化层的制备方法。本发明专利技术公开的凸点下金属化层(UBM)构件简单、制备方法便捷，且能明显抑制界面处Cu‑Sn‑Zn金属间化合物的生长，并能显著提高UBM层焊料连接的抗冲击性能和电子器件可靠性，最优情况下能延长电子元器件一倍以上的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体制造，具体而言，涉及半导体器件中凸点下金属化层构件及其制备方法。
技术介绍
倒装芯片技术的进步大幅降低了电子封装工业的成本、显著提高了其可靠性和产量。倒装芯片互连技术是将集成电路芯片的有源面朝向基板，与载体或基板相连接。通过将芯片上的凸点结构与键合材料(一般在基板上)相连形成的电连接来实现芯片I/O与基板间的互连。倒装芯片的基本结构有IC或芯片、互连系统和基板组成。其中，互连系统可以细分为四个功能区：凸点下金属化层(UBM)，芯片凸点、凸点与基板金属层的键合材料，包封剂，基板金属层。UBM层是凸点金属层和芯片表面金属层之间的过渡层。大多数UBM层结构包含多个金属或金属合金层，一般包括粘附层、阻挡层和润湿，UBM用作衬底焊盘与焊料凸点之间的电气和机械连接。中国专利CN102456653B公开了【凸点下金属化层(UBM)结构及其形成方法】，此专利提供了一种半导体器件中的凸点下金属化层(UBM)结构，该结构包括铜层、镍层、以及在该铜层和镍层之间的Cu-Ni-Sn金属间化合物(IMC)层。该专利技术通过生成Cu-Ni-SnIMC层以减慢或限制UBM溶解以便减缓早期EM失效。中国专利CN101894814B公开了【焊料凸块UBM结构】，本专利技术公开了一种包括形成在芯片接合垫上的多个金属或金属合金层的凸块下金属化结构。因为基于铜的层的厚度被降低到大约0.3微米和10微米之间，优选在大约0.3微米和2微米之间，因此所公开的UBM结构具有对半导体器件上的应力改善。中国专利CN102456657B公开了【具有底部凸块金属化(UBM)结构的半导体器件及其形成方法】，本专利技术为了解决执行UBM的蚀刻中引发的问题，提出了焊料凸块下方且电连接至焊料凸块的UBM(底部凸块金属化)结构。该UBM结构包括具有第一截面尺寸d1的第一金属化层、形成在第一金属化层上的具有第二截面尺寸d2的第二金属化层和形成在第二金属化层上的具有第三截面尺寸d3的第三金属化层，其中，d1大于d3，d3大于d2。在芯片使用过程中产生的热量或者在再回流焊过程中产生的热量，会促使焊料凸点里的锡与UBM层中的Cu发生扩散，最终在界面生成Cu-Sn金属间化合物。金属间化合物具有本征脆性，而且在焊点的时效过程和产品服役过程中，金属间化合物会随着时效时间等其他因素逐渐变厚，过厚的金属间化合物可能会造成界面断裂而影响焊点界面处性能，最终可能导致整个电子器件可靠性问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述现有技术存在的问题和不足，提供一种半导体器件中的凸点下金属化层构件及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种凸点下金属化层构件包括：位于半导体衬底金属焊盘上方的第一层金属为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氧化钛(TiOx)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)中的任一种或它们中的任一比例的多种、位于所述第一层金属上方的第二层金属为Cu、位于所述第二层金属上方的第三层金属为Zn，其中所述第二层金属与所述第三层金属经过金属热处理工艺后，形成第二层金属与第三层金属的Cu-Zn合金层；位于所述合金层上方的第四层金属为纯锡或锡合金。优选地，所述第一层金属为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氧化钛(TiOx)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)中的一种或它们任意比例的多种，厚度为0.1-0.3μm。优选地，所述第二层金属Cu的厚度为1-10μm。优选地，所述第三层金属Zn的厚度为0.2-2μm。优选地，第三层金属Zn的质量分数小于等于所述Cu的质量分数的20％。优选地，所述第二层金属与第三层金属形成的Cu-Zn合金层的厚度为1.2-12μm。优选地，所述的金属热处理工艺为热扩散渗锌法，热扩散温度为390-400℃，热扩散时间为20-40s。本专利技术的一种凸点下金属化层构件的制备方法，包括以下步骤：1、提供半导体衬底，所述半导体衬底至少有一个金属焊盘区；2、覆盖所述半导体衬底和所述的金属焊盘形成钝化层；3、覆盖所述钝化层上方形成电介质层；4、覆盖所述电介质层上方形成掩膜层，将所述掩膜层和电介质层开口从而暴露出上述钝化层，形成具有开口的掩膜层和电介质层；5、将上述暴露出的钝化层刻蚀，从而暴露出部分所述金属焊盘；6、在所述的暴露出的部分金属焊盘和部分钝化层上生长第一层金属；7、在所述第一层金属上生长出第二层金属；8、在所述第二层金属上生长第三层金属；9、去除所述掩膜层；10、将上述第二层金属与第三层金属采用金属热处理工艺，形成第二层金属与第三层金属的合金层；11、在上述的第二层金属与第三层金属的合金层上生长出第四层金属；12、形成覆盖所述第四层金属的焊料材料层；13、对所述焊料材料层进行热回流处理形成焊料凸点。优选地，第一层金属为钛(Ti)、氮化钛(TiN)、氧化钛(TiOx)、钽(Ta)、氮化钽(TaN)等中的一种或它们任意比例的多种，第二层金属为Cu，第三层金属为Zn，所述第一层金属厚度为0.1-0.3μm，所述Cu层厚度为1-10μm，所述Zn层厚度为0.2-2μm。优选地，第三层金属Zn的质量分数小于等于所述Cu的质量分数的20％。优选地，第二层金属与第三层金属的合金层为Cu-Zn合金，Cu-Zn合金层的厚度为1.2-12μm。优选地，所述第二层金属与第三层金属采用的金属热处理工艺为热扩散渗锌法，热扩散温度为390-400℃，热扩散时间为20-40s。优选地，所述焊料凸点为无铅焊接材料。与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果主要是：本专利技术结构简单、制备方法便捷。本专利技术通过金属热处理工艺将第三层金属Zn扩散到第二层金属Cu中，能明显减少焊料凸点与Cu层间产生的金属间化合物，显著提高了UBM层的塑性和抗冲击性能，从而提高了焊料凸点与Cu形成的微互连焊点间的可靠性，最优情况下能延长电子元器件一倍以上的使用寿命。附图说明图6为本专利技术的一种实施例的UBM层构件示意图。图1-图6为本专利技术的一种实施例的UBM层制备工艺流程示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。图1-图6为本专利技术的一种实施例的UBM层制备工艺流程示意图。应当理解，本实施例中所提供的示意图仅说明本专利技术的基本构想，因此，图中仅显示与本专利技术有关的组件，并没有根据实际实施的组件数量、形状与尺寸绘制，其实际实施时各组件的数量、形状与尺寸可为一种随意的改变。参见图1，在半导体衬底101上表面有金属焊盘103，金属焊盘103通常是由导电材料形成的，如铝、铜、铜合金、或其他导电材料，金属焊盘103还可以由其他材料比如银、镍、金、钨或前述的合金形成，这些材料可由任何常规手段制作而成。半导体衬底可为半导体材料中的任一种，该材料可以为体硅衬底、半导体晶片、绝缘体上的硅衬底，也可以是包括族III、族IV和族V元素的其他半导体材料。半导体加工工艺包括添加工艺，移除工艺，热处理工艺以及图形化工艺等。在半导体衬底101表面可以形成各种微电子器件包括电阻、电容、二极管、双极型晶体管以及金属氧化物半导体场效应晶体管等其他元器件。可采用各种工艺获得微电子器件，其中包括栅极氧化物层的生长、多晶硅沉积、光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凸点下金属化层构件，其特征在于包括：位于半导体衬底金属焊盘上方的第一层金属；位于所述第一层金属上方的第二层金属；位于所述第二层金属上方的第三层金属，其中所述第二层金属与所述第三层金属经过金属热处理工艺后，形成第二层金属与第三层金属的合金层；位于所述合金金属层上方的第四层金属，其中所述第四层金属由纯锡或锡合金构成，并且与采用丝网印刷和焊料球滴中的一种沉积的焊料凸点接触。

【技术特征摘要】
1.一种凸点下金属化层构件，其特征在于包括：位于半导体衬底金属焊盘上方的第一层金属；位于所述第一层金属上方的第二层金属；位于所述第二层金属上方的第三层金属，其中所述第二层金属与所述第三层金属经过金属热处理工艺后，形成第二层金属与第三层金属的合金层；位于所述合金金属层上方的第四层金属，其中所述第四层金属由纯锡或锡合金构成，并且与采用丝网印刷和焊料球滴中的一种沉积的焊料凸点接触。2.根据权利要求1所述的凸点下金属化层构件，其特征在于：所述第一层金属为钛、氮化钛、氧化钛、钽、氮化钽中的一种或任意比例的多种，其厚度为0.1-0.3μm。3.根据权利要求1所述的凸点下金属化层构件，其特征在于：所述第二层金属为Cu，其厚度为1-10μm。4.根据权利要求1所述的凸点下金属化层构件，其特征在于：所述第三层金属为Zn，其质量分数小于等于所述Cu的质量分数的20％，所述的Zn厚度为0.2-2μm。5.根据权利要求1所述的凸点下金属化层构件，其特征在于：所述第二层金属与第三层金属经过金属热处理工艺形成的合金层为Cu-Zn合金，Cu-Zn合金层的厚度为1.2-12μm。6.一种如权利要求1-5任一项所述的凸点下金属化层构件的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤江，李东洋，黄瑛，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32