专利名称：封装组件及其形成方法
技术领域：
本发明涉及封装组件的制造，更具体地，涉及用于半导体器件的封装组件的制造。
背景技术：
现代集成线路由上百万个有源器件(诸如晶体管和电容器)构成。这些器件开始时彼此隔离，但之后互连在一起来形成功能电路。典型的互连结构包括诸如金属线(配线)的横向互连以及诸如通孔和接触的垂直互连。现代集成线路的性能与密度越来越受到互连的制约。在互连结构的顶部上，在各个管芯的表面上形成并露出接合焊盘。通过接合焊盘进行电连接以将管芯连接至封装衬底或另一管芯。接合焊盘可用于引线接合或倒装接合。倒装封装采用凸块来在管芯的输入/输出(I/o)板与衬底或封装的引线框之间建立电接触。从结构上来说，凸块实际包括凸块本身以及位于凸块与I/o板之间的“凸块下金属层”(UBM)。目前，晶圆级管芯规模封装(WLCSP)因其成本低且具有相对简单的工艺而被广泛应用。在典型的WLCSP中，诸如再分布线(RDL)的后钝化互连(PPI)线形成在钝化层上，随后形成聚合物薄膜及凸块。在WLCSP技术中采用焊球置放或焊球滴落(ball drop)工艺，但焊球滴落性能仍然存在问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种封装组件，包括通过互连接合结构电连接至衬底的半导体管芯:其中，半导体管芯包括上覆半导体衬底的凸块以及上覆半导体衬底并与凸块的第一部分物理接触的模塑料层；其中，衬底包括位于导电区域上的不流动底部填充层；以及其中，凸块的第二部分与不流动底部填充层物理接触以形成互连接合结构。优选地，凸块是焊料凸块。优选地，凸块电连接至导电区域。优选地，凸块的第二部分从模塑料层的顶面突出。优选地，半导体管芯还包括位于半导体衬底与模塑料层之间的后钝化互连(PPI)层。优选地，半导体管芯还包括位于PPI层与模塑料层之间的聚合物层。优选地，半导体管芯还包括位于PPI层与半导体衬底之间的聚合物层。优选地，凸块是直径大于200 μ m的焊料凸块。根据本发明的另一方面，提供了一种形成封装组件的方法，包括:在衬底上形成不流动底部填充层；以及将半导体管芯附接至衬底， 其中，半导体管芯包括凸块以及与凸块的下部物理接触的模塑料层；并且凸块的上部与不流动底部填充层物理接触。优选地，模塑料层通过涂覆液态模塑料材料并固化液态模塑料材料来形成。优选地，衬底包括导电区域以及不流动底部填充层形成在导电区域上。优选地，凸块的上部电连接至衬底的导电区域。优选地，凸块为直径大于200 μ m的焊料凸块。根据本发明的又一方面，提供了一种形成封装组件的方法，包括:在第一衬底上形成凸块；在第一衬底上形成模塑料层，模塑料层与凸块的下部物理接触；在第二衬底上形成不流动底部填充层；以及将第一衬底附接至第二衬底，其中，第二衬底包括位于导电区域上的不流动底部填充层；其中，凸块的上部与不流动底部填充层物理接触并电连接导电区域，以在第一衬底与第二衬底之间形成互连接合结构。优选地，形成模塑料层的步骤包括:在凸块的上方涂覆液态模塑料材料；施加压力，以使液态模塑料材料的顶面低于凸块的上部；以及固化液态模塑料材料。优选地，第一衬底包括半导体衬底。优选地，该方法还包括:在形成凸块和模塑料层之前，在第一衬底上形成后钝化互连(PPI)层。优选地，该方法还包括:在形成凸块和模塑料层之前，在PPI层上形成聚合物层。优选地，该方法还包括:在形成PPI层之前，在第一衬底上形成聚合物层。优选地，凸块为直径大于200 μ m的焊料凸块。
图1至图5是根据示例性实施例的处于半导体器件的形成方法的各个中间阶段的半导体管芯的截面图；图6是根据示例性实施例的封装衬底的截面图；以及图7是根据示例性实施例的封装组件的截面图。
具体实施例方式以下详细讨论本公开实施例的制造和使用。然而，应该理解，实施例提供了许多可以在各种特定环境下具体化的可应用发明概念。所讨论的特定实施例仅仅是制造和使用实施例的具体方式，并未限制本公开的范围。本文所描述的实施例涉及半导体器件使用的凸块结构的利用。如下面将要讨论的，实施例公开了采用凸块结构，用于将一个衬底附接至另一衬底，其中，每个衬底都可以是管芯、晶圆、中介衬底、印刷电路板、封装衬底等，从而允许以下附接:管芯与管芯、晶圆与管芯、晶圆与晶圆、管芯或晶圆与中介衬底或印刷电路板或封装衬底等。在各附图及所示实施例中，类似的参考标号用于表示类似的元件。现在详细参考附图所示的示例性实施例。在任何可能的情况下，在附图和说明书中使用相同的参考标号来表示相同或类似的部分。在附图中，为了清楚和方便，可以夸大形状和厚度。该说明书具体涉及形成根据本公开的装置的一部分或者更加直接地与根据本公开的装置协作的元件。应该理解，未明确示出或描述的元件可采用本领域技术人员公知的各种形式。此外，当一个层被称为在另一层上或在衬底上时，它可以直接位于另一层或衬底上，或者它们中间可能存在中介层。 该说明书中的“ 一个实施例”或“实施例”是指结合实施例描述的特定部件、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，该说明书中出现的术语“在一个实施例中”或“在实施例中”不是必须都指同一实施例。此外，特定部件、结构或特性可在一个或多个实施例中以任何合适的方式相结合。应该理解，以下附图没有按比例绘制；相反，这些附图仅用于说明。图1至图5是根据一些实施例的处于半导体器件的形成方法的各个中间阶段的半导体管芯的截面图。首先，参照图1，半导体衬底102包括衬底10、电路12、层间介电(ILD)层14、金属间介电(IMD)层16和相关金属层。根据一些实施例,不出了具有形成于其上的电路12的衬底10的一部分。例如,衬底10可以包括掺杂或未掺杂的体硅或者绝缘体上半导体(SOI)衬底的有源层。衬底10可设置为晶圆级规模或芯片级规模。还可以使用其他衬底，诸如多层或梯度衬底。形成在衬底10上的电路12可以是适用于特定应用的任何类型的电路。在一些实施例中，电路12包括形成在衬底10上的电器件，电器件上覆有一个或多个介电层。可以在介电层之间形成金属层以在电器件之间路由电信号。电器件也可以形成在一个或多个介电层中。例如，电路12可以包括各种N型金属氧化物半导体(NMOS)或P型金属氧化物半导体(PMOS)器件，例如晶体管、电容器、电阻器、二极管、光电二极管、熔丝等，它们进行互连以实现一种或多种功能。功能可以包括存储结构、处理结构、传感器、放大器、配电、输入/输出电路等。本领域的技术人员可以理解，上述实例仅仅是示意性的目的来进一步解释一些实施例的应用，而不以任何方式限制本公开。其他电路可适合于给定应用。通过任何适当的方法(诸如旋涂、化学汽相沉积(CVD)和/或等离子体增强CVD(PECVD))，ILD层14可以由例如低K介电材料形成，诸如磷硅酸玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)、氟硅酸盐玻璃(FSG)、SiOxCy、旋涂玻璃、旋涂聚合物、硅碳材料、它们的化合物、它们的合成物、它们的组合等。在一些实施例中，ILD层14可包括多个介电层。可通过ILD层14形成接触件(未示出)以提供与电路12的电连接。一个或多个金属间介电(MD)层16和相关联的金属层可以形成在ILD层14的上方。一般来说，一个或多个MD层16和相关联的金属层(诸如金属线18和通孔19)用于使电路12彼此互连以及提供外部电连接。MD层16可以由低K电介质材料形成，诸如通过PECVD技术或由高密度等离子体CVD(HDPCVD)等形成的FSG，并且可以包括中间蚀刻停止层。在一些实施例中，一个或多个蚀刻停止层(未示出)可位于相邻的介电层之间，例如在ILD层14与IMD层16之间。一般来说，蚀刻停止层提供了在形成通孔和/或接触件时停止蚀刻工艺的机制。蚀刻停止层由具有与相邻层(例如，下面的半导体衬底10、上覆ILD层114和上覆MD层16)不同的蚀刻选择性的电介质材料形成。在一些实施例中，蚀刻停止层可由通过CVD或PECVD技术沉积的SiN、SiCN, SiCO, CN、它们的组合等来形成。在一些实施例中，金属化层(包括金属线18和通孔19)可由铜或铜合金或其他金属形成。此外，金属化层包括顶部金属层20，其在最上面的MD层中或之上形成并图案化，以提供外部电连接并保护下面的层免受各种环境污染。在一些实施例中，最上面的MD层由电介质材料形成，诸如氮化硅、氧化硅、未掺杂硅玻璃等。在后面的附图中，没有示出半导体衬底10、电路12、 ILD层14以及金属化层18和通孔19。在一些实施例中，顶部金属层20被形成为最上面的MD层上的顶部金属化层的一部分。
此后，接触焊盘104被形成并图案化以接触顶部金属层20，或者可选地通过通孔电连接至顶部金属层20。在一些实施例中，接触焊盘104由铝、铝铜、铝合金、铜、铜合金等形成。在接触焊盘104的上方形成并图案化一个或多个钝化层(诸如钝化层106)。在一些实施例中，钝化层106可以通过任何适当的方法(诸如CVD、PVD等)由电介质材料形成，诸如未掺杂硅酸盐玻璃(USG)、氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或非多孔材料。钝化层106被形成为覆盖接触焊盘104的外围部分，并通过钝化层106中的开口露出接触焊盘104的中央部分。钝化层106可以为单层或叠层。在图1中，为了示意的目的，仅示出接触焊盘104和钝化层106的单层。如此，其他实施例可包括任意数量的导电层和/或钝化层。接下来，在钝化层106的上方形成并图案化第一保护层108。在一些实施例中，第一保护层108可以为例如聚合物层，其被图案化以形成开口 109，通过该开口露出接触焊盘104。在一些实施例中，聚合物层由聚合物材料形成，诸如环氧树脂、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)等，尽管还可以使用其他相对较软、通常为有机的电介质材料。形成方法包括涂涂或其他方法。第一保护层108的厚度在大约I μ m到大约10 μ m之间的范围内。例如，厚度在大约5 μ m到大约8 μ m之间。参考图2，至少一个金属化层110形成在第一保护层108上并填充开口 109。金属化层被图案化为互连层，其电连接至接触焊盘104并且可以露出下面的第一保护层108的一部分。在至少一个实施例中，互连层110是后钝化互连(PPI)层110，其还可用作电源线、再分布线(RDL)、电感器、电容器或任何无源部件。PPI层110包括互连线区域IlOA和接合焊盘区域110B。在一些实施例中，互连线区域IlOA和接合焊盘区域IlOB可以同时形成，并且可由相同的传导材料形成。在后续工艺中，凸块部件可以形成在接合焊盘区域IlOB的上方并电连接至接合焊盘区域110B。在一些实施例中，使用电镀、无电镀、溅射、化学汽相沉积方法等，PPI层110包括铜、铝、铜合金或其他可变导电材料。在一些实施例中，PPI层110包括铜层或铜合金层。在图2的实施例中，接合区域IlOB并不是直接位于接触焊盘104之上。在其他实施例中，通过PPI层110的布线，接合焊盘区域IlOB直接位于接触焊盘104上方。参考图2，第二保护层112随后形成在PPI层110上。使用光刻和/或蚀刻工艺，第二保护层112被图案化以形成露出PPI层110的接合焊盘区域IlOB的至少一部分的开口113。开口 113的形成方法可包括光刻、干或湿蚀刻、激光钻孔等。在一些实施例中，第二保护层112由聚合物层形成，例如环氧树脂、聚酰亚胺、苯并环丁烯(BCB)、聚苯并恶唑(PBO)等，尽管还可以使用其他相对较软、通常为有机的电介质材料。在一些实施例中，第二保护层112由选自未掺杂娃酸盐玻璃(USG)、氮化娃、氮氧化娃、氧化娃和它们的组合的非有机材料形成。如图3所示，凸块下金属化层(UBM) 114形成在接合焊盘区域IlOB的所露部分上。UBM层114被形成以电连接至PPI层110。在一些实施例中，UBM层114可延伸至第二保护层112的表面。UBM层114的形成方法包括光刻胶涂覆、光刻、湿或干蚀刻等。在一些实施例中，UBM层114包括至少一个金属化层，其包括钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)JH (Cu)、铜合金、镍(Ni)、锡(Sn)、金(Au)或它们的组合。在一些实施例中，UBM层114包括至少一个含钛层和至少一个含铜层。如图4所示， 凸块118形成在UBM层114上。凸块118可以是焊料凸块、Cu凸块或包含Ni或Au的金属凸块。在一些实施例中，凸块118是通过将焊球附接至UBM层114然后热回流焊料材料所形成的焊料凸块。在一个实施例中，焊料凸块的直径大于200μπι。在一些实施例中，焊料凸块包括无铅预焊层、SnAg或者包含锡、铅、银、铜、镍、铋或它们的组合的合金的焊料材料。在一些实施例中，焊料凸块使用光刻技术和随后的回流工艺通过电镀焊料层来形成。接下来，如图5所示，模塑料层116被涂覆在第二保护层112上，其中，凸块118部分埋入模塑料层116。在一些实施例中，模塑料层116与凸块118的底部物理接触，而凸块118的上部露出并从模塑料层116的表面116Α突出。在一些实施例中，凸块118的顶部118Τ高于模制化合层116的顶面116Α。在一些实施例中，凸块118在回流之后没有抛光，并且在模塑料层116的顶面116Α上方的凸块118的顶部118Τ可以仍然保留为具有类圆轮廓。模塑料层116可以与第二保护层112和/或UBM层114物理接触。在一些实施例中，埋入模塑料层116的凸块118的高度Hl可以在凸块118的总高度Η2的约1/4至3/4之间。在至少一个实施例中，通过涂覆液态膜塑料并执行固化工艺以固化和凝固液态膜塑料来形成模塑料层116。在一些实施例中，可以在液态模塑料层116上涂覆隔离膜(release film)或软材料。在液态化合物层上的隔离膜上施加压力，使得部分凸块118被按入隔离薄膜中。此外，施加在隔离膜上的压力可推动一些液态模塑料向下。在向隔离膜施加压力朝向凸块和模塑料推动时，可执行固化以固化和凝固液态模塑料。在固化之后，凸块118的顶部118T低于模塑料层116的顶面116A。其后，从现在为固态形式的模塑料层116上剥离隔离膜。然后，蚀刻残留于凸块118的顶部118T的模塑料层116。在所得到的结构中，模塑料层116被形成为具有埋入其中的部分凸块118。在凸块形成之后，例如，可以形成密封剂，可以执行分离工艺以分割各个管芯100并且可以执行晶圆级或管芯级堆叠等。实施例可用于多种不同的情况。例如，实施例可用于管芯-管芯结构、管芯-晶圆接合结构、晶圆-晶圆接合结构、管芯级封装、晶圆级封装等。在一些实施例中，图5所示半导体管芯100上下翻转并附接至图6所示另一衬底200。图6是根据示例性实施例的封装衬底的截面图。在一些实施例中，衬底200可以是封装衬底、板(例如，印刷电路板(PCB))、晶圆、管芯、中介衬底或其他适当的衬底。半导体管芯100的凸块118可通过各种导电附接点而电连接至衬底200。例如，可以在衬底200上形成并图案化导电区域202。导电区域202是接触焊盘或部分导线，其通过掩模层204中的开口露出。在一些实施例中，掩模层204是在衬底200上形成并图案化的阻焊层以露出导电区域202。掩模层204具有掩模开口，其提供用于焊接的窗口。在至少一个实施例中，在将半导体管芯100安装至衬底200之前，不流动底部填充(no-floff underfill) (NUF)层206可形成在掩模层204的窗口内的导电区域202上。NUF材料将底部填充与焊剂组合到单一材料中作为混合底部填充焊剂。NUF层206可用作用于焊料回流的焊剂并在强化互连的回流循环期间形成固体。使用NUF材料显著减少了成本，因为其减少了用于将半导体管芯100结合至衬底200的工艺步骤的数量以及增加了工艺的产量。在一些实施例中，不流动底部填充材料使用旋涂、分配或层压而沉积在导电区域202上。NSF材料可以是具有高热膨胀系数(CTE)和高玻璃转变温度的环氧树脂。NFU材料的沉积量可控制于覆盖导电区域202的大部并露出掩模层204的剩余部分的厚度。图7是示出封装组件的示例性实施例的截面图。 在一些实施例中，半导体管芯100可以电连接至衬底200，其中，凸块118与NUF层206物理接触并电连接至导电区域202，以在管芯100与衬底200之间形成互连的接合结构208。在一些实施例中，凸块118的上部与NUF层206物理接触，并且凸块118的顶部118T电连接至导电区域202。例如，通过加热衬底200，在衬底上分配NUF层206，在NUF层206上/中定位半导体管芯100的凸块118，然后使用热压缩接合工艺来回流并将管芯100附接至衬底200，半导体管芯100可以附接至衬底200。在回流期间，埋入NUF层206中的焊剂活跃并允许焊料凸块回流来形成互连的接合结构208。在回流之后，可以执行底部填充的进一步固化。因此，半导体管芯100、互连的接合结构208和衬底200完成为封装组件300，或者在本实施例中为倒装封装组件。通过在凸块118的底部周围形成模塑料层116，可以增强封装组件的热循环寿命。通过在衬底200上涂覆NUF层206，可进一步提高焊球低落性能。根据一个实施例，封装组件包括半导体管芯，其通过互连接合结构而电连接至衬底。半导体管芯包括上覆于半导体衬底的凸块以及上覆于半导体衬底并与凸块物理接触的模塑料层，其中，凸块部分地埋入模塑料层中。衬底在导电区域上包括不流动底部填充层。凸块的一部分与不流动底部填充层物理接触以形成互连接合结构。根据另一实施例，形成封装组件的方法包括:在衬底上形成不流动底部填充层；以及将半导体管芯附接至衬底。半导体管芯包括凸块和与凸块的下部物理接触的模塑料层。凸块的上部与不流动底部填充层物理接触。根据示例性实施例的一个方面，形成封装组件的方法包括:在第一衬底上形成凸块；在第一衬底上形成模塑料层，模塑料层与凸块的下部物理接触；在第二衬底上形成不流动底部填充层；以及将第一衬底附接至第二衬底。第二衬底包括导电区域上的不流动底部填充层。凸块的上部与不流动底部填充层物理接触并电连接至导电区域，以在第一衬底与第二衬底之间形成互连接合结构。在前面的详细描述中，参照具体示例性实施例描述了本公开。然而，应该明白，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改、结构、工艺和改变。因此，说明书和附图被认为是示意性的而非限制性。 应该理解，本公开能够使用各种其他和环境，并且能够在本文表述的发明概念的范围之内进行变化或修改。
权利要求
1.一种封装组件，包括通过互连接合结构电连接至衬底的半导体管芯: 其中，所述半导体管芯包括上覆所述半导体衬底的凸块以及上覆所述半导体衬底并与所述凸块的第一部分物理接触的模塑料层； 其中，所述衬底包括位于导电区域上的不流动底部填充层；以及 其中，所述凸块的第二部分与所述不流动底部填充层物理接触以形成所述互连接合结构。
2.根据权利要求1所述的封装组件，其中，所述半导体管芯还包括位于所述半导体衬底与所述模塑料层之间的后钝化互连(PPI)层。
3.根据权利要求2所述的封装组件，其中，所述半导体管芯还包括位于所述PPI层与所述模塑料层之间的聚合物层。
4.根据权利要求2所述的封装组件，其中，所述半导体管芯还包括位于所述PPI层与所述半导体衬底之间的聚合物层。
5.一种形成封装组件的方法，包括: 在衬底上形成不流动底部填充层；以及 将半导体管芯附接至所述衬底， 其中，所述半导体管芯包括凸块以及与所述凸块的下部物理接触的模塑料层；并且 其中，所述凸块的上部与所述不流动底部填充层物理接触。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述模塑料层通过涂覆液态模塑料材料并固化所述液态模塑料材料来形成。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述衬底包括导电区域以及所述不流动底部填充层形成在所述导电区域上。
8.一种形成封装组件的方法，包括: 在第一衬底上形成凸块； 在所述第一衬底上形成模塑料层，所述模塑料层与所述凸块的下部物理接触； 在第二衬底上形成不流动底部填充层；以及 将所述第一衬底附接至所述第二衬底，其中，所述第二衬底包括位于导电区域上的不流动底部填充层； 其中，所述凸块的上部与所述不流动底部填充层物理接触并电连接所述导电区域，以在所述第一衬底与所述第二衬底之间形成互连接合结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，形成所述模塑料层的步骤包括: 在所述凸块的上方涂覆液态模塑料材料； 施加压力，以使所述液态模塑料材料的顶面低于所述凸块的上部；以及 固化所述液态模塑料材料。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括:在形成所述凸块和所述模塑料层之前，在所述第一衬底上形成后钝化互连(PPI)层。
全文摘要
本发明公开了封装组件和形成封装组件的方法，其中，该封装组件包括通过互连接合结构电连接至衬底的半导体管芯。半导体管芯包括上覆半导体衬底的凸块以及上覆半导体衬底并与凸块的第一部分物理接触的模塑料层。衬底包括位于导电区域上的不流动底部填充层。凸块的第二部分与不流动底部填充层物理接触以形成互连接合结构。
文档编号H01L23/498GK103219316SQ20121046897
公开日2013年7月24日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年1月24日
发明者林鸿仁, 王宗鼎, 李建勋, 吕文雄, 郑明达, 刘重希 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司