CN103560095A - 热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法 - Google Patents

热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法 Download PDF

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Abstract

热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，涉及一种多层堆叠芯片低温快速键合工艺条件下焊点金属间化合物定向生长的新方法。所述方法按照打孔→填充导电金属→制备钎料层→夹持对中→热-磁场-超声→成品的顺序进行超声键合多层堆叠硅通孔芯片。超声能够促进金属原子的扩散，能够加速实现单一种类金属间化合物焊点的形成，将金属间化合物的完整生长时间缩短到几十秒到几分钟。定向的磁场可控制焊点IMCs的晶粒取向，提高焊点的电学可靠性。该方法产生的金属间化合物焊点不但可以承受后封装过程中较高的无铅再流焊温度，还可以解决堆叠芯片互连工艺及材料不兼容等问题，大大提高效率和可靠性。

Description

热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法
技术领域
本发明属于电子制造技术领域，涉及一种多层堆叠芯片低温快速键合工艺条件下焊点金属间化合物定向生长的新方法。
背景技术
三维集成技术可实现芯片多功能化，可提高芯片性能、减小信号延迟、降低功耗、减小封装体积，是目前研究应用的热点。多层堆叠芯片键合是三维电子封装中的核心技术。各层芯片之间的互连是通过硅通孔（TSV）实现的，该技术可用于异质芯片的集成，具有集成密度高、对准精度高，工艺流程简单的优点。但是也存在一定的问题，具体表现为：
（1）键合温度高。温度高于260℃进行键合时，将会影响封装中敏感芯片的性能。键合过程中由于各层材料热膨胀系数的不匹配造成晶圆或芯片翘曲，在高密度细间距封装互连中影响精度。
（2）键合压力大。叠层封装中芯片堆叠至少两层芯片，且芯片极薄，通常为50μm~100μm，非常容易产生裂纹。芯片在高键合压力或夹具力作用下极易出现裂纹。
（3）焊点可靠性低。叠层封装中芯片互连焊点通常只有3~6μm，焊点内部几乎全部由金属间化合物组成，而金属间化合物是互连接头中的脆性物质，严重影响接头性能。此外，电迁移作用将驱动金属间化合物的继续生长，导致封装中各个部分的热失配而产生失效。
（4）键合时间长。在晶圆级键合过程中加热时间长达几个小时，不符合高效电子制造的特点。
目前用于叠层封装中的芯片互连技术包括：直接键合、金属扩散键合、共晶键合(Cu-Sn、Ag-Sn、Au-Sn)、聚合物粘胶键合等。这些键合方法在工艺上有一定的局限性，如高温、高压等，容易损伤芯片性能，具体表现为：
（1）直接键合
直接键合也称作熔化键合。在硅与硅以及氧化硅与氧化硅的直接键合工艺中，先在室温和高真空环境下将晶圆接触对准，形成范德华力。但此时形成的力不足以提供键合所需的强度，需要进一步高温退火（800~1000℃）使接触界面的氢键转化为共价键。该工艺中，制备高平整度和光洁的表面几乎难以完成；退火高温对芯片也会造成一定的损伤。
（2）金属扩散键合
金属扩散键合主要是铜-铜键合，该种工艺主要采用热压键合的方法。通过外加一定的压力和温度，铜表面发生塑性变形，接触面积也不断的增加，经过一段时间的高温退火后，接触面形成直径较大的铜晶粒，使接触表面达到一定的键合强度。此工艺键合压力1000N，键合温度400℃，键合时间至少保持30 min。
（3）共晶键合
共晶键合是指在较低的温度下两种或多种金属熔合并发生化学反应，形成机械特性的金属间化合物，进而实现电学连接的键合方法。为了在较低温度下形成金属间化合相，至少需要一种高熔点金属和低熔点金属。高熔点金属有金、银、铜、铋等，低熔点金属包括锡（熔点250℃）、铟（熔点156.61℃）等。键合时温度要高于低熔点金属（Sn、In等）的熔点，低于金属间化合物（以Cu3Sn为例，其熔点在600℃以上）的熔点。键合时所需压强在20MPa~150MPa之间。
对多层堆叠芯片互连和现有工艺中存在的问题，亟需一种低温快速键合、焊点力学和电学性能优异新方法。在共晶键合的基础上加入超声和磁场，可满足此种新方法的要求。根据超声空化和促进元素扩散的原理，一方面，可以有效的降低共晶键合时的温度；另一方面，加快焊点强度所需的IMCs生长，缩短键合时间，减小键合时所需的压力。磁场可以将高强度的能量无接触的传递到材料的原子尺度，改变原子排列、匹配和迁移等行为，进而改变材料的组织、结构和性能。利用磁场可能控制微焊点重熔后结晶过程中晶体生长的形态、大小、分布和取向等，从而控制微焊点的组织，最后中获得力学和物理性能优异的焊点。
发明内容
为了实现叠层封装中堆叠芯片的低温高可靠互连，本发明提供一种多层堆叠芯片低温超声键合、调控焊点IMCs定向生长的新方法，采用超声可使键合温度在50～200℃范围内，有效降低温度对芯片的影响；在键合过程中施加一定强度竖直方向的磁场，可以使IMCs实现定向择优生长。该方法可以快速实现叠层芯片间单金属间化合物连接，提高封装可靠性。
本发明按照下述步骤超声键合多层堆叠硅通孔芯片：打孔→填充导电金属→制备钎料层→夹持对中→键合→成品，其中键合过程为热-磁场-超声复合键合，具体步骤如下：精密对准和对中后，在多层堆叠硅通孔芯片的下方设置加热板和带有磁芯的通电螺旋管，开启加热板预热，同时打开直流电源，使带有磁芯的通电螺旋管通电，开启竖直方向的磁场，通过电流的正负可控制磁场的方向，电流的大小控制磁场的强度，磁场强度一般为0.1~2T。随后打开超声焊接机进行超声键合，控制超声频率20～65kHz，键合时间5秒～5分钟，底部加热板加热至键合温度为50～200℃。底部的加热板，通过铁芯的传导可实现对多层堆叠硅通孔芯片的加热。通电线圈的铁芯材料的居里温度温度一般为450℃以上，能够承受50~200℃的温度。此外线圈的材料一般为铜线圈或水冷感应线圈，有隔热材料的保护能够在5秒～5分钟保持稳定的通电状态。
超声能够促进金属原子的扩散，能够加速实现单一种类金属间化合物焊点的形成，将金属间化合物的完整生长时间缩短到几十秒到几分钟。定向的磁场可控制焊点IMCs的晶粒取向，提高焊点的电学可靠性。该方法产生的金属间化合物焊点不但可以承受后封装过程中较高的无铅再流焊温度，还可以解决堆叠芯片互连工艺及材料不兼容等问题，大大提高效率和可靠性。本发明适用于堆叠封装中芯片厚度100μm以下的2层或多层硅通孔芯片的低温键合，互连焊点厚度小于10μm。
附图说明
图1为本发明多层堆叠硅通孔芯片的制备和对准示意图；
图2为多层堆叠硅通孔芯片键合过程示意图；
图3为多层堆叠硅通孔芯片键合后成品示意图；
图4为带有铁芯的通电螺旋管示意图；
图5为对准后焊点的局部放大图；
图6为键合后焊点的局部放大图；
图中，1：芯片，2：通孔，3：导电金属填充，4：低温钎料层，5：堆叠芯片，6：对准后焊点，7：红外热像仪，8：支架，9：红外线，10：超声振动头，11：基板材料，12：通电线圈，13：隔热加热，14：铁芯，15：加热平台，16：特斯拉计，17：直流电源；18：键合后焊点，19：竖直方向磁场线，20：导线，21：定向生长的全IMCs焊点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1～6所示，本实施方式按照下述步骤超声键合多层堆叠硅通孔芯片：
（1）打孔：将芯片1进行钻孔，具体方法为：通过刻蚀或激光打孔在硅晶体中形成通孔2，然后采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、物理气相沉积（PVD）或金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）的方法依次淀积金属粘附层Ti或Ta/ 阻挡层TiN或TaN/ 种子层（Cu、Ag或Ag），获得叠层封装硅通孔芯片，所述芯片厚度为100μm以下； 
（2）填充导电金属及焊盘平整化：采用电镀的方法对叠层封装硅通孔芯片进行通孔2导电金属填充3，所述金属为Cu、Au、Ag中的一种，确保通孔2填满并在芯片两侧各露出一个凸台；然后采用化学机械抛光或研磨使表面上的凸台金属即焊盘平坦化；
（3）钎料层制备：采用电镀方法在焊盘金属上制备低温钎料层4，所述钎料金属为Sn或In；
（4）夹持对中：采用精密拾放设备拾取芯片，将其与下芯片精密对准，得到对中堆叠芯片5，然后将堆叠芯片5封装到基板材料11上；
（5）打开红外热像仪7记录堆叠芯片5焊点的温度变化。
（6）超声-电磁键合：精密对准和对中后，采用超声焊接机进行超声键合。超声键合过程中有加热平台15进行50～200℃的加热，并通过导磁铁芯16传导至叠装芯片。超声振动头10进行水平或垂直方向的振动，超声频率20～65kHz；键合时间5秒～5分钟。超声键合过程如下：开启超声，超声振动头10与芯片背面接触，并施加1～15N键合力，同时对焊点施加100～500ws超声波能量，由于键合力和超声振动的存在，超声振动头10与芯片及焊点之间存在摩擦力，此超声振动得以在界面间传递。同时，开启直流电源17，通电线圈12感应铁芯14，产生竖直方向的磁场。低温钎料熔化，扩散开始发生，由于超声具有促进原子扩散的作用，加速了金属间化合物焊点的形成过程，在焊点IMCs生成的同时完成择优取向。关闭超声和直流电源，超声振动头抬起，撤走键合力，完成超声-电磁键合全过程。

Claims (9)

1.热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，按照打孔→填充导电金属→制备钎料层→夹持对中→键合→成品的顺序进行超声键合堆叠通孔芯片，其特征在于所述键合过程为热-磁场-超声复合键合，具体步骤如下：精密对准和对中后，在堆叠通孔芯片的下方设置加热板和带有磁芯的通电螺旋管，打开加热板预热，同时打开直流电源，使带有磁芯的通电螺旋管通电，开启竖直方向的磁场，随后打开超声焊接机进行超声键合，控制超声频率为20～65kHz，键合时间为5秒～5分钟，键合温度为50～200℃，磁场强度为0.1-2T。
2.根据权利要求1所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述堆叠通孔芯片中，芯片为厚度100μm以下的2层或多层硅通孔芯片。
3.根据权利要求1所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述打孔的具体方法为：通过刻蚀或激光打孔在芯片中形成通孔，然后采用等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积或金属有机化合物化学气相沉积的方法依次淀积金属粘附层/ 阻挡层/ 种子层，获得叠层封装通孔芯片。
4.根据根据权利要求3所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述金属粘附层为Ti或Ta，阻挡层为TiN或TaN，种子层为Cu、Ag或Ag。
5.根据根据权利要求1所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述填充导电金属的具体方法为：采用电镀的方法对叠层封装通孔芯片进行通孔导电金属填充，确保通孔填满并在芯片两侧各露出一个凸台；然后采用化学机械抛光或研磨使表面上的凸台金属即焊盘平坦化。
6.根据根据权利要求5所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述金属为Cu、Au或Ag。
7.根据根据权利要求1所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述制备钎料层的具体方法为：采用电镀方法在焊盘金属上制备低温钎料层。
8.根据根据权利要求7所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述钎料为Sn或In。
9.根据根据权利要求1所述的热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法，其特征在于所述夹持对中的具体方法为：采用精密拾放设备拾取芯片，将其与下芯片精密对准，得到对中堆叠芯片，然后将堆叠芯片封装到基板材料上。
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