CN1266739C - 半导体微器件的一种键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体微器件的一种键合方法。键合方法包括以下步骤：1)设计并制备需要键合的硅结构片的键合面膜层结构；2)对键合面进行清洗：3)进行键合面间的键合对准；4)实施键合。本发明的方法具有工艺简便、可操作性强、精度高、键合温度低以及成本低等优势，可广泛应用于半导体微器件中的键合或封装中，具有很高的实用价值。

Description

半导体微器件的一种键合方法

技术领域

本发明涉及半导体微器件的键合方法及其键合强度的检测方法。

背景技术

键合和封装是半导体微器件(包括各种功能芯片、传感器及其它微电子器件)制备过程中的重要组成部分。研究表明，其成本往往占整个器件、芯片的70％或以上。目前，半导体微器件中的键合技术主要包括Si-Si键合、Si-Glass键合和倒装焊FlipChip等。其中Si-Si键合精度最高，但所使用的温度也最高，在1000℃左右，给键合带来了不便；Si-Glass键合的温度较低，在400℃左右，但精度较低，而且须加高电压，对器件中的电极或电路有影响；倒装焊Flip Chip同样也是精度较低，且需要加入较多的焊料。

发明内容

本发明的目的是提供一种精度较高，成本较低的半导体微器件键合方法。

一种半导体微器件的键合方法，包括以下步骤：

1)设计并制备需要键合的硅结构片的键合面膜层结构；

2)必要的界面处理，即对硅结构片的键合面进行清洗；

3)进行键合面间的键合对准；

4)实施键合。

所述膜层结构选自以下四种配对面结构组合：

硅基体-SiO₂/Cr/Au与硅Si；

硅基体-SiO₂/Cr/Au与基体-SiO₂/Cr；

硅基体-SiO₂/Cr/Au/Poly-Si/Au与硅Si；

硅基体-SiO₂/Cr/Au/Poly-Si/Au与基体-SiO₂/Cr；

其中，Poly-Si多晶硅是由溅射、剥离及退火工艺制得。

为了操作更加准确，在进行所述设计并制备需要键合的硅结构片的键合面膜层结构前，对需要键合的硅结构片进行写号。

为了使键合更牢固，在进行所述键合面间的键合对准前，对硅结构片的键合面进行必要的清洗。尤其对放置时间过长的硅结构片，须经过如下严格的工艺清洗：

1)在NH₄OH∶H₂O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分钟后，用去离子水冲洗；

2)在0.05～0.07M H₂SO₄溶液中浸泡10～30分钟后，用去离子水冲洗；

3)在转速为1500～2500转/分甩干机上甩3～5分钟。

所述键合的工艺参数为：

本底真空：低于0.3Pa；

键合温度：365～480℃；

键合时间：10～50分钟；

氮气工作压力：105Pa；

键合施加压力：2×10⁵Pa。

键合后应进行键合强度的检测。键合强度的检测采用压臂法或张开型测试法。

本发明的第二个目的是提供方便实用的检测半导体微器件键合强度的方法。

为了达到上述目的，本发明提供了两种检测方法。

第-种检测半导体微器件键合强度的方法，是根据式(II)设计一组类似的压臂模型：

$\frac{8a}{3}\≤l\≤\frac{50000}{a}---\left(\mathrm{II}\right)$

测出在某一长度l时，键合面开裂，即可算出或比较键合强度。

其中，式(II)是由式(I)

$\frac{{4a}^3\left[{\mathrm{\σ}}_2\right]-2\mathrm{Pa}}{3P}\≤l\≤\frac{{\mathrm{ah}}^2\left[{\mathrm{\σ}}_1\right]}{3P}---\left(I\right)$

代入各相关参数，根据一系列的设计计算近似得到的(测试模型如图1所示)。由此，可以确定检测图形的基本尺寸。经估算可知；所需压力P的数值范围在0.5～1.5kg。

本发明的半导体微器件键合方法具有以下显著优点：

1)键合温度低：所需要的键合温度远比Si-Si键合的低；与Si-Glass(玻璃)的键合温度(400℃左右)接近，且不须加电压。

2)共晶液相粘结性好。

3)对键合界面的粗糙度不很敏感。

4)工艺简单，成本低：键合界面的Au膜层在做电极或电路时同时溅射制得，Si面可直接采用Si基。

5)键合精度较高：其键合精度仅次于Si-Si键合，而工艺远比其简单。

本发明由于采用了新的键合面的膜层结构、键合面的清洗处理、键合工艺参数优化等措施，进一步稳定和完善了工艺，并建立了两种检测Au-Si键合强度的方法，方便实用。该技术可广泛应用于半导体微器件(包括各种功能芯片、传感器及其它微电子器件)中的键合或封装中，具有很高的实用价值和市场前景。

附图说明

图1为压臂法测试模型及尺寸标示

图2为张开型测试模型及尺寸标示

图3为压阻加速度计的断面结构

图4为压阻加速度计键合切片后的断面形貌

具体实施方式

实施例1、压阻加速度计三层键合

压阻加速度计的断面结构如图3所示。其三层结构需要通过键合组装在一起。使用4英寸525μm厚的n-(100)型硅结构片，中间层是双面抛光结构片。首先对硅片进行常规的酸煮工序，即将硅片在硫酸和双氧水的混合溶液(H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1)中煮沸(约120℃)10分钟，以去除硅片表面的污染物和碳氢化合物。结构片的一表面溅射了200～500的Cr层和约3000的Au层，其结构为硅基体-SiO₂/Cr/Au，而另一面分别为纯硅基(键合前经BHF溶液漂洗，以去除自然氧化层)和基体-SiO₂(自然氧化层)/Cr(200)。所有硅片都必须经过严格的工艺清洗，其次是对进行多次微加工工序的硅结构片的键合面清洗。清洗工艺为：先在NH₄OH∶H₂O＝1∶12的溶液中漂洗30分钟，最后在0.06M H₂SO₄溶液中浸泡20分钟，再在转速为2000转/分甩干机上甩4分钟。清洗过程中的每一步都须用去离子水冲洗。

键合实验是在Karlsuss公司制备的Suss SB6 VAC型键合设备和Suss BA6型硅/硅和硅/玻璃键合对准设备上进行。先将上帽片与中间结构片在光刻机上对准，置入键合机中，在约365℃下键合近10分钟；再与剩下的下帽片对准在约365～480℃下键合近30分钟即可。键合腔的本底真空度3×10^-4mbar，氮气工作压力为1大气压。键合压力为2个大气压。键合后温度下降到室温的时间约为1小时。

键合试样切成单个器件单元，单元尺寸为6.5×6.5mm。键合好的试样通过了刃片插入检测，其键合强度为238Mpa。使用光学显微镜或扫描电镜等进行微观分析检测。其键合切片后的断面形貌如图4所示。

在本实施例中，面层还可以采用如下三组配对面的结构：

硅基体-SiO₂/Cr(200)/Au(3000)与基体-SiO₂/Cr(200)

硅基体-SiO₂/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)与硅

硅基体-SiO₂/Cr(200)/Au(1000)/Poly-Si(500)/Au(1000)与基体-SiO₂/Cr(200)

Poly-Si多晶硅由溅射、剥离及后续的退火工艺制得。

实施例2：压臂法测试键合强度

压臂法测试键合强度，如图1所示：

根据一系列的设计计算，可得压臂长度范围：

$\frac{{4a}^3\left[{\mathrm{\σ}}_2\right]-2\mathrm{Pa}}{3P}\≤l\≤\frac{{\mathrm{ah}}^2\left[{\mathrm{\σ}}_1\right]}{3P}---\left(I\right)$

代入各相关参数，可近似得：

$\frac{8a}{3}\≤l\≤\frac{50000}{a}---\left(\mathrm{II}\right)$

由此，可以确定检测图形的基本尺寸。经估算可知；所需压力P的数值范围在0.5～1.5kg。

通过测量改变图中压臂长度l数值，设计一组类似的压臂模型，只要测出在某一长度l时，键合面开裂，即可大致估算或比较键合强度。此法还可用于其它键合强度的检测或比较。

通过该检测模型初略估计实施例1中的压阻加速度计三层键合的键合强度为230～242Mpa.

实施例3：张开型测试键合强度

张开型测试键合强度，如图2所示。

在有一定腐蚀深度(约200μm)处，插入厚度为2h的刀片。已知硅片的弹性模量如Si(100)：E＝1.66×10¹²dy/cm²，在显微镜(光学显微镜或扫描电子显微镜)下，测量刀片到开口处的距离S值，依公式计算键合强度σ：

$\mathrm{\σ}=\frac{3{\mathrm{Em}}^3{h}^2}{{8S}^4}---\left(\mathrm{III}\right)$

根据该方法计算实施例1中的压阻加速度计三层键合的键合强度为238Mpa.

Claims (6)

1、一种半导体微器件的键合方法，包括以下步骤：

1)设计并制备需要键合的硅结构片的键合面膜层结构；所述膜层结构选自以下四种配对面结构组合：

                硅基体-SiO₂/Cr/Au与硅Si；

                硅基体-SiO₂/Cr/Au与基体-SiO₂/Cr；

                硅基体-SiO₂/Cr/Au/Poly-Si/Au与硅Si；

                硅基体-SiO₂/Cr/Au/Poly-Si/Au与基体-SiO₂/Cr；

2)对键合面进行清洗，所述清洗过程包括以下步骤：

(1)在NH₄OH∶H₂O＝1∶8～12的溶液中漂洗20～40分钟后，用去离子水冲洗；

(2)在0.05～0.07M H₂SO₄溶液中浸泡10～30分钟后，用去离子水冲洗；

(3)在转速为1500～2500转/分甩干机上甩3～5分钟；

3)进行键合面间的键合对准；

4)实施键合。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行所述设计并制备需要键合的硅结构片的键合面膜层结构前，对需要键合的硅结构片进行写号。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述键合后进行键合强度的检测。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述键合强度的检测采用压臂法。

5、根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述膜层结构中的Poly-Si由溅射、剥离及退火工艺制得。

6、根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于：所述键合的工艺参数为：

        本底真空：低于0.3Pa；

        键合温度：365～480℃；

        键合时间：10～50分钟；

        氮气工作压力：10⁵Pa；

        键合施加压力：2×10⁵Pa。

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