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CN106835084A - 一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法 - Google Patents

一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法 Download PDF

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CN106835084A
CN106835084A CN201710114388.1A CN201710114388A CN106835084A CN 106835084 A CN106835084 A CN 106835084A CN 201710114388 A CN201710114388 A CN 201710114388A CN 106835084 A CN106835084 A CN 106835084A
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陈雷达
张欲欣
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Xian Microelectronics Technology Institute
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Xian Microelectronics Technology Institute
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Abstract

一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30‑40℃下反应60‑90s后水，进行一次锌活化后酸腐蚀再进行二次锌活化，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成Ni层；在Ni层上沉积Pd层；在Pd层上沉积Au层。本发明使用化学镀镍钯浸金工艺，在半导体裸芯片表面制备兼容金线键合的镍钯金三层金属化层，膜层附着力及稳定性满足封装工艺的应用需求，改性后的芯片各项电参数与改性前对比无明显差异，在改性后的镍钯金层表面进行的金线键合可以满足高温环境应用及器件长寿命使用的可靠性需求。

Description

一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法
技术领域
本发明属于半导体封装领域，具体涉及一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法。
背景技术
目前，半导体芯片表面金属化层多采用铝及铝合金材料，而集成电路及混合集成电路等半导体封装结构均主要采用金线热超声键合互连工艺，这就导致裸芯片表面在键合后形成了金-铝化合物合金层。
已有的研究和可靠性试验结果表明，金铝异质键合点在300℃及以上的温度条件下，在极短时间内会出现键合点性能衰变，严重时会导致键合点脱落进而导致器件失效。造成这一现象的主要原因是，高温下Au-Al异质键合点界面处的原子扩散速率变大，在界面处发生快速的界面反应，进而生成过厚的金属间化合物。高温下Au-Al键合界面形成的化合物，主要为AuAl2(“紫斑”)、Au5Al2(“白斑”)，此外还有AuAl、Au4Al、Au2Al等。这些金属化合物本身并不会对器件性能造成损害，但是它们的出现标志着焊点的可靠性降低。这是因为这些金铝金属间化合物为脆性相，机械性能和热性能与Au、Al显著不同，在外界应力作用下容易开裂，进而导致焊点开路，致使电子器件失效。
鉴于以上情况，半导体封装器件中普遍存在的异质键合工艺已难以满足高可靠性元器件及高温应用元器件的质量可靠性要求。
发明内容
为克服现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，包括以下步骤：
1)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；
2)一次锌活化：将经步骤1)微蚀的半导体裸芯片表面或晶圆采用活化液，在反应温度为20-30℃下活化30-40s；
3)酸腐蚀：一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉；
4)二次锌活化：将经步骤3)酸腐蚀后的元件采用活化液在温度为20-30℃下进行活化15-20s，然后水洗；
5)化学镀Ni：采用镀液，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成2μm～4μm的Ni层；
6)化学镀Pd：采用镀液，在Ni层上沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm；
7)浸金：采用镀液，在Pd层上沉积Au层，厚度为：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中硫酸的质量浓度为18.4mol/L，硫酸与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中酸腐蚀具体是在浸泡在硝酸水溶液中，浸泡15-30s后水洗；其中，硝酸水溶液是按体积比1:1将硝酸加入到水中制得。
本发明进一步的改进在于，步骤2)和步骤4)中的活化液均是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得，并且活化液中氢氧化钠的浓度为500-600g/L，氧化锌的浓度为90-100g/L，三氯化铁的浓度为1g/L，酒石酸钾钠的浓度为10g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中镀液是将NiSO4与H3BO3加入到水中制得，并且镀液中NiSO4的浓度为300g/L，H3BO3的浓度为40g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中以0.2μm-0.3μm/min的速率进行沉积。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中镀液是将二氯二氨基钯盐、氯化铵、氨水以及NH4OH加入到水中制得，并且镀液中二氯二氨基钯盐的浓度为20～40g/L，氯化铵的浓度为10～20g/L，氨水的质量浓度为25％，NH4OH的浓度为40～60g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤6)中在0.05μm-0.1μm/min的速率下进行沉积。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中镀液是将亚硫酸金钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠以及硼砂加入到水中制得，并且镀液中，亚硫酸金钠的浓度为2g/L，亚硫酸钠的浓度为15/L，硫代硫酸钠的浓度为12.5g/L，硼砂的浓度为10g/L。
本发明进一步的改进在于，步骤7)中在0.01μm/min的速率下进行沉积。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明在化学镍层和浸金层之间加入薄薄的化学钯层的作用主要有两个方面：(1)阻挡镍的扩散和迁移，防止黑盘的发生。在焊接时，很薄的金层迅速熔入焊料后，由于钯的熔点高，在焊接时钯的熔解速度比金的慢很多，熔融的钯在镍表面会形成一层阻挡层可防止铜镍金属氧化物的产生，从而改善了焊接性能。(2)由于硬度较大的钯层存在，可以使金层厚度明显地减少，这样即可提高焊接点的可靠性，又可获得较好的耐磨性能和打金线性能，适合应用在高连接可靠性的产品上。
本发明中镍层主要起焊接作用。在焊接过程中，很薄的金和钯将相继熔入于焊料中，而裸露和新鲜的镍层便与焊料中的锡形成金属间互化物，形成好的焊接和可靠性。将金层、钯层剥离后，但是镍层晶界间存在空隙，致密性较钯层差，因此在镍层上镀上一层致密的钯层，可以有效的阻挡浸金化学药水对镍面的攻击，避免镍层黑垫缺陷的产生。
本发明使用化学镀镍钯浸金工艺，在半导体裸芯片表面制备兼容金线键合的镍钯金三层金属化层，膜层附着力及稳定性满足封装工艺的应用需求，改性后的芯片各项电参数与改性前对比无明显差异，同时避免了在封装工艺中普遍存在的金-铝异质键合结构，在改性后的镍钯金层表面进行的金线键合可以满足高温环境应用及器件长寿命使用的可靠性需求。本发明将原有的裸芯片表面普遍存在的金-铝异质键合结构改性为金-金同质键合结构，避免金-铝合金在高温条件下的脆裂失效。
进一步的，当钯层较厚时，则钯层排列致密，只发生金与钯置换的反应；若钯层较薄，则金液会透过钯层晶格间隙与镍层接触，金即与钯置换也与镍置换，会造成钯层与镍层剥离的风险，因此，本发明中钯层为0.2μm～0.5μm厚。
进一步的，由于金层是为了提高镀层的可焊性和打线能力的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在无铅焊接过程中，很薄的金层迅速熔入并分散在熔融的焊料中。由于焊料中金的重量比超过3％时，会引起焊点发脆，影响焊接可靠性。因此，镀金层厚度要加以控制在0.05μm～0.1μm之间。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明。
本发明包括以下步骤：
(1)晶圆准备→(2)除油→(3)水洗→(4)微蚀→(5)水洗→(6)一次锌活化→(7)HNO3处理→(8)水洗→(9)二次锌活化→(10)水洗→(11)化学镀Ni→(12)化学镀Pd→(13)化学镀Au→(14)水洗→(15)烘干。
具体流程如下：
1)将半导体裸芯片表面或晶圆进行除油，除油可采用等离子体清洗或采用清洗液进行水洗。本发明中采用的是氟利昂进行除油。
2)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到浓硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；其中，浓硫酸(质量浓度为18.4mol/L)与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。
3)一次锌活化：使用以下配比的活化液(所述活化液是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得；活化液中氢氧化钠的浓度为500-600g/L；氧化锌的浓度为90-100g/L；三氯化铁FeCl3的浓度为1g/L；酒石酸钾钠的浓度为10g/L)在反应温度为25±5℃下反应30-40s进行一次锌活化。
4)一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉，具体是在浸泡在硝酸溶液中，浸泡15-30s后水洗。其中，硝酸水溶液是按体积比1:1将硝酸加入到水中制得。
5)二次锌活化：使用以下配比的活化液(所述活化液是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得，活化液中氢氧化钠的浓度为：500-600g/L；氧化锌的浓度为：90-100g/L；三氯化铁FeCl3的浓度为1g/L；酒石酸钾钠的浓度为：10g/L)在温度为25±5℃下反应15-20s，进行二次锌活化，然后水洗。
通过两次锌活化过程，除去铝及合金表面氧化膜的同时形成一层均匀、致密的锌层以阻挡铝表面再次被氧化。
6)化学镀Ni：使用以下配比的镀液(镀液是将NiSO4与H3BO3加入到水中制得，并且镀液中NiSO4的浓度为：300g/L；H3BO3的浓度为：40g/L)，以0.2μm-0.3μm/min的沉积速度，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面形成2μm～4μm的Ni层。
7)化学镀Pd：使用以下配比的镀液(镀液是将NiSO4与H3BO3加入到水中制得，并且镀液中二氯二氨基钯盐Pd(NH3)2Cl2的浓度为20～40g/L；氯化铵NH4Cl的浓度为10～20g/L；氨水的质量浓度为25％；NH4OH的浓度为40～60g/L)，在0.05μm-0.1μm/min的沉积速率下，在裸芯片表面沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm。
8)浸金：使用以下配比的镀液(镀液是将亚硫酸金钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠以及硼砂加入到水中制得，镀液中亚硫酸金钠NaAu(SO3)2的浓度为2g/L；亚硫酸钠Na2SO3的浓度为15/L；硫代硫酸钠Na2S2O3的浓度为12.5g/L；硼砂Na2B4O7.10H2O的浓度为10g/L)，在0.01μm/min的沉积速率下，在裸芯片表面沉积Au层，厚度为0.05μm～0.1μm；然后水洗、烘干。
本发明中，使用台阶测试仪对各层金属化厚度进行定量检测。
实际中进行制作时，包括以下步骤：
1)晶圆正面防污染、背面保护技术
在对晶圆表面的焊盘表面化学处理，增加多层金属薄膜之前首先优化镀液，确保对晶圆正面钝化层无腐蚀、污染的副作用；其次要在晶圆背面涂保护胶、固化，保护晶圆在化学镀过程中不受损伤。涂胶的图形质量对后续整个生产工艺至关重要，因此拟采用晶圆涂胶机对晶圆背面进行涂胶，保证晶圆或裸芯片表面清洁无粘污。
2)晶圆表面活化技术
晶圆表面活化技术即晶圆表面通过浸锌的方法，在选择性化学镀之前对Al焊盘表面进行活化处理，增加焊盘的表面活性。这是因为晶圆暴露在空气中时，Al焊盘表面容易形成氧化膜，从而降低了焊盘表面活性，阻碍了镀层与Al焊盘表面的紧密结合。因此，选择本发明中合理的预处理方法，提高焊盘表面活性，增加镀层与焊盘的结合力是选择性化学镀效果取得成功的关键前提技术。
3)选择性化学镀技术
通过选择性化学镀的方法，在Al焊盘表面增加多层薄膜金属是提高Al焊盘键合可靠性的关键工艺，此技术方案的难点主要包括如何控制不同薄膜金属的厚度和工艺的稳定性。化学镀溶液是由主盐、还原剂、络合剂、缓冲剂、稳定剂及加速剂、表面活性剂和光亮剂等组成，其基本组份为主盐和还原剂。各组份的作用不同，但又没有严格限制，因此影响化学镀效果的参数很多。通过正交试验方法，对比镀液中主盐、还原剂、络合剂浓度以及镀液pH值等因素在铝基化学镀过程中对镀层金属含量和镀速的影响，采用本发明中的镀液能够为实现铝基表面化学镀层厚度及镀速的控制提供保障。
4)清洗、烘干、揭膜技术
晶圆表面选择性化学镀完成之后需要对晶圆进行清洗、烘干，然后通过揭膜机去除晶圆背面的保护胶膜。对于已裂片的集成电路裸芯片，将芯片粘贴在蓝膜表面，并使用双面胶带将蓝膜固定在晶圆表面。
本发明的工艺原理如下：
使用化学镀镍浸金工艺(ENEPIG)在半导体裸芯片表面(整晶圆或已裂片均可)制备适宜金线热超声键合的Ni-Pd-Au三层金属化，将原有的裸芯片表面普遍存在的金-铝异质键合结构改性为金-金同质键合结构，避免金-铝合金在高温条件下的脆裂失效。
化学镀镍、钯、金相较于化学沉镍金，仅是在镍缸和金缸之间添加一个钯缸，但根据钯缸内反应的不同可将化学镍钯金技术可分为两种类型，即还原型镍钯金(ENEPIG)工艺及置换型镍钯金工艺。前者在生成钯层时发生氧化还原反应，后者则发生置换反应。
其中，当钯层较厚时，则钯层排列致密，只发生金与钯置换的反应；若钯层较薄，则金液会透过钯层晶格间隙与镍层接触，金即与钯置换也与镍置换，会造成钯层与镍层剥离的风险，因此，钯层须有一定的厚度，本发明中钯层为0.2μm～0.5μm厚。另外，ENIPIG的反应也分为3步：化学镀镍、化学浸钯和化学浸金，其中化学镀镍与化学浸金的反应机理与ENEPIG的基本一致，唯一不同的是生成钯的反应，ENIPIG中化学镀钯为置换反应。
由于金层是为了提高镀层的可焊性和打线能力的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在无铅焊接过程中，很薄的金层迅速熔入并分散在熔融的焊料中。由于焊料中金的重量比超过3％时，会引起焊点发脆，影响焊接可靠性。因此，镀金层厚度要加以控制在0.05μm～0.1μm之间。金面作为ENEPIG镀层最表层的膜，其表面形貌及致密度决定了镀层的质量及焊接的可靠性。经过研究发现，ENEPIG的金层具有平整、厚度均匀的表面结构，而且晶胞排列致密，没有发现微裂缝，金面晶格结构良好。
在化学镍层和浸金层之间加入薄薄的化学钯层的作用主要有两个方面：(1)阻挡镍的扩散和迁移，防止黑盘的发生。在焊接时，很薄的金层迅速熔入焊料后，由于钯的熔点高，在焊接时钯的熔解速度比金的慢很多，熔融的钯在镍表面会形成一层阻挡层可防止铜镍金属氧化物的产生，从而改善了焊接性能。(2)由于硬度较大的钯层存在，可以使金层厚度明显地减少，这样即可提高焊接点的可靠性，又可获得较好的耐磨性能和打金线性能，适合应用在高连接可靠性的产品上。通过SEM分析，钯面晶胞致密、平整，无腐蚀产生。剥离金层后钯面晶胞结构致密，没有发现微裂缝，晶格结构良好。
镍层主要起焊接作用。在焊接过程中，很薄的金和钯将相继熔入于焊料中，而裸露和新鲜的镍层便与焊料中的锡形成金属间互化物，形成好的焊接和可靠性。将金层、钯层剥离后，借助于表征技术，可以观察到镍面光亮平整，晶界清晰，晶粒大小均匀，无腐蚀产生。但是镍层晶界间存在空隙，致密性较钯层差，因此在镍层上镀上一层致密的钯层，可以有效的阻挡浸金化学药水对镍面的攻击，避免镍层黑垫缺陷的产生。
实施例
要从根本上解决半导体器件的高温环境下的键合可靠性问题，必须从键合金属化材料自身着手，本发明提供一种基于化学镀镍钯浸金技术在半导体裸芯片表面进行键合金属化改性的方法，将原有的铝基材料进行改性处理，使金-铝异质键合结构转化为金-金同质键合结构，从而大幅提升半导体器件的高温寿命及长期可靠性。通过使用化学镀镍钯浸金工艺，在半导体晶圆片或半导体裸芯片表面金属化制备三层可以兼容热超声金线键合的镍钯金三层金属化层。
键合金属化改性前后样品测试数据：
使用CD4520裸芯片分别制备金属化改性前后的键合样品，然后对两组样品进行300℃、24h的高温存贮，分别对两组样品进行键合强度测试结果如下表1和表2：(单位:克，下划线数据为脱键失效模式)
表1金属化改性前样品键合强度测试数据
5.8 7.6 6.0 7.8
6.6 8.4 6.4
7.9 6.5 7.9
7.1 7.5
7.0 6.3 6.2 7.3
7.7 6.1 6.7 7.4
8.3 8.0 7.7 8.0
6.6 7.7
6.5 7.3
7.9 8.4 7.6 7.7
表2金属化改性后样品键合强度测试数据
7.5 8.4 8.3 6.5 8.1 7.6 6.1 9.8 8.9 10.1
7.4 8.5 7.4 7.3 7.1 8.0 7.0 9.6 9.1 8.8
9.1 7.9 6.3 8.1 8.3 10.0 8.7 7.7 6.3 7.5
7.3 7.9 8.1 9.7 8.5 8.0 7.0 8.0 7.7 9.6
7.9 7.8 5.7 7.4 8.3 8.6 8.8 9.2 8.2 7.9
6.6 7.1 7.6 7.9 6.1 8.1 6.8 8.8 10.0 8.6
8.0 9.1 7.2 8.5 7.5 7.4 8.2 9.4 8.6 8.8
7.3 7.5 9.7 9.3 9.3 8.3 8.4 8.2 7.6 7.5
9.0 9.8 7.8 7.5 8.0 10.2 8.0 8.4 6.9 10.1
8.8 7.9 5.7 7.9 8.3 8.1 7.5 8.5 8.6 7.6
从表1和表2可以看出，改性前样品中100根引线有69根为脱键失效模式(退化较快的失效模式)，其中最小键合强度为1.9克，而改性后样品中100根引线均为断裂失效模式(退化较慢的失效模式)，其中最小键合强度为5.6克，改性后样品测试结果明显优于改性前样品测试结果。通过对裸芯片表面进行的金属化改性明显地抑制了芯片表面异质键合的退化速率，提高了芯片表面异质键合结构在高温环境中的长期可靠性。

Claims (10)

1.一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；
2)一次锌活化：将经步骤1)微蚀的半导体裸芯片表面或晶圆采用活化液，在反应温度为20-30℃下活化30-40s；
3)酸腐蚀：一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉；
4)二次锌活化：将经步骤3)酸腐蚀后的元件采用活化液在温度为20-30℃下进行活化15-20s，然后水洗；
5)化学镀Ni：采用镀液，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成2μm～4μm的Ni层；
6)化学镀Pd：采用镀液，在Ni层上沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm；
7)浸金：采用镀液，在Pd层上沉积Au层，厚度为：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。
2.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤1)中硫酸的质量浓度为18.4mol/L，硫酸与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。
3.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤3)中酸腐蚀具体是在浸泡在硝酸水溶液中，浸泡15-30s后水洗；其中，硝酸水溶液是按体积比1:1将硝酸加入到水中制得。
4.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤2)和步骤4)中的活化液均是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得，并且活化液中氢氧化钠的浓度为500-600g/L，氧化锌的浓度为90-100g/L，三氯化铁的浓度为1g/L，酒石酸钾钠的浓度为10g/L。
5.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤5)中镀液是将NiSO4与H3BO3加入到水中制得，并且镀液中NiSO4的浓度为300g/L，H3BO3的浓度为40g/L。
6.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤5)中以0.2μm-0.3μm/min的速率进行沉积。
7.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤6)中镀液是将二氯二氨基钯盐、氯化铵、氨水以及NH4OH加入到水中制得，并且镀液中二氯二氨基钯盐的浓度为20～40g/L，氯化铵的浓度为10～20g/L，氨水的质量浓度为25％，NH4OH的浓度为40～60g/L。
8.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤6)中在0.05μm-0.1μm/min的速率下进行沉积。
9.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤7)中镀液是将亚硫酸金钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠以及硼砂加入到水中制得，并且镀液中，亚硫酸金钠的浓度为2g/L，亚硫酸钠的浓度为15/L，硫代硫酸钠的浓度为12.5g/L，硼砂的浓度为10g/L。
10.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤7)中在0.01μm/min的速率下进行沉积。
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