熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法
【專利摘要】熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，涉及一種多層堆疊芯片低溫快速鍵合工藝條件下焊點金屬間化合物定向生長的新方法。所述方法按照打孔→填充導(dǎo)電金屬→制備釬料層→夾持對中→熱-磁場-超聲→成品的順序進行超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片。超聲能夠促進金屬原子的擴散，能夠加速實現(xiàn)單一種類金屬間化合物焊點的形成，將金屬間化合物的完整生長時間縮短到幾十秒到幾分鐘。定向的磁場可控制焊點IMCs的晶粒取向，提高焊點的電學(xué)可靠性。該方法產(chǎn)生的金屬間化合物焊點不但可以承受后封裝過程中較高的無鉛再流焊溫度，還可以解決堆疊芯片互連工藝及材料不兼容等問題，大大提高效率和可靠性。
【專利說明】熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及ー種多層堆疊芯片低溫快速鍵合エ藝條件下焊點金屬間化合物定向生長的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維集成技術(shù)可實現(xiàn)芯片多功能化，可提高芯片性能、減小信號延遲、降低功耗、減小封裝體積，是目前研究應(yīng)用的熱點。多層堆疊芯片鍵合是三維電子封裝中的核心技木。各層芯片之間的互連是通過硅通孔(TSV)實現(xiàn)的，該技術(shù)可用于異質(zhì)芯片的集成，具有集成密度高、對準精度高，エ藝流程簡單的優(yōu)點。但是也存在一定的問題，具體表現(xiàn)為:
(I)鍵合溫度高。溫度高于260°C進行鍵合時，將會影響封裝中敏感芯片的性能。鍵合過程中由于各層材料熱膨脹系數(shù)的不匹配造成晶圓或芯片翹曲，在高密度細間距封裝互連中影響精度。
[0003](2)鍵合壓カ大。疊層封裝中芯片堆疊至少兩層芯片，且芯片極薄，通常為50 u nTlOO u m,非常容易產(chǎn)生裂紋。芯片在高鍵合壓力或夾具力作用下極易出現(xiàn)裂紋。
[0004](3)焊點可靠性低。疊層封裝中芯片互連焊點通常只有:Teil m，焊點內(nèi)部幾乎全部由金屬間化合物組成，而金屬間化合物是互連接頭中的脆性物質(zhì)，嚴重影響接頭性能。此夕卜，電遷移作用將驅(qū)動金屬間化合物的繼續(xù)生長，導(dǎo)致封裝中各個部分的熱失配而產(chǎn)生失效。
[0005](4)鍵合時間長。在晶圓級鍵合過程中加熱時間長達幾個小時，不符合高效電子制造的特點。
[0006]目前用于疊層封裝中的芯片互連技術(shù)包括:直接鍵合、金屬擴散鍵合、共晶鍵合(Cu-Sn、Ag-Sn、Au-Sn)、聚合物粘膠鍵合等。這些鍵合方法在エ藝上有一定的局限性，如高溫、高壓等，容易損傷芯片性能，具體表現(xiàn)為:
(I)直接鍵合
直接鍵合也稱作熔化鍵合。在硅與硅以及氧化硅與氧化硅的直接鍵合エ藝中，先在室溫和高真空環(huán)境下將晶圓接觸對準，形成范德華力。但此時形成的力不足以提供鍵合所需的強度，需要進ー步高溫退火(80(Tl00(TC)使接觸界面的氫鍵轉(zhuǎn)化為共價鍵。該エ藝中，制備高平整度和光潔的表面幾乎難以完成；退火高溫對芯片也會造成一定的損傷。
[0007](2)金屬擴散鍵合
金屬擴散鍵合主要是銅-銅鍵合，該種エ藝主要采用熱壓鍵合的方法。通過外加一定的壓力和溫度，銅表面發(fā)生塑性變形，接觸面積也不斷的増加，經(jīng)過一段時間的高溫退火后，接觸面形成直徑較大的銅晶粒，使接觸表面達到一定的鍵合強度。此エ藝鍵合壓力1000N，鍵合溫度400°C，鍵合時間至少保持30 min。
[0008](3)共晶鍵合
共晶鍵合是指在較低的溫度下兩種或多種金屬熔合并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成機械特性的金屬間化合物，進而實現(xiàn)電學(xué)連接的鍵合方法。為了在較低溫度下形成金屬間化合相，至少需要一種高熔點金屬和低熔點金屬。高熔點金屬有金、銀、銅、鉍等，低熔點金屬包括錫(熔點250°C)、銦(熔點156.61°C)等。鍵合時溫度要高于低熔點金屬(Sn、In等)的熔點，低于金屬間化合物(以Cu3Sn為例，其熔點在600°C以上)的熔點。鍵合時所需壓強在20MPa~150MPa之間。
[0009]對多層堆疊芯片互連和現(xiàn)有エ藝中存在的問題，亟需ー種低溫快速鍵合、焊點カ學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)異新方法。在共晶鍵合的基礎(chǔ)上加入超聲和磁場，可滿足此種新方法的要求。根據(jù)超聲空化和促進元素擴散的原理，一方面，可以有效的降低共晶鍵合時的溫度?’另一方面，加快焊點強度所需的頂Cs生長，縮短鍵合時間，減小鍵合時所需的壓力。磁場可以將高強度的能量無接觸的傳遞到材料的原子尺度，改變原子排列、匹配和遷移等行為，進而改變材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能。利用磁場可能控制微焊點重熔后結(jié)晶過程中晶體生長的形態(tài)、大小、分布和取向等，從而控制微焊點的組織，最后中獲得力學(xué)和物理性能優(yōu)異的焊點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了實現(xiàn)疊層封裝中堆疊芯片的低溫高可靠互連，本發(fā)明提供ー種多層堆疊芯片低溫超聲鍵合、調(diào)控焊點頂Cs定向生長的新方法，采用超聲可使鍵合溫度在50~200°C范圍內(nèi)，有效降低溫度對芯片的影響；在鍵合過程中施加一定強度豎直方向的磁場，可以使IMCs實現(xiàn)定向擇優(yōu)生長。該方法可以快速實現(xiàn)疊層芯片間單金屬間化合物連接，提高封裝可靠性。
[0011]本發(fā)明按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片:打孔一填充導(dǎo)電金屬一制備釬料層一夾持對中一鍵合一成品，其中鍵合過程為熱-磁場-超聲復(fù)合鍵合，具體步驟如下:精密對準和對中后，在多層堆疊硅通孔芯片的下方設(shè)置加熱板和帶有磁芯的通電螺旋管，開啟加熱板預(yù)熱，同時打開直流電源，使帶有磁芯的通電螺旋管通電，開啟豎直方向的磁場，通過電流的正負可控制磁場的方向，電流的大小控制磁場的強度，磁場強度一般為
`0.f 2T。隨后打開超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率20~65kHz，鍵合時間5秒~5分鐘，底部加熱板加熱至鍵合溫度為50~200°C。底部的加熱板，通過鐵芯的傳導(dǎo)可實現(xiàn)對多層堆疊硅通孔芯片的加熱。通電線圈的鐵芯材料的居里溫度溫度一般為450°C以上，能夠承受5(T200°C的溫度。此外線圈的材料一般為銅線圈或水冷感應(yīng)線圈，有隔熱材料的保護能夠在5秒~5分鐘保持穩(wěn)定的通電狀態(tài)。
[0012]超聲能夠促進金屬原子的擴散，能夠加速實現(xiàn)單ー種類金屬間化合物焊點的形成，將金屬間化合物的完整生長時間縮短到幾十秒到幾分鐘。定向的磁場可控制焊點IMCs的晶粒取向，提高焊點的電學(xué)可靠性。該方法產(chǎn)生的金屬間化合物焊點不但可以承受后封裝過程中較高的無鉛再流焊溫度，還可以解決堆疊芯片互連エ藝及材料不兼容等問題，大大提高效率和可靠性。本發(fā)明適用于堆疊封裝中芯片厚度100 u m以下的2層或多層硅通孔芯片的低溫鍵合，互連焊點厚度小于10 ym。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明多層堆疊硅通孔芯片的制備和對準示意圖；
圖2為多層堆疊硅通孔芯片鍵合過程示意圖； 圖3為多層堆疊硅通孔芯片鍵合后成品示意圖；
圖4為帶有鐵芯的通電螺旋管示意圖；
圖5為對準后焊點的局部放大圖；
圖6為鍵合后焊點的局部放大圖；
圖中，1:芯片，2:通孔，3:導(dǎo)電金屬填充，4:低溫釬料層，5:堆疊芯片，6:對準后焊點，7:紅外熱像儀，8:支架，9:紅外線，10:超聲振動頭，11:基板材料，12:通電線圏，13:隔熱加熱，14:鐵芯，15:加熱平臺，16:特斯拉計，17:直流電源；18:鍵合后焊點，19:豎直方向磁場線，20:導(dǎo)線，21:定向生長的全MCs焊點。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進ー步的說明，但并不局限如此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0015]如圖1?6所示，本實施方式按照下述步驟超聲鍵合多層堆疊硅通孔芯片:
(1)打孔:將芯片I進行鉆孔，具體方法為:通過刻蝕或激光打孔在硅晶體中形成通孔2，然后采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)、物理氣相沉積(PVD)或金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的方法依次淀積金屬粘附層Ti或Ta/阻擋層TiN或TaN/種子層(Cu、Ag或Ag),獲得疊層封裝娃通孔芯片,所述芯片厚度為IOOiim以下；
(2)填充導(dǎo)電金屬及焊盤平整化:采用電鍍的方法對疊層封裝硅通孔芯片進行通孔2導(dǎo)電金屬填充3,所述金屬為Cu、Au、Ag中的ー種,確保通孔2填滿并在芯片兩側(cè)各露出一個凸臺；然后采用化學(xué)機械拋光或研磨使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化；
(3)釬料層制備:采用電鍍方法在焊盤金屬上制備低溫釬料層4，所述釬料金屬為Sn或
In ；
(4)夾持對中:采用精密拾放設(shè)備拾取芯片，將其與下芯片精密對準，得到對中堆疊芯片5，然后將堆疊芯片5封裝到基板材料11上；
(5)打開紅外熱像儀7記錄堆疊芯片5焊點的溫度變化。
[0016](6)超聲-電磁鍵合:精密對準和對中后，采用超聲焊接機進行超聲鍵合。超聲鍵合過程中有加熱平臺15進行50?200°C的加熱，并通過導(dǎo)磁鐵芯16傳導(dǎo)至疊裝芯片。超聲振動頭10進行水平或垂直方向的振動，超聲頻率20?65kHz ;鍵合時間5秒?5分鐘。超聲鍵合過程如下:開啟超聲，超聲振動頭10與芯片背面接觸，并施加I?15N鍵合力，同時對焊點施加100?500ws超聲波能量，由于鍵合力和超聲振動的存在，超聲振動頭10與芯片及焊點之間存在摩擦力，此超聲振動得以在界面間傳遞。同時，開啟直流電源17，通電線圈12感應(yīng)鐵芯14，產(chǎn)生豎直方向的磁場。低溫釬料熔化，擴散開始發(fā)生，由于超聲具有促進原子擴散的作用，加速了金屬間化合物焊點的形成過程，在焊點IMCs生成的同時完成擇優(yōu)取向。關(guān)閉超聲和直流電源，超聲振動頭抬起，撤走鍵合力，完成超聲-電磁鍵合全過程。
【權(quán)利要求】
1.熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，按照打孔一填充導(dǎo)電金屬一制備釬料層一夾持對中一鍵合一成品的順序進行超聲鍵合堆疊通孔芯片，其特征在于所述鍵合過程為熱-磁場-超聲復(fù)合鍵合，具體步驟如下:精密對準和對中后，在堆疊通孔芯片的下方設(shè)置加熱板和帶有磁芯的通電螺旋管，打開加熱板預(yù)熱，同時打開直流電源，使帶有磁芯的通電螺旋管通電，開啟豎直方向的磁場，隨后打開超聲焊接機進行超聲鍵合，控制超聲頻率為20?65kHz，鍵合時間為5秒?5分鐘，鍵合溫度為50?200°C，磁場強度為0.1-2T。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述堆疊通孔芯片中，芯片為厚度lOOym以下的2層或多層硅通孔芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述打孔的具體方法為:通過刻蝕或激光打孔在芯片中形成通孔，然后采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積或金屬有機化合物化學(xué)氣相沉積的方法依次淀積金屬粘附層/阻擋層/種子層，獲得疊層封裝通孔芯片。
4.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述金屬粘附層為Ti或Ta，阻擋層為TiN或TaN，種子層為Cu、Ag或Ag。
5.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述填充導(dǎo)電金屬的具體方法為:采用電鍍的方法對疊層封裝通孔芯片進行通孔導(dǎo)電金屬填充，確保通孔填滿并在芯片兩側(cè)各露出一個凸臺；然后采用化學(xué)機械拋光或研磨使表面上的凸臺金屬即焊盤平坦化。
6.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述金屬為Cu、Au或Ag。
7.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述制備釬料層的具體方法為:采用電鍍方法在焊盤金屬上制備低溫釬料層。
8.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述釬料為Sn或In。
9.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱-超聲-電磁復(fù)合場調(diào)控金屬間化合物生長實現(xiàn)芯片高可靠立體互連的方法，其特征在于所述夾持對中的具體方法為:采用精密拾放設(shè)備拾取芯片，將其與下芯片精密對準，得到對中堆疊芯片，然后將堆疊芯片封裝到基板材料上。
【文檔編號】H01L21/60GK103560095SQ201310530610
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月1日
【發(fā)明者】田艷紅, 劉寶磊, 孔令超, 杭春進, 王春青 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)