電鍍創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)超精細(xì)銦鍵合

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志10/11月刊

作者：Farzaneh Sharifi, Branden Bates; CLASSONE TECHNOLOGY; Elie Najjar，Wenbo Shao博士；Erik Yakobson博士, Brian Gokey; MACDERMID ALPHA ELECTRONIC SOLUTIONS

倒裝芯片鍵合對(duì)于混合集成（hybridization）至關(guān)重要，混合集成是將來自不同技術(shù)的芯片組合成高性能模塊的過程，例如激光雷達(dá)和其他成像應(yīng)用中的混合像素探測(cè)器。曾經(jīng)用于倒裝芯片接合的錫焊料正在被包括銦在內(nèi)的無鉛替代品所取代。然而，使用傳統(tǒng)方法制備對(duì)于形成鍵合必不可少的銦“凸點(diǎn)”是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。ClassOne Technology的專家們確信，一種新的電鍍工藝可以解決銦凸點(diǎn)剛玉（corundum）的問題。

混合集成像素探測(cè)器廣泛用于從高能物理到軍事、環(huán)境和醫(yī)療等方面的成像應(yīng)用?；旌霞上袼?a target="_blank">檢測(cè)器將像素傳感器芯片與讀出集成電路(ROIC)相結(jié)合，從而允許對(duì)檢測(cè)器中的每個(gè)像素進(jìn)行電子訪問。像素傳感器由高電阻率硅制成，而ROIC則需要低電阻率材料?；旌霞稍试S每個(gè)元件獨(dú)立制造，然后通過稱為倒裝芯片或凸點(diǎn)鍵合的工藝耦合在一起。

倒裝芯片鍵合創(chuàng)建了一個(gè)觸點(diǎn)，可提供很高的輸入/輸出(I/O)密度以及傳感器像素和ROIC之間的短互連距離，從而實(shí)現(xiàn)高性能器件。在倒裝芯片鍵合期間，焊料凸點(diǎn)熔化從而形成這種連接。混合集成探測(cè)器中的像素放置在一個(gè)陣列中，它們之間的距離或間隙小于100微米。這種高連接密度需要更精細(xì)、更高精度的凸點(diǎn)和非常高良率的倒裝芯片工藝，以確保每個(gè)像素都能夠連接到IC。

倒裝芯片的演變

傳統(tǒng)的倒裝芯片組裝首先是使用鉛基焊料凸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，但由于其毒性，現(xiàn)在全球禁止在電子產(chǎn)品中使用這些材料，從而不得不重新審查這些材料。然而，無鉛替代品，如純錫或各種錫基無鉛合金，例如SnAgCu（錫-銀-銅，或SAC），在像素探測(cè)器中也面臨挑戰(zhàn)，因此尋找一種可行的替代品就擺在人們的面前。

由于讀出芯片和傳感器芯片由不同的材料制成，因此需要低溫制造工藝來減少因熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而對(duì)傳感器芯片造成的熱影響。此外，傳感器可能面臨從嚴(yán)酷輻射到低溫的極端環(huán)境?？傊?，所有這些挑戰(zhàn)都需要一種具有特定性能的新型焊料。我們建議將銦作為此類首選候選材料之一。

為什么是銦？

銦是一種軟質(zhì)金屬（比鉛軟），熔點(diǎn)低（156℃），具有很高的延展性和拉絲性，并且在極低的溫度（甚至低至絕對(duì)零度，-273℃）下仍能保持這些特性。這使得銦成為低溫和真空應(yīng)用的理想選擇。

就化學(xué)性質(zhì)而言，銦僅在較高溫度下才與氧發(fā)生反應(yīng)，不溶于酸，和其他金屬之間有良好的附著力，并具有浸潤玻璃的能力。其良好的導(dǎo)電性、延展性和低溫穩(wěn)定性使其成為混合集成像素探測(cè)器應(yīng)用中的理想選擇。

△圖1：共聚焦顯微鏡數(shù)據(jù)-(a)銦的特征形貌圖,(b)輪廓測(cè)量。

以前的方法

銦凸點(diǎn)以前是通過熱蒸發(fā)或?yàn)R射制造的，這種方式能夠形成具有良好凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)控制的高度均勻的凸點(diǎn)。然而，這種方法不能產(chǎn)生適合半導(dǎo)體行業(yè)當(dāng)前需求的具有更小間隙的小凸點(diǎn)（更高的縱橫比）。

此外，銦濺射需要昂貴的蒸發(fā)設(shè)備；僅限于具有高蒸氣壓的材料；需要復(fù)雜的制造工藝；由于掩模與晶圓的不匹配，不太適合更大的晶圓尺寸；因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生更多污染，因此環(huán)境安全性較差；并且僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。

相比之下，具有高縱橫比、低成本和簡(jiǎn)單制造工藝的電鍍凸點(diǎn)，特別是針對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)是可以實(shí)現(xiàn)的方式。但是傳統(tǒng)的電鍍需要優(yōu)化，因?yàn)椴痪鶆虻耐裹c(diǎn)會(huì)導(dǎo)致制造過程中的失效并降低混合集成芯片的可靠性。用于超精細(xì)間隙的銦凸點(diǎn)的蒸發(fā)既困難又耗時(shí)。此外，光刻膠掩模上的材料浪費(fèi)使該工藝不具有成本效益，通過這種方法可實(shí)現(xiàn)的最小間距尺寸為30毫米。

△圖2：銦凸點(diǎn)的掃描電子顯微鏡圖像。

電鍍挑戰(zhàn)

鍍?cè)谟糜谥圃斓寡b芯片鍵合凸點(diǎn)時(shí)面臨多重挑戰(zhàn)：它必須在晶圓級(jí)和高良率下實(shí)現(xiàn)所需的電鍍凸點(diǎn)的均勻性和一致性、超精細(xì)間隙。隨著間隙縮小和凸點(diǎn)數(shù)量增加，其挑戰(zhàn)性將會(huì)急劇增加。隨著晶圓特征尺寸的縮小，凸點(diǎn)尺寸將從50微米減小到15微米，間隙尺寸將從100微米減小到25微米。我們的目標(biāo)是驗(yàn)證電鍍能夠產(chǎn)生高質(zhì)量和高良率的高密度銦凸點(diǎn)。我們的工作證明，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ吆筒牧辖M合可以實(shí)現(xiàn)更小的凸點(diǎn)尺寸和更小的間隙。

隨著晶圓特征尺寸的縮小，凸點(diǎn)尺寸將從50微米減小到15微米，間隙尺寸將從100微米減小到25微米。我們的目標(biāo)是驗(yàn)證電鍍能夠產(chǎn)生高質(zhì)量和高良率的高密度銦凸點(diǎn)。我們的工作證明，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ吆筒牧辖M合可以實(shí)現(xiàn)更小的凸點(diǎn)尺寸和更小的間隙。

工藝步驟

在硅晶圓上沉積凸點(diǎn)下金屬化(UBM)之后，我們電鍍銦凸點(diǎn)。對(duì)于UBM，需要一個(gè)阻擋層和粘合層（例如鈦），然后是銦的可浸潤層（例如鎳或金），因?yàn)殒噧A向于快速氧化。銦球的高度由銦的體積和可浸潤性UBM焊盤的直徑?jīng)Q定。在我們的測(cè)試中，我們使用銅作為UBM的最外層。在125℃左右的溫度下，一些微量的銦與銅形成金屬間相；然后，對(duì)于更高的溫度，應(yīng)使用阻隔金屬，如鎳-金或鎳-銅。

去除UBM頂部層（我們測(cè)試中的銅）后，將晶圓加熱到電鍍銦凸點(diǎn)由于表面張力形成球體的溫度?；亓鞯哪康氖峭ㄟ^將銦重新塑造成球體來增加凸點(diǎn)高度，并幫助倒裝芯片鍵合對(duì)準(zhǔn)。

在回流之前，用與水混合的硝酸蝕刻掉銅種子層。鈦是一種不浸潤的材料，用于防止銦在回流期間擴(kuò)散到整個(gè)表面。銦對(duì)UBM的頂層（銅）具有良好的粘附性，但對(duì)周圍的材料(Ti)則不是。

回流必須在無氧環(huán)境中進(jìn)行，即爐體中需要有受控氣氛；否則，會(huì)形成氧化銦，阻礙銦凸點(diǎn)的形成。在我們的研究中，凸點(diǎn)在大約200℃的溫度下和表面吹氮?dú)獾臈l件下在熱板上回流。

回流后，像素傳感器和ROIC在室溫下通過低壓進(jìn)行配對(duì)。在工業(yè)應(yīng)用中，在倒裝芯片工藝之后會(huì)進(jìn)行第二次回流，以實(shí)現(xiàn)與熔融銦的表面張力的自對(duì)準(zhǔn)，并且使之具有高的強(qiáng)度。

影響凸點(diǎn)質(zhì)量和良率的因素包括不均勻的UBM、蝕刻工藝、回流溫度分布和回流后的清洗。在光刻過程中，光刻膠的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)對(duì)于獲得高質(zhì)量的凸點(diǎn)至關(guān)重要，但沒有在蒸發(fā)工藝中那么關(guān)鍵。電鍍工藝中的電流分布和物質(zhì)傳輸是電鍍中決定銦沉積物生長(zhǎng)和影響凸點(diǎn)形狀演變的主要因素。

實(shí)驗(yàn)方法

在這項(xiàng)工作中，我們嘗試電鍍超精細(xì)間隙銦凸點(diǎn)（特征尺寸為10μm，像素間隙為5μm和7.5μm)，并有非常均勻的高度。我們使用6英寸的硅晶圓作為基板，其上帶有銅種子層和17μm厚的光刻膠，以曝光形成所需的圖案。光刻膠厚度需要嚴(yán)格控制以確保良好的凸點(diǎn)輪廓。我們使用真空預(yù)浸潤工藝來去除氣泡和預(yù)浸潤小的圖案，并選擇純銦板作為陽極，確保100%的陽極效率。

通過直流（DC）、脈沖和脈沖反向電流波形進(jìn)行銦凸點(diǎn)電鍍。脈沖和脈沖反向電流的平均電流密度保持與直流條件相同，以便進(jìn)行直接比較。

電解質(zhì)的作用

迄今為止，已有各種化學(xué)物質(zhì)用于銦的電鍍。由于析氫、大晶粒和結(jié)節(jié)導(dǎo)致的光刻膠損壞是傳統(tǒng)銦電鍍電解液造成的主要缺陷。MacDermid Alpha Electronics Solutions公司開發(fā)了一種銦電解質(zhì)來克服這些致命缺陷。

Novafab IN-100是一種酸性電解質(zhì)系統(tǒng)，用于低溫、無鉛焊接互連。這種專有電解質(zhì)的配方可高效沉積銦金屬，并且與傳統(tǒng)的銦電鍍?cè)〔煌捎谄鋭?chuàng)新的化學(xué)成分，不會(huì)產(chǎn)生析氫。

在電鍍過程中，金屬-溶液界面處的pH值保持穩(wěn)定，消除了可能導(dǎo)致光刻膠剝離和損壞的pH值急劇升高。因此，Novafab IN-100因其固有的光刻膠兼容性而適用于光刻膠圖案化晶圓電鍍。它產(chǎn)生細(xì)粒度、無結(jié)節(jié)的亞光沉積物，銦純度>99.5%，并表現(xiàn)出卓越的附著力。該溶液是完全可解析的，并且與可溶性和不溶性陽極系統(tǒng)兼容。

結(jié)論

電鍍凸點(diǎn)的高度是使用共聚焦顯微鏡測(cè)量的，如圖1所示。為了消除非優(yōu)化回流工藝的影響，高度測(cè)量在電鍍之后和回流工藝之前進(jìn)行。在我們使用的三種波形中，具有高開啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間比率的脈沖電鍍產(chǎn)生了最好的結(jié)果。測(cè)量凸點(diǎn)的高度，我們能夠在整個(gè)晶圓上獲得不到10%的非均勻性。

在我們的演示過程中，凸點(diǎn)表面確實(shí)形成了氧化銦層，因此我們無法在回流后獲得完美形狀的球體，但觀察到凸點(diǎn)開始變圓并形成球體。

在ClassOne的Solstice單晶片平臺(tái)上，銦電解質(zhì)的特性與倒裝芯片工藝相結(jié)合，展示了一種將銦用于倒裝芯片電鍍工藝的可行方法。

審核編輯 黃昊宇