本發(fā)明屬于半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，具體涉及一種在半導(dǎo)體裸芯片上實現(xiàn)鍵合金屬化改性的方法。
背景技術(shù)：
：目前，半導(dǎo)體芯片表面金屬化層多采用鋁及鋁合金材料，而集成電路及混合集成電路等半導(dǎo)體封裝結(jié)構(gòu)均主要采用金線熱超聲鍵合互連工藝，這就導(dǎo)致裸芯片表面在鍵合后形成了金-鋁化合物合金層。已有的研究和可靠性試驗結(jié)果表明，金鋁異質(zhì)鍵合點在300℃及以上的溫度條件下，在極短時間內(nèi)會出現(xiàn)鍵合點性能衰變，嚴重時會導(dǎo)致鍵合點脫落進而導(dǎo)致器件失效。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，高溫下Au-Al異質(zhì)鍵合點界面處的原子擴散速率變大，在界面處發(fā)生快速的界面反應(yīng)，進而生成過厚的金屬間化合物。高溫下Au-Al鍵合界面形成的化合物，主要為AuAl2(“紫斑”)、Au5Al2(“白斑”)，此外還有AuAl、Au4Al、Au2Al等。這些金屬化合物本身并不會對器件性能造成損害，但是它們的出現(xiàn)標志著焊點的可靠性降低。這是因為這些金鋁金屬間化合物為脆性相，機械性能和熱性能與Au、Al顯著不同，在外界應(yīng)力作用下容易開裂，進而導(dǎo)致焊點開路，致使電子器件失效。鑒于以上情況，半導(dǎo)體封裝器件中普遍存在的異質(zhì)鍵合工藝已難以滿足高可靠性元器件及高溫應(yīng)用元器件的質(zhì)量可靠性要求。技術(shù)實現(xiàn)要素：為克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種在半導(dǎo)體裸芯片上實現(xiàn)鍵合金屬化改性的方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種在半導(dǎo)體裸芯片上實現(xiàn)鍵合金屬化改性的方法，包括以下步驟：1)微蝕：將除油后的半導(dǎo)體裸芯片表面或晶圓放入到硫酸與雙氧水的混合溶液中，在30-40℃下反應(yīng)60-90s后水洗；2)一次鋅活化：將經(jīng)步驟1)微蝕的半導(dǎo)體裸芯片表面或晶圓采用活化液，在反應(yīng)溫度為20-30℃下活化30-40s；3)酸腐蝕：一次鋅活化后，進行酸腐蝕，將鋅腐蝕掉；4)二次鋅活化：將經(jīng)步驟3)酸腐蝕后的元件采用活化液在溫度為20-30℃下進行活化15-20s，然后水洗；5)化學(xué)鍍Ni：采用鍍液，在經(jīng)過二次鋅活化后的裸芯片或晶圓表面進行沉積形成2μm～4μm的Ni層；6)化學(xué)鍍Pd：采用鍍液，在Ni層上沉積Pd層，厚度為0.2μm～0.5μm；7)浸金：采用鍍液，在Pd層上沉積Au層，厚度為：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟1)中硫酸的質(zhì)量濃度為18.4mol/L，硫酸與雙氧水的體積比為(80-100)mL：(80-90)mL。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟3)中酸腐蝕具體是在浸泡在硝酸水溶液中，浸泡15-30s后水洗；其中，硝酸水溶液是按體積比1:1將硝酸加入到水中制得。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟2)和步驟4)中的活化液均是將氫氧化鈉、氧化鋅、三氯化鐵以及酒石酸鉀鈉加入到水中制得，并且活化液中氫氧化鈉的濃度為500-600g/L，氧化鋅的濃度為90-100g/L，三氯化鐵的濃度為1g/L，酒石酸鉀鈉的濃度為10g/L。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟5)中鍍液是將NiSO4與H3BO3加入到水中制得，并且鍍液中NiSO4的濃度為300g/L，H3BO3的濃度為40g/L。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟5)中以0.2μm-0.3μm/min的速率進行沉積。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟6)中鍍液是將二氯二氨基鈀鹽、氯化銨、氨水以及NH4OH加入到水中制得，并且鍍液中二氯二氨基鈀鹽的濃度為20～40g/L，氯化銨的濃度為10～20g/L，氨水的質(zhì)量濃度為25％，NH4OH的濃度為40～60g/L。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟6)中在0.05μm-0.1μm/min的速率下進行沉積。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟7)中鍍液是將亞硫酸金鈉、亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉以及硼砂加入到水中制得，并且鍍液中，亞硫酸金鈉的濃度為2g/L，亞硫酸鈉的濃度為15/L，硫代硫酸鈉的濃度為12.5g/L，硼砂的濃度為10g/L。本發(fā)明進一步的改進在于，步驟7)中在0.01μm/min的速率下進行沉積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明在化學(xué)鎳層和浸金層之間加入薄薄的化學(xué)鈀層的作用主要有兩個方面：(1)阻擋鎳的擴散和遷移，防止黑盤的發(fā)生。在焊接時，很薄的金層迅速熔入焊料后，由于鈀的熔點高，在焊接時鈀的熔解速度比金的慢很多，熔融的鈀在鎳表面會形成一層阻擋層可防止銅鎳金屬氧化物的產(chǎn)生，從而改善了焊接性能。(2)由于硬度較大的鈀層存在，可以使金層厚度明顯地減少，這樣即可提高焊接點的可靠性，又可獲得較好的耐磨性能和打金線性能，適合應(yīng)用在高連接可靠性的產(chǎn)品上。本發(fā)明中鎳層主要起焊接作用。在焊接過程中，很薄的金和鈀將相繼熔入于焊料中，而裸露和新鮮的鎳層便與焊料中的錫形成金屬間互化物，形成好的焊接和可靠性。將金層、鈀層剝離后，但是鎳層晶界間存在空隙，致密性較鈀層差，因此在鎳層上鍍上一層致密的鈀層，可以有效的阻擋浸金化學(xué)藥水對鎳面的攻擊，避免鎳層黑墊缺陷的產(chǎn)生。本發(fā)明使用化學(xué)鍍鎳鈀浸金工藝，在半導(dǎo)體裸芯片表面制備兼容金線鍵合的鎳鈀金三層金屬化層，膜層附著力及穩(wěn)定性滿足封裝工藝的應(yīng)用需求，改性后的芯片各項電參數(shù)與改性前對比無明顯差異，同時避免了在封裝工藝中普遍存在的金-鋁異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，在改性后的鎳鈀金層表面進行的金線鍵合可以滿足高溫環(huán)境應(yīng)用及器件長壽命使用的可靠性需求。本發(fā)明將原有的裸芯片表面普遍存在的金-鋁異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)改性為金-金同質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，避免金-鋁合金在高溫條件下的脆裂失效。進一步的，當鈀層較厚時，則鈀層排列致密，只發(fā)生金與鈀置換的反應(yīng)；若鈀層較薄，則金液會透過鈀層晶格間隙與鎳層接觸，金即與鈀置換也與鎳置換，會造成鈀層與鎳層剝離的風險，因此，本發(fā)明中鈀層為0.2μm～0.5μm厚。進一步的，由于金層是為了提高鍍層的可焊性和打線能力的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在無鉛焊接過程中，很薄的金層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過3％時，會引起焊點發(fā)脆，影響焊接可靠性。因此，鍍金層厚度要加以控制在0.05μm～0.1μm之間。具體實施方式下面對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明包括以下步驟：(1)晶圓準備→(2)除油→(3)水洗→(4)微蝕→(5)水洗→(6)一次鋅活化→(7)HNO3處理→(8)水洗→(9)二次鋅活化→(10)水洗→(11)化學(xué)鍍Ni→(12)化學(xué)鍍Pd→(13)化學(xué)鍍Au→(14)水洗→(15)烘干。具體流程如下：1)將半導(dǎo)體裸芯片表面或晶圓進行除油，除油可采用等離子體清洗或采用清洗液進行水洗。本發(fā)明中采用的是氟利昂進行除油。2)微蝕：將除油后的半導(dǎo)體裸芯片表面或晶圓放入到濃硫酸與雙氧水的混合溶液中，在30-40℃下反應(yīng)60-90s后水洗；其中，濃硫酸(質(zhì)量濃度為18.4mol/L)與雙氧水的體積比為(80-100)mL：(80-90)mL。3)一次鋅活化：使用以下配比的活化液(所述活化液是將氫氧化鈉、氧化鋅、三氯化鐵以及酒石酸鉀鈉加入到水中制得；活化液中氫氧化鈉的濃度為500-600g/L；氧化鋅的濃度為90-100g/L；三氯化鐵FeCl3的濃度為1g/L；酒石酸鉀鈉的濃度為10g/L)在反應(yīng)溫度為25±5℃下反應(yīng)30-40s進行一次鋅活化。4)一次鋅活化后，進行酸腐蝕，將鋅腐蝕掉，具體是在浸泡在硝酸溶液中，浸泡15-30s后水洗。其中，硝酸水溶液是按體積比1:1將硝酸加入到水中制得。5)二次鋅活化：使用以下配比的活化液(所述活化液是將氫氧化鈉、氧化鋅、三氯化鐵以及酒石酸鉀鈉加入到水中制得，活化液中氫氧化鈉的濃度為：500-600g/L；氧化鋅的濃度為：90-100g/L；三氯化鐵FeCl3的濃度為1g/L；酒石酸鉀鈉的濃度為：10g/L)在溫度為25±5℃下反應(yīng)15-20s，進行二次鋅活化，然后水洗。通過兩次鋅活化過程，除去鋁及合金表面氧化膜的同時形成一層均勻、致密的鋅層以阻擋鋁表面再次被氧化。6)化學(xué)鍍Ni：使用以下配比的鍍液(鍍液是將NiSO4與H3BO3加入到水中制得，并且鍍液中NiSO4的濃度為：300g/L；H3BO3的濃度為：40g/L)，以0.2μm-0.3μm/min的沉積速度，在經(jīng)過二次鋅活化后的裸芯片或晶圓表面形成2μm～4μm的Ni層。7)化學(xué)鍍Pd：使用以下配比的鍍液(鍍液是將NiSO4與H3BO3加入到水中制得，并且鍍液中二氯二氨基鈀鹽Pd(NH3)2Cl2的濃度為20～40g/L；氯化銨NH4Cl的濃度為10～20g/L；氨水的質(zhì)量濃度為25％；NH4OH的濃度為40～60g/L)，在0.05μm-0.1μm/min的沉積速率下，在裸芯片表面沉積Pd層，厚度為0.2μm～0.5μm。8)浸金：使用以下配比的鍍液(鍍液是將亞硫酸金鈉、亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉以及硼砂加入到水中制得，鍍液中亞硫酸金鈉NaAu(SO3)2的濃度為2g/L；亞硫酸鈉Na2SO3的濃度為15/L；硫代硫酸鈉Na2S2O3的濃度為12.5g/L；硼砂Na2B4O7.10H2O的濃度為10g/L)，在0.01μm/min的沉積速率下，在裸芯片表面沉積Au層，厚度為0.05μm～0.1μm；然后水洗、烘干。本發(fā)明中，使用臺階測試儀對各層金屬化厚度進行定量檢測。實際中進行制作時，包括以下步驟：1)晶圓正面防污染、背面保護技術(shù)在對晶圓表面的焊盤表面化學(xué)處理，增加多層金屬薄膜之前首先優(yōu)化鍍液，確保對晶圓正面鈍化層無腐蝕、污染的副作用；其次要在晶圓背面涂保護膠、固化，保護晶圓在化學(xué)鍍過程中不受損傷。涂膠的圖形質(zhì)量對后續(xù)整個生產(chǎn)工藝至關(guān)重要，因此擬采用晶圓涂膠機對晶圓背面進行涂膠，保證晶圓或裸芯片表面清潔無粘污。2)晶圓表面活化技術(shù)晶圓表面活化技術(shù)即晶圓表面通過浸鋅的方法，在選擇性化學(xué)鍍之前對Al焊盤表面進行活化處理，增加焊盤的表面活性。這是因為晶圓暴露在空氣中時，Al焊盤表面容易形成氧化膜，從而降低了焊盤表面活性，阻礙了鍍層與Al焊盤表面的緊密結(jié)合。因此，選擇本發(fā)明中合理的預(yù)處理方法，提高焊盤表面活性，增加鍍層與焊盤的結(jié)合力是選擇性化學(xué)鍍效果取得成功的關(guān)鍵前提技術(shù)。3)選擇性化學(xué)鍍技術(shù)通過選擇性化學(xué)鍍的方法，在Al焊盤表面增加多層薄膜金屬是提高Al焊盤鍵合可靠性的關(guān)鍵工藝，此技術(shù)方案的難點主要包括如何控制不同薄膜金屬的厚度和工藝的穩(wěn)定性?；瘜W(xué)鍍?nèi)芤菏怯芍鼷}、還原劑、絡(luò)合劑、緩沖劑、穩(wěn)定劑及加速劑、表面活性劑和光亮劑等組成，其基本組份為主鹽和還原劑。各組份的作用不同，但又沒有嚴格限制，因此影響化學(xué)鍍效果的參數(shù)很多。通過正交試驗方法，對比鍍液中主鹽、還原劑、絡(luò)合劑濃度以及鍍液pH值等因素在鋁基化學(xué)鍍過程中對鍍層金屬含量和鍍速的影響，采用本發(fā)明中的鍍液能夠為實現(xiàn)鋁基表面化學(xué)鍍層厚度及鍍速的控制提供保障。4)清洗、烘干、揭膜技術(shù)晶圓表面選擇性化學(xué)鍍完成之后需要對晶圓進行清洗、烘干，然后通過揭膜機去除晶圓背面的保護膠膜。對于已裂片的集成電路裸芯片，將芯片粘貼在藍膜表面，并使用雙面膠帶將藍膜固定在晶圓表面。本發(fā)明的工藝原理如下：使用化學(xué)鍍鎳浸金工藝(ENEPIG)在半導(dǎo)體裸芯片表面(整晶圓或已裂片均可)制備適宜金線熱超聲鍵合的Ni-Pd-Au三層金屬化，將原有的裸芯片表面普遍存在的金-鋁異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)改性為金-金同質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，避免金-鋁合金在高溫條件下的脆裂失效?；瘜W(xué)鍍鎳、鈀、金相較于化學(xué)沉鎳金，僅是在鎳缸和金缸之間添加一個鈀缸，但根據(jù)鈀缸內(nèi)反應(yīng)的不同可將化學(xué)鎳鈀金技術(shù)可分為兩種類型，即還原型鎳鈀金(ENEPIG)工藝及置換型鎳鈀金工藝。前者在生成鈀層時發(fā)生氧化還原反應(yīng)，后者則發(fā)生置換反應(yīng)。其中，當鈀層較厚時，則鈀層排列致密，只發(fā)生金與鈀置換的反應(yīng)；若鈀層較薄，則金液會透過鈀層晶格間隙與鎳層接觸，金即與鈀置換也與鎳置換，會造成鈀層與鎳層剝離的風險，因此，鈀層須有一定的厚度，本發(fā)明中鈀層為0.2μm～0.5μm厚。另外，ENIPIG的反應(yīng)也分為3步：化學(xué)鍍鎳、化學(xué)浸鈀和化學(xué)浸金，其中化學(xué)鍍鎳與化學(xué)浸金的反應(yīng)機理與ENEPIG的基本一致，唯一不同的是生成鈀的反應(yīng)，ENIPIG中化學(xué)鍍鈀為置換反應(yīng)。由于金層是為了提高鍍層的可焊性和打線能力的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在無鉛焊接過程中，很薄的金層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過3％時，會引起焊點發(fā)脆，影響焊接可靠性。因此，鍍金層厚度要加以控制在0.05μm～0.1μm之間。金面作為ENEPIG鍍層最表層的膜，其表面形貌及致密度決定了鍍層的質(zhì)量及焊接的可靠性。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，ENEPIG的金層具有平整、厚度均勻的表面結(jié)構(gòu)，而且晶胞排列致密，沒有發(fā)現(xiàn)微裂縫，金面晶格結(jié)構(gòu)良好。在化學(xué)鎳層和浸金層之間加入薄薄的化學(xué)鈀層的作用主要有兩個方面：(1)阻擋鎳的擴散和遷移，防止黑盤的發(fā)生。在焊接時，很薄的金層迅速熔入焊料后，由于鈀的熔點高，在焊接時鈀的熔解速度比金的慢很多，熔融的鈀在鎳表面會形成一層阻擋層可防止銅鎳金屬氧化物的產(chǎn)生，從而改善了焊接性能。(2)由于硬度較大的鈀層存在，可以使金層厚度明顯地減少，這樣即可提高焊接點的可靠性，又可獲得較好的耐磨性能和打金線性能，適合應(yīng)用在高連接可靠性的產(chǎn)品上。通過SEM分析，鈀面晶胞致密、平整，無腐蝕產(chǎn)生。剝離金層后鈀面晶胞結(jié)構(gòu)致密，沒有發(fā)現(xiàn)微裂縫，晶格結(jié)構(gòu)良好。鎳層主要起焊接作用。在焊接過程中，很薄的金和鈀將相繼熔入于焊料中，而裸露和新鮮的鎳層便與焊料中的錫形成金屬間互化物，形成好的焊接和可靠性。將金層、鈀層剝離后，借助于表征技術(shù)，可以觀察到鎳面光亮平整，晶界清晰，晶粒大小均勻，無腐蝕產(chǎn)生。但是鎳層晶界間存在空隙，致密性較鈀層差，因此在鎳層上鍍上一層致密的鈀層，可以有效的阻擋浸金化學(xué)藥水對鎳面的攻擊，避免鎳層黑墊缺陷的產(chǎn)生。實施例要從根本上解決半導(dǎo)體器件的高溫環(huán)境下的鍵合可靠性問題，必須從鍵合金屬化材料自身著手，本發(fā)明提供一種基于化學(xué)鍍鎳鈀浸金技術(shù)在半導(dǎo)體裸芯片表面進行鍵合金屬化改性的方法，將原有的鋁基材料進行改性處理，使金-鋁異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為金-金同質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，從而大幅提升半導(dǎo)體器件的高溫壽命及長期可靠性。通過使用化學(xué)鍍鎳鈀浸金工藝，在半導(dǎo)體晶圓片或半導(dǎo)體裸芯片表面金屬化制備三層可以兼容熱超聲金線鍵合的鎳鈀金三層金屬化層。鍵合金屬化改性前后樣品測試數(shù)據(jù)：使用CD4520裸芯片分別制備金屬化改性前后的鍵合樣品，然后對兩組樣品進行300℃、24h的高溫存貯，分別對兩組樣品進行鍵合強度測試結(jié)果如下表1和表2：(單位:克，下劃線數(shù)據(jù)為脫鍵失效模式)表1金屬化改性前樣品鍵合強度測試數(shù)據(jù)5.86.37.65.35.95.55.16.07.86.86.65.95.66.58.47.16.45.26.27.77.66.82.37.95.46.26.16.56.17.96.36.96.05.71.97.17.56.55.96.27.05.16.36.26.46.87.34.25.26.47.76.16.75.16.06.35.05.87.44.55.04.84.68.38.06.06.74.97.78.05.92.75.56.65.87.76.16.66.55.37.86.55.75.47.36.16.55.46.64.75.45.26.77.94.95.58.47.65.77.7表2金屬化改性后樣品鍵合強度測試數(shù)據(jù)7.58.48.36.58.17.66.19.88.910.17.48.57.47.37.18.07.09.69.18.89.17.96.38.18.310.08.77.76.37.57.37.98.19.78.58.07.08.07.79.67.97.85.77.48.38.68.89.28.27.96.67.17.67.96.18.16.88.810.08.68.09.17.28.57.57.48.29.48.68.87.37.59.79.39.38.38.48.27.67.59.09.87.87.58.010.28.08.46.910.18.87.95.77.98.38.17.58.58.67.6從表1和表2可以看出，改性前樣品中100根引線有69根為脫鍵失效模式(退化較快的失效模式)，其中最小鍵合強度為1.9克，而改性后樣品中100根引線均為斷裂失效模式(退化較慢的失效模式)，其中最小鍵合強度為5.6克，改性后樣品測試結(jié)果明顯優(yōu)于改性前樣品測試結(jié)果。通過對裸芯片表面進行的金屬化改性明顯地抑制了芯片表面異質(zhì)鍵合的退化速率，提高了芯片表面異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境中的長期可靠性。當前第1頁1 2 3