[发明专利]一种使用铟和微针锥结构的热压缩芯片低温互连方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装领域，具体是通过将带有表面铟层的镍针锥层，与另一侧第二金属层进行热压缩，实现元件间固态互连接合的方法。

 

背景技术

半导体芯片封装的微互连技术正不断的革新，传统的熔融键合技术是通过温度的控制使得键合点处的金属熔化打湿键合点两侧，冷却后键合点固化，从而得到良好的焊接，例如再流焊。再流焊工艺需要将焊接温度提高到第二金属的熔点以上，高的温度环境会对某些芯片或基板产生恶劣的影响，降低产品的可靠性。为了达到理想的结合强度，有时需要使用助焊剂，粘结剂等有机物。减少第二金属高温氧化的风险，并用来去除第二金属表面的氧化膜，以提高润湿性。在焊接完成后，需要清除焊剂或焊剂残留物。助焊剂的使用和除去残留物要耗费一定的生产时间，而当芯片和芯片间，或芯片和基片间的空隙越小的时候，焊剂残留物就越难完全去除。

寻求低的焊接温度已是芯片互连技术的发展的一大趋势。现如今有诸多相关文献和专利，描述非熔融方法实现的芯片到基片或芯片到芯片叠层的互连工艺。主要的技术手段可分为两类，一类是金属-金属直接键合，通过表面清洁处理去除金属表面的污染和氧化层，获得高表面活性，使其能够在远低于熔点的温度下实现原子级连接。另一类是使用中间层，例如利用纳米级金属(如金、银)颗粒的高表面能，降低再结晶温度，从而在较低的温度辅以压力下产生低温烧结现象而实现互连。又例如，某些金属具有在低温下具有相互形成高熔点金属间化合物的性质，已有报道利用此性质实现铟-银、铟-锡等金属间的低温焊接。

铜-铜固态键合已有多种报道，其中，表面活化键合(SAB)技术能够实现温度低至室温下的多种金属之间的原子级连接。用于实现表面活化键合的铜表面一般经过精细的化学机械抛光以达到纳米级平整度，获得高度活化的金属表面的途径包括氩原子、离子、等离子体处理等。当表面氧化物和污染被清除后，完成活化的芯片或晶圆表面需要真空保护以控制再次氧化的速率，并在更高的真空度下完成直接键合。包括铜-铜固态键合在内的一系列基于表面活化的高平整度金属-金属直接键合技术对晶圆的加工工艺有相当高的要求，并往往用于圆片级互连。

使用纳米金属颗粒实现的键合技术也有广泛的报道，最常使用的是纳米银颗粒，由于金属颗粒在直径达到纳米级时，烧结温度随尺寸缩小和表面能的增大而明显降低，亦可在大大低于熔融焊的温度，甚至低至室温的条件下烧结键合，获得具有高温稳定性的焊点。纳米银颗粒的制备可通过烘干凝胶中的溶剂来得到，对于直径约为100 nm的银颗粒而言，键合可在300℃以下的温度、25 MPa以下的压力下进行，获得的剪切强度在10 MPa以上。这种方法因为焊点具有相当高的电导率和热导率，在大功率元件和大面积芯片阵列型封装中具有较广的使用前景。

针对某些器件高工作温度的特点，亦有新的键合材料和技术体系开发以取代无法承受高温的锡基焊料，例如，金属铟由于具有较低的熔点而被认为是一种有前途的低温焊接金属，目前对封装领域铟的使用主要研究体现在利用铟和其他焊料金属层，如银、锡、铜、金等，反应产生较高熔点的金属间化合物。例如利用多层结构的银和锡薄膜分别制备在键合偶的两侧，在约180℃下辅以接触压力，银在液相的铟中过饱和而生成等固相产物，从而实现工艺温度低于传统无铅焊料的焊接。通过设计铟层和银层(或锡层)的厚度，反应能够将两侧薄膜完全消耗，形成熔点大幅提高至700℃以上的Ag₂In和Ag₃In金属间化合物，以得到牢固的键合，并且具有无需助焊剂、无氧化、较低的应力以及几乎无缺陷的特点。

 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出一种使用铟和微针锥结构的热压缩芯片低温互连方法，该方法能够克服以往工艺在新的封装技术应用中的一些缺陷，避免回流焊工艺温度对器件产生较大的热损伤，该方法通用性强，无需助焊剂，工艺流程简单，能明显降低现有倒装焊工艺温度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种使用铟和微针锥结构的热压缩芯片低温互连方法，包括芯片到基片的粘接互连方法，或者芯片与芯片的叠层垂直互连方法，步骤如下：

1)、选择表面具有电互连焊盘金属块的第一芯片；

2)、选择具有与第一芯片电互连焊盘区域相对应焊盘的基片或第二芯片；

3)、在第一芯片焊盘区域制备镍微针锥层及铟层；

4)、在基片或者第二芯片焊盘区域制备金属凸点，包括下层的第一金属柱和表面覆盖的第二金属帽；