黄宏娟 赵德胜 龚亚飞 张晓东 时文华 张宝顺
（中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所）
摘要：
芯片异构集成的节距不断缩小至10μm及以下，焊料外扩、桥联成为焊料微凸点互连工艺的主要技术问题。通过对微凸点节距为8μm的Cu/Sn固液扩散键合的工艺研究，探索精细节距焊料微凸点互连工艺存在的问题，分析Cu/Sn微凸点键合界面金属间的化合物，实现了精细节距和高质量的Cu/Sn微凸点互连，获得了节距为8μm、微凸点数为1 900个、总面积为3 mm×3 mm的不均匀微凸点阵列，该阵列互连对准误差小于0.5μm，含有200个微凸点菊花链结构的电学导通。
引言
为了实现片上系统（System⁃on⁃chip，SoC）的性能，硅转接板内互连节距需要缩小至2~10μm［1⁃2］，SivaChandra等人研制了节距≤10μm的硅互连结构（Siliconinterconnectfabric，Si⁃IF）［3⁃8］，实现微凸点节距为10μm、微凸点直径为5μm的芯片到晶圆（Chiptowafer，C2W）的Cu—Cu直接键合工艺，在Cu微凸点氧化层预处理方面做了系列研究，包括在Cu微凸点表面覆盖一层Ti/Au薄膜用于阻止Cu的氧化以及甲酸气氛还原Cu氧化层等。Cu—Cu直接键合可以避开常用焊料键合焊料外溢、桥联的问题，但低温金属直接键合对微凸点高度一致性、表面平整度以及粗糙度的要求也相应提高，同时为了保证键合时微凸点接触紧密，键合压力也会比焊料键合要大。为此本文采用Cu—Sn热压键合来实现节距≤10μm的精细节距互连，通过在Cu微凸点表面沉积一层Sn来降低微凸点表面平整度和粗糙度的要求，并降低键合压力和键合温度。同时Cu/Sn键合后所生成的金属间化合物Cu3Sn和Cu6Sn5的熔点分别为640℃和415℃，适合多芯片堆叠［9⁃13］，但在长期稳定性和耐腐蚀性方面Cu3Sn要明显优于Cu6Sn5［11，14］。
Cu/Sn固液扩散键合的典型温度比Sn熔点（232℃）高约20~50℃。Ching⁃KuanLee等人制备了节距为20μm、微凸点直径为10μm的Cu/Sn微凸点，通过芯片倒装键合工艺互连，260℃保温10s后，在150℃下退火30min，观察界面的金属间化合物（IMC）主要为Cu6Sn5和Cu3Sn，其中Cu6Sn5比Cu3Sn更厚［9］。JohnM.Lannon等人报道的Cu—Sn—Cu固液扩散键合，采用温度275℃加热180s，微凸点界面金属间化合物仅为Cu3Sn，未见Cu6Sn5，并在微凸点之间的间隙中填充BCB胶水增加可靠性［10］。JörgMeyer等人研究了孔隙Cu3Sn形成过程，分析了工艺温度、气氛以及助焊剂对金属间化合物演变的影响［15⁃17］，说明如何控制金属间化合物的相是Cu/Sn微凸点键合工艺的技术难点。随着微凸点节距的进一步缩小，微凸点尺寸效应成为主要的工艺难点。目前文献报道的Cu/Sn键合的最小节距为10μm［18］，且微凸点采用电镀工艺进行制备，电镀后通常需要金属研磨抛光以及电镀种子层去除工艺，工艺复杂，微凸点高度一致性、表面平整度以及粗糙度不仅受电镀工艺影响，而且受金属研磨抛光和种子层去除工艺影响，增加了微凸点制备的难度。本文采用电子束蒸发工艺进行金属薄膜沉积，用剥离的方式获得微凸点，提高了微凸点高度一致性、表面平整度和粗糙度，将节距减小至8μm。本文还研究了Cu/Sn微凸点互连工艺，展示了微凸点直径为4μm的Cu/Sn微凸点制备工艺流程，通过芯片倒装键合设备进行固液扩散键合，根据电学导通测试判断微凸点互连导通情况，对微凸点键合界面进行能谱测试，分析金属间化合物成分，对键合芯片进行剪切力测试验证微凸点键合剪切强度。
1实验
采用菊花链结构进行微凸点电连接测试，设计版图如图1所示，微凸点为非均匀分布，最大分布面积为3mm×3mm，微凸点分布于样品四周及中间，微凸点间距为4μm，四周分布电导通测试点，可测试50个微凸点、100个微凸点以及200个微凸点的导通电阻，其中四周角上的微凸点可测试相邻微凸点间的电阻，可检测开路微凸点具体分布。
微凸点制备及互连工艺主要流程如图2所示。芯片和基板均为测试片，未进行器件结构制备。图2（a）所示为微凸点下金属层（UBM）以及菊花链结构导电层制备，采用剥离工艺实现，具体为光刻掩模形成UBM和导电层的开孔，并进行金属薄膜沉积和剥离，实现图形化金属薄膜层，金属层选用Ti/Au/Ti，第一层Ti作为芯片和基板表层材料与Au的粘附层，第二层Au作为导电层，第三层Ti作为Au和钝化层SiO2的粘附层。图2（b）所示为钝化层制备，用于菊花链结构相邻微凸点的隔离以及微凸点外围的绝缘钝化，限制微凸点材料的外溢，具体工艺采用PECVD沉积SiO2薄膜，进行光刻掩模后RIE刻蚀去除焊盘孔处的SiO2，去除光刻胶掩模，形成焊盘周围具有钝化膜的结构。图2（c）所示为微凸点制备，采用剥离工艺，具体工艺为在已完成UBM和钝化膜的芯片和基板上进行厚胶光刻，胶的厚度超过所需微凸点的厚度，此步开孔位置与UBM位置对准，开孔尺寸小于UBM开孔，并进行金属焊料的蒸发和剥离，其中微凸点材料为Cu/Sn，厚度分别为3μm和2μm。图2（d）所示为芯片和基板的微凸点互连，采用倒装键合技术实现Cu/Sn固液扩散键合，达到芯片和基板微凸点互连导通的目的。
微凸点制备完成后用扫描电镜（SEM）观察，整体形貌俯视见图3。图3（a）所示为线阵区域的微凸点形貌，可进行X、Y轴单方向大偏移导通测试以及相邻最少4个微凸点导通测试。图3（b）所示为面阵区域的微凸点形貌，微凸点形态均匀，未见相邻微凸点短路等异常现象。图3（c）所示为面阵区域微凸点放大至4000倍形貌，测试微凸点节距为8μm，微凸点直径约4.4μm，微凸点间距小于4μm。图4为微凸点倾斜形貌，由图可见，Cu呈现圆柱体形貌，Sn表面不规则、类尖顶状，如图4（a）所示；另外，Cu厚度约2.7μm，Sn厚度约2.2~2.8μm，如图4（b）所示。
3结果与讨论
采用SETfc150键合机进行倒装互连，250℃/5min，由于微凸点尺寸过小，倒装后的对准误差无法用X⁃ray、超声检测等非破坏性手段测试，采用玻璃透明样品进行对准测试，键合对准误差小于0.5μm，如图5所示。图5（a）所示为菊花链结构微凸点键合后情况，可看出分立微凸点X轴和Y轴均未有与相邻微凸点短路的现象。图5（b）所示为对准精度为0.1μm的标记键合后对准情况，X轴偏移量为0.2μm，Y轴偏移量为-0.4μm。图5（c）所示为对准精度为0.5μm的标记键合后对准情况，X和Y轴偏移量均小于0.5μm。
进行电学导通测试，测试结果如图6所示，微凸点数量为100个，微凸点分布最远距离约为3mm，电阻约80Ω，电阻包含微凸点、链接布线层和探针焊盘，平均单个微凸点电阻约0.8Ω；微凸点数量为200个，微凸点分布最远距离约为1.7mm，电阻约50Ω，平均单个微凸点电阻约0.5Ω；微凸点数量为100个，微凸点分布最远距离约为0.4mm，电阻约50Ω，平均单个微凸点电阻约0.5Ω。对比数据可知导电层电阻占据电阻比例较大。对样品进行260℃/30min氮气退火处理后进行电学测试，微凸点电阻变化不明显。
对倒装互连样品进行剪切力测试，微凸点数量为1900个，测试结果见图7，未退火处理的样品剪切强度约140gf，平均单个微凸点剪切强度约0.074gf，约为文献［18］直径为5μm的单微凸点剪切强度0.026gf的三倍，退火处理的样品剪切强度约600gf。从测试结果看，退火工艺对微凸点互连的剪切强度有明显的改善作用。
对Cu/Sn微凸点键合界面进行观察，由图8可知微凸点对准偏移量小于1μm，相邻微凸点间未短路，可观察到Sn在键合温度下沿着Cu侧面迁移。对260℃退火30min后的样品截面观察，局部微凸点在键合界面存在明显的孔隙，孔隙位置在上下微凸点的接触面处，结合图9的能谱可知，键合界面生成Cu3Sn，Sn在相中的含量为24.5%（at），不排除在键合过程中Cu/Sn合金过快，导致上下微凸点接触面成为金属间化合物之间的键合，从而形成孔隙。
4结论
通过倒装芯片技术实现了芯片级的Cu/Sn微凸点精细节距互连。微凸点节距为8μm，微凸点直径为4μm，每个芯片的微凸点阵列数为1900个。由于微凸点距离小，传统的X射线检测难以检测判断倒装后的微凸点对准精度。透明样品用于显微镜观察以测量倒装芯片对准精度，X轴和Y轴偏差小于0.5μm。单芯片200个微凸点阵列导通，单微凸点电阻约几百mΩ。单芯片剪切强度约600gf。测试结果表明，节距为8μm的Cu/Sn微凸点互连技术可应用于多芯片异质/异构3D集成封装，具有很好的应用前景。
来源：半导体材料与工艺
