提升金铝键合长期可靠性的方法
【专利摘要】本发明涉及一种提升金铝键合长期可靠性的方法，特征是采用溅射阻挡层TiW和电镀焊接层金的方式将芯片铝焊盘结构改变成金焊盘结构（溅射阻挡层TiW阻挡了铝焊盘与金球之间形成金铝焊接界面，在阻挡层TiW的表面电镀焊接层金形成金焊接表面），将金铝异种金属键合焊接界面改变成金金同种金属键合焊接界面，彻底解决了金铝异种金属键合导致的集成电路器件的长期可靠性问题。本发明能够适用于5″、6″、8″或12″的任意一类尺寸，该类圆片中可包含铝层结构的任意尺寸的芯片。
【专利说明】提升金铝键合长期可靠性的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路封装过程中在X芯片的铝焊盘上采用金丝球焊键合的金铝异种金属互连的长期可靠性问题，具体地说是如何将芯片上的铝焊盘结构转换成金焊盘结构，从而实现金金同种金属键合，提高集成电路器件的长期可靠性，属于微电子封装【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现阶段，在集成电路的封装过程中，引线键合仍然是芯片焊盘与基板键合指之间互连的主要方式，互连焊点承载着芯片内部电路与外部电路的功率与信号的运输，其质量与可靠性对器件的功能和寿命起着决定性的作用。目前集成电路的芯片焊盘通常采用铝层结构，基板键合指通常采用稳定性好抗氧化性能强的金镀层结构，芯片焊盘与外壳键合指之间的内引线互连则采用是业界广泛使用的金丝球焊键合工艺，通过热声球焊方式实现芯片焊盘铝金属化层与基板镀金键合指之间的互连。
[0003]在金丝球焊键合过程中，不可避免地出现了金丝与芯片铝层之间的金一招键合系统，金铝键合的长期可靠性问题主要表现在集成电路在工作或贮存过程中出现的金铝键合失效，表现为器件功能参数退化或功能失效。由于金丝与芯片上的铝焊盘是异种金属，其晶格常数和热膨胀系数不同，金一招之间扩散速率存在着显著差异，经长期使用后，在一定温度下和一定时间范围内在金铝焊接界面处容易形成柯肯达尔也11)空洞和形成八11八1、八115八12、八114八1、如八12、八112八1等多种机械强度极差的金属间化合物，且随着温度和时间的增加，空洞和金属间化合物的形成将会加速，伴随金属间化合物的产生，键合接触电阻变大，降低接触区域的电学性能，导致器件参数漂移，甚至开路而失效，影响产品的长期可靠性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种提升金铝键合长期可靠性的方法，其通过溅射阻挡层III合金和电镀焊接层金的方式将芯片铝焊盘结构改变成金焊盘结构，将金铝异种金属键合焊接界面改变成金金同种金属键合焊接界面，彻底解决金铝异种金属键合导致的集成电路器件的长期可靠性问题。本发明采用的技术方案是:
一种提升金铝键合长期可靠性的方法，包括下述步骤:
步骤一，含有铝层焊盘结构的圆片来料接收；所述圆片上含有芯片；芯片表面具有铝焊盘；
步骤二，根据来料圆片中芯片表面的铝焊盘的位置坐标定制专用光刻掩膜板；光刻掩膜板的作用是在芯片铝焊盘的位置区域紫外光可透过，在芯片的非焊盘区域紫外光被阻挡；
步骤三，对含有铝焊盘结构的圆片进行清洗，去除圆片表面杂质；
步骤四，采用光刻和电镀的方法将铝焊盘结构的圆片修改成金焊盘结构的圆片。
[0005]进一步地，所述步骤三具体包括:
步骤3-1，对含有铝焊盘结构的圆片进行清洗，以去除圆片表面的杂质；
步骤3-2，经过清洁处理后的圆片进行脱水烘干处理，使其达到清洁干燥。
[0006]进一步地，所述步骤四具体包括:
步骤4-1，在铝焊盘结构圆片的整个表面溅射阻挡层；阻挡层的材料为III合金；
步骤4-2，在铝焊盘结构圆片的整个表面再溅射一层焊接层；焊接层的材料为金属八I！； 步骤4-3，在铝焊盘结构圆片表面涂上光刻胶体，并烘烤固化；
步骤4-4，采用专用光刻掩膜板，通过光刻设备将专用光刻掩膜板上的焊盘图形对准圆片上的铝层上的焊盘；
步骤4-5，进行紫外线曝光；采用显影液去除已曝光部分的光刻胶；
步骤4-6，将圆片进行烘焙，以去除显影后光刻胶内残留溶剂；
步骤4-7，通过电镀的方式，在露出的焊接层表面电镀上一层焊接层金；
步骤4-8，去除圆片表面的光刻胶；
步骤4-9，去除光刻胶完毕后，采用刻蚀工艺刻蚀掉对焊接层金以外的阻挡层的III和焊接层的八11 ；
步骤4-10，最后对圆片进行漂洗和干燥。
[0007]更进一步地，
步骤4-1中，阻挡层的厚度为3000?5000人。
[0008]步骤4-2中，焊接层的厚度为1000?2000人。
[0009]步骤4-3中，圆片放置在烘箱中采用1201,30111111条件进行烘烤固化。
[0010]步骤4-7中，焊接层金13的厚度为20000?30000人。
[0011]本发明的优点在于:目前针对铝焊盘的金铝键合长期可靠性问题未见到有效解决措施，而本发明通过溅射阻挡层III合金阻挡了铝焊盘与金球之间形成金铝焊接界面，通过在阻挡层III的表面电镀焊接层金的方式形成金焊接表面，在后续金丝球焊键合时形成金金同种金属键合，彻底解决了铝焊盘与金球键合形成的金铝键合的长期可靠性问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的第一种实施例的结构示意图。
[0013]图2为图1金焊盘圆片中的一个芯片的放大图。
[0014]图3为是图1金焊盘圆片中的一个芯片的左视图。
[0015]图4为图2芯片中的一个金焊盘结构截面示意图。
[0016]图5为实施例中铝焊盘结构圆片示意图。
[0017]图63为实施例中圆片上的含铝焊盘结构的单个芯片示意图。
[0018]图66为图6?的左视图。
[0019]图7为实施例中铝焊盘结构截面示意图。
[0020]图83为实施例中专用光刻掩膜板示意图。
[0021]图86为图8?的左视图。
[0022]图9为实施例中铝焊盘结构圆片整个表面溅射阻挡层示意图。
[0023]图10为实施例中铝焊盘结构圆片整个表面溅射焊接层示意图。
[0024]图11为实施例中铝焊盘结构圆片表面涂光刻胶体示意图。
[0025]图12为实施例中紫外线曝光示意图。
[0026]图13为实施例中采用显影液去除已曝光部分的光刻胶示意图。
[0027]图14为实施例中露出的焊接层表面电镀一层焊接层金示意图。
[0028]图15为实施例中去除圆片表面的光刻胶示意图。
[0029]图16为实施例中刻蚀掉对焊接层金以外的阻挡层的III和焊接层的如示意图。
[0030]图17为本发明的流程图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0032]本发明所提出的提升金铝键合长期可靠性的方法，如图5?16所示，该方法包括以下步骤:
步骤一，接收铝层焊盘结构的圆片1，见图5所示。该圆片可以是5〃、6〃、8〃或12〃的任意一类，圆片中包含多颗任意尺寸的芯片2，见图如和图他所示。芯片表面包含有多个铝焊盘3，这些铝焊盘3的结构包括二氧化硅层4、铝层5、隔离介质层6、钝化层7，其截面示意图见图7所示(当在铝层5的表面键合金球时就会形成金铝异种金属键合焊接界面，影响集成电路器件的长期可靠性)。
[0033]步骤二，根据芯片上铝焊盘的位置坐标定制专用光刻掩膜板8，其结构示意图见图83和图油所示。光刻掩膜板的作用是在芯片铝焊盘的位置区域(对应于图&!和油中空白处)紫外光可透过，在芯片的非焊盘区域(对应于图&!和813中非空白处)紫外光被阻挡，不可透过。
[0034]步骤三，对含有铝焊盘结构的圆片进行清洗，去除圆片表面杂质；具体包括:
步骤3-1，当掩膜版8制作完毕后，对含有铝焊盘结构的圆片1进行清洗，以去除圆片表面可能吸附的一些颗粒状的表面污染物、有机物、可动粒子等杂质。
[0035]步骤3-2，经过清洁处理后的晶圆表面可能会含有一定的水分，所以必须放置在烘箱中采用1201,30-:1的条件进行脱水烘干处理，以便增加光刻胶和铝焊盘圆片表面的黏附能力。
[0036]步骤四，采用光刻和电镀的方法将铝焊盘结构的圆片修改成金焊盘结构的圆片。具体如下所述:
步骤4-1，在铝焊盘结构圆片的整个表面溅射阻挡层9 ；
此步骤中，采用溅射设备，在铝焊盘结构圆片的整个表面溅射阻挡层9 ；阻挡层9的材料为III合金，厚度约3000?5000^它与铝焊盘表面有良好的粘附作用，同时又能阻挡铝焊盘表面与焊接层金属如形成金铝焊接界面。其焊盘截面结构示意图见图9所示。
[0037]步骤4-2，在铝焊盘结构圆片的整个表面再溅射一层焊接层10 ；
当!'II合金阻挡层9溅射完毕后，采用溅射设备，在铝焊盘结构圆片的整个表面再溅射一层焊接层10，焊接层10的材料为金属八山其厚度约1000?2000^，其焊盘截面结构示意图见图10所示。
[0038]步骤4-3，在铝焊盘结构圆片表面涂上光刻胶体11，并烘烤固化；
当焊接层10溅射完毕后，采用匀胶设备在铝焊盘结构圆片的整个表面涂上光刻胶体11，铝焊盘圆片匀胶示意图见图11所示。然后进行加温条件下的烘烤固化，使光刻胶中的溶剂挥发，胶膜干燥。具体根据所涂光刻胶的特性，将圆片放置在烘箱中采用1201,30-:1条件进行烘烤固化，使光刻胶中的溶剂挥发，胶膜干燥。
[0039]步骤4-4，采用专用光刻掩膜板8，通过光刻设备将专用光刻掩膜板8上的焊盘图形对准圆片上的铝层5上的焊盘；
步骤4-5，通过紫外线12曝光，铝层5上的焊盘所在区域紫外光全部透过，非铝层上的焊盘所在区域紫外光不能透过，曝光示意图见图12所示。
[0040]当曝光完毕后，采用显影液去除已曝光部分的光刻胶，曝光部分的光刻胶与显影液作用并溶解于水，未曝光部分不与显影液作用并保持原状。见图13所示。
[0041]步骤4-6，将圆片放置在烘箱中进行1201,30-:1的烘焙，以去除显影后光刻胶内残留溶剂，提闻光刻I父对娃片表面的粘附性。
[0042]步骤4-7，通过电镀的方式，在露出的焊接层10表面电镀上一层焊接层金13，其厚度约20000?300001用于后续的金丝球焊，与金球形成金金焊接界面，彻底解决金铝异种金属键合导致的集成电路器件的长期可靠性问题。焊盘截面结构示意图见图14所示。
[0043]步骤4-8，当电镀焊接层金13完毕后，采用等离子打胶机或与光刻胶配套的剥离液去除圆片表面的光刻胶，其焊盘截面结构示意图见图15所示。
[0044]步骤4-9，去除光刻胶完毕后，采用刻蚀工艺刻蚀掉对焊接层金13以外的阻挡层9的！'II和焊接层10的八I！，其焊盘截面结构示意图见图16所示。
[0045]步骤4-10，当刻蚀完毕后，对圆片进行漂洗和干燥，完毕后铝焊盘结构圆片转换成金焊盘结构圆片步骤全部完成。
[0046]后续可以将金焊盘结构圆片进行分割成小芯片，在焊接层金13表面采用金丝球焊键合形成金金同种金属键合界面，彻底解决了金铝异种金属键合导致的集成电路器件的长期可靠性问题。
[0047]本发明通过采用溅射阻挡层III合金和电镀焊接层金的方式将芯片铝焊盘结构改变成金焊盘结构(溅射阻挡层III阻挡了铝焊盘与金球之间形成金铝焊接界面，在阻挡层!'II的表面电镀焊接层金形成金焊接表面),将金铝异种金属键合焊接界面改变成金金同种金属键合焊接界面，彻底解决了金铝异种金属键合导致的集成电路器件的长期可靠性问题。
【权利要求】
1.一种提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于，包括下述步骤: 步骤一，含有铝层焊盘结构的圆片(I)来料接收；所述圆片(I)上含有芯片(2);芯片(2)表面具有铝焊盘(3)； 步骤二，根据来料圆片中芯片表面的铝焊盘的位置坐标定制专用光刻掩膜板(8);光刻掩膜板(8)的作用是在芯片铝焊盘的位置区域紫外光可透过，在芯片的非焊盘区域紫外光被阻挡； 步骤三，对含有铝焊盘结构的圆片进行清洗，去除圆片表面杂质； 步骤四，采用光刻和电镀的方法将铝焊盘结构的圆片修改成金焊盘结构的圆片。
2.如权利要求1所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于，所述步骤三具体包括: 步骤3-1，对含有铝焊盘结构的圆片(I)进行清洗，以去除圆片表面的杂质； 步骤3-2，经过清洁处理后的圆片进行脱水烘干处理，使其达到清洁干燥。
3.如权利要求1所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于，所述步骤四具体包括: 步骤4-1，在铝焊盘结构圆片的整个表面溅射阻挡层(9);阻挡层(9)的材料为TiW合金； 步骤4-2，在铝焊盘结构圆片的整个表面再溅射一层焊接层(10);焊接层(10)的材料为金属Au ； 步骤4-3，在铝焊盘结构圆片表面涂上光刻胶体(11)，并烘烤固化； 步骤4-4，采用专用光刻掩膜板(8)，通过光刻设备将专用光刻掩膜板(8)上的焊盘图形对准圆片上的铝层(5)上的焊盘； 步骤4-5，进行紫外线曝光；采用显影液去除已曝光部分的光刻胶； 步骤4-6，将圆片进行烘焙，以去除显影后光刻胶内残留溶剂； 步骤4-7，通过电镀的方式，在露出的焊接层(10)表面电镀上一层焊接层金(13)； 步骤4-8，去除圆片表面的光刻胶； 步骤4-9，去除光刻胶完毕后，采用刻蚀工艺刻蚀掉对焊接层金(13)以外的阻挡层(9)的TiW和焊接层(10)的Au; 步骤4-10，最后对圆片进行漂洗和干燥。
4.如权利要求3所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于: 步骤4-1中，阻挡层(9)的厚度为3000?5000A。
5.如权利要求3所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于: 步骤4-2中，焊接层(10)的厚度为1000?2000A。
6.如权利要求3所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于: 步骤4-3中，圆片放置在烘箱中采用120°C，30min条件进行烘烤固化。
7.如权利要求3所述的提升金铝键合长期可靠性的方法，其特征在于: 步骤4-7中，焊接层金(13)的厚度为20000?30000A。
【文档编号】H01L21/60GK104409371SQ201410725307
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】杨兵, 张国华 申请人:无锡中微高科电子有限公司