基于cusn结构的多层芯片重叠键合技术研究

基于cusn结构的多层芯片重叠键合技术研究

0d-tsv封装关键工艺技术硅孔三维压板（3d-tsv）具有高速互联互通性和高密度集成的优点。这是年轻一代压板技术的又一代。众多研究机构如IBM,Intel和Samsung等都开展了相关研究。尽管3D-TSV封装技术具有诸多优势,但目前仍存在一些不利因素制约着该技术的发展。具体包括:设计软件和设计方法缺失、由于功率密度增加而引发的散热问题、关键工艺与设备问题以及系统测试难题等。其中,3D-TSV封装涉及的关键工艺技术包括:通孔制备、电镀铜填孔、硅片减薄、多层对准与键合等。这些工艺尚未完全成熟,从而制约了3D封装技术应用。多层堆叠键合是实现3D封装的关键步骤。为了保证产品具有良好的电学和热学性能,目前3D封装主要采用金属键合方式,其中应用最广泛的是Cu/Cu热压键合。但是普通的Cu/Cu热压键合温度高(350~400℃),键合压力大,严重影响封装后的器件性能与产品可靠性。而Cu/Sn键合因其较好的机械、热学和电学性能,以及低温键合、高温使用的特点,成为3D封装的首选。本文对此进行了深入研究,并对其应用于多层堆叠键合进行了工艺优化,最终实现了高质量的10层堆叠键合。1样品制备和加工1.1tsv结构模型键合样品制备过程如图1所示,主要包括7个工艺步骤:通孔刻蚀;绝缘层沉积;TSV填Cu;硅片减薄;沉积绝缘层、黏附层和种子层;焊盘电镀;去除多余种子层与黏附层。实验选用直径为100mm、厚度为350μm的双面抛光硅片。首先,采用Bosch深刻蚀工艺制作TSV。周期性交替导入刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8,刻蚀气体SF6刻蚀硅衬底,而钝化气体C4F8则沉积在孔表面起保护作用,避免已刻蚀区域再被刻蚀,从而得到具有高宽深比的通孔。图2所示是采用Bosch工艺制作的TSV结构(TSV直径50μm,深350μm)剖面SEM图。获得的TSV结构具有很高的垂直度和较小的粗糙度,光学轮廓仪测量的TSV侧壁粗糙度为0.02μm。随后,在TSV孔内填充金属Cu以实现垂直互连。电镀填Cu使用甲基磺酸铜电镀液,Cu离子质量浓度为110g/L,加速剂、抑制剂和整平剂用量分别为10,6和2mL/L。抑制剂通过化学作用抑制孔端局部电力线集中以延缓封口;加速剂有利于电力线在孔中均匀分布形成无空隙填充;整平剂则可减小局部凸点对电镀平整度的影响。电镀填充TSV截面图如图3所示,TSV填充致密,无明显缺陷。电学测试表明每个TSV的电阻为100mΩ左右,无泄漏电流。电镀过程中在底面形成了一层多余Cu,采用溶液(V(HCl)∶V(H2O2)∶V(H2O)=1∶3∶10)腐蚀去除。1.2tsv层厚度测量多层堆叠键合质量很大程度上取决于焊盘质量,因此,必须确保所有的焊盘具有相同的形状和高度、表面平坦以及金属镀层厚度符合设计要求。研究表明,如果Cu/Sn系统中Cu/Sn厚度比大于5/3,Cu3Sn将成为最终的、唯一的化合物,实验初步设计焊盘Cu层厚度为5μm,Sn层厚度为2μm。焊盘镀Cu溶液与电镀填Cu溶液的成分基本相同,唯一区别在于抑制剂用量从6mL/L减少到2mL/L。电镀Sn采用光亮Sn电镀溶液,并采用光刻胶AZ9260掩膜,厚度可达20μm以上。随后采用划片机将Si圆片切割成小块待键合样品(5mm×5mm,厚度150μm),置于清洁干燥N2中保存。结果如图4所示,焊盘形状规整,表面光滑(经台阶仪测量,表面粗糙度平均为400nm)。经测量,电镀焊盘中Cu层厚度为5.38μm,Sn层厚度为1.63μm。Sn层厚度比实验设计要小,其原因在于加工后的室温扩散导致Sn层变薄。采用上述工艺制作的待键合样品如图5所示,图5(a)为芯片整体X射线图,图5(b)为截面SEM图。TSV填充密实,无明显缺陷;TSV和焊盘排列整齐,形状一致性好,每块芯片上包含一个8×8的TSV和焊盘阵列。其中,TSV直径为50μm,焊盘间距为500μm,焊盘直径为100μm,焊盘间高度差小于0.4μm。绝缘层(Si3N4)厚度为1μm,绝缘层完整,无漏电现象,各TSV之间相互绝缘。实验进行了5批次的样品制作,共获得超过1000片待键合样品,证明了上述工艺具有很好的可靠性和较高的良率。2多层堆叠连接2.1cu/sn键合过程目前,3D封装主要采用金属热压键合方式来实现多层堆叠,如Cu/Cu键合和Cu/Sn键合等。但Cu/Cu键合所需的高温和高压会对产品中的敏感器件产生不利影响,多层堆叠需要一种键合温度低但使用温度高的键合方式,而Cu/Sn键合可以满足要求。Cu/Sn键合原理为:温度升高后,金属Sn熔化,与Cu反应生成亚稳态金属间化合物Cu6Sn5(熔点415℃),随后Cu6Sn5与Cu进一步反应生成稳态金属间化合物Cu3Sn(熔点650℃)。由于合金相熔点高于Cu/Sn共晶温度,因此在多层芯片堆叠时,后续键合温度不会对前面已形成的键合层造成影响。此外,由于焊料Sn具有良好的形变特性,Cu/Sn键合对键合表面的平整度及洁净度要求不高,即使在表面起伏较大或存在颗粒的情况下也可以形成良好键合。一般而言,Cu/Sn键合过程是先键合再退火以形成良好的金属间化合物Cu3Sn。键合温度为280℃,键合时间为30s,因为键合时间短,所以键合层的最终结构与成分主要取决于退火过程。实验研究了退火温度、退火时间和键合压力对Cu/Sn键合金属间化合物形成的影响。退火温度分别为200,220,260和300℃,退火时间分别为5,10,15和20min,键合压力分别为0.4,0.5和0.6MPa。随后采用能谱仪(EDS)分析键合层中Cu和Sn原子数比例以确定形成优良Cu3Sn键合层的最佳条件。2.2准和键合的工艺条件实验采用FC150倒装焊机进行多层堆叠键合。其对准精度为±1μm,升降温速率快(10℃/s),最高温度为450℃,最大压力为1000N。整个过程采用甲酸气体和N2保护,以防氧化。对准和键合过程中,每次只完成一片(层)的对准和键合,然后进行下一片(层)的对准和键合。整个键合完成后,将多层堆叠结构置于退火炉中退火以形成高质量键合层。3结果与讨论3.1cu3sn键合层的结构Cu/Sn键合工艺优化实验条件和实验结果如表1所示。可以看出,当退火温度低、退火时间短时,因扩散速率较慢,Cu和Cu6Sn5未发生反应,最终只形成Cu6Sn5化合物,图6(a)为其截面SEM图,图中键合层厚度为16μm。随着退火温度升高、退火时间延长,最终形成的化合物中Cu含量升高,说明Cu和Cu6Sn5开始反应生成Cu3Sn,形成了Cu3Sn和Cu6Sn5混合的键合层。当退火温度达到260℃、退火时间10min、压力为0.5MPa时,最终消耗完所有的Sn,形成了单一Cu3Sn键合层,图6(b)为其SEM图,图中键合层厚度为16μm;当退火时间延长到15min和20min时,键合层中Cu和Sn原子数比变化不大,也验证了Cu3Sn化合物的稳定性。研究还发现,键合压力要适当,太小则接触不充分,太大则会挤出液态Sn,导致键合失败。由图6(a)可以看出,Cu6Sn5中存在孔洞,这可以用不同金属的密度差加以解释。当Cu6Sn5取代Sn的位置生长时,两者密度差产生的应力会导致孔洞形成。而Cu3Sn和Cu密度差小,因此当Cu3Sn在Cu表面生长时,体积变化小,可生成致密结构,如图6(b)所示。另外,在Cu和Cu3Sn界面处存在若干致密的细小Kirkendal孔洞。由于Cu在Sn中的扩散速率快于Sn在Cu中的扩散速率,因此会有更多的Cu扩散到Sn中,而扩散到Cu中的Sn不足以填充Cu离开之后的空位,这些空位聚集在一起形成细小孔洞,产生Kirkendal效应。相比较而言,Cu3Sn微观结构更加均匀致密,气孔细小、稀少,性能稳定,脆性较小,熔点高,适合于作为键合层。3.2cu/sn层厚度对键合强度的影响采用FC150倒装焊机进行了多次多层堆叠键合实验。键合方式为Cu/Sn键合,键合温度280℃,键合时间为30s,压力为0.5MPa,退火温度为260℃,退火时间10min。首先,按照5μmCu层和2μmSn层的实验设计,最高获得3层堆叠样品,图7为其截面SEM图。Cu/Sn键合之所以可以加速键合过程,降低键合条件,主要在于键合过程中液态Sn的存在使得Cu/Sn之间更容易相互扩散。同时,一定厚度液态Sn的存在,可以弥补各焊盘之间的高度差和不平度,提高键合成功率。因而,Sn层厚度会影响到Cu/Sn键合的堆叠能力。据此,保持Cu层厚度不变,将Sn层厚度增加到2.5μm,进行堆叠键合实验,获得7层堆叠样品,图8为其截面SEM图。最后,保持Cu层厚度不变,Sn层增厚至3μm,获得9层和10层的堆叠样品。图9为9层堆叠结构整体X射线图,可以看出,堆叠键合整体结构均匀,对准齐整,TSV填充致密充实,无明显缺陷;键合紧密,键合处无脱落,堆叠键合质量好。图10为10层堆叠结构截面SEM图,芯片厚度一致,约为150μm,芯片表面平整光滑无较大翘曲,经超景深3D显微镜自带测量装置测量,焊盘对准平均精度为2μm,层与层间的缝隙宽度约为15μm,芯片间互连良好。实验结果表明:Sn层厚度影响堆叠层数,Sn层越厚,可堆叠层数越多。原因在于随着堆叠层数增多,焊盘间高度差会累积,需要更厚的液态Sn层来弥补高度差,以保证键合工艺顺利进行。但是,Sn层厚度并不是越厚越好,为了保证键合结构的可靠性,键合过程中Sn必须耗尽,Cu必须存在残留,以免基底与黏附性较差的Cu/Sn金属间化合物直接接触,降低整个键合体的强度。同时,Cu/Sn金属间化合物本身具有不良脆性,不宜过厚。3.3焊盘材质的影响图11所示为键合层微观结构SEM图,整个键合层分为3层,上下Cu层和中间金属化合物层。化合物层薄且均匀,结构致密,无较大气孔等缺陷。在焊盘外围,有少量Sn挤出,可能会有不利影响,但整个堆叠结构并没有因此而出现电流泄露。图12所示为键合层成分分析结果,图中,x为原子数分数;w为质量分数;E为能量。键合层中Cu和Sn原子数比例为3∶1,说明形成了性能良好的Cu3Sn键合层,不存在Cu6Sn5和未反应完全的Sn。3.4cu/cu热压键合采用拉力剪切力测试仪测量了键合层的抗拉强度和剪切强度,并用四探针法测量了键合层电阻。测试结果如表2所示,表中每个数值均是10次测量的平均值,并与其他相关研究成果进行了对比。可以看出,整个多层堆叠键合结构具有较好的力学强度,电阻较小,有利于3D封装结构的实现。但是相较于其他Cu/Sn键合,机械强度略有差距,一般拉伸强度在4~6MPa,本实验约为3MPa;剪切强度一般为10~19MPa,本实验为12MPa左右。原因在于本实验中采用的键合压力相对偏小。与Cu/Cu热压键合相比,Cu/Sn键合在力学与电学性能上都有不小差距,主要原因在于键合产物不同,Cu/Sn键合层为金属化合物,而Cu/Cu键合结构为单一Cu层,性质更好更稳定。但是,Cu/Cu键合条件要求高,不利于3D封装。研究还发现,随着Sn层厚度增加,力学性能呈降低趋势,而电阻却变化不大,原因在于化合物层本身具备不良脆性,越厚越不利于机械强度,而电阻大小主要取决于填充在TSV孔内的Cu,受键合层影响不大。3.5cu/sn键合层在充满N2、温度为200℃的退火炉中进行10h高温测试,图13为测试前后键合层形貌。可以看出,除了键合层厚度轻微增厚外,整个键合层结构没有明显变化,验证了键合层的稳定性。电学测试表明,电阻增加小于2%,说明未引起失效。同时,在600℃高温下键合层没有熔化,也证明了高性能Cu3Sn键合层的存在。通常,对于无保护的金属焊盘,腐蚀是一个严重的问题,氧气和水分会渗透并腐蚀Cu表面和合金表面。本实验研究了Cu/Sn键合层在温度85℃和相对湿度85%条件下的耐蚀测试(96h),测试后的键合层如图14所示。Cu3Sn键合层性能稳定,没有出现任何腐蚀,只有Cu焊盘边缘出现了锈蚀(图中C处),而在图中A处和B处,由于Cu3Sn覆盖,Cu没有被腐蚀,说明Cu3Sn具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性。实际使用过程中,在芯片间填充合适的填充料既能增强整个堆叠结构的机械强度,又能防止焊盘氧化或腐蚀。上述键合实验与测试结果表明,在保证Cu/Sn厚度比例的前提下,获得的Cu3Sn键合层结构均匀致密,无较大气孔等缺陷,耐高温,抗氧化,性能稳定;通过优化Sn层厚度,可实现3~10层多芯片堆叠,且键合层的力学与电学性能满足3D封装要求。4cu/sn键合技术本文研究了应用于3D封装的Cu/S