[发明专利]一种半导体器件低温固态键合的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体芯片封装领域，特别涉及一种半导体器件低温固态键合的方法。

背景技术

半导体芯片封装的电互连技术是封装的核心技术，电互连技术的革新是微电子技术发展的关键，传统的熔融键合是通过温度的控制使得键合点处的金属熔化润湿键合点两侧，冷却后键合点固化，从而得到良好的焊接。传统的再流焊等熔融键合工艺需要将温度加热到焊料熔点以上，高的温度环境会对某些芯片及基板产生非常恶劣的影响，大大降低产品的可靠性。在芯片到封装基板的倒装焊工艺中沿用至今的高铅凸点需要用到对环境产生危害的铅，而替代的无铅焊料尚无法达到与之相同或更低的焊接温度。熔融焊料的方法同时需要防止焊点之间发生的连桥现象。

 在熔融键合中，为了得到理想的结合强度，往往需要使用助焊剂等有机物。助焊剂需要加在被结合的至少一个表面上，助焊剂包括媒液和活化剂。在焊接完成后，需要清除焊剂或焊剂残留物，通常包括用溶剂清洗封装件，或者经过烘烤工艺，以挥发残余的溶剂或低沸点的焊剂或焊剂残留物。助焊剂的使用和除去残留物要耗费一定的生产时间，降低了生产效率，而当芯片和芯片间，或芯片和基片间的空隙越来越小的时候，焊剂残留物就越难完全去除，进而对产品可靠性带来影响。

寻求越来越低的焊接温度已是芯片互连技术发展的一个趋势。已有大量文献和专利描述非熔融状态实现的芯片到基片或芯片到芯片叠层的互连工艺。其中包括利用低熔点的单金属或合金、机械方法嵌入金属块或金属凸点、活性反应层、纳米颗粒低温烧结等多种技术。一般而言，固态电互连可显著提高互连密度，无需助焊剂，并可消除熔融过程中的过度界面反应，且工艺温度的降低使得工艺流程和生产成本也得以缩减。

 铜-铜固态键合已有多种报道，表面活化键合(SAB)技术是铜-铜键合的关键所在，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由氩原子、离子或等离子体处理。当表面氧化物和污染物被清除后，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。

发明内容

本发明目的在于提供一种半导体器件低温固态键合的方法，以解决现有技术中的熔融键合方法需要将温度加热到焊料熔点以上，这样会对器件产生热损伤，并且熔融焊中焊料的铺展使得焊料很难完全去除，且存在过度界面反应的技术性问题。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种半导体器件低温固态键合的方法，包括以下步骤：

1）选择具有相互匹配的电互连焊盘的至少两个待键合元件；

2）在一待键合元件的多个焊盘上形成铜微针锥群；

3）在另一待键合元件的多个焊盘上形成至少表面设有低硬度第二金属层的凸点；

4）将所述凸点与所述铜微针锥群匹配，并使所述凸点与所述铜微针锥群接触，将所述凸点与所述铜微针锥群的接触部分加热到第一温度，施加键合压力使所述凸点与所述铜微针锥群电互连键合。

进一步地，所述铜微针锥群可通过化学沉积法、电沉积法或气相沉积法在焊盘表面形成。

进一步地，所述铜微针锥群的高度为1μm-5μm。进一步地，步骤2）还包括：在所述铜微针锥群表面设置防氧化层。

进一步地，所述防氧化层可通过电沉积法或气相沉积法设置在所述铜微针锥群表面。

进一步地，所述防氧化层包括Au、Pt、Ag或Pd的金属单质或合金。

进一步地，所述防氧化层的厚度为5nm-50nm。

进一步地，所述键合压力为1 - 30 MPa。

进一步地，步骤4）中施加键合压力的时间为10 s - 20 min。

进一步地，所述第二金属层的材质包括铟 、锡、铟合金或锡合金。

进一步地，所述第二金属层通过电沉积法、化学沉积法、气相沉积法或涂敷法设置在所述凸点表面。

进一步地，所述第一温度低于所述第二金属层的熔点。

进一步地，同一焊盘上的微针锥高度基本一致。

与现有技术相比，本发明的工艺过程不需要将焊料熔化，可避免对器件产生热损伤，且固态键合能够提高互连密度和产品可靠性，界面反应可控，无需助焊剂等有机物因而简化了工艺流程。

附图说明

图1为本发明的铜微针锥群与凸点在键合之前的剖视图。

具体实施方式