[发明专利]热-超声-电磁复合场调控金属间化合物生长实现芯片高可靠立体互连的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子制造技术领域，涉及一种多层堆叠芯片低温快速键合工艺条件下焊点金属间化合物定向生长的新方法。

背景技术

三维集成技术可实现芯片多功能化，可提高芯片性能、减小信号延迟、降低功耗、减小封装体积，是目前研究应用的热点。多层堆叠芯片键合是三维电子封装中的核心技术。各层芯片之间的互连是通过硅通孔（TSV）实现的，该技术可用于异质芯片的集成，具有集成密度高、对准精度高，工艺流程简单的优点。但是也存在一定的问题，具体表现为：

（1）键合温度高。温度高于260℃进行键合时，将会影响封装中敏感芯片的性能。键合过程中由于各层材料热膨胀系数的不匹配造成晶圆或芯片翘曲，在高密度细间距封装互连中影响精度。

（2）键合压力大。叠层封装中芯片堆叠至少两层芯片，且芯片极薄，通常为50μm~100μm，非常容易产生裂纹。芯片在高键合压力或夹具力作用下极易出现裂纹。

（3）焊点可靠性低。叠层封装中芯片互连焊点通常只有3~6μm，焊点内部几乎全部由金属间化合物组成，而金属间化合物是互连接头中的脆性物质，严重影响接头性能。此外，电迁移作用将驱动金属间化合物的继续生长，导致封装中各个部分的热失配而产生失效。

（4）键合时间长。在晶圆级键合过程中加热时间长达几个小时，不符合高效电子制造的特点。

目前用于叠层封装中的芯片互连技术包括：直接键合、金属扩散键合、共晶键合(Cu-Sn、Ag-Sn、Au-Sn)、聚合物粘胶键合等。这些键合方法在工艺上有一定的局限性，如高温、高压等，容易损伤芯片性能，具体表现为：

（1）直接键合

直接键合也称作熔化键合。在硅与硅以及氧化硅与氧化硅的直接键合工艺中，先在室温和高真空环境下将晶圆接触对准，形成范德华力。但此时形成的力不足以提供键合所需的强度，需要进一步高温退火（800~1000℃）使接触界面的氢键转化为共价键。该工艺中，制备高平整度和光洁的表面几乎难以完成；退火高温对芯片也会造成一定的损伤。

（2）金属扩散键合

金属扩散键合主要是铜-铜键合，该种工艺主要采用热压键合的方法。通过外加一定的压力和温度，铜表面发生塑性变形，接触面积也不断的增加，经过一段时间的高温退火后，接触面形成直径较大的铜晶粒，使接触表面达到一定的键合强度。此工艺键合压力1000N，键合温度400℃，键合时间至少保持30 min。

（3）共晶键合

共晶键合是指在较低的温度下两种或多种金属熔合并发生化学反应，形成机械特性的金属间化合物，进而实现电学连接的键合方法。为了在较低温度下形成金属间化合相，至少需要一种高熔点金属和低熔点金属。高熔点金属有金、银、铜、铋等，低熔点金属包括锡（熔点250℃）、铟（熔点156.61℃）等。键合时温度要高于低熔点金属（Sn、In等）的熔点，低于金属间化合物（以Cu₃Sn为例，其熔点在600℃以上）的熔点。键合时所需压强在20MPa~150MPa之间。

对多层堆叠芯片互连和现有工艺中存在的问题，亟需一种低温快速键合、焊点力学和电学性能优异新方法。在共晶键合的基础上加入超声和磁场，可满足此种新方法的要求。根据超声空化和促进元素扩散的原理，一方面，可以有效的降低共晶键合时的温度；另一方面，加快焊点强度所需的IMCs生长，缩短键合时间，减小键合时所需的压力。磁场可以将高强度的能量无接触的传递到材料的原子尺度，改变原子排列、匹配和迁移等行为，进而改变材料的组织、结构和性能。利用磁场可能控制微焊点重熔后结晶过程中晶体生长的形态、大小、分布和取向等，从而控制微焊点的组织，最后中获得力学和物理性能优异的焊点。

发明内容

为了实现叠层封装中堆叠芯片的低温高可靠互连，本发明提供一种多层堆叠芯片低温超声键合、调控焊点IMCs定向生长的新方法，采用超声可使键合温度在50～200℃范围内，有效降低温度对芯片的影响；在键合过程中施加一定强度竖直方向的磁场，可以使IMCs实现定向择优生长。该方法可以快速实现叠层芯片间单金属间化合物连接，提高封装可靠性。