[发明专利]一种提高Au-Al键合强度和可靠性的方法

说明书

本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种提高Au‑Al键合强度和可靠性的方法。本发明通过在Al表面使用离子溅射的方法依次沉积一层Zn和一层Cu，使得键合过程中Au和Al之间形成一层Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层，阻止金与铝之间的直接接触和相互扩散，同时Cu‑Al‑Zn三元化合物薄层能够继续阻碍在电流作用下Au和Al之间的相互扩散，从而抑制键合连接部位的金属间化合物的生长，提高Au‑Al键合的强度和可靠性，能够有效解决传统半导体器件Au‑Al键合方法中存在的无法有效抑制金属间化合物生长，导致Au‑Al键合强度和键合可靠性较差，进而影响半导体器件的功能和寿命的问题。

技术领域

本发明涉及半导体器件封装技术领域，具体涉及一种提高Au-Al键合强度和可靠性的方法。

背景技术

在半导体器件的封装过程中，通常在铝质芯片与外部引脚之间使用金线通过Au-Al键合进行连接，键合连接点承担着芯片内部电路与外部电路的功率与信号的运输作用，Au-Al键合的键合强度与长期可靠性对半导体器件的功能和寿命起着决定性的作用。

目前应用最广泛的Au-Al键合方法是超声波键合，通过超声波的挤压和热作用，将端部为球状的金丝与铝引脚焊接起来。由于Au和Al之间的电负性差异很大，其扩散速率、晶格常数以及热膨胀系数均不同，两者之间具有强烈的反应倾向，长期使用过程中，在Au-Al之间的焊接界面处容易形成柯肯达尔空洞以及多种金属间化合物。这些金属间化合物属于导电性较差的脆性材料，过量的金属间化合物会导致接头强度和可靠性降低，键合接触电阻变大。在电流的作用下将会加速这些金属间化合物的形成和生长，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。因此抑制Au-Al之间金属间化合物的形成和长大是提高Au-Al键合强度和可靠性的重要途径。现有的Au-Al键合方法中主要通过优化键合参数尽量减少键合时的金属间化合物形成，但是该方法对工艺稳定性的要求很高，而且无法阻止在后期使用过程中金属间化合物的进一步生长问题，导致键合界面的可靠性较差，进而影响半导体器件的功能和使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种提高Au-Al键合强度和可靠性的方法，可以有效阻止Au与Al之间的直接接触和相互扩散，抑制键合连接部位的金属间化合物的生长，能够有效解决现有Au-Al键合方法无法有效抑制键合界面中金属间化合物的快速生长，器件中Au-Al键合强度和可靠性较差的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种提高Au-Al键合强度和可靠性的方法，包括如下步骤：

(1)将不需要键合的铝质器件部位涂覆有机隔离剂进行遮盖，将需要键合的铝质器件部位表面进行清洁；

(2)将所述需要键合的铝质器件部位置于离子溅射仪的真空室中，溅射靶材设置为锌，接通离子溅射设备的电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层锌，沉积结束后，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室的气压恢复至大气压力；

(3)将溅射靶材更换为铜，接通离子溅射设备电源并开启真空泵，在真空度达到指定要求后，开启离子溅射过程，在铝表面沉积一层铜，沉积结束后，在铝质器件的表面生成一层Cu-Al-Zn三元化合物薄层，关闭离子溅射电源，打开真空阀门，将真空室气压恢复至大气压力；

(4)清洗铝制器件表面涂覆的所述有机隔离剂，采用超声波键合机对金丝进行抽丝和球化，进行Au-Al超声波键合。

进一步地，离子溅射环境的真空度控制在0.01～10Pa，所述溅射靶材的纯度为99.99％～99.9999％。

进一步地，经离子溅射后，铝表面沉积的锌层厚度为5～1000nm。

进一步地，经离子溅射后，铝表面沉积的铜层厚度为20～1000nm。