來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志10/11月刊
作者：Farzaneh Sharifi, Branden Bates; CLASSONE TECHNOLOGY; Elie Najjar，Wenbo Shao博士；Erik Yakobson博士, Brian Gokey; MACDERMID ALPHA ELECTRONIC SOLUTIONS
倒裝芯片鍵合對于混合集成（hybridization）至關(guān)重要，混合集成是將來自不同技術(shù)的芯片組合成高性能模塊的過程，例如激光雷達和其他成像應(yīng)用中的混合像素探測器。曾經(jīng)用于倒裝芯片接合的錫焊料正在被包括銦在內(nèi)的無鉛替代品所取代。然而，使用傳統(tǒng)方法制備對于形成鍵合必不可少的銦“凸點”是一項挑戰(zhàn)。ClassOne Technology的專家們確信，一種新的電鍍工藝可以解決銦凸點剛玉（corundum）的問題。
混合集成像素探測器廣泛用于從高能物理到軍事、環(huán)境和醫(yī)療等方面的成像應(yīng)用。混合集成像素檢測器將像素傳感器芯片與讀出集成電路(ROIC)相結(jié)合，從而允許對檢測器中的每個像素進行電子訪問。像素傳感器由高電阻率硅制成，而ROIC則需要低電阻率材料。混合集成允許每個元件獨立制造，然后通過稱為倒裝芯片或凸點鍵合的工藝耦合在一起。
倒裝芯片鍵合創(chuàng)建了一個觸點，可提供很高的輸入/輸出(I/O)密度以及傳感器像素和ROIC之間的短互連距離，從而實現(xiàn)高性能器件。在倒裝芯片鍵合期間，焊料凸點熔化從而形成這種連接?；旌霞商綔y器中的像素放置在一個陣列中，它們之間的距離或間隙小于100微米。這種高連接密度需要更精細、更高精度的凸點和非常高良率的倒裝芯片工藝，以確保每個像素都能夠連接到IC。
傳統(tǒng)的倒裝芯片組裝首先是使用鉛基焊料凸點實現(xiàn)的，但由于其毒性，現(xiàn)在全球禁止在電子產(chǎn)品中使用這些材料，從而不得不重新審查這些材料。然而，無鉛替代品，如純錫或各種錫基無鉛合金，例如SnAgCu（錫-銀-銅，或SAC），在像素探測器中也面臨挑戰(zhàn)，因此尋找一種可行的替代品就擺在人們的面前。
由于讀出芯片和傳感器芯片由不同的材料制成，因此需要低溫制造工藝來減少因熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而對傳感器芯片造成的熱影響。此外，傳感器可能面臨從嚴酷輻射到低溫的極端環(huán)境。總之，所有這些挑戰(zhàn)都需要一種具有特定性能的新型焊料。我們建議將銦作為此類首選候選材料之一。
銦是一種軟質(zhì)金屬（比鉛軟），熔點低（156℃），具有很高的延展性和拉絲性，并且在極低的溫度（甚至低至絕對零度，-273℃）下仍能保持這些特性。這使得銦成為低溫和真空應(yīng)用的理想選擇。
就化學(xué)性質(zhì)而言，銦僅在較高溫度下才與氧發(fā)生反應(yīng)，不溶于酸，和其他金屬之間有良好的附著力，并具有浸潤玻璃的能力。其良好的導(dǎo)電性、延展性和低溫穩(wěn)定性使其成為混合集成像素探測器應(yīng)用中的理想選擇。
△圖1：共聚焦顯微鏡數(shù)據(jù)-(a)銦的特征形貌圖,(b)輪廓測量。
銦凸點以前是通過熱蒸發(fā)或濺射制造的，這種方式能夠形成具有良好凸點結(jié)構(gòu)控制的高度均勻的凸點。然而，這種方法不能產(chǎn)生適合半導(dǎo)體行業(yè)當前需求的具有更小間隙的小凸點（更高的縱橫比）。
此外，銦濺射需要昂貴的蒸發(fā)設(shè)備；僅限于具有高蒸氣壓的材料；需要復(fù)雜的制造工藝；由于掩模與晶圓的不匹配，不太適合更大的晶圓尺寸；因為它會產(chǎn)生更多污染，因此環(huán)境安全性較差；并且僅適用于小規(guī)模生產(chǎn)。
相比之下，具有高縱橫比、低成本和簡單制造工藝的電鍍凸點，特別是針對于大規(guī)模生產(chǎn)是可以實現(xiàn)的方式。但是傳統(tǒng)的電鍍需要優(yōu)化，因為不均勻的凸點會導(dǎo)致制造過程中的失效并降低混合集成芯片的可靠性。用于超精細間隙的銦凸點的蒸發(fā)既困難又耗時。此外，光刻膠掩模上的材料浪費使該工藝不具有成本效益，通過這種方法可實現(xiàn)的最小間距尺寸為30毫米。
鍍在用于制造倒裝芯片鍵合凸點時面臨多重挑戰(zhàn)：它必須在晶圓級和高良率下實現(xiàn)所需的電鍍凸點的均勻性和一致性、超精細間隙。隨著間隙縮小和凸點數(shù)量增加，其挑戰(zhàn)性將會急劇增加。隨著晶圓特征尺寸的縮小，凸點尺寸將從50微米減小到15微米，間隙尺寸將從100微米減小到25微米。我們的目標是驗證電鍍能夠產(chǎn)生高質(zhì)量和高良率的高密度銦凸點。我們的工作證明，使用適當?shù)墓ぞ吆筒牧辖M合可以實現(xiàn)更小的凸點尺寸和更小的間隙。
隨著晶圓特征尺寸的縮小，凸點尺寸將從50微米減小到15微米，間隙尺寸將從100微米減小到25微米。我們的目標是驗證電鍍能夠產(chǎn)生高質(zhì)量和高良率的高密度銦凸點。我們的工作證明，使用適當?shù)墓ぞ吆筒牧辖M合可以實現(xiàn)更小的凸點尺寸和更小的間隙。
在硅晶圓上沉積凸點下金屬化(UBM)之后，我們電鍍銦凸點。對于UBM，需要一個阻擋層和粘合層（例如鈦），然后是銦的可浸潤層（例如鎳或金），因為鎳傾向于快速氧化。銦球的高度由銦的體積和可浸潤性UBM焊盤的直徑?jīng)Q定。在我們的測試中，我們使用銅作為UBM的最外層。在125℃左右的溫度下，一些微量的銦與銅形成金屬間相；然后，對于更高的溫度，應(yīng)使用阻隔金屬，如鎳-金或鎳-銅。
去除UBM頂部層（我們測試中的銅）后，將晶圓加熱到電鍍銦凸點由于表面張力形成球體的溫度。回流的目的是通過將銦重新塑造成球體來增加凸點高度，并幫助倒裝芯片鍵合對準。
在回流之前，用與水混合的硝酸蝕刻掉銅種子層。鈦是一種不浸潤的材料，用于防止銦在回流期間擴散到整個表面。銦對UBM的頂層（銅）具有良好的粘附性，但對周圍的材料(Ti)則不是。
回流必須在無氧環(huán)境中進行，即爐體中需要有受控氣氛；否則，會形成氧化銦，阻礙銦凸點的形成。在我們的研究中，凸點在大約200℃的溫度下和表面吹氮氣的條件下在熱板上回流。
回流后，像素傳感器和ROIC在室溫下通過低壓進行配對。在工業(yè)應(yīng)用中，在倒裝芯片工藝之后會進行第二次回流，以實現(xiàn)與熔融銦的表面張力的自對準，并且使之具有高的強度。
影響凸點質(zhì)量和良率的因素包括不均勻的UBM、蝕刻工藝、回流溫度分布和回流后的清洗。在光刻過程中，光刻膠的準確對準對于獲得高質(zhì)量的凸點至關(guān)重要，但沒有在蒸發(fā)工藝中那么關(guān)鍵。電鍍工藝中的電流分布和物質(zhì)傳輸是電鍍中決定銦沉積物生長和影響凸點形狀演變的主要因素。
在這項工作中，我們嘗試電鍍超精細間隙銦凸點（特征尺寸為10μm，像素間隙為5μm和7.5μm)，并有非常均勻的高度。我們使用6英寸的硅晶圓作為基板，其上帶有銅種子層和17μm厚的光刻膠，以曝光形成所需的圖案。光刻膠厚度需要嚴格控制以確保良好的凸點輪廓。我們使用真空預(yù)浸潤工藝來去除氣泡和預(yù)浸潤小的圖案，并選擇純銦板作為陽極，確保100%的陽極效率。
通過直流（DC）、脈沖和脈沖反向電流波形進行銦凸點電鍍。脈沖和脈沖反向電流的平均電流密度保持與直流條件相同，以便進行直接比較。
迄今為止，已有各種化學(xué)物質(zhì)用于銦的電鍍。由于析氫、大晶粒和結(jié)節(jié)導(dǎo)致的光刻膠損壞是傳統(tǒng)銦電鍍電解液造成的主要缺陷。MacDermid Alpha Electronics Solutions公司開發(fā)了一種銦電解質(zhì)來克服這些致命缺陷。
Novafab IN-100是一種酸性電解質(zhì)系統(tǒng)，用于低溫、無鉛焊接互連。這種專有電解質(zhì)的配方可高效沉積銦金屬，并且與傳統(tǒng)的銦電鍍浴不同，由于其創(chuàng)新的化學(xué)成分，不會產(chǎn)生析氫。
在電鍍過程中，金屬-溶液界面處的pH值保持穩(wěn)定，消除了可能導(dǎo)致光刻膠剝離和損壞的pH值急劇升高。因此，Novafab IN-100因其固有的光刻膠兼容性而適用于光刻膠圖案化晶圓電鍍。它產(chǎn)生細粒度、無結(jié)節(jié)的亞光沉積物，銦純度>99.5%，并表現(xiàn)出卓越的附著力。該溶液是完全可解析的，并且與可溶性和不溶性陽極系統(tǒng)兼容。
電鍍凸點的高度是使用共聚焦顯微鏡測量的，如圖1所示。為了消除非優(yōu)化回流工藝的影響，高度測量在電鍍之后和回流工藝之前進行。在我們使用的三種波形中，具有高開啟時間與關(guān)閉時間比率的脈沖電鍍產(chǎn)生了最好的結(jié)果。測量凸點的高度，我們能夠在整個晶圓上獲得不到10%的非均勻性。
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