一种基于点压技术的新型晶圆键合方法

GXF360 2017-08-22

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一种基于点压技术的新型晶圆键合方法

许　维1,2，　王盛凯1,2，　徐　杨2,3，　王英辉3，　陈大鹏3，　刘洪刚1,2

(1. 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室，北京　100029;2. 中国科学院微电子研究所高频高压器件与集成研发中心，北京　100029;3. 中国科学院微电子研究所智能感知研发中心，北京　100029)

摘　要：金金热压键合法在半导体制造领域中应用广泛，为了进一步改进该键合方法，首次提出了一种基于点压技术的新型晶圆键合方法，并研究了工艺温度、压强以及时间对点压键合法单点键合面积的影响. 通过超声扫描显微镜图像，着重比较了传统金金热压键合法与点压键合法的键合面积比. 对点压键合法的可选择键合性进行了讨论. 结果表明，点压键合法工艺步骤简单，工艺稳定性较好，且具有一定的可选择键合特性，在半导体制造领域中将具有广泛的应用前景.

关键词：晶圆键合；热压键合；金金键合；点压键合法

中图分类号：TN 305; TG44

　　 文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2016)09-0125-04

0　序　　言

晶圆键合作为半导体制造领域的一项日益重要的技术，受到了越来越广泛的关注. 通常来说，晶圆键合指的是半导体晶圆之间进行黏合的工艺过程. 在当今快速发展的半导体行业中，这项技术被广泛应用在SOI(silicon-on-insulator)，LED(light emitting diode)和MEMS(micro-electro-mechanical system)等材料和器件的制造，以及半导体结构的3D集成等领域[1-4]. 然而传统的晶圆键合方法(conventional wafer bonding, CWB)存在各种各样的问题，诸如过高的工艺温度严重影响具有不同热膨胀系数材料之间的键合，对晶圆表面质量的极高要求也大大限制了键合方法在很多领域的应用[5,6].

为了应对这些问题，基于金金热压键合的点压键合法(spot pressing bonding, SPB)被首次提出，并且研究了该方法中的工艺温度、压强和时间与单点键合面积的关系，比较了传统键合法中金金热压键合法和SPB在键合界面的气泡产生情况. 此外，还讨论了SPB针对所需键合区域具有可选择键合的特性.

1　SPB的提出

对于CWB中的金金热压键合法来说，键合片放入键合机时，位于待键合片上方的压盘往下缓慢移动，与键合片接触后，对键合片施加一定的压力. 在一定温度和时间下，两键合片由于键合界面处的金原子自扩散效应而键合在一起[7]. 在施加压力的过程中，CWB最大的特点是键合片所受压强为均布荷载，而SPB则是在局部施加压力，单次键合过程只在该局部区域进行键合. 对于整片键合的情况，将需要键合的区域分解成多个单点进行键合. 由此可以看出SPB的主要特点之一是键合界面处各区域的键合过程是异步不同时的键合.

在实际键合过程中，将整个待键合面划分成为一系列的点状阵列，从中心区域按照一定顺序逐渐往四周扩散异步进行键合，由于在每一个键合点上可以得到相比CWB较大的压强，从而在其它条件相同的情况下可以得到相比CWB较好的键合效果. 键合时划分的点状阵列如图1所示，图1中标识“0”的区域是SPB开始键合的起始位置，从该位置开始按照逆时针方向往外扩散，即图1中黑色箭头所示的方向，按照这个顺序最终将整个键合片键合在一起.

图1　点压键合法的点压阵列

Fig.1　Pressing point array of SPB

2　试验方法

在试验中用到的所有晶圆片为直拉法生产的单面抛光2英寸n型掺杂的硅圆片，其厚度为420 μm±20 μm，晶向为100晶向. 清洗的过程中首先用H2SO4∶H2O2=5∶3的混合溶液在90 ℃下清洗15 min，然后用NH4OH∶H2O2∶H2O=1∶1∶5的配比溶液在80 ℃下漂洗10 min，接着用HCl∶H2O2∶H2O=1∶1∶5配比的酸性溶液同样在80 ℃下清洗10 min，最后用去离子水漂洗1 min. 随后晶圆片被送进蒸发台，并在其上淀积厚度为200 nm的金层. 金属层的淀积过程完成后，这些晶圆片经过划片后被切割成10 mm×10 mm和20 mm×20 mm大小，为试验提供测试和试验样片.

SPB的键合结果由众多单点键合组成，因此对于单点键合结果的表征尤为重要. 一般可以通过超声波扫描显微镜(scanning acoustic microscopy, SAM)观察键合界面的情况，或者用拉力测试机来测试键合强度. 基于单点键合的特殊性，试验中采用一种更为直观和更为简单的表征方式.

首先选取一些测试样品进行单点键合，所谓单点键合即是在一个局部点状区域上进行键合. 键合完成后利用类似于刀片插入的方法将两键合片进行分离[8]，键合区域的金层之间由于互扩散而形成了一个统一的金层，这部分之间的金层抗拉强度要大于体硅的抗拉强度[9]，因此界面分离的时候从体硅处开始撕裂，并在断裂的界面处留下由残留体硅形成的凸起和相对应的坑洞，如图2a所示. 为了准确计算单点键合面积的大小，使用扫描电子显微镜(scanning electronic microscopy, SEM)来测量这些表面凸起和凹坑的相应尺寸，并计算对应面积以此来衡量该次单点键合的面积，如图2b所示.

图2　单点键合测试片断裂后的界面以及相应的SEM形貌

Fig.2　Fractured surfaces and corresponding SEM image of a de-bonded SPB sample

在SPB的工艺过程中，为了考察工艺温度、键合压强和时间对单点键合面积的影响，选取尺寸为10 mm×10 mm的测试样品，并用SPB进行单点键合. 在试验中，点压键合设备选用压力杆的压头面积为6 mm2，即键合片上的受力面积为6 mm2. 由于将键合片沿键合界面进行分离的时候，不可避免会遇到一些随机因素的影响，为了尽量避免这种随机因素的影响，将每组试验的测试片数量增加到10对. 试验结果如图3，图4和图5所示.

图3　单点键合面积与温度的依赖关系

Fig.3　Bonded area of single point dependence on bonding temperature

图4　单点键合面积与压强的依赖关系

Fig.4　Bonded area of single point dependence on bonding pressure

为了比较CWB与SPB在整片键合上的效果，将尺寸分别为10 mm×10 mm和20 mm×20 mm的键合片首先在普通室内环境中暴露1 h，然后分别用CWB与SPB进行键合. 其中CWB使用ast-Tbon 100型号键合机，键合温度为300 ℃，键合时间为1 h，压强为5 MPa. 相应的SPB使用专门研制的点压键合设备，键合温度为300 ℃，压强为30 MPa，单点键合时间为120 s. 键合完成后，用SAM对键合片进行观察，并统计成功键合的面积，然后用该面积除以总的键合片面积得到该键合片的键合面积比. 试验结果如图6和图7所示.

图5　单点键合面积与时间的依赖关系

Fig.5　Bonded area of single point dependence on bonding time

图6　SPB和CWB的键合面积比

Fig.6　Comparison of bonded area ratio in SPB and CWB

图7　SPB和CWB键合界面的SAM形貌

Fig.7　SAM image of chips bonded by SPB and CWB

为了研究SPB对指定区域进行键合的特性，键合之前预先在键合片的指定位置设定一些待键合的区域，然后将这些待键合区域划分为一些点状方格，每一个点状方格都可以利用SPB进行单点键合. 将这些经过单点键合过程的键合区域连接起来，便可以形成具有不同形状的键合区域. 试验结果如图8所示.

图8　SPB的可选择键合特性

Fig.8　Characteristic of bonded area selectivity in SPB

3　试验结果和讨论

图3为键合压强保持在30 MPa，时间为120 s的条件下，单点键合面积与工艺温度的依赖关系. 当键合温度在25 ℃时，单点键合面积为0，说明即便在较强的键合压强下，室温下的金原子自扩散效应也依然非常弱. 在100 ℃时，键合面积逐渐增大，说明此时键合界面处金原子开始发生自扩散效应. 当温度升高到300 ℃时，单点键合的平均键合面积接近6 mm2. 继续升高温度到350和400 ℃，键合面积不再继续增加. 这说明工艺温度在300 ℃时，单点键合面积已经达到最大值. 因此在压强为30 MPa，键合时间为120 s的条件下，SPB的最合适工艺温度为300 ℃. 但是值得一提的是，300 ℃只是该条件下的最适宜工艺温度，在某些实际应用中如果要求工艺温度不能过高时，SPB的工艺温度可以进行适当的调整，降低温度后单点键合面积的减少需要通过增加单点键合次数来弥补，从而在满足特定应用场景下的工艺需求之外，同时还保证较好的键合效果. 因此SPB的工艺温度可以根据需要进行适当调整也是其主要优势之一.

图4为键合温度保持在300 ℃，时间为120 s的条件下，单点键合面积与压强的依赖关系. 当键合压强为1 MPa的时候，键合面积在0～0.8 mm2之间，增大压强到10 MPa时，键合面积逐渐增大到4 mm2左右. 继续增大压强到30 MPa，键合面积达到最大值. 继续增大压强到40 MPa，平均单点键合面积不再增大，但是试验中有键合样片出现碎裂的情况，以键合面积为0标示在图中. 继续增大压强，键合片碎裂的情况也逐渐增多. 试验中，键合压强在50 MPa时碎裂的键合片数量占比50%. 因此在以硅衬底为键合片的点压键合法中，为了减小内部残余应力并避免键合片碎裂，SPB的键合压强应在30 MPa范围内.

图5为键合温度在300 ℃，键合压强在30 MPa的条件下，单点键合面积与时间的依赖关系，各组试验时间分别为10，30，60，120，300和600 s. 当键合时间为10 s时，单点键合面积在0～0.7 mm2之间，说明此时键合界面处的Au原子还未充分扩散，然而将键合时间延长到30 s，单点键合面积迅速增大，说明在这段时间内的Au原子自扩散效应非常显著. 单点键合面积的最大值首先出现在120 s处，其后继续延长键合时间，单点键合面积不再随时间发生变化.

图6表示不同尺寸键合片在普通室内环境中暴露1 h后，用CWB和SPB键合的对比结果. 图6中显示，对于10 mm×10 mm的键合片，CWB的键合面积比在60%～93%之间，而SPB则在84%～98%之间. 对于20 mm×20 mm的键合片，CWB的键合面积比在65%～85%之间，波动范围减小，SPB的键合百分比则在88%～97%之间. 因此相比CWB，SPB的工艺鲁棒性及工艺稳定性都较好.

图7是利用SPB和CWB键合后的SAM形貌对比，可以看到相比SPB，CWB得到的键合界面气泡情况比较明显，不仅数量多而且尺寸也比较大. 这里主要有两点原因，首先SPB能够在键合的局部区域内提供比CWB大得多的键合压强，因而能够促进键合界面的充分接触，从而增强键合界面处的Au原子在金层之间的互扩散效应，进而有利于键合效果. 另一方面的原因是，SPB的整片键合结果由多个单点键合组成，而CWB则是整个键合面上的各区域同时键合，在键合过程中，界面处的残余气体由于没有良好的排出通道在界面处聚集形成气泡. 有相关研究发现预先在界面处光刻导气槽，对键合界面气泡的改善具有显著作用[10].

SPB除了能够改善键合界面出现气泡的情况，还能够针对指定区域进行键合. 如图8a中黑色的圆圈所示，这些圆圈所在的位置是预先指定的一些键合点，在键合的过程中，利用SPB对这些指定的键合点进行键合，结果表明成功键合的区域能够与预先设定的键合位置高度吻合. 在图8b中，虚线内是指定的“X”形状待键合区域，结果显示SPB成功地在指定位置进行了键合. 这充分验证了SPB针对指定区域具有可选择键合的特性.

4　结　　论

(1) 在传统金金热压键合方法的基础上，提出了一种基于点压技术的新型晶圆键合方法，并通过计算单点键合面积的大小，研究了点压键合法与键合温度、压强以及单点键合时间的关系.

(2) 针对同样工艺条件下制备的键合片,分别利用SPB与CWB进行键合，SPB的键合结果是其键合界面气泡较少，且工艺稳定性比CWB好.

(3) SPB能够针对键合片的指定区域进行键合，表现出了可选择键合的特性.

参考文献：

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