來源：《半導體芯科技》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）至關重要，混合集成是將來自不同技術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用中的混合像素探測器。曾經用于倒裝芯片接合的錫焊料正在被包括銦在內的無鉛替代品所取代。然而，使用傳統方法制備對于形成鍵合必不可少的銦“凸點”是一項挑戰。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、環境和醫療等方面的成像應用。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。混合集成探測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。

倒裝芯片的演變

傳統的倒裝芯片組裝首先是使用鉛基焊料凸點實現的，但由于其毒性，現在全球禁止在電子產品中使用這些材料，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，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(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境。總之，所有這些挑戰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。

為什么是銦？

銦是一種軟質金屬（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用的理想選擇。

就化學性質而言，銦僅在較高溫度下才與氧發生反應，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。其良好的導電性、延展性和低溫穩定性使其成為混合集成像素探測器應用中的理想選擇。

△圖1：共聚焦顯微鏡數據-(a)銦的特征形貌圖,(b)輪廓測量。

以前的方法

銦凸點以前是通過熱蒸發或濺射制造的，這種方式能夠形成具有良好凸點結構控制的高度均勻的凸點。然而，這種方法不能產生適合半導體行業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設備；僅限于具有高蒸氣壓的材料；需要復雜的制造工藝；由于掩模與晶圓的不匹配，不太適合更大的晶圓尺寸；因為它會產生更多污染，因此環境安全性較差；并且僅適用于小規模生產。

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，特別是針對于大規模生產是可以實現的方式。但是傳統的電鍍需要優化，因為不均勻的凸點會導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的最小間距尺寸為30毫米。

△圖2：銦凸點的掃描電子顯微鏡圖像。

電鍍挑戰

鍍在用于制造倒裝芯片鍵合凸點時面臨多重挑戰：它必須在晶圓級和高良率下實現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量增加，其挑戰性將會急劇增加。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生高質量和高良率的高密度銦凸點。我們的工作證明，使用適當的工具和材料組合可以實現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生高質量和高良率的高密度銦凸點。我們的工作證明，使用適當的工具和材料組合可以實現更小的凸點尺寸和更小的間隙。

工藝步驟

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焊盤的直徑決定。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。在工業應用中，在倒裝芯片工藝之后會進行第二次回流，以實現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量的凸點至關重要，但沒有在蒸發工藝中那么關鍵。電鍍工藝中的電流分布和物質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。

實驗方法

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。我們使用真空預浸潤工藝來去除氣泡和預浸潤小的圖案，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。

電解質的作用

迄今為止，已有各種化學物質用于銦的電鍍。由于析氫、大晶粒和結節導致的光刻膠損壞是傳統銦電鍍電解液造成的主要缺陷。MacDermid Alpha Electronics Solutions公司開發了一種銦電解質來克服這些致命缺陷。

Novafab IN-100是一種酸性電解質系統，用于低溫、無鉛焊接互連。這種專有電解質的配方可高效沉積銦金屬，并且與傳統的銦電鍍浴不同，由于其創新的化學成分，不會產生析氫。

在電鍍過程中，金屬-溶液界面處的pH值保持穩定，消除了可能導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。它產生細粒度、無結節的亞光沉積物，銦純度>99.5%，并表現出卓越的附著力。該溶液是完全可解析的，并且與可溶性和不溶性陽極系統兼容。

結論

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閉時間比率的脈沖電鍍產生了最好的結果。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。

在我們的演示過程中，凸點表面確實形成了氧化銦層，因此我們無法在回流后獲得完美形狀的球體，但觀察到凸點開始變圓并形成球體。

在ClassOne的Solstice單晶片平臺上，銦電解質的特性與倒裝芯片工藝相結合，展示了一種將銦用于倒裝芯片電鍍工藝的可行方法。

審核編輯 黃昊宇