一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法技术

一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30‑40℃下反应60‑90s后水，进行一次锌活化后酸腐蚀再进行二次锌活化，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成Ni层；在Ni层上沉积Pd层；在Pd层上沉积Au层。本发明专利技术使用化学镀镍钯浸金工艺，在半导体裸芯片表面制备兼容金线键合的镍钯金三层金属化层，膜层附着力及稳定性满足封装工艺的应用需求，改性后的芯片各项电参数与改性前对比无明显差异，在改性后的镍钯金层表面进行的金线键合可以满足高温环境应用及器件长寿命使用的可靠性需求。

【技术实现步骤摘要】
一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法
本专利技术属于半导体封装领域，具体涉及一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法。
技术介绍
目前，半导体芯片表面金属化层多采用铝及铝合金材料，而集成电路及混合集成电路等半导体封装结构均主要采用金线热超声键合互连工艺，这就导致裸芯片表面在键合后形成了金-铝化合物合金层。已有的研究和可靠性试验结果表明，金铝异质键合点在300℃及以上的温度条件下，在极短时间内会出现键合点性能衰变，严重时会导致键合点脱落进而导致器件失效。造成这一现象的主要原因是，高温下Au-Al异质键合点界面处的原子扩散速率变大，在界面处发生快速的界面反应，进而生成过厚的金属间化合物。高温下Au-Al键合界面形成的化合物，主要为AuAl2(“紫斑”)、Au5Al2(“白斑”)，此外还有AuAl、Au4Al、Au2Al等。这些金属化合物本身并不会对器件性能造成损害，但是它们的出现标志着焊点的可靠性降低。这是因为这些金铝金属间化合物为脆性相，机械性能和热性能与Au、Al显著不同，在外界应力作用下容易开裂，进而导致焊点开路，致使电子器件失效。鉴于以上情况，半导体封装器件中普遍存在的异质键合工艺已难以满足高可靠性元器件及高温应用元器件的质量可靠性要求。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提供一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，包括以下步骤：1)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；2)一次锌活化：将经步骤1)微蚀的半导体裸芯片表面或晶圆采用活化液，在反应温度为20-30℃下活化30-40s；3)酸腐蚀：一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉；4)二次锌活化：将经步骤3)酸腐蚀后的元件采用活化液在温度为20-30℃下进行活化15-20s，然后水洗；5)化学镀Ni：采用镀液，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成2μm～4μm的Ni层；6)化学镀Pd：采用镀液，在Ni层上沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm；7)浸金：采用镀液，在Pd层上沉积Au层，厚度为：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中硫酸的质量浓度为18.4mol/L，硫酸与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中酸腐蚀具体是在浸泡在硝酸水溶液中，浸泡15-30s后水洗；其中，硝酸水溶液是按体积比1:1将硝酸加入到水中制得。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)和步骤4)中的活化液均是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得，并且活化液中氢氧化钠的浓度为500-600g/L，氧化锌的浓度为90-100g/L，三氯化铁的浓度为1g/L，酒石酸钾钠的浓度为10g/L。本专利技术进一步的改进在于，步骤5)中镀液是将NiSO4与H3BO3加入到水中制得，并且镀液中NiSO4的浓度为300g/L，H3BO3的浓度为40g/L。本专利技术进一步的改进在于，步骤5)中以0.2μm-0.3μm/min的速率进行沉积。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)中镀液是将二氯二氨基钯盐、氯化铵、氨水以及NH4OH加入到水中制得，并且镀液中二氯二氨基钯盐的浓度为20～40g/L，氯化铵的浓度为10～20g/L，氨水的质量浓度为25％，NH4OH的浓度为40～60g/L。本专利技术进一步的改进在于，步骤6)中在0.05μm-0.1μm/min的速率下进行沉积。本专利技术进一步的改进在于，步骤7)中镀液是将亚硫酸金钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠以及硼砂加入到水中制得，并且镀液中，亚硫酸金钠的浓度为2g/L，亚硫酸钠的浓度为15/L，硫代硫酸钠的浓度为12.5g/L，硼砂的浓度为10g/L。本专利技术进一步的改进在于，步骤7)中在0.01μm/min的速率下进行沉积。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术在化学镍层和浸金层之间加入薄薄的化学钯层的作用主要有两个方面：(1)阻挡镍的扩散和迁移，防止黑盘的发生。在焊接时，很薄的金层迅速熔入焊料后，由于钯的熔点高，在焊接时钯的熔解速度比金的慢很多，熔融的钯在镍表面会形成一层阻挡层可防止铜镍金属氧化物的产生，从而改善了焊接性能。(2)由于硬度较大的钯层存在，可以使金层厚度明显地减少，这样即可提高焊接点的可靠性，又可获得较好的耐磨性能和打金线性能，适合应用在高连接可靠性的产品上。本专利技术中镍层主要起焊接作用。在焊接过程中，很薄的金和钯将相继熔入于焊料中，而裸露和新鲜的镍层便与焊料中的锡形成金属间互化物，形成好的焊接和可靠性。将金层、钯层剥离后，但是镍层晶界间存在空隙，致密性较钯层差，因此在镍层上镀上一层致密的钯层，可以有效的阻挡浸金化学药水对镍面的攻击，避免镍层黑垫缺陷的产生。本专利技术使用化学镀镍钯浸金工艺，在半导体裸芯片表面制备兼容金线键合的镍钯金三层金属化层，膜层附着力及稳定性满足封装工艺的应用需求，改性后的芯片各项电参数与改性前对比无明显差异，同时避免了在封装工艺中普遍存在的金-铝异质键合结构，在改性后的镍钯金层表面进行的金线键合可以满足高温环境应用及器件长寿命使用的可靠性需求。本专利技术将原有的裸芯片表面普遍存在的金-铝异质键合结构改性为金-金同质键合结构，避免金-铝合金在高温条件下的脆裂失效。进一步的，当钯层较厚时，则钯层排列致密，只发生金与钯置换的反应；若钯层较薄，则金液会透过钯层晶格间隙与镍层接触，金即与钯置换也与镍置换，会造成钯层与镍层剥离的风险，因此，本专利技术中钯层为0.2μm～0.5μm厚。进一步的，由于金层是为了提高镀层的可焊性和打线能力的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在无铅焊接过程中，很薄的金层迅速熔入并分散在熔融的焊料中。由于焊料中金的重量比超过3％时，会引起焊点发脆，影响焊接可靠性。因此，镀金层厚度要加以控制在0.05μm～0.1μm之间。具体实施方式下面对本专利技术进行详细说明。本专利技术包括以下步骤：(1)晶圆准备→(2)除油→(3)水洗→(4)微蚀→(5)水洗→(6)一次锌活化→(7)HNO3处理→(8)水洗→(9)二次锌活化→(10)水洗→(11)化学镀Ni→(12)化学镀Pd→(13)化学镀Au→(14)水洗→(15)烘干。具体流程如下：1)将半导体裸芯片表面或晶圆进行除油，除油可采用等离子体清洗或采用清洗液进行水洗。本专利技术中采用的是氟利昂进行除油。2)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到浓硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；其中，浓硫酸(质量浓度为18.4mol/L)与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。3)一次锌活化：使用以下配比的活化液(所述活化液是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得；活化液中氢氧化钠的浓度为500-600g/L；氧化锌的浓度为90-100g/L；三氯化铁FeCl3的浓度为1g/L；酒石酸钾钠的浓度为10g/L)在反应温度为25±5℃下反应30-40s进行一次锌活化。4)一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉，具体是在浸泡在硝酸溶液中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30‑40℃下反应60‑90s后水洗；2)一次锌活化：将经步骤1)微蚀的半导体裸芯片表面或晶圆采用活化液，在反应温度为20‑30℃下活化30‑40s；3)酸腐蚀：一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉；4)二次锌活化：将经步骤3)酸腐蚀后的元件采用活化液在温度为20‑30℃下进行活化15‑20s，然后水洗；5)化学镀Ni：采用镀液，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成2μm～4μm的Ni层；6)化学镀Pd：采用镀液，在Ni层上沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm；7)浸金：采用镀液，在Pd层上沉积Au层，厚度为：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。

【技术特征摘要】
1.一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)微蚀：将除油后的半导体裸芯片表面或晶圆放入到硫酸与双氧水的混合溶液中，在30-40℃下反应60-90s后水洗；2)一次锌活化：将经步骤1)微蚀的半导体裸芯片表面或晶圆采用活化液，在反应温度为20-30℃下活化30-40s；3)酸腐蚀：一次锌活化后，进行酸腐蚀，将锌腐蚀掉；4)二次锌活化：将经步骤3)酸腐蚀后的元件采用活化液在温度为20-30℃下进行活化15-20s，然后水洗；5)化学镀Ni：采用镀液，在经过二次锌活化后的裸芯片或晶圆表面进行沉积形成2μm～4μm的Ni层；6)化学镀Pd：采用镀液，在Ni层上沉积Pd层，厚度为0.2μm～0.5μm；7)浸金：采用镀液，在Pd层上沉积Au层，厚度为：0.05μm～0.1μm，然后水洗、烘干。2.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤1)中硫酸的质量浓度为18.4mol/L，硫酸与双氧水的体积比为(80-100)mL：(80-90)mL。3.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤3)中酸腐蚀具体是在浸泡在硝酸水溶液中，浸泡15-30s后水洗；其中，硝酸水溶液是按体积比1:1将硝酸加入到水中制得。4.根据权利要求1所述的一种在半导体裸芯片上实现键合金属化改性的方法，其特征在于，步骤2)和步骤4)中的活化液均是将氢氧化钠、氧化锌、三氯化铁以及酒石酸钾钠加入到水中制得，并且活化液中氢氧化钠的浓度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，陈雷达，张欲欣，
申请(专利权)人：西安微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61