一种内柱外环式双区复合焊点结构和混合键合方法技术

本发明专利技术公开了一种内柱外环式双区复合焊点结构，包括内核柱和外围环，所述内核柱采用可室温下冷焊的金属或金属体系，所述外围环采用高温焊料金属或金属体系，还公开一种基于上述焊点结构的混合键合方法，包括如下步骤：(1)提供具备内柱外环式双区复合焊点结构的晶圆(基板)；(2)将多个芯片通过常温/低温压合的方式逐一预键合到晶圆(基板)上；(3)将已预键合的多个芯片进行一次整体的热压键合。本发明专利技术彻底避免了常规多芯片到单一晶圆(基板)共晶键合工艺因反复加热而导致的键合失败，大大提高了工艺整体的效率，有效降低了芯片制备过程中的工艺难度，大大节约了工艺成本。

A Double-zone Composite Solder Joint Structure with Inner Column and Outer Ring and Hybrid Bonding Method

【技术实现步骤摘要】
一种内柱外环式双区复合焊点结构和混合键合方法
本专利技术涉及半导体制造
，具体是一种内柱外环式双区复合焊点结构和混合键合方法。
技术介绍
目前，常用的多芯片到单一晶圆，或者多芯片到单一基板的键合技术通常只采用一种金属焊料组合，常用的焊料组合包括金-锡，银-锡，铜-锡，锡-铅等，需要的键合温度通常在200℃～350℃之间。过高的键合温度，可能会使得在多芯片到晶圆(基板)的键合工艺过程中，晶圆或者基板被反复升温-降温，造成芯片经反复升-降温后失效或者焊料经反复加热后表面产生严重氧化最终导致无法键合。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术的不足，提供一种内柱外环式双区复合焊点结构和混合键合方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种内柱外环式双区复合焊点结构，包括内核柱和外围环，所述内核柱采用可室温下冷焊的金属或金属体系，所述外围环采用高温焊料金属或金属体系。优选地，可室温下冷焊的金属为铟或锡；可室温下冷焊的金属体系为金-铟、铟-铟或金-锡中的任意一种。优选地，高温焊料金属为金或锡，高温焊料金属体系为金-锡、银-锡、铜-锡或锡-铅中的任意一种。本专利技术同时公开了上述内柱外环式双区复合焊点结构的制备方法，包括如下步骤：(1)在晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为5～50μm；(2)将步骤(1)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理后，得到的光刻胶图形在晶圆表面呈倒梯形的形貌；(3)采用蒸镀或者溅射的方式，将可室温下冷焊的金属或金属体系沉积到步骤(2)的光刻胶图形表面，在光刻胶开口的地方可室温下冷焊的金属或金属体系沉积到晶圆表面，沉积的厚度为3～50μm，且小于光刻胶的厚度；(4)采用湿法金属剥离工艺，将步骤(3)光刻胶表面的可室温下冷焊的金属或金属体系去除，再把光刻胶去除，形成焊柱内核结构；(5)在步骤(4)已形成焊柱内核结构的晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为5～50μm；(6)将步骤(5)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理后，得到的光刻胶图形在晶圆表面和焊柱内核结构表面均呈倒梯形的形貌；(7)采用蒸镀或者溅射或者电镀的方式，将高温焊料金属或金属体系沉积到步骤(6)光刻胶图形表面，在光刻胶开口的地方高温焊料金属或金属体系沉积到晶圆表面；(8)采用湿法金属剥离工艺，将步骤(7)光刻胶表面上的高温焊料金属或金属体系去除，再把光刻胶去除，形成焊柱外围结构；(9)将步骤(8)的晶圆在150～250℃温度下回流，使可室温下冷焊的金属或金属体系表面形成凸起，得到内柱外环式双区复合焊点结构。进一步，所述步骤(2)和(6)曝光的光源采用可见光、436nm波长光、365nm波长光、405nm波长光，248nm波长光或193nm波长光的一种或多种混合，曝光的方式可采用投影式、接触式或接近式，显影液采用碱性溶液或有机溶剂。进一步，所述步骤(4)和步骤(8)把光刻胶去除的方式采用试剂浸泡；或/和用试剂浸泡把光刻胶溶解去除时，采用高压力湿化学喷枪或超声震荡辅助的方式完成。本专利技术的另一个目的在于保护基于上述的内柱外环式双区复合焊点结构的混合键合方法，包括如下步骤：(1)提供具备所述内柱外环式双区复合焊点结构的晶圆；(2)采用高精度芯片倒装键合机，将多个芯片通过低温压合的方式逐一预键合到晶圆上，预键合温度≤100℃，预键合压力为100～4000N；(3)通过晶圆键合机将已预键合的多个芯片进行一次整体的热压键合，键合温度为200～450℃，键合压力为4～100KN。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果如下：首先，可以在低温下完成多芯片到单一晶圆(基板)上的预键合，然后转移到晶圆键合机上一次高温完成多个芯片的最终高温键合；彻底避免常规多芯片到单一晶圆(基板)共晶键合工艺因反复加热而导致的键合失败。其次，低温下的预键合过程有效地避免了每个芯片在向晶圆(基板)的焊接过程中逐一升温-降温过程所需的冗长时间，大大提高了工艺整体的生产效率。再次，采用一组可以在室温下冷焊的金属体系(金-铟，铟-铟等)和常用的高温焊料体系(金-锡，银-锡，铜-锡，锡-铅，锡等)组合在一起，形成复合式焊点结构，复合式焊点可在室温下采用冷焊方式，完成多芯片到单一晶圆(基板)的预键合，然后再将预键合以后的芯片放到晶圆键合机中施加温度和压力，从而完成最终的键合。最后，采用冷焊料金属体系和室温预键合的方式，避免了Metal-Direct-Bonding(金属直接键合)或者半导体混合键合(HybirdBonding)工艺前，对芯片键合面加工和抛光的苛刻要求，有效降低了芯片制备过程中的工艺难度，大大节约了工艺成本。附图说明图1本专利技术内柱外环式双区复合焊点结构正视图；图2本专利技术内柱外环式双区复合焊点结构俯视图；图3～8本专利技术实施例对应的复合焊点结构制备工艺流程剖面示意图。图9～10本专利技术实施例对应的混合键合方法工艺流程剖面示意图。图1-2标记含义如下：1-内核柱，2-外围环。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施例做详细说明。一种内柱外环式双区复合焊点结构，如图1-2所示，包括内核柱1和外围环2，所述内核柱1采用金属铟，所述外围环2采用金锡合金。上述内柱外环式双区复合焊点结构的制备方法，包括如下步骤：(1)在晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为25μm；(2)将步骤(1)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理，得到的光刻胶图形在晶圆表面呈倒梯形的形貌；如图3所示；(3)采用蒸镀的方式，将金属铟沉积到步骤(2)的光刻胶图形表面，且在光刻胶开口的地方金属铟沉积到晶圆表面，沉积的厚度为20μm；如图4所示；(4)采用湿法金属剥离工艺，将步骤(3)光刻胶表面的金属铟去除，再把光刻胶去除，形成焊柱内核结构；如图5所示；(5)在步骤(4)已经形成焊柱内核结构的晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为25μm；(6)将步骤(5)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理，得到的光刻胶图形在晶圆表面和焊柱内核结构表面均呈倒梯形的形貌；如图6所示；(7)采用蒸镀的方式，将金锡合金沉积到步骤(6)光刻胶图形表面，且在光刻胶开口的地方金锡合金沉积到晶圆表面；如图7所示；(8)采用湿法金属剥离工艺，将步骤(7)光刻胶表面上的金锡合金去除，再把光刻胶去除，形成焊柱外围结构；如图8所示；(9)将步骤(8)的晶圆在200℃温度下回流，金属铟表面形成凸起，得到内柱外环式双区复合焊点结构。所述步骤(2)和(6)曝光的光源采用高压汞灯混合波长光源，曝光的方式采用接近式，显影液采用2.38％四甲基氢氧化铵。所述步骤(4)和步骤(8)采用85℃的NMP溶液浸泡溶解去除光刻胶时，并以超声震荡辅助的方式完成。基于上述内柱外环式双区复合焊点结构的混合键合方法，包括如下步骤：(1)提供具备上述内柱外环式双区复合焊点结构的晶圆；(2)采用高精度芯片倒装键合机，将多个芯片通过压合的方式逐一预键合到晶圆上，预键合温度25℃，预键合压力为1000N；如图9所示；(3)经晶圆键合机将已预键合的多个芯片进行一次整体的热压键合，键合温度为350℃，键合压力为70KN，如图10所示；。备注：蒸镀采用ei-5z高真空蒸发镀膜设备(日本ULVAC)或美国丹顿真空Explorer蒸发镀膜设备，光刻胶膜的厚度用Dektak本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内柱外环式双区复合焊点结构，其特征在于，包括内核柱和外围环，所述内核柱采用可室温下冷焊的金属或金属体系，所述外围环采用高温焊料金属或金属体系。

【技术特征摘要】
1.一种内柱外环式双区复合焊点结构，其特征在于，包括内核柱和外围环，所述内核柱采用可室温下冷焊的金属或金属体系，所述外围环采用高温焊料金属或金属体系。2.根据权利要求1所述的一种内柱外环式双区复合焊点结构，其特征在于，可室温下冷焊的金属为铟或锡；可室温下冷焊的金属体系为金-铟、铟-铟或金-锡中的任意一种。3.根据权利要求1所述的一种内柱外环式双区复合焊点结构，其特征在于，高温焊料金属为金或锡，高温焊料金属体系为金-锡、银-锡、铜-锡或锡-铅中的任意一种。4.如权利要求1～3任意一项所述的内柱外环式双区复合焊点结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为5～50μm；(2)将步骤(1)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理后，得到的光刻胶图形在晶圆表面呈倒梯形的形貌；(3)采用蒸镀或者溅射的方式，将可室温下冷焊的金属或金属体系沉积到步骤(2)的光刻胶图形表面，在光刻胶开口的地方可室温下冷焊的金属或金属体系沉积到晶圆表面，沉积的厚度为3～50μm，且小于光刻胶的厚度；(4)采用湿法金属剥离工艺，将步骤(3)光刻胶表面的可室温下冷焊的金属或金属体系去除，再把光刻胶去除，形成焊柱内核结构；(5)在步骤(4)已形成焊柱内核结构的晶圆表面涂布光刻胶，光刻胶的厚度为5～50μm；(6)将步骤(5)涂布有光刻胶的晶圆依次经曝光、显影和烘烤处理后，得到的光刻胶图形在晶圆表面和焊柱内核结构表面均呈倒梯形的形貌；(7)采用蒸镀或者溅射或者电镀的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李震，顾轶峰，简·史蒂芬·莫泰，龚里，
申请(专利权)人：苏斯贸易上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31