镍基焊盘

下一代镍基焊盘成就铜引线键合工艺

作者：Bob Chylak、Jamin Ling、Horst Clauberg，Kulicke and Soffa; Tom Thieme，Atotech Deutschland GmbH

金引线键合工艺能在电子行业占据绝对优势地位长达20多年之久，其重要原因就在于它所具备的高可靠性和高性能。而另一方面，其它类型的引线键合工艺，如铜或铝等在消费类产品或分立半导体产品等多引线、低成本领域中的应用却更为广泛。由于金价已升至历史高位，铜以其密度低、刚度高、成本低、导电性能好、导热能力强以及在进行铝焊盘金属化时具有极佳的（金属间化合物）可靠性等优点已重新赢得业界的广泛关注。目前业界对细节距铜引线键合工艺已有了基本的认识，基础条件已得到逐步的改进与完善。

因为铜容易氧化，因此在键合之前需要采用一套特殊的铜键合装置来营造一种惰性或还原气氛，这样才能通过熔融的方法形成焊球。目前这类铜键合装置已经相当成熟，由金键合向铜键合工艺的转移已是水到渠成的事情。铜的弹性模数要高于金，这一特点也使其能够轻易地满足超精细引线应用对引线又长又细的要求。铜的导电性能和导热性能都很好，而且铜-铝金属间化合物的可靠性也极为卓异，这些优点进一步增加了业界对铜引线键合工艺关注的热度。

然而，铜的高刚度特性也会为键合工艺带来一定的加工难度。为了获得满意的键合完整性，还要求材料具有较高的键合力来承受其较高的加工硬度。如果在键合时采用超声能量，则可能会在原本已正常施加的键合力上额外增加一定的剪切力。这一剪切力会穿过键合焊盘金属化层传送到其下方的既脆又极易断裂的介质材料上，从而导致焊盘剥落或键合失效。

在沿超声波方向进行键合期间，铜所具有的高硬度特性还可能会将较软的铝层抹掉，即通常所说的“铝飞溅”。为了减少焊盘损伤和铝飞溅的影响，大量的工作都集中在键合参数的优化上，如超声波能量和键合力等。目前这方面的研究已取得一定的成效。然而，随着器件工艺不断朝着焊盘节距日趋精细化、焊盘金属化层日趋薄型化的方向发展，焊盘控制就值得引起更多的关注，不仅是铜引线键合工艺，还要包括超精细金引线键合工艺等。

为了解决焊盘损伤的问题，镍基焊盘应运而生。镍比铜硬50%左右，比铝硬4倍，因此当铜焊球键合产生的应力过大或当检测造成的损伤达到一定程度时它可以提供更多的保护。尤其是当焊盘下方采用低k有源电路时它对器件会更加有利。当前NiPd、NiPdAu和/或NiAu的坚固性能已得到较大提高，已具备足够的能力接纳具有较大引线键合窗口的铜引线键合工艺，其可靠性极佳，不会产生任何飞溅沾污。

焊盘结构

焊盘结构的最新发展趋势

在亚微米技术问世的同时，为了满足器件功能日益复杂化的需求开发了多种金属层结构。形成这类多种金属层结构采用的是一种平面化工艺，包括化学机械抛光（CMP）、通孔制作与通孔填充（通常采用W或TiW）等。因此，焊盘结构就由位于铝焊盘下方的大量的各不相同的钨通孔构成，以此来改善电流承载能力。为了改善日益缩小的几何结构中的电迁移电阻，可以在Al或Al-1%Si金属化中加入0.5%或更高比例的铜。为了避免晶圆探针检测和/或引线键合工艺带来的破坏性影响，当时的焊盘设计规则规定不允许在焊盘下方使用有源结构。但是减小

波形系数的强烈愿望促进了强适应能力BOAC（有源电路上的键合）的开发。在成功开发出较为坚固的焊盘结构用于减少器件整体性相关问题的同时，还极为有力地推动了引线键合工艺和探针检测技术的发展。

对0.27μm之后的深亚微米技术而言，则需要0.13μm的特征尺寸以进一步提高性能，使器件的速度更快、功能更强，而RC（电阻/电容）延迟更低。因而使铜互连和低k介质材料得到发展并逐步达到目前的成熟化水平。介电常数更低的介质材料通常是一些只能承受低应力键合或探测的多孔复合材料。为此，目前铜互连和低k介质材料正在应用于更注重RC相关考虑的一些低端器件中，而诸如那些带有Al精饰涂层的FSG（氟硅酸盐玻璃）等中k介质材料则可用作顶部的一、二层金属，以提高功率承载能力和改善探测/键合的坚固性。

铜引线键合工艺的焊盘设计

经过10多年的发展，铜引线键合工艺目前已形成一套通用的焊盘设计规则（图1）。从理论上讲，焊盘采用的键合材料越厚越好，屈服强度越高越好。对Al金属进行合金处理时，如果改变掺杂材料的类型或掺杂材料的比例，或者对Al焊盘的结构作出不同的设计都会提高复合焊盘的强度，还会极大地降低对下层结构造成凹陷或导致其它损伤的风险。然而，因为工艺集成过程极其复杂，工艺可靠性鉴定要求极为严格，因此在晶圆制造工艺过程中对Al金属化或堆叠金属化进行改变却并非易事。

为此，不管合金为何种类型（1%Si或1%Si0.5%Cu），统一规定Al焊盘的最小厚度为1μm。通常，当Al下方的Cu层厚度小于1μm时，铜引线键合工艺就必须进行合理优化以获得适当的键合窗口，同时还不能损伤焊盘。相反，如果底层Cu的厚度大于1μm，则会十分坚固，这通常也会有助于高效顺利地完成铜引线键合工艺。不过，当Al焊盘的厚度不足7000埃，甚至不足5000埃时，铜引线键合期间则几乎总是能发现有焊盘损伤的现象，而这与介质材料为何种类型无关。

介电常数在3.2以上的中k介质材料，以FSG或TEOS SiO2等材料为例，其断裂电阻要比低k介质材料强得多。目前已证实，采用金或铜

引线键合直接在低k介质材料顶端进行键合是不可能实现的，甚至要完成对这类器件的无焊盘损伤检测也是不可能的。要想获得牢固的引线键合效果就必须确保焊盘精饰层下方的介质层的牢固性，这个介质层既可以是ILD（层间介质），也可以是钝化层。

现已发现，铜引线键合工艺与大量的通孔焊盘结构同时使用会产生一些不良影响（图2）。在这类W- SiO2复合结构中制作的W通孔就相当于众多的应力集中器，使裂缝沿最短距离在通孔之间漫延而释放压力。因此，千万不能在焊盘下方的高应力区域内设置通孔。用外围通孔设计实现层间连接是比较可取的方法。

下一代镍基焊盘

理想的下一代焊盘应充分考虑到所有新兴技术的各种需求，包括铜引线键合、超精细节距金引线键合和可迅速收缩BPP（焊盘节距）的超低k介质材料等，此外还需要满足在相同焊盘面积上进行探针检测和键合的要求。

镍基焊盘的采用

从机械加工的观点来分析键合工艺和探针检测技术，很明显，将材料特性截然不同的两种材料混合在一起必然会使较软的那种材料中产生更多的形变。因此，铜引线键合中的铝飞溅问题要比金引线键合中严重得多。同时，这一形变还会使焊盘下方的铝金属化层变薄，极有可能会导致器件损伤，随着金属间化合物的不断增加最终会降低键合的可靠性。

为此，使用较硬的焊盘金属化来保护下层结构是一种值得提倡的方法。镍的硬度分别比铜和金高出50%和70%，目前它在作为铝金属化替代品方面所展示的各种优势已经引起业内越来越广泛的关注。它完全可以满足提高可靠性、加大键合负载、保护脆弱结构、兼顾探针检测与键合工艺要求以及实现金和铜引线键合工艺兼容性等诸多方面的各项要求。

在铝或铜基金属化层上沉积的镍层厚度一般在1μm至3μm范围内。然而因为镍层上会迅速形成氧化物薄层，所以要想提高制造水平、键合