局部增強(qiáng)壓焊塊鋁層厚度的工藝方法

馬萬(wàn)里，趙文魁

(深圳方正微電子有限公司，廣東深圳 518116)

芯片封裝打線(xiàn)工藝的發(fā)展趨勢(shì)是逐步采用銅線(xiàn)做打線(xiàn)的線(xiàn)材，代替金線(xiàn)和鋁線(xiàn)。主要是由于銅線(xiàn)有低的電阻率、高的熱導(dǎo)率、價(jià)錢(qián)低等一系列的優(yōu)勢(shì)。但是銅線(xiàn)相對(duì)于金線(xiàn)和鋁線(xiàn)，其硬度比較高，且容易氧化，打線(xiàn)的時(shí)候，容易將芯片壓焊塊打穿，所以用銅線(xiàn)在封裝打線(xiàn)的時(shí)候，對(duì)芯片壓焊塊金屬層厚度的要求也更高，并且越粗的銅線(xiàn)，對(duì)壓焊塊的金屬層厚度要求越厚。而芯片制造工藝由于存在一定的局限性，并不能完全滿(mǎn)足此要求，所以這種矛盾目前越來(lái)越突出。

1 銅線(xiàn)封裝的常規(guī)做法

近年來(lái)隨著金價(jià)的飛速上漲，銅線(xiàn)封裝作為一種降成本手段，在加上原本的低電阻率等諸多優(yōu)點(diǎn)(如表1所示)，故越來(lái)越多的客戶(hù)要求采用銅線(xiàn)封裝代替金線(xiàn)。

表1 銅線(xiàn)封裝的優(yōu)點(diǎn)(與金焊線(xiàn)相比)

采用銅線(xiàn)封裝時(shí)，不同封裝廠(chǎng)的設(shè)備、工藝，對(duì)芯片壓焊塊鋁層的厚度要求不同，如果鋁層厚度不夠，就會(huì)出現(xiàn)壓焊塊打穿的問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 打銅線(xiàn)時(shí)芯片壓焊塊的鋁層被打穿

越是成熟的銅線(xiàn)封裝工藝，對(duì)壓焊塊鋁層厚度要求越低。一般情況下，不同粗細(xì)的銅線(xiàn)封裝時(shí)對(duì)壓焊塊鋁層厚度的要求不同，如表2所示。

目前已有的芯片制造工藝，壓焊塊的金屬層厚度就不能完全滿(mǎn)足銅線(xiàn)打線(xiàn)的要求。如果直接單純的加厚的芯片制造工藝的金屬層厚度，那會(huì)給金屬層的線(xiàn)寬控制、刻蝕帶來(lái)很大的麻煩。同樣的金屬條寬度/間距，金屬層越厚，金屬線(xiàn)條的高度/寬度比越大，金屬刻蝕的困難就越大（如圖2所示）。

表2 銅線(xiàn)封裝對(duì)壓焊塊金屬層厚度的要求

圖2 薄金屬層與厚金屬層在刻蝕時(shí)的差異

目前的解決辦法是，封裝廠(chǎng)在不斷地優(yōu)化改進(jìn)銅線(xiàn)封裝水平，以便當(dāng)芯片壓焊塊金屬不額外增厚的情況下，能將打線(xiàn)工藝完成。但是，這個(gè)改進(jìn)，一直沒(méi)有達(dá)到理想的水平。能夠做好銅線(xiàn)封裝的廠(chǎng)家，并不多。更關(guān)鍵的是，現(xiàn)在越來(lái)越多的客戶(hù)，為了降低封裝成本，陸續(xù)都采用銅線(xiàn)封裝，不斷地要求芯片制造廠(chǎng)要滿(mǎn)足銅線(xiàn)封裝工藝，這個(gè)問(wèn)題在近兩年內(nèi)顯得非常突出，這就要求芯片制造工藝必須做某些改善。

2 鈍化層反版局部加厚壓焊塊金屬層

2.1 局部加厚壓焊塊金屬層的方法

在鈍化層制作以后，再進(jìn)行一次金屬濺射、光刻、刻蝕，不過(guò)此時(shí)采用的掩模版，需要將壓焊塊區(qū)域的金屬保留下來(lái)。其他的金屬全部在酸槽中腐蝕掉。具體做法如下：

第一步：金屬層的濺射、光刻、刻蝕。此步需要根據(jù)芯片功能需要，完成芯片內(nèi)的金屬走線(xiàn)，同時(shí)形成壓焊塊，此時(shí)壓焊塊表面的金屬與芯片內(nèi)金屬走線(xiàn)的金屬厚度一樣。因?yàn)樽呔€(xiàn)的線(xiàn)條寬度與間距是比較小的，所以此工序不能生長(zhǎng)太厚的金屬層。

第二步：鈍化層的生長(zhǎng)、光刻、刻蝕。生長(zhǎng)鈍化保護(hù)層，并且將壓焊塊的區(qū)域刻蝕出來(lái)。此時(shí)壓焊塊上金屬層厚度，可以滿(mǎn)足金線(xiàn)和鋁線(xiàn)的打線(xiàn)要求，但是不能滿(mǎn)足銅線(xiàn)的要求。

第三步：第二次金屬層的濺射（濺射后如圖3所示）、光刻、刻蝕（刻蝕后如圖4所示）。目的是在壓焊塊區(qū)域上，再做上一層金屬，而芯片內(nèi)，金屬走線(xiàn)的金屬層沒(méi)有被加厚，所以此時(shí)d1＞d2。此處生長(zhǎng)的金屬層，其對(duì)均勻性/反射率等參數(shù)，要求并不高，生產(chǎn)線(xiàn)可以安排較陳舊的濺射/蒸鍍?cè)O(shè)備來(lái)作業(yè)，以提高設(shè)備的利用率。并且由于壓焊塊的尺寸以及間距都很大（都在幾十微米以上），故此處完全沒(méi)有了金屬層細(xì)線(xiàn)條/間距對(duì)刻蝕的影響限制，所以可以生長(zhǎng)很厚的金屬層（可達(dá)數(shù)微米厚），并且后續(xù)的刻蝕也是完全沒(méi)有問(wèn)題的，可以采用濕法刻蝕，工藝成本也不高，速度也快，常規(guī)濕法鋁腐蝕液成份為：H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O＝16:1:1:2。

圖3 第二次金屬層濺射以后的結(jié)構(gòu)

圖4 第二次金屬層刻蝕以后的結(jié)構(gòu)

采用如上的方法，可以只將芯片的壓焊塊區(qū)域的鋁層加厚，而其它區(qū)域的鋁層不受影響。圖5 、圖6是鈍化層上生長(zhǎng)鋁前后的對(duì)比。

后續(xù)在進(jìn)行打銅線(xiàn)時(shí)，壓焊塊區(qū)域就能夠滿(mǎn)足打線(xiàn)需求。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，采用直徑為20 μm的銅線(xiàn)，在Eagle60AP型號(hào)的打線(xiàn)機(jī)上進(jìn)行打線(xiàn)，對(duì)于鋁層總厚度為1.8 μm的壓焊塊（第一層鋁0.8 μm，利用PAD反版又加厚了1μm），打線(xiàn)失效率僅為0.76%。完全能滿(mǎn)足打銅線(xiàn)量產(chǎn)的質(zhì)量要求。

圖5 未加厚鋁層前的壓焊塊

圖6 加厚鋁層后的壓焊塊

2.2 局部加厚壓焊塊鋁層的工藝控制要點(diǎn)

2.2.1 鋁層的刻蝕

由于最后一次生長(zhǎng)的鋁層位于鈍化層之上，后續(xù)刻蝕需要保證不能損傷鈍化層，故只能采取濕法腐蝕的方式進(jìn)行，并且此層腐蝕的圖形只是一系列與壓焊塊大小的鋁塊，線(xiàn)寬在幾十微米以上，所以過(guò)蝕量可以設(shè)置的大一些（100%以上），確保鈍化層表面不殘留有鋁。

2.2.2 最后一層鋁的生長(zhǎng)

此層鋁用于打線(xiàn)，并且做完濕法腐蝕后，不會(huì)再進(jìn)行其它方式的刻蝕，所以此層鋁的表層不能生長(zhǎng)抗反射層TiN。再者此層線(xiàn)寬很大，光刻也不存在問(wèn)題，所以也沒(méi)有必要再生長(zhǎng)TiN。

2.2.3 在加厚的鋁層生長(zhǎng)后進(jìn)行光刻時(shí)的膠殘留

在鈍化層表面生長(zhǎng)金屬以及進(jìn)行涂膠，會(huì)產(chǎn)生一種特殊的問(wèn)題，由于鈍化層覆蓋在金屬條上以后，會(huì)在金屬條之間形成一系列很小的縫隙，此時(shí)生長(zhǎng)金屬或者涂膠時(shí)，就會(huì)有一些金屬長(zhǎng)進(jìn)去或者光刻膠流進(jìn)去，同時(shí)由于這些縫隙太小，會(huì)造成顯影無(wú)法將縫隙中的光刻膠去除，刻蝕也無(wú)法將縫隙中的鋁腐蝕掉，試驗(yàn)中，加厚的鋁層為M2i濺射機(jī)生長(zhǎng)的1 μm鋁層，涂膠為1.3 μm的正性光刻膠，顯影后的情形如圖7所示?？梢钥吹剑g化層的縫隙之間存在無(wú)法去除的光刻膠。這會(huì)在最后的合金化步驟中，因?yàn)楣饪棠z的受熱碳化而污染爐管，這是我們不能接受的。

圖7 鈍化層上生長(zhǎng)鋁層/涂膠/顯影后的情形

為了避免污染爐管，實(shí)驗(yàn)中嘗試采用先合金，再進(jìn)行光刻的辦法。就是當(dāng)加厚的鋁層生長(zhǎng)好以后，先進(jìn)行合金化，然后再進(jìn)行光刻步驟。此時(shí)，即使光刻時(shí)會(huì)在小縫隙中殘留光刻膠，也不會(huì)污染爐管。但這又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題，由于鋁膜在經(jīng)過(guò)合金化后，膜層表面會(huì)生長(zhǎng)出一些凸起，俗稱(chēng)hill lock。然后在后續(xù)的PAD反版光刻工藝時(shí)，由于這些Al凸起對(duì)光線(xiàn)的散射/反射等因素，造成了光刻機(jī)套準(zhǔn)的困難。通過(guò)設(shè)置合適的對(duì)準(zhǔn)模式（FIA），可以解決套準(zhǔn)不通過(guò)的問(wèn)題。

3 其它方式局部加厚壓焊塊鋁層工藝

（1）先將壓焊塊局部加厚，再做常規(guī)金屬層生長(zhǎng)刻蝕。先進(jìn)行鋁層生長(zhǎng)，通過(guò)光刻/濕法刻蝕，只將壓焊塊區(qū)域的鋁層留下來(lái)，然后進(jìn)行金屬層的生長(zhǎng)，刻蝕出金屬線(xiàn)條。

（2）一次性生長(zhǎng)厚的鋁層，再進(jìn)行兩次刻蝕。

先一次性生長(zhǎng)足夠厚的鋁層，通過(guò)光刻/濕法刻蝕，將壓焊塊區(qū)域的厚鋁全部保留下來(lái)，但其它區(qū)域的厚鋁只刻蝕一半的厚度，對(duì)剩下的鋁層，再進(jìn)行光刻/刻蝕，做出金屬走線(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前采用銅線(xiàn)封裝工藝是大勢(shì)所趨，在各個(gè)封裝廠(chǎng)的銅打線(xiàn)工藝能力良莠不齊的情況下，對(duì)芯片壓焊塊鋁層厚度的要求也是差異很大，為了滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，芯片制造工藝就不得不做出一些必要的優(yōu)化。

將來(lái)隨著封裝廠(chǎng)銅線(xiàn)工藝能力的提高，對(duì)芯片壓焊塊的鋁層厚度依賴(lài)度就會(huì)逐漸降低，芯片制造就不必為此進(jìn)行這些額外的工藝。

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