在微電子產(chǎn)品封裝領(lǐng)域，利用化學(xué)鎳金或化學(xué)鎳鈀金工藝技術(shù)，在半導(dǎo)體晶圓I/O 金屬鋁或銅墊上，沉積一層具有可焊性的鎳金或鎳鈀金層，作為凸點(diǎn)封裝中的UBM（under bumping metallization）層或傳統(tǒng)WB (wirebonding) 技術(shù)中的OPM(over pad metallization)層，已經(jīng)有很多的研究和應(yīng)用。

?半導(dǎo)體晶圓上化學(xué)鎳金/鎳鈀金UBM的制作，有其特殊性:1）I/O電極材料多為鋁合金，屬難鍍基材，且不同晶圓廠，不同生產(chǎn)工藝，其鋁層的成分質(zhì)量差別極大。2）I/O電極金屬層很薄，多數(shù)IC產(chǎn)品為1um左右。3）I/O 電極金屬墊面積大不一小，在有些產(chǎn)品上差異很大，從幾十微米到上千微米不等。4）由于器件的用途和功能不同，其內(nèi)部電路設(shè)計(jì)差異大，有的器件在特定的I/O 電極上表現(xiàn)出不同的電勢。起先基于對此工藝技術(shù)的理解不是很深入，加之此工藝技術(shù)管控的難度較高，會導(dǎo)致成批量的問題，造成較大的損失。隨著對此工藝認(rèn)知的加深，包括藥水體系和設(shè)備方面有了較大的進(jìn)步，此工藝技術(shù)在半導(dǎo)體晶圓上的應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)域逐漸廣泛。針對某些產(chǎn)品，此工藝更展現(xiàn)出較好的優(yōu)勢，比如電源功率器件MOSFET、IGBT 等方面，已經(jīng)在業(yè)界得到大批量生產(chǎn)的應(yīng)用。相比于其他工藝，化學(xué)鎳金/鎳鈀金工藝在品質(zhì)及成本的優(yōu)勢是十分明顯的，預(yù)期其應(yīng)用范圍的深度和廣度會有進(jìn)一步的加大。

?在大量生產(chǎn)應(yīng)用中，此工藝技術(shù)展現(xiàn)其優(yōu)越性的同時(shí)，也暴露出相應(yīng)的一些問題缺陷。晶圓化學(xué)鍍是一個(gè)體系復(fù)雜的反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)品問題缺陷的因素很多，但大致可分為兩類：晶圓產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)、功能導(dǎo)致的缺陷，化鍍工藝控制不足導(dǎo)致的缺陷。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工程評估階段，首先要對來料晶圓產(chǎn)品2的結(jié)構(gòu)、功能、成分、形貌等因素要有充分的了解，并根據(jù)來料輸入的信息，對化鍍后的結(jié)果有一個(gè)比較準(zhǔn)確的研判，并相應(yīng)地確定工藝步驟及措施。本文結(jié)合多年的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，著重總結(jié)了與產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)、功能直接相關(guān)的化鍍鎳金/鎳鈀金缺陷，分析相應(yīng)缺陷產(chǎn)生的原因，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程評估階段，應(yīng)綜合考慮這些影響因素。

?2. 晶圓材料、鈍化層及表面結(jié)構(gòu)

?半導(dǎo)體晶圓上化學(xué)鎳金/鎳鈀金工藝屬于濕制程工藝，在整個(gè)工藝過程中晶圓是浸泡在化學(xué)溶液中的，化學(xué)溶液中既有強(qiáng)酸也有強(qiáng)堿，同時(shí)化學(xué)鎳槽的反應(yīng)溫度通常也要近90℃，相比于其他后段封裝工序來說，工藝條件是比較苛刻的。任何在其他封裝工藝中可以忽略的晶圓生產(chǎn)工藝上的細(xì)微差別或缺陷如pinhole(空洞)，micro crack ( 微裂紋)等，經(jīng)過化學(xué)鍍濕制程工藝后，都會顯現(xiàn)出來。

?晶圓化學(xué)鍍的基本原則是：只在I/O 金屬墊上或所指定的區(qū)域，沉積所要求化學(xué)鍍層，其他區(qū)域則保持原貌，既無金屬層的沉積，又不會受到化學(xué)溶液的攻擊而改變成分及形貌。

?2.1晶圓材質(zhì)要求

?2.1.1硅基晶圓

?目前晶圓的材質(zhì)主要是硅基的，表面是氧化層或其他鈍化層。硅材料的硬度和熱穩(wěn)定性都比較高，可以通過化學(xué)鍍的濕制程。裸露的硅表面是可以沉積化學(xué)鎳金的，這取決于硅的晶格結(jié)構(gòu)取向和表面粗糙度。通常晶圓廠制作出來的硅基晶圓表面都會有氧化層即SiO2的覆蓋，不同的產(chǎn)品要求和工藝對應(yīng)著不同厚度的氧化層，有經(jīng)驗(yàn)的工程師可以更加晶圓表面的色彩判斷出氧化層的厚度。對于硅基晶圓上的氧化層，化鍍工藝要求覆蓋除I/O 金屬墊以外的非化鍍區(qū)域，包括晶圓的背面、邊緣。如果氧化層厚度不足或者覆蓋不全，在晶圓的背面或者邊緣都會可能沉積化學(xué)鎳金，如在晶圓背面等非化鍍區(qū)域大面積沉積鎳金，勢必影響晶圓正常施鍍位置的化學(xué)鎳金沉積，同時(shí)背面沉積的化學(xué)鎳金層通常附著力比較弱，會脫落并隨機(jī)掉落在鎳溶液或金溶液，導(dǎo)致槽液失控甚至報(bào)廢，并影響產(chǎn)品的后續(xù)封裝流程，通常要求氧化層的厚度為1um以上為佳。圖1為晶圓楞邊（rim）沉積鎳金層，圖2為晶圓楞邊（rim）鎳金層在后續(xù)封裝過程中脫落。

?對于減薄過、有背金或已經(jīng)帶有激光刻印的晶圓，必須采取保護(hù)措施，防止在此類區(qū)域鎳金的沉積。保護(hù)材料種類及保護(hù)方式的選擇，要視具體保護(hù)區(qū)域的材質(zhì)和形貌而定，特別是背面帶有金屬層的硅基晶圓，要綜合考慮金屬層的成分及粗糙度的影響，其金屬層如含有Ag會對某些保護(hù)材料有一定的排斥性。

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2.1.2其他材質(zhì)晶圓

?除了占比大的硅基晶圓外，其他一些具有特殊性能晶圓材料也可以通過化鍍工藝在I/O金屬墊上沉積鎳金層。比如多用于射頻器件的LiTaO3（鉭酸鋰）、LiNbO3（鈮酸鋰）和GaAs（砷化鎵）晶圓，此類材質(zhì)可以通過化鍍鎳金溶液，不需要特殊保護(hù)。但此類產(chǎn)品通常正面無鈍化層或鈍化層非常薄（幾納米到幾十納米左右），化鍍前需要增加臨時(shí)保護(hù)層。另外，此類材料的具有硬脆，且晶型取向比較明顯，受到外力碰撞時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致裂片，在薄片晶圓上表現(xiàn)尤為明顯，化鍍過程中必須采取相應(yīng)保護(hù)措施，防止此類晶圓和治具間的直接碰撞。

?其他晶圓材料如：玻璃，AlN，SiC具有比較高的強(qiáng)度和短時(shí)間內(nèi)耐酸堿腐蝕性，通?；冞^程中，不需要特殊保護(hù)。

?2.2?鈍化層材質(zhì)及覆蓋

?除少數(shù)特殊器件無鈍化層覆蓋外，多數(shù)器件產(chǎn)品晶圓的表面都帶有鈍化保護(hù)層。鈍化層的種類大致可分為無機(jī)材質(zhì)和有機(jī)材質(zhì)，無機(jī)材質(zhì)的鈍化保護(hù)層如：SiO2和Si3N4，有機(jī)材質(zhì)的鈍化保護(hù)層如：?PI（polyimide聚酰亞胺類），BCB?（benzocyclobutene）和一些臨時(shí)性的光阻材料。具體采用什么種類的鈍化層及鈍化層的厚度，要視具體產(chǎn)品和工藝要求而定。無論任何材質(zhì)的鈍化層，都要求覆蓋完整、厚度均勻、無應(yīng)力、無空洞、附著力好，化鍍過程中無分層脫落，鈍化保護(hù)層覆蓋金屬層邊緣的寬度以4um以上為佳。

2.2.1無機(jī)材質(zhì)鈍化層

無機(jī)材質(zhì)的鈍化層多為SiO2和Si3N4，若其厚度到達(dá)1um?以上，就可以到達(dá)化鍍鎳金工藝的要求。無機(jī)材質(zhì)鈍化層的缺陷之一為晶圓邊緣區(qū)域覆蓋不足，如圖3所示。在芯片邊緣鈍化層覆蓋不足的地方，會沉積一層鎳金層，類似邊緣楞邊（rim）。此金屬線條的附著力通常比較弱，會隨機(jī)脫落影響工藝控制及后續(xù)減薄流程，見圖4所示。?

鈍化層是沿積體電路的形貌而沉積的，對于某些器件內(nèi)電路的拐角處，很容易存在空洞或裂紋，這些空洞或裂紋是由于沉積不足或應(yīng)力造成的。如果缺陷集中在一點(diǎn)，會造成針孔狀的缺陷，在此針孔處會發(fā)生化學(xué)鎳金層的沉積，如圖5，圖6，圖7所示。?

如果此類缺陷連接成一條線，形成裂紋，經(jīng)過化鍍流程此裂紋處會沉積鎳金層，成為一金屬線條。此金屬線條缺陷在晶圓表面其他區(qū)域發(fā)生，類似針孔缺陷比較容易識別出來，如此缺陷圍繞I/O?金屬墊周圍的凹槽中，則不易識別。

如圖8，圖9所示，沿I/O?金屬墊周圍的凹槽中，鈍化層的拐角處存在裂紋，化鍍后在裂紋處沉積一層鎳金而形成金屬線條。此金屬線條在化鍍檢查時(shí)并未發(fā)現(xiàn)，但在后續(xù)錫膏印刷回流焊后，由于高低溫4的變化而脫落下來，形成沿沿錫球邊緣延伸出來的金屬線條。圖10為缺陷位置的SEM切片橫截面圖，在鈍化層的拐角清晰顯示出裂紋的位置。?

2.2.2?有機(jī)材質(zhì)鈍化層

有些器件為了增強(qiáng)其電性能，會在無機(jī)材質(zhì)的鈍化層上再增加一層有機(jī)材質(zhì)的鈍化層。另外在后段封裝中，RDL（redistribution layer）工藝應(yīng)用的增多，也都會用到有機(jī)材質(zhì)的鈍化層，其成分多為PI類。有機(jī)材質(zhì)的鈍化層在制作過程中涉及涂覆、曝光、顯影、烘烤聚合等工藝，其中容易產(chǎn)出的缺陷為：氣泡、空洞、overetching (過蝕刻)、厚度不均、殘留、附著力不足等，以上缺陷經(jīng)過化學(xué)鍍藥水的浸泡和反應(yīng)后形成與之相相應(yīng)的缺陷。

圖11是表面覆蓋有機(jī)材質(zhì)鈍化層的晶圓，經(jīng)過化鍍工藝后在I/O?金屬墊的邊緣出現(xiàn)黑色點(diǎn)狀缺陷，此黑色點(diǎn)狀在SEM顯微鏡鏡下顯示為鈍化層浮起鼓包現(xiàn)象，如圖12中箭頭所示位置。通過對此位置做近一步的切片分析，顯示此位置的鈍化層從下面的基材上剝離，見圖13箭頭所示位置。?

作為永久性的的有機(jī)鈍化層，是經(jīng)過高溫烘烤固化的，有很好的耐酸堿和高溫的能力，而對于工藝過程中所用到光阻類的臨時(shí)過程膠，需要在化鍍完成后去除。此類的光阻通常耐酸不耐堿，在使用過程前，要對其和化學(xué)溶液、工藝參數(shù)的適配性做必要的性能評估。

2.3?切割軌道形貌要求

在化鍍濕制程中，所有金屬暴露的位置都會有化學(xué)鎳金層的沉積，除需要化鍍的區(qū)域外，其他區(qū)域需要有鈍化層的覆蓋。但在晶圓制作過程中，表面除I/O?位置外，其他一些特位置也會裸露出金屬，這些位置主要包括特定測試位置和劃片軌道。通常測試位置的裸露金屬對后續(xù)封測不產(chǎn)生影響，但在劃片軌道上的金屬墊經(jīng)過化鎳金后，可能會對后續(xù)切割工藝造成影響。半導(dǎo)體晶圓上鋁層的維氏硬度為100HV左右，而化學(xué)鎳金層的硬度為550HV，是鋁層硬度的5倍多，對于厚度為5um及以下的化學(xué)鎳金層，對后續(xù)切割不會有明顯的影響，但如果其在軌道上的占比面積超過50%，且比較靠近芯片的guard ring（保護(hù)環(huán)）位置，則存在比較大的chipping風(fēng)險(xiǎn)。?

圖14所示的劃片軌道中，金屬墊的位置靠近芯片的guard ring位置，經(jīng)過劃片工序后，存在金屬墊的區(qū)域產(chǎn)生了比較大chipping，見圖15。為減小此類問題的影響，在芯片切割時(shí)，應(yīng)綜合考慮劃片軌道的寬度及金屬層的厚度，優(yōu)化切割工藝參數(shù)工藝，避免較大的chipping損傷到芯片的功能區(qū)。

對于要求更厚的化學(xué)鎳金層，在化鍍前需要對劃片軌道上的金屬進(jìn)行保護(hù)，以避免后續(xù)切割時(shí)難以解決。

3. I/O?金屬墊的成分、結(jié)構(gòu)及厚度

在I/O?金屬墊上沉積一層鎳金/鎳鈀金，從而實(shí)現(xiàn)特定形式的封裝要求，是半導(dǎo)體晶圓上化鍍工藝的主要目的。從技術(shù)形式上是屬于表面處理的范疇，化學(xué)沉積發(fā)生在表面幾微米的區(qū)域內(nèi)，和其他產(chǎn)品表面處理有類似性，但同時(shí)由于每個(gè)I/O?金屬墊下面連接不同的線路，具有不同的電性能輸入輸出，而表現(xiàn)出不同于一般產(chǎn)品的的技術(shù)特點(diǎn)。

3.1 I/O?金屬墊的成分

半導(dǎo)體晶圓I/O?金屬墊的成分主要有鋁基和銅基兩類，其中銅基分可為PVD沉積銅和電鍍銅，目前化鍍工藝中接觸最多的是RDL?工藝中的電鍍銅。鋁基的晶圓相對成分比較復(fù)雜，有純鋁，鋁銅，鋁硅銅，其中銅和硅的含量因不同產(chǎn)品而不同，常見的成分組成為AlSiCu (0-1%Si and 0.25 - 2.5% Cu)；AlCu (0.25 - 2.5%Cu)；Al/Si(1-2%)，在鋁層中增加銅和硅是為了防止電遷移（electromigration）及硅在鋁層中的穿刺（spike）現(xiàn)象[18]。

根據(jù)電極電位理論，銅和鋁屬于難鍍基材，在化學(xué)鍍鎳前一般要通過前處理的活化，銅基材的通常采用活化鈀工藝，鋁基材則采用鋅置換的方式。如圖16所示，鋅為六方晶體結(jié)構(gòu)，其原子間距為0.27nm，但純鋁層中在不同的晶面其原子間距不同，A(111)晶面其原子間距為0.29nm，和鋅原子間距非常接近，容易進(jìn)行置換反應(yīng)。但對于A(100)晶面，其原子間距為0.40nm，和鋅原子的間距的差距較大，難以發(fā)生置換反應(yīng)。在純鋁的表面層中，兩個(gè)晶面的分布是隨機(jī)的，是非常難以沉積鎳金層的[19]。銅原子的直徑（0.255nm）和鋁原子的直徑（0.286nm）相近，且同屬金屬元素，在鋁層中添加少量的銅，可以通過晶格畸變，改變鋁層中會A(100)晶面中鋁原子的空位間隙距離，使鋁和鋅的置換變得容易。而硅原子的直徑為0.117nm?約為鋁原子直徑的一半，添加到鋁層中進(jìn)入原子間空隙而對于鋁原子的間距影響不大，并且硅為非導(dǎo)體，和金屬鋁性能相差比較大，硅的添加反而產(chǎn)生負(fù)面的影響。?

通過一些特定的前處理藥水和合適的工藝參數(shù)，在純鋁或鋁硅產(chǎn)品上可以得到較為理想的鎳金沉積層。圖17為通用的化鍍方式沉積的鎳金層，圖18為通過特定藥水和工藝沉積的鎳金層，兩者比較可以看出，前者表面粗糙，有空隙存在，測試表明附著力差；后者沉積層表面光亮均勻，通過附著力測試。由于鋁的成分復(fù)雜，加之不同晶圓廠的工藝控制水平差別比較大，應(yīng)優(yōu)先考慮添加銅元素的鋁層。

3.2 I/O?金屬墊的形貌、結(jié)構(gòu)及厚度

除了I/O?金屬墊的金屬成分對化鍍鎳金層有直接影響外，其結(jié)構(gòu)、形貌及厚度的差別也會顯示在最終產(chǎn)品上。半導(dǎo)體晶圓化學(xué)鍍工藝過程中，來料的形貌和結(jié)構(gòu)特征會復(fù)制到化鍍后產(chǎn)品上，來料晶圓I/O金屬墊的形貌最直觀的表現(xiàn)是其晶粒大小及粗糙度。粗糙鋁面的晶界處，由于其結(jié)構(gòu)和晶粒內(nèi)部不同，反應(yīng)活性比較強(qiáng)，其蝕刻速度要較晶粒其他位置要快，會形成許多小的凹坑，在此晶界凹坑，化鍍后很容易形成鍍瘤[20]。

一般化鍍鎳金工藝要求I/O金屬墊的鋁層或銅層的厚度大于1um，厚度低于1um?是風(fēng)險(xiǎn)比較大的。如果鋁層沉積過程中，在某些位置形成空洞一類的缺陷，此位置在后續(xù)封測過程比如wire bonding中，受到外力的沖擊，會導(dǎo)致此處有NSOP?及焊盤開裂發(fā)生，見圖19，圖20。?

如果鋁層薄且不均勻，厚度低于0.8um，加之有空洞現(xiàn)象，化鍍后局部的鋁層會被蝕刻掉，鎳金層的附著力會極差，結(jié)果是“致命”的。

3.3 I/O?電勢的影響

半導(dǎo)體芯片內(nèi)部布滿電路互聯(lián)（PN?節(jié)及金屬導(dǎo)線），內(nèi)部的不同電路結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為外部I/O?電極電勢的差異。不同功能的芯片，不同功能的I/O?電極，有著不同的電勢[21]。如圖21所示，晶圓化鍍工藝是濕制程，整個(gè)過程中晶圓浸泡在化學(xué)溶液中，不同電勢的I/O?電極會通過溶液連接導(dǎo)通，加之化學(xué)鍍鎳反應(yīng)過程比較復(fù)雜，各個(gè)I/O?電極上化學(xué)鎳金/化學(xué)鎳鈀金的沉積情況是不同的。?

對于I/O 數(shù)目少的簡單器件，化鍍后比較容易檢測出各個(gè)電極的差別，對于I/O 數(shù)目較多的器件，應(yīng)逐一檢測甄別其中的差別。

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4. 結(jié)論

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華林科納認(rèn)為采用化學(xué)鍍的工藝，在半導(dǎo)體I/O pad上沉積鎳金/鎳鈀金過程中，其中產(chǎn)生的問題和缺陷和來料晶圓有著直接的關(guān)聯(lián)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及評估時(shí)，應(yīng)對產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)和功能有充分的了解，包括鈍化層種類及厚度，I/O pad的成分及結(jié)構(gòu)，切割軌道上金屬pad的大小及是否有鈍化層的覆蓋，不同I/O pad的電勢等因素?；趯@些因素的綜合考慮和充分了解，一方面可以避免化鍍過程中造成的缺陷及問題，另一方面從相類似的缺陷，可以有助查找問題發(fā)生的根源，同時(shí)也可以指導(dǎo)對問題產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)合理的處置。

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