[發(fā)明專利]一種提高Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110555962.3
• 申請(qǐng)日: 2021-05-21
• 公開（公告）號(hào): CN113299571B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張新宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無錫興華衡輝科技有限公司
• 主分類號(hào): H01L21/60
• 分類號(hào): H01L21/60;C23C14/34;C23C14/16
• 代理公司: 無錫市匯誠永信專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32260
• 代理人: 曹慧萍

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高Au?Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的方法。本發(fā)明通過在Al表面使用離子濺射的方法依次沉積一層Zn和一層Cu，使得鍵合過程中Au和Al之間形成一層Cu?Al?Zn三元化合物薄層，阻止金與鋁之間的直接接觸和相互擴(kuò)散，同時(shí)Cu?Al?Zn三元化合物薄層能夠繼續(xù)阻礙在電流作用下Au和Al之間的相互擴(kuò)散，從而抑制鍵合連接部位的金屬間化合物的生長(zhǎng)，提高Au?Al鍵合的強(qiáng)度和可靠性，能夠有效解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件Au?Al鍵合方法中存在的無法有效抑制金屬間化合物生長(zhǎng)，導(dǎo)致Au?Al鍵合強(qiáng)度和鍵合可靠性較差，進(jìn)而影響半導(dǎo)體器件的功能和壽命的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的方法。

背景技術(shù)

在半導(dǎo)體器件的封裝過程中，通常在鋁質(zhì)芯片與外部引腳之間使用金線通過Au-Al鍵合進(jìn)行連接，鍵合連接點(diǎn)承擔(dān)著芯片內(nèi)部電路與外部電路的功率與信號(hào)的運(yùn)輸作用，Au-Al鍵合的鍵合強(qiáng)度與長(zhǎng)期可靠性對(duì)半導(dǎo)體器件的功能和壽命起著決定性的作用。

目前應(yīng)用最廣泛的Au-Al鍵合方法是超聲波鍵合，通過超聲波的擠壓和熱作用，將端部為球狀的金絲與鋁引腳焊接起來。由于Au和Al之間的電負(fù)性差異很大，其擴(kuò)散速率、晶格常數(shù)以及熱膨脹系數(shù)均不同，兩者之間具有強(qiáng)烈的反應(yīng)傾向，長(zhǎng)期使用過程中，在Au-Al之間的焊接界面處容易形成柯肯達(dá)爾空洞以及多種金屬間化合物。這些金屬間化合物屬于導(dǎo)電性較差的脆性材料，過量的金屬間化合物會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度和可靠性降低，鍵合接觸電阻變大。在電流的作用下將會(huì)加速這些金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)，導(dǎo)致器件參數(shù)漂移，甚至開路而失效，影響產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。因此抑制Au-Al之間金屬間化合物的形成和長(zhǎng)大是提高Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的重要途徑。現(xiàn)有的Au-Al鍵合方法中主要通過優(yōu)化鍵合參數(shù)盡量減少鍵合時(shí)的金屬間化合物形成，但是該方法對(duì)工藝穩(wěn)定性的要求很高，而且無法阻止在后期使用過程中金屬間化合物的進(jìn)一步生長(zhǎng)問題，導(dǎo)致鍵合界面的可靠性較差，進(jìn)而影響半導(dǎo)體器件的功能和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的方法，可以有效阻止Au與Al之間的直接接觸和相互擴(kuò)散，抑制鍵合連接部位的金屬間化合物的生長(zhǎng)，能夠有效解決現(xiàn)有Au-Al鍵合方法無法有效抑制鍵合界面中金屬間化合物的快速生長(zhǎng)，器件中Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性較差的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種提高Au-Al鍵合強(qiáng)度和可靠性的方法，包括如下步驟：

(1)將不需要鍵合的鋁質(zhì)器件部位涂覆有機(jī)隔離劑進(jìn)行遮蓋，將需要鍵合的鋁質(zhì)器件部位表面進(jìn)行清潔；

(2)將所述需要鍵合的鋁質(zhì)器件部位置于離子濺射儀的真空室中，濺射靶材設(shè)置為鋅，接通離子濺射設(shè)備的電源并開啟真空泵，在真空度達(dá)到指定要求后，開啟離子濺射過程，在鋁表面沉積一層鋅，沉積結(jié)束后，關(guān)閉離子濺射電源，打開真空閥門，將真空室的氣壓恢復(fù)至大氣壓力；

(3)將濺射靶材更換為銅，接通離子濺射設(shè)備電源并開啟真空泵，在真空度達(dá)到指定要求后，開啟離子濺射過程，在鋁表面沉積一層銅，沉積結(jié)束后，在鋁質(zhì)器件的表面生成一層Cu-Al-Zn三元化合物薄層，關(guān)閉離子濺射電源，打開真空閥門，將真空室氣壓恢復(fù)至大氣壓力；

(4)清洗鋁制器件表面涂覆的所述有機(jī)隔離劑，采用超聲波鍵合機(jī)對(duì)金絲進(jìn)行抽絲和球化，進(jìn)行Au-Al超聲波鍵合。

進(jìn)一步地，離子濺射環(huán)境的真空度控制在0.01～10Pa，所述濺射靶材的純度為99.99％～99.9999％。

進(jìn)一步地，經(jīng)離子濺射后，鋁表面沉積的鋅層厚度為5～1000nm。

進(jìn)一步地，經(jīng)離子濺射后，鋁表面沉積的銅層厚度為20～1000nm。