详解芯片制造中的金属中间层键合技术

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述金属中间层键合。

金属中间层键合技术涵盖金属热压键合、金属共晶键合、焊料键合及瞬态液相（transient liquid phase，TLP）键合等多种类型。图1展示了这四种类型及其对应的键合机制。本文将重点聚焦金属热压键合与金属共晶键合，这两种技术在微机电系统（MEMS）领域，尤其是晶圆级真空封装场景中应用极为广泛。

金属热压键合

金属热压键合是微电子封装领域的核心技术之一，其借助高温高压环境，通过固态扩散作用使相同金属材质实现紧密接合，主要应用的键合组合包括金-金（Au-Au）、铜-铜（Cu-Cu）及铝-铝（Al-Al）。该类键合技术的核心优势在于低电阻率与优异的密封性能，但受固态扩散机制的制约，往往需要施加较高的温度和压力，同时对晶圆表面的平整度有着严格要求。对于Cu和Al材质的热压键合，需将温度控制在400℃以上才能保障键合质量；此外，Cu与Al表面极易氧化，因此键合前必须通过针对性的氧化层清除处理，以确保键合效果达到预期。相较于Cu和Al，Au-Au热压键合可在300℃左右的较低温度下开展，且Au表面不易形成氧化层，键合前的表面预处理流程更为简便。Au薄膜具备优良的延展性，在键合过程中可承受一定程度的形变，这使得Au-Au组合成为热压键合的最优材料选择。不过，由于Au在多数材料表面的附着力较差，沉积Au薄膜时通常需添加钛（Ti）或锗（Ge）作为黏附层；同时，为防止高温环境下Au向硅（Si）中扩散，还需增设厚度约20纳米的阻挡层，如氮化钛（TiN）或镍（Ni）。

以Au-Au热压键合为例，为实现结构的稳定牢固接合，保障器件后续正常运行，需遵循规范的工艺流程（图2），具体包含以下关键步骤。

（1）金属化前处理

高质量键合的前提是Si晶圆表面保持高度洁净且具备良好的界面状态，通常采用乙醇超声波清洗工艺，去除晶圆表面的大颗粒杂质与有机污染物。

（2）表面金属化

Au-Au热压键合的核心原理是Au原子在特定温度和压力下通过扩散与熔融实现结合，镀金工艺主要包括溅射镀金与蒸发镀金两种常见方式。溅射形成的金属膜表面粗糙度较低，而蒸发镀金形成的Au薄膜表面粗糙度较高，因此需采用更厚的Au层以保证键合质量。图3为采用蒸发镀金工艺，并通过EVG键合设备完成Au-Au键合后的超声扫描结果。

（3）热压前的键合预处理

固态扩散键合对Si晶圆表面的颗粒杂质与有机物残留极为敏感，通常采用硫酸（H₂SO₄）与过氧化氢（H₂O₂）的混合溶液进行浸泡清洗，清除加工过程中产生的汗液、光刻剂残留等污染物。此外，为提升晶圆表面的化学活性，增强键合过程中的结合力，还可根据需求采用等离子活化处理工艺。

（4）热压键合

温度与压力是影响Au-Au键合质量的核心因素。较高的温度可使Au薄膜软化，强化原子扩散效果，进而提升键合质量；同时，合理增大键合压力能确保Au薄膜之间充分接触，为良好键合提供保障。

金属共晶键合

金属共晶键合是指两种或多种金属组合在特定条件下，直接从固态转变为液态的相变过程，该过程不经过固液混合阶段，其共晶温度通常低于参与组合的各金属熔点。这种键合技术在MEMS产业中被广泛应用于气密封装、压力封装及真空封装等场景，常见的金属-合金组合有铝-锗（Al-Ge）、金-硅（Au-Si）及金-铟（Au-In）等。由于共晶键合过程中所有参与金属均会经历液相阶段，对表面不平整、划痕及颗粒杂质的容忍度较高，有利于实现规模化量产。

金属共晶键合过程通常分为两个核心阶段，反应流程如图4所示。

第一阶段

低熔点金属先熔化形成液相，与高熔点金属接触后发生快速相互扩散。由于高熔点金属表面形成的金属间化合物籽晶具有较高的形成能，会加速金属间化合物的生成。随着高熔点金属的持续消耗与低熔点金属的补充，化学反应持续进行，金属间化合物区域不断扩展，直至高熔点金属层完全接合，阻断液相金属的进一步扩散。

第二阶段

金属间化合物通过高熔点金属扩散生长，此过程速率较慢，通常需要较长时间以完全消耗低熔点金属。随着高熔点金属浓度的变化，金属间化合物的熔点逐渐升高，当温度高于键合温度时，金属间化合物开始固化。持续加热过程中，固态金属相逐步转变为更稳定的金属间化合物结构。需注意的是，高熔点金属与低熔点金属的厚度配比需精准控制，避免高熔点金属过早耗尽，导致金属间化合物与Si晶圆的粘接强度下降。

共晶键合的品质受温度、压力、金属膜层选择等多重因素影响，具体如下：

（1）温度

共晶键合需精确控制温度，温度分布不均、测量误差及杂质掺杂均可能导致实际温度与理论共晶点出现偏差。实际操作中，通常将键合温度设定为略高于理论共晶点，确保材料充分熔合。

（2）压力

施加合理的压力是保障键合质量的关键，可确保芯片与载体均匀接触，促进键合反应充分进行。压力过小易导致芯片与基板间出现空隙或虚焊点，压力过大则可能造成芯片破损。

（3）金属选择

选用成分稳定、不易氧化、表面平整的金属焊料，能有效减少空洞及其他缺陷的产生，是实现高质量共晶键合的核心前提。

（4）清洁度

键合操作前需确保焊片及待键合表面的洁净度，任何污物、油污或残留杂质均会影响键合接口的结合质量。

（5）氧化

表面氧化层会降低键合材料的浸润性，导致键合强度下降，因此键合前必须进行充分的表面处理，清除氧化层。

（6）热应力

为最大限度降低热应力带来的不良影响，需保证芯片具备合适的厚度，同时使载体与芯片的热膨胀系数相匹配或接近。

共晶键合是一项复杂且高精度的工艺，核心目标是确保上下层晶圆在键合设备内精准对齐固定，最终通过加热加压实现密封连接。以铝-硅（Al-Si）共晶键合为例，整个流程可细化为四个关键步骤：

（1）气体置换

对键合设备的密封腔室进行气体置换，清除腔体内的氧气（O₂），并填充氮气（N₂）等化学性质稳定、不与工艺材料发生反应的气体，营造适宜的键合环境，避免O₂与材料发生不必要的化学反应。

（2）预热

通过加热装置快速加热腔体内的上下压板，温度达到预设值后，维持该温度使晶圆静置30至45分钟，充分释放晶圆内部残留的气体，降低对器件最终性能的潜在影响。

（3）共晶键合

移除晶圆间的垫片，使上下晶圆紧密贴合，随后缓慢升温至共晶点温度并施加适当压力，促使晶圆间发生共晶反应，形成稳固的键合结构。

（4）冷却与解压

共晶反应完成后，通过冷却系统降低晶圆温度，逐步卸除施加的压力。待温度降至安全范围后，开启腔室取出已完成键合的晶圆组合。

实际键合操作中，需妥善处理诸多细节问题以保障键合效果，例如控制晶圆键合前的清洁度、防止晶圆表面Al层氧化、避免Al-Ge共晶过程中溢出的共晶物影响器件功能等，这些均是半导体制造过程中需攻克的技术挑战。图5为采用全自动EVG键合设备完成Al-Ge共晶键合后的超声扫描图像。

除Al-Ge、Au-Si及Au-In组合外，共晶键合的常用金属组合还包括Al-Si、Au-Ge、Au-锡（Sn）、铟-锡（In-Sn）、铅（Pb）-Sn等，不同金属组合对应的键合温度要求存在差异。受温度分布不均及杂质影响，实际共晶键合温度通常略高于理论共晶点。表1列出了部分常见共晶键合组合及其对应的键合温度。