半导体晶圆化学镍金 UBM 工艺与设备：工艺流程、设备要求及缺陷分析

半导体晶圆化学镍金 UBM 工艺与设备：工艺流程、设备要求及缺陷分析

电子行业专用设备： 冯苤王梗皇塑鱼：半导体晶圆化学镍/金UBM工艺及设备 刘勇 (, 上海, 中国) 摘要：介绍半导体晶圆化学镍/金UBM的工艺流程及自动控制生产线，包括设备材质的要求、设备内部结构等。在200mm半导体晶圆上成功制作了5daum化学镍/金UBM和化学镍/金凸块。通过光学显微镜、表面轮廓仪、SEM检测化学镍/金镀层表面形貌。通过晶圆上化学镍/金凸块的EDXI高度分析了化学镍/金UBM中镍磷含量。进行了200及共面性的3D自动光学检测。讨论了镍/金凸块的剪切强度和失效模式，分析了生产中化学镍/金UBM常见的两种缺陷及原因。 关键词：半导体晶圆;化学镍金; 凸块下金属化（UBM）；自动控制生产线。文献编号：TQ153.1。文献标识码：/Ⅳ，中国)(皿i哪()股份有限公司，-摘要：仃／锄d锄／仃pment.The仃，—．凇向lly伍巾ho】．-throu曲，su晌觚danal),EDX．．／Aued．曲3DAOI，the)rzed．．／gold；s：；收稿日期：2009.11.23作者简介：刘勇(1973年生)，男，材料科学与化学硕士，高级工程师，目前从事半导体晶圆化学镍/金凸块制造技术研究。

(总第179号) ⑦万方数据集团：封装王设备：第一产业！！李岚-随着半导体产品朝轻、薄、短、小发展，铝，其厚度通常为1微米，甚至更薄。不同晶圆厂所生产的电极铝层差异较大，有的铝层晶粒细密，有的晶粒粗疏，铝层的金属成分也不同，与传统半导体元件封装方式不同。倒装芯片技术（Flip chip ）是一种以凸块取代传统封装所用的WB金线，提升电流传输效率的新封装方式，其凸块为氮化硅化合物或有机聚合物，图1为化学镀镍/金后的电极结构示意图。封装后的元件体积也明显缩小，大大提升芯片封装集成度。技术上凸块制造工艺较多，如直接以电镀或化学镀的方式在芯片∞金属焊盘上制作凸块。 多数制程是先在I/O金属焊盘上制作一层金属层，再通过印刷锡膏或直接放置模压焊球的方式制作凸块。制作出来的金属层称为UBM（under bump metal，凸块下金属），其作用为：提供可焊接的界面、扩散阻挡层、保护金属I/O铝或铜，都是因为化学镍层UBM的沉积没有方向性，电流分布不均匀。

UBM制作是整个封装工艺的关键，其质量直接影响整个芯片的性能和沉积化学的可靠性。经过镍/金UBM后，I/O电极的尺寸会大于原设计值。目前90%以上的半导体器件都是采用薄膜溅射和电镀工艺制作的，但成本高，工艺复杂。 具体计算可按公式计算：研究=D.+2天需要昂贵的掩膜和蚀刻设备【》。化学镍/金UBM工艺用于研究化学镍/金UBM后I/O电极的原始设计尺寸，其低成本、工艺流程简单、可靠性高，受到越来越多的关注和研究。化学镍/金UBM是焊球下方化学镍/金UBM的高度。金属层通常为5"m厚，10"以上的UBM在化学镍的设计和生产中应充分考虑。金可直接作为导电凸块替代焊球或金凸块，适合UBM沉积。该特性保证I/O凸块具有足够的间距，从而不影响其电性能【2】。它用于各向异性导电胶（ACA）、各向异性导电膜（ACF）、非导电膜（NCA）封装。在微电子领域，化学镀镍技术最早应用于PCB板铜焊盘表面化学镀镍及BGA基板，经过多年的发展，已经形成了比较成熟、稳定的工艺流程。

半导体化学镍/金UBM的原理主要是通过化学镀镍溶液的自催化反应在金属上沉积一层镍磷合金层，其反应性较其它器件化学镀镍困难，由于不可逆，若产品不合格，将导致整片或批次产品报废。本文系统地介绍了半导体晶圆化学镍/金UBM的工艺流程和自动化生产设备，分析了化学镍/金UBM及凸块的生产、检测方法，并对生产中遇到的问题进行了分析，以便更好地了解和更广泛的应用此工艺技术。由于铝的活性很高，表面容易形成致密的氧化层，所以不能直接在铝层上沉积化学镍/金，化学镍/金UBM的生产采用二次浸锌工艺，二次浸锌技术是一种可靠性较高的铝化学镍/金工艺，在五金行业得到了广泛的应用。 化学镍/金半导体晶圆I/O电极材料目前主要组成成分UBM技术主要制程流程如图2所示。 ⑧(总第179号)胄墨囫万方数据电子-●l久文一~一一垡一蚤一谢一一~一一一甜料李斗曼丹{||l互二匠m挑~徘徊一短~身门圆角丛釉倒扈糯㈣删悃一一烧㈣㈣藏瑶派硅灯派一一一一一一一一一一~一配一龚结理傅龇滩 图2化学镍金UBM制程流程u一一一一一结构与布局，包含钝化层清洗槽、铝层蚀刻槽、浸锌一槽、退锌槽、化学镍槽、浸金槽。

产品进出各化学槽。步骤1钝化层清洗可去除进料晶圆上的有机层，清洗晶圆上的残留液体及钝化层残留物，保持铝金属电极清洁。步骤清洁，防止化学槽间交叉污染。产品由上料区经2铝层蚀刻去除铝金属电极表面氧化层，自动机械手抓取，根据设定的工艺流程，自动进出铝层微蚀刻，提高金属铝电极表面活性。步骤各化学槽。图3为半导体晶圆化学镍/金3、4、5二次锌浸渍，可在UBM自动生产线上，在铝金属电极表面覆盖一层薄而致密均匀的锌层，从而活化铝金属电极。步骤6活化后的铝金属电极表面通过化学自催化反应沉积一层镍磷合金，其厚度可通过时间控制。 步骤7 沉金通过置换反应在镀镍电极上覆盖一层金，保护镍层不被氧化和腐蚀。 步骤1.5属于前处理工序，前处理的质量和效果直接影响化学镍/金UBM的质量和化学镍槽的使用寿命，在整个过程中应引起足够的重视。 图3 化学镍/金UBM自动化生产设备 3 化学镍/金UBM自动化生产设备 化学槽采用内外双层结构，溶液由内槽溢流至外槽，由循环泵返回内槽，保持内槽液位稳定。槽体药液加热方式为外部，采用循环泵从槽体抽取药液，化学镍/金UBM生产设备为全自动控制，可从内外槽抽取药液，经外部加热器加热后返回内槽。 UBM是在100~(4-12英寸)晶圆上制作的，内槽供学习使用。

图4为药液加热循环系统，外置式的设计容量为150～200mm(6～8英寸)50片/ll，加热器能量输出稳定，药液温度容易控制。加热300mm(12英寸)为25片/ll，100～125mm(4～5英寸)为100片/ll。加热后的药液通过过滤器过滤，避免微小镍颗粒进入槽体，造成槽液分解，延长药液使用周期。3.1设备材料的选择考虑到化学镀镍的自催化特性和半导体晶圆的生产要求，所选材料应满足以下要求：(1)耐强酸碱腐蚀；(2)100℃以内不老化、不变形；(3)材料表面光滑平整，无毛刺。 表面粗糙易引起化学镍沉积，也不利于槽体的清洁；（4）材料本身不具有催化化学镀镍的成分。根据以上要求设置化学溶液加热循环系统，按照工艺程序的设定，自动调节控制加热温度。60倍显微镜观察下，I/O电极涂层边缘为泵循环流，黑色环带表示边缘与中心有高度差，其宽度为5μm，化学镀镍UBM在​​沉积过程中，自催化反应将等于镍金镀层厚度，均为5μm。I/O电极涂层产生大量氢气泡，这些氢气泡会粘附在晶圆横截面SEM像上。 截面SEM像可见镀层截面为有一角的光滑面，影响化学镍层的沉积，甚至进入化学镍磷层的梯形形状，如图7所示。

沉积层产生应力，通过调节合适的流速，可以及时带走反应产生的氧气泡，每个化学槽的载体设计成上下振动，振动的频率可以自动控制，这种方式也有助于快速排出氢气泡。具有白色催化性质的化学镀镍反应，如果受到杂质、灰尘的影响，时间一长就容易分解形成镍粒，而热量集中的加热器是最容易粘附镍粒的地方，如图5所示。图7 化学镍/金UBM截面SEM形貌化学镍金镀层工艺具有“所见即所得”的特点，化学镍金镀层的表面形貌是镀前表面形貌的完整反映。 沉积5”m厚的镍金层后，芯片表面的探针压痕清晰可见。化学镀镍金工艺无方向性，除纵向厚度增长外，还有横向生长延伸，横向延伸长度也与纵向生长厚度相同。化学镀镍金工艺是要定期清理加热器及槽体内的化学镍颗粒。中间，I/O金属铝电极边缘有横向和纵向两种化学镍金UBM自动生产设备，在设定清洗溶液生长后，纵向生长速度较中心区域慢，因此槽体接入设备加热循环系统，通过程序控制可自动完成清洗过程。4.2 18米化学镍/金凸块4化学镍/金UBM形貌及检测分析化学镍金凸块也可取代焊球或金凸块，直接用于相关产品的封装。

选取RFID产品，∞金属铝4.1 5μm化学镍/金UBM电极形状为正八边形。 镍/金凸块的高度要求通常为17-19"μm，采用5μm厚的化学镍/金UBM，同一芯片内凸块的高度差为±2μm。在200mm晶圆上，得到了非常好的镍/金凸块。镍/金工艺要求，既可用于直接置入焊球，也可用于锡膏印刷成球。图6为方形I/O金属铝电极，金凸块的显微照片如图8所示。化学镍/金UBM后的形貌对比。沉积5μm的镍/金UBM后，I/O电极表面呈金黄色，镀层表面及边缘光滑。(a)化学镍/金前(b)化学镍/金后图6化学镍金前后形貌对比(a)5X化学镍/金凸块照片(总第179期)(b)100X镍/金凸块照片图8 化学镍金凸块表面形貌EDx化学镍磷含量谱从以上照片可以看出，所得到的镍/金凸块表面光亮光滑，非常清晰的显示出原始金属电极的正形。图12为200mm晶圆上化学镍金凸块的3D光学角形貌。利用检测谱图判断镍/金凸块的共面性（c）。用精度为0.02μm的表面轮廓仪测量镍/金凸块的高度，其横截面为边缘光滑的梯形形状，如图9所示。

J_ 口 f1l E i 图12 化学镍/金凸块3D检测图∥＼图中颜色代表凸块的高度，从3D图上可以看出凸块高度严格控制在17~19μm以内，整片晶圆平均凸块高度为18.0μm，标准差为6.2μm，整片晶圆上的凸块具有非常好的共面性。图10为镍/金凸块的SEM照片，可以看出镍/金凸块的推力强度和失效模式与表面轮廓仪得出的结论一致。对于带有镍/金凸块的整片晶圆，选取中心晶圆进行2D 100%自动光学检查，整片晶圆上无遗漏点，周边8个点，每点4个凸块，进行推力强度测试。 无不完整凸块、无凸块结节、无变色凸块，平均值为121.23g，标准差为1.99g，如表所示。通过EDX分析化学镍凸块的镍磷含量，凸块的镍磷含量为91.30%，磷含量为8.70%，如图11所示。EDX分析显示，镍/金凸块的断裂面为金属铝电极层，断裂的金属电极表面没有镍磷残留物，说明镍/金凸块与铝层结合良好，如图13所示。图18化学镍金凸块SEM照片图13化学镍/金凸块推力失效模式

组表l Ni、Au凸块推力强度119.28122.911 18.47122.48125.15119.98118.04122.16121.36119.72122.08121.03一一，． ... 119．83122．97121．54121．05122．89121．71122．53121．54122．86123．29120．99123．61120．87124．8121．57122．081 18．53118．98(a)化学镍金前 (b)化学镍金后 123．29116．27121．781 18．22118．81121．77平均值 = 121．23 标准差 = 1．99 图15 化学镍金UBM 镀层结节 第二种类型的镀层结节，镀层结节只沿着I/O电极的边缘出现，而中心区域非常光滑。 镀层结节产生的原因可能是由于I/O电极边缘钝化层的应力和毛细作用所致。边缘处的化学镍金UBM是一种自催化反应，其反应机理比中心区域更快，这会在I/O电极沿线形成更为复杂和影响的因素。这些因素中的任何一个变化和波动都会导致该区域的锌液难以清洗，从而也会影响UBM的沉积。

反应控制公式 User (death,C…) 对于上述工艺，容易在边缘区域形成镀层结核，图16是此类工艺参数如温度、时间、流量、pH值、镍离子及还原剂镀层结核形成原因图。 此类镀层结核一般不会影响UBM的质量，对浓度的控制要求很严格，除了工艺因素外，可以通过调整工艺参数来解决来料晶圆量的差异也会影响UBM的沉积质量。 UBM缺陷种类繁多，其原因分析也较为复杂，现在我们就两种常见的化学镍/金UBM缺陷类型（镀层结核、UBM沉积厚度异常）进行分析。 5.1镀层结核（）问题 镀层结核分为两类，一类遍布于整个I/O电极表面，另一类仅存在于I/O电极边缘。 图16 边缘镀层结节原因图若出现第一种类型，应首先检查化学镍液工艺参数是否在控制范围内，如果不是工艺参数控制问题，其原因多为来料晶圆上残留钝化层，或I/O层。严重、较大的镀层结节不仅影响UBM质量，还会使电极铝层晶粒粗糙。图14为来料晶圆表面粗糙度，化学镍液造成不稳定，过早报废，若晶圆表面形态异常，其最大值可达0.5μm。粗糙铝面晶粒边界往往比较粗糙，粗糙的铝颗粒可能未被锌层完全覆盖，露出的底部会被酸性镍液腐蚀而脱落，露出的底部会在镍层上散落出小的凹坑。

碱性锌液很容易进入这些凹坑，而溶液中的锌液或粘附于其它电极表面形成大的镀层结核，或不易被水洗掉。进入镍槽后，在高温环境下，凹坑沉积在槽内，引起槽液的分解，图17为锌液从裸露处溅出，形成化学镍粒子，并很快析出粗糙的铝粒子，这些铝粒子在酸性镍槽中腐蚀，并在周围堆积形成镀层结核，见图15。7300 g≤h^～． . I4．九0'””””1w吖，MVU”．100．200／斗m图14 硅片表面粗糙度图17 裸露粗糙铝层腐蚀示意图万方数据集团竺：竺!!!苎：：包王干​​帝盖鱼： 5.2沉积厚度异常显示UBM沉积现象异常【4】。 在化学镍金UBM生产中，会出现m电极上化学镍金层沉积厚度异常的情况，这种缺陷有两种，除了以上原因外，还有晶圆的厚度，镀锚层面积的大小，钝化层材料及厚度等因素，在工程测试及生产中，应该也会有沉积，但相对于其它I/O沉积明显粗糙，容易被忽略，用胶带很容易剥离，剥离后底层铝层光滑，没有被蚀刻掉，见图18，这种缺陷多是由于钝化层没有打开造成的。6结论Open，Ni/Au UBM无法沉积在Al层上。

采用二次浸锌化学镍金工艺及自动化生产设备，在200mm、18”m晶圆上成功制作出5-18”m凸块。化学镍金工艺决定了设备材质及其内部结构，化学镍金镀层表面光滑无缺陷，厚度严格控制在要求范围内。 对于18”m化学镍金凸块，在200mm晶圆上凸块高度的标准偏差为0.2mm，具有良好的共面性。化学镍金UBM与凸块的截面形状为边角光滑的梯形，这是由化学镍金反应的无方向性决定的。镍金凸块的缺陷是UBM虽然沉积了，但某些特定层的结合力很好。化学镍金UBM的缺陷，如：镀层I/O电极UBM形貌异常，厚度比正常的小很多，沉积厚度异常等，不仅与工艺参数的控制有关，还与UBM镀层有关，见图19。还与来料晶圆的I/O电极铝材料表面状况、芯片内部设计的潜力有关。缺陷的情况不能简单一概而论，各种因素都有可能影响到缺陷的形成。应综合考虑各种因素。参考文献：[1] Cost Ya (