圆片级封装铝锗键合后残余应力的测量和分析

秦 嵩， 焦继伟， 王敏昌， 钱 清

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)



圆片级封装铝锗键合后残余应力的测量和分析

秦 嵩， 焦继伟， 王敏昌， 钱 清

(中国科学院 上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

以圆片级铝锗键合后的残余应力为研究对象，在键合环下方和周围制作了一系列形状相同的力敏电阻条，通过比较键合前后力敏电阻条的阻值变化，分析电阻条处残余应力的大小及与工艺相关性。结果表明：键合环内外的压阻变化约为键合环下方压阻变化的3倍。这种方法可以作为晶圆级键合质量的有效在线表征手段之一。

铝锗共晶键合； 残余应力； 力敏电阻

0 引 言

晶圆键合过程中，由于材料热膨胀系数的不匹配、键合面存在颗粒或气泡等原因，键合片内会产生一定大小的残余应力，这种应力可能会导致材料特性的改变和结构的变形，从而影响器件最终的性能和可靠性。目前国内外关于残余应力影响方面的研究还比较少。许东华等人[1]通过阳极键合制备了绝压压阻式压力传感器，指出阳极键合工艺产生的较大残余热应力会引起Si片的较大翘曲，而且会增大压阻式压力传感器的零点失调，同时也会带来较大的零点温度系数。Huang Guangyu等人[2]在通过低温晶圆键合制备的局部SOI片中发现，顶层Si中的残余应力会影响电子迁移率的大小，也会导致硼在Si和SiO2界面的再分布。Lin T W等人[3]通过硅熔融键合制备了空腔SOI片，发现残余应力会影响SOI片的形状并决定器件的性能，若SOI片用于制作惯性传感器，残余应力会改变器件的谐振频率，若SOI片应用于微流体领域，孔壁中局部集中的张应力可能会导致衬底断裂。Lin liwei等人[4]通过局部铝硅玻璃键合实现硅玻璃的真空封装，热应力会导致玻璃上出现裂纹，从而导致器件失效。

铝锗共晶键合是一项有效的低温圆片键合技术，利用铝锗共晶合金熔融温度较低的特点，将其作为中间介质层，在较低的温度下，通过加热熔融实现共晶键合。该工艺具有键合温度低(一般低于450 ℃)、与CMOS工艺兼容、对键合面平整度要求低等优点，其介质层能够提供导电路径[5]。铝锗键合常用于惯性器件和红外器件的真空封装中，在压阻器件上的应用较少，但是键合后残余应力的分布对压阻器件的影响很大，特别是随着器件的小型化和封装密度的不断增大。 本文介绍一种基于压阻效应测量铝锗键合后局部应力分布的方法，这种方法能够在线检测铝锗键合的情况。

1 测试结构设计

对应力的研究方法主要有：干涉法、X射线衍射法和压阻法[6]等。其中压阻传感测量法可以根据需要选择使用Si片的不同晶面、掺杂类型和浓度、并根据封装具体情况设计压阻分布的图形，具有很强的灵活性，且制作工艺和测试设备简单，因此,本文选择压阻法测量残余应力。

图1(a)中，在键合环下方不同位置以及键合环内、外均设计了形状大小相同的电阻条(环内电阻条除外，其浓硼区较长)，通过比较键合前后不同位置电阻条的阻值变化，分析该电阻条处残余应力的大小。设计有三个目的:键合环下、环内外的力敏电阻变化对比，键合环下方靠近角落和远离角落的力敏电阻变化对比，以及不同晶向上力敏电阻变化的对比。图1(b)中，淡硼区为应力敏感单元，浓硼区作引线，浓硼区与铝电极形成良好的欧姆接触。

图1 测试结构设计Fig 1 Design of testing structure

2 工艺流程

所有的加工工艺都是在中科院微系统所微系统工艺平台内进行。实验用到A，B两片〈100〉、N型、中阻(3～8 Ω/cm)的双面抛光硅圆片，其中,A片做衬底，B片做盖板，整个工艺流程如图2(键合环下方电阻条未画出)所示。具体流程如下：

1)氧化:首先在A,B硅片表面生长800 nm的高温热氧化层；

A片工艺：

2)电阻条的制作:取氧化后的A片，通过光刻、RIE刻蚀，去掉浓硼区SiO2，浓硼离子注入，能量为80 keV，剂量为5×1015/cm2，再通过光刻、RIE刻蚀，去掉淡硼区SiO2，淡硼离子注入，能量为80 keV，剂量为4.2×1014/cm2，之后通过BOE腐蚀掉硅片表面的SiO2[7]，如图2(a)；

3)硼主扩:主扩条件为1 100 ℃，并生长500 nm的SiO2；

4)引线孔:光刻、BOE腐蚀，在浓硼区腐蚀出引线孔，如图2(b)；

5)金属电极:溅射700 nm的金属铝，光刻、铝腐蚀，形成金属引线和铝Pad，如图2(c)；

6)利用探针台测量键合前的电阻条阻值；

B片工艺：

7)盖板深槽腐蚀:取氧化后的B片，光刻、RIE刻蚀，形成KOH腐蚀窗口，然后进行KOH湿法腐蚀，腐蚀深度100 μm，之后通过BOE腐蚀掉硅片表面的SiO2，如图2(d)；

8)锗图形化:溅射400 nm的锗，光刻、IonBeam刻蚀形成锗图形，如图2(e)；

9)铝锗共晶键合:先抽真空并使腔内温度升到300 ℃，保温10 min，继续升温至400 ℃，保温10 min，施加3.8 kPa的压力并开始升至435 ℃，保温10 min，最后自然冷却，键合后结构如图2(f)；

10)划片:露出铝Pad，利用探针台测量键合后的电阻条阻值，划片后的结构如图2(g)。

图2 铝锗键合后残余应力测试结构的工艺流程图Fig 2 Fabrication process of testing structure for residual stress after Al-Ge bonding

3 结果与分析

根据压阻效应，平面上的电阻在应力作用下电阻的变化率为

ΔR/R=σlπl+σtπt

(1)

式中πl和πt分别为纵向压阻系数和横向压阻系数，σl和σt分别为纵向应力和横向应力。

3.1 实验结果

实验结果显示，在三个设计目的中，只有键合环下方和键合环内外的力敏电阻变化差异较明显。表1给出了8个键合充分单元的环下、环内和环外电阻条键合前后的电阻阻值以及相应的阻值变化率，可以看出，键合环内外的力敏电阻阻值变化约为键合环下方力敏电阻阻值变化的3倍，即键合充分的单元中键合环下方的残余应力较小，键合环周围的残余应力较大。

表1 键合前后电阻值变化

3.2 仿真结果

图3为在435 ℃,3 kg压力的键合条件下，Si材料内部应力分布场的Ansys仿真结果。由图中可看出，环内、环外的应力梯度类似，与实验结果相符，环下的应力较大，但应力方向与环内、外的应力方向相反，这可能是导致环下力敏电阻阻值变化不明显的原因。

图3 硅材料内部应力分布Fig 3 Stress distribution inside silicon material

3.3 讨 论

图4给出了红外显微镜下的键合照片，3(a)中单元键合环颜色较深，铝锗键合较充分，3(b)中单元键合环颜色较浅，键合不充分。与之对应，键合充分的单元环内力敏电阻阻值变化较大，键合不充分的单元环内力敏电阻阻值变化不明显。其键合环内〈110〉方向上的电阻条阻值变化率分别为3.265 %和0.102 %，测量结果表明键合不充分的单元中各位置电阻条阻值变化不明显，残余应力较小。

图4 键合后测试结构的红外照片Fig 4 IR images of testing structure after Al-Ge bonding

红外显微观察结果与力敏电阻阻值变化结果表现出来的相关性，表明通过在特定位置设计力敏电阻，可以作为铝锗键合质量的在线表征手段之一，具有方便、快速的特点。

4 结 论

本文介绍了一种基于压阻效应测量铝锗键合后残余应力分布的方法，在键合环周围制作一系列力敏电阻条，测试了键合前后力敏电阻的阻值变化，结果表明：键合充分的单元中，键合环内外的力敏电阻阻值变化约为键合环下方力敏电阻阻值变化的3倍，这种测量方法能够对铝锗键合工艺进行在线检测。

[1] 许东华,张兆华,林惠旺,等.硅玻璃阳极键合绝压压阻式压力传感器中的残余应力[J].功能材料与器件学报,2008,14(2):452-456.

[2] Huang G,Tan C M,Gan Z H,et al.Finite element modeling of residual mechanical stress in partial SOI structure due to wafer bonding processing[C]∥11th IPFA,Taiwan:IEEE,2004:189-192.

[3] Lin T W,Elkhatib O,Makinen J,et al.Residual stresses at cavity corners in silicon-on-insulator bonded wafers[J]. J Micromech Microeng,2013, 23:095004.

[4] Lin L W.MEMS post-packaging by localized heating and bon-ding[J].Transactions on Advanced Packaging,2000,23(4):608-616.

[5] Hayes F H, Longbottom R D, Ahmad E,et al.On the Al-Si,Al-Ge,and Al-Ge-Si systems and their application to brazing in high power semiconductor devices[J].Journal of Phase Equilibria,1993,14(4):425-431.

[6] 孙志国.MEMS封装中的残余应力演化及其相关可靠性研究[D].上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2002:15-23.

[7] 徐 铭.微结构塑性形变及其对压阻式压力传感器的影响[D].上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2013:36-37.

Measurement and analysis of residual stress in WLP with Al-Ge bonding

QIN Song， JIAO Ji-wei， WANG Min-chang， QIAN Qing

(Shanghai Institute of Microsystem And Information Technology of Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

Taking residual stress in wafer level packaging(WLP) with Al-Ge bonding as research object, a series of resistor stripe with the same shape are fabricated beneath or adjacent to the bond pad.Analyze magnitude of residual stresses on resistors strip and its correlation with the process by comparing resistance variation of resistor stripe before and after bonding. Results show that the resistance variation of piezoresistors inside and outside the bond pad is three times larger than that beneath the bond pad.This method can be one of the effective means for online characterization of wafer level bonding quality.

Al-Ge eutectic bonding; residual stress; piezoresistance strips

2015—11—11

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0040—03

O 472

A

1000—9787(2016)10—0040—03

秦 嵩(1989-)，男，湖北监利人，硕士，主要从事微机电系统方面的研究。