专利名称：硅片金属化方法
技术领域：
本发明涉及一种硅片表面金属化方法，金属化后的硅片能用于微机电器件晶圆封装时的键合エ艺。
背景技术：
微机电系统(MEMS,Micro Electro-Mechanical System)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿技木。MEMS器件都需要封装。传统的封装方法是芯片级封装首先在硅晶圆上制备有多个MEMS器件，其次将硅晶圆进行割片，分离形成多个芯片，针对每个芯片单独封装。这种芯 片级封装方式的缺点是产能低，成本高。统计数据表明器件成本的90%都是花在封装上。针对上述芯片级封装的缺陷，出现了 MEMS器件的晶圆级封装方案，其基本方法是将ー个带有空腔的封盖晶圆与器件所在的器件晶圆键合到一起，再对键合后形成的ー个个单元进行割片，从而形成多个封装完毕的MEMS器件。MEMS器件的晶圆级封装大幅度提高了产能，并降低了成本。很多MEMS器件，比如说加速度仪、陀螺仪、红外微测热计等，都需要在一定的真空环境下才能正常工作，因此在针对这些MEMS器件进行气密性晶圆级封装时，有两点是必要的(I)使用真空键合、真空回流焊等技术，使器件在封装过程中达到一定的真空度，这个真空度要求在50mTorr以下，甚至更小；(2)在封装完成后，空腔内部的真空度能够保持足够长的时间，国家标准要求是两年以上。器件晶圆级封装所使用的键合技术有很多种，具体由与器件的エ艺兼容性、效率、良率等因素共同決定。目前普遍使用的键合技术是在两硅晶圆之间使用焊料进行键合将焊料通过电镀或者其它方式沉积在一硅晶圆上，然后加热到焊料熔点以上，使焊料均匀地铺展到硅晶圆的键合区域，焊料冷却后即可将两硅晶圆键合在一起。由于焊料(锡及其各种合金，如锡铅、锡银、锡银铜等)通常并不能良好地铺展在硅晶圆上，因此需要在焊料与硅晶圆之间生长ー层金属化层(UBM)，这个过程称为硅片的金属化。參与键合的两片硅晶圆都需要做金属化处理。UBM的功能有三点(I)保证焊料熔解后能充分润湿；(2)保证焊料与UBM以及UBM与硅晶圆之间的粘附性，使得键合前不会在焊料与UBM的界面处以及UBM与硅晶圆的界面处发生脱膜。(3)在键合过程中，UBM可以阻挡熔解后的焊料与硅晶圆直接接触。由于焊料不能润湿硅，所以一旦焊料直接接触硅晶圆，会立刻导致脱膜。UBM通常包括多层金属膜，这些金属膜层的黏附性、浸润性、纵向拉伸強度和横向拉伸强度都会影响到焊接的质量并最终影响MEMS晶圆级封装的气密性。传统的硅片金属化方法是(I)首先，在硅片(硅晶圆)表面用溅射的方法生长ー层粘附层材料，粘附层材料是钛或者铬，厚度在50 200nm ; (2)然后，用电镀或化学镀的方法生长ー层阻挡层，阻挡层材料通常是镍，厚度在5 20um ; (3)最后，用蒸发或溅射方式生长ー层保护层，常见的保护层材料是金、钼、钯，厚度在50 500nm。这种传统的硅片金属化方法具有如下缺点其一、粘附层的生长是在真空室内真空环境中进行的，当粘附层生长完成之后，不是立刻生长阻挡层，而是要将硅片从真空室取出来，再放到电镀室去电镀阻挡层(镍)。在这个过程中，粘附层材料很容易被氧化，而粘附层材料一旦被氧化，阻挡层就不容易很好地沉积在粘附层上，导致脱摸，形成废片。其ニ、电镀或化学镀的方法生长阻挡层时，电镀或化学镀エ艺可能会对硅片上的某些MEMS器件或电路造成损坏，或者为了避免造成损坏而导致エ艺次序不好安排。即传统的硅片金属化工艺中可能存在阻挡层的电镀或化学镀エ艺与硅片金属化的整体エ艺不兼容的情况。其三、阻挡层沉积完成之后需要清洗并烘干，烘干后的硅晶圆要重新放入真空室生长保护层。这个过程中，镍的表面也有可能被氧化或破坏，从而影响到保护层的生长。
因此，传统的硅片金属化方法エ艺复杂，并容易形成大量废片。传统的硅片金属化层中的阻挡层的材料是镍，阻挡层材料的选择是由后续的焊接エ艺所決定的。由于焊接时间和老化时间的限制，一般要求镍层的厚度大于lum，但这么厚的镍层很容易在温度变化时，产生较大的热应力，由此造成金属化层龟裂等现象。
发明内容
本发明要解决现有的硅片金属化方法中易形成废片的技术问题，以及传统的硅片金属化层易龟裂的技术问题。为解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案本发明的硅片金属化层，包括沉积于硅片上需要金属化区域的粘附层、沉积于所述粘附层上面的阻挡层，以及沉积于所述阻挡层上面的保护层，其特征在于，所述阻挡层包括沉积于所述粘附层上的第一镍层、沉积于所述第一镍层上的缓冲层以及沉积于所述缓冲
层上的第二镍层。所述粘附层的材料为铬、钛或者钒，厚度为IOnm lOOnm，所述第一镍层的厚度为200nm 700nm,所述缓冲层的厚度为30nm IOOnm,所述第二镍层的厚度为200nm 700nm,所述保护层的厚度为30nm 300nm。优选地，所述粘附层的厚度为50nm，所述第一镍层的厚度为600nm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述第二镍层的厚度为600nm，所述保护层的厚度为50nm。所述缓冲层的材料是金、钛、钼、钯、铑、铱、钌或者锇。所述保护层的材料是金、钼、钯、铑、铱、钌或者锇。本发明的硅片金属化方法，依次包括如下步骤SI、在硅片上需要金属化区域沉积粘附层；S2、在所述粘附层上沉积第一镍层，在该第一镍层上沉积缓冲层，在该缓冲层上沉积第二镍层，第一镍层、缓冲层和第二镍层构成阻挡层；S3、在所述第二镍层上沉积保护层；其中，所述步骤SI、S2和S3中的所述的沉积均是在同一真空室内以溅射エ艺沉积，或者在同一真空室内均是以蒸发エ艺沉积。所述粘附层的材料为铬、钛或者钒，厚度为IOnm lOOnm，所述第一镍层的厚度为200nm 700nm,所述缓冲层的厚度为30nm IOOnm,所述第二镍层的厚度为200nm 700nm,所述保护层的厚度为30nm 300nm。所述粘附层的厚度为50nm，所述第一镍层的厚度为600nm，所述缓冲层的厚度为50nm,所述第二镍层的厚度为600nm,所述保护层的厚度为50nm。所述缓冲层的材料是金、钛、钼、钯、铑、铱、钌或者锇。所述保护层的材料是金、钼、钯、铑、铱、钌或者锇。本发明的硅片金属化层的优点和积极效果是本发明的硅片金属化层中，阻挡层由第一镍层、第二镍层和位于二者之间的缓冲层构成了夹层结构，缓冲层可以使第一镍层、第二镍层形成压应力、拉应カ交替的结构，所以在温度变化时能有效避免阻挡层出现龟裂。本发明的硅片金属化方法的优点和积极效果是本发明的硅片金属化方法中，整个エ艺过程采用同一种エ艺并在同一真空室下完成，有效避免了因エ艺过程中间移出硅片 而导致的粘附层或阻挡层被氧化，所以，本发明的方法不但能大幅度降低废片的产生，而且エ艺简单，便于操作。同时，阻挡层具有中间缓冲层，也避免了エ艺过程中阻挡层发生龟裂的现象。通过以下參照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。
图I表示本发明的硅片金属化层的结构示意图。图中附图标记1.金层；2.第二镍层；3.金层；4.第一镍层；5.铬层；6.绝缘层；7.硅片。
具体实施例方式下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用干限制本发明。硅片金属化层实施例I如图I所示，本实施例I的硅片金属化层制备在硅片7的绝缘层6上，包括粘附层、阻挡层和保护层。粘附层为铬层5，沉积在绝缘层6上，厚度为50nm ;阻挡层包括沉积于铬层5上厚度为600nm的第一镍层4、沉积于第一镍层4上的作为缓冲层的厚度为50nm的金层3以及沉积于金层3上的厚度为600nm的第二镍层2 ;保护层为厚度为50nm的金层I。本实施例中，由于在作为阻挡层的两层厚度分别为600nm的镍层中间插入ー层厚度为50nm的金层作为缓冲层，总厚度达到I. 25um。在缓冲层金层的作用下，两层镍层形成压应力、拉应カ交替的结构，所以，即使这么厚的阻挡层在温度变化时也不易产生龟裂现象。对于带有绝缘层6的硅片7，通常需要金属化的区域在绝缘层6上，因此金属化层制备在绝缘层6上；而对于不带有绝缘层6的硅片7，其金属化层便直接制备在硅片7上。硅片金属化层实施例2本实施例2的硅片金属化层制备在硅片的绝缘层上，包括粘附层、阻挡层和保护层。粘附层为钛层，沉积在绝缘层上，厚度为30nm ;阻挡层包括沉积于钛层上厚度为700nm的第一镍层、沉积于第一镍层上的作为缓冲层的厚度为IOOnm的钼层以及沉积于钼层上的厚度为500nm的第二镍层；保护层为厚度为30nm的钯层。硅片金属化层实施例3本实施例3的硅片金属化层制备在硅片的绝缘层上，包括粘附层、阻挡层和保护层。粘附层为钒层，沉积在绝缘层上，厚度为IOOnm ;阻挡层包括沉积于钒层上厚度为200nm的第一镍层、沉积于第一镍层上的作为缓冲层的厚度为30nm的钛层以及沉积于钛层上的厚度为200nm的第二镍层；保护层为厚度为300nm的钼层。 在上述各实施例中，粘附层的材料不限于铬、钛或者钒，还可以是其他金属材料，粘附层厚度通常在IOnm IOOnm范围内均是可行的；第一镍层的厚度通常在200nm 700nm范围内均是可行的；缓冲层的材料不限于金、钼、铑，还可以是钛、钯、铱、钌或者锇等其他金属，缓冲层厚度通常在30nm IOOnm范围内均是可行的；第二镍层的厚度通常在200nm 700nm范围内均是可行的，优选地，第二镍层的厚度与第一镍层的厚度相同，以保持缓冲层的対称性；保护层的材料不限于金、钯、铱，还可以是钼、铑、钌或者锇等其他金属，保护层厚度通常在30nm 300nm范围内均是可行的。本发明硅片金属化方法的最佳实施方式，依次包括如下步骤SI、在硅片上需要金属化区域溅射沉积作为粘附层的铬、钛或者钒，厚度为50nm，其中粘附层的厚度在IOnm IOOnm范围内均是可行的；S2、在粘附层上溅射沉积第一镍层，厚度为600nm，其中第一镍层的厚度在200nm 700nm范围内均是可行的；在该第一镍层上溅射沉积作为缓冲层的金、钛、钼、钯、铑、铱、钌或者锇层，厚度为50nm，其中缓冲层的厚度在30nm IOOnm范围内均是可行的；在该缓冲层上溅射沉积第二镍层，厚度为600nm，其中第二镍层的厚度在200nm 700nm范围内均是可行的，最好与第一镍层的厚度保持相同；S3、在第二镍层上溅射沉积作为保护层的金、钼、钯、铑、铱、钌或者锇层，保护层的厚度为50nm，保护层的厚度在30nm 300nm范围内均是可行的。本发明的硅片金属化方法中，由于所有的沉积エ艺均是溅射沉积エ艺，整个过程中可以在同一真空室内完成，中间不需要移出真空室，因此能够有效避免粘附层或阻挡层在移出真空室外时被氧化，而且在同一真空室完成整个过程，エ艺简单，便于操作。另外，阻挡层的厚度达I. 25um，浸润性好，焊接强度高，能够满足锡铅焊料的封装要求，并且成本较低；同时阻挡层中金层夹在两层镍中间，能有效释放镍的热应力，避免了阻挡层发生龟裂的现象。在上述的硅片金属化方法中，步骤S1、S2和S3中的溅射沉积エ艺还可以由蒸发沉积エ艺代替，同样可以在同一真空室内完成整个エ艺过程。本发明的硅片金属化方法，エ艺简单，便于实现，不易产生废片，有利于提高产能，降低成本。虽然已參照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随 附权利要求所涵盖。
权利要求
1.一种硅片金属化层，包括沉积于硅片上需要金属化区域的粘附层、沉积于所述粘附层上面的阻挡层，以及沉积于所述阻挡层上面的保护层，其特征在于，所述阻挡层包括沉积于所述粘附层上的第一镍层、沉积于所述第一镍层上的缓冲层以及沉积于所述缓冲层上的第二镍层。
2.根据权利要求I所述的硅片金属化层，其特征在于，所述粘附层的材料为铬、钛或者钒，厚度为IOnm lOOnm，所述第一镍层的厚度为200nm 700nm，所述缓冲层的厚度为30nm IOOnm,所述第二镍层的厚度为200nm 700nm,所述保护层的厚度为30nm 300nm。
3.根据权利要求2所述的硅片金属化层，其特征在于，所述粘附层的厚度为50nm，所述第一镍层的厚度为600nm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述第二镍层的厚度为600nm，所述保护层的厚度为50nm。
4.根据权利要求1、2或3所述的硅片金属化层，其特征在于，所述缓冲层的材料是金、钛、钼、钮、错、铱、钌或者锇。
5.根据权利要求4所述的硅片金属化层，其特征在于，所述保护层的材料是金、钼、钯、铑、铱、钌或者锇。
6.一种硅片金属化方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤 51、在硅片上需要金属化区域沉积粘附层； 52、在所述粘附层上沉积第一镍层，在该第一镍层上沉积缓冲层，在该缓冲层上沉积第ニ镍层，第一镍层、缓冲层和第二镍层构成阻挡层； 53、在所述第二镍层上沉积保护层； 其中，所述步骤SI、S2和S3中的所述的沉积均是在同一真空室内以溅射エ艺沉积，或者在同一真空室内均是以蒸发エ艺沉积。
7.根据权利要求6所述的硅片金属化方法，其特征在于，所述粘附层的材料为铬、钛或者钒，厚度为IOnm lOOnm，所述第一镍层的厚度为200nm 700nm，所述缓冲层的厚度为30nm IOOnm,所述第二镍层的厚度为200nm 700nm,所述保护层的厚度为30nm 300nm。
8.根据权利要求7所述的硅片金属化方法，其特征在于，所述粘附层的厚度为50nm，所述第一镍层的厚度为600nm，所述缓冲层的厚度为50nm，所述第二镍层的厚度为600nm，所述保护层的厚度为50nm。
9.根据权利要求8所述的硅片金属化方法，其特征在于，所述缓冲层的材料是金、钛、钼、钮、错、铱、钌或者锇；
10.根据权利要求9所述的硅片金属化方法，其特征在于，所述保护层的材料是金、钼、钮、错、铱、钌或者锇。
全文摘要
本发明提供了硅片金属化层及硅片金属化方法。硅片金属化层包括沉积于硅片上需要金属化区域的粘附层、沉积于所述粘附层上面的阻挡层，以及沉积于所述阻挡层上面的保护层。其中阻挡层包括沉积于所述粘附层的第一镍层、沉积于所述第一镍层的缓冲层以及沉积于所述缓冲层的第二镍层。本发明的硅片金属化层在温度变化时能有效避免阻挡层出现龟裂。本发明的硅片金属化方法包括在同一真空室内以溅射工艺或蒸发工艺在硅片上依次粘附层，由第一镍层、缓冲层和第二镍层构成的阻挡层以及积保护层。本发明的硅片金属化方法不但能大幅度降低废片的产生，而且工艺简单，便于操作。
文档编号C23C14/16GK102676996SQ20111006437
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者方辉, 雷述宇 申请人:北京广微积电科技有限公司