Transfer of the electroless nickel metallization process into microsystem technology

Eines der wichtigsten Verfahren der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ist die Flip-Chip-Technik. Die beim Flip-Chip-Verbinden durch Löten oder Kleben erzeugten elektrischen Kontakte erfordern die zusätzliche Erzeugung von Bumps auf den Anschlußflächen der Halbleiter. Der stetige Kostendruck in der Elektronikindustrie verlangt auch eine Reduzierung der Kosten für das Bumping von Halbleiterwafern. Ein potentiell sehr kostengünstiges Bumpingverfahren bietet die selektive chemische Metallabscheidung auf Al-Kontaktpads mittels chemischer Metallisierung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden umfassende Untersuchungen zur chemischen Metallabscheidung auf Halbleiterwafern durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, daß sich auf Al-Kontaktflächen durch eine alkalische Reinigung, gefolgt von einer Doppelzinkat-Behandlung, feinkörnige Zn-Schichten abscheiden lassen, welche zu hoher Bumphaftung führen. Der Einfluß des Stabilisators in Ni-Bädern auf die Ni-Abscheidung wurde untersucht. Für den Zusammenhang zwischen kritischer Stabilisatorkonzentration und Padgröße wurde ein Modell aufgestellt und experimentell verifiziert. Die bei der chemischen Metallisierung funktioneller Halbleiterwafer auftretenden Effekte wurden untersucht. Es ließ sich zeigen, mit welchen Maßnahmen diese Effekte beeinflußt bzw. vermieden werden können. Es konnte eine Prozeßkette zum chemischen Bumping entwickelt werden, deren wesentlicher Bestandteil ein Meßverfahren für den Stabilisatorgehalt ist. Gemäß den Anforderungen der Behandlungsschritte wurde eine Anlage entworfen und aufgebaut. Die Tauglichkeit des Prozesses ließ sich anhand von verschiedenen Wafertypen unterschiedlicher Technologien erfolgreich verifizieren und die Gleichmäßigkeit und Zuverlässigkeit der abgeschiedenen Ni-Bumps nachweisen. Für verschiedene Produktionsszenarien des chemischen Bumpings wurde ein Kostenmodell erstellt. Es ließ sich zeigen, daß ein Waferbumping mit Kosten bis herunter zu 2,10 € pro Wafer möglich ist. Abschließend wurden Untersuchungen zur Zuverlässigkeit von Ni-Bumps in Flip-Chip-Verbindungen durchgeführt. Bei Chips mit Ni-Bumps, welche mittels Flip-Chip-Klebe-Technik montiert wurden, war stets der verwendete Klebstoff der limitierende Faktor bei den Zuverlässigkeitstests. Auch beim Flip-Chip-Löten mit chemisch abgeschiedenen Ni-Unter-Bump-Metallisierungen konnte für verschiedene Lottypen eine sehr gute Beständigkeit bei thermischen und thermomechanischen Belastungstests nachgewiesen werden.Flip chip technology is an important process in microelectronics packaging. Flip chip interconnections by solder or adhesive require the processing of bumps on semiconductor contact pads. The requirement for cost reduction leads to the demand for reduced bumping cost. The selective chemical metallization of semiconductor wafers offers a potential low-cost alternative to established technologies. In this thesis a comprehensive investigation of chemical metal deposition on wafers was performed. It was demonstrated that an alkaline cleaning, followed by a double-zincate treatment can result in a fine-grained Zn layer, which provides strong bump adhesion. The influence of stabilizer in Ni bathes was studied. For the relation between critical stabilizer concentration and pad size a model was developed and experimentally verified. Effects of chemical metallization of functional wafers were investigated and countermeasures were found. A productive process for chemical bumping was developed, including a method for precise measurement of stabilizer concentration. According process requirements a bumping line was designed and realized. The capability of the process as well as uniformity and reliability of Ni bumps were demonstrated by successful bumping of different types of wafers. Taking into account different production scenarios a cost model of chemical bumping was set up. It could be shown that bumping at cost as low as 2.10 € per wafer is possible. Finally the reliability of flip chips with Ni bumps was investigated. In stress tests using glued flip chips the reliability was limited by the adhesive materials only. Also for flip chip interconnects using Ni Under Bump Metallization and different types of solder an excellent stability in thermal and thermo-mechanical stress tests was demonstrated