本發(fā)明系關(guān)于一種晶圓對晶圓接合的方法，尤其是利用Ag3Sn金屬間化合物來接合晶圓。

背景技術(shù)：
有別于以往半導(dǎo)體芯片利用后段封膠灌模及導(dǎo)線架或陶瓷基板等方式進(jìn)行封裝，近年來許多微芯片采用晶圓級封裝(Waferlevelpackage)，其利用一封蓋(cap)芯片來保護(hù)芯片上對外界環(huán)境敏感的電路或脆弱之結(jié)構(gòu)，如含懸浮可動(dòng)組件的微機(jī)電傳感器芯片等。許多微機(jī)電傳感器芯片如加速度計(jì)(accelerometer)或壓力計(jì)(pressuresensor)等通常會與一具凹槽(recess)結(jié)構(gòu)的玻璃或硅芯片進(jìn)行晶圓接合(waferbonding)，以保護(hù)感測結(jié)構(gòu)或薄膜，亦可提供如氣密(hermeticseal)、硅穿孔導(dǎo)線(TSV)等功能。常用的晶圓接合技術(shù)包含熔融接合(fusionbonding)、陽極接合(anodicbonding)及介質(zhì)接合如共晶接合(eutecticbonding)或高分子接合等。由于熔融接合及陽極接合僅分別適用于硅-硅或二氧化硅及硅-含鈉玻璃之接合，且對于晶圓表面的平整度要求較高，限制了其應(yīng)用范圍，因此利用兼容的介質(zhì)來進(jìn)行晶圓接合成為較常采用的方法。其中玻璃熔料(glassfrit)已被大量使用在消費(fèi)性電子芯片上，但由于其需利用網(wǎng)印(screenprinting)的方式來將接合環(huán)(bondring)圖案化，使得其接合環(huán)(bondingring)寬度大于100-200μm，對于逐漸微縮芯片尺寸的需求將構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而高分子材料(如BCB或光阻等)可利用黃光微影的方式精確定義接合環(huán)，因此寬度可大幅縮小，但由于高分子材料在高溫時(shí)會有釋放氣體(out-gassing)的現(xiàn)象且其接合強(qiáng)度較弱，將影響產(chǎn)品的可靠度(reliability)。而藉由特定金屬于較低溫時(shí)接觸互熔產(chǎn)生共晶的方式，將金屬層預(yù)先成形定義于微機(jī)電晶圓及封蓋晶圓上，當(dāng)施加負(fù)載使兩晶圓接觸并升溫至共晶溫度之上維持一段時(shí)間后，即可將兩片晶圓接合。在此通常選擇半導(dǎo)體中常見或制程兼容的金屬，如美國專利第7943411號教導(dǎo)利用鋁-鍺共晶的方式將封蓋晶圓接合于微機(jī)電組件晶圓之上，由于鋁-鍺的共晶溫度為419℃，因此欲形成一穩(wěn)定的接合則其制程溫度一般需提高至430至450℃，此高溫可能會對部分膜層界面造成影響且所產(chǎn)生的熱應(yīng)力(thermalstress)亦會造成感測薄膜變形或失效。美國專利第5668033號則是揭露利用金-硅共晶來接合加速度傳感器芯片上之封蓋，由于Au-Si的共晶溫度為363℃，因此可略微降低制程所需的溫度(約390-410℃)，其缺點(diǎn)為金的成本較高且須克服硅表面生成自然氧化層(nativeoxide)的問題。因此需要開發(fā)另一與半導(dǎo)體制程兼容的金屬共晶接合技術(shù)，來進(jìn)行微機(jī)電組件的封蓋制程，同時(shí)需具有較低的共晶接合溫度及成本。美國專利第6229190號中提及可利用銀-錫共晶的方式，在壓力感測組件晶圓及封蓋晶圓上分別成長銀或錫后，對壓力感測組件進(jìn)行封蓋接合。由于銀-錫遠(yuǎn)低于鋁-鍺及金-硅的共晶溫度僅約221℃，可大幅避免上述所提的熱應(yīng)力等問題，其成本亦遠(yuǎn)低于金，因此成為極具潛力的技術(shù)之一。然而此接合技術(shù)所遭遇的棘手問題在于錫本身為一熔點(diǎn)低(約230℃)且強(qiáng)度較低的脆性材料，因此經(jīng)由銀-錫共晶接合后所產(chǎn)若仍含高比例的純錫，不僅會降低接合界面強(qiáng)度，且當(dāng)后續(xù)制程溫度高于錫的熔點(diǎn)230℃時(shí)(如通過回焊爐溫度約為250℃)將對封裝結(jié)構(gòu)造成破壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
有鑒于此，本發(fā)明提出一特殊的封裝方式，以改良接合晶圓之質(zhì)量，使技術(shù)能實(shí)際應(yīng)用于產(chǎn)品量產(chǎn)之上。根據(jù)本發(fā)明之一較佳實(shí)施例，本發(fā)明提供一種封裝結(jié)構(gòu)，包含：一第一基材和一第二基材以及復(fù)數(shù)個(gè)金屬堆棧層設(shè)置于第一基材和第二基材之間，其中各個(gè)金屬堆棧層包含至少一第一銀層、一第二銀層和一合金層位在第一銀層和第二銀層之間，其中合金層包含Ag3Sn金屬間化合物(intermetalliccompound)和錫基體(Snmatrix)。根據(jù)本發(fā)明之另一較佳實(shí)施例，本發(fā)明提供一種基材的接合方法，包含：首先提供一第一基材和一第二基材，其中一第一銀層覆蓋第一基材之表面，一第二銀層覆蓋第二基材之表面以及一金屬層覆蓋第二銀層，其中金屬層包含一第一錫層，接著進(jìn)行一接合制程，將第一基材與第二基材對準(zhǔn)，使得金屬層和第一銀層接觸，并且施加負(fù)載并加熱至一預(yù)定溫度以生成Ag3Sn金屬間化合物，最后降溫并移除負(fù)載，完成接合制程。為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)更能明顯易懂，下文將以實(shí)施例并配合所附圖示，作詳細(xì)說明如下。附圖說明圖1至第3圖為根據(jù)本發(fā)明之第一較佳實(shí)施例所繪示的基材的接合方法。圖4繪示的是合金層之放大示意圖。圖5至第6圖為根據(jù)本發(fā)明之第二較佳實(shí)施例所繪示的基材的接合方法。圖7繪示的是本發(fā)明之第1組的基材結(jié)構(gòu)配置。圖8是根據(jù)本發(fā)明的第五較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。圖9是根據(jù)本發(fā)明的第六較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。圖10是根據(jù)本發(fā)明的第七較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。圖11是根據(jù)本發(fā)明的第八較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式第1圖至第3圖為根據(jù)本發(fā)明之第一較佳實(shí)施例所繪示的基材的接合方法。請參閱第1圖，首先提供一第一基材10和一第二基材20，第一基材10和第二基材20可以為任何適用于電子裝置封裝之材料形成，例如硅、砷化鎵、藍(lán)寶石、金屬、陶瓷、及玻璃或其他半導(dǎo)體材料。第一基材10具有一第一表面12，第二基材20也有一第二表面22，第一表面12和第二表面22皆為為裝置面，先在第一基材10的第一表面12上依序形成一附著層14、一阻絶層16和一第一銀層18，另外在第二基材20的第二表面22上依序形成一附著層14、一阻絶層16、一第二銀層24和一金屬層26，其中前述之金屬層26包含一第一錫層28。附著層14包含鉻或鈦而阻絶層16包含鎳或鉑，另外，第一銀層18、第二銀層24和金屬層26可以利用電子束蒸鍍、濺鍍或是電鍍來形成。如第2圖所示，進(jìn)行微影和蝕刻制程或是舉離(lift-off)等方式，分別圖案化第一基材10上的附著層14、阻絶層16和第一銀層18，以及第二基材20上的附著層14、阻絶層16、第二銀層24和金屬層26，在圖案化之后，剩余的附著層14、阻絶層16、第一銀層18、第二銀層24和金屬層26，將在后續(xù)步驟形成接合環(huán)。然后進(jìn)行一預(yù)清洗步驟，可使用濕式蝕刻的方式，例如含氫氟酸(HF)系水溶液來清洗第一銀層18和金屬層26的表面，或是利用干式蝕刻的方式，例如氬離子電漿蝕刻等方式進(jìn)行附著層14、阻絶層16、第一銀層18、第二銀層24和金屬層26的預(yù)清洗。如第3圖所示，進(jìn)行一接合制程，將第一基材10和第二基材20對準(zhǔn)接合，詳細(xì)來說，接合是指將第一基材10上的第一銀層18對準(zhǔn)第二基材20上的金屬層26并且使第一銀層18和金屬層26接觸，之后再施加一均勻負(fù)載(loading)于第一基材10和第二基材20，并且使第一基材10和第二基材20以及其上的銀層18、24和金屬層26升溫至一預(yù)定溫度，在預(yù)定溫度維持一預(yù)定時(shí)間，前述的預(yù)定溫度需超過銀和錫的共晶溫度，根據(jù)本發(fā)明之較佳實(shí)施例，預(yù)定溫度為250至350度之間，而預(yù)定時(shí)間約為30分鐘，然后降溫及移除負(fù)載即完成接合制程。請參同時(shí)參閱第3圖和第4圖，第4圖繪示了Ag3Sn金屬間化合物和錫基體混合之示意圖。在接合制程中，部分的第一銀層18、部分的第二銀層24會和第一錫層28會反應(yīng)形成Ag3Sn金屬間化合物32，未和銀結(jié)合的第一錫層28會聚集成為錫基體34，前述的Ag3Sn金屬間化合物32和錫基體34定義為一合金層30。由于可藉由第一銀層18及第二銀層24同時(shí)與第一錫層28產(chǎn)生共晶反應(yīng)，因此共晶合金層中Ag3Sn金屬間化合物32會均勻分布于錫基體34中，除提升接合強(qiáng)度外，由于此金屬堆棧層50為一對稱結(jié)構(gòu)，因此可進(jìn)一步降低接合所產(chǎn)生之梯度應(yīng)力(gradientstress)。另外，為強(qiáng)化共晶反應(yīng)及接合強(qiáng)度，可選擇性地將接合完成之基材10、20進(jìn)行接合后退火(post-bondannealing)，例如將接合的基材10、20在爐管或烤箱內(nèi)進(jìn)行退火，以確保大量的錫充分共晶成為Ag3Sn，退火溫度較佳介于350至450度之間，由于可批次大量進(jìn)行接合晶圓后的退火制程，相較以單次進(jìn)行長時(shí)間的接合制程，利用接合后退火處理來改善接合強(qiáng)度更符合量產(chǎn)之需求。第5圖至第6圖為根據(jù)本發(fā)明之第二較佳實(shí)施例所繪示的基材的接合方法，第二較佳實(shí)施例為第一較佳實(shí)施例的變化型，其和第一實(shí)施例的差異點(diǎn)在于形成在第二基材20上的金屬層26之組成，如第5圖所示，第二基材20上的金屬層26可以由銀金屬層和錫金屬層交替堆棧而組成，舉例而言，在第一較佳實(shí)施例中的第一錫層28形成之后，依序另形成一第三銀層36和一第二錫層38，當(dāng)然，本發(fā)明之金屬層26可依據(jù)產(chǎn)品需求，交替形成適當(dāng)?shù)你y金屬層和錫金屬層，之后再進(jìn)行微影和蝕刻制程或是舉離制程。后續(xù)的接合制程和退火制程步驟，都和第一實(shí)施例中描述的相同，在此不再贅述。請同時(shí)參閱第4圖和第6圖，在接合制程中，部分的第一銀層18、部分的第二銀層24和部分的第三銀層36會分別和第一錫層28和第二錫層38反應(yīng)形成Ag3Sn金屬間化合物32，未和銀結(jié)合的第一錫層28和第二錫層38會被打散成為錫基體34，前述的Ag3Sn金屬間化合物32和錫基體34定義為一合金層30。本實(shí)施例中，合金層30有二層，而在二層合金層30中間夾著第三銀層36。依據(jù)本發(fā)明第一較佳實(shí)施例和第二較佳實(shí)施例之精神，發(fā)明人調(diào)整金屬層26的組成以及退火時(shí)間，將基材接合方式分成五組，然后將其切割成復(fù)數(shù)個(gè)相同尺寸之晶粒，最后再對分別利用這五種制程方式所接合的封裝晶粒進(jìn)行強(qiáng)度測試，包括剪力測試和高壓水滲透測試。各組的制程條件分述如下：第1組請參閱第7圖，第1組之第一基材10上和配置就如第一實(shí)施例中所述，第二基材20上的金屬層26也和第一實(shí)施例中相同，只有含有第一錫層28，和第一實(shí)施例不同的是第1組中的第二基材20上沒有第二銀層24，而且第1組的第一基材10和第二基材20在接合后未進(jìn)行退火步驟。第2組請復(fù)參閱第7圖，第2組的第一銀層18和金屬層26的配置就如第1組中所述，不同的是第2組的退火步驟時(shí)間為1小時(shí)。第3組請參閱第2圖，第3組之第一基材10和第二基材20上的第一銀層18、第二銀層24和金屬層26的配置就如第一實(shí)施例中所述，不同的是第3組的退火步驟的進(jìn)行時(shí)間為1小時(shí)。第4組請復(fù)參閱第2圖，第4組的第一銀層18、第二銀層24和金屬層26的配置就如第一實(shí)施例中所述，不同的是第4組的退火步驟時(shí)間為1.5小時(shí)。第5組請參閱第5圖，第5組之第一基材10和第二基材20上的第一銀層18、第二銀層24和金屬層26的配置就如第二實(shí)施例中所述，不同的是第5組的退火步驟的進(jìn)行時(shí)間為1小時(shí)。表一為第1組至第5組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，測試?yán)帽景l(fā)明接合技術(shù)所完成的封裝結(jié)構(gòu)之剪力和高壓水滲透數(shù)據(jù)。表一顯示針對五組基材接合方式分別做剪力測試和高壓水滲透測試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如表一所示，比較第1組和第2組可發(fā)現(xiàn)第1組由于未經(jīng)接合后退火處理，因此其強(qiáng)度較差，因此在接合制程之后兩片晶圓隨即分離，而第2組經(jīng)接合后退火處理后仍具一定強(qiáng)度，顯見接合后退火制程確能促使Ag3Sn金屬間化合物的生成，因而增加接合強(qiáng)度。另比較第2、3及5組可知，第2組的第二晶圓20上未含銀層，所以在相同的接合及退火時(shí)間下Ag3Sn金屬間化合物32的生成仍較第3和第5組不完全，因此其強(qiáng)度較弱，且以高壓水滲透的方式測試第2組的密封性，在223晶粒中僅10個(gè)晶粒通過測試；反觀第3及第5組在接合制程之前，第二晶圓20上有第二銀層24和金屬層26，其中金屬層26包含第一錫層28或第一錫層28、第三銀層36及第二錫層38的堆疊結(jié)耩，因此在合金層30中，其Ag3Sn金屬間化合物32的生成的比例較高，剩余的錫基體34比例較低，所以接合強(qiáng)度較強(qiáng)，且密封性亦較佳。因此得以驗(yàn)證，在接合制程中，利用銀層和錫層堆棧結(jié)構(gòu)的確可得到較佳的接合強(qiáng)度及密封性。另比較第3及第4組可發(fā)現(xiàn)，由于第4組的退火時(shí)間較長，使其合金層30中Ag3Sn金屬間化合物32的比例較第3組高，因此其強(qiáng)度亦較為提升。第3圖繪示的是根據(jù)本發(fā)明的第三較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。第三較佳實(shí)施例系利用本發(fā)明之基材接合方法所形成，如第3圖所示，本發(fā)明之封裝結(jié)構(gòu)包含一第一基材10、一第二基材20和以及復(fù)數(shù)個(gè)金屬堆棧層50設(shè)置于第一基材10和第二基材20之間，其中各個(gè)金屬堆棧層50包含至少一第一銀層18、一第二銀層24和一合金層30位在第一銀層18和第二銀層24之間，請同時(shí)參閱第4圖，值得注意的是合金層30包含Ag3Sn金屬間化合物32和錫基體34，其中Ag3Sn金屬間化合物32較佳為是均勻混合在錫基體34中。再者，前述的第一基材10和第二基材20可以為任何適用于電子裝置封裝之材料形成，例如硅晶圓、砷化鎵、藍(lán)寶石、金屬、陶瓷、及玻璃或其他半導(dǎo)體材料。在本發(fā)明中基材的材料以晶圓為例，通常，晶圓中可以包含單晶硅、覆硅絕緣層、硅-鍺基材或是前述之組合。另外，前述的第一銀層18系與第一基材10之第一表面22接觸，第二銀層24系與第二基材20之第二表面22接觸，一附著層16，例如鉻或鈦，系位在各個(gè)金屬堆棧層50和第一基材10之間以及各個(gè)金屬堆棧層50和第二基材20之間，再者附著層14和各個(gè)金屬堆棧層50之間具有一阻絕層16，阻絕層16包含鎳和鉑。第6圖繪示的是根據(jù)本發(fā)明的第四較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。請參閱第6圖，第四實(shí)施例和第三實(shí)施例的差別在于第四實(shí)施例的金屬堆棧層50中，除了第一銀層18和第二銀層24之外，還另包含二層合金層30和一層第三銀層36，第三銀層36夾在合金層30之間。第8圖是根據(jù)本發(fā)明的第五較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的接合方式適用于接合各個(gè)不同的晶圓，如第8圖所示，第一基材10可以為一封蓋晶圓或是一微機(jī)電晶圓，而第二基材20可以為一封蓋晶圓或是一微機(jī)電晶圓，但第一基材10和第二基20材為不同種類的晶圓，舉例而言，第一基材10可以為一封蓋晶圓，其上設(shè)有至少一個(gè)凹槽52，第二基材20可以為一微機(jī)電晶圓，其上設(shè)有至少一微機(jī)電組件54，而第三實(shí)施例或第四實(shí)施例中的金屬堆棧層50，可設(shè)置于第一基材10和第二基材20之間。同樣地，金屬堆棧層50至少包含合金層30、第一銀層18和第二銀層24，另外，附著層14和阻絕層16則可以選擇性設(shè)置。第9圖是根據(jù)本發(fā)明的第六較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。第六較佳實(shí)施例為第五較佳實(shí)施例的變化型，其中第一基材10可以為一封蓋晶圓，其上設(shè)有至少一個(gè)凹槽52，第二基材20可以為一微機(jī)電晶圓，其上設(shè)有至少一微機(jī)電組件54，而第三實(shí)施例或第四實(shí)施例中的金屬堆棧層50，可設(shè)置于第一基材10和第二基材20之間，同樣地，金屬堆棧層50至少包含合金層30、第一銀層18和第二銀層24，另外，附著層14和阻絕層16則可以選擇性設(shè)置。此外，第一基材10和第二基材20之間另設(shè)有至少一焊墊56，焊墊56藉由導(dǎo)電層55和微機(jī)電組件54電鏈接，再者，焊墊56亦含有包含Ag3Sn金屬間化合物，另外，第一基材10上具有至少一穿孔58，穿孔58對應(yīng)于前述焊墊56，在穿孔58內(nèi)設(shè)有一金屬層60，與焊墊56電性相連可將微機(jī)電組件54的電子訊號做輸出。第10圖是根據(jù)本發(fā)明的第七較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)，其和第六實(shí)施例的差異點(diǎn)在于其微機(jī)電組件54的電子訊號輸出并非藉由金屬層60而是直接利用打線61的方式直接將訊號線拉線鏈接至另一電子電路裝置上(圖中未標(biāo)示)。第11圖是根據(jù)本發(fā)明的第八較佳實(shí)施例所繪示的封裝結(jié)構(gòu)。如第11圖所示，第一基材10可以為一微機(jī)電晶圓，其上設(shè)有至少一微機(jī)電組件54，而第二基材20可以為CMOS晶圓，其上設(shè)有至少一電子電路組件62，而第三實(shí)施例或第四實(shí)施例中的金屬堆棧層50，可設(shè)置于第一基材10和第二基材20之間用來密封接合微機(jī)電組件54，并且作為第一基材10和第二基材20之機(jī)械及電性接點(diǎn)，同樣地，金屬堆棧層50至少包含合金層30、第一銀層18和第二銀層24，另外，附著層14和阻絕層16則可以選擇性設(shè)置。此外，第一基材和第二基材之間設(shè)有至少一焊墊56，焊墊56亦含有包含Ag3Sn金屬間化合物，焊墊56與微機(jī)電組件54以及電子電路組件62電鏈接，因此，微機(jī)電組件54之電子訊號可藉由焊墊56傳遞至CMOS晶圓上的電子線路，再經(jīng)由金屬內(nèi)聯(lián)線輸出。本發(fā)明揭露一種封裝結(jié)構(gòu)及基材接合的方法，在一晶圓上形成銀層，并在另一晶圓上交替形成銀和錫的堆棧層。進(jìn)行晶圓接合時(shí)，由于Ag3Sn金屬間化合物的可由錫與上下兩層銀接觸之界面開始生成，因此可縮短相互擴(kuò)散所需之時(shí)間，在較短的時(shí)間內(nèi)使銀和錫形成Ag3Sn共晶。另外，在接合制程完成后，加入一接合后退火步驟，使純錫大量轉(zhuǎn)化Ag3Sn金屬間化合物并均勻分布於錫層中，進(jìn)一步提升接合的強(qiáng)度及密封等特性。上述實(shí)施例僅是為了方便說明而舉例，雖遭所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員任意進(jìn)行修改，均不會脫離如權(quán)利要求書中所欲保護(hù)的范圍。