一種定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子及微機電系統(tǒng)封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，其基于直流電鍍技術(shù)在晶圓基底上制備定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)。該方法可適用于晶圓級封裝過程中使用填銅工藝的銅柱凸點技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，在微電子互連領(lǐng)域，常見的封裝形式為SIP、CSP或是BGA等。這些封裝技術(shù)已經(jīng)在電腦、手機、內(nèi)存設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，但飛速發(fā)展的電子行業(yè)一直是在尋求一種如何在更小的尺寸上實現(xiàn)更大密度互連的封裝結(jié)構(gòu)。因此，銅柱凸點技術(shù)以及如何實現(xiàn)晶圓級水平的封裝成為業(yè)內(nèi)對高密度封裝結(jié)構(gòu)的研究熱點之一。
[0003]在與傳統(tǒng)互連形式的對比中不難發(fā)現(xiàn)銅柱凸點技術(shù)的優(yōu)勢，以BGA為例進行簡要說明。BGA是通過焊球?qū)崿F(xiàn)互連，但隨著封裝密度的提高，焊球越來越密以及由焊球直徑所決定的互連高度越來越小，這就帶來了回流時焊球之間易橋連、底部填充困難的問題。人們的解決之道就是采用銅柱凸點這種封裝結(jié)構(gòu)，一方面高深寬比的銅柱使得底部填充變得容易，另一方面而銅柱頂端的少量焊料在回流過程中的熔化不會引發(fā)橋連的問題。
[0004]銅柱凸點的使用在一定程度上解決了 BGA發(fā)展所面臨的瓶頸，但是在晶圓級封裝過程中，為了獲得優(yōu)異的性能，互連材料的機械性能、導(dǎo)電性和可靠性起著更為關(guān)鍵的作用。然而，純銅是一種非常軟的金屬，當(dāng)銅柱深寬比較高時，其強度問題令人堪憂。若是通過添加合金元素、冷變形等方法來提高銅的強度，則其導(dǎo)電性會顯著降低。因此，近些年來，有人通過改變純銅的組織，即制備納米孿晶銅來解決強度與導(dǎo)電性難以兼容的問題(Science304(2004)422)。
[0005]納米孿晶銅是指晶粒內(nèi)部存在高密度的共格孿晶界、孿晶片層厚度為納米級別(小于10nm)的純銅。大量的力學(xué)方面的研究表明納米孿晶銅非常罕見地同時具備高的機械性能和高的導(dǎo)電性；同時，對其物理性能的研究也表明納米孿晶銅具備很高的界面可靠性和熱穩(wěn)定性。
[0006]然而，現(xiàn)有的納米孿晶銅制備技術(shù)主要是以Ti板或是非晶的N1-P薄膜為陰極板制備可以剝落的納米孿晶銅塊體材料，這與微電子行業(yè)中以晶圓為基底進行電鍍的工藝相去甚遠，也尚無在微電子行業(yè)中應(yīng)用這種高性能納米孿晶銅的案例?？紤]到目前晶圓級封裝已成為電子封裝產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展趨勢之一，因此如何實現(xiàn)在晶圓上定向生長納米孿晶銅的銅柱凸點互連體對于提高整片晶圓上互連體的性能具有顯著應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，利用直流電鍍手段在整片晶圓上定向生長納米孿晶銅的銅柱凸點結(jié)構(gòu)，依據(jù)所生長納米孿晶銅高強、高導(dǎo)電性以及高的電迀移抗性和熱穩(wěn)定性這些特點，從而提高晶圓級封裝互連體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能及服役可靠性。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]—種定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)，包括晶圓基底、絕緣層、金屬盤、介電層、種子層、銅柱和焊料凸點；其中:所述晶圓基底的表面制備有絕緣層，所述金屬盤設(shè)置在晶圓基底表面的絕緣層上，所述介電層覆蓋在絕緣層上以及金屬盤的外邊緣上，所述種子層濺射在金屬盤上，種子層上電鍍垂直于晶圓基底的銅柱，銅柱的頂端設(shè)置焊料凸點。
[0010]所述定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)還包括中間金屬層，根據(jù)合金成分及界面反應(yīng)需要，所述中間金屬層設(shè)置在金屬盤和種子層之間，或者設(shè)置在銅柱與焊料凸點之間。
[0011]所述晶圓基底為硅或硅鍺半導(dǎo)體材料，或者含有硅或硅鍺的芯片或器件。
[0012]所述絕緣層為氧化硅或氮化硅，所述介電層為氧化物或聚合物。
[0013]所述種子層包括鈦層及銅層，銅層與銅柱相接，其中鈦層亦被稱為粘附層。
[0014]所述銅柱為納米孿晶銅，銅柱內(nèi)部含有定向生長的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶的生長方向與晶圓襯底垂直，柱狀晶內(nèi)部存在平行于晶圓襯底平面的孿晶片層，孿晶片層厚度小于10nm0
[0015]上述定向生長的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0016](I)準(zhǔn)備有絕緣層的晶圓基底，在絕緣層上面設(shè)置金屬盤；或者直接使用已經(jīng)設(shè)置好金屬盤及互連線的芯片作為基底；
[0017](2)在絕緣層和金屬盤上沉積介電層，刻蝕介電層使金屬盤表面暴露在介電層窗口中；
[0018](3)沉積種子層于介電層和暴露出來的金屬盤上；
[0019](4)涂覆光刻膠于種子層之上，并對所述光刻膠圖形化，以暴露出金屬盤上方的種子層；
[0020](5)以光刻膠窗口內(nèi)暴露出來的種子層為陰極，直流電鍍銅柱，銅柱通過種子層與底部金屬盤相連，銅柱側(cè)壁與光刻膠直接接觸；
[0021 ] (6)在所述銅柱頂端電鍍焊料；
[0022](7)去除光刻膠；
[0023](8)去除介電層上的多余種子層；
[0024](9)對銅柱頂端的焊料進行回流形成焊料凸點。
[0025]上述步驟(5)中電鍍之前應(yīng)進行種子層的活化處理，使用5wt.%的鹽酸進行酸洗活化，保證鍍層和基體的結(jié)合強度。
[0026]步驟(5)中，所述直流電鍍銅柱的過程中:電鍍液組成為:硫酸銅120?200g/L，硫酸或甲基磺酸3?80mL/L，氯化鈉30?10ppm (按氯化鈉中的氯含量計算)，潤濕劑為> O?lOOppm，表面活性劑10?lOOppm，其余為水；所述潤濕劑為聚乙二醇或聚乙稀亞胺，采用聚乙二醇時，其在電鍍液中濃度為10?lOOppm，采用聚乙烯亞胺時，其在電鍍液中濃度為> O?1ppm ;所述表面活性劑為明膠。
[0027]電鍍液的組分中，采用硫酸時，硫酸在電鍍液中濃度為3?35mL/L，采用甲基磺酸時，其在電鍍液中濃度為5?80mL/L。
[0028]步驟(5)電鍍過程中:電鍍陽極板采用磷銅板，磷銅板中P元素含量為
0.03 - 0.075wt.%，電流密度為10 - 100mA/cm2,電鍍過程中采用電磁攪拌方式保證鍍液中濃度均勻一致。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0030]1、在晶圓基底上制備含有定向生長納米孿晶銅的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)，銅柱內(nèi)部含有大量定向生長的納米孿晶銅組織，孿晶片層厚度小于lOOnm，可以充分利用納米孿晶銅的尚強尚導(dǎo)等優(yōu)良特點提尚銅柱凸點的互連性能和服役可靠性；
[0031]2、本發(fā)明與以往電鍍采用Ti板或是非晶的N1-P薄膜作為陰極板不同，本發(fā)明所用陰極板為晶圓基底上的種子層，晶圓基底可以為硅、硅鍺等各種半導(dǎo)體材料，以及含有它們的芯片或器件。
[0032]3、本發(fā)明利用特定的直流電鍍工藝在光刻膠開口處種子層上沉積了納米孿晶銅柱，所述納米孿晶銅柱周圍被光刻膠包裹，光刻膠開孔的側(cè)壁并不存在種子層，銅柱與底部金屬盤通過種子層相連接。所述直流電鍍方法制備的納米孿晶銅柱為生長方向與晶圓襯底垂直的柱狀晶結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)部存在高密度的平行于生長平面的共格孿晶界。
[0033]4、本發(fā)明所采用的直流電鍍工藝，可以和現(xiàn)有的晶圓級封裝制備技術(shù)兼容，使該發(fā)明成果更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【附圖說明】
[0034]圖1是晶圓上定向生長納米孿晶銅的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0035]圖2是利用直流電鍍方式定向生長納米孿晶銅的銅柱凸點互連結(jié)構(gòu)的【具體實施方式】流程圖；其中:
[0036]圖(a)準(zhǔn)備有絕緣層的晶圓基底；
[0037]圖(b)設(shè)置金屬盤，沉積介電層；
[0038]圖(c)選擇性刻蝕介電層；
[0039]圖(d)沉積種子層；
[0040]圖(e)涂覆光刻膠，刻蝕以暴露出種子層；
[0041]圖(f)電鍍納米孿晶銅柱；
[0042]圖(g)電鍍焊料；
[0043]圖(h)去除光刻膠；
[0044]圖⑴去除介電層上的種子層；
[0045]圖(j)回流形成焊料凸點。
[0046]圖1-2中:1-晶圓基底；2_絕緣層；3_介電層；4_金屬盤；5_種子層；6-銅柱；7-焊料凸點；8_光刻膠；9_焊料。
[0047]圖3是利用直流電鍍方法制備的納米孿晶銅組織的掃描電鏡照片。
[0048]圖4是利用直流電鍍方法制備的納米孿晶片層的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0050]圖1是本發(fā)明定向生長