CN105633038B - 一种定向生长的铜柱凸点互连结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向生长的铜柱凸点互连结构及其制备方法，属于微电子和微机电系统封装领域。该铜柱凸点互连结构包括晶圆基底、绝缘层、金属盘、介电层、种子层、铜柱和焊料凸点，所述铜柱含有定向生长的纳米孪晶铜组织；在铜柱的顶端设有焊料凸点。本发明利用传统的直流电镀工艺在晶圆基底上制备含有定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构，一方面可以利用纳米孪晶铜的高强高导等优良特点提高铜柱凸点的互连性能和服役可靠性，另一方面因直流电镀工艺可以和现有的晶圆级封装技术兼容，使该发明成果更容易实现产业化。

Description

一种定向生长的铜柱凸点互连结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子及微机电系统封装技术领域，具体涉及一种定向生长的铜柱凸点互连结构及其制备方法，其基于直流电镀技术在晶圆基底上制备定向生长的铜柱凸点互连结构。该方法可适用于晶圆级封装过程中使用填铜工艺的铜柱凸点技术。
背景技术
近年来，在微电子互连领域，常见的封装形式为SIP、CSP或是BGA等。这些封装技术已经在电脑、手机、内存设备中得到了广泛的应用，但飞速发展的电子行业一直是在寻求一种如何在更小的尺寸上实现更大密度互连的封装结构。因此，铜柱凸点技术以及如何实现晶圆级水平的封装成为业内对高密度封装结构的研究热点之一。
在与传统互连形式的对比中不难发现铜柱凸点技术的优势，以BGA为例进行简要说明。BGA是通过焊球实现互连，但随着封装密度的提高，焊球越来越密以及由焊球直径所决定的互连高度越来越小，这就带来了回流时焊球之间易桥连、底部填充困难的问题。人们的解决之道就是采用铜柱凸点这种封装结构，一方面高深宽比的铜柱使得底部填充变得容易，另一方面而铜柱顶端的少量焊料在回流过程中的熔化不会引发桥连的问题。
铜柱凸点的使用在一定程度上解决了BGA发展所面临的瓶颈，但是在晶圆级封装过程中，为了获得优异的性能，互连材料的机械性能、导电性和可靠性起着更为关键的作用。然而，纯铜是一种非常软的金属，当铜柱深宽比较高时，其强度问题令人堪忧。若是通过添加合金元素、冷变形等方法来提高铜的强度，则其导电性会显著降低。因此，近些年来，有人通过改变纯铜的组织，即制备纳米孪晶铜来解决强度与导电性难以兼容的问题(Science304(2004)422)。
纳米孪晶铜是指晶粒内部存在高密度的共格孪晶界、孪晶片层厚度为纳米级别(小于100nm)的纯铜。大量的力学方面的研究表明纳米孪晶铜非常罕见地同时具备高的机械性能和高的导电性；同时，对其物理性能的研究也表明纳米孪晶铜具备很高的界面可靠性和热稳定性。
然而，现有的纳米孪晶铜制备技术主要是以Ti板或是非晶的Ni‐P薄膜为阴极板制备可以剥落的纳米孪晶铜块体材料，这与微电子行业中以晶圆为基底进行电镀的工艺相去甚远，也尚无在微电子行业中应用这种高性能纳米孪晶铜的案例。考虑到目前晶圆级封装已成为电子封装产业的主要发展趋势之一，因此如何实现在晶圆上定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连体对于提高整片晶圆上互连体的性能具有显著应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向生长的铜柱凸点互连结构及其制备方法，利用直流电镀手段在整片晶圆上定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点结构，依据所生长纳米孪晶铜高强、高导电性以及高的电迁移抗性和热稳定性这些特点，从而提高晶圆级封装互连体的力学、电学、热学性能及服役可靠性。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种定向生长的铜柱凸点互连结构，包括晶圆基底、绝缘层、金属盘、介电层、种子层、铜柱和焊料凸点；其中：所述晶圆基底的表面制备有绝缘层，所述金属盘设置在晶圆基底表面的绝缘层上，所述介电层覆盖在绝缘层上以及金属盘的外边缘上，所述种子层溅射在金属盘上，种子层上电镀垂直于晶圆基底的铜柱，铜柱的顶端设置焊料凸点。
所述定向生长的铜柱凸点互连结构还包括中间金属层，根据合金成分及界面反应需要，所述中间金属层设置在金属盘和种子层之间，或者设置在铜柱与焊料凸点之间。
所述晶圆基底为硅或硅锗半导体材料，或者含有硅或硅锗的芯片或器件。
所述绝缘层为氧化硅或氮化硅，所述介电层为氧化物或聚合物。
所述种子层包括钛层及铜层，铜层与铜柱相接，其中钛层亦被称为粘附层。
所述铜柱为纳米孪晶铜，铜柱内部含有定向生长的柱状晶结构，柱状晶的生长方向与晶圆衬底垂直，柱状晶内部存在平行于晶圆衬底平面的孪晶片层，孪晶片层厚度小于100nm。
上述定向生长的铜柱凸点互连结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备有绝缘层的晶圆基底，在绝缘层上面设置金属盘；或者直接使用已经设置好金属盘及互连线的芯片作为基底；
(2)在绝缘层和金属盘上沉积介电层，刻蚀介电层使金属盘表面暴露在介电层窗口中；
(3)沉积种子层于介电层和暴露出来的金属盘上；
(4)涂覆光刻胶于种子层之上，并对所述光刻胶图形化，以暴露出金属盘上方的种子层；
(5)以光刻胶窗口内暴露出来的种子层为阴极，直流电镀铜柱，铜柱通过种子层与底部金属盘相连，铜柱侧壁与光刻胶直接接触；
(6)在所述铜柱顶端电镀焊料；
(7)去除光刻胶；
(8)去除介电层上的多余种子层；
(9)对铜柱顶端的焊料进行回流形成焊料凸点。
上述步骤(5)中电镀之前应进行种子层的活化处理，使用5wt.％的盐酸进行酸洗活化，保证镀层和基体的结合强度。
步骤(5)中，所述直流电镀铜柱的过程中：电镀液组成为：硫酸铜120～200g/L，硫酸或甲基磺酸3～80mL/L，氯化钠30～100ppm(按氯化钠中的氯含量计算)，润湿剂为＞0～100ppm，表面活性剂10～100ppm，其余为水；所述润湿剂为聚乙二醇或聚乙烯亚胺，采用聚乙二醇时，其在电镀液中浓度为10～100ppm，采用聚乙烯亚胺时，其在电镀液中浓度为＞0～10ppm；所述表面活性剂为明胶。
电镀液的组分中，采用硫酸时，硫酸在电镀液中浓度为3～35mL/L,采用甲基磺酸时，其在电镀液中浓度为5～80mL/L。
步骤(5)电镀过程中：电镀阳极板采用磷铜板，磷铜板中P元素含量为0.03‐0.075wt.％，电流密度为10‐100mA/cm2，电镀过程中采用电磁搅拌方式保证镀液中浓度均匀一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、在晶圆基底上制备含有定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构，铜柱内部含有大量定向生长的纳米孪晶铜组织，孪晶片层厚度小于100nm，可以充分利用纳米孪晶铜的高强高导等优良特点提高铜柱凸点的互连性能和服役可靠性；
2、本发明与以往电镀采用Ti板或是非晶的Ni-P薄膜作为阴极板不同，本发明所用阴极板为晶圆基底上的种子层，晶圆基底可以为硅、硅锗等各种半导体材料，以及含有它们的芯片或器件。
3、本发明利用特定的直流电镀工艺在光刻胶开口处种子层上沉积了纳米孪晶铜柱，所述纳米孪晶铜柱周围被光刻胶包裹，光刻胶开孔的侧壁并不存在种子层，铜柱与底部金属盘通过种子层相连接。所述直流电镀方法制备的纳米孪晶铜柱为生长方向与晶圆衬底垂直的柱状晶结构，晶粒内部存在高密度的平行于生长平面的共格孪晶界。
4、本发明所采用的直流电镀工艺，可以和现有的晶圆级封装制备技术兼容，使该发明成果更容易实现产业化。
附图说明
图1是晶圆上定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构的示意图。
图2是利用直流电镀方式定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构的具体实施方式流程图；其中：
图(a)准备有绝缘层的晶圆基底；
图(b)设置金属盘，沉积介电层；
图(c)选择性刻蚀介电层；
图(d)沉积种子层；
图(e)涂覆光刻胶，刻蚀以暴露出种子层；
图(f)电镀纳米孪晶铜柱；
图(g)电镀焊料；
图(h)去除光刻胶；
图(i)去除介电层上的种子层；
图(j)回流形成焊料凸点。
图1-2中：1-晶圆基底；2-绝缘层；3-介电层；4-金属盘；5-种子层；6-铜柱；7-焊料凸点；8-光刻胶；9-焊料。
图3是利用直流电镀方法制备的纳米孪晶铜组织的扫描电镜照片。
图4是利用直流电镀方法制备的纳米孪晶片层的透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明定向生长的铜柱凸点互连结构，包括晶圆基底1、绝缘层2、金属盘4、介电层3、种子层5、铜柱6和焊料凸点7；其中：晶圆基底1的表面制备有绝缘层2，金属盘4设置在晶圆基底1表面的绝缘层2上，介电层3覆盖在绝缘层2上以及金属盘4的外边缘上，种子层5溅射在金属盘4上，种子层5上电镀垂直于晶圆基底1的铜柱6，铜柱6的顶端设置焊料凸点7。根据合金成分及界面反应需要，该铜柱凸点互连结构还可能设置中间金属层，可选择性设置在金属盘和种子层之间，或者设置在铜柱与焊料凸点之间。
所述晶圆基底为硅或硅锗半导体材料，或者含有硅或硅锗的芯片或器件；值得一提的是，电镀过程中使用的阴极板为封装企业中的晶圆基底(设置了金属盘和种子层的晶圆基底，本发明电镀时以种子层为阴极)，这不同于以往报道的制备块体材料用的Ti板或是非晶的Ni-P薄膜。
所述绝缘层为氧化硅或氮化硅，所述介电层为氧化物或聚合物(聚合物可为环氧树脂)，所述种子层包括钛层及铜层，铜层与铜柱相接，其中钛层亦被称为粘附层。在所述种子层5上电镀的铜柱为纳米孪晶铜柱，所述纳米孪晶铜柱的组织为柱状晶的纯铜，晶粒内部有高密度的平行于铜柱生长表面的共格孪晶界。
实施例1
图2是本发明定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构制备工艺流程图，该工艺步骤为：
(1)准备有绝缘层2的晶圆基底1，如图2(a)，在绝缘层2上面设置金属盘4；或者直接使用已经设置好金属盘及互连线的芯片作为基底；
(2)在绝缘层2和金属盘4上沉积介电层3，如图2(b)，选择性地掩蔽和刻蚀介电层使金属盘4表面暴露在介电层3窗口中，如图2(c)；
(3)沉积种子层5于介电层3和暴露出来的金属盘4上，如图2(d)；沉积种子层的方法为物理气相沉积(PVD)或溅射等，种子层厚度为200nm左右，材料为Ti和Cu；
(4)涂覆光刻胶8于种子层之上，并对所述光刻胶层图形化，以暴露出金属盘上方的种子层，如图2(e)；涂覆的光刻胶8为厚胶，以满足铜柱凸点高深宽比的要求；
(5)对种子层使用5wt.％的盐酸进行酸洗活化，然后活化后的种子层5为阴极，直流电镀纳米孪晶铜柱6，铜柱6通过种子层5与底部金属盘4相连，铜柱侧壁与光刻胶8直接接触，即铜柱侧壁周围被光刻胶包裹，光刻胶开孔的侧壁并不存在种子层，如图2(f)；
(6)利用传统工艺在纳米孪晶铜柱顶端电镀焊料9，如图2(g)；
(7)去除光刻胶8，如图2(h)；
(8)去除介电层3上的多余种子层，如图2(i)；
(9)对焊料9进行回流形成焊料凸点7，如图2(j)。
上述步骤(5)直流电镀纳米孪晶铜柱时，电镀液组成为：硫酸铜200g/L，硫酸31mL/L，氯化钠(以氯元素计算的浓度为30ppm)，聚乙二醇10ppm，明胶20ppm，其余为水。
电镀工艺参数为：电镀阳极板采用磷铜板(P含量为0.03-0.075wt.％)，电流密度为30mA/cm2，电镀过程采用电磁搅拌方式保证镀液中浓度均匀一致。
本实施例制备的铜柱凸点互连结构中电镀的纳米孪晶铜柱截面组织为：与晶圆基底垂直的柱状晶粒，晶粒内部有高密度的平行于薄膜生长平面(晶圆基底表面)的共格孪晶界(如图3所示)，孪晶片层厚度在100nm以内(如图4所示)。
实施例2
本实施例为定向生长纳米孪晶铜的铜柱凸点互连结构制备工艺，其与实施例1不同之处在于：步骤(5)直流电镀铜柱的过程中：电镀液组成为：硫酸铜200g/L，甲基磺酸40mL/L，氯化钠30ppm(按氯化钠中的氯含量计算)，聚乙烯亚胺5ppm，明胶20ppm，其余为水；电镀阳极板采用磷铜板，磷铜板中P元素含量为0.03‐0.075wt.％，电流密度为40mA/cm2，电镀过程中采用电磁搅拌方式保证镀液中浓度均匀一致。
对本实施例所得铜柱凸点互连结构中的铜柱截面组织进行分析，其结果与实施例1相同，即为纳米孪晶铜，铜柱内部为生长方向与晶圆衬底垂直的柱状晶粒，柱状晶内部存在平行于晶圆衬底平面的孪晶片层，孪晶片层厚度小于100nm。

Claims (7)

1.一种定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：该铜柱凸点互连结构包括晶圆基底、绝缘层、金属盘、介电层、种子层、铜柱和焊料凸点；其中：所述晶圆基底的表面制备有绝缘层，所述金属盘设置在晶圆基底表面的绝缘层上，所述介电层覆盖在绝缘层上以及金属盘的外边缘上，所述种子层溅射在金属盘上，种子层上电镀垂直于晶圆基底的铜柱，铜柱的顶端设置焊料凸点；所述铜柱为纳米孪晶铜，铜柱内部含有定向生长的柱状晶结构，柱状晶的生长方向与晶圆基底垂直，柱状晶内部存在平行于晶圆基底平面的孪晶片层，孪晶片层厚度小于100nm；
该铜柱凸点互连结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)准备有绝缘层的晶圆基底，在绝缘层上面设置金属盘；或者直接使用已经设置好金属盘及互连线的芯片作为基底；
(2)在绝缘层和金属盘上沉积介电层，刻蚀介电层使金属盘表面暴露在介电层窗口中；
(3)沉积种子层于介电层和暴露出来的金属盘上；
(4)涂覆光刻胶于种子层之上，并对所述光刻胶图形化，以暴露出金属盘上方的种子层；
(5)以光刻胶窗口内暴露出来的种子层为阴极，直流电镀铜柱，铜柱通过种子层与底部金属盘相连，铜柱侧壁与光刻胶直接接触；所述直流电镀铜柱的过程中：电镀液组成为：硫酸铜120～200g/L，硫酸或甲基磺酸3～80mL/L，氯化钠30～100ppm，润湿剂为5～100ppm，表面活性剂10～100ppm，其余为水；电镀阳极板采用磷铜板，磷铜板中P元素含量为0.03-0.075wt.％，电流密度为10-100mA/cm2；
(6)在所述铜柱顶端电镀焊料；
(7)去除光刻胶；
(8)去除介电层上的多余种子层；
(9)对铜柱顶端的焊料进行回流形成焊料凸点。
2.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：所述铜柱凸点互连结构还包括中间金属层，所述中间金属层设置在金属盘和种子层之间，或者设置在铜柱与焊料凸点之间。
3.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：所述晶圆基底为硅或硅锗半导体材料，或者含有硅或硅锗的芯片或器件。
4.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：所述绝缘层为氧化硅或氮化硅，所述介电层为氧化物或聚合物。
5.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：所述种子层包括钛层及铜层，铜层与铜柱相接。
6.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：步骤(5)进行电镀之前应进行种子层的活化处理，使用5wt.％的盐酸进行酸洗活化，保证镀层和基体的结合强度。
7.根据权利要求1所述的定向生长的铜柱凸点互连结构，其特征在于：所述电镀液中的润湿剂为聚乙二醇或聚乙烯亚胺，采用聚乙二醇时，其在电镀液中浓度为10～100ppm，采用聚乙烯亚胺时，其在电镀液中浓度为5～10ppm；所述表面活性剂为明胶；电镀液的组分中采用硫酸时，硫酸在电镀液中浓度为3～35mL/L,采用甲基磺酸时，其在电镀液中浓度为5～80mL/L。
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