CN106521573A - 制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，属于半导体晶圆级封装领域。本发明的具有择优取向生长结构的铜层包括晶圆基底、粘附层、铜籽晶层和电镀铜层，所述电镀铜层具有Z轴择优取向生长结构。本发明利用传统的直流电镀技术采用非染料系整平剂在晶圆基底上制备具有Z轴择优取向生长结构的电镀铜层，所述电镀铜层在X轴和Z轴方向上的腐蚀反应速率不同，硬度不同，拉伸强度不同。

Description

制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法及其应用
技术领域
本发明属于电镀领域，具体而言涉及一种制备电镀铜层的方法。
背景技术
金属铜由于具有良好的导电性、导热性、低熔点和良好的延展性等优势而成为一种用于芯片互连的优异材料。铜电镀是可选择用于铜互连的方法。更高的I/O数，更高的封装密度，更小尺寸的封装结构，更可靠的性能以及热稳定性，是当前半导体先进封装的一大趋势。晶圆级封装芯片尺寸封装（WLCSP）、3D堆叠封装（3D IC packaging）以及POP（packaging on packaging）等封装形式，都是这一趋势的具体体现。
随着晶圆级封装密度的不断提高，Cu柱和RDL Line的尺寸越来越小，Cu柱以及RDLLine与晶圆基底的结合牢度决定着芯片的服役可靠性，在后续铜籽晶层去除的过程中，现有的电镀铜层的结构决定必然会出现Under Cut的缺陷，当Cu柱和RDL Line的尺寸越来越小之后，Under Cut的存在使得芯片在使用过程中极容易失效，可靠性存在问题。
电镀铜层是直接与溅射上去的铜籽晶层接触的，当电镀铜层的内部结构为无序的、没有规律的时候，与铜籽晶层的结合牢度较差，热稳定性较差，后续可靠性存在问题。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供了一种制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，该方法采用的直流电镀工艺，可以与现有的晶圆级封装制备技术兼容，电流密度范围宽，适用于Copper Pillar，RDL，UBM等铜互连技术。
本发明的另一个目的在于提供一种具有择优取向生长结构的铜层，该结构铜层具有Z轴方向择优取向，使得在X轴方向晶粒尺寸小，晶界多，Z轴方向晶粒尺寸大，晶界少，X轴和Z轴具备不一样的特性，如腐蚀速率、硬度和拉伸强度等。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，采用直流电镀的工艺，其电镀液的组成为硫酸铜120～200g/L，硫酸50～150g/L，润湿剂100～1000ppm，光亮剂5～50ppm，非染料系整平剂40～100ppm，其余为水；
电镀阳极板采用磷铜板，所述磷铜板中P元素含量为0.03～150wt.%；
电流密度为1～18A/dm2；
电镀过程中采用机械搅拌的方式保证镀液中浓度均匀一致并增加传质。
优选的，所述润湿剂为聚乙二醇或聚乙烯亚胺，所述光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠，所述非染料系整平剂为含氮的有机杂环化合物。
一种具有Z轴方向择优取向生长结构的铜层，依次包括晶圆基底、粘附层、铜籽晶层和电镀铜层，所述电镀铜层内部含有Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构，所述Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构在Z轴方向上晶粒尺寸大，晶界少，在X轴方向上晶粒尺寸小，晶界多。
优选的，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，所述粘附层为钛层。
优选的，所述铜籽晶层是采用磁控溅射方法制备上去的，所述铜籽晶层和所述电镀铜层相连。
与现有技术相比，本发明具有如下益效果：
1）本发明在晶圆基底上制备具有择优取向生长结构的电镀铜层，电镀铜层内部含有大量Z轴方向（垂直于晶圆基底）择优取向生长的近似柱状晶结构的组织，该结构在Z轴方向的反应速率非常慢，在晶圆级封装去除铜籽晶层过程中不会出现Under Cut的现象，从而保证后续芯片使用的可靠性；
2）本发明在晶圆基底上制备具有择优取向生长结构的电镀铜层，电镀铜层内部含有大量Z轴方向（垂直于晶圆基底）择优取向生长的近似柱状晶结构的组织，该结构使得在Z轴方向上的拉伸强度以及与晶圆基底上铜籽晶层的结合强度都变得非常高，从而保证了铜层的服役可靠性；
3）本发明在晶圆基底上制备具有择优取向生长结构的电镀铜层，电镀铜层内部含有大量Z轴方向（垂直于晶圆基底）择优取向生长的近似柱状晶结构的组织，该结构使得在平行于Z轴方向上的硬度非常高，而垂直于Z轴方向（平行于X轴方向）上的硬度偏低，可以根据需求制备出具有任意方向择优取向生长的铜层结构；
4）本发明采用的直流电镀工艺，可以与现有的晶圆级封装制备技术兼容，电流密度范围宽，适用于Copper Pillar，RDL，UBM等铜互连技术。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的具有Z轴方向择优取向生长结构的铜层的结构示意图。
图2为本发明的一实施例的Z轴择优取向生长结构电镀铜层底部FIB图片-5ASD。
图3为本发明的一实施例的Z轴择优取向生长结构电镀铜层FIB图片-5ASD。
图4本发明的一实施例的Z轴择优取向生长结构电镀铜层FIB图片-10ASD
图5为本发明的一实施例的电镀铜层腐蚀反应速率实验流程示意图。
图6为本发明的一实施例的腐蚀后具备Z轴择优取向生长结构电镀铜层的表面图。
图7为目前Market Leader采用的电镀添加剂电镀的普通的铜层经过微蚀之后的表面图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1：
参见图1所示，一种具有Z轴方向择优取向生长结构的铜层，依次包括晶圆基底1、粘附层2、铜籽晶层3和电镀铜层4，所述电镀铜层4内部含有Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构，所述Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构在Z轴方向上晶粒尺寸大，晶界少，在X轴方向上晶粒尺寸小，晶界多。
优选的，所述晶圆基底1为硅或硅锗半导体材料，或者含有硅或硅锗的芯片或器件，所述粘附层2为钛层。
优选的，所述铜籽晶层3是采用磁控溅射方法制备上去的，所述铜籽晶层3和所述电镀铜层4相连。
实施例2：
一种制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，采用直流电镀的工艺，其电镀液的组成为硫酸铜120～200g/L，硫酸50～150g/L，润湿剂100～1000ppm，光亮剂5～50ppm，非染料系整平剂40～100ppm，其余为水；
电镀阳极板采用磷铜板，所述磷铜板中P元素含量为0.03～150wt.%；
电流密度为1～18A/dm2；
电镀过程中采用机械搅拌的方式保证镀液中浓度均匀一致并增加传质。
优选的，所述润湿剂为聚乙二醇或聚乙烯亚胺，所述光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠，所述非染料系整平剂为含氮的有机杂环化合物。
通过本实施例的方法电镀出的具有Z轴择优取向生长结构的电镀铜层采用FIB（Focused Ion beam）对其截面结构进行表征，表征结果分别如图2、图3、图4所示。
所述电镀出的具有Z轴择优取向生长结构的电镀铜层腐蚀反应速率与目前MarketLeader电镀出的普通铜层进行实验比较，实验流程参见图5所示。
所述实验流程中分别采用授权公开号为CN103924268 B中的非染料系整平剂电镀出具有Z轴方向择优取向生长结构的电镀铜层（参见图6所示）和目前Market Leader采用的电镀添加剂电镀的普通的铜层（参见图7所示），采用相同的电镀条件在相同的电镀平台上，采用相同的实验方法得到的结果分别是具有Z轴择优取向生长结构的电镀铜层的腐蚀反应速率为0.06µm/min，不具备Z轴择优取向生长结构的普通铜层的腐蚀反应速率为0.14µm/min，具备Z轴择优取向生长结构的电镀铜层的腐蚀反应速率远小于不具备Z轴择优取向生长结构的普通铜层的腐蚀反应速率，所以在去除铜籽晶层的过程中，具备Z轴择优取向生长结构的电镀铜层Under Cut的缺陷较小，服役可靠性远好于目前市面上常用的电镀添加剂电镀出的不具备Z轴择优取向生长结构的普通电镀铜层。
所述具有Z轴方向择优取向生长结构的电镀铜层截面的硬度为156.8HV0.01，顶面硬度为120.1HV0.01，相差23.46%。不具备Z轴方向择优取向生长结构的普通铜层截面硬度为115.6HV0.01，顶面硬度为123.5HV0.01，相差7.35%。说明由于具有Z轴方向择优取向生长结构的电镀铜层在截面方向与顶面方向的硬度相差较大，而不具备这种生长结构的普通铜层截面硬度和顶面硬度值相同。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，采用直流电镀的工艺，其特征在于：
电镀液的组成为硫酸铜120～200g/L，硫酸50～150g/L，润湿剂100～1000ppm，光亮剂5～50ppm，非染料系整平剂40～100ppm，其余为水；
电镀阳极板采用磷铜板，所述磷铜板中P元素含量为0.03～150wt.%；
电流密度为1～18A/dm2；
电镀过程中采用机械搅拌的方式保证镀液中浓度均匀一致并增加传质。
2.根据权利要求1所述的制备具有择优取向生长结构的电镀铜层的方法，其特征在于：所述润湿剂为聚乙二醇或聚乙烯亚胺，所述光亮剂为聚二硫二丙烷磺酸钠，所述非染料系整平剂为含氮的有机杂环化合物。
3.通过权利要求1所述的制备方法所获得的具有Z轴方向择优取向生长结构的铜层，依次包括晶圆基底（1）、粘附层（2）、铜籽晶层（3）和电镀铜层（4），其特征在于：所述电镀铜层（4）内部含有Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构，所述Z轴方向择优取向生长的近似柱状晶结构在Z轴方向上晶粒尺寸大，晶界少，在X轴方向上晶粒尺寸小，晶界多。
4.根据权利要求3所述的具有Z轴方向择优取向生长结构的铜层，其特征在于：所述晶圆基底（1）为硅或硅锗半导体材料，或者含有硅或硅锗的芯片或器件，所述粘附层（2）为钛层。
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