CN107546139B - 微铜柱的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微铜柱的制造方法，包括：步骤一、在绝缘衬底上完成多层RDL金属互连结构，在最后一层金属互连结构外对应导电通道位置处设置焊盘；步骤二、制作微阳极，微阳极的直径与微铜柱的直径相匹配；步骤三、制作微阳极夹具盘，将制作好的微阳极安装于微阳极夹具盘上对应焊盘的区域，并将各微阳极连通；步骤四、将装有微阳极的微阳极夹具盘放置在芯片上方，使微阳极与焊盘一一对应，将微阳极夹具盘连接至电镀电源的正极，芯片连接至电镀电源的负极；步骤五、采用局部电化学沉积方法，在焊盘上电镀沉积出需要的微铜柱。对设备的要求较低，制备过程简单，降低了制作成本；并且可通过多焊盘和多微阳极同时制备多个微铜柱，生产效率较高。

Description

微铜柱的制造方法

技术领域

本发明属于微电子三维集成互连领域，具体涉及一种微铜柱的制造方法。

背景技术

集成电路(IC)制造是高新技术核心的产业之一。为应对尺寸更小、功能更强的需求挑战，IC的集成度增加、特征线宽降低到32nm以下，逐渐接近物理极限。业界认为更有效的解决方法之一是系统级封装(System in Package，SiP)技术。即将多个不同功能的有源/无源/MEMS/生物芯片等器件，在三维高度方向上互连，组装成多功能的单个标准封装子系统的先进封装技术。

微铜柱是实现不同芯片层之间电学互连的必要结构之一，一般是在布线层上的焊盘中，制造微铜柱(copper pillar)，通过微铜柱与临近层的微铜柱的键合，实现不同芯片层之间电学互连。

目前工业上制造微铜柱的方法主要是图形化电镀工艺，其主要步骤为：1)通过PVD工艺淀积金属粘附层/扩散阻挡层/铜种子层；2)通过旋转涂敷光刻胶或干膜工艺涂布光刻胶薄膜；3)通过曝光/显影等工艺对光刻胶进行图形化处理，在光刻胶被显影和去除的区域进行铜电镀；4)在通过化学溶液去除光刻胶，最后利用化学试剂刻蚀种子层/阻挡层/金属粘附层。这样的制造方法存在以下问题：1)制造步骤复杂，需要动则上千万的昂贵光刻和电镀设备，制造成本高；2)微铜柱的电镀速度慢，制造效率低，高度为40um的微铜柱凸点电镀时间约为2小时；3)无法可控的制造非圆柱形的微铜柱，比如锥形凸点。有研究表明，锥形微铜柱可以避免凸点之间因高度差异导致键合失效的现象，还可以由于机械嵌入作用，提高互连点之间的连接强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过程简单、效率高、成本低的微铜柱的制造方法。

本发明提供了一种微铜柱的制造方法，它包括以下步骤：

步骤一、在绝缘衬底上完成多层RDL金属互连结构，在最后一层金属互连结构外对应导电通道位置处设置焊盘；

步骤二、制作微阳极，微阳极的直径与微铜柱的直径相匹配；

步骤三、制作微阳极夹具盘，将制作好的微阳极安装于微阳极夹具盘上对应焊盘的区域，并将各微阳极连通；

步骤四、将装有微阳极的微阳极夹具盘放置在芯片上方，使微阳极与焊盘一一对应，将微阳极夹具盘连接至电镀电源的正极，芯片连接至电镀电源的负极；

步骤五、采用局部电化学沉积方法，在焊盘上电镀沉积出需要的微铜柱。

在上述步骤五中局部电化学沉积方法的具体步骤为：

(1)将带有焊盘的芯片和装有微阳极的微阳极夹具置于电解液中，焊盘接阴极，微阳极接阳极，施加测试电势，微阳极下行；

(2)微阳极下行至与焊盘接触后关闭电源，控制微阳极上行至与焊盘之间距离为设定间距后施加电镀电势，微阳极与焊盘之间的局部空间内形成局部电场，在局部电场作用下微铜柱开始沉积生长；

(3)当微铜柱持续生长至碰触到微阳极底面时，电流突然增大，切断电流，控制微阳极再次上升一个设定间距的行程；

(4)循环重复(3)，直至微铜柱的高度达到制造要求。

在一个具体实施方式中，使所述电镀电势的范围为2.0V—2.5V。

在一个具体实施方式中，使所述设定间距小于等于5um时沉积出的微铜柱为圆柱型，设定间距的大于5um、小于等于25um时沉积出的微铜柱为圆台型。

在一个具体实施方式中，所述微阳极包括铂丝电极和包裹于铂丝电极外的绝缘层，铂丝电极的直径匹配于微铜柱的直径。

在一个具体实施方式中，所述微阳极夹具盘上对应所述焊盘的位置处开设有安装孔，所述微阳极的一端埋入安装孔内。

在一个具体实施方式中，所述绝缘衬底为硅衬底，所述导电通道为TSV。

本发明通过焊盘与微阳极之间的电化学沉积来得到需要的微铜柱，该方法只需用到常用的带有焊盘的芯片，并制作微阳极夹具盘，将微阳极紧固在夹具盘上与焊盘呈一一对应的关系，对正后接通正负极放入电解液内即可；整个制备过程对设备的要求较低，制备过程简单，降低了制作成本；并且可通过多焊盘和多微阳极同时制备多个微铜柱，生产效率较高。

附图说明

图1为本发明一个优选实施中芯片的剖视示意图。

图2为本优选实施中微阳极的剖视放大示意图。

图3为本优选实施中微阳极夹具盘与微阳极的装配示意图。

图4为本优选实施中微阳极夹具盘与芯片的使用状态示意图。

图5为本优选实施中一个微铜柱的沉积过程示意图。

图6为制备锥形微铜柱时电场示意图。

图示序号：

1—芯片、2—微阳极、3—微阳极夹具盘、11—硅衬底、12—RDL金属互连结构、13—TSV、14—焊盘、21—铂丝电极、22—绝缘层。

具体实施方式

本实施例提供的这种微铜柱的制造方法，包括以下步骤：

步骤一，制备如图1所示的芯片1，芯片1包括硅衬底11和制备于硅衬底上的多层RDL金属互连结构12，并在硅衬底内设有多条TSV13，在最外层RDL金属互连结构外对应各TSV位置处均设有焊盘14；

步骤二，制备如图2所示的微阳极2，微阳极2包括铂丝电极21和包过在铂丝电极外的绝缘层22，并将铂丝电极的直径设置为20微米；

步骤三，制备如图3所示的微阳极夹具盘3，微阳极夹具盘上对应焊盘位置处开设有安装孔，将微阳极2的一端埋入安装孔内，并使各微阳极通过导线连通；

步骤四，如图4所示，将装有微阳极的微阳极夹具盘放置在芯片上方，使微阳极与焊盘一一对应，将微阳极夹具盘连接至电镀电源的正极，芯片连接至电镀电源的负极；

步骤五、首先将带有焊盘的芯片和装有微阳极的微阳极夹具置于电解液中，焊盘接阴极，微阳极接阳极，施加0.1V的测试电势，微阳极下行；

其次当微阳极下行至与焊盘接触后关闭电源，控制微阳极上行至与焊盘之间距离为5um后施加2.3V的电镀电势，使微阳极的下端与焊盘之间的局部空间内形成局部电场，在局部电场作用下微铜柱开始沉积生长；

接着当微铜柱持续生长至碰触到微阳极底面时，电流突然增大，切断电流，控制微阳极再次上升0.5um，继续施加2.3V的电镀电势，微阳极的下端与焊盘之间的局部空间内形成局部电场，在局部电场作用下微铜柱开始沉积生长直至与微阳极顶面接触，循环重复该步骤直至微铜柱的高度达到制造要求。

微铜柱的沉积过程如图5所示。

另外，还可以在步骤五中控制微阳极与焊盘之间距离为8um，使微阳极与焊盘之间的电场呈锥形分布，如图6所示，使得微阳极中心区域场强大，铜沉积速度快，微阳极边缘区域场强小，铜沉积速度慢。因此，可以通过调控微阳极与焊盘的间距，可以制造不同锥度且锥度可控的锥形微铜柱，也得到更好的键合性能，不需要传统电镀工艺中额外附加繁琐的制造过程。

本实施例利用局部电化学沉积来进行互连微铜柱的制备，一方面局部电化学沉积的电镀速度远大于传统电镀工艺，大大提高了微铜柱制造的效率；另一方面电镀过程简单，对设备需求低，大大降低了微凸点的制造成本。并且微阳极可以根据微铜柱的位置灵活设置，具有高度灵活性，不仅能够同时进行多个微铜柱的制备，还可以满足各种不同规格芯片的需求。

Claims (6)

1.一种微铜柱的制造方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、在绝缘衬底上完成多层RDL金属互连结构，在最后一层金属互连结构外对应导电通道位置处设置焊盘；

步骤二、制作微阳极，微阳极的直径与微铜柱的直径相匹配；

步骤三、制作微阳极夹具盘，将制作好的微阳极安装于微阳极夹具盘上对应焊盘的区域，并将各微阳极连通；

步骤四、将装有微阳极的微阳极夹具盘放置在芯片上方，使微阳极与焊盘一一对应，将微阳极夹具盘连接至电镀电源的正极，芯片连接至电镀电源的负极；

步骤五、采用局部电化学沉积方法，在焊盘上电镀沉积出需要的微铜柱，局部电化学沉积方法的具体步骤为：

（1）将带有焊盘的芯片和装有微阳极的微阳极夹具置于电解液中，焊盘接阴极，微阳极接阳极，施加测试电势，微阳极下行；

（2）微阳极下行至与焊盘接触后关闭电源，控制微阳极上行至与焊盘之间距离为设定间距后施加电镀电势，微阳极与焊盘之间的局部空间内形成局部电场，在局部电场作用下微铜柱开始沉积生长；

（3）当微铜柱持续生长至碰触到微阳极底面时，电流突然增大，切断电流，控制微阳极再次上升一个设定间距的行程；

（4）循环重复（3），直至微铜柱的高度达到制造要求。

2.根据权利要求1所述的微铜柱的制造方法，其特征在于：所述电镀电势的范围为2.0V—2.5V。

3.根据权利要求2所述的微铜柱的制造方法，其特征在于：所述设定间距小于等于5um时沉积出的微铜柱为圆柱型，设定间距的大于5um、小于等于25um时沉积出的微铜柱为圆台型。

4.根据权利要求1所述的微铜柱的制造方法，其特征在于：所述微阳极包括铂丝电极和包裹于铂丝电极外的绝缘层，铂丝电极的直径匹配于微铜柱的直径。

5.根据权利要求1所述的微铜柱的制造方法，其特征在于：所述微阳极夹具盘上对应所述焊盘的位置处开设有安装孔，所述微阳极的一端埋入安装孔内。

6.根据权利要求1所述的微铜柱的制造方法，其特征在于：所述绝缘衬底为硅衬底，所述导电通道为TSV。