CN115101507A - 一种超窄节距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子封装技术、微机电系统封装技术以及三维集成技术封装领域，涉及一种晶圆级金属微凸点制备技术，具体是一种超窄节距(节距小于50μm)nt‑Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构及其制备方法。本发明的nt‑Cu/纳米复合Ag基微凸点与普通铜凸点相比，应力小，组织均匀、稳定，工艺简单，只需要控制复合凸点的尺寸和微观结构，就可以充分利用纳米孪晶铜的综合力学性能，从而获得具有高强度，高导电性能及高可靠性能的nt‑Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构。
Description
技术领域
本发明涉及微电子封装技术、微机电系统封装技术以及三维集成技术封装领域，涉及一种晶圆级金属微凸点制备技术，具体是一种超窄节距(节距小于50μm)nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构及其制备方法。
背景技术
近年来，摩尔定律发展逐渐缓慢，在微电子封装技术领域，先进电子封装技术显得尤为重要。由于其具有高密度，高可靠性及小型化的优势被广泛应用于电脑、手机及其他智能化小型电子设备。目前，先进电子封装技术主要采用Sn-Pb、Sn-Bi、Sn-Ag-Cu等焊料进行封装。由于铅金属有毒，Sn-Pb焊料逐步被无铅焊料替代，成为主流焊料之一。但是，无铅焊料在封装中表现出热膨胀系数不匹配，导电率底，界面附着能低，界面产生的IMC容易引起电迁移，导致界面容易出现微孔，接头可靠性能降低。所以，随着集成电路行业的发展，当前迫切需要找到一种可以在更小尺寸范围内实现具有高可靠、高密度、高传输速率及低能量输入的互连封装结构。因此，Ag-Cu复合微凸点技术以及如何实现现代晶圆级水平的封装成为行业内研究的热点方向之一。复合微凸点是由铜柱和顶部其他金属或金属合金构成，通过顶部金属合金与芯片基板固相互连。相比于当前直接使用含Sn基焊料或者使用铜凸点上覆盖Sn冒的的方法进行连接，采用nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点结构进行互连时，有以下三个优点：1、可以有效的避免因电迁移而产生IMC导致可靠性能下降；2、Ag基中添加纳米颗粒可以有效抑制电化学迁移；3、可以大大降低互连的压力和温度，节省能源的同时，促进纳米复合Ag基的塑性变形，从而获得具有良好力学性能的互连结构。
在晶圆级金属的封装中，为了获得具有良好力学和电学性能的互连接头，互连材料的本身的综合力学性能和导电性能尤为关键。然而，当铜柱深宽比较大时，纯金属铜柱的强度是一个关键问题。因此，有人通过改变纯铜的组织，制备纳米孪晶铜来解决这个问题。当前，在电子封装领域，还没有应用纳米孪晶铜做微凸点，考虑到晶圆级金属封装已经逐步成为电子封装的主要方向之一，所以有必要提出一种新的制备方法，实现nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点的制备及互连，为晶圆级金属封装提供一种新的思路。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明目的是为了弥补现有技术的不足之处，提出一种nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构及其制备方法。该发明中通过调控纳米孪晶铜的片层间距提高底部铜柱的力学性能，通过添加Ag/Zn/Sn/Cu纳米粒子在铜柱顶部制备纳米复合Ag层，使得纳米复合Ag层具有高的塑性和良好的导电导热性能。纳米复合Ag层底部与纳米孪晶铜柱顶部接触，通过扩散进入铜中，并且在铜柱与Ag层之间形成厚度约100nm的薄层，其综合力学性能优于纯的纳米孪晶铜。纳米复合Ag层由于添加进入纳米金属颗粒，导致在镀层组织中出现大面积的孪晶银组织。利用纳米孪晶Ag具有软化的作用，同时互连过程中由于金属纳米粒子的存在，会在互连的接头界面有部分反应会促进互连，从而获得具有综合力学性能优异的复合微凸点互连结构。这种nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构中，利用合适的电镀液配方和工艺参数，分两次进行电沉积制备出下部为纳米孪晶铜组织的铜柱结构，上部为纳米复合Ag层的结构，这种复合结构既保留了纳米孪晶铜组织具有良好的力学性能的优点，同时上部金属纳米Ag复合层的塑性较好，可以有效地减少由纳米孪晶组织引入的镀层应力，有助于提高晶圆级封装互连结构的服役可靠性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，该互连结构包括晶圆基底、绝缘层和若干个互联部件，互联部件包括金属焊盘、介电层、种子层、铜柱和银凸点；绝缘层位于晶圆基底的上表面，若干个互联部件呈阵列形式布置在晶圆基底表面的绝缘层上，互联部件中的金属焊盘置于晶圆基底表面的绝缘层上；互联部件之间的绝缘层上覆盖有介电层，金属焊盘的侧面和上表面的外缘部分上覆盖有介电层，金属焊盘上表面没有覆盖介电层的部位溅射有种子层，位于金属焊盘上表面外缘部分的介电层的内侧面和与内侧面紧邻的上表面上也溅射有种子层；铜柱位于种子层的上方，银凸点位于铜柱的上方，其中铜柱和银凸点的厚度分别为：35μm、5μm；
所述的晶圆基底材料为硅的芯片、硅锗的芯片、电子器件或半导体材料；
所述的绝缘层为氧化硅；
所述的介电层为氧化物，优选二氧化硅；
所述的种子层包括钛层和铜层，铜层位于钛层的上方，钛层为粘附层，铜层与铜柱底部连接；
所述的银凸点为纳米粒子复合Ag层，纳米粒子为Ag、Zn、Sn、Cu中的至少一种，纳米粒子弥散分布于Ag基微凸点中，银凸点直径2r为：10μm≤2r≤50μm；两个凸点之间的节距d为：r≤d≤8r。
一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的制备方法，步骤包括：
第一步，在晶圆基底上面的绝缘层上设置若干个金属焊盘；
第二步，在绝缘层的上表面以及金属焊盘的上表面均沉积介电层，然后刻蚀金属焊盘的上表面的中心部位，使得金属焊盘的上表面的中心部位裸露出来；
第三步，在金属焊盘的上表面涂覆光刻胶，然后进行曝光、显影后形成凸点腔体图案；
第四步，在介电层和凸点腔体图案的上表面的中心部位均沉积种子层；
第五步，将第四步得到的产品放入铜镀液中进行电镀制作铜柱，铜柱制作完成后放入银镀液中进行二次电镀制作金属银层；
第六步，使用剥离液去除光刻胶，得到具有相应的铜柱复合微凸点的晶圆；
第七步，采用第一步-第六步相同的方法制备另一晶圆；
第八步，将第六和第七步得到的晶圆凸点进行倒装焊接，得到互连结构，凸点直径2r为：10μm≤2r≤50μm；两个凸点之间的节距d为：r≤d≤8r，倒装焊接时弥散分布的纳米粒子与银发生反应，生成相应的金属间化合物，反应生成的金属间化合物的粒径均匀，且远小于一般工艺制备的金属间化合物颗粒粒径，避免了直接制备小尺寸金属间化合物纳米颗粒的技术难点。
所述的铜镀液的成分包括硫酸铜、硫酸和表面活性剂，硫酸铜的浓度为130～210g/L，硫酸的浓度为5～100ml/L，表面活性剂的浓度为10～150ppm；
所述的铜镀液以硫酸铜为主盐，加入适量的活化剂对表面活化，然后加入去离子水稀释至500ml，最后加入稀硫酸调节pH值为1-3，硫酸铜约为130～210g/L，硫酸5～100ml/L，表面活性剂10～150ppm，其余为去离子水；所述表面活性剂为明胶；阳极板为纯铜板，阳极面积大于阴极面积，阴极与阳极间距为5～20cm，电镀温度为25℃，直流电镀，电流密度为0.4～2A/dm2，电镀时间5～20h；
所述的银镀液的成分包括亚铁氰化钾、无水碳酸钾、氯化银、硫氰酸钾和纳米粒子，纳米粒子为Ag、Zn、Sn、Cu中的至少一种，K4Fe(CN)6·3H2O浓度为50～200g/L，K2CO3的浓度为50～200g/L，AgCl的浓度为50～100g/L，KSCN的浓度为50～200g/L，KOH约为2～10g/L；
所述的银镀液以亚铁氰化钾、无水碳酸钾和氯化银混合后为主盐，添加适量硫氰酸钾和提前制备好的Ag/Zn/Sn/Cu纳米金属粒子，然后加入去离子水稀释至1L，最后加入氢氧化钾调节pH值为9-13，即可得到镀液；K4Fe(CN)6·3H2O约为50～200g/L，K2CO3约为50～200g/L，KSCN约为50～200g/L，AgCl约为50～100g/L，KOH约为2～10g/L。
本申请所述为一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构及其制备方法，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明的nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点通过复合电镀法结合光刻技术制得，能够满足直径为10～100μm的复合微凸点的制备要求，并且能够与现有的先进电子封装制备技术兼容，使得该发明成果更容易实现产业化；
(2)本发明的nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的下半部分为纳米孪晶铜的柱状晶组织，上半部分为纳米复合孪晶银镀层。利用特定的脉冲直流电流电镀工艺在光刻胶腔体内依次制备纳米孪晶铜和纳米复合孪晶银镀层，所述纳米孪晶铜柱位于光刻胶腔体内，侧壁与光刻胶接触且没有种子层，铜柱与晶圆基底通过种子层相连接；
(3)本发明的纳米孪晶铜与纯铜组织相比，具有较高的力学性能，而纳米复合银比纯银具有更好的塑性。通过调控纳米孪晶铜和纳米复合孪晶银的片层间距，调节复合凸点的强塑性匹配；
(4)本发明的nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点与普通铜凸点相比，应力小，组织均匀、稳定，工艺简单，只需要控制复合凸点的尺寸和微观结构，就可以充分利用纳米孪晶铜的综合力学性能，从而获得具有高强度，高导电性能及高可靠性能的nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构。
(5)本发明的方法中将金属纳米颗粒直接分散于Ag基复合电镀液中进行复合电镀，然后调控纳米颗粒的尺寸，实现纳米粒子与Ag基焊料的共沉积，制备复合凸点。
附图说明
图1为制备的面阵列Ag-Cu复合微凸点扫描电镜图片；
图2为制备完成的面阵列Ag-Cu复合微凸点中单个凸点示意图；
图3为复合微凸点互连结构的示意图；
图4为实施例利用电镀方法制备的复合微凸点底部纳米孪晶铜组织；
图5为实施例利用电镀方法制备的复合微凸点顶部的纳米复合银组织。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
这里所述的“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于其他实施例。尽管在附图中出示了实施例的各个方面，但是如果不是特别指出，不必按比例绘制附图。
一种nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的制备方法，该复合凸点的制备方法包括以下步骤：
(1)准备带有绝缘层的晶圆基底，在绝缘层上设置金属盘；
(2)在绝缘层和金属盘上涂覆介电层，选择性刻蚀介电层使金属盘表面裸露出来；
(3)使用磁控溅射等方法在介电层和暴露出来的金属盘表面沉积种子层；
(4)配制镀铜液，镀液采用硫酸铜为主盐，得到纳米孪晶铜镀液；
(5)配制镀银液，镀液以亚铁氰化钾、无水碳酸钾和氯化银混合后为主盐，得到镀银液；
(6)使用光刻法在带有绝缘层和金属盘的晶圆基底表面涂覆光刻胶，然后进行曝光、显影后得到需要光刻的图案；
(7)将光刻好的晶圆基底先后放入铜镀液和银镀液中进行电镀，然后用去胶剂去掉光刻胶，得到具有纳米孪晶铜和银镀层复合微凸点的晶圆基底；
(8)互连：使用倒装焊机将纳米孪晶铜复合微凸点进行互连，得到互连接头。
上述步骤(7)中，所述直流电镀制备复合微凸点的过程中，电镀纳米孪晶铜柱的电镀液组成为：硫酸铜130～210g/L，硫酸5～100ml/L，表面活性剂10～150ppm，其余为去离子水；所述表面活性剂为明胶，其在电镀液中浓度为10～50ppm。所述直流电镀制备复合微凸点的过程中，电镀纳米复合银的镀液组成为：K4Fe(CN)6·3H2O约为50～200g/L，K2CO3约为50～200g/L，KSCN约为50～200g/L，AgCl约为50～100g/L，KOH约为2～10g/L。
步骤(4)电镀过程中，电镀阳极板采用含铜量为99.99％的纯铜板，阳极面积大于阴极面积，阴极与阳极间距为5～20cm，电镀温度为25℃，直流电镀，电流密度为0.4～2A/dm2，电镀时间5～20h，电镀过程中采用电磁搅拌方式保证镀液中浓度均匀一致，搅拌速度为200～1000rpm。
本发明采用复合电镀法制备nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点，然后进行互连，互连后的凸点为组织均匀的柱状晶，互连结构具有高强度、高导电性能和高可靠性能。
实施例1
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的互连结构包括晶圆基底1、绝缘层2和若干个互联部件，互联部件包括金属焊盘3、介电层4、种子层5、铜柱6和银凸点7；绝缘层2位于晶圆基底1的上表面，若干个互联部件呈阵列形式布置在晶圆基底1表面的绝缘层2上，互联部件中的金属焊盘3置于晶圆基底1表面的绝缘层2上；互联部件之间的绝缘层2上覆盖有介电层4，金属焊盘3的侧面和上表面的外缘部分上覆盖有介电层4，金属焊盘3上表面没有覆盖介电层4的部位溅射有种子层5，位于金属焊盘3上表面外缘部分的介电层4的内侧面和与内侧面紧邻的上表面上也溅射有种子层5；铜柱6位于种子层的上方，银凸点7位于铜柱6的上方，其中铜柱6和银凸点7的厚度分别为：35μm、5μm。
详细的铜柱复合微凸点互连结构的制备方法，所述方法按照以下步骤进行：
(1)在晶圆基底1上制作绝缘层2，绝缘层完全覆盖晶圆基底1；
(2)在绝缘层2和金属焊盘3上沉积介电层4，覆盖在除去金属焊盘3以外的绝缘层2上以及金属焊盘3的全部外边缘上，然后刻蚀介电层4使金属焊盘3的上表面裸露出来；
(3)在介电层4和裸露出来的金属焊盘3表面沉积一层种子层，但不限于金属Ti/Cu作为导电层；
(4)配制纳米孪晶镀铜液：镀液采用无水硫酸铜为主盐，配制过程中，首先将无水硫酸铜溶于一定量温度为20℃的温水中，用电磁搅拌匀速搅拌10min，加入去离子水至500ml，然后加入稀硫酸调节PH值为1，最后加入适量的活化剂对表面活化；
在步骤(4)中，配制过程中，硫酸铜约为150g/L，稀硫酸为20ml/L，表面活性剂100ppm，其余为去离子水；所述表面活性剂为明胶，用量为2g/L；
(5)配制银镀液：镀液以亚铁氰化钾、无水碳酸钾和氯化银混合后为主盐，加适量硫氰酸钾和提前制备好的Ag/Zn/Sn/Cu纳米金属粒子，然后再加入适量硫氰酸钾且加入去离子水稀释至1L，最后加入氢氧化钾调节pH值为11，即可得到镀液；
在步骤(5)中，配制过程中，K4Fe(CN)6·3H2O为100g/L，K2CO3为120g/L，KSCN为150g/L，AgCl为80g/L；
(6)光刻：将带有绝缘层2和沉积的种子层5作为导电层的晶圆基底1和绝缘层2表面涂覆光刻胶，然后进行曝光、显影后得到光刻完成后的凸点腔体图案；
(7)复合电镀：将(6)中光刻完成的晶圆基底1先放入(4)中电镀，待完成后再放入(5)中进行电镀，得到具有相应铜柱复合凸点的晶圆基底；电镀条件为：阳极板为纯铜板，阳极面积大于阴极面积，阴极与阳极间距为10cm，电镀温度为25℃，直流电镀，电流密度为0.5A/dm2，电镀时间5h，电镀完成后获得的纳米孪晶铜组织如图4所示和纳米复合银组织如图5所示；
(8)去胶：使用合适的剥离液去掉光刻胶，得到具有相应的铜柱复合微凸点晶圆基底，如图1所示；
(9)互连：使用倒装焊机将从(8)中得到的两片晶圆基底的复合微凸点对准，对准精度为0.1μm，进行扩散焊接，得到互连接头。焊接条件为：温度：250℃，时间5min，压力5MPa，如图3所示。
将得到的互连凸点采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和焊点剪切强度测试。结果表明，通过复合电镀方法制备的nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点组织均匀，晶粒大小一致，铜与银镀层界面结合良好。通过纳米孪晶结构可以整体提高凸点的综合力学性能，接头的剪切强度提高。
综上所述，上述具体的实施例和对比例仅仅是为了清楚地说明本发明，而并不能理解为对本发明进行限制。本领域的技术人员应当理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰、变化或改进，上述这些变化或改进均属于本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
该互连结构包括晶圆基底(1)、绝缘层(2)和若干个互联部件，互联部件包括金属焊盘(3)、介电层(4)、种子层(5)、铜柱(6)和银凸点(7)；绝缘层(2)位于晶圆基底(1)的上表面，若干个互联部件呈阵列形式布置在晶圆基底(1)表面的绝缘层(2)上，互联部件中的金属焊盘(3)置于晶圆基底(1)表面的绝缘层(2)上；互联部件之间的绝缘层(2)上覆盖有介电层(4)，金属焊盘(3)的侧面和上表面的外缘部分上覆盖有介电层(4)，金属焊盘(3)上表面没有覆盖介电层(4)的部位溅射有种子层(5)，位于金属焊盘(3)上表面外缘部分的介电层(4)的内侧面和与内侧面紧邻的上表面上也溅射有种子层(5)；铜柱(6)位于种子层的上方，银凸点(7)位于铜柱(6)的上方。
2.根据权利要求1所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
所述的晶圆基底(1)材料为硅的芯片、硅锗的芯片、电子器件或半导体材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
所述的绝缘层(2)为氧化硅，介电层(4)为二氧化硅。
4.根据权利要求3所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
所述的种子层(5)包括钛层和铜层，铜层位于钛层的上方，钛层为粘附层，铜层与铜柱(6)底部连接。
5.根据权利要求4所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
所述的铜柱(6)为纳米孪晶铜的柱状晶结构，且柱状晶的生长方向与晶圆基底(1)垂直。
6.根据权利要求1所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构，其特征在于：
所述的银凸点(7)为纳米粒子复合Ag层，纳米粒子为Ag、Zn、Sn、Cu中的至少一种，纳米粒子弥散分布于Ag基微凸点中，银凸点(7)直径2r为：10μm≤2r≤50μm；两个凸点之间的节距d为：r≤d≤8r。
7.一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的制备方法，其特征在于步骤包括：
第一步，在晶圆基底(1)上面的绝缘层(2)上设置若干个金属焊盘(3)；
第二步，在绝缘层(2)的上表面以及金属焊盘(3)的上表面均沉积介电层(4)，然后刻蚀金属焊盘(3)的上表面的中心部位，使得金属焊盘(3)的上表面的中心部位裸露出来；
第三步，在金属焊盘(3)的上表面涂覆光刻胶，然后进行曝光、显影后形成凸点腔体图案；
第四步，在介电层(4)和凸点腔体图案的上表面的中心部位均沉积种子层(5)；
第五步，将第四步得到的产品放入铜镀液中进行电镀制作铜柱(6)，铜柱(6)制作完成后放入银镀液中进行二次电镀制作金属银层；
第六步，使用剥离液去除光刻胶，得到具有相应的铜柱复合微凸点的晶圆；
第七步，采用第一步-第六步相同的方法制备另一晶圆；
第八步，将第六步得到的晶圆的凸点与第七步得到的晶圆的凸点进行倒装焊接，得到互连结构。
8.根据权利要求7所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的制备方法，其特征在于：
所述的铜镀液的成分包括硫酸铜、硫酸和表面活性剂，硫酸铜的浓度为130～210g/L，硫酸的浓度为5～100ml/L，表面活性剂的浓度为10～150ppm，表面活性剂为明胶，阳极板为纯铜板，阴极与阳极间距为5～20cm，电镀温度为25℃，直流电镀，电流密度为0.4～2A/dm2，电镀时间5～20h。
9.根据权利要求7或8所述的一种超窄间距nt-Cu/纳米复合Ag基微凸点互连结构的制备方法，其特征在于：
所述的银镀液的成分包括亚铁氰化钾、无水碳酸钾、氯化银、硫氰酸钾和纳米粒子，纳米粒子为Ag、Zn、Sn、Cu中的至少一种，K4Fe(CN)6·3H2O浓度为50～200g/L，K2CO3的浓度为50～200g/L，AgCl的浓度为50～100g/L，KSCN的浓度为50～200g/L。
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