單晶銅、其制備方法及包含其的基板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單晶銅,其具有[100]方向,且體積介于0.1μm3~4.0×106μm3。本發(fā)明還提供一種單晶銅的制備方法,以及包含該單晶銅的基板。
【專利說明】單晶銅、其制備方法及包含其的基板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種單晶銅,采用有別于現(xiàn)有的方法,在基板上制備出具有[100]方向的大單晶銅,適合應(yīng)用于凸塊金屬墊層(UBM, under bump metallizat1n)、半導(dǎo)體芯片的內(nèi)連線(interconnect)、金屬導(dǎo)線或基板線路。
【背景技術(shù)】
[0002]單晶銅是由具有固定結(jié)晶方向的晶粒所形成,其擁有良好的物理特性,與多晶銅相比,具有優(yōu)選的伸長量及低電阻率,且因橫向晶界的消除促使電遷移壽命大幅提升,再加上(100)表面擴(kuò)散速度較其他晶面慢,故適合應(yīng)用為封裝凸塊金屬墊層及集成電路的銅內(nèi)連線,對于集成電路工業(yè)應(yīng)用發(fā)展非常有貢獻(xiàn)。
[0003]一般來說,金屬的抗電遷能力影響電子元件的可靠度,過去研究發(fā)現(xiàn)可通過三種方法提升銅的抗電遷能力,第一種是改變導(dǎo)線晶格結(jié)構(gòu),使其內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)具有一優(yōu)選方向;第二種是增加晶粒尺寸,使晶粒邊界數(shù)量減少而降低原子遷移路徑;第三種是添加納米雙晶金屬,減緩原子電遷移到雙晶晶界時的流失速度。
[0004]關(guān)于第一種及第二種方式,公知技術(shù)是以脈沖電鍍技術(shù)形成單晶銅結(jié)構(gòu),然而公知技術(shù)卻存在兩大缺失,首先,單晶銅晶粒為塊材,無法直接生長于硅基材進(jìn)而應(yīng)用于微電子產(chǎn)業(yè),再者,參考近期由Jun Liu等發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn),雖指出優(yōu)化電鍍摻數(shù)的脈沖電鍍法能夠控制銅晶體生長方向,且此方法能夠生長出大晶粒的銅,然而卻仍存在有摻雜小晶粒銅的問題,無法完全生長為單晶銅(參考Jun Liu, Changqing Liu,Paul P Conway, " Growth mechanism of copper column by electrodeposit1n forelectronic interconnect1ns, " Electronics Systemintegrat1n TechnologyConference, p679_84 (2008)以及 Jun Liu, Changqing Liu, Paul P Conway, Jun Zeng,Changhai Wang, " Growth and Recrystallizat1n of Electroplated CopperColumns, " Internat1nal Conference on Electronic Packaging Technology&HighDensity Packaging, p695_700(2009))。
[0005]有鑒于電子制造業(yè)發(fā)展日新月異,研發(fā)具有高度導(dǎo)電特性、低電阻率極高伸長量的單晶銅已成為當(dāng)務(wù)之急,本發(fā)明的發(fā)明人研究出更佳的解決方法,不但能以簡單的工藝制作具有特定方向的單晶銅,且能突破現(xiàn)有的形成單晶銅晶粒尺寸的限制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種通過單晶銅制備方法制備單晶銅及含有單晶銅的基板,以通過特殊工藝而獲得具有[100]方向的大單晶銅。
[0007]為達(dá)上述目的,本發(fā)明提供一種單晶銅,其具有[100]的方向,且該單晶銅的體積可介于0.1 μ m3?4.0 X 16 μ m3之間,優(yōu)選為介于20 μ m3?1.0 X 16 μ m3之間,更優(yōu)選為介于 450 μ m3 ?8 X 15 μ m3 之間。
[0008]本發(fā)明單晶銅的粒子形狀無特別限制,可為圓柱狀、線狀、立方體、長方體、不規(guī)則狀等,若單晶銅為圓柱狀,則直徑可介于I μ m?500 μ m,優(yōu)選介于5 μ m?300 μ m,更優(yōu)選為介于ΙΟμπι?100 μ m,若單晶銅為線狀,則該線狀的長度可達(dá)700 μ m。另外,無論該單晶銅的形狀,其厚度可介于0.1 μ m?50 μ m,優(yōu)選介于I μ m?15 μ m,更優(yōu)選為介于5 μ m?10 μ m。
[0009]上述單晶銅可應(yīng)用于凸塊金屬墊層(UBM,under bump metallizat1n)、半導(dǎo)體芯片的內(nèi)連線(interconnect)、金屬導(dǎo)線或基板線路,但無特別限制。
[0010]本發(fā)明另提供一種制備單晶銅的方法,主要通過電鍍法于欲形成單晶銅的基板上先形成高密度且晶粒規(guī)則排列的一納米雙晶銅柱,再通過退火處理使納米雙晶銅柱利用再結(jié)晶方式而使晶粒異常生長,進(jìn)而產(chǎn)生具有[100]方向的大單晶銅顆粒。本發(fā)明制備單晶銅的步驟包括:
[0011](A)提供一電鍍裝置,該裝置包括一陽極、一陰極、一電鍍液以及一電力供應(yīng)源,該電力供應(yīng)源分別與該陽極及該陰極連接,且該陽極及該陰極浸泡于該電鍍液中,該電鍍液包括:一銅的鹽化物、一酸以及一氯離子來源;
[0012](B)使用該電力供應(yīng)源提供電力進(jìn)行電鍍,并于該陰極的一表面生長一納米雙晶銅柱,其中該納米雙晶銅柱包含多個納米雙晶銅晶粒;以及
[0013](C)將形成有該納米雙晶銅柱的該陰極于350°C?600°C下進(jìn)行0.5小時?3小時的一退火處理,以獲得一單晶銅,其中該單晶銅結(jié)晶方向為[100],且體積介于0.1 μ m3?
4.0X 1Vm3 之間。
[0014]在上述步驟(A)中,該陰極可包括一晶種層,其中該晶種層是一銅層,且厚度為0.1 μπι?0.3 μπι,該晶種層可由一物理氣相沉積法(rov)形成,但無特別限制。
[0015]在上述步驟(B)中,該納米雙晶銅柱形成于該晶種層上。
[0016]在上述步驟(B)中,該納米雙晶銅柱的生長速率介于Inm / cycle?3nm / cycle,優(yōu)選為介于 1.5nm / cycle ?2.5nm / cycle。
[0017]在上述步驟⑶中,該納米雙晶銅的厚度可介于0.1 μπι?50 μπι,優(yōu)選為介于I μ m?15 μ m,更優(yōu)選為介于5 μ m?10 μ m。
[0018]在上述步驟(B)中,電力供應(yīng)源可為一高速脈沖電鍍供應(yīng)源,且其操作條件為:T?/Xff (Sec)=0.1 / 2?0.1 / 0.5,電流密度為0.01?0.2A / cm2?;旧铣烁咚倜}沖電鍍供應(yīng)源外,亦可使用直流電電鍍供應(yīng)源,或兩者交互使用。
[0019]在上述步驟(A)的電鍍液中,氯離子主要功能之一是可用以微調(diào)整晶粒生長方向,使雙晶金屬具有結(jié)晶優(yōu)選方向。此外,其酸可為一有機(jī)或無機(jī)酸,以增加電解質(zhì)濃度而提高電鍍速度,例如可使用硫酸、甲基磺酸、或其混合,此外,電鍍液中的酸的濃度優(yōu)選為80?120g / L0此外,電鍍液須同時包含有銅離子來源(亦即,銅的鹽化物,例如,硫酸銅或甲基磺酸銅)。該電鍍液較優(yōu)選的組成中,也可包括一添加物選自由明膠(gelatin)、界面活性劑、晶格修整劑(lattice modificat1n agent)、及其混合所組成的集合,用以調(diào)整此些添加物質(zhì)可用以微調(diào)整晶粒生長方向。
[0020]在上述步驟(A)中,該銅的鹽化物優(yōu)選為硫酸銅。該酸優(yōu)選為硫酸、甲基磺酸或其混合,且該酸的濃度優(yōu)選為80g / L?120g / L0該基板可選自由硅基板、玻璃基板、石英基板、金屬基板、塑料基板、印刷電路板、II1-1V族材料基板及其混合所組成的集合,無特別限制,優(yōu)選為娃基板。
[0021]本發(fā)明另提供一種具有上述單晶銅的基板,其包括一基板;以及上述本發(fā)明的單晶銅,該單晶銅配置于該基板上,可配置為線路狀,或配置為陣列狀,隨著不同應(yīng)用或需求而改變。在此,單晶銅以及基板的特性與上述相同,不另贅述。
[0022]通過本發(fā)明制備方法所制得的單晶銅具有100]方向的大晶粒,其優(yōu)秀的機(jī)械、電、光和熱穩(wěn)定性及抗電遷移特性能大幅提升產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實施例的電鍍裝置;
[0024]圖2A是直徑為17 μ m的單顆單晶銅的聚焦離子束(FIB)俯視圖;
[0025]圖2B是直徑為17 μ m的單顆單晶銅的EBSD分析結(jié)果圖;
[0026]圖3A是直徑為25 μ m的單晶銅陣列聚焦離子束(FIB)俯視圖;
[0027]圖3B是粒徑為25 μ m的單顆單晶銅的聚焦離子束(FIB)俯視圖;
[0028]圖3C是圖3B的聚焦離子束(FIB)剖面圖;
[0029]圖3D是圖3A的EBSD分析結(jié)果圖;
[0030]圖3E是圖3B的EBSD分析結(jié)果圖;
[0031]圖4是直徑為50 μ m的單晶銅陣列的EBSD分析結(jié)果圖;
[0032]圖5A是直徑為100 μ m的單晶銅陣列的聚焦離子束(FIB)俯視圖;
[0033]圖5B是圖5A的EBSD分析結(jié)果圖。
[0034]【附圖標(biāo)記說明】
[0035]I電鍍裝置
[0036]11 陽極
[0037]12 陰極
[0038]13電鍍液
[0039]14電力供應(yīng)源
【具體實施方式】
[0040]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合具體實施例,并參照附圖,對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041]本發(fā)明提供如圖1所示的電鍍裝置1,該電鍍裝置包括:一陽極11、一陰極12、一電鍍液13以及一電力供應(yīng)源15,該電力供應(yīng)源14分別與該陽極11及該陰極12連接,且該陽極11及該陰極12浸泡于該電鍍液13中。
[0042]在此,陽極11選用純度99.99%的商用純銅祀材,而陰極12為娃芯片,電鍍液13包括硫酸銅(銅離子濃度為20?60g / L)、氯離子(濃度為10?10ppm)、以及甲基磺酸(濃度為80?120g/L),且可選擇性的添加其他接口活性劑或晶格修整劑(如BASFLugalvanl?100ml / L)。此夕卜,電鍍液13中還可包含有機(jī)酸(例如甲基磺酸)或明膠等。
[0043]上述陰極12硅芯片可通過物理氣相沉積法(PVD)沉積厚度為0.2 μ m的銅膜作為晶種層,以使電鍍電流源只需接觸硅芯片的邊緣附近,即可把電流均勻的傳導(dǎo)至芯片中央,達(dá)到晶種層厚度的均勻性。
[0044]本實施例的電力供應(yīng)源14為高速脈沖電鍍供應(yīng)源,其操作條件為Tm/Xff (sec)為0.1 / 2 ?0.1 / 0.5 (例如 0.1 / 2,0.1 / I 或 0.1 / 0.5),電流密度為 0.01 ?0.2A /cm2,最佳為0.05A / cm2,在此條件下,以大約2nm / cycle生長速度生長納米雙晶銅柱,其厚度為6?10 μ m。接著,圖案化該納米雙晶銅柱,以于硅芯片上形成納米雙晶銅柱圖案。基本上,納米雙晶銅柱的圖案無特別限制,可為為圓柱狀、線狀、立方體、長方體、不規(guī)則狀等,且該些圖案可排列為陣列。
[0045]接著將表面形成納米雙晶銅柱的硅芯片置放于高真空(8X10_7tOrr)的退火爐管內(nèi),溫度維持于400?450°C,0.5?I小時,進(jìn)行退火處理,以形成具有大粒徑的[100]結(jié)晶方向的單晶銅。
[0046]圖2A是直徑為17 μ m的單顆單晶銅晶粒的聚焦離子束(FIB)俯視圖,圖2B是其的EBSD分析結(jié)果圖,圖2A、2B的退火處理條件為450°C,60分鐘。由圖2A、2B可證實本實施例的單晶銅具有[100]方向,且單顆單晶銅體積為1362μπι3。
[0047]圖3Α是直徑為25 μ m的單晶銅陣列聚焦離子束(FIB)俯視圖,圖3B是直徑為25 μ m的單顆單晶銅的聚焦離子束(FIB)俯視圖,圖3C是圖3B的聚焦離子束(FIB)剖面圖,圖3D是圖3A的EBSD分析結(jié)果圖,圖3E是圖3B的EBSD分析結(jié)果圖。圖3A至3E的退火處理條件為450°C,60分鐘,由此結(jié)果可發(fā)現(xiàn)直徑25 μπι的單晶銅不摻雜其他晶粒,具有[100]方向,且單顆單晶銅體積為2945μπι3。
[0048]圖4是直徑為50 μ m的單晶銅陣列EBSD分析結(jié)果圖。圖4退火條件為450°C,60分鐘,由此結(jié)果同樣證實形成直徑為50 μπι的具有[100]方向的單晶銅,且該單顆單晶銅體積為 1.2 X 14 μ m3。
[0049]圖5A是直徑為100 μ m的單晶銅陣列聚焦離子束(FIB)俯視圖,圖5B是圖5A的EBSD分析結(jié)果圖。由圖5A、5B結(jié)果可發(fā)現(xiàn),由本實施例的方法所制成的直徑為100 μ m的單晶銅同樣具有[100]方向,且單顆單晶銅體積為4.8Χ104μπι3。
[0050]由于單晶銅擁有良好的物理特性,與目前應(yīng)用的多晶銅相比,具有良好的伸長量和低電阻率,并且消除了橫向晶界,從而大大提電遷移壽命。就此,本發(fā)明的單晶銅非常適合用于制造IC的銅內(nèi)連線與凸塊金屬墊層等等,對于集成電路工業(yè)的應(yīng)用發(fā)展非常有貢獻(xiàn)。
[0051]以上所述的具體實施例,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,應(yīng)理解的是,以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單晶銅,該單晶銅具有[100]方向,且體積介于0.1ym3?4.0X 1Vm3之間。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶銅,其特征在于,其體積介于20μ m3?1.0 X 16 μ m3。
3.如權(quán)利要求1所述的單晶銅,其特征在于,該單晶銅的厚度介于0.1 μ m?50 μ m。
4.如權(quán)利要求1所述的單晶銅,其特征在于,其應(yīng)用于凸塊金屬墊層、半導(dǎo)體芯片的內(nèi)連線(interconnect)、金屬導(dǎo)線或基板線路。
5.一種制備單晶銅的方法,其步驟依序包括: A、提供一電鍍裝置,該裝置包括一陽極、一陰極、一電鍍液以及一電力供應(yīng)源,該電力供應(yīng)源分別與該陽極及該陰極連接,且該陽極及該陰極浸泡于該電鍍液中,該電鍍液包括:一銅的鹽化物、一酸以及一氯離子來源; B、使用該電力供應(yīng)源提供電力進(jìn)行電鍍,并于該陰極的一表面生長一納米雙晶銅柱,該納米雙晶銅柱包含多個納米雙晶銅晶粒;以及 C、將形成有該納米雙晶銅柱的該陰極于350°C?600°C下進(jìn)行0.5小時?3小時的一退火處理,以獲得一單晶銅, 其特征在于:該單晶銅具有[100]方向,且體積介于0.1 μ m3?4.0X 16μ m3之間。
6.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,在步驟A中,該陰極包括一晶種層,其中該晶種層是一銅層,且厚度為0.1 μ m?0.3 μ m,該晶種層由一物理氣相沉積法形成。
7.如權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于,在步驟B中,該納米雙晶銅金屬柱形成于該晶種層上。
8.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,在步驟B中,該納米雙晶銅金屬柱的生長速率介于 Inm / cycle ?3nm / cycle。
9.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,在步驟B中,該納米雙晶銅金屬柱的厚度5 μ m ?15 μ m0
10.如權(quán)利要求5所述的方法,其中步驟B的該電力供應(yīng)源是一高速脈沖電鍍供應(yīng)源,且其操作條件為=Ton / Toff (sec) =0.1 / 2?0.1 / 0.5,電流密度為0.ΟΙΑ/cm2?0.2A/2cm ο
11.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,該單晶銅的體積介于20μπι3?1.0X 1Vm3 之間。
12.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,該單晶銅的厚度介于0.1ym?50 μπι。
13.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,步驟A的該電鍍液還包括一明膠、一接口活性劑、一晶格修飾劑或其混合物。
14.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,步驟A的該銅的鹽化物硫酸銅。
15.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,步驟A的該酸為硫酸、甲基磺酸、或其混合。
16.如權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于,步驟A的該酸的濃度為80g/L?120g/L。
17.如權(quán)利要求5所述的方法,在步驟A中,該基板選自由硅基板、玻璃基板、石英基板、金屬基板、塑料基板、印刷電路板、II1-1V族材料基板及其混合所組成的集合。
18.一種具有單晶銅的基板,包括: 一基板;以及 一如權(quán)利要求1至4中任一項所述的單晶銅,且該單晶銅晶粒配置于該基板上。
19.如權(quán)利要求18所述的具有單晶銅的基板,其特征在于:該基板選自由硅基板、玻璃基板、石英基板、金屬基板、塑料基板、印刷電路板、II1-1V族材料基板及其混合所組成的集口 O
【文檔編號】C25C1/12GK104419983SQ201310406266
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】陳智, 杜經(jīng)寧, 呂佳凌 申請人:財團(tuán)法人交大思源基金會