本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種銅柱的制備方法。

背景技術(shù)：

1、銅柱凸塊互連技術(shù)是先進(jìn)封裝倒裝芯片的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到廣泛的關(guān)注。銅柱凸塊的制備工藝主要包括在晶圓硅片上旋涂光刻膠（如聚酰亞胺）及光刻膠刻蝕圖形化、濺射種子層（包括ti或tiw的粘附層和在粘附層上的cu電鍍種子層，ubm）、涂覆光刻膠（pr）并光刻出需電鍍的圖形、銅柱凸塊的電鍍、焊料的電鍍、除pr和ubm、焊料回流。若是應(yīng)用于銅-銅鍵合的芯片封裝工藝，則電鍍銅柱后，省去焊料的電鍍，直接去除pr和ubm后進(jìn)行熱壓鍵合工藝。

2、在銅柱凸塊互連工藝中，電鍍銅柱是最具有挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)之一。為了后續(xù)的錫焊料電鍍或銅-銅鍵合的工藝，一般要求銅柱頂部表面形貌平整以及芯片上的銅柱陣列高度必須控制在一個(gè)范圍，否則后續(xù)互連容易導(dǎo)致短路。而電鍍銅柱實(shí)質(zhì)是一種電化學(xué)沉積銅的過(guò)程，所涉及的電鍍銅的體系較多，常見的包括的氰化物體系、焦磷酸鹽體系、硫酸銅體系、甲基磺酸銅體系等，因各體系的組分導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)及微觀反應(yīng)的不同，使得各電鍍體系各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前工業(yè)中常用的是硫酸銅體系，一般包括硫酸銅、氯離子、無(wú)機(jī)酸，以及加速劑、抑制劑和整平劑三類添加劑，通過(guò)三種添加劑分子在金屬銅表面的差異性吸附，以加速或抑制銅的沉積銅柱凸塊的制備，并控制某個(gè)銅柱表面的平整性及芯片不同位置多個(gè)銅柱高度的均一性。不同種類的添加劑對(duì)于電鍍銅柱具有不同的效果，現(xiàn)有技術(shù)的電鍍體系中仍存在電鍍得到的銅柱表面平整性及銅柱高度不一致等缺陷。

3、因此，仍需要繼續(xù)開發(fā)一種提高銅柱表面的平整性及芯片不同位置銅柱高度的均一性的技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)涉及的硫酸銅體系電鍍制備銅柱工藝中存在的銅柱表面平整性差及銅柱高度不一致的缺陷，本發(fā)明將提供一種銅柱的制備方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，具體包括以下技術(shù)方案：

3、一種銅柱的制備方法，包括如下步驟：

4、（1）提供待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤；

5、（2）將待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤依次經(jīng)過(guò)空氣等離子體清洗、酸浸；

6、（3）將步驟（2）酸浸后的待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤在電鍍液中進(jìn)行電鍍，再經(jīng)過(guò)清洗及除膠，得到所述的銅柱；

7、所述電鍍液包括如下組分：硫酸銅100-200g/l，硫酸40-150g/l，cl-20-50mg/l，加速劑10-50mg/l，聚乙二醇20-150mg/l，聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物10-50mg/l，聚丙烯酰胺5-30mg/l，余量水。

8、在電鍍銅柱中，電鍍液中的聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物（p123）和聚丙烯酰胺分別作為抑制劑和平整劑，相互配合，可以明顯改善銅柱表面的平整性及芯片不同位置銅柱高度的均一性。

9、優(yōu)選地，所述酸浸中所用的酸為20-80g/l的硫酸水溶液。

10、優(yōu)選地，所述除膠中所用的溶劑為四甲基氫氧化銨（tmah）和四甲基氫氧化銨（dmso），四甲基氫氧化銨和四甲基氫氧化銨的質(zhì)量比為1：（0.5-3）。待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤上存在光刻膠，通過(guò)除膠過(guò)程去除光刻膠，暴露出金屬化層。

11、優(yōu)選地，所述聚丙烯酰胺包括陰離子聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、兩性聚丙烯酰胺中的至少一種。

12、聚丙烯酰胺主鏈上含有大量活潑的酰胺基團(tuán)，利于親和或吸附許多物質(zhì)形成氫鍵，在本發(fā)明的電鍍體系當(dāng)中，可能是聚丙烯酰胺與聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物及其他物質(zhì)相互協(xié)同、配合，一方面能協(xié)同控制銅離子的釋放速率，進(jìn)而控制銅的沉積速率，提高孔內(nèi)鍍銅的質(zhì)量；另一方面，可以細(xì)化銅晶粒，減少銅柱的空隙或孔洞，提高銅柱表面平整度。同時(shí)，聚丙烯酰胺包括陰離子聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、兩性聚丙烯酰胺，三者分子內(nèi)應(yīng)力、電荷、離子度等性能存在差異，使得三者在電鍍液體系中存在不同的平整銅柱的效果，在本發(fā)明體系中更進(jìn)一步優(yōu)選陰離子聚丙烯酰胺。

13、優(yōu)選地，所述聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物的質(zhì)量比為1：（0.5-7）。

14、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物的質(zhì)量比為1：（3-4）。

15、聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物存在的環(huán)氧乙烷基團(tuán)是親水基團(tuán)，環(huán)氧丙烷基團(tuán)是疏水基團(tuán)，整體作為電鍍液中降低表面張力的表面活性劑，提高電鍍銅柱鍍覆表面的潤(rùn)濕性，提高銅柱表面的平整性，同時(shí)，作為抑制劑協(xié)同聚丙烯酰胺及其他物質(zhì)抑制孔外銅鍍層的沉積，提高銅柱表面的平整性。在上述聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物的質(zhì)量比之下銅柱表面具有更優(yōu)的平整性。

16、優(yōu)選地，所述聚乙二醇包括peg200、peg400、peg600、peg800、peg1000、peg2000、peg3000、peg4000、peg6000、peg8000、peg10000、peg20000中的至少一種。

17、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述聚乙二醇為peg800和peg2000的復(fù)配物，peg800和peg2000的質(zhì)量比為1：（0.5-1.5）。

18、聚乙二醇具有抑制劑的作用，可以協(xié)同其余物質(zhì)，控制銅離子在微孔內(nèi)沉積，抑制孔外的銅鍍層，可以提高銅柱的質(zhì)量。

19、優(yōu)選地，所述加速劑包括3-巰基-1-丙磺酸鹽、聚二硫二丙烷磺酸鹽、3-巰基-乙基磺酸鹽、3-巰基-1-乙烷磺酸鉀鹽中的至少一種。加速劑可以加速銅離子在微孔內(nèi)的沉積速率，降低漏鍍以及微孔內(nèi)鍍覆的缺陷；與抑制劑其他物質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)吸附，改善銅柱的電鍍質(zhì)量。

20、優(yōu)選地，所述電鍍時(shí)，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行電鍍。氮?dú)舛栊詺怏w氛圍下可以提高電鍍液的使用壽命。

21、優(yōu)選地，所述待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤依次包括晶圓襯底、金屬焊盤、絕緣層、金屬化層、光刻膠；所述金屬化層包括粘附層和銅種子層，所述銅種子層的厚度為100-500nm，所述光刻膠上存在微孔，以暴露出金屬化層；所述微孔的直徑為50-150μm，微孔間的孔間距為80-200μm，所述光刻膠的厚度為10-150μm。

22、優(yōu)選地，所述電鍍的電流密度為5-40a/dm2，所述電鍍的時(shí)間為10-60min。

23、一種晶圓，由下自上依次包括晶圓襯底、金屬焊盤、絕緣層和金屬化層，以及在金屬化層上經(jīng)過(guò)所述的銅柱的制備方法制得的銅柱，本發(fā)明的方法制得的晶圓上的銅柱表面平整性及共面性較優(yōu)良，使得晶圓在后續(xù)互連具有更優(yōu)的可靠性。

24、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明在電鍍銅柱過(guò)程中，電鍍液中所含的聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物（p123）和聚丙烯酰胺可以明顯提高銅柱表面的平整度及銅柱高度的均一性，其中，tir在±10%之間，以及wid<10%。

技術(shù)特征：

1.一種銅柱的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺包括陰離子聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、兩性聚丙烯酰胺中的至少一種。

3.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷-聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物的質(zhì)量比為1：（0.5-7）。

4.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述聚乙二醇包括peg200、peg400、peg600、peg800、peg1000、peg2000、peg3000、peg4000、peg6000、peg8000、peg10000、peg20000中的至少一種。

5.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述聚乙二醇為peg800和peg2000的復(fù)配物，peg800和peg2000的質(zhì)量比為1：（0.5-1.5）。

6.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述加速劑包括3-巰基-1-丙磺酸鹽、聚二硫二丙烷磺酸鹽、3-巰基-乙基磺酸鹽、3-巰基-1-乙烷磺酸鉀鹽中的至少一種。

7.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述電鍍的電流密度為5-40a/dm2，所述電鍍的時(shí)間為10-60min。

8.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述酸浸中所用的酸為20-80g/l的硫酸水溶液，所述除膠中所用的溶劑為四甲基氫氧化銨和四甲基氫氧化銨；所述電鍍?cè)诙栊詺怏w保護(hù)下進(jìn)行。

9.如權(quán)利要求1所述的銅柱的制備方法，其特征在于，所述待電鍍的芯片晶圓金屬焊盤依次包括晶圓襯底、金屬焊盤、絕緣層、金屬化層、光刻膠；所述金屬化層包括粘附層和銅種子層，所述銅種子層的厚度為100-500nm；所述光刻膠上存在微孔，以暴露出金屬化層；所述微孔的直徑為50-150μm，微孔間的孔間距為80-200μm，所述光刻膠的厚度為10-150μm。

10.一種晶圓，其特征在于，依次包括晶圓襯底、金屬焊盤、絕緣層和金屬化層，以及在金屬化層上經(jīng)過(guò)權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的銅柱的制備方法制得的銅柱。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體涉及一種銅柱的制備方法。本發(fā)明在芯片晶圓上電鍍銅柱過(guò)程中，采用的電鍍液含有聚環(huán)氧乙烷?聚環(huán)氧丙烷?聚環(huán)氧乙烷三嵌段共聚物和聚丙烯酰胺，可以明顯提高銅柱表面的平整度及銅柱高度的均一性。

技術(shù)研發(fā)人員：張強(qiáng),位亮亮,黃濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇中科智芯集成科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23