一種基于銅納米棒的銅錫銅鍵合工藝及結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于銅納米棒的銅錫銅鍵合工藝及結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路(IC)的持續(xù)高速發(fā)展不斷引發(fā)各領(lǐng)域產(chǎn)品的變革并創(chuàng)造社會新需求，在國家安全、高端制造、網(wǎng)絡(luò)通訊等重要領(lǐng)域起著關(guān)鍵的支撐作用。隨著特征尺寸進入到20/14nm技術(shù)節(jié)點，IC制造前道工藝以極紫外光刻為主體的技術(shù)路線已明朗化，出現(xiàn)大量密集的互連微通道，觸發(fā)在后道互連方式和封裝技術(shù)上的全面變革，三維集成成為提升器件性能和性價比的必然選擇。
[0003]三維集成是將不同功能的芯片集成到一個系統(tǒng)中，芯片之間通過密集的微通道實現(xiàn)三維空間垂直互連，其中，微凸點互連是三維集成的關(guān)鍵技術(shù)。隨著封裝密度的增加以及特征尺寸的進一步降低，微凸點尺寸不斷減少，鍵合界面厚度也被要求進一步降低，低溫鍵合技術(shù)由于可以降低鍵合溫度和壓力，滿足溫度敏感器件的需求，將成為三維集成互連新的發(fā)展趨勢。
[0004]銅錫銅共晶鍵合是低溫互連的一種方式，其利用高熔點金屬(銅)和低熔點金屬(錫)在低于共晶溫度下熔合為合金并固化，把需要連接的器件粘結(jié)在一起。上述連接方式由于低熔點金屬的存在降低了鍵合時對鍵合表面的質(zhì)量要求，同時不需要高真空環(huán)境和退火過程，因此在三維集成中得到廣泛應(yīng)用。然而，目前該技術(shù)的鍵合溫度一般為260?320°C，略高于錫的熔點，如何改進該技術(shù)以進一步降低互連溫度以及對鍵合環(huán)境的要求仍是一個挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種基于銅納米棒的銅錫銅鍵合工藝及結(jié)構(gòu)，其中通過傾斜濺射在銅凸點表面沉積獲得銅納米棒，將該銅納米棒直接應(yīng)用于銅錫銅鍵合，利用銅納米棒和錫的低熔點，以及銅納米棒的表面高活性，以降低鍵合溫度，并且降低了對鍵合環(huán)境的要求，該工藝及結(jié)構(gòu)制備工藝簡單可控，可重復(fù)性好，無需復(fù)雜的設(shè)備，成本低，具有極大的應(yīng)用價值。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提出了一種基于銅納米棒的銅錫銅鍵合工藝，該工藝包括如下步驟:
[0007]I)在基片表面依次沉積絕緣層、粘附層和種子層；
[0008]2)在所述種子層上旋涂一層光刻膠，并在所述光刻膠上制作圓孔；
[0009]3)在所述圓孔中電鍍銅，得到銅凸點；
[0010]4)去除所述光刻膠，利用濕法或干法腐蝕工藝去除暴露的種子層和粘附層；
[0011]5)在銅凸點表面及四周旋涂一層光刻膠，利用光刻工藝暴露銅凸點的上表面；
[0012]6)利用步驟I)?5)得到兩組結(jié)構(gòu)相同的基片單元，在其中一組基片單元的銅凸點上表面電鍍錫凸點，并去除光刻膠;在另一組基片單元的銅凸點上表面利用傾斜濺射法沉積銅納米棒，并去除光刻膠；
[0013]7)通過熱壓方式將所述錫凸點與所述銅納米棒鍵合；以此方式，實現(xiàn)兩組基片單元的鍵合。
[0014]作為進一步優(yōu)選地，所述圓孔為一個或多個，單個圓孔的直徑為5μηι?200μηι。
[0015]作為進一步優(yōu)選地，所述步驟3)中，銅凸點的高度不大于光刻膠厚度。
[0016]作為進一步優(yōu)選地，所述步驟5)中，光刻膠厚度大于銅凸點高度。
[0017]作為進一步優(yōu)選地，所述步驟6)中，沉積銅納米棒時，基片和革El材的夾角為85°，派射時間為20min?40min;所述銅納米棒的直徑為10nm?200nm，垂直方向高度為300nm?600nmo
[0018]作為進一步優(yōu)選地，所述步驟7)中，鍵合的溫度為60 0C?400 °C，壓力為0.1MPa?20MPa，時間為Imin?60min，鍵合環(huán)境為真空、惰性氣體或空氣環(huán)境。
[0019]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于銅納米棒的銅錫銅鍵合結(jié)構(gòu)，所述鍵合結(jié)構(gòu)包括兩組結(jié)構(gòu)相同的基片單元，所述基片單元包括基片以及依次沉積在所述基片表面的絕緣層、粘附層和種子層，所述種子層上電鍍有銅凸點；其中一組基片單元的所述銅凸點上電鍍有錫凸點，另一組基片單元的所述銅凸點上利用傾斜濺射法沉積有銅納米棒，所述錫凸點和銅納米棒通過熱壓方式進行鍵合。
[0020]作為進一步優(yōu)選地，所述銅凸點采用如下方式獲得:在所述種子層上旋涂一層光刻膠，并在所述光刻膠上制作圓孔;在所述圓孔中電鍍銅，得到所述銅凸點。
[0021]作為進一步優(yōu)選地，采用如下方式在所述銅凸點上電鍍錫凸點:首先，去除所述光刻膠，利用濕法或干法腐蝕工藝去除暴露的種子層和粘附層;然后，在所述銅凸點表面及四周旋涂一層光刻膠，利用光刻工藝暴露銅凸點的上表面;最后，在所述銅凸點的上表面電鍍錫凸點，并去除光刻膠。
[0022]作為進一步優(yōu)選地，采用如下方式在所述銅凸點上沉積銅納米棒:首先，去除所述光刻膠，利用濕法或干法腐蝕工藝去除暴露的種子層和粘附層;然后，在所述銅凸點表面及四周旋涂一層光刻膠，利用光刻工藝暴露銅凸點的上表面;最后，在所述銅凸點上沉積銅納米棒，并去除光刻膠。
[0023]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，將銅納米棒應(yīng)用于面向三維微互連的銅錫銅鍵合，顯著降低了鍵合溫度和對于鍵合環(huán)境的要求，具有以下有益效果:
[0024]1.利用電鍍工藝制備銅/錫凸點，凸點節(jié)距、直徑和高度可控，工藝窗口寬，有利于實現(xiàn)三維高密度超細間距的微凸點互連。
[0025]2.利用磁控濺射法以傾斜濺射的方式制備銅納米棒，相比傳統(tǒng)的制備納米結(jié)構(gòu)工藝(如化學(xué)氣相沉積、飛秒激光脈沖沉積、水熱法等)，工藝更加簡單可控，重復(fù)性好。
[0026]3.利用納米材料表現(xiàn)的特殊性質(zhì)如低熔點、高表面活性等，將銅納米棒應(yīng)用于銅錫銅鍵合工藝，與傳統(tǒng)的銅錫銅共晶鍵合工藝相比，能顯著降低鍵合的溫度(降至錫的熔點以下仍可以得到緊密的鍵合界面，最低降至60°C)，并且對于鍵合環(huán)境的要求也變得更加寬松(從傳統(tǒng)的真空或惰性氣體降至空氣環(huán)境)，由此減少鍵合過程產(chǎn)生的熱變形和熱應(yīng)力，有利于保護器件。
[0027]4.本發(fā)明制備的銅納米棒表面具有更加微小的銅納米結(jié)構(gòu)(直徑約10nm-20nm)，小尺寸納米結(jié)構(gòu)有助于進一步降低銅納米棒的熔點，提高表面活性，促進鍵合過程中銅原子和錫原子的擴散，有利于得到更加緊密的鍵合界面，提高鍵合質(zhì)量。
【附圖說明】
[0028]圖1(a)是在沉積有絕緣層、粘附層、種子層的基片上旋涂光刻膠并在光刻膠上制作圓孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖1(b)是在圓孔結(jié)構(gòu)中電鍍銅微凸點并去除多余的粘附層和種子層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖1(c)是在銅凸點表面旋涂一層光刻膠，利用光刻工藝暴露銅凸點示意圖；
[0031]圖1(d)是在一組銅凸點表面電鍍錫凸點并去膠示意圖；
[0032]圖1(e)是在另一組銅凸點表面濺射銅納米棒并去膠示意圖；
[0033]圖1(f)是對兩組基片進行熱壓鍵合的示意圖；
[0034]圖2(a)和(b)是磁控濺射得到的銅納米棒的SEM圖。
[0035]圖3是鍵合溫度為600C下得到的鍵合界面的SEM圖。
[0036]圖4是鍵合溫度為200°C下得到的鍵合界面的SEM圖。
【具體實施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0038]如圖1(a)?(f)所示，本發(fā)明實施例的基于銅納米棒的銅錫銅鍵合工藝，包括如下步驟:
[0039](I)在基片I的表面依次沉積絕緣層2、粘附層3和種子層4。
[0040]其中，絕緣層2的材料選自二氧化硅、氮化硅、三氧化二鋁、聚酰亞胺、聚對二甲苯、聚苯并環(huán)丁烯或光刻膠，以及上述材料的混合物或復(fù)合體，并優(yōu)選采用熱氧化、物理氣相淀積(PVD)或化學(xué)氣相淀積(CVD)的方式形成;粘附層3的材料為鈦、鈦-鎢(T1-W)、鈦-氮化鈦(T1-TiN)或鉭-氮化鉭(Ta-TaN)，并優(yōu)選采用原子層淀積(ALD)、物理氣相淀積(PVD)或化學(xué)氣相淀積(CVD)等方式形成;種子層4為銅(Cu)或金(Au)等材料構(gòu)成，并優(yōu)選采用化學(xué)鍍、電化學(xué)嫁接、原子層淀積(ALD)、物理氣相淀積(PVD)或化學(xué)氣相淀積(CVD)的方式形成。
[0041](2)在種子層4上旋涂一層光刻膠5，并在光刻膠5上制作圓孔。
[0042]其中，圓孔可以為一個或多個，在光刻膠5上的排列可以為面陣型、四周型、菊花鏈型或任意排布。優(yōu)選地，圓孔的直徑為5μηι?200μηι，光刻膠高度為5μηι?ΙΟΟμπι。
[0043](3)在圓孔中電鍍銅，得到銅凸點6，銅凸點6的高度不大于光刻膠4的厚度。優(yōu)選地，銅凸點6的高度為5μηι?50