本發(fā)明屬于電鍍領(lǐng)域，具體而言涉及一種制備電鍍銅層的方法。

背景技術(shù)：

金屬銅由于具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、低熔點(diǎn)和良好的延展性等優(yōu)勢(shì)而成為一種用于芯片互連的優(yōu)異材料。銅電鍍是可選擇用于銅互連的方法。更高的I/O數(shù)，更高的封裝密度，更小尺寸的封裝結(jié)構(gòu)，更可靠的性能以及熱穩(wěn)定性，是當(dāng)前半導(dǎo)體先進(jìn)封裝的一大趨勢(shì)。晶圓級(jí)封裝芯片尺寸封裝（WLCSP）、3D堆疊封裝（3D IC packaging）以及POP（packaging on packaging）等封裝形式，都是這一趨勢(shì)的具體體現(xiàn)。

隨著晶圓級(jí)封裝密度的不斷提高，Cu柱和RDL Line的尺寸越來(lái)越小，Cu柱以及RDL Line與晶圓基底的結(jié)合牢度決定著芯片的服役可靠性，在后續(xù)銅籽晶層去除的過(guò)程中，現(xiàn)有的電鍍銅層的結(jié)構(gòu)決定必然會(huì)出現(xiàn)Under Cut的缺陷，當(dāng)Cu柱和RDL Line的尺寸越來(lái)越小之后，Under Cut的存在使得芯片在使用過(guò)程中極容易失效，可靠性存在問(wèn)題。

電鍍銅層是直接與濺射上去的銅籽晶層接觸的，當(dāng)電鍍銅層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為無(wú)序的、沒有規(guī)律的時(shí)候，與銅籽晶層的結(jié)合牢度較差，熱穩(wěn)定性較差，后續(xù)可靠性存在問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供了一種制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層的方法，該方法采用的直流電鍍工藝，可以與現(xiàn)有的晶圓級(jí)封裝制備技術(shù)兼容，電流密度范圍寬，適用于Copper Pillar，RDL，UBM等銅互連技術(shù)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的銅層，該結(jié)構(gòu)銅層具有Z軸方向擇優(yōu)取向，使得在X軸方向晶粒尺寸小，晶界多，Z軸方向晶粒尺寸大，晶界少，X軸和Z軸具備不一樣的特性，如腐蝕速率、硬度和拉伸強(qiáng)度等。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層的方法，采用直流電鍍的工藝，其電鍍液的組成為硫酸銅120～200g/L，硫酸50～150g/L，潤(rùn)濕劑100～1000ppm，光亮劑5～50ppm，非染料系整平劑40～100ppm，其余為水；

電鍍陽(yáng)極板采用磷銅板，所述磷銅板中P元素含量為0.03～150wt.%；

電流密度為1～18A/dm²；

電鍍過(guò)程中采用機(jī)械攪拌的方式保證鍍液中濃度均勻一致并增加傳質(zhì)。

優(yōu)選的，所述潤(rùn)濕劑為聚乙二醇或聚乙烯亞胺，所述光亮劑為聚二硫二丙烷磺酸鈉，所述非染料系整平劑為含氮的有機(jī)雜環(huán)化合物。

一種具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的銅層，依次包括晶圓基底、粘附層、銅籽晶層和電鍍銅層，所述電鍍銅層內(nèi)部含有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)，所述Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)在Z軸方向上晶粒尺寸大，晶界少，在X軸方向上晶粒尺寸小，晶界多。

優(yōu)選的，所述晶圓基底為硅或硅鍺半導(dǎo)體材料，或者含有硅或硅鍺的芯片或器件，所述粘附層為鈦層。

優(yōu)選的，所述銅籽晶層是采用磁控濺射方法制備上去的，所述銅籽晶層和所述電鍍銅層相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下益效果：

1）本發(fā)明在晶圓基底上制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層，電鍍銅層內(nèi)部含有大量Z軸方向（垂直于晶圓基底）擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)的組織，該結(jié)構(gòu)在Z軸方向的反應(yīng)速率非常慢，在晶圓級(jí)封裝去除銅籽晶層過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)Under Cut的現(xiàn)象，從而保證后續(xù)芯片使用的可靠性；

2）本發(fā)明在晶圓基底上制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層，電鍍銅層內(nèi)部含有大量Z軸方向（垂直于晶圓基底）擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)的組織，該結(jié)構(gòu)使得在Z軸方向上的拉伸強(qiáng)度以及與晶圓基底上銅籽晶層的結(jié)合強(qiáng)度都變得非常高，從而保證了銅層的服役可靠性；

3）本發(fā)明在晶圓基底上制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層，電鍍銅層內(nèi)部含有大量Z軸方向（垂直于晶圓基底）擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)的組織，該結(jié)構(gòu)使得在平行于Z軸方向上的硬度非常高，而垂直于Z軸方向（平行于X軸方向）上的硬度偏低，可以根據(jù)需求制備出具有任意方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的銅層結(jié)構(gòu)；

4）本發(fā)明采用的直流電鍍工藝，可以與現(xiàn)有的晶圓級(jí)封裝制備技術(shù)兼容，電流密度范圍寬，適用于Copper Pillar，RDL，UBM等銅互連技術(shù)。

上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的具體實(shí)施方式由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的銅層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的一實(shí)施例的Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)電鍍銅層底部FIB圖片-5ASD。

圖3為本發(fā)明的一實(shí)施例的Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)電鍍銅層FIB圖片-5ASD。

圖4本發(fā)明的一實(shí)施例的Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)電鍍銅層FIB圖片-10ASD

圖5為本發(fā)明的一實(shí)施例的電鍍銅層腐蝕反應(yīng)速率實(shí)驗(yàn)流程示意圖。

圖6為本發(fā)明的一實(shí)施例的腐蝕后具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)電鍍銅層的表面圖。

圖7為目前Market Leader采用的電鍍添加劑電鍍的普通的銅層經(jīng)過(guò)微蝕之后的表面圖。

具體實(shí)施方式

下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例1：

參見圖1所示，一種具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的銅層，依次包括晶圓基底1、粘附層2、銅籽晶層3和電鍍銅層4，所述電鍍銅層4內(nèi)部含有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)，所述Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的近似柱狀晶結(jié)構(gòu)在Z軸方向上晶粒尺寸大，晶界少，在X軸方向上晶粒尺寸小，晶界多。

優(yōu)選的，所述晶圓基底1為硅或硅鍺半導(dǎo)體材料，或者含有硅或硅鍺的芯片或器件，所述粘附層2為鈦層。

優(yōu)選的，所述銅籽晶層3是采用磁控濺射方法制備上去的，所述銅籽晶層3和所述電鍍銅層4相連。

實(shí)施例2：

一種制備具有擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層的方法，采用直流電鍍的工藝，其電鍍液的組成為硫酸銅120～200g/L，硫酸50～150g/L，潤(rùn)濕劑100～1000ppm，光亮劑5～50ppm，非染料系整平劑40～100ppm，其余為水；

電鍍陽(yáng)極板采用磷銅板，所述磷銅板中P元素含量為0.03～150wt.%；

電流密度為1～18A/dm²；

電鍍過(guò)程中采用機(jī)械攪拌的方式保證鍍液中濃度均勻一致并增加傳質(zhì)。

優(yōu)選的，所述潤(rùn)濕劑為聚乙二醇或聚乙烯亞胺，所述光亮劑為聚二硫二丙烷磺酸鈉，所述非染料系整平劑為含氮的有機(jī)雜環(huán)化合物。

通過(guò)本實(shí)施例的方法電鍍出的具有Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層采用FIB（Focused Ion beam）對(duì)其截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，表征結(jié)果分別如圖2、圖3、圖4所示。

所述電鍍出的具有Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層腐蝕反應(yīng)速率與目前Market Leader電鍍出的普通銅層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，實(shí)驗(yàn)流程參見圖5所示。

所述實(shí)驗(yàn)流程中分別采用授權(quán)公開號(hào)為CN103924268 B中的非染料系整平劑電鍍出具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層（參見圖6所示）和目前Market Leader采用的電鍍添加劑電鍍的普通的銅層（參見圖7所示），采用相同的電鍍條件在相同的電鍍平臺(tái)上，采用相同的實(shí)驗(yàn)方法得到的結(jié)果分別是具有Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層的腐蝕反應(yīng)速率為0.06μm/min，不具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的普通銅層的腐蝕反應(yīng)速率為0.14μm/min，具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層的腐蝕反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于不具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的普通銅層的腐蝕反應(yīng)速率，所以在去除銅籽晶層的過(guò)程中，具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層Under Cut的缺陷較小，服役可靠性遠(yuǎn)好于目前市面上常用的電鍍添加劑電鍍出的不具備Z軸擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的普通電鍍銅層。

所述具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層截面的硬度為156.8HV0.01，頂面硬度為120.1HV0.01，相差23.46%。不具備Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的普通銅層截面硬度為115.6HV0.01，頂面硬度為123.5HV0.01，相差7.35%。說(shuō)明由于具有Z軸方向擇優(yōu)取向生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電鍍銅層在截面方向與頂面方向的硬度相差較大，而不具備這種生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的普通銅層截面硬度和頂面硬度值相同。

上述實(shí)施例只是為了說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實(shí)質(zhì)所作出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。