納米孿晶銅再布線的制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種納米孿晶銅再布線的制備方法，包括步驟：1）于基片上制備鈍化層，并光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的窗口；2）于鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成種子層；3）于種子層表面形成納米孿晶銅再布線的光刻膠圖形，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表面制備一層納米孿晶銅再布線層；4）去除光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。本發(fā)明采用脈沖電鍍輔以快速退火處理，依靠脈沖電鍍形成的大內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使銅再結(jié)晶，形成高密度納米孿晶再布線。本發(fā)明采用的電流密度低，采用當(dāng)前設(shè)備即可，和現(xiàn)有的IC工藝完全兼容，屬于圓片級(jí)封裝工藝，效率高，成本低。制備的納米孿晶銅綜合力學(xué)性能優(yōu)良，可以大幅縮減再布線尺寸到10um左右，且具有較高的熱機(jī)械可靠性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】納米孿晶銅再布線的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，特別是涉及一種納米孿晶銅再布線的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圓片級(jí)封裝是指芯片和封裝在元偏上進(jìn)行制造和測(cè)試，最后劃片。圓片級(jí)封裝第 一步是通過(guò)再布線技術(shù)，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)IC焊盤(pán)節(jié)距，然后進(jìn)行低成本的植球，使得焊球間距 及尺寸變大，保證了更高的板級(jí)可靠性。
[0003] 再布線技術(shù)是圓片級(jí)封裝的核心工藝，直接決定封裝性能的優(yōu)良。相比芯片尺寸， 再布線往往距離較長(zhǎng)，具有較大的寄生效應(yīng)。再布線在走線方向上常常需要轉(zhuǎn)折，以協(xié)調(diào)其 它焊點(diǎn)和布線實(shí)現(xiàn)高密度封裝。再布線需要通過(guò)UBM與焊球鏈接，承受較大的應(yīng)力。再布 線尺寸隨著封裝尺寸的減少而迅速縮減，如16nm IC的封裝導(dǎo)線尺寸將減至IOum,如果涉 及到多層再布線，情況就更加復(fù)雜。對(duì)這信號(hào)完整性、器件熱力學(xué)可靠性等提出了挑戰(zhàn)。尋 找新材料、新技術(shù)以應(yīng)對(duì)再布線的挑戰(zhàn)廣受業(yè)界關(guān)注。
[0004] 納米孿晶銅，具有跟標(biāo)準(zhǔn)退火銅相當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率和延展性，更好的熱穩(wěn)定性，更高 的機(jī)械強(qiáng)度，具有抑制柯肯達(dá)爾孔洞的特性，非常適合作為再布線材料。納米孿晶銅晶粒 尺寸為幾個(gè)微米，內(nèi)部含有高密度的孿晶一常常是共格孿晶，孿晶片層相互平行，厚度為 IOOnm以內(nèi)。
[0005] 經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前制備納米孿晶銅的主要方式為脈 沖電鍍法、磁控濺射法、大塑性變形法等。例如昆明理工大學(xué)王軍麗等在專(zhuān)利公開(kāi)文本CN 102925832A，名稱(chēng)為"一種制備超細(xì)孿晶銅的大塑性變形方法"中，通過(guò)大塑性變形制備納 米孿晶銅。又如盧柯等在論文"Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper. Science304(5669) :422-426. "中，采用大電流脈沖以鐵板/鋼板為陰極合 成納米孿晶銅。復(fù)旦大學(xué)謝琉等在論文"The effect of sputtered W-based carbide diffusion barriers on the thermal stability and void formation in copper thin films. Microelectronic Engineering 87 (12) : 2535-2539. " 中，米用減射制備納米孿晶 銅薄膜。論文 "Eliminate Kirkendall voids in solder reactions on nanotwinned copper. 〃Scripta Materialia 68(5) :241-244. "中，采用直流電鍍制備納米孿晶銅薄膜， 但需要特殊的電鍍?cè)O(shè)備。
[0006] 鑒于以上所述，目前尚未有與圓片級(jí)工藝兼容的脈沖電鍍納米孿晶銅再布線的任 何技術(shù)公開(kāi)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種納米孿晶銅再布線的 制備方法，以實(shí)現(xiàn)一種可以大幅縮減再布線的銅線的尺寸，提高封裝器件的熱機(jī)械與電學(xué) 可靠性，并提高封裝密度的納米孿晶銅再布線的制備方法。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種納米孿晶銅再布線的制備方 法，所述制備方法包括步驟：
[0009] 1)于基片上制備鈍化層，并于所述鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗 Π ；
[0010] 2)于所述鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成種子層；
[0011] 3)于所述種子層表面形成納米孿晶銅再布線的光刻膠圖形，并以所述光刻膠圖形 為掩膜，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表面制備一層納米孿晶銅再布線層；
[0012] 4)去除所述光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。
[0013] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟1)包括：
[0014] 1-1)于基片上制備無(wú)機(jī)鈍化層，并于所述無(wú)機(jī)鈍化層中光刻出用于與芯片極板互 聯(lián)的互聯(lián)窗口；
[0015] 1-2)于所述無(wú)機(jī)鈍化層上制備有機(jī)鈍化層，并于所述有機(jī)鈍化層中光刻出用于與 芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口。
[0016] 進(jìn)一步地，所述無(wú)機(jī)鈍化層包括氮化硅及氧化硅鈍化層的一種或組合，所述有機(jī) 鈍化層包括苯并環(huán)丁烯及聚酰亞胺的一種或組合。
[0017] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述種子層包括 Ti/Cu 及 TiW/Cu 的一種。
[0018] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述基片為晶圓 片。
[0019] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)的脈沖電 鍍法采用的電解液為硫酸銅純?nèi)芤骸⑷ルx子水及硫酸混合液，其PH為0. 5-1. 5,采用的陰極 為形成有種子層的基片，采用的脈沖電流密度為7?70mA/cm2,導(dǎo)通時(shí)間為1?10ms，關(guān)閉 時(shí)間為 90-200ms。。
[0020] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，所述納米孿晶銅再 布線層中晶粒尺寸為0. 5?10um，晶粒內(nèi)部為孿晶片，孿晶片的厚度為3?100nm，并貫穿 整個(gè)晶粒。
[0021] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，還包括步驟：重復(fù) 進(jìn)行步驟1)?4)，形成多層納米孿晶銅再布線層。
[0022] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，還包括對(duì)納米孿晶 銅再布線層進(jìn)行退火的步驟，其中，退火溫度為50?350°C，退火時(shí)間為10?120s。
[0023] 作為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法的一種優(yōu)選方案，還包括于所述納米 孿晶銅再布線層表面形成樹(shù)脂鈍化層的步驟。
[0024] 如上所述，本發(fā)明提供一種納米孿晶銅再布線的制備方法，所述制備方法包括步 驟：1)于基片上制備鈍化層，并于所述鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口； 2)于所述鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成種子層；3)于所述種子層表面形成納米孿晶 銅再布線的光刻膠圖形，并以所述光刻膠圖形為掩膜，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表 面制備一層納米孿晶銅再布線層；4)去除所述光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。本發(fā) 明采用脈沖電鍍輔以快速退火處理，依靠脈沖電鍍形成的大內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使銅再結(jié)晶，形成高 密度納米孿晶再布線。本發(fā)明采用的電流密度低，采用當(dāng)前設(shè)備即可，和現(xiàn)有的IC工藝完 全兼容，屬于圓片級(jí)封裝工藝，效率高，成本低。由于制備的納米孿晶銅綜合力學(xué)性能十分 優(yōu)良，因此可以大幅縮減再布線尺寸到IOum左右，且具有較高的熱機(jī)械可靠性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1顯示為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線的制備方法步驟流程示意圖。
[0026] 圖2顯示為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線頂部孿晶SEM圖。
[0027] 圖3顯示為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線橫截面孿晶FIB圖。
[0028] 圖4顯示為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線TEM圖。
[0029] 圖5顯示為本發(fā)明的納米孿晶銅再布線孿晶片層厚度分布圖。
[0030] 元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0031] Sll?S14 步驟1)?步驟4)

【具體實(shí)施方式】
[0032] 以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū) 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí) 施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離 本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0033] 請(qǐng)參閱圖1。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的 基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀 及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局 型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0034] 如圖1所示，本實(shí)施例提供一種納米孿晶銅再布線的制備方法，所述制備方法包 括步驟：
[0035] 如圖1所示，首先進(jìn)行步驟1)S11，于基片上制備鈍化層，并于所述鈍化層中光刻 出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口；
[0036] 在本實(shí)施例中，所述基片為晶圓級(jí)的晶圓片，所述晶圓片上制作有多個(gè)芯片，其 中，步驟1)包括：步驟1-1)，對(duì)基片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RAC清洗后，于基片上制備無(wú)機(jī)鈍化層，并于 所述無(wú)機(jī)鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口；所述無(wú)機(jī)鈍化層包括氮化硅 及氧化硅鈍化層的一種或組合，在本實(shí)施例中，采用PEVCD沉積氮化硅，作為所述無(wú)機(jī)鈍化 層。
[0037] 步驟1-2)，于所述無(wú)機(jī)鈍化層上制備有機(jī)鈍化層，并于所述有機(jī)鈍化層中光刻出 用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口。所述有機(jī)鈍化層包括苯并環(huán)丁烯BCB及聚酰亞胺的一種 或組合。在本實(shí)施例中，于所述基片上采用旋涂工藝制作厚度為5?15um的聚酰亞胺樹(shù) 月旨，作為所述有機(jī)鈍化層。具體地，旋涂所采用的旋涂的轉(zhuǎn)速為1500?2500rpm，旋涂的時(shí) 間為20?40秒。
[0038] 如圖1所示，然后進(jìn)行步驟2)S12,于所述鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成具有 擇優(yōu)取向的種子層。
[0039] 作為示例，所述種子層包括Ti/Cu及TiW/Cu的一種。
[0040] 具體地，在本實(shí)施例中，在不破壞真空度的情況下連續(xù)濺射種子層TiW/Cu，氣壓不 高于10_ 5Pa，厚度分別為500 A /2000 A。
[0041] 如圖1所示，接著進(jìn)行步驟3)S13,于所述種子層表面形成納米孿晶銅再布線的光 刻膠圖形，并以所述光刻膠圖形為掩膜，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表面制備一層納 米孿晶銅再布線層。
[0042] 作為實(shí)例，所述納米孿晶銅再布線的光刻膠圖形為線條布線圖形，其線寬為10um， 可以根據(jù)實(shí)際芯片需要進(jìn)行排布。
[0043] 作為實(shí)例,本步驟的脈沖電鍍法采用的電解液為硫酸銅純?nèi)芤?、去離子水及硫酸 混合液，其PH為0. 5-1. 5,采用的陰極為形成有種子層的基片，采用的脈沖電流密度為7? 70mA/cm2,導(dǎo)通時(shí)間為1?10ms，關(guān)閉時(shí)間為90-200ms。具體地，采用的平均脈沖電流密度 為70mA/cm 2,導(dǎo)通時(shí)間為5ms，關(guān)斷時(shí)間為99ms，脈沖電鍍的時(shí)間約為30min，以獲得所述納 米孿晶銅再布線層。
[0044] 通過(guò)以上工藝制作的納米孿晶銅再布線層中，包括多個(gè)晶粒，晶粒尺寸為0. 5? 10um，晶粒內(nèi)部為孿晶片，孿晶片的厚度為3?lOOnm，并貫穿整個(gè)晶粒。如圖2-5所示。
[0045] 如圖1所示，最后進(jìn)行步驟4)S14,去除所述光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。
[0046] 具體地，采用過(guò)硫酸銨或雙氧水腐蝕以去除多余的種子層。
[0047] 需要說(shuō)明的是，完成上述制備以后，還可以包括對(duì)納米孿晶銅再布線層進(jìn)行退火 的步驟，其中，退火溫度為50?350°C，退火時(shí)間為10?120s。本退火步驟可以進(jìn)一步提 高納米孿晶銅再布線層的密度。
[0048] 另外，如果需要形成多層納米孿晶銅再布線層，可以重復(fù)進(jìn)行上述步驟1)?4)， 以獲得多層納米孿晶銅再布線層。
[0049] 更進(jìn)一步地，完成上述制備以后，還可以進(jìn)一步包括于所述納米孿晶銅再布線層 表面形成樹(shù)脂鈍化層的步驟，作為保護(hù)層。
[0050] 如上所述，本發(fā)明提供一種納米孿晶銅再布線的制備方法，所述制備方法包括步 驟：1)于基片上制備鈍化層，并于所述鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口； 2)于所述鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成種子層；3)于所述種子層表面形成納米孿晶 銅再布線的光刻膠圖形，并以所述光刻膠圖形為掩膜，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表 面制備一層納米孿晶銅再布線層；4)去除所述光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。本發(fā) 明采用脈沖電鍍輔以快速退火處理，依靠脈沖電鍍形成的大內(nèi)應(yīng)力驅(qū)使銅再結(jié)晶，形成高 密度納米孿晶再布線。本發(fā)明采用的電流密度低，采用當(dāng)前設(shè)備即可，和現(xiàn)有的IC工藝完 全兼容，屬于圓片級(jí)封裝工藝，效率高，成本低。由于制備的納米孿晶銅綜合力學(xué)性能十分 優(yōu)良，因此可以大幅縮減再布線尺寸到IOum左右，且具有較高的熱機(jī)械可靠性。所以，本發(fā) 明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0051] 上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括步驟： 1) 于基片上制備鈍化層，并于所述鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口； 2) 于所述鈍化層表面及所述互聯(lián)窗口中形成種子層； 3) 于所述種子層表面形成納米孿晶銅再布線的光刻膠圖形，并以所述光刻膠圖形為掩 膜，采用脈沖電鍍法于裸露的種子層表面制備一層納米孿晶銅再布線層； 4) 去除所述光刻膠圖形，并腐蝕掉多余的種子層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：步驟1)包括： 1-1)于基片上制備無(wú)機(jī)鈍化層，并于所述無(wú)機(jī)鈍化層中光刻出用于與芯片極板互聯(lián)的 互聯(lián)窗口； 1-2)于所述無(wú)機(jī)鈍化層上制備有機(jī)鈍化層，并于所述有機(jī)鈍化層中光刻出用于與芯片 極板互聯(lián)的互聯(lián)窗口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：所述無(wú)機(jī)鈍化 層包括氮化硅及氧化硅鈍化層的一種或組合，所述有機(jī)鈍化層包括苯并環(huán)丁烯及聚酰亞胺 的一種或組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：所述種子層包 括 Ti/Cu 及 TiW/Cu 的一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：所述基片為晶 圓片。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：步驟3)的脈沖 電鍍法采用的電解液為硫酸銅純?nèi)芤?、去離子水及硫酸混合液，其PH為0. 5-1. 5,采用的陰 極為形成有種子層的基片，采用的脈沖電流密度為7?70mA/cm2,導(dǎo)通時(shí)間為1?10ms，關(guān) 閉時(shí)間為90-200ms。。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：所述納米孿晶 銅再布線層中晶粒尺寸為〇. 5?10um，晶粒內(nèi)部為孿晶片，孿晶片的厚度為3?100nm，并 貫穿整個(gè)晶粒。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1?7任意一項(xiàng)所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于： 還包括步驟：重復(fù)進(jìn)行步驟1)?4)，形成多層納米孿晶銅再布線層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：還包括對(duì)納米 孿晶銅再布線層進(jìn)行退火的步驟，其中，退火溫度為50?350°C，退火時(shí)間為10?120s。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米孿晶銅再布線的制備方法，其特征在于：還包括于所述 納米孿晶銅再布線層表面形成樹(shù)脂鈍化層的步驟。
【文檔編號(hào)】H01L23/485GK104392939SQ201410581802
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】李珩, 羅樂(lè), 朱春生, 葉交托, 徐高衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所