本發(fā)明涉及微電子及微機(jī)電系統(tǒng)封裝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種定向生長納米孿晶銅的通孔填充方法及其應(yīng)用，該方法可適用于微電子三維封裝的硅通孔互連技術(shù)，或者用于玻璃或樹脂基體的通孔連接技術(shù)。

背景技術(shù)：

近年來，在微電子互連領(lǐng)域，常見的封裝形式為SIP、Wire Bonding、CSP或是BGA等。這些封裝技術(shù)已經(jīng)在電腦、手機(jī)、內(nèi)存設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用，但飛速發(fā)展的電子行業(yè)一直在尋求一種如何在更小的尺寸上實(shí)現(xiàn)更大密度互連的封裝結(jié)構(gòu)。因此，通孔互連技術(shù)成為業(yè)內(nèi)對高密度封裝結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。

通孔互連技術(shù)的核心是通孔的制備和填充，包含以下技術(shù)：通孔的刻蝕、絕緣層的沉積(基體為硅時(shí))、種子層的制備、通孔的填充。傳統(tǒng)的通孔填充工藝中由于側(cè)壁種子層的存在使得電鍍填充金屬的晶粒取向任意，無法達(dá)到定向生長的目的。在后期器件的服役過程或是可靠性試驗(yàn)中，易于造成部分晶粒界面處脆性金屬間化合物的快速長大和空洞的形成，導(dǎo)致器件的提前失效。因此，有必要改進(jìn)電鍍方法，進(jìn)行定向生長的通孔填充，控制銅與焊料界面的化合物生長以及空洞的形成，從而避免焊點(diǎn)引發(fā)的器件提早失效現(xiàn)象。

近些年來，納米孿晶銅因其優(yōu)異的綜合性能引起了研究人員的廣泛關(guān)注。納米孿晶銅是指晶粒內(nèi)部存在高密度的共格孿晶界、孿晶片層厚度為納米級別(小于100nm)的純銅。大量的力學(xué)方面的研究表明納米孿晶銅非常罕見地同時(shí)具備高的機(jī)械性能和高的導(dǎo)電性；同時(shí)，對其物理性能的研究也表明納米孿晶銅具備很高的界面可靠性和熱穩(wěn)定性。

然而，現(xiàn)有的納米孿晶銅制備技術(shù)主要是以Ti板或是非晶的Ni‐P薄膜為陰極板制備可以剝落的納米孿晶銅塊體材料，這與微電子行業(yè)中通孔電鍍填充的工藝相去甚遠(yuǎn)，也尚無在微電子行業(yè)中應(yīng)用這種高性能納米孿晶銅的案例?？紤]到目前通孔互連工藝已成為三維電子封裝的主流，定向生長納米孿晶銅的通孔填充 方法對于提高互連體可靠性具有非凡的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種定向生長納米孿晶銅的通孔填充方法及其應(yīng)用，利用直流電鍍手段在已制備通孔的基體上定向生長納米孿晶銅并形成通孔互連結(jié)構(gòu)，依據(jù)所生長納米孿晶銅高強(qiáng)、高導(dǎo)電性以及高的電遷移抗性和熱穩(wěn)定性這些特點(diǎn)，來提高通孔互連體的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能及服役可靠性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種定向生長納米孿晶銅的通孔填充方法，包括如下步驟：

(1)在基體上制備側(cè)壁絕緣的通孔，所述基體材質(zhì)為硅、玻璃或樹脂；

(2)在通孔底端設(shè)置含導(dǎo)電薄膜或?qū)щ姺N子層的底板；

(3)以導(dǎo)電薄膜或?qū)щ姺N子層為陰極，采用直流電鍍方式從通孔頂端向通孔內(nèi)填充納米孿晶銅金屬。所述納米孿晶銅的內(nèi)部含有定向生長的柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶的生長方向與基體平面垂直，柱狀晶內(nèi)部存在平行于基底平面的孿晶片層，孿晶片層厚度小于100nm。

上述步驟(2)中，所述底板為覆蓋導(dǎo)電薄膜的柔性基板，或者為設(shè)置Cu、Ni或Au金屬層的晶圓或金屬基板。

上述步驟(3)中，直流電鍍之前需要對作為陰極的導(dǎo)電薄膜或?qū)щ姺N子層使用5wt.％的鹽酸進(jìn)行酸洗活化處理，以保證陰極表面狀態(tài)一致。

上述步驟(3)中，通過直流電鍍的方法在通孔內(nèi)定向生長納米孿晶銅時(shí)，所用電鍍液組成為：硫酸銅120～200g/L，硫酸或甲基磺酸3～80mL/L，氯化鈉30～100ppm，潤濕劑為＞0～100ppm，表面活性劑10～100ppm，其余為水；電鍍陽極板采用磷銅板，磷銅板中P元素含量為0.03-0.075wt.％，電流密度為10-100mA/cm²，采用直流電鍍方式。所述電鍍液中的潤濕劑為聚乙二醇或聚乙烯亞胺，采用聚乙二醇時(shí)，其在電鍍液中濃度為10～100ppm，采用聚乙烯亞胺時(shí)，其在電鍍液中濃度為＞0～10ppm；所述表面活性劑為明膠；電鍍液的組分中采用硫酸時(shí)，硫酸在電鍍液中濃度為3～35mL/L，采用甲基磺酸時(shí)，其在電鍍液中濃度為5～80mL/L。

上述定向生長納米孿晶銅的通孔填充方法可適用于微電子三維封裝的硅通 孔互連技術(shù)，或者用于玻璃或樹脂基體的通孔連接技術(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、在基底(硅、樹脂、玻璃)上進(jìn)行通孔的電鍍填充，填充金屬為定向生長的納米孿晶銅組織，具體結(jié)構(gòu)為生長方向與基底平面垂直的柱狀晶結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)部存在高密度的平行于生長平面的共格孿晶界，孿晶片層厚度小于100nm。該定向生長的納米孿晶銅填充金屬具有高強(qiáng)高導(dǎo)及組織穩(wěn)定等優(yōu)良特點(diǎn)，可提高通孔互連體的互連性能和服役可靠性。

2、本發(fā)明與以往電鍍采用Ti板或是非晶的Ni-P薄膜作為陰極板制備塊體納米孿晶銅不同，本發(fā)明在已制備通孔的基底一側(cè)表面上設(shè)置導(dǎo)電薄膜或是導(dǎo)電種子層作為電鍍陰極，在通孔內(nèi)填充定向生長的納米孿晶銅，從而實(shí)現(xiàn)垂直方向的可靠互連，符合并滿足微電子器件高密度三維互連的發(fā)展要求。

3、本發(fā)明所采用的直流電鍍工藝，也可以和現(xiàn)有的微電子封裝制備技術(shù)兼容，使該發(fā)明成果更容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1在硅基體上定向生長納米孿晶銅的通孔填充結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1在硅基體上定向生長納米孿晶銅的通孔填充流程圖；其中：

圖(a)準(zhǔn)備有絕緣層的第一晶圓；

圖(b)沉積種子層；

圖(c)涂覆光刻膠；

圖(d)通過光刻膠與已制備通孔并沉積絕緣層的第二晶圓鍵合；

圖(e)刻蝕光刻膠以暴露出第一晶圓種子層；

圖(f)電鍍填充納米孿晶銅；

圖(g)去除第一晶圓；

圖(h)去除光刻膠，利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝磨平第二晶圓露出的銅；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2在玻璃基體上定向生長納米孿晶銅的通孔填充結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例3在樹脂基體上定向生長納米孿晶銅的通孔填充結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是利用直流電鍍方法制備的納米孿晶銅的掃描電鏡照片。

圖6是利用直流電鍍方法制備的納米孿晶片層的透射電鏡照片。

圖7是實(shí)施例4中硅通孔凸點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖中：1-第一晶圓；2-第一絕緣層；3-粘附層；4-種子層；5-光刻膠；6-第二晶圓；7-第二絕緣層；8-納米孿晶銅；9-玻璃基體；10-樹脂基體；11-焊料凸點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明。

實(shí)施例1

圖1是在硅基體上通孔中定向生長納米孿晶銅的填充結(jié)構(gòu)示意圖，在第二晶圓(硅基體)6上開有通孔，通孔的側(cè)壁上制有第二絕緣層7，通孔內(nèi)填充納米孿晶銅8。

圖2為在硅基體上定向生長納米孿晶銅的通孔填充流程圖，該工藝步驟為：

(1)準(zhǔn)備有第一絕緣層(材質(zhì)可為氧化硅或是氮化硅)2的第一晶圓1，如圖2(a)；在第一絕緣層2上面依次沉積粘附層(Ti層)3和種子層(Cu層)4，如圖2(b)，沉積粘附層和種子層的方法為物理氣相沉積(PVD)或?yàn)R射等，厚度為200nm左右；

(2)準(zhǔn)備已制備通孔并在通孔側(cè)壁已沉積第二絕緣層7的第二晶圓6，第二絕緣層7材料可以為氧化硅或是氮化硅；涂覆光刻膠5于種子層4之上，用于鍵合第二晶圓6，如圖2(c)-(d)；

(3)刻蝕第二晶圓6通孔底部的光刻膠5，將第一晶圓1表面的種子層4暴露出來以作為后續(xù)電鍍的陰極板，如圖2(e)；

(4)對種子層4使用5wt.％的鹽酸進(jìn)行酸洗活化，然后以活化后的種子層4為陰極，直流電鍍填充納米孿晶銅8，如圖2(f)；

(5)去除第一晶圓1，如圖2(g)；

(7)去除光刻膠5，并利用化學(xué)機(jī)械拋光的方法去除第二晶圓6表面凸出 的銅，如圖2(h)；

上述步驟(4)直流電鍍填充納米孿晶銅時(shí)，電鍍液組成為：硫酸銅200g/L，硫酸31mL/L，氯化鈉(以氯元素計(jì)算的濃度為30ppm)，聚乙二醇10ppm，明膠20ppm，其余為水。

電鍍工藝參數(shù)為：電鍍陽極板采用磷銅板(P含量為0.03-0.075wt.％)，電流密度為30mA/cm²，電鍍過程采用電磁攪拌方式保證鍍液中濃度均勻一致。

本實(shí)施例中電鍍填充的納米孿晶銅通孔互連體截面組織為：與晶圓基底平面垂直生長的柱狀晶粒，晶粒內(nèi)部有高密度的平行于薄膜生長平面(晶圓基底表面)的共格孿晶界(如圖5所示)，孿晶片層厚度在100nm以內(nèi)(如圖6所示)。

實(shí)施例2

本實(shí)施例是在玻璃基體9上定向生長納米孿晶銅8的通孔填充過程，其步驟為：

選用玻璃薄膜作為基體，利用激光鉆孔的方法在玻璃薄膜上加工貫穿孔。在玻璃一側(cè)表面上粘貼導(dǎo)電薄膜(材料可為銅膜)，以此為電鍍陰極進(jìn)行通孔填充。電鍍過程中，電鍍液組成為：硫酸銅200g/L，甲基磺酸40mL/L，氯化鈉30ppm(按氯化鈉中的氯含量計(jì)算)，聚乙烯亞胺5ppm，明膠20ppm，其余為水；電鍍陽極板采用磷銅板，磷銅板中P元素含量為0.03‐0.075wt.％，電流密度為40mA/cm²，電鍍過程中采用電磁攪拌方式保證鍍液中濃度均勻一致。通孔填充示意圖如圖3所示。

對本實(shí)施例所得玻璃基體9上通孔互連結(jié)構(gòu)中的銅截面組織進(jìn)行分析，其結(jié)果與實(shí)施例1相同，即為納米孿晶銅，內(nèi)部為生長方向與玻璃基底垂直的柱狀晶粒，柱狀晶內(nèi)部存在平行于玻璃平面的孿晶片層，孿晶片層厚度小于100nm。

實(shí)施例3

本實(shí)施例是在樹脂基體10上定向生長納米孿晶銅8的通孔填充過程：選用樹脂薄膜作為基體，利用激光鉆孔的方法在樹脂薄膜上加工貫穿孔。在樹脂一側(cè)粘貼導(dǎo)電薄膜(材料可為鎳薄膜)，以此為電鍍陰極進(jìn)行通孔填充。電鍍過程中，電鍍液組成為：硫酸銅120/L，硫酸20mL/L，氯化鈉50ppm(按氯化鈉中的氯含 量計(jì)算)，聚乙烯亞胺5ppm，明膠40ppm，其余為水；電鍍陽極板采用磷銅板，磷銅板中P元素含量為0.03‐0.075wt.％，電流密度為50mA/cm²，電鍍過程中采用電磁攪拌方式保證鍍液中濃度均勻一致。通孔填充示意圖如圖4所示。

實(shí)施例4

本實(shí)施例是定向生長納米孿晶銅通孔的應(yīng)用，如圖7所示，在實(shí)施例1(參見圖1和圖2)制備的硅基體上定向生長納米孿晶銅的通孔兩端分別設(shè)置焊料凸點(diǎn)11，形成三維疊層封裝中的硅通孔(TSV)凸點(diǎn)互連結(jié)構(gòu)。