本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造，具體涉及一種微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，特別涉及一種以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為新型芯片層間互連技術(shù)，銅柱凸點(diǎn)具有更好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，易實(shí)現(xiàn)超細(xì)節(jié)距互連，從而滿足高密度三維封裝的要求。根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線組織的預(yù)測，與20/14納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)相匹配的三維封裝互連結(jié)構(gòu)尺寸須減小到現(xiàn)有尺寸的十分之一，微凸點(diǎn)將由40-50微米縮小到5微米。在這一尺度上，微凸點(diǎn)的高精度制備、金屬間化合物(imc)異常生長、柯肯達(dá)爾孔洞等互連可靠性問題亟待解決。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)及其制備方法，本發(fā)明有效制備了小尺寸的微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了5微米尺度上的微凸點(diǎn)的高精度制備；本發(fā)明的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)在銅和焊料界面加上一層500納米尺度的鎳阻擋層，從而在界面處形成一層銅鎳錫三元合金，隨著時(shí)效過程的進(jìn)行，此厚度的鎳層很好的阻擋了銅的擴(kuò)散反應(yīng)，從而降低了金屬間化合物的生長，有效的提高了微凸點(diǎn)的可靠性，延長了器件的使用壽命。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
一種以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括具有種子層的硅片以及依次設(shè)置在所述硅片上的導(dǎo)電銅柱、鎳金屬阻擋層、錫柱層。
所述導(dǎo)電銅柱的高度大概為2-2.5微米。
所述鎳金屬阻擋層的厚度為400-600納米。
所述錫柱層的厚度為1.9-2.2微米。
一種以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：
步驟(1)：在有種子層的硅片上噴涂光刻膠，并經(jīng)過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結(jié)構(gòu)樣品，微孔的直徑為5-6微米，間距為19.5-20.5微米；
步驟(2)：將具有微孔結(jié)構(gòu)的樣品放置在銅電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為0.8-1.2a/dm2，11-13分鐘后在微孔中形成一層導(dǎo)電銅柱，高度為2-2.5微米，洗凈吹干；
步驟(3)：將步驟(2)清洗過后的樣品，放置在鎳電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為3.8-4.2a/dm2，28-32秒后在銅柱上方形成一層薄的鎳金屬阻擋層，厚度為400-600納米，洗凈吹干；
步驟(4)：將步驟(3)清洗過后的樣品，放置在錫電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1.0-1.3a/dm2，18-22分鐘后在鎳金屬阻擋層上方形成一層錫柱層，厚度為1.9-2.2微米，洗凈吹干；
步驟(5)：將步驟(4)處理完的樣品用清洗劑浸泡，洗去圖形化后的光刻膠。清洗劑例如可以為丙酮。
優(yōu)選地，所述種子層為300-600nm的銅鉻合金層。
優(yōu)選的，所述用于形成導(dǎo)電銅柱的銅電鍍?nèi)芤喊瑵舛葹?8-52g/l的硫酸銅、加速劑和整平劑。更優(yōu)選的，所述加速劑為聚二硫二丙烷磺酸鈉或3-巰基丙烷磺酸，所述整平劑選自聚亞烷基亞胺、烷基咪唑啉、金胺或賈納斯綠b。
優(yōu)選的，所述用于形成鎳金屬阻擋層的鎳電鍍?nèi)芤喊?95-305g/l的六水合硫酸鎳、48-52g/l的六水合氯化鎳、38-42g/l的硼酸、0.08-0.12g/l的十二烷基硫酸鈉，ph值控制在4.0-4.6。
優(yōu)選的，所述用于形成錫柱層的錫電鍍?nèi)芤喊?68-172g/l的氯化錫、148-152g/l的硫酸鎳、38-42g/l的硫酸。
優(yōu)選的，所述的金屬銅、鎳和錫柱電鍍方法中，所述陽電極金屬分別為純銅、鎳和錫，微孔樣品放置在陰極，陰極和陽極用直流電源相連，然后施加一定電流。
優(yōu)選的，本發(fā)明通過將步驟(5)制備好的樣品在預(yù)定溫度下優(yōu)選為150攝氏度下進(jìn)行恒溫時(shí)效反應(yīng)，測量生長出來的金屬間化合物厚度，來評估凸點(diǎn)的可靠性。
所述的恒溫時(shí)效反應(yīng)為銅、鎳和錫金屬在恒溫環(huán)境下發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，生成金屬間化合物的過程。所述的金屬間化合物為金屬之間復(fù)合，并合并成一種化合物。所述的金屬間化合物測量方法為將樣品橫截面在顯微鏡下觀察并測量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明的方法制備了5微米直徑尺度的封裝凸點(diǎn)，并且在銅和焊料界面加入了一層薄鎳層作為阻擋層；
本發(fā)明通過在晶圓上依次沉積鈍化層、種子層，以及經(jīng)過圖形曝光的光刻膠層，形成了5微米尺度上的微孔結(jié)構(gòu)；然后分別在三種電鍍?nèi)芤褐幸来坞婂冦~、鎳和錫層，制備出以500納米厚尺度的薄鎳層作為阻擋層的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
在測試階段的時(shí)效過程中，相對于未加薄鎳層的凸點(diǎn)而言，本發(fā)明的添加了薄鎳層的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的金屬間化合物生長更慢，孔洞生長更少，實(shí)現(xiàn)了更長時(shí)間的可靠性；
本發(fā)明實(shí)施效果好，可廣泛用于三維疊層芯片互連以及高密度封裝凸點(diǎn)等高端電子制造領(lǐng)域。
當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有優(yōu)點(diǎn)。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
圖1為不含鎳層的5微米cu/sn凸點(diǎn)和含有500納米鎳阻擋層的cu/ni/sn凸點(diǎn)的金屬間化合物隨時(shí)間的增長而發(fā)生變化的示意圖。
具體實(shí)施方式
鎳層可以用來阻擋銅和焊料的快速反應(yīng)，這是因?yàn)閚i與sn之間的反應(yīng)相對于cu與sn之間的反應(yīng)來說較慢，數(shù)據(jù)表明cu6sn5生長速率約是ni3sn4的5倍，這樣就限制了相同時(shí)間內(nèi)生長的imc的厚度。
在尺寸較大的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，焊料體積較大，因此為了獲得足夠的阻擋性能，鎳層厚度通常在1微米以上。然而，當(dāng)凸點(diǎn)的直徑減少到5微米時(shí)，如果采取同樣厚度的鎳層，ni會(huì)和焊料反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為ni3sn4，不能達(dá)到減少金屬間化合物的目的。而且凸點(diǎn)加上1微米高的鎳層，會(huì)導(dǎo)致凸點(diǎn)高度過高，回流過程中很容易發(fā)生坍塌的失效，影響整個(gè)凸點(diǎn)的可靠性。
因此，對于凸點(diǎn)尺寸不斷的減小的情況，選擇一定厚度的鎳阻擋層仍存在一些問題。
本發(fā)明提供一種以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，包括具有種子層的硅片以及依次設(shè)置在所述硅片上的導(dǎo)電銅柱、鎳金屬阻擋層、錫柱層。
所述導(dǎo)電銅柱的高度大概為2-2.5微米。
所述鎳金屬阻擋層的厚度為400-600納米。
所述錫柱層的厚度為1.9-2.2微米。
上述以薄ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以采用以下的制備方法制備，該制備方法包括以下步驟：
步驟(1)：在有種子層的硅片上噴涂光刻膠，并經(jīng)過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結(jié)構(gòu)樣品，微孔的直徑為5-6微米，間距為19.5-20.5微米；
步驟(2)：將具有微孔結(jié)構(gòu)的樣品放置在銅電鍍?nèi)芤褐校娏髅芏仍O(shè)置為0.8-1.2a/dm2，11-13分鐘后在微孔中形成一層導(dǎo)電銅柱，高度為2-2.5微米，洗凈吹干；
步驟(3)：將步驟(2)清洗過后的樣品，放置在鎳電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為3.8-4.2a/dm2，28-32秒后在銅柱上方形成一層薄的鎳金屬阻擋層，厚度為400-600納米，洗凈吹干；
步驟(4)：將步驟(3)清洗過后的樣品，放置在錫電鍍?nèi)芤褐校娏髅芏仍O(shè)置為1.1-1.3a/dm2，18-22分鐘后在鎳金屬阻擋層上方形成一層錫柱層，厚度為1.9-2.2微米，洗凈吹干；
步驟(5)：將步驟(4)處理完的樣品用清洗劑浸泡，洗去圖形化后的光刻膠。清洗劑例如可以為丙酮。
在本文中，由「一數(shù)值至另一數(shù)值」表示的范圍，是一種避免在說明書中一一列舉該范圍中的所有數(shù)值的概要性表示方式。因此，某一特定數(shù)值范圍的記載，涵蓋該數(shù)值范圍內(nèi)的任意數(shù)值以及由該數(shù)值范圍內(nèi)的任意數(shù)值界定出的較小數(shù)值范圍，如同在說明書中明文寫出該任意數(shù)值和該較小數(shù)值范圍一樣。
下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
以下實(shí)施例中使用的電鍍?nèi)芤簽椋?/p>
銅電鍍?nèi)芤喊瑵舛葹?0g/l的硫酸銅、加速劑和整平劑；所述加速劑為聚二硫二丙烷磺酸鈉或3-巰基丙烷磺酸，所述整平劑為聚亞烷基亞胺、烷基咪唑啉、金胺或賈納斯綠b。
鎳電鍍?nèi)芤喊?00g/l的六水合硫酸鎳、50g/l的六水合氯化鎳、40g/l的硼酸、0.1g/l的十二烷基硫酸鈉，ph值控制在4.0-4.6。
錫電鍍?nèi)芤喊?70g/l的氯化錫、150g/l的硫酸鎳、40g/l的硫酸。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種以薄ni層作為阻擋層的微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其制備具體步驟如下：
步驟(1)：在有種子層的硅片上噴涂光刻膠，經(jīng)過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結(jié)構(gòu)樣品，微孔的直徑為5微米，間距為19.5微米；
步驟(2)：將微孔結(jié)構(gòu)的樣品放置在銅電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1.2a/dm2，11分鐘后在微孔中形成一層導(dǎo)電銅柱，高度大概為2.2微米，洗凈吹干；
步驟(3)：將步驟(2)清洗過后的樣品，放置在鎳電鍍?nèi)芤褐校娏髅芏仍O(shè)置為3.8a/dm2，28秒后在銅柱上方形成一層薄的鎳金屬阻擋層，厚度大概為400納米，洗凈吹干；
步驟(4)：將步驟(3)清洗過后的樣品，放置在錫電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1.0a/dm2，20分鐘后在鎳層上方形成一層錫柱，厚度大概為1.9微米，洗凈吹干；
步驟(5)：將步驟(4)處理完的樣品用丙酮浸泡，洗去圖形化后的光刻膠。
效果測試：將制備好的樣品在150攝氏度下進(jìn)行恒溫時(shí)效反應(yīng)，測量生長出來的金屬間化合物厚度。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種以薄ni層作為阻擋層的微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其制備具體步驟如下：
步驟(1)：半導(dǎo)體晶圓上通純氧氣，經(jīng)過氧化反應(yīng)形成二氧化硅的鈍化層；
步驟(2)：將步驟(1)鈍化層表面物理氣相濺射，形成一層金屬種子層，厚度為300納米，為銅和鉻合金；
步驟(3)：在種子層上噴涂光刻膠，經(jīng)過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結(jié)構(gòu)樣品，微孔的直徑為6微米，間距為20微米；
步驟(4)：將微孔結(jié)構(gòu)的樣品，放置在銅電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1a/dm2，13分鐘后在微孔中形成一層導(dǎo)電銅柱，高度大概為2.5微米，洗凈吹干；
步驟(5)：將步驟(4)清洗過后的樣品，放置在鎳電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為4a/dm2，32秒后在銅柱上方形成一層薄的鎳金屬阻擋層，厚度大概為600納米，洗凈吹干；
步驟(6)：將步驟(5)清洗過后的樣品，放置在錫電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1.2a/dm2，22分鐘后在鎳層上方形成一層錫柱，厚度大概為2.2微米，洗凈吹干；
步驟(7)將步驟(6)處理完的樣品用丙酮浸泡，洗去圖形化后的光刻膠。
效果測試：將制備好的樣品在150攝氏度下進(jìn)行恒溫時(shí)效反應(yīng)，測量生長出來的金屬間化合物厚度。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提供一種以薄ni層作為阻擋層的微凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其制備具體步驟如下：
步驟(1)：半導(dǎo)體晶圓上通純氧氣，經(jīng)過氧化反應(yīng)形成二氧化硅的鈍化層；
步驟(2)：將步驟(1)鈍化層表面物理氣相濺射，形成一層金屬種子層，厚度為300納米，為銅和鉻合金；
步驟(3)：在種子層上噴涂光刻膠，經(jīng)過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結(jié)構(gòu)樣品，微孔的直徑為5.5微米，間距為20微米；
步驟(4)：將微孔結(jié)構(gòu)的樣品，放置在銅電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1a/dm2，12分鐘后在微孔中形成一層導(dǎo)電銅柱，高度大概為2.2微米，洗凈吹干；
步驟(5)：將步驟(4)清洗過后的樣品，放置在鎳電鍍?nèi)芤褐校娏髅芏仍O(shè)置為4a/dm2，30秒后在銅柱上方形成一層薄的鎳金屬阻擋層，厚度大概為500納米，洗凈吹干；
步驟(6)：將步驟(5)清洗過后的樣品，放置在錫電鍍?nèi)芤褐?，電流密度設(shè)置為1.2a/dm2，20分鐘后在鎳層上方形成一層錫柱，厚度大概為2.1微米，洗凈吹干；
步驟(7)：將步驟(6)處理完的樣品用丙酮浸泡，洗去圖形化后的光刻膠。
效果測試：將制備好的樣品在150攝氏度下進(jìn)行恒溫時(shí)效反應(yīng)，測量生長出來的金屬間化合物厚度。
測試結(jié)果
圖1為直徑5微米不含鎳層的cu/sn凸點(diǎn)和含有薄鎳阻擋層的cu/ni/sn凸點(diǎn)的經(jīng)過25h恒溫時(shí)效的示意圖。根據(jù)圖1，在無鎳阻擋層的凸點(diǎn)銅和焊料界面處，可以明顯看出金屬間化合物(金屬間化合物主要為cu6sn5和cu3sn)和孔洞隨時(shí)間的增長速率，而在有薄鎳層阻擋層的凸點(diǎn)的界面處，三元合金結(jié)構(gòu)很好的減慢了金屬間化合物的生長，孔洞的生長明顯減慢。
圖1中的橫坐標(biāo)代表時(shí)效時(shí)間的平方根，單位為小時(shí)的平方，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表凸點(diǎn)經(jīng)過對應(yīng)橫坐標(biāo)時(shí)間的時(shí)效過程之后，其界面處金屬間化合物的生長情況。圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)為不含鎳層的cu/sn凸點(diǎn)，而方形數(shù)據(jù)點(diǎn)為含有薄鎳阻擋層的cu/ni/sn凸點(diǎn)金屬間化合物生長情況，將圓形和方形的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別擬合，得到擬合直線，直線的斜率代表金屬間化合物隨時(shí)間的平方的生長速率。
從方形數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看出，含薄鎳阻擋層的cu/ni/sn凸點(diǎn)的焊料層在時(shí)效過程100h之后完全被消耗完，而從圓形數(shù)據(jù)點(diǎn)看出，不含鎳層的cu/sn凸點(diǎn)的焊料層在25h之后就完全被金屬間化合物填滿，可靠性不及前者，所以本發(fā)明提供的薄鎳阻擋層可以有效地實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)良好的可靠性，延長使用壽命。
從圖1中可以得出以下結(jié)論：薄鎳層阻擋層可以明顯減少金屬間化合物的生成以及孔洞的生長。
在本發(fā)明及上述實(shí)施例的教導(dǎo)下，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易預(yù)見到，本發(fā)明所列舉或例舉的各原料或其等同替換物、各加工方法或其等同替換物都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以及各原料和加工方法的參數(shù)上下限取值、區(qū)間值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。