[發明專利]一種三維封裝互連焊點下Cu6

在審

• 申請號: 201510390429.0
• 申請日: 2015-07-03
• 公開（公告）號: CN105047604A
• 公開（公告）日: 2015-11-11
• 發明（設計）人: 張志昊;李明雨;操慧珺
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L23/52
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所(普通合伙) 44248
• 代理人: 韓英杰

本發明提供了一種三維封裝互連焊點下Cu6Sn5相單晶元素擴散阻擋層的合成方法，包括：1)Cu6Sn5相單晶薄層制備；2)銅焊盤表面蒸鍍錫層；3)Cu6Sn5相單晶薄層轉移；4)Cu6Sn5相單晶薄層與銅基焊盤冶金互連。所得Cu6Sn5相單晶元素擴散阻擋層結構的元素擴散阻擋能力是傳統鎳基元素擴散阻擋層結構的72倍以上，是Cu6Sn5相多晶元素擴散阻擋層結構的144.3倍以上。具備成為替代現有三維封裝互連焊點下元素擴散阻擋層結構的潛力，有極高的工業應用價值。

本發明屬于材料制備領域，特別涉及一種三維封裝互連焊點下Cu6Sn5相單晶擴散阻擋層的合成方法。

背景技術：

隨著半導體器件集成度的不斷提高，封裝結構的尺寸顯著降低，對集成電路的封裝技術也提出了更高的要求。其中，集成電路的三維封裝技術由于具有封裝密度高、封裝成本低且信號延遲小的優點，被認為是未來集成電路封裝的主流發展趨勢。然而在三維封裝的焊點互連過程中，由于采用的銅基焊盤厚度急劇下降而互連工藝溫度與時間保持不變，因此銅焊盤在與錫基焊點冶金成形及通電服役階段中的快速溶解現象成為互連焊點界面失效的主要原因。一方面，銅焊盤的大量溶蝕將造成焊盤結構的失效；另一方面，進入釬料內的銅元素又會導致界面金屬間化合物的形成，成為焊點界面開裂的潛在原因。傳統的二級封裝工藝中，銅基表面常沉積一層3μm以上的鎳基金屬化層(元素擴散阻擋層)以遏制銅焊盤在釬料中的過分溶解；然而由于釬料對鎳的潤濕性較差，所以其表面還需沉積 50～150nm的金層以提高元素擴散阻擋層的潤濕可靠性，最終形成結構穩定的銅 /鎳/金焊盤。不過在三維封裝工藝中，由于焊盤結構較薄，導致鎳/金元素擴散阻擋層的厚度顯著降低，對銅元素的擴散阻擋能力也將隨之下降，因此互連焊盤的界面可靠性問題凸顯。

盡管微電子工業一直在尋找一種優良的可用于三維封裝互連焊點的薄層元素擴散阻擋層材料，然而成效甚微；現階段元素擴散阻擋層仍以沿用金鎳等貴金屬材料為主。此外一些學者致力于研究如何緩解焊盤溶解的新方法，如提高銅基焊盤的局部厚度或在釬料中添加一定量銅鎳元素以減緩潤濕反應過程中的焊盤溶蝕問題；盡管這些方法在一定程度上延長了焊盤溶蝕的時間，但是卻增加了焊盤或釬料的加工難度，而且在通電服役過程中仍然無法避免焊盤失效的結果。值得關注的是，2005-2006年Fu R.和Yan M.Y.等人發現金屬間化合物(如Cu3Sn 相)具有優秀的銅元素擴散阻擋作用；2011年Hsiao H.Y.等人發現Cu6Sn5相金屬間化合物的銅元素擴散阻擋性能比Cu3Sn相更佳。因此根據上述研究，Cu6Sn5相金屬間化合物應該是傳統擴散阻擋層的理想替代材料，且具備成為三維封裝互連焊點下元素擴散阻擋層材料的應用潛質。