[發明專利]納米孿晶銅布線層的制備方法

在審

• 申請號: 201710124083.9
• 申請日: 2017-03-03
• 公開（公告）號: CN106876294A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 程功;李珩;羅樂;徐高衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60
• 代理公司: 上海光華專利事務所31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發明屬于半導體封裝領域，特別是涉及一種納米孿晶銅布線層的制備方法。

背景技術

半導體芯片制造過程中要用到各種布線層，其中主要是用于半導體后道工藝的互連層以及先進封裝工藝的重布線層。由于銅的導熱導電性僅次于銀，且銅的抗電遷移性能也優于傳統的鋁、錫等互聯材料。因此，在半導體制造工藝中，銅已經逐步取代鋁成為主要的互連材料。由于銅互聯層在工藝過程中要經受多次熱處理過程，并且銅互聯層周圍都被介質所包圍，因此在工藝過程中要經受較大的應力。這將對芯片和封裝體的可靠性、信號完整性提出很大挑戰。尋找一種具有高強度、高韌性的全新互聯材料成為業界關注的焦點。

納米孿晶銅是一種晶粒內部具有高密度孿晶界，孿晶片層達到納米量級的一種銅材料。納米孿晶銅的特殊的組織結構使得其在具有跟標準退火銅相當的電導率和韌性的同時，其強度達到了標準退火銅的10倍左右(屈服強度可高達1GPa)。納米孿晶銅的優良的熱穩定性，良好的抗電遷移性能和抑制柯肯達爾孔洞的能力都使得納米孿晶銅作為半導體互聯材料具有良好的發展前景。

經過對國內外公開報道的相關文獻進行檢索發現，目前制備納米孿晶銅的主要方法有高速攪拌的直流電鍍法、高電流密度的脈沖電鍍法、磁控濺射法和大塑性變形等方法。例如陳智等在論文“Fabrication and Characterization of(111)-Oriented and Nanotwinned Cu by Dc Electrodeposition.Crystal Growth&Design,2012,12(10):5012-5016.”中采用直流電鍍輔助以快速攪拌的方法制備了納米孿晶銅，但由于其攪拌速率需要達到1000rpm/min左右才能達到良好的效果，因此需要特制的電鍍設備。又如盧柯等在專利公開文本CN 1498987A，名稱為“一種超高強度超高導電性納米孿晶銅材料及制備方法”中，通過脈沖電鍍方法制備了納米孿晶銅，但此方法需要采用的電流密度高達50A/cm²,顯著高于目前產業界采用的電流密度，因此與目前半導體工藝兼容性較差。美國德州農工大學教授O.Anderoglu等人在論文“Thermal stability of sputtered Cu films with nanoscale growth twins.Journal of Applied Physics,2008,103(9):094322.”中采用磁控濺射方法制備了納米孿晶銅，但磁控濺射方法制備較厚的銅薄膜具有時間長、成本高的劣勢，因此并不適合在大規模生產中采用。昆明理工大學王軍利等在專利公開文本CN 102925832A，名稱為“一種制備超細孿晶銅的大塑性變形方法”中，通過大塑性變形方法制備納米孿晶銅不能應用于半導體材料制備領域。

基于以上所述，目前尚未有與半導體技術相兼容的采用快速退火方法大規模制備納米孿晶銅布線層的任何技術公開。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種納米孿晶銅布線層的制備方法，以實現將半導體芯片布線層的熱穩定性、抗電遷移性能、導電性以及機械性能大幅提升以提高半導體芯片的可靠性的方法。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種納米孿晶銅布線層的制備方法，所述制備方法包括步驟：

1)于基片上制備第一鈍化層，并于所述第一鈍化層內形成用于與所述基片上器件結構互聯的互聯窗口；

2)于所述第一鈍化層表面及所述互聯窗口中形成種子層；

3)于所述種子層表面形成光刻膠層，將所述光刻膠層進行圖形化處理，以在所述光刻膠層內形成定義出納米孿晶銅布線層形狀的圖形窗口，所述圖形窗口貫穿所述光刻膠層以暴露出部分所述種子層；

4)以圖形化處理后的所述光刻膠層為掩膜，于裸露的所述種子層表面形成布線銅層；

5)將得到的結構進行退火處理：將得到的結構所處環境的溫度自室溫升溫至預設溫度，升溫速率大于5℃/min；在預設溫度保溫預設時間；自預設溫度降溫至室溫，降溫速率大于5℃/min，以得到納米孿晶銅布線層。

作為本發明的納米孿晶銅布線層的制備方法的一種優選方案，步驟1)中，所述第一鈍化層為無機鈍化層、有機鈍化層或無機鈍化層及有機鈍化層。

作為本發明的納米孿晶銅布線層的制備方法的一種優選方案，所述無機鈍化層的材料包括氮化硅、氮化鉭及氧化硅的一種或一種以上的組合，所述有機鈍化層的材料包括苯并環丁烯及聚酰亞胺的一種或二者的組合。