[發明專利]以薄鎳層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201710352929.4
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107195605A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 凌惠琴;王冬凡;胡安民;李明
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01L23/488
• 分類號: H01L23/488;H01L21/60
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 封喜彥,胡晶

技術領域

本發明涉及半導體器件的制造，具體涉及一種微凸點結構，特別涉及一種以薄Ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點結構。

背景技術

作為新型芯片層間互連技術，銅柱凸點具有更好的導電導熱性，易實現超細節距互連，從而滿足高密度三維封裝的要求。根據國際半導體技術發展路線組織的預測，與20/14納米技術節點相匹配的三維封裝互連結構尺寸須減小到現有尺寸的十分之一，微凸點將由40-50微米縮小到5微米。在這一尺度上，微凸點的高精度制備、金屬間化合物(IMC)異常生長、柯肯達爾孔洞等互連可靠性問題亟待解決。

發明內容

本發明提供一種以薄Ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點結構及其制備方法，本發明有效制備了小尺寸的微凸點結構，實現了5微米尺度上的微凸點的高精度制備；本發明的銅鎳錫微凸點結構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，隨著時效過程的進行，此厚度的鎳層很好的阻擋了銅的擴散反應，從而降低了金屬間化合物的生長，有效的提高了微凸點的可靠性，延長了器件的使用壽命。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種以薄Ni層作為阻擋層的銅鎳錫微凸點結構，包括具有種子層的硅片以及依次設置在所述硅片上的導電銅柱、鎳金屬阻擋層、錫柱層。

所述導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結構的制備方法，包括以下步驟：

步驟(1)：在有種子層的硅片上噴涂光刻膠，并經過圖形曝光及顯影，形成小尺寸直徑的微孔結構樣品，微孔的直徑為5-6微米，間距為19.5-20.5微米；

步驟(2)：將具有微孔結構的樣品放置在銅電鍍溶液中，電流密度設置為0.8-1.2A/dm²，11-13分鐘后在微孔中形成一層導電銅柱，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，放置在鎳電鍍溶液中，電流密度設置為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，放置在錫電鍍溶液中，電流密度設置為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。

優選地，所述種子層為300-600nm的銅鉻合金層。

優選的，所述用于形成導電銅柱的銅電鍍溶液包含濃度為48-52g/L的硫酸銅、加速劑和整平劑。更優選的，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。

優選的，所述用于形成鎳金屬阻擋層的鎳電鍍溶液包含295-305g/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。

優選的，所述用于形成錫柱層的錫電鍍溶液包含168-172g/L的氯化錫、148-152g/L的硫酸鎳、38-42g/L的硫酸。

優選的，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。

優選的，本發明通過將步驟(5)制備好的樣品在預定溫度下優選為150攝氏度下進行恒溫時效反應，測量生長出來的金屬間化合物厚度，來評估凸點的可靠性。

所述的恒溫時效反應為銅、鎳和錫金屬在恒溫環境下發生擴散反應，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。

與現有技術相比，本發明的有益效果如下：

本發明的方法制備了5微米直徑尺度的封裝凸點，并且在銅和焊料界面加入了一層薄鎳層作為阻擋層；

本發明通過在晶圓上依次沉積鈍化層、種子層，以及經過圖形曝光的光刻膠層，形成了5微米尺度上的微孔結構；然后分別在三種電鍍溶液中依次電鍍銅、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結構；