[發明專利]銅銅鍵合材料的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202010639826.8
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111607811A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 胡斌
• 申請（專利權）人: 蘇州清飆科技有限公司
• 主分類號: C25D3/56
• 分類號: C25D3/56;C25D5/50;C25D7/12;C23F1/44;C23F1/30;C23G1/10;H01L21/603
• 代理公司: 蘇州中合知識產權代理事務所(普通合伙) 32266
• 代理人: 劉召民

本發明提供一種銅銅鍵合材料的制備方法及其應用，其中，銅銅鍵合材料的制備方法包括如下步驟：步驟S1，在至少一個待焊接物的待焊接面設置納米多孔銅泡沫層；步驟S2，將所述待焊接物的待焊接面相對設置，并實施熱壓鍵合，使待焊接的兩側物體之間實現銅銅鍵合，得到所述銅銅鍵合材料。根據本發明的制備方法，得到高密度的全銅互連，該銅銅鍵合中不含任何有機物，不僅具有良好的電氣和熱力學性能，且即使在相對高溫下使用，也不會產生由于有機物揮發導致產生孔洞的問題，由于鍵合界面兩側都是銅，不會出現因為銅錫擴散系數差異導致銅錫界面的柯肯達爾孔洞。

技術領域

本發明涉及電子材料制備技術領域，具體涉及一種銅銅鍵合材料的制備方法及其應用。

背景技術

電子行業越來越高的I/O密度要求，推動了對芯片的需求。目前，封裝基板(C2S，Chip to Substrate)節距已經縮小到20μm以下，銅柱直徑也接近10μm，已經接近銅柱焊錫錫帽技術的極限。如此極端的尺度縮小，需要進一步減少焊料體積，增加焊帽橋接強度，提高可靠性。

此外，傳統焊料是純錫或者錫銀，由其來焊接銅柱，由于銅錫的擴散系數的差異，會導致銅錫界面出現柯肯達爾孔洞。相比于此，銅銅鍵合因為其優越的功率處理能力，熱穩定性，與傳統焊料相比的可靠性、電阻小和優秀的載流能力，并且與目前半導體封裝工藝可兼容特性，也就是說銅銅鍵合同時滿足成本和性能要求，受到業界和學術界的積極追捧，被視作半導體工業下一個互連節點。

然而，由于銅的模量較高，現有的銅銅鍵合制備方法則需要昂貴的平面化過程(化學機械拋光，CMP，Chemical Mechanical Polishing,CMP)來處理非共面性以及翹曲，來實現銅銅鍵合，這導致銅互連的可制造性差。另外，銅銅鍵合，考慮到元器件本身的性能，以及原來工藝流程，銅銅鍵合需要在250℃左右且不高于300℃的條件下進行回流，這相對于銅的熔點來說，是很低的溫度，而低溫銅銅鍵合，需要考慮如下問題：

1)為了實現銅銅鍵合，銅表面具有很好的活性，也就是保持新鮮的表面，但新鮮或者高活性表面在室溫下的氧化如何控制需要考慮；

2)在低溫短時間內通過界面兩側銅互相擴散后達到鍵合的強度，這要求低溫條件下的強大的擴散特性，然而對于普通的金屬銅來說，擴散系數通常達不到該要求；

3)電鍍銅柱高度的一致性相對差，導致在銅銅鍵合時兩側銅柱與銅柱或銅柱與焊盤可能存在不共面情況，而銅具有相對高的楊氏模量從而需要考慮晶圓翹曲以及銅柱高度不完全一致時在堆疊過程中出現局部無法接觸或者強行鍵合產生應力集中的情況。

基于此，目前，提出了采用銅金屬粉末做成導電膠，作為鍵合材料，然后通過絲網印刷或其他工藝將金屬導電膠轉移到銅柱頂面以此來實現兩個銅銅界面的鍵合，但該方法，由于界面電阻太大，對位精度差，良率太低，且在高溫時導電膠體中有機溶劑易于揮發有可能在鍵合材料中生成孔洞。

此外，還有采用納米孿晶的方案。電鍍納米孿晶銅所得到銅柱都是片狀結構堆疊而成，片狀結構基本上是(111)晶面擇優取向，該晶面的擴散系數相對很高，據報導，可以在350℃下實現銅銅鍵合。然而，該方法存在一個問題，由于銅柱圖形的設計分布密度的局部差異，會導致密集區域電流密度低，稀疏區域電流密度高，所以高低電流密度區域的電鍍銅高度差異大，鍵合時，難以保證所有需要鍵合的銅柱都能共面。另外，大部分電鍍的納米孿晶銅，其表面粗糙度較大，基于這樣的表面通過擴散獲得較高的鍵合力相對困難，而如果采用化學機械拋光，則又增加工藝流程，增加成本，降低生產效率，降低良率。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種新的銅銅鍵合材料的制備方法，其能夠以簡單的工藝，獲得鍵合力大、穩定可靠的銅銅鍵合。

根據本發明第一方面實施例的銅銅鍵合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟S1，在至少一個待焊接物的待焊接面設置納米多孔銅泡沫層；