电解质、形成铜层的方法以及形成芯片的方法
【专利说明】电解质、形成铜层的方法从及形成巧片的方法
[000。相关申请交叉引用
[0002] 本申请是2014年12月12日提交的申请号为14/568，163的美国专利申请的部分继 续申请，所述申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 各个实施例概括地设及电解质、形成铜层的方法及形成忍片的方法。
【背景技术】
[0004] 电子器件，例如包括半导体忍片例如娃片的现代功率器件，可W使用一层或多层 铜层例如厚铜层，W实现高电流承载能力和/或使忍片高效散热，或者在金属化层例如重新 分配层中使用铜层。不同半导体材料例如娃(CTE~化pm/K)和铜(CTE~16ppm/K)的热膨胀 系数(CTE)可能会显著不同。结果，溫度变化会导致铜层和/或铜层与半导体忍片之间的分 界面产生机械应力，最终导致铜层退化。此外，可能还需要阻挡层W阻止金属例如铜原子扩 散到半导体例如晶体管的子层中。但是，运种阻挡层与铜层之间的粘附力十分脆弱。运会进 一步促使铜层退化，例如铜层与半导体(含有阻挡层)分层的可能性增大，或者铜层中铜晶 界的破裂可能性增大。为此，为了增强粘附力，需要附加的粘附衬层。
【发明内容】
[0005] 在各个实施例中，可W提供一种电解质。所述电解质可W包括至少一种配置为在 溫度超过大约100°c时分解或蒸发的添加剂和一种水溶性金属盐，并且所述电解质可W不 含有碳纳米管。在各个实施例中，可W提供一种形成金属层的方法:所述方法可W包括使用 电解质在载体上沉积金属层，其中所述电解质可W包括至少一种配置为在溫度超过大约 100°C时分解或蒸发的添加剂和一种水溶性金属盐，其中所述电解质不含碳纳米管；W及退 火处理金属层W形成含有多个孔的金属层。在各个实施例中，可W提供一种半导体器件。所 述半导体器件可W包括含有多个孔的金属层，其中所述多个孔可W形成在金属层中，同时 添加剂的残余物存留在所述多个孔中并已经至少部分分解或蒸发。为了在宽溫度范围内 (高达450°C)保持高弹性，粘附层可W稳定金属晶界并可W修复金属晶粒内部的位错滑移。 在各个实施例中，提供了一种金属层。所述金属层可W包括具有楠圆体或球体形状的多个 孔。
【附图说明】
[0006] 在附图中，不同视图中相似的附图标记通常表示相同的部分。附图不一定按照比 例绘制，其强调的重点通常为示出本发明的原理。在下面【具体实施方式】中，将参照如下附图 描述本发明的各个实施例，其中：
[0007] 图1示出了用于实现根据各个实施例的形成铜层的方法的实验装置的示意图；
[000引图2A至图2C示出了根据各个实施例的形成铜层的方法的工艺流程；
[0009] 图3A和图3B示出了根据各个实施例的形成忍片的方法的工艺流程；
[0010] 图4A和图4B分别示出了使用根据各个实施例的电解质和/或形成铜层的方法所形 成的铜层在进行退火处理W形成孔之前（图4A)和之后（图4B)的聚焦离子束切割图像；
[0011] 图5示出了多个聚焦离子束切割图像，其中示出了一个比较示例和使用根据各个 实施例的电解质和/或形成铜层的方法所形成的=个铜层，其中退火工艺的一个或多个参 数已经改变；
[0012] 图6示出了多个聚焦离子束切割图像，每个图像均示出了使用根据各个实施例的 电解质和/或形成铜层的方法所形成的铜层，其中添加剂浓度已经改变；
[0013] 图7示出了多个聚焦离子束切割图像，每个图像均示出了使用根据各个实施例的 电解质和/或形成铜层的方法所形成的铜层，其中pH值和电流密度已经改变；W及
[0014] 图8A至图8C在每个示图的顶部面板中分别示出了传统半导体器件的离子束切割 图像（图8A)、根据各个实施例的带有含有多个孔的铜层的半导体器件的离子束切割图像 (图8B) W及根据各个实施例的带有含有多个孔和粘附层的铜层的半导体器件的离子束切 割图像（图8C)。在每个示图的底部面板中，分别示出了指示热循环期间每个半导体器件的 应力变化的图表。
【具体实施方式】
[0015] 下面将参照其中示出了实现本发明的具体细节和实施例的附图进行详细描述。
[0016] 此处使用的词语"示例性"表示"用作示例、实例或图示"。此处描述为"示例性"的 任何实施例或设计不应当被理解为相对于其他实施例或设计更优或更先进。
[0017] 针对形成在侧面或表面之上的沉积材料所使用的词语"之上"可W在此处用于表 示沉积材料"直接"形成在隐含的侧面或表面上，例如沉积材料直接接触隐含的侧面或表 面。针对形成在侧面或表面之上的沉积材料所使用的词语"之上"可W在此处用于表示沉积 材料"间接"形成在隐含的侧面或表面上，即有一个或多个附加层布置在隐含的侧面或表面 与沉积材料之间。
[0018] 术语电沉积和电锻在此处可W用作同义词，并可W理解为一种工艺过程，其中电 解质中的电流用于使溶解在电解质中的金属离子沉积到一个电极上。结果，沉积的金属离 子可W形成固体金属层或固体金属结构。
[0019] 在各个实施例中，可W形成具有多个孔的金属层。
[0020] 在各个实施例中，可W提供一种电解质。电解质可W包括配置为在溫度高于大约 100°C时分解或蒸发的添加剂，W及水溶性金属盐。电解质可W进一步包含水。电解质可W 进一步包含硫酸锭。例如，电解质可W包含硫酸锭、巧樣酸和硫酸铜。电解质可W不含碳纳 米管。电解质可用于形成金属（如铜)层，例如用于沉积金属(如铜)层。在各个实施例中，可 W提供一种电解质，用于形成含有多个孔的金属(如铜)层。形成(如沉积)金属层后，金属层 可W不含孔或者基本上不含孔。
[0021] 在各个实施例中，在形成金属层之后，可W退火处理金属层。例如退火处理可W包 括加热金属(如铜)层，例如将金属(如铜)层加热到l〇〇°C至600°C之间并例如持续1分钟至 10小时。例如可W在包含合成气体的环境中加热金属，例如将金属层加热到大约400°C并持 续大约30分钟。退火处理可能导致在金属层中形成多个孔。孔会对金属（如铜)层的热机械 性能产生影响，例如有利影响。例如，在溫度变化期间，仅在金属层与在其上形成金属层的 载体的边界处或者金属层内部产生少许应力。例如，与外部尺寸相近或相同但没有多个孔 的金属(如铜)层相比较，应力更小。通过针对铜层的实验已经证明，例如铜层中的应力可W 减小到小于比较铜层中应力的一半。同样地，对于含有多个孔并包括或包含非铜金属如金 (Au)、银(Ag)、销金(Pt)、钮(Pd)、儀(Ni)或锡(Sn)的金属层，也可W实现有益效果。
[0022] 可W按照基本相同的方式通过电解质形成(如沉积)金属层，例如使用目前用于形 成(如沉积)没有多个孔的金属层的相同或类似设备。例如，使用包括硫酸铜的电解质作为 水溶性金属盐，可W形成精细结构的导电铜线。通过实验已经证明，可W通过焊接或粘接形 成铜层如铜线导电连接。另外，对于包括或包含不同金属的金属层，可W通过焊接或粘接形 成金属层(如金属线)导电连接。
[0023] 在各个实施例中，可W提供一种形成金属（如铜)层的方法。所述方法可W包括使 用电解质在载体上形成(如沉积或电锻)金属层，其中电解质可W包括配置为在溫度高于大 约100°C时分解或蒸发的添加剂，W及水溶性金属盐如硫酸铜，并且其中电解质可W不含碳 纳米管。通过使用该电解质进行沉积，所得到的沉积金属层可W适于在其中形成多个孔。所 述方法可W进一步包括退火处理金属层。金属层的退火处理可W形成多个孔，从而可W提 升金属层的各种性能如热机械性能。
[0024] 在各个实施例中，可W提供一种半导体器件。半导体器件可W包括含有多个孔的 金属(如铜)层，其中多个孔可W形成在金属层中，同时添加剂的残余物存留在多个孔中并 已经至少部分分解或蒸发。添加剂可W与金属如铜一起沉积在载体上，例如作为添加剂粒 子或添加剂-铜化合物粒子。添加剂可W分布在整个金属层中，例如基本上均匀分布。在热 处理如退火处理期间，将包括覆有金属层的载体的半导体器件加热到溫度高于大约l〇〇°C， 添加剂会分解或蒸发(至少部分地)并留下多个孔。
[0025] 在各个实施例中，通过分解或蒸发添加剂而在金属层中形成的孔通常具有球体 (也称为球形)或楠圆体形状，其与烧结金属层中形成的多边形开口不同。根据不同的参数， 例如孔的尺寸和集中度，孔可W作为单独孔分布在层中，或者几个孔可W彼此连通，从而在 金属层中形成较大和/或较长开口或通道，或者两种类型孔混合分布。如果通道到达金属层 的一个或多个表面，从而连通到金属层的外部，则金属层可W是开孔的。如果孔未与金属层 的外部连通，则金属层可W是闭孔的。
[0026] 在各个实施例中，通过改进溫度变化期间金属层的弹性和/或金属层与半导体载 体的连接，可W提高包含金属层的半导体器件的可靠性。为此，可W提供一种电解质。其成 分(硫酸锭(可选），配置为在溫度高于大约l〇〇°C时分解且不含碳纳米管的添加剂）允许在 退火处理期间在铜层中形成多个孔的金属层沉积。
[0027] 多个孔可W改进金属层的热机械性能，例如减少半导体器件热循环期间执行的工 作量如热力学工作和/或减少半导体器件的热循环期间应力-溫度曲线的滞后量。
[0028] 在电解质中，水溶性金属盐如硫酸铜可W提供用于沉积的金属如铜。添加剂可W 作为单独复合物沉积在金属层内，并可W在退火处理金属层期间蒸发，从而形成孔。硫酸锭 可W增加电解质的传导性。其存在可W提高孔的同质性，例如孔的尺寸和/或分布。
[0029] 在各个实施例中，可W使用通用电锻设备沉积金属层。
[0030] 在各个实施例中，例如在阻挡层形成在金属层(例如，厚铜层)和半导体载体之间 W抑制金属原子如铜原子扩散到半导体载体中的情况下，通过将粘附层布置到金属层和阻 挡层之间，可W增强金属层与阻挡层之间的粘附力。例如，粘附层可W包括或包含相对于金 属层的金属如铜和阻挡层的材料都具有高结合能的金属（如侣）。例如，阻挡层可W包括或 由鹤90%-铁10%组成，其阻挡性能和无残留的湿法刻蚀的适用性使其特别适合用于厚电 化学沉积金属系统。为了在宽溫度范围内（高达450°C)保持高弹性，附加粘附层(也称为衬 层金属)将能够稳定金属(如铜）晶界，并将修复金属(如铜）晶粒内部的位错滑移。在各个实 施例中，粘附层可W扩散到金属(如铜)基体中（类似渗杂），或者与金属层一起形成合金。例 如，运可W在退火处理金属层期间实现。金属层中的多个孔和粘附层材料渗杂到金属层可 W增加金属层的弹性。金属层的渗杂可W理解为至少一些粘附层的原子迁移(如扩散)到金 属层中。
[0031] 在各个实施例中，半导体器件可W是忍片。换言之，可W提供一种形成忍片的方 法。所述方法可W包括使用电解质在半导体之上沉积金属层，其中电解质可W包括添加剂 和水溶性金属盐。所述方法可W进一步包括退火处理金属层，W形成含有多个孔的金属层。
[0032] 图1示出了用于实现根据各个实施例的形成金属层336的方法的实验装置的示意 图。
[0033] 在实验装置300中，电解质330可W布置在容器332中。
[0034] 虽然电解质330被描述为与实验装置300-起使用，但是电解质330可W与允许使 用电解质330形成金属层的任何其他装置或系统一起使用。
[0035] 在各个实施例中，电解质330可W包括水溶性金属盐（例如，硫酸铜(CuS化）、五水 合硫酸铜(化SO巧出0