相单晶扩散阻挡层的合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料制备领域，特别涉及一种三维封装互连焊点下Cu6Sn5相单晶扩散 阻挡层的合成方法。
【背景技术】：
[0002] 随着半导体器件集成度的不断提高，封装结构的尺寸显著降低，对集成电路的封 装技术也提出了更高的要求。其中，集成电路的三维封装技术由于具有封装密度高、封装成 本低且信号延迟小的优点，被认为是未来集成电路封装的主流发展趋势。然而在三维封装 的焊点互连过程中，由于采用的铜基焊盘厚度急剧下降而互连工艺温度与时间保持不变， 因此铜焊盘在与锡基焊点冶金成形及通电服役阶段中的快速溶解现象成为互连焊点界面 失效的主要原因。一方面，铜焊盘的大量溶蚀将造成焊盘结构的失效；另一方面，进入钎料 内的铜元素又会导致界面金属间化合物的形成，成为焊点界面开裂的潜在原因。传统的二 级封装工艺中，铜基表面常沉积一层3μπι以上的镍基金属化层（元素扩散阻挡层）以遏制 铜焊盘在钎料中的过分溶解；然而由于钎料对镍的润湿性较差，所以其表面还需沉积50~ 150nm的金层以提高元素扩散阻挡层的润湿可靠性，最终形成结构稳定的铜/镍/金焊盘。 不过在三维封装工艺中，由于焊盘结构较薄，导致镍/金元素扩散阻挡层的厚度显著降低， 对铜元素的扩散阻挡能力也将随之下降，因此互连焊盘的界面可靠性问题凸显。
[0003] 尽管微电子工业一直在寻找一种优良的可用于三维封装互连焊点的薄层元素扩 散阻挡层材料，然而成效甚微；现阶段元素扩散阻挡层仍以沿用金镍等贵金属材料为主。此 外一些学者致力于研究如何缓解焊盘溶解的新方法，如提高铜基焊盘的局部厚度或在钎料 中添加一定量铜镍元素以减缓润湿反应过程中的焊盘溶蚀问题；尽管这些方法在一定程度 上延长了焊盘溶蚀的时间，但是却增加了焊盘或钎料的加工难度，而且在通电服役过程中 仍然无法避免焊盘失效的结果。值得关注的是，2005-2006年Fu R.和Yan M.Y.等人发现 金属间化合物（如Cu3Sn相）具有优秀的铜元素扩散阻挡作用；2011年Hsiao Η. Y.等人 发现Cu6Sn5相金属间化合物的铜元素扩散阻挡性能比Cu 3Sn相更佳。因此根据上述研究， Cu6Sn5相金属间化合物应该是传统扩散阻挡层的理想替代材料，且具备成为三维封装互连 焊点下元素扩散阻挡层材料的应用潜质。
[0004] 不过铜基表面通过短时间润湿形成的Cu6Sn5相界面化合物层为多晶结构，相邻 Cu6Sn5晶粒间的晶界缺陷已经被证实是焊盘元素扩散阻挡层失效的主要原因：一方面晶界 是元素的快速扩散通道，它的存在极大的破坏了 Cu6Sn5相元素扩散阻挡层的铜元素扩散阻 挡效果，并且快速的晶间扩散又会造成Cu 6Sn^sH粒的整体剥离，从而进一步降低焊盘与焊 点之间的机械及热电可靠性能；另一方面，晶界是焊点冲击裂纹萌生及扩展的起始位置，很 容易成为焊点的局部断裂。尽管研究证实，随着润湿时间的延长Cu 6Sn5相多晶层中单个晶 粒的晶粒尺寸会发生增加而晶粒个数将减少（如图1 (左侧）），然而其尺寸增长幅度或晶粒 个数下降程度非常缓慢；即使润湿时间超过IOmin以上，其单个晶体生长尺寸也一般小于 10 μ m，而常规的铜基焊盘的窗口尺寸在50~100 μ m，因此通过延长润湿时间获得Cu6SrvK 单晶界面层将无法实现。总之，为了实现三维封装互连焊点下扩散阻挡性能优良的Cu6Sn5 相元素扩散阻挡层，需要解决大面积Cu6Sn5相单晶薄层在铜焊盘表面的合成问题。
【发明内容】
[0005] 鉴于现有技术存在的技术问题，通过大量的实验研究，本发明通过首先制备大面 积Cu6Sn 5相单晶薄层，之后通过有效的焊接手段将Cu 6Sn5相单晶层与铜基焊盘实现冶金互 连，从而实现铜基表面合成Cu6Sn 5相单晶元素扩散阻挡层结构的目标（如图1(右侧））。
[0006] 具体技术方案解决如下：
[0007] -种三维封装互连焊点下Cu6Sn5相单晶元素扩散阻挡层的合成方法，包括：
[0008] DCu6Sn5相单晶薄层制备；
[0009] 2)铜焊盘表面蒸镀锡层；
[0010] 3) Cu6Sn5相单晶薄层转移；
[0011] 4) Cu6Sn5相单晶薄层与铜基焊盘冶金互连。
[0012] 所述Cu6Sn5相单晶薄层制备包括：
[0013] a) Cu6Snjg棒状单晶的取向标定：如图2所示，将10~20根相同粒径的Cu #115相 棒状单晶按照长轴方向一致的方式整齐的排列于水平台表面，并用双面碳导电胶带将其完 全固定；通过装配在扫面电子显微镜（SEM)上的电子背散射衍射（EBSD)设备，对C U6Sn5ffi 棒状单晶的表面进行快速取向标定；根据取向标定结果，调整Cu6Sn5相棒状单晶的放置方 式，从而使单晶棒的表面完全由Cu 6Sn5相的（10-10)晶面构成。其中，多根Cu6Snjg棒状单 晶的整体固定有利于快速实现后续的EBSD取向标定，而选择将Cu 6Snjg (10-10)晶面暴露 于表面有利于切割过程中获得取向完全一致的Cu6Sn5相单晶薄片，从而最终实现阻挡性能 完全一致的Cu 6Snjg单晶元素扩散阻挡层结构。
[0014] WCu6Sn5相棒状单晶的切割：将长轴方向一致且表面取向完全为（10-10)晶面构 成的Cu 6Snjg棒状单晶连同导电胶带转移至具有精确三维位置控制的线切割加工平台上， 其中该三维位置控制平台的位移精度为Inm ;采用慢走丝线切割的方式切割Cu6Sn5棒状单 晶，其中沿平行于Cu6Snjg (10-10)晶面的方向加工时工作电流为0.05~0. 1A，而垂直于 (10-10)晶面的方向加工时工作电流为0. 1~0.5A;加工单晶片厚度根据需要，选择5~15 微米不等。其中，本发明在工作电流的选取方面充分考虑了 Cu6Sn5相单晶的取向加工性能， 从而在加工时选取了不同的工作电流以提高加工效率。对于加工获得的单晶片结构，显然 厚度越厚则元素扩散阻挡能力越强，不过相应的抗剪切破坏能力越弱，因此本发明在平衡 二者之间的利害关系后确认单晶片厚度在5~15微米的范围为最优。
[0015] c) Cu6Snjg单晶片的清洗：将加工后的Cu 6Sn5相单晶片浸泡于丙酮溶液中，超声清 洗I5min ;再次浸泡于盐酸酒精或硝酸酒精的腐蚀溶液（质量浓度〇. 5~2% )中，按照浸 泡产物与腐蚀液体积比1 :1〇的比例添加腐蚀溶液，并超声清洗15min ;将产物浸泡于酒精 溶液中，超声清洗15min后冷风吹干备用。通过以上的清洗过程可以将加工过程中引入的 污染物快速有效去除，从而显著降低最终Cu 6Sn5相单晶元素扩散阻挡层内的结构缺陷。
[0016] 所述铜焊盘表面蒸镀锡过程包括：
[0017] a)锡颗粒及铜焊盘的化学清洗：将蒸镀所用的锡颗粒和铜焊盘浸泡于丙酮溶液 中，超声清洗15min ;随后将其分别浸泡于盐酸酒精或硝酸酒精的腐蚀溶液（质量浓度 0. 5~2% )中，按照浸泡产物与腐蚀液体积比1 :10的比例添加腐蚀溶液，并超声清洗 15min ;最后将锡颗粒和铜焊盘浸泡于酒精溶液中，超声清洗15min，冷风吹干备用。通过以 上的清洗过程可以将附着在锡颗粒或铜焊盘表面的污染物快速有效去除，从而显著降低蒸 镀锡层中的蒸镀缺陷
[0018] b)真空蒸镀锡层：将清洗后的铜基板固定在真空蒸镀设备的基片处，将锡颗粒置 于钼金舟内，工作压强设为0. 5~5X 10 4Pa，基片转速为5~20r/min，蒸发时间为20min~ 2h，基片温度设置为50~100°C，蒸发功率为100~200W，通过控制真空蒸镀时间、蒸发功 率和基片温度将所需厚度的锡层沉积于铜焊盘表面（如表1所示）。上述工艺参数是通过 大量实验数据统计获得，根据该参数可以准确控制蒸镀层厚度，提高蒸镀效率及品质。
[0019] 表一蒸发功率、基片温度和工作压强控制下铜基焊盘表面锡的沉积速率
[0020]
[0021] c)真空溅射金层：将沉积锡后的铜焊盘转移至小型离子溅射仪内，将真空度控制 在0.1 Pa，溅射靶材为金，溅射时间为40s，取出焊盘干燥保存。此时溅射后的金层厚度约为 1~3nm。溅射金层可以保护Cu 6Snjg单晶薄层结构，降低单晶薄层转移过程中的破损风 险。
[0022] 所述Cu6Sn5相单晶薄层转移过程：首先将Cu 6Sn5相单晶片用防静电真空吸笔依次 拾取，然后置于镀锡铜焊盘表面适当位置，用高温聚酰亚胺胶带将Cu 6Sn5相单晶片固定，用 于后续加热互连。特别需要说明的是，在