一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺及结构的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于微纳制造技术领域，更具体地，涉及一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺及结构。
【背景技术】
[0002]集成电路(IC)的持续高速发展不断引发各领域产品的变革并创造社会新需求，在国家安全、高端制造、网络通讯等重要领域起着关键的支撑作用。随着特征尺寸进入到20/14nm技术节点，IC制造前道工艺以极紫外光刻为主体的技术路线已明朗化，出现大量密集的互连微通道，触发在后道互连方式和封装技术上的全面变革，三维集成成为提升器件性能和性价比的必然选择。
[0003]三维集成是将不同功能的芯片集成到一个系统中，芯片之间通过密集的微通道实现三维空间垂直互连，其中，微凸点互连是三维集成的关键技术。随着封装密度的增加以及特征尺寸的进一步降低，微凸点尺寸不断减少，键合界面厚度也被要求进一步降低，低温键合技术由于可以降低键合温度和压力，满足温度敏感器件的需求，将成为三维集成互连新的发展趋势。
[0004]铜锡铜共晶键合是低温互连的一种方式，其利用高熔点金属(铜)和低熔点金属(锡)在低于共晶温度下熔合为合金并固化，把需要连接的器件粘结在一起。上述连接方式由于低熔点金属的存在降低了键合时对键合表面的质量要求，同时不需要高真空环境和退火过程，因此在三维集成中得到广泛应用。然而，目前该技术的键合温度一般为260?320°C，略高于锡的熔点，如何改进该技术以进一步降低互连温度以及对键合环境的要求仍是一个挑战。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺及结构，其中通过倾斜溅射在铜凸点表面沉积获得铜纳米棒，将该铜纳米棒直接应用于铜锡铜键合，利用铜纳米棒和锡的低熔点，以及铜纳米棒的表面高活性，以降低键合温度，并且降低了对键合环境的要求，该工艺及结构制备工艺简单可控，可重复性好，无需复杂的设备，成本低，具有极大的应用价值。
[0006]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺，该工艺包括如下步骤:
[0007]I)在基片表面依次沉积绝缘层、粘附层和种子层；
[0008]2)在所述种子层上旋涂一层光刻胶，并在所述光刻胶上制作圆孔；
[0009]3)在所述圆孔中电镀铜，得到铜凸点；
[0010]4)去除所述光刻胶，利用湿法或干法腐蚀工艺去除暴露的种子层和粘附层；
[0011]5)在铜凸点表面及四周旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺暴露铜凸点的上表面；
[0012]6)利用步骤I)?5)得到两组结构相同的基片单元，在其中一组基片单元的铜凸点上表面电镀锡凸点，并去除光刻胶;在另一组基片单元的铜凸点上表面利用倾斜溅射法沉积铜纳米棒，并去除光刻胶；
[0013]7)通过热压方式将所述锡凸点与所述铜纳米棒键合；以此方式，实现两组基片单元的键合。
[0014]作为进一步优选地，所述圆孔为一个或多个，单个圆孔的直径为5μηι?200μηι。
[0015]作为进一步优选地，所述步骤3)中，铜凸点的高度不大于光刻胶厚度。
[0016]作为进一步优选地，所述步骤5)中，光刻胶厚度大于铜凸点高度。
[0017]作为进一步优选地，所述步骤6)中，沉积铜纳米棒时，基片和革El材的夹角为85°，派射时间为20min?40min;所述铜纳米棒的直径为10nm?200nm，垂直方向高度为300nm?600nmo
[0018]作为进一步优选地，所述步骤7)中，键合的温度为60 0C?400 °C，压力为0.1MPa?20MPa，时间为Imin?60min，键合环境为真空、惰性气体或空气环境。
[0019]按照本发明的另一方面，提供了一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合结构，所述键合结构包括两组结构相同的基片单元，所述基片单元包括基片以及依次沉积在所述基片表面的绝缘层、粘附层和种子层，所述种子层上电镀有铜凸点；其中一组基片单元的所述铜凸点上电镀有锡凸点，另一组基片单元的所述铜凸点上利用倾斜溅射法沉积有铜纳米棒，所述锡凸点和铜纳米棒通过热压方式进行键合。
[0020]作为进一步优选地，所述铜凸点采用如下方式获得:在所述种子层上旋涂一层光刻胶，并在所述光刻胶上制作圆孔;在所述圆孔中电镀铜，得到所述铜凸点。
[0021]作为进一步优选地，采用如下方式在所述铜凸点上电镀锡凸点:首先，去除所述光刻胶，利用湿法或干法腐蚀工艺去除暴露的种子层和粘附层;然后，在所述铜凸点表面及四周旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺暴露铜凸点的上表面;最后，在所述铜凸点的上表面电镀锡凸点，并去除光刻胶。
[0022]作为进一步优选地，采用如下方式在所述铜凸点上沉积铜纳米棒:首先，去除所述光刻胶，利用湿法或干法腐蚀工艺去除暴露的种子层和粘附层;然后，在所述铜凸点表面及四周旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺暴露铜凸点的上表面;最后，在所述铜凸点上沉积铜纳米棒，并去除光刻胶。
[0023]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，将铜纳米棒应用于面向三维微互连的铜锡铜键合，显著降低了键合温度和对于键合环境的要求，具有以下有益效果:
[0024]1.利用电镀工艺制备铜/锡凸点，凸点节距、直径和高度可控，工艺窗口宽，有利于实现三维高密度超细间距的微凸点互连。
[0025]2.利用磁控溅射法以倾斜溅射的方式制备铜纳米棒，相比传统的制备纳米结构工艺(如化学气相沉积、飞秒激光脉冲沉积、水热法等)，工艺更加简单可控，重复性好。
[0026]3.利用纳米材料表现的特殊性质如低熔点、高表面活性等，将铜纳米棒应用于铜锡铜键合工艺，与传统的铜锡铜共晶键合工艺相比，能显著降低键合的温度(降至锡的熔点以下仍可以得到紧密的键合界面，最低降至60°C)，并且对于键合环境的要求也变得更加宽松(从传统的真空或惰性气体降至空气环境)，由此减少键合过程产生的热变形和热应力，有利于保护器件。
[0027]4.本发明制备的铜纳米棒表面具有更加微小的铜纳米结构(直径约10nm-20nm)，小尺寸纳米结构有助于进一步降低铜纳米棒的熔点，提高表面活性，促进键合过程中铜原子和锡原子的扩散，有利于得到更加紧密的键合界面，提高键合质量。
【附图说明】
[0028]图1(a)是在沉积有绝缘层、粘附层、种子层的基片上旋涂光刻胶并在光刻胶上制作圆孔结构示意图；
[0029]图1(b)是在圆孔结构中电镀铜微凸点并去除多余的粘附层和种子层结构示意图；
[0030]图1(c)是在铜凸点表面旋涂一层光刻胶，利用光刻工艺暴露铜凸点示意图；
[0031]图1(d)是在一组铜凸点表面电镀锡凸点并去胶示意图；
[0032]图1(e)是在另一组铜凸点表面溅射铜纳米棒并去胶示意图；
[0033]图1(f)是对两组基片进行热压键合的示意图；
[0034]图2(a)和(b)是磁控溅射得到的铜纳米棒的SEM图。
[0035]图3是键合温度为600C下得到的键合界面的SEM图。
[0036]图4是键合温度为200°C下得到的键合界面的SEM图。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]如图1(a)?(f)所示，本发明实施例的基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺，包括如下步骤:
[0039](I)在基片I的表面依次沉积绝缘层2、粘附层3和种子层4。
[0040]其中，绝缘层2的材料选自二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚苯并环丁烯或光刻胶，以及上述材料的混合物或复合体，并优选采用热氧化、物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积(CVD)的方式形成;粘附层3的材料为钛、钛-钨(T1-W)、钛-氮化钛(T1-TiN)或钽-氮化钽(Ta-TaN)，并优选采用原子层淀积(ALD)、物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积(CVD)等方式形成;种子层4为铜(Cu)或金(Au)等材料构成，并优选采用化学镀、电化学嫁接、原子层淀积(ALD)、物理气相淀积(PVD)或化学气相淀积(CVD)的方式形成。
[0041](2)在种子层4上旋涂一层光刻胶5，并在光刻胶5上制作圆孔。
[0042]其中，圆孔可以为一个或多个，在光刻胶5上的排列可以为面阵型、四周型、菊花链型或任意排布。优选地，圆孔的直径为5μηι?200μηι，光刻胶高度为5μηι?ΙΟΟμπι。
[0043](3)在圆孔中电镀铜，得到铜凸点6，铜凸点6的高度不大于光刻胶4的厚度。优选地，铜凸点6的高度为5μηι?50