实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺及其应用

【技术领域】

本发明属于芯片封装技术领域，特别是涉及一种实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺及其应用。

【背景技术】

随着集成电路芯片制造技术节点的发展，遵循摩尔定律的芯片制造技术渐渐接近物理极限，相应地，芯片性价比也越来越差，另一方面，物联网、大数据、云计算等要求电子封装件集成度越来越高，芯片与芯片之间的电连接越来越短，芯片不断朝着高密度、轻薄化的方向发展。

随着IC芯片带宽的不断增加，需要引出越来越多的I/O端口。传统的微凸点技术和打线技术已难以满足高带宽IC芯片的需求。因此，细节距、高密度的微凸点技术开始被广泛应用。随着微凸点和微组装技术的发展，为提高2.5D/3D堆叠封装的集成度，微凸点尺寸和节距需要不断缩小。

现阶段，小尺寸细节距的芯片间微凸点互连技术主要采用铜柱加锡帽实现键合互连，其工艺步骤主要涉及铜柱制备、钎料沉积以及热压回流等，这些工艺相互独立且非常繁琐，无法一体化快速完成；而且所述键合互连过程中涉及的高温高压环境会使得器件产生热应力，影响器件的可靠性。尤其是对于大深宽比的铜柱凸点，难以满足低温金属键合工艺的需求。如现有技术中专利公开号为CN105023854A公开了一种细节距铜柱微凸点制备工艺，其包括：1)在晶圆表面电镀种子层；2)沉积铜层；3)制备钎料层；4)涂覆掩膜层；5)在光刻层上制作开口；6)在开口处将钎料层、铜层以及种子层刻蚀掉；7)剥离残留的掩膜层；8)最后进行回流工艺在铜层上形成铜柱微凸点。该微凸点制作工艺在种子层制作后因电镀工艺生产的铜柱表面粗糙度较大，无法满足铜与铜键合工艺，因键合表面平整度要求非常苛刻且电镀工艺制作的微凸点平整度较差，当铜柱深宽比较大时，纯金属铜柱的平整性及强度无法满足12寸晶圆键合，从而会影响整体键合质量。

因此，有必要提供一种新的实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺及其应用来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的主要目的在于提供一种实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺，大大降低了铜柱表面粗糙度，为实现低温低压凸点键合互连工艺奠定了条件基础，实现了超窄节距的高密度互联。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺，其包括以下步骤：

S1、在晶圆的上表面溅射种子层；

S2、制作牺牲层，所述牺牲层覆盖在所述种子层上；

S3、在所述牺牲层上表面制作掩膜层，并进行光刻、显影得到需要的软掩膜图形；所述软掩膜图形的线条之间形成有若干槽孔，所述槽孔自所述掩膜层的上表面向下延伸至所述牺牲层的下表面；所述槽孔的数量分布与所需制备的铜柱数分布一致；

S4、在所述槽孔中制备得到铜柱，所述铜柱的顶部突出所述掩膜层的上表面形成键合部；

S5、对所述铜柱上表面进行抛光至设定高度；

S6、剥离所述牺牲层与所述掩膜层；

S7、对所述种子层进行刻蚀，在每一个所述铜柱的底部形成一个焊盘，完成高密度铜柱微凸点的制备。

进一步的，所述种子层为Ti/Cu种子层。

进一步的，所述牺牲层为光刻胶，采用涂胶的方式涂覆在所述种子层上。

进一步的，所述槽孔的直径为10～20μm，深度为100～150μm。

进一步的，所述铜柱包括位于所述槽孔内的柱体部以及突出所述槽孔的所述键合部。

进一步的，所述键合部的直径大于所述柱体部的直径。

进一步的，所述步骤S4中的铜柱采用电镀工艺制备得到，其中电镀工艺中的电镀液包括基础液与添加剂，所述基础液为亚甲基蓝，所述添加剂包括加速剂、抑制剂、整平剂以及健那绿B。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述高密度铜柱微凸点的应用，其包括将两个带有所述高密度铜柱微凸点的晶圆采用低温低压金属键合工艺互连在一起。

进一步的，所述低温低压金属键合工艺中的键合温度为250～400℃；保压时间30～45min，保压压力为30～45mPa。

与现有技术相比，本发明一种实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺及其应用的有益效果在于：先在掩膜层上形成与铜柱一一对应的槽孔，然后通过电镀的方式在槽孔中形成铜柱，铜柱的根部延伸至种子层，与种子层形成强有力的连接，保障了铜柱的位置稳定性与黏附牢固度；铜柱的顶部突出掩膜层，形成键合部，然后对键合部表面进行抛光，提高表面平整度且保障所有铜柱表面的高度一致；再将掩膜层与牺牲层剥离掉，最后再进行刻蚀在铜柱的底部形成金属焊盘；该制程工艺能够实现铜柱最小直径10μm、最小节距20μm的高密度互连，实现了超窄节距的高密度互连技术；通过在晶圆上形成点阵式排列的铜柱微凸点，即可实现微凸点阵列式排布晶圆与晶圆的互连键合，在不增加整体封装厚度的同时，可将单颗芯片嵌入硅基体中进行塑封，解决了封装厚度较高；晶圆微凸点铜与铜低温键合，可以降低圆片之间应力问题，提高晶圆整体的均匀性及封装良率；单颗芯片尺寸较大，线间距较大集成度不高问题，从而降低了封装的厚度，缩小芯片尺寸、提高了封装器件整体电性能，充分发挥晶圆级堆叠和TSV技术短互连的优势。

【附图说明】

图1为本发明实施例的工艺流程图；

图2-图7为本发明实施例中晶圆在制作过程中的结构变化示意图；

图中数字表示：

1-晶圆；2-种子层，21-焊盘；3-牺牲层；4-掩膜层，41-槽孔；5-铜柱，51-键合部。

【具体实施方式】

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

以下结合具体的实施例对本申请提供的技术方案进行详细的解释说明。

请参照图1-图7，本实施例为一种实现超窄节距互连的高密度铜柱微凸点制备工艺，其包括以下步骤：

S1、在晶圆1的上表面溅射种子层2，种子层2为Ti/Cu种子层；

S2、在种子层2的上表面制作牺牲层3，牺牲层3为光刻胶，采用涂胶的方式涂覆在种子层2上；

S3、在牺牲层3上制作掩膜层4，并进行光刻、显影得到需要的软掩膜图形；所述软掩膜图形的线条之间形成有若干槽孔41，所述槽孔41自掩膜层4的上表面向下延伸至牺牲层3的下表面；所述槽孔41的数量分布与所需制备的铜柱数分布一致；

S4、在所述槽孔41中电镀得到铜柱5，铜柱5的顶部突出掩膜层4的上表面形成键合部51，铜柱5填充在槽孔41内的部分形成柱体部(图中未标识)，键合部51的直径大于所述柱体部的直径；槽孔41的直径为10～20μm，深度为100～150μm。通过在铜柱5的顶部设置直径更大的键合部51，使得两个晶圆在键合时更加方便对准，提高键合时的接触面积，使得接触更加充分，提高键合质量。

S5、对铜柱5上表面进行抛光，一方面保证所有铜柱5高度的一致性，保障所有铜柱5的顶部位于同一平面内，另一方面降低铜柱5表面的粗糙度，提高铜柱表面光滑度，使其满足低温金属键合工艺需求；

S6、剥离牺牲层3与掩膜层4；

S7、对种子层2采用干法刻蚀，在每一个铜柱5的底部形成一个焊盘21，完成高密度铜柱微凸点的制备。

在应用时，将两个带有高密度铜柱微凸点的晶圆采用铜与铜低温低压金属键合工艺互连在一起。其中键合温度为250～400℃；保压时间30～45min，保压压力为30～45mPa。

本实施例在步骤S4中，由于槽孔41的直径较小，且具有较大的深宽比，电镀药液无法充分进入到槽孔41内，导致金属易被刻蚀；且易出现种子层2电连上的断裂，金属导通层不互通，电气性能无法连接；而为了解决这一技术问题，本实施例中，铜柱5采用电镀工艺制作，且电镀时所采用的电镀液包括基础液与添加剂，所述基础液为亚甲基蓝，所述添加剂包括加速剂、抑制剂、整平剂以及健那绿B。其中亚甲基蓝基础液主要用于提供纳米孪晶铜薄膜沉积，加速剂用于控制铜原子沉积速率；抑制剂用于控制铜原子生产方向及沉积速率；整平剂用于控制铜原子生长过程中的均匀性；健那绿B用于控制铜膜的成膜质量。通过改变铜分子排布组织，采用纳米颗粒复合材料(即沉积的纳米孪晶铜薄膜)，保障电镀药液能够顺利的进入到槽孔41内，且充分的填充满槽孔41，使得能够在槽孔41内形成密实、牢固的铜柱5，避免金属导电层的电连断裂失效。

本实施例先在掩膜层4上形成与铜柱5一一对应的槽孔41，然后通过电镀的方式在槽孔41中形成铜柱5，铜柱5的根部延伸至种子层2，与种子层2形成强有力的连接，保障了铜柱5的位置稳定性与黏附牢固度；铜柱5的顶部突出掩膜层4，然后对铜柱5表面进行抛光，提高表面平整度且保障所有铜柱表面的高度一致；再将掩膜层4与牺牲层3剥离掉，最后再进行刻蚀在铜柱5的底部形成金属焊盘；该制程工艺能够实现铜柱最小直径10μm、最小节距20μm的高密度互连，实现了超窄节距的高密度互连技术；通过在晶圆上形成点阵式排列的铜柱微凸点，即可实现微凸点阵列式排布晶圆与晶圆的互连键合，在不增加整体封装厚度的同时，可将单颗芯片嵌入硅基体中进行塑封，解决了封装厚度较高；晶圆微凸点铜与铜低温键合，可以降低圆片之间应力问题，提高晶圆整体的均匀性及封装良率；单颗芯片尺寸较大，线间距较大集成度不高问题，从而降低了封装的厚度，缩小芯片尺寸、提高了封装器件整体电性能，充分发挥晶圆级堆叠和TSV技术短互连的优势。

本实施例通过反线路光刻及刻蚀工艺，实现最小直径10μm、最小节距20μm的高密度互连微凸点制备，减少了产品整体厚度及封装后的总层数，满足了电子产品对于芯片高集成度和高性能的迫切需求。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。