纳米孪晶铜布线层的制备方法技术

技术编号:15692887 阅读:109 留言:0更新日期:2017-06-24 07:16
本发明专利技术提供一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,包括步骤:1)于基片上制备第一钝化层,并于第一钝化层内形成用于与基片上器件结构互联的互联窗口;2)于第一钝化层表面及互联窗口中形成种子层;3)于种子层表面形成光刻胶层,在光刻胶层内形成定义出纳米孪晶铜布线层形状的图形窗口;4)以图形化处理后的光刻胶层为掩膜,于裸露的种子层表面形成布线铜层;5)将得到的结构进行退火处理。本发明专利技术制备方法和现有半导体工艺相兼容,生产效率高,生产成本低,且制备的纳米孪晶铜布线层的力学性能及电学性能优良,热稳定性好,可以大幅度提高布线层的可靠性,且可以大面积地制备,适合当前半导体制造的发展方向。

Method for preparing nano twin copper wiring layer

The present invention provides a method, a preparation of nanotwinned copper wiring layer comprises the following steps: 1) to the substrate prepared on the first passivation layer, and formed on the first passivation layer for interconnection window and interconnection device structure on the substrate; 2) seed layer is formed on the first surface of the passivation and interconnection of the window; 3) forming a photoresist layer on the seed layer surface, define the nanotwinned copper wiring layer is formed in the shape of the graph window within the photoresist layer; the photoresist layer 4) after treatment with pattern as a mask to form seed layer on the surface of the bare copper wiring layer; 5) the structure of the annealing treatment. The preparation method of the invention and is compatible with existing semiconductor technology, high production efficiency, low production cost, mechanical and electrical properties and preparation of nanotwinned copper wiring layer prepared by the excellent, good thermal stability, can greatly improve the reliability of the wiring layer, and large area preparation, suitable for the current development direction of semiconductor manufacturing the.

【技术实现步骤摘要】
纳米孪晶铜布线层的制备方法
本专利技术属于半导体封装领域,特别是涉及一种纳米孪晶铜布线层的制备方法。
技术介绍
半导体芯片制造过程中要用到各种布线层,其中主要是用于半导体后道工艺的互连层以及先进封装工艺的重布线层。由于铜的导热导电性仅次于银,且铜的抗电迁移性能也优于传统的铝、锡等互联材料。因此,在半导体制造工艺中,铜已经逐步取代铝成为主要的互连材料。由于铜互联层在工艺过程中要经受多次热处理过程,并且铜互联层周围都被介质所包围,因此在工艺过程中要经受较大的应力。这将对芯片和封装体的可靠性、信号完整性提出很大挑战。寻找一种具有高强度、高韧性的全新互联材料成为业界关注的焦点。纳米孪晶铜是一种晶粒内部具有高密度孪晶界,孪晶片层达到纳米量级的一种铜材料。纳米孪晶铜的特殊的组织结构使得其在具有跟标准退火铜相当的电导率和韧性的同时,其强度达到了标准退火铜的10倍左右(屈服强度可高达1GPa)。纳米孪晶铜的优良的热稳定性,良好的抗电迁移性能和抑制柯肯达尔孔洞的能力都使得纳米孪晶铜作为半导体互联材料具有良好的发展前景。经过对国内外公开报道的相关文献进行检索发现,目前制备纳米孪晶铜的主要方法有高速搅拌的直流电镀法、高电流密度的脉冲电镀法、磁控溅射法和大塑性变形等方法。例如陈智等在论文“FabricationandCharacterizationof(111)-OrientedandNanotwinnedCubyDcElectrodeposition.CrystalGrowth&Design,2012,12(10):5012-5016.”中采用直流电镀辅助以快速搅拌的方法制备了纳米孪晶铜,但由于其搅拌速率需要达到1000rpm/min左右才能达到良好的效果,因此需要特制的电镀设备。又如卢柯等在专利公开文本CN1498987A,名称为“一种超高强度超高导电性纳米孪晶铜材料及制备方法”中,通过脉冲电镀方法制备了纳米孪晶铜,但此方法需要采用的电流密度高达50A/cm2,显著高于目前产业界采用的电流密度,因此与目前半导体工艺兼容性较差。美国德州农工大学教授O.Anderoglu等人在论文“ThermalstabilityofsputteredCufilmswithnanoscalegrowthtwins.JournalofAppliedPhysics,2008,103(9):094322.”中采用磁控溅射方法制备了纳米孪晶铜,但磁控溅射方法制备较厚的铜薄膜具有时间长、成本高的劣势,因此并不适合在大规模生产中采用。昆明理工大学王军利等在专利公开文本CN102925832A,名称为“一种制备超细孪晶铜的大塑性变形方法”中,通过大塑性变形方法制备纳米孪晶铜不能应用于半导体材料制备领域。基于以上所述,目前尚未有与半导体技术相兼容的采用快速退火方法大规模制备纳米孪晶铜布线层的任何技术公开。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,以实现将半导体芯片布线层的热稳定性、抗电迁移性能、导电性以及机械性能大幅提升以提高半导体芯片的可靠性的方法。为实现上述目的及其他相关目的,本专利技术提供一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,所述制备方法包括步骤:1)于基片上制备第一钝化层,并于所述第一钝化层内形成用于与所述基片上器件结构互联的互联窗口;2)于所述第一钝化层表面及所述互联窗口中形成种子层;3)于所述种子层表面形成光刻胶层,将所述光刻胶层进行图形化处理,以在所述光刻胶层内形成定义出纳米孪晶铜布线层形状的图形窗口,所述图形窗口贯穿所述光刻胶层以暴露出部分所述种子层;4)以图形化处理后的所述光刻胶层为掩膜,于裸露的所述种子层表面形成布线铜层;5)将得到的结构进行退火处理:将得到的结构所处环境的温度自室温升温至预设温度,升温速率大于5℃/min;在预设温度保温预设时间;自预设温度降温至室温,降温速率大于5℃/min,以得到纳米孪晶铜布线层。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤1)中,所述第一钝化层为无机钝化层、有机钝化层或无机钝化层及有机钝化层。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,所述无机钝化层的材料包括氮化硅、氮化钽及氧化硅的一种或一种以上的组合,所述有机钝化层的材料包括苯并环丁烯及聚酰亚胺的一种或二者的组合。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤2)中,所述种子层包括:粘附层、扩散阻挡层及电镀种子层,步骤2)具体包括如下步骤:2-1)于所述第一钝化层表面及所述互联窗口中形成粘附层;2-2)于所述粘附层表面形成扩散阻挡层;2-3)于所述扩散阻挡层表面形成电镀种子层。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,所述种子层的材料包括TaN/Cu、Ti/Cu及TiW/Cu中的至少一种。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤4)中,采用磁控溅射、直流电镀、脉冲电镀或电子束蒸发工艺于裸露的所述种子层表面形成所述布线铜层。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤5)中,所述预设温度为200℃~400℃;保温的预设时间为1min~10min。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤4)与步骤5)之间还包括去除所述光刻胶层,并去除多余的所述种子层的步骤。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,去除所述光刻胶层,并去除多余的所述种子层之后还包括于形成的所述布线铜层表面形成第二钝化层的步骤。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤5)之后还包括于形成的所述纳米孪晶铜布线层表面形成第二钝化层的步骤。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤5)之后还包括如下步骤:去除所述光刻胶层,并去除多余的所述种子层;于形成的所述纳米孪晶铜布线层表面形成第二钝化层。作为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法的一种优选方案,步骤5)之后还包括步骤:重复进行步骤1)~5),以形成多层所述纳米孪晶铜布线层。如上所述,本专利技术提供一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,所述制备方法具有如下有益效果。本专利技术的制备方法制备的纳米孪晶铜布线层中,纳米孪晶铜的孪晶片层厚度为5nm~500nm,使得布线层具有良好的导电性、抗电迁移性能、抑制柯肯达尔孔洞性能以及良好的力学性能,同时,本专利技术的制备方法制备的纳米孪晶铜布线层具有良好的热稳定性,在100℃环境下保温数天也不会发生明显的去孪晶化;本专利技术的制备方法与目前主流半导体工艺相兼容,不会在制备过程中增加过多额外的制造成本,也不必引入额外的制造设备;本专利技术可以通过控制退火参数及钝化层的厚度等调节纳米孪晶铜布线层内部的孪晶密度,实现孪晶密度的可控;本专利技术的制备方法可以轻易实现圆片级制备,在圆片级尺寸上,片内均匀性好。附图说明图1显示为本专利技术的纳米孪晶铜布线层的制备方法步骤流程示意图。图2显示为本专利技术实施例一中的纳米孪晶铜布线层的制备方法制备得到的纳米孪晶铜布线层在FIB离子束下的微观形貌图。图3显示为图2中虚线方框区域的局部放大图。图4显示为本专利技术实施例一中的纳米孪晶铜布线层的制备方法制备得到的纳米孪晶铜布线层的TEM图;其中,(a)和(b)为明场相图本文档来自技高网
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纳米孪晶铜布线层的制备方法

【技术保护点】
一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:1)于基片上制备第一钝化层,并于所述第一钝化层内形成用于与所述基片上器件结构互联的互联窗口;2)于所述第一钝化层表面及所述互联窗口中形成种子层;3)于所述种子层表面形成光刻胶层,将所述光刻胶层进行图形化处理,以在所述光刻胶层内形成定义出纳米孪晶铜布线层形状的图形窗口,所述图形窗口贯穿所述光刻胶层以暴露出部分所述种子层;4)以图形化处理后的所述光刻胶层为掩膜,于裸露的所述种子层表面形成布线铜层;5)将得到的结构进行退火处理:将得到的结构所处环境的温度自室温升温至预设温度,升温速率大于5℃/min;在预设温度保温预设时间;自预设温度降温至室温,降温速率大于5℃/min,以得到纳米孪晶铜布线层。

【技术特征摘要】
1.一种纳米孪晶铜布线层的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:1)于基片上制备第一钝化层,并于所述第一钝化层内形成用于与所述基片上器件结构互联的互联窗口;2)于所述第一钝化层表面及所述互联窗口中形成种子层;3)于所述种子层表面形成光刻胶层,将所述光刻胶层进行图形化处理,以在所述光刻胶层内形成定义出纳米孪晶铜布线层形状的图形窗口,所述图形窗口贯穿所述光刻胶层以暴露出部分所述种子层;4)以图形化处理后的所述光刻胶层为掩膜,于裸露的所述种子层表面形成布线铜层;5)将得到的结构进行退火处理:将得到的结构所处环境的温度自室温升温至预设温度,升温速率大于5℃/min;在预设温度保温预设时间;自预设温度降温至室温,降温速率大于5℃/min,以得到纳米孪晶铜布线层。2.根据权利要求1所述的纳米孪晶铜布线层的制备方法,其特征在于:步骤1)中,所述第一钝化层为无机钝化层、有机钝化层或无机钝化层及有机钝化层。3.根据权利要求2所述的纳米孪晶铜布线层的制备方法,其特征在于:所述无机钝化层的材料包括氮化硅、氮化钽及氧化硅的一种或一种以上的组合,所述有机钝化层的材料包括苯并环丁烯及聚酰亚胺的一种或二者的组合。4.根据权利要求1所述的纳米孪晶铜布线层的制备方法,其特征在于:步骤2)中,所述种子层包括:粘附层、扩散阻挡层及电镀种子层,步骤2)具体包括如下步骤:2-1)于所述第一钝化层表面及所述互联窗口中形成粘附层;2-2)于所述粘附层表面形成扩散阻挡层;2-3)于...

【专利技术属性】
技术研发人员:程功李珩罗乐徐高卫
申请(专利权)人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

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