铜铜键合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种铜铜键合材料的制备方法及其应用，其中，铜铜键合材料的制备方法包括如下步骤：步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。根据本发明专利技术的制备方法，得到高密度的全铜互连，该铜铜键合中不含任何有机物，不仅具有良好的电气和热力学性能，且即使在相对高温下使用，也不会产生由于有机物挥发导致产生孔洞的问题，由于键合界面两侧都是铜，不会出现因为铜锡扩散系数差异导致铜锡界面的柯肯达尔孔洞。

【技术实现步骤摘要】
铜铜键合材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及电子材料制备
，具体涉及一种铜铜键合材料的制备方法及其应用。
技术介绍
电子行业越来越高的I/O密度要求，推动了对芯片的需求。目前，封装基板(C2S，ChiptoSubstrate)节距已经缩小到20μm以下，铜柱直径也接近10μm，已经接近铜柱焊锡锡帽技术的极限。如此极端的尺度缩小，需要进一步减少焊料体积，增加焊帽桥接强度，提高可靠性。此外，传统焊料是纯锡或者锡银，由其来焊接铜柱，由于铜锡的扩散系数的差异，会导致铜锡界面出现柯肯达尔孔洞。相比于此，铜铜键合因为其优越的功率处理能力，热稳定性，与传统焊料相比的可靠性、电阻小和优秀的载流能力，并且与目前半导体封装工艺可兼容特性，也就是说铜铜键合同时满足成本和性能要求，受到业界和学术界的积极追捧，被视作半导体工业下一个互连节点。然而，由于铜的模量较高，现有的铜铜键合制备方法则需要昂贵的平面化过程(化学机械抛光，CMP，ChemicalMechanicalPolishing,CMP)来处理非共面性以及翘曲，来实现铜铜键合，这导致铜互连的可制造性差。另外，铜铜键合，考虑到元器件本身的性能，以及原来工艺流程，铜铜键合需要在250℃左右且不高于300℃的条件下进行回流，这相对于铜的熔点来说，是很低的温度，而低温铜铜键合，需要考虑如下问题：1)为了实现铜铜键合，铜表面具有很好的活性，也就是保持新鲜的表面，但新鲜或者高活性表面在室温下的氧化如何控制需要考虑；2)在低温短时间内通过界面两侧铜互相扩散后达到键合的强度，这要求低温条件下的强大的扩散特性，然而对于普通的金属铜来说，扩散系数通常达不到该要求；3)电镀铜柱高度的一致性相对差，导致在铜铜键合时两侧铜柱与铜柱或铜柱与焊盘可能存在不共面情况，而铜具有相对高的杨氏模量从而需要考虑晶圆翘曲以及铜柱高度不完全一致时在堆叠过程中出现局部无法接触或者强行键合产生应力集中的情况。基于此，目前，提出了采用铜金属粉末做成导电胶，作为键合材料，然后通过丝网印刷或其他工艺将金属导电胶转移到铜柱顶面以此来实现两个铜铜界面的键合，但该方法，由于界面电阻太大，对位精度差，良率太低，且在高温时导电胶体中有机溶剂易于挥发有可能在键合材料中生成孔洞。此外，还有采用纳米孪晶的方案。电镀纳米孪晶铜所得到铜柱都是片状结构堆叠而成，片状结构基本上是(111)晶面择优取向，该晶面的扩散系数相对很高，据报导，可以在350℃下实现铜铜键合。然而，该方法存在一个问题，由于铜柱图形的设计分布密度的局部差异，会导致密集区域电流密度低，稀疏区域电流密度高，所以高低电流密度区域的电镀铜高度差异大，键合时，难以保证所有需要键合的铜柱都能共面。另外，大部分电镀的纳米孪晶铜，其表面粗糙度较大，基于这样的表面通过扩散获得较高的键合力相对困难，而如果采用化学机械抛光，则又增加工艺流程，增加成本，降低生产效率，降低良率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种新的铜铜键合材料的制备方法，其能够以简单的工艺，获得键合力大、稳定可靠的铜铜键合。根据本专利技术第一方面实施例的铜铜键合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。进一步地，所述步骤S1可以包括：步骤S11，在至少一个所述待焊接物的待焊接面电镀铜锌合金，得到铜锌合金镀层；步骤S12，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于去合金化溶液中以去除所述铜锌合金镀层中的锌，得到所述纳米多孔铜泡沫层。更进一步地，所述步骤S11包括：将该待焊接物置于电镀液中在电流密度为0.1～0.8ASD(A/dm2)条件下电镀90～240分钟，得到厚度为5～25μm的所述铜锌合金镀层。更进一步地，所述步骤S11中，在电镀结束后，清洗以去除残余的电镀液，并将其置于氮气气氛中，在180～200℃下进行退火30～120分钟以使得所述铜锌合金镀层中的晶粒重整。更进一步地，所述电镀液中含有：0.001～0.005mol/L的硫酸铜(CuSO4)或其水合物无水硫酸铜(CuSO4·5H2O)；0.1～0.3mol/L的硫酸锌(ZnSO4)或其水合物七水硫酸锌(ZnSO4·7H2O)；0.3～0.5mol/L的焦磷酸钾(K4P2O7)或焦磷酸钠(Na4P2O7)。更进一步地，所述铜锌合金镀层的下层形成有电镀铜层。进一步地，所述去合金化溶液为1～5wt％盐酸水溶液，其中所述盐酸水溶液中含有0.2～0.5wt％的盐酸稳定剂，所述步骤S12中，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于所述去合金化溶液中反应2～4小时以去除所述铜锌合金镀层中的锌。进一步地，所述步骤S12中，在去合金化结束之后，清洗该待焊接物以去除残余的所述去合金化溶液，并将其置于氮气气氛中，在180～200℃下进行退火30～120分钟以去除残余应力。更进一步地，所述步骤S1还可以包括如下步骤：步骤S13，将形成有所述纳米多孔铜泡沫层的待焊接物在室温下置于活化液中处理，以对纳米铜泡沫层中的铜表面进行活化处理。根据本专利技术第二方面，提出了上述任一实施例所述的铜铜键合材料的制备方法在芯片封装中的应用。本专利技术的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：根据本专利技术实施例的铜铜键合材料的制备方法，采用大比表面积、低模量、低硬度的纳米铜泡沫，纳米多孔铜泡沫本质上是具有纳米级结构特征尺寸的海绵状材料，纳米多孔铜泡沫具有纳米结构和形态可调的物理特性，由此提供了设计灵活性，对铜共面性要求相对较低；根据本专利技术实施例的铜铜键合材料的制备方法，可以兼容目前芯片封装与标准半导体基础设施和工艺，即直接替换掉原本电镀锡银或者纯锡的工艺，更换为电镀铜锌合金；由于纳米多孔铜泡沫的弹性模量低于20GPa，其公差可以为装配中的非共面性和翘曲提供补偿，也就是说由于后续步骤中易于通过纳米多孔铜泡沫进行热压键合，可以容忍纳米多孔铜泡沫两侧待键合的铜的高度不一致性或非共面性，即可容忍较大的公差，从而可以降低对电镀均匀性的高要求；根据本专利技术的制备方法，得到高密度的全铜互连，该铜铜键合中不含任何有机物，不仅具有良好的电气和热力学性能，且即使在相对高温下使用，也不会产生由于有机物挥发导致产生孔洞的问题；根据本专利技术的制备方法，在低温下(约250～300℃)即可实现形成高密度全铜互连，降低了对于生产设备的要求并有利于降低生产成本；根据本专利技术的制备方法，通过热压键合，形成铜铜纯固态键合，其键合力大，稳定可靠，从而满足从超细节距到大功率器件的大面积互连；根据本专利技术的制备方法，生成的铜铜连接可以胜任例如芯片对芯片(ChiponChip，CoC)、晶圆对晶圆(WaferonWafer，WoW)、芯片对晶圆(ChiponWafer，CoW)、芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜铜键合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；/n步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种铜铜键合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，在至少一个待焊接物的待焊接面设置纳米多孔铜泡沫层；
步骤S2，将所述待焊接物的待焊接面相对设置，并实施热压键合，使待焊接的两侧物体之间实现铜铜键合，得到所述铜铜键合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，在至少一个所述待焊接物的待焊接面电镀铜锌合金，得到铜锌合金镀层；
步骤S12，将所述形成有铜锌合金镀层的待焊接物置于去合金化溶液中以去除所述铜锌合金镀层中的锌，得到所述纳米多孔铜泡沫层。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11包括：
将该待焊接物置于电镀液中在电流密度为0.1～0.8ASD条件下电镀90～240分钟，得到厚度为5～25μm的所述铜锌合金镀层。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中，在电镀结束后，清洗该待焊接物以去除残余的电镀液，并将其置于氮气气氛中在180～200℃下进行退火30～120分钟以使得所述铜锌合金镀层的晶粒实现重整。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述电镀液中含有：
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【专利技术属性】
技术研发人员：胡斌，
申请(专利权)人：苏州清飙科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32