一种晶圆互连结构及工艺制造技术

本发明专利技术涉及半导体封装领域，公开了一种晶圆互连结构及工艺，该晶圆互连工艺包括：步骤一：在第一晶圆上生长若干层纳米尺度的金属生长层，所述金属生长层沿生长方向依次包括铜基体层、合金添加层，所述合金添加层生长在铜基体层上，两者形成铜合金；步骤二：在待连接器件上生长若干层纳米尺度的金属生长层；步骤三：将晶圆的金属生长层和待连接器件的金属生长层焊接。本发明专利技术提供的晶圆互连结构及工艺一方面解决了传统堆叠式封装需使用焊膏等化学药剂，存在污染，不耐高温，互连性能不高的问题；另一方面，避免了纳米铜抗氧化性弱，纳米金属生产环境严苛和成本高的问题。生产环境严苛和成本高的问题。生产环境严苛和成本高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆互连结构及工艺


[0001]本专利技术涉及半导体封装领域，特别是涉及一种晶圆互连结构及工艺。

技术介绍

[0002]随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能、环保型等方向的发展，人们努力寻求将电子芯片越做越小，集成度越来越高。芯片设计和加工工艺技术的提升，使得芯片的布局呈现小型化和密集化发展趋势。由此产生了许多新技术、新材料和新设计，例如三维堆叠封装等技术就是这些技术的典型代表。在超大规模集成电路发展日益接近物理极限的情况下，于物理尺寸和成本方面都具有优势的三维集成电路是延长摩尔定律并解决先进封装问题的有效途径。三维堆叠封装结构可直接将多个裸芯片或者衬底通过键合的方式堆叠起来，实现在三维方向上的金属互连结构，大大减小互连距离，提高传输速度，从而实现一个系统或者某个功能在三维结构上的集成。
[0003]现有堆叠式封装，都需要使用焊膏等材料将芯片互连。在芯片焊接过程中，需要针对不同型号的焊膏进行针对性的工艺探究，以此保证焊接后芯片互连的效果。焊膏材料的参与，不仅增加了封装工序，而且针对各款焊膏的差异性，无法有效得出通用的焊接工艺。此外，互连效果还取决于焊膏的质量，现有焊膏通常是锡基合金或铅基合金，这些焊膏熔点一般不高于250℃，而三代半导体材料的芯片以后的工作温度可以提高到300℃左右，现有焊膏无法适用日后更高功率密度的焊接工艺，采用纳米银焊膏进行焊接，价格成本太高，甚至高于芯片本身。这无疑给封装带来了诸多不便。
[0004]日本大阪大学提出在晶圆上交替生长纳米尺度的银、铜金属层，以银为基体，在高温高压的情况下可以完成堆叠式键合。通过在晶圆表面交叉生长纳米尺度的金属层，在热压的方式下对晶圆进行堆叠式键合。一方面无需考虑其他化学药剂的参与，在实际生产中，减少了焊膏挥发气体排放造成的污染。另一方面，通过金属层将芯片直连，极大的减少了芯片间的热阻和电阻，明显改善了互连性能。此外，纯金属层的键合，可以通过明确金属的厚度、纯度和速率等生长参数，有效调控各厂家间的参数区别，从而实现一套通用的焊接工艺。然而该工艺存在以下缺点：1、纳米尺度的银铜金属层由于银、铜互相扩散的速率存在差异，等厚度的银铜交叠下，在长期使用过程中会造成银层的孔隙，影响焊接层的长期可靠性，同时降低了焊接层的性能。2、纳米铜金属层抗氧化性弱，只能在高温无氧的环境下热压键合，生产环境要求高。3、纳米银成本高。因此该方案仅停留在实验室阶段，不适用于工业生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供一种晶圆互连工艺，一方面解决了传统堆叠式封装需使用焊膏等化学药剂，存在污染，不耐高温，互连性能不高的问题；另一方面，避免了纳米银铜可靠性不高，抗氧化性弱，生产环境严苛，成本高的问题。相应的，本专利技术还提供了一种晶圆互连结构，用以保证上述方法的实现及应用。
[0006]本专利技术提供的技术方案为：一种晶圆互连工艺，包括以下步骤：
[0007]步骤一：在第一晶圆上生长若干层纳米尺度的金属生长层，所述金属生长层沿生长方向依次包括铜基体层、合金添加层，所述合金添加层生长在铜基体层上，两者形成铜合金；
[0008]步骤二：在待连接器件上生长若干层纳米尺度的金属生长层；
[0009]步骤三：将晶圆的金属生长层和待连接器件的金属生长层焊接。
[0010]本专利技术的工作原理及优点在于：第一晶圆和待连接器件之间通过多层金属生长层焊接，实现了堆叠式封装。本专利技术利用纳米材料的高反应活性，金属生长层由纳米尺度的铜基体层和合金添加层交替生长，形成稳定的铜合金结构。相较于现有堆叠式封装，无需使用焊膏等化学药剂，减少了污染，无需考虑焊膏熔点，适应更高的工作温度，提高了互连性能。相较于纳米银铜式结构，铜基体跟其余金属材料交叠更稳固，长期可靠性高，纳米铜合金抗氧化性更高使得生产环境要求宽松，成本更低。
[0011]进一步，所述步骤一中第一晶圆和金属生长层之间生长有阻挡层和缓冲层，阻挡层生长在第一晶圆上，缓冲层生长在阻挡层上；步骤二中待连接器件和金属生长层之间生长有阻挡层和缓冲层，阻挡层生长在待连接器件上，缓冲层生长在阻挡层上。
[0012]阻挡层和缓冲层的设置使得电极互连效果更优。
[0013]进一步，所述步骤三中在第一晶圆的金属生长层和待连接器件的金属生长层上分别生长金属过渡层，将晶圆的金属过渡层和待连接器件的金属过渡层焊接。
[0014]在第一晶圆和待连接器件的最外层金属生长层上再生长一层金属作为过渡层，通过金属过渡层之间焊接，键合效果更好。
[0015]进一步，所述合金添加层为能够提升铜合金力学、热学、电学或化学性能的金属材料。
[0016]以镍、银、锰、锡、铟、钼等金属材料的一种或多种作为合金添加层，与铜基体层形成的铜合金，能显著提高其力学、热学、电学或化学性能。
[0017]进一步，所述步骤一中生长方式为PVD物理气相沉积工艺或CVD化学气相沉积工艺。
[0018]PVD物理气相沉积和CVD化学气相沉积为半导体工业中主流的两种金属生长工艺。
[0019]进一步，所述步骤三中焊接方式为热压，热压温度为200
‑
600℃，压强范围为0.1
‑
20MPa，所述热压环境为空气环境或无氧环境。
[0020]芯片焊接工艺主要采用热压焊接，热压温度适宜在200
‑
600℃，压强在0.1
‑
20MPa。本专利技术的纳米铜合金抗氧化性较强，除了常规的无氧真空，在空气环境下也可以热压焊接。
[0021]进一步，所述金属过渡层为能够在200
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400℃和0.1
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20MPa之间形成同种金属互连的金属材料。
[0022]铜、锡、铟、镍等金属材料能够在200
‑
400℃和0.1
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20MPa之间形成同种金属互连，达到优异的互连效果，适合作为金属过渡层。
[0023]进一步，所述步骤一中铜合金为青铜。
[0024]青铜合金相对于其他铜合金，如黄铜、白铜，结构稳固，抗氧化性最强。
[0025]进一步，所述步骤一中金属生长层中铜基体层质量占比为60％
‑
90％，金属生长层单层厚度为10
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500nm，步骤二中金属生长层重复次数为5
‑
1000次。
[0026]铜作为基体的金属层，其余金属材料为少量添加部分，铜基体质量占比为60％
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90％为宜，工业生产中，单层合金通常为10
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500nm，单层循环次数为5
‑
1000次。
[0027]进一步，所述待连接器件为晶圆或PCB板。
[0028]本专利技术的工艺适用于晶圆和晶圆之间，或晶圆和PCB板之间，或晶圆和基板之间的堆叠式键合。
[0029]本方面还提供一种晶圆互连结构，包括晶圆、待连接器件，其特征在于：所述晶圆上生长有金属生长层，所述金属生长层为纳米尺度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶圆互连工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：在第一晶圆上生长若干层纳米尺度的金属生长层，所述金属生长层沿生长方向依次包括铜基体层、合金添加层，所述合金添加层生长在铜基体层上，两者形成铜合金；步骤二：在待连接器件上生长若干层纳米尺度的金属生长层；步骤三：将晶圆的金属生长层和待连接器件的金属生长层焊接。2.根据权利要求1所述的一种晶圆互连工艺，其特征在于：所述步骤一中第一晶圆和金属生长层之间生长有阻挡层和缓冲层，阻挡层生长在第一晶圆上，缓冲层生长在阻挡层上；步骤二中待连接器件和金属生长层之间生长有阻挡层和缓冲层，阻挡层生长在待连接器件上，缓冲层生长在阻挡层上。3.根据权利要求1所述的一种晶圆互连工艺，其特征在于：所述步骤三中在第一晶圆的金属生长层和待连接器件的金属生长层上分别生长金属过渡层，将晶圆的金属过渡层和待连接器件的金属过渡层焊接。4.根据权利要求1所述的一种晶圆互连工艺，其特征在于，所述合金添加层为能够提升铜合金力学、热学、电学或化学性能的金属材料。5.根据权利要求2或3所述的一种晶圆互连工艺，其特征在于：所述步骤一中生长方式为PVD物理气相沉积工艺或CVD化学气相沉积工艺。6.根据权利要求5所述的一种晶圆互连工艺，其特征在于：所述步骤三中焊接方式为热压，热压温度为200
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600℃，压强范围为0.1
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20MPa，所述热压环境为空气环境或无氧环境。7.根据权利要求6所述的一种晶圆互连工艺，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱靖，陈显平，罗厚彩，
申请(专利权)人：重庆平创半导体研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：