一种可用于低温固态互连技术的表面态纳米氧化银的制备方法技术

本发明专利技术涉及全金属固态互连领域，具体涉及一种可用于低温固态互连技术的表面态纳米氧化银的制备方法。表面态纳米氧化银的制备方法包括：采用微波富氧等离子体处理银表面，制得表面态纳米氧化银；所述微波富氧等离子体由氧气与惰性气体通过辉光放电形成。银

【技术实现步骤摘要】
一种可用于低温固态互连技术的表面态纳米氧化银的制备方法


[0001]本专利技术涉及全金属固态互连领域，具体涉及一种可用于低温固态互连技术的表面态纳米氧化银的制备方法。

技术介绍

[0002]随着集成电路技术的飞速发展，已经提出了2.5D/3D封装、倒装焊、晶圆级封装等先进的封装技术，在众多封装技术中，最为关键的一环便是晶圆与晶圆、芯片与芯片、芯片与基板等之间的互连。封装行业大部分互连环节均是用无铅焊料进行连接。然而在先进封装工艺使用微凸点进行互连时，由于微凸点体积微小，此时尺寸效应显著增强，这使得无铅焊料本身存在可靠性问题，如脆性金属间化合物、电迁移、热迁移等。为了消除焊料存在的问题，以及避免可能出现的可靠性问题，在先进封装中实现全金属固态互连是替代当前微凸点互连的理想方案之一。
[0003]采用表面活化键合(SAB)能够实现在室温和低压条件下晶圆级固态互连。通过等离子体对Cu
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Cu待键合表面进行轰击活化处理，使互连表面非晶区原子接触后，在范德华力产生界面间相互吸引并重排，其键合强度能达到20MPa左右。但SAB工艺条件极为苛刻，需要在10
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8torr超高真空(UHV)条件下进行，且待键合表面需要在整个晶圆表面达到原子级平整度。
[0004]通过延长固态互连保温时间，使互连界面原子充分扩散，则可实现较低工艺温度下Cu
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Cu固态互连。此外，利用纳米孪晶结构中(111)晶面上高扩散率特性，可进一步促进界面原子扩散与重排，减少互连保温时间。但互连界面处原子扩散自由程有限，使低温下互连接头依然清晰保留着原互连界面，且界面处存在空洞，互连强度较差，甚至局部存在“虚焊”现象。而利用纳米颗粒烧结亦可实现低能量输入固态互连，但其互连接头会存在残留气体逃逸时所形成的空洞与通道，导致互连接头的气密性较差。
[0005]现有技术中，界面微区塑性变形在界面附近积累的应变能有助于促进界面原子的扩散与重排，从而获得高可靠固态互连界面。如通过制作铜柱
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凹陷互连结构，并引入微区塑性变形机制，实现了铜
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铜在200℃低温下的固态键合。但该技术大幅提高了局部微区键合压力(389MPa)，无法同时满足低温和低压的处理条件，且需要在还原气氛中进行键合，而且会对芯片有源区域造成破坏。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术首先提供了一种表面态纳米氧化银的制备方法，包括：采用微波富氧等离子体处理银表面，制得表面态纳米氧化银；所述微波富氧等离子体由氧气与惰性气体通过辉光放电形成。
[0007]本专利技术的表面态纳米氧化银的制备方法，步骤简单，无需采用有机试剂等处理试剂，环境友好，能够短时高效地制得表面态纳米氧化银，非常适合与其它加工处理技术联
用，易于在实际生产中应用推广。
[0008]作为本专利技术的一种优选的实施方案，所述微波富氧等离子体由氧气与氩气通过辉光放电形成。
[0009]为了更好地理解本专利技术的表面态纳米氧化银的制备方法，此处先介绍一下传统的金属表面氧化过程。形成固态金属表面氧化膜主要经过如下4个阶段：(1)表面吸附；(2)氧化物形核；(3)形成连续氧化膜；(4)氧化膜增厚。
[0010]首先，金属表面存在着大量不饱和键。这说明此时金属表面处于非平衡状态，表面能偏高。为了降低表面能量，这些不饱和键将吸引空气中的原子或者分子，这种现象称为吸附。吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附指外来原子或分子仅仅是由于范德华力、电偶极子或电四极子等静电相互作用而产生吸附；化学吸附指外来原子或分析由于与不饱和键组合形成新的化学键而产生吸附。其次，随着氧化反应进行，表面吸附的氧溶解在金属中，在金属表面形成氧化物晶核。当表面形成连续氧化物薄膜后，要使反应继续进行，必须通过中性或离子在氧化膜中固态扩散迁移来实现。
[0011]固态扩散迁移按照反应发生的位置可分为三种迁移模型，分别为气体/氧化膜界面反应模型、金属/氧化膜界面反应模型、氧化膜内部反应模型。首先在气体/氧化膜界面反应模型中，只有金属离子或金属原子向氧化层扩散，并在气体与氧化膜界面发生反应。其次，在金属/氧化膜反应模型中，氧化膜中只有氧向金属层扩散，并且在金属/氧化膜界面发生反应。最后，在氧化膜内部反应的模型中，金属离子或金属原子向外扩散，氧向内扩散，并在氧化膜内部相遇进行反应。
[0012]反应物在氧化膜内的传输方式有以下三种：(1)通过晶格扩散；(2)通过晶界扩散；(3)同时通过晶格扩散和晶界扩散。晶格扩散主要发生在温度较高、氧化膜致密且氧化膜内部存在高浓度的空位缺陷的情况。晶界扩散主要发生在较低温度、氧化物尺寸较小且晶界面积较大的情况。晶格扩散和晶界扩散同时发生主要出现在400～600℃长时间氧化的情况。需要说明的是当金属原子或金属离子沿氧化物的晶界从内向外扩散时，伴随着空位向金属与氧化膜界面迁移。这些空位持续增多将会发生聚集，若此时氧化膜太厚而不能通过变形来维持与金属界面的接触，那么这些聚集的空位将在金属与氧化膜的界面形成孔洞。另外，若金属的晶界扩散速度大于晶格扩散速度，那么晶界将成为连接孔洞与外部环境的显微通道，是氧分子向内部迁移而在孔洞的内表面产生氧化，形成内部多孔的氧化层。
[0013]针对上述传统金属表面氧化过程，本专利技术提出了氧化银生长机理。与此同时，不同于传统的无铅焊料互连，或已有专利中采用的其他全金属固态互连，本专利技术引入银作为界面之间的互连。特别地，本专利技术引入的银包括不同的表面态氧化银界面组合(Ag
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Ag2O或Ag2O
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Ag2O)，如此设计的好处是：1、银的屈服强度与硬度较低，拥有良好的塑性变形能力；2、氧化银具有热力学不稳定的特性，在其发生自分解过程中会产生类流体界面润湿性行为，极大增强了原子沿互连界面扩散与重排能力。
[0014]本专利技术涉及的氧化环境是低真空下的氧微波等离子体。等离子体由大量带正电的离子、带负电的电子以及中性原子组成，等离子体整体呈现为电中性，在等离子体中对银的氧化起主要作用的成分为原子氧，这些原子氧来源于受激发的氧气，其自身处于高能态，氧化能力远远超过了氧气，银在等离子体中进行的氧化过程是非常剧烈的，原子氧和银原子的作用方程为：
[0015]2Ag+O
→
Ag2O
ꢀꢀ①
[0016]采用上述方法制备的表面态纳米氧化银的化学类型为Ag2O。
[0017]表面态纳米氧化银的XPS能谱中，Ag 3d5/2峰位置位于368.23eV附近，Ag 3d5/2半峰宽在1.26～1.32eV之间，O1s的高结合能吸附氧峰位于531.3eV附近，O1s的氧化层中的氧峰在629.68eV附近。
[0018]本专利技术的表面态纳米氧化银的生长过程具体包括：1.原子氧吸附和氧化银形核阶段；2.氧化银颗粒堆积阶段；3.丘陵状氧化银阶段；4.氧化银大岛阶段。具体而言：
[0019]在原子氧吸附和氧化银形核阶段，原子氧通过化学吸附机制吸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面态纳米氧化银的制备方法，其特征在于，包括：采用微波富氧等离子体处理银表面，制得表面态纳米氧化银；所述微波富氧等离子体由氧气与惰性气体通过辉光放电形成。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波富氧等离子体由氧气与氩气通过辉光放电形成。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述辉光放电的起辉功率为25W～200W。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述辉光放电的起辉功率为40～60W。5.根据权利要求1～4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述表面态纳米氧化银的颗粒尺寸为20～60nm。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述表面态纳米氧化银的颗粒尺寸为25～30nm。7.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍永隽，谷松昭，王泰宇，方叶星，赵修臣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：