[发明专利]纳米孪晶铜布线层的制备方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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“Fabrication and Characterization of(111)-Oriented and Nanotwinned Cu by Dc Electrodeposition.Crystal Growth&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CN 1498987A，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“Thermal stability of sputtered Cu films with nanoscale growth twins.Journal of Applied Physics,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CN 102925832A，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。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明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，本发明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。

作为本发明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。

作为本发明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。