[发明专利]半导体工业中用于封装应用的CU-CU直接焊接

说明书

公开了黏结两个铜结构的方法，其包括在0.1MPa至50MPa的应力下，并且在250℃或更低的温度下，将第一铜结构与第二铜结构压制，使得所述第一铜结构的黏结表面黏结到所述第二铜结构的黏结表面；所述第一铜结构的所述黏结表面和所述第二铜结构的所述黏结表面中的至少一个具有平均晶粒尺寸为5nm至500nm的铜的纳米晶粒的层，所述铜的纳米晶粒的层的厚度为10nm至10μm。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2020年12月16日提交的美国临时专利申请第63/126,069号的优先权，其全部内容出于所有目的通过引用并入。

技术领域

总体上公开了黏结两个铜结构的方法，并且具体公开了在5G芯片组内黏结两个铜结构的方法。

背景技术

通常，3D-IC(集成电路)芯片黏结的方法包括(1)硅熔融黏结，(2)金属-金属黏结，(3)聚合物黏结剂黏结。目前，金属-金属黏结分为金属熔融黏结和金属共晶黏结，例如Cu-Sn共晶黏结和Cu-Cu黏结。由于Cu-Cu黏结是更简单的程序和更低成本的替代，它是用于未来3D-IC封装的最流行的技术。存在几种Cu-Cu黏结技术。例如，可以采用在超高真空下用离子束轰击或自由基辐射预处理并施加贵金属作为钝化层的表面活化的黏结。然而，这些技术中的每一种都涉及高成本、并且耗时和复杂的方法用于大量生产。相比之下，热压制Cu黏结(有时称为Cu-Cu直接焊接)是目前用于实施芯片黏结的优良方法。

在IC封装中的Cu-Cu直接焊接是5G技术中最关键的问题之一。然而，当前可用的Cu-Cu直接焊接仅在高于400℃的温度下发生，因为Cu-Cu直接焊接需要更高的温度以充分地扩散Cu原子用于黏结。此外，由于涉及化学机械平坦化方法，Cu-Cu直接焊接通常需要另外的处理时间来平滑地黏结Cu表面。

发明内容

以下呈现本发明的简化概述，以提供对本发明的一些方面的基本理解。本概述不是本发明的广泛综述。它既不旨在鉴定本发明的重要或关键要素，也不旨在描述本发明的范围。而是，本概述的唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为下文呈现的更详细描述的序言。

本文公开了黏结两个铜结构的方法，其包括在0.1MPa至50MPa的应力下，并且在250℃或更低的温度下，将第一铜结构与第二铜结构压制，使得所述第一铜结构的黏结表面黏结到所述第二铜结构的黏结表面；所述第一铜结构的所述黏结表面和所述第二铜结构的所述黏结表面中的至少一个具有平均晶粒尺寸为5nm至500nm的铜的纳米晶粒的层，所述铜的纳米晶粒的层的厚度为10nm至10μm。

为了实现前述和相关目的，本发明包含下文充分描述并在申请专利范围中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性方面和实现。然而，这些仅指示了可以采用本发明的原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，本发明的其它目的、优点和新颖特征将从本发明的以下详细描述变得显而易见。

附图说明

图1描述根据本文所述的方法的Cu-Cu界面的期望的黏附的带反差图像。白色箭头指示界面。

图2描述显示根据本文所述方法的Cu-Cu接口的期望的黏附的EBSD的反极图。白色箭头指示界面。

图3显示(a)沉积的纳米晶体Cu样品的表面形貌的3D图像，和(b)黏结后样品的SAM图像，其中暗区域指示黏结的区域，而亮区域指示潜在的裂纹、缺陷、空隙或未黏结的位点。

图4显示带反差图像，其显示具有不同黏结持续时间(a)15分钟、(b)30分钟、(c)45分钟和(d)60分钟的Cu表面之间的良好的黏附接口。黑色箭头指示(原始)黏结接口。

图5说明(a)在250℃和10MPa下60分钟的样品黏结的黏结横截面的扫描离子显微镜(SIM)图像，(b)对应于方框区域的反极图映像，(c)带反差图像，(d)接口区域的示意图。