一种用于凸起结构共晶键合的焊料的制备方法

1.本发明涉及微电子工艺加工领域，具体涉及一种用于凸起结构共晶键合的焊料的制备方法。


背景技术：

2.在电子器件领域，通常需要将具有凸起结构的晶圆与另一基板键合。目前，键合工艺主要包括：硅硅键合、阳极键合和共晶键合。然而，硅硅键合工艺所需温度较高，使得键合晶圆表面产生较大的热应力，影响键合质量。阳极键合工艺对键合表面质量要求较高，且所需压力较大，容易产生应力问题。共晶键合工艺由于所需温度较低，因此成为目前较为常用的键合手段。
3.然而，在晶圆的凸起结构顶部制备共晶键合焊料的粘附层和种子层时，也会在凸起结构的侧壁上溅射金属，导致在电镀形成金属焊料时，侧壁上也会生长出金属焊料，从而导致相邻凸起结构的间距变小，甚至导致相邻凸起结构的侧壁连接。
4.因此，需要开发一种用于凸起结构共晶键合的焊料的制备方法，其能够避免在凸起结构的侧壁形成金属焊料。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于凸起结构共晶键合的焊料的制备方法，该方法可以选择性地在凸起结构的键合表面上通过电镀形成焊料，而凸起结构的侧壁上由于包裹了不可导电的聚对二甲苯层，因而电镀时可避免金属焊料在凸起结构侧壁上形成。
6.为了实现以上目的，本发明提供如下技术方案。
7.一种用于共晶键合的焊料的制备方法，包括：
8.提供基板，所述基板设置有凸起结构，所述凸起结构的顶表面为键合表面；
9.形成粘附层，使其覆盖所述凸起结构；
10.在所述粘附层上依次形成种子层和聚对二甲苯层；
11.去除所述键合表面上的所述聚对二甲苯层部分，从而使部分所述种子层暴露，形成窗口；以及
12.在所述窗口处通过电镀形成焊料。
13.相比现有技术，本发明的有益效果：
14.1、本发明提供了一种用于凸起结构共晶键合的焊料的制备方法，该方法可以选择性地在凸起结构的键合表面上通过电镀形成焊料，而凸起结构的侧壁上由于包裹了不可导电的聚对二甲苯层，因而电镀时可避免金属焊料在凸起结构侧壁上形成。
15.2、本发明通过溅射或离子束蒸发来形成粘附层和种子层，使得所述种子层和粘附层能够覆盖所述凸起结构以及所述凸起结构所在的整个基板表面，从而使得在全部键合表面形成焊料成为可能。而现有技术采用先在晶圆上整面溅射金属粘附层和种子层，然后将不需要生长焊料的区域上的金属刻蚀掉，接着在这些区域进行凸起结构的刻蚀制备，最后
再进行电镀生长焊料。这种方法虽然避免了在凸起结构侧壁生长金属焊料，但是由于部分区域经刻蚀后形成了孤岛结构，导致电子无法到达孤岛结构上的金属种子层，从而造成电镀时无法在该区域淀积金属焊料。
16.3、本发明在所述凸起结构的侧壁上形成了金属阻挡层，由于金属阻挡层与熔融状态的金属焊料的亲和性较差，因此解决了在金属共晶焊接过程中，熔融状态的金属焊料沿着凸起结构侧壁长有金属的区域蔓延的问题，避免了共晶键合区域的金属焊料流失，提高了键合效果；同时避免了熔融状态的金属焊料流入凸起结构之间的间隙内(例如流入微通道内)，造成堵塞。
附图说明
17.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
18.图1-10为本发明实施例提供的制备方法中每步所得结构的局部结构示意图。
19.附图标记说明
20.100为硅晶圆，200为微通道，201为间隔墙，202为键合表面，300为粘附层，400为种子层，500为金属阻挡层，600为聚对二甲苯层，700为焊料，800为盖板，900为金属层。
具体实施方式
21.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
22.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
23.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
24.由于现有技术在凸起结构顶部制备共晶键合焊料的粘附层和种子层时，也会在凸起结构的侧壁上溅射金属，因此导致在电镀形成金属焊料时，侧壁上也会生长出金属焊料。为了避免在凸起结构的侧壁上形成金属焊料，本发明提供一种改进的用于共晶键合的焊料的制备方法，其包括以下步骤。
25.首先，提供基板，所述基板设置有凸起结构，所述凸起结构的顶表面为键合表面。
26.本发明的基板可为硅晶圆、绝缘体上的硅晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆、氮化镓晶圆、sic晶圆、石英晶圆或蓝宝石晶圆。本发明对于基板没有特别限制，适用于微加工工艺的常规基板均可使用。
27.在一些实施例中，所述基板的一个表面(例如上表面或下表面)设置有多个凸起结构。在另一些实施例中，所述基板的上表面和下表面分别设置有多个凸起结构。
28.优选地，所述基板和所述凸起结构为一体成型。
29.在一些实施方案中，设置有凸起结构的基板的制备方法包括：提供初始基板；以及光刻和刻蚀所述初始基板，从而得到具有所述凸起结构的所述基板。所述初始基板可为硅晶圆、绝缘体上的硅晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆、氮化镓晶圆、sic晶圆、石英晶圆或蓝宝石晶圆。本发明对于初始基板没有特别限制，适用于微加工工艺的常规基板均可使用。
30.在一些实施方案中，设置有凸起结构的基板为设置有嵌入式微通道的基板。其中，嵌入式微通道的间隔墙为凸起结构，间隔墙的顶表面为键合表面。该基板常用在电子器件的散热领域。在一些具体实施例中，设置有嵌入式微通道的基板的制备方法包括：提供初始基板，通过光刻和刻蚀在所述初始基板上形成嵌入式微通道。
31.然后，形成粘附层，使其覆盖所述凸起结构。
32.优选地，通过磁控溅射或离子束蒸发工艺形成所述粘附层。
33.优选地，所述粘附层为钛或铬等层间粘附性较好的金属。
34.所述粘附层的厚度可为10-1000nm(由焊料厚度决定，焊料厚度较厚时，可以选择较厚的粘附层)，例如在所述焊料为10-20μm(焊料的厚度和共晶键合的金属类型有关)时，所述粘附层的厚度可为20-200nm。
35.之后，在所述粘附层上依次形成种子层和聚对二甲苯层。
36.优选地，所述种子层为铜或金等导电性较好的金属。所述种子层的厚度可为100-1000nm(由焊料厚度决定，焊料厚度较厚时，可以选择较厚的种子层)，例如在所述焊料为10-20μm时，所述种子层的厚度可为100-300nm。
37.优选地，所述聚对二甲苯层的厚度为1-10μm(由凸起结构的尺寸决定，例如凸起结构的高度越高，聚对二甲苯层的厚度越大)。
38.优选地，通过溅射或离子束蒸发形成所述种子层。本发明通过溅射或离子束蒸发来整面形成粘附层和种子层，使得所述种子层和粘附层能够覆盖所述凸起结构以及所述凸起结构所在的整个基板表面，从而使得在全部键合表面形成焊料成为可能。
39.优选地，通过化学气相沉积法形成所述聚对二甲苯层。所述化学气相沉积法包括等离子体增强化学气相沉积法。
40.接下来，去除所述键合表面上的所述聚对二甲苯层部分，从而使部分所述种子层暴露，形成窗口。
41.优选地，通过化学机械抛光去除所述键合表面上的所述聚对二甲苯层部分。
42.优选地，在形成所述种子层之后且在形成所述聚对二甲苯层之前，在所述种子层上形成金属阻挡层。
43.本发明的金属阻挡层为硬度较高且不与用于化学机械抛光的抛光液产生化学反应的金属。优选地，所述金属阻挡层为铝或钽等不易与对应抛光液发生反应的金属。
44.优选地，所述金属阻挡层的厚度为100-1000nm(所述金属阻挡层的厚度与所述金属阻挡层的金属类型有关)。
45.优选地，通过溅射或离子束蒸发形成所述金属阻挡层。
46.在所述种子层上形成有所述金属阻挡层的情况下，为了使所述凸起结构键合表面
上的种子层暴露，需要在去除所述键合表面上的所述聚对二甲苯层部分之后，去除所述键合表面上的所述金属阻挡层部分，从而使部分所述种子层暴露，形成窗口。优选地，使用腐蚀液去除所述键合表面上的所述金属阻挡层部分。所述腐蚀液仅与所述金属阻挡层发生化学反应，而不与所述种子层发生化学反应。优选地，所述腐蚀液为铝腐蚀液或钽腐蚀液，包括但不限于盐酸、硝酸、磷酸、硫酸或其混合物。
47.本发明在位于所述凸起结构侧壁上的种子层上形成了金属阻挡层，由于金属阻挡层与熔融状态的金属焊料的亲和性较差，因此解决了在金属共晶焊接过程中，熔融状态的金属焊料沿着凸起结构侧壁长有金属的区域蔓延的问题，避免了共晶键合区域的金属焊料流失，提高了键合效果；同时避免了熔融状态的金属焊料流入凸起结构之间的间隙内(例如流入微通道内)，造成堵塞。本发明方法通过设置金属阻挡层可以控制熔融金属焊料的流动区域，具有更好可靠性，更加易于实际工程应用。
48.最后，在所述窗口处通过电镀形成焊料。
49.优选地，所述焊料包括一个或多个金属层。每个所述金属层均通过电镀或电子束蒸发形成，且均可为cu、sn、pb、in、au、ag或sb。优选地，所述焊料包括多个(例如2-3个)金属层，并且所述金属层彼此不相同。当然，所述焊料可以包括适合于共晶键合的其他金属层。
50.本发明使用电镀工艺进行焊料的制备，相较于其他工艺如溅射或蒸发等，可以形成更厚的金属焊料。优选地，所述焊料的厚度为10-20μm。
51.在电镀时，由于凸起结构侧壁上包裹有不可导电的聚对二甲苯层，因而可避免金属焊料在凸起结构侧壁上形成。特别地，当所述基板为设置有嵌入式微通道的基板时，由于微通道内壁不会形成焊料，因此微通道在工作中会具有较大的流量，具有更好的散热性能。
52.在形成所述焊料之后，根据实际使用需要，可以选择是否去除剩余的聚对二甲苯层。例如，在所述基板为设置有嵌入式微通道的基板时，由于聚对二甲苯层的孔隙率低，在微通道工作时，可以防止冷却工质的泄露，但缺点是难承受高温工艺。
53.在一些实施例中，在形成所述焊料之后，去除剩余的聚对二甲苯层。优选地，可通过干法刻蚀去除剩余的聚对二甲苯层。所述干法刻蚀包括氧等离子体刻蚀。
54.下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
55.实施例1
56.首先，提供硅晶圆100。然后，通过光刻和刻蚀在硅晶圆100上表面形成微通道200，所得结构的局部结构示意图如图1所示，其中201为微通道200的间隔墙，202为间隔墙201顶部的键合表面。
57.然后，通过溅射形成粘附层300，使其覆盖键合表面202以及微通道200的内壁，其中粘附层300为钛，厚度为100纳米。
58.之后，通过溅射在粘附层300的上表面形成种子层400，所得结构的局部结构示意图如图2所示，其中种子层400为金，厚度为200纳米。
59.接下来，通过溅射在种子层400上表面形成金属阻挡层500，所得结构的局部结构示意图如图3所示，其中金属阻挡层500为铝，厚度为200纳米。
60.然后，通过等离子体增强化学气相沉积法在金属阻挡层500上表面形成聚对二甲苯层600，所得结构的局部结构示意图如图4所示，其中聚对二甲苯层600的厚度为5微米。
61.之后，通过化学机械抛光去除键合表面202上的聚对二甲苯层600部分，从而使键
合表面202上的金属阻挡层500暴露，所得结构的局部结构示意图如图5所示。
62.接下来，使用铝腐蚀液去除暴露的金属阻挡层500部分，从而使部分种子层400暴露，形成窗口，所得结构的局部结构示意图如图6所示。由于金属阻挡层500的厚度很小，因此在去除暴露的金属阻挡层500部分后，可视为种子层400与聚对二甲苯层600的顶端面在同一水平面上。
63.然后，通过电镀在所述窗口处形成焊料700，所得结构的局部结构示意图如图7所示，其中焊料700为sn，厚度为10微米。
64.之后，通过氧等离子体刻蚀去除剩余的聚对二甲苯层600，所得结构的局部结构示意图如图8所示。
65.接下来，提供盖板800，并通过溅射在其下表面形成粘附层300，之后，通过电镀在粘附层300下表面由上至下依次形成3微米厚的ni层，1微米厚的au层和10微米厚的sn层，该三层一起被称为金属层900，所得结构的局部结构示意图如图9所示。
66.最后，在焊料熔点温度以上的温度下，在氮气气氛中，通过施加压力对如图8所示结构和如图9所示结构进行键合，所得结构的局部结构示意图如图10所示。由于微通道200内壁有金属阻挡层500包裹，因此共晶键合时熔融状态的金属焊料700不会流进微通道200内部。
67.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。