[发明专利]一种三维封装互连焊点下Cu6

说明书

本发明提供了一种三维封装互连焊点下Cu6Sn5相单晶元素扩散阻挡层的合成方法，包括：1)Cu6Sn5相单晶薄层制备；2)铜焊盘表面蒸镀锡层；3)Cu6Sn5相单晶薄层转移；4)Cu6Sn5相单晶薄层与铜基焊盘冶金互连。所得Cu6Sn5相单晶元素扩散阻挡层结构的元素扩散阻挡能力是传统镍基元素扩散阻挡层结构的72倍以上，是Cu6Sn5相多晶元素扩散阻挡层结构的144.3倍以上。具备成为替代现有三维封装互连焊点下元素扩散阻挡层结构的潜力，有极高的工业应用价值。

本发明属于材料制备领域，特别涉及一种三维封装互连焊点下Cu6Sn5相单晶扩散阻挡层的合成方法。

背景技术：

随着半导体器件集成度的不断提高，封装结构的尺寸显著降低，对集成电路的封装技术也提出了更高的要求。其中，集成电路的三维封装技术由于具有封装密度高、封装成本低且信号延迟小的优点，被认为是未来集成电路封装的主流发展趋势。然而在三维封装的焊点互连过程中，由于采用的铜基焊盘厚度急剧下降而互连工艺温度与时间保持不变，因此铜焊盘在与锡基焊点冶金成形及通电服役阶段中的快速溶解现象成为互连焊点界面失效的主要原因。一方面，铜焊盘的大量溶蚀将造成焊盘结构的失效；另一方面，进入钎料内的铜元素又会导致界面金属间化合物的形成，成为焊点界面开裂的潜在原因。传统的二级封装工艺中，铜基表面常沉积一层3μm以上的镍基金属化层(元素扩散阻挡层)以遏制铜焊盘在钎料中的过分溶解；然而由于钎料对镍的润湿性较差，所以其表面还需沉积 50～150nm的金层以提高元素扩散阻挡层的润湿可靠性，最终形成结构稳定的铜 /镍/金焊盘。不过在三维封装工艺中，由于焊盘结构较薄，导致镍/金元素扩散阻挡层的厚度显著降低，对铜元素的扩散阻挡能力也将随之下降，因此互连焊盘的界面可靠性问题凸显。

尽管微电子工业一直在寻找一种优良的可用于三维封装互连焊点的薄层元素扩散阻挡层材料，然而成效甚微；现阶段元素扩散阻挡层仍以沿用金镍等贵金属材料为主。此外一些学者致力于研究如何缓解焊盘溶解的新方法，如提高铜基焊盘的局部厚度或在钎料中添加一定量铜镍元素以减缓润湿反应过程中的焊盘溶蚀问题；尽管这些方法在一定程度上延长了焊盘溶蚀的时间，但是却增加了焊盘或钎料的加工难度，而且在通电服役过程中仍然无法避免焊盘失效的结果。值得关注的是，2005-2006年Fu R.和Yan M.Y.等人发现金属间化合物(如Cu3Sn 相)具有优秀的铜元素扩散阻挡作用；2011年Hsiao H.Y.等人发现Cu6Sn5相金属间化合物的铜元素扩散阻挡性能比Cu3Sn相更佳。因此根据上述研究，Cu6Sn5相金属间化合物应该是传统扩散阻挡层的理想替代材料，且具备成为三维封装互连焊点下元素扩散阻挡层材料的应用潜质。