具有纳米双晶铜的电连接结构及其形成方法

摘要

一种具有纳米双晶铜的电连接结构及其形成方法。此方法包含：(i)形成第一纳米双晶铜层，第一纳米双晶铜层包含多个第一纳米双晶铜晶粒；(ii)形成第二纳米双晶铜层，第二纳米双晶铜层包含多个第二纳米双晶铜晶粒；以及(iii)接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面，使至少部分的第一纳米双晶铜晶粒成长至第二纳米双晶铜层中，或者至少部分的第二纳米双晶铜晶粒成长至第一纳米双晶铜层中。在此亦揭露一种纳米双晶铜的电连接结构。因为一侧的纳米双晶铜晶粒成长至相对侧的纳米双晶铜晶粒，并且发生合并或同化的现象，让所形成的连接结构能够具有更好的机械强度、导电性、稳定性及可靠度。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种电连接结构以及形成电连接结构的方法，且特别是有关于一种具有纳米双晶铜的电连接结构以及形成该电连接结构的方法。

背景技术

集成电路晶片及各种电子产品不断往更小的尺寸发展，电子产品中不同电子元件之间的电连接也因此往更小的维度发展。微米或纳米等级的连接垫被广泛地使用在各种电子产品的部件中，微米或纳米等级连接垫之间的接合变的非常重要，因为接合的品质直接影响最终电子产品的性能、品质和可靠度。当接合的尺度缩小，传统的锡接点与铜所产生的介金属化合物对于接合结构的机械性质造成不利影响的程度将增大，导致最终产品的可靠度下降，因此目前急需一种更佳的电连接结构及方法，以改善上述问题。

发明内容

本发明的一态样是提供一种形成具有纳米双晶铜的电连接结构的方法，此方法包含：(i)形成一第一纳米双晶铜层，第一纳米双晶铜层包含多个第一纳米双晶铜晶粒；(ii)形成一第二纳米双晶铜层，第二纳米双晶铜层包含多个第二纳米双晶铜晶粒；以及(iii)接合第一纳米双晶铜层的一表面与第二纳米双晶铜层的一表面，并让至少部分的第一纳米双晶铜晶粒成长至第二纳米双晶铜层中，或者至少部分的第二纳米双晶铜晶粒成长至第一纳米双晶铜层中。

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面形成一接合界面，其中至少部分的第一纳米双晶铜晶粒成长超越接合界面，或者至少部分的第二纳米双晶铜晶粒成长超越接合界面。

在某些实施方式中，第一及第二纳米双晶铜晶粒实质上为柱状，且第一及第二纳米双晶铜晶粒的宽度小于5微米。

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面形成一接合界面，其中至少20％数量的第一纳米双晶铜晶粒成长超越接合界面，或者至少20％数量的第二纳米双晶铜晶粒成长超越接合界面。

在某些实施方式中，成长超越接合界面的第一纳米双晶铜晶粒越过接合界面的一高度为第二纳米双晶铜层的一厚度的至少30％；或者成长超越接合界面的第二纳米双晶铜晶粒越过接合界面的一高度为第一纳米双晶铜层的一厚度的至少30％。

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面包含对第一纳米双晶铜层及第一纳米双晶铜层中的至少一者施加一压力，使第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面在压力作用下而接合，且所述压力为约0.8Mpa至约3Mpa。

在某些实施方式中，所述压力为约0.8Mpa至约1.5Mpa。

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面是在温度为200℃至约350℃的环境下进行。

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面是在环境气压为约10

在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层的表面与第二纳米双晶铜层的表面的接合时间是约1分钟至约30分钟。

在某些实施方式中，第一纳米双晶铜晶粒及第二纳米双晶铜晶粒是沿着[111]晶轴方向堆叠形成。

在某些实施方式中，第一纳米双晶铜层的表面及第二纳米双晶铜层的表面包含(111)晶面。

本发明的另一样态是提供一种具有纳米双晶铜的电连接结构，此电连接结构一第一基材以及一第二基材。第一基材具有一第一纳米双晶铜层，其中第一纳米双晶铜层包含多个第一纳米双晶铜晶粒。第二基材具有一第二纳米双晶铜层，第二纳米双晶铜层包含多个第二纳米双晶铜晶粒。第一纳米双晶铜层与第二纳米双晶铜层接合。至少部分的第一纳米双晶铜晶粒延伸至第二纳米双晶铜层中，或者至少部分的第二纳米双晶铜晶粒延伸至第一纳米双晶铜层中。

在某些实施方式中，第一基材与第二基材各自包含一氧化物层和一金属层，其中第一纳米双晶铜层位于第一基材的金属层上，第二纳米双晶铜层位于第二基材的金属层上。

在某些实施方式中，上述连接结构还包括位于第一纳米双晶铜层与第二纳米双晶铜层之间的一接合界面，至少20％数量的第一纳米双晶铜晶粒延伸超越接合界面，或者至少20％数量的第二纳米双晶铜晶粒延伸超越接合界面。

在某些实施方式中，延伸超越接合界面的第一纳米双晶铜晶粒越过接合界面的一高度为第二纳米双晶铜层的一厚度的至少30％；或者延伸超越接合界面的第二纳米双晶铜晶粒越过接合界面的一高度为第一纳米双晶铜层的一厚度的至少30％。

在某些实施方式中，第一纳米双晶铜晶粒越过接合界面的高度为约0.1微米至约20微米之间。

在某些实施方式中，第一及第二纳米双晶铜晶粒实质上为柱状。

在某些实施方式中，第一及第二纳米双晶铜晶粒的宽度小于5微米。

在某些实施方式中，第一及第二纳米双晶铜晶粒是沿着[111]晶轴方向堆叠而成。

附图说明

图1绘示根据本发明各种实施方式的形成具有纳米双晶铜的电连接结构的方法的流程图；

图2绘示根据本发明某些实施方式的方法在某一制程阶段的剖面示意图；

图3为本发明某一实施例所形成的第一纳米双晶铜层的聚焦离子束(FIB)影像图；

图4绘示根据本发明某些实施方式的方法在某一制程阶段的剖面示意图；

图5为本发明某一实施例所形成的连接结构的聚焦离子束影像图；

图6绘示本发明各种实施方式的电连接结构的剖面示意图。

【符号说明】

10 方法

12 操作

14 操作

16 操作

100 第一基板

102 第一基板

104 氧化物层

106 第一金属层

110 第一纳米双晶铜层

112 第一纳米双晶铜晶粒

114 表面

200 第二前驱基板

202 第二基板

204 第二氧化物层

206 第二金属层

210 第二纳米双晶铜层

212 第二纳米双晶铜晶粒

214 表面

310 接合界面

400 电连接结构

410 第一基材

411 第一纳米双晶铜层

413 第一纳米双晶铜晶粒

415 基板

417 金属层

419 氧化物层

420 第二基材

422 第二纳米双晶铜层

423 第二纳米双晶铜晶粒

425 基板

427 金属层

429 氧化物层

430 同化纳米双晶铜晶粒

440 接合界面

J 接合接面

H1、H2 高度

T1、T2 厚度

d1、d2 宽度

具体实施方式

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。以下所揭露的各实施例，在有益的情形下可相互组合或取代，也可在一实施例中附加其他的实施例，而无须进一步的记载或说明。

在以下描述中，将详细叙述许多特定细节以使读者能够充分理解以下的实施例。然而，可在无此等特定细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为简化附图，熟知的结构与装置仅示意性地绘示于图中。

在本文中使用空间相对用语，例如“下方”、“之下”、“上方”、“之上”等，这是为了便于叙述一元件或特征与另一元件或特征之间的相对关系，如图中所绘示。这些空间上的相对用语的真实意义包含其他的方位。例如，当图示上下翻转180度时，一元件与另一元件之间的关系，可能从“下方”、“之下”变成“上方”、“之上”。此外，本文中所使用的空间上的相对叙述也应作同样的解释。

本发明的一态样是提供一种形成具有纳米双晶铜的电连接结构的方法。图1绘示根据本发明各种实施方式的形成具有纳米双晶铜的电连接结构的方法10的流程图。方法10包含操作12、操作14及操作16。图2及图4绘示本发明某些实施方式的方法10在不同制程阶段的剖面示意图。

在操作12中，形成第一纳米双晶铜层110，如图2所示。第一纳米双晶铜层110包含多个第一纳米双晶铜晶粒112。在各种实施方式中，第一纳米双晶铜层110形成于第一前驱基板100之上。举例而言，第一前驱基板100包含第一基板102及第一金属层106。第一金属层106是有助于形成纳米双晶铜的底层。在一实例中，第一金属层106包含钛层以及形成在钛层上的铜层，上述钛层及铜层可使用例如物理气相沉积(例如溅镀制程)或化学镀等适合的沉积方法形成，钛层及铜层各自的厚度可例如为数十纳米至数百纳米。第一基板102可以是任何适当的基材，例如硅基板、陶瓷基板、玻璃纤维基板、印制电路板、金属基板、塑胶基板等。当第一基板102为硅晶片或晶圆时，第一基板102上可以形成氧化物层104，例如氧化硅，而第一金属层106形成在氧化物层104上。

在某些实施方式中，可以使用电镀制程在第一前驱基板100的第一金属层106上形成具有(111)晶面的第一纳米双晶铜层110。在具体实施例中，电镀液包含50g/L的Cu

详细而言，第一纳米双晶铜层110中形成多个第一纳米双晶铜晶粒112。各第一纳米双晶铜晶粒112实质上为柱状。亦即，第一纳米双晶铜晶粒112实质上为柱状双晶体(columnar twinned grain)，且彼此相邻排列。在某些实施方式中，第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1小于约5微米，较佳为约0.1微米至约2微米。例如为约0.1、0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2、2.5、3.0、3.5、4.0微米。此处，“宽度”是指柱状纳米双晶铜晶粒112的径向宽度。根据多个实施例，当第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1在上述范围内，有益于特殊的技术效果，下文将更详细叙述。

依据本发明某些实施方式，于电镀形成第一纳米双晶铜层110之后，可以选择地执行平坦化制程，以降低第一纳米双晶铜层110的表面114的粗糙度。在某些实施例中，平坦化制程可使用化学机械研磨技术来执行。执行平坦化制程后，第一纳米双晶铜层110的表面114的粗糙度为约0.5nm至约10nm(Ra)；例如为约1nm、2nm、3nm、4nm或5nm。，执行平坦化制程后，第一纳米双晶铜层110的厚度T1为约数十纳米至约数十微米，例如约0.5μm至约10μm。

图3为本发明某一实施例所形成的第一纳米双晶铜层的聚焦离子束(FIB)影像图。由图中清楚看出柱状双晶晶粒的晶界以及各柱状双晶晶粒中的双晶铜层的堆叠结构。

在操作14中，形成第二纳米双晶铜层210，如图2所示。在某些实施方式中，第二纳米双晶铜层210形成于第二前驱基板200之上。第二前驱基板200的具体实施方式，可与上述第一前驱基板100相同或相似。例如，第二前驱基板200包含第二基板202、第二氧化物层204及第二金属层206。形成的第二纳米双晶铜晶粒212具体方法可与上述形成第一纳米双晶铜层110的方法相同或相似。简言之，可以使用电镀制程在第二前驱基板200上形成第二纳米双晶铜层210。第二纳米双晶铜层210是沿着[111]晶轴方向堆叠生长，第二纳米双晶铜层210的表面214生长为(111)晶面。第二纳米双晶铜层210包含多个第二纳米双晶铜晶粒212。各第二纳米双晶铜晶粒212实质上为柱状。在某些实施方式中，第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2小于约5微米，较佳为约0.1微米至约2微米。例如为约0.1、0.2、0.5、0.8、1.0、1.5、2、2.5、3.0、3.5、4.0微米。根据多个实施例，当第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2在上述范围内，有益于特殊的技术效果，下文将更详细叙述。

在某些实施例中，第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2与第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1为相同数量级。在具体实例中，第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2大致上相同或相当第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1。此处所述“相同”或“相当”的意义是指宽度d1的平均值与宽度d2的平均值之间的差异在+/-50％内(更明确地是在+/-30％内)，或本技术领域通常知识者所认知的范围内。但在其他实施例中，第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2可以大于或小于第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1。

在使用电镀制程形成第二纳米双晶铜层210之后，可以选择地执行平坦化制程，以降低第二纳米双晶铜层210的表面214的粗糙度。执行平坦化制程后，第二纳米双晶铜层210的表面214的粗糙度为约0.5nm至约10nm(Ra)，较佳为约0.5nm至约5nm，例如为约1nm、2nm、3nm、4nm或5nm。执行平坦化制程后，第二纳米双晶铜层210的厚度T2为约数十纳米至约数十微米，例如约0.5μm至约10μm。第二纳米双晶铜层210的厚度T2可以相同或不同于第一纳米双晶铜层110的厚度T1。

依据本发明的某些实施方式，在形成第一纳米双晶铜层110及/或形成第二纳米双晶铜层210之后，可以对第一纳米双晶铜层110及/或第二纳米双晶铜层210执行清洗制程，例如，将所形成的第一纳米双晶铜层110及/或形成第二纳米双晶铜层210浸泡在约50～80℃的饱和柠檬酸溶液中约30-120秒。之后，再以去离子水冲洗，并以氮气吹干。

上述操作12及操作14的执行顺序并无限制。例如，可先执行操作12，之后执行操作14。或者，先执行操作14，之后执行操作12。或者，可并行地或同时地执行操作12及操作14。

在操作16中，如图4所示，接合第一纳米双晶铜层110的表面114与第二纳米双晶铜层210的表面214，并让至少部分数量的第一纳米双晶铜晶粒112成长至第二纳米双晶铜层210中；或者至少部分数量的第二纳米双晶铜晶粒212成长至第一纳米双晶铜层110中。

在某些实施方式中，对第一纳米双晶铜层110及第一纳米双晶铜层110中的至少一者施加压力，使第一纳米双晶铜层110的表面114与第二纳米双晶铜层210的表面214在压力作用下而接合。例如，可对第一前驱基板100及/或第二前驱基板200的背面施加约0.8Mpa至约3Mpa的压力，让第一纳米双晶铜层110的表面114与第二纳米双晶铜层210的表面214在约0.8Mpa至约3Mpa压力的作用下接合。在多个实施例中，压力为约0.8Mpa至约1.5Mpa，例如约0.8Mpa、1.0Mpa、1.2Mpa或1.5Mpa。在某些实施方式中，接合第一纳米双晶铜层110的表面114与第二纳米双晶铜层210的表面214是在温度为约200℃至约350℃的环境下进行。较佳的温度范围为约250℃至约320℃，例如约250℃、280℃、300℃或320℃。在某些实施方式中，上述接合第一纳米双晶铜层110与第二纳米双晶铜层210是在环境气压为约10

如图4所示，接合后，一部分的第一纳米双晶铜晶粒112和第二纳米双晶铜晶粒212彼此合并，而形成一个跨越原本接合接面J的纳米双晶铜晶粒(下文称为“同化纳米双晶铜晶粒”)，例如图4标示的112a、112b。换言之，至少部分数量的第一纳米双晶铜晶粒112成长且合并对向的第二纳米双晶铜晶粒212，而成长延伸至第二纳米双晶铜层210中。或者，至少部分数量的第二纳米双晶铜晶粒212成长且合并对向的第一纳米双晶铜晶粒112，而成长延伸至第一纳米双晶铜层110中，例如图4标示的212c、212d。因此，在某些实施方式中，接合后的第一纳米双晶铜层110的表面114与第二纳米双晶铜层210的表面214形成不连续的接合界面310。请注意，接合后的“同化纳米双晶铜晶粒”(图4标示的112a、112b、212c、212d)仍然保持双晶铜的堆叠结构，而且“同化纳米双晶铜晶粒”的宽度与第一及/或第二纳米双晶铜晶粒112、212的宽度为相同数量级。

在某些实施方式中，至少20％数量(例如20％、30％、40％、50％、60％、80％或100％)的第一纳米双晶铜晶粒112成长超越接合界面310(例如图4标示的112a、112b)，或者至少20％数量(例如20％、30％、40％、50％、60％、80％或100％)的第二纳米双晶铜晶粒212成长超越接合界面310(例如图4标示的212c、212d)。根据另外某些实施方式，当大部分的第一纳米双晶铜晶粒112和第二纳米双晶铜晶粒212都互相合并，例如大于60％数量的第一及/或第二纳米双晶铜晶粒112、212合并形成“同化纳米双晶铜晶粒”，原本的接合接面将会变的不明显，而让原本的接合接面不易被观察到。

在多个实施例中，在接合制程后，第二纳米双晶铜晶粒212向第一纳米双晶铜晶粒112方向成长所形成的“同化纳米双晶铜晶粒”212c、212d超越接合界面310的高度H2是第一纳米双晶铜层110的厚度T1的至少30％，例如35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。或者，第一纳米双晶铜晶粒112向第二纳米双晶铜晶粒212方向成长所形成的“同化纳米双晶铜晶粒”112a、112b超越接合界面310的高度H1是第二纳米双晶铜层210的厚度T2的至少30％，例如35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。在另外某些实施方式中，部分数量的“同化纳米双晶铜晶粒”贯穿第一及第二纳米双晶铜层110、210，因此部分数量的“同化纳米双晶铜晶粒”的高度为第一及第二纳米双晶铜层的厚度T1、T2的总和。

图5为本发明某一实施例进行操作16后的连接结构的聚焦离子束影像图。为了让本领域技术人员能够更容易理解本发明的特征，图5中标示接合接面J，并以实线绘示出“同化纳米双晶铜晶粒”290。

如上所述，上述的制程条件及特征将提供有益的技术效果。例如，第一纳米双晶铜晶粒112的宽度d1小于约5微米(较佳为约0.1微米至约2微米)以及第二纳米双晶铜晶粒212的宽度d2小于约5微米(较佳为约0.1微米至约2微米)有益于让第一及第二纳米双晶铜晶粒合并而形成“同化纳米双晶铜晶粒”。当第一及第二纳米双晶铜晶粒太大时，会造成第一及第二纳米双晶铜晶粒合并时的障碍。又例如，第一纳米双晶铜层110与第二纳米双晶铜层210在约0.8Mpa至约3Mpa压力的作用下接合(较佳为约0.8Mpa至约1.5Mpa)，也有益于让第一及第二纳米双晶铜晶粒合并。再例如，在温度为约200℃至约350℃的环境下进行接合，较佳为约250℃至约320℃，有助于让第一及第二纳米双晶铜晶粒合并，并维持纳米双晶铜晶体的结构及晶粒尺寸。再例如，纳米双晶铜层表面的粗糙度较佳为约0.5nm至约5nm，也有益于让第一及第二纳米双晶铜晶粒成长互相合并。

由以上揭露的内容，本发明所属技术领域的技术人员可以理解，因为一侧的纳米双晶铜晶粒成长至相对侧的纳米双晶铜晶粒，并且发生合并或同化的现象，让所形成的连接结构能够具有更好的机械强度、导电性、稳定性及可靠度。

本发明的另一样态是提供一种具有纳米双晶铜的电连接结构。图6绘示本发明各种实施方式的电连接结构400的剖面示意图。电连接结构400包含第一基材410及第二基材420。

第一基材410包含第一纳米双晶铜层411，且第一纳米双晶铜层411中包含多个第一纳米双晶铜晶粒413。类似地，第二基材420包含第二纳米双晶铜层422，第二纳米双晶铜层422包含多个第二纳米双晶铜晶粒423。第一纳米双晶铜层411与第二纳米双晶铜层422接合连接。在多个实施方式中，上述第一及第二纳米双晶铜晶粒411、423实质上为柱状，且第一及第二纳米双晶铜晶粒411、423的宽度d1、d2小于约5微米，较佳为约0.1微米至约2微米。在各种实施方式中，第一及第二纳米双晶铜晶粒411、423是沿着[111]晶轴方向堆叠而成。

请注意，部分数量的第一纳米双晶铜晶粒413延伸至第二纳米双晶铜层422中，例如图6标示的413a及413b。延伸至第二纳米双晶铜层422的第一纳米双晶铜晶粒413a及413b也可称为“同化纳米双晶铜晶粒”。类似地，部分数量的第二纳米双晶铜晶粒423延伸至第一纳米双晶铜层411中，例如图6标示的423c及423d。延伸至第一纳米双晶铜层411的第二纳米双晶铜晶粒423c及423d也可称为“同化纳米双晶铜晶粒”。

此外，在某些实施方式中，部分数量的“同化纳米双晶铜晶粒”贯穿第一及第二纳米双晶铜层422、411，例如图6标示的430，因此同化纳米双晶铜晶粒430可以被视为第一纳米双晶铜晶粒413的延伸，也可以被视为第二纳米双晶铜晶粒423的延伸。同化纳米双晶铜晶粒430的高度为第一及第二纳米双晶铜层411、422的厚度T1、T2的总和。

在某些实施方式中，电连接结构400还包含位于第一纳米双晶铜层411与第二纳米双晶铜层422之间的不连续的接合界面440。上述同化纳米双晶铜晶粒413a、413b、423c、423d及430贯穿接合界面440，而让接合界面440成为不连续。

在某些实施方式中，至少20％数量的第一纳米双晶铜晶粒(例如纳米双晶铜晶粒413a、413b)成长超越接合界面440，或者至少20％数量的第二纳米双晶铜晶粒(例如纳米双晶铜晶粒423c、423d)成长超越接合界面440。

请再参照图6，第一纳米双晶铜晶粒413a、413b越过接合界面440的高度H1为第二纳米双晶铜层422的厚度T2的至少30％，例如35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。或者，延伸超越接合界面440的第二纳米双晶铜晶粒423c、423d越过接合界面440的高度H2为第一纳米双晶铜层411的厚度T1的至少30％，例如35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。在具体实例中，第一纳米双晶铜晶粒413a、413b越过接合界面440的高度H1及/或第二纳米双晶铜晶粒423c、423d越过接合界面440的高度H2为约0.1微米至约20微米之间，例如0.1微米、0.3微米、0.5微米、0.8微米、1.0微米、1.5微米、1.8微米、2.0微米、2.5微米、3.0微米、5微米、10微米、或15微米。

在某些实施方式中，第一基材410还包含基板415以及基板415上的金属层417。金属层417有助于形成纳米双晶铜的底层，金属层417可以包含多个子层。在一实例中，使用溅镀方式依序形成钛层和铜层，因此金属层417中的铜层并不具有纳米双晶铜晶粒。第一纳米双晶铜层411接触金属层417中的铜层。在某些实例中，第一基材410还包含氧化物层419，位于基板415与金属层417之间。

类似地，第二基材420还包含基板425以及基板425上的金属层427。金属层427可以包含钛层以及形成在钛层上的铜层。第二纳米双晶铜层422接触金属层427中的铜层。在某些实例中，第二基材420还包含氧化物层429，位于基板425与金属层427之间。