【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体封装，更具体而言，涉及一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法。
技术介绍
1、应用于半导体封装、晶片连接、细间距互连和基于硅通孔(tsv)的3d堆叠等封装键合技术对低温、短时互连的需求强烈。目前常用的低温键合工艺主要包括：晶圆直接键合、热压键合、表面活化键合、粘合剂键合和共晶键合等。晶圆直接键合技术对于键合面的洁净度和平坦度要求极高，同时需要较长的退火时间(>120min)和较高退火温度来提高键合界面的强度；热压键合如传统的cu-cu热压键合温度一般>350℃，键合时间>30min，随后需要>30min的热处理工艺；通常，共晶键合时间需要足够长，以确保扩散反应可以充分进行，从而实现良好的结合强度。共晶键合包括固液互扩散键合和固态扩散键合，如传统的cu/sn/cu固液互扩散键合在300℃下生成全部cu3sn金属间化合物(imc)的时间为360min，键合时间相对较长；传统的cu/sn/cu固态扩散键合形成稳定的金属间化合物(imc)的键合消耗时间相对较长，一般为15min左右，且长时间高温环境容易对芯片某些部位造成热损伤。
2、近年来，键合向低温(100℃-300℃)和短时间(3-60min)等方向发展，在这一目标的驱动下，行内主要聚焦于共晶键合中的瞬时液相扩散（tlp）键合、固液互扩散（slid）低温键合等，并对其晶粒取向的影响因素及imcs生长动力学进行了深入研究。然而，采用这些传统的键合方法制备高完整性的imcs存在键合时间长（几百分钟以上）、温度高（>2
3、中国专利技术公开为cn105679683a的专利技术专利中公开了一种基于铜纳米棒的铜锡铜键合工艺及结构，该工艺及结构工艺简单可控、可重复性好，但键合温度高(<400℃)，且键合时间相对较长(60min左右)。
4、中国专利技术公开为cn111916344a的专利技术专利中公开了一种基于石墨烯/锡改性的铜纳米颗粒的铜-铜低温键合方法，该工艺虽然大幅度降低了烧结温度(200-300℃)和烧结时间(15-30min)，抑制了cu-sn imcs的形成，但石墨烯/锡存在热稳定性较差且极易被氧化等问题。
5、中国专利技术公开为cn107195559a的专利技术专利中公开了一种覆锡纳米多孔铜低温键合的方法，该工艺虽解决了cu易氧化和纳米尺寸效应不显著等问题，但长时间热处理(200-250℃，2-3h)对所覆sn质量难以保证。
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，为此，本专利技术的一个方面的目的在于，提供一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，所述工艺方法具体步骤如下：
2、s1.备片单抛氧化片，改进的rca清洗，利用负胶光刻和镀膜工艺在顶层芯片和底层芯片键合面上沉积图形化al布线层，剥离光刻胶掩膜层和附着的al布线层；再次利用负胶光刻和镀膜工艺在顶层芯片和底层芯片键合面上沉积图形化ti粘附层和cu种子层；
3、s2.在顶层芯片cu种子层表面用电镀工艺获得cu/sn微凸点；在底层芯片cu种子层表面用连续交替电镀工艺获得cu/sn/cu/sn/cu/sn/cu叠层结构的微凸点；
4、s3.在顶层芯片和底层芯片键合面上形成图形化纳米金属层，在微凸点表面用新型镀膜工艺-飞秒脉冲激光系统沉积一层惰性纳米金属层，剥离光刻胶掩膜层和附着的ti粘附层、cu种子层和纳米金属层；
5、s4.利用ar等离子体预处理方法和自组装单分子层（sam）预处理方法复合的新型表面预处理方法对微凸点键合表面进行预处理；
6、s5.利用热压方式对顶层芯片cu/sn/au微凸点和底层芯片cu/sn/cu/sn/cu/sn/cu/au叠层结构的微凸点进行对准、键合。
7、优选的，所述s1中顶层芯片和底层芯片上的al布线层、ti粘附层和cu种子层需要利用负胶光刻、镀膜和剥离工艺实现图形化，al布线层、ti粘附层和cu种子层是物理气相沉积（pvd）、化学气相沉积（cvd）、原子层沉积（ald）镀膜工艺中的一种。
8、优选的，所述s1中沉积al布线层厚度为1um；ti粘附层厚度为50nm，cu种子层厚度为100nm。
9、优选的，所述s2中在顶层芯片cu种子层表面先电镀cu微凸点，之后更换为sn镀液，经简单di水清洗后，应迅速直接在cu微凸点表面电镀sn微凸点，获得cu/sn微凸点。其中，镀液可选择安美特的cu凸点镀液、新阳的sn凸点镀液，电镀电流密度为3asd；根据完全转化为cu3sn imc相所消耗的cu、sn微凸点的厚度比不低于1.32的要求，确定相应的cu、sn微凸点的厚度；所选择cu、sn微凸点的参数电流密度分别为20ma/cm2、30ma/cm2。
10、优选的，所述s2中在底层芯片cu种子层表面电镀第一层cu微凸点，di水清洗cu微凸点，更换为sn镀液，在第一层cu微凸点表面电镀sn微凸点，di水清洗sn微凸点，更换为cu镀液，连续在sn微凸点表面电镀第二层cu微凸点，di水清洗cu微凸点，更换为sn镀液，在第二层cu微凸点表面电镀sn微凸点，重复以上步骤，连续交替电镀第三层cu微凸点和sn微凸点和第四层cu微凸点，获得cu/sn/cu/sn/cu/sn/cu叠层结构的微凸点。其中，叠层sn微凸点和cu微凸点交替电镀次数根据各自的目标厚度确定，厚度要求小于1um；为了避免sn和cu溶液之间的交叉污染，阴极板在每个电镀步骤后都必须用di水清洗。
11、优选的，所述s3中惰性纳米金属层厚度为3nm-5nm。
12、优选的，所述s3中惰性纳米金属是au、ag、pt或pd，获得无污染、高活性的键合表面。
13、优选的，所述s4中ar等离子体预处理顶层芯片sn微凸点和底层芯片cu微凸点表面，工作气氛选择ar中混入5%h2；输出频率及最大功率为13.56mhz，600w；使用气体流量为200sccm，清洗时间是30s、60s或90s；使用以上预处理条件不仅可以去除微凸点表面因吸附而产生的污染，还可以激活cu微凸点和sn微凸点表面。
14、优选的，所述s4中自组装单分子层（sam）预处理临时钝化微凸点表面，其形成主要取决于硫基官能团与金属原子之间的相互作用，通过在微凸点表面临时吸附一层保护膜，可以有效降低或完全避免cu和sn微凸点表面的二次氧化和污染，键合过程通过热解附的方式从微凸点表面去除。
15、优选的，所述s5中键合的环境气氛选择惰性气体或真空，键合温度控制在150℃-220℃，键合时间控制在2min-5min，键合压强控制在5mpa-10mpa。
16、本专利技术所具有的有益效果如下：
17、本专利技术设计了一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法。本专利技术通过制作cu/sn/cu/sn/cu本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述工艺方法具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S1中顶层芯片和底层芯片上的Al布线层、Ti粘附层和Cu种子层需要利用负胶光刻、镀膜和剥离工艺实现图形化，Al布线层、Ti粘附层和Cu种子层是物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积镀膜工艺中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S1中沉积Al布线层厚度为1um；Ti粘附层厚度为50nm，Cu种子层厚度为100nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S2中在顶层芯片Cu种子层表面先电镀Cu微凸点，之后更换为Sn镀液，经简单DI水清洗后，应迅速直接在Cu微凸点表面电镀Sn微凸点，获得Cu/Sn微凸点。
5.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S2中在底层芯片Cu种子层表面电镀第一层Cu微凸点，DI水
6.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S3中惰性纳米金属层厚度为3nm-5nm。
7.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S3中惰性纳米金属是Au、Ag、Pt或Pd。
8.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S4中Ar等离子体预处理顶层芯片Sn微凸点和底层芯片Cu微凸点表面，工作气氛选择Ar中混入5%H2；输出频率及最大功率为13.56MHz，600W；使用气体流量为200sccm，清洗时间是30s、60s或90s。
9.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S4中自组装单分子层（SAM）预处理临时钝化微凸点表面。
10.根据权利要求1所述的一种纳米叠层Cu-Sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述S5中键合的环境气氛选择惰性气体或真空，键合温度控制在150℃-220℃，键合时间控制在2min-5min，键合压强控制在5MPa-10MPa。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述工艺方法具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述的一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述s1中顶层芯片和底层芯片上的al布线层、ti粘附层和cu种子层需要利用负胶光刻、镀膜和剥离工艺实现图形化，al布线层、ti粘附层和cu种子层是物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积镀膜工艺中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述s1中沉积al布线层厚度为1um；ti粘附层厚度为50nm，cu种子层厚度为100nm。
4.根据权利要求1所述的一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述s2中在顶层芯片cu种子层表面先电镀cu微凸点，之后更换为sn镀液，经简单di水清洗后，应迅速直接在cu微凸点表面电镀sn微凸点，获得cu/sn微凸点。
5.根据权利要求1所述的一种纳米叠层cu-sn低温固态扩散键合工艺方法，其特征在于：所述s2中在底层芯片cu种子层表面电镀第一层cu微凸点，di水清洗cu微凸点，更换为sn镀液，在第一层cu微凸点表面电镀sn微凸点，di水清洗sn微凸点，更换为cu镀液，连续在sn微凸点表面电镀第二层cu微凸点，di水清洗cu微凸点，更换为sn镀液，在...
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