第一作者：何川

通讯作者：冯宪平

通讯单位：香港城市大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-51510-7

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电子芯片三维封装（3D ICs）显现出突破摩尔定律的独特优势。该论文着重研究了电镀铜过程中不同杂质含量对晶粒生长和铜-铜键合效率的影响。文章展示了低杂质含量的纳米晶铜以及双层电镀的优异键合效率和键合强度。

背景介绍

3D ICs作为一种先进封装工艺被视为是一种突破摩尔定律的有效策略。传统的封装主要利用低熔点的锡合金进行金属互联和电信号传输。然而，随着先进封装工艺中键合尺寸的减小（小于20 mm的间距），传统的锡合金键合工艺难以满足性能和可靠性需求。低温铜-铜直接键合则是一个理想的键合方案。目前关于铜-铜键合的研究关键点主要在于键合温度和时间。过高键合温度（＞250 °C）常常引起晶圆卷曲，对位困难和热应力高等问题。因此低温键合是主要研究方向。

目前关于低温铜-铜键合的研究方向主要分为两大类：表面活化键合以及铜晶体结构优化。表面活化键合将引入过多的制程，条件苛刻，需要额外的花费且难以满足较高的生产率。在铜晶体结构设计研究中，高表面扩散速率的纳米孪晶铜和高晶界能的纳米晶铜显现出独特的低温快速键合优势。两者的键合温度都可以控制在250 °C以内，但键合效率仍然无法与传统锡合金相媲美，大大限制了封装的效率。同时，电镀纳米晶铜伴随的杂质沉积常常引起电镀初期杂质和孔洞的聚集，将对后续芯片的可靠性造成负面影响。

研究出发点

本文从已有的关于纳米铜性质的研究出发，研究了电镀添加剂和电镀电流密度对晶粒生长的影响，制备了一种低杂质含量（杂质总含量≈ 300 ppm）的，能快速生长的纳米晶铜。研究通过引入额外的高纯粗晶铜（杂质总含量≈ 3 ppm）作为基底而纳米晶铜作为“铜黏合”层，同时实现底层杂质和孔洞的去除和低温高效率的跨界面铜-铜键合。

图1. 纳米晶铜（NC）微观结构和杂质分析。（a-b）4 或6 mA cm-2电流密度电镀的高杂质（H）与低杂质（L）含量的纳米晶铜（NC-4H, NC-6H & NC-6L）。（d-e）XRD 分析。（f-h）SIMS杂质总含量与晶界杂质分布密度分析。

图1 给出了调整电流密度和电镀液后的纳米晶铜。纳米晶粒径都约为50 nm, 晶粒取向随机，在垂直基底的生长方向上无特定晶面取向。根据杂质总含量和晶界相对面积计算，在初始50 nm的晶粒尺寸下，晶界杂质密度会远低于已充分生长的晶粒。这一结果表明，晶体生长将伴随显著的杂质聚集现象（约40倍的密度差异），降低晶界能并使后续生长阶段变得更困难。

图2. 纳米晶铜晶粒生长研究。（a-b）室温以及热处理条件下相对电阻变化。（c）DSC 分析。（d）STEM对NC-4H与NC-6H的位错缺陷表征。（e）晶粒生长激活能计算。

图2给出了三种纳米晶铜（NC-4H, NC-6H & NC-6L）与晶粒生长有直接联系的电阻变化和DSC研究。实验结果表明，增大电流密度会引入更多的位错缺陷，使晶粒室温生长加快。相对于降低杂质含量（NC-6L）的效果而言，提高电流密度促使晶粒生长的效果有限。DSC研究表明，高杂质含量（NC-4H, NC-6H）的纳米晶铜放热困难，晶界释放总能量较低，在30-300 °C的升温区间内分两步放热。低杂质含量的（NC-6L）样品晶界释放总能量更高且在较低温度（onset = 87.21 °C）一次性放热完成。晶粒生长激活能（eV atom-1）分别为：0.89（NC-4H）, 0.79（NC-6H）, 0.63（NC-6L）。图2展示了低杂质含量纳米晶的低温生长潜力。

图3. 低杂质含量纳米晶（NC-6L）生长表征及双层结构设计。（a）DF-STEM模式下表征单层NC-6L与基底铜种子层的界面。（b-c）100 °C/30 min热处理条件下SIM图像以及对应的SIMS表征。（d）200 °C/5 min 热处理条件下SEM对铜种子层界面的观察。（e-f）双层电镀设计以及热处理条件100 °C/10 min下晶粒生长观察。（g-h）SIMS对热处理前后双层界面的杂质含量分析。（i）双层结构与铜种子层的SEM观察。

图3 展示了单层结构纳米晶的局限性，包括低温100 °C 晶粒无法短时间内充分长大以及较高温度200 °C下靠近铜种子层的杂质与孔洞聚集。本研究设计出双层电镀方案（高纯粗晶+纳米晶）解决了同种子层附近杂质与孔洞聚集的问题。同时，高纯粗晶铜可作为一层杂质吸收层，杂质原子通过浓度梯度可从相对高杂质含量的纳米晶层扩散到高纯铜层，解决纳米晶层杂质聚集的问题。

图4.（a）双层结构铜-铜键合的纳米晶跨界面生长示意图。EBSD表征不同条件下铜-铜键合界面：（b）100 °C/30min, （c）100 °C/60min, (d) 150 °C/10 min, (e) 200 °C/5 min。（f）STEM观察的200 °C/5 min条件下的键合界面以及EDS分析。（g-p）微纳力学对键合界面力学强度的表征。（q）本研究对近期铜-铜键合效率的对比分析。

图4展示了电镀双层结构在低温短时间的高效键合结果。实验中纳米晶层的厚度约为300 nm。EBSD与STEM的表征展现了纳米晶的跨界面生长。文章补充材料中利用更厚的纳米晶层（约600 nm）更加清楚地展示了纳米晶跨界面生长的三种模式：双侧纳米晶层跨界面合并生长；一侧纳米晶沿基底粗晶层取向生长并跨界面合并另一侧纳米晶生长；双侧纳米晶同时沿基底粗晶层取向生长并于键合界面处相遇形成连续晶界。微纳力学测试表明，相比于参照组利用单层粗晶铜在较高温度（300 °C/30 min）的键合强度（≈ 450 MPa），双层结构键合能在低温短时间的键合条件下表现出优异的力学性能（≈ 550 MPa）。

总结与展望

在调制电镀液与电镀电流密度条件下，成功合成了低杂质含量的纳米晶铜。本文研究了影响铜纳米晶生长主要驱动力“剩余晶界能”并通过调制电镀液降低杂质含量与晶粒粒径，降低铜纳米晶生长的激活能。通用引入双层电镀结构，解决了铜种子层附近的晶粒难以充分生长和孔洞聚集的问题。以高纯粗晶铜为基底，纳米晶薄层可作为键合“铜黏合”层，实现高效率高强度的低温铜-铜键合（100 °C/60 min 或200 °C/5 min）。

课题组介绍

香港城市大学工学院副院长，系统工程系冯宪平教授，在台湾国立清华大学取得博士学位后，2001-2008年于台积电（TSMC）担任工程師，经理等职位。2008-2009年于健鼎科技担任副处长。2009年于麻省理工学院从事博后工作。2011年在香港大学担任助理教授并于2017年获得终身制的副教授职位。2022年至今任职于香港城市大学。目前，冯教授已于Nature（1篇），Nature Communications（2篇）,Adcanced Materials （2篇）, Advanced Functional Materials （4篇）等杂志发表160余篇，总被引8000余次。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51510-7