基于铜纳米孪晶的三维集成封装层间互连低温形成机理

Aiming at the rapid development of advanced microelectronics packaging and the rising demand on novel inter-die vertical connection method for three-dimensional integration, after summarizing the research status on low-temperature Cu-Cu bonding technology, the fundamentals of metal bonding, as well as the requirements for package manufacturing, this project proposed a low-temperature bonding method using electrodeposited nanotwinned Cu. High-quality interconnection interface is expected to be obtained through the fast atomic diffusion on specific crystallographic plane. This method is expected to overcome the current dilemma of co-optimization the bondability and bonding quality in current Cu-Cu bonding.. We proposed the research plans on the microstructural control during electrodeposition of nanotwinned Cu, the effects of bonding parameters on electrical property, mechanical property and interfacial microstructure, the atomic level formation mechanism of Cu-Cu joint, so as to realize the manipulation of stacking fault through electrochemical polarization behavior during electrodeposition, to optimize the bonding parameters, to elucidate the influence of anisotropic atomic diffusion on the formation of atomic-level ordered structure, to obtain the bonding void shrinkage rate and strength generation rate. This research project is expected to give fundamental knowledge for the using of nanotwinned Cu-Cu bonding method in high-density vertical interconnection in packaging manufacture of three-dimensional integrations.

针对当前先进微电子封装的快速发展以及三维集成封装对新型芯片间垂直互连技术的需求，本项目在总结世界范围内低温Cu-Cu键合技术发展现状的基础上，结合金属键合原理和先进封装应用的要求，提出了使用电沉积纳米孪晶Cu进行低温键合，凭借其特殊晶面快速扩散行为形成高品质互连界面的方法，以突破现有Cu-Cu键合方法在键合温度和键合品质方面协同优化的局限。. 拟研究纳米孪晶Cu电沉积生长过程的微观组织控制、键合界面电学-力学性能及微观形貌随键合条件的变化规律、Cu-Cu界面的原子级连接形成过程与机理，从而实现电化学极化行为对Cu沉积中层错形成的调控、获得键合条件优化依据、阐明Cu原子各向异性扩散行为对界面有序结构形成的影响，计算界面孔隙收缩与强度形成速率。通过以上研究，为该方法在高密度层间互连中的应用奠定基础。

先进微电子封装中的芯片-芯片互连制造原理与实现工艺问题已成为下一代集成电路制造的瓶颈问题，针对微互连对低温、高密度、高效率和高可靠性的需求，本项目提出了使用电化学沉积特殊微结构Cu/Ni，并利用超声辅助以增强键合界面原子扩散以实现低温下快速形成键合强度的方法，并探究键合强度的影响规律和界面原子尺度演变的微观机制。主要研究成果如下：1）调控电化学沉积参数获得了适用于互连的(111)、(110)和(100)织构纳米孪晶Cu沉积层，基于孪晶Cu沉积的微结构控制原理，开发了锥形Ni纳米孪晶的脉冲电沉积制备方法和规则形貌调控工艺；2）实现40微米SnAg/Cu结构微铜柱凸点阵列的超声快速键合，通过界面能量输入的调控实现界面物相控制，在热辅助和超声联合作用下，Cu/SnAg/SnAg/Cu键合结构在3 s时间内即可产生良好的界面结合，大面积凸点阵列键合精度可控制在3 μm以内，工艺条件具有的良好实用性；开发了一种利用化学沉积的微米级锥形Cu结构实现低温高强度键合的方法：以3-5 μm密集Cu锥阵列作为互连基底，使用纳米级Ag-Sn混合颗粒作为中间层，可在低于300 °C温度下实现强度高于50 MPa的Cu-Cu键合，并发现了局部粘接这一界面强度增强机制。3）对互连界面演变规律和微观完整性所开展的基于动态观察和原位表征实验的研究表明，微凸点在冲击环境下表现出累积损伤的破坏历程，裂纹扩展路径受凸点内晶界强度和凸点界面强度控制；在小于10 μm尺寸的凸点互连结构受强电流作用时，沿晶界的铜原子扩散是引发电迁移失效的主要因素，而仅包含单一晶粒的焊点由于消除了晶界这一主要通道，抗电迁移能力大幅提高。以上研究丰富了Cu/Cu、Cu/Sn/Cu、Cu/AgSn/Cu等互连体系低温形成的基础理论与工艺规律，有望为先进微电子制造提供现实可用的原理和方案。另外，对互连界面演变的研究初步指出了未来互连尺寸缩微为制造和可靠性带来的有限晶粒效应影响。