利用(111)纳米孪晶Cu进行凸点金属化，制备全优先取向的金属间化合物互连结构

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Fabrication of full preferentially oriented intermetallic compound interconnects using (111) nanotwinned Cu under bump metallization

采用Current Direct Bonding法，以(111)-取向纳米晶铜为连接层，通过电流应力加速η-Cu6Sn5金属间化合物晶粒的定向生长，实现高剪切强度（58.4 MPa）的全取向互联，为3D封装技术提供经济可行的解决方案。

　　

S.N. 张 | J. 任 | Y. 吴 | M.L. 黄

电子封装材料实验室，材料科学与工程学院，大连理工大学，大连，116024，中国

摘要

全纹理η-Cu₆Sn₅金属间化合物（IMC）互连件表现出(11 $\stackrel{￣}{2}$ 0)优先取向，通过电流直接键合（CDB）方法快速制备，其中(111)取向的纳米孪晶Cu（nt-Cu）作为凸点下金属化层（UBM）。同步辐射原位成像揭示了η-Cu₆Sn₅ IMC晶粒的成核和生长动力学。在初始润湿阶段，(111) nt-Cu基底作为模板种子层，促进了具有(11 $\stackrel{￣}{2}$ 0)取向的屋顶型η-Cu₆Sn₅晶粒的非均匀成核。随后施加电流应力（1.0 × 10⁴ A/cm²，300 ± 5 °C），提供了额外的能量输入，维持了优先取向并加速了(11 $\stackrel{￣}{2}$ 0)纹理的η-Cu₆Sn₅晶粒的生长。所得到的全纹理IMC互连件具有(11 $\stackrel{￣}{2}$ 0)取向，平均剪切强度为58.4 MPa。本研究展示了一种可扩展的方法，利用成本效益高的nt-Cu UBM快速制备高熔点、高纹理的η-Cu₆Sn₅ IMC互连件，从而支持3D封装技术的进步。

引言

在3D集成电路封装中，微凸点被广泛用于连接堆叠的硅芯片。一个关键挑战是在后续组装过程中防止低级接头的打开或桥接，这可以通过形成高熔点的全IMC互连件来解决[1]，其中微凸点通过固液扩散（SLID）[2]、瞬态液相（TLP）键合[3]或超声辅助瞬态液相键合（UTLP）[4]完全转化为IMC。

然而，这些方法存在固有的局限性，例如需要较长的键合时间或施加高频超声振动，这可能会对敏感的电子元件造成机械损伤。此外，所得到的全IMC互连件通常具有随机的晶粒取向，导致晶界密度增加，从而影响热机械可靠性[[5], [6], [7]]。因此，实现具有明确优先晶粒取向（即可控晶体纹理）的全IMC互连件对于推进3D封装技术非常重要。

使用单晶Cu作为凸点下金属化层（UBM），已经通过电流直接键合（CDB）方法在短时间内成功制备了全纹理IMC互连件[8,9]。这些CDB制备的IMC互连件表现出优异的机械性能和抗电迁移性，使其成为下一代互连件的有希望的候选材料。然而，由于经济限制和与大规模生产的固有不兼容性，单晶Cu作为UBM的应用受到限制。

(111)取向的纳米孪晶铜（nt-Cu）具有许多优势，包括高机械性能[10]、低电阻率[11]、优异的抗电迁移性[12]以及抑制界面IMC生长的能力[13]。重要的是，它可以通过电镀技术[14], [15], [16], [17]经济地沉积在硅基底上。因此，nt-Cu薄膜作为3D封装技术中的UBM受到了广泛关注。然而，控制nt-Cu基底上全高纹理IMC形成的机制原理仍不够清楚。

传统的分析方法在动态探测液固界面反应和电迁移（电流应力）过程中的微观结构演变方面存在固有局限性。为了解决这个问题，采用了原位同步辐射成像来定量监测在电流应力作用下(111) nt-Cu/Sn/(111) nt-Cu互连件中IMC的生长动力学。这项研究旨在阐明全高纹理IMC互连件的形成机制。

实验部分

实验

(111)取向的纳米孪晶铜薄膜通过电镀制备（详细信息请参见参考文献[18]）。通过300 °C下浸焊30秒，制备了结构为(111) nt-Cu/Sn (50 μm)/(111) nt-Cu的线型焊料互连件。图1(a)显示了用于同步辐射实时成像的实验配置示意图。样品在专门设计的炉中保持在260 °C，并在1.0 × 10⁴ A/cm²的电流密度下进行应力处理。

(111)纳米孪晶Cu的微观结构表征

图2(a)显示了(111) nt-Cu薄膜的顶视图SEM图像，其中Cu晶粒呈锥形，直径范围从1到10 μm。图2(b)中的XRD谱显示了主要的(111) Cu纹理。图2(c)显示了(111) nt-Cu薄膜的FIB铣削截面，显示出由每个柱状Cu晶粒内的孪晶平面堆叠而成的层状纳米结构，形成了坚固的柱状结构。

结论

• 1)
  在300 °C的初始焊接过程中，(111) nt-Cu UBM上实现了具有(11 $\stackrel{￣}{2}$ 0)优先取向的屋顶型η-Cu₆Sn₅晶粒的非均匀成核。电流应力提供了额外的能量输入，加速了它们的生长，最终形成了全高纹理的IMC互连件。
• 2)
  电流应力显著提高了(111) nt-Cu/Sn/(111) nt-Cu焊料互连件中阳极处的界面IMC生长速率（4.60 μm/min），提高了一个数量级。

CRediT作者贡献声明

S.N. 张：撰写 – 原始草稿，研究，正式分析，数据管理。J. 任：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。Y. 吴：方法论，概念化。M.L. 黄：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52350321和U1837208）、中国博士后科学基金（编号2024M750313）、辽宁省自然科学基金博士研究启动基金计划（2025-BS-0047）以及上海同步辐射设施（SSRF）的X射线成像和生物医学应用光束线的支持。