Zr69Cu24Ti7金属玻璃/Cu双层薄膜扩散阻挡层在IC互连Cu/Sn/Cu键合结构中的调控机制研究

为解决3D IC封装中焊点微缩化导致的金属间化合物(IMC)过度生长问题，研究人员创新性地采用Zr69Cu24Ti7金属玻璃/Cu双层薄膜作为扩散阻挡层，通过热压键合(TCB)在250-300°C温度区间实现IMC形貌可控生长，显著抑制Kirkendall空洞形成，为高可靠性微电子互连提供新方案。

　　

随着晶体管尺寸逼近物理极限，三维集成电路(3D IC)通过垂直堆叠芯片实现性能突破，其中铜-锡(Cu/Sn)微凸点互连技术面临严峻挑战。金属间化合物(IMC)在焊点中的体积占比随尺寸缩小急剧增加，而传统多晶扩散阻挡层在高温下易因晶界扩散失效，导致IMC过度生长和Kirkendall空洞形成，严重影响互连可靠性。

台湾地区国家科学及技术委员会支持的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表创新成果，采用磁控溅射制备200 nm厚Zr₆₉Cu₂₄Ti₇金属玻璃薄膜(TFMG)与200 nm Cu组成双层扩散阻挡层，通过系统研究200-350°C热压键合工艺，发现250-300°C温度区间可精确调控Cu₆Sn₅的均匀分布，将IMC厚度控制在3.5±0.3μm理想范围。这种非晶/晶态复合结构突破传统Ni(P)/Cu屏障的厚度限制（1μm/0.5μm），为纳米级电子封装提供新思路。

关键技术包括：1)磁控溅射沉积TFMG/Cu双层膜；2)单晶硅基底上电镀5μm Cu柱与3μm Sn层；3)200-350°C梯度温度热压键合；4)聚焦离子束(FIB)制备截面样品；5)扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)分析IMC形貌。

研究结果
Preparation of thermal compression bonding test sample and method of analysis
对比实验设计显示，无阻挡层样品在300°C键合时IMC层达8.2μm并出现Kirkendall空洞，而TFMG/Cu双层屏障样品IMC厚度降低57%，且空洞完全抑制。

Results of TCB at 200°C using the bilayer diffusion barrier
200°C键合因未达Sn熔点(231.9°C)形成明显结合间隙，证实低温无法实现有效互连。

Results of TCB at 250°C using the bilayer diffusion barrier
250°C键合时TFMG保持非晶态，界面处形成随机分布的球状Cu₆Sn₅，IMC层厚3.1±0.2μm，Cu₃Sn生成被完全抑制。

Results of TCB at 275°C using the bilayer diffusion barrier
275°C出现局部晶化现象，但Cu层优先消耗形成Cu₆Sn₅，未观察到向Cu₃Sn的相转变。

Results of TCB at 300°C using the bilayer diffusion barrier
300°C时IMC层厚3.5±0.3μm，TFMG结晶度＜5%，证明其低于结晶温度(T_x)时的稳定性，Cu层消耗率较无屏障样品降低72%。

Results of TCB at 350°C using the bilayer diffusion barrier
350°C超过T_x导致TFMG完全晶化，出现Cu向Sn侧的异常扩散，IMC层厚骤增至6.8μm，验证非晶态对屏障性能的决定性作用。

结论与意义
该研究首次证实200nm厚TFMG/Cu双层膜在250-300°C热压键合中的卓越性能：1)非晶态TFMG阻断晶界扩散途径，使屏障效果与厚度无关；2)牺牲性Cu层调控Sn反应动力学，形成强化焊点的球状Cu₆Sn₅；3)将传统Ni(P)屏障所需厚度降低80%，符合封装微缩化趋势。这种"扩散通道阻断+反应动力学调控"的双重机制，为3D IC互连可靠性提升提供普适性策略，其技术路线可延伸至Au/Sn、Cu/In等其他互连体系。研究团队特别指出，TFMG低于T_x时的自修复特性可能带来更长的热循环寿命，这将成为后续研究重点。