外延生长(111)取向纳米孪晶铜种子层的创新策略及其在三维集成电路互连中的应用

本研究针对直流电镀制备(111)取向纳米孪晶铜（111-nt-Cu）时不可避免形成过渡层（TL）的行业难题，通过协同优化外延种子层与电镀参数，首次实现无TL的111-nt-Cu直流电沉积。该材料在Z轴呈现(111)择优取向，水平方向显示(110)/(112)取向，其低电阻率（1.2×10?9 Ω·cm2）、高施密特因子及优异抗电迁移特性，为亚微米级三维集成电路互连提供了革命性解决方案。

　　

随着人工智能和物联网技术的爆发式增长，三维集成电路（3D IC）对高性能铜互连材料的需求日益迫切。在芯片级异质集成和高带宽存储器堆叠中，铜互连的导电性、热稳定性和抗电迁移能力直接决定器件可靠性。传统直流电镀制备的(111)取向纳米孪晶铜（111-nt-Cu）虽具有超高强度（>1 GPa）和低电阻率优势，但其在种子层与孪晶结构间形成的多晶过渡层（TL）会引发结构不均、热稳定性下降及电流集聚效应，成为制约亚微米互连应用的瓶颈问题。东南大学的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，通过Ti(0002)/Cu(111)晶格匹配外延生长与电镀工艺协同优化，首次实现无TL的111-nt-Cu直流电沉积，为先进封装提供了突破性解决方案。

研究采用磁控共溅射（VersaSTAT 3 A）制备两种Ti/Cu种子层，通过透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析微观结构；采用直流电镀系统（VCT 300）在1.5-9 ASD电流密度下沉积铜层；结合电子背散射衍射（EBSD）和纳米压痕技术表征晶体取向与力学性能各向异性。

外延种子层生长机制

Seed Layer II通过Ti(0002)与Cu(111)的晶格失配最小化（<1%）实现外延生长，XRD显示其(111)织构系数达98.5%，而随机取向的Seed Layer I仅形成超细晶结构。

无TL电沉积特性

优化后的电镀参数使铜沉积沿Seed Layer II外延生长，完全消除传统方法中>1 μm的TL。EBSD显示沉积层在垂直方向呈(111)择优取向，水平方向为(110)/(112)取向，孪晶密度达5.6×10¹⁵ m^?2。

力学性能各向异性

纳米压痕揭示水平方向施密特因子（0.43）显著高于垂直方向（0.12），导致截面弹性模量（112 GPa）较表面法向（137 GPa）降低18%，这种各向异性有利于缓解互连结构应力集中。

该研究阐明了孪晶成核与明胶吸附-脱附行为的关联性，发现孪晶优先在柱状晶锥形突起区形核。相比脉冲电镀或高温退火等现有工艺，该直流电镀方案具有工业兼容性强、能耗低的优势。无TL的111-nt-Cu将铜互连工作温度窗口拓宽至200°C以上，其1.2×10^?9 Ω·cm²的超低接触电阻和孪晶界稳定性，为3D IC中<1 μm的键合垫提供了理想材料体系。这项由杨刚利等人完成的研究，不仅解决了先进封装中的关键材料难题，更为晶圆级异质集成技术发展奠定了理论基础。