基于銅銦二級微納米層固液擴(kuò)散互連方法

肖 金，翟 倩，周艷瓊，陳偉全，嚴(yán)繼超，李武初，方湘怡

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院，廣州 511325)

電子產(chǎn)品的小型化、高集成度等高要求對高密度互連技術(shù)提出了新的要求。三維疊層技術(shù)是高密度互連技術(shù)的發(fā)展方向，但隨著疊層數(shù)量增加，焊點變小變細(xì)，全局互連延遲加劇[1-2]。疊層互連技術(shù)具有良好的電性能，內(nèi)部互連和較高的機械可靠性，已經(jīng)成為三維互連技術(shù)重要的發(fā)展趨勢[3-4]。直接銅-銅熱壓互連工藝需要700～1 000 ℃高溫，高清潔表面以及真空環(huán)境，這些復(fù)雜苛刻的工藝條件限制了這項技術(shù)的應(yīng)用。因此有必要研究一種低溫互連技術(shù)，降低工藝復(fù)雜性，減少成本。Zhang等人[5]采用銅錐微納米層增加了銅基板與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合力。Chen等人[6-7]研究了鎳針微納米層與錫焊料之間的低溫互連技術(shù)。Naoya Watanabe等人[8]采用改變兩側(cè)互連偶形貌的方法，通過兩側(cè)形貌互補實現(xiàn)銅-銅互連。Wang等人[9]使用了鎳微米針實現(xiàn)了室溫下的超聲互連技術(shù)。Cai[10]用Cu-Zn合金制備出納米多孔銅，用于低溫?zé)釅烘I合技術(shù)中，但界面金屬間化合物較薄，難以保障結(jié)合面的強度。Li等人[11-12]報道了一種通過超聲鍵合快速形成純Cu/Cu3Sn/Cu接頭的方法，同時通過超聲振動在環(huán)境空氣中實現(xiàn)了Cu/Cu直接鍵合。T.Ishizaki[13]通過單點法合成銅納米顆粒，在300 ℃下實現(xiàn)銅-銅板鍵合。然而，上述研究中的互連質(zhì)量和實際應(yīng)用并不理想。

銅與氧的親和力很高，在封裝過程中由于承受較高的溫度，很容易發(fā)生氧化反應(yīng)。本文采用電化學(xué)方法獲得銅針層和鍍覆其上的銦微米層。在鍍覆銦微米層后，銅針層形狀不變，銦微米層能有效防止銅層氧化，銅銦微納米層具有巨大的表面積，在互連溫度260 ℃下，銦變成液態(tài)，液態(tài)銦能較好地浸潤銅針層，銅銦形成的金屬間化合物Cu2In是一種優(yōu)質(zhì)相，具有良好的塑性，大大提高了互連強度，這種固液擴(kuò)散互連工藝有望于在三維封裝中獲得應(yīng)用。

1 實 驗

首先，銅-銦二級微納米層通過電化學(xué)鍍方法獲得，其中銅針層由化學(xué)鍍獲得，其形貌尺寸可由結(jié)晶改性劑控制[5,14]；用商業(yè)配方將銦納米層電鍍于銅針層上，其厚度由電鍍時間控制；其次，將兩塊具有銅-銦二級微納米層的基板(規(guī)格：2 cm×2 cm×0.15 mm)面對面放置形成接觸區(qū)域；最后，在空氣中對上述接觸區(qū)域加熱進(jìn)行固液擴(kuò)散互連。

采用附帶有加熱板的鍵合測試儀(Rhesca公司，型號PTR-1101)進(jìn)行互連操作，具體為：將一塊具有銅-銦二級微納米層的銅基板放置在加熱板上，將另一塊銅銦微納米層的銅基板放置在其上，以使這兩塊銅基板的銅-銦微納米層面對面接觸，預(yù)熱30 min后開始加載垂直壓力進(jìn)行鍵合，加載機的加載速度設(shè)置為2.0 mm/min，鍵合壓力設(shè)置為170～210 MPa，預(yù)熱溫度和互連溫度相同。互連溫度設(shè)置為260 ℃，加熱時間180 min，加熱速度10 ℃/min?；ミB工藝示意圖如圖1所示。整個互連過程在空氣中完成，不需要真空環(huán)境或者惰性氣體的保護(hù)。冷卻后用推球測試模式測量互連情況。用掃描電子顯微鏡 (SU8220, Hitachi, JAPAN)觀察互連組織形貌和斷面組織形貌，用雙場發(fā)射透射電子顯微鏡(FEI Tecnai G2 F20S)表征互連界面精細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖1 銅-銦-銅互連工藝示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 銅-銦二級微納米陣列組織形貌

在銅基板電沉積制備出銅-銦二級微納米層，并用于后續(xù)固液擴(kuò)散互連研究。該銅-銦微納米層具有二級結(jié)構(gòu)：第一級為銅針層；第二級為銦微米層，其中，銦微米層鍍覆于銅針層的表面。圖2(a)，(b)為銅針微納米層不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖，銅微米針的高度為1～3 μm，針根直徑為500 nm～2 μm，銅沉積層細(xì)小、致密、均勻，呈典型的錐形陣列；圖2(c)，(d)為銅-銦二級微納米層不同放大倍數(shù)的掃描電鏡圖，銦微米層厚度為150～350 nm，隨著銦沉積層的鍍覆，銅針層的尖頂突起變圓，但銅-銦二級微納米層整體依然保持銅微納米層的針狀陣列結(jié)構(gòu)，這種陣列結(jié)構(gòu)具有超大的表面積，是一種典型的疏水微納米結(jié)構(gòu)。另一方面這種銅-銦二級微納米層結(jié)構(gòu)大小可控，可在制備時改變結(jié)晶改性劑的含量和種類以獲得大小不同的微納米層。

圖2 不同倍率的銅針層組織(a)，(b)及不同倍率的銅-銦層組織(c), (d)

2.2 互連界面組織形貌

為了進(jìn)一步觀察互連過程中銅針插入狀態(tài)和銅-銦固液擴(kuò)散過程，通過掃描電子顯微鏡觀察界面組織形態(tài)，不同互連條件下的銅-銦-銅界面的組織形貌圖如圖3所示。

圖3 銅-銦-銅互連界面形貌:(a),(b) 260 ℃，10 min; (c),(d) 260 ℃，180 min

從圖3可以看出，互連后突起的銅納米針部分與銦層固連在一起，當(dāng)互連溫度為260 ℃，互連時間為10 min時，沿著互連界面存在一些孔洞缺陷，組織結(jié)構(gòu)分布不均勻，存在多種金屬間化合物。當(dāng)互連時間提高到180 min時，在互連界面上基本沒有孔洞，組織分布較為均勻，應(yīng)為單一金屬間化合物，可以預(yù)見當(dāng)互連時間提升到180 min時可以獲得優(yōu)良的互連界面，這是因為一方面針狀突起結(jié)構(gòu)能獲得足夠的機械互鎖性；另一方面隨著互連時間的延長，銅和銦之間有充足的時間發(fā)生反應(yīng)獲得較為均勻的單一金屬間化合物。

2.3 互連機制

圖4是互連溫度260 ℃，互連時間180 min時互連界面的TEM圖，其中圖4(a)為銅納米針插入銦層的低倍率圖像，圖中可見互連界面比較緊實，幾乎沒有孔洞，連接線兩側(cè)的選區(qū)電子衍射圖分別對應(yīng)銦區(qū)的[1 0 0]晶帶軸和銅區(qū)的[1 1 1]晶帶軸；圖4(b)和(c)為圖(a)中A，B區(qū)域的高分辨圖像，Cu2In、Cu7In3可以被識別，Cu和In的晶格條紋可以用測量晶格間距來識別，在圖4(b)、(c)圖像中間顯示了轉(zhuǎn)移區(qū)域，圖4(b)中有40 nm 寬的非晶區(qū)，圖4(c)中有20 nm寬的非晶區(qū)，表明存在原子級的互連。界面反應(yīng)在A區(qū)域比B區(qū)域更突出，一方面可能是銅錐結(jié)構(gòu)的楔塊效應(yīng)，一方面可能是接縫密實度及實際接觸時間沒有沿著互連界面均勻分布，B區(qū)域呈現(xiàn)的是早期的粘合階段，而A區(qū)域互連開始后就很快粘合結(jié)合?？梢缘贸鲈诠桃簲U(kuò)散互連中，銅針層結(jié)構(gòu)與銦層形成物理互鎖界面。另一方面由于銦的潤濕性較好，能在界面處與銅形成金屬間化合物，界面結(jié)合致密，互連質(zhì)量良好。圖4(d)、(e)為圖(a)中A，B區(qū)域的能譜分析圖，在圖4(d)中，Cu和In原子比例分別為70.8at.%Cu和29.2at.%In，接近化學(xué)計量比Cu7In3的比值。在圖4(e)中，掃描線左側(cè)平坦部分中的平均定量原子比例為67.6at.%Cu和32.4at.%In，接近Cu2In化學(xué)計量比，并且該部分的寬度在40 nm以上。

圖4 互連界面的TEM形貌：(a)銦充填銅針谷近景圖像；(b)，(c)不同區(qū)域銅銦高分辨接觸圖像；(d)，(e)能譜線掃描分析

2.4 互連條件對剪切強度的影響

影響固液擴(kuò)散互連質(zhì)量的因素包括互連溫度、互連時間等。圖5描述了不同條件下的銅-銦-銅互連界面的剪切強度趨勢圖，發(fā)現(xiàn)在260 ℃下粘合10、90和180 min 時，銅-銦-銅互連界面的平均剪切強度為6.2、6.8和11.5 MPa，隨著互連時間的延長，剪切強度增加。這歸因于銦在260 ℃下呈液態(tài)，具有良好的潤濕性[15]，銦的毛細(xì)潤濕機理與擴(kuò)散機制有待進(jìn)一步研究。銦冷卻后與試樣表面的微納米銅針發(fā)生相互嵌套，形成的金屬間化合物Cu2In具有良好的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，剪切效果堪比回流焊工藝。在350 ℃下粘合10、90和180 min 時，銅-銦-銅互連界面的平均剪切強度為16.2、15.3和15 MPa，隨著互連時間的延長，剪切強度有下降趨勢。雖然整體看來350 ℃比260 ℃下獲得的接頭平均剪切強度高，但350 ℃溫度較高，芯片容易因為過熱產(chǎn)生不良影響。本文的目的是探究較低溫下的互連方法，偏向于在較低的溫度下就能獲得令人滿意的結(jié)合強度，故互連溫度傾向于選擇260 ℃。另一方面，根據(jù)Cu-In相圖[16]，在超過260 ℃時，金屬間化合物具有從Cu2In轉(zhuǎn)化為Cu7In3的趨勢，Cu7In3的塑性較差，脆性大，降低了互連界面的剪切強度，這一點可以從350 ℃下粘合不同時間時互連界面的平均剪切強度有下降的趨勢得到驗證。與傳統(tǒng)的回流焊的工藝溫度高達(dá)400 ℃相比，這種基于銅-銦二級微納米形貌的固液擴(kuò)散互連技術(shù)所需要的溫度較低，解決了在高密度疊層封裝中由于溫度過高使芯片過熱的問題，有望于代替回流焊，成為高密度三維封裝中一種新的互連方法。

圖5 不同互連溫度下剪切強度的變化趨勢圖

2.5 熱處理對剪切強度的影響

在互連完成后，對樣品進(jìn)行熱處理，進(jìn)一步分析熱處理時間對銅-銦互連界面剪切強度的影響。將互連溫度260 ℃，互連時間180 min的試樣在180 ℃下進(jìn)行熱處理，熱處理時間分別為10和100 h。圖6是熱處理時間為10、100 h的互連界面XRD圖譜。比較互連界面的XRD譜圖，當(dāng)熱處理時間為10 h時，Cu、Cu2In的衍射峰強度比較強；當(dāng)熱處理時間為100 h時，Cu7In3衍射峰的強度比較強，而且僅由Cu7In3組成的鍵合可以通過較長時間的熱處理獲得。

圖6 不同熱處理時間鍵合界面的XRD譜圖

在熱處理時效結(jié)束后對互連界面進(jìn)行剪切力測試，熱處理時效對剪切強度的影響如圖7所示(互連時間均為180 min)。由圖7可以看出，在熱處理前剪切強度較低的互連界面通過熱處理后剪切強度上升非常顯著，超過10 h后，增加開始變緩慢；而在熱處理前剪切強度較高的互連界面(350 ℃)通過熱處理后剪切強度雖然有所增加，但增加比較緩慢，超過10 h后，剪切強度反而有下降的趨勢。在推球剪切實驗后對斷裂面進(jìn)行研究，180 ℃下不同熱處理時間下銅-銦-銅互連界面的剪切斷面形貌如圖8所示。熱處理10 h后(圖8(a))，類舌狀斷裂面表明互連界面具有一定的塑性和韌性，銅-銦連接界面保持部分完整，斷面位置發(fā)現(xiàn)含銦斷面Cu2In。熱處理100 h后(圖8(b))，剪切面相對均勻和平坦，主要以解理斷裂為主，隨著裂紋擴(kuò)張，主解理面發(fā)生二次解理和局部撕裂現(xiàn)象，圖中顯示存在大量孔洞，推測為剪切過程中材料受力發(fā)生變形，斷裂面主要發(fā)生在銅-銦結(jié)合層，在斷面位置發(fā)現(xiàn)含銦斷面Cu7In3。據(jù)此可以推測，剪切強度較低的銅-銦-銅互連界面，在較短時間熱處理后固液擴(kuò)散嵌入充分，生成的金屬間化合物Cu2In是一個優(yōu)質(zhì)相，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。隨著熱處理時間的增加，金屬間化合物進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，長時間熱處理獲得的金屬間化合物Cu7In3脆性大，降低了互連質(zhì)量。熱處理實驗表明二級銅-銦微納米層互連技術(shù)短時熱處理即可獲得較好的互連強度。

圖7 互連界面剪切強度與熱處理時效關(guān)系

圖8 不同參數(shù)下互連界面斷面觀察：(a)180 ℃，10 h ；(b)180 ℃，100 h

3 結(jié) 論

1) 本文研究了一種固液擴(kuò)散互連方法。通過二級銅銦微納米層，在較低的溫度下260 ℃(與400 ℃回流焊工藝相比)，能獲得高質(zhì)量的互連。

2) 銅針層的針狀結(jié)構(gòu)有良好的機械互鎖力和巨大的擴(kuò)散表面，同時，銦具有良好的潤濕性，在互連溫度較低的情況下形成的金屬間化合物Cu2In是優(yōu)質(zhì)相，力學(xué)性能良好，短時熱處理即可獲得優(yōu)良的互連界面，這種液固擴(kuò)散互連方法符合綠色封裝的發(fā)展趨勢。