导读：铜
-
铜（
Cu-Cu
）直接键合是一种前景广阔的先进电子封装技术。纳米结晶（
NC
）铜因其独特的促进键合层表面生长的能力而受到越来越多的关注。由于其具有促进键合界面颗粒生长的独特能力，因此受到越来越多的关注。然而，实现充分的晶粒生长仍然需要很高的热预算。本研究探讨了减小晶粒尺寸和控制杂质浓度如何在
NC
杂质浓度是如何在低温下实现大量晶粒生长的。制造出的
NC
铜具有均匀的纳米晶粒大小，约为
50
纳米，杂质含量低至
300ppm
。为防止未生长的
NC
和杂质聚集造成的空洞
的形成，我们提出了一种双层
(DL)
结构，包括在
NC
层。
CG
层的晶粒大小为
1
μ
m
，杂质含量为
3ppm
、
CG
层的晶粒大小为
1
μ
m
，杂质含量为
3ppm
。由于整个
NC
层都有足够的晶粒生长，跨界面的铜
-
铜键合在一起。由于整个
NC
层都有足够的晶粒生长，在较低的热预算下，无论是
100
°
C
下
60
分钟还是
200
°
C
下仅
5
分钟。
三维集成电路似乎是解决摩尔定律
1-4
物理极限的一个可行方案。硅芯片垂直堆叠，芯片之间的垂直互连采用微凸块和硅通孔（
TSV
）。目前的接合方法是在铜凸块或铜柱上盖上焊接材料，但焊接材料需要一定的空间，因为在接合后可能会被挤出，造成电气短路。另外，在更细间距的封装中使用焊料更少的微凸块，也会造成另一个工艺和可靠性问题，在
20
μ
mpitch
时可能会成为问题
1
。最近，直接铜
-
铜键合因其使用微小的直接铜
-
铜连接取代焊点，从而提供更高的互连密度，实现
10
微米及以下间距的先进封装技术而备受关注。
直接铜铜键合通常采用两种技术，包括热压键合
(TCB)
和混合键合
(HB)
。
这项工作的重点是研究
NC
晶粒的生长机制并提出了一种
DL
结构来提高结合性能。首先，我们通过探索温度和晶界（
GB
）能量作为驱动力
31
以及杂质密度作为抑制力的影响，加深了对
NC Cu
的理解。我们制备了具有均匀
NCsize
≈
50nm
的铜材料以增强驱动力，同时将杂质浓度保持在几百
ppm
的范围内以减轻抑制力。在高温下，
GB
的扩散性和流动性都会增加，从而掩盖了其抑制作用。在较低温度下，抑制作用变得更加明显。
因此，要在低温下实现铜
-
铜结合，研究退火温度和杂质对
NCCu
中晶粒生长的影响至关重要。
其次，我们提出了一种
DL
结构，该结构由
CG Cu
上的
NC Cu
组成
，用于直接
厚度为
300nm
的
NC
层可作为胶粘层，促进跨表面晶粒生长。
CG
层的厚度为
3
μ
m
，晶粒大小≈
1
μ
m
，杂质含量约为
3 ppm
。这样可以防止杂质聚集和富集，确保
NC
层有足够的晶粒生长，并防止出现空洞。晶粒生长，并防止在铜种子层附近形成空隙。
相关研究成果以
“
Nanocrystalline copper for direct copper-to copper bonding with improved cross interface formation at low thermal budget
”
发表
在
Nature Communications
上
链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51510-7#Sec18
图
1 |
微观结构和杂质调查
制备样品的
DF-STEM
图像和
TEM
衍射图样以及相应的晶粒尺寸分布：
(a) NC-4H
（黄色）、
(b) NC-6H
（青蓝色）和
(c) NC-6L
（品红色
-
粉红色）。
f
通过
SIMS
检测杂质（碳（灰色）、硫（橙色）和氯（绿色））的浓度。杂质密度比较：
(g)
未制备的
NCCu
和
(h)
退火的
NCCu
，对应的晶粒尺寸分别为
50nm
和
2
μ
m
。
图
2
：
NC
铜晶粒生长的特征
(
黄色
)
、
NC-6H
（青蓝色）和
NC-6L
（品红色
-
粉红色）在
(a)
室温
(
≈
22
°
C)
和
(b)
温度（≈
22
°
C
）和（
b
）大于
100
°
C
的温度下退火。图中
cDSC
分析的加热速率为
10
℃
min-1
，第一次扫描（循环
1
）和重复循环（循环
2
）用实线和虚线表示。
dBF-STEM
图像显示，与
NC-4H
相比，在制备的
NC-6H
中存在黄色箭头所示的位错。根据
DSC
结果中的第一个放热峰计算出的晶粒生长活化能以及与
NC-4H
的第一个放热峰计算出的晶粒生长活化能，并与其他研究的数值进行比较。
请注意，所有颜色指的是中列出的特征。
图
3
设计
DL
结构
(a
）铜种子层与制备的
NC-6L
之间的界面（白色箭头所示）的
DF-STEM
图像。
b NC-6L
在
100
°
C
退火
30
分钟后的
SIM
图像和相应插入的
BF-STEM
图像。
100
°
C
退火
30
分钟后的
NC-6L SIM
图像和相应的插入式
BF-STEM
图像，显示出黄色虚线所示区域 α 中的异常晶粒生长。区域的边界用白色虚线标出。
cSIMS
对（
b
）中所示区域 α 的分析显示杂质含量急剧增加（
Cu
：橙色，
C(Cu
：橙色，
C
：深灰色，
S
：黄色，
Cl
：青绿色，
Si
：青蓝色
)
。
dSEM
观察单个
NC6
层在
200
°
C
退火
5
分钟后的扫描电子显微镜观察结果，显示铜种子层附近存在大量缺陷。铜种子层附近的大量缺陷。
NC-CG DL
结构：（
e
）
DL
（
CG+NC-6L
）的制备结构的
SIM
图像。
CG
和
NC-6L
之间的原始边界以白色虚线标出。
f SIM
图像显示晶体从原始边界（白色虚线）突出（黄色虚线）。
对制备前（实线）和退火后（虚线）的
DL
进行
SIMS
分析：
(g)Cland(h)C andS
。颜色表示（
c
）中列出的特征，灰色虚线表示
CG
和
NC-6L
之间的原始边界。第一层
CG
在
200
°
C
退火
5
分钟后的扫描电镜观察结果。请注意，白色虚线表示
(e)
、
(f)
和
(i)
中
CG
层和
Cuseed
层之间的边界。
图
4
评估铜
-
铜直接结合
在以下条件下使用
DL
结构的
IPF-Z
信息：
(b) 100
°
C/20MPa/30min
，
(c) 100
°
C/20MPa/60min
，
(d) 150
°
C/20MPa/10
分钟，以及
(e) 200
°
C/10MPa/5
分钟。图中标注了颜色图例和参考方向。
f
跨表面键合区域的
DF-STEM
图像（
200
°
C/10MPa/5
分钟。
gSEM
图像显示了为显微
TEM
而设计的图案。显示了为微拉伸样品设计的图案。
CGgEM
图显示了为微拉伸样品设计的图案。
i
用于微拉伸测试的夹具。用于微拉伸测试。白色虚线指的是（
h
）中的粘合界面。
(j
对照样品（
CG-300
°
C/10MPa/30min
）断口形貌的
SEM
图像。
10MPa/30
分钟）的断口形态的扫描电镜图像，其中白色虚线突出显示了粘合界面。线突出显示。
DL
结构断裂形态的扫描电镜图像：
(k)
、
(l)200
°
C/10MPa/30
分钟、
(m)100
°
C/10MPa/30
分钟。
5min
，
(m)100
°
C/20MPa/60min
，
(n)100
°
C/20MPa/30min
。从微观拉伸试验中获得的典型 “应力、应变 ”曲线：
DL-100
°
C/30min
（黄色），
DL
100
°
C/60min
（青蓝色）、
DL-200
°
C/5min
（青绿色）和
CG-300
°
C/30min(p
粘合强度的统计结果。颜色指中列出的特征。
采用暗场（
DF
）模式的扫描透射电子显微镜（
STEM
）模式下的扫描透射电子显微镜（
STEM
）来检测晶粒尺寸的分布。数控铜箔薄膜是使用高纯度或低纯度电解质合成的。在电流密度为
40mAcm-2
和
60mAcm-2
的条件下，使用调整添加剂比率的高纯度或低纯度电解质合成数控铜箔。这三种工艺分别称为
NC-4H
、
NC-6H
和
NC-6L
（
4
和
6
