Повышение усталостной прочности за счет рекристаллизации и роста зерен для устранения границ раздела соединений в Cu.

Jul 30, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13116 (2022) Цитировать эту статью

1285 Доступов

Подробности о метриках

Соединения Cu–Cu были приняты для обеспечения сверхвысокой плотности упаковки высококлассных устройств. Однако во время испытаний на усталость вдоль поверхностей соединения могут образовываться и распространяться трещины. В этом исследовании соединения Cu–Cu были изготовлены при температуре 300 °C путем склеивания 〈111〉-ориентированных нанодвойниковых микровыступов меди диаметром 30 мкм. После испытаний на циклическое изменение температуры (TCT) в течение 1000 циклов наблюдалось распространение трещин вдоль исходной границы соединения. Однако при дополнительном отжиге при температуре 300 °C в течение 1 часа в соединениях произошла рекристаллизация и рост зерен, и, таким образом, границы склеивания были устранены. Значительно повышается усталостная прочность соединений Cu–Cu. Анализ отказов показывает, что распространение трещин замедлялось в медных соединениях без исходной границы соединения, а электрическое сопротивление соединений не увеличивалось даже после 1000 циклов ТСТ. Анализ методом конечных элементов был проведен для моделирования распределения напряжений во время TCT. Результаты можно соотнести с механизмом отказа, наблюдаемым при экспериментальном анализе отказов.

Закон Мура широко рассматривается как инструмент прогнозирования, позволяющий наблюдать увеличение количества транзисторов в постоянной области с момента изобретения первого логического чипа1. Они удваивались примерно каждые два года. Для повышения производительности чипов трехмерная (3D) интеграция является одним из наиболее практичных решений2,3,4,5,6. В полупроводниковой промышленности соединение в переходной жидкой фазе (TLP) с использованием припоев различного состава является традиционно надежным методом, демонстрирующим низкую стоимость обработки7,8,9. Однако при уменьшении размера выступов припоя до уровня менее 20 мкм возникают проблемы с надежностью, связанные с интерметаллическими соединениями (IMC)10,11 и усами12, термической усталостью13,14,15, эффектами смачивания боковых стенок16 и пустотами Киркендалла17. Такие проблемы ограничивают усилия по сокращению. В настоящее время твердотельное соединение металла/металла или металла/диэлектрика (гибридное соединение) рассматривается как важнейшая технология для создания современной упаковки со сверхмелким шагом.

Copper (Cu) with great electrical and thermal conductivity, electromigration resistance18,19,-oriented nanotwinned structures. J. Mater. Res. Technol. 15, 6690–6699. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.6611.6111 (2021)." href="#ref-CR20" id="ref-link-section-d48890410e461_2"> 20,21, а механическая прочность широко используется при прямом соединении металлов22 или гибридном соединении23,24,25. В настоящее время гибридная связь Cu/SiO2 уже используется в производственной линии комплементарных металлооксидно-полупроводниковых (CMOS) датчиков изображения компании SONY Inc.26. Недавно сообщалось о физических свойствах гибридной связи Cu/SiO2 с мелким шагом и низким электрическим контактным сопротивлением27. Температура склеивания этих соединений все еще требует рассмотрения23. Ранее было обнаружено, что нанодвойник меди (nt-Cu) с весьма предпочтительной ориентацией 〈111〉28 имеет самый высокий коэффициент поверхностного диффузии29 и самую низкую скорость окисления30 по сравнению с крупнозернистой медью. Их электрические свойства также сопоставимы31. Таким образом, ожидается, что его можно будет использовать для низкотемпературного склеивания упаковки следующего поколения32.

В этом исследовании мы адаптировали микроструктуры микровыступов меди диаметром 30 мкм путем надлежащего термического отжига и приложили нагрузку к микровыступам меди с помощью испытаний на циклическое изменение температуры. Затем был проведен анализ отказов с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM), сфокусированного ионного луча (FIB) и дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), чтобы соотнести надежность соединений и механизмов разрушения с состоянием соединительных поверхностей. Метод конечных элементов (МКЭ) также использовался для анализа напряжений в соединениях во время термоциклирования. Предложены механизмы зарождения и распространения трещин.

В этом исследовании микровыступы nt-Cu с ориентацией 〈111〉 были нанесены гальваническим способом на 8-дюймовую пластину кремниевой подложки с рисунком фоторезиста (PR) с использованием постоянного тока (DC) при комнатной температуре. Толщина кремниевой подложки составляла 500 мкм с толщиной SiO2 200 нм, адгезионным слоем (Ti) 100 нм и затравочным слоем Cu 200 нм. В качестве гальванического анода использовали медь с содержанием меди 99,99%. Электролит представлял собой раствор CuSO4 высокой чистоты с 0,8 М катионов Cu, 0,1 мл/л соляной кислоты (HCl). Использование HCl должно было повысить кристалличность меди и скорость осаждения. Для нуклеации nt-Cu также использовали добавку (108C, Chemleaders Corporation, Синьчжу, Тайвань).