沉积压力对Cu薄膜纳米孪晶形成、微观结构及其性能的影响——用于先进封装技术

《Surface and Coatings Technology》：Effect of deposition pressure on nanotwin formation, microstructure and properties of Cu thin films for advanced packaging

系统研究沉积压力（1.0–4.0 mTorr）对Cu纳米孪晶薄膜形成及性能的影响，发现1.5–2.5 mTorr压力窗口优化纳米孪晶密度至62 twins/μm2，硬度达3.2 GPa，残余应力降至41 MPa，表面粗糙度5 nm，电导率稳定在1.9–2.2 μΩ·cm，建立工艺-结构-性能关系框架|

　　

王宇洁|欧阳凡毅

国立清华大学工程与系统科学系，新竹市，300，台湾

摘要

系统研究了沉积压力对纳米孪晶形成及其相关性质的影响，研究范围涵盖了较宽的压力区间（1.0–4.0 mTorr）。尽管纳米孪晶Cu薄膜已被广泛研究，但控制纳米孪晶形成的压力依赖性生长条件及其对微观结构和功能性质的耦合效应仍不够明确。本研究结果表明，沉积压力与纳米孪晶Cu薄膜的生长行为之间存在强烈相关性。在1.5–2.0 mTorr压力下沉积的薄膜表现出强烈的（111）晶向和密集的纳米孪晶结构，孪晶密度达到每平方微米62个，硬度峰值约为3.2 GPa。将压力增加到约2.5 mTorr时，残余应力显著降低至约41 MPa，表面平整度提高，粗糙度约为5 nm，表明在薄膜生长过程中原子迁移率和能量通量达到了平衡。尽管微观结构发生了显著变化，但电阻率基本保持不变（约1.9–2.2 μΩ·cm）。这些结果确定了一个实用的沉积压力窗口（1.5–2.5 mTorr），该窗口同时优化了纳米孪晶密度、机械性能和表面平整度，为工程化溅射Cu薄膜在先进互连和直接金属键合应用中提供了明确的过程-结构-性质框架。

引言

随着技术的快速发展，便携式电子设备正朝着更高性能、更低功耗和更小尺寸的方向发展。为了满足这些需求，金属线宽必须不断缩小以提高电路密度和速度。然而，当特征尺寸接近物理极限时，传统的平面集成电路已无法有效平衡性能和散热[1]，[2]。三维集成电路（3D IC）技术通过垂直堆叠芯片来应对这一挑战，从而提高了集成度和数据传输效率[3]。尽管具有潜力，但大多数垂直互连仍依赖于SnAgCu或SnCu等焊料材料，这些材料存在缩放限制、脆性金属间化合物形成和助焊剂污染等问题[4]，[5]。这引发了对无焊料直接金属键合技术的兴趣，这种技术能够在固态下形成冶金键合，提供高密度和高度可靠的微互连[6]，[7]，[8]，[9]。其中，纳米孪晶铜（nt-Cu）因其高强度、低电阻率和优异的热稳定性而成为Cu键合和3D IC封装的有希望的材料[10]，[11]，[12]，[13]。这些优异的性能与高密度的相干孪晶边界密切相关，这些边界可以有效调节金属系统中的位错活动和应力分布，从而增强机械强度和结构稳定性[14]。最近的研究还表明，在基于Cu的互连系统中进行微观结构工程，如纳米级Ag过饱和固溶体，可以在较低的加工温度下显著提高键合性能，突显了微观结构设计在先进电子封装应用中的关键作用[15]。

电沉积铜（Cu）是研究纳米孪晶形成最广泛的系统之一，因为电镀是一种工业上成熟的技术，广泛用于互连制造。该方法可以精确控制沉积参数，如电流密度、脉冲波形和添加剂化学成分，从而调节局部应力和生长速率。这些可控因素使得电沉积Cu成为研究孪晶成核和应力驱动生长机制的理想模型。此外，电镀过程中的高沉积速率和非平衡生长条件自然会产生内部应力，促进孪晶的形成[16]。例如，Xu等人证明，在脉冲电沉积过程中，应力和应变松弛可以诱导Cu薄膜中大量孪晶的形成[17]。这表明孪晶形成过程与能量输入、生长速率和沉积过程中的应力积累密切相关。

相比之下，在磁控溅射过程中，纳米孪晶的形成对工艺参数（如基底偏压、温度和靶材功率）非常敏感。适当的负基底偏压已被证明可以通过增加离子轰击能量来促进金属和合金薄膜中的纳米孪晶形成，从而增强沉积过程中的应力生成[18]。Wang等人证明，在CoCrFeNi纳米孪晶中熵合金薄膜中调整基底偏压可以有效地修改残余应力而不影响硬度[19]。同样，Chang等人报告称，在-120 V的最佳基底偏压下，Cu薄膜中的孪晶密度可以超过80%[20]。Chang等人还表明，施加适度的基底偏压可以抑制过渡区域，并形成高度（111）取向的纳米孪晶Ag薄膜，从而改善其电学和机械性能[21]。此外，提高基底温度可以增强表面扩散和原子迁移率，促进孪晶边界的生长和应力松弛；然而，过高的温度可能导致再结晶或孪晶消失[22]。Lin等人发现，低于200°C的基底温度有利于在高熵合金薄膜中形成密集的（111）取向纳米孪晶结构，而更高的温度则会导致孪晶消失和硬度降低[23]。另外，溅射功率和靶材电流会影响溅射原子的能量分布和沉积速率，进一步影响孪晶形成和晶粒生长行为。Lu等人指出，增加溅射功率会显著影响银薄膜中的孪晶形成和晶粒生长[24]。

在这些参数中，沉积压力也是一个关键因素，因为它直接影响气体分子的平均自由路径以及溅射原子的动能和方向性[25]，[26]，[27]，[28]。通过优化沉积压力，可以在表面扩散、应力生成和应力松弛之间取得平衡，这对于生产高质量的纳米孪晶Cu薄膜至关重要。尽管纳米孪晶Cu已广泛用于先进互连应用，但大多数先前的研究集中在基底偏压、合金效应或沉积后处理上。对于沉积压力如何单独控制纳米孪晶形成、过渡层演变、纹理发展及其对机械和电学性质的耦合效应的系统理解仍然有限。本研究提供了对宽压力范围（1.0–4.0 mTorr）内溅射Cu薄膜的全面压力依赖性分析，将能量粒子通量和气相散射行为与微观结构演变、晶体学取向、孪晶密度、残余应力、电阻率和硬度相关联。结果确定了一个优化的压力窗口，该窗口同时优化了孪晶密度、纹理对齐和过渡层厚度，从而建立了直接的过程-结构-性质关系。这些发现为定制用于Cu键合和先进3D IC封装应用的纳米孪晶Cu薄膜提供了实用框架。

实验程序

实验步骤

使用直流（DC）磁控溅射系统在4英寸p型（100）硅晶圆上沉积Cu薄膜。沉积前，将腔室抽至低于2×10^-7 Torr的基压。为了增强Cu薄膜与Si基底之间的粘附力，先沉积了一层100 nm厚的钛（Ti）中间层[29]。Ti层在600 mA的电流下沉积，基底偏压为-70 V，沉积压力为1.2 mTorr，氩气（Ar）流量为20 sccm

沉积压力对Cu薄膜微观结构和表面粗糙度的影响

表1总结了在不同沉积压力下沉积的Cu的微观结构特征。图1(a)展示了不同沉积压力下Cu薄膜的XRD图谱。所有薄膜都表现出主要的Cu（111）取向，这是面心立方（FCC）金属的典型特征，因为（111）平面具有最低的表面能[34]，使其在薄膜生长过程中优先取向。在低沉积压力1.0

结论

系统研究了沉积压力对Cu薄膜中纳米孪晶形成、微观结构演变和性质的影响。发现沉积压力在控制溅射过程中的能量条件方面起着决定性作用，从而控制原子迁移率、应力发展和纹理演变。随着沉积压力从1.0增加到4.0 mTorr，溅射物种的平均自由路径缩短，导致逐渐的转变

CRediT作者贡献声明

王宇洁：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据整理。欧阳凡毅：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家科学技术委员会（台湾）的资助，项目编号为113-2926-I-007-501-G和114-2628-E-007-011-MY4，以及T-Star中心“未来半导体技术研究中心”的资助，项目编号为NSTC 113-2634-F-A49-008。作者还感谢国立清华大学（NTHU）的仪器中心提供JEOL JSM-7610F场发射扫描电子显微镜的使用。