在三維積體電路封裝上使用奈米雙晶銅製作幾近無孔洞的Cu3Sn微凸塊

摘要：在3DIC中晶片與晶片之間以銅錫材料的微凸塊作接點，為先進封裝的重要議題，我們在高密度（111）優選方向的奈米雙晶銅上電鍍純錫並且迴焊形成Cu₃Sn介金屬化合物當接點，在奈米雙晶銅墊上分別電鍍出0.44微米、1微米、10微米的純錫與一般銅膜上電鍍60微米的純錫，然後覆晶迴焊分別在260 ^°C與340 ^°C下持續不同的時間觀察其界面反應與形成Cu₃Sn接合的孔洞生成。實驗結果在奈米雙晶銅上Cu₃Sn層裡幾乎沒有Kirkendall孔洞產生，因為奈米雙晶銅具有吸收空位與降低雜質存在於晶粒中。此Cu₃Sn接合能夠成為3DIC封裝中值得發展的技術

Abstract: In microbumps of 3D IC integration, Cu and Sn have been used for interconnect materials. In this paper, we use densely-packed nanotwinned Cu for metallization, and electroplated Sn to reflow to form Cu₃Sn joints. First we electroplated Sn of 0.44mm, 1.0 mm, and 10 mm on the nanotwinned Cu. We also electroplated Sn of 60 mm. Then we reflow the joints at 260 ^°C and 340 ^°C to form Cu₃Sn joints. The results show that there are almost no Kirkendall voids in the nanotwinned Cu and in the Cu₃Sn layers. This may be attributed to that the nanotwinned Cu may be able to absorb vacancies and the nanotwinned Cu may have low impurities. This Cu₃Sn may be a potential joints for application in 3D IC vertical joints

關鍵詞：奈米雙晶銅、微凸塊、全介金屬接合

Keywords：Nanotwinned Cu, Microbump, Full Intermetallic Compounds Joint

前言
微積體電路簡稱3DIC是指堆疊不同的晶片並將多顆晶片進行三維空間垂直整合，晶片與晶片之間以銅錫材料的微凸塊作接點，因為錫潤濕在銅效果上比鎳好[1, 2]。對於銅錫系統的冶金反應持續被研究，在冶金反應上會形成Cu₆Sn₅與Cu₃Sn兩種介金屬化合物(IMCs) [3-6]，由於電子元件需要更多的I/O元件，在同一面積下需要製造更多元件，隨著晶片內的開關元件密度越高，覆晶接點直徑也需要繼續縮減。在直徑100微米的微凸塊中，銲錫的體積遠大於銅金屬墊的體積。然而銲錫的直徑從100微米縮小到20微米，銲錫的體積也就縮減到原來的1/125倍。在此條件下，微凸塊中金屬墊層的體積變成大於銲錫的體積，並且銲錫會很容易完全轉變成介金屬化合物，因此介金屬化合物的性質將會是穩定性的關鍵。研究指出在微凸塊越來越小與焊料越來越少下，銅-錫介金屬化合物在電子封裝已經變得相當重要[7-11]，文獻指出Cu₆Sn₅與Cu₃Sn有相當好的機械性質，在熔點溫度，楊式係數與硬度的性質表現都比錫來的好[12-16]。其中Cu₃Sn的脆性係數的值為5.72 MPa/m^1/2是Cu₆Sn₅的值為2.80 MPa/m^1/2的兩倍，表示Cu₃Sn比Cu₆Sn₅更有能力防止脆斷變形。在熔點上，Cu₃Sn的熔點為675 ^°C比Cu₆Sn₅的415 ^°C與錫的232 ^°C都還高，足以抗高熱防止固態溶融。在電阻上，Cu₃Sn的電阻為8.8 μΩcm比Cu₆Sn₅的17.6 μΩcm與錫的12 μΩcm還低，表示Cu₃Sn完全接合能減少耗能。在楊式係數上，Cu₃Sn值為108.3 GPa比Cu₆Sn₅值85.56 Gpa與錫值50 Gpa都還高，表示Cu₃Sn具有高強度，可以更有效抵抗電遷移的破壞，以及具有較佳的機械性質[14]。從機械性質比較，Cu₃Sn比Cu₆Sn₅與錫更適合當微凸塊的接點材料。

根據介金屬的良好性質，有實驗嘗試利用25微米錫箔與兩片10微米銅箔形成三明治結構迴焊反應形成中間層為Cu₃Sn層，並且把Cu₃Sn層的厚度控制在10微米以下且沒有孔洞產生[17]，使用一般的電鍍銅與錫反應在低於1微米的銲錫層回焊一段時間也可以產生Cu₃Sn層，但在Cu₃Sn層中發現有微米大小的孔洞產生[18]。但是形成Cu₃Sn 微凸塊的溫度太高或時間太久，且用銅與錫箔製作不適用於電子封裝，電子封裝中是使用電鍍銅當作金屬墊層與導線，一般電鍍銅與錫冶金反應形成Cu₃Sn會有Kirkendall孔洞產生，進而影響微電子封裝的穩定性[19-22]。因此，H. Y. Hsiao等人[23]研究使用高密度優選方向[111]奈米雙晶銅柱狀晶當金屬墊層，其中厚度為20微米，奈米雙晶銅墊層與Sn3.5Ag先在260 ^°C迴焊形成接點，然後在150 ^°C下退火熱儲存形成Cu₆Sn₅與Cu₃Sn的介金屬接點，在冶金反應中沒有發現孔洞產生。在此實驗，我們會使用奈米雙晶銅當作金屬墊層，製作銲錫為純錫的微凸塊，選擇溫度260 ^°C與340 ^°C當做迴焊溫度，並且改變銲錫高度迴焊製成Cu₃Sn接點，觀測形成Cu₃Sn接合的時間與接合層孔洞產生的情形，將錫完全反應完而形成全Cu₃Sn介金屬化合物的微凸塊，並且可以控制銲錫高度，使迴焊溫度在260 ^°C下短時間形成Cu₃Sn接點，在Cu₃Sn層幾近沒有孔洞生成，而且還保留奈米雙晶銅的柱狀晶。Cu₃Sn的材料具抗電遷移，且在機械性質上，Cu₃Sn比Cu₆Sn₅來的好。因此，在奈米雙晶銅墊上使用無孔洞Cu₃Sn當接點，在3D IC封裝上具有相當的潛力。