【摘 要】
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近年来,随着电子产业的高速发展,集成电路（IC）功能不断增强,晶体管比例也在不断缩小。然而,日渐缩小的半导体尺寸已经触及了纳米尺度的物理极限。更高密度化,更高集成化的需求给半导体制造业提出的新的挑战。为了延续“摩尔定律”,芯片立体堆叠式的三维封装形式逐渐走入研究人员的视野。通过芯片垂直铜互连技术将芯片堆叠起来以实现密度更高的集成电路、功耗更低的集成设备得到了研究人员的普遍认可。但是,铜互连中的应力
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近年来,随着电子产业的高速发展,集成电路（IC）功能不断增强,晶体管比例也在不断缩小。然而,日渐缩小的半导体尺寸已经触及了纳米尺度的物理极限。更高密度化,更高集成化的需求给半导体制造业提出的新的挑战。为了延续“摩尔定律”,芯片立体堆叠式的三维封装形式逐渐走入研究人员的视野。通过芯片垂直铜互连技术将芯片堆叠起来以实现密度更高的集成电路、功耗更低的集成设备得到了研究人员的普遍认可。但是,铜互连中的应力问题会在制造工艺中造成很大的影响,从而引发铜互连的失效,是影响电子产品可靠性的隐患。因此应力的研究对于3D电子封装产品的可靠性和工业化应用具有重要意义。本文就铜互连技术中的金属电沉积应力和热应力进行了一系列研究。我们以电沉积工艺窗口更为宽泛,更为环保高效的甲基磺酸盐电沉积铜体系为基础电沉积液体系,详细研究了加速剂-抑制剂-整平剂体系中各类添加剂对电沉积铜应力的影响;运用第一性原理和量子化学计算方法,对添加剂的吸附性能进行了分析;运用ANSYS有限元模拟软件和EBSD分析软件,对TSV通孔中铜在不同热处理温度下的应力和组织结构变化进行了研究。1、研究了电沉积铜溶液中添加剂对电沉积铜层内应力的影响。分别研究了加速剂（SPS）、抑制剂（PEG）和整平剂（JGB、2-MP和2-ABT）对电沉积层内应力、织构、表面形貌、晶粒尺寸以及电化学行为的影响。研究结果表明电沉积液中的添加剂对电沉积铜的应力具有非常明显的影响,主要表现在:加速剂SPS使电沉积铜层呈现压应力,抑制剂PEG使电沉积铜层呈现拉应力,并且这种影响几乎不随加速剂和抑制剂的浓度变化而变化。而整平剂对电沉积铜层应力的影响更为复杂:整平剂的种类和浓度都会对电沉积铜应力和织构产生影响。2-MP使电沉积铜呈现拉应力,2-ABT使电沉积铜呈现压应力,而不同浓度JGB会使电沉积铜呈现拉应力或者压应力。整平剂这种不同种类和浓度影响电沉积应力的性质,适和用于通过改变添加剂来实现对电沉积铜内应力进行调节的方法。2、研究了电沉积铜溶液中整平剂（2-MP和2-ABT）对电沉积铜层自退火行为的影响。运用密度泛函和第一性原理计算的方法,分析了2-MP和2-ABT的量子化学性质以及通过分子动力学方法计算其在铜的（111）、（200）和（220）晶面的吸附性能,解释了抑制剂对电沉积铜自退火过程影响机理。2-MP作为整平剂时,电沉积铜电沉积层的应力、织构、晶粒等性质在自退火过程中基本保持不变。相反,2-ABT作为整平剂时,电沉积铜电沉积层的应力、织构、晶粒等性质在自退火过程中均会发生明显的改变。两种添加剂在不同晶面的优先吸附性以及抑制或加速性,导致了电沉积铜晶面的生长分别呈现不同的织构。量子化学计算结果表明,2-MP吸附强于2-ABT,特别是2-MP中的硫原子。XPS结果也很好的证明了Cu（MP）电沉积层中含有的硫杂质数倍于Cu（ABT）的。2-MP的抑制性能以及电沉积层含有更高浓度的残留杂质阻止了晶粒在自退火过程中的长大,因此电沉积铜层在自退火过程中保持了组织结构和应力的稳定。同时2-ABT的加速性能和电沉积层含有更低的残留杂质使电沉积铜层在自退火过程中具有不同的变化。3、研究了不同温度热处理对100μm×13μm深宽比的硅通孔（TSV）中铜材料的影响。由于铜和硅的热膨胀系数相差大,400°C热处理条件下TSV会产生明显的铜挤出现象。有限元模拟结果表明:在热处理过程中,TSV通孔中的热应力主要分布在铜与硅的接触面附近区域,而且在孔口处的应力值最大;电沉积拉应力有利于缓解热处理过程中产生的热应力,但无法从根本上减小热应力的产生。EBSD分析结果表明:400°C退火处理后的铜热软取向的晶粒分布相比300°C退火处理后的铜有所减少,具有低能量的高稳定性的共格Σ3分布增加。这些结果表明,TSV中的铜在400°C退火处理后具有更强的在热应力情况下抵御塑性变形的能力。400°C热处理优于300°C热处理。因此,采用400oC高温热处理并附加CMP处理的工艺可能解决TSV制造过程中的铜挤出问题。
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