下部種金属によるハイブリッド接合界面の粒界消失現象
総合研究所 CS電子技術部 南保 仁汰 Jinta NAMPO 佐波 正浩 Masahiro SAWA
はじめに
半導体パッケージは、多端子化と小型・薄型化の要求に応える形で発展してきた。さらなる高性能化を目的として、仕様の異なるデバイスや異種デバイスなどを1つのパッケージに実装するシステムインパッケージ（System in Package：以下、SiP）が開発されている。SiPには、微細配線を形成した有機基板を使用する2.1Dおよび2.3D実装、TSVを配したSiインターポーザを有する2.5D実装、さらにTSVを有するデバイス同士をマイクロバンプやハイブリッド接合で接続する3D実装などが提案されている。ハイブリッド接合とは、マイクロバンプを使用せずCuパッドおよび周辺のSiO₂を直接接合させる技術であり、産学で研究が進められている。
われわれは、電気めっきによって析出するCuの結晶粒径を制御し、接合性に優れる粗大Cu結晶粒の作製に成功した。さらに、特定の下部種金属（Under Seed Metal：以下、USM）層を用いることでCu-Cu接合界面が全く存在しないCu単結晶粒接合を実現したので、これらの実験結果について述べる。
特長
- 結晶粒径の制御が可能
- Cu-Cu界面での原子拡散に成功
- Cu単結晶粒接合を実現
粗大Cu結晶粒とCu単結晶粒接合
評価に用いたデイジーチェーンTEGウエハは、300mmウエハに、Cu電極幅5μm 、ピッチ8μmとし、絶縁層にはプラズマTEOS-CVDにより形成したSiO₂を採用した。TEGウエハを被めっき物として、硫酸銅五水和物と硫酸からなる硫酸銅めっきの基礎液に、添加剤としてブライトナーやレベラーと呼ばれる有機化合物と塩化物イオンを含有させ、電気めっきを行った。レベラーには熱処理後に結晶粒径が大きく異なる二種類の化合物を選定した。粒成長の緩やかなレベラーを含有させた液をめっき液A、粒成長の顕著なレベラーを含有させた液をめっき液Bとした。化学機械研磨（CMP）により、CuおよびSiO₂表面を平坦化し、ハイブリッド接合の接合面を形成した。接合にはChip-to-Wafer用FCボンダーを用いた。また、ソーダイシングで上部のチップサイズを6mm角に個片化した。Chip-to-Waferの接合は、チップをクエン酸で洗浄後、Arプラズマで表面処理し、大気圧中、FCボンダーで仮接合した後、N₂雰囲気下で熱処理を行い、本接合を行った。
得られた2種類のCuを熱処理し、表面の結晶状態を後方散乱電子回折（EBSD）により評価した。Cu表面の結晶方位マップを図1に示す。めっき液Aで析出させたCuは2μm以下の粒径で、結晶学的に無秩序な方位分布を呈している。一方、めっき液Bで析出させたCuは5μm以上の粒径を多数観察し、結晶方位も類似している。
めっき液Aおよびめっき液Bで、Cuを析出させたTEGウエハを用いてハイブリッド接合した断面SIM像を図2に示す。めっき液Bを用いた電極は、めっき液Aを用いた電極と比較して結晶粒径が大きく接合界面にボイドも認められない。これらの結果から、Cuの結晶粒径および結晶方位がハイブリッド接合の品質に大きな影響を及ぼす可能性が示唆される。
本知見に基づき、粒成長が顕著なレベラーを含有させためっき液Bについて、さらにUSM層の検討を行った。評価には異なる金属系材料をUSM層としたウエハを使用し、それぞれをUSM-A、USM-Bとした。本評価では金属系材料を除くCuシード膜厚、電気Cuめっき条件、CMPプロセス、および接合条件は同一である。それぞれのUSM層に析出させたCu同士を接合し、収束イオンビーム試料作成装置（FIB）で加工した断面から、SIM像により接合性を評価した。
FIBにより加工した接合断面SIM像を図3に示す。USM-Aを用いた接合では上下のパッド間に接合界面が明確に確認できる。また、粒径は3～5μm程度である。一方、USM-Bを用いた接合では上下のパッド間に接合界面が存在せず、Cu単結晶粒接合を確認した。また、粒径10μm程度と顕著な粒成長が認められた。
EBSDにより得られた接合断面の結晶方位マップを図4に示す。USM-Aを用いたCu-Cu間の接合では明確に接合界面が存在する。一方、USM-Bを用いたCu-Cu間の接合では接合界面が確認できず、Cuが単結晶粒であることを確認できる。さらに、Cu単結晶粒が二次元的ではなく三次元的に粒成長していることを確認するため、断面垂直方向の結晶方位マップも取得した。断面平行方向と垂直方向の結晶配向は類似しており、三次元的な粒成長によって、上下パッド間にCu単結晶粒が形成されたことを示している。これらの結果から大気圧雰囲気下で酸化膜が形成されたCu表面においても、USM層は原子拡散を円滑化し、接合界面における原子再配列を促進することが示された。これにより、構造的連続性を有するCu単結晶粒の形成に成功した。
おわりに
添加剤の選定や電気めっき条件の最適化により、粗大Cu結晶粒の作製に成功した。これをハイブリッド接合に応用することで、接合界面の結晶方位が一致し、非常に高い接合性を導き出すことができた。さらに、USM層を介することで、大気圧下におけるCu単結晶粒接合に成功した。Cuは多結晶であり、各結晶粒はある方位の結晶軸をもつことから、その障壁の少ないCu単結晶粒接合は配線材料に好適であると考えられる。
電気Cuめっきによる配線形成技術は、電子機器の発展に大きく貢献してきた。しかしながら、持続可能な社会の実現に向けて省エネルギー化、省資源化を達成するため、電子機器にはさらなる高性能化、高機能化、小型化、軽量化が求められている。本技術がこれらの課題解決に貢献できるよう今後も鋭意研究に努める。
謝辞
本研究は東北大学およびGlobal INTegration Initiative（GINTI）との共同研究です。ご指導、ご鞭撻をいただきました東北大学福島教授、Murugesan Mariappan博士に、心より厚く御礼申し上げます。
