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公告日期: 2013-05-04
公告事項: 材料系陳智教授研究團隊「三維積體電路(3D IC) 」、「銅導線」研究大突破 榮登國際頂級期刊SCIENCE

交通大學材料科學與工程系所陳智教授率領研究團隊,在三維積體電路與銅導線的材料研究上有重大突 破,於5月25日榮登世界頂級期刊《SCIENCE》。此項研究為學術界首次採用直流電成長出具(111)方向的銅金屬層,不僅受到國際學術界的高度矚 目,也因為實驗結果100%達到高密度且整齊的奈米雙晶結構,極具應用價值,也為三維積體電路(3D IC)這項全球矚目的技術發展掀起新浪潮!

交大吳妍華校長表示,科學研究的價值除了在純粹科學上有所突破,提供科學研究新的方向與視野;同時也要具有實用價值,才能為社會帶來進步的動力。交大材料科學與工程系所陳智教授的研究,正是實踐研究與應用、科學與科技的最佳表率。

全球唯一團隊 可達100%高品質銅金屬層成長結果

交大陳智教授表示,3D IC將晶片垂直疊起接合的中間接合材料主要為銅以及銲錫,因為高效能要求,每個3D IC產品中會有數千到數萬個接點。目前每個接點的大小是20微米,產業界預估三年後達到五微米,未來甚至需要微縮到一微米或更小。當接點密度越來越高,控 制每個接點的電性與機械性質一致,以達到晶片的高度穩定性,成為學界與產業界共同的目標。在此篇研究中,研究團隊在電鍍液中加入由團隊發現的關鍵添加劑, 並使用直流電成長具(111)方向的奈米雙晶銅金屬層,再用此金屬層控制接於其上的銲錫微結構,讓每個接點的電性與機械性質都可以被控制的很好,降低成本 並達到100%高品質的結構,是此研究榮登《SCIENCE》的關鍵。

運用於3D IC製程 可增加電子產品數倍至數十倍壽命

1997年史丹福大學研究發現使用具有(111)優選方向的銅導線,能讓銅導線的電遷移壽命提升約4倍;2004年Dr. Ke Lu等人在《SCIENCE》發表奈米雙晶結構能強化銅的機械性質並且其導電率不會改變;2008年清大材料系則發現雙晶結構可能提升銅導線的電遷移壽命 高達10倍。因此含有奈米雙晶且具有(111)優選方向的銅導線將會是應用在微電子產品中的最佳選擇。過去學術界主要以脈衝電流或濺鍍方式成長雙晶結構, 但基於時間與金錢成本的考量,直流電仍為業界唯一的製程方式,以電鍍方法(直流電)製備具有奈米雙晶且具有(111)優選方向的銅導線一直無法被製造出 來。陳智教授研究團隊在經過無數次的試驗後,2011年發現在電鍍液加入適當的添加劑並使用高電流密度,以及在電鍍液施予高擾動的情況下,可以製造出含有 高密度/高規則性奈米雙晶且具有(111)優選方向的銅膜及銅墊層。此特殊結構的銅墊層能有效地控制銲錫微凸塊的性質,並達到無孔洞、電阻低的優異表現, 並且可以很快的運用在3D IC製程中,讓電子產品電遷移壽命增加數倍至數十倍。

台灣團隊主導 研究水準具世界級競爭力

此研究由交通大學材料系陳智教授領導,團隊成員包含交通大學材 料系博士後研究員蕭翔耀、劉健民,與博士班學生劉道奇、林漢文、呂佳凌、黃以撒,以及加州大學洛杉磯分校,同時也是中研院院士杜經寧教授等人,所有的實驗 都在台灣完成。陳智教授指出他特別要感謝杜經寧教授在研究過程中提供許多寶貴意見,對所有參與研究的學生而言,這個過程是非常珍貴的學習經驗。

補充說明:

微電子產業有兩大主要技術:晶片技術以及封裝技術。莫爾定律一直是晶片技術的製程指標,其指出二維積體電路(2D IC)在矽晶片上的密度將以每18到24個月的週期倍增。這定律已經持續了30到40年。這些製程在現代科技乃為最成功的成就之一。但不幸地,莫爾定律似 乎快走到了盡頭。現今矽元件上的超大積體電路(VSLI)之最小線寬已達奈米尺度的45nm,其物理極限及非常高的生產成本,將減緩至成的發展。因此在未 來,微電子產業不得不尋找新技術以求突破。

目前,三維積體電路(3D IC)為一新發展方向。在3D IC中,晶片技術及封裝技術緊密的連接在一起。自3D IC成為微電子產業的新方向後,相關的研究及發展出現了許多機會。在應用方面,其提供消耗性電子產品有充沛的面積來安裝元件,舉例來說如醫療電子產品方 面,我們可以想像不久的將來,當我們握著一台行動電話時,它能偵測我們的體溫、心跳、血壓以及血氧含量。消費性電子產品的應用將會非常的可觀,而且許多產 品將與矽元件、光電元件、微機電系統以及生物感測器整合在一起。我們需要3D IC整合這一切的元件以組成一個多功能的產品(元件)。

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