先進(jìn)封裝中銅-銅低溫鍵合技術(shù)研究進(jìn)展

共讀好書(shū)

王帥奇 鄒貴生 劉磊

(清華大學(xué))

摘要：

Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)是先進(jìn)封裝的核心技術(shù)，相較于目前主流應(yīng)用的 Sn 基軟釬焊工藝，其互連節(jié)距更窄、導(dǎo)電導(dǎo)熱能力更強(qiáng)、可靠性更優(yōu). 文中對(duì)應(yīng)用于先進(jìn)封裝領(lǐng)域的 Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)進(jìn)行了綜述，首先從工藝流程、連接機(jī)理、性能表征等方面較系統(tǒng)地總結(jié)了熱壓工藝、混合鍵合工藝實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的研究進(jìn)展與存在問(wèn)題，進(jìn)一步地闡述了新型納米材料燒結(jié)工藝在實(shí)現(xiàn)低溫連接、降低工藝要求方面的優(yōu)越性，概述了納米線、納米多孔骨架、納米顆粒初步實(shí)現(xiàn)可圖形化的 Cu-Cu 低溫鍵合基本原理. 結(jié)果表明，基于納米材料燒結(jié)連接的基本原理，繼續(xù)開(kāi)發(fā)出寬工藝冗余、窄節(jié)距圖形化、優(yōu)良互連性能的 Cu-Cu 低溫鍵合技術(shù)是未來(lái)先進(jìn)封裝的重要發(fā)展方向之一.

0序言

摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目及性能約每隔 18 ~ 24 個(gè)月便會(huì)提升一倍

[1] . 隨著大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，尤其是工藝節(jié)點(diǎn)到 7 nm 之后，物理效應(yīng)、成本的限制使得依靠光刻技術(shù)驅(qū)動(dòng)的摩爾定律明顯放緩[2] .在“后摩爾時(shí)代”，不再一味地追求更小的光刻工藝節(jié)點(diǎn)，而是依靠先進(jìn)封裝互連技術(shù)的創(chuàng)新來(lái)滿足系統(tǒng)微型化、多功能化的需求，這將是集成電路制造行業(yè)發(fā)展的重要方向之一[3] .

為了滿足高性能芯片的應(yīng)用需求，未來(lái)先進(jìn)封裝互連技術(shù)將不斷向高密度、高可靠的方向發(fā)展[4] .高密度即指焊點(diǎn)節(jié)距將不斷減小至 10 μm 以下，焊點(diǎn)密度超過(guò) 10 000 個(gè)/mm2 ；高可靠主要指焊點(diǎn)在電流密度不小于 106 A/cm 2 、服役溫度不低于 100 ℃等工況下服役時(shí)具有良好的穩(wěn)定性能，并伴隨應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娮悠骷笤礁邉t上述服役參數(shù)將不斷提升. 目前，主流應(yīng)用的先進(jìn)封裝互連技術(shù)為 Sn 基釬料軟釬焊工藝[5] ，主要包括回流焊和波峰焊工藝，其具有連接溫度低 (250 ~ 300 ℃)、成本低等優(yōu)勢(shì).對(duì)于回流焊工藝，回流過(guò)程中可發(fā)生自對(duì)中效應(yīng)和塌陷效應(yīng)[6] ，降低了對(duì)設(shè)備對(duì)中精度和基板平整度的要求. 然而，軟釬焊工藝也存在諸多局限性，比如回流過(guò)程中易發(fā)生外溢效應(yīng)[7] ，無(wú)法實(shí)現(xiàn)窄節(jié)距互連；其接頭載流能力弱，易發(fā)生電遷移失效[8] ；界面反應(yīng)易生成空洞和脆性相，引起機(jī)械可靠性降低等[9] . 這些瓶頸導(dǎo)致軟釬焊工藝無(wú)法滿足未來(lái)先進(jìn)封裝互連技術(shù)的發(fā)展要求. 近年來(lái)，Cu-Cu 鍵合新方法發(fā)展迅速，無(wú) Sn 元素的使用避免了上述問(wèn)題的出現(xiàn). 具體而言，Cu-Cu 鍵合具有以下優(yōu)勢(shì)：① Cu 在鍵合過(guò)程中全程保持固態(tài)，無(wú)軟釬焊的外溢問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)窄節(jié)距互連；②具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，良好的抗電遷移能力和熱機(jī)械可靠性；③ Cu 是半導(dǎo)體制造中的常用金屬，工藝兼容性好且材料成本低廉. 綜合上述因素，Cu-Cu 鍵合技術(shù)可滿足高密度、高可靠互連，未來(lái)最有可能獲得大規(guī)模應(yīng)用. 然而，Cu-Cu 鍵合也面臨諸多新的挑戰(zhàn)，如銅的熔點(diǎn) (1 083 ℃) 高、自擴(kuò)散速率低，難以實(shí)現(xiàn)低溫鍵合. 已有研究表明，Cu-Cu 直接鍵合需要在400 ℃ 的高溫下才能充分發(fā)生原子擴(kuò)散[10-12] ，如此高的溫度會(huì)導(dǎo)致降低對(duì)中精度、損傷器件性能、增加設(shè)備要求等問(wèn)題[13] . 因此，如何實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)之一.

目前，實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的技術(shù)手段可分為熱壓鍵合工藝、混合鍵合工藝、納米材料燒結(jié)工藝三大類. 除了需滿足上述低溫需求外，新工藝還要綜合考慮性能 (如強(qiáng)度、電阻)、可靠性、效率、成本、工藝兼容性等因素. 文中將對(duì)這些工藝的方法、原理進(jìn)行系統(tǒng)歸納、總結(jié)，分析其實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在的工藝難點(diǎn)，并展望了 Cu-Cu 低溫鍵合進(jìn)一步研究的方向，以期對(duì)未來(lái)技術(shù)發(fā)展提供參考.

1熱壓鍵合工藝

熱壓鍵合工藝的基本原理與傳統(tǒng)擴(kuò)散焊工藝相同，即上下芯片的 Cu 凸點(diǎn)對(duì)中后直接接觸，其實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散鍵合的主要影響參數(shù)是溫度、壓力、時(shí)間. 由于電鍍后的 Cu 凸點(diǎn)表面粗糙并存在一定的高度差，所以鍵合前需要對(duì)其表面進(jìn)行平坦化處理，如化學(xué)機(jī)械拋光 (chemical mechanical polishing,CMP)，使得鍵合時(shí) Cu 表面能夠充分接觸. 基于目前研究文獻(xiàn)，通過(guò)熱壓鍵合工藝實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的方法從機(jī)理上可分為兩類，即提高 Cu 原子擴(kuò)散速率和防止/減少待鍵合 Cu 表面的氧化.

1.1提高 Cu 原子擴(kuò)散速率

Juang[14-15] ，Shie [16] ，Ong [17] ，Liu [18]等人提出了電鍍晶粒呈現(xiàn)高度 (111) 取向的 Cu 凸點(diǎn)用于 Cu-Cu 熱壓鍵合的方法，如圖 1 所示. 已有研究表明，在 150 ~ 300 ℃ 條件下，Cu 原子在 (111) 晶面上的擴(kuò)散速率比 (100)、(110) 晶面高 3 ~ 6 個(gè)數(shù)量級(jí)，晶粒呈現(xiàn)高度 (111) 晶向的 Cu 凸點(diǎn)可以有效提高Cu 原子擴(kuò)散速率，降低鍵合溫度[18] . 利用晶粒定向生長(zhǎng)的方法可以在 300 ℃，90 MPa，10 s 的條件下完成快速鍵合，但是鍵合強(qiáng)度和導(dǎo)電性能較差. 為此研究人員進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了兩步鍵合工藝[17] ：首先，電鍍后的 Cu 凸點(diǎn)進(jìn)行 CMP 并使用檸檬酸清洗去除表面氧化物，并在 300 ℃，93 MPa，10 s 的條件下進(jìn)行預(yù)鍵合；然后，在 300 ℃，47 MPa 的真空條件下保溫 1 h 進(jìn)行退火處理，退火后的剪切強(qiáng)度達(dá)103 MPa，導(dǎo)電性能進(jìn)一步改善. 圖 1d 顯示了退火后晶粒會(huì)長(zhǎng)大至貫穿鍵合界面，從而可提高界面的結(jié)合強(qiáng)度.

此外，Sakai[19]等人采用金剛石刀頭飛行切割的方法對(duì) Cu 表面進(jìn)行整平，如圖 2 所示. 發(fā)現(xiàn)切割后的 Cu 表面會(huì)出現(xiàn)由細(xì)晶粒構(gòu)成的薄層，細(xì)晶層可提高晶界擴(kuò)散通量，因而降低 Cu-Cu 鍵合的溫度. 最終鍵合在 200 ℃，30 min，300 MPa 的條件下完成，且界面處原子相互擴(kuò)散形成了新的晶粒. 研究人員還比較了飛行切割與 CMP 處理后的 Cu-Cu 鍵合強(qiáng)度，結(jié)果表明，200 ℃ 連接條件下，前者的強(qiáng)度比后者高出近一倍. 此外，Al Farisi 等人[20]將該方法用于密封，飛行切割后的 Cu 密封條可在250 ℃ 的低溫下實(shí)現(xiàn)鍵合，從而減少密封過(guò)程中的氣體解吸附，降低腔體內(nèi)的氣壓. 從圖 3 可以看到，飛行切割后的 Cu 表面晶粒發(fā)生了明顯細(xì)化.

進(jìn)一步地，為降低對(duì) CMP/飛行切割整平工藝的依賴，Yang[21] ，Chou [22]等人提出了插入式 Cu-Cu 鍵合工藝，其原理如圖 4 所示. 首先通過(guò)電鍍工藝制作出異型結(jié)構(gòu)的待鍵合 Cu 表面，一面直徑較小的 Cu 為突出結(jié)構(gòu)，另一面直徑較大的 Cu 為凹陷結(jié)構(gòu)，二者對(duì)中后形成插入式結(jié)構(gòu). 在加壓過(guò)程中突出結(jié)構(gòu)的 Cu 和凹陷結(jié)構(gòu)的 Cu 發(fā)生相對(duì)滑移和應(yīng)力集中，產(chǎn)生一定的熱效應(yīng)，加速原子擴(kuò)散. 這種方法可以在 150 ℃ 的條件下完成鍵合，鍵合后的界面如圖 5 所示. 可靠性測(cè)試表明，該方法經(jīng)過(guò) 1 000個(gè)熱循環(huán)測(cè)試 (thermal cycling test，TCT，?55 ~125 ℃) 和 96 h，130 ℃，85% 濕度的加速老化測(cè)試(highly accelerated stress Test，HAST) 后，接頭電阻無(wú)明顯變化. 這種方法無(wú)需 CMP 工藝，對(duì)待鍵合表面的粗糙度有一定容忍度. 但是，為了使上下Cu 結(jié)構(gòu)發(fā)生較大塑性變形而充分接觸，需要施加高達(dá) 500 MPa 以上的壓力.

1.2防止/減少待鍵合表面氧化

Cu 在高溫鍵合的情況下容易發(fā)生氧化，阻礙Cu 原子的擴(kuò)散. Takagi[23] ，Suga [24] ，Shigetou [25]等人提出了表面活化鍵合 (Surface Activated Bonding，SAB) 的方法. 該方法在超高真空條件下 (10?8 torr)采用等離子體轟擊待鍵合 Cu 表面，去除氧化物和其他污染物，達(dá)到原子級(jí)的表面清潔度，并在室溫、無(wú)壓力條件下進(jìn)行預(yù)鍵合. 室溫條件鍵合可以保證有更好的對(duì)中精度，報(bào)道中 SAB 可實(shí)現(xiàn) 6 μm 的窄節(jié)距互連. 由圖 6 可以看到，預(yù)鍵合后仍存在明顯界面，所以該方法往往需要 250 ~ 300 ℃ 的高溫退火. SAB 表面處理和鍵合過(guò)程都需要在高真空條件下完成，對(duì)設(shè)備要求非常高.

此外，研究人員提出了使用 Ti[26-27] ，Au [28] ，Ag [29] ，Pd[30]等金屬在 Cu 表面制作鈍化層的方法，其鍵合原理如圖 7 所示. Cu 表面的金屬鈍化層及可有效防止 Cu 被氧化，在鍵合過(guò)程中金屬鈍化層會(huì)向Si 基底一側(cè)移動(dòng)，而 Cu 原子會(huì)向鍵合界面遷移，最終完成 Cu-Cu 鍵合.

如圖 8 為 Ti 作鈍化層的鍵合結(jié)果，在 180 ℃，1.91 MPa，30 ~ 50 min 的鍵合條件下，Ti 向 Si 基底的方向移動(dòng)了約 50 nm，鍵合界面處為 Cu. 鍵合后經(jīng)過(guò) 500 個(gè) TCT(?55 ~ 125 ℃) 和 96 h，130 ℃，85%濕度的 HAST 后，接頭電阻無(wú)明顯變化.

此外，Peng[31] ，Tan [32]等人還提出了采用自組裝分 子層 (self-assembledmonolayer， SAM) 鈍 化Cu 表面防止氧化的方法，如圖 9 所示. 在鍵合前，晶圓放入烷烴硫醇溶液中進(jìn)行浸泡從而在 Cu 表面形成鈍化保護(hù). 鍵合過(guò)程首先升溫至 250 ℃，該溫度下有機(jī)物鈍化層會(huì)自行分解，隨后將分解產(chǎn)物抽走后，Cu-Cu 鍵合過(guò)程在 300 ℃，1 h，2 500 mbar 真空條件下進(jìn)行. 圖 10 為無(wú)鈍化保護(hù)和有自組裝分子層保護(hù)的鍵合界面對(duì)比，可以看到無(wú)鈍化保護(hù)的鍵合界面依然明顯，而鈍化保護(hù)的條件下界面基本消失.

2混合鍵合工藝

窄節(jié)距互連尤其節(jié)距小于 10 μm 的情況下，Cu-Cu 鍵合后的片間間隙很小，難以填充下填料.混合鍵合工藝可分別實(shí)現(xiàn) Cu 和 Cu 之間的鍵合以及 Cu 周圍介質(zhì)和介質(zhì)之間的鍵合，鍵合后的介質(zhì)可起到下填料的作用，減緩熱應(yīng)力的同時(shí)保證更高的鍵合強(qiáng)度、散熱能力和防止 Cu 凸點(diǎn)被腐蝕. 典型的混合鍵合包括 Cu/SiO 2 和 Cu/粘結(jié)劑鍵合兩種. Cu/SiO 2 混合鍵合的關(guān)鍵是得到平整度高、粗糙度小、親水性的表面，鍵合前需對(duì) SiO 2 表面進(jìn)行激活；Cu/粘結(jié)劑混合鍵合基于熱壓鍵合機(jī)理，Cu/熱固性的粘結(jié)劑通過(guò)加熱加壓的方法鍵合在一起.

2.1Cu/SiO 2 介質(zhì)的混合鍵合

Cu/SiO 2 鍵合后可以得到無(wú)縫隙的鍵合界面，能有效提高熱/機(jī)械可靠性[33-34] . 目前，關(guān)于 Cu-Cu 鍵合的研究很多，如前述晶面定向生長(zhǎng)、表面鈍化等，然而其中相當(dāng)一部分工藝無(wú)法直接移植到Cu/SiO 2 混合鍵合. 這是因?yàn)?Cu/SiO 2 混合鍵合需要綜合考慮 Cu-Cu 及 SiO 2 -SiO 2 鍵合，面臨工藝兼容的挑戰(zhàn). 目前，實(shí)現(xiàn) Cu/SiO 2 混合鍵合的方法包括表面激活、直接鍵合技術(shù) (Direct BondingInterconnect，DBI)、表面活化鍵合 (SAB) 等.

2.1.1 基于表面激活的混合鍵合

表面激活是指采用等離子體對(duì)晶圓表面進(jìn)行處理，清潔晶圓表面并使其活化，研究中采用的等離子體包括 O 2[35] ，H2[36] ，N2[37] ，NH3[38] ，Ar [39]等. 如圖 11 所示，等離子體活化可以提高 SiO 2 表面的羥基密度，使得 SiO 2 可在室溫下實(shí)現(xiàn)親水性預(yù)鍵合，并在隨后 200 ~ 400 ℃ 的退火過(guò)程中脫水達(dá)成更可靠的共價(jià)鍵連接[40] . 基于表面激活的混合鍵合的難點(diǎn)之一是等離子體處理會(huì)對(duì) Cu 表面產(chǎn)生不利影響，例如使用 O 2 等離子體會(huì)氧化 Cu，即便是 Ar 等離子體處理時(shí)腔體內(nèi)含有的氧也會(huì)對(duì) Cu 表面造成氧化[39] ；使用 N2 ，NH 3 等處理會(huì)使得 Cu 表面生成氮化物[37-38] ，影響 Cu-Cu 鍵合.

2.1.2 基于 DBI 的混合鍵合

Co[41] ，Enquist [42]等人提出了 DBI 的混合鍵合方法[41-42] ，其具體工藝流程如圖 12 所示. 首先通過(guò)濺射、電鍍等半導(dǎo)體工藝在晶圓表面制作 Cu 凸點(diǎn)，隨后沉積 SiO 2 介質(zhì)層覆蓋 Cu 凸點(diǎn)及晶圓表面，接著使用標(biāo)準(zhǔn) CMP 工藝露出晶圓表面的 Cu 焊盤并對(duì)焊盤和 SiO 2 介質(zhì)進(jìn)行整平. 在 CMP 過(guò)程中，拋光液作用于 Cu 表面使其高度略低于 SiO 2 表面. 在鍵合前使用等離子體對(duì) SiO 2 表面進(jìn)行激活，使其可在室溫、無(wú)壓條件下完成預(yù)鍵合.預(yù)鍵合后需要在 300 ~ 350 ℃ 下進(jìn)行退火，退火可以提高 SiO 2 -SiO 2 之間的鍵合強(qiáng)度，并使得 Cu 焊盤高溫膨脹相互擠壓，完成 Cu-Cu 鍵合. 圖 13 為鍵合后的界面，Cu-Cu 及 SiO 2 -SiO 2 鍵合界面都沒(méi)有縫隙存在.DBI 由于在室溫下完成預(yù)鍵合，所以可以保證很高的對(duì)中精度，報(bào)道稱其可實(shí)現(xiàn) 3 μm 的互連節(jié)距.DBI 具有良好的可靠性，鍵合后經(jīng)過(guò) 2 000 個(gè) TCT(?40 ~ 150 ℃) 和 2 000 h，275 ℃ 的高溫存儲(chǔ)后，接頭電阻分別下降了 1.2% ~ 1.7% 和 1.2% ~ 1.4%，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中電阻升高小于 10% 的要求[43] .

2.1.3 基于 SAB 的混合鍵合

Utsumi[44-45]等人提出了一種基于 Ar 等離子體的 SAB 混合鍵合方法. 此前研究中發(fā)現(xiàn)，超高真空下采用 Ar 等離子體轟擊可以實(shí)現(xiàn) Cu-Cu，Si-Si 之間的鍵合，但對(duì) SiO 2 -SiO 2 之間的鍵合效果較差. 為了提高 SiO 2 -SiO 2 之間的鍵合質(zhì)量，研究人員在SiO 2 表面濺射了約 12 nm 的 Si 作為中間層，隨后經(jīng)過(guò) SAB 處理并在室溫下鍵合. TEM 觀察發(fā)現(xiàn)，鍵合后的界面為厚度約 7 nm 的非晶 Si 薄層 (如圖 14 所示)，鍵合強(qiáng)度約為 25 MPa. 這種方法也會(huì)在 Cu 表面引入 Si 層，在一定程度上降低 Cu 的導(dǎo)電性.

進(jìn)一步地，He 等人[46]提出了采用含 Si 的 Ar等離子體處理待鍵合表面的工藝方法[46] ，如圖 15所示. 含 Si 等離子體可提高 SiO 2 表面的 Si 點(diǎn)位，促進(jìn) SiO 2 -SiO 2 鍵合. 表面處理后分兩條工藝路線進(jìn)行晶圓鍵合，一種是直接在 5 × 10?6 Pa 的高真空下直接進(jìn)行室溫鍵合，另一種為采用預(yù)鍵合-分離-最終鍵合的多步路線進(jìn)行親水性鍵合：(1) 將處理后的晶圓置于真空度為 2 × 10?2 Pa 的腔室內(nèi)，隨后向腔室內(nèi)充入潮濕的 N 2 至 3 kPa，接著沖入干燥氮?dú)庵链髿鈮海A取出后采用純水沖洗并甩干；(2) 在大氣 (濕度約為 40%)、常溫、無(wú)壓條件下對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)鍵合，并在大氣下保存 10 min 以上；(3) 將預(yù)鍵合后的晶圓轉(zhuǎn)移至鍵合腔室內(nèi)，并在 10?2 Pa的條件下分離預(yù)鍵合的晶圓；(4) 在 10?2 Pa 真空度，200 ℃，2.5 MPa，30 min 的條件下進(jìn)行最終鍵合并在大氣壓下 200 ℃ 退火 2 h. 強(qiáng)度測(cè)試表明，預(yù)鍵合—分離—最終鍵合的方法可實(shí)現(xiàn) 2.0 ~2.5 J/m2結(jié)合能的 SiO 2 -SiO 2 鍵合，優(yōu)于高真空直接鍵合的 0.5 J/m2 . 這是由于該方法可以在最終鍵合前增加?OH 吸附及去除表面 H 2 O 分子，更有利于提高鍵合強(qiáng)度、減少界面空洞. 此外，這種方法也可以得到低含氧量的 Cu-Cu 鍵合界面.

2.2Cu/粘結(jié)劑介質(zhì)的混合鍵合

Cu/粘結(jié)劑介質(zhì)的混合鍵合與 Cu/SiO 2 混合鍵合類似，只是使用粘結(jié)劑如 BCB[47] ，PBO [48] ，PI[49]等替代了 SiO 2 介質(zhì) (圖 16)，粘結(jié)劑具有更好的柔性，可以一定程度上容忍介質(zhì)表面的微塵顆粒物.

Cu/粘結(jié)劑混合鍵合主要基于熱壓的方法，實(shí)現(xiàn)方式包括兩種：①粘結(jié)劑先鍵合[47] ，如圖 17a 所示. 在較低的溫度下 (約 250 ℃，取決于粘結(jié)劑的種類) 首先將粘結(jié)劑鍵合并固化，此時(shí) Cu-Cu 尚未完成鍵合，然后在更高的溫度 (350 ~ 400 ℃) 下進(jìn)行熱壓實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 鍵合，粘結(jié)劑在低溫下鍵合可以防止更高的 Cu 鍵合溫度對(duì)未固化的粘結(jié)劑造成損傷. 不過(guò)這種方法存在諸多不足，如需選擇耐高溫的粘結(jié)劑材料、粘結(jié)劑需要較長(zhǎng)的固化時(shí)間導(dǎo)致鍵合效率降低等. ② Cu 先鍵合[50] ，如圖 17b 所示. Cu 首先在低于粘結(jié)劑固化的溫度下短時(shí)鍵合 (如≤10 min)，隨后在更高的溫度下對(duì)粘結(jié)劑進(jìn)行固化且進(jìn)一步提高 Cu-Cu 鍵合的強(qiáng)度. 實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合的方法需要考慮到對(duì)粘結(jié)劑表面的影響，如Ar 原子束和 Ar 等離子體處理雖然可以降低 Cu-Cu 鍵合的溫度，但激發(fā)出來(lái)的金屬離子卻會(huì)污染粘結(jié)劑表面，干擾粘結(jié)劑的鍵合[51] . 為此，有研究人員采用 Pt 催化后含 H 的甲酸對(duì) Cu 和粘結(jié)劑表面進(jìn)行處理[50] ，可以在 200 ℃，5 min 條件下完成Cu-Cu 鍵合，并且不會(huì)對(duì)粘結(jié)劑鍵合產(chǎn)生不利影響.

3熱壓鍵合和混合鍵合的工藝難點(diǎn)

前述分別匯總了 Cu-Cu 熱壓鍵合、混合鍵合方法的研究現(xiàn)狀. 目前大部分研究還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，需要進(jìn)一步深入對(duì)工藝和機(jī)理的探討. 與此同時(shí)，當(dāng)前這些方法也面臨著共性的工藝難點(diǎn)，包括以下兩方面：

3.1工藝要求非常苛刻

無(wú)論是熱壓鍵合還是混合鍵合方法對(duì)待鍵合表面的質(zhì)量如粗糙度、光潔度、晶圓整體翹曲程度有很高要求. 由于制作完成的 Cu 表面為粗糙狀態(tài)且有一定的高度差，需要經(jīng)過(guò)昂貴、復(fù)雜的 CMP、飛行切割等整平工藝對(duì)待鍵合表面進(jìn)行平坦化，降低表面粗糙度和高度差. 此外，晶圓本身還具有一定的翹曲，尤其是面積大、厚度薄的晶圓，翹曲程度會(huì)更加明顯[3] ，Cu-Cu 鍵合的“硬碰硬”接觸方式易在鍵合良率方面出現(xiàn)問(wèn)題. 在低溫互連方面，為了實(shí)現(xiàn)300 ℃ 以下的低溫互連，增大界面接觸面積，往往需要增加鍵合壓力至 100 MPa 以上，這樣大的壓力可能會(huì)導(dǎo)致晶圓碎裂或介質(zhì)層開(kāi)裂、變形等問(wèn)題，不能滿足工藝要求. 此外，混合鍵合中 Cu-Cu鍵合和介質(zhì)-介質(zhì)鍵合二者常常會(huì)相互干擾，需要兼顧兩方面的鍵合要求，對(duì)材料、工藝都提出了很大挑戰(zhàn).

3.2難以靈活適用于 2.5D 互連

Cu/介質(zhì)混合鍵合技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，部分混合鍵合技術(shù)已在實(shí)際制造中應(yīng)用于 3D 互連的晶圓鍵合 (Wafer to Wafer，W2W)[52] . 然而，混合鍵合技術(shù)對(duì)待鍵合表面的微塵顆粒物很敏感. 即便如Cu-粘結(jié)劑混合鍵合可以容忍一定的微塵顆粒物，但如果顆粒物出現(xiàn)在 Cu 表面，仍會(huì)嚴(yán)重影響鍵合質(zhì)量. 在 2.5D 互連的芯片-晶圓鍵合 (Chip to Wafer，C2W) 場(chǎng)合中，晶圓需要切割成單個(gè)芯片再鍵合到載板晶圓表面，切割過(guò)程中不可避免地會(huì)引入微顆粒物等，混合鍵合技術(shù)難以適用. 此外，2.5D 互連主要是為了實(shí)現(xiàn)芯片功能整合，需要貼裝的芯片種類非常多樣化，往往來(lái)自不同晶圓制造廠商，下游的封裝廠很難說(shuō)服上游晶圓廠改變制程來(lái)適應(yīng)混合鍵合的工藝需求.

4Cu 納米材料燒結(jié)連接

近年來(lái)，基于 Cu 納米材料燒結(jié)連接實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 鍵合逐漸獲得關(guān)注. 與熱壓鍵合和混合鍵合相比，納米材料燒結(jié)對(duì)待鍵合表面的粗糙度、平整度等有更高的適應(yīng)性，能夠大幅降低工藝要求.

4.1納米材料燒結(jié)連接的基本原理

納米材料相對(duì)于宏觀塊體材料，表面原子占比增多，具有更高的表面能[53] ，更易發(fā)生原子擴(kuò)散，非常有利于在低溫下進(jìn)行燒結(jié)連接.

以金屬納米顆粒為例，其燒結(jié)過(guò)程可以用經(jīng)典粉末燒結(jié)理論進(jìn)行描述. 根據(jù)粉末燒結(jié)理論，由粉末材料構(gòu)成的顆粒系統(tǒng)在燒結(jié)時(shí)傾向于降低其表面的自由能，這是推進(jìn)燒結(jié)進(jìn)程的主要?jiǎng)恿?，燒結(jié)頸的長(zhǎng)大是燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行的具體表現(xiàn). 在燒結(jié)過(guò)程中，首先分散/疏松的納米顆粒在壓力作用下相互接觸，然后隨著溫度的升高發(fā)生表面擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、晶內(nèi)擴(kuò)散，燒結(jié)頸逐漸長(zhǎng)大，組織趨于致密化. 燒結(jié)后的組織為多孔結(jié)構(gòu)，與塊體材料相比具有更小的模量，更容易發(fā)生塑性變形，對(duì)粗糙、不平整表面有優(yōu)異的“填補(bǔ)”效應(yīng)[54] ，具有更寬的工藝窗口.

根據(jù)納米材料燒結(jié)前的形態(tài)進(jìn)行劃分，研究中的 Cu 納米材料主要包括三類：納米線、納米多孔骨架和納米顆粒. 下面分別對(duì)這三方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹.

4.2Cu 納米線燒結(jié)

Roustaie[55-56] ，Strahringer [57] ，Yu [58]等人提出了一種基于 Cu 納米線燒結(jié)的工藝，該工藝的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在其 Cu 納米線陣列的圖形化方式與成熟半導(dǎo)體工藝良好兼容，可實(shí)現(xiàn)高密度 Cu 納米線凸點(diǎn)的制備. 具體工藝流程如圖 18 所示：①在對(duì)晶圓進(jìn)行厚膠光刻漏出 Cu 焊盤，Cu 焊盤作為納米線生長(zhǎng)的基底，光刻膠作為納米線定向生長(zhǎng)的掩膜；②通過(guò)氧等離子體轟擊去除 Cu 焊盤表面的有機(jī)物殘留；③將帶有直孔陣列的特制掩模板壓覆在晶圓表面，并與 Cu 焊盤接觸，整體浸沒(méi)到 Cu 電鍍液中；④隨后進(jìn)行電鍍工藝，電鍍過(guò)程中 Cu 納米線以Cu 焊盤為基底，沿著掩模版孔陣列的方向向上生長(zhǎng)；(5) 最后去除掩模版，獲得由 Cu 納米線構(gòu)成的凸點(diǎn)陣列.

這種方法可以實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)陣列的晶圓級(jí)制備，如圖 19a，b 所示. 所獲得的 Cu 納米線陣列可以在230 ℃，60 MPa 的溫度、壓力條件下實(shí)現(xiàn) 57.4 MPa的剪切強(qiáng)度，且經(jīng)過(guò) 1 000 個(gè)熱循環(huán)測(cè)試 (?40 ~150 ℃) 和 4 000 h 的 HAST 測(cè)試 (85 ℃，85% 濕度) 后剪切強(qiáng)度無(wú)明顯下降.

4.3Cu 納米多孔骨架燒結(jié)

Shahane[59, 61] ，Sosa [60, 63] ，Mohan [62]等人提出了一種可圖形化的脫合金法制備 Cu 納米多孔骨架凸點(diǎn)[59-63] ，其具體工藝流程如圖 20 所示. 首先在晶圓表面濺射一層 Ti/Cu 作為后續(xù)電鍍工藝的種子層，隨后旋涂光刻膠并進(jìn)行光刻得到所需的孔陣列圖案，接著在光刻膠孔內(nèi)分別電鍍 4 ~ 8 μm 厚的Cu 凸點(diǎn)和 5 ~ 10 μm 厚的 Cu-Zn 合金，光刻膠去除后即可得到上方為 Cu-Zn 合金、下方為 Cu 的復(fù)合凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，最后使用 1% 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的 HCl 在室溫下腐蝕 4 h 使得 Cu-Zn 合金中的 Zn 被腐蝕并獲得Cu 納米多孔骨架凸點(diǎn).

在 Cu 納米多孔骨架制備方面，研究人員主要研究了電流密度、Cu-Zn 合金中 Zn 的含量、退火工藝對(duì) Cu 納米多孔骨架組織的影響，結(jié)果表明在電流密度為 2.75 mA/cm2 、Zn 含量為 85%、200 ℃/30 min/N 2 退火的工藝條件下，可以獲得較理想的納米多孔結(jié)構(gòu)，如圖 21 所示，特征尺寸在 60 nm 以下，其中約有 10% 的 Zn 殘留.

在 250 ℃，9 MPa，30 min，5% 甲酸氣氛的鍵合條件下，剪切強(qiáng)度可達(dá) 47 MPa. 如圖 22 所示，鍵合前約 3 ~ 4 μm 厚的多孔納米結(jié)構(gòu)被壓縮到了 1 μm以內(nèi)，這表明該方法可以在一定程度上通過(guò)塑性變形彌補(bǔ)基板翹曲以及 Cu 柱高度差帶來(lái)的不平整度. 不過(guò)，該工藝制備獲得的 Cu 多孔結(jié)構(gòu)中存在一定的 Zn 殘余，活潑金屬對(duì)長(zhǎng)期服役可靠性的影響需要進(jìn)一步研究.

4.4Cu 納米顆粒燒結(jié)

目前，Cu 納米顆粒用于燒結(jié)連接主要是通過(guò)配置成銅納米焊膏并應(yīng)用于功率器件封裝

[64-66] . 如圖 23 所示，功率器件封裝的芯片與基板間一般只有一個(gè)互連層，而先進(jìn)封裝互連的焊點(diǎn)數(shù)量成千上萬(wàn). Cu 納米焊膏應(yīng)用于先進(jìn)封裝互連的難點(diǎn)之一是圖形化，即如何制作出大規(guī)模焊點(diǎn)陣列.

Del Carro[67-69] ，Zürcher [70-71]等人提出了一種浸蘸轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)焊膏圖形化，其具體流程如圖 24 所示. 首先將微納米顆粒混合的 Cu 焊膏通過(guò)刮刀刮平獲得約 20 μm厚度的薄層，將電鍍有Cu 凸點(diǎn)的芯片在焊膏中浸蘸使得Cu 凸點(diǎn)頂端黏附有8 ~ 12 μm 厚度的 Cu 焊膏，接著將芯片與基板進(jìn)行對(duì)中并在甲酸氣氛下 160 ~ 200 ℃ 燒結(jié)鍵合.

研究人員首先研究了 Cu 凸點(diǎn)的輪廓形態(tài)、浸蘸轉(zhuǎn)移的速度、焊膏粘度等對(duì)圖形化的影響，結(jié)果表明該方法具有良好的穩(wěn)定性，可以適應(yīng)一定的工藝波動(dòng)[71] . 并重點(diǎn)分析了鍵合壓力對(duì)界面燒結(jié)組織和性能的影響，結(jié)果如圖 25 所示. 從圖中可以看到，鍵合壓力對(duì)燒結(jié)組織的孔隙率有明顯影響，無(wú)壓燒結(jié)情況下燒結(jié)組織出現(xiàn)明顯的聚集性孔洞，可靠性存在隱患，且剪切強(qiáng)度只有約 10 MPa；隨著壓力增大到 50 MPa，界面組織趨于致密，剪切強(qiáng)度提升至 40 MPa 左右. 該方法率先將 Cu 納米焊膏應(yīng)用到先進(jìn)封裝互連領(lǐng)域，并表現(xiàn)出良好的適用性，具有良好的應(yīng)用前景，但相關(guān)可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)還比較少，需要進(jìn)一步研究. 此外，由于 Cu 納米焊膏具有一定的流動(dòng)性，易在壓力作用下發(fā)生擠出從而導(dǎo)致相鄰焊點(diǎn)“橋接”，所以該方法在實(shí)現(xiàn)窄節(jié)距互連上面臨一定局限性.

此外，Mimatsu 等人[72]基于 Cu 納米顆粒粉末提出了類似的轉(zhuǎn)移方法進(jìn)行圖形化. 研究人員將通過(guò)化學(xué)法合成的 Au 納米顆粒粉末鋪勻到裸硅片上，再將帶金凸點(diǎn)的芯片與裸硅片壓到一起并加熱到 100 ℃，使得 Au 納米顆粒與金凸點(diǎn)表面發(fā)生一定程度的預(yù)燒結(jié)，最后將芯片與基板對(duì)中鍵合到一起.這種方法最大的問(wèn)題是納米顆粒粉末與凸點(diǎn)間的結(jié)合很弱，部分凸點(diǎn)上沒(méi)有或只有很少的納米顆粒附著.

清華大學(xué)鄒貴生團(tuán)隊(duì)最新提出了基于脈沖激光沉積 (Pulsed Laser Deposition，PLD) 技術(shù)圖形化制備 Cu 納米顆粒并用于 Cu-Cu 低溫鍵合的方法.如圖 26 所示，該方法通過(guò) PLD 沉積工藝制備出Cu 納米顆粒，并以光刻膠作沉積掩膜，隨后剝離去除光刻膠即可獲得由納米顆粒構(gòu)成的凸點(diǎn)陣列 (直徑 60 μm、節(jié)距 120 μm). 在 250 ℃，9 MPa，10 min，甲酸氣氛鍵合條件下，剪切強(qiáng)度達(dá) 52.2 MPa，鍵合前高度約 10 μm 的凸點(diǎn)被壓縮至約 4 μm. 與具有流動(dòng)性的納米焊膏相比，PLD 制備出的納米顆粒為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此加壓過(guò)程中不易出現(xiàn)溢出導(dǎo)致焊點(diǎn)短路的問(wèn)題. 此外，該方法制備出的凸點(diǎn)具有良好的塑性變形能力和低溫互連性能.未來(lái)可繼續(xù)深入對(duì)該方法的電學(xué)性能、服役可靠性等方面的研究.

5結(jié)論

(1) 隨著主流 Sn 基軟釬焊工藝逐漸無(wú)法滿足未來(lái)先進(jìn)封裝互連的要求，Cu-Cu 鍵合技術(shù)憑借其可實(shí)現(xiàn)窄節(jié)距、高性能互連且與半導(dǎo)體制造工藝兼容性好等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為先進(jìn)封裝互連的重要發(fā)展方向.

(2) 為了降低 Cu-Cu 鍵合溫度，研究人員提出了通過(guò)晶粒定向生長(zhǎng)、飛行切割、插入式互連結(jié)構(gòu)等方法來(lái)提高 Cu 原子擴(kuò)散速率以及采用等離子體轟擊、金屬或有機(jī)物作鈍化層來(lái)減少/防止 Cu 表面氧化的方法.

(3) 混合鍵合在窄節(jié)距互連時(shí)將 Cu-Cu 及介質(zhì)-介質(zhì)分別鍵合起來(lái)，鍵合后的介質(zhì)起到下填料的作用，具有更優(yōu)的熱/機(jī)械可靠性. 混合鍵合包括Cu/SiO 2 、Cu/粘結(jié)劑鍵合兩類，鍵合時(shí)工藝要綜合考慮 Cu-Cu 鍵合及介質(zhì)-介質(zhì)鍵合兩方面.

(4) 熱壓鍵合和混合鍵合對(duì)待鍵合表面的粗糙度、光潔度、晶圓翹曲程度等有嚴(yán)格要求，往往需要昂貴、復(fù)雜的平坦化工藝及較高的鍵合壓力來(lái)保證鍵合表面充分接觸. 此外，混合鍵合技術(shù)在應(yīng)用于2.5D 互連時(shí)也面臨一定挑戰(zhàn).

(5) 近年來(lái)，基于納米材料燒結(jié)實(shí)現(xiàn) Cu-Cu 低溫鍵合逐步獲得關(guān)注. 納米材料具有低溫連接、界面填縫等優(yōu)勢(shì)，可降低工藝要求. 研究人員采用定向生長(zhǎng)納米線、脫合金制備納米多孔骨架、浸蘸轉(zhuǎn)移納米焊膏、PLD 沉積納米顆粒等方法分別實(shí)現(xiàn)了焊點(diǎn)圖形化和 Cu-Cu 低溫鍵合，并在降低鍵合溫度、壓力、適應(yīng)基板翹曲等方面表現(xiàn)出一定潛力，但仍需要更多的性能、可靠性測(cè)試作支撐. 目前納米材料燒結(jié)連接應(yīng)用于 Cu-Cu 鍵合的研究還處于起步階段，未來(lái)繼續(xù)開(kāi)發(fā)出寬工藝冗余、窄節(jié)距圖形化、優(yōu)良互連性能的納米材料互連方式仍大有可為.

審核編輯 黃宇