王帥奇，鄒貴生，劉磊

(清華大學(xué),北京,100084)

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 個月便會提升一倍[1].隨著大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，尤其是工藝節(jié)點到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)動的摩爾定律明顯放緩[2].在“后摩爾時代”，不再一味地追求更小的光刻工藝節(jié)點，而是依靠先進(jìn)封裝互連技術(shù)的創(chuàng)新來滿足系統(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].高密度即指焊點節(jié)距將不斷減小至10 μm 以下，焊點密度超過10 000 個/mm2；高可靠主要指焊點在電流密度不小于106A/cm2、服役溫度不低于100 ℃等工況下服役時具有良好的穩(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.對于回流焊工藝，回流過程中可發(fā)生自對中效應(yīng)和塌陷效應(yīng)[6]，降低了對設(shè)備對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，比如回流過程中易發(fā)生外溢效應(yīng)[7]，無法實現(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)致軟釬焊工藝無法滿足未來先進(jìn)封裝互連技術(shù)的發(fā)展要求.近年來，Cu-Cu 鍵合新方法發(fā)展迅速，無Sn 元素的使用避免了上述問題的出現(xiàn).具體而言，Cu-Cu 鍵合具有以下優(yōu)勢：①Cu 在鍵合過程中全程保持固態(tài)，無軟釬焊的外溢問題，可實現(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；③Cu 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(1 083 ℃)高、自擴(kuò)散速率低，難以實現(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]，如此高的溫度會導(dǎo)致降低對中精度、損傷器件性能、增加設(shè)備要求等問題[13].因此，如何實現(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)注的焦點之一.

目前，實現(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.文中將對這些工藝的方法、原理進(jìn)行系統(tǒng)歸納、總結(jié)，分析其實際應(yīng)用時存在的工藝難點，并展望了Cu-Cu 低溫鍵合進(jìn)一步研究的方向，以期對未來技術(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 凸點對中后直接接觸，其實現(xiàn)原子擴(kuò)散鍵合的主要影響參數(shù)是溫度、壓力、時間.由于電鍍后的Cu 凸點表面粗糙并存在一定的高度差，所以鍵合前需要對其表面進(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Cu 表面能夠充分接觸.基于目前研究文獻(xiàn)，通過熱壓鍵合工藝實現(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 個數(shù)量級，晶粒呈現(xiàn)高度(111)晶向的Cu 凸點可以有效提高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)一步開發(fā)出了兩步鍵合工藝[17]：首先，電鍍后的Cu 凸點進(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長大至貫穿鍵合界面，從而可提高界面的結(jié)合強(qiáng)度.

圖1 由(111) 取向的納米孿晶Cu 凸點實現(xiàn)Cu-Cu 鍵合[15-17]Fig. 1 Cu-Cu bonding enabled by (111)-oriented nanotwinned Cu bumps. (a) The microbump cross-section analyzed by FIB; (b) surface orientation of an nt-Cu microbump observed by EBSD; (c) cross-sectional FIB ion-image of a Cu joint bonded at 300 ℃/93 MPa/10 s; (d) crosssectional FIB ion-image for post-annealed sample

此外，Sakai[19]等人采用金剛石刀頭飛行切割的方法對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 ℃的低溫下實現(xiàn)鍵合，從而減少密封過程中的氣體解吸附，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.

圖2 飛行切割[19]Fig. 2 Fly-cutting. (a) schematic illustration of fly-cutting;(b) optical images of cut Cu bumps surface

圖3 飛行切割細(xì)化表面晶粒[20]Fig. 3 Fly-cutting process introduces finer grains. (a)SEM image of initial Cu surface; (b) EBSD image of initial Cu surface; (c) SEM image of cut Cu surface; (d) EBSD image of cut Cu surface

進(jìn)一步地，為降低對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)，二者對中后形成插入式結(jié)構(gòu).在加壓過程中突出結(jié)構(gòu)的Cu 和凹陷結(jié)構(gòu)的Cu 發(fā)生相對滑移和應(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.可靠性測試表明，該方法經(jīng)過1 000個熱循環(huán)測試(thermal cycling test，TCT，-55～125 ℃)和96 h，130 ℃，85%濕度的加速老化測試(highly accelerated stress Test，HAST)后，接頭電阻無明顯變化.這種方法無需CMP 工藝，對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.

圖4 插入式Cu-Cu 鍵合的原理圖[22]Fig. 4 Schematic of pillar-concave bonding scheme

圖5 鍵合后的SEM 圖像[22]Fig. 5 SEM cross-sectional view of Cu-Cu bonding. (a)with bonding condition of 150 ℃, 1 min, 500 MPa;(b) bottom bonding interface; (c) sidewall bonding interface

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(10-8torr)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)到原子級的表面清潔度，并在室溫、無壓力條件下進(jìn)行預(yù)鍵合.室溫條件鍵合可以保證有更好的對中精度，報道中SAB 可實現(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 表面處理和鍵合過程都需要在高真空條件下完成，對設(shè)備要求非常高.

圖6 SAB 方法實現(xiàn)Cu-Cu 鍵合[24-25]Fig. 6 SAB method for Cu-Cu bonding. (a) Cu-Cu bonded at room temperature; (b) interconnect of 6 μm pitch Cu electrodes

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，在鍵合過程中金屬鈍化層會向Si 基底一側(cè)移動，而Cu 原子會向鍵合界面遷移，最終完成Cu-Cu 鍵合.

圖7 采用鈍化層的Cu-Cu 鍵合機(jī)理[30]Fig. 7 Schematic of Cu-Cu bonding with passivation layer

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 基底的方向移動了約50 nm，鍵合界面處為Cu.鍵合后經(jīng)過500 個TCT(-55～ 125 ℃)和96 h，130 ℃，85%濕度的HAST 后，接頭電阻無明顯變化.

圖8 Ti 作鈍化層的鍵合結(jié)果[26]Fig. 8 Ti passivation bonded results. (a) SEM image;(b) TEM image

此外，Peng[31]，Tan[32]等人還提出了采用自組裝分子層(self-assembled monolayer，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).鍵合過程首先升溫至250 ℃，該溫度下有機(jī)物鈍化層會自行分解，隨后將分解產(chǎn)物抽走后，Cu-Cu 鍵合過程在300 ℃，1 h，2 500 mbar 真空條件下進(jìn)行.圖10 為無鈍化保護(hù)和有自組裝分子層保護(hù)的鍵合界面對比，可以看到無鈍化保護(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.

圖9 自組裝分子層鈍化方法的原理和工藝流程[31]Fig. 9 Schematic illustration and process flow of selfassembled monolayer method. (a) before bonding; (b) after bonding

圖10 Cu-Cu 鍵合界面的TEM 圖像[32]Fig. 10 TEM micrographs of bonded Cu layers. (a) without SAM passivation; (b) with SAM passivation

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)力的同時保證更高的鍵合強(qiáng)度、散熱能力和防止Cu 凸點被腐蝕.典型的混合鍵合包括Cu/SiO2和Cu/粘結(jié)劑鍵合兩種.Cu/SiO2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SiO2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)劑通過加熱加壓的方法鍵合在一起.

2.1 Cu/SiO2 介質(zhì)的混合鍵合

Cu/SiO2鍵合后可以得到無縫隙的鍵合界面，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、表面鈍化等，然而其中相當(dāng)一部分工藝無法直接移植到Cu/SiO2混合鍵合.這是因為Cu/SiO2混合鍵合需要綜合考慮Cu-Cu 及SiO2-SiO2鍵合，面臨工藝兼容的挑戰(zhàn).目前，實現(xiàn)Cu/SiO2混合鍵合的方法包括表面激活、直接鍵合技術(shù)(Direct Bonding Interconnect，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O2[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SiO2表面的羥基密度，使得SiO2可在室溫下實現(xiàn)親水性預(yù)鍵合，并在隨后200～ 400 ℃的退火過程中脫水達(dá)成更可靠的共價鍵連接[40].基于表面激活的混合鍵合的難點之一是等離子體處理會對Cu 表面產(chǎn)生不利影響，例如使用O2等離子體會氧化Cu，即便是Ar 等離子體處理時腔體內(nèi)含有的氧也會對Cu 表面造成氧化[39]；使用N2，NH3等處理會使得Cu 表面生成氮化物[37-38]，影響Cu-Cu 鍵合.

圖11 等離子體活化鍵合的原理[40]Fig. 11 Schematic of plasma activated bonding

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.首先通過濺射、電鍍等半導(dǎo)體工藝在晶圓表面制作Cu 凸點，隨后沉積SiO2介質(zhì)層覆蓋Cu 凸點及晶圓表面，接著使用標(biāo)準(zhǔn)CMP 工藝露出晶圓表面的Cu 焊盤并對焊盤和SiO2介質(zhì)進(jìn)行整平.在CMP 過程中，拋光液作用于Cu 表面使其高度略低于SiO2表面.在鍵合前使用等離子體對SiO2表面進(jìn)行激活，使其可在室溫、無壓條件下完成預(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SiO2-SiO2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SiO2-SiO2鍵合界面都沒有縫隙存在.DBI 由于在室溫下完成預(yù)鍵合，所以可以保證很高的對中精度，報道稱其可實現(xiàn)3 μm 的互連節(jié)距.DBI 具有良好的可靠性，鍵合后經(jīng)過2 000 個TCT(-40～ 150 ℃)和2 000 h，275 ℃的高溫存儲后，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].

圖12 DBI 流程示意圖[41]Fig. 12 DBI technology process flow

圖13 DBI 鍵合后的界面SEM 圖像[42]Fig. 13 SEM image of bonded interface by DBI method

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現(xiàn)Cu-Cu，Si-Si 之間的鍵合，但對SiO2-SiO2之間的鍵合效果較差.為了提高SiO2-SiO2之間的鍵合質(zhì)量，研究人員在SiO2表面濺射了約12 nm 的Si 作為中間層，隨后經(jīng)過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.這種方法也會在Cu 表面引入Si 層，在一定程度上降低Cu 的導(dǎo)電性.

圖14 Si 作為SiO2-SiO2 室溫鍵合的中間層[44]Fig. 14 Bonding of SiO2 and SiO2 at room temperature using Si ultrathin film

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SiO2表面的Si 點位，促進(jìn)SiO2-SiO2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 × 10-6Pa 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 × 10-2Pa 的腔室內(nèi)，隨后向腔室內(nèi)充入潮濕的N2至3 kPa，接著沖入干燥氮氣至大氣壓，晶圓取出后采用純水沖洗并甩干；(2)在大氣(濕度約為40%)、常溫、無壓條件下對晶圓進(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10-2Pa的條件下分離預(yù)鍵合的晶圓；(4)在10-2Pa 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)度測試表明，預(yù)鍵合—分離—最終鍵合的方法可實現(xiàn)2.0～2.5 J/m2結(jié)合能的SiO2-SiO2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H2O 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.

圖15 基于SAB 的混合鍵合流程示意圖[46]Fig. 15 Process flow of the combined SAB with (a) UHV bonding and (b) hydrophilic bonding

2.2 Cu/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/SiO2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SiO2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.

圖16 Cu/粘結(jié)劑混合鍵合[47-49]Fig. 16 Cu/adhesive hybrid bonding. (a) Cu/PI; (b)Cu/BCB; (c) Cu/PBO

Cu/粘結(jié)劑混合鍵合主要基于熱壓的方法，實現(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 鍵合溫度對未固化的粘結(jié)劑造成損傷.不過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)劑需要較長的固化時間導(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鍵合(如≤10 min)，隨后在更高的溫度下對粘結(jié)劑進(jìn)行固化且進(jìn)一步提高Cu-Cu 鍵合的強(qiáng)度.實現(xiàn)Cu-Cu 低溫鍵合的方法需要考慮到對粘結(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)出來的金屬離子卻會污染粘結(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，并且不會對粘結(jié)劑鍵合產(chǎn)生不利影響.

圖17 Cu 和粘結(jié)劑混合鍵合方式[50]Fig. 17 Cu/adhesive hybrid bonding. (a) “adhesive-first”hybrid bonding process; (b) “Cu-first” hybrid bonding process

3 熱壓鍵合和混合鍵合的工藝難點

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驗室階段，需要進(jìn)一步深入對工藝和機(jī)理的探討.與此同時，當(dāng)前這些方法也面臨著共性的工藝難點，包括以下兩方面：

3.1 工藝要求非?？量?/h3>

無論是熱壓鍵合還是混合鍵合方法對待鍵合表面的質(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)過昂貴、復(fù)雜的CMP、飛行切割等整平工藝對待鍵合表面進(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)問題.在低溫互連方面，為了實現(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導(dǎo)致晶圓碎裂或介質(zhì)層開裂、變形等問題，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)鍵合二者常常會相互干擾，需要兼顧兩方面的鍵合要求，對材料、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)近年來發(fā)展迅速，部分混合鍵合技術(shù)已在實際制造中應(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)場合中，晶圓需要切割成單個芯片再鍵合到載板晶圓表面，切割過程中不可避免地會引入微顆粒物等，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，往往來自不同晶圓制造廠商，下游的封裝廠很難說服上游晶圓廠改變制程來適應(yīng)混合鍵合的工藝需求.

4 Cu 納米材料燒結(jié)連接

近年來，基于Cu 納米材料燒結(jié)連接實現(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)程的主要動力，燒結(jié)頸的長大是燒結(jié)過程進(jìn)行的具體表現(xiàn).在燒結(jié)過程中，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.下面分別對這三方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹.

4.2 Cu 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，可實現(xiàn)高密度Cu 納米線凸點的制備.具體工藝流程如圖18 所示：①在對晶圓進(jìn)行厚膠光刻漏出Cu 焊盤，Cu 焊盤作為納米線生長的基底，光刻膠作為納米線定向生長的掩膜；②通過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，整體浸沒到Cu 電鍍液中；④隨后進(jìn)行電鍍工藝，電鍍過程中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；(5)最后去除掩模版，獲得由Cu 納米線構(gòu)成的凸點陣列.

圖18 制備晶圓級窄節(jié)距納米線陣列[55]Fig. 18 Nanowiring of fine pitch pads on a wafer

這種方法可以實現(xiàn)凸點陣列的晶圓級制備，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、壓力條件下實現(xiàn)57.4 MPa的剪切強(qiáng)度，且經(jīng)過1 000 個熱循環(huán)測試(-40～150 ℃)和4 000 h 的HAST 測 試(85 ℃，85%濕度)后剪切強(qiáng)度無明顯下降.

圖19 鍵合前后的Cu 納米線[56]Fig. 19 Cu nanowires before and after bonding. (a)entire wafer covered with Cu nanowires; (b) 5 μm pads with 10 μm pitch; (c) cross sections of about 60 μm and; (d) 10 μm pitch connected with nanowires

4.3 Cu 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[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.

圖20 Cu 納米多孔骨架的圖形化路線[62]Fig. 20 Process flow for fabrication of patterned np-Cu foam films

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/N2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.

圖21 納米多孔骨架的組織形態(tài)[62]Fig. 21 Morphology of dealloyed np-Cu foam film. (a)low magnification; (b) high magnification

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塑性變形彌補(bǔ)基板翹曲以及Cu 柱高度差帶來的不平整度.不過，該工藝制備獲得的Cu 多孔結(jié)構(gòu)中存在一定的Zn 殘余，活潑金屬對長期服役可靠性的影響需要進(jìn)一步研究.

圖22 250 ℃/9 MPa/30 min 燒結(jié)條件下的鍵合界面[62]Fig. 22 Cross-sectional images of the sintered joint under the condition of 250 ℃/9 MPa/30 min

4.4 Cu 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互連層，而先進(jìn)封裝互連的焊點數(shù)量成千上萬.Cu 納米焊膏應(yīng)用于先進(jìn)封裝互連的難點之一是圖形化，即如何制作出大規(guī)模焊點陣列.

圖23 不同互連技術(shù)的示意圖[67]Fig. 23 Schematic of different packaging technology.(a) advanced packaging technology; (b) power device packaging technology

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

圖24 浸蘸轉(zhuǎn)移法進(jìn)行焊膏圖形化[68]Fig. 24 Process sequence of the dipping method. (a)preparation of a Cu ink film; (b) dip into Cu ink film by Cu pillar chip; (c) ink transfer and alignment to substrate; (d) joint formed by nanoparticle sintering

研究人員首先研究了Cu 凸點的輪廓形態(tài)、浸蘸轉(zhuǎn)移的速度、焊膏粘度等對圖形化的影響，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[71].并重點分析了鍵合壓力對界面燒結(jié)組織和性能的影響，結(jié)果如圖25 所示.從圖中可以看到，鍵合壓力對燒結(jié)組織的孔隙率有明顯影響，無壓燒結(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性，易在壓力作用下發(fā)生擠出從而導(dǎo)致相鄰焊點“橋接”，所以該方法在實現(xiàn)窄節(jié)距互連上面臨一定局限性.

圖25 鍵合壓力對接頭組織和剪切強(qiáng)度的影響[71]Fig. 25 Effects of bonding pressure on microstructures and interconnect resistance. (a) microstructures;(b) interconnect resistance

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 納米顆粒與金凸點表面發(fā)生一定程度的預(yù)燒結(jié)，最后將芯片與基板對中鍵合到一起.這種方法最大的問題是納米顆粒粉末與凸點間的結(jié)合很弱，部分凸點上沒有或只有很少的納米顆粒附著.

清華大學(xué)鄒貴生團(tuán)隊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 的凸點被壓縮至約4 μm.與具有流動性的納米焊膏相比，PLD 制備出的納米顆粒為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，因此加壓過程中不易出現(xiàn)溢出導(dǎo)致焊點短路的問題.此外，該方法制備出的凸點具有良好的塑性變形能力和低溫互連性能.未來可繼續(xù)深入對該方法的電學(xué)性能、服役可靠性等方面的研究.

圖26 PLD 制備Cu 納米顆粒用于Cu-Cu 低溫鍵合Fig. 26 Cu nanoparticles fabricated by PLD method for Cu-Cu low-temperature bonding. (a) photoresist; (b) bump array fabricated by PLD method; (c) bump before bonding (about 10 μm height); (d) bump after bonding (about 4μm height)

5 結(jié)論

(1) 隨著主流Sn 基軟釬焊工藝逐漸無法滿足未來先進(jìn)封裝互連的要求，Cu-Cu 鍵合技術(shù)憑借其可實現(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晶粒定向生長、飛行切割、插入式互連結(jié)構(gòu)等方法來提高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)距互連時將Cu-Cu 及介質(zhì)-介質(zhì)分別鍵合起來，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/SiO2、Cu/粘結(jié)劑鍵合兩類，鍵合時工藝要綜合考慮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 互連時也面臨一定挑戰(zhàn).

(5) 近年來，基于納米材料燒結(jié)實現(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，可降低工藝要求.研究人員采用定向生長納米線、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現(xiàn)了焊點圖形化和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，未來繼續(xù)開發(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.