哈工大王晨曦JMST：面向高算力芯片超高密度集成的Cu/SiO2共親水化低溫混合鍵合技術

【背景介紹】

隨著物聯網、高性能計算等新一代應用的不斷涌現，對于多功能芯片的需求愈發強烈。馮·諾伊曼架構下存算分離的物理結構隨著信息流量的增長將勢必導致存儲墻、功耗墻等諸多問題的出現，制約芯片算力的進一步提升。三維集成技術在垂直方向上依靠微凸點結構堆疊芯片能夠有效縮短芯片間互連間距，由此建立了基于先進封裝延續摩爾定律的新方向。但微凸點所需的較大空間使其難以滿足未來超高密度、超細節距互連的需求(<1 μm)。而無凸點的Cu/SiO₂混合鍵合技術通過平面化Cu電極直接鍵合代替微凸點，能夠將互連節距縮減至1 μm以內，為多功能集成提供了前所未有的可行性和靈活性。Cu/SiO₂混合鍵合（Hybrid bonding）通常在~400 ℃下實現以保證互連質量，但過高的鍵合溫度會對芯片性能造成惡化。降低鍵合溫度的本質在于控制Cu和SiO₂表面化學狀態。然而，Cu-Cu和SiO₂-SiO₂低溫鍵合所需的理想表面狀態難以兼容（如無氧化的Cu表面和親水的SiO₂表面），因此難以通過單一的活化方法直接實現低溫混合鍵合。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室王晨曦教授課題組提出一種共親水化的表面活化技術來克服上述瓶頸。通過結合等離子體與濕法活化開發Ar/O₂等離子體→氨水(NH₄OH)兩步協同活化方式，在Cu和SiO₂混合表面上同時懸掛充足的-OH及-NH₂以實現親水化，在大氣環境中200 ℃下官能團間即可發生脫水聚合反應，結合熱壓鍵合過程最終形成牢固連接。對基于共親水化活化技術得到的混合鍵合界面力學性能及微觀結構進行評價，結果表明Cu-Cu界面強度均高于15 MPa，且無氧化物的界面處發生了充分的晶粒生長與原子擴散。對于SiO₂-SiO₂界面，經Ar/O₂等離子體→NH₄OH活化獲得的無中間層SiO₂-SiO₂界面具有優良的穩定性和可靠性。這種共親水化Cu/SiO₂混合鍵合技術可能為下一代以數據為中心的應用如感知計算、人工智能等領域帶來了新的可能性。

【圖文導讀】

隨著神經網絡、高性能計算、物聯網等新一代應用的涌現和蓬勃發展，對于芯片功能與算力的需求激增，人類社會已經進入了萬物互聯，萬物智能的新時代。如圖1所示，雖然通過縮減芯片制程提升互連密度仍然是眾多研究者逐鹿的方向，但芯片三維異質集成技術對于推動算力的不斷升級愈發關鍵。高密度的芯片三維集成依賴于細節距的垂直互連結構，基于Cu/SiO₂混合鍵合技術能夠實現多層芯片的超高密度鍵合，是目前基于馮·諾依曼架構下縮短片間互連，提升算力與帶寬，降低延遲與功耗的關鍵技術。

圖1 Cu/SiO₂混合鍵合應用前景和現狀

為了保護芯片上的溫度敏感器件，需要保證混合鍵合溫度低于260℃（接近無鉛釬料的回流溫度）。一般來說，降低鍵合溫度最重要的前提是保證Cu表面氧化物的充分還原，因此常常采用等離子體活化、濕法處理、金屬鈍化層沉積等預處理方式結合熱壓鍵合，實現無氧化的鍵合界面。但對于Cu/SiO₂混合鍵合過程，除了要考慮Cu表面的充分還原還需要同時保證SiO₂表面能的提升，常用的預處理手段因往往只顧及一種表面狀態導致活化效果不夠理想。本研究開發Ar/O₂等離子體→NH₄OH兩步協同活化方案以實現Cu和SiO₂表面的共親水化。如圖2所示為Cu、SiO₂表面以及Cu/SiO₂混合表面活化前后表面微觀形貌。Ar等離子體的高能轟擊導致Cu表面粒子橫向粗化。相比之下，僅浸泡NH₄OH的Cu表面沒有觀察到表面氧化或平滑。然而，當通過Ar/O₂等離子體活化Cu表面后再進行NH₄OH處理時，可以檢測到較為明顯的刻蝕作用。對于SiO₂表面，Ar/O₂等離子體處理、NH₄OH浸泡和Ar/O₂→NH₄OH活化均能形成足夠光滑的表面，為SiO₂-SiO₂直接結合提供了更大的接觸面積。此外，由于化學機械拋光過程所用的拋光劑對于Cu和SiO₂表面去除速率不同，Cu/SiO₂混合表面不可避免地形成深度為30 nm左右的Cu凹陷結構，該結構深度在經過Ar/O₂→NH₄OH活化后略微降低。

圖2 Cu/SiO₂混合表面活化前后三維形貌

如圖3所示，通過對活化前后Cu和SiO₂表面能進行測試，可以發現經過Ar/O₂等離子體→NH₄OH兩步協同活化能夠有效地將Cu和SiO₂表面潤濕角分別降低至19.6°和2°，證明表面形成了親水性化學結構。為了進一步明確親水性結構的化學成分，通過X射線光電子能譜對Cu和SiO₂表面化學狀態進行表征。如圖4所示，未經處理的Cu表面存在大量氧化并黏附有機污染物，活化后表面有機污染物得以去除，同時在表面引入更多的-OH和-NH₂結構。同樣，對于SiO₂表面，其未經活化的表面由Si-O和Si-O-Si結構交替構成，活化后表面Si-O-Si鍵密度增加的同時表面新形成了-NH₂官能團，與表面能變化結果相吻合，證實了混合表面在經過兩步協同活化后均成功構建了親水性官能團，即表面實現共親水化。

圖3 Cu和SiO₂表面能變化

圖4 活化前后表面化學結構XPS分析

圖5 Ar/O₂→NH₄OH 獲得Cu/SiO₂混合鍵合界面

作為一種超高密度集成方案，Cu/SiO₂混合鍵合三維芯片堆疊示意圖如圖5所示，通過掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察鍵合界面，發現原有Cu-Cu鍵合界面消失，在多晶Cu薄膜內部和界面外發生了大量的晶粒生長。同時結合能譜(EDS)分析，界面處沒有氧化物或氮化物殘留。Cu-Cu鍵合界面在親水官能團的幫助下，通過脫水縮合在200℃下實現無空隙界面。在低溫退火過程中，O或N原子進一步擴散到襯底中，形成無氧化的原子級Cu-Cu互連。同時，無中間層的非晶態SiO₂-SiO₂界面結構發生脫水反應，界面無元素富集現象。上述界面觀察結果表明經共親水化技術活化鍵合的Cu-Cu界面互連無孔洞且發生充分的原子擴散，同時SiO₂-SiO₂界面連接致密且無其他中間層結構。該共親水化鍵合方案一方面能夠在Cu和SiO₂表面同時構建親水性的-OH和-NH₂官能團，促進界面低溫下閉合；另一方面通過對鍵合后的樣品在250℃下老化100 h評價其界面可靠性，如圖6所示，結果表明老化后共親水化鍵合界面強度均明顯提升，而該課題組前期工作提出的共羥基化鍵合技術獲得的界面因存在碳元素的富集，老化后SiO₂-SiO₂界面強度有所降低，證實了采用無機的氨水溶液避免碳元素在界面的聚集，消除了因元素分解導致界面弱化的隱患。

圖6 250℃老化100 h前后同質鍵合界面強度評價

【總結與展望】

該研究開發出的Ar/O₂等離子體→NH₄OH兩步協同活化表面共親水化技術在不引入額外氧化的前提下，通過在Cu和SiO₂表面同時構建高密度的親水性-OH及-NH₂，成功在200℃下實現了互連節距為7?μm的Cu/SiO₂混合鍵合結構。相比熱壓鍵合常用的預處理手段，共親水性活化技術跳出了Cu和SiO₂表面低溫鍵合原理難以兼容的困境。研究結果表明基于該共親水化活化技術不會惡化混合表面的表面微觀形貌，能夠在Cu和SiO₂表面同時構建親水性官能團以改善表面親水性，且無機溶液的采用保證了SiO₂-SiO₂鍵合界面無碳元素富集，消除了因元素分解導致界面弱化的隱患，進而改善了SiO₂-SiO₂鍵合界面質量為混合鍵合結構提供牢固機械支撐，具備長期服役的可行性。本研究成果有望應用于下一代以數據為中心的高算力、多功能、低延遲、低功耗的芯片架構。

該項研究工作在國家自然科學基金委“后摩爾時代新器件基礎研究”重大研究計劃、國家自然基金面上項目、黑龍江省自然科學基金聯合引導項目和黑龍江省頭雁團隊的資助下完成。在上述項目支持下，王晨曦教授課題組圍繞該團隊在Cu/SiO₂混合鍵合領域取得的重要研究進展進一步歸納分析，2023年發表了題為“Recent progress on bumpless Cu/SiO₂?hybrid bonding for 3D heterogeneous integration”和“面向三維集成的等離子體活化鍵合研究進展”的綜述論文，分別發表于芯片封裝領域期刊《Microelectronics International》及《電子與封裝》。論文以基于真空表面活化鍵合及大氣熱壓鍵合實現Cu/SiO₂混合鍵合為主線，涵蓋了該團隊近年來在該方向的相關核心研究成果，詳細闡述和分析了結合不同表面活化方法的熱壓鍵合在混合材料體系高密度集成上的應用潛力、優勢與局限性，對低溫混合鍵合研究領域的發展現狀進行了系統評述，并對金屬/介質混合鍵合的未來發展方向進行了展望。

【第一作者介紹】

康秋實，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院博士研究生，本碩博均就讀于哈爾濱工業大學材料學院。研究方向主要包括Cu/SiO₂混合鍵合實現以存儲為中心的芯片架構，晶圓級III-V族化合物半導體低溫異質集成等。已發表SCI/EI檢索論文9篇，其中以第一作者在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Ceramic?International》等材料科學領域知名期刊發表SCI檢索論文7篇。曾獲2021年電子封裝國際會議(ICEPT)最佳學生論文獎(Best student paper award)。已授權國家發明專利4項（其中一項與華為公司共同申請）；參與國家自然科學基金項目2項，省自然基金及產學研橫向項目6項。

【通訊作者介紹】

王晨曦，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，IEEE Senior member。博士畢業于東京大學，曾任JSPS外籍特別研究員，作為主任研究員參與日本科技振興機構戰略創造推進事業重大項目(JST-CREST)，2014年底回國工作。主要研究方向為晶圓鍵合、芯片異質集成與封裝、醫用新材料連接。主持國家自然科學基金3項，省級和產學研橫向項目10余項。發表SCI/EI論文110余篇，6篇論文獲國際會議最佳論文獎、最佳口頭報告獎和杰出論文獎，博士論文獲東京大學工學院院長獎；已授權中國和日本發明專利17項。擔任IEEE國際集成電路技術與應用學術會議（ICTA）封裝分委會主席，電子封裝技術國際會議(ICEPT)學術委員會委員，中國機械工程學會焊接分會和極端制造分會委員。教學方面獲黑龍江省高校課程思政教學競賽一等獎，哈工大青年教師研究生課程教學競賽一等獎，哈工大教學優秀獎一等獎，作為負責人主持承擔黑龍江省教研項目2項。

【文章鏈接】

Kang Q, Li G, Li Z, et al. Surface co-hydrophilization via ammonia inorganic strategy for low-temperature Cu/SiO₂?hybrid bonding. Journal of Materials Science & Technology, 2023, 149: 161-166.?(https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.12.012)

Li, G, Kang, Q, Niu, F, & Wang, C. Recent progress on bumpless Cu/SiO₂?hybrid bonding for 3D heterogeneous integration.?Microelectronics International, 2023, 40(2): 115-131. (https://doi.org/10.1108/mi-07-2022-0121)

牛帆帆, 楊舒涵, 康秋實, 王晨曦. 面向三維集成的等離子體活化鍵合研究進展. 電子與封裝, 2023, 23(3): 030105.?(https://doi.org/10.16257/j.cnki.1681-1070.2023.0064)（特邀綜述）

本文由作者供稿

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