【摘 要】
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随着半导体技术日新月异,如何超越摩尔定律越来越受到我们关注。而三维封装技术是超越摩尔定律的重要技术,3D封装技术是通过将各种材料,技术和功能组件垂直堆叠并连接在一起而形成高度集成的系统。为了追求互联节距更小、密度更高的三维封装,3D混合键合应运而生,而Cu/SiO2混合键合技术更是目前半导体业界竞争的焦点,为了实现Cu-SiO2的混合键合,我们需要兼容Cu-Cu和SiO2--SiO2的键合工艺,而
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目（51975151）; 黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2019E041）; 黑龙江省头雁团队
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随着半导体技术日新月异,如何超越摩尔定律越来越受到我们关注。而三维封装技术是超越摩尔定律的重要技术,3D封装技术是通过将各种材料,技术和功能组件垂直堆叠并连接在一起而形成高度集成的系统。为了追求互联节距更小、密度更高的三维封装,3D混合键合应运而生,而Cu/SiO2混合键合技术更是目前半导体业界竞争的焦点,为了实现Cu-SiO2的混合键合,我们需要兼容Cu-Cu和SiO2--SiO2的键合工艺,而相关公司对此工艺严格保密。而本文的目的就是为开发一种低温Cu/SiO2混合键合工艺。本文采用一种氨水辅助键合低温混合键合工艺来实现Cu/SiO2的混合键合。对于Cu晶片来说,氨水的引入会与Cu晶片进行化学反应,可以溶解CuO和Cu（OH）2,并使得表面化学结构发生变化;而等离子体由对Cu晶片存在着轰击作用,同时让Cu晶片表面具备了更高的能量。通过SAM（Scanning Acoustic Microscope）,又称SAT、SEM（Scanning electron microscopy,）以及拉伸实验对Cu-Cu键合质量进行表征,SAT结果显示键合样品键合面积接近100%;SEM显示Cu-Cu界面连接致密,不存在任何裂纹和分层现象;拉伸强度的测试表明,当采用Ar+2min的氨水辅助活化方式时,界面强度达到8.8MPa。对于SiO2-SiO2来说,氨水的作用是非化学性的,作为无机溶液的氨水可以去除SiO2晶片表面的氧化膜而没有任何残留,同时氨水中的游离-OH可以与Si原子形成Si-OH,这有利于SiO2的亲水性键合的实现;等离子体对于SiO2晶片造成的结果与氨水类似,但其作用机理不尽相同,等离子体通过物理轰击作用去除SiO2晶片表面的氧化物,同时高能粒子的相互碰撞使得SiO2晶片表面原子具有更高的活化能,更易处于不稳定状态,因此更容易吸附-OH,从而形成亲水性的Si-OH。采用氨水辅助活化低温混合键合工艺,本文获得了良好的Cu/SiO2混合键合样品,SAT显示Cu/SiO2混合键合样品键合面积良好,SEM显示Cu/SiO2混合键合界面无论是Cu-Cu、SiO2-SiO2同质界面还是Cu-SiO2异质界面,界面处都不存在任何缺陷和分层现象。对Cu/SiO2混合键合过程进行模型的构建和机理的分析,氨水活化处理以及Ar等离子体的加入协同增强了SiO2表面的-OH密度,使得其亲水性键合倾向增强,而对于Cu-Cu键合来说。氨水的活化和Ar等离子体的加入去除了Cu表面的氧化膜和污染物,同时提高了Cu原子的活化能,增强了Cu原子扩散倾向,最终在热压键合及退火强化过程中完成可靠键合。
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