應(yīng)用于3D集成的Cu--Sn固態(tài)擴(kuò)散鍵合技術(shù)研究.pdf

1、3D集成技術(shù)由于具有小尺寸、低功耗、高帶寬和異質(zhì)集成等特點(diǎn)，已成為延續(xù)“摩爾定律”的重要手段之一。而晶圓間或芯片間的垂直互連則是實(shí)現(xiàn)3D集成的關(guān)鍵技術(shù)，它可通過(guò)各種鍵合方法加以實(shí)現(xiàn)。隨著有關(guān)可靠性和集成度的要求不斷提升，低溫、窄節(jié)距的鍵合將是未來(lái)3D集成的一大發(fā)展趨勢(shì)?；诔杀竞图嫒菪缘目紤]，Cu和Sn是鍵合的主要材料體系，而常規(guī)的Cu-Sn鍵合采用固液互擴(kuò)散(Solid-Liquid-Interiffusion，SLID)技術(shù)完成垂直

2、互連，但Cu-Sn SLID鍵合極易發(fā)生Sn的“外溢”并導(dǎo)致相鄰?fù)裹c(diǎn)的短路。因此，將鍵合溫度降至Sn的熔點(diǎn)(232℃)以下甚至低于Cu-Sn的共晶溫度(227℃)是非常必要的，相應(yīng)的低溫(150℃-220℃)Cu-Sn固態(tài)擴(kuò)散(Solid-State-Diffusion，SSD)鍵合將可有效避免Sn的“外溢”現(xiàn)象并利于凸點(diǎn)節(jié)距的縮小，但是低的鍵合溫度卻直接降低了原子擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。同時(shí)，Cu和Sn表面生成的薄氧化層也阻礙了它們之間的反應(yīng)，

3、因此，鍵合前表面預(yù)處理對(duì)于完成高質(zhì)量，的Cu-Sn SSD互連將變得尤為重要。
　　本文首先利用高效率、低成本的電鍍工藝制作了窄節(jié)距的微凸點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于Ar(5％H2)等離子體的預(yù)處理技術(shù)，并開(kāi)展了低溫Cu-Sn SSD鍵合技術(shù)研究。同時(shí)，通過(guò)開(kāi)發(fā)等離子體聯(lián)合自組裝單分子層(Self-Assembled Monolayer，SAM)的復(fù)合預(yù)處理技術(shù)，有效增加了存儲(chǔ)時(shí)間、縮短了鍵合時(shí)間及提高了鍵合強(qiáng)度。最后，針對(duì)低溫Cu-Sn SS

4、D鍵合相關(guān)的理論進(jìn)行了研究。主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　1、窄節(jié)距微凸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與制作技術(shù)研究。根據(jù)測(cè)試目的，設(shè)計(jì)了布局為四周雙排陣列模式的微凸點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)Cu和Sn的最優(yōu)厚度、電鍍Cu和Sn的電流密度以及厚膠光刻的曝光時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。制作之后的測(cè)量結(jié)果表明，凸點(diǎn)的表面比較光亮、平整，凸點(diǎn)的節(jié)距約為20μm，Cu和Sn的厚度分別為4.9μm和2.9μm，且頂層晶圓(Cu/Sn)和底層晶圓(Cu)的凸點(diǎn)的

5、一致性偏差僅為2.36％和3.17％。因此，經(jīng)優(yōu)化的工藝制作，獲得了粗糙度低、一致性好的微凸點(diǎn)，滿足了Cu-Sn鍵合的要求。
　　2、微凸點(diǎn)表面Ar(5％ H2)等離子體預(yù)處理研究。首先，采用俄歇電子能譜(AES)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)及接觸角(Contact Angle，CA)測(cè)試儀等表面表征方法對(duì)等離子體預(yù)處理工藝進(jìn)行了研究。然后，通過(guò)對(duì)處理結(jié)果的理論分析表明，優(yōu)化的等離子體預(yù)處理可有效移除電鍍C

6、u的表面氧化層、平坦化并激活電鍍Cu的表面以及抑制氧的進(jìn)一步吸附。與此同時(shí)，對(duì)電鍍Sn的表面也產(chǎn)生了近似的效果。最后，優(yōu)化的等離子體預(yù)處理作用于微凸點(diǎn)表面，使低溫Cu-Sn鍵合獲得了無(wú)空洞的鍵合界面，同時(shí)剪切強(qiáng)度也得到了提高。
　　3、低溫Cu-Sn SSD鍵合技術(shù)研究。鍵合包括預(yù)鍵合和退火兩個(gè)階段。結(jié)合前述的表面預(yù)處理技術(shù)，在200℃、6.7MPa、60min、10-5mbar(10-3Pa)的預(yù)鍵合條件下實(shí)現(xiàn)了Cu-Sn的SS

7、D鍵合，并利用配置了EDS的SEM、剪切測(cè)試儀及四探針臺(tái)對(duì)鍵合界面微觀結(jié)構(gòu)、鍵合強(qiáng)度及通道電阻進(jìn)行了評(píng)估。預(yù)鍵合界面未發(fā)生Sn的“外溢”現(xiàn)象，且由Cu/Cu3 Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu五層結(jié)構(gòu)構(gòu)成;而經(jīng)200℃、60min的充分退火之后，最終形成了穩(wěn)定的三層結(jié)構(gòu)—Cu/Cu3Sn/Cu，相應(yīng)的平均鍵合強(qiáng)度已達(dá)11.4MPa，菊花鏈電阻的測(cè)量值也與理論值在同一數(shù)量級(jí)。同時(shí)，該互連結(jié)構(gòu)也通過(guò)了熱循環(huán)(ThermalCycling

8、，TC)可靠性測(cè)試及電遷移(Electromigration，EM)可靠性測(cè)試。這些研究結(jié)果表明，依靠SSD技術(shù)完成的低溫Cu-Sn鍵合已獲得了高質(zhì)量的互連性能，將有利于未來(lái)高密度3D集成的實(shí)現(xiàn)。
　　4、改進(jìn)低溫Cu-Sn鍵合的研究。針對(duì)Cu凸點(diǎn)表面易發(fā)生二次氧化、二次污染的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新型復(fù)合預(yù)處理技術(shù)，即等離子體聯(lián)合SAM的方法，并采用等離子體預(yù)處理中相同的表征方法對(duì)復(fù)合預(yù)處理進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化的復(fù)合預(yù)處理可將電

9、鍍Cu的表面氧含量降至極低的水平，且SAM層可有效保護(hù)潔凈的電鍍Cu的表面，有利于延長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間。隨之，低溫Cu-Sn鍵合也在較短的時(shí)間內(nèi)(30min)得到了實(shí)現(xiàn)，一方面SEM分析顯示了良好的鍵合界面，另一方面剪切分析顯示了超高的鍵合強(qiáng)度(約70MPa)。這些研究結(jié)果表明，通過(guò)必要的改進(jìn)措施，低溫Cu-Sn鍵合的性能得到了有效提升。
　　5、低溫Cu-Sn鍵合基本理論的研究。通過(guò)SEM分析鍵合過(guò)程中有關(guān)金屬間化合物(IMC)的形成、

10、生長(zhǎng)及演化，并分析了凸點(diǎn)尺寸縮小所產(chǎn)生的效應(yīng)。室溫條件下已可形成Cu6Sn5相，且其成核是一隨機(jī)過(guò)程;Cu6Sn5相的生長(zhǎng)以消耗純Sn相為基礎(chǔ)，即6Cu+5Sn→Cu6Sn5，而Cu3Sn的生長(zhǎng)以消耗Cu6Sn5相為基礎(chǔ)，即Cu6Sn5+9Cu→5Cu3Sn，且Cu3Sn的形貌較“扇貝”狀的Cu6Sn5更加平整，同時(shí)，在200℃的低溫情況下，這兩種IMC的生長(zhǎng)仍主要受晶格擴(kuò)散機(jī)制控制;存在于Cu/Cu3Sn界面的柯肯達(dá)爾空洞與Cu6Sn