哈工大王晨曦JMST：面向高算力芯片超高密度集成的Cu/SiO2共亲水化低温混合键合技术

【背景介绍】

随着物联网、高性能计算等新一代应用的不断涌现，对于多功能芯片的需求愈发强烈。冯·诺伊曼架构下存算分离的物理结构随着信息流量的增长将势必导致存储墙、功耗墙等诸多问题的出现，制约芯片算力的进一步提升。三维集成技术在垂直方向上依靠微凸点结构堆叠芯片能够有效缩短芯片间互连间距，由此建立了基于先进封装延续摩尔定律的新方向。但微凸点所需的较大空间使其难以满足未来超高密度、超细节距互连的需求(<1 µm)。而无凸点的Cu/SiO₂混合键合技术通过平面化Cu电极直接键合代替微凸点，能够将互连节距缩减至1 µm以内，为多功能集成提供了前所未有的可行性和灵活性。Cu/SiO₂混合键合（Hybrid bonding）通常在~400 ℃下实现以保证互连质量，但过高的键合温度会对芯片性能造成恶化。降低键合温度的本质在于控制Cu和SiO₂表面化学状态。然而，Cu-Cu和SiO₂-SiO₂低温键合所需的理想表面状态难以兼容（如无氧化的Cu表面和亲水的SiO₂表面），因此难以通过单一的活化方法直接实现低温混合键合。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室王晨曦教授课题组提出一种共亲水化的表面活化技术来克服上述瓶颈。通过结合等离子体与湿法活化开发Ar/O₂等离子体→氨水(NH₄OH)两步协同活化方式，在Cu和SiO₂混合表面上同时悬挂充足的-OH及-NH₂以实现亲水化，在大气环境中200 ℃下官能团间即可发生脱水聚合反应，结合热压键合过程最终形成牢固连接。对基于共亲水化活化技术得到的混合键合界面力学性能及微观结构进行评价，结果表明Cu-Cu界面强度均高于15 MPa，且无氧化物的界面处发生了充分的晶粒生长与原子扩散。对于SiO₂-SiO₂界面，经Ar/O₂等离子体→NH₄OH活化获得的无中间层SiO₂-SiO₂界面具有优良的稳定性和可靠性。这种共亲水化Cu/SiO₂混合键合技术可能为下一代以数据为中心的应用如感知计算、人工智能等领域带来了新的可能性。

【图文导读】

随着神经网络、高性能计算、物联网等新一代应用的涌现和蓬勃发展，对于芯片功能与算力的需求激增，人类社会已经进入了万物互联，万物智能的新时代。如图1所示，虽然通过缩减芯片制程提升互连密度仍然是众多研究者逐鹿的方向，但芯片三维异质集成技术对于推动算力的不断升级愈发关键。高密度的芯片三维集成依赖于细节距的垂直互连结构，基于Cu/SiO₂混合键合技术能够实现多层芯片的超高密度键合，是目前基于冯·诺依曼架构下缩短片间互连，提升算力与带宽，降低延迟与功耗的关键技术。

图1 Cu/SiO₂混合键合应用前景和现状

为了保护芯片上的温度敏感器件，需要保证混合键合温度低于260℃（接近无铅钎料的回流温度）。一般来说，降低键合温度最重要的前提是保证Cu表面氧化物的充分还原，因此常常采用等离子体活化、湿法处理、金属钝化层沉积等预处理方式结合热压键合，实现无氧化的键合界面。但对于Cu/SiO₂混合键合过程，除了要考虑Cu表面的充分还原还需要同时保证SiO₂表面能的提升，常用的预处理手段因往往只顾及一种表面状态导致活化效果不够理想。本研究开发Ar/O₂等离子体→NH₄OH两步协同活化方案以实现Cu和SiO₂表面的共亲水化。如图2所示为Cu、SiO₂表面以及Cu/SiO₂混合表面活化前后表面微观形貌。Ar等离子体的高能轰击导致Cu表面粒子横向粗化。相比之下，仅浸泡NH₄OH的Cu表面没有观察到表面氧化或平滑。然而，当通过Ar/O₂等离子体活化Cu表面后再进行NH₄OH处理时，可以检测到较为明显的刻蚀作用。对于SiO₂表面，Ar/O₂等离子体处理、NH₄OH浸泡和Ar/O₂→NH₄OH活化均能形成足够光滑的表面，为SiO₂-SiO₂直接结合提供了更大的接触面积。此外，由于化学机械抛光过程所用的抛光剂对于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为30 nm左右的Cu凹陷结构，该结构深度在经过Ar/O₂→NH₄OH活化后略微降低。

图2 Cu/SiO₂混合表面活化前后三维形貌

如图3所示，通过对活化前后Cu和SiO₂表面能进行测试，可以发现经过Ar/O₂等离子体→NH₄OH两步协同活化能够有效地将Cu和SiO₂表面润湿角分别降低至19.6°和2°，证明表面形成了亲水性化学结构。为了进一步明确亲水性结构的化学成分，通过X射线光电子能谱对Cu和SiO₂表面化学状态进行表征。如图4所示，未经处理的Cu表面存在大量氧化并黏附有机污染物，活化后表面有机污染物得以去除，同时在表面引入更多的-OH和-NH₂结构。同样，对于SiO₂表面，其未经活化的表面由Si-O和Si-O-Si结构交替构成，活化后表面Si-O-Si键密度增加的同时表面新形成了-NH₂官能团，与表面能变化结果相吻合，证实了混合表面在经过两步协同活化后均成功构建了亲水性官能团，即表面实现共亲水化。

图3 Cu和SiO₂表面能变化

图4 活化前后表面化学结构XPS分析

图5 Ar/O₂→NH₄OH 获得Cu/SiO₂混合键合界面

作为一种超高密度集成方案，Cu/SiO₂混合键合三维芯片堆叠示意图如图5所示，通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察键合界面，发现原有Cu-Cu键合界面消失，在多晶Cu薄膜内部和界面外发生了大量的晶粒生长。同时结合能谱(EDS)分析，界面处没有氧化物或氮化物残留。Cu-Cu键合界面在亲水官能团的帮助下，通过脱水缩合在200℃下实现无空隙界面。在低温退火过程中，O或N原子进一步扩散到衬底中，形成无氧化的原子级Cu-Cu互连。同时，无中间层的非晶态SiO₂-SiO₂界面结构发生脱水反应，界面无元素富集现象。上述界面观察结果表明经共亲水化技术活化键合的Cu-Cu界面互连无孔洞且发生充分的原子扩散，同时SiO₂-SiO₂界面连接致密且无其他中间层结构。该共亲水化键合方案一方面能够在Cu和SiO₂表面同时构建亲水性的-OH和-NH₂官能团，促进界面低温下闭合；另一方面通过对键合后的样品在250℃下老化100 h评价其界面可靠性，如图6所示，结果表明老化后共亲水化键合界面强度均明显提升，而该课题组前期工作提出的共羟基化键合技术获得的界面因存在碳元素的富集，老化后SiO₂-SiO₂界面强度有所降低，证实了采用无机的氨水溶液避免碳元素在界面的聚集，消除了因元素分解导致界面弱化的隐患。

图6 250℃老化100 h前后同质键合界面强度评价

【总结与展望】

该研究开发出的Ar/O₂等离子体→NH₄OH两步协同活化表面共亲水化技术在不引入额外氧化的前提下，通过在Cu和SiO₂表面同时构建高密度的亲水性-OH及-NH₂，成功在200℃下实现了互连节距为7 µm的Cu/SiO₂混合键合结构。相比热压键合常用的预处理手段，共亲水性活化技术跳出了Cu和SiO₂表面低温键合原理难以兼容的困境。研究结果表明基于该共亲水化活化技术不会恶化混合表面的表面微观形貌，能够在Cu和SiO₂表面同时构建亲水性官能团以改善表面亲水性，且无机溶液的采用保证了SiO₂-SiO₂键合界面无碳元素富集，消除了因元素分解导致界面弱化的隐患，进而改善了SiO₂-SiO₂键合界面质量为混合键合结构提供牢固机械支撑，具备长期服役的可行性。本研究成果有望应用于下一代以数据为中心的高算力、多功能、低延迟、低功耗的芯片架构。

该项研究工作在国家自然科学基金委“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划、国家自然基金面上项目、黑龙江省自然科学基金联合引导项目和黑龙江省头雁团队的资助下完成。在上述项目支持下，王晨曦教授课题组围绕该团队在Cu/SiO₂混合键合领域取得的重要研究进展进一步归纳分析，2023年发表了题为“Recent progress on bumpless Cu/SiO₂hybrid bonding for 3D heterogeneous integration”和“面向三维集成的等离子体活化键合研究进展”的综述论文，分别发表于芯片封装领域期刊《Microelectronics International》及《电子与封装》。论文以基于真空表面活化键合及大气热压键合实现Cu/SiO₂混合键合为主线，涵盖了该团队近年来在该方向的相关核心研究成果，详细阐述和分析了结合不同表面活化方法的热压键合在混合材料体系高密度集成上的应用潜力、优势与局限性，对低温混合键合研究领域的发展现状进行了系统评述，并对金属/介质混合键合的未来发展方向进行了展望。

【第一作者介绍】

康秋实，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院博士研究生，本硕博均就读于哈尔滨工业大学材料学院。研究方向主要包括Cu/SiO₂混合键合实现以存储为中心的芯片架构，晶圆级III-V族化合物半导体低温异质集成等。已发表SCI/EI检索论文9篇，其中以第一作者在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Journal of Materials Science & Technology》、《Ceramic International》等材料科学领域知名期刊发表SCI检索论文7篇。曾获2021年电子封装国际会议(ICEPT)最佳学生论文奖(Best student paper award)。已授权国家发明专利4项（其中一项与华为公司共同申请）；参与国家自然科学基金项目2项，省自然基金及产学研横向项目6项。

【通讯作者介绍】

王晨曦，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，IEEE Senior member。博士毕业于东京大学，曾任JSPS外籍特别研究员，作为主任研究员参与日本滚球体育 振兴机构战略创造推进事业重大项目(JST-CREST)，2014年底回国工作。主要研究方向为晶圆键合、芯片异质集成与封装、医用新材料连接。主持国家自然科学基金3项，省级和产学研横向项目10余项。发表SCI/EI论文110余篇，6篇论文获国际会议最佳论文奖、最佳口头报告奖和杰出论文奖，博士论文获东京大学工学院院长奖；已授权中国和日本发明专利17项。担任IEEE国际集成电路技术与应用学术会议（ICTA）封装分委会主席，电子封装技术国际会议(ICEPT)学术委员会委员，中国机械工程学会焊接分会和极端制造分会委员。教学方面获黑龙江省高校课程思政教学竞赛一等奖，哈工大青年教师研究生课程教学竞赛一等奖，哈工大教学优秀奖一等奖，作为负责人主持承担黑龙江省教研项目2项。

【文章链接】

Kang Q, Li G, Li Z, et al. Surface co-hydrophilization via ammonia inorganic strategy for low-temperature Cu/SiO₂hybrid 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/SiO₂hybrid bonding for 3D heterogeneous integration. Microelectronics International, 2023, 40(2): 115-131. (https://doi.org/10.1108/mi-07-2022-0121)

牛帆帆, 杨舒涵, 康秋实, 王晨曦. 面向三维集成的等离子体活化键合研究进展. 电子与封装, 2023, 23(3): 030105. (https://doi.org/10.16257/j.cnki.1681-1070.2023.0064)（特邀综述）

本文由作者供稿