室温下SiCN预键合机制以及低温后退火处理对SiCN/纳米晶-纳米孪晶Cu混合接头性能的影响

《Applied Surface Science》：Mechanisms of room-temperature SiCN pre-bonding and low-temperature post-annealing of SiCN/nanocrystalline-nanotwinned Cu hybrid joints

SiCN/NNT-Cu混合键合技术通过两步等离子体激活和优化热处理工艺，在室温下实现高键合能0.67 J/m2，降低接触电阻至9.2×10?? Ω·cm2，有效解决超精细间距对准问题，为高性能计算和AI应用提供新方案。

　　

何品轩|陈宏英|蒋云伟|高成哲|黄博成|宋冠宇|张鹏毅|邱伟兰|徐慕平|陈冠能|李长春|刘玉兰|陈光宇|陈志

台湾新竹国立阳明交通大学材料科学与工程系，300093

摘要

虽然SiO₂/Cu混合键合在成熟应用中得到广泛采用，但当尺度缩小到超细间距时，会引入由错位引起的泄漏问题，这促使人们将硅碳氮化物（SiCN）/纳米晶-纳米孪晶Cu（NNT-Cu）混合键合作为下一代解决方案。本文阐明了SiCN的键合机制，实现了高达0.67?J/m²的室温（RT）键合能。无需外部压力，采用两步等离子体激活和水润湿处理对室温键合至关重要。电子顺磁共振（EPR）分析表明，尽管SiCN和SiO₂的表面悬挂键密度相似，但由于Si、C和N位点的反应性差异，导致了多种缩合聚合反应的发生，从而增强了键合强度。经过化学机械平坦化（CMP）优化后，制备出了13.1?nm厚的NNT-Cu垫层，其R_q值分别为4.53?nm（NNT-Cu）和0.34?nm（SiCN）。在45 ℃和1?MPa下进行预键合处理，并在150 ℃下进行无压力后退火处理后，获得了9.2?×?10^-9 Ω·cm²的低接触电阻，显示出其在超细间距应用中的潜力。

引言

随着技术创新，混合键合已成为高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和移动处理器等领域中超细间距键合的有前景的解决方案[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。SiO₂/Cu混合键合已在成熟应用中实现大规模生产[7]、[8]。然而，随着焊盘尺寸的不断缩小，错位问题变得更加突出，导致金属焊盘与对侧介质接触时产生不必要的电流泄漏[9]。为了解决这一瓶颈，硅碳氮化物（SiCN）/纳米晶-纳米孪晶Cu（NNT-Cu）混合键合技术成为SiO₂/Cu混合键合的有希望的替代方案，很可能会成为下一代超细间距键合材料[10]、[11]。

SiCN是一种通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[12]制备的无机介电材料。由于其出色的Cu扩散阻挡性能[13]，SiCN能够在室温（RT）下对齐和键合，从而减少加热过程中的热应力引起的晶圆翘曲。此外，SiCN的高室温键合能使其能够承受退火过程中金属焊盘膨胀所产生的拉伸应力[14]、[15]。尽管SiCN具有这些优势，但由于涉及硅醇基团和其他反应性位点的复杂反应，其键合机制尚未完全明了[16]。已知等离子体激活会在SiCN表面生成悬挂键，这些悬挂键经水处理后会转化为硅醇基团。在室温下，这些硅醇基团会发生聚合缩合反应，形成强键，如图1所示。要理解SiCN和SiO₂键合机制之间的差异，需要采用多种表面分析方法，包括润湿角、表面粗糙度、X射线光电子能谱（XPS）、电子顺磁共振（EPR）、透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）；同时还需要通过四点弯曲测试来可靠地测量键合能。这些方法用于验证SiCN的键合机制并优化键合能。

纳米晶-纳米孪晶Cu（NNT-Cu）在先进的混合键合技术中起着关键作用。最近，纳米孪晶Cu被研究作为一种有效的方法来降低3D集成的热预算。例如，具有高度取向表面的垂直纳米孪晶Cu（p-ntCu）在2?MPa压力下，可在200–250 ℃的温度下实现高质量的Cu–Cu直接键合。p-ntCu中的各向异性晶粒生长和晶界迁移有助于消除界面空洞，提高剪切强度和电导率[17]。受这些纳米孪晶Cu键合进展的启发，本研究利用NNT-Cu进一步优化了键合动力学。其独特的结构，包括小晶粒（高晶界密度）和取向的表面（高表面扩散性），促进了Cu–Cu界面处的快速晶粒生长，并在低至150 ℃的温度下增强了键合强度[18]、[19]、[20]、[21]。SiCN具有11?ppm/K的低热膨胀系数（CTE）[22]、高键合能和低退火温度[23]、[24]，与NNT-Cu兼容，在250 ℃以下的温度下退火后能够形成无空洞的键合界面。

在本研究中，通过悬挂键和表面性质的直接证据来研究SiCN的键合机制，以SiO₂作为参考。采用两步等离子体激活处理，随后在45 ℃、1?MPa下用2?μL的水润湿处理10分钟进行预键合。然后在真空环境中于150 ℃下无压力退火30分钟。电性能测量结果显示接触电阻低至9.2?×?10?⁹ Ω·cm²，表明SiCN/NNT-Cu混合键合是下一代应用的有力候选者。

材料与方法

分别使用来自美国俄勒冈州Tualatin的Lam Research Corporation提供的平均厚度为276?nm和480?nm的SiCN和SiO₂覆盖膜，在Si晶圆上沉积，以研究SiCN的键合机制。SiCN薄膜的成分分别为Si：43.2%、C：26.0%、N：29.5%、O：1.3%。采用化学机械平坦化（CMP）将表面粗糙度降至0.19?nm，并暴露新鲜的SiCN表面。晶圆被切割成0.6?×?0.6?cm²、5?×?1 cm²和1.5?×?0.2?cm²的尺寸

两步等离子体处理对润湿性和表面粗糙度的影响

如图5(a)所示，未经处理的SiCN和SiO₂的润湿角分别为46.38°和34.59°。经过单次Ar等离子体处理（20?W，1?min）后，两种介质的润湿角均显著降低至7.28°（SiCN）和6.89°（SiO₂），表明低功率Ar等离子体能有效去除表面弱结合的污染物并激活表面。更重要的是，经过两步（Ar?+?N₂）等离子体处理（20?W，1?min?+?20?W，2?min）后，SiCN和SiO

结论

本研究通过XPS和EPR等分析方法提供了直接证据，证明了各种类型的表面和亚表面悬挂键是SiCN键合机制的关键因素。实现了高达0.67?J/m²的高SiCN-SiCN室温键合能。通过在45 ℃和1?MPa下用2?μL的水润湿处理10分钟进行预键合，随后在真空环境中于150 ℃下无压力退火30分钟，实现了低温和高质量的SiCN/NNT-Cu混合键合。

CRediT作者贡献声明

何品轩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，研究，数据分析，概念化。陈宏英：研究，数据分析。蒋云伟：验证，数据分析。高成哲：资源准备。黄博成：资源准备。宋冠宇：资源准备。张鹏毅：软件支持。邱伟兰：软件支持。徐慕平：数据分析。陈冠能：数据分析。李长春：数据分析。刘玉兰：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了台湾国家科学技术委员会通过T-Star中心项目“未来半导体技术研究中心”（授权号NSTC 114-2634-F-A49-001和114-2923-E-A49-007-MY2）的资助；以及台湾教育部高等教育Sprout项目下的先进半导体技术研究中心的资助；同时还得到了Semiconductor Research Corporation（SRC）的部分支持。作者还感谢[EM025200] FEI 的支持。