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硅通孔集成Cu-Cu直接粘接法的界面性能
材料来源:半导体科技           录入时间:2011-6-29 18:16:50

硅通孔集成Cu-Cu直接粘接法的界面性能

概述

我们开发了低温、无缺陷的Cu-Cu直接粘接处理方法,该方法能实现更高的界面粘结能力。各种处理参数下的Cu-Cu粘接法粘合能力与接缝线空隙的定量分析表明,粘结温度和粘接后热处理对粘接性能的影响最大。通过优化实验参数,即便是在较短的时间内,我们也能为后续处理(如磨削)出现足够的界面粘结能力(≥5 J/m2),且无界面接缝线空隙。在250-300区间完成的粘接后热处理能极大地提升界面粘合能力。

Bioh Kim, Thorsten Matthias, Erkan Cakmak, EV GroupTempe, AZ USA ; Eun-Jung Jang, Jae-Won Kim, Young-Bae Park, Andong National University, Korea

硅通孔(TSV)技术的出现意味着在Z轴向堆栈和互连的平面性器件能够实现系统级别的集成。TSV集成使得最小的封装尺寸能实现最高的性能,这主要得益于芯片之间最短、且数量众多的导线。由于CMOS(互补金属氧化物半导体)原件的热预算,与TSV互连CMOS晶片兼容的粘接方法仅仅局限于直接氧粘接、金属粘接(Cu-CuCu-solder-Cu)、粘合剂及上述方法的组合。

在所有方法中,Cu-Cu直接粘接较其他粘接方法有多项优势,包括更低的电阻系数、更高的电迁移耐力,以及大幅降低的导线电阻电容延迟[1-2]。然而,由于Cu-Cu很容易形成自然氧化层,会对设备的稳定性造成巨大的影响,因此,大部分工业应用采用的具有牢固特性的Cu-Cu粘接法需在高温、高压环境中完成,并需要很长的处理时间。就目前来说,高处理温度是制约Cu-Cu直接粘接法广泛应用的瓶颈,因为这样会对设备的稳定性和产量带来负面影响。一般情况下,工业中采用的Cu-Cu粘接过程是在400以上完成的,整个处理时间超过一个小时。

本论文的最终目标是开发出一种可在低温环境中实现的Cu-Cu粘接法,同时保留其强劲的粘合性。在一开始,我们将专注于了解各种处理参数带来的影响,如粘接温度、化学预处理、粘接前的热处理以及粘接后的热处理、界面特性(空隙和缝合线)以及最后的粘合能力。

Cu-Cu直接粘接定量分析

Cu-Cu粘接法的界面粘合能力和界面缝合线空隙的定量分析通过不同的处理参数完成,在定量分析中,4点弯曲法(4-point bending test)被用于测量界面的粘合能力,而聚焦离子束(FIB)则被用于检查界面缝合线空隙。

1.  4点弯曲测试的结构样本

1展示了4点弯曲测试的原理图。在测试中,样本被置于四个负载脚(load pin)之间。硅制样本的底部有一个深度为450µm的刻痕,样本还有一个金刚石叶片,以此在测试过程中同时驱动裂纹扩展。4点弯曲测试的理论基础是断裂力学,其用途是通过测量内部均质材料断裂扩展所需的能量释放率(G),计算薄膜之间的界面粘合能力[3]。样本的夹层结构中有两种弹性材料,而粘合能力则在恒力矩控断裂扩展期间测量,此时断裂扩展与最弱的界面存在于多个层级[4]

界面粘合力G (J/m2)通过以下公式计算:

 

在公式中,v是弹性材料(硅晶片:0.28)的泊松比,E是弹性材料(硅晶片:130GPa的弹性系数,bh分别是样本的宽度(3毫米)和厚度(500µm)),P是实测载荷、L是内外部装载点之间的距离(5毫米)、M是被定义为PL/2的力矩。在试验中,测力传感器为20N,负载速度为0.08µm/s,插脚之间的距离为5毫米。图2展示了4点弯曲测试中Cu粘接层的负载位移曲线。底部显示了界面粘合能力。

2.  4点弯曲测试中Cu粘接层的负载位移曲线

试验参数

我们使用了厚度为500µm、直径为100毫米的隔氧晶片。所有的粘接测试都采用了EVG520粘接器,试验环境为25kN10-3TorrN2在试验之初,真空度保持在10-6Torr,在粘接处理过程开始之前、净化N2的时候,真空层降至10-3Torr

本测试中测量到的处理参数包括:

粘接温度;300350400

化学预处理,稀释的酸(80 vol.%的浓度),151015分钟

粘接前的热处理;合成气体为10020015分钟

粘接后的热处理;N2环境下,60分钟为200250300

 

实验结果与讨论

在所有测试条件中,粘接温度和粘接后的热处理对界面粘合能力和接缝线空隙的形成的影响最大。与之相对的是,在同等条件下,化学预处理和粘接前的热处理的影响要小很多。通过调整上述两项试验参数,即便是在较短的粘合时间内(30分钟),我们也能获得足够的界面粘合能力(≥ 5J/m2),且没有界面空隙。粘接后处理,如磨削,一般至少需要5J/m2的界面粘合能力[5]

粘接温度影响。本实验采用了1.5µm厚、硅(100)/SiO2/Ta(25nm)上的镀溅Cu薄膜。样本既没采用粘接前表面处理,也没采用粘接后热处理。炉身的压力为25kN,粘结时间为30分钟,较一般的Cu-Cu粘接时间(60分钟以上)要短。随着粘接温度的升高,界面粘接能力也随之升高,见3a。当粘接温度达到400的时候,粘接后处理(如磨削)的最低粘结能力(5 J/m2)得以实现。随着粘结温度的升高(3b),最初的粘接界面温度开始消失,随之导致界面粘结能力的增强。所有断裂均发生自Cu-Cu界面。

3. 作为粘结温度函数的界面特性;a)界面粘接能力,b)样本的显微结构

 

粘接后热处理影响。所有粘接测试均在30025kN的环境下进行,时间为30分钟,且未进行过任何化学预处理或粘接前的热处理。这些样本分别在200250300以及N2环境中进行粘接后热处理,时间为60分钟。4a比较了在不同温度中进行热处理的显微结构。在未进行粘接后热处理的情况下,原始界面或大的接缝线与小的空隙一起进行观察,因为这一粘结测试是在非常低的温度环境下完成,且时间较短。当在200环境中采用粘接后热处理方法时,未在界面中观察到任何特性提升的迹象。当在250300环境中进行热处理后,两层之间的界面接缝线明显缩短。这意味着在250-300环境中进行粘接后热处理能帮助Cu在粘接界面扩散,即便粘接是在较低的温度环境中完成(如本实验中的300)。正如4b显示,界面接缝线尺寸的减小以及热处理温度的升高会引起粘结力的增强。在所有情况下,断裂均发生自Cu-Cu界面。

 

4. 作为粘结后热处理温度函数的界面特性;a)界面粘合能力,b)样本显微结构

本实验评估的粘接后热处理条件虽然不足以完全实现两层Cu薄膜之间实现的再结晶反应,但其能够极大地提升界面性能。进一步优化粘接后热处理条件的努力正在进行之中,以试图将Cu-Cu粘接温度降至200以下。如果长时间的粘接后热处理可用于进行批量生产,那么分批热处理方法则可在晶片粘接后使用。

结论

Cu-Cu热压缩粘接法能帮助各种设备实现精密间距、高密度堆积,由此实现更低的电阻和更高的机械强度。在不同的处理条件下,Cu-Cu热压缩粘接法界面粘结能力的定量分析采用了4点弯曲测试,并通过FIB对界面的特性,如间隙和接缝线进行了检查,以此在界面特性和产生的粘合能力之间创建联系。本实验中评估的处理条件包括粘接温度、化学预处理、粘接前的热处理以及粘接后的热处理。

在所有条件中,粘接温度和粘接后的热处理对粘接特性具有最大的影响。通过优化实验参数,即便是在较短的粘合时间内(30分钟),我们也能获得足够的界面粘合能力(≥ 5J/m2),且没有界面空隙。随着粘结温度的升高(300350400),界面粘合能力随之增强,原始粘接界面也开始消失。当粘接后热处理在250300以及N2环境下进行60分钟,即便热压缩粘接在较低的温度下进行(300,都能将界面粘合能力提升三倍以上 (8.87–12.17J/m2)

 

致谢

感谢本论文的合著者:韩国大田韩国机械材料协会(Korea Institute of Machinery & Materials)Seungmin HyunHak-Joo Lee

参考文献

  1. A. Fan, A. Rahman, R. Reif, "Copper Wafer Bonding," Electrochem. and Solid-State Lett., 2, 534 (1999).
  2. S. I. Kim, C. W. Lee, "Nitrogen Impurity Effects of W–B–C–N Quaternary Thin-film for Diffusion Barrier for Cu Metallization," J. Korean Phys. Soc., 50, 489 (2007).
  3. R. Shaviv, S. Toham, P. Woytowitz, "Optimizing the Precision of the Four-point Bend Test for the Measurement of Thin-film Adhesion,, Microelectronic. Eng., 82, 99 (2005).
  4. H. Zhenyu, Z. Suo, X. Guanghai, H. Jun, J. H. Prevost, N. Sukumar, "Initiation and arrest of an interfacial crack in a four-point bend test," Eng. Fracture Mech., 72, 2584 (2005).
  5. R. Tadepalli, Ph. D. Thesis, "characterization and Requirements for Cu-Cu Bonds for Three-dimensional Integrated Circuits," Massachusetts Institute of Technology (2007).

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