BOE濕蝕對(duì)三維集成中銅模式直接鍵界面特性的影響

在本文中，使用緩沖氧化物蝕刻(BOE)溶液進(jìn)行濕法蝕刻以直接鍵合Cu-Cu圖案之后，根據(jù)Cu圖案密度變量在400℃的結(jié)溫下進(jìn)行Cu-Cu鍵合，具有良好的現(xiàn)有Cu-Cu鍵合特性，并且使用4點(diǎn)彎曲測試評(píng)估鍵合特性。

銅-銅圖形直接連接工藝的濕法腐蝕和粘接工藝示意圖，如1所示，在8英寸硅晶片（725μm）上，利用厚度為700納米的SiO2，Cu寬度為30μm，間距分別為100、300、500μm的掩膜進(jìn)行修飾后，將Ti沉積為30納米厚，在Ti層上用DC磁控管沖刷沉積Cu 700納米，然后用CMP工藝去除了200納米厚的Cu。將完成蝕刻工藝的兩個(gè)晶片彼此面對(duì)地疊加，并移動(dòng)到MicroTec SB8e鍵合機(jī)，然后在N2氣體氣氛中，在400℃的溫度和25 kN的壓力下，執(zhí)行Cu-Cu熱卷曲鍵合60分鐘，接合完成的晶片使用超聲波探傷設(shè)備確認(rèn)晶片的整體接合狀態(tài)后，為了進(jìn)行4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，從沖壓設(shè)備到鉆石刀片進(jìn)行了30 mm × 3 mm大小的雕刻。

實(shí)驗(yàn)中使用的稱重傳感器為20 N，加載速度為4.8 μm/min，引腳之間的距離為5 mm。使用CCD照相機(jī)實(shí)時(shí)觀察在4點(diǎn)彎曲測試期間裂紋發(fā)展的時(shí)刻，4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是一種破壞性動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法，通過假設(shè)單一材料并測量材料內(nèi)部裂紋通過線性破壞性動(dòng)力學(xué)發(fā)展所需的能量釋放率(G )來測量膜間串聯(lián)接合能量。

為了了解接合前BOE濕式蝕刻后Cu表面的殘留物或氧化膜是否有效去除，進(jìn)行了XPS分析，在圖2中顯示了表面的寬PIK結(jié)果。未進(jìn)行濕式蝕刻的試驗(yàn)篇和BOE濕式蝕刻的試驗(yàn)篇均在寬皮克中檢測到Si、C、O Cu，BOE兩分鐘蝕刻后表面的C可以確認(rèn)減少，但O在蝕刻后也無法觀察到變化，因此通過Cu2P PIK的高斯皮克分離，表現(xiàn)出存在于CU表面的化學(xué)結(jié)合。與未進(jìn)行濕蝕刻處理的測試樣品相比，濕蝕刻后CuO、Cu(OH)2和Cu2O減少，因此判斷在進(jìn)行濕蝕刻的測試樣品的Cu表面上將存在相對(duì)較薄的氧化膜層。

BOE濕法蝕刻2分鐘后，使用掃描聲學(xué)斷層掃描儀(SAT或SAM)對(duì)晶片進(jìn)行Cu膜/Cu圖案鍵合，以檢查晶片的整體鍵合狀態(tài)，深色部分是銜接好的部分，淺色部分是銜接不好的部分，晶片的邊緣接合良好，但中心部分接合不良。

為了評(píng)估4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的定量傳遞和能量，用宜興設(shè)備雕刻成30 mm × 3 mm尺寸的試驗(yàn)碎片照片，與SAT設(shè)備確認(rèn)的結(jié)果相似，晶片的中心部分具有弱的接合界面，這在切割過程中引起剝離，BOE濕法腐蝕后銅膜/銅圖形結(jié)的SEM圖像中均觀察到原始接合界面清晰可見且未正確結(jié)合。

上圖顯示出在Cu膜/ Cu圖案熱擠壓接合之前，在用BOE溶液在25℃濕蝕刻2分鐘之后，使用Cu膜/ Cu圖案測試樣品的4點(diǎn)彎曲測試方法的測量結(jié)果，以確定根據(jù)Cu圖案密度的Cu接合的面間總能量的變化。對(duì)于在圖案密度為0.06、0.09和0.23的條件下測量的測試的組合能量，Cu分別測量為4.52、5.06和3.42 J/m2。當(dāng)銅鍵合后的互鎖能小于或等于5 J/m2時(shí)，在后續(xù)工藝中會(huì)發(fā)生開裂或破壞，在這項(xiàng)研究中，0.06、0.09和0.23的圖案密度都顯示出低于5 J/m2的值。

使用SEM分析了分離截面，所有三種圖案密度都表明在兩側(cè)都檢測到了Cu，并且在Cu-Cu之間發(fā)生了剝離，這些結(jié)果是，在CMP過程中發(fā)生的凹陷和腐蝕現(xiàn)象沒有正確地完成結(jié)合，或者另外，在BOE濕法蝕刻之后，微量地去除了Cu表面的氧化膜，但是Cu-Cu熱壓結(jié)合沒有破壞Cu表面的氧化膜層，并且沒有提供足夠的活化能來實(shí)現(xiàn)相互擴(kuò)散，因此結(jié)合不完美，并且沒有顯示出根據(jù)圖案密度的效果。

對(duì)于Cu-Cu圖形直接鍵合，在Cu膜/ Cu圖形熱壓鍵合之后，通過Cu結(jié)的中繼接頭的4點(diǎn)彎曲測試方法，定量評(píng)估了不同圖形密度的影響，Cu膜/ Cu圖案觀察到，在熱壓結(jié)合之前的BOE濕法蝕刻之后，一些Cu表面氧化物膜被去除。然而在用BOE濕法蝕刻2分鐘后，400℃的溫度下進(jìn)行60分鐘的Cu-Cu熱壓結(jié)合導(dǎo)致在結(jié)的微結(jié)構(gòu)中存在原始的Cu界面，而與圖案密度無關(guān)。在測量4點(diǎn)彎曲測試方法和海結(jié)的界面能之后，不管圖案密度如何，在Cu-Cu界面處發(fā)生分離，測得的互準(zhǔn)能量值為4.33±0.84J/m2，并且沒有發(fā)現(xiàn)互準(zhǔn)能量值根據(jù)圖案密度的顯著差異。這些結(jié)果表明，殘留在銅表面的氧化膜干擾了銅的相互擴(kuò)散。

在該研究中，使用BOE濕法蝕刻在測試樣品上執(zhí)行Cu膜/ Cu圖案鍵合，但是為了根據(jù)圖案密度和Cu-Cu直接鍵合的質(zhì)量來改善效果，在BOE濕法蝕刻之后需要額外的Cu表面預(yù)處理工藝。因此，將來有必要通過精確測量和界面分析來評(píng)估濕法預(yù)處理(如H2SO4)后的Cu-Cu熱壓結(jié)樣品。

? ? ? ?審核編輯：湯梓紅