基于甲酸预处理的铜－铜低温直接键合的研究

Cu low temperature direct bonding is attracting more and more researchers’ attention recently due to the requirements of higher integrated intensity and higher performance for ICs. However, Cu is easy to be oxidized in air, and surface oxide layer prevents the realization of Cu low temperature direct bonding. In this project, Cu film surface will be treated using formic acid combined Pt catalyst to realize Cu/Cu direct bonding at low temperature (200deg.C). Surface topology, roughness, structure and component of Cu film before and after treatment will be studied, and bonding strength, electrical performance of bonding interface also will be evaluated. The effects of some parameters (for example, temperature of Pt catalyst, formic acid concentration, treatment temperature and treatment time) on surface treatment and bonding quality will be studied to find the relationship of bonding quality and these parameters. Bonding interface will be observed to analyze the structure and component of it. Based on experiment data on surface analysis and bonding interface, the formation of bonding interface will be simulated using atom diffusion theory. The bonding mechanism of Cu low temperature direct bonding also will be explored, which may supply more reliable theoretical foundation for applying this bonding technology to wafer level Cu/Cu low temperature direct bonding in future.

近年来，因为对高集成度及高性能的要求，铜低温直接键合技术被越来越多的研究者关注。但由于在空气中铜表面容易被氧化，形成的氧化层阻碍了铜在低温下的直接键合。本课题将在Pt催化剂作用下，使用甲酸气体对铜薄膜表面进行预处理，然后在低温下（～200度）实现铜－铜直接键合。对处理前后铜膜的表面形貌、粗糙度、表面结构成份等进行分析以及对键合强度、键合界面电性能等进行测量评价。通过对处理前后铜薄膜的表面分析，键合质量的评价等手段来系统地研究Pt催化剂温度、甲酸浓度、表面处理温度、处理时间等工艺参数对铜表面处理及键合质量的影响，给出各种工艺参数与键合质量之间的关系。重点通过对键合界面结构、组成的观察分析，结合处理后铜的表面特征，根据铜原子扩散的理论，对键合界面的形成过程进行模拟，并阐明这种工艺下的铜－铜低温直接键合的机理，为进一步将这种工艺应用到晶圆级的铜－铜低温直接键合提供更可靠的理论依据和基础。

近年来，由于对集成电路的高集成、高性能的要求，铜的低温直接键合技术被越来越多的研究者关注。但由于在空气中铜表面容易被氧化,形成的氧化层阻碍了铜在低温下的直接键合。在本项目中，分别使用甲酸气体和溶液对铜薄膜表面进行预处理，然后在低温下实现铜－同的低温键合。利用甲酸处理后铜薄膜表面被还原，甲酸溶液的还原效果要好于甲酸气体，但是处理后表面粗糙度明显大于甲酸气体处理的铜表面。表面处理后，在200度，1000N压力的条件下铜－铜直接键合被实现。利用甲酸气体处理的键合强度约为18.2MPa，明显大于甲酸溶液处理的键合强度（11.5MPa）。此外，Pt作为催化剂被用来促进甲酸气体的分解，增强还原的效果。使用Pt作为催化剂时，甲酸气体的还原效果要优于没有催化剂时的还原效果。使用Pt催化剂时，铜电极样品在200度被成功键合。键合强度约为40MPa，大于不使用Pt催化剂时的键合强度。利用甲酸气体结合Pt催化剂处理的键合界面接触电阻约为0.17毫欧，没有催化剂的甲酸处理的键合界面接触电阻约为0.28毫欧。这表明使用Pt催化剂的甲酸处理后的铜－铜键合可以取得更好的键合质量。最后，铜－铜键合界面被观察去分析键合的机理。通过测试SEM、TEM测试结果发现利用Pt催化剂处理的铜－铜键合界面主要由铜的纳米颗粒组成，说明Pt催化条件下铜－铜键合主要由界面的铜纳米颗粒在200度时烧结扩散实现的。本项目的研究结果可以应用到ICs和MEMs制造中以提高系统的性能。