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基於鈍化層技術之低溫銅對銅直接接合技術開發

為了解決type-c轉pd快充線的問題，作者劉德民 這樣論述：

本論文針對三維積體電路之銅對銅直接接合技術進行了深入的研究與探討。基於金屬鈍化層技術開發，可以將傳統銅對銅直接接合溫度從400℃降低至150℃以下。同時針對接合原理進行深入研究，提出了金屬鈍化層選擇方式。在該技術的基礎之上，針對不同鈍化層材料特性，提出增加金屬潤濕層，從而進一步降低接合溫度至80℃以下直至室溫。除此之外，結合介電層接合技術，成功開發銅與高分子以及銅與二氧化矽低溫混合接合技術。隨著半導體產業技術的不斷發展，電晶體密度快速增加，隨之而來的是金屬互聯引線的佈局複雜度與電容電阻延遲呈指數增加。因此，金屬互聯引線已經成為限制晶片性能進一步提升的主要因素。為解決這一問題，透過晶片堆疊技術

，實現線路垂直互連，從而大幅度縮短金屬互聯引線長度，降低電容電阻延遲的三維積體電路技術應運而生。在所有常用金屬互連引線之中，銅憑藉其優異的導熱性，電阻率，抗電遷移能力以及耐腐蝕性，成為首選材料。然而由於銅金屬化學性質較為活潑，在大氣環境下表面會形成一層氧化薄膜，從而大幅增加銅直接接合製程所需的溫度與時間。本論文提出使用金屬鈍化層技術，在銅金屬表面形成化學性質穩定的金屬材料。透過這一結構，保護內部銅不會被氧化，從而實現金屬銅的低溫接合。本論文更進一步探討鈍化層接合技術與傳統熱壓接合技術的差異，分析鈍化層材料的功能特性。針對不同鈍化層的材料擴散特性，透過挑選與銅的互擴散係數大於銅本身自擴散係數的材

料，從而實現加速銅原子擴散的目的，進而達成更低的接合溫度。另一方面，熱壓接合的接合品質與接合表面狀況息息相關，例如，更平整的表面有助於更多接點的形成，更小的晶格尺寸有利於界面晶格的快速成長。因此在鈍化層技術的基礎之上，本論文根據不同鈍化層材料在銅表面沉積特性不同，針對性提出增加一層超薄金屬潤濕層，夾在銅與鈍化層之間。透過鈍化層與潤濕層的不同附著特性，改善鈍化層金屬沉積品質，實現更平整的接合界面，更小的表面晶格尺寸，進而更進一步的提升鈍化層接合品質並降低接合溫度，實現低於80℃的超低溫銅金屬直接接合技術開發。金屬凸塊垂直堆疊技術會導致金屬接點裸露在空氣之中，從而帶來可靠性的顧慮。常用的解決方法是

底部填充技術，針對金屬接點空隙進行填補，從而實現保護接點，增加接合強度等效果。然而，隨著接點尺寸縮小，底部填充技術遇到發展瓶頸。因此利用金屬/介電層混合結構，同時完成兩種不同材料接合的混合接合技術，是次世代接合技術的主要發展方向。本論文基於鈍化層技術，結合金屬/介電層混合結構，實現低溫金屬/鈍化層混合接合技術開發。在介電層的選擇上，有機高分子材料憑藉其出色的延展性，可塑性等高容錯率的特性，首先被開發出作為混合接合技術材料。然而，聚醯亞胺、環氧樹脂、苯並環丁烯等材料的固化溫度，玻璃轉化溫度，以及相應接合溫度都需要180℃以上，因此不適合超低溫混合接合技術開發。與此同時，二氧化矽、氧化氮、碳氮化矽

等無機非金屬材料，儘管有材料特性堅硬，對製程精度要求高等劣勢，但可以實現低溫乃至於室溫的接合製程。本論文選擇環氧樹脂和聚醯亞胺做爲高分子介電材料，完成較低溫混合接合開發；同時，以二氧化矽為無機非金屬材料，實現120℃超低溫混合接合製程開發。綜上所述，本論文針對低溫銅對銅直接接合技術進行探索，使用金屬鈍化層技術實現低於150℃的熱壓接合製程。更進一步針對性使用潤濕層材料，改善鈍化層沉積品質，從而實現低於80℃的超低溫銅直接接合技術開發。與此同時，將鈍化層技術與介電層接合技術相結合，成功開發出低溫金屬/介電層混合接合製程技術。本論文的研究成果拓展了三維積體電路的應用範圍，也為異質整合與先進封裝技術

發展提供了新的解決方案。