先进封装铜-铜直接键合技术的研究进展

人工智能、自动驾驶、5G网络、物联网等新技术的发展和应用对先进电子封装提出了更高要求。在此背景下，将多颗芯片在垂直方向堆叠互连的三维（3D）封装技术快速发展。3D封装具有微型化、低RC延迟、高传输速率、高带宽、利于异构集成等优点，成为延续摩尔定律的良好解决方案。3D封装使用微凸点及硅通孔技术（TSV）实现芯片与芯片、芯片与转接板之间的互连。目前，传统的微凸点互连材料为无铅Sn基钎料。但随着微凸点尺寸及间距的减小，Sn基钎料存在的电迁移、热迁移、金属间化合物（IMC）、桥连短路等可靠性问题加剧，亟需更好的替代方案。

铜－铜（Cu-Cu）直接键合属于金属－金属键合，在一定键合工艺条件（温度、气氛、压力等因素）下，Cu原子相互扩散实现互连键合。由于Cu的电阻率低、抗电迁移性能好，其工艺制备尺寸可减小到微米级，Cu-Cu键合成为取代钎料微凸点进行芯片级垂直互连的良好解决方案。2019年，索尼公司研发团队在Ⅲ-Ⅴ InGaAs/InP层与Si层间采用Cu-Cu键合技术，有效地减小了图像传感器产品尺寸、提高了分辨率，将像素密度提高4倍，并在单芯片上实现短波红外和可见光成像，实现数字输出。由此可见，Cu-Cu直接键合是实现3D封装制造的关键技术，并具有广阔的应用前景。

要实现高强度且可靠的键合，最为关键的影响因素是金属键合前接触面的表面状态以及键合过程中的原子扩散速率。此外，由于集成电路后道工艺（BEOL）的热预算、晶圆翘曲、偏移等问题，Cu-Cu直接键合应在较低的温度及压力下制备，并保证高可靠性及批量制造。这就要求金属在键合前的表面具有粗糙度较低、表面清洁度较高、无氧化层以及原子传输速率快等特性。目前，Cu-Cu键合技术已得到研究者们的广泛关注，大批研究者针对提高Cu-Cu键合效率及键合质量等问题展开了相关研究工作。

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