混合键合的替代材料探索

混合键合是实现高带宽计算所需互连密度的关键技术。要成功实施这一技术，需要对表面化学特性和表面形貌进行精确控制——即保持表面洁净，同时使形貌能够适应键合过程中的热膨胀。为提升界面质量并管理热膨胀不匹配引发的应力，制造商正在探索"标准"铜/二氧化硅键合表面的替代方案，包括替代介电材料、钝化金属以及柔性聚合物。

铜对铜键合可在器件之间实现前所未有的互连密度，但它对形貌和污染物极为敏感。工程师们正在研究不同的介电材料与金属组合，以期构建比现有方案更平坦、更稳定的键合结构。

铜对铜键合技术的发展，根本上是由现代计算对数据带宽近乎无止境的需求所驱动的。生成式 AI 工具的训练数据集涵盖了公共互联网上相当大比例的内容；自动驾驶汽车需要处理来自车内外多种传感器和摄像头的海量数据；工业流程则要监控每一个可能相关的变量。

对如此庞大的数据量进行分析，消耗了极为巨大的带宽资源。传感器数据从采集点传输至中央计算机，通常还需进一步传输至远程数据中心；训练数据从存储介质流向内存单元，再到达中央处理器；计算结果再返回至终端用户。从单个芯片到数据中心架构，带宽已成为现代电路与系统设计的核心瓶颈。

在单芯片层面，晶体管持续缩小，而存储阵列则不断扩大，连接两者所需的互连密度也随之不断提升。提升芯片内部密度是3D集成电路（3D-IC）的重要驱动力之一，例如将RRAM阵列等结构直接构建于CMOS逻辑层之上。在系统层面，3D封装通过焊料凸点将芯粒（chiplet）连接至转接板结构。

然而，随着互连间距的持续缩小，焊料凸点的可靠性逐渐下降——材料量过少，难以形成可靠连接，且铜锡金属间化合物可能导致电阻升高或机械失效。为此，制造商开始转向直接铜对铜键合技术。

铜对铜键合的第一种形态是热压键合（TCB），即在两个待键合表面上分别设置铜柱，通过热量和压力将两个铜表面熔合在一起。然而，随着互连密度进一步提升，热压键合在机械层面的挑战变得难以克服：高温高压可能导致互连结构弯曲位移，引发性能退化乃至彻底失效，而铜柱的存在也会增加封装整体厚度。

混合键合（即直接铜对铜键合）在密度方面实现了进一步突破。它将两块芯片紧密贴合，在无任何中间材料的情况下实现铜对铜、介电层对介电层的直接键合，从而降低整体封装厚度，最大化互连密度，并能从最初10微米间距的实现方案良好地向更小尺寸扩展。imec的研究人员已成功演示了互连间距低至400纳米的混合键合技术。

制备洁净的键合表面

混合键合在概念上并不复杂：将两个洁净、经过活化的表面接触，界面处的悬挂键即可在较低温度下形成牢固的连接。然而实际操作中，挑战早在制备"洁净"且"活性"表面时便已开始。在常温大气环境下，纯铜表面会迅速形成自然氧化层；而二氧化硅则具有稳定、非活性的表面特性，这正是其成为集成电路行业主流介电材料的重要原因。

典型的混合键合工艺采用热处理或等离子体活化方式处理二氧化硅表面，使其形成亲水性的羟基（-OH）终止层。两个经过如此处理的表面接触后，可在界面处轻易形成O-Si-O共价键；与此同时，柠檬酸漂洗有助于去除铜表面的自然氧化层。

一旦两个表面相互接触，键合的实际形成取决于铜表面扩散速率。大阪大学的Hiroaki Tatsumi及其团队从理论上指出，暴露（111）晶面的纳米孪晶铜应具有更快的扩散速率，有助于促进孔洞闭合与晶粒生长。然而，他们的模拟结果显示，孪晶界面反而稳定了铜表面，抑制了原子重排；相比之下，具有大量晶界的纳米晶结构则表现出显著的表面重排和良好的孔洞闭合效果。

表面制备优化的两个核心目标是降低键合温度和避免界面缺陷。等离子清洗后在真空环境中进行键合，能够在接近理想表面状态的条件下最大限度地降低键合温度。然而，这是一种成本相对较高的方案，因为清洗、对准和键合各步骤均需在不破坏真空的条件下完成。

大连交通大学郑悦婷及其团队在综述论文中探讨了利用自组装单分子层（SAM）在制备二氧化硅过程中保护铜表面的方法。这一方案的挑战在于：在键合前需要将保护性单分子层脱附，同时既要避免表面氧化，又不能留下残余污染物。为此，部分研究团队采用了钝化金属层方案——例如银和钌，这两种金属不易氧化，且与铜相容性良好。作为导电金属，它们可以留在原位而不影响器件性能，铜则通过钝化金属层发生扩散，最终形成永久性键合。

表面形貌管理

除表面化学特性外，表面形貌是影响混合键合成功与否的另一关键因素。即便在较低的键合温度下，铜的热膨胀量也大于周围的二氧化硅。因此，理想的表面形貌是：铜焊盘略微低于平坦的二氧化硅表面。键合过程中，铜的热膨胀会逐步填补两个铜表面之间的间隙。

实现所需形貌需要精确可控的化学机械平坦化（CMP）工艺。若铜碟形下陷量过小，孔洞间隙在铜仍处于膨胀阶段时便会提前闭合，产生潜在的损伤性应力；若下陷量过大，相邻焊盘之间的间隙则无法完全闭合。

混合键合最简单的应用形式是在二氧化硅基体中嵌入铜焊盘。然而，铜与二氧化硅之间的热膨胀系数（CTE）失配较大。在硅通孔（TSV）等大尺寸结构中，铜膨胀引起的应力可能导致开裂和分层。氮化硅碳（SiCN）等替代介电材料可能比二氧化硅提供更优异的性能。imec的研究发现，SiCN可提供更高的键合强度和更好的热稳定性。

加入柔性聚合物或可固化粘合剂同样可以降低键合应力。Sukkyung Kang等研究人员在使用苯并环丁烯（BCB）时发现，对部分固化BCB进行精密CMP几乎是不可能的——磨粒会嵌入柔软的聚合物表面，而抛光垫只是在其上滑过。为此，Kang采用氩气等离子体处理来硬化BCB表面，从而产生更接近常规的抛光行为。硬化后的顶层与基体材料之间的应力会导致表面产生微皱，从而有助于研磨浆料的流动。由于BCB的热膨胀系数高于金属铜，其理想形貌应使BCB层相对于铜略微凹陷。

图1：有无氩气等离子体处理条件下，部分固化BCB的CMP行为对比。

更为复杂的异质界面不仅是可能的，也很可能成为未来的主流。异质集成的目标之一是在单一封装中集成光学器件、逻辑芯片和存储芯片。混合键合的优势——高互连密度与极低的垂直厚度——同样适用于基于硅以外材料的光学和射频器件，而表面洁净度与表面形貌的挑战也同样存在。

Q&A

Q1：混合键合技术为什么比传统焊料凸点和热压键合更有优势？

A：传统焊料凸点随着互连间距缩小会变得不可靠，铜锡金属间化合物还可能导致电阻增大或机械失效。热压键合虽然改进了密度，但高温高压会使互连结构弯曲位移，且铜柱会增加封装厚度。混合键合将两块芯片直接贴合，实现铜对铜、介电层对介电层的直接键合，无任何中间材料，封装更薄、互连密度更高，目前已可实现400纳米的互连间距。

Q2：混合键合中铜表面为什么难以处理，目前有哪些解决方案？

A：铜在常温大气环境下会迅速形成自然氧化层，影响键合质量。目前主要有几种解决方案：一是柠檬酸漂洗去除氧化层，配合等离子体活化二氧化硅表面；二是在真空环境下完成全部流程，但成本较高；三是使用自组装单分子层临时保护铜表面；四是引入银或钌等钝化金属层，这类金属不易氧化，且铜可以通过其扩散形成永久键合。

Q3：SiCN替代二氧化硅作为混合键合介电材料有哪些具体好处？

A：铜与二氧化硅之间的热膨胀系数失配较大，在硅通孔等大尺寸结构中，铜膨胀产生的应力容易导致开裂和分层。imec的研究发现，采用SiCN替代二氧化硅后，键合强度更高，热稳定性也更好，能够更有效地管理热膨胀不匹配带来的界面应力，从而提升整体封装可靠性。