Low-Temperature Co-hydroxylated Cu/SiO2 Hybrid Bonding Strategy for a Memory-Centric Chip Architecture

材料科学 电介质 吸附 氧化物 表面改性 化学工程 纳米技术 光电子学 物理化学 工程类 化学 冶金
作者
Qiushi Kang,Chenxi Wang,Shicheng Zhou,Ge Li,Lu Tian,Yanhong Tian,Peng He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (32): 38866-38876 被引量:28
标识
DOI:10.1021/acsami.1c09796
摘要

Cu/SiO2 hybrid bonding with planarized dielectric and isolated metal connections can realize ultradense interconnects (e.g., ≤1 μm) by eliminating the microbumps and underfill through the direct bonding of Cu–Cu and SiO2–SiO2. However, the low-temperature bonding of Cu–Cu (oxide-free surface) and SiO2–SiO2 (hydroxylated surface) is difficult to be compatible in a mechanism. We circumvent this contradiction by constructing a co-hydroxylated functional surface on a Cu/SiO2 hybrid platform. By combining and optimizing the protocol of Ar/O2 plasma activation and formic acid solution immersion, an −OH active layer was successfully established on the Cu and SiO2 surfaces simultaneously, and the increased total surface area provided more adsorption sites for hydroxyl groups. A Cu–Cu interface with sufficient atom diffusion, substantial grain growth, and fewer microvoids was obtained at 200 °C. Notably, the carbon-related interlayer that may degrade the interfacial performance could be effectively inhibited across the optimized SiO2–SiO2 interface even if organic acid was introduced in the protocol. This low-temperature Cu/SiO2 hybrid bonding via a co-hydroxylated strategy may inspire the development of a memory-centric chip architecture and functional integrated circuits delivering a monolithic-like performance in the future hyperscaling era.
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