ボトムアップ型選択成長技術のハイブリッド接合への応用

• 研究課題/領域番号: 21K20426
• 研究種目: 研究活動スタート支援
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 0302:電気電子工学およびその関連分野
• 研究機関: 横浜国立大学
• 研究代表者: 井上 史大 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (00908303)
• 研究期間 (年度): 2021-08-30 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2022年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 化学機械研磨 / ハイブリッド接合 / 無電解めっき / 原子層堆積

研究開始時の研究の概要

本研究のねらいはボトムアップ型自己選択成長技術を三次元実装のハイブリッド接合に応用し、従来技術(トップダウン)の限界を打破することである。従来の機械加工を主軸とした表面形成手法や接合手法では1μm以下の狭ピッチハイブリッド接合に対応できない。そこで表面形成手法にボトムアップ手法である原子層堆積法、無電解めっき法、自己組織化単分子膜などのボトムアップ型ナノ機能表面形成手法を用いて表面修飾を施し、接合に先んじてギャップを埋め、表面活性化直接接合を施すことによりさらなる狭ピッチ、低温でのハイブリッド接合を達成し、三次元異種機能混載デバイスの基幹となるプロセスを構築する。

研究成果の概要

ハイブリッド面の平坦化に向けたCMPの最適化について配線金属、バリア膜、絶縁膜における研磨速度を電気化学的な測定を用いて評価した。配線金属は酸化剤として添加したH2O2の影響により表面の腐食状態が大きく変化し、バリア膜は不働態の形成によりH2O2添加による表面状態の変化はCuよりも小さいことが分かった。実際にCMPを行った際、H2O2を添加するとCuサンプルの方が研磨速度の増大が顕著に表れ、Taサンプルとの研磨速度の差が広がった。この結果から今回使用したスラリーでは酸化剤としてのH2O2を添加しない方がCuとTaの腐食速度が近く、ハイブリッド面の平坦化には適していると解明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

世界各国の半導体のIDM、ファウンダリーは微細化限界から「後工程」や「チップレット」をかなり重要視していることが伺える。今回の研究成果であるCu-Cuハイブリッド接合は半導体後工程の単なる1要素技術と捉えるべきではない。この技術は次世代の半導体製造において「前工程」と「後工程」をつなぎ、新たなチップレット集積を可能とする革新的なプロセスとなり得る工程であり、その中でも最も重要なプロセスを学術的アプローチでメカニズムの解明を達成した。

研究成果

• [国際共同研究] imec(ベルギー)
• [雑誌論文] Application of the surface planer process to Cu pillars and wafer support tape for high-coplanarity wafer-level packaging (2022)
  • 著者名/発表者名: Inoue Fumihiro、Phommahaxay Alain、Gokita Yohei、M?ller Berthold、Beyne Eric
  • 雑誌名: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 巻: 119 号: 5-6 ページ: 3427-3435
  • DOI: 10.1007/s00170-021-08622-x
• [雑誌論文] Electrochemical deposition of indium from chloride bath for low-temperature microbump bonding (2022)
  • 著者名/発表者名: Park Kimoon、Inoue Fumihiro、Derakhshandeh Jaber、Yoo Bongyoung
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 61 号: 4 ページ: 041003-041003
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac52ba
• [雑誌論文] Area-Selective Electroless Deposition of Cu for Hybrid Bonding (2021)
  • 著者名/発表者名: Inoue Fumihiro、Iacovo Serena、El-Mekki Zaid、Kim Soon-Wook、Struyf Herbert、Beyne Eric
  • 雑誌名: IEEE Electron Device Letters 巻: 42 号: 12 ページ: 1826-1829
  • DOI: 10.1109/led.2021.3124960
  • NAID: 120007173200
• [学会発表] ハイブリッド接合表面形成過程におけるCu表面の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中山航平，岩田知也，蛯子颯大，井上史大
  • 学会等名: 2023 電気化学会春季講演会
• [学会発表] ハイブリッド接合に向けた化学機械研磨中の金属腐食挙動の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩田 知也、中山 航平、布施 淳也、蛯子 颯大、大西 洸輝、北川 颯人、井上 史大
  • 学会等名: MES2022
• [学会発表] Electrodeposition of Indium for Low Temperature 3D Stacking (2021)
  • 著者名/発表者名: Fumihiro Inoue, Kimoon Park, Jaber Derakhshandeh, Bongyoung Yoo
  • 学会等名: 2021 7th International Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration (LTB-3D)
  • 国際学会
• [学会発表] The unique properties of SiCN as bonding material for hybrid bonding (2021)
  • 著者名/発表者名: Serena Iacovo, Soon-Wook Kim, Fuya Nagano, Lan Peng, Fumihiro Inoue, Alain Phommahaxay, Eric Beyne
  • 学会等名: 2021 7th International Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration (LTB-3D)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A study on IMC morphology and integration flow for low temperature and high throughput TCB down to pitch microbumps (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Derakhshandeh, C. Gerets, F. Inoue, G. Capuz, V. Cherman, M. Lofrano, L. Hou, T. Cochet, I. De Preter, T. Webers, P. Bex, G. Jamieson, M. Maehara, E. Shafahian, J. Bertheau, E. Beyne, D. Charles La Tulipe, G. Beyer, G. Van der Plas, A. Miller
  • 学会等名: 2021 IEEE 71st Electronic Components and Technology Conference (ECTC)
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of bonding activation sequences to enable ultra-low Cu/SiCN wafer level hybrid bonding (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Iacovo, L. Peng, F. Nagano, T. Uhrmann, Jürgen Burggraf, A. Fehkhrer, T. Conard, F. Inoue, S-W. Kim, J. De Vos, A. Phommahaxay, E. Beyne
  • 学会等名: 2021 IEEE 71st Electronic Components and Technology Conference (ECTC)
  • 国際学会