低温混合键合中Co/Co界面扩散的分子动力学研究：取向和表面粗糙度的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Molecular dynamics study of Co/Co interfacial diffusion for low-temperature hybrid bonding: Effects of orientation and surface roughness

　　摘要要点：- Co(111)/Co(111) 有利于结构重叠；Co(100)/Co(110) 有利于迁移能力。- 法向载荷会改变应力与闭合程度，但并不单调地增强混合。- 粗糙度激活呈非单调变化，且对波长高度敏感。引言器件密度的持续增长已不再仅仅由平面晶体管缩放所决定。随着后端金属互联的可用尺寸裕度越来越窄，三维集成与异构集成已成为维持系统级性能、带宽与能效不可或缺的途径 [1,2,3,4]。在可用的堆叠策略中，晶圆到晶圆与裸片到晶圆的混合键合尤为引人关注，因为它们在不需要传统微凸点所带来的焊料体积代价的同时，能够同时提供机械附着、介电密封以及细间距电互连 [5,6,7,8]。在这一背景下，温度与后端热预算兼容的金属/金属键合已不再仅仅是一个封装细节问题，而是一个受界面接触、表面扩散、局部应力松弛与晶体学相容性所支配的材料问题 [9,10,11,12]。Cu/SiO? 混合键合一直是主导的技术平台，因为 Cu 具有低电阻率，且在半导体产业中集成工艺成熟 [5,7,8]。然而，互联尺寸的缩小暴露出 Cu 的内在局限，包括更明显的尺寸依赖性电阻率、表面与晶界散射、电迁移风险，以及扩散阻挡层与衬垫层所占体积分数不断增加的问题 [13,14,15,16]。这些约束激发了人们对替代或互补互联金属的兴趣。钴受到特别关注，因为 Co 已被引入先进互联方案中作为衬垫、盖层、接触填充或局部互联材料，并且在选定的后端结构中，Co 可以提供有利的黏附性、间隙填充能力与可靠性优势 [17,18,19,20,21]。近年来基于 Co 的混合键合研究进一步表明，当表面化学与氧化物状态得到适当控制时——例如通过等离子体活化与氧化物界面抑制——低温 Co/Co 或 Co/SiO? 键合在实验上是可行的 [22]。这些进展使 Co 不仅成为一种工艺材料，也成为在原子尺度理解低温金属键合的一个重要科学模型体系。尽管具有这样的技术相关性，但 Co/Co 键合的原子机制仍不如 Cu/Cu 键合那样清晰。低温键合不能简单地理解为两个理想晶体之间的体扩散。实际上，键合界面包含有限密度的台阶、棱边、微观突起、晶格错配区域、残余间隙以及局部无序的表面原子。因此，在这样的系统中，原子输运由若干耦合过程共同控制：沿自由或部分接触表面的表面扩散、紧密接触之后的界面扩散、局部塑性或弹性适应，以及纳米尺度空腔的湮灭 [23,24,25,26]。经典的烧结与表面沟槽理论早已表明，曲率、表面化学势与扩散路径长度可以显著影响颈部长成与界面平滑的速率 [23,24,25]。这些思想与混合键合直接相关，因为粗糙度引起的接触不均匀性，可能根据表面轮廓的振幅与波长，或产生快速扩散通道，或阻碍界面完全闭合。晶体学取向是该问题的核心，因为它决定了对向表面所面对的原子堆叠与位向关系。对于 FCC 金属，(111)、(100) 与 (110) 面在表面配位以及可用于局部重排与迁移的路径上差异显著。Co 引入了额外的复杂性：块体 Co 在低温下为 HCP 结构，而 FCC 堆叠可以通过厚度、衬底、盖层与生长历史在薄膜中得到稳定 [27,28,29]。因此，本文所用的 FCC 模型并非旨在普遍代表沉积的 Co，而是作为 FCC 稳定 Co 中取向筛选的受控参考；模型中并未显式包含 Cu 模板或盖层。为了判断所选势能是否仅仅驱动 Co 在当前热协议下趋向某一种晶体结构，本文还模拟了 HCP-Co/Co 对照界面，并通过多面体模板匹配方法分析了局部结构。随后将温度、法向载荷与粗糙度视为对所选界面的扰动。它们的影响并不被假定是本质上有益的：更高温度既可能增加不可逆重排也可能增加热运动；法向载荷可以在不增加相互渗入的情况下闭合间隙；粗糙表面既可能创造活性位点，也可能同时减小连续接触面积。这些区别使得并行使用结构与动力学描述符比单一扩散指标更为合理。本研究分为三步进行。第一步，在 623 K 下比较六种明确定义的 FCC-Co/Co 取向关系，以识别具有显著结构重叠或不寻常方向迁移能力的大界面。第二步，选取两个代表性案例——Co(111)/Co(111) 与 Co(100)/Co(110)——来考察温度与法向载荷的影响。第三步，将粗糙度分析扩展到原始的 A = 1 与 3 ? 之外，以同时检验振幅与波长的敏感性。原子构型、位移场、一维浓度分布、OI、W_mix 与 MSD_z 被一并评估。本文的目标并非将 4 ns 的轨迹转化为对实际键合时间的预测；而是要明确哪些原子层面的响应在取向与界面几何变化下是稳健的，哪些结论仍然取决于所采用的模型。章节要点Co/Co 键合模型的构建初筛模型由沿 z 轴（即键合方向）堆叠的两个 FCC-Co 薄片组成。下片与上片的原子分别赋予类型 1 与类型 2，仅在后续处理中用于保留其来源；两种类型均映射到同一 Co 势能。共构建了六种界面组合：(111)/(111)、(100)/(100)、(110)/(110)、(111)/(100)、(111)/(110) 与 (100)/(110)。面内晶体学方向通过 LAMMPS 的 orient x/y/z 向量显式固定。六种 Co/Co 界面的取向初筛六项初筛计算比较的是具体的取向关系，而不仅仅是表面法向（见附表 S2）。这一区分很重要，因为面内方向决定了向对向薄片所呈现的位向关系，从而改变接触过程中可用的局部重排路径。对 Cu/Cu 界面以及力学驱动的 Al/Al 界面同样报道过对取向敏感的键合行为 [42,43]。此处所有六个 Co 模型均在 623 K 下保持 4 ns。结论本文通过原子模拟，将低温 Co/Co 接触中的结构重叠与残余 z 向迁移能力区分开来。主要结论如下：1) 界面响应强烈依赖取向。Co(111)/Co(111) 发展出最大的结构重叠以及局部类 HCP 堆叠重构，而 Co(100)/Co(110) 则表现出最强下方原子迁移能力与显著的动力学不对称性。HCP-Co 对照实验仍保持以 HCP 为主，证实 FCC…（结论内容原文截断）CRediT 作者贡献声明Shiqi Chen：论文初稿撰写、研究方法、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。Jun Shen：论文审阅与编辑、监督指导、研究方法、经费获取。Xiaotong Guo：软件、调查研究、概念构思。Zhiwei Fu：监督指导、软件、研究方法。利益冲突声明作者声明，没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。致谢本研究部分由以下项目支持：国家自然科学基金（项目编号 52475322）、国家自然科学基金联合基金重点项目（项目编号 U2568206），以及苏州重点与核心技术研究项目（项目编号 SYG2025050）。作者：Shiqi Chen｜Jun Shen｜Xiaotong Guo｜Zhiwei Fu