長(zhǎng)江存儲(chǔ)的XtackingTM是一種新型3D（三維）NAND 閃存架構(gòu)，其中存儲(chǔ)單元和外圍電路由數(shù)百萬(wàn)對(duì)小間距金屬通孔進(jìn)行互聯(lián)。因此，其鍵合界面的可靠性引起了人們極大的興趣。長(zhǎng)江存儲(chǔ)的Yan Ouyang等人，對(duì)XtackingTM鍵合界面進(jìn)行了可靠性測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)時(shí)間的熱應(yīng)力及濕熱應(yīng)力（如7000小時(shí)）后，鍵合界面表現(xiàn)出了穩(wěn)定的電性能和良好的粘結(jié)強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于行業(yè)的一般要求（如1000小時(shí)）。此外，在長(zhǎng)時(shí)間溫度循環(huán)試驗(yàn)后的拉力測(cè)試也進(jìn)一步證明了鍵合界面具有良好的強(qiáng)度和電氣穩(wěn)定性。

XtackingTM架構(gòu)的存儲(chǔ)單元和外圍電路分別是在兩個(gè)不同的晶圓（晶圓A和B）上制造，然后通過(guò)數(shù)百萬(wàn)對(duì)小間距金屬通孔互聯(lián)。與傳統(tǒng)的3D NAND架構(gòu)相比，XtackingTM架構(gòu)不僅提高了存儲(chǔ)密度，還實(shí)現(xiàn)了更高的I/O傳輸速度。

XtackingTM鍵合工藝的結(jié)構(gòu)示意圖

在形成A芯片和B芯片的BEOL layer后，通過(guò)電鍍和化學(xué)機(jī)械拋光獲得鍵合通孔，然后通過(guò)等離子體清洗、芯片之間對(duì)準(zhǔn)和退火，這樣就可以形成間距約為1μm的鍵合界面。

鍵合過(guò)程是XtackingTM體系架構(gòu)中最關(guān)鍵的一步。在鍵合過(guò)程中，數(shù)百萬(wàn)對(duì)小間距的金屬通孔要實(shí)現(xiàn)電氣互聯(lián)和保持一定的機(jī)械強(qiáng)度。研究人員采用了四種典型鍵合界面結(jié)構(gòu)，通過(guò)監(jiān)測(cè)超長(zhǎng)時(shí)間熱應(yīng)力或濕熱應(yīng)力下的電阻變化和漏電流，探索了XtackingTM體系架構(gòu)鍵合界面的可靠性。

驗(yàn)證鍵合界面可靠性的試驗(yàn)包括溫度循環(huán)（TC）、高溫貯存（HTS）和穩(wěn)態(tài)濕熱（THS），截止條件是電阻值和漏電流超過(guò)規(guī)定值。從試驗(yàn)條件來(lái)看，試驗(yàn)強(qiáng)度還是比較大的，遠(yuǎn)超產(chǎn)品級(jí)的試驗(yàn)條件，THS為7000h、溫循為15000次循環(huán)、高溫貯存為200℃，7000h。

試驗(yàn)結(jié)果

（1）溫循應(yīng)力后的變化：a結(jié)構(gòu)和b結(jié)構(gòu)在溫循168次、2500次、15000次的阻值變化，以及（c1）在（c2）在15000次后的漏電曲線分布。

（2）高溫應(yīng)力后的變化：a結(jié)構(gòu)和b結(jié)構(gòu)在高溫貯存168小時(shí)、1000小時(shí)、7000小時(shí)的阻值變化，以及（c1）在（c2）在7000小時(shí)的漏電曲線分布。

（3）穩(wěn)態(tài)濕熱應(yīng)力后的變化：a結(jié)構(gòu)和b結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)濕熱168小時(shí)、2500小時(shí)、15000小時(shí)的阻值變化，以及（c1）在（c2）在7000小時(shí)的漏電曲線分布。

三種可靠性試驗(yàn)后的測(cè)試結(jié)果顯示，鍵合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)時(shí)間的溫循應(yīng)力、濕熱應(yīng)力以及高溫應(yīng)力后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的電阻值漂移及漏電。

另外，為了進(jìn)一步分析電阻漂移在三種應(yīng)力下的變化趨勢(shì)：在穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)中變化較小，而在溫循和高溫應(yīng)力下是降低，其中高溫應(yīng)力更為明顯，這是由于退火工藝的原因。

在三種應(yīng)力后，鍵合界面沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂紋，同時(shí)電氣性能也非常穩(wěn)定，這也反映了XtackingTM鍵合界面良好的可靠性。

由于溫循應(yīng)力對(duì)于可靠性更為敏感，因此進(jìn)一步驗(yàn)證了鍵合界面在經(jīng)歷溫循后的可靠性。對(duì)鍵合結(jié)構(gòu)施加相對(duì)拉力并觀察斷裂界面形貌，發(fā)現(xiàn)鍵合粘接界面的斷裂比例在5%以內(nèi)，非常小。結(jié)果表明，鍵合界面不是 XtackingTM中最薄弱的層架構(gòu)，即使經(jīng)過(guò)超長(zhǎng)時(shí)間溫循應(yīng)力后也不會(huì)降低鍵合界面強(qiáng)度。

同時(shí)，還分析了溫循應(yīng)力對(duì)鍵合通孔附近金屬內(nèi)電介質(zhì)性能的影響。結(jié)果顯示，在15000次溫循后樣品的電壓-電流曲線與沒(méi)有經(jīng)歷溫循應(yīng)力的樣品沒(méi)有明顯變化，這意味著在超長(zhǎng)時(shí)間溫循應(yīng)力后沒(méi)有更多的銅擴(kuò)散到鍵合層電介質(zhì)或沒(méi)有損傷，這結(jié)果進(jìn)一步證明了XtackingTM良好的可靠性。