横浜国立大学は、東京エレクトロン九州、SK hynixとの共同研究により、次世代3D集積半導体に向けたSiCNハイブリッド接合において、表面活性化条件の違いが接合強度と位置合わせ精度に与える影響を明らかにした（ニュースリリース）。
研究グループは、300mmウエハ上のSiCN膜に対し、N2プラズマまたはO2プラズマによる表面活性化を行ない、接合時のボンドウェーブ伝播、接合後の面内変位、接合強度を系統的に評価した。その結果、ボンドウェーブ速度には大きな差が見られなかった一方、接合後の歪みと接合強度には明確な違いが現れることを確認した。
生成AIの普及に伴い、半導体には高い情報処理性能、低消費電力化、高密度接続が求められている。こうした要求に対応する技術として、複数のデバイスを高密度に接続する3D集積技術が注目されており、その中核技術の一つがハイブリッド接合となっている。接続ピッチが微細化するほど、接合後に生じるわずかな面内変位やスケーリング誤差が、歩留まりや性能に影響するため、接合強度だけでなく、接合時に発生する動的現象やウエハ歪みの理解が重要になる。
今回の研究では、SiCN-SiCN直接接合において、N2プラズマとO2プラズマという二つの表面活性化条件を比較した。250℃アニール後の接合強度は100WのN2プラズマ条件で最も高くなった一方、接合後の面内変位はN2プラズマ条件で大きく、O₂プラズマ条件では小さく抑えられた。これにより、高い接合強度を得ようとすると歪みが増え、歪みを抑えようとすると接合強度がやや低下するというトレードオフが示された。
この違いの要因を調べるため、研究グループはHD-VSFG、ゼータ電位測定、STEM-EELSを用いて表面および界面の化学状態を解析した。その結果、N2プラズマでは-NH基や炭素系表面種が形成され、水との反応や界面反応を促進することで高い接合強度を実現していることが分かった。一方で、界面にはsp2炭素を含むグラファイト様構造が形成されており、接合初期のすべりや局所的な歪みに影響している可能性が示された。
これに対し、O2プラズマでは炭素や窒素成分が抑制され、SiO2に近い緻密で均一なOHリッチ表面が形成される。これにより、より均質な脱水縮合反応が進み、歪みの少ない安定した接合につながることが分かった。研究グループは、SiCN接合では表面粗さや接合条件だけでなく、表面に形成される官能基や化学構造が、接合強度と位置合わせ安定性の双方を左右するとしている。
この成果は、微細ピッチ化が進むハイブリッド接合において、接合強度と位置合わせ精度を両立させるためには、表面化学の最適化が不可欠であることを示すもの。今後、次世代ロジック、メモリ、3Dチップレット集積に向けた高精度ハイブリッド接合の実現に役立つことが期待される。
