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長江存儲的XtackingTM是一種新型3D（三維）NAND 閃存架構(gòu)，其中存儲單元和外圍電路由數(shù)百萬對小間距金屬通孔進行互聯(lián)。因此，其鍵合界面的可靠性引起了人們極大的興趣。長江存儲的Yan Ouyang等人，對XtackingTM鍵合界面進行了可靠性測試驗證。結(jié)果表明，經(jīng)過超長時間的熱應(yīng)力及濕熱應(yīng)力（如7000小時）后，鍵合界面表現(xiàn)出了穩(wěn)定的電性能和良好的粘結(jié)強度，遠高于行業(yè)的一般要求（如1000小時）。此外，在長時間溫度循環(huán)試驗后的拉力測試也進一步證明了鍵合界面具有良好的強度和電氣穩(wěn)定性。

XtackingTM架構(gòu)的存儲單元和外圍電路分別是在兩個不同的晶圓（晶圓A和B）上制造，然后通過數(shù)百萬對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)不僅提高了存儲密度，還實現(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，通過電鍍和化學機械拋光獲得鍵合通孔，然后通過等離子體清洗、芯片之間對準和退火，這樣就可以形成間距約為1μm的鍵合界面。

鍵合過程是XtackingTM體系架構(gòu)中最關(guān)鍵的一步。在鍵合過程中，數(shù)百萬對小間距的金屬通孔要實現(xiàn)電氣互聯(lián)和保持一定的機械強度。研究人員采用了四種典型鍵合界面結(jié)構(gòu)，通過監(jiān)測超長時間熱應(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。

驗證鍵合界面可靠性的試驗包括溫度循環(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規(guī)定值。從試驗條件來看，試驗強度還是比較大的，遠超產(chǎn)品級的試驗條件，THS為7000h、溫循為15000次循環(huán)、高溫貯存為200℃，7000h。

試驗結(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、1000小時、7000小時的阻值變化，以及（c1）在（c2）在7000小時的漏電曲線分布。

（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、2500小時、15000小時的阻值變化，以及（c1）在（c2）在7000小時的漏電曲線分布。

三種可靠性試驗后的測試結(jié)果顯示，鍵合結(jié)構(gòu)在經(jīng)過超長時間的溫循應(yīng)力、濕熱應(yīng)力以及高溫應(yīng)力后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的電阻值漂移及漏電。

另外，為了進一步分析電阻漂移在三種應(yīng)力下的變化趨勢：在穩(wěn)態(tài)濕熱試驗中變化較小，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，鍵合界面沒有出現(xiàn)明顯裂紋，同時電氣性能也非常穩(wěn)定，這也反映了XtackingTM鍵合界面良好的可靠性。

由于溫循應(yīng)力對于可靠性更為敏感，因此進一步驗證了鍵合界面在經(jīng)歷溫循后的可靠性。對鍵合結(jié)構(gòu)施加相對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)過超長時間溫循應(yīng)力后也不會降低鍵合界面強度。

同時，還分析了溫循應(yīng)力對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-電流曲線與沒有經(jīng)歷溫循應(yīng)力的樣品沒有明顯變化，這意味著在超長時間溫循應(yīng)力后沒有更多的銅擴散到鍵合層電介質(zhì)或沒有損傷，這結(jié)果進一步證明了XtackingTM良好的可靠性。