一方面，直接混合键合有望彻底改变半导体器件集成，实现具有不同特性的多种材料的无缝三维互连。另一方面，表面激活键合（SAB）是一种强大的低温键合技术，提供了增强的键合强度和广泛材料的兼容性。通过探讨SAB的可能性，本文展示了在常温下实现具有5µm间距互连的铜氧化物直接混合键合的可能性。这一成功突显了SAB作为低温混合键合的关键推动技术的潜力，以及它对下一代半导体器件的潜在影响。
引言
先进半导体技术的需求推动了当前对3D集成的兴趣增长，3D集成为各种应用提供了众多好处，包括CMOS图像传感器、高性能计算、DRAM和显示器。在这些应用中，基于混合键合的3D堆叠已经成为成像领域的前沿解决方案[1]。通过采用铜氧化物直接键合，这项技术实现了具有微米级像素的高集成密度，推动了成像性能的边界。值得注意的是，最近的成就已经展示了在亚微米间距下功能成像器件的卓越可靠性[2]，推动了混合键合在支持下一代成像应用中的潜力。
早在2000年代初，Suga等人[3]引入了基于金属焊盘与介电材料环绕的混合表面直接键合的无凸接触互连概念。这个概念现在被称为直接混合键合。亲水性直接键合涉及表面形貌和清洁度控制、接触表面前的化学和/或等离子体激活，然后进行足够的退火，通常在400°C进行，以去除键合界面处的铜氧化物并确保良好的电气连接。然而，半导体行业日益要求低温集成方法（<250°C），以最小化热应力并保持敏感芯片的功能，如图像传感器、显示器和存储设备。
表面激活键合（SAB）是一种有前景且知名的技术，可以实现低温直接键合[3]。因此，SAB可以为在显著降低温度下实现稳健可靠的混合键合提供路径，从而解决敏感器件的热预算问题。然而，到目前为止，SAB混合键合主要是使用改进的SAB技术[4]或改进的键合机制[5]进行的。实际上，混合键合通常从铜凹陷和氧化物表面键合开始，但众所周知，SAB无法与硅二氧化物材料进行高附着力和粘附的键合。因此，已经测试了一些技巧，以实现低温混合键合过程在这两种表面材料上的应用。改进的SAB技术是基于硅超薄膜沉积，使整个表面具有反应性，同时键合铜和介电材料。另一方面，氧化物凹陷方法使用将铜焊盘处理为突出形状而不是凹陷的工艺，经过CMP后允许铜焊盘的接触，并支持SAB氧化物键合的不足。两种工艺都有一些缺点。第一种修改了铜焊盘之间的介电功能，第二种则在键合界面上产生间隙，这可能会成为后处理中的问题。
本出版物的目的是探索标准SAB在非常低温混合键合中的可能性。我们的首要目标是更好地理解SAB激活过程中的表面修改，从而增强我们对该过程的控制。采用了各种表征方法，如声学显微镜（C-SAM）、透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDX）来评估界面的质量。通过我们的研究，我们成功地展示了在低温，甚至室温下实现SAB混合键合的可行性。最后，SAB集成到低温混合键合过程中的潜力为推动半导体技术进步并在广泛的应用中驱动创新提供了巨大前景。
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实验程序
本研究使用200 mm硅晶圆，晶圆上有直径为2.5 µm的铜焊盘，焊盘间距为2.5 µm（5 µm间距），如图1所示。铜焊盘在晶圆上均匀分布。硅氮化物和硅氧化物均通过PECVD在400°C下沉积。铜焊盘则通过包括Ti/TiN双层扩散屏障的镶嵌工艺制造。由于本研究集中于形态学和机械表征，因此只在待键合的晶圆上制作了一层镶嵌层。值得注意的是，铜焊盘在键合前通过CMP工艺留下了轻微的凹陷。
图1：集成方案
在本研究中，进行了未退火和在150°C下退火2小时的亲水性直接混合键合样品，以便与SAB混合键合进行比较。
亲水性混合键合
亲水性直接键合机制基于当表面接触时，自发粘附现象的发生。接触点处形成弱的分子间键（氢键、范德华力和毛细桥），从而启动一个沿表面扩展的键合波[6]。因此，这项技术要求铜和氧化物部分的表面完全平整光滑。这个任务通过特定的化学机械抛光（CMP）来确保，CMP提供了卓越的键合特性。在CMP后的24小时内进行键合，以限制铜氧化和全局有机污染。晶圆被面对面放置，进行对准，并从表面中心开始接触。键合过程中没有添加任何材料（聚合物、金属等）或化学处理，所有过程都在常温常压条件下进行。
之后，键合的晶圆经过退火处理，以通过改善铜/铜接触、增加界面及晶粒边界处的铜扩散并提高共价键密度（对于SiO2-SiO2界面在室温下已经存在[7]）来增强键合。界面上共价键的形成取决于材料、表面条件（平整度、粗糙度和清洁度）以及退火过程中施加的热预算。
SAB（表面激活键合）
SAB使用氩原子轰击作为表面处理技术。这种轰击在超高真空（UHV）环境中进行，持续几十秒钟。通过这种方式，轰击去除了表面上的铜氧化物，留下裸露的金属键合在铜焊盘上。这些键合在整个过程中保持完整，得益于UHV环境，直到键合发生为止。虽然传统的SAB方法对室温下的铜-铜键合有效，但对于SiO2-SiO2键合被证明是无效的[6]。尽管氩原子轰击仍然对SiO2表面具有蚀刻作用，但它不会增强该材料的键合强度。因此，为了确保低温下的高附着力键合，必须确保铜焊盘在SAB键合过程中能够接触。否则，低温下的键合强度将不会比传统的真空下直接SiO2-SiO2键合强度好，后者相当低[7]。
在UHV环境中，氩轰击后，两个相同的混合晶圆立即在室温下以0.3 MPa的低压力键合。需要注意的是，进行该工艺的工具除了使用晶圆凹口进行粗略机械对准外，并没有其他对准方法。因此，铜焊盘是随机接触到其他铜焊盘或氧化物基体。然而，这种随机性不会影响形态学研究，因为大量的焊盘在统计上会对齐。
关于退火处理，SAB键合的晶圆可以选择不退火或在150°C下退火2小时。这使得可以观察铜-铜和SiO2-SiO2界面在退火后的演变。
硅块机械去薄/去除工艺
该工艺用于将一个键合晶圆（即“顶晶圆”）薄至30 µm的硅层。该步骤的成功依赖于键合的附着力，因为在研磨过程中会施加很大的应力。如果键合界面没有足够的强化，薄化的晶圆可能会发生脱层。在研磨后，剩余的30 µm硅层通过干法刻蚀去除。然后，成功地将1 µm的镶嵌层从顶晶圆转移到底晶圆上。
实验计划
在键合工艺之前，实施了两种不同的排队时间，分别在混合表面CMP和SAB键合之间。一些样品在CMP后24小时内进行激活和键合，而其他样品则等待7天后再进行激活和键合。这项研究使我们能够评估特定顺序的必要性，例如在亲水性混合键合中。
结果与讨论
SAB激活的蚀刻效应 – AFM
由于氩原子轰击，SAB激活对表面有蚀刻效应。在具有TiN屏障的混合Cu/SiO2表面情况下，这三种材料可能会以不同的速率反应，导致潜在的不同蚀刻速率。理解这一现象非常重要，因为正如上一节所解释的，为了确保SAB键合对的足够附着力，在室温下的铜-铜接触是至关重要的。已经通过CMP形成凹陷的铜焊盘，不能被氩轰击进一步加深，否则低温退火将不足以通过热膨胀将它们接触，并允许扩散。
因此，在这里设置了AFM（原子力显微镜）研究，以确定激活过程中的磨损效应，如依赖于材料的蚀刻速率、可能的边缘/中心效应或重复性。该研究在经过CMP/激活序列的晶圆上进行，这些晶圆的CMP/激活时间分别为24小时或7天。在这两种情况下，将CMP后的晶圆与激活后的晶圆进行比较。此外，在每个晶圆上测量12个点（4个在中心，4个在边缘，4个在半径中部），如图2所示（仅显示半径中部的扫描）。
图2：
a) CMP后4个铜焊盘的20µm x 4µm AFM扫描图；
b) CMP后（虚线）和SAB表面激活后（实线）4个铜焊盘的高度轮廓。
在图2中，AFM测量是在经过24小时CMP/激活序列的两片晶圆上进行的，一片晶圆在CMP后立即检查，另一片在表面激活后检查。扫描结果显示，氩激活后铜焊盘的凹陷明显增加。然而，值得注意的是，在不同的铜焊盘上，凹陷增加似乎是均匀的，并且在这些激活条件下相对较小。
图3：表面激活过程后凹陷增加（根据公式[1]计算）
图3中的结果进一步分析了凹陷增加的情况。凹陷增加的计算公式为[1]：
首先，观察到凹陷的增加是相当可重复的，没有较大的差异，增加值在+90%到+180%之间。中心和半径中部的值位于140-180%的增加范围内，而在晶圆边缘，SAB激活的影响较不明显，凹陷增加值为90-100%，这可以归因于在过程中氩轰击的轻微不均匀性。
另一个值得注意的有趣观察是，经过7天处理序列的晶圆的总体凹陷增加值略高于24小时处理的晶圆（+145%与+126%相比）。可以推测的机制是，7天序列后，焊盘表面存在的铜氧化物比24小时处理中的铜在氩轰击下蚀刻得更快。实际上，铜氧化物随着时间的推移在焊盘表面发展，因此需要在经典亲水性混合键合过程中谨慎控制CMP和键合之间的排队时间。
然而，所有晶圆，无论排队时间如何，最终在SAB后都达到了几乎相同的状态。这表明，表面激活混合键合不需要CMP和键合之间的特定顺序，这相对于亲水性混合键合是一个有趣的优势。
总体而言，值得注意的是，尽管观察到凹陷增加，但这些值仍然处于一个不会显著影响室温键合的范围内，如图4所示的声学显微镜表征所示。这意味着，尽管SAB表面处理后凹陷值有所增加，但不需要调整名义上的CMP工艺，且可以在没有额外开发的情况下应用SAB键合。
对于SAB表面激活的另一个关注点是其对铜粗糙度的潜在影响，而铜粗糙度是实现最佳键合的关键因素。因此，在CMP和激活过程之后，对晶圆进行了多次测量。结果显示，RMS粗糙度略微增加了10%（CMP后的RMS为0.47 nm，而激活后的RMS为0.53 nm）。然而，这一差异没有达到统计学显著性，因为它在测量值的标准差范围内。此外，记录的粗糙度值仍然符合直接混合键合的规范。
声学表征
C-SAM（C模式扫描声学显微镜）作为第一步表征，在键合后立即进行，为键合缺陷提供初步评估。这项技术使用超声波束扫描并成像键合界面，提供一种无损的方法来检测空洞（或大气键合中的气隙）。在HR（高分辨率）模式下，像素大小为4µm。对于混合键合，SAM主要用于识别宏观键合缺陷，如颗粒，并随后通过比较键合中不同的灰度来评估键合界面的闭合质量。需要注意的是，在键合后，由于铜凹陷或由CMP引起的铜粗糙度等因素，界面从未完全键合。由于这些空隙小于像素分辨率，灰度阴影提供了关于它们相对于晶圆其他区域的浓度的定性信息。C-SAM通常在退火前后进行，以突出界面质量的改善或识别潜在问题，如脱气或脱层。
图4：非对准SAB混合键合界面的高分辨率声学图像
a) 退火前，
b) 在150°C下退火2小时后，
c) 对准的亲水性直接混合键合的声学图像（退火前）。
图4a和4b显示了一个未对准的SAB混合键合样品的结果，并与一个未退火的对准亲水性键合样品（c）进行比较。
图5：
a) 非对准SAB混合键合样品在去除硅块后，HR C-SAM放大图；
b) 非对准SAB混合键合样品在去除硅块后，光学显微镜图像。
对于图5a中的SAB键合，键合后的扫描图由不同的灰度阴影组成，这意味着界面部分关闭。如预期，退火后声学图像变暗（见图5b），这确认了退火确保了界面的明显增强。由于温度的作用，铜焊盘发生膨胀，从而与对面表面更紧密地接触。此外，铜与氧化物之间，以及氧化物与氧化物之间的界面，也通过增加共价键的形成表现出更高的闭合度。
然而，重要的是要记住，尽管该键合是有图案的，但没有对齐控制。实际上，重叠中存在线性和角度偏移，这产生了莫尔条纹效应。因此，键合过程导致出现不同的区域，特征为焊盘之间精确对齐（焊盘面对焊盘），但也有焊盘面对氧化物基体的错位区域。这些对齐良好的区域和错位区域在整个晶圆上持续重复。
因此，错位区域显示出铜焊盘面对氧化物区域的高密度。由于SiO2表面和铜表面之间的附着能较低，晶圆之间的吸引力不足以克服铜的凹陷。因此，未键合的焊盘在键合界面处保持未键合状态，使得SAM图像在这些区域变亮。图5提供了这一现象的生动视觉表现，通过图a和b的比较，图a是由HR C-SAM拍摄的放大视图，图b是由光学显微镜拍摄的视图。值得注意的是，两幅图像都显示了相同莫尔条纹效应的出现，突显了其重要性。图案在形状和大小上完全相同，使我们能够确认，在扫描中，良好对齐的区域表现为较暗的区域。这表明，键合区域中有相当大比例的区域具有良好建立的界面。也可以设想，如果SAB对齐的键合会有很好的效果，整个晶圆上都会出现暗色的SAM扫描图像。此外，图4c也支持这一观点，显示了一个未退火的、对准良好的亲水性键合的暗色声学图像。值得注意的是，在这种情况下，当附着力足够强时，轻微的凹陷不会成为问题，仍然可以实现完全键合。
总之，扫描声学显微镜（SAM）结果显示，未退火的SAB混合键合样品在预期具有强大界面的区域显示出显著的存在。这些区域对应于焊盘之间良好对齐的区域，表明在界面强度方面有良好的键合结果。
事实上，通过机械研磨成功去除硅块，作为键合界面高附着力的初步确认。未退火、在150°C下退火2小时的SAB键合晶圆和亲水性键合晶圆都经历了有效的研磨和干法刻蚀，最终只留下键合界面上的镶嵌结构，厚度约为1 µm。尽管氧化物/氧化物和铜/氧化物界面在未退火的情况下固有较弱，但去薄工艺的成功表明，通过SAB激活形成了强大且数量众多的铜/铜金属键合。这些键合看起来足够多且强大，能够为键合界面提供良好的机械性能。
键合界面的形态学和组成（TEM和EDX）
最终，进行透射电子显微镜（TEM）观察，并辅以能量色散X射线光谱（EDX），以评估不同情况下的键合界面质量。采用了多种标准来评估铜-铜界面上的混合键合，包括良好密封的界面、最小的界面缺陷、界面上没有铜氧化物或良好的晶界重建。此外，评估氧化物-氧化物界面以确保其高质量也非常重要。
图6：键合焊盘的TEM横截面图
a) 使用SAB键合 - 未退火，
b) 使用SAB键合并在150°C下退火2小时，
c) 亲水性键合在150°C下退火2小时。
在这方面，通过TEM横截面分析了三种不同键合和退火条件的样品，如图6所示。这些横截面图像对应于SAB混合键合（a和b）或亲水性键合（c）样品，以便进行比较。图a未退火，且在室温下键合并薄化，而图b和c则在150°C下退火2小时后才进行薄化处理。
图7：结合EDX的TEM放大图，聚焦于铜-铜界面：
a) 高角度环形暗场成像（HAADF）TEM，
b) EDX揭示铜和氩的存在（分别为橙色和蓝色区域），
c) 低浓度模式下的EDX图，揭示仅存在氧，
d) HAADF TEM，
e) EDX揭示铜和氧的存在（分别为橙色和绿色区域）
a, b, c：SAB键合，
d, e：亲水性键合。
首先，值得注意的是，所有焊盘的键合界面都显示出密封的界面，并且顶层和底层焊盘之间已建立了接触。三种样品之间的差异主要体现在界面的重建上。亲水性条件下键合的焊盘边界线保持直线（见图7c），而其他两种样品（图7a和7b）则明显显示出界面处与三重晶界对应的断裂线。亲水性键合在150°C退火后主要保留了其铜氧化物层的特征。相反，SAB断裂的界面标志着铜与铜之间的金属接触以及焊盘之间的互扩散。这个现象在经过150°C退火2小时的SAB键合中尤为显著。实际上，在这种情况下，键合界面变得无法区分（图7b）。退火与未退火样品的区别可归因于铜原子在晶界上的扩散增加，这一过程受到退火过程中提供的能量的促进。
SAB和亲水性键合方法之间的另一个明显区别在于缺陷的数量，特别是在界面和焊盘内部。混合键合中的缺陷主要来源于两个方面[8]。首先，表面缺陷，如由CMP工艺造成的粗糙度和小的沟槽，可能导致在进一步退火过程中铜的原子扩散，从而形成空洞。这种类型的缺陷会影响SAB和亲水性键合。其次，正如L. Di Cioccio等人在其2014年的研究中阐明的[9]，Cu2O层自然存在于亲水性键合和首次退火阶段的铜表面，这是由于界面水分氧化铜所致。此氧化层作为铜焊盘中的空位形成源，因为它在退火过程中经历了脱润现象。这些空位可以聚集并出现在TEM横截面中。正如Di Cioccio等人所解释的，在约150°C的温度下，由于铜的塑性变形，Cu2O层在界面处转变为结节，成为空位的陷阱。随后，随着氧气扩散到铜焊盘中，这些结节会演变成空洞。由于氩离子轰击去除了铜氧化物，SAB键合不受这种第二类缺陷的影响。图6清晰地突出了SAB与亲水性键合过程之间的区别，特别是在界面缺陷的存在和演变方面。在图c（对应亲水性键合）中，焊盘内部以及EDX分析中发现了许多缺陷，这有助于更好地理解其来源。在亲水性键合的情况下（图7d和e），EDX图像e确实展示了某些空腔中存在氧气，而在SAB金属键合中（图c）则没有检测到氧气痕迹。实际上，图c是一个EDX图，它只在低检测模式下显示氧气。在这个图中，最高的氧气浓度位于铜焊盘内（实际上是背景噪声），而不是空腔中，这意味着这些空腔中完全没有氧气。正如前面所解释的，这归因于在SAB键合之前，铜焊盘顶部没有铜氧化物层的存在。值得注意的是，图7b指出某些空腔中存在氩气。这些可以归因于激活轰击的残留物。然而，它们的数量似乎不足以造成任何问题。未在此展示，但也对焊盘外的SiO2-SiO2界面进行了分析，结果没有发现任何缺陷的迹象。总结TEM-EDX分析，所有样品都展示了良好的键合界面，甚至在未退火的SAB情况下。事实上，尽管展示了一些凹陷并且没有后续退火，铜焊盘仍然接触并显示出成功重建的界面。
EDX分析有助于更好地理解缺陷的来源。在亲水性键合的情况下（图7d和e），EDX图像e确实展示了某些空腔中存在氧气，而在SAB金属键合中（图c）则没有检测到氧气痕迹。实际上，图c是一个EDX图，只在低检测模式下显示氧气。由于该图中最高的氧气浓度位于铜焊盘内（实际上是背景噪声），而不是空腔中，这意味着这些空腔中完全没有氧气。正如前面所解释的，这是由于SAB键合之前铜焊盘顶部没有铜氧化物层的存在。
值得注意的是，图7b显示了某些空腔中存在氩气。这些可以归因于激活轰击的残留物。然而，它们的数量似乎不足以造成任何问题。
未在此展示，但也对焊盘外的SiO2-SiO2界面进行了分析，结果没有发现任何缺陷的迹象。
总结TEM-EDX分析，所有样品都展示了良好的键合界面，甚至在未退火的SAB情况下。事实上，尽管展示了一些凹陷并且没有后续退火，铜焊盘仍然接触并显示出成功重建的界面。
结论
我们首次成功地实现了低温（150°C）甚至室温混合键合，并展示了表面激活键合（SAB）在这一非常低的热预算下实现高质量3D连接的潜力。所有键合样品都展示了高宏观质量（SAM无缺陷，抗研磨）。此外，通过我们的TEM-EDX研究，我们表明SAB混合键合提供了更好的界面重建，缺陷减少以及去除了Cu2O层。此外，我们还发现SAB键合处理简便，不需要特定的顺序限制，也不需要开发新的CMP工艺。基于这些令人鼓舞的结果，新的测试结构，包括电气测试结构，将在SAB系统中进行对准键合。这项新研究不仅将验证对准键合结构上的工艺，还将评估混合SAB的电气性能。
SAB集成到低温混合键合工艺中的应用，具有在各种应用中推动半导体技术进步的巨大潜力。
文章名：SAB-Enabled Room Temperature Hybrid Bonding 作者：P. Renauda, K. Abadie a, F. Fournel a, C. Dubarry a, F. Baudin a and A. Tauzin a单位：a Univ. Grenoble Alpes, CEA, LETI, 38000 Grenoble, France
