我们评估了表面激活键合（SAB），这是一种室温键合技术，用于混合表面键合。首先，SAB工艺在铜和二氧化硅完整片材表面上进行了评估，以便分别研究SAB激活对嵌入混合表面层的两种材料的影响。接着，使用200 mm晶圆，其中包含间距为2.5 μm的铜焊盘和二氧化硅矩阵，以原子力显微镜研究激活的影响。随后，制造了两个测试载体，以便在形态学和电气上研究键合界面。因此，混合晶圆在EVG® COMBOND®设备中对准并键合。对两个测试载体进行了横截面扫描和透射电子显微镜表征，以观察键合界面。在完整的3D集成完成后，还对菊花链结构进行了电气测试，以展示通过键合界面实现的高连接性。
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1.引言
混合键合是一种3D集成技术，能够以超低间距连接来自不同技术的芯片。混合表面由嵌入硅氧化物基质中的铜垫组成。混合键合的主要目标是将两个混合表面对准并进行键合，从而在键合界面上的铜垫之间创建电连接。这项技术在微电子工业中得到广泛应用，特别是在背面照明图像传感器的制造中。
在许多应用中，混合键合依赖于直接的亲水性键合过程。这意味着不需要中间层或聚合物来在两个表面之间创建键合。混合表面只是简单地接触，使得自发的键合波能够在晶圆表面上传播。这种传播由毛细力和范德华力驱动。随后，进行一些退火处理，以在氧化物区域形成共价键、在铜垫之间形成金属键，并使铜/铜键合界面上的铜氧化物扩散出去。退火加固了机械键合，并确保了键合界面的闭合。通常，这一过程在300°C到400°C之间进行。然而，工业界对低温键合（<200°C）的需求日益增加，以最小化在用于显示器、高性能计算或存储器等敏感集成方案中的热预算。
图1. 表面激活键合原理
表面激活键合（SAB）是一种新兴的超低温混合键合方法。SAB使用氩（Ar+）离子束轰击，已在金属-金属键合和室温下的半导体材料直接键合中证明了其价值。此过程如图1所示，从通过氩离子轰击激活待键合的表面开始。这种轰击会在表面上产生悬挂键和一层几纳米厚的无定形层。保持两个表面处于超高真空（UHV）环境中，可以保持悬挂键。当这些表面在这些条件下接触时，会在室温下直接形成共价键，消除了需要退火以增强键合界面的需求。此外，在金属表面上，氩轰击可以刻蚀氧化表面。这是一个关键点，因为氧化物会妨碍混合键合界面的电导性。
然而，标准的SAB过程在硅氧化物表面和氮化物表面（如SiO2、TiN或SiN）上的键合后附着力不佳，因为在激活步骤中无法创建悬挂键。因此，理论上，如果使用SAB过程进行键合，只有铜到铜部分在室温下会有较高的附着力。
铜到铜的附着力能否足以承受随后的3D集成过程步骤中的机械应力？它能否可靠地在两个混合键合表面的铜垫之间建立电导连接？在对混合SAB的第一次形态学研究之后，本文旨在评估SAB在混合表面键合中的电气性能，且不进行后键合退火，并进行150°C低温后键合退火。本文的第一部分描述了在本研究中使用的不同测试工具以及在进行混合SAB工作之前进行的初步测试。在第二部分中，将展示SAB混合表面键合的横截面扫描和透射电子显微镜（SEM和TEM）数据，以及对Cu/Cu键合界面的一些电气评估。
2.实验方法
2.1. 铜和硅氧化物全片表面的初步研究
首先，分别研究了使用完全覆盖铜或硅二氧化物的晶圆的SAB过程。目的是评估通过SAB过程分别键合这两种材料的可行性。
表I. 在铜表面键合前测试的激活参数（氩离子剂量和功率）。所有测试的参数均导致了非常高的后键合附着力。
因此，200毫米硅晶圆涂有Ti/TiN种子屏障，并在其上镀上150纳米厚的全片铜层，采用物理气相沉积（PVD）技术制造。这些铜层通过化学机械抛光（CMP）进行了平坦化。将这些晶圆在各种激活参数下成对键合，如表I所示，然后切割成2厘米宽的梁以评估键合强度。由于铜对红外光不透明，键合强度测量使用声学显微镜进行。实际上，按照双悬臂梁技术，刀片被插入潮湿的环境（洁净室环境）中，然后使用C-SAM检查测量脱粘长度。然后使用El Zein模型计算键合强度。
然后，对200毫米硅晶圆进行热氧化处理，在硅基底上形成100纳米厚的SiO2层。这些晶圆用于评估氧化物表面的SAB过程。通过氩离子轰击，剂量为150 mA、功率为200 V（类似于硅表面上的过程），激活晶圆表面，并在将两个基板接触时施加10 kN的力。然后将其切割成2厘米宽的梁，并将每个梁在不同的温度下退火，温度范围从100°C到500°C。接着，在无水气氛下测量每个样品的键合强度。评估并比较了退火温度对键合强度的影响，并与参考样品进行比较。参考样品包括：在UHV下处理的相同键合对的键合强度，且没有在与SAB过程相同的设备中进行事先激活；以及在空气中使用化学助剂或等离子激活进行处理的相同键合对的键合强度。使用的化学助剂是一种氨基醇分子（N,N-二乙基乙醇胺，简称DEAE），在去离子水中稀释，并在键合前施加在晶圆表面。使用的等离子激活是采用100W和75W功率的双阴极N2等离子体。在这两种情况下，都使用键合针来启动键合过程，在一个点上施加3200 mN的力。
2.2. 测试载体制造
接下来，为本研究设计并定义了两个具有混合表面的测试载体。第一个测试载体用于SAB在混合表面上的形态学和机械表征。该测试载体仅包含一个金属填充层，并且在整个晶圆表面上形成一个5μm间距的矩阵，铜垫嵌入在SiO2中，铜垫的基座宽度为2.5μm（见图2）。
图2. 用于形态学研究的测试载体1示意图。
硅氮化物和硅氧化物薄膜均在400°C下通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法沉积。铜垫使用金属填充工艺制造，采用Ti/TiN双层作为扩散屏障，并通过电化学沉积（ECD）形成。由于在键合之前使用了CMP工艺，铜垫相比于SiO2稍微凹陷。
第二个测试载体旨在研究通过Cu/Cu键合界面进行电导性传导。因此，该载体嵌入了雏菊链结构，具有第二个金属填充层和500nm大的通孔，用于连接两个金属填充层（见图3）。
图3. 用于电气研究的测试载体2示意图。
为了通过这种雏菊链结构进行电气表征，必须精确对准上、下晶圆的铜垫。这就是为什么，在SAB激活之后，需要在专门的真空对准模块中进行室温下的对准SAB键合，如EVG® Combond®系统所示。
图4. (a) SAB键合后的错位映射，(b) 使用6参数模型计算的错位残余。
如图4和表II所示，尽管是在超高真空环境下，键合后测得的对准精度约为500nm |Mean| + 3 Sigma（51个点）。此外，通过错位测量计算出的残余模型发现，错位量低于200nm，对于超过70%的测量点，错位量甚至低于50nm。
表II. SAB键合后的错位值。
对于两个测试载体，键合后，其中一半键合对没有进行退火，而另一半在150°C下退火2小时。随后，进行了完全的3D集成，彻底去除了顶部基板的背面。首先，使用研磨工艺将顶部晶圆薄化至30μm的硅厚度。此步骤的成功依赖于键合附着力，因为施加了重要的剪切应力。如果键合界面不够强固，薄化的晶圆可能会发生剥离。研磨后，剩余的30μm Si使用湿法蚀刻去除，并停留在一层热硅氧化物屏障上，该屏障在集成流程开始时就已经生成。对于形态学测试载体1，集成在此步骤停止，并对键合界面进行了结构表征。对于电气测试载体2，采用光刻步骤和干法蚀刻通过硅氧化物打开垫片。这些步骤是必需的，用于接触顶部层的背面进行电气表征。
3.结果与讨论
3.1. Ar轰击（即SAB激活步骤）对混合表面的影响
使用形态学测试载体1晶圆，研究了Ar+离子轰击对混合表面的影响，重点在键合前进行。进行了原子力显微镜（AFM）测量，测量在激活前后（图5）。激活前，铜垫的表面均方根粗糙度为0.37nm。激活后，均方根粗糙度略微增加到0.72nm，但仍与直接键合要求兼容。
图5. 具有2.5μm宽铜垫的混合表面的粗糙度测量 (a) SAB激活前，(b) SAB激活后。
在激活过程中，铜氧化物被去除，因此铜垫的部分被蚀刻。Ar+离子轰击也对混合表面上的硅氧化物部分产生了影响。尽管它没有创造悬挂键，但确实有一些减少的蚀刻。激活前后AFM测量表明，铜的蚀刻速率比硅氧化物表面略高，大约高1nm/min。这增加了铜垫在激活1分钟后的凹陷（图6）。
图6. 具有2.5μm宽铜垫的混合表面的AFM测量 (a) SAB激活前，(b) SAB激活后。
此外，用于隔离铜垫与硅氧化物基质的Ti/TiN屏障在Ar+离子束下的蚀刻较少，与铜和SiO2相比，在Cu和SiO2之间的边界形成了2nm高的墙。
3.2. 在Cu/Cu全片键合对和SiO2/SiO2全片键合对上的键合强度测量
使用第2.1节中描述的键合对和测量方法，发现SAB Cu/Cu键合对的键合强度为2.5 J/m²，无论使用了哪些激活参数。然而，所有梁在测量后都完全手动脱粘，并发现铜沉积总是完全从一个基板转移到另一个基板。这意味着测得的2.5 J/m²是铜沉积脱粘强度，而不是键合界面强度。总的来说，只能说键合强度总是高于铜在TiN上的附着力（>2.5 J/m²）。
然而，文献中已有报告指出，SAB中的Cu/Cu键合在室温下无需进一步退火步骤即可表现出非常高的键合强度。此外，在本文中，所有研究的结构均保持在室温下，或仅在低至150°C的温度下进行退火。在如此低的温度下，铜的微观结构演变不被预期。尽管在本实例中使用PVD进行铜沉积，但假设通过ECD沉积的铜垫在SAB过程中在室温下将表现出可比的键合强度。两种类型的铜薄层的键合机制预计是相同的。32)的研究报告指出，两种薄膜沉积技术在粗糙度（rms和峰谷高度），晶粒大小、结晶性和沉积表面的亲水性方面相似。唯一的不同是Cl和S的污染。
图7. 根据后键合退火温度变化的SiO2/SiO2表面SAB过程附着力。
对于SiO2/SiO2键合对，键合强度随退火温度的变化如图7所示，并与参考曲线进行了比较。观察到，SAB激活对此类氧化物表面没有特定影响，只有在高温退火（500°C）后，Ox/Ox键合对的键合强度才会增加。键合强度与真空条件下获得的键合强度相当，但显著低于通过N2等离子体激活或化学助剂激活后获得的键合强度，特别是在100°C低温退火后。在未退火的SAB键合中，只有范德华力在室温下维持两个基板的键合。当它们在150°C下退火时，键合界面开始缓慢形成共价键，但远少于在等离子体激活或化学助剂作用下形成的键合，它们通过水解硅胶来增强键合。
3.3. 集成流程结束时的观察
首先，成功制造了两个测试载体。图8显示了在SAB键合和随后的退火处理后，对一个键合对的键合界面进行扫描声学显微镜（C-SAM）成像。在退火后的键合对中，C-SAM观察到的界面比未退火的键合对显示出更深的色调，这是由于SiO2/SiO2界面的闭合得到改善，而未退火键合对则呈现灰色。无论是哪种情况，对于所有键合对，键合界面上观察到的缺陷都很少。
图8. 键合界面的C-SAM检查 (a) 未退火，(b) 150°C下退火2小时后的键合界面。
所有工艺步骤均已完成，包括完全去除顶部晶圆背面以及电气测试载体2的垫片开孔，针对低温退火和未退火的情况（见图9）。
图9. 在集成流程结束时，测试载体2上垫片开孔后的照片 (a) 未进行后键合退火的键合对，(b) 退火2小时，温度为150°C后的键合对。
尽管氧化物/氧化物键合部分的附着力较弱，但铜/铜键合界面的附着力足够强，可以机械承受3D集成流程中的工艺步骤，如研磨。事实上，铜垫均匀分布在晶圆表面，并且它们在键合后之间的高键合强度，可能充当了金属框架，从而能够机械地承受结构的应力。此外，在对退火至150°C的键合对进行最终湿法蚀刻后，未观察到化学渗透。在这种情况下，强力的铜垫键合可能有助于保持晶圆表面的完全接触，再加上SiO2/SiO2键合界面在150°C退火后已开始形成共价键。然而，在未退火的键合对中，观察到了一些小缺陷。在湿法蚀刻过程中，可能发生了小的化学渗透，并且在用于垫片开孔的干法蚀刻和去除过程中，剥离现象有所增加，这主要是由于氧化物/氧化物部分的键合界面闭合不完全。
3.4. 键合界面的形态学观察
对形态学测试载体的键合界面进行了透射电子显微镜（TEM）观察。由于Ox/Ox界面的附着力较低，未退火的键合对样品无法进行TEM观察，因为它无法承受TEM样品制备过程的压力。事实上，TEM样品的制备过程涉及将样品切割成梁，并额外对剩余的薄顶部薄膜进行干法蚀刻。这一过程会产生额外的应力，而该特定样品显然未能承受。然而，对于退火至150°C的键合对，TEM样品制备过程顺利进行。图10显示了横截面的TEM图像。在这些图像中，可以观察到铜晶粒的良好重构，以及铜垫之间良好的金属接触和Cu-Cu自扩散。
图10. 退火2小时，温度为150°C的键合对键合界面的横截面TEM图像 (a) 总体视图，(b) 聚焦于两个键合铜垫，(c) 铜/氧化物界面的系统性空隙，(d) 氧化物/氧化物界面处的细暗线。
在铜/氧化物界面上系统地存在空洞现象，与之前的观察结果一致：没有铜扩散到氧化物基体中。我们还关注了氧化物/氧化物界面。在该界面上，可以观察到一条较细的深色线条。这可能是铜残留物或“污染物”，它们在Ar+离子轰击过程中被溅射到氧化物表面。然而，并没有发现铜/铜界面上有氧化物“污染物”的证据，因为没有观察到铜氧化物。
3.5. 键合界面的电气表征
通过雏菊链结构进行了键合界面的电气表征。通过两个通孔评估了通过9000个连接的电气接触。结果显示在图11中。
图11. 通过Cu/Cu键合界面的电气表征。每条曲线对应一个测试的键合对，表示通过连接的电阻与电气连接百分比之间的关系。
可以区分两组数据。未退火的键合对的电阻范围为10到100欧姆。界面仍具有导电性，但其电阻远高于使用标准亲水性键合和该测试载体时典型获得的1欧姆值。该数据集的离散度也较高。第二组数据对应于退火至150°C并保持2小时的键合对。这些键合对的界面电阻低至1欧姆。数据的离散度也较小。对于第一次试验，结果非常有前景，许多测试设备中即使没有任何后退火处理，也能实现完美的电气接触。
3.6. 电气测试载体的SEM分析
在电气表征后，对一些电气测试载体2的键合对进行了横截面SEM分析。观察了未退火的键合对和退火至150°C的键合对。图12和图13显示了部分图像。在退火的键合对中，正如在形态学测试载体1的TEM中观察到的那样，铜/铜界面上观察到极好的键合界面重构，以及铜垫之间良好的金属接触和自扩散。事实上，在图12中可以看到，铜晶粒的重构已经在键合界面上开始。此外，在此界面上没有看到铜氧化物。
图12. 在退火后的键合对上开孔后的横截面SEM表征，退火温度为150°C。
图13. 在未退火键合对上开孔后的横截面SEM表征。
然而，在未退火的键合对中，发现了铜填充通孔的不良现象。这一点单独就能够清楚地解释在电气表征中观察到的较高电阻率。通过SEM仍然可以区分铜/铜键合界面，但在键合界面上没有观察到晶粒重构。似乎只是在铜垫之间创建了物理接触，没有观察到Cu-Cu自扩散。铜通孔的填充不完善，无法确定这些界面特征是否对键合界面的电阻产生了明确的影响。退火后的键合对受到这一不良通孔填充的影响较小：即使后退火使用的温度低至150°C，仍然足以允许部分通孔重构，并通过它获得更好的电气导电性。
4.结论
评估了SAB用于混合表面键合的效果。我们首先验证了铜/铜界面具有非常高的附着力。同时，硅二氧化物/硅二氧化物界面的附着力在键合后较弱，即使在150°C退火后也是如此。这引发了关于这些键合对能够承受的机械强度的问题。一个解释是，铜垫均匀分布在晶圆表面，一旦在SAB过程中在室温下强力键合成对，它们会充当金属框架，能够机械承受进一步的工艺步骤。
通过形态学和电气测试载体，评估了SAB在混合表面键合中的应用，并研究了两种实际情况：退火至150°C并保持2小时的键合对和未退火的键合对。在所有情况下，3D集成流程都成功完成。顶部晶圆的背面被去除，层转移得以实现。样品通过铜/铜界面具有导电性。然而，未退火的键合对的电阻通常高于10欧姆，例如，比退火至150°C并保持2小时的键合对的电阻高得多，后者的理论电阻为1欧姆。两种键合对之间的行为差异可以通过SEM中观察到的铜通孔填充缺陷来解释；在150°C时，这些缺陷可能已经减少，并改善了通过通孔的电气接触，而未退火的键合对则没有这种效果。对于第一次试验，结果非常有前景，即使没有任何后退火处理，许多测试设备中也实现了完美的电气接触。
总之，我们已证明，SAB是一种有前景的技术，能够在非常低的温度（<150°C）甚至在室温下将两个混合表面键合，以实现两层之间的电气连接。
文章名：Surface activated Cu/SiO2 hybrid bonding for room temperature 3D integration作者：K. Abadie1* , P. Renaud1, F. Fournel1, L. G. Michaud2, M. Danner2, M. Dornetshumer2, C. Lecouvey1, A.-M. Papon1, I. Chevalier1, T. Monniez1, C. Matei1, T. David1, S. Dominguez1, and C. Dubarry1单位：
1、University Grenoble Alpes, CEA, LETI, 38000 Grenoble, France
2、EV Group, DI E. Thallner Straße 1, St. Florian/Inn 4782, Austria
