关键词 — 介电材料，混合键合，剥离应力，边缘修整，铜大马士革，退火

12寸 PECVD

SICN SIN SIO2镀膜代工 代工

12寸混合Cu/SICN键合代工,EVG机台

12寸cu/sicn图案片，用于混合键合调试

用于混合集成，超高的生产效率，颗粒度过关，膜厚均匀

I. 引言
最先进的3D存储器、图像传感器都涉及铜混合键合，其中铜双大马士革工艺被集成用于互连目的。与传统的μ柱和μ凸点封装技术相比，这种方法具有巨大的优势[1]。在介电材料的选择上有广泛的选择，包括：热氧化物、PECVD TEOS SiO2、SiN、SiCN 和商业聚合物。研究了其中的两种聚合物介电材料：高温固化（350°C）和低温固化（250°C）[2]。在这项工作中，所有上述介电材料都针对细间距混合键合（6 μm）进行了评估。聚合物介电材料涉及预固化和高温键合，而其他常用的介电材料，如SiO2、SiN和SiCN，则涉及室温键合（分子键合）并随后进行后键合退火。通过刀片测试和模具剪切测试对键合强度进行表征，同时通过扫描声学显微镜（C-SAM）和扫描电子显微镜（SEM）横截面评估键合质量。对SiO2、SiN和SiCN介电材料进行了接触角研究，以确定其各自的润湿角。SiCN表面获得的最小润湿角为5°。通过研究确定，键合能量与润湿角成反比。

键合晶圆通过边缘修整技术被薄化至 ≤ 50μm [3]。评估了预修整和后修整方法。化学机械抛光（CMP）工艺被优化，以实现聚合物介电材料的目标表面粗糙度（Ra）约为 2 nm，而其他介电材料的 Ra ≤ 0.5 nm [4]。聚合物介电材料的主要 CMP 挑战是产生细小划痕和微小凹痕。研究表明，250°C 的较低后键合退火温度足以完成 SiCN 介电材料的共价键合转换。因此，SiCN 和低温固化聚合物可适应温度受限的工艺集成流程。然而，后键合退火温度最低需要 300°C，以促进界面处的铜-铜扩散。为了克服这一温度障碍，在低温工艺流程中用 Cu/Sn 替代了铜。观察到，通过将 SiO2 替换为聚合物介电材料，可以解决常见的剥离应力生成问题，从而防止 SiO2 介电材料在铜/SiO2 混合键合中的脱层现象 [5]。

II. 测试样品制造

图 1. 制造铜/非聚合物电介质混合键合测试载体的工艺流程示意图。

图1示意性地展示了用于演示铜/非聚合物混合键合的 12” 晶圆制造工艺流程。SiO2/SiN/SiCN 介电材料采用等离子体增强化学气相沉积工艺（PECVD）沉积，其中沉积温度在确定薄膜中孔隙率的百分比方面起着关键作用。SiCN 中的碳含量也起着决定性作用 [6]。总介电材料厚度在 1-1.5μm 之间变化。致密化退火在 250°C-350°C 的温度范围内进行 [4]。确保最大铜密度不超过 25%。使用的铜垫大小和间距分别为 3μm 和 6μm。进行了均匀的介电材料刻蚀。使用 Ti/Cu 薄膜作为阻挡层和种子层，采用物理气相沉积（PVD）技术进行沉积。电镀铜在 300°C 下退火 2 小时。在此工艺流程中，CMP 工艺面临巨大的挑战，介电材料 Ra 要求优选 ≤ 0.5nm，铜的粗糙度要求 ≤ 1nm [4]。铜的凹陷应尽量保持在 5nm 以下。较高的铜凹陷需要通过提高后键合退火温度来补偿 [5]。后键合退火温度取决于相应的铜凹陷值，并在 250°C 到 350°C 之间变化。

对于PECVD沉积，观察到晶圆中心和边缘之间的Ra不均匀性。较低的接触角有利于分子键合，这表明SiCN是非聚合物电介质中的潜在电介质候选材料。SiN表面测量到了最大的接触角。选择合适的等离子体条件对于增强表面的亲水性至关重要。N2等离子体被认为是SiO2表面的理想等离子体。Ar等离子体会导致SiO2表面表面粗糙化。这适用于低T和高T的TEOS。O2等离子体被认为是SiN表面的合适等离子体。SiN的平均接触角可以降低到9°。然而，这会导致Cu表面氧化，因此不适用。无论使用何种等离子体气体，都无法测量等离子体处理后SiCN表面的接触角，因为SiCN表面几乎是平坦的，并且处于设备限制之内。低于5°的任何接触角都无法精确测量。在低T和高T TEOS材料中，Ra值没有显著差异。接触角和表面粗糙度之间结果具有良好的相关性。唯一的例外是TEOS SiO2。

IV. CMP优化

混合键合工艺流程中最关键的工艺是CMP工艺[4]。在本研究中，晶圆在Applied Reflexion® LK平台上进行抛光。需要使电介质和铜层都达到非常低的Ra值。铜层凹陷始终需要控制在≤10nm。需要优化CMP工艺，以提高中心和边缘之间的均匀性，并最小化凹陷范围。表II列出了不同电介质材料的Ra值。通常需要微调的工艺参数包括浆料成分、浆料流速、抛光垫压力和时间。聚合物和非聚合物电介质采用不同的浆料成分。当抛光垫压力保持在低至1psi时，可以实现均匀的去除率。去除速率对浆料浓度变化敏感。晶圆内部的不均匀性始终控制在 10% 以内。SiCN 的 Ra 值最低。

表 II. CMP 后优化 – 达到的 Ra 值

高温固化聚合物在 CMP 过程中的 Ra 值显著降低。高温和批量沉积的 TEOS SiO2 均获得了相似的 Ra 值。

目标的非聚合物介电材料CMP后的Ra值为0.5 nm，然而SiN介电材料未能达到该值。

铜CMP后的Ra值为1nm。观察到高温固化聚合物的CMP前Ra值明显高于低温固化聚合物。然而，经过CMP处理后，高温固化聚合物的Ra值可以减少一个数量级（见图3），使其Ra值与低温固化聚合物相当（见图4）。

图4。低T 可固化聚合物的AFM显微照片（a）CMP前（b）CMP后。

Ra值是键合过程中的一个关键指标，因此进行了聚合物整体键合以验证这一点，具体内容将在第四部分讨论。

最小的铜凹陷约为2nm，仅能通过SiCN介电材料实现。
较低的铜凹陷值有助于降低所需的后键合退火温度。

IV. 介电材料：键合强度表征

表三。不同介电材料的键合强度。

键合强度通过刀片测试和模具剪切测试进行表征。刀片测试在晶圆级别进行，而模具剪切测试在芯片级别进行。键合晶圆被切割成55 mm²的芯片尺寸，用于模具剪切测试。对于高温固化聚合物，使用了33 mm²的芯片，因为其剪切强度极高，最大剪切力限制为100kgf。刀片插入键合晶圆内，并立即使用C-SAM扫描。通过Maszara模型分析计算键合能量，其中裂纹长度通过相应的C-SAM图像确定 [4]。在所有介电材料中，键合能量和剪切强度都呈现出相似的趋势。高温固化聚合物获得了最高的键合强度，而SiN则表现出最小的键合强度。尽管在低温和高温TEOS SiO2之间观察到Ra没有差异，但在键合强度上，高温TEOS明显更优。通过刀片测试可以确定的最大键合能量为2.5 J/m²，这一值受到硅屈服强度的限制。

在非聚合物类别中，SiCN介电材料获得了最高的键合强度。
观察到SiCN薄膜中的碳含量对键合强度有不利影响 [6]。该薄膜中的碳含量在25-30原子百分比之间变化。SiCN的上述键合强度是通过350°C的后键合退火温度实现的（见图6）。

图6. C-SAM显微照片显示刀片插入后的裂纹扩展区域
(a) SiCN
(b) 高温聚合物 - 部分固化
(c) 高温聚合物 - 完全固化

当后键合退火温度降低至250°C时，未观察到键合强度的显著差异。这可能归因于SiCN表面存在较多的悬挂键缺陷，相较于TEOS SiO2或SiN表面 [6]。在完全固化状态下，聚合物才可能获得最高的键合强度。这一现象在高温和低温固化聚合物中都很常见。如果跳过硬固化过程或部分固化，键合强度会显著降低。在聚合物的情况下，研究表明，键合强度 > 2.5 J/m²，超过了已知的任何典型无机介电材料的强度。这可能为未来封装需求中更高的键合可靠性提供了一条途径。CMP的作用至关重要，因为未经抛光的聚合物表面过于粗糙。如果没有CMP处理，键合是不可行的，因为键合后的晶圆在任何键合尝试后都会立即脱层。研究表明，只有在完全固化状态下，聚合物才能获得最高的键合强度。这一现象对于高温和低温固化聚合物都是普遍的。如果跳过硬固化步骤或进行部分固化，会显著削弱键合强度（见图6）。因此，选择合适的聚合物非常关键，尤其是在需要低温键合时。

V. 混合键合
对于TEOS SiO2、SiN和SiCN介电材料，键合在室温下进行。在室温键合之前，晶圆需要进行原位等离子体清洗和原位去离子水清洗。随后进行后键合退火。后键合退火温度在250°C到350°C之间变化。后键合退火有两个作用：（a）促进铜-铜扩散键合；（b）将弱的分子键合转化为强的共价键。选择合适的后键合退火温度取决于多个因素：（a）对应的平均铜凹陷值；（b）表面悬挂键缺陷的密度。选择不足的退火温度可能导致铜-铜界面没有扩散，进而导致宏观空隙的生成（见图7）。研究表明，对于TEOS SiO2，后键合退火温度无论铜凹陷值如何，最小要求为300°C。因此，SiO2的所需后键合退火温度在300-350°C之间变化。对于TEOS SiO2，较低的后键合退火温度会削弱键合强度。与TEOS SiO2不同，对于SiCN，经过250°C的后键合退火处理后，键合强度未出现显著差异。这可能归因于SiCN表面较高的悬挂缺陷密度，这一点在接触角测量中也得到了反映。另一个主要挑战是在TEOS SiO2介电材料中，当后键合退火温度超过300°C时，会产生剥离应力，导致TEOS SiO2介电键合的脱层现象（见图8）。

图 8. Cu/SiO2 混合键合 (a) 键合后退火温度 T 不足 (b) 键合后退火温度 T 过高。

因此，必须确保TEOS SiO2的铜凹陷值在约5nm时，以便它可以在温度范围的低端进行处理。图9展示了使用300°C的后键合退火温度进行的细间距铜/SiO2混合键合。平均铜凹陷值为5nm，这是通过在Applied Reflexion® LK上结合实时过程控制（RTPCTM）和激光端点技术实现的。

图 9. 细间距 Cu/SiO2 混合键合，键合后退火温度 T 为 300°C。

某些特定应用，如存储器设备封装，要求低温混合键合工艺流程，
其中工艺的峰值温度限制在250°C。这仅通过使用SiCN介电材料或低温固化聚合物才能实现。许多文献声称铜-铜扩散键合可以在200°C时实现。然而，观察到只有在300°C时，才能通过晶界扩散机制在界面处实现良好的铜-铜扩散。这个问题通过在铜上镀上一层薄薄的锡来解决。现在，金属键合机制已从扩散键合机制变为瞬时液相（TLP）键合。在这种情况下，最低要求的后键合退火温度应该高于低熔点中间层（锡）的熔点。锡的熔点约为232°C，因此250°C是足够的 [7]。在界面处观察到了铜-锡金属间化合物（见图10）。

图 10. 低温混合键合：(a) Cu-Sn/聚合物电介质(b) 不同 Cu 焊盘设计导致的错位补偿。

因此，通过选择CuSn/SiCN或Cu-Sn/低温固化聚合物，可以实现低温混合键合工艺流程。错位问题通过设计不同尺寸的铜混合键合垫并在键合过程中故意偏移得到解决。

对于铜-锡/聚合物混合键合，不需要后键合退火，因为这将是热压键合。键合过程在键合室内进行，键合温度与固化温度相似。研究表明，5分钟的键合时间是足够的。与铜-铜扩散键合相比，铜-锡TLP键合的扩散动力学要快得多 [7]。在整个热压键合过程中施加了20kN的键合力。要键合的晶圆在键合之前首先对准并通过标记分隔。键合前在10^-2 mbar的低真空条件下，进行150°C下5分钟的原位烘烤。对于铜-锡/SiCN混合键合，后键合退火在炉中进行。尽管对于铜-锡TLP键合，5分钟是足够的，但对于SiCN介电材料，5分钟也足够。研究表明，对于SiCN表面，完成分子键到共价键的完全转变，最小的后键合退火时间需要为1小时。

VI. 边缘修整
近年来，由于对微型化的追求以及智能设备容量扩大需求的推动，存储器设备和控制器芯片的厚度已被减小 [3]。因此，混合键合后的晶圆被薄化至 ≤ 50μm的厚度。在此过程中，边缘崩裂是常见的，可能导致裂纹扩展并导致晶圆破裂。因此，边缘修整是必要的，以去除晶圆外缘的圆形形状，从而避免边缘崩裂 [8]。如果需要减薄的晶圆厚度 ≥ 200μm，则不需要进行边缘修整。典型的预修整深度在150-200μm之间。边缘修整可以在混合键合之前或之后进行。对于涉及聚合物介电材料的混合键合，两种方法都适用，因为聚合物介电材料对颗粒不太敏感。然而，对于涉及非聚合物介电材料的混合键合，优选后键合边缘修整。这是因为非聚合物介电材料对在边缘修整过程中生成的颗粒非常敏感。此外，边缘修整通常在1000级及以上的洁净室环境中进行。只有在使用保护层时，才可以考虑在键合前进行边缘修整。薄的光刻胶作为临时保护层使用。

图 11. 红外 (IR) 显微照片显示，在未使用保护层的情况下，预键合边缘修整工艺中产生的颗粒。

图11展示了在未使用保护层时，在非聚合物介电材料中生成的颗粒。使用临时保护层的另一个风险是，在去除光刻胶时，通常为湿法清洁过程，这可能会轻微改变在CMP中获得的目标Ra值。

边缘修整宽度在0.5mm到3mm之间变化。

图 12. 边缘修整宽度由边缘键合质量决定（a）聚合物电介质（b）非聚合物电介质。

对于聚合物介电材料，0.5mm已足够，而对于非聚合物介电材料，需要3mm。这是因为一般来说，聚合物介电材料能够实现均匀的键合，而非聚合物介电材料的晶圆边缘键合较差（见图12）。通常不推荐修整宽度 ≥ 3mm，因为这会影响生产效率，因为这是一个耗时的过程。对于300mm晶圆，0.5mm的边缘修整宽度需要约15分钟。然而，在后键合边缘修整方法中，通常需要更大的边缘修整宽度，以克服非聚合物介电材料中的边缘空隙问题。

VII. 结论
对所有可能的混合键合介电材料进行了评估，得出以下结论： (a) 对于需要低温混合键合工艺流程的存储堆叠应用，推荐的介电材料是碳含量高的SiCN和低温固化聚合物。 (b) 从CMP角度来看，SiCN更为优选。最小的Ra和铜凹陷只能通过SiCN实现。 (c) 高温固化聚合物获得了最高的键合强度，其次是SiCN。聚合物的最大键合强度只能在完全固化状态下实现。 (d) SiCN被认为是最具亲水性的，且250°C的后键合退火温度足够。 (e) 用Cu/Sn焊料替代铜可以确保涉及聚合物介电材料的热压键合时间从1-2小时缩短到仅5分钟。 (f) 通过SiCN可以减轻导致SiO2脱层的剥离应力，其中后键合退火温度要求仅为250°C。由于聚合物介电材料固有的低杨氏模量，这个问题可以通过聚合物介电材料克服。 (g) 从晶圆薄化的角度来看，聚合物介电材料更为优选。0.5mm的边缘修整宽度已足够。