摘要— 晶圆对晶圆键合正在被用来延续摩尔定律并实现异构集成。然而，传统的晶圆键合介电材料如SiCN或SiO2的热导率较低（k<1.4 W/mK），这导致热量在键合界面处积聚，从而降低器件性能。为增加热散失，提出使用铝氮化物（AlN）作为新的键合介电材料，因为其具有较高的热导率、电气绝缘特性，并且与BEOL兼容的沉积温度（<400°C）。通过PVD沉积的AlN薄膜厚度为30-250nm，并对其热导率和晶圆键合标准进行了测试。通过这一开发，利用表面激活等离子体技术实现了30nm AlN薄膜的无空隙直接键合；然而，键合能量过低，无法满足后续处理要求（<1.2 J/m²）。为提高键合质量，在AlN薄膜上沉积了薄于5nm的ALD Al₂O₃封层。该封层将键合能量提高到2.75 J/m²，同时不会影响键合膜堆叠的热性能。AlN + Al₂O₃薄膜堆叠显示，能够使键合界面处的有效热导率提高最高达36%，突显了其在ILD层中散热热点的能力。最后，我们研究了AlN对键合后光刻重叠（PBLO）的影响，以便于在BSPDN工艺流程中集成，其中减少键合畸变至关重要。

关键词— 热管理，晶圆对晶圆键合，3DI，融合键合，背面电力传输

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I. 引言

直接晶圆对晶圆融合键合是一种3D集成技术，通过无缝的表面激活介电键合界面将两块晶圆永久性地结合在一起。在融合键合中，一个有图案的器件晶圆与一个承载晶圆键合，承载晶圆提供所需的结构支持，以去除器件硅并暴露图案晶圆的背面。然后可以使用纳米TSV工艺访问晶圆的背面，增加可访问的器件区域，并允许在晶圆的正面和背面进行BEOL图案化。通过这种融合键合方法，传统的BEOL电力和信号网络可以分离成正面信号网络和背面电力传输网络（BSPDN），在提升面积扩展的同时还减少了RC延迟[1]。

虽然融合键合和BSPDN能够提供面积扩展并减少RC延迟，但热性能较差，因为热量在键合界面处积聚。在传统的非SOI架构中，活动设备硅与衬底硅直接接触，能够有效地散热，因为硅具有高热导率（κ>143 W/mK）[2]。然而，在BSPDN流程中，活动器件层夹在两个BEOL层之间。此外，背面电力网络与硅承载晶圆之间由介电键合界面分隔，而这些界面传统上由低热导材料（如SiO2或SiCN，κ=1.2W/mK）组成。

Woon等人[3]最近证明，具有低热导率键合界面的BSPDN架构的工作温度比标准的非BSPDN器件高出约30%。然而，通过集成高热导率键合界面，这种温度积累可以降低到约6%[3]。

除了高热导率，晶圆键合界面还需要具有电气绝缘性（ρ>108 Ωm）、低沉积温度（<400°C）、低表面粗糙度（<0.5nm Rq）以及足够的键合能量（BE>1.5 J/m²），以便与BEOL和晶圆键合工艺流程兼容。

钻石具有最佳的高热导率和电气绝缘特性，但由于其高硬度和成本，钻石薄膜的沉积和平整化仍然存在挑战。其他候选材料包括六方氮化硼、铝氧化物和铝氮化物（AlN）。在这些介电材料中，AlN因其高热导率（κ=10-100 W/mK）[3]以及已存在的BEOL堆叠集成，成为一个有前景的选择。AlN作为单一薄膜已被广泛研究，但较少有文献探讨AlN的晶圆键合性能[3,4,5,6,7]，并且最近才报道了在键合界面上的热导率测量[8]。

除了高热导率，键合后的重叠或畸变是BSPDN键合界面材料的一个关键指标。在晶圆键合过程中，器件晶圆图案会从印刷位置发生偏移或畸变。这种图案畸变在尝试对齐器件晶圆背面预键合位置时，会导致重叠和放置误差。全球晶圆失配可以在光刻扫描仪中进行校正，但键合过程中引起的高阶失配在没有密集的重叠测量和反馈到高阶曝光修正（CPE）算法的情况下无法校正。BSPDN中的对准容差小于5nm[9]，如果没有高阶光刻修正，键合过程中引起的残余重叠通常大于40nm[9,10]。通过键合优化和共同优化的高阶光刻修正，使用传统键合介电材料可以实现<5nm的重叠[10]，但AlN键合界面对畸变的影响尚未被研究。

在这项工作中，我们将评估AlN薄膜的沉积、晶圆键合、热导率和畸变，以期为其在BSPDN流程中的潜在集成提供参考。

II. 方法

A. AlN沉积与晶圆键合

通过物理气相沉积（PVD）在300mm硅晶圆上沉积AlN薄膜，晶圆上已生长100nm的热硅氧化物SiO₂，采用实验性PVD反应腔体。薄膜的成分和取向选择符合文献中的已有AlN沉积条件[5]。对于某些晶圆，采用原子层沉积（ALD）技术在AlN表面沉积1-5nm的Al₂O₃封层。沉积薄膜后，采用<400°C的单晶圆退火以提高AlN的结晶度，从而提高热导率。

采用直接晶圆对晶圆融合键合工艺流程，将两片300mm晶圆通过AlN、Al₂O₃、Si或SiO₂作为键合界面结合。在键合之前，使用表面激活等离子体（SAP）轻微激活表面，使用O₂或N₂等离子体工艺气体，然后用去离子水冲洗，以形成活跃的键合位点。接下来，晶圆进行对准并面朝面夹紧，使用启动器使两晶圆接触。激活表面的高表面能驱动键合前沿，并且键合波从晶圆中心向边缘传播[11]。键合后进行350°C退火1小时，以压缩弱氢氧基团（-OH）键合，形成键合界面上的永久共价键。

B. 键合强度与空隙检测

键合强度或键合能量（BE）量化了键合界面上形成的共价键数量，并提供了键合质量和表面能量的指示。通过双悬臂梁法（DCB）机械测量键合能量，其中使用剃刀插入键合晶圆之间，并使用红外相机测量产生的裂纹长度[12]。根据Maszara公式（1），可以计算键合能量（γ）：

其中，键合能量（γ）是晶圆杨氏模量（E）、晶圆厚度（tw）、刀片厚度（tb）和裂纹长度（L）的函数。裂纹长度在刀片插入后的5秒内测量，以消除应力腐蚀的影响，并在晶圆的4个位置进行测量。

空隙检测和测量采用共焦扫描声学显微镜（CSAM）进行。CSAM扫描的测量密度为100μm/pixel。

C. 热导率测量

稳态热反射法（SSTR）用于精确测量薄膜的热阻和热导率。在SSTR中，将一层具有良好热特性的铝传感器沉积到待测薄膜堆叠上。然后，用泵浦激光加热铝层，使用探针激光检测铝的反射变化，这与温度变化成正比。通过薄膜厚度和傅里叶定律，可以计算热导率。通过改变底层基材的热导率，可以独立测量交叉面和面内的热导率。

图1 使用稳态热反射法（SSTR）测量W2W键合薄膜堆叠热导率的过程流程图。

为了测量键合界面上的热导率，晶圆首先进行键合，其中一片硅晶圆被去除以暴露键合薄膜堆叠（见图1）。然后，SSTR技术能够测量整个键合薄膜堆叠的热导率。每一层在键合薄膜堆叠测量之前都通过SSTR和SEM进行单独表征，以减少误差。

D. 键合后光刻畸变测量

通过测量键合前后晶圆形状，并使用内部模型将晶圆形状转换为预测的畸变，模拟键合引起的重叠误差[11]。然后使用预测的畸变数据模拟高阶CPE模型的影响。

III. 结果与讨论

A. AlN沉积分析与初始键合结果
AlN薄膜的沉积厚度为30nm至250nm。

图2 AlN薄膜的横截面SEM（a-c）和表面SEM（d-f），沉积厚度从28nm到245nm不等。

图2显示了随着沉积厚度的增加，晶粒尺寸增大；然而，表面粗糙度也随着厚度的增加而变大。

                              表I. PVD AlN表面粗糙度

表I显示，当厚度超过28nm时，AlN表面粗糙度过大，无法进行晶圆键合（需要Rq < 0.5nm）。直接键合相同厚度的AlN薄膜（例如，30nm AlN与30nm AlN）在后键合退火后，30nm AlN薄膜呈现无空洞键合，80nm AlN薄膜则出现大空洞，而250nm AlN薄膜因表面粗糙度过高而无法键合（图3）。从键合能量测量中可以看到，薄膜的对角线边缘有小的空洞。为了获得高热导率，通常希望使用较厚的AlN薄膜以减少声子散射[3]，但这会导致表面粗糙度增加，需要进行管理。化学机械抛光（CMP）可以用于降低表面粗糙度，但需要与薄膜化学性质进行密切优化[3]。

          图3 标准W2W键合工艺流程下AlN/AlN键合界面的CSAM。

在本研究中，由于30nm AlN薄膜具有较低的表面粗糙度，因此选择该薄膜进行晶圆键合参数的评估。该30nm薄膜的热导率测得为约10 W/mK（跨面）和约20 W/mK（面内）（图4）。该薄膜的热导率低于已报告的数值[3]，但仍比传统键合电介质材料高出20倍。虽然该薄膜可以进一步优化以提高结晶度，但它足以用于晶圆键合的评估。

            图4 使用SSTR测量的几种W2W键合薄膜的热导率。

B. 表面工程改善AlN键合能量
图5显示，无论使用哪种SAP工艺气体，30nm AlN/30nm AlN的融合键合强度都较低（<1.2 J/m²）。

  图5 使用不同SAP工艺气体和条件键合的30nm AlN薄膜的键合能量。

测试了不同的SAP条件，但与BKM SiO2键合能量（3 J/m²）[12]相比，AlN键合能量仍然较低，并且在硅研磨过程中，键合界面可能会破裂。后键合退火后的TEM结果（图6）揭示，键合界面由约10nm的富氧AlON层构成，界面中心存在氮峰。

图6.  a) 30nm AlN/30nm AlN的TEM-EDX   b) 键合界面的HAADF TEM

为提高键合强度，测试了不同的键合集成方案，包括在AlN薄膜上添加5nm的ALD Al2O3封闭层（图7）。在键合界面，提出用封闭的Al2O3层取代该无定形的AlON层，以形成更结晶的ALD Al2O3。为30nm AlN薄膜添加5nm的Al2O3封闭层后，键合能量从1.2 J/m²增加至2.75 J/m²，并且在后键合退火后仍保持无空洞（图7b）。该5nm的封闭ALD Al2O3层与30nm Al2O3薄膜具有相同的键合强度，表明可以通过调整表面条件来提高键合能量，而不改变AlN薄膜的本体。通过直接将AlN薄膜与SiO2或Si键合，AlN键合能量也得到了提高（图7a）。

图7.  a) 几种AlN和Al2O3键合界面的键合能量测量   b) 相应的CSAM扫描

为了确定所需的最小封闭层厚度，使用ALD Al2O3封闭层的不同厚度（0-3nm）对键合能量进行测量，并与本地Si载体晶圆进行键合（图8）。

       图8 随着Al2O3封闭层厚度增加，AlN薄膜与Si键合能量的变化。

研究发现，稳定的键合能量所需的最小ALD封闭层厚度为3nm。低于此厚度时，薄膜的成核不完全，导致Al2O3在AlN上的薄膜覆盖不均匀。因此，3nm的Al2O3被选定为AlN的封闭层厚度。

图9
a) 30nm AlN + 3nm Al2O3 / 3nm Al2O3 + 30nm AlN的TEM-EDX
b) 键合界面的HAADF TEM

30nm AlN + 3nm Al2O3 / 3nm Al2O3 + 30nm AlN的TEM-EDX分析（图9）用于比较键合界面的特征，结果表明，3nm ALD封闭层的界面元素剖面与30nm AlN/30nm AlN键合具有相似的特征，均为约10nm的富氧AlON层。然而，与AlN/AlN键合相比，3nm Al2O3的键合界面中心不再出现氮峰。减少界面数量并提高键合界面的质量，对于降低多层薄膜中的热阻抗至关重要[4]。

图10
AlN（a, b, e, f）和AlN + 3nm Al2O3（c, d, g, h）薄膜的XPS光谱，分别在表面激活等离子体前后测量。

通过XPS分析，探讨了AlN和AlN + 3nm Al2O3的键合机制（图10）。Al2p光谱有两个峰，一个在73.9 eV，另一个在74.6 eV，分别对应Al-N和Al-O键[5]。O1s光谱在531.3 eV处有一个峰，表示Al-O键，另一个峰位于532.4 eV，归因于Al-OH键[5]。
Al2p光谱显示，原位沉积的AlN薄膜在薄膜表面具有34 at%的氧浓度，表明AlN薄膜在暴露于大气中后部分氧化，开始在表面形成Al-O薄膜。在暴露于O2 SAP后，Al-N与Al-O的比例并未发生变化。原位沉积的AlN + 3nm Al2O3薄膜的氧浓度为58 at%，尽管氮浓度可能由于XPS与薄膜交互的体积效应被人为提高了。
有趣的是，在氮等离子体暴露后，Al-O浓度进一步增加至64 at%，这可能是由于氮离子打破了Al2O3中的键，形成了悬挂键，并在DI水洗后以-O或-OH基团终止。O1s光谱中的氧浓度（Al-O）显示出与AlN和AlN + 3nm Al2O3薄膜的键合能量之间的潜在相关性。在Al2O3封闭薄膜中，表面激活后的Al-O区域比AlN薄膜大约高出1.9倍，这与添加Al2O3封闭层后键合能量增加的2.1倍相符。同样，AlN在氧等离子体激活后，O1s Al-O浓度有所增加。显然，O1s中的氧浓度在AlN键合机制中起着重要作用。

C. 键合界面的热导率
为了测试AlN在键合界面上散热的效果，准备了30nm AlN + 3nm Al2O3的晶圆键合样品，并将其置于100nm SiO2基底上，以模拟BEOL堆叠。样品被键合，顶层硅晶圆被薄化，以显示出键合界面堆叠结构，并进行SSTR测量。

图11
a) 键合界面的热导率测量，显示通过集成30nm AlN + 3nm Al2O3封闭层后，导热率较SiO2提高了36%。
b) 每个薄膜堆叠的相关横截面SEM图。

使用两片直接键合的SiO2晶圆作为参考，测量了AlN键合样品的热导率。图11显示，添加一层高热导率的30nm AlN + 3nm Al2O3键合层后，整个薄膜堆叠的有效热导率提高了22%。此外，添加30nm AlN + 3nm Al2O3到键合界面的两侧，使整个薄膜堆叠的有效热导率比SiO2基材的键合界面提高了36%。这种热散逸的提高与Woon等人的理论模型结果一致，他们预测，具有高热导率键合界面的BSPDN流动将减少约30%的热积聚[3]。

D. 键合后光刻叠加失真模拟
BSPDN融合键合中的最终关键因素是键合后的光刻叠加或失真。使用不同的键合界面（AlN、Si和Al2O3）键合AlN基薄膜，以确定其对高阶失真残差的影响。在所有键合界面中，AlN/AlN在每种HOCPE策略中都有最高的失真残差分布（图12）。高阶失真对键合传播和地形的局部变化非常敏感。AlN/AlN显示出低的表面能量和XPS中少量的活性位点，这可能导致键合传播不均匀。将AlN与Si或AlN+ 3nm Al2O3/Si键合能够减少这种失真。

图12根据后键合晶圆形状测量数据模拟的光刻叠加失真，针对每次曝光（CPE）对齐进行高阶修正。

最终，30nm AlN + 3nm Al2O3 / 3nm Al2O3 + 30nm AlN的组合显示出较低的失真，其Mean+3σ

IV. 结论
铝氮化物（AlN）作为晶圆键合界面被评估，具有高键合强度、高热导率和低后键合光刻失真。通过在AlN上添加3nm的Al2O3 ALD封闭层，增加了键合能量，并减少了在AlN/AlN键合样品中发现的富氧AlON键合界面导致的热量困 trapped。键合能量从1.2 J/m²增加至2.75 J/m²，且30nm AlN + 3nm Al2O3 / 3nm Al2O3 + 30nm AlN键合薄膜堆叠在键合界面处的热导率比传统的SiO2基键合界面提高了36%。最后，与AlN/AlN薄膜堆叠相比，封闭层在后键合光刻叠加失真方面表现出了减小的效果，CPE19下的平均值+3σ < 3nm叠加失真。