摘要——关于下一代具有 3D 堆叠架构的器件前沿技术，涉及铜对铜混合键合（或混合铜键合），为了实现这种复杂技术，工艺创新是不可避免的。在各种不同的工艺和设备挑战中，Cu/介质表面拓扑控制被认为是实现无缝混合键合的最重要方面之一。在这方面，化学机械抛光（CMP）工艺在键合之前为器件晶圆提供均匀的铜（Cu）凹陷起到了关键作用。然而，随着 Cu 垫和间距的不断缩小，CMP 工艺面临着目标规格的更紧张边际，这要求 Cu 凹陷轮廓具有更精确的亚纳米级可控性，以确保成功的 3D 集成。在我们之前的研究中，我们提出了一种新的方法，通过循环处理湿化学液体来提供卓越的 Cu 凹陷控制，并探索了这一创新工艺作为补偿和减轻 CMP 工艺在混合键合实现中的局限性的潜力。在本研究中，我们将这种所谓的湿法原子层刻蚀（ALE）工艺的能力扩展到 300 毫米晶圆级平台，并报告了在纳米范围内控制 Cu 凹陷的实验结果。基于在混合键合测试车辆上进行的工艺和硬件评估，讨论了湿法 ALE 解决方案的多功能性，Cu 垫尺寸和间距小于 0.4/0.8 μm。具体来说，我们调整了与化学液体分配相关的参数，探讨了是否可以实时补偿初始突出或凹陷轮廓，以确保晶圆内的一致性。本研究的实验结果表明，湿法 ALE 工艺的进展及其应用可以实现 Cu 表面拓扑的精确控制，达到约 0.5 nm/周期的晶圆级可控性。

关键词 — 混合键合、晶圆级 Cu 凹陷控制、表面拓扑、湿法原子层刻蚀

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
最近，涉及混合键合技术的 3D 堆叠 NAND Flash 或 DRAM 架构在内存设备的下一代前沿技术中受到前所未有的关注，以满足工业需求并最大化高性能计算能力[1-8]。为了推动这一新兴的直接键合方案，面临着许多关键挑战，其中一个主要难题与键合前晶圆表面拓扑的优化有关。具体而言，表面平坦化要求，例如介质表面的粗糙度和铜（Cu）凹陷，必须得到妥善处理，以展示强健且卓越的键合特性。特别是，Cu 垫设计要求与周围介质表面之间具有目标高度差，这种凹陷特性是必要的，以便在后续的键合退火过程中，为 Cu 热膨胀提供足够的余量，从而形成低电阻的 Cu-Cu 互连。迄今为止，化学机械抛光（CMP）被认为是唯一能够控制并实现适合混合键合的表面拓扑的工艺[9-10]。然而，下一代设备在 Cu 垫尺寸和亚微米间距进一步缩小的情况下，要求目标凹陷值低于 1 纳米。这种严格的工艺目标涉及对大量参数空间的全面实验研究，包括 CMP 垫的种类和抛光液的调整，通常需要大量时间和费用。在本研究中，我们提出了一种新型工艺平台，以缓解传统框架的局限性，其中晶圆级湿法原子层刻蚀（ALE）工艺[11]被应用于补偿并解决 CMP 工艺中的障碍。

湿法 ALE 是一种多功能的解决方案，能够通过周期性处理湿化学液体，并以每周期亚纳米分辨率选择性刻蚀 Cu 表面，提供整个表面区域的 Cu 凹陷控制，而不受垫尺寸、间距和图案密度的限制。在这个平台中，我们研究了分配方法、化学分配时间、化学流速、旋转干燥转速以及与浓度相关的参数对混合键合测试载体的影响，测试载体的 Cu 垫尺寸和间距小于 0.4/0.8 μm。在评估的条件中，我们观察到分配方法能够有效控制从中心到边缘的 Cu 凹陷轮廓偏差。具体来说，分配参数可以实时调整，以补偿初始的凹陷轮廓，从而使中心区域的铜局部被更多地刻蚀，以匹配边缘区域的凹陷拓扑，反之亦然。本研究的实验结果表明，湿法 ALE 工艺的进展及其应用能够实现 Cu 凹陷拓扑的精确控制，达到约 0.5 nm/周期的晶圆级可控性。

II. 实验方法

A. 晶圆级湿法 ALE 工艺平台配置
我们之前的研究表明，旋涂器硬件类型是实现湿法 ALE 工艺的合适平台，原因有几点。首先，这种配置优于其他类型（例如湿法站），因为它能够均匀地将化学物质分配到表面区域，而不会产生污染问题。将样品从一个化学浴移到另一个化学浴的短时间内的重复操作可能会影响 Cu 的控制性能，以及随着每个化学浴中剩余 Cu 内容的增加，整体表面质量的下降。采用旋涂器平台的另一个优势是工艺效率，因为我们发现化学分配和干燥可以顺序执行而无需任何延迟，且每个化学分配步骤之间不需要时间排队。考虑到这一经验教训，我们配置并开发了一个可以承受 300 毫米晶圆的原型测试台，用于测试晶圆级湿法 ALE 工艺。

             图1. 本研究中开发的湿法ALE过程平台的硬件配置示意图

本原型系统的主要组成部分包括可调转速的 300 毫米真空吸盘、每种化学物质流速控制的自动分配模块，以及带有示意图的可运动分配臂（见图 1）。拥有这些关键组件后，我们能够无缝地进行多周期操作，包括化学 A → IPA → 化学 B → IPA 的顺序。

B. 测试载体准备与 Cu 凹陷表征
与我们之前为评估湿法 ALE 可行性和工艺开发而构建的 Cu/介质（SiCN）测试样品类似，我们制作了 300 毫米的混合键合测试载体晶圆，并进一步缩小了 Cu 垫尺寸至小于 0.4 μm，间距小于 0.8 μm，以验证在晶圆级平台上开发的工艺。如图 2 所示，首先进行粗铜 CMP 步骤以去除电镀铜，然后进行障碍金属去除 CMP 工艺，暴露出 SiCN 表面。该工艺流产生了约 ~20 Å 的铜突出，这些晶圆被用于本研究中对湿法 ALE 工艺的评估。我们考察了多个工艺参数，研究了化学分配方法、分配时间、流速、分配和旋转干燥转速等参数，以实现目标 Cu 凹陷值在 -5 ± 5 Å 范围内。另一方面，我们还使用优化的铣削控制 CMP 工艺准备了参考晶圆，以获取 -10 Å 的 Cu 凹陷进行对比。

图2. 测试样品准备的CMP过程流程。采用带有铜突出部分的样品来研究湿法ALE过程，而准备了CMP凹陷样品用于对比。

Cu 表面拓扑或高度轮廓的特性是通过原子力显微镜（AFM；Park Systems，NX20，AC160TS/PPP-NCHR 扁平头）在实验室环境中进行测量的，测量时间为湿法 ALE 工艺之前和之后。

图3. 具有突出和凹陷轮廓的测试样品的AFM测量结果。采用突出样品来评估湿法ALE的晶圆级性能。

图 3 显示了上述测试载体的 AFM 线轮廓，其中分别具有 +20 Å 的突出和 -10 Å 的凹陷。为了追踪晶圆内的均匀性，至少使用 AFM 扫描了测试载体晶圆中的三个点，沿径向方向测量，7.2 mm、73 mm 和 118 mm 分别代表晶圆的中心、中部和边缘位置。每个实验案例中都测量并获取了 Cu 垫凹陷信息，以分析和优化工艺条件，达到目标凹陷值。对于 AFM 数据的后处理，我们应用了一个内部代码，跟踪整个扫描区域内的所有 AFM 线轮廓。Cu 垫和介质区域根据峰-谷评估进行分类，并通过计算相邻峰之间的高度差来得出 Cu 凹陷值。需要注意的是，当前的内部代码能够检测到每个介质区域和 Cu 垫的中心，并在执行峰-谷评估时进行平均。表面高度差结果以平均值和范围值呈现，并基于统计数据进行讨论。

III. 结果与讨论
A. 精细间距、缩小铜垫的晶圆级铜表面形貌可控性
湿法ALE工艺在晶圆级的有效性已经通过本研究开发的硬件平台进行了验证，以确认我们设计的新概念足够可行，可以在整个表面区域内精确控制铜表面形貌。主要的工艺条件来源于我们之前的研究工作，在该工作中，化学浓度最初经过调整以确保初步优化结果。在初步试验过程中，涉及化学分配的细节，如分配时间、数量、流速等，进行了调整，因为之前的研究使用的是比本研究中300 mm晶圆更小的样品。具体而言，旋转干燥过程中的时间和转速（RPM）参数在每次化学分配步骤之间经过精心调整，以防止并限制过度的表面反应。

图4a展示了在20 Å铜突出测试样品晶圆上进行1、2、3、5和10次湿法ALE工艺周期后的表面高度轮廓。从结果中可以明显看出，进入的晶圆的突出状态在经过湿法化学循环处理后呈现出凹陷轮廓。还应注意的是，介电表面没有受到化学品的影响，因为介电表面区域的线形轮廓与施加的周期次数无关，保持重合。图4b展示了不同周期数下，铜在晶圆中心、中部和边缘区域的腐蚀趋势。尽管湿法ALE过程展示了线性趋势，但在此初步结果的基础上，我们进行了进一步的优化。

图4.
(a) 湿法原子层刻蚀(ALE)工艺下铜/SiCN混合键合测试样品的AFM高度轮廓变化
(b) 每个工艺周期中，中心、中部和边缘区域的晶圆内变化结果

我们在开发的系统中引入的主要概念之一是允许晶圆表面在分配步骤中经历不同的分配环境。也就是说，分配臂的位置可以是固定的，也可以是移动的。这一特性与重要的工艺参数一起，决定了铜表面形貌的晶圆内变化。引入这种控制功能的主要原因是为了实现均匀的铜凹陷轮廓，因为进入的晶圆可能具有不同的晶圆内变化，导致中心和边缘区域的铜高度与初始状态存在差异。进一步解释，它被设计为可以调整各种分配参数，并实时补充初始的凹陷轮廓，使得中心高的区域可以局部地更加蚀刻，以匹配边缘区域的凹陷形貌，反之亦然。图5总结的结果支持了我们的发现，表明不同的分配运动导致了不同的铜凹陷。结合转速（RPM）参数，可以建立大约3 Å/周期的中心与边缘差异，这意味着在5次湿法ALE工艺周期后，初始高度差异可补偿至约1.5 nm。

图5. 使用不同分配方法和变化的转速（RPM）工艺参数下，测试样品中铜凹陷值的变化

我们设定的目标是在0.4 μm以下的缩小铜垫上实现-5 ± 5 Å的凹陷，以便在整个测试样品晶圆上展示1 nm范围（-10 ~ 0 Å）的结果。根据图4和图5的结果，我们确定了影响中心至边缘变化的主要因素，并据此开始优化工艺条件。考虑到初步试验中约为0.5 nm/周期的蚀刻速率，我们认为2到3次湿法ALE循环足以从+20 Å的突出状态达到1 nm范围。图6展示了多次迭代的代表性结果，表明通过参数研究优化，仍有进一步改进的空间。此外，目前的原型硬件系统在配置成熟度上存在不足，需要通过重新审视喷嘴类型、流量和分配量控制器等组件来寻求更好的性能。

图6. 湿ALE工艺的2周期操作优化，以实现整个晶圆表面上目标铜凹陷为-10 ~ 0 Å。

B. 负载效应与无侵蚀结果
在混合键合技术中的CMP工艺面临的许多挑战，源于键合表面的“混合”性质，其中铜和SiCN材料的不同特性共同存在于同一表面上。此外，铜垫的局部分布在整个样品中可能不均匀，这会在CMP过程中导致表面形貌控制的不均匀。同样，当在键合表面实施不同尺寸的铜几何形状时，由于选择性或负载效应的差异，很难达到所需的规格。对于混合键合样品，键合键通常是主要的负担，因为与铜垫相比，它的规模变化可以达到几个数量级。在这种情况下，我们研究了不同类型的键合键结构以及它们在湿法ALE工艺下的表现。

图7. CMP（铜垫凹陷-10 Å）和湿ALE（10周期）工艺在测试载体中较大尺度特征上的比较。

图7展示了CMP和湿法ALE在同一测试样品中较大尺寸铜结构的对比结果。如第II节所述，CMP的目标是将铜垫的高度降至-10 Å，而进入的晶圆则具有+20 Å的突出状态。可以看出，在凹陷控制过程中，介电表面也受到CMP的影响，在键合键区域表现出表面形貌的变化。另一方面，湿法ALE处理后，介电表面保持完好，即使经过10个周期的处理，也没有显著变化，只影响并去除了铜区域。湿法ALE的蚀刻速率似乎与几何形状无关，因为对于两种类型的键合键结构，铜去除速率保持约为0.5 nm/周期。

IV. 结论
在下一代器件架构的无缝混合键合技术中，面对各种不同的工艺和设备挑战，Cu/介质的表面形貌控制被认为是最重要的方面。在本研究中，我们报告了一种创新工艺的能力，该工艺弥补并缓解了当前CMP工艺的局限性，后者被认为是成功进行3D集成的唯一选择。本研究的实验结果表明，通过湿ALE工艺的工艺创新，实现了对晶圆级集成的铜凹陷形貌进行精确的、约0.5 nm/周期的可控性。此外，除了它在铜垫尺寸和间距小于0.4/0.8 μm时实现铜凹陷目标的纳米级范围的作用外，我们还探索了该工艺的多功能性，可以通过基于运动的化学分配模式实时控制进入的凸起或凹陷轮廓。我们的结果表明，尽管湿ALE工艺并不能单独作为一个普适工具，但在细化铜凹陷和消除CMP后晶圆内的均匀性方面，湿ALE工艺具有良好的前景。

基于本研究中展示的有希望的结果，未来工作扩展至以下几个主题是至关重要的。首先，键合结果尚未彻底研究，因此键合传播、介质键合能量、错位、铜-铜接头的形成应进行研究，以确保湿化学物质不会恶化键合特性。此外，其在HBM（高带宽存储器）架构中的适用性也可能是关键，需要验证我们开发的工艺能否扩展到具有更大铜垫尺寸的芯片级混合键合。