#晶圆键合 #氮化铝键合 #氮化铝镀膜
#划重点
6寸氮化铝镀膜晶圆，保证能够键合上
**摘要**——混合键合正迅速成为应对先进封装日益复杂性的关键解决方案，而氮化铝（AlN）已被提出作为一种电介质材料，用于实现三维集成器件中的高效散热。我们开发了用于混合键合的AlN集成模块，并发现实现高键合强度的AlOₓ–AlOₓ界面需要高于350°C的键合后退火温度。为了降低整体热预算，我们采用了单晶圆热处理系统，在400°C下仅经过5分钟的Applied Materials® Producer® Pyra®退火，就实现了2.6 J/m²的键合强度——这与传统炉管退火在350°C下处理1小时所获得的强度相当。这些结果对于需要降低退火热预算的各类先进封装应用具有广阔前景。
**关键词**——氮化铝，氧化铝，混合键合，Pyra退火，低热预算键合
**I. 引言**
混合键合已成为应对先进封装日益复杂性的关键技术，特别是当具有不同工艺要求的异质器件被集成到单个衬底上时。除了实现细间距互连外，混合键合还减轻了与外互连相关的信号延迟损失。尽管有这些优势，传统的混合键合叠层由于在金属化和键合界面中使用低热导率的电介质，仍然存在热阻较高的问题。
为了克服这些热限制，我们引入氮化铝（AlN）作为混合键合架构中的电介质材料。AlN兼具高导热性和优异的电绝缘性，使其成为三维集成系统中热管理的理想候选材料。我们已开发并优化了关键单元工艺——AlN沉积、图案化和化学机械抛光（CMP）——以实现AlN电介质在混合键合流程中的集成。特别注重理解工艺间的相互作用，以确保表面平整度、界面质量以及与混合键合的兼容性。
低热预算退火工艺的验证需要同时确保：（i）铜通孔充分膨胀以形成连续的电接触；（ii）足够的电介质键合强度，以在后续工艺步骤（如减薄和CMP）中保持晶圆完整性。与基于氧化硅的混合键合不同，我们发现AlN键合需要更高的键合后退火温度才能达到与传统电介质相当的键合强度。在先前的工作中，我们证明了使用300°C、5分钟的Applied Materials® Producer® Pyra®退火，可以实现具有完整铜间隙闭合和跨键合界面晶粒生长的牢固电学键合[1]。
在本研究中，我们系统研究了Pyra退火对AlOₓ–AlOₓ电介质键合强度的影响。我们的结果表明，基于单晶圆热处理系统（TPS）的退火可以显著降低整体热预算，同时大幅提升电介质键合强度。这些发现凸显了基于AlN的混合键合在实现面向下一代先进封装应用的高热效率、高机械牢固性集成方面的潜力。
**II. 实验**
对于混合键合集成，使用物理气相沉积（PVD）技术在Applied Materials Impulse™腔室中于350°C下将350 nm厚的AlN薄膜沉积在常规铜金属化层上。优化沉积条件以确保在300 mm晶圆上实现均匀的干法刻蚀和CMP行为，同时保持AlN薄膜的高热导率。然后在AlN顶部沉积一层薄薄的键合层，以增强电介质键合强度。使用Applied Materials Sym3®刻蚀机对电介质叠层进行图案化，为铜键合焊盘开孔。电介质图案化后，使用Applied Materials Endura® EnCoRe II™系统进行铜阻挡层/种子层（CuBS）沉积，该系统可沿刻蚀侧壁提供保形的阻挡层覆盖。随后电镀铜键合焊盘，并使用Applied Materials Reflexion® LK Prime® CMP系统进行平坦化，以实现相对于电介质表面小于1 nm的凹陷深度。
成对制备好的晶圆在等离子体活化和去离子水冲洗后在室温下键合。然后在传统炉管或单晶圆Pyra热处理系统中在不同温度下进行键合后退火。
为了表征电介质键合强度，制备了无图形的晶圆对晶圆熔融键合测试载具。上下晶圆制备方式相同：每片300 mm硅晶圆先沉积1 µm厚的SiO₂层以模拟标准金属化叠层，然后进行温和的CMP步骤以降低表面粗糙度。随后在抛光后的SiO₂上沉积一层薄的电介质键合层。在不同条件下键合和退火后，使用Maszara裂纹张开法评估键合对，以量化键合强度。严格控制键合、退火和Maszara测试之间的排队时间，以最小化无意中的室温退火效应对测量结果的影响。
**III. AlN混合键合**
AlN薄膜呈现出良好定义的柱状微观结构，具有(111)择优取向，如图1所示。
**图1.** PVD AlN薄膜的横截面，显示出具有(111)择优取向的良好发育的柱状结晶性。
在350°C下沉积的1 µm厚薄膜的热导率测量值约为80 W/m·K，超过传统氧化硅基电介质的热导率50倍以上。当沉积温度降至200°C时，柱状结构得以保持，尽管热导率略微下降至约70 W/m·K。
**图2.** 在AlN电介质中形成的用于混合键合的铜键合焊盘。
使用协同优化的AlN电介质工艺，成功制备了键合焊盘间距小至300 nm的混合键合测试载具（图2）。混合键合需要极其平滑的电介质表面，粗糙度值<5 Å。在CMP过程中，AlN表面发生氧化，形成AlOₓ层，该层最终作为活性电介质键合界面。一旦在较厚的AlN层顶部制备出平坦且致密的AlOₓ表面，晶圆对即可牢固键合而不会形成空洞，如图3所示。
**图3.** 具有AlOₓ表面的AlN-AlN键合对的横截面。
**IV. AlOₓ–AlOₓ键合的键合强度**
将5 nm厚的AlOₓ键合层沉积在经CMP抛光的SiO₂表面上，保持表面粗糙度低于5 Å。晶圆在相同条件下键合，然后分别在300°C、350°C或400°C的传统炉管中退火1小时。在同一批次中包含了仅由CVD SiO₂组成的对照样品，作为键合强度的参考。
**AlOₓ–AlOₓ键合对表现出对键合后退火温度的强烈依赖性。
**图4.** 传统炉管中退火1小时后的AlOₓ-AlOₓ键合强度。
如图4所示，高于350°C的退火温度所产生的键合强度，与350°C退火下的CVD SiO₂参比样品的键合强度相当甚至更高。然而，长时间高温退火的要求限制了其集成到更广泛的先进封装工艺流程中，因为这些流程中的热预算约束通常非常严格。**
**V. 采用Pyra退火的混合键合**
我们此前已展示，使用Applied Materials® Producer® Pyra®单晶圆热处理系统进行短时间退火，可以实现高良率的混合键合，与相同温度下传统1小时炉管退火相比，这种退火方式产生了更高的通链良率[1]。此外，对于键合晶圆对中具有450 nm间距的2000万个连接点的通链，经过5分钟的Applied Materials® Producer® Pyra®退火处理后，其良率超过了98%[2]。
**图5.** 使用350°C、5分钟Applied Materials® Producer® Pyra®键合后退火工艺，带有CVD SiO2 IMD和Insepra界面层的键合后450 nm间距通链的横截面（插图为2000万个通链的良率分布图）。
如图5所示，仅经过5分钟退火，铜键合焊盘就实现了完全的间隙闭合，这与极低的失效率（超过20亿个铜-铜键合中仅出现2个缺陷互连）是一致的。
这些结果证实，使用单晶圆热处理系统进行短时间键合后退火，在保持优异电学连续性和机械牢固性的同时，显著降低了混合键合工艺的热预算。
**VI. AlOₓ–AlOₓ键合中的热预算降低**
为了评估使用短时间Pyra退火降低含AlN电介质的混合键合热预算的可行性，对AlOₓ–AlOₓ键合晶圆对在不同温度下进行了5分钟的Pyra退火处理。将所得的键合强度与在相同温度条件下于传统炉管中退火1小时的参比样品进行了比较。测得的键合强度汇总如图6所示。
**图6.** 使用Applied Materials® Producer® Pyra®退火5分钟的AlOₓ-AlOₓ键合强度与在炉管中退火1小时的样品的比较。
通过5分钟Applied Materials® Producer® Pyra®退火获得的键合强度略低于相同温度下1小时炉管退火的键合强度。然而，在400°C下退火5分钟的样品，其键合强度略高于在350°C下退火1小时的样品。因此，仅将退火温度提高50°C，就可以在保持同等键合质量的同时，将退火时间缩短十二倍以上。
**图7.** AlOₓ-AlOₓ键合界面横截面，退火条件分别为：(a) 传统炉管中于400°C退火1小时；(b) 使用Applied Materials® Producer® Pyra®于400°C退火5分钟。
图7展示了在Applied Materials® Producer® Pyra®系统中退火5分钟的键合对与在传统炉管中退火1小时的键合对的TEM横截面图像。两种条件下未观察到明显的结构差异，这与它们测得的键合强度相当的结果是一致的。
降低键合后退火的热预算非常有利，因为混合键合通常是在大多数器件制造步骤完成之后进行的，此时器件特性对长时间的热暴露越来越敏感。通过短时间退火获得的相当性能表明，对于AlOₓ介导的键合而言，长时间的热处理并非必要。这可以归因于以下事实：超平坦电介质表面之间的强键合不需要长程扩散；相反，键合的形成由一个高活化能的界面反应所控制，该反应在高温下快速进行。因此，短时间的高温退火提供了足够的能量来实现牢固键合，同时最大限度地减少对底层器件的热应力。
**VII. 结论**
开发了一个采用AlN薄膜作为电介质层的混合键合模块，以增强先进封装中的热管理能力。AlN薄膜的热导率约为80 W/m·K，显著高于传统电介质材料。通过采用薄层AlOₓ界面层作为键合电介质，实现了牢固的AlN–AlN混合键合，这需要在高于350°C的温度下进行键合后退火。使用单晶圆Pyra退火，所需的热预算大幅降低：5分钟的Applied Materials® Producer® Pyra®退火足以实现2.6 J/m²的高键合强度，与传统的长时间退火所获得的强度相当。
