单步SiCN悬挂键活化技术实现三维异质集成

《Applied Surface Science》：Single-step SiCN dangling bond activation for 3D heterogeneous integration

三维异质集成技术中，通过化学机械抛光（CMP）结合特定添加剂和pH条件，实现了SiCN-SiCN单步直接键合。该工艺通过表面功能化激活悬挂键，避免了传统等离子体处理的局限性，同时保持与后端制造（BEOL）的兼容性。实验验证了表面化学状态（TOF-SIMS、XPS）及机械性能（接触角、AFM lithography）的改善，证实单步激活法可提升键合强度并减少缺陷。研究为3D垂直芯片平台提供了简化流程的解决方案。

　　

黄浩申（Hosin Hwang）| 李真亨（Jinhyoung Lee）| 王子扬（Ziyang Wang）| 金贤镐（Hyunho Kim）| 金泰成（Taesung Kim）

韩国水原市松京苑大学（Sungkyunkwan University），半导体融合工程系，邮编16419

摘要

随着器件尺寸缩小的物理极限已被突破，技术范式已转向三维（3D）垂直集成。3D异质集成（HI）作为一种重要的解决方案，能够提高集成密度、降低功耗并简化制造工艺。近期，Cu-SiCN键合技术因其在增强键合强度和改善空洞抗性方面的优势而受到广泛关注。然而，SiCN键合过程中的等离子体活化步骤对界面稳定性和器件长期可靠性存在影响，成为该技术的关键限制因素。本文提出了一种在化学机械平坦化过程中实现SiCN-SiCN直接键合的方法，从而简化了后端制造流程。通过飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）、接触角测量、电子自旋共振（ESR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）等实验手段验证了SiCN悬挂键的活化效果。此外，扫描探针光刻实验表明SiCN功能化能够实现位点选择性的有机刻蚀，并与SiCN去除速率直接相关。综上所述，我们的单步SiCN-SiCN键合技术为3D异质集成技术带来了显著进步，为下一代3D垂直芯片平台的发展奠定了基础。

引言

半导体行业一直致力于晶体管的小型化，以提升性能、减小外形尺寸并降低制造成本。然而，摩尔定律已接近器件尺寸缩小的物理极限[1][2][3]。随着进一步缩小的难度增加，先进的3D集成技术成为提高集成密度和能效的关键策略。传统的3D集成方法分为两类：3D单片集成（MI）和3D异质集成（HI）[4]。尽管3D MI具有较高的集成密度，但其商业化仍受限于制造复杂性和成本问题。相比之下，基于化学机械平坦化（CMP）和混合键合技术的3D HI已成为实现晶圆级3D集成的有效途径[5]。

在混合键合过程中，铜互连层与介质层通过热压结合，因此介质界面的完整性对键合可靠性至关重要[6][7][8]。SiO₂常被用作介质键合层，表面活化处理通常用于增强界面粘附力。随着互连间距的减小，对介质材料的缺陷容忍度、热机械应力以及抑制铜扩散的要求变得更加严格[9]。因此，键合介质必须具备机械稳定性、电气隔离性、强界面粘附力以及在复杂条件下的优异铜扩散抑制能力。

最近，Cu-SiCN键合技术作为Cu-SiO₂键合的替代方案受到关注，因其具有更高的键合强度、更好的空洞抗性和后端制造（BEOL）兼容性[10][11][12]。但这些优势也带来了一些挑战，如等离子体活化过程中的高能离子轰击、表面损伤以及空洞/缺陷的产生，这些因素可能降低键合质量[13][14][15]。此外，等离子体活化过程对参数（如功率、时间、气体组成）非常敏感，导致重复性差和工艺窗口狭窄。这些问题共同影响了界面稳定性和器件长期可靠性，使得等离子体活化成为SiCN键合技术的关键限制因素。因此，开发一种按需进行的单步SiCN悬挂键活化方法显得十分必要。

为克服混合键合的局限性，我们提出了一种基于CMP过程中悬挂键活化的单步SiCN-SiCN直接键合方法，确保了与后端制造流程的兼容性并简化了制造流程。CMP浆料中添加了乙醇胺和甘氨酸等添加剂，并在可控的pH值（6和10）下进行表面改性。单步活化后，通过TOF-SIMS、接触角测量和ESR验证了活化悬挂键的存在。FT-IR和XPS分析用于表征功能化SiCN表面的化学状态。原子力显微镜（AFM）实验进一步揭示了SiCN表面的位点选择性机械行为，证实了其与CMP去除速率的直接关联。该技术为3D异质集成提供了重要进展，有望应用于下一代3D垂直芯片平台。

材料与实验方法

实验中使用了平均粒径为75纳米的商用二氧化硅磨料（Nouryon，荷兰）。氢氧化钾（45 wt%，Sigma-Aldrich）用于调节浆料pH值。甘氨酸（99 wt%，Daejung Chemical）和乙醇胺（99%，Sigma-Aldrich）作为表面改性剂。抛光实验使用了Dupont公司的IC1010聚氨酯抛光垫。实验中使用的SiCN薄膜通过PECVD工艺制备。

不同添加剂和pH条件下的单步表面活化

非晶SiCN薄膜因能抑制铜扩散和减少界面空洞形成而被广泛用作键合介质[16]。如图1a所示，混合键合过程包括化学机械平坦化（CMP）和等离子体处理（用于羟基（–OH）活化），随后进行介质间键合。但在本研究中，如图1b所示，CMP过程中形成的有机层进一步改善了表面性能。

结论

本文提出了一种基于悬挂键活化的单步SiCN-SiCN直接键合方法，消除了对等离子体处理的依赖。通过添加乙醇胺和甘氨酸等添加剂并调节pH值（6和10），TOF-SIMS、接触角和ESR实验验证了活化悬挂键的存在。CMP过程中的机械和化学反应协同作用促进了表面键解离和羟基的形成。

CRediT作者贡献声明

黄浩申（Hosin Hwang）： 负责撰写初稿、数据整理、概念构思、方法设计及实验研究。

李真亨（Jinhyoung Lee）： 负责撰写初稿、数据整理及概念构思。

王子扬（Ziyang Wang）： 参与方法设计及实验研究。

金贤镐（Hyunho Kim）： 负责资源协调、方法设计。

金泰成（Taesung Kim）： 负责撰写修改稿、方法设计、实验研究、资金争取、数据分析及概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持，该计划由教育部资助（项目编号：2022R1A3B1078163）。此外，本研究还得到了贸易、工业与能源部（MOTIE）和韩国半导体研究联盟（KSRC）的支持，旨在推动未来半导体器件的发展（项目编号：20020410）。同时，本研究也得到了技术创新计划（项目编号：20013794）的资助。