混合键合工艺的核心引擎：Dielectric-on-Dielectric (DoD) 技术详解
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混合键合工艺的核心引擎：Dielectric-on-Dielectric (DoD) 技术详解混合键合之所以被称为“混合”，是因为它在同一界面上同时实现了两种不同材料的键合：提供机械支撑和电气隔离的介质层（Dielectric），以及提供电气连接的金属层（通常为铜）。尽管铜互连的导电性能至关重要，但在工艺实施过程中，Dielectric-on-Dielectric (DoD) 键合是决定良率和可靠性的先决条件。
DoD 键合通常发生在室温下，是晶圆或芯片接触时发生的第一个物理过程。如果介质层界面未能形成完美、无空洞（Void-free）的初始键合，后续的高温退火将无法驱动铜的膨胀和扩散，导致电气连接失效。因此，深入理解 DoD 的物理化学机制是掌握混合键合技术的关键。
1、界面物理学：表面活化与氢键机制DoD 键合的本质是利用高度平整、清洁且化学活化的表面之间的分子间作用力。该过程通常遵循以下严格的物理化学步骤：
1.1化学机械抛光（CMP）与平坦化控制： 混合键合对表面形貌的要求极高，均方根粗糙度（RMS Roughness, R_q）通常要求控制在 0.5 nm 以下 。CMP 工艺不仅要实现全局平坦化，还必须精确控制铜焊盘（Cu Pad）与介质区域（Field Area）之间的高度差（Dishing）。
工艺窗口：通常要求铜焊盘相对于介质表面有轻微的凹陷（Recess），深度控制在 5nm 至 10nm 之间 。这种设计确保了在室温键合时，介质层首先接触并形成密封，避免了铜表面的氧化或污染阻碍键合波的传播。在后续的退火过程中，铜的高热膨胀系数（CTE, \sim 17 \text{ ppm}/^{\circ}\text{C}）使其膨胀幅度远大于介质（\sim 0.5 \text{ ppm}/^{\circ}\text{C}），从而填充凹陷并形成紧密的金属接触。
1.2等离子体表面活化（Plasma Activation）： 经过 CMP 抛光的介质表面（如 SiO$_2$ 或 SiCN）通常是化学惰性的。为了使其具备键合能力，必须进行等离子体活化。机制：使用 N_2、O_2 或 Ar 等离子体轰击表面，物理性地打断表面的 Si-O 或 Si-C 键，产生高能的悬挂键（Dangling Bonds）。水合作用（Hydration）：活化后的表面随后暴露于去离子水（DIW）或受控湿度的环境中。悬挂键迅速与水分子反应，生成密集的硅羟基（Silanol groups, Si-OH）。此时，表面变得极度亲水。
1.3室温预键合（Spontaneous Pre-bonding）： 当两片活化后的晶圆对准并接触时，相对表面上的羟基之间会立即形成氢键网络： 这种氢键作用力（伴随范德华力）提供了初始的机械强度，足以在没有外部压力的情况下保持晶圆的对准。这一阶段的键合强度通常较低，不足以承受剧烈的后续工艺，但对于固定位置至关重要 。
1.4共价键合退火（Covalent Bonding Anneal）： 为了获得永久性的高强度键合，堆叠结构需要经历 200°C 至 400°C 的热处理。在此过程中，界面发生脱水缩合反应： 形成的硅氧烷（Si-O-Si）共价键将两层介质融为一体，实现了原子级的永久连接。
2、介质材料的选择博弈：SiO$_2$ vs. SiCN vs. SiN在 DoD 工艺中，介质材料的选择不仅仅关乎绝缘性能，更直接决定了键合的质量、界面空洞的控制以及对铜扩散的阻挡能力。目前行业内主要存在三大竞争性材料体系：2.1 二氧化硅（SiO$_2$）：经典的“海绵”效应SiO$_2$（通常由 TEOS 或 PECVD 制备）是目前最成熟的 DoD 材料。优势：工艺成熟，CMP 选择性好，且表面羟基密度高，易于活化。关键特性——透水性：SiO$_2$ 网络结构相对疏松，对水分子具有一定的渗透性。这一点至关重要，因为键合反应生成的副产物水分子（\text{H}_2\text{O}）必须从界面移除。如果水分子被困在界面，受热气化会形成高压“水泡”，导致界面分层（Delamination）。SiO$_2$ 层可以像海绵一样吸收这些水分子并将其向体材料内部扩散，从而有效抑制界面空洞 。劣势：SiO$_2$ 本身无法有效阻挡铜原子的电迁移，因此通常需要在铜周围包裹额外的阻挡层（如 TaN/TiN），这占据了宝贵的互连面积。
2.2 碳氮化硅（SiCN）：先进节点的扩散阻挡层随着互连间距缩小，阻挡层的厚度成为瓶颈。SiCN 因其优异的铜扩散阻挡性能，正逐渐成为混合键合界面的首选材料，尤其是在 Imec 和主要代工厂的高级工艺中 。优势：SiCN 是一种致密的非晶陶瓷材料，能有效阻止铜原子扩散到介质中，从而消除了对金属阻挡层的需求，极大地简化了工艺并增加了有效导电面积。此外，SiCN 在某些等离子体处理条件下能表现出比 SiO$_2$ 更高的键合能 。挑战——除气与空洞：SiCN 的致密性是一把双刃剑。它阻挡了铜，也阻挡了水。这意味着键合反应产生的水分子无法像在 SiO$_2$ 中那样扩散逃逸，极易在界面聚集形成空洞。解决方案：研究表明，通过调整 SiCN 的沉积参数（如 C/N 比例）或采用“双层介质”策略（在 SiCN 上覆盖极薄的 SiO$_2$ 层），可以平衡阻挡性能与空洞控制。例如，Imec 的研究指出，通过优化 CMP 和后清洗步骤，SiCN-SiCN 键合可以实现无空洞界面 。
2.3 氮化硅（SiN）：机械强度的保障SiN 通常用于钝化层或硬掩膜。其机械强度极高，但通常需要较高的沉积温度（>400°C），这可能与后道工艺（BEOL）的热预算不兼容。此外，SiN 表面的胺基（-NH$_2$）活化机制与 SiO$_2$ 的羟基不同，对预处理工艺的敏感度更高 。
DoD 键合通常发生在室温下，是晶圆或芯片接触时发生的第一个物理过程。如果介质层界面未能形成完美、无空洞（Void-free）的初始键合，后续的高温退火将无法驱动铜的膨胀和扩散，导致电气连接失效。因此，深入理解 DoD 的物理化学机制是掌握混合键合技术的关键。
1、界面物理学：表面活化与氢键机制DoD 键合的本质是利用高度平整、清洁且化学活化的表面之间的分子间作用力。该过程通常遵循以下严格的物理化学步骤：
1.1化学机械抛光（CMP）与平坦化控制： 混合键合对表面形貌的要求极高，均方根粗糙度（RMS Roughness, R_q）通常要求控制在 0.5 nm 以下 。CMP 工艺不仅要实现全局平坦化，还必须精确控制铜焊盘（Cu Pad）与介质区域（Field Area）之间的高度差（Dishing）。
工艺窗口：通常要求铜焊盘相对于介质表面有轻微的凹陷（Recess），深度控制在 5nm 至 10nm 之间 。这种设计确保了在室温键合时，介质层首先接触并形成密封，避免了铜表面的氧化或污染阻碍键合波的传播。在后续的退火过程中，铜的高热膨胀系数（CTE, \sim 17 \text{ ppm}/^{\circ}\text{C}）使其膨胀幅度远大于介质（\sim 0.5 \text{ ppm}/^{\circ}\text{C}），从而填充凹陷并形成紧密的金属接触。
1.2等离子体表面活化（Plasma Activation）： 经过 CMP 抛光的介质表面（如 SiO$_2$ 或 SiCN）通常是化学惰性的。为了使其具备键合能力，必须进行等离子体活化。机制：使用 N_2、O_2 或 Ar 等离子体轰击表面，物理性地打断表面的 Si-O 或 Si-C 键，产生高能的悬挂键（Dangling Bonds）。水合作用（Hydration）：活化后的表面随后暴露于去离子水（DIW）或受控湿度的环境中。悬挂键迅速与水分子反应，生成密集的硅羟基（Silanol groups, Si-OH）。此时，表面变得极度亲水。
1.3室温预键合（Spontaneous Pre-bonding）： 当两片活化后的晶圆对准并接触时，相对表面上的羟基之间会立即形成氢键网络： 这种氢键作用力（伴随范德华力）提供了初始的机械强度，足以在没有外部压力的情况下保持晶圆的对准。这一阶段的键合强度通常较低，不足以承受剧烈的后续工艺，但对于固定位置至关重要 。
1.4共价键合退火（Covalent Bonding Anneal）： 为了获得永久性的高强度键合，堆叠结构需要经历 200°C 至 400°C 的热处理。在此过程中，界面发生脱水缩合反应： 形成的硅氧烷（Si-O-Si）共价键将两层介质融为一体，实现了原子级的永久连接。
2、介质材料的选择博弈：SiO$_2$ vs. SiCN vs. SiN在 DoD 工艺中，介质材料的选择不仅仅关乎绝缘性能，更直接决定了键合的质量、界面空洞的控制以及对铜扩散的阻挡能力。目前行业内主要存在三大竞争性材料体系：2.1 二氧化硅（SiO$_2$）：经典的“海绵”效应SiO$_2$（通常由 TEOS 或 PECVD 制备）是目前最成熟的 DoD 材料。优势：工艺成熟，CMP 选择性好，且表面羟基密度高，易于活化。关键特性——透水性：SiO$_2$ 网络结构相对疏松，对水分子具有一定的渗透性。这一点至关重要，因为键合反应生成的副产物水分子（\text{H}_2\text{O}）必须从界面移除。如果水分子被困在界面，受热气化会形成高压“水泡”，导致界面分层（Delamination）。SiO$_2$ 层可以像海绵一样吸收这些水分子并将其向体材料内部扩散，从而有效抑制界面空洞 。劣势：SiO$_2$ 本身无法有效阻挡铜原子的电迁移，因此通常需要在铜周围包裹额外的阻挡层（如 TaN/TiN），这占据了宝贵的互连面积。
2.2 碳氮化硅（SiCN）：先进节点的扩散阻挡层随着互连间距缩小，阻挡层的厚度成为瓶颈。SiCN 因其优异的铜扩散阻挡性能，正逐渐成为混合键合界面的首选材料，尤其是在 Imec 和主要代工厂的高级工艺中 。优势：SiCN 是一种致密的非晶陶瓷材料，能有效阻止铜原子扩散到介质中，从而消除了对金属阻挡层的需求，极大地简化了工艺并增加了有效导电面积。此外，SiCN 在某些等离子体处理条件下能表现出比 SiO$_2$ 更高的键合能 。挑战——除气与空洞：SiCN 的致密性是一把双刃剑。它阻挡了铜，也阻挡了水。这意味着键合反应产生的水分子无法像在 SiO$_2$ 中那样扩散逃逸，极易在界面聚集形成空洞。解决方案：研究表明，通过调整 SiCN 的沉积参数（如 C/N 比例）或采用“双层介质”策略（在 SiCN 上覆盖极薄的 SiO$_2$ 层），可以平衡阻挡性能与空洞控制。例如，Imec 的研究指出，通过优化 CMP 和后清洗步骤，SiCN-SiCN 键合可以实现无空洞界面 。
2.3 氮化硅（SiN）：机械强度的保障SiN 通常用于钝化层或硬掩膜。其机械强度极高，但通常需要较高的沉积温度（>400°C），这可能与后道工艺（BEOL）的热预算不兼容。此外，SiN 表面的胺基（-NH$_2$）活化机制与 SiO$_2$ 的羟基不同，对预处理工艺的敏感度更高 。
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