The demand for technologies enabling higher performance, greater capacity at lower cost has been growing. Wafer-to-Wafer hybrid bonding for three-dimensional architectures allows for high interconnect density with a minimal footprint. SiCN has been considered as a superior dielectric layer. However, the mechanism of SiCN-SiCN bonding has not been clearly described in comparison to SiO 2 -SiO 2 bonding. In this study, we investigated the surface and subsurface of dielectric films (SiCN, SiO 2 ) at several post-process steps to understand their characteristics. Positron Annihilation Spectroscopy was employed to detect open spaces. This measurement revealed that SiCN film possesses a higher density of atomic-level voids, fewer outgasses, and more dangling bonds (DBs) than SiO 2 film. These results were consistent with the tendency of water desorption observed through thermal desorption spectroscopy. Based on these findings, it is assumed that a large number of water stored in the dielectric film affects the generation of interfacial voids when wafers are bonded and annealed at decent temperatures. However, many DBs in the SiCN film enable the suppression of voids, leading to void-free. Additionally, the impact of pre-surface cleaning/conditioning prior to physical vapor deposition (PVD) barrier deposition was investigated. It was found that strong Ar plasma has a negative impact on the in-situ plasma cleaning for bonding when the process is not well optimized.

The effectiveness of a new D2W hybrid bonder achieving 2200 UPH and 100-nm alignment accuracy is validated based on the fact that multiple chips are bonded even when the duration after plasma activation is fixed. Our hybrid bonding is characterized using Positron Annihilation Spectroscopy (PAS), Double Canti-lever Beam Method (DCBM) test, and TEG chips with Kelvin patterns to evaluate the electrical properties of Cu-Cu single joints/daisy chains. We confirm that excellent electrical properties are obtained from optimized Cu-CMP, pretreatment processes, including dicing, cleaning and plasma activation, and bonding conditions.

The annealing properties of open spaces in 90-nm-thick SiO2 deposited from tetraethylorthosilicate (TEOS) using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) were studied with monoenergetic positron beams. From the lifetime of positronium (Ps) and an empirical model assuming a spherical open space, the mean diameter of open spaces was estimated to be 0.45 nm for PECVD-SiO2 before annealing. In the annealing temperature range below 350 °C, the size of the open spaces and their concentration increased as the temperature increased. Because initial water desorption from PECVD-SiO2 occurred in this temperature range, the observed increases in the size and concentration of spaces were attributed to the detrapping of water from such regions. Above 400 °C annealing, Ps formation was suppressed due to carrier traps introduced by the desorption of gas incorporated during TEOS decomposition. The size of the open spaces reached its maximum value (0.61 nm) after 800 °C annealing and started to decrease above 900 °C. After 1000 °C annealing, although the size of the spaces was close to that in thermally grown SiO2, their concentration remained low, which was attributed to residual impurities in the SiO2 network.