半導(dǎo)體襯底的接合方法以及由此得到的器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體襯底的接合方法以及由此得到的器件。根據(jù)本發(fā)明，提供一種使用低溫?zé)釅旱膶⒌谝话雽?dǎo)體襯底（1）接合到第二半導(dǎo)體襯底（2）的方法。該接合方法包括在熱壓接合步驟前，原位地機(jī)械摩擦金屬接觸結(jié)構(gòu)表面（3），從而平坦化并去除金屬接觸結(jié)構(gòu)表面（3）上的氧化物和/或污染物。在熱壓接合步驟之后是熱退火步驟，用于創(chuàng)建所述第一半導(dǎo)體襯底（1）和第二半導(dǎo)體襯底（2）的金屬接觸結(jié)構(gòu)3之間的界面擴(kuò)散。
【專利說(shuō)明】半導(dǎo)體襯底的接合方法以及由此得到的器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般地涉及半導(dǎo)體襯底的三維堆疊【技術(shù)領(lǐng)域】，更特定為一種使用熱壓接合半導(dǎo)體襯底的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體襯底的三維(3D)堆疊是一種很有前途的技術(shù)，以用于制造具有改進(jìn)的性能和功耗，同時(shí)保持較低外形系數(shù)的器件。在過(guò)去的幾年中，諸多3D【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)進(jìn)步已見諸報(bào)道。不過(guò)，可靠性問(wèn)題和高制造成本仍是3D技術(shù)無(wú)法投入量產(chǎn)的主要問(wèn)題。這些問(wèn)題主要是與半導(dǎo)體襯底的接合相關(guān)聯(lián)，更具體的在于材料選擇和其中使用的接合方法。
[0003]其中，最有吸引力的半導(dǎo)體襯底接合的量產(chǎn)方法是銅到銅的接合，下文中稱為銅-銅接合。銅相比其他金屬，例如鋁和金，是被半導(dǎo)體工業(yè)所青睞的金屬，因?yàn)槠溆袃?yōu)異的導(dǎo)電特性，且在使用于大批量制造時(shí)成本低。而在另一方面，在制造過(guò)程中銅容易形成氧化物和其它污染物。因此，為了實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體襯底之間的成功的接合，形成于銅表面上的氧化物和雜質(zhì)需要被去除。在原則上，銅-銅接合是通過(guò)熱壓(，以下簡(jiǎn)稱為TC-接合)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，藉此方法，半導(dǎo)體襯底的銅表面通過(guò)同時(shí)被施加力(壓力)和熱來(lái)進(jìn)行接觸。為了突破形成于銅表面上的氧化物和污染物，TC-接合通常需要在約300?450°C的溫度下，且采用超過(guò)300MPa的持續(xù)約20至60分鐘的壓力。作為TC-接合中施加高溫高壓的結(jié)果，可能在接合的半導(dǎo)體襯底中發(fā)生應(yīng)力相關(guān)的故障，從而降低可靠性，因此影響所制造的三維器件的成品率。此外，用于執(zhí)行TC-接合的條件也限制了可以受益于銅-銅接合的應(yīng)用。例如，含有DRAM或SRAM單元的存儲(chǔ)器芯片不能夠承受熱壓接合中施加的溫度和壓力。
[0004]關(guān)于TC-接合，US7973407描述了一些用于最小化或防止銅的氧化，從而達(dá)成低溫和低壓TC-接合三維層疊基板的安排和方法。更具體地說(shuō)，該文獻(xiàn)中所描述的過(guò)程流程可以最小化或防止銅的氧化，其方法是通過(guò)快速將所述半導(dǎo)體襯底在化學(xué)清洗步驟之后進(jìn)行接合，從而減少了銅表面暴露于大氣中的時(shí)間，并由此最小化銅氧化。所提出的處理流程在受控環(huán)境中的進(jìn)行，并且需要復(fù)雜的處理步驟，例如化學(xué)清洗步驟，這是與當(dāng)前大批量的半導(dǎo)體制造工藝不兼容的。其結(jié)果是，制造總成本增加，而產(chǎn)出量下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在本發(fā)明的目的是提供用于在低溫和低壓下使用熱壓縮(TC)接合的半導(dǎo)體襯底的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過(guò)去除形成于所述半導(dǎo)體襯底的表面上的金屬接觸結(jié)構(gòu)的表面的氧化物和其它污染物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)去除步驟是在TC-接合之前進(jìn)行的，因此用于實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體襯底之間的有效接合的所需溫度和壓力被降低了。
[0007]在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，形成在所述半導(dǎo)體襯底的表面上的金屬接觸結(jié)構(gòu)可以包括如銅，鋁或金的材料。更優(yōu)選地，所述金屬表面包括銅，因?yàn)殂~的低成本和電氣特性。
[0008]通過(guò)減少TC-接合過(guò)程中所需的溫度和壓力，接合襯底的諸多應(yīng)力相關(guān)的故障顯著降低。其結(jié)果是，TC-接合方法可以適用于具有嚴(yán)格要求的諸多應(yīng)用，例如，適用于存儲(chǔ)器集成電路(IC)的接合。
[0009]去除金屬表面的氧化物和污染物的操作涉及一種原位機(jī)械摩擦動(dòng)作，優(yōu)選地，通過(guò)隨后用于TC-接合的接合機(jī)工具執(zhí)行該原位機(jī)械摩擦動(dòng)作。在該步驟中，半導(dǎo)體襯底的金屬接觸結(jié)構(gòu)被近距離放置，使它們的表面物理接觸。機(jī)械摩擦提供一個(gè)軟的摩擦作用，這是通過(guò)控制半導(dǎo)體襯底的X和Y平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)控制半導(dǎo)體襯底的X和Y平面，形成一個(gè)圓形運(yùn)動(dòng)。機(jī)械摩擦動(dòng)作以很低的頻率進(jìn)行，而在半導(dǎo)體襯底的XY平面上的運(yùn)動(dòng)范圍從幾納米到大約幾微米，更優(yōu)選地在XY平面的運(yùn)動(dòng)范圍約為lum。
[0010]在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，形成在所述半導(dǎo)體襯底的表面上的金屬接觸結(jié)構(gòu)可以是以下的任一種:微突起、外露硅穿透通孔(TSV)釘、或接觸焊盤墊。優(yōu)選的是，諸多半導(dǎo)體襯底中的至少一個(gè)的要被結(jié)合的各金屬接觸結(jié)構(gòu)從它們所形成的表面處突出。雖然，優(yōu)選具有均勻構(gòu)造的金屬接觸結(jié)構(gòu)的接合，例如微突起到微突起的接合，這并非限制，同樣可以實(shí)現(xiàn)前面提到的接觸結(jié)構(gòu)的任意組合。
[0011]機(jī)械摩擦執(zhí)行達(dá)預(yù)定的持續(xù)時(shí)間。這個(gè)持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)所使用的金屬接觸結(jié)構(gòu)的材料(銅，鋁，金)的性質(zhì)和所述金屬接觸結(jié)構(gòu)上需被去除的氧化物和/或污染物的量而變化。例如，包括銅的金屬接觸結(jié)構(gòu)可能需要不同的機(jī)械摩擦持續(xù)時(shí)間。優(yōu)選地，執(zhí)行機(jī)械摩擦達(dá)5秒到40秒之間的持續(xù)時(shí)間。
[0012]相比其它用于除去所述金屬接觸結(jié)構(gòu)的氧化物和污染物的方法，機(jī)械摩擦步驟的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它與當(dāng)前的大批量半導(dǎo)體制造工藝兼容。此外，機(jī)械摩擦步驟可以在獨(dú)立于該半導(dǎo)體襯底制造工程的位置來(lái)進(jìn)行。這是一個(gè)重大的優(yōu)點(diǎn)，特別是從不同的制造商生產(chǎn)的半導(dǎo)體襯底可以在第三者處(比如在封裝廠)進(jìn)行接合的情況下。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，在機(jī)械摩擦步驟中可以施加較低的壓力。通過(guò)在機(jī)械摩擦?xí)r施加低壓力，摩擦的持續(xù)時(shí)間可以減少。這對(duì)于在金屬表面上已經(jīng)形成氧化物和/或污染物的情況下非常有利。在此步驟中所施加的壓力優(yōu)選為3.5MPa至14MPa之間。
[0014]在機(jī)械摩擦步驟時(shí)施加壓力還具有改善金屬表面的粗糙度的附加優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)果是，在金屬表面實(shí)現(xiàn)了平坦化。金屬表面平坦化已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在降低TC-接合中所施加的溫度和壓力以及提高可靠性上具有顯著貢獻(xiàn)。因此，希望提供具有基本上平坦的金屬表面的接觸結(jié)構(gòu)。
[0015]更希望的是，將機(jī)械摩擦法與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步改善金屬接觸結(jié)構(gòu)的表面平坦化，例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)，或使用單結(jié)晶金剛石車削工具的飛刀切削(flycutting)工藝。這些技術(shù)傳統(tǒng)上出于相同的目的在TC-接合之前進(jìn)行，但是，其效果局限于微米/納米級(jí)的表面平坦處理和除去基本上較厚的氧化物和/或污染物層。在金屬表面的平坦化中，因?yàn)轱w刀切削的操作速度和更少的研磨性質(zhì)，相對(duì)CMP，更傾向使用飛刀切削。
[0016]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用飛刀切削和機(jī)械摩擦的組合可以顯著地進(jìn)一步降低接合時(shí)需要的溫度，壓力和時(shí)間。因此，通過(guò)引入機(jī)械摩擦的步驟，TC-接合可以在下述條件下進(jìn)行:溫度在150°C和300°C之間，更優(yōu)選在約220°C，壓力在IOMPa和300MPa之間，更優(yōu)選在20MPa，持續(xù)時(shí)間在I秒和5分鐘之間，更優(yōu)選為45秒。
[0017]在根據(jù)本公開的實(shí)施例中，在TC-接合之前，可以在半導(dǎo)體襯底的表面上沉積“底部填充(underfill) ”材料?！暗撞刻畛洹辈牧鲜且环N粘合劑，并具有非導(dǎo)電性的屬性，其“鎖合”半導(dǎo)體襯底并補(bǔ)償熱膨脹的差異?！暗撞刻畛洹辈牧系倪x擇與TC-接合的條件密切相關(guān)。因此，對(duì)于高溫高壓的TC-接合，需要選擇合適的“底部填充”材料。然而，高溫固化“底部填充”的材料可能會(huì)由于熱膨脹系數(shù)(CTE )不匹配而出現(xiàn)額外的熱積存和應(yīng)力，這對(duì)于某些應(yīng)用，比如存儲(chǔ)器的應(yīng)用，可能會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。
[0018]通過(guò)使用本文所揭示的方法減少期間TC-接合所需的溫度和壓力后，可以選擇具有較低固化溫度的“底部填充”材料。因此，可以最小化熱積存和應(yīng)力相關(guān)的可靠性故障。
[0019]在TC-接合后，所得到的半導(dǎo)體襯底層疊中，接觸結(jié)構(gòu)的金屬表面在物理上連接，并具有一個(gè)電產(chǎn)率(electrical yield)。然而,不存在接觸結(jié)構(gòu)之間的金屬原子的界面擴(kuò)散。這個(gè)金屬原子的界面擴(kuò)散是通過(guò)給半導(dǎo)體層疊施加后接合熱退火步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在該步驟中，半導(dǎo)體襯底疊層被置于烘箱中，從而使半導(dǎo)體層疊在一個(gè)恒定的溫度下烘烤達(dá)預(yù)定義的持續(xù)時(shí)間。
[0020]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于包括銅的金屬接觸結(jié)構(gòu)，界面擴(kuò)散可以在150°C到300°C之間的溫度下施加一個(gè)30分鐘到大約60分鐘的持續(xù)時(shí)間(期間)來(lái)達(dá)成。
[0021]本文所公開的方法是與接觸結(jié)構(gòu)的尺寸無(wú)關(guān)的，并且同樣可以應(yīng)用于具有基本上相同(對(duì)稱)尺寸或基本上不同(非對(duì)稱)尺寸的接觸結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]為了更好地理解本公開，僅作為示例，現(xiàn)在將參考附圖，其中:
[0023]圖1A至IC示出了示例性的采用了飛刀切削法對(duì)銅微突起表面進(jìn)行平坦化的處理流程。
[0024]圖2A至2D示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于接合半導(dǎo)體襯底的處理流程。
[0025]圖3A至3C是出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的機(jī)械摩擦方法的處理步驟。
[0026]圖4示出了銅微突起表面在機(jī)械摩擦之前與之后之間的比較。
[0027]圖5示出了熱壓接合工序后所得到的銅微突起。
[0028]圖6示出了后接合熱退火步驟后產(chǎn)生的銅微突起接合。
[0029]圖7示出了確定最佳機(jī)械摩擦條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0030]圖8示出了用于接合具有異質(zhì)接觸結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底的替代實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明將關(guān)于特定實(shí)施例并參照某些附圖來(lái)進(jìn)行描述，但本發(fā)明并不局限于此，而是僅由權(quán)利要求書。所描述的附圖僅僅是示意性的和非限制性的。在附圖中，一些元件的尺寸可能出于說(shuō)明目的被夸大或沒有按比例畫出。
[0032]此外，本說(shuō)明書和權(quán)利要求中，用語(yǔ)“頂部”和類似項(xiàng)是用于描述的目的，不一定用于描述相對(duì)位置。但是應(yīng)當(dāng)理解的是，這樣使用的術(shù)語(yǔ)在適當(dāng)情況下與本文所描述的優(yōu)選實(shí)施例是能夠和不同于本文所述或所示的其他取向進(jìn)行互換的。
[0033]應(yīng)當(dāng)注意的是，在權(quán)利要求中使用的用語(yǔ)“包括”不應(yīng)該被解釋為限于其后列出的方法，它并不排除其它元素或步驟。因此，其應(yīng)該被解釋為，指定所述的特征、整體、步驟或組件的存在，但并不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟或組件，或它們的組合。因此，表達(dá)“設(shè)備，包括裝置A和B”的范圍不應(yīng)該限于只有A和B組合的設(shè)備。它的含義是，對(duì)于本發(fā)明而言，該設(shè)備的唯一相關(guān)部件是A和B。
[0034]在本說(shuō)明書中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”意味著與該實(shí)施例接合而描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在至少一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例中。因此，在不同的地方出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例”或“在實(shí)施例中”在整個(gè)說(shuō)明書中不一定都指相同的實(shí)施例，而只是可能。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何合適的方式組合，如對(duì)于該公開領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將是顯而易見的。
[0035]類似地，應(yīng)當(dāng)理解，在示例性的優(yōu)選實(shí)施例的描述中，本公開的各種特征有時(shí)被組合在一個(gè)單一的實(shí)施例、附圖、或描述中，以為了簡(jiǎn)化本公開并幫助理解以上的一個(gè)或各個(gè)方面目的。但是，本公開的方法并不應(yīng)被解釋為反映一種意圖，即請(qǐng)求保護(hù)的公開內(nèi)容要求了比明確描述于各權(quán)利要求中的特征更多的特征。相反，如以下權(quán)利要求所反映的，各發(fā)明方面體現(xiàn)為比單個(gè)在前公開實(shí)施例的所有特征要少的特征。因此，在詳細(xì)描述后所隨附的權(quán)利要求被明確地并入該詳細(xì)描述中，每個(gè)權(quán)利要求自身作為本發(fā)明的單獨(dú)的實(shí)施例。
[0036]此外，雖然本文描述的一些實(shí)施例包括某些在其它實(shí)施例中所包括的特征，但不包括在其他實(shí)施例中的其它特征，但不同實(shí)施例的特征的組合意在屬于本公開的范圍之內(nèi)，并且形成不同的實(shí)施例，可以被相關(guān)領(lǐng)域人士理解。例如，在下面的權(quán)利要求中，任何要求保護(hù)的實(shí)施例可以以任何組合使用。
[0037]在本文提供的描述中，許多具體細(xì)節(jié)被闡述。然而，可以理解的是，優(yōu)選實(shí)施例可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他實(shí)例中，眾所周知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)沒有被詳細(xì)示出，以免模糊對(duì)本說(shuō)明書的理解。
[0038]本發(fā)明現(xiàn)在將通過(guò)一些優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述來(lái)描述。很明顯，可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)而不偏離真正的精神，或根據(jù)所附權(quán)利要求書所定義的本公開的技術(shù)教示，來(lái)配置其它優(yōu)選實(shí)施例。
[0039]雖然本公開內(nèi)容是參考各自包含至少一個(gè)銅微突起的第一和第二半導(dǎo)體襯底的接合來(lái)描述的，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限定于接觸結(jié)構(gòu)的類型和要被堆疊在一個(gè)三維(3D)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體襯底的數(shù)量。例如，本發(fā)明可以擴(kuò)展到兩個(gè)以上的半導(dǎo)體襯底的接合和/或半導(dǎo)體襯底包括接觸結(jié)構(gòu)，如微凸起，外露硅穿透通孔(TSV)釘，或接觸焊盤區(qū)。此外，作為金屬接觸結(jié)構(gòu)的金屬選項(xiàng)的銅，可以替換為其它金屬，如鋁，金或錫。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，至少兩個(gè)包括銅微突起的半導(dǎo)體襯底的熱壓(TC)接合分兩個(gè)階段進(jìn)行，即襯底平坦化后進(jìn)行襯底接合。
[0041]在第一階段中，半導(dǎo)體襯底經(jīng)受若干處理步驟以制備銅微突起的表面以供接合。圖1A至IC描述了一系列的處理步驟，使用飛刀切削進(jìn)行半導(dǎo)體襯底的平坦化。在圖1A中，第一半導(dǎo)體襯底I和第二半導(dǎo)體襯底2設(shè)置為帶有形成在所述第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2的一個(gè)主表面的銅微突起3。抗蝕劑4被沉積以保護(hù)銅微突起，防止其氧化，以及在平坦化過(guò)程中防止銅微突起3的金屬表面上沉積污染物。圖1B中，用飛刀切削法進(jìn)行銅微突起的平坦化，從而使提供銅微突起3具有基本平坦的表面和大致相等的高度，從而校正在第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2上任何地貌不規(guī)則性。一旦執(zhí)行了銅微突起3的平坦化，抗蝕劑4被移除，第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2即準(zhǔn)備好接合，如圖1C所示。銅微突起3的表面平坦化可以通過(guò)其他尖端技術(shù)，如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)進(jìn)行。然而，優(yōu)選使用單晶金剛石車削刀具的飛刀切削，因?yàn)樗诎雽?dǎo)體襯底上的研磨更少，并且可以在單個(gè)步驟中進(jìn)行。[0042]一旦平坦化階段完成，第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2準(zhǔn)備好按照?qǐng)D2A-2D所示的加工步驟來(lái)進(jìn)行組裝。
[0043]在組裝階段，第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2被放置為一個(gè)三維堆疊的配置，從而使第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2的銅微突起3對(duì)齊，使得這些銅微突起3相互面對(duì)，如圖2A所示。在此步驟中，第二半導(dǎo)體襯底2在接合機(jī)工具的幫助下懸掛在第一半導(dǎo)體襯底I的上方。這樣得到的銅微突起的表面之間的距離大約是I微米至5微米，更優(yōu)選為2微米。在此步驟之前，“底部填充”材料5可以任選地沉積在半導(dǎo)體襯底I的主表面上，即銅微突起3存在的表面?！暗撞刻畛洹辈牧?是一種主要用于防止銅微突起3被腐蝕，并在封裝工業(yè)中被廣泛使用的非導(dǎo)電材料。另外，由于“底部填充”材料5的粘接性能，其給所得到的接合半導(dǎo)體襯底層疊提供了額外的機(jī)械強(qiáng)度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在3D技術(shù)中使用的“底部填充”材料5具有補(bǔ)償所述半導(dǎo)體襯底I和2的任何熱膨脹差的優(yōu)點(diǎn)，從而防止應(yīng)力相關(guān)的故障，并提高了可靠性。
[0044]一旦第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2已被正確地定位并且銅微突起被對(duì)準(zhǔn)，機(jī)械摩擦步驟則被執(zhí)行，如圖2B所示。機(jī)械摩擦步驟用于進(jìn)一步平坦化銅微突起3的表面和用于除去已經(jīng)或可能已在金屬表面上積聚的氧化物和污染物。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，機(jī)械摩擦可以按照?qǐng)D3A至3C所示的工藝步驟進(jìn)行。機(jī)械摩擦開始時(shí)，降低懸掛的第二半導(dǎo)體襯底2，直到銅微突起3的表面物理接觸，如圖3B所示。當(dāng)有物理接觸時(shí)，所述銅微突起3的表面通過(guò)控制所述第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2的X和Y平面上的運(yùn)動(dòng)來(lái)互相摩擦，如圖3B所示。在機(jī)械摩擦過(guò)程中，產(chǎn)生一個(gè)具有X和Y方向的圓形運(yùn)動(dòng)。作為圓形運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在銅微突起3的表面上產(chǎn)生軟摩擦動(dòng)作，由此拋光和平坦化所述表面。為了防止應(yīng)力相關(guān)的故障，并防止在機(jī)械摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱量，需以非常慢的速度進(jìn)行摩擦動(dòng)作。銅微突起在X和Y平面方向的位移范圍從幾納米到大約幾微米，更優(yōu)選地在X或Y方向上的位移是大約I微米。執(zhí)行機(jī)械摩擦所達(dá)的持續(xù)時(shí)間在I秒和幾分鐘之間，更優(yōu)選地進(jìn)行約40秒。如圖3C所示，可以在機(jī)械摩擦?xí)r施加3.5MPa到14MPa的低壓摩擦力。低壓摩擦力與機(jī)械摩擦的組合對(duì)于去除氧化物和/或銅微突起3的表面污染物的主要層以及降低機(jī)械摩擦持續(xù)時(shí)間(周期)是非常有益的。在銅微突起3表面上實(shí)施機(jī)械摩擦步驟的結(jié)果示于圖4。可以看出，相對(duì)于機(jī)械摩擦之前的銅微突起3表面，銅微突起3平坦化和表面粗糙度得到改善。
[0045]在銅微突起3的表面經(jīng)由機(jī)械摩擦進(jìn)行平坦化和清洗之后，第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2實(shí)行熱壓接合，如圖2C所示，產(chǎn)生半導(dǎo)體襯底疊層7。在此步驟中，第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2同時(shí)經(jīng)受加壓和加熱。在TC-接合前使用機(jī)械摩擦使得實(shí)現(xiàn)所述第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2的金屬接觸結(jié)構(gòu)之間的有效接合所需的壓力得以顯著降低。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的TC-接合步驟可以在150°C至300°C的溫度下，施加IOMPa至300MPa的壓力，持續(xù)I秒至5分鐘，并且更優(yōu)選的時(shí)間約為40秒。
[0046]除了提供所述第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2之間的有效接合，TC-接合也可用于固化“底部填充”材料5，如果它已被選擇性地使用?！暗撞刻畛洹辈牧?的選擇與TC-接合的條件密切相關(guān)。因此，對(duì)于高溫和高壓的TC-接合需要選擇合適的“底部填充”材料5。然而，高溫固化“底部填充”材料可能由于接合時(shí)所用的底部填充材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而顯示出額外的熱積存和應(yīng)力。該CTE不匹配可導(dǎo)致某些應(yīng)用(諸如存儲(chǔ)器集成器件的接合)的可靠性問(wèn)題。通過(guò)降低在TC-接合所需要的溫度和壓力，可以選用較低固化溫度的“底部填充”材料5，從而最大限度地減少熱積存和應(yīng)力相關(guān)的故障。
[0047]在TC-接合后，在所得到的半導(dǎo)體襯底疊層7中的銅微突起3的表面被物理連接并具有電產(chǎn)率，如圖5所示。然而，因?yàn)樵赥C-接合中溫度較低，銅微突起3之間的界面擴(kuò)散并未實(shí)現(xiàn)。
[0048]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，銅微突起的界面擴(kuò)散是通過(guò)執(zhí)行一個(gè)接合后熱退火步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2D所示。在該步驟中，半導(dǎo)體疊層7被放置在烘箱6中達(dá)一個(gè)預(yù)定的持續(xù)時(shí)間。例如，對(duì)于銅微突起，可在150°C至300°C之間的溫度下持續(xù)30分鐘至約60分鐘之間的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)界面擴(kuò)散。
[0049]圖6示出了接合后熱退火步驟執(zhí)行后的銅微突起3的兩個(gè)構(gòu)造。在第一構(gòu)造中，具有不同尺寸的銅微突起3被接合(非對(duì)稱)，而在第二構(gòu)造中的銅微凸起3具有基本相等的尺寸(對(duì)稱)。接合具有非對(duì)稱尺寸的銅微突起情況下，一個(gè)銅微突起3相比另一個(gè)具有較小的表面面積。此構(gòu)造可能對(duì)于第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2之間未對(duì)準(zhǔn)的情況是有益的。在這兩種構(gòu)造中都可以觀察到銅微突起3之間的有效結(jié)合。因此，用于提供第一和第二半導(dǎo)體襯底I和2之間的低溫TC-接合的機(jī)械摩擦的方法可以成功地在這兩種情況下適用。
[0050]實(shí)施了許多實(shí)驗(yàn)以確定最佳的機(jī)械摩擦的條件，其提供最好的結(jié)果，并有助于TC-接合要求放寬。被改變的主要參數(shù)是:a)在圖2A中所示的步驟中，半導(dǎo)體襯底2被懸掛時(shí)，銅微突起3之間的初始距離(z)，b)機(jī)械摩擦期間所施加的壓力，和c)執(zhí)行機(jī)械摩擦的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于銅微突起3，最好的結(jié)果是設(shè)置z距離為2微米，壓力為3.5兆帕，持續(xù)時(shí)間為10秒的情況下獲得的。所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)一覽和獲得的結(jié)果如下表所述，并如圖7所示。
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種用于將第一襯底熱壓接合到第二襯底的方法，所述方法包括: 提供第一襯底(I)和第二襯底(2)，其中每個(gè)襯底在其表面上包括至少一個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)； 平坦化所述至少一個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)的表面； 定位所述第二襯底(2)接近于所述第一襯底(1)，從而對(duì)準(zhǔn)所述至少一個(gè)第一和第二金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)并且使對(duì)準(zhǔn)的金屬接觸結(jié)構(gòu)的金屬表面相接觸； 將所述第一半導(dǎo)體襯底(I)的所述至少一個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)的表面對(duì)著所述第二襯底(2)的所述至少一個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)的表面機(jī)械摩擦，從而清潔所述金屬表面； 使用熱壓接合步驟，將所述第一襯底(I)接合到所述第二襯底(2)，從而形成半導(dǎo)體襯底置層(7); 熱退火所述半導(dǎo)體襯底疊層(7)，從而形成所述第一半導(dǎo)體襯底(I)和第二半導(dǎo)體襯底(2 )的所述至少一個(gè)金屬接觸結(jié)構(gòu)(3 )之間的界面擴(kuò)散。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一襯底(I)或所述第二襯底(2)中的至少一個(gè)的金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)從主表面突出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)包括銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在機(jī)械摩擦步驟中施加壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中施加的壓力為14MPa以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中進(jìn)行所述機(jī)械摩擦步驟所達(dá)的持續(xù)時(shí)間低于40秒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述接合步驟之前，在所述第一半導(dǎo)體襯底的表面上沉積底部填充材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)第一接觸結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)第二接觸結(jié)構(gòu)的尺寸基本上是相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)第一接觸結(jié)構(gòu)和至少一個(gè)第二接觸結(jié)構(gòu)的尺寸基本上是不同的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在熱壓接合步驟中應(yīng)用的溫度低于300°C。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在熱壓接合步驟中施加的壓力低于40MPa。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬接觸結(jié)構(gòu)(3)表面的平坦化通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或飛刀切削來(lái)進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】H01L21/603GK103871916SQ201310689036
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月17日
【發(fā)明者】胡毓祥, 劉重希 申請(qǐng)人:Imec公司