[發(fā)明專(zhuān)利]半導(dǎo)體襯底的接合方法以及由此得到的器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310689036.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103871916B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡毓祥;劉重希
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: IMEC公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L21/603
• 分類(lèi)號(hào): H01L21/603
• 代理公司: 上海專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 張欣

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。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開(kāi)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)

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(jiàn)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。

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(chēng)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(chēng)為T(mén)C-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℃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T(mén)C-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。

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

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。

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。

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。

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。

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1um。