专利名称：简化铜-铜键结的制作方法
技术领域：
本发明相关于金属-金属键结，更特别是简化铜-铜键结，其可特别地使用在微电子装置的制造。
背景技术：
微电子装置中三维一体化允许装置的尺寸減少，其耗电量減少，増加传输速率、性能、以及操作频率等等。三维一体化特别包含透过堆栈对齐、薄化及垂直互连的键结步骤。使用直通娃晶穿孔(Through Silicon Via, TSV)技术,其是由制造透过娃晶的连接洞组成。然而，为了得到高互连密度与简化技木，最好是由金属-金属直接键结。铜是特别制造连接垫的金属的其中ー种。存在着不同方法以达成铜-铜直接键结藉由热压缩或在超真空下，该表面通过氩等离子体而激活。以这些方法，其可能得到好的结果，然而其需要在超真空下准备所述表面，或是在高温下进行键结，或在ー特别的大气下作业。施加压カ可能伤害微电子机械系统传感器。因此本发明的目的提供一种新颖的方法以直接铜-铜键结。
发明内容
前述的目的是通过铜-铜键结方法而达成，其包含在欲接触的每ー表面上产生ー仅几纳米厚的富含氧的结晶铜层，并使这些表面放置以接触的步骤，用以产生富含氧的结晶铜层的步骤包含抛光及清洁铜表面的步骤。发明人已出人意外地注意到存在铜表面上的富含氧的结晶铜层允许两面被键结并可获得导电部件。优选地，根据本发明的键结可在常温常压、露天、不需任何粘合剂、没有任何特定压カ及没有退火下执行。通过在室温作业，因为可避免晶圆间的曲率差，所以其可能改善欲键结的晶圆或由晶圆输送的组件的校准。为了着手键结，预备作业可通过施加轻微压カ在堆栈的边缘而达成。根据本发明的方法，因为在键结中无压カ存在所以可得到晶圆间的正确校准。本发明的标的是ー种用以键结第一铜元素在第二铜元素上的方法，包含至少A) ー步骤，透过元素的接触将富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素的每ー表面上，所有层的总厚度不超过6nm，B) ー步骤，放置富含氧的结晶铜层以彼此接触，所述步骤A)包含a)至少ー步骤，用以抛光表面以得到均方根粗糙度小于lnm、以及亲水性表面，b)至少ー步骤，用以为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面。
优选地，均方根粗糙度小于0. 5nm。步骤B)优选的是在室温、常压下并在空气中发生。最好地,步骤B)在步骤b)后的两小时内发生。根据本发明的键结方法可包含用以施加一力在元素的其中之一，使富含氧的结晶铜层倾向彼此靠近以开始键结的步骤。施加的力优选地发生在元素的其中之一的ー边。铜元素的密集平面实质上面向平行于键结表面。铜元素可包含基板、提供沉积在基板上的蚀刻剂的介质层、覆盖电介质且填充介质层的蚀刻剂的铜层，所述铜层包含蚀刻剂的步骤，其中步骤a)包含下列次步骤al)以一整平化学溶液将每一元素的铜层化学机械抛光，直到步骤(13)消失并实质上得到平坦铜表面，a2)以ー相对于电介质的ー选择性非整平化学溶液将残余铜层化学机械抛光，直到由蚀刻剂外的介质层上的铜被完全移除，铜残留在与电介质相同的水平上或设置回到电介质的表面；a3)以一整平化学溶液将电介质化学机械抛光直到介电值的表面实质上在垫的表面。该元素可包含位于电介质与铜层间的扩散阻绝层；在步骤a2)期间，铜层被抛光直到其消失在蚀刻剂外的扩散阻绝层，而在步骤a3)期间，扩散阻绝层在电介层前被抛光或取代电介层。根据本发明的键结方法在步骤B)后可包含一额外退火步骤C)。第一元素以例如铜板或垫的形式与介电材料的表面齐平，且第ニ元素以铜板或垫的形式与介电材料表面齐平。本发明的标的亦为ー种制造微电子装置的方法，微电子装置包含在气密封腔中的机电微系统结构，其包含ー步骤，用以制造提供有通过形成封闭轮廓的第一铜墙所围绕的机电微系统结构的第一元素，所述第一墙的顶部是通过一平坦表面所形成，ー步骤，用以制造提供有第二墙的第二元素，其顶部是通过与第一元素的第一墙相似的形状与尺寸的平坦表面所形成，第一墙与第二墙的高度总和大于机电微系统结构的高度，一步骤，将透过元素的接触抛光每第一元素与第二元素的墙的平坦表面，以得到均方根(RMS)粗糙度小于lnm,优选地小于或等于均方根粗糙度0. 5nm,ー步骤，用以为了抑制因抛光存在的粒子与腐蚀抑制剂而清洁所述表面。ー步骤，用以接触氧气及用以形成富含氧的结晶铜层在每ー平坦表面上，所有层的总厚度小于6nm,—步骤，用以放置所有富含氧的结晶铜层彼此接触以密封机电微系统结构在由第一元素与第二元素和第一墙与第二墙界定的ー密闭腔。所述方法可包含用以控制藉此所形成的腔室中的大气的步骤。接触步骤优选地在真空下执行。
本发明将通过以下描述及附图而更好的理解，其中图1A-1E为根据应用于结构元素键结的本发明的方法的不同步骤的示意图。图2为在退火前通过根据本发明的方法所获得的键结界面的照片，
图3是根据本发明相对于退火温度。C，本发明铜板-铜板键结与本发明以ニ氧化硅(SiO2)板和铜板的键结的键结能量J/m2的变化的图例，图4是在退火30分钟后本发明的铜-铜键结、以及在退火两小时后ニ氧化硅-ニ氧化硅键结中随温度变化的键结能量J/m2的图例，图5A是通过根据本发明的键结方法所得到铜-铜连接中的电压(以毫伏为单位)对强度(以毫安为单位)的变化且用以检测此连接的电阻(以毫欧姆为单位)，图5B是用以测量图5A所示的相关连接的上视图，图6A及图6B是在退火后根据本发明所得的键结界面的变化的示意图，图7是通过本发明的方法所封装的微电子机械系统的示意图。
具体实施例方式根据本发明的方法包含实现铜元素间的分子键结。这些元素可为铜板、铜层或连接垫，其中一表面是与为绝缘材料的基板齐平。或进一歩的，其一元素可为铜板及ー组垫的其它元素，其一表面与绝缘基板齐平。分子键结被理解为通过分子附着于两彼此粘紧未使用任何粘着剂的平坦表面中间。在图IA中，可看到欲键结的两元素2、4其中一个的示意图。在所示实施例中，所有元素是对称的，如同在图IE看到的；只有ー个将被详细描述。元素2包含基板6，例如在娃中覆盖着ー层电介质材料8,例如在ニ氧化娃以及铜垫10中被作为介电层8。在图IA中，其对应至抛光前的元素，铜层12沉积在介电层8上且用于填充垫上的凹陷区。在所示实施例中，形成例如氮化钛(TiN)扩散阻绝层的附加层9在沉积铜层12前沉积在介电层8上。元素4包含垫14 (图1E)。根据本发明的方法的目的是为了组合元素2与元素4，更具体地键结垫14于垫10上方。根据本发明的方法包含步骤A)，透过元素的接触将富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素中的每ー表面上，所有层的总厚度不超过6nm，以及步骤B)，在常温常压下透过所述平面放置以接触包含亲水分子表面键结两元素。步骤A)包含a) ー步骤，用以抛光元素2、4以释放提供有垫10、14的表面，其10. I、14. I的自由面具有均方根粗糙度小于lnm,优选地均方根粗糙度小于或等于0. 5nm,b) ー步骤，为了用抑制因抛光的粒子存在以清洁所述表面10. 1,14. I。在此步骤的终止吋，自由面10. I、14. I有亲水的特性。举例来说，在每ー垫10、14上方的富含氧的结晶铜层的厚度是在ー单层的厚度间，也就是说在I埃以上至约3nm的等级中。通过富含氧的结晶铜层意谓着包含氧气的结晶铜层，氧气的范围可从吸附层至化学当量的铜氧化物(stoichiometric copper oxide)。在本应用中，若是接触角包括0°至20°之间，可能的话最好是越小，而表面则视作亲水的。不同的步骤将在以下的叙述中详细描述。为了进行铜垫间的键结，须寻求以获得提供非常好的平坦度的表面10. 1,14. 1，因此在他们的接触其间，表面间的接触是实质上完美的。为此，其设法获得使均方根(RootMean Square value)粗糙度小于lnm,优选地均方根粗糙度小于0. 5nm。以下为抛光的实施例，但是后者并无受限，任何其它可达成均方根粗糙度小于Inm的方法都可被使用。抛光步骤a)允许从图IA中的结构沿续至图ID中的结构。 我们应该仅描述元素2的抛光，元素4的抛光以类似的方式进行。化学机械抛光或CMP(化学机械抛光)是为了沉积铜层12在基板6上后平坦化所得的图样而进行。图IA至图ID说明在不同抛光步骤期间元素2的不同情況。图I说明在沉积铜层12后且在开始抛光前的元素2。电介质8被蚀刻且包含蚀刻剂11。在所示实施例中，电介质8以扩散阻绝层9覆盖，例如氮化钛。铜层12包含形成在蚀刻剂11的步骤的凹陷区域13。在第一抛光步骤a)中，铜层为了达成图IB的构造而被平坦化，且凹陷区域13已消失。为此，化学机械抛光以平坦化学产品所执行。当在沉积材料在结构上后，允许其减少步骤时，化学产品或抛光衆如所述被《平坦化(flattening)》。残余的铜厚度在50nm至200nm之间。在图IB中，层12实质上是平面的。接续，在步骤a2)中为了移除蚀刻剂外的扩散阻绝层上的铜层而进行抛光，直到蚀刻中的铜从元素4的表面凹陷。为此，化学机械抛光以非平坦与选择性抛光浆在扩散阻绝层或电介质上进行，也就是说，其蚀刻铜但非阻隔层或电介质。通过抛光浆的选择，在蚀刻剂中的铜实质上是平坦的且其以均匀的方式从元素4的表面凹陷，也就是说，从扩散阻绝层凹陷。没有发生不良的外貌。此取得不管怎样的蚀刻的尺寸。获得图IC的结构。此凹陷可能通过抛光參数例如由抛光巾上的板施加的压カ或抛光时间而调整。此凹陷亦可依抛光化学溶液及尤其是复合剂及/或腐蚀抑制剂而调整。然而，其也可能具有抛光阻隔层且在电介质上选择性中止。在下ー步骤a3)中，扩散阻绝层与可能电介质的凹陷是为了实质上帯来在铜垫10的表面上阻隔层或电介质的表面而执行，大于或小于5nm的缺ロ存在着,其是位于垫与阻隔层或电介质的表面。为此，化学机械抛光以平坦抛光浆执行。在此步骤，铜、电介质与阻隔层以不同速率抛光。这些速率将随通过考虑到欲抛光的物质的抛光浆成分、晶圆的腔体宽度与密度、以及原定的最终形貌而调整。当铜垫的表面由阻隔层的表面或由电介质的表面凹陷时，为了改善因铜扩张的铜垫表面间的接触，我们可以有利的方式在表面接触后而执行热处理。我们现在应对此方法更详细描述，其执行化学机械抛光以达成本发明。欲抛光元素2的表面依据欲抛光材料的天然特性(孔的硬度、压缩、形状和尺寸及图样…)擦上了一个称为“垫”的抛光巾，其由粘弹性多孔聚氨酯(viscoelastic porouspolyurethane)所组成。在元素2表面的材质通过抛光巾及/或含粒子的溶液的化学反应和机械作用而移除，含粒子的溶液称为“抛光浆”(在酸性或碱性化学溶液中具有悬浮颗粒)。这些抛光浆可由纳米尺寸的粒子在液体溶液(胶体溶液、胶状微粒、兰米尔-布洛杰特膜(Langmuir-Blodgett films)等)中所组成。抛光是通过几个作用组合完成-机械作用，其是通过摩擦抛光巾及/或表面上抛光浆中的粒子。材料的移除速率是根据以下方程序通过普雷斯顿(Preston)所提出RR = KpXPXV[l]其中 RR(移除速率)给定的点(以nm/min为单位)的移除速率，Kp =普雷斯顿常数(Preston constant),其考虑到材料、抛光巾、磨料的种类、温度…的特性，P =施加压カ(以牛顿为单位)，V =相对于抛光巾的晶圆的一点的线速度(以m/s为单位)，-化学作用；在抛光中，对铜与电介质材料抛光是理想的。抛光浆因此调整以在铜与电介质材料上具有化学作用。对于铜而言，化学作用通常地抑制以酸及/或允许反应的氧化剂蚀刻在欲抛光表面上作用。一般来说，抛光浆通过化学金属-蚀刻剂、氧化剂(一般为过氧化氢)、添加酸碱值稳定剂的酸性或碱性溶液的抛光衆与腐蚀抑制剂(corrosion inhibitor)的存在而形成。化学溶液将通过形成金属氧化物于其表面钝化(Kl)所述材料，其将通过抛光巾及通过抛光浆的可能粒子被机械地移除(K2)。接着，化学溶液将形成氧化铜(CuOx)。
Cu + OX^^CuOX*^^CuOX此化学反应促进与加速抛光机制。其它化学反应可能通过可溶性金属离子、铜/铜或铜/铜离子(copper/Cu2+)的形成而产生并通过抛光浆的抛光巾及/或粒子从欲抛光表面而移除。对于电介质材料，逐渐使用的抛光浆是水溶夜。对于电介质的抛光，例如硅氧化物，水具有十分重要的意义。牵涉两种化学反应。首先，为了形成水合表面(hydrated surface),水因压カ影响而渗透且破坏某些硅氧化物的硅-氧键(Si-0 bonds)。键结(硅-氧-硅(Si-O-Si))的分离通过水扩散进入娃(silica)而控制。当以下可逆的水合反应(聚合(polymerization))发生,就达成了
抛光
(SiO2)X + 2H20 ^ (SiO2)x-I + Si(OH)4可能以逆向发生,亦即以水合的方向(解聚合作用(depolymerization)),在以下由GC施瓦茨(GC Schwarz)所著的书中特别描述，"半导体互连技术手册' (Handbook ofsemiconductor Interconnection 1'echno丄ogy) ' 。接着，相对于硅晶圆的抛光巾移动允许抛光浆粒子由表面移除从而带走材料表面的原子。
为了同时在铜与电介质材料进行化学蚀刻，水溶液可被使用，通过在去离子水中溶解作用而得到-一或两种错合剂(complexing agents)或用以金属及可能金属化合物(甘氨酸(glycine)、氨(NH3)、こニ胺四こ酸(EDTA)等)的化学蚀刻剂,其可使增加铜的抛光速率，-铜防腐蚀抑制剂(苯并三氮唑(benzotriazole,BTA)、三唑(triazole,TA)…)、钝化铜膜的作用剂，特别是在欲平坦化的低下区减低抛光速度。通常使用两种抑制剂，-用以稳定酸碱值的表面活性剤，改善对所使用的其它材料使用的铜抛光选择性…。-氧化剂(过氧化氢、碘酸钾(KIO3)、轻胺(hydroxylamine)等…)，其根据酸碱值及/或其浓度，也可通过不溶性铜氧化物或氢化物形成铜的钝化，或通过溶解在水溶液中 的金属离子腐蚀，-阳离子或阴离子的胶体粒子，其具有包含酸碱值I和12之间，优选地其为了获得稳定的悬浮粒子而添加。这些粒子可以是像纯的娃、碳、氧化铺(cerium oxide)、招或聚合物。基本粒子的尺寸将通过选定的溶解方法检测。其可能在3纳米至300纳米间变化。水溶液中粒子的质量百分比可能包括在几个百万分之一(PPm)至50%之间。如一例子所示，可使用以下水溶液给步骤al)，可使用卡柏特微电子材料公司(Cabot MicroelectronicsCorporation, CMC)所贩卖的抛光衆EPL2361、或杜邦公司航空产品纳米材料公司(DupontAir Product Nanomaterials L. L. C, DANM)的铜抛光衆 CoppeReady .⑧ CU3900,给步骤a2)，可使用杜邦公司航空产品纳米材料公司的抛光浆DP510或罗门&哈斯(Rohm & Haas)的RL3000，或日立(Hitachi)的HS-C930-3，或卡柏特微电子材料公司的C7092,给步骤a3)，可使用罗门&哈斯的抛光浆CuS-1351，或卡柏特微电子材料公司的B8500，或杜邦公司航空产品纳米材料公司的DP6545，或日立的T815，或富士美公司(Fujimi Corporation)的 FCB-837。抛光巾的使用特点特别地在有或无扩散阻绝层或粘着层下取决于蚀刻在绝缘材料中和填充铜的腔体尺寸。如一例子所示，腔体的宽度大于10微米，所谓聚氨酯中平坦抛光巾的硬度特性归类为从50至70间的《邵氏硬度D(Shore D))),密度在60mg/cm3至90mg/cm3间,可压缩率小于4%，例如罗门&哈斯的IC1000，或卡柏特微电子材料公司的D100。若腔体小于10微米，例如所谓的中型抛光巾可作选择，其硬度归类为从50至70间《邵氏硬度A》,密度在20mg/cm3至40mg/cm3间，可压缩率在10%至25%之间，在此应用中，例如罗门&哈斯的Suba IV。若腔体的等级为I微米，某些韧性材料有被粒子刮伤的风险，所谓的精加工抛光巾是首选，其硬度归类为从50至80间的《邵氏硬度A》，密度小于20mg/cm3，可压缩率>30%，例如罗门&哈斯的P0LITEX⑧，或富士宝(Fujibo⑧)品牌的抛光巾。元素以例如标准抛光机测试,例如美国应用材料公司(Applied Materials USA)的型号Mirra或Reflexion,法国Alpsitec公司的Megapol M550或日本甚原制作所的FREX。
抛光參数是在基板上施加0. 02daN/cm2至IdaN/cm2间的压力，相对于抛光巾一点的基板一点的速度在0. lm/s至3m/s之间，基板由Imm至450mm改变下水溶液的流速在5和300ml之间，温度在2°C至70°C之间。优先地，上述应用的情况为0. IdaN/cm2，速度Im/s，于基板200mm温度52 °C下水溶液流速150ml。在步骤b)中，欲放置以接触的所有元素，更特别是两元素的表面，为了抑制仍可能存在后续抛光的残余颗粒和铜腐蚀抑制剂而冲洗。进行清洗，例如通过碱性溶液的方法。藉此而形成的表面具有较强的亲水特性。在步骤b)后，欲放置以接触彼此的元素的每ー表面包含富含氧的结晶铜层。富含氧的结晶铜层目前为垫的自由面14. I、16. I。此层通过将自由面放置接触氧化环境而形成。在放置以接触前消耗的时间在此步骤下受控制，因此在放置以接触每面中，通过由每一元素所承载的两层而形成的富含氧的结晶铜层总厚度小于6纳米。举例来说，厚度 在I埃(也就是说ー单层的等级)至3纳米间的氧化层设法在每ー垫上获得。清洗结束与放置以接触最大时间优选为两小吋。超过这个时间，自由面将不再具有亲水特性。为了使其合适键结而可能再次准备表面。为此，当确定表面的粗糙度没有增加时，富含氧的铜层通过等离子(plasma)的方法移除。接着，在此表面以准备进行形成富含氧的结晶铜的新步骤。最好的，其为氦/氢等离子(He/H2 plasma)，其具有只蚀刻富含氧的铜层且不改变铜层粗糙度的优点。类似的等离子作用例如Jae Y. Kim等人在2003年出刊的美国化学学会杂志(Journal of the American Chemical Society)中第 10684 至 10692 页中描述的“以氢气减少氧化铜及氧化亚铜亚氧化的形成对嵌入和动力学的影响”(“Reduction of CuOand CUoO with H2 Embedding and Kinetic Effects in the Formation of Suooxides”，Jae Y. Kim et al. , in JACS 2003, pages 10684-10692)。在此步骤的最后，每个元素，更特别的是垫10. 1,14. I的自由面，为了达成分子键结而准备放置以彼此接触。表面10. 114. I放置以接触,一元素的垫的每一表面14. I与其它元素的垫的表面
10.I对齐。所述接触有利于在室温及在室温和的大气压力下和大气压力的空气下进行。通过简单地将其放置以接触，其可能得到两个面的键结。接着，可获得在第一元素与第二元素间具有良好导电性与良好机械强度的部件。为了开始键结的初始化，可通过施加轻微压力在部件的一端而准备。这个カ在一开始的时候施加且在整个键结过程中不需要被維持。这个轻微压カ使两表面更靠近并加速键结。举例来说，8英寸表面的键结可有效的減少一分钟。此压カ优选地施加于上部晶圆的边缘一点，其可避免两扩散发生及当两扩散彼此碰到时非键结区域的发生风险。从而所形成部件的退火可被进行。富含氧的结晶铜层《溶解(dissolve)》，氧被群组为ー个《岛(islet)》在例如每100纳米的界面缺陷处较佳，举例来说，界面缺陷处接近通过空孔迁移所诱导的腔体或接近粗糙度残余体。这些腔体不影响导电性或是机械強度。除了腔体以外，得到铜-铜接触。
为了对元素施加确定的铜晶体方向可能先准备。举例来说，可选择平行于界面的密集平面，也就是朝向平行于键结界面的(111)平面。其可观察铜氧化物(copper oxide)的氧限制于界面且不扩散至铜元素。通过本发明的方法，两铜元素的键结以非常简单且有效的方法完成。在图2中，根据本发明铜-铜键结界面的照片可在退火前观察，右手边的比例尺表示富含氧的结晶铜层的总厚度。在图3中，说明相对于以で为单位的退火温度与以J/m2为单位的两元素间的键结能量变化，退火时间为30分钟，实线曲线说明根据本发明中(铜晶圆)_(铜晶圆)键结((copper wafer)-(copper wafer)bonding)的键结能量变化与时间的相依性，虚线曲线说明铜晶圆-ニ氧化娃的键结能量变化与温度的相依性。通过双悬臂梁(Double CantileverBeam, DCB)与声波成像进行量測。据悉，根据本发明的键结相对于退火温度甚至在没有退
火温度(于25°C )下提供了较大的键结能量。图4说明以J/m2为单位的两固态晶圆元素间的键结能量相对于通过双悬臂梁与通过声波成像测定以で为单位的退火温度，细线曲线说明在退火2小时后根据本发明铜-铜键结的键结能量的变化与时间的相依性，粗线曲线说明在2小时退火后ニ氧化硅-ニ氧化硅键结的键结能量变化与温度的相依性。据悉，无论退火的温度，根据本发明的键结提供了较大的键结能量。虚线曲线说明根据本发明铜-铜键结的键结能量变化与温度的相依性，其通过所谓的《四点弯曲(Four Point Bending)》法量测。超过100°C退火,键结能量測量起来太大。图5A说明以mV为单位的电压变化对于以mA为单位的电流流经通过键结根据如图5B中所示的本发明而获得的铜-铜连接20。铜-铜接触面积为lOOym2。所述连接受到在200°C下30分钟退火。三角形说明此连接以为单位的电阻。此连接的阻抗为9. 8mQ,其对应特定0.98Q. Um2接触的导电性。由此看出，根据本发明的铜-铜连接提供了非常良好的导电性。根据本发明的方法提供适用于晶圆-晶圆键结或芯片-晶圆(chip-wafer)键结的优点。当根据本发明的方法在室温下进行时，可能达到植入式晶圆上键结。如前所述，由此形成的部件可进行退火步骤；此退火对两元素I、II间的键结界面影响可在图6A与图6B中观察。元素I、II两者都具有小颗粒28。在根据本发明的键结后，退火施加于两已键结的元素I、II’，形成元素
III。复位发生，造成在两已键结的元素I、II中大颗粒30形成与键结界面的《消失(disappearance) hu因为键结界面的消失，这为大颗粒均匀的复位改善了部件的机械强度与两元素I、II间的导电性举例来说，以至少IOnm宽度的线量測。复位退火温度取决于制造铜线的加工基板，退火温度包含200°C至400°C间。退火的持续时间取决于退火温度，温度越高，退火时间可能減少。根据本发明的键结方法优选的允许机电微系统或微机电系统(MEMS)、致动器或传感器在密封腔中的封装以封锁气体与湿气，因此如实施例限制其时效或増加了测量的可靠性。根据本发明与如图7所示，制得第一元素I’其上形成有微机电系统18且制得第ニ兀素II’以第一兀素界定ー气密封腔20,微机电系统18封装其中。为此，第一元素I’包含环绕微机电系统18的第一墙22以便形成环绕微机电系统18的密闭结构。第一墙例如有王冠的形状。第一墙22包含第一元素I’接触的内侧面
22.I、外侧面22. 2与底部22. 3以及顶部22. 4，顶部22. 4形成一平坦表面。第二元素II’包含形状与尺寸相似于第ー墙22的第二铜墙24，其包含形成平坦表面的顶部26。
第一墙与第二墙的总高度大于等于微机电系统18的高度，以避免在微机电系统18与腔体的墙间的机械相互作用(mechanical interaction)。平坦表面22. 426根据步骤a)、b)及c)准备，然后根据步骤d)放置以彼此接触。接着得到单一封闭墙28，定义元素I’，II’的密闭腔。如先前所述，在室温且在大气压カ下的可得到铜-铜直接键结。因此没有损伤微机电系统的风险。控制腔体内的空气是理想的，例如具有任何化学反应可被避免且腔体可以更多或少的以高度真空被密封的中性气体。腔体中的真空可在键结后被施加，或优选地在步骤d)的接触下进行真空，其可简化密封方法。无论是从机械的观点或是从密封的观点，所得到的封闭具有非常好的质量。进ー步地，墙28是具导电性，其允许如同图6中透过接触30供电给微机电系统。墙22、24通过标准微电子方法而制造。此封装方法特别地优选于审视其它此技艺中所发表的方法。事实上，在《薄层包装(thin layer packaging)》中所了解的合适的表面处理技术并未给出在腔体中得到非常好的真空或控制的气体的可能性。通过围绕微系统(《晶圆级包装(waferlevel-packaging)》)的密封转换ー覆盖物所组成的技术需要高分子粘合剂，其具有很差的气密性效能。通过根据本发明的方法，可达成在大气压力及室温下两铜元素间的键结。此键结具有极好的机械强度和非常好的导电性。
权利要求
1.ー种用以键结第一铜元素于第二铜元素上的方法，其特征在于，至少包含 A)—步骤，透过元素的接触将一富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素的每ー表面上，所有层的总厚度小于6nm， B)ー步骤，放置所述富含氧的结晶铜层以彼此接触， 所述步骤A)包含 a)至少ー步骤，用以抛光所述表面以得到均方根粗糙度小于Inm及亲水性表面， b)至少ー步骤，用以为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面。
2.根据权利要求I所述的键结方法，其特征在于，所述均方根粗糙度小于0.5nm。
3.根据权利要求I或2所述的键结方法，其特征在于，步骤B)在室温、大气压力与在空气中发生。
4.根据权利要求I至3任一项所述的键结方法，其特征在于，步骤B)在步骤b)后的两小时内发生。
5.根据权利要求I至4任一项所述的键结方法，其特征在于，包含施加一力于所述元素的其中之一，使所述富含氧的结晶铜层倾向于彼此靠近以开始键结的步骤。
6.根据权利要求4所述的键结方法，其特征在于，施加的力只发生在所述元素其中之一的一边。
7.根据权利要求I至6任一项所述的键结方法，其特征在于，所述铜元素中的密集平面实质上面向平行于键结表面。
8.根据权利要求I至7任一项所述的键结方法，其特征在于，所述铜元素包含一基板(6)、提供沉积在基板(6)上的蚀刻剂(11)的介质层(8)、覆盖电介质(8)且填充介质层(8)的蚀刻剂(11)的ー铜层(12)，所述铜层(12)包含蚀刻剂(11)的步骤(13)，其中步骤a)包含下列次步骤 al)以一整平化学溶液将每一元素的所述铜层(12)化学机械抛光，直到步骤(13)消失并实质上得到平坦铜表面， a2)以ー相对于电介质的ー选择性非整平化学溶液将残余铜层化学机械抛光，直到自蚀刻剂(11)分离的介质层(8)上的铜完全移除，所述铜残留在与所述电介质相同的水平上或设置回到所述电介质的表面， a3)以一整平化学溶液将所述电介质化学机械抛光直到所述电介质的表面实质上在垫的表面。
9.根据权利要求8所述的抛光方法，其特征在于，所述元素包含位于电介质(8)与铜层(12)间的ー扩散阻绝层，在步骤a2)期间，所述铜层被抛光直到其消失在自蚀刻剂分离的所述扩散阻绝层，而在步骤第a3)期间，所述扩散阻绝层在所述电介层前被抛光或取代所述电介层。
10.根据权利要求I至9任一项所述的键结方法，其特征在于，在步骤B)后包含ー额外退火步骤C)。
11.根据权利要求I至10任一项所述的键结方法，其特征在于，所述第一元素是以铜板或垫的形式与一介电材料的表面齐平，且所述第二元素是以铜板或垫的形式与一介电材料表面齐平。
12.一种制造微电子装置的方法，微电子装置包含在ー气密封腔中的一机电微系统结构，其特征在于，其包含 ー步骤，用以制造提供通过形成一封闭轮廓的第一铜墙所围绕的一机电微系统结构的一第一元素，所述第一墙的顶部是通过一平坦表面所形成， ー步骤，用以制造提供一第二墙的第二元素，其顶部是通过与第一元素的第一墙相似的形状与尺寸的一平坦表面所形成，所述第一墙与所述第二墙的高度总和大于所述机电微系统结构的高度， 一步骤，将透过元素的接触抛光每ー第一元素与第二元素的墙的平坦表面，以得到均方根粗糙度小于lnm，优选地小于或等于均方根粗糙度0. 5nm, ー步骤，用以为了抑制因抛光存在的粒子与腐蚀抑制剂而清洁所述表面， 一步骤，用以接触氧气及用以形成一富含氧的结晶铜层在每ー平坦表面上，所有层的总厚度小于6nm, ー步骤，用以放置所有所述富含氧的结晶铜层彼此接触以密封机电微系统结构在由所述第一元素与所述第二元素和所述第一墙与第二墙界定的ー密闭腔。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，包含用以控制藉此所形成的腔室中的大气的步骤。
14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，接触步骤在真空下执行。
全文摘要
本发明涉及一种用以键结第一铜元素于第二铜元素上的方法，包含一步骤，其透过元素的接触形成富含氧的一结晶铜层在每一第一元素与一第二元素的每一表面上，所有层的总厚度小于6nm，所述步骤包含a)至少一步骤，用以抛光表面以得到均方根粗糙度小于1nm及亲水性表面，b)至少一步骤，为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面，c)至少一步骤，用以放置所有富含氧的结晶铜层以彼此接触。
文档编号B81C1/00GK102656110SQ201080029761
公开日2012年9月5日 申请日期2010年7月1日 优先权日2009年7月3日
发明者李·迪乔吉欧, 皮艾瑞克·葛广, 莫瑞斯·利佛依 申请人:法国原子能与替代能委员会