混合接合及执行混合接合的设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了混合接合及执行混合接合的设备，其中一种方法包括执行混合接合以将第一封装元件与第二封装元件接合，以便形成接合对。在该接合对中，第一封装元件中的第一金属焊盘与第二封装元件中的第二金属焊盘接合，并且第一封装元件的表面处的第一表面介电层与第二封装元件的表面处的第二表面介电层接合。在混合接合之后，对该接合对执行热压缩退火。
【专利说明】混合接合及执行混合接合的设备
【技术领域】
[0001]本发明总的来说涉及半导体领域，更具体地，涉及混合接合及执行混合接合的设备。
【背景技术】
[0002]在晶圆-晶圆接合技术中，已经开发了许多方法用于将两个封装元件(例如晶圆)接合在一起。这些可用的方法包括熔接、共晶接合、直接金属接合和混合接合等。在熔接中，将晶圆的氧化表面与另一个晶圆的氧化表面或硅表面接合。在共晶接合中，将两个共晶材料安置在一起并施以高压和高温。由此共晶材料熔化。当熔化的共晶材料凝固后，晶圆就会接合在一起。在直接金属-金属接合中，将两个金属焊盘在高温下相互压紧，金属焊盘的相互扩散使得金属焊盘接合在一起。在混合接合中，将两个晶圆的金属焊盘通过直接金属-金属接合来相互接合，并且将这两个晶圆中一个晶圆的氧化表面与另一个晶圆的氧化表面或硅表面接合。
[0003]过去开发的接合方法有其优越之处，也有其不利之处。例如，熔接要求低作用力，并可以在室温下执行。然而，由于接合的晶圆之间没有电连接，因此需要进行额外的电连接以使接合的晶圆互连。共晶接合不要求高质量的表面，因此成功接合的先决条件比较宽松。然而，共晶接合的精确度低，并且由于接合金属的熔化，可能会在共晶接合期间存在金属挤压问题。直接金属-金属接合具有高精确度。然而其总处理能力极低。在混合接合中，可能会存在电介质分层问题。其原因在于:在混合接合中，金属焊盘比介电层和接合晶圆表面处的硅具有更高的热膨胀系数(CTE)。金属焊盘的更多膨胀导致其中一个晶圆的氧化物从另一个晶圆上的硅或氧化物脱落。
【发明内容】
[0004]根据本发明的第一方面，提供一种方法，包括:执行混合接合以将第一封装元件与第二封装元件接合而形成接合对，所述第一封装元件中的第一金属焊盘与所述第二封装元件中的第二金属焊盘接合，并且所述第一封装元件的表面处的第一表面介电层与所述第二封装元件的表面处的第二表面介电层接合；以及在所述混合接合后，对所述接合对执行热压缩退火。
[0005]优选地，在所述混合接合后，所述第一金属焊盘通过直接金属-金属接合与所述第二金属焊盘接合，并且所述第一表面介电层通过熔接与所述第二表面介电层接合。
[0006]优选地，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对安置在底板和顶板之间，并与所述接合对安置在同一水平，并且在所述热压缩退火期间，压力施加于所述顶板。
[0007]优选地，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对堆叠地安置在底板和顶板之间，并且在所述热压缩退火期间，压力施加于所述顶板。
[0008]优选地，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对均被安置于多个隔板中的一个之上，所述多个隔板通过导轨导向，并且在所述热压缩退火期间，施加压力以挤压所述多个接合对。
[0009]优选地，在所述热压缩退火期间，所述第一封装元件和所述第二封装元件被加热至大约200° C以上的温度。
[0010]优选地，本发明的方法还包括:在所述混合接合之前，对所述第一封装元件和所述第二封装元件中的每一个进行表面处理。
[0011]根据本发明的第二方面，提供一种方法，包括:使第一晶圆与第二晶圆对齐；将所述第一晶圆与所述第二晶圆接合以形成接合对，其中所述接合对包括:金属-金属接合，金属-金属接合包括将所述第一晶圆中的第一金属焊盘与所述第二晶圆中的第二金属焊盘接合；以及熔接，熔接包括将所述第一晶圆的表面处的第一表面介电层与所述第二晶圆的表面处的第二表面介电层接合；以及本发明的方法还包括在接合步骤之后，对所述接合对执行退火，其中在所述退火期间，通过压力使所述第一晶圆和所述第二晶圆相互挤压。
[0012]优选地，所述退火在大约300° C至大约450° C之间的温度范围内执行。
[0013]优选地，所述压力在大约5KN至大约350KN之间。
[0014]优选地，所述退火的执行时间段在大约0.5小时至大约4小时之间。
[0015]优选地，在所述退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对同时受到所述压力并同时被退火。
[0016]优选地，在所述退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对均被安置于多个隔板中的一个上，所述多个隔板通过导轨导向，并且在所述退火期间，压力同时施加于所述多个接合对。
[0017]优选地，本发明的方法还包括:在接合步骤之前，对所述第一晶圆和所述第二晶圆中的每一个进行表面处理。
[0018]根据本发明的第三方面，提供一种用于将第一封装元件和第二封装元件接合的设备，所述设备包括:预接合站，配置成通过混合接合将所述第一封装元件和所述第二封装元件接合以形成接合对；以及热压缩接合站，所述热压缩接合站包括:施压工具以及加热器，施压工具配置成使所述第一封装元件压靠着所述第二封装元件，加热器配置成加热所述第一封装元件和所述第二封装元件。
[0019]优选地，所述热压缩接合站包括:底板，所述底板的尺寸大于所述接合对的尺寸；以及顶板，所述顶板的尺寸大于所述接合对的尺寸，所述加热器设置于所述顶板和所述底板的其中一个之中。
[0020]优选地，所述热压缩接合站包括:底板，所述底板的尺寸大于所述接合对的尺寸；导轨，相对于所述底板固定；隔板，所述隔板的尺寸大于所述接合对的尺寸，所述隔板配置成沿着所述导轨滑动；以及顶板，所述顶板的尺寸大于所述接合对的尺寸，所述顶板配置成沿着所述导轨滑动。
[0021]优选地，所述加热器设于所述导轨的旁边。
[0022]优选地，所述的设备还包括配置成处理所述第一封装元件和所述第二封装元件的表面的表面处理站。
[0023]优选地，所述表面处理站包括配置成产生等离子的真空室。【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更完整地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参照，其中:
[0025]图1至图6为根据一些示例性实施例的接合两个封装元件的中间阶段的截面图；
[0026]图7至图10示出了根据替代实施例的接合封装元件工艺中的热压缩退火处理；并且
[0027]图11示出了根据示例性实施例的接合封装元件工艺流程和执行该接合操作的设备。
【具体实施方式】
[0028]下面，详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解，这些实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的构思。所讨论的具体实施例是说明性的，并不限定本发明的范围。
[0029]根据多种示例性实施例，提供了接合封装元件的方法和用于执行该接合操作的设备。示出了接合工艺的中间阶段。讨论了根据实施例的设备和接合方法的变型。在整个各种视图和说明性实施例中，相同参照标号用以表示相同元件。
[0030]图1至图6示出了根据本发明的实施例的接合工艺的中间阶段的截面图。该工艺步骤可以由图11所示的设备300执行。这里简要地描述了工艺流程，而工艺流程和设备300的细节会参照图1至图6所示的工艺步骤进行讨论。参照图11，将要接合的封装元件(例如，分别位于图1和图2中的封装元件100和200)通过装载站302载入设备300中。例如，装载站302可以为装载室(loadlock)。接下来，在封装元件的表面上执行表面处理，其中该表面处理在表面处理站304中执行。然后在封装元件上进行表面清洁，以除去其表面的化学物、微粒、或其他不需要的物质。根据一些实施例，表面清洁站306配置成执行表面清洁。
[0031]然后，执行预接合以将封装元件接合在一起。相应的接合方法可以是混合接合。预接合在预接合站308中执行。在预接合之后，封装元件会相互接合。然后可通过热压缩退火来增强接合强度，该热压缩退火在热压缩退火站310中进行。转移工具314用于在站304,306,308和310之间转移封装元件。转移工具314可以包括装载室、机械手、转移导轨等，它们用于将封装元件从一个站自动转移到另一个站，以便可以自动执行接合工艺。接合工艺完成之后，使用卸载站312将接合的封装元件从设备300上卸下，卸载站可例如包括机械手。
[0032]参照图1，示出了封装元件100。封装元件100可包括器件晶圆、封装晶圆、中介片晶圆(interposer wafer)等。在该实施例中，封装元件100由器件晶圆组成,封装元件100可包括半导体衬底102，半导体衬底102例如可以为硅衬底，然而还可以使用其他半导体衬底。有源器件104可在衬底102的表面上形成，并可包括例如晶体管。金属线路和通孔106在介电层108中形成，介电层108在一些实施例中可能是低介电常数的介电层。介电层108还可包括介电常数(k值)高于3.9的非低介电常数的介电材料。金属线路和通孔106可包括铜、铝、镍、钨或其合金。金属线路和通孔106与有源器件104互连，并可将有源器件104与上面的金属焊盘112连接。[0033]在替代实施例中，封装元件100为中介片晶圆，该晶圆内部是没有有源器件的。根据一些实施例，封装元件100可包括(或可不包括)诸如电阻器、电容器、电感器、变压器等的无源器件(未示出)。
[0034]在另外一些实施例中，封装元件100为封装衬底。在一些实施例中，封装元件100为层压式封装衬底，其中导电迹线106 (其在图中示意性示出)嵌入层压式介电层108。在替代实施例中，封装元件100为叠层式封装衬底，其包括芯部(未示出)以及安装在芯部相对侧的导电迹线(由106表示)。导电迹线106通过芯部内的导电部件进行互连。
[0035]在封装元件100为器件晶圆、中介片晶圆、封装衬底等的每一个实施例中，在封装元件100的表面处会形成表面介电层110。在一些实施例中，表面介电层110为氧化层，其可包括二氧化硅、S1N, SiN等。金属焊盘112在表面介电层110中形成，并可通过金属线路和通孔106与有源器件104电连接。金属焊盘112也可由铜、铝、镍、钨或它们的合金形成。表面介电层110的顶面和金属焊盘112的顶面基本上彼此齐平。在封装元件100为器件晶圆的实施例中，用于后续接合的表面介电层110和金属焊盘112可位于衬底102的正面(有源器件104所在面)或者背面上，尽管图1示出表面介电层110和金属焊盘112位于衬底102的正面上。
[0036]图2示出了封装元件200，其会与封装元件100进行接合。封装元件200也可以从器件晶圆、中介片晶圆、封装衬底等中进行选择。在所示出的图2中，封装元件200包括:衬底202,有源器件204,介电层208,位于介电层208内的金属线路和通孔206,表面介电层210和金属焊盘212。封装元件200的结构与上述封装元件100的结构相似，因此这里不再赘述。封装元件200中的部件的材料可参照封装元件100中的相似部件得出，相似部件在封装元件100中以数字“I”开头，其对应于位于封装元件200中并具有以数字“2”开头的参照标号的部件。
[0037]接下来，参照图3，封装元件100装载到表面处理站304中，表面处理站304为图11中的设备300的一部分。装载操作可使用参照图11进行描述的装载站302来执行。参照图3，表面处理(由箭头320表示)在封装元件100的表面上执行。表面处理可包括等离子处理和/或酸处理。当执行酸处理时，用酸对表面介电层110和金属焊盘112的表面进行处理，这种酸可例如包括甲酸(HC00H)。金属焊盘112表面上的金属氧化物可通过酸去除。表面介电层110和金属焊盘112的表面上的一些微粒和不需要的物质也可以被去除。
[0038]表面处理站304中的等离子处理可以在真空环境(真空室)中执行，例如，该真空环境为表面处理站304 (图3和图11)的一部分。用于产生等离子的工艺气体可包括:由氢气(H2)和IS气(Ar)组成的第一结合气体，由H2和氮气(N2)组成的第二结合气体,或者由H2和氦气(He)组成的第三结合气体。在一些示例性实施例中，第一、第二或第三结合气体(无论在等离子处理中使用哪一种结合气体)中的H2流量比率可以在大约4%与大约5%之间。氢气有助于将金属焊盘112表面上的金属氧化物还原为金属。此外，通过该处理，增加了表面介电层110的表面处的氢氧基(OH)的数量，这有助于形成牢固的熔接。等离子处理还可以通过使用纯的或基本纯的H2、Ar、* N2作为工艺气体进行操作，该工艺气体通过还原和/或撞击的方式处理表面介电层110和金属焊盘112的表面。处理中使用的等离子可以是低功率等离子，用于产生等离子的功率在大约10瓦至2000瓦之间。在表面处理中，部分由于低功率的原因，金属焊盘112和表面介电层110的表面粗糙度相较于表面处理之前没有变化，还有可能维持现状，例如，小于大约1入。
[0039]通过使用图3中的表面处理站304，还可以处理封装元件200，该处理与封装元件100的处理本质上相同。接下来，参照图4，封装元件100被转移至表面清洁站306，继而对封装元件100进行表面清洁。在一些示例性实施例中，表面清洁包括去离子(DI)水冲洗，即将去离子水322喷洒在封装元件100的表面上。在替代实施例中，可使用氢氧化铵(NH4OH)进行表面清洁。还可以对封装元件200进行表面清洁，该清洁步骤与图4所示内容本质上相同。
[0040]接下来，如图5所示，封装元件100和200被转移到预接合站308(也可参照图11)中。封装元件100和200对准，即封装元件100的接合焊盘112与封装元件200的接合焊盘212对准。对准操作可以在预接合站308中执行，然而也可以在单独的对准站中执行。对准之后，封装元件100和200互相压合。首先可以使用销(未显示)对封装元件200的一点施压，而不是对封装元件200的多个点同时进行施压。由此，任何位于封装元件100和200之间的空气都将会通过销的挤压被挤出。
[0041]接下来，同样如图5所示，执行预接合处理。在预接合处理期间，施加压力326以将封装元件100和200互相压紧。压力326可能低于约5N，其可施加于封装元件100和200的中心位置。预接合可以在室温(例如，接近大约21° C)下执行，然而也可采用更高的温度。接合时间可例如短于大约I分钟。
[0042]预接合为混合接合,在混合接合中，金属焊盘112和212通过直接金属-金属接合相互接合，而氧化层110和210通过熔接相互接合。经过预接合的封装元件100和200的组合在全文中可称作接合对324。
[0043]由于在预接合中所采用的相对较低的压力和温度，接合对324的接合强度可能需要增强。接合强度的增强可以通过热压缩退火实现，热压缩退火在根据一些示例性实施例的图6中示出。图6示出了热压缩退火站310 (也可参照图11)的部分。在热压缩退火期间，施加压缩力332以使封装元件100和200互相挤压。压缩力332可由加压器333提供，其可通过液压或气压提供力332。在一些实施例中，压力332介于约5KN至约350KN之间，这取决于封装元件100/200的接合焊盘112/212的密度和面积。
[0044]在热压缩退火期间，封装元件100和200的温度可以高达大约200° C以上，可以大约在大约300° C至大约450° C之间，以便对金属焊盘112和212之间的接合进行退火处理。热压缩退火的持续时间在大约0.5小时至大约4小时之间。热压缩退火站310可由氢气(H2)、氮气(N2)等填充，其会被填充至I个大气压或更高压力。
[0045]退火处理引起金属焊盘112和212的相互扩散，并因此增强了金属焊盘112和212之间的接合。然而，金属焊盘112和212具有比表面介电层110和210更高的热膨胀系数(CTE)。因此，随着热压缩退火的温度升高，金属焊盘112和212比表面介电层110和210膨胀得更多，并趋于从相应的表面介电层110和210的表面伸出。由此，表面介电层110和210趋于彼此分层。热压缩退火期间所施加的压力332用以防止分层。此外，介电层110和210之间的熔接强度也因压力332得以增强。压力332可以在热压缩退火结束之后且封装元件100和200冷却之后撤除。
[0046]图6示出了一对热压缩退火步骤，在此步骤中一次对单个接合对324进行退火。接合对324安置在顶板328下方和底板330上方。底板330和顶板328的尺寸比接合对324的尺寸大，以便能够支持接合对324。底板330包括用于支撑接合对324的平顶面330a。顶板328也可包括平顶面328a，用于向接合对324的所有部分提供均匀的压力。压力332可施加于顶板328上，其将压力332传递至接合对324。在一些实施例中，加热器334嵌入在顶板328和/或底板330中以便加热接合对324。在替代实施例中，加热器334可安置在接合对324旁边。
[0047]图7示出了根据替代实施例的执行热压缩退火的实施例。除在顶板328和底板330之间夹了多个接合对324之外，这些实施例与图6的实施例相似。多个接合对324安置在同一水平，以便多个接合对324被同时退火处理并受到相同的压力。多个接合对324可具有相同的结构。热压缩退火站310因此可配置成同时对多个接合对324进行热压缩退火。通过同时对多个接合对324进行退火，提高了热压缩退火的总处理能力。
[0048]图8示出了根据另外一些实施例的热压缩退火，其中对多个堆叠的接合对324同时进行热压缩退火。在这些实施例中，多个接合对324堆叠地安置在顶板328和底板330之间。压力332因此施加于所有接合对324，并从接合对324的上部接合对传递至接合对324的下部接合对。在这些实施例中，加热器334可设于接合对324旁边，然而也可以使额外的加热器(未显示)添加于顶板328和底板330中。
[0049]图9和10示出了根据另外一些实施例的热压缩退火。除安装了导轨338之外(例如，固定在底板330上)，这些实施例与图8中的实施例相似。隔板336被设置并配置成能够沿着导轨338滑动。接合对324设置在隔板336上。如图9所示，最初隔板336彼此之间有足够的空隙，以便单个或多个接合对324可安置在每个隔板336上。然后，如图10所示，施加压力332以下压顶板328。隔板336沿着导轨338向下移动，并且每个隔板336在受到其上方的接合对324的作用力时也将压力施于下方的接合对324。在热压缩退火期间，可维持压力332并例如通过设于接合对324旁边的加热器334来维持高温。
[0050]在本发明的实施例中，通过在封装元件预接合后执行热压缩退火处理，增强了直接金属-金属接合的接合强度，并消除了接合的介电层之间分层的可能性。还可以提升熔接的接合强度。
[0051]根据一些实施例，一种方法包括执行混合接合以将第一封装元件与第二封装元件接合，以便形成接合对。在接合对中，第一封装元件中的第一金属焊盘与第二封装元件中的第二金属焊盘接合，并且第一封装元件表面处的第一表面介电层与第二封装元件表面处的第二表面介电层接合。混合接合之后，对该接合对进行热压缩退火处理。
[0052]根据其他实施例，一种方法包括将第一晶圆与第二晶圆对齐，并将第一晶圆与第二晶圆接合以形成接合对。接合对包括了金属-金属接合和熔接。金属-金属接合包括第一晶圆中的第一金属焊盘与第二晶圆中的第二金属焊盘的接合。熔接包括将第一晶圆表面处的第一表面介电层与第二晶圆表面处的第二表面介电层接合。在接合步骤之后，对接合对进行退火处理。在退火处理期间，第一晶圆与第二晶圆通过压力相互挤压。
[0053]根据另外的其他实施例，用于将第一封装元件与第二封装元件接合的设备包括预接合站，预接合站配置成通过混合接合将第一封装元件与第二封装元件接合以形成接合对。该设备还包括热压缩接合站，其包括施压工具和加热器，施压工具配置成使第一封装元件压靠着第二封装元件，加热器配置成加热第一封装元件和第二封装元件。
[0054]尽管已经详细地描述了实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变、替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员根据本发明应理解，可以使用现有的或今后开发的用于执行与所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求的范围应该包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 执行混合接合以将第一封装元件与第二封装元件接合而形成接合对，所述第一封装元件中的第一金属焊盘与所述第二封装元件中的第二金属焊盘接合，并且所述第一封装元件的表面处的第一表面介电层与所述第二封装元件的表面处的第二表面介电层接合；以及 在所述混合接合后，对所述接合对执行热压缩退火。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述混合接合后，所述第一金属焊盘通过直接金属-金属接合与所述第二金属焊盘接合，并且所述第一表面介电层通过熔接与所述第二表面介电层接合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对安置在底板和顶板之间，并与所述接合对安置在同一水平，并且在所述热压缩退火期间，压力施加于所述顶板。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对堆叠地安置在底板和顶板之间，并且在所述热压缩退火期间，压力施加于所述顶板。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述热压缩退火期间，与所述接合对基本相同的多个接合对均被安置于多个隔板中的一个之上，所述多个隔板通过导轨导向，并且在所述热压缩退火期间，施加压力以挤压 所述多个接合对。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述热压缩退火期间，所述第一封装元件和所述第二封装元件被加热至大约200° C以上的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括:在所述混合接合之前，对所述第一封装元件和所述第二封装元件中的每一个进行表面处理。
8.一种方法，包括: 使第一晶圆与第二晶圆对齐； 将所述第一晶圆与所述第二晶圆接合以形成接合对，其中所述接合对包括: 金属-金属接合，其包括将所述第一晶圆中的第一金属焊盘与所述第二晶圆中的第二金属焊盘接合；和 熔接，其包括将所述第一晶圆的表面处的第一表面介电层与所述第二晶圆的表面处的第二表面介电层接合；以及 在接合步骤之后，对所述接合对执行退火，其中在所述退火期间，通过压力使所述第一晶圆和所述第二晶圆相互挤压。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述退火在大约300°C至大约450° C之间的温度范围内执行。
10.一种用于将第一封装元件和第二封装元件接合的设备，所述设备包括: 预接合站，配置成通过混合接合将所述第一封装元件和所述第二封装元件接合以形成接合对；以及 热压缩接合站，所述热压缩接合站包括: 施压工具，配置成使所述第一封装元件压靠着所述第二封装元件；以及 加热器，配置成加热所述第一封装元件和所述第二封装元件。
【文档编号】H01L21/603GK104037102SQ201310226966
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2013年3月6日
【发明者】刘丙寅, 黄信华, 黄志辉, 赵兰璘, 杜友伦, 卢彦池, 施俊吉, 蔡嘉雄 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司