半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件的制作方法

半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件。根据本发明，提供一种使用低温热压的将第一半导体衬底（1）接合到第二半导体衬底（2）的方法。该接合方法包括在热压接合步骤前，原位地机械摩擦金属接触结构表面（3），从而平坦化并去除金属接触结构表面（3）上的氧化物和/或污染物。在热压接合步骤之后是热退火步骤，用于创建所述第一半导体衬底（1）和第二半导体衬底（2）的金属接触结构3之间的界面扩散。
【专利说明】半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件
【技术领域】
[0001]本公开一般地涉及半导体衬底的三维堆叠【技术领域】，更特定为一种使用热压接合半导体衬底的方法。
【背景技术】
[0002]半导体衬底的三维(3D)堆叠是一种很有前途的技术，以用于制造具有改进的性能和功耗，同时保持较低外形系数的器件。在过去的几年中，诸多3D【技术领域】的技术进步已见诸报道。不过，可靠性问题和高制造成本仍是3D技术无法投入量产的主要问题。这些问题主要是与半导体衬底的接合相关联，更具体的在于材料选择和其中使用的接合方法。
[0003]其中，最有吸引力的半导体衬底接合的量产方法是铜到铜的接合，下文中称为铜-铜接合。铜相比其他金属，例如铝和金，是被半导体工业所青睐的金属，因为其有优异的导电特性，且在使用于大批量制造时成本低。而在另一方面，在制造过程中铜容易形成氧化物和其它污染物。因此，为了实现在半导体衬底之间的成功的接合，形成于铜表面上的氧化物和杂质需要被去除。在原则上，铜-铜接合是通过热压(，以下简称为TC-接合)来实现的，藉此方法，半导体衬底的铜表面通过同时被施加力(压力)和热来进行接触。为了突破形成于铜表面上的氧化物和污染物，TC-接合通常需要在约300?450°C的温度下，且采用超过300MPa的持续约20至60分钟的压力。作为TC-接合中施加高温高压的结果，可能在接合的半导体衬底中发生应力相关的故障，从而降低可靠性，因此影响所制造的三维器件的成品率。此外，用于执行TC-接合的条件也限制了可以受益于铜-铜接合的应用。例如，含有DRAM或SRAM单元的存储器芯片不能够承受热压接合中施加的温度和压力。
[0004]关于TC-接合，US7973407描述了一些用于最小化或防止铜的氧化，从而达成低温和低压TC-接合三维层叠基板的安排和方法。更具体地说，该文献中所描述的过程流程可以最小化或防止铜的氧化，其方法是通过快速将所述半导体衬底在化学清洗步骤之后进行接合，从而减少了铜表面暴露于大气中的时间，并由此最小化铜氧化。所提出的处理流程在受控环境中的进行，并且需要复杂的处理步骤，例如化学清洗步骤，这是与当前大批量的半导体制造工艺不兼容的。其结果是，制造总成本增加，而产出量下降。

【发明内容】

[0005]在本发明的目的是提供用于在低温和低压下使用热压缩(TC)接合的半导体衬底的方法。
[0006]根据本发明，该目的是通过去除形成于所述半导体衬底的表面上的金属接触结构的表面的氧化物和其它污染物来实现的。这个去除步骤是在TC-接合之前进行的，因此用于实现半导体衬底之间的有效接合的所需温度和压力被降低了。
[0007]在根据本发明的实施例中，形成在所述半导体衬底的表面上的金属接触结构可以包括如铜，铝或金的材料。更优选地，所述金属表面包括铜，因为铜的低成本和电气特性。
[0008]通过减少TC-接合过程中所需的温度和压力，接合衬底的诸多应力相关的故障显著降低。其结果是，TC-接合方法可以适用于具有严格要求的诸多应用，例如，适用于存储器集成电路(IC)的接合。
[0009]去除金属表面的氧化物和污染物的操作涉及一种原位机械摩擦动作，优选地，通过随后用于TC-接合的接合机工具执行该原位机械摩擦动作。在该步骤中，半导体衬底的金属接触结构被近距离放置，使它们的表面物理接触。机械摩擦提供一个软的摩擦作用，这是通过控制半导体衬底的X和Y平面内的运动来实现的。通过控制半导体衬底的X和Y平面，形成一个圆形运动。机械摩擦动作以很低的频率进行，而在半导体衬底的XY平面上的运动范围从几纳米到大约几微米，更优选地在XY平面的运动范围约为lum。
[0010]在根据本发明的实施例中，形成在所述半导体衬底的表面上的金属接触结构可以是以下的任一种:微突起、外露硅穿透通孔(TSV)钉、或接触焊盘垫。优选的是，诸多半导体衬底中的至少一个的要被结合的各金属接触结构从它们所形成的表面处突出。虽然，优选具有均匀构造的金属接触结构的接合，例如微突起到微突起的接合，这并非限制，同样可以实现前面提到的接触结构的任意组合。
[0011]机械摩擦执行达预定的持续时间。这个持续时间可以根据所使用的金属接触结构的材料(铜，铝，金)的性质和所述金属接触结构上需被去除的氧化物和/或污染物的量而变化。例如，包括铜的金属接触结构可能需要不同的机械摩擦持续时间。优选地，执行机械摩擦达5秒到40秒之间的持续时间。
[0012]相比其它用于除去所述金属接触结构的氧化物和污染物的方法，机械摩擦步骤的一个优点是，它与当前的大批量半导体制造工艺兼容。此外，机械摩擦步骤可以在独立于该半导体衬底制造工程的位置来进行。这是一个重大的优点，特别是从不同的制造商生产的半导体衬底可以在第三者处(比如在封装厂)进行接合的情况下。
[0013]在根据本发明的实施例中，在机械摩擦步骤中可以施加较低的压力。通过在机械摩擦时施加低压力，摩擦的持续时间可以减少。这对于在金属表面上已经形成氧化物和/或污染物的情况下非常有利。在此步骤中所施加的压力优选为3.5MPa至14MPa之间。
[0014]在机械摩擦步骤时施加压力还具有改善金属表面的粗糙度的附加优点。其结果是，在金属表面实现了平坦化。金属表面平坦化已经被发现在降低TC-接合中所施加的温度和压力以及提高可靠性上具有显著贡献。因此，希望提供具有基本上平坦的金属表面的接触结构。
[0015]更希望的是，将机械摩擦法与常规技术相结合，进一步改善金属接触结构的表面平坦化，例如化学机械抛光(CMP)，或使用单结晶金刚石车削工具的飞刀切削(flycutting)工艺。这些技术传统上出于相同的目的在TC-接合之前进行，但是，其效果局限于微米/纳米级的表面平坦处理和除去基本上较厚的氧化物和/或污染物层。在金属表面的平坦化中，因为飞刀切削的操作速度和更少的研磨性质，相对CMP，更倾向使用飞刀切削。
[0016]已经发现，使用飞刀切削和机械摩擦的组合可以显著地进一步降低接合时需要的温度，压力和时间。因此，通过引入机械摩擦的步骤，TC-接合可以在下述条件下进行:温度在150°C和300°C之间，更优选在约220°C，压力在IOMPa和300MPa之间，更优选在20MPa，持续时间在I秒和5分钟之间，更优选为45秒。
[0017]在根据本公开的实施例中，在TC-接合之前，可以在半导体衬底的表面上沉积“底部填充(underfill) ”材料。“底部填充”材料是一种粘合剂，并具有非导电性的属性，其“锁合”半导体衬底并补偿热膨胀的差异。“底部填充”材料的选择与TC-接合的条件密切相关。因此，对于高温高压的TC-接合，需要选择合适的“底部填充”材料。然而，高温固化“底部填充”的材料可能会由于热膨胀系数(CTE )不匹配而出现额外的热积存和应力，这对于某些应用，比如存储器的应用，可能会导致可靠性问题。
[0018]通过使用本文所揭示的方法减少期间TC-接合所需的温度和压力后，可以选择具有较低固化温度的“底部填充”材料。因此，可以最小化热积存和应力相关的可靠性故障。
[0019]在TC-接合后，所得到的半导体衬底层叠中，接触结构的金属表面在物理上连接，并具有一个电产率(electrical yield)。然而,不存在接触结构之间的金属原子的界面扩散。这个金属原子的界面扩散是通过给半导体层叠施加后接合热退火步骤来实现的。在该步骤中，半导体衬底叠层被置于烘箱中，从而使半导体层叠在一个恒定的温度下烘烤达预定义的持续时间。
[0020]已经发现，对于包括铜的金属接触结构，界面扩散可以在150°C到300°C之间的温度下施加一个30分钟到大约60分钟的持续时间(期间)来达成。
[0021]本文所公开的方法是与接触结构的尺寸无关的，并且同样可以应用于具有基本上相同(对称)尺寸或基本上不同(非对称)尺寸的接触结构的半导体衬底。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]为了更好地理解本公开，仅作为示例，现在将参考附图，其中:
[0023]图1A至IC示出了示例性的采用了飞刀切削法对铜微突起表面进行平坦化的处理流程。
[0024]图2A至2D示出了根据本发明的实施例的用于接合半导体衬底的处理流程。
[0025]图3A至3C是出了根据本发明一个实施例的机械摩擦方法的处理步骤。
[0026]图4示出了铜微突起表面在机械摩擦之前与之后之间的比较。
[0027]图5示出了热压接合工序后所得到的铜微突起。
[0028]图6示出了后接合热退火步骤后产生的铜微突起接合。
[0029]图7示出了确定最佳机械摩擦条件的实验结果。
[0030]图8示出了用于接合具有异质接触结构的半导体衬底的替代实施例。
【具体实施方式】
[0031]本发明将关于特定实施例并参照某些附图来进行描述，但本发明并不局限于此，而是仅由权利要求书。所描述的附图仅仅是示意性的和非限制性的。在附图中，一些元件的尺寸可能出于说明目的被夸大或没有按比例画出。
[0032]此外，本说明书和权利要求中，用语“顶部”和类似项是用于描述的目的，不一定用于描述相对位置。但是应当理解的是，这样使用的术语在适当情况下与本文所描述的优选实施例是能够和不同于本文所述或所示的其他取向进行互换的。
[0033]应当注意的是，在权利要求中使用的用语“包括”不应该被解释为限于其后列出的方法，它并不排除其它元素或步骤。因此，其应该被解释为，指定所述的特征、整体、步骤或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤或组件，或它们的组合。因此，表达“设备，包括装置A和B”的范围不应该限于只有A和B组合的设备。它的含义是，对于本发明而言，该设备的唯一相关部件是A和B。
[0034]在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例接合而描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个本发明的实施例中。因此，在不同的地方出现的短语“在一个实施例”或“在实施例中”在整个说明书中不一定都指相同的实施例，而只是可能。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合，如对于该公开领域的普通技术人员将是显而易见的。
[0035]类似地，应当理解，在示例性的优选实施例的描述中，本公开的各种特征有时被组合在一个单一的实施例、附图、或描述中，以为了简化本公开并帮助理解以上的一个或各个方面目的。但是，本公开的方法并不应被解释为反映一种意图，即请求保护的公开内容要求了比明确描述于各权利要求中的特征更多的特征。相反，如以下权利要求所反映的，各发明方面体现为比单个在前公开实施例的所有特征要少的特征。因此，在详细描述后所随附的权利要求被明确地并入该详细描述中，每个权利要求自身作为本发明的单独的实施例。
[0036]此外，虽然本文描述的一些实施例包括某些在其它实施例中所包括的特征，但不包括在其他实施例中的其它特征，但不同实施例的特征的组合意在属于本公开的范围之内，并且形成不同的实施例，可以被相关领域人士理解。例如，在下面的权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。
[0037]在本文提供的描述中，许多具体细节被阐述。然而，可以理解的是，优选实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，众所周知的方法、结构和技术没有被详细示出，以免模糊对本说明书的理解。
[0038]本发明现在将通过一些优选实施例的详细描述来描述。很明显，可以根据本领域技术人员的知识而不偏离真正的精神，或根据所附权利要求书所定义的本公开的技术教示，来配置其它优选实施例。
[0039]虽然本公开内容是参考各自包含至少一个铜微突起的第一和第二半导体衬底的接合来描述的，但是应当理解，本发明并不限定于接触结构的类型和要被堆叠在一个三维(3D)结构的半导体衬底的数量。例如，本发明可以扩展到两个以上的半导体衬底的接合和/或半导体衬底包括接触结构，如微凸起，外露硅穿透通孔(TSV)钉，或接触焊盘区。此外，作为金属接触结构的金属选项的铜，可以替换为其它金属，如铝，金或锡。
[0040]根据本发明的实施例，至少两个包括铜微突起的半导体衬底的热压(TC)接合分两个阶段进行，即衬底平坦化后进行衬底接合。
[0041]在第一阶段中，半导体衬底经受若干处理步骤以制备铜微突起的表面以供接合。图1A至IC描述了一系列的处理步骤，使用飞刀切削进行半导体衬底的平坦化。在图1A中，第一半导体衬底I和第二半导体衬底2设置为带有形成在所述第一和第二半导体衬底I和2的一个主表面的铜微突起3。抗蚀剂4被沉积以保护铜微突起，防止其氧化，以及在平坦化过程中防止铜微突起3的金属表面上沉积污染物。图1B中，用飞刀切削法进行铜微突起的平坦化，从而使提供铜微突起3具有基本平坦的表面和大致相等的高度，从而校正在第一和第二半导体衬底I和2上任何地貌不规则性。一旦执行了铜微突起3的平坦化，抗蚀剂4被移除，第一和第二半导体衬底I和2即准备好接合，如图1C所示。铜微突起3的表面平坦化可以通过其他尖端技术，如化学机械抛光(CMP)进行。然而，优选使用单晶金刚石车削刀具的飞刀切削，因为它在半导体衬底上的研磨更少，并且可以在单个步骤中进行。[0042]一旦平坦化阶段完成，第一和第二半导体衬底I和2准备好按照图2A-2D所示的加工步骤来进行组装。
[0043]在组装阶段，第一和第二半导体衬底I和2被放置为一个三维堆叠的配置，从而使第一和第二半导体衬底I和2的铜微突起3对齐，使得这些铜微突起3相互面对，如图2A所示。在此步骤中，第二半导体衬底2在接合机工具的帮助下悬挂在第一半导体衬底I的上方。这样得到的铜微突起的表面之间的距离大约是I微米至5微米，更优选为2微米。在此步骤之前，“底部填充”材料5可以任选地沉积在半导体衬底I的主表面上，即铜微突起3存在的表面。“底部填充”材料5是一种主要用于防止铜微突起3被腐蚀，并在封装工业中被广泛使用的非导电材料。另外，由于“底部填充”材料5的粘接性能，其给所得到的接合半导体衬底层叠提供了额外的机械强度。已经发现，在3D技术中使用的“底部填充”材料5具有补偿所述半导体衬底I和2的任何热膨胀差的优点，从而防止应力相关的故障，并提高了可靠性。
[0044]一旦第一和第二半导体衬底I和2已被正确地定位并且铜微突起被对准，机械摩擦步骤则被执行，如图2B所示。机械摩擦步骤用于进一步平坦化铜微突起3的表面和用于除去已经或可能已在金属表面上积聚的氧化物和污染物。根据一个实施例，机械摩擦可以按照图3A至3C所示的工艺步骤进行。机械摩擦开始时，降低悬挂的第二半导体衬底2，直到铜微突起3的表面物理接触，如图3B所示。当有物理接触时，所述铜微突起3的表面通过控制所述第一和第二半导体衬底I和2的X和Y平面上的运动来互相摩擦，如图3B所示。在机械摩擦过程中，产生一个具有X和Y方向的圆形运动。作为圆形运动的结果，在铜微突起3的表面上产生软摩擦动作，由此抛光和平坦化所述表面。为了防止应力相关的故障，并防止在机械摩擦时产生的摩擦热量，需以非常慢的速度进行摩擦动作。铜微突起在X和Y平面方向的位移范围从几纳米到大约几微米，更优选地在X或Y方向上的位移是大约I微米。执行机械摩擦所达的持续时间在I秒和几分钟之间，更优选地进行约40秒。如图3C所示，可以在机械摩擦时施加3.5MPa到14MPa的低压摩擦力。低压摩擦力与机械摩擦的组合对于去除氧化物和/或铜微突起3的表面污染物的主要层以及降低机械摩擦持续时间(周期)是非常有益的。在铜微突起3表面上实施机械摩擦步骤的结果示于图4。可以看出，相对于机械摩擦之前的铜微突起3表面，铜微突起3平坦化和表面粗糙度得到改善。
[0045]在铜微突起3的表面经由机械摩擦进行平坦化和清洗之后，第一和第二半导体衬底I和2实行热压接合，如图2C所示，产生半导体衬底叠层7。在此步骤中，第一和第二半导体衬底I和2同时经受加压和加热。在TC-接合前使用机械摩擦使得实现所述第一和第二半导体衬底I和2的金属接触结构之间的有效接合所需的压力得以显著降低。根据本发明的实施例的TC-接合步骤可以在150°C至300°C的温度下，施加IOMPa至300MPa的压力，持续I秒至5分钟，并且更优选的时间约为40秒。
[0046]除了提供所述第一和第二半导体衬底I和2之间的有效接合，TC-接合也可用于固化“底部填充”材料5，如果它已被选择性地使用。“底部填充”材料5的选择与TC-接合的条件密切相关。因此，对于高温和高压的TC-接合需要选择合适的“底部填充”材料5。然而，高温固化“底部填充”材料可能由于接合时所用的底部填充材料的热膨胀系数(CTE)不匹配而显示出额外的热积存和应力。该CTE不匹配可导致某些应用(诸如存储器集成器件的接合)的可靠性问题。通过降低在TC-接合所需要的温度和压力，可以选用较低固化温度的“底部填充”材料5，从而最大限度地减少热积存和应力相关的故障。
[0047]在TC-接合后，在所得到的半导体衬底叠层7中的铜微突起3的表面被物理连接并具有电产率，如图5所示。然而，因为在TC-接合中温度较低，铜微突起3之间的界面扩散并未实现。
[0048]根据一个实施例，铜微突起的界面扩散是通过执行一个接合后热退火步骤来实现的，如图2D所示。在该步骤中，半导体叠层7被放置在烘箱6中达一个预定的持续时间。例如，对于铜微突起，可在150°C至300°C之间的温度下持续30分钟至约60分钟之间的时间来实现界面扩散。
[0049]图6示出了接合后热退火步骤执行后的铜微突起3的两个构造。在第一构造中，具有不同尺寸的铜微突起3被接合(非对称)，而在第二构造中的铜微凸起3具有基本相等的尺寸(对称)。接合具有非对称尺寸的铜微突起情况下，一个铜微突起3相比另一个具有较小的表面面积。此构造可能对于第一和第二半导体衬底I和2之间未对准的情况是有益的。在这两种构造中都可以观察到铜微突起3之间的有效结合。因此，用于提供第一和第二半导体衬底I和2之间的低温TC-接合的机械摩擦的方法可以成功地在这两种情况下适用。
[0050]实施了许多实验以确定最佳的机械摩擦的条件，其提供最好的结果，并有助于TC-接合要求放宽。被改变的主要参数是:a)在图2A中所示的步骤中，半导体衬底2被悬挂时，铜微突起3之间的初始距离(z)，b)机械摩擦期间所施加的压力，和c)执行机械摩擦的持续时间。对于铜微突起3，最好的结果是设置z距离为2微米，压力为3.5兆帕，持续时间为10秒的情况下获得的。所进行的实验一览和获得的结果如下表所述，并如图7所示。
[0051]
【权利要求】
1.一种用于将第一衬底热压接合到第二衬底的方法，所述方法包括: 提供第一衬底(I)和第二衬底(2)，其中每个衬底在其表面上包括至少一个金属接触结构(3)； 平坦化所述至少一个金属接触结构(3)的表面； 定位所述第二衬底(2)接近于所述第一衬底(1)，从而对准所述至少一个第一和第二金属接触结构(3)并且使对准的金属接触结构的金属表面相接触； 将所述第一半导体衬底(I)的所述至少一个金属接触结构(3)的表面对着所述第二衬底(2)的所述至少一个金属接触结构(3)的表面机械摩擦，从而清洁所述金属表面； 使用热压接合步骤，将所述第一衬底(I)接合到所述第二衬底(2)，从而形成半导体衬底置层(7); 热退火所述半导体衬底叠层(7)，从而形成所述第一半导体衬底(I)和第二半导体衬底(2 )的所述至少一个金属接触结构(3 )之间的界面扩散。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一衬底(I)或所述第二衬底(2)中的至少一个的金属接触结构(3)从主表面突出。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属接触结构(3)包括铜。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在机械摩擦步骤中施加压力。
5.根据权利要求4的方法，其中施加的压力为14MPa以下。
6.根据权利要求5的方法，其中进行所述机械摩擦步骤所达的持续时间低于40秒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述接合步骤之前，在所述第一半导体衬底的表面上沉积底部填充材料。
8.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个第一接触结构和至少一个第二接触结构的尺寸基本上是相同。
9.根据权利要求1的方法，其中所述至少一个第一接触结构和至少一个第二接触结构的尺寸基本上是不同的。
10.根据权利要求1的方法，其中在热压接合步骤中应用的温度低于300°C。
11.根据权利要求1的方法，其中在热压接合步骤中施加的压力低于40MPa。
12.根据权利要求1的方法，其中所述金属接触结构(3)表面的平坦化通过化学机械抛光(CMP)或飞刀切削来进行。
【文档编号】H01L21/603GK103871916SQ201310689036
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】胡毓祥, 刘重希 申请人:Imec公司