将施王晶片扭曲到寄王晶片的相应扭曲的方法

将施王晶片扭曲到寄王晶片的相应扭曲的方法
【专利摘要】本发明公开了一种将施主晶片扭曲到寄主晶片的相应扭曲的方法。本发明涉及一种总体上用于改进晶片到晶片结合对准的方法。确定寄王晶片的结合表面的平面扭曲。扭曲施主晶片的结合表面，从而使得施主晶片结合表面的扭曲对应于所确定的寄主晶片结合表面的平面扭曲。此外本发明还涉及一种用以分离已结合晶片的方法。已结合晶片对被安放在具有平坦卡盘面的第一和第二结合卡盘之间，第一结合卡盘面包括能够相对于彼此移动的各个可调节区块，其中所述相对移动的至少一个分量是沿着垂直于平坦的第一结合卡盘面的轴。按照协调方式将第一面的各个可调节区块相对于彼此移动，从而使得在所述晶片对的结合面之间形成加宽间隙。
【专利说明】将施主晶片扭曲到寄主晶片的相应扭曲的方法

【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及作为半导体设备制造处理的一部分来结合半导体衬底的领域， 更具体来说涉及扭曲施主晶片以便引入与寄主晶片的结合表面相对应的平面结合表面扭 曲。

【背景技术】
[0002] 半导体设备通常是在其直径范围从1到18英寸的晶片衬底上以阵列方式产生的。 随后将所述衬底分离成各个单独的设备或管芯，对所述设备或管芯进行包装以便允许更大 型电路的情境中的各个设备的实际的宏观层级连接。随着针对芯片密度以及更小的包装外 形尺寸的要求的增加，在电路的三维集成方面已取得进展。在这种技术中，设备在垂直或z 方向上被层叠及结合。通常来说，层叠设备通过设备上的电接触衬垫或者通过硅通孔（TSV) 电奉禹合。
[0003] 用于在硅晶片上垂直集成设备的一种典型处理是晶片到晶片集成方案，其中将寄 主晶片与施主晶片彼此对准，并且利用氧化物-氧化物熔化结合将所述晶片结合在一起。 随后削薄施主晶片以暴露出连接到寄主晶片的硅通孔，或者在将其削薄之后制作连接到寄 主晶片的硅通孔。
[0004] 在产生垂直集成设备方面很久以前就认识到的一项挑战在于减少在制造处理期 间引入的晶片和晶片层叠的扭曲。引入扭曲的一种常见机制是晶片或晶片层叠的各个组件 上的不同程度的热膨胀。举例来说，存在于一个晶片上的各种组件和材料通常将具有不同 的热膨胀系数。在集成设备制造处理的不同步骤中，晶片和晶片层叠将暴露于不同的处理 温度，从而可能在生产期间在晶片或晶片层叠中包括热梯度。由于热膨胀系数不同，在不同 温度下发生的每一个处理步骤将导致各种晶片组件和材料之间的不同的尺寸改变，从而可 能表现为相比于无扭曲的理想尺寸和位置的固定扭曲。对于晶片表面的应力和应变还可能 由各种机械和化学处理、削薄以及图样密度的差异导致。晶片之间的平面表面扭曲可能通 过晶片表面的结合而成为永久性的。
[0005] 希望具有一种减少、消除或者逆转在寄主晶片表面与施主晶片表面之间所引入的 相对平面扭曲的结合处理，从而改进晶片到晶片结合对准。


【发明内容】

[0006] 本公开的实施例描述了一种总体上用于改进晶片到晶片结合对准的方法。确定寄 主晶片的结合表面的平面扭曲。扭曲施主晶片的结合表面，从而使得施主晶片结合表面的 扭曲对应于所确定的寄主晶片结合表面的平面扭曲。
[0007] 其他实施例描述了一种用以分离已结合晶片的方法。已结合晶片对被安放在具有 平坦卡盘面的第一和第二结合卡盘（chuck)之间，第一结合卡盘面包括能够相对于彼此移 动的各个可调节区块，其中所述相对移动的至少一个分量沿着垂直于平坦的第一结合卡盘 面的轴。按照协调方式将第一面的各个可调节区块相对于彼此移动，从而使得在所述晶片 对的结合面之间形成加宽间隙。

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 图1A、1B和1C示出了根据本发明的一个实施例的晶片结合表面上的桶形、枕形和 旋转扭曲。
[0009] 图2是示出了根据本发明的实施例的用于把施主晶片结合到在其结合面上具有 平面扭曲的寄主晶片的处理的各个操作步骤的流程图。
[0010] 图3示出了根据本发明的一个实施例的关于理想栅格的寄主晶片表面上的示例 性扭曲图样。
[0011] 图4示出了根据本发明的一个实施例的代表相比于图3的寄主晶片的每一个扭曲 标记的理想情况的扭曲的扭曲矢量场。
[0012] 图5更加清楚地示出了根据本发明的一个实施例的图4的寄主晶片的扭曲矢量场 的隔尚。
[0013] 图6示出了根据本发明的一个实施例的图5的寄主晶片的扭曲矢量场，其中示出 了叠加在寄主晶片的结合面上的可调节区块施主结合卡盘的一个示例性实施例的区块边 界。
[0014] 图7是根据本发明的一个实施例的可调节区块结合卡盘的剖面图。
[0015] 图8示出了根据本发明的一个实施例的图7的可调节区块结合卡盘的剖面的一部 分，其中施主晶片被安放到所述结合卡盘的面上。

【具体实施方式】
[0016] 这里所描述的实施例是针对一种改进晶片到晶片结合期间的对准的处理。在所公 开的实施例中，检测寄主晶片的结合表面上的平面扭曲，并且通过使用其中各个区块可以 相对于彼此移动的可调节多区块结合卡盘在施主晶片的结合表面上引入相应的扭曲。这 里所使用的"平面扭曲"通常指的是沿着结合表面的扭曲，并且例如可以通过把扭曲投影到 结合表面的广义平面上来近似。除非特别提到，否则通常忽略垂直于结合表面的平面的扭 曲。在本公开中所描述的本发明的示例性实施例中，可以使用如在授予Lin等人（"Linl"） 的标题为"Wafer-to-Wafer Fusion Bonding Chuck(晶片到晶片烙化结合卡盘）"的美国 专利申请序列号13/828, 340中所公开的可调节多区块结合卡盘，以及如在授予Lin等人 ("Lin2"）的标题为"Wafer-to-Wafer Oxide Fusion Bonding(晶片到晶片氧化物烙化结 合）"的美国专利申请序列号13/826, 229中所公开的可以使用所述可调节多区块结合卡盘 的结合处理。
[0017] 晶片表面上的平面扭曲总体上可以被表征成三种类型：膨胀扭曲，比如桶形扭曲 和枕形扭曲；旋转扭曲，比如扭转和螺旋扭曲；以及平移扭曲，比如X-Y平面内的一个区域 在保持关于X-Y轴的指向同时的总体移动。这些扭曲可以在微观层级发生，比如晶片表面 的一个小区域，并且可以在宏观层级发生，比如在晶片的整个结合表面之上发生。在示例性 实施例中，在宏观层级下，膨胀扭曲和旋转扭曲通常是关于晶片中心，其中膨胀扭曲指的是 通常沿着晶片半径的相比于理想情况的扭曲分量，旋转扭曲则指的是通常垂直于晶片半径 的扭曲分量。一般来说，晶片表面的平面扭曲可以在宏观层级和微观层级都包括全部三种 类型的扭曲的分量。这些扭曲的量值通常处在百万分之几范围内，并且可能导致相比于理 想情况的几微米范围内的宏观层级扭曲。
[0018] 用以减轻晶片结合表面上的平面扭曲的效应的一种典型的方法是接触和TSV接 点衬垫（landing pad)的超额尺寸。这可以是针对超额设计接点衬垫尺寸的补充，以便克 服晶片结合对准处理中的平移和旋转对准限制。这样的超额设计可能会对降低半导体晶片 上的组件和管芯密度构成障碍。
[0019] 图1A-1C示出了可能存在于晶片100的表面上的前面提到的前两种类型的平面扭 曲，即膨胀和旋转扭曲。图1A示出了枕形扭曲，正如相对于理想栅格102的已扭曲栅格104 所示出的那样。类似地，图1B示出了桶形扭曲，正如相对于理想栅格102的已扭曲栅格106 所示出的那样。图1C示出了旋转扭曲，正如矢量场108所示出的那样。所述矢量场的每一 个矢量代表相比于该矢量的原点与之相连的晶片100的无扭曲表面上的颗粒的理想情况 的扭曲的方向和量值。正如纯粹旋转扭曲的这一图示中所示出的那样，所有扭曲都垂直于 晶片100的半径，其中靠近晶片中心的矢量量值最大，并且在边缘处减小到零。这一示例性 扭曲通常被称作"扭转"扭曲。关于宏观层级下的平移扭曲，即前面所提到的第三种类型的 扭曲，其常常可以通过结合之前的晶片对准来反制（counteract)。
[0020] 图2是示出了根据本发明的实施例的用于把施主晶片结合到在其结合面上具有 平面扭曲的寄主晶片的处理的各个操作步骤的流程图。
[0021] 所述处理开始于识别寄主晶片的扭曲标记的平面位置（步骤200)。在本公开中关 于示例性实施例所使用的"寄主晶片"是将附加的晶片与之结合从而形成晶片层叠的晶片。 施主晶片通常是被结合到寄主晶片的单一晶片。在该实施例中，对于寄主晶片的结合表面 确定扭曲，这是因为其通常将是在层叠创建期间可能已经历过多次热循环和晶片削薄操作 等等的晶片。施主晶片通常尚未经历与晶片结合相关联的热循环。如如所述，晶片表面扭 曲的一个重要成因是晶片层叠的各个组件在层叠产生期间的不同程度的热膨胀。
[0022] 在优选实施例中，扭曲标记可以是在光刻或结合处理步骤期间被用于对准的对准 或参考结构。扭曲标记也可以是光刻对准工具或者自动化显微镜可以被训练检测的从结合 表面侧可见的任何表面或近表面结构。在优选实施例中，扭曲标记结构具有对准工具或者 自动化显微镜可以被训练检测的已定义点或非常小的区段。举例来说，扭曲标记结构可以 具有能够被用于训练的角或V形点或十字中心。虽然扭曲标记的适当数目可以取决于晶片 的直径以及施主结合卡盘的可调节区块的几何结构和数目，但是示例性实施例可以具有大 约一百个或更多扭曲标记，优选地每个芯片有至少一个这样的标记。在示例性实施例中，可 以在把晶片固定在寄主晶片结合卡盘中时识别扭曲标记的平面位置，并且所述卡盘被安放 在自动化显微镜或光刻工具中。
[0023] 在识别出扭曲标记的位置之后，确定相比于理想情况的平面表面扭曲（步骤 202)。图3示出了相对于理想栅格302的晶片300的表面上的示例性扭曲图样304。理想 栅格302的垂直线与水平线的每一处交叉代表一个扭曲标记的理想无扭曲位置。类似地， 扭曲图样304的经线（主要为垂直）与纬线（主要为水平）的每一处交叉代表一个扭曲标 记的已扭曲位置。如图所示，扭曲图样表明所述扭曲主要是桶形扭曲。出于说明性目的，扭 曲图样304已被大大夸张。
[0024] 在一个示例性实施例中，通过把扭曲标记的已扭曲位置与该标记的理想位置进行 比较来确定相对于理想情况的扭曲。由于实际的扭曲处于百万分之几范围内，并且扭曲标 记的数目处于每个晶片结合表面一百个或更多的范围内，因此如前所述，识别出与某一扭 曲标记相关联的理想无扭曲位置应当不难。可以把对应于每一个扭曲标记的相比于理想情 况的扭曲存储在例如数组、表或列表之类的数据结构中。
[0025] 在一个示例性实施例中，所述扭曲数据结构包括与每一个扭曲标记相关联的扭曲 矢量，其代表该扭曲标记在理想位置处的参考点到相关联的扭曲标记的已扭曲位置的移动 的方向和量值。所取得的所有扭曲矢量一同形成一个扭曲矢量场。对于扭曲矢量场的分析 可以确定晶片的表面扭曲的膨胀、旋转和平移分量。图4示出了代表对应于晶片300的每 一个扭曲标记相比于理想情况的扭曲的扭曲矢量场400。图5示出了隔离出的晶片300的 扭曲矢量场400。
[0026] 在确定了对应于每一个扭曲标记的相比于理想情况的平面表面扭曲之后，确定对 应于施主晶片所附着到的可调节区块结合卡盘的每一个区块的位置（步骤204)。在示例性 实施例中，各个可调节区块的相对定位将在施主晶片的表面上广生对应于寄主晶片的表面 上的平面扭曲的膨胀扭曲，从而导致结合之后的各个晶片的改进的对准。
[0027] 图6示出了寄主晶片300的结合面上的扭曲矢量场400,其中示出了叠加在寄主晶 片300的结合面上的如Linl中所公开的可调节区块结合卡盘的一个示例性实施例的区块 边界。如图所示，可调节区块结合卡盘的该实施例的各个区块具有围绕寄主晶片中心的对 称同心圆环的几何结构。举例来说，最外部环状区块与邻近的内部环状区块之间的边界由 圆形600表示。
[0028] 图7是关于图6所讨论并且在Linl中公开的可调节区块结合卡盘的一个实例的 剖面图。可调节区块结合卡盘700具有由多个外部环状区块704到714围绕的中心区块 702。结合卡盘区块702到714可以在沿着一个轴的剪切方向上相对于彼此移动，所述轴可 以垂直于各个卡盘区块的卡盘面的平面表面。在本发明的各个实施例中，每一个卡盘区块 可以相对于其他卡盘区块被升高或降低。在某些实施例中，卡盘区块702到714的卡盘面 边缘可以被斜切（chamfer)或圆切（radius),从而减小晶片300中的各个卡盘区块之间的 边界处的应力。在优选实施例中，可以例如通过精准液压活塞来控制卡盘区块702到714 的移动，从而对于近似〇. 1微米到近似100微米范围内的卡盘区块702到714的移动允许 近似0. 1微米到近似1微米范围内的移动。在某些实施例中，一个或多个卡盘区块702到 714可以具有用于把晶片保持就位在卡盘的卡盘面上的真空通道（未示出）、静电力或者其 他可释放装置。
[0029] 晶片表面上的给定方向上的扭曲分量可以通过对各个扭曲分量沿着该方向的分 量的量值进行比较来确定。举例来说，在该示例性实施例中，图3的扭曲图样304示出了相 比于理想情况的表面扭曲主要是桶形扭曲。图6中示出的扭曲矢量场400证实了这一点，因 为大多数扭曲矢量的主分量都是从晶片300的中心径向地向外。为了确定径向方向上的扭 曲矢量场，可以计算每一个扭曲矢量与一个径向单位矢量的点积，其中该径向单位矢量具 有与该扭曲矢量相同的原点。类似地，可以计算一个扭曲矢量场以用于确定任何方向上的 扭曲分量，这是通过计算每一个扭曲矢量与感兴趣方向上的单位矢量的点积而实现的，其 中该单位矢量具有与该扭曲矢量相同的原点。虽然这些实例涉及宏观层级平面表面扭曲， 但是也可以在微观层级下确定扭曲，这例如是通过定义以感兴趣点为中心的扭曲矢量场并 且把扭曲矢量的数目限制到总体晶片表面的已定义表面区域部分而实现的。本领域技术人 员将认识到，可以使用适当的矢量场内插技术来估计扭曲标记之间的各点处的扭曲。
[0030] 在一个示例性实施例中，两点之间的给定方向上的扭曲数量可以通过所述方向上 的扭曲矢量分量的量值差异来确定。举例来说，沿着晶片的给定半径的两点之间的径向扭 曲可以通过计算其原点处在感兴趣的所述两点处的扭曲矢量的径向扭曲分量之间的差异 来确定。非零量值差异表明所述两点相比于理想情况已被扭曲了不同的径向数量，并且关 于相比于理想情况的径向测量已发生了膨胀扭曲。如果所述量值差异为零，则所述两点之 间的径向距离与理想位置之间的径向距离相同，尽管所述两点可能在另一方向上（例如围 绕晶片中心径向地）关于彼此发生了移动。本领域技术人员将认识到，可以使用其他方法 和方法组合来确定在晶片表面上的两点之间是否发生了扭曲。
[0031] 确定邻近施主结合卡盘区块之间的相对定位可以基于邻近区块位置对之间的总 体扭曲数量，其中所述对的每一个位置是邻近区块的表面上的点。举例来说，在使用具有同 心环状区块以及围绕每一个区块的径向中心的真空固定点的可调节区块结合卡盘700的 一个示例性实施例中，可以基于各个径向位置对的扭曲数量的算术平均值来确定所述相对 定位，其中每一对的第一位置点处在一个环状卡盘区块的径向中心，每一对的第二位置点 与第一位置点径向对准，并且处在与第一区块邻近的另一个环状卡盘区块的径向中心，并 且各个位置对按照弧度角围绕各个环状卡盘区块均匀地间隔开。在另一个实施例中，可以 基于使得对应于各个位置对的扭曲的平方和最小化来确定邻近区块之间的相对定位。
[0032] 在确定了邻近卡盘区块上的两个真空通道固定点之间的所期望的膨胀扭曲数量 之后，通过由邻近区块的相对定位所导致的膨胀力在施主晶片表面上引入扭曲。图8示出 了可调节区块结合卡盘的剖面的一部分，其中晶片300被固定到结合卡盘的面上。晶片300 通过真空通道804被可释放地固定到邻近的可调节区块800和802的表面，所述区块例如 可以是任何邻近区块702到714。如图所示，区块800和802具有相对垂直位置距离"a"。 由于当区块800和802的卡盘面处于平面对准时晶片300在真空通道804处被固定到区块 800和802的卡盘面上，因此区块800和802的相对垂直定位在真空通道804的固定点之间 引入了膨胀扭曲。虽然所述膨胀扭曲可以跨越真空通道804之间的距离，但是所述膨胀扭 曲的量值由通过引入相对垂直位置距离"a"所导致的距离"b"与距离"c"之间的长度差异 决定。
[0033] 关于图8,邻近的可调节区块800和802之间的相对垂直定位与在所述区块的卡盘 面上的真空通道804晶片固定点之间引入的所期望的膨胀扭曲数量之间的关系通常由 应用于直角"abc"的毕达哥拉斯定理决定，并且可以通过下面的等式表达：
[0034]

【权利要求】
1. 一种方法，其包括： 确定寄主晶片的结合表面的平面扭曲；以及 扭曲施主晶片的结合表面，从而使得施主晶片结合表面的扭曲对应于所确定的寄主晶 片结合表面的平面扭曲。
2. 根据权利要求1的方法，其还包括在扭曲施主晶片结合表面的步骤之后结合施主晶 片与寄主晶片。
3. 根据权利要求1的方法，其中，确定寄主晶片的结合表面的平面扭曲包括确定寄主 晶片中的多个扭曲标记的位置。
4. 根据权利要求3的方法，其中，每一个扭曲标记是以下各项的其中之一：寄主晶片中 的对准标记上的位置；以及寄主晶片中的结构上的位置。
5. 根据权利要求1的方法，其中，扭曲施主晶片的结合表面包括： 通过多个固定点把施主晶片安放在结合卡盘上，所述结合卡盘包括能够相对于彼此移 动的多个区块；以及 相对于彼此移动各个区块，从而导致施主晶片的结合表面的扭曲。
6. 根据权利要求5的方法，其中： 寄主晶片的结合表面的平面扭曲包括径向向外方向上的扭曲；并且 所述多个区块包括中心圆形区块以及一个或多个邻接的圆环状区块。
7. 根据权利要求1的方法，其中，基于以下各项当中的一项或多项扭曲施主晶片的结 合表面：表面形变是弹性的程度；表面形变是塑性的程度；以及施主晶片表面的弹性形变 恢复所花费的时间中的滞后效应。
8. -种用以分离已结合晶片的方法，其包括： 将已结合晶片对安放在具有平坦卡盘面的第一和第二结合卡盘之间，第一结合卡盘面 包括能够相对于彼此移动的多个区块，所述相对移动的至少一个分量沿着垂直于第一结合 卡盘的平坦卡盘面的轴；以及 在协调相对移动中移动第一结合卡盘面的多个区块，从而使得在所述晶片对的结合面 之间形成加宽间隙。
9. 根据权利要求8的方法，其中，所述协调相对移动沿着晶片结合面的所有半径的长 度从更大的径向尺寸向内形成所述加宽间隙。
10. 根据权利要求8的方法，其中，所述协调相对移动沿着晶片结合面的直径的长度从 所述直径的一端到另一端形成所述加宽间隙。
11. 根据权利要求8的方法，其还包括重新结合所述晶片对。
12. 根据权利要求8的方法，其中，所述多个区块包括以下各项当中的一项或多项：规 则形状的区块，不规则形状的区块，以及任意形状的区块。
13. 根据权利要求12的方法，其中，所述多个区块包括中心椭圆区块以及一个或多个 邻接的椭圆环状区块。
【文档编号】H01L21/02GK104217926SQ201410240841
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2013年6月3日
【发明者】林玮, S·斯科尔达斯, T·A·沃 申请人:国际商业机器公司