用于制造半导体器件的装置的制造方法
【专利说明】用于制造半导体器件的装置
[0001 ] 本申请是申请号为201110212252.7、申请日为2011年6月21日、发明名称为“用于制造半导体器件的装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及一种用于制造半导体器件的装置，其中该装置包括用于晶片的分子键合(bonding)的键合模块。
【背景技术】
[0003 ]三维(3-D)集成电路技术在现代半导体技术中变得越来越重要，在三维(3-D)集成电路技术中，形成在例如绝缘体上硅(SOI)基板的基板上的电路结构被键合在一起，并与密集垂直连接一起集成到3-D电路中(例如参见Burns等撰写的题为“A ffafer-Scale 3-DCircuit Integrat1n Technology” 的论文，IEEE TRANSACT1NS ON ELECTRON DEVICES,VOL.53,N0.10,OCTOBER 2006,pages 2507-2516)。3_0电路集成技术的构造块是精密晶片-晶片对准、低温晶片-晶片键合(分子键合或氧化物熔融键合)、以及电路结构与密集垂直互连线的电气连接。相比于传统的凸点键合(bump bond)技术，晶片规模3-D技术提拱了更高的密度垂直互连以及降低的系统功率。
[0004]晶片的分子键合要求晶片的表面充分光滑、无颗粒或污染，并且要求晶片彼此充分接近以允许开始接触，典型地在启动点(point of initiat1n)处小于几纳米的距离处。在这种情况下，两个表面之间的吸引力充分高，从而导致“键合波” (bonding wave)从该位置传播以及分子粘附(由要被键合在一起的晶片的两个表面的原子或分子之间的电子相互作用的所有吸引力-范德华力-而引发的键合)。术语“键合波”指的是键合前面或分子粘附从启动点传播并对应于从启动点将吸引力(范德华力)散布到两个晶片之间紧密接触的整个表面(键合界面)上。
[0005]然而，分子键合面临着诸多问题:键合界面缺陷(类似边缘存在空隙)、在与载置基板装配期间出现在传输层上晶片未对准以及晶片翘曲(distort1n)缺陷。
[0006]这些翘曲并不是可能源于基板的不正确装配(未对准)的基本变化(平移、旋转或其组合)的结果。这些翘曲是由于与最终基板装配时层中出现的不均匀变形而导致的。实际上，这些翘曲能引发形成在层上或层中的微组件的位置变化，该变化可能是几百纳米或者甚至几百微米的量级。因为这些翘曲是不均匀的，所以不可能在随后进行的光刻步骤中完全地纠正这些局部未对准误差。因此可能导致功能失调的半导体器件。
[0007]考虑到上述以及尽管近来的技术进步，存在对于以充分的精度、特别是对准、减少层翘曲并抑制键合界面缺陷、以及高产量提供用于3D集成电路技术的晶片分子键合的用于制造半导体器件的装置的需求。
【发明内容】
[0008]本发明解决了上面所述的需求，并且，相应地，提供了一种根据权利要求1的用于制造半导体器件的装置，该装置包括:
[0009]键合模块，其包括真空室，以在低于大气压力的压力下提供晶片的键合;和
[0010]装载锁定模块，其连接至键合模块并配置为向键合模块传送晶片，并且连接至被配置为将装载锁定模块中的压力降到低于大气压力的第一真空栗装置。
[0011]根据本发明，晶片的分子键合是在键合模块的抽真空的真空室内实施的。因为键合在(部分)真空下实施，所以发现能在不影响键合强度的情况下显著抑制诸如边缘存在空隙的键合界面缺陷。除此之外，晶片从抽真空的装载锁定模块向键合模块的真空室传送，因此相比较于现有技术的真空键合模块，显著增加了吞吐量。因为装载锁定模块在接近于键合模块的抽真空的真空室的低压力的真空压力下向键合模块提供晶片，因此避免了两个键合步骤(键合步骤和从装载锁定模块向键合模块传送至少一个晶片的步骤)之间键合模块从真空压力到大气压力以及从大气压力到真空压力的切换。
[0012]通过第一栗装置将装载锁定模块抽真空例如至大约lmbar到低于大气压力(低于lbar)的压力，特别地，抽真空至lmbar到lOmbar范围内的压力或lmbar到lOOmbar范围内的压力。例如通过第二栗装置将键合模块的真空室抽真空至0.0lmbar到lOmbar范围内的压力或0.0lmbar到lOOmbar范围内的压力，特别地，抽真空至0.lmbar到5mbar范围内的压力。还应注意，真空室内的温度被保持在室温，以避免由于晶片半导体材料的热膨胀而导致的晶片的变形。第一栗装置和/或第二栗装置可分别通过设置为控制期望真空度的各个控制阀连接至装载锁定模块和键合模块的真空室。例如可提供多级旋转叶片栗用于第一栗装置和第二栗装置。
[0013]应该注意，键合模块包含了用于在真空下对准的晶片键合工艺所必需的所有装置，并且因此与环境密封隔开。装载锁定模块可配置为在同一时间接收并向键合模块传送一个晶片，或者它可配置为接收可储存在装载锁定模块内所设置的多晶片储存系统中的多个晶片。在前一种情况下，装载锁定模块的尺寸可被最小化，以使得在晶片传送期间，键合模块的真空室的真空不受打开将键合模块与装载锁定模块隔开的门的严重影响。在后一种情况下，能提高吞吐量。
[0014]特别地，装载锁定模块可包括能够打开和关闭以接收晶片的第一门，和能够打开和关闭以从装载锁定模块向键合模块传送晶片的第二门。在经由打开的第一门在装载锁定模块中接收了晶片之后，该第一门被再次关闭，所述第一栗装置可开始对装载锁定模块抽真空。
[0015]根据本发明的装置的实施方式，为了进一步地增加吞吐量，设置了连接至键合模块、并配置为接收已经在键合模块中键合的一个或多个晶片(晶片堆)的至少一个附加装载锁定t吴块。
[0016]键合模块可包括配置为保持第一晶片的至少第一可移动键合夹具，和不同于第一键合夹具并配置为保持不同于第一晶片的第二晶片的第二可移动键合夹具。可在键合模块内部设置机器人装置，该机器人装置配置为从装载锁定系统夹取晶片，并把它们定位在键合夹具上。可通过机械手段、静电手段和真空(如果夹紧真空大大地低于键合模块的真空室的操作真空级别)来实现夹取。
[0017]面对面定位以支撑和夹紧晶片的两个可移动键合夹具可设置在键合模块的真空室内部。键合夹具可平移和旋转移动，以便能够在前面定位和互相对准两个晶片。每一个键合夹具都应该被提供有尽可能好的平面性，因为已经确定夹具的弓形是导致翘曲缺陷的因素之一。根据实施方式，夹具由不会轻易变形并且维持晶片平面性的金属和陶瓷制成。夹具的弓形(与正中面的最大偏差)应当优选地小于1微米，或者甚至小于0.1微米。
[0018]第一键合夹具和第二键合夹具可被配置/定向为，在相对于垂直面在小于10°的角度内的垂直位置上分别保持或夹紧第一晶片和第二晶片，更具体地，相对于垂直面的角度最多大约1°。每个晶片具有两个主表面。根据一个示例，晶片的主表面相对于键合模块所在的水平面(几乎)垂直定向。特别地，晶片的主平面被定向为相对于垂直面倾斜小于大约10°的角度，更特别地，倾斜小于大约10°的角度，尤其更加特别地，倾斜最多大约1°的角度。通过此定向，可避免由于晶片自身重量而导致的晶片的变形(导致翘曲缺陷)，并且甚至可以可靠地处理直径超过300mm的大晶片。尤其地，第一键合夹具和第二键合夹具相对于垂平面在小于10°的角度内垂直定位。
[0019]该装置也可包括控制单元，该控制单元用于控制装置的不同模块的操作，以及通过机器人装置从一个模块向另一个模块的晶片的传送。
[0020]如果应用需要，可在键合模块中设置光学定位系统，其操作为识别晶片上的对准标记的准确位置，然后两个夹具根据所识别的对准标记平移和旋转移动以对准晶片。
[0021]根据不同替代方案，例如在US20100122762中所公开的，可通过上述的控制单元控制实际的分子键合过程。根据第一种方法，夹紧被松开以从两个晶片的夹具上释放这两个晶片，并且局部地施加附加力以导致晶片的紧密接触(依据分子力作用)并启动键合波传播。该附加力应该最小化(例如小于5N甚至1N)使得不会导致晶片的变形。因此，本发明的装置还可包括控制单元，该控制单元配置为控制第一键合夹具和第二键合夹具相互移动以使第一晶片和第二晶片定位为彼此相距预定距离，在预定距离处释放第一晶片和第二晶片，并通过合适的局部力施加手段向第一晶片和第二晶片中的至少一个开始局部施加力，使得它们局部变得相互接近，从而启动键合。在此和以下都应