涂覆及接合襯底的方法
【專利說明】涂覆及接合襯底的方法
[0001]本發(fā)明涉及一種如權利要求1所述用于對第一襯底涂覆第一擴散接合層的方法及一種如權利要求6所述進行接合的方法。
[0002]將襯底永久或不可逆接合的目標是在該襯底的兩個接觸表面間制造盡量強力(并且尤其是盡量永久)的連結，因此獲得高接合力。為達此目的，在現(xiàn)有技術中有各種不同方法及制造方法，尤其是較高溫下的表面熔接。
[0003]所有類型的材料(但主要是指金屬、半金屬、半導體、聚合物和/或陶瓷)是永久地接合。永久接合的最重要系統(tǒng)之一為金屬-金屬系統(tǒng)。特別是，Cu-Cu系統(tǒng)在近些年來日益涌現(xiàn)。3D結構的開發(fā)大多明確要求不同功能層的連接。此連接越來越通常是經(jīng)由所謂的TSV(娃穿孔(through silicon vias))完成。該TSV彼此間的接觸極通常是經(jīng)由銅接觸部位進行。在接合的時間點極通常會有全值可使用結構(例如微芯片)位于襯底的一或多個表面上。由于在微芯片中使用具有不同熱膨脹系數(shù)的不同材料，不希望在接合期間提高溫度。提高溫度可導致熱膨脹且因而導致可破壞微芯片的部件或其周圍的熱應力和/或應力誘發(fā)空洞(SIV)。
[0004]已知制造方法及迄今一直遵循的方法通常會導致無法再生產(chǎn)或再生產(chǎn)不良的并且可能極難應用于已改變的條件的結果。特別地，目前所采用的制造方法通常會使用高溫(尤其是M00°C )以確保重現(xiàn)結果。
[0005]諸如高能量消耗及存在于襯底上的結構可能會被破壞的技術問題是由迄今為高接合力所需要的高溫及由于加載和/或卸載產(chǎn)生的快速和/或通常完全溫度變化(部分遠高于300°C )所導致。
[0006]其它要求由以下組成:
-線后端(back-end-of-line)兼容性。
[0007]此線后端兼容性定義為該過程在處理期間的兼容性。該接合過程因此必須設計成使一般由已經(jīng)存在于結構晶圓上的電導體及低k電介質組成的線后端結構在處理期間既不受負面影響也不會受損壞。兼容性標準主要包括機械及熱負載能力(主要對于熱應力及應力誘發(fā)空洞(SIV))。
[0008]-線前端(front-end-of-line)兼容性。
[0009]此線前端兼容性定義為該過程于制造電主動組件期間的兼容性。該接合過程因此必須設計成使已經(jīng)存在于結構晶圓上的主動組件(諸如晶體管)在處理期間既不受負面影響也不受損壞。兼容性標準主要包括某些化學元素(主要在CMOS結構中)的純度、機械及熱負載能力(主要對于熱應力)。
[0010]-低污染。
[0011]-不施加力，或施加盡量低的力。
[0012]-盡量低的溫度，尤其針對于具有不同熱膨脹系數(shù)的材料。
[0013]尤其當介于金屬導體之間的絕緣層是由所謂的“低k”材料制成時，接合力的減小導致更無損傷地處理結構晶圓且因而導致降低因直接機械負載所造成的故障概率。
[0014]目前的接合方法主要設計用于高壓及高溫。特別是避免高溫對于未來的半導體應用的熔接而言很重要，這是因為具有不同熱膨脹系數(shù)的不同材料在加熱和/或冷卻過程期間產(chǎn)生不可忽視的熱應力。另外，摻雜元素在溫度升高的擴散日益成為難題。所摻雜元素在摻雜過程之后不應離開預期的空間區(qū)域。否則，電路的物理特性將基本上改變。在最優(yōu)選情況中，這導致劣化，在最糟及最可能發(fā)生的情況中，會導致組件無法使用。特別是，存儲器由于熱過程期間電介質的降級及相關聯(lián)的儲存時間的縮短所致極易受影響。另一方面，存在其中3D技術的使用日益增加提高容量及性能的存儲器。
[0015]因此，本發(fā)明的任務是設計一種在同時盡量低的溫度和/或平均處理時間的情況下無損傷地制造具有盡量高的接合力的兩個襯底間永久接合的方法。
[0016]利用權利要求1及6的特征實現(xiàn)此任務。本發(fā)明的有利改進方案在從屬權利要求中給出。本說明書、權利要求書和/或附圖所提供特征中至少兩者的所有組合亦落在本發(fā)明的范圍中。在給定值范圍內，位于所指示邊界內的值亦將被認為是作為邊界值公開并且將以任何組合方式要求保護。
[0017]本發(fā)明的基本概念是至少在襯底之一上施加或建立具有微結構的材料的擴散接合層，該微結構具有盡量微細的晶粒，及因而具有盡量大的晶界表面。如本發(fā)明所主張，特別是，晶界以垂直于要接合的襯底表面為優(yōu)選。這是如本發(fā)明所主張經(jīng)由適宜地設定擴散接合層的層厚度實現(xiàn)，該層厚度構成晶粒的晶粒尺寸的限制準則。這兩個襯底可(然非必需)彼此進行預接合。還可行的是，在不形成預接合情況下簡單接觸。如本發(fā)明所主張，術語“反應”應理解為固體擴散。在第一和/或第二襯底上形成/施加一或多層擴散接合層之前和/或之后，一般而言，尤其以沖洗步驟進行該一個或多個襯底的清潔。此清潔一般應確保表面上不存在將產(chǎn)生非接合部位的顆粒。理想地，如本發(fā)明所主張的所有沉積和/或接合步驟皆發(fā)生在優(yōu)選填充惰性氣體、更優(yōu)選抽真空的封閉系統(tǒng)中以使可省略涂覆后的清潔步驟。
[0018]本發(fā)明的中心是至少在第一和第二襯底間接觸面上形成具有小于I Mm的與該接觸面或襯底表面平行的平均粒直徑H的擴散接合層。
[0019]如此形成且具有小平均粒直徑的該擴散接合層會產(chǎn)生導致較快速直接擴散于襯底間接觸表面上且因而能達成主要在低溫下的永久接合并且此外強化該接合并且提高接合速度的技術可能性。
[0020]后文中變形定義為表面和/或塊體的由于擴散所致的變化。
[0021]周期表中的所有元素(主要是金屬、半金屬、鑭系元素及錒系元素)可作為如本發(fā)明所主張用于擴散接合層的材料。
[0022]然而，本發(fā)明特別優(yōu)選是用于Cu-Cu接合。
[0023]可設想將半導體的以下混合形式作為襯底:
-1I1-V:GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、A1N、InN, AlxGa1^xAs, InxGa1^xN-1V-1V:SiC、SiGe,
-1I1-VI:InAlP,
-非線性光學器件 -LiNbO3' LiTaO3' KDP (KH2PO4)
-太陽能電池:CdS、CdSe, CdTe, CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2-導電氧化物:In2_xSnx03_y
如本發(fā)明所主張，若襯底的接觸在施加擴散接合層之后盡量接近同時(尤其在2小時內、優(yōu)選在30分鐘內、甚至更優(yōu)選在10分鐘內、理想地在5分鐘內)發(fā)生則極為有利。通過此措施將可能的不期望反應(諸如，金屬擴散接合層或襯底表面的氧化)減少至最低。
[0024]還可在實際接合過程之前進行氧化物的移除。氧化物可例如經(jīng)由濕化學方法或以對應還原氣體移除。可采用針對于氧化物還原的任何已知化學和/或物理方法。
[0025]如本發(fā)明所主張，可設置該裝置，以在接觸面的接觸之前抑制金屬擴散接合層和/或襯底表面的該反應，尤其是經(jīng)由鈍化襯底的表面，優(yōu)選經(jīng)由暴露于N2、合成氣體或惰性氛圍或在真空下，或經(jīng)由非晶化。在此方面，已證實以包含合成氣體(尤其大致上由合成氣體組成)的等離子體進行處理是特別適宜。其中合成氣體定義為含有至少2%、更優(yōu)選4%、理想地10%或15%氫氣的氣體。該混合物的其余部分由諸如(例如)氮氣或氬氣的惰性氣體所組成。優(yōu)選地，具有惰性氛圍或真空氛圍的系統(tǒng)可實現(xiàn)作為其中襯底自處理腔室至下一處理腔室的轉移是藉助可將襯底完全轉移于受控可調氛圍(尤其是真空氛圍)中的襯底處理系統(tǒng)進行的系統(tǒng)。該系統(tǒng)為本領域技術人員所熟知。
[0026]擴散接合層是依以下方法中的一或多種方法施加:
-CVD，尤其是 PECVD、LPCVD、MOCVD 或 ALD
-PVD,尤其是濺射或氣相沉積 _嘉晶法，尤其是MBE、ALE -電化學沉積過程 -無電流沉積過程
因此本發(fā)明通過利用最上層(擴散接合層)的微結構特性的方式解決更優(yōu)選地熔接已使的彼此接觸的兩個經(jīng)涂覆襯底的表面的難題。本發(fā)明因而涉及一種用于經(jīng)由化學和/或物理過程適宜地沉積薄層而調整最上沉積層的微結構以使其粒界面盡量地大的方法或方式。優(yōu)選地，該晶界通常可垂直于襯底表面延伸。
[0027]如本發(fā)明所主張小的晶粒尺寸會獲得極顯著增加的晶界表面且因而獲得相應較大的擴散通道；在接合期間此可促進兩個材料層的熔接。本發(fā)明所主張的概念因此是由經(jīng)由增加晶界表面來增加沿著晶界擴散的原子的流動組成。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的另一有利實施例規(guī)定，永久接合的形成是在介于室溫和400°C之間、尤其介于室溫和300°C之間、優(yōu)選介于室溫和200°C之間、甚至更優(yōu)選介于室溫和100°C之間的溫度下尤其于最大12天、優(yōu)選最大I天、甚至更優(yōu)選最大I小時、最佳最大15分鐘期間發(fā)生。
[0029]其中，若不可逆接合具有大于1.5 J/m2、尤其大于2 J/m2、優(yōu)選大于2.5 J/m2的接合強度則極為有利?？衫缋盟^的Maszara測試來測定接合強度。
[0030]接合強度可尤其通過下列方式有利地增加，使得這兩個襯底具有具有如本發(fā)明所主張的極小晶粒尺寸及因而具有極大晶界表面的擴散接合層。由此可實現(xiàn)沿兩個方向擴散流動的增加，該增加相應有助于接合過程。
[0031]若在施加/形成功能層之前尤其經(jīng)由介于10和600 kHz之間的活化頻率和/或介于0.075和0.2瓦/cm2之間的功率密度和/或經(jīng)由施加介于0.1和0.6毫巴之間的壓力進行襯底表面的等離子體活化，會引起額外效應(諸如接觸表面的平滑化)。其中，壓力的施加理解為工作氛圍在等離子體活化期間的壓力。
[0032]若在介于0.1 MPa和10 MPa之間的壓力下擠壓該襯底，可達成最優(yōu)選結果。優(yōu)選地，壓力介于0.1和10 MPa之間，又更優(yōu)選地，介于0.1和I MPa之間，最優(yōu)選地，介于0.1及0.3 MPa之間。該壓力