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簡化銅-銅鍵結(jié)的制作方法

文檔序號:5269965閱讀:336來源:國知局
專利名稱:簡化銅-銅鍵結(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明相關(guān)于金屬-金屬鍵結(jié),更特別是簡化銅-銅鍵結(jié),其可特別地使用在微電子裝置的制造。
背景技術(shù)
微電子裝置中三維一體化允許裝置的尺寸減少,其耗電量減少,増加傳輸速率、性能、以及操作頻率等等。三維一體化特別包含透過堆棧對齊、薄化及垂直互連的鍵結(jié)步驟。使用直通娃晶穿孔(Through Silicon Via, TSV)技術(shù),其是由制造透過娃晶的連接洞組成。然而,為了得到高互連密度與簡化技木,最好是由金屬-金屬直接鍵結(jié)。銅是特別制造連接墊的金屬的其中ー種。存在著不同方法以達(dá)成銅-銅直接鍵結(jié)藉由熱壓縮或在超真空下,該表面通過氬等離子體而激活。以這些方法,其可能得到好的結(jié)果,然而其需要在超真空下準(zhǔn)備所述表面,或是在高溫下進(jìn)行鍵結(jié),或在ー特別的大氣下作業(yè)。施加壓カ可能傷害微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器。因此本發(fā)明的目的提供一種新穎的方法以直接銅-銅鍵結(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
前述的目的是通過銅-銅鍵結(jié)方法而達(dá)成,其包含在欲接觸的每ー表面上產(chǎn)生ー僅幾納米厚的富含氧的結(jié)晶銅層,并使這些表面放置以接觸的步驟,用以產(chǎn)生富含氧的結(jié)晶銅層的步驟包含拋光及清潔銅表面的步驟。發(fā)明人已出人意外地注意到存在銅表面上的富含氧的結(jié)晶銅層允許兩面被鍵結(jié)并可獲得導(dǎo)電部件。優(yōu)選地,根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)可在常溫常壓、露天、不需任何粘合劑、沒有任何特定壓カ及沒有退火下執(zhí)行。通過在室溫作業(yè),因為可避免晶圓間的曲率差,所以其可能改善欲鍵結(jié)的晶圓或由晶圓輸送的組件的校準(zhǔn)。為了著手鍵結(jié),預(yù)備作業(yè)可通過施加輕微壓カ在堆棧的邊緣而達(dá)成。根據(jù)本發(fā)明的方法,因為在鍵結(jié)中無壓カ存在所以可得到晶圓間的正確校準(zhǔn)。本發(fā)明的標(biāo)的是ー種用以鍵結(jié)第一銅元素在第二銅元素上的方法,包含至少A) ー步驟,透過元素的接觸將富含氧的結(jié)晶銅層形成在每ー第一元素與第二元素的每ー表面上,所有層的總厚度不超過6nm,B) ー步驟,放置富含氧的結(jié)晶銅層以彼此接觸,所述步驟A)包含a)至少ー步驟,用以拋光表面以得到均方根粗糙度小于lnm、以及親水性表面,b)至少ー步驟,用以為了抑制因拋光的存在粒子與腐蝕抑制劑的主要部分而清潔所述表面。
優(yōu)選地,均方根粗糙度小于0. 5nm。步驟B)優(yōu)選的是在室溫、常壓下并在空氣中發(fā)生。最好地,步驟B)在步驟b)后的兩小時內(nèi)發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)方法可包含用以施加一力在元素的其中之一,使富含氧的結(jié)晶銅層傾向彼此靠近以開始鍵結(jié)的步驟。施加的力優(yōu)選地發(fā)生在元素的其中之一的ー邊。銅元素的密集平面實質(zhì)上面向平行于鍵結(jié)表面。銅元素可包含基板、提供沉積在基板上的蝕刻劑的介質(zhì)層、覆蓋電介質(zhì)且填充介質(zhì)層的蝕刻劑的銅層,所述銅層包含蝕刻劑的步驟,其中步驟a)包含下列次步驟al)以一整平化學(xué)溶液將每一元素的銅層化學(xué)機(jī)械拋光,直到步驟(13)消失并實質(zhì)上得到平坦銅表面,a2)以ー相對于電介質(zhì)的ー選擇性非整平化學(xué)溶液將殘余銅層化學(xué)機(jī)械拋光,直到由蝕刻劑外的介質(zhì)層上的銅被完全移除,銅殘留在與電介質(zhì)相同的水平上或設(shè)置回到電介質(zhì)的表面;a3)以一整平化學(xué)溶液將電介質(zhì)化學(xué)機(jī)械拋光直到介電值的表面實質(zhì)上在墊的表面。該元素可包含位于電介質(zhì)與銅層間的擴(kuò)散阻絕層;在步驟a2)期間,銅層被拋光直到其消失在蝕刻劑外的擴(kuò)散阻絕層,而在步驟a3)期間,擴(kuò)散阻絕層在電介層前被拋光或取代電介層。根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)方法在步驟B)后可包含一額外退火步驟C)。第一元素以例如銅板或墊的形式與介電材料的表面齊平,且第ニ元素以銅板或墊的形式與介電材料表面齊平。本發(fā)明的標(biāo)的亦為ー種制造微電子裝置的方法,微電子裝置包含在氣密封腔中的機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其包含ー步驟,用以制造提供有通過形成封閉輪廓的第一銅墻所圍繞的機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的第一元素,所述第一墻的頂部是通過一平坦表面所形成,ー步驟,用以制造提供有第二墻的第二元素,其頂部是通過與第一元素的第一墻相似的形狀與尺寸的平坦表面所形成,第一墻與第二墻的高度總和大于機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度,一步驟,將透過元素的接觸拋光每第一元素與第二元素的墻的平坦表面,以得到均方根(RMS)粗糙度小于lnm,優(yōu)選地小于或等于均方根粗糙度0. 5nm,ー步驟,用以為了抑制因拋光存在的粒子與腐蝕抑制劑而清潔所述表面。ー步驟,用以接觸氧氣及用以形成富含氧的結(jié)晶銅層在每ー平坦表面上,所有層的總厚度小于6nm,—步驟,用以放置所有富含氧的結(jié)晶銅層彼此接觸以密封機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在由第一元素與第二元素和第一墻與第二墻界定的ー密閉腔。所述方法可包含用以控制藉此所形成的腔室中的大氣的步驟。接觸步驟優(yōu)選地在真空下執(zhí)行。


本發(fā)明將通過以下描述及附圖而更好的理解,其中圖1A-1E為根據(jù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)元素鍵結(jié)的本發(fā)明的方法的不同步驟的示意圖。圖2為在退火前通過根據(jù)本發(fā)明的方法所獲得的鍵結(jié)界面的照片,
圖3是根據(jù)本發(fā)明相對于退火溫度。C,本發(fā)明銅板-銅板鍵結(jié)與本發(fā)明以ニ氧化硅(SiO2)板和銅板的鍵結(jié)的鍵結(jié)能量J/m2的變化的圖例,圖4是在退火30分鐘后本發(fā)明的銅-銅鍵結(jié)、以及在退火兩小時后ニ氧化硅-ニ氧化硅鍵結(jié)中隨溫度變化的鍵結(jié)能量J/m2的圖例,圖5A是通過根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)方法所得到銅-銅連接中的電壓(以毫伏為單位)對強(qiáng)度(以毫安為單位)的變化且用以檢測此連接的電阻(以毫歐姆為單位),圖5B是用以測量圖5A所示的相關(guān)連接的上視圖,圖6A及圖6B是在退火后根據(jù)本發(fā)明所得的鍵結(jié)界面的變化的示意圖,圖7是通過本發(fā)明的方法所封裝的微電子機(jī)械系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法包含實現(xiàn)銅元素間的分子鍵結(jié)。這些元素可為銅板、銅層或連接墊,其中一表面是與為絕緣材料的基板齊平。或進(jìn)一歩的,其一元素可為銅板及ー組墊的其它元素,其一表面與絕緣基板齊平。分子鍵結(jié)被理解為通過分子附著于兩彼此粘緊未使用任何粘著劑的平坦表面中間。在圖IA中,可看到欲鍵結(jié)的兩元素2、4其中一個的示意圖。在所示實施例中,所有元素是對稱的,如同在圖IE看到的;只有ー個將被詳細(xì)描述。元素2包含基板6,例如在娃中覆蓋著ー層電介質(zhì)材料8,例如在ニ氧化娃以及銅墊10中被作為介電層8。在圖IA中,其對應(yīng)至拋光前的元素,銅層12沉積在介電層8上且用于填充墊上的凹陷區(qū)。在所示實施例中,形成例如氮化鈦(TiN)擴(kuò)散阻絕層的附加層9在沉積銅層12前沉積在介電層8上。元素4包含墊14 (圖1E)。根據(jù)本發(fā)明的方法的目的是為了組合元素2與元素4,更具體地鍵結(jié)墊14于墊10上方。根據(jù)本發(fā)明的方法包含步驟A),透過元素的接觸將富含氧的結(jié)晶銅層形成在每ー第一元素與第二元素中的每ー表面上,所有層的總厚度不超過6nm,以及步驟B),在常溫常壓下透過所述平面放置以接觸包含親水分子表面鍵結(jié)兩元素。步驟A)包含a) ー步驟,用以拋光元素2、4以釋放提供有墊10、14的表面,其10. I、14. I的自由面具有均方根粗糙度小于lnm,優(yōu)選地均方根粗糙度小于或等于0. 5nm,b) ー步驟,為了用抑制因拋光的粒子存在以清潔所述表面10. 1,14. I。在此步驟的終止吋,自由面10. I、14. I有親水的特性。舉例來說,在每ー墊10、14上方的富含氧的結(jié)晶銅層的厚度是在ー單層的厚度間,也就是說在I埃以上至約3nm的等級中。通過富含氧的結(jié)晶銅層意謂著包含氧氣的結(jié)晶銅層,氧氣的范圍可從吸附層至化學(xué)當(dāng)量的銅氧化物(stoichiometric copper oxide)。在本應(yīng)用中,若是接觸角包括0°至20°之間,可能的話最好是越小,而表面則視作親水的。不同的步驟將在以下的敘述中詳細(xì)描述。為了進(jìn)行銅墊間的鍵結(jié),須尋求以獲得提供非常好的平坦度的表面10. 1,14. 1,因此在他們的接觸其間,表面間的接觸是實質(zhì)上完美的。為此,其設(shè)法獲得使均方根(RootMean Square value)粗糙度小于lnm,優(yōu)選地均方根粗糙度小于0. 5nm。以下為拋光的實施例,但是后者并無受限,任何其它可達(dá)成均方根粗糙度小于Inm的方法都可被使用。拋光步驟a)允許從圖IA中的結(jié)構(gòu)沿續(xù)至圖ID中的結(jié)構(gòu)。 我們應(yīng)該僅描述元素2的拋光,元素4的拋光以類似的方式進(jìn)行?;瘜W(xué)機(jī)械拋光或CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)是為了沉積銅層12在基板6上后平坦化所得的圖樣而進(jìn)行。圖IA至圖ID說明在不同拋光步驟期間元素2的不同情況。圖I說明在沉積銅層12后且在開始拋光前的元素2。電介質(zhì)8被蝕刻且包含蝕刻劑11。在所示實施例中,電介質(zhì)8以擴(kuò)散阻絕層9覆蓋,例如氮化鈦。銅層12包含形成在蝕刻劑11的步驟的凹陷區(qū)域13。在第一拋光步驟a)中,銅層為了達(dá)成圖IB的構(gòu)造而被平坦化,且凹陷區(qū)域13已消失。為此,化學(xué)機(jī)械拋光以平坦化學(xué)產(chǎn)品所執(zhí)行。當(dāng)在沉積材料在結(jié)構(gòu)上后,允許其減少步驟時,化學(xué)產(chǎn)品或拋光衆(zhòng)如所述被《平坦化(flattening)》。殘余的銅厚度在50nm至200nm之間。在圖IB中,層12實質(zhì)上是平面的。接續(xù),在步驟a2)中為了移除蝕刻劑外的擴(kuò)散阻絕層上的銅層而進(jìn)行拋光,直到蝕刻中的銅從元素4的表面凹陷。為此,化學(xué)機(jī)械拋光以非平坦與選擇性拋光漿在擴(kuò)散阻絕層或電介質(zhì)上進(jìn)行,也就是說,其蝕刻銅但非阻隔層或電介質(zhì)。通過拋光漿的選擇,在蝕刻劑中的銅實質(zhì)上是平坦的且其以均勻的方式從元素4的表面凹陷,也就是說,從擴(kuò)散阻絕層凹陷。沒有發(fā)生不良的外貌。此取得不管怎樣的蝕刻的尺寸。獲得圖IC的結(jié)構(gòu)。此凹陷可能通過拋光參數(shù)例如由拋光巾上的板施加的壓カ或拋光時間而調(diào)整。此凹陷亦可依拋光化學(xué)溶液及尤其是復(fù)合劑及/或腐蝕抑制劑而調(diào)整。然而,其也可能具有拋光阻隔層且在電介質(zhì)上選擇性中止。在下ー步驟a3)中,擴(kuò)散阻絕層與可能電介質(zhì)的凹陷是為了實質(zhì)上帯來在銅墊10的表面上阻隔層或電介質(zhì)的表面而執(zhí)行,大于或小于5nm的缺ロ存在著,其是位于墊與阻隔層或電介質(zhì)的表面。為此,化學(xué)機(jī)械拋光以平坦拋光漿執(zhí)行。在此步驟,銅、電介質(zhì)與阻隔層以不同速率拋光。這些速率將隨通過考慮到欲拋光的物質(zhì)的拋光漿成分、晶圓的腔體寬度與密度、以及原定的最終形貌而調(diào)整。當(dāng)銅墊的表面由阻隔層的表面或由電介質(zhì)的表面凹陷時,為了改善因銅擴(kuò)張的銅墊表面間的接觸,我們可以有利的方式在表面接觸后而執(zhí)行熱處理。我們現(xiàn)在應(yīng)對此方法更詳細(xì)描述,其執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光以達(dá)成本發(fā)明。欲拋光元素2的表面依據(jù)欲拋光材料的天然特性(孔的硬度、壓縮、形狀和尺寸及圖樣…)擦上了一個稱為“墊”的拋光巾,其由粘彈性多孔聚氨酯(viscoelastic porouspolyurethane)所組成。在元素2表面的材質(zhì)通過拋光巾及/或含粒子的溶液的化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械作用而移除,含粒子的溶液稱為“拋光漿”(在酸性或堿性化學(xué)溶液中具有懸浮顆粒)。這些拋光漿可由納米尺寸的粒子在液體溶液(膠體溶液、膠狀微粒、蘭米爾-布洛杰特膜(Langmuir-Blodgett films)等)中所組成。拋光是通過幾個作用組合完成-機(jī)械作用,其是通過摩擦拋光巾及/或表面上拋光漿中的粒子。材料的移除速率是根據(jù)以下方程序通過普雷斯頓(Preston)所提出RR = KpXPXV[l]其中 RR(移除速率)給定的點(diǎn)(以nm/min為單位)的移除速率,Kp =普雷斯頓常數(shù)(Preston constant),其考慮到材料、拋光巾、磨料的種類、溫度…的特性,P =施加壓カ(以牛頓為單位),V =相對于拋光巾的晶圓的一點(diǎn)的線速度(以m/s為單位),-化學(xué)作用;在拋光中,對銅與電介質(zhì)材料拋光是理想的。拋光漿因此調(diào)整以在銅與電介質(zhì)材料上具有化學(xué)作用。對于銅而言,化學(xué)作用通常地抑制以酸及/或允許反應(yīng)的氧化劑蝕刻在欲拋光表面上作用。一般來說,拋光漿通過化學(xué)金屬-蝕刻劑、氧化劑(一般為過氧化氫)、添加酸堿值穩(wěn)定劑的酸性或堿性溶液的拋光衆(zhòng)與腐蝕抑制劑(corrosion inhibitor)的存在而形成。化學(xué)溶液將通過形成金屬氧化物于其表面鈍化(Kl)所述材料,其將通過拋光巾及通過拋光漿的可能粒子被機(jī)械地移除(K2)。接著,化學(xué)溶液將形成氧化銅(CuOx)。
Cu + OX^^CuOX*^^CuOX此化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)與加速拋光機(jī)制。其它化學(xué)反應(yīng)可能通過可溶性金屬離子、銅/銅或銅/銅離子(copper/Cu2+)的形成而產(chǎn)生并通過拋光漿的拋光巾及/或粒子從欲拋光表面而移除。對于電介質(zhì)材料,逐漸使用的拋光漿是水溶夜。對于電介質(zhì)的拋光,例如硅氧化物,水具有十分重要的意義。牽涉兩種化學(xué)反應(yīng)。首先,為了形成水合表面(hydrated surface),水因壓カ影響而滲透且破壞某些硅氧化物的硅-氧鍵(Si-0 bonds)。鍵結(jié)(硅-氧-硅(Si-O-Si))的分離通過水?dāng)U散進(jìn)入娃(silica)而控制。當(dāng)以下可逆的水合反應(yīng)(聚合(polymerization))發(fā)生,就達(dá)成了
拋光
(SiO2)X + 2H20 ^ (SiO2)x-I + Si(OH)4可能以逆向發(fā)生,亦即以水合的方向(解聚合作用(depolymerization)),在以下由GC施瓦茨(GC Schwarz)所著的書中特別描述,"半導(dǎo)體互連技術(shù)手冊' (Handbook ofsemiconductor Interconnection 1'echno丄ogy) ' 。接著,相對于硅晶圓的拋光巾移動允許拋光漿粒子由表面移除從而帶走材料表面的原子。
為了同時在銅與電介質(zhì)材料進(jìn)行化學(xué)蝕刻,水溶液可被使用,通過在去離子水中溶解作用而得到-一或兩種錯合劑(complexing agents)或用以金屬及可能金屬化合物(甘氨酸(glycine)、氨(NH3)、こニ胺四こ酸(EDTA)等)的化學(xué)蝕刻劑,其可使增加銅的拋光速率,-銅防腐蝕抑制劑(苯并三氮唑(benzotriazole,BTA)、三唑(triazole,TA)…)、鈍化銅膜的作用劑,特別是在欲平坦化的低下區(qū)減低拋光速度。通常使用兩種抑制劑,-用以穩(wěn)定酸堿值的表面活性剤,改善對所使用的其它材料使用的銅拋光選擇性…。-氧化劑(過氧化氫、碘酸鉀(KIO3)、輕胺(hydroxylamine)等…),其根據(jù)酸堿值及/或其濃度,也可通過不溶性銅氧化物或氫化物形成銅的鈍化,或通過溶解在水溶液中 的金屬離子腐蝕,-陽離子或陰離子的膠體粒子,其具有包含酸堿值I和12之間,優(yōu)選地其為了獲得穩(wěn)定的懸浮粒子而添加。這些粒子可以是像純的娃、碳、氧化鋪(cerium oxide)、招或聚合物?;玖W拥某叽鐚⑼ㄟ^選定的溶解方法檢測。其可能在3納米至300納米間變化。水溶液中粒子的質(zhì)量百分比可能包括在幾個百萬分之一(PPm)至50%之間。如一例子所示,可使用以下水溶液給步驟al),可使用卡柏特微電子材料公司(Cabot MicroelectronicsCorporation, CMC)所販賣的拋光衆(zhòng)EPL2361、或杜邦公司航空產(chǎn)品納米材料公司(DupontAir Product Nanomaterials L. L. C, DANM)的銅拋光衆(zhòng) CoppeReady .⑧ CU3900,給步驟a2),可使用杜邦公司航空產(chǎn)品納米材料公司的拋光漿DP510或羅門&哈斯(Rohm & Haas)的RL3000,或日立(Hitachi)的HS-C930-3,或卡柏特微電子材料公司的C7092,給步驟a3),可使用羅門&哈斯的拋光漿CuS-1351,或卡柏特微電子材料公司的B8500,或杜邦公司航空產(chǎn)品納米材料公司的DP6545,或日立的T815,或富士美公司(Fujimi Corporation)的 FCB-837。拋光巾的使用特點(diǎn)特別地在有或無擴(kuò)散阻絕層或粘著層下取決于蝕刻在絕緣材料中和填充銅的腔體尺寸。如一例子所示,腔體的寬度大于10微米,所謂聚氨酯中平坦拋光巾的硬度特性歸類為從50至70間的《邵氏硬度D(Shore D))),密度在60mg/cm3至90mg/cm3間,可壓縮率小于4%,例如羅門&哈斯的IC1000,或卡柏特微電子材料公司的D100。若腔體小于10微米,例如所謂的中型拋光巾可作選擇,其硬度歸類為從50至70間《邵氏硬度A》,密度在20mg/cm3至40mg/cm3間,可壓縮率在10%至25%之間,在此應(yīng)用中,例如羅門&哈斯的Suba IV。若腔體的等級為I微米,某些韌性材料有被粒子刮傷的風(fēng)險,所謂的精加工拋光巾是首選,其硬度歸類為從50至80間的《邵氏硬度A》,密度小于20mg/cm3,可壓縮率>30%,例如羅門&哈斯的P0LITEX⑧,或富士寶(Fujibo⑧)品牌的拋光巾。元素以例如標(biāo)準(zhǔn)拋光機(jī)測試,例如美國應(yīng)用材料公司(Applied Materials USA)的型號Mirra或Reflexion,法國Alpsitec公司的Megapol M550或日本甚原制作所的FREX。
拋光參數(shù)是在基板上施加0. 02daN/cm2至IdaN/cm2間的壓力,相對于拋光巾一點(diǎn)的基板一點(diǎn)的速度在0. lm/s至3m/s之間,基板由Imm至450mm改變下水溶液的流速在5和300ml之間,溫度在2°C至70°C之間。優(yōu)先地,上述應(yīng)用的情況為0. IdaN/cm2,速度Im/s,于基板200mm溫度52 °C下水溶液流速150ml。在步驟b)中,欲放置以接觸的所有元素,更特別是兩元素的表面,為了抑制仍可能存在后續(xù)拋光的殘余顆粒和銅腐蝕抑制劑而沖洗。進(jìn)行清洗,例如通過堿性溶液的方法。藉此而形成的表面具有較強(qiáng)的親水特性。在步驟b)后,欲放置以接觸彼此的元素的每ー表面包含富含氧的結(jié)晶銅層。富含氧的結(jié)晶銅層目前為墊的自由面14. I、16. I。此層通過將自由面放置接觸氧化環(huán)境而形成。在放置以接觸前消耗的時間在此步驟下受控制,因此在放置以接觸每面中,通過由每一元素所承載的兩層而形成的富含氧的結(jié)晶銅層總厚度小于6納米。舉例來說,厚度 在I埃(也就是說ー單層的等級)至3納米間的氧化層設(shè)法在每ー墊上獲得。清洗結(jié)束與放置以接觸最大時間優(yōu)選為兩小吋。超過這個時間,自由面將不再具有親水特性。為了使其合適鍵結(jié)而可能再次準(zhǔn)備表面。為此,當(dāng)確定表面的粗糙度沒有增加時,富含氧的銅層通過等離子(plasma)的方法移除。接著,在此表面以準(zhǔn)備進(jìn)行形成富含氧的結(jié)晶銅的新步驟。最好的,其為氦/氫等離子(He/H2 plasma),其具有只蝕刻富含氧的銅層且不改變銅層粗糙度的優(yōu)點(diǎn)。類似的等離子作用例如Jae Y. Kim等人在2003年出刊的美國化學(xué)學(xué)會雜志(Journal of the American Chemical Society)中第 10684 至 10692 頁中描述的“以氫氣減少氧化銅及氧化亞銅亞氧化的形成對嵌入和動力學(xué)的影響”(“Reduction of CuOand CUoO with H2 Embedding and Kinetic Effects in the Formation of Suooxides”,Jae Y. Kim et al. , in JACS 2003, pages 10684-10692)。在此步驟的最后,每個元素,更特別的是墊10. 1,14. I的自由面,為了達(dá)成分子鍵結(jié)而準(zhǔn)備放置以彼此接觸。表面10. 114. I放置以接觸,一元素的墊的每一表面14. I與其它元素的墊的表面
10.I對齊。所述接觸有利于在室溫及在室溫和的大氣壓力下和大氣壓力的空氣下進(jìn)行。通過簡單地將其放置以接觸,其可能得到兩個面的鍵結(jié)。接著,可獲得在第一元素與第二元素間具有良好導(dǎo)電性與良好機(jī)械強(qiáng)度的部件。為了開始鍵結(jié)的初始化,可通過施加輕微壓力在部件的一端而準(zhǔn)備。這個カ在一開始的時候施加且在整個鍵結(jié)過程中不需要被維持。這個輕微壓カ使兩表面更靠近并加速鍵結(jié)。舉例來說,8英寸表面的鍵結(jié)可有效的減少一分鐘。此壓カ優(yōu)選地施加于上部晶圓的邊緣一點(diǎn),其可避免兩擴(kuò)散發(fā)生及當(dāng)兩擴(kuò)散彼此碰到時非鍵結(jié)區(qū)域的發(fā)生風(fēng)險。從而所形成部件的退火可被進(jìn)行。富含氧的結(jié)晶銅層《溶解(dissolve)》,氧被群組為ー個《島(islet)》在例如每100納米的界面缺陷處較佳,舉例來說,界面缺陷處接近通過空孔遷移所誘導(dǎo)的腔體或接近粗糙度殘余體。這些腔體不影響導(dǎo)電性或是機(jī)械強(qiáng)度。除了腔體以外,得到銅-銅接觸。
為了對元素施加確定的銅晶體方向可能先準(zhǔn)備。舉例來說,可選擇平行于界面的密集平面,也就是朝向平行于鍵結(jié)界面的(111)平面。其可觀察銅氧化物(copper oxide)的氧限制于界面且不擴(kuò)散至銅元素。通過本發(fā)明的方法,兩銅元素的鍵結(jié)以非常簡單且有效的方法完成。在圖2中,根據(jù)本發(fā)明銅-銅鍵結(jié)界面的照片可在退火前觀察,右手邊的比例尺表示富含氧的結(jié)晶銅層的總厚度。在圖3中,說明相對于以で為單位的退火溫度與以J/m2為單位的兩元素間的鍵結(jié)能量變化,退火時間為30分鐘,實線曲線說明根據(jù)本發(fā)明中(銅晶圓)_(銅晶圓)鍵結(jié)((copper wafer)-(copper wafer)bonding)的鍵結(jié)能量變化與時間的相依性,虛線曲線說明銅晶圓-ニ氧化娃的鍵結(jié)能量變化與溫度的相依性。通過雙懸臂梁(Double CantileverBeam, DCB)與聲波成像進(jìn)行量測。據(jù)悉,根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)相對于退火溫度甚至在沒有退
火溫度(于25°C )下提供了較大的鍵結(jié)能量。圖4說明以J/m2為單位的兩固態(tài)晶圓元素間的鍵結(jié)能量相對于通過雙懸臂梁與通過聲波成像測定以で為單位的退火溫度,細(xì)線曲線說明在退火2小時后根據(jù)本發(fā)明銅-銅鍵結(jié)的鍵結(jié)能量的變化與時間的相依性,粗線曲線說明在2小時退火后ニ氧化硅-ニ氧化硅鍵結(jié)的鍵結(jié)能量變化與溫度的相依性。據(jù)悉,無論退火的溫度,根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)提供了較大的鍵結(jié)能量。虛線曲線說明根據(jù)本發(fā)明銅-銅鍵結(jié)的鍵結(jié)能量變化與溫度的相依性,其通過所謂的《四點(diǎn)彎曲(Four Point Bending)》法量測。超過100°C退火,鍵結(jié)能量測量起來太大。圖5A說明以mV為單位的電壓變化對于以mA為單位的電流流經(jīng)通過鍵結(jié)根據(jù)如圖5B中所示的本發(fā)明而獲得的銅-銅連接20。銅-銅接觸面積為lOOym2。所述連接受到在200°C下30分鐘退火。三角形說明此連接以為單位的電阻。此連接的阻抗為9. 8mQ,其對應(yīng)特定0.98Q. Um2接觸的導(dǎo)電性。由此看出,根據(jù)本發(fā)明的銅-銅連接提供了非常良好的導(dǎo)電性。根據(jù)本發(fā)明的方法提供適用于晶圓-晶圓鍵結(jié)或芯片-晶圓(chip-wafer)鍵結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的方法在室溫下進(jìn)行時,可能達(dá)到植入式晶圓上鍵結(jié)。如前所述,由此形成的部件可進(jìn)行退火步驟;此退火對兩元素I、II間的鍵結(jié)界面影響可在圖6A與圖6B中觀察。元素I、II兩者都具有小顆粒28。在根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)后,退火施加于兩已鍵結(jié)的元素I、II’,形成元素
III。復(fù)位發(fā)生,造成在兩已鍵結(jié)的元素I、II中大顆粒30形成與鍵結(jié)界面的《消失(disappearance) hu因為鍵結(jié)界面的消失,這為大顆粒均勻的復(fù)位改善了部件的機(jī)械強(qiáng)度與兩元素I、II間的導(dǎo)電性舉例來說,以至少IOnm寬度的線量測。復(fù)位退火溫度取決于制造銅線的加工基板,退火溫度包含200°C至400°C間。退火的持續(xù)時間取決于退火溫度,溫度越高,退火時間可能減少。根據(jù)本發(fā)明的鍵結(jié)方法優(yōu)選的允許機(jī)電微系統(tǒng)或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、致動器或傳感器在密封腔中的封裝以封鎖氣體與濕氣,因此如實施例限制其時效或増加了測量的可靠性。根據(jù)本發(fā)明與如圖7所示,制得第一元素I’其上形成有微機(jī)電系統(tǒng)18且制得第ニ兀素II’以第一兀素界定ー氣密封腔20,微機(jī)電系統(tǒng)18封裝其中。為此,第一元素I’包含環(huán)繞微機(jī)電系統(tǒng)18的第一墻22以便形成環(huán)繞微機(jī)電系統(tǒng)18的密閉結(jié)構(gòu)。第一墻例如有王冠的形狀。第一墻22包含第一元素I’接觸的內(nèi)側(cè)面
22.I、外側(cè)面22. 2與底部22. 3以及頂部22. 4,頂部22. 4形成一平坦表面。第二元素II’包含形狀與尺寸相似于第ー墻22的第二銅墻24,其包含形成平坦表面的頂部26。
第一墻與第二墻的總高度大于等于微機(jī)電系統(tǒng)18的高度,以避免在微機(jī)電系統(tǒng)18與腔體的墻間的機(jī)械相互作用(mechanical interaction)。平坦表面22. 426根據(jù)步驟a)、b)及c)準(zhǔn)備,然后根據(jù)步驟d)放置以彼此接觸。接著得到單一封閉墻28,定義元素I’,II’的密閉腔。如先前所述,在室溫且在大氣壓カ下的可得到銅-銅直接鍵結(jié)。因此沒有損傷微機(jī)電系統(tǒng)的風(fēng)險。控制腔體內(nèi)的空氣是理想的,例如具有任何化學(xué)反應(yīng)可被避免且腔體可以更多或少的以高度真空被密封的中性氣體。腔體中的真空可在鍵結(jié)后被施加,或優(yōu)選地在步驟d)的接觸下進(jìn)行真空,其可簡化密封方法。無論是從機(jī)械的觀點(diǎn)或是從密封的觀點(diǎn),所得到的封閉具有非常好的質(zhì)量。進(jìn)ー步地,墻28是具導(dǎo)電性,其允許如同圖6中透過接觸30供電給微機(jī)電系統(tǒng)。墻22、24通過標(biāo)準(zhǔn)微電子方法而制造。此封裝方法特別地優(yōu)選于審視其它此技藝中所發(fā)表的方法。事實上,在《薄層包裝(thin layer packaging)》中所了解的合適的表面處理技術(shù)并未給出在腔體中得到非常好的真空或控制的氣體的可能性。通過圍繞微系統(tǒng)(《晶圓級包裝(waferlevel-packaging)》)的密封轉(zhuǎn)換ー覆蓋物所組成的技術(shù)需要高分子粘合劑,其具有很差的氣密性效能。通過根據(jù)本發(fā)明的方法,可達(dá)成在大氣壓力及室溫下兩銅元素間的鍵結(jié)。此鍵結(jié)具有極好的機(jī)械強(qiáng)度和非常好的導(dǎo)電性。
權(quán)利要求
1.ー種用以鍵結(jié)第一銅元素于第二銅元素上的方法,其特征在于,至少包含 A)—步驟,透過元素的接觸將一富含氧的結(jié)晶銅層形成在每ー第一元素與第二元素的每ー表面上,所有層的總厚度小于6nm, B)ー步驟,放置所述富含氧的結(jié)晶銅層以彼此接觸, 所述步驟A)包含 a)至少ー步驟,用以拋光所述表面以得到均方根粗糙度小于Inm及親水性表面, b)至少ー步驟,用以為了抑制因拋光的存在粒子與腐蝕抑制劑的主要部分而清潔所述表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,所述均方根粗糙度小于0.5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,步驟B)在室溫、大氣壓力與在空氣中發(fā)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,步驟B)在步驟b)后的兩小時內(nèi)發(fā)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,包含施加一力于所述元素的其中之一,使所述富含氧的結(jié)晶銅層傾向于彼此靠近以開始鍵結(jié)的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,施加的力只發(fā)生在所述元素其中之一的一邊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,所述銅元素中的密集平面實質(zhì)上面向平行于鍵結(jié)表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至7任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,所述銅元素包含一基板(6)、提供沉積在基板(6)上的蝕刻劑(11)的介質(zhì)層(8)、覆蓋電介質(zhì)(8)且填充介質(zhì)層(8)的蝕刻劑(11)的ー銅層(12),所述銅層(12)包含蝕刻劑(11)的步驟(13),其中步驟a)包含下列次步驟 al)以一整平化學(xué)溶液將每一元素的所述銅層(12)化學(xué)機(jī)械拋光,直到步驟(13)消失并實質(zhì)上得到平坦銅表面, a2)以ー相對于電介質(zhì)的ー選擇性非整平化學(xué)溶液將殘余銅層化學(xué)機(jī)械拋光,直到自蝕刻劑(11)分離的介質(zhì)層(8)上的銅完全移除,所述銅殘留在與所述電介質(zhì)相同的水平上或設(shè)置回到所述電介質(zhì)的表面, a3)以一整平化學(xué)溶液將所述電介質(zhì)化學(xué)機(jī)械拋光直到所述電介質(zhì)的表面實質(zhì)上在墊的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的拋光方法,其特征在于,所述元素包含位于電介質(zhì)(8)與銅層(12)間的ー擴(kuò)散阻絕層,在步驟a2)期間,所述銅層被拋光直到其消失在自蝕刻劑分離的所述擴(kuò)散阻絕層,而在步驟第a3)期間,所述擴(kuò)散阻絕層在所述電介層前被拋光或取代所述電介層。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,在步驟B)后包含ー額外退火步驟C)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至10任一項所述的鍵結(jié)方法,其特征在于,所述第一元素是以銅板或墊的形式與一介電材料的表面齊平,且所述第二元素是以銅板或墊的形式與一介電材料表面齊平。
12.一種制造微電子裝置的方法,微電子裝置包含在ー氣密封腔中的一機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其特征在于,其包含 ー步驟,用以制造提供通過形成一封閉輪廓的第一銅墻所圍繞的一機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一第一元素,所述第一墻的頂部是通過一平坦表面所形成, ー步驟,用以制造提供一第二墻的第二元素,其頂部是通過與第一元素的第一墻相似的形狀與尺寸的一平坦表面所形成,所述第一墻與所述第二墻的高度總和大于所述機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度, 一步驟,將透過元素的接觸拋光每ー第一元素與第二元素的墻的平坦表面,以得到均方根粗糙度小于lnm,優(yōu)選地小于或等于均方根粗糙度0. 5nm, ー步驟,用以為了抑制因拋光存在的粒子與腐蝕抑制劑而清潔所述表面, 一步驟,用以接觸氧氣及用以形成一富含氧的結(jié)晶銅層在每ー平坦表面上,所有層的總厚度小于6nm, ー步驟,用以放置所有所述富含氧的結(jié)晶銅層彼此接觸以密封機(jī)電微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在由所述第一元素與所述第二元素和所述第一墻與第二墻界定的ー密閉腔。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造方法,其特征在于,包含用以控制藉此所形成的腔室中的大氣的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造方法,其特征在于,接觸步驟在真空下執(zhí)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用以鍵結(jié)第一銅元素于第二銅元素上的方法,包含一步驟,其透過元素的接觸形成富含氧的一結(jié)晶銅層在每一第一元素與一第二元素的每一表面上,所有層的總厚度小于6nm,所述步驟包含a)至少一步驟,用以拋光表面以得到均方根粗糙度小于1nm及親水性表面,b)至少一步驟,為了抑制因拋光的存在粒子與腐蝕抑制劑的主要部分而清潔所述表面,c)至少一步驟,用以放置所有富含氧的結(jié)晶銅層以彼此接觸。
文檔編號B81C1/00GK102656110SQ201080029761
公開日2012年9月5日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者李·迪喬吉?dú)W, 皮艾瑞克·葛廣, 莫瑞斯·利佛依 申請人:法國原子能與替代能委員會
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