三維集成電路結(jié)構(gòu)和用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了三維集成電路(3DIC)結(jié)構(gòu)和用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法。3DIC結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體器件，在第一半導(dǎo)體器件頂面上的第一絕緣材料內(nèi)設(shè)置有第一導(dǎo)電焊盤，在第一導(dǎo)電焊盤的頂面上具有第一凹槽。3DIC結(jié)構(gòu)包括連接至第一半導(dǎo)體器件的第二半導(dǎo)體器件，在第二半導(dǎo)體器件頂面上的第二絕緣材料內(nèi)設(shè)置有第二導(dǎo)電焊盤，在第二導(dǎo)電焊盤的頂面上具有第二凹槽。密封層設(shè)置在位于第一凹槽中的第一導(dǎo)電焊盤和位于第二凹槽中的第二導(dǎo)電焊盤之間。密封層將第一導(dǎo)電焊盤接合至第二導(dǎo)電焊盤。第一絕緣材料接合至第二絕緣材料。
【專利說明】三維集成電路結(jié)構(gòu)和用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體封裝，具體而言，涉及半導(dǎo)體器件的3DIC封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件用于各種電子應(yīng)用，作為實(shí)例，諸如個人電腦、移動電話、數(shù)碼相機(jī)和其他電子設(shè)備。通常通過在半導(dǎo)體襯底上方相繼沉積絕緣材料層或介電材料層、導(dǎo)電材料層和半導(dǎo)體材料層，以及采用光刻圖案化各種材料層以在其上形成電路部件和元件來制造半導(dǎo)體器件。數(shù)十或數(shù)百個集成電路通常被制造在一個半導(dǎo)體晶圓上，然后通過沿著劃線在集成電路之間切割來分割晶圓上的個體管芯。舉例來說，通常單獨(dú)地、以多芯片模塊或者以其他類型的封裝對這些個體管芯進(jìn)行封裝。
[0003]半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)通過不斷降低最小部件尺寸來不斷提高各種電子元件(例如，晶體管、二極管、電阻器、電容器等)的集成密度，這實(shí)現(xiàn)了在給定區(qū)域內(nèi)集成更多的元件。在一些應(yīng)用中，這些更小的電子元件還需要比以前的封裝件更小的利用更少面積的封裝件。
[0004]在半導(dǎo)體封裝方面，新近開發(fā)出了三維集成電路(3DIC)，其中多個半導(dǎo)體管芯相互堆疊,諸如堆疊封裝件(PoP)和系統(tǒng)級封裝件(system-1n-package, SiP)封裝技術(shù)。作為實(shí)例，因?yàn)榻档土硕询B的管芯之間的互連件的長度，3DIC提供了改進(jìn)的集成密度和其他優(yōu)點(diǎn)，諸如更快的速度和更高的帶寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了進(jìn)一步改進(jìn)半導(dǎo)體封裝，一方面，本發(fā)明提供了一種三維集成電路(3DIC)結(jié)構(gòu)，包括:第一半導(dǎo)體器件，在所述第一半導(dǎo)體器件的頂面上的第一絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第一導(dǎo)電焊盤，在所述多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第一凹槽；第二半導(dǎo)體器件，連接至所述第一半導(dǎo)體器件，在所述第二半導(dǎo)體器件的頂面上的第二絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第二導(dǎo)電焊盤，在所述多個第二導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第二凹槽；以及密封層，設(shè)置在位于所述第一凹槽中的多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤和位于所述第二凹槽中的多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤之間，其中，所述密封層將所述多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤接合至所述多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤，并且，所述第一絕緣材料接合至所述第二絕緣材料。
[0006]在所述的3DIC結(jié)構(gòu)中，所述密封層包含共晶金屬。
[0007]在所述的3DIC結(jié)構(gòu)中，所述密封層包含AlGe、CuGe或CuSn。
[0008]在所述的3DIC結(jié)構(gòu)中，所述第一半導(dǎo)體器件和所述第二半導(dǎo)體器件包括選自基本上由半導(dǎo)體管芯、電路、光電二極管、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件、生物傳感器件、互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)器件、數(shù)字圖像傳感器、專用集成電路(ASIC)器件和它們的組合所組成的組的器件類型。
[0009]另一方面，本發(fā)明提供了一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法，所述方法包括:提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤；在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層；從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層，留下設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤上方的一部分所述密封層；將所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面；以及對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓施加熱和壓力，其中，施加壓力在所述第一半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合，以及，施加熱形成包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合。
[0010]在所述的方法中，從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層包括選自基本上由化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法、蝕刻方法和它們的組合所組成的組的方法。
[0011]在所述的方法中，形成所述密封層包括形成共晶金屬的第一組分；所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤包括所述共晶金屬的第二組分；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬。
[0012]在所述的方法中，形成所述密封層包括形成共晶金屬的第一組分；所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤包括所述共晶金屬的第二組分；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬，其中，形成所述共晶金屬的第一組分包括形成Ge或Sn ;所述共晶金屬的第二組分包含Cu ;并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含CuGe或CuSn。
[0013]在所述的方法中，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成所述密封層包括在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成包含共晶金屬的第一組分的第一層，以及在所述第一層上方形成包含所述共晶金屬的第二組分的第二層；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬。
[0014]在所述的方法中，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成所述密封層包括在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成包含共晶金屬的第一組分的第一層，以及在所述第一層上方形成包含所述共晶金屬的第二組分的第二層；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬，其中，形成所述共晶金屬的第一組分包括形成Al ;形成所述共晶金屬的第二組分包括形成Ge ;并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含AlGe。[0015]所述的方法還包括在從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層之后，對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行活化。
[0016]所述的方法還包括在從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層之后，對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行活化，其中，對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行活化包括選自基本上由干法處理、濕法處理、等離子體處理、暴露于惰性氣體、暴露于H2、暴露于N2、暴露于O2和它們的組合所組成的組的方法。
[0017]又一方面，本發(fā)明還提供了一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法，所述方法包括:提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤；對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面實(shí)施化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，其中，所述CMP工藝在所述多個導(dǎo)電焊盤的頂面上形成凹槽；對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔；在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層；從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層，留下在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤的頂面上的凹槽中保留的所述密封層；將所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面；對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓施加壓力以在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合；以及加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓，其中，加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓形成由所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層組成的接合。
[0018]在所述的方法中，保留在所述多個導(dǎo)電焊盤的頂面的凹槽中的所述密封層密封所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的間隙。
[0019]在所述的方法中，將所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤的頂面上的凹槽中的密封層之間形成孔，并且，加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓使得所述密封層液化并封閉所述密封層之間的孔。
[0020]在所述的方法中，保留在所述多個導(dǎo)電焊盤的頂面的凹槽中的所述密封層阻止所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤氧化。
[0021]在所述的方法中，對所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔包括減少所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的氧化物材料的量。
[0022]在所述的方法中，對所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔包括減少所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的氧化物材料的量，其中，對所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔包括選自基本上由熱處理、等離子體處理、濕法處理、干法處理、暴露于包含(約4-10%的H2)/(約90-96%的惰性氣體或N2)的氣體、暴露于包含約100% H2的氣體、引入酸和它們的組合所組成的組的方法。
[0023]在所述的方法中，加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓包括將所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓加熱至約150至650攝氏度的溫度。
[0024]在所述的方法中，對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓施加壓力包括施加約200kPa以下的壓力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將參考結(jié)合附圖所進(jìn)行的以下描述，其中:
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體晶圓的一部分的截面圖；
[0027]圖2至圖6是示出在各個階段根據(jù)實(shí)施例的晶圓與晶圓混合接合方法的截面圖；
[0028]圖7至圖10是示出在各個階段根據(jù)另一實(shí)施例的混合接合半導(dǎo)體晶圓的方法的截面圖；
[0029]圖11是示出根據(jù)實(shí)施例的混合接合方法隨時間變化的溫度的圖；以及
[0030]圖12是根據(jù)實(shí)施例的采用混合接合工藝形成3DIC結(jié)構(gòu)的方法的流程圖。
[0031]除非另有說明，不同附圖中的相應(yīng)標(biāo)號和符號通常是指相應(yīng)部件。繪制附圖用于清楚地示出各實(shí)施例的相關(guān)方面而不必按比例繪制。
【具體實(shí)施方式】
[0032]在下面詳細(xì)論述本發(fā)明的實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的發(fā)明構(gòu)思。所論述的具體實(shí)施例僅是制造和使用本發(fā)明的說明性具體方式，而不用于限制本發(fā)明的范圍。
[0033]本發(fā)明的實(shí)施例涉及半導(dǎo)體器件的3DIC封裝。本文中將描述新型的3DIC結(jié)構(gòu)和用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法?；旌辖雍戏椒òú捎萌劢有纬煞墙饘倥c非金屬接合以及采用加熱以形成共晶金屬接合的密封層來形成金屬與金屬接合。
[0034]首先參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體晶圓100的一部分的截面圖。采用根據(jù)本文中的實(shí)施例的新型混合接合工藝，將兩個或更多個半導(dǎo)體晶圓(諸如示出的晶圓100)垂直連接在一起。
[0035]半導(dǎo)體晶圓100包括工件102。舉例來說，工件102包括包含硅或其他半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體襯底并且可以被絕緣層覆蓋。舉例來說，工件102可以包含位于單晶硅上方的氧化硅?？梢允褂没衔锇雽?dǎo)體例如GaAs、InP、Si/Ge或SiC來代替硅。作為實(shí)例，工件102可以包括絕緣體上娃(SOI)或絕緣體上鍺(GOI)襯底。
[0036]工件102可以包括接近工件102的頂面形成的器件區(qū)104。器件區(qū)104包括有源元件或電路，諸如導(dǎo)電部件、注入?yún)^(qū)域、電阻器、電容器和其他半導(dǎo)體元件，例如晶體管、二極管等。舉例來說，在一些實(shí)施例中，在前段(FEOL)工藝中，在工件102上方形成器件區(qū)104。如圖所示，工件102還可以包括襯底通孔(TSV) 105，其包含提供從工件102的底面到頂面的連接的導(dǎo)電材料。
[0037]在工件102上方，例如在工件102的器件區(qū)104上方形成金屬化結(jié)構(gòu)106。舉例來說，在一些實(shí)施例中，在后段(BEOL)工藝中，在工件102上方形成金屬化結(jié)構(gòu)106。金屬化結(jié)構(gòu)106包括導(dǎo)電部件，諸如在絕緣材料114中形成的導(dǎo)線108、通孔110和導(dǎo)電焊盤112。作為實(shí)例，導(dǎo)電焊盤112包括在半導(dǎo)體晶圓100的頂面上形成的接觸焊盤或接合焊盤。一些通孔110將導(dǎo)電焊盤112連接至金屬化結(jié)構(gòu)106中的導(dǎo)線108，而其他通孔110將導(dǎo)電焊盤112連接至工件102的器件區(qū)104。通孔110還可以將不同金屬化層(未示出)中的導(dǎo)線108連接在一起。導(dǎo)電部件可以包含通常用于BEOL工藝中的導(dǎo)電材料，諸如Cu、Al、W、T1、TiN, Ta、TaN或者它們的多層或組合。根據(jù)實(shí)施例，舉例來說，接近金屬化結(jié)構(gòu)106的頂面設(shè)置的導(dǎo)電焊盤112包含Cu或銅合金。示出的金屬化結(jié)構(gòu)106僅用于說明性目的:舉例來說，金屬化結(jié)構(gòu)106可以包括其他配置并且可以包括一個或多個導(dǎo)線和通孔層。作為其他實(shí)例，一些半導(dǎo)體晶圓100可以具有三個導(dǎo)線和通孔層或者四個或更多個導(dǎo)線和通孔層。
[0038]半導(dǎo)體晶圓100包括多個半導(dǎo)體器件，其包括橫跨其表面形成的例如以柵格形式的部分的工件102和金屬化層106。作為實(shí)例，半導(dǎo)體器件包括在工件102的俯視圖中可以形成正方形或矩形圖案的管芯。
[0039]圖2至圖6是示出在各個階段根據(jù)實(shí)施例的混合接合圖1中示出的兩個半導(dǎo)體晶圓100的方法的截面圖。圖2示出圖1中示出的半導(dǎo)體晶圓100的一部分的更詳細(xì)的視圖，所述部分包括設(shè)置在金屬化結(jié)構(gòu)106的頂面的兩個導(dǎo)電焊盤112(如圖1中虛線框所示)。在一些實(shí)施例中，絕緣材料114包含SiO2，而導(dǎo)電焊盤112包含Cu?？蛇x地，絕緣材料114和導(dǎo)電焊盤112可以包含其他材料。
[0040]在一些實(shí)施例中采用鑲嵌工藝形成導(dǎo)電焊盤112，其中在工件102上方沉積絕緣材料114，以及采用光刻來圖案化絕緣材料114。用導(dǎo)電材料填充圖案化的絕緣材料114，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝、蝕刻工藝或它們的組合從絕緣材料114的頂面上方去除多余部分的導(dǎo)電材料。在其他實(shí)施例中，可以沉積導(dǎo)電材料并且采用光刻進(jìn)行圖案化，以及采用金屬蝕刻(subtractive etch)工藝在導(dǎo)電材料上方形成絕緣材料114以形成導(dǎo)電焊盤112。然后采用CMP工藝、蝕刻工藝或它們的組合從導(dǎo)電焊盤112上方去除多余的絕緣材料 114。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在形成導(dǎo)電焊盤112之后，在接近半導(dǎo)體晶圓100的制造工藝的尾聲時實(shí)施CMP工藝。如圖所示，CMP工藝導(dǎo)致導(dǎo)電焊盤112凹陷(dishing)，在導(dǎo)電焊盤112的頂面中形成凹槽116?？梢允箤?dǎo)電焊盤112的頂面在絕緣材料114的頂面下方凹陷包含尺寸Cl1的量，其中，作為實(shí)例，尺寸Cl1包含約80nm或更小的值。導(dǎo)電焊盤112的凹槽116的尺寸Cl1可以可選地包含其他值。如圖所示，凹槽116在導(dǎo)電焊盤112的中心區(qū)域中可以更深。在圖2中還示出，較寬的導(dǎo)電焊盤112可以比較窄的導(dǎo)電焊盤112顯示出更多的凹陷。舉例來說，較寬的導(dǎo)電焊盤112的尺寸Cl1可以大于較窄的導(dǎo)電焊盤112的尺寸V
[0042]在儲存或者在制造工藝完成之后的貨架期期間可以將半導(dǎo)體晶圓100放置在制造設(shè)施中。在儲存期間，可以在導(dǎo)電焊盤112的頂面上形成圖2中假想(plantom)示出的氧化物材料118。氧化物材料118可以包含例如通過將Cu導(dǎo)電焊盤112暴露于環(huán)境空氣中的氧得到的氧化銅(CuOx)。例如，根據(jù)制造環(huán)境，可以在最后制造步驟之后不久就開始形成氧化物材料118，因?yàn)镃u容易氧化。
[0043]當(dāng)?shù)搅瞬捎?DIC工藝將半導(dǎo)體晶圓100與另一半導(dǎo)體晶圓100進(jìn)行封裝的時候，對晶圓100的頂面進(jìn)行清潔以便從晶圓100的頂面，例如從導(dǎo)電焊盤112的頂面去除至少一部分的氧化物材料118。舉例來說，在一些實(shí)施例中采用清潔工藝從導(dǎo)電焊盤112的頂面上方去除所有的氧化物材料118。作為實(shí)例，清潔工藝可以包括熱處理、等離子體處理(諸如H2等離子體工藝)、濕法處理、干法處理、暴露于含有(約4-10%的H2)/(約90-96%的惰性氣體或N2)的氣體、暴露于含有約100%的H2的氣體、引入酸(諸如HCOOH)、或它們的組合。如果清潔工藝包括暴露于含有(約4-10%的!12)/(約90-96%的惰性氣體)的氣體，作為實(shí)例，清潔工藝可以包括使用與包含約90-96%的惰性氣體(諸如He或Ar)的合成氣體混合的約4-10%的H2。可選地，清潔工藝可以包括其他類型的化學(xué)物質(zhì)和清潔技術(shù)。根據(jù)實(shí)施例，在CuOx還原工藝之后，晶圓100的表面粗糙度改變很小或沒有改變，作為實(shí)例，例如均方根(RMS)小于約5埃。
[0044]接下來，如圖3所示，在半導(dǎo)體晶圓100的頂面上方形成密封層(sealinglayer) 120。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，密封層120包含含有共晶金屬的至少一種組分的材料。在該實(shí)施例中，密封層120包含約50nm或更少的Ge或Sn。作為實(shí)例，采用化學(xué)汽相沉積(CVD)、物理汽相沉積(PVD)或電鍍形成密封層120。密封層120可以可選地包含其他尺寸和材料，并且可以采用其他方法形成。如圖所示，密封層120基本遵循半導(dǎo)體晶圓100的頂面的形貌，作為導(dǎo)電焊盤112中的凹槽116的內(nèi)襯。
[0045]密封層120包含具有使得當(dāng)密封層120與導(dǎo)電焊盤112的材料結(jié)合并且加熱至預(yù)定溫度時形成共晶相的金屬的性質(zhì)的材料。如果導(dǎo)電焊盤112包含Cu，則(Cu+Ge)的組合在某一化學(xué)組成下具有共晶相并且當(dāng)加熱至某一溫度時，在共晶點(diǎn)，(Cu+Ge)的組合反應(yīng)并且熔化或液化以形成CuGe。類似地，(Cu+Sn)的組合具有共晶相。
[0046]可選地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，密封層120可以包含與導(dǎo)電焊盤112的材料結(jié)合產(chǎn)生共晶金屬的其他材料或元件。在一些實(shí)施例中，密封層120包含共晶金屬的第一組分，而導(dǎo)電焊盤112包含共晶金屬的第二組分。當(dāng)以共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度加熱共晶金屬的第一組分和第二組分時，第一組分和第二組分反應(yīng)并且液化或熔化，然后當(dāng)溫度降低時回到固體，從而形成共晶金屬。
[0047]接下來，如圖4所示，從絕緣材料114的頂面上方去除密封層120。例如，采用CMP方法、蝕刻方法或它們的組合去除密封層120，然而可選地，可以采用其他方法去除密封層120。當(dāng)從絕緣材料114的頂面上方去除密封層120時，還可以去除凹槽116內(nèi)的一小部分(例如幾個納米)的密封層120。如圖所示，密封層120的一部分保留在導(dǎo)電焊盤112的頂面上的凹槽116中。
[0048]在一些實(shí)施例中，如圖4中假想示出的，在從絕緣材料114的頂面去除密封層120之后，保留在凹槽116中的密封層120完全填充凹槽116。舉例來說，在這些實(shí)施例中，當(dāng)采用本發(fā)明的混合接合方法將晶圓100接合在一起時，保留在位于導(dǎo)電焊盤112的頂面中的凹槽116中的密封層120密封半導(dǎo)體晶圓100的導(dǎo)電焊盤112之間的間隙。在整個晶圓100的表面中，在從絕緣材料114上方去除密封層120之后，一些導(dǎo)電焊盤112可以具有完全被密封層120填充的凹槽116，而其他導(dǎo)電焊盤112可以具有部分被密封層120填充的凹槽 116。
[0049]如圖5所示，采用混合接合工藝通過將一個半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至另一半導(dǎo)體晶圓的頂面將兩個半導(dǎo)體晶圓100接合在一起。晶圓包括采用本文圖1至圖4所述的程序加工過的第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b。第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面連接至第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的頂面。舉例來說，第二半導(dǎo)體晶圓IOOb是由圖4中示出的視圖翻轉(zhuǎn)(即，旋轉(zhuǎn)約180度)得到的。[0050]在分別從第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的絕緣材料114a和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的絕緣材料114b上方去除密封層120之后，在一些實(shí)施例中，在將晶圓IOOa和IOOb連接在一起之前，可以對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面進(jìn)行活化。作為實(shí)例，對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面進(jìn)行活化可以包括干法處理、濕法處理、等離子體處理、暴露于惰性氣體、暴露于H2、暴露于N2、暴露于O2或它們的組合。在米用濕法處理的實(shí)施例中，舉例來說，可以采用RCA清潔?？蛇x地，活化工藝可以包括其他類型的處理。活化工藝有助于混合接合第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b，有利地實(shí)現(xiàn)在后續(xù)混合接合工藝中使用較低的壓力和溫度。在活化工藝之后，然后可以采用化學(xué)沖洗來清潔晶圓IOOa和100b。根據(jù)實(shí)施例，在活化工藝之后，晶圓IOOa和IOOb的表面粗糙度改變很小或沒有改變，作為實(shí)例，例如RMS小于約5埃。
[0051]如圖5所示，通過將位于第二半導(dǎo)體晶圓IOOb上的在其上形成有密封層120b的導(dǎo)電焊盤112b與位于第一半導(dǎo)體晶圓IOOa上的在其上形成有密封層120a的導(dǎo)電焊盤112a對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了第二半導(dǎo)體晶圓IOOb與第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的接合。作為實(shí)例，可以采用光學(xué)傳感實(shí)現(xiàn)晶圓IOOa和IOOb的對準(zhǔn)。如圖所示，可以在導(dǎo)電焊盤112a和112b頂面上的密封層120a和120b之間形成孔122。第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的絕緣材料114b的頂面也與第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的絕緣材料114a的頂面對準(zhǔn)。
[0052]接下來參照圖6，在低壓和低溫下，采用熔接工藝接合絕緣材料114a和114b。在一些實(shí)施例中，對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb施加約200kPa或更小的壓力124以在絕緣材料114a和114b的頂面之間形成接合132。舉例來說，當(dāng)在絕緣材料114a和114b之間形成接合132時，還可以以約200至400攝氏度或更低的低溫加熱半導(dǎo)體晶圓IOOa和100b?？蛇x地，可以使用其他壓力124和溫度來熔接絕緣材料114a和114b。壓力124在晶圓IOOa的絕緣材料114a和晶圓IOOb的絕緣材料114b的界面處形成非金屬與非金屬接合132。
[0053]在接合絕緣材料114a和114b之后，通過以導(dǎo)電焊盤112a和112b以及密封層120a和120b的材料的共晶點(diǎn)或高于該共晶點(diǎn)的溫度對晶圓IOOa和IOOb施加熱126，使用密封層120a和120b，將晶圓IOOa和IOOb的導(dǎo)電焊盤112a和112b接合成金屬與金屬接合。可以采用熱退火工藝或其他加熱技術(shù)來施加熱126。在一些實(shí)施例中，舉例來說，熱126工藝包括將第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb加熱至約150至650攝氏度的溫度，然而可選地，可以使用其他溫度。在導(dǎo)電焊盤112a和112b包含Cu,而密封層120a和120b包含Ge的實(shí)施例中，作為一個實(shí)例，施加的熱126包含約630攝氏度的溫度。舉例來說，在約
0.41摩爾Ge/(Cu+Ge)的組成下，CuGe的共晶點(diǎn)是約627攝氏度，因而將晶圓IOOa和IOOb加熱至該溫度導(dǎo)致來自導(dǎo)電焊盤112a和112b的Cu與密封層120a和120b的Ge反應(yīng)并且形成液體形式的CuGe。當(dāng)去除熱126并冷卻晶圓IOOa和IOOb時，CuGe硬化而變成固體，形成圖6中示出的包含共晶金屬(例如，包含CuGe)的密封層120’。施加的熱126可以可選地包含其他溫度和溫度范圍。
[0054]當(dāng)密封層120a和120b與導(dǎo)電焊盤112a和112b的材料在共晶點(diǎn)反應(yīng)時，得到的形成的液體密封層120’封閉(close)密封層120a和120b之間的孔122或間隙。密封層120a和120b以及來自導(dǎo)電焊盤112a和112b的材料形成一個密封層120’，當(dāng)溫度降低時其由密封層120a和120b以及導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂部的材料組成。舉例來說，密封層120’包括第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的導(dǎo)電焊盤112a和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的導(dǎo)電焊盤112b之間的接合區(qū)。密封層120’提高機(jī)械強(qiáng)度并且封閉先前設(shè)置在導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂面上的密封層120a和120b之間的孔122。得到的密封層120’包含共晶金屬，其形成導(dǎo)電焊盤112a和112b的金屬與金屬接合。在示出的實(shí)施例中，密封層120’包括含有CuGe或CuSn的共晶金屬:在施加熱126期間，來自導(dǎo)電焊盤112a和112b的Cu與密封層120a和120b的Ge或Sn結(jié)合以形成CuGe或CuSn。
[0055]得到的3DIC結(jié)構(gòu)130包括堆疊且接合的第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb0然后沿著俯視圖中以柵格形狀布置的劃線128切割第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b，從而使晶圓IOOa和IOOb上的封裝的3DIC半導(dǎo)體器件彼此分隔開(未示出)。
[0056]通過封閉導(dǎo)電焊盤112a和112b之間的孔122 (見圖5)或間隙，在接合在一起的兩個晶圓IOOa和IOOb的導(dǎo)電焊盤112a和112b之間起接合作用的密封層120’還減少接觸電阻。有利的是，在一些實(shí)施例中，密封層120’還阻止導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂面氧化，從而阻止CuOx的形成。
[0057]圖7至圖10是示出在各個階段根據(jù)另一實(shí)施例的混合接合半導(dǎo)體晶圓IOOa和IOOb的方法的截面圖。該實(shí)施例與圖2至圖6中示出的實(shí)施例類似，但是導(dǎo)電焊盤112a和112b的材料未用作密封層120’的共晶金屬的組分。而是在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面上方形成包括兩層的密封層120:形成在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb (在圖7中示出為半導(dǎo)體晶圓100)頂面上方的包含諸如Al的材料的第一層134,和設(shè)置在第一層134上方的第二層136,第二層136包含諸如Ge的材料。在該實(shí)施例中，當(dāng)加熱至共晶點(diǎn)時，第一層134和第二層136將結(jié)合形成包含共晶金屬(例如AlGe)的密封層120’。舉例來說，第一層134和第二層136可以采用與對先前實(shí)施例的密封層120所述的類似的方法并包含類似的尺寸來形成。
[0058]在該實(shí)施例中，第一層134和第二層136可以可選地包含當(dāng)在共晶點(diǎn)結(jié)合時，在共晶溫度和共晶化學(xué)組成下將形成共晶金屬的其他材料。舉例來說，在一些實(shí)施例中，第一層134包含共晶金屬的第一組分,而第二層136包含共晶金屬的第二組分。
[0059]如圖8所示以及圖4所描述的，從絕緣材料114的頂面上方去除密封層120。當(dāng)從絕緣材料114的頂面上方去除密封層120時，還可以去除凹槽116內(nèi)的一小部分的密封層120。密封層120的一部分保留在導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂面上的凹槽116中。在一些實(shí)施例中，如圖8所示，密封層120完全填充凹槽116。
[0060]如圖9所示，然后采用前文所述的混合接合工藝，通過將一個半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至另一半導(dǎo)體晶圓的頂面，將兩個半導(dǎo)體晶圓100接合在一起。晶圓包括采用本文中圖1、圖2、圖7和圖8所述的程序加工過的第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b。第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面連接至第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的頂面。如前文所述,在一些實(shí)施例中，在將晶圓IOOa和IOOb連接在一起之前，可以對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面進(jìn)行活化。
[0061]第二半導(dǎo)體晶圓IOOb與第一半導(dǎo)體晶圓IOOa對準(zhǔn)?？梢栽趯?dǎo)電焊盤112a和112b的頂面上的密封層120a和120b之間形成孔122。如圖10所示，通過施加壓力124，采用熔接工藝，將晶圓IOOa的絕緣材料114a和晶圓IOOb的絕緣材料114b接合起來，在絕緣材料114a和114b的頂面之間形成接合132。對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb施加熱126，使得密封層120的第一層134和第二層136反應(yīng)并液化，形成包含共晶金屬并且封閉導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂面上的密封層120a和120b之間的孔122的單個密封層120’。在第一層134包含Al，而第二層136包含Ge的實(shí)施例中，作為另一實(shí)例，施加的熱126包含約430攝氏度的溫度以形成包含AlGe的密封層120’。例如，在約0.28摩爾的Ge/(Al+Ge)的組成下，AlGe的共晶點(diǎn)是約427攝氏度。
[0062]密封層120’在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的導(dǎo)電焊盤112a和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的導(dǎo)電焊盤112b之間提供金屬與金屬接合，形成3DIC結(jié)構(gòu)130。然后沿著劃線128切割堆疊且接合的第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b，從而使位于晶圓IOOa和IOOb上的封裝的3DIC管芯彼此分隔開。
[0063]圖11是示出根據(jù)實(shí)施例的混合接合工藝隨著時間變化的溫度1\、T2和T3的圖140。在混合接合工藝期間，施加溫度！\、T2和T3以及壓力124得到的結(jié)果是接合強(qiáng)度142增大。在時間tQ，以包含室溫(其通常是約25攝氏度)的溫度T1實(shí)施晶圓IOOa和IOOb的對準(zhǔn)。T1還可以包含其他值。舉例來說，溫度T1下的初始界面反應(yīng)使得在晶圓IOOa的絕緣材料114a和晶圓IOOb的絕緣材料114b之間形成氫鍵。
[0064]在時間&，溫度升高直到在時間t2達(dá)到溫度T2。溫度T2包括當(dāng)施加壓力124以在絕緣材料114a和114b之間形成接合時所施加的溫度。如前文所述，舉例來說，在一些實(shí)施例中，溫度T2包括約200至400攝氏度的溫度。施加的壓力124和溫度T2引起在絕緣材料114a和114b之間形成共價鍵的界面反應(yīng)。例如，在溫度T1下形成的氫鍵轉(zhuǎn)化成共價鍵。施加的壓力124和溫度T2還增加了包括導(dǎo)電焊盤112a和112b以及密封層120a和120b的金屬層之間的接觸。在一些實(shí)施例中，在施加壓力124期間不施加熱，并且溫度保持在溫度T1處，如圖140中144處的假想線所示出的。
[0065]在時間t3，溫度升高直到在時間t4達(dá)到溫度T3。溫度T3包含當(dāng)施加前文所述的熱126時所施加的溫度。舉例來說，熱126工藝可以包括將第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb加熱至約150至650攝氏度的溫度Τ3。以溫度T3施加熱126引起界面反應(yīng)，包括通過密封材料120a和120b在熔化后密封導(dǎo)電焊盤112a和112b之間的孔122所形成的熔接。舉例來說，溫度T3包含密封材料120a和120b的共晶反應(yīng)溫度。以溫度T3施加熱126持續(xù)預(yù)定時間直到時間t5,當(dāng)溫度允許回到時間t6時的室溫T1時，完成了晶圓IOOa和IOOb的混合接合工藝。
[0066]圖12是根據(jù)實(shí)施例的采用本文所述的混合接合工藝形成3DIC結(jié)構(gòu)130的方法的流程圖150。在步驟152中，提供了第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓100b，在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的頂面上的絕緣材料114a內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)電焊盤112a，以及在第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面上的絕緣材料114b內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)電焊盤112b。在步驟154中，在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的頂面上方形成密封層120a，以及在第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面上方形成密封層120b。在步驟156中，從第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的絕緣材料114a上方去除密封層120a，以及從第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的絕緣材料114b上方去除密封層120b，留下設(shè)置在導(dǎo)電焊盤112a上方的一部分密封層120a和設(shè)置在導(dǎo)電焊盤112b上方的一部分密封層120b。在步驟158中，將第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的頂面連接至第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的頂面。在步驟160中，對第一半導(dǎo)體晶圓IOOa和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb施加熱126和壓力124，形成包括位于第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的導(dǎo)電焊盤112a和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的導(dǎo)電焊盤112b之間的密封層120’的接合，以及在第一半導(dǎo)體晶圓IOOa的絕緣材料114a和第二半導(dǎo)體晶圓IOOb的絕緣材料114b之間形成接合132。
[0067]可以采用本文所述的方法垂直堆疊并混合接合三個或更多個半導(dǎo)體晶圓100、IOOa和100b。舉例來說，可以采用在導(dǎo)電焊盤112的凹槽中形成的包含共晶金屬的密封層120’和TSV 105，將工件102 (見圖1)的TSV 105的露出端連接至另一半導(dǎo)體晶圓100、IOOa或IOOb上的導(dǎo)電焊盤112?？蛇x地，作為另一實(shí)例，可以在TSV 105的露出端上方形成包括導(dǎo)電焊盤112的另一連接層，其可以用于混合接合至另一晶圓100、IOOa或100b。
[0068]如果CMP工藝不包含在圖1中示出的晶圓100的導(dǎo)電焊盤112的制造工藝流程中，可以將CMP工藝添加到形成凹槽116的工藝流程，從而有空間來形成本文所述的密封層120和120’。如果CMP工藝包含在工藝流程中，但是形成的凹槽116不夠大以至于不能形成充分接合的密封層120’，可以延長現(xiàn)有的CMP工藝或者可以改變CMP工藝的化學(xué)物質(zhì)來形成所需深度的凹槽116。
[0069]采用本文所述的混合接合工藝，將第二半導(dǎo)體晶圓IOOb上的一個或多個半導(dǎo)體器件混合接合至第一半導(dǎo)體晶圓IOOa上的每一個半導(dǎo)體器件。作為實(shí)例，半導(dǎo)體晶圓100、IOOa和IOOb上的半導(dǎo)體器件可以包括諸如半導(dǎo)體管芯、電路、光電二極管、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件、生物傳感器件、互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)器件、數(shù)字圖像傳感器、專用集成電路(ASIC)器件或它們的組合的器件類型。作為一個實(shí)例，一個半導(dǎo)體晶圓IOOa可以包括多個管芯，并且每一個管芯包括處理器，而其他半導(dǎo)體晶圓IOOb可以包括連接至其他半導(dǎo)體晶圓IOOa上的每一個處理器并且與其他半導(dǎo)體晶圓IOOa上的每一個處理器一起封裝的一個或多個存儲器器件。在其他實(shí)施例中，作為另一個實(shí)例，一個半導(dǎo)體晶圓IOOb可以包括數(shù)字圖像傳感器，其包括在其上形成的多個光電二極管，而另一個半導(dǎo)體晶圓IOOa可以包括管芯，其具有位于其上的用于數(shù)字圖像傳感器的支持電路。舉例來說，支持電路可以包括ASIC器件。在其他實(shí)施例中，一個晶圓IOOb可以適應(yīng)于提高另一晶圓IOOa中的感光度。根據(jù)應(yīng)用，采用本文所述的新型混合接合方法，可以將半導(dǎo)體晶圓IOOUOOa和IOOb以及半導(dǎo)體器件的其他類型組合一起封裝在根據(jù)本文實(shí)施例的3DIC結(jié)構(gòu)中。
[0070]本發(fā)明的實(shí)施例包括用于形成3DIC結(jié)構(gòu)130的混合接合半導(dǎo)體晶圓的方法，還包括采用本文所述的混合接合方法封裝的3DIC結(jié)構(gòu)130。在一些實(shí)施例中，第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤包含Cu，而第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料包含SiO2，其中本文中描述的混合接合方法包括Cu/Si02晶圓級混合接合工藝。
[0071]本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括提供降低導(dǎo)電焊盤112a和112b的接合的接觸電阻的新型混合接合方法。密封層120’在導(dǎo)電焊盤112a和112b之間提供接合，封閉導(dǎo)電焊盤112a和112b之間的孔122，以及阻止CuOx的形成。密封層120’還增強(qiáng)了 3DIC結(jié)構(gòu)130的機(jī)械強(qiáng)度。在新型混合接合方法和3DIC結(jié)構(gòu)130中，CMP工藝期間導(dǎo)電焊盤112a和112b的頂面的凹陷和侵蝕不再成問題，因?yàn)槊芊鈱?20’用作凹陷補(bǔ)償層。在混合接合工藝中，實(shí)現(xiàn)了晶圓IOOa和IOOb的高精度對準(zhǔn)。可以使用較低的力來進(jìn)行用于接合絕緣材料114a和114b的熱壓縮接合，阻止應(yīng)力引入至晶圓IOOa和IOOb上的半導(dǎo)體器件并阻止晶圓IOOa和IOOb上的半導(dǎo)體器件變形。
[0072]在包括Ge頂層(例如，包含Ge的密封層120或包含Ge的密封層120的第二層136)的實(shí)施例中，密封層120還用作保護(hù)層。當(dāng)Ge被氧化時，形成GeOx，其通過濕法工藝(例如，使用水或化學(xué)物質(zhì))或干法工藝(例如，等離子體)很容易被去除掉。此外，Ge頂層的存在阻止CuOx的形成。
[0073]有利的是，本文所述的混合接合方法與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝和材料兼容。這種新型的3DIC結(jié)構(gòu)130和混合接合方法在半導(dǎo)體器件封裝工藝流程中可容易地實(shí)現(xiàn)。
[0074]根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，一種3DIC結(jié)構(gòu)包括第一半導(dǎo)體器件，在其頂面上的第一絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第一導(dǎo)電焊盤，在多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第一凹槽。3DIC結(jié)構(gòu)包括連接至第一半導(dǎo)體器件的第二半導(dǎo)體器件，在其頂面上的第二絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第二導(dǎo)電焊盤，在多個第二導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第二凹槽。密封層設(shè)置在第一凹槽中的多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤和第二凹槽中的多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤之間。密封層將多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤接合至多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤。第一絕緣材料接合至第二絕緣材料。
[0075]根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法包括提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓。在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤。在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層。從第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除密封層，留下設(shè)置在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤上方的一部分密封層。將第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至第一半導(dǎo)體晶圓的頂面。對第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓施加熱和壓力。施加壓力在第一半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料和第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合。施加熱在第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間形成接合。
[0076]根據(jù)又一其他實(shí)施例，一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法包括提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓。在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤。該方法包括對第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面實(shí)施CMP工藝，其中CMP工藝在多個導(dǎo)電焊盤的頂面上形成凹槽。對第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔，以及在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層。從第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除密封層，留下在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤的頂面上的凹槽中保留的密封層。將第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至第一半導(dǎo)體晶圓的頂面。對第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓施加壓力以在第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合。對第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓進(jìn)行加熱以形成由第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層組成的接合。
[0077]盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明的實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，在其中做各種不同的改變、替換和更改。例如，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將很容易理解本文所述的許多部件、功能、工藝和材料可以發(fā)生改變而仍保留在本發(fā)明的范圍內(nèi)。此外，本申請的范圍并不僅限于說明書中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
將很容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以利用現(xiàn)有的或今后開發(fā)的用于執(zhí)行與根據(jù)本文所述相應(yīng)實(shí)施例基本上相同的功能或獲得基本上相同結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該在其范圍內(nèi)包括這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟。
【權(quán)利要求】
1.一種三維集成電路(3DIC)結(jié)構(gòu)，包括: 第一半導(dǎo)體器件，在所述第一半導(dǎo)體器件的頂面上的第一絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第一導(dǎo)電焊盤，在所述多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第一凹槽； 第二半導(dǎo)體器件，連接至所述第一半導(dǎo)體器件，在所述第二半導(dǎo)體器件的頂面上的第二絕緣材料內(nèi)設(shè)置有多個第二導(dǎo)電焊盤，在所述多個第二導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤的頂面上都具有第二凹槽；以及 密封層，設(shè)置在位于所述第一凹槽中的多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤和位于所述第二凹槽中的多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤之間，其中，所述密封層將所述多個第一導(dǎo)電焊盤中的每一個導(dǎo)電焊盤接合至所述多個第二導(dǎo)電焊盤中的一個導(dǎo)電焊盤，并且，所述第一絕緣材料接合至所述第二絕緣材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3DIC結(jié)構(gòu)，其中，所述密封層包含共晶金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3DIC結(jié)構(gòu)，其中，所述密封層包含AlGe、CuGe或CuSn。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3DIC結(jié)構(gòu)，其中，所述第一半導(dǎo)體器件和所述第二半導(dǎo)體器件包括選自基本上由半導(dǎo)體管芯、電路、光電二極管、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件、生物傳感器件、互補(bǔ)金屬氧化物(CMOS)器件、數(shù)字圖像傳感器、專用集成電路(ASIC)器件和它們的組合所組成的組的器件類型。
5.一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法，所述方法包括: 提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤； 在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層； 從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層，留下設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤上方的一部分所述密封層; 將所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面連接至所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面；以及 對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓施加熱和壓力，其中，施加壓力在所述第一半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合，以及，施加熱形成包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層包括選自基本上由化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)方法、蝕刻方法和它們的組合所組成的組的方法。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，形成所述密封層包括形成共晶金屬的第一組分；所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤包括所述共晶金屬的第二組分；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成所述密封層包括在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成包含共晶金屬的第一組分的第一層，以及在所述第一層上方形成包含所述共晶金屬的第二組分的第二層；施加熱包括以所述共晶金屬的共晶點(diǎn)溫度施加熱，使得所述共晶金屬的第一組分和第二組分反應(yīng)并形成液體；并且，形成的包括位于所述第一半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層的接合包含所述共晶金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括在從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層之后，對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行活化。
10.一種用于半導(dǎo)體晶圓的混合接合方法，所述方法包括: 提供第一半導(dǎo)體晶圓和第二半導(dǎo)體晶圓，在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上的絕緣材料內(nèi)均設(shè)置有多個導(dǎo)電焊盤； 對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面實(shí)施化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，其中，所述CMP工藝在所述多個導(dǎo)電焊盤的頂面上形成凹槽； 對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面進(jìn)行清潔； 在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的頂面上方形成密封層； 從所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料上方去除所述密封層，留下在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤的頂面上的凹槽中保留的所述密封層； 將所述第二半導(dǎo)體晶圓的 頂面連接至所述第一半導(dǎo)體晶圓的頂面； 對所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓施加壓力以在所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的絕緣材料之間形成接合；以及 加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓，其中，加熱所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓形成由所述第一半導(dǎo)體晶圓和所述第二半導(dǎo)體晶圓的多個導(dǎo)電焊盤之間的密封層組成的接合。
【文檔編號】H01L23/31GK103474420SQ201210359518
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】劉丙寅, 黃信華, 趙蘭璘, 蔡嘉雄 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司