三維ic方法和器件的制作方法
【專利說明】三維IC方法和器件
[0001]本申請是2006年8月7日提交的、于2008年3月4日進入中國國家階段的、PCT申請?zhí)枮镻CT/US2006/030703、國家申請?zhí)枮?00680032364.1、發(fā)明名稱為“三維IC方法和器件”的申請之分案申請
[0002]交叉引用的相關(guān)申請
[0003]本申請涉及申請?zhí)枮?9/532，886的申請、第6，500, 794號美國專利、申請?zhí)枮?0/359，608的申請、申請?zhí)枮?0/688，910的申請、第6，867，073號美國專利、以及申請?zhí)枮?0/440, 099的申請，其全部內(nèi)容通過引用被結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及三維集成電路領(lǐng)域，更確切地說，涉及使用直接晶片鍵合(directwafer bonding)的三維集成電路的器件及其制造。
【背景技術(shù)】
[0005]半導體集成電路(IC) 一般被制造在硅晶片中和硅晶片的表面上，導致IC面積必須隨著IC的尺寸增加而增加。減小IC中晶體管尺寸方面的不斷改善，通常被稱為摩爾定律，已使得在給定IC面積中的晶體管數(shù)目不斷增加。然而，不管該晶體管密度如何增加，很多應(yīng)用還是由于所需晶體管數(shù)量的更大程度增加或者晶體管之間所需橫向互連數(shù)目的增加，需要增加總體IC面積以實現(xiàn)特定功能。在單個、大面積的IC管芯上實現(xiàn)這些應(yīng)用一般導致芯片成品率減少，并且相應(yīng)地，增加IC成本。
[0006]IC制造的另一個趨勢是增加在單個IC內(nèi)不同類型電路的數(shù)目，更常見地被稱為片上系統(tǒng)(SoC)。該制造一般要求增加掩模層數(shù)以制造不同類型的電路。掩模層數(shù)的增加一般也導致成品率減少，并且相應(yīng)地，增加IC成本。避免這些不必要的成品率減少以及成本增加的解決方法是將IC垂直堆疊和垂直互連。這些IC可以是不同尺寸的，來自不同尺寸的晶片，包含不同功能(即模擬的、數(shù)字的、光學的)，由不同材料制成(即硅、GaAs、InP，等)。IC可以在堆疊之前被測試，使得已知合格管芯(known good die，KGD)被組合以增加成品率。該垂直堆疊和垂直互連方法的商業(yè)成功取決于堆疊和互連的成品率和成本相比之下優(yōu)于增加IC或者SoC面積的相關(guān)成品率和成本。實現(xiàn)該方法的可制造方法是使用直接鍵合來垂直地堆疊IC以及使用傳統(tǒng)晶片制造技術(shù)包括晶片減薄、光刻掩模、通孔蝕刻和互連金屬化(interconnect metallizat1n)來形成垂直互連結(jié)構(gòu)。作為直接鍵合堆疊的直接結(jié)果或者作為在直接鍵合堆疊之后后續(xù)晶片制造技術(shù)的結(jié)果，能夠形成被堆疊IC之間的垂直電互連。
[0007]該方法的垂直互連部分的成本與蝕刻通孔和形成電互連所需光刻掩模層數(shù)的數(shù)目直接相關(guān)。因而有必要最小化形成垂直互連所需光刻掩模層數(shù)的數(shù)目。
[0008]垂直堆疊和垂直互連的一種形式是(襯底上的)IC被面對面地鍵合、即IC側(cè)對IC側(cè)地鍵合。該形式可以以晶片對晶片的形式完成，但是一般優(yōu)選地以管芯對晶片的形式完成，其中IC側(cè)朝下的管芯被鍵合到IC側(cè)朝上的晶片，使得能堆疊已知合格管芯(KnownGood Die, KGD)以增加成品率。垂直互連可以作為堆疊的直接結(jié)果被形成，例如如申請10/359, 608中所述，或者作為直接鍵合堆疊之后后續(xù)晶片制造技術(shù)的結(jié)果被形成。直接鍵合堆疊之后的后續(xù)晶片制造技術(shù)一般包括如下。管芯一般通過移除大部分管芯襯底來被充分減薄。由于襯底中晶體管的位置，例如在體CMOS IC中的情況下，芯片襯底通常不能被完全移除。因而襯底一般被盡可能的最大程度地移除，留下充裕的剩余襯底來避免對晶體管的傷害。然后通過蝕刻通孔使其穿過遺留襯底到達管芯IC中的互連位置，來形成到管芯IC的互連，使得該通孔的附近不需要有晶體管。此外優(yōu)選地，為了實現(xiàn)最高互連密度，繼續(xù)將通孔穿過整個管芯IC并進入晶片IC中到達晶片IC中的互連位置。該通孔一般延伸穿過絕緣電介質(zhì)材料，該絕緣電介質(zhì)材料提供管芯IC和晶片IC中互連位置的所需電隔離而暴露管芯IC和晶片IC中的所需電連接位置。在該通孔形成之后，可以用導電材料來制作到達管芯IC和晶片IC中被暴露的所需電連接位置的垂直互連。導電材料和通孔側(cè)壁上所暴露襯底之間的絕緣層可以被用于避免導電材料和襯底之間不希望的電導通。
[0009]該結(jié)構(gòu)的制造一般要用四層光刻掩模層來構(gòu)造。這些層是:1)穿過襯底的通孔蝕亥lj;2)穿過管芯IC和晶片IC中絕緣電介質(zhì)材料的、暴露管芯IC和晶片IC中的所需導電材料的通孔蝕刻；3)穿過隨后沉積的絕緣層到暴露了管芯IC和晶片IC中的所需導電材料的暴露的襯底通孔側(cè)壁的通孔蝕刻，該絕緣層電隔離了將管芯IC中的互連位置與晶片IC中的互連位置互連的導電材料；4)用管芯IC中暴露的互連點和晶片IC中暴露的互連點之間的導電材料互連。
[0010]限定蝕刻穿過絕緣(電介質(zhì))材料的通孔的圖案一般小于限定蝕刻穿過襯底的通孔的圖案，以充分暴露管芯IC和晶片IC中的互連部分并避免移除襯底通孔側(cè)壁上的絕緣材料。因為這些圖案是在襯底中的通孔形成之后被形成的，所以一般在圖案化襯底通孔的更低拓撲層(topographical level)上完成該圖案化。這導致在非平整結(jié)構(gòu)上方圖案化，這限制了結(jié)構(gòu)縮小到實現(xiàn)最高互連密度所需的極小的特征尺寸并消耗存在可用的晶體管(funct1nal transistor)處的盡可能最小限度的娃襯底。
[0011]因而，希望提供具有該結(jié)構(gòu)的器件和用于制造需要減少掩模步驟數(shù)目的所述結(jié)構(gòu)的方法，以及可以在平整表面上被實現(xiàn)于結(jié)構(gòu)中的最高拓撲層上或者最高拓撲層之一上的掩模步驟。還希望提供具有該結(jié)構(gòu)的器件和方法以制造所述結(jié)構(gòu)，由此可以在存在可用的能晶體管處實現(xiàn)硅的最小消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明關(guān)注于三維器件集成的方法和三維集成器件。
[0013]在方法的一個實例中，具有第一接觸結(jié)構(gòu)的第一元件被與具有第二接觸結(jié)構(gòu)的第二元件集成起來。方法可以包括步驟:在至少暴露于第一接觸結(jié)構(gòu)的第一元件中形成通孔，在通孔中形成導電材料并且其至少被連接到第一接觸結(jié)構(gòu)，以及將第一元件鍵合到第二元件使得第一接觸結(jié)構(gòu)和導電材料其中之一被直接連接到第二接觸結(jié)構(gòu)。
[0014]在第二實例中，方法可以包括步驟:在第一元件中形成通孔，在通孔中形成第一導電材料，將第一導電材料連接到第一接觸結(jié)構(gòu)，以及將第一元件鍵合到第二元件使得第一接觸結(jié)構(gòu)和第一導電材料其中之一被直接連接到第二接觸結(jié)構(gòu)。
[0015]在第三實例中，方法包括步驟:在具有第一襯底的第一元件中形成通孔，在通孔中形成導電材料，在形成通孔和導電材料之后在第一元件中形成被電連接到導電材料的接觸結(jié)構(gòu)，形成具有至少一個第二接觸結(jié)構(gòu)的第二元件，移除第一襯底的一部分以暴露出通孔和導電材料，將第一襯底鍵合到第二襯底，以及作為鍵合步驟的一部分在第二接觸結(jié)構(gòu)與第一接觸結(jié)構(gòu)和導電材料其中之一之間形成連接。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明所述的集成結(jié)構(gòu)的一個實例中，第一元件其具有第一接觸結(jié)構(gòu)，第二元件其具有第二接觸結(jié)構(gòu)，第一通孔其被形成于第一元件中，形成于第一通孔中的第一導電材料其被連接到第一接觸結(jié)構(gòu)，以及第一元件其被鍵合到第二元件使得第一接觸結(jié)構(gòu)和導電材料其中之一被直接連接到第二接觸結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0017]參考下列結(jié)合附圖的詳細描述，本發(fā)明變得更好理解，而本發(fā)明的更完全的解釋以及其大量附帶優(yōu)點也因而易于獲得，其中:
[0018]附圖1表示了要被面朝下地鍵合到面朝上的晶片的管芯；
[0019]附圖2A表示了被鍵合到襯底的管芯；
[0020]附圖2B表顯示了被鍵合到襯底的管芯，其中有管芯襯底的一部分被移除；
[0021]附圖2C表不了被鍵合到另一襯底的襯底；
[0022]附圖3A表示了在附圖2A的結(jié)構(gòu)上方形成電介質(zhì)膜和掩模層；
[0023]附圖3B表示了在形成平整化材料之后形成電介質(zhì)膜和掩模層；
[0024]附圖4表顯不了在附圖3A和3B的電介質(zhì)膜和掩模層中形成開口 ；
[0025]附圖5表示了使用如附圖4中所示所形成的開口來蝕刻管芯；
[0026]附圖6A表示了進一步蝕刻以暴露管芯和晶片中的接觸結(jié)構(gòu)；
[0027]附圖6B表示了包括形成硬掩模的工藝修改(process modificat1n)；
[0028]附圖7A表示了在形成保形絕緣側(cè)壁層之后的附圖6A的結(jié)構(gòu)的一部分；
[0029]附圖7B為實施方案的變化，其中硬掩模被移除；
[0030]附圖8A表示了保形絕緣側(cè)壁層的各向異性蝕刻；
[0031]附圖8B為實施方案的變化，其中硬掩模被移除；
[0032]附圖8C-8F表示了在鍵合結(jié)構(gòu)中形成保形膜的方式上的變化；
[0033]附圖8G-8J分別表示了在蝕刻保形膜之后的附圖8C-8J中所示結(jié)構(gòu)；
[0034]附圖8K表示了在鍵合結(jié)構(gòu)中形成側(cè)壁膜的替代方式；
[0035]附圖9A表示了形成包含金屬種子層和金屬填料的金屬接觸；
[0036]附圖9B為實施方案的變化，其中硬掩模被移除；
[0037]附圖9C為實施方案的變化，其中沒有形成種子層；
[0038]附圖1OA表示了化學機械拋光之后的附圖9A或9B的結(jié)構(gòu)；
[0039]附圖1OB表示了化學機械拋光之后的附圖9C的結(jié)構(gòu)；
[0040]附圖10C-10F表示了填充鍵合結(jié)構(gòu)中的空腔的替代方法；
[0041 ]附圖11表示了附圖1OA的結(jié)構(gòu)的金屬化；
[0042]附圖12表示了使用掩模層而沒有居間電介質(zhì)層的第二實施方案；
[0043]附圖13表示了在第二實施方案中形成金屬接觸；
[0044]附圖14表示了化學機械拋光之后的附圖13的結(jié)構(gòu)；
[0045]附圖15表不了本發(fā)明的另一實施方案；
[0046]附圖16A表示接觸結(jié)構(gòu)被放置于器件之一的表面中的實施方案；
[0047]附圖16B表示了進一步處理之后的附圖16A的結(jié)構(gòu)；
[0048]附圖17表示了使用根據(jù)本發(fā)明所述方法生產(chǎn)的具有附圖16A和16B中所示結(jié)構(gòu)的器件；
[0049]附圖18表不了本發(fā)明的另一實施方案；
[0050]附圖19A表示了使用本發(fā)明所述方法生產(chǎn)的具有附圖18中所示結(jié)構(gòu)的器件；
[0051]附圖19B表示了具有形成于附圖19A的結(jié)構(gòu)上方的平整化的材料和接觸的結(jié)構(gòu)；
[0052]附圖19C表示了被直接鍵合的接觸，其類似于附圖19A的結(jié)構(gòu)但是沒有開口 ；
[0053]附圖20A-20H表示了具有側(cè)壁膜的第五實施方案；
[0054]附圖21A-21E表示了第六實施方案，其中襯底被實質(zhì)上完全地移除；
[0055]附圖22A-22L表示了第七實施方案，其中在管芯分切(die singulat1n)之前形成通孔；
[0056]附圖23A-23K表示了第八實施方案，其中管芯被朝下(top down)地裝載；
[0057]附圖23L表示了將具有被填充通孔的結(jié)構(gòu)以朝下(top-down)和朝上(top-up)的構(gòu)造來鍵合；
[0058]附圖23M和23N表示了鍵合第二級的管芯；
[0059]附圖230表不了晶片對晶片的鍵合；
[0060]附圖24A和24B表示了第八實施方案的變化，其中管芯被朝上(top up)地裝載；[0061 ]附圖25A-25F表示了第九實施方案，其具有在鍵合之前被填充的通孔；以及
[0062]附圖26A和26B表示了第十實施方案，其具有被填充的通孔和表面接觸。
【具體實施方式】
[0063]現(xiàn)在參考附圖，特別是附圖1，將描述根據(jù)本發(fā)明所述方法的第一實施方案。這里要注意的是附圖不是按比例繪制而只是為了闡釋發(fā)明的概念。
[0064]襯底10包括具有接觸結(jié)構(gòu)12的器件區(qū)11。襯底10可以由很多材料制成，諸如半導體材料或者絕緣材料，其取決于所需應(yīng)用。一般地，襯底10是由硅或者II1-V族材料制成。接觸結(jié)構(gòu)12—般是對襯底10中所形成的器件或電路結(jié)構(gòu)(未顯示)構(gòu)成接觸的金屬焊墊或者互連結(jié)構(gòu)。襯底10還可以包含被連接了接觸結(jié)構(gòu)12的集成電路，并且襯底10可以為只包含接觸結(jié)構(gòu)的模塊。例如，襯底10可以是用于互連被鍵合于襯底10的結(jié)構(gòu)的模塊，或者為封裝或與例如印刷電路板上的其它模塊或電路結(jié)構(gòu)集成起來而產(chǎn)生連接的模塊。模塊可以由絕緣材料諸如石英、陶瓷、BeO、或者AlN制成。
[0065]被安置于表面13上以鍵合到襯底10的是三個獨立的管芯14-16。每個管芯具有襯底部分19，器件區(qū)18和接觸結(jié)構(gòu)17。管芯可以在之前通過切片(dicing)等從另一晶片上被分離出來。管芯14-16可以由很多材料制成，諸如半導體材料，取決于所需應(yīng)用。一般地，襯底是由硅或者II1-V族材料制成。接觸結(jié)構(gòu)17 —般是對器件區(qū)18中所形成的器件或電路結(jié)構(gòu)構(gòu)成接觸的金屬焊墊或者互連結(jié)構(gòu)。接觸結(jié)構(gòu)12和17的尺寸每個都可以不同。接觸結(jié)構(gòu)尺寸的典型范圍是在I到20微米之間，但是該尺寸和相關(guān)尺寸可以超出該范圍，取決于對準容差(alignment tolerance)、電路設(shè)計參數(shù)或者其它因素。接觸結(jié)構(gòu)的尺寸是為了圖釋發(fā)明概念而繪制的，而不是為了對其作限制。器件區(qū)18還可以包含被連接了接觸結(jié)構(gòu)17的集成電路。幾乎全部的襯底部分19可以被移除，留下器件層、電路、或者電路層。并且，管芯14-16的襯底可以在鍵合之后被減薄到所需厚度。
[0066]管芯14-16可以由與晶片10相同的技術(shù)、或者不同的技術(shù)制成。管芯14_16可以每個都為相同的或者不同的器件或材料。每個管芯14-16具有形成于器件區(qū)18中的導電結(jié)構(gòu)17。結(jié)構(gòu)17被間隔開以在其間留下縫隙，或者可以是具有可跨整個接觸結(jié)構(gòu)延伸的開口的單體結(jié)構(gòu)。換句話說，開口可以是接觸結(jié)構(gòu)中的孔或者可以將接觸結(jié)構(gòu)一分為二?？梢杂捎糜诒绘I合的特定技術(shù)的光刻設(shè)計規(guī)則來決定縫隙或開口的尺寸。例如，可以要求接觸結(jié)構(gòu)12和17的最小橫向?qū)挾?，以在隨后用互連金屬形成可靠的、低阻的電連接。
[0067]決定縫隙或開口最優(yōu)尺寸的另一個因素是由接觸結(jié)構(gòu)17和12之間的垂直間距加上接觸結(jié)構(gòu)17的厚度所得的距離與縫隙或開口尺寸之比。這定義了隨后將被形成于接觸結(jié)構(gòu)17和12之間以使得接觸結(jié)構(gòu)17和12之間能電互連的通孔的縱橫比。該垂直間距一般是I到5微米，或者對于氧化物對氧化物直接鍵合而言更少，如申請?zhí)枮?9/505，283的申請中所述那樣，其內(nèi)容通過引用被結(jié)合到本文中；或者對于金屬直接鍵合而言可能為零，如申請?zhí)枮?0/359,608的申請中所述那樣，其內(nèi)容通過引用被結(jié)合到本文中。此外，接觸結(jié)構(gòu)17的厚度一般是0.5到5微米。典型所需通孔縱橫比為0.5到5其取決于所用加工技術(shù)；縫隙的尺寸典型范圍對于氧化物對氧化物鍵合而言是0.3到20微米，或者對于金屬直接鍵合而言是約0.1到10微米。金屬直接鍵合的情況將在以下的第四實施方案中被描述。
[0068]管芯14-16通常被與接觸結(jié)構(gòu)12對準使得結(jié)構(gòu)17和縫隙或開口被放置于相應(yīng)的接觸結(jié)構(gòu)12上方。選擇接觸結(jié)構(gòu)12的尺寸以允許管芯14-16被簡單地對準接觸結(jié)構(gòu)17間的縫隙。該尺寸取決于將管芯14-16放置于襯底10上所用方法的對準精度。使用可商用生產(chǎn)工具的一般方法允許對準精度在I到10微米的范圍內(nèi)，盡管將來這些工具的改進很有可能產(chǎn)生更小的對準精度。接觸結(jié)構(gòu)17向縫隙或開口外的橫向展寬(lateral extent)優(yōu)選地至少為由該對準精度所給定的距離。
[0069]雖然對于每個管芯14-16只顯示了一組接觸結(jié)構(gòu)17，但是要理解的是接觸結(jié)構(gòu)17的橫向展寬一般遠小于每個管芯14-16的橫向展寬，所以每個管芯可以具有數(shù)個或大量的接觸結(jié)構(gòu)17。例如，接觸結(jié)構(gòu)17可以具有范圍為I到100微米的橫向展寬，而管芯14-16可以具有范圍為I到100毫米的橫向展寬。這樣可以實現(xiàn)具有14量級以及遠高于此的、管芯14-16中接觸結(jié)構(gòu)17的數(shù)量。
[0070]如附圖2A中所示，管芯14的表面20被鍵合到襯底10的表面13。這可以通過很多方法來完成，但是優(yōu)選地在室溫下使用如申請?zhí)枮?9/505，283的申請中所述的鍵合方法來鍵合，其中鍵合強度(bonds of strength)的范圍為500到2000mJ/m2，即，形成了化學鍵。管芯14-16鍵合到襯底10如附圖2中所示。在鍵合之后管芯14-16的襯底被減薄。減薄一般通過拋光、研磨、蝕刻、或者這三種技術(shù)的組合來實現(xiàn)，以留下減薄的襯底21或者完全移除襯底部分19。附圖2B顯示了其中襯底部分19被完全地或者幾乎完全地移除的實例。并且，管芯14-16的襯底可以在鍵合之前被減薄。
[0071 ] 在一個實例中，其中形成了接觸12和17的材料為沉積氧化物(depositedoxide)，諸如S12,其使用化學氣相沉積(CVD)或者等離子增強CVD(PECVD)、濺射或者通過蒸鍍來形成。其它材料諸如氮化娃、非晶娃、聚合物、半導體或者燒結(jié)材料(sinteredmaterial)也可以被使用。并且，沉積氧化物層可以被形成于管芯上。
[0072]然后，表面被用直接鍵合技術(shù)鍵合。優(yōu)選地，可以使用任意類型的氧化物鍵合，特別是低溫或室溫氧化物鍵合。鍵合技術(shù)可以包括將表面13和20平整化和光滑化，(表面20可以在管芯分切之前被制備)。該步驟可以使用化學機械拋光來完成。表面優(yōu)選地被拋光到粗糙度不大于約0.5到1.5nm、優(yōu)選地不大于約0.5nm并為大致平整的。表面粗糙度的值一般被給定為均方根(RMS)值。并且，表面粗糙度可以被給定為近似與RMS值相同的平均值。在拋光之后，表面被清潔和干燥以去除來自拋光步驟的剩余物。被拋光的表