[发明专利]用于三维IC互连的衬底对衬底键合装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于三维(3D)互连的衬底对衬底键合装置和方法，而且，具体地涉及直接金属键合的装置和方法。

背景技术

随着缩小半导体器件的成本不断增加，探索了可选择的方法，例如将电路集成扩展至三维或半导体衬底堆叠。将两个或更多衬底键合在一起以形成三维结构。对于这些结构已应用了多种键合工艺。

粘合键合和电介质熔合键合是将电介质层键合在一起的键合工艺。在键合后需要进一步地工艺步骤的工艺中通常采用粘合键合和电介质熔合键合，例如穿透通孔刻蚀工艺。另一种键合的方法是传统直接金属键合，其将一个衬底的金属键合至另一衬底的金属。许多传统直接金属键合方案采用焊球。

传统的直接金属键合在包含低k值电介质的结构上采用以铜到铜进行键合时，可能会引起结构和电性问题。随着半导体芯片不断缩小，金属层之间的绝缘电介质已很薄以至于电荷积累和串扰会不利地影响器件性能。用相同厚度的低k值电介质替换二氧化硅或类似电介质以减少寄生电容，能够加快切换速度和降低热消耗。然而，低k值材料通常为多孔材料，其可能没有传统电介质一样机械地强壮。

在传统的金属到金属的直接键合中，可采用额外的对离子体预处理工艺以从衬底金属键合衬垫的金属表面去除表面氧化物，相对比的是，在传统工艺中发现的侵蚀较少的等离子体预处理。接着衬底被传送至键合工具。在传送衬底的过程中，金属键合衬垫被暴露在空气中。表面氧化物和污染可开始聚集在衬底的金属表面上。此外，在传统键合工具中，金属键合衬垫被暴露在空气中。传统键合工具可需要高温例如400℃以进行3D IC键合。在采用超声波键合时，键合工具也可施加高达几个psi的压力至衬底。

传统直接金属到金属键合的缺点是额外的等离子体预处理可损伤器件或低k值材料。而且，传统键合的相对高温也可损伤低k值材料。损伤的低k值材料可具有较高的电介质常数，且因此导致3D器件的较高的RC延迟。

传统直接金属键合的另一缺点是金属衬垫的表面在焊球工艺中可具有分隔彼此的间隙，其具有约20-40μm的厚度。在已知的直接焊料键合工艺中，键合环境是在暴露在空气中的，因此金属衬垫或焊料在空气中被再次氧化。接着将每一个衬底上的金属键合衬垫键合，它们之间会存在上述再氧化层。这个氧化物和/或污染层可能是多孔的，湿气可能接着会侵蚀金属衬垫，引起器件的可靠性问题。

发明内容

通过用于三维互连的衬底对衬底直接键合(其采用在原位还原模件)的方法和装置，总地解决或克服了这些和其他问题，并一般地得到技术效果。

根据实例性的实施例，本发明提供的装置包括键合头、辅助支撑、还原模件和变换器。键合头抓住第一衬底，第一衬底包括第一金属衬垫组。辅助支撑抓住第二衬底，第二衬底包括第二金属衬垫组。对准器通过将所述第一金属衬垫组与第二金属衬垫组对准而形成对准的金属衬垫组。还原模件容纳所述对准的金属衬垫组，且还原性气体流入所述还原模件。所述变换器提供对所述对准的金属衬垫组的重复的相关运动。

该实施例的一个优点是，键合装置可需要低于等离子体预处理的传统工艺的键合温度，在等离子体预处理之后被传送至传统键合工具。进一步地，由于没有进行等离子体预处理，因此也没有侵蚀。没有损伤低k值材料，从而将改善RC延迟时间。而且，其他优点是由于低温减少了工艺时间。

额外的优点是键合金属衬垫的结果的两个衬底的间隙被减小至小于约5μm，优选地小于约1μm。将间隙减小至小于5μm的好处是减小渗入间隙材料和侵蚀金属衬垫的潮气。进一步地，较薄的间隙可消除进一步处理键合的衬底的复杂度。

前述宽泛的略述了示意性实施例的特征和技术优点，这是为了可对本发明之后详细描述的内容有更好的理解。将在此后详细描述示意性实施例额外的特征和优点，这将形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该明白的是：可轻易以在此所揭示的内容和具体实施例为基础，修改或设计其他结构或工艺以实现与本发明相同的目的。本领域技术人员也应当意识到不脱离该示意性实施例的思想和范围的类似等同结构也应包含在权利要求中。

附图说明

参照结合附图的下列描述可对本发明说明性的实施例及其优点有更清楚的理解，其中：

图1为根据说明性实施例通过直接金属键合工艺形成的三维互连的剖面图；

图2为根据说明性实施例用于三维互连的衬底对衬底键合的方法流程图；

图3为根据说明性实施例用于晶圆键合三维互连的装置的选择部件图；

图4为根据说明性实施例原位还原模件的侧视图；

图5为根据说明性实施例原位还原模件的俯视图；