[发明专利]用于直接接合半导体结构的改善的接合表面

说明书

技术领域

本发明涉及将半导体结构直接接合（bonding）在一起的方法，并且涉及使用这些方法形成的接合的半导体结构。

背景技术

两个或更多个半导体结构的三维(3D)集成可对微电子应用产生许多好处。例如，微电子元件的3D集成可导致改善的电性能和功耗，同时减小器件封装（foot print）的面积。例如参见P.Garrou等人的“The Handbook of3D Integration”（Wiley-VCH(2008)）。

半导体结构的3D集成可通过以下方式进行：将半导体裸片(die)附连到一个或更多个另外的半导体裸片(即，裸片到裸片(D2D))，将半导体裸片附连到一个或更多个半导体晶片(即，裸片到晶片(D2W))，以及将半导体晶片附连到一个或更多个另外的半导体晶片(即，晶片到晶片(W2W))，或其组合。

将一个半导体结构接合到另一个半导体结构时所使用的接合技术可按照不同的方式分类，一种方式是在两个半导体结构之间是否提供了将它们接合在一起的中间材料层，第二种方式是接合界面是否允许电子(即，电流)通过该界面。所谓的“直接接合方法”是这样的方法，在所述方法中，在两个半导体结构之间建立直接的固相到固相化学键来将它们接合在一起，而不在两个半导体结构之间使用中间接合材料来将它们接合在一起。已经开发出直接金属对金属接合方法，以将第一半导体结构表面处的金属材料接合至第二半导体结构表面处的金属材料。

直接金属对金属接合方法还可按照每种方法进行时的温度范围来分类。例如，一些直接金属对金属接合方法在相对高的温度下进行，导致在接合界面处金属材料至少部分熔融。这些直接接合工艺可能不适用于接合经处理的包括一个或更多个器件结构的半导体结构，因为相对高的温度会对早期形成的器件结构造成不利影响。

“热压接合”方法是这样的直接接合方法，在所述方法中，在二百摄氏度(200°C)至约五百摄氏度(500°C)之间，并且常常在约三百摄氏度(300°C)至约四百摄氏度(400°C)之间的高温下，在接合表面之间施加压力。

已开发出可在两百摄氏度(200°C)或更低的温度下进行的另外的直接接合方法。这些在两百摄氏度(200°C)或更低的温度下进行的直接接合工艺在本文中称为“超低温”直接接合方法。超低温直接接合方法可通过仔细去除表面杂质和表面化合物(例如，原生氧化物)并且按照原子级（atomic scale）增加两个表面之间亲密接触的面积来进行。两个表面之间亲密接触的面积通常通过以下方式实现：对接合表面进行抛光以将表面粗糙度减小至达到接近原子级的值，在接合表面之间施加压力导致塑性变形，或对接合表面进行抛光和施加压力二者来获得这种塑性变形。

尽管为了在接合界面处实现合适的接合强度，在其它超低温直接接合方法中可在接合界面处的接合表面之间施加压力，但是一些超低温直接接合方法可在没有在接合界面处的接合表面之间施加压力的情况下进行。在接合表面之间施加压力的超低温直接接合方法在本领域中常常称作“表面辅助接合”或“SAB”方法。因此，如本文中所使用的，术语“表面辅助接合”和“SAB”表示并包括通过将第一材料对接第二材料并在两百摄氏度(200°C)或更低的温度下在接合界面处的接合表面之间施加压力来将第一材料直接接合至第二材料的任何直接接合工艺。

在一些情况下，即使半导体结构的导电特征之间可能初始建立了可接受的直接金属对金属接合，半导体结构中的有源导电特征之间的直接金属对金属接合在一段时间之后也会易于出现机械故障或电故障。尽管并非完全理解，据认为，这种故障可能至少部分地由三个有关机制中的一个或更多个引起。这三个有关机制是：应变局部化（可能由大晶粒促成）、与变形相关联的晶粒(grain)生长、以及接合界面处的质量输送。接合界面处的这种质量输送可能至少部分地由电迁移、相偏析等引起。

电迁移是导电材料中的金属原子由于电流而引起的迁移。本领域中已经讨论了用于改善互连的电迁移寿命的各种方法。例如，用于改善铜互连的电迁移寿命的方法在J.Gambino等人的“Copper Interconnect Technology for the 32 nm Node and Beyond”（IEEE 2009 Custom Integrated Circuits Conference(CICC)，第141-148页）中有所讨论。