[发明专利]半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件

说明书

本发明涉及半导体衬底的接合方法以及由此得到的器件。根据本发明，提供一种使用低温热压的将第一半导体衬底（1）接合到第二半导体衬底（2）的方法。该接合方法包括在热压接合步骤前，原位地机械摩擦金属接触结构表面（3），从而平坦化并去除金属接触结构表面（3）上的氧化物和/或污染物。在热压接合步骤之后是热退火步骤，用于创建所述第一半导体衬底（1）和第二半导体衬底（2）的金属接触结构3之间的界面扩散。

技术领域

本公开一般地涉及半导体衬底的三维堆叠技术领域，更特定为一种使用热压接合半导体衬底的方法。

背景技术

半导体衬底的三维（3D）堆叠是一种很有前途的技术，以用于制造具有改进的性能和功耗，同时保持较低外形系数的器件。在过去的几年中，诸多3D技术领域的技术进步已见诸报道。不过，可靠性问题和高制造成本仍是3D技术无法投入量产的主要问题。这些问题主要是与半导体衬底的接合相关联，更具体的在于材料选择和其中使用的接合方法。

其中，最有吸引力的半导体衬底接合的量产方法是铜到铜的接合，下文中称为铜-铜接合。铜相比其他金属，例如铝和金，是被半导体工业所青睐的金属，因为其有优异的导电特性，且在使用于大批量制造时成本低。而在另一方面，在制造过程中铜容易形成氧化物和其它污染物。因此，为了实现在半导体衬底之间的成功的接合，形成于铜表面上的氧化物和杂质需要被去除。在原则上，铜-铜接合是通过热压（，以下简称为TC-接合）来实现的，藉此方法，半导体衬底的铜表面通过同时被施加力（压力）和热来进行接触。为了突破形成于铜表面上的氧化物和污染物，TC-接合通常需要在约300～450℃的温度下，且采用超过300MPa的持续约20至60分钟的压力。作为TC-接合中施加高温高压的结果，可能在接合的半导体衬底中发生应力相关的故障，从而降低可靠性，因此影响所制造的三维器件的成品率。此外，用于执行TC-接合的条件也限制了可以受益于铜-铜接合的应用。例如，含有DRAM或SRAM单元的存储器芯片不能够承受热压接合中施加的温度和压力。

关于TC-接合，US7973407描述了一些用于最小化或防止铜的氧化，从而达成低温和低压TC-接合三维层叠基板的安排和方法。更具体地说，该文献中所描述的过程流程可以最小化或防止铜的氧化，其方法是通过快速将所述半导体衬底在化学清洗步骤之后进行接合，从而减少了铜表面暴露于大气中的时间，并由此最小化铜氧化。所提出的处理流程在受控环境中的进行，并且需要复杂的处理步骤，例如化学清洗步骤，这是与当前大批量的半导体制造工艺不兼容的。其结果是，制造总成本增加，而产出量下降。

发明内容

在本发明的目的是提供用于在低温和低压下使用热压缩（TC）接合的半导体衬底的方法。

根据本发明，该目的是通过去除形成于所述半导体衬底的表面上的金属接触结构的表面的氧化物和其它污染物来实现的。这个去除步骤是在TC-接合之前进行的，因此用于实现半导体衬底之间的有效接合的所需温度和压力被降低了。

在根据本发明的实施例中，形成在所述半导体衬底的表面上的金属接触结构可以包括如铜，铝或金的材料。更优选地，所述金属表面包括铜，因为铜的低成本和电气特性。

通过减少TC-接合过程中所需的温度和压力，接合衬底的诸多应力相关的故障显著降低。其结果是，TC-接合方法可以适用于具有严格要求的诸多应用，例如，适用于存储器集成电路（IC）的接合。

去除金属表面的氧化物和污染物的操作涉及一种原位机械摩擦动作，优选地，通过随后用于TC-接合的接合机工具执行该原位机械摩擦动作。在该步骤中，半导体衬底的金属接触结构被近距离放置，使它们的表面物理接触。机械摩擦提供一个软的摩擦作用，这是通过控制半导体衬底的X和Y平面内的运动来实现的。通过控制半导体衬底的X和Y平面，形成一个圆形运动。机械摩擦动作以很低的频率进行，而在半导体衬底的XY平面上的运动范围从几纳米到大约几微米，更优选地在XY平面的运动范围约为1um。