[发明专利]半导体基材直接结合的方法

说明书

一种使第一基材与第二基材直接结合的方法，所述第一基材和第二基材包含电介质结合层，其中所述结合通过使电介质结合层互相接触形成基材组件并对该组件进行结合后退火来进行，其中两个结合层在结合之前都进行预处理，所述预处理包括按照所述的顺序进行的以下步骤：·在惰性气体等离子体中的第一等离子体活化步骤，·在氧等离子体中的第二等离子体活化步骤，·湿表面处理，包括水洗步骤或包括暴露于含水环境，其中，两个基材上的两个电介质结合层是两个SiCO层或两个SiCN层或两个SiC层。

发明领域

本发明涉及直接结合方法，其中一个半导体基材与另一个半导体基材通过在接触表面之间形成化学键而结合。

背景技术

晶片级直接结合(通常称为'晶片-晶片(wafer to wafer)'结合)包括两个半导体晶片(通常是具有电介质结合层的硅晶片)室温下的对齐和接触，然后进行退火步骤，在该步骤期间在结合层之间形成化学键。

目前的晶片-晶片结合实践主要分为两类：

o两个晶片的表面都是毯式、平坦的未图案化电介质结合层，例如氧化硅、氮化硅或硅-碳-氧化物(低k电介质)层。

o两个晶片的表面都是平坦的图案化的电介质/金属层(称为混杂晶片结合)。主要的区域部分被电介质材料覆盖，而其它区域是金属性的，主要形成接触垫和金属线。通过上述相同的机理进行电介质区域之间的结合。金属区域重叠的位置可用于实现晶片之间的电接触。

对于这两类，在结合之前都可使用化学机械抛光(CMP)降低电介质层的粗糙度。进行表面处理，例如等离子体处理和超声或其它清洁技术。所需的结合后退火温度通常高于400℃，以实现所需的结合强度。为了降低结合方法的热预算，希望在较低的温度下获得高强度结合。这在存储器装置领域中特别重要。

在'管芯-晶片(die to wafer)'结合方法中面临同样的问题，在该方法中，半导体芯片通过直接结合与载体晶片结合。在后一个领域中，已经知道使用硅碳氮化物(SiCN)作为电介质结合层。可以参考US2013/0207268。但是，所引用的文献没有详细描述结合方法，对于可以实施的退火温度也没有给出任何信息。US2010/0211849描述了在晶片-晶片直接结合方法中SiCN作为'结合辅助膜(bonding aid film)'。但是，该方法在热预算(结合后退火温度是400℃)方面还有进一步改善的空间。

已经描述了在结合之前对电介质结合表面的各种等离子体处理。已经知道基于氮的等离子体预处理可以改善结合强度。还描述了一系列的等离子体处理。例如，文献US-A-2005/0173057描述了通过氧气下的反应性离子蚀刻(RIE)处理、然后氮气下的微波等离子体处理的对Si或SiO₂表面的一系列的处理。对于特定的结合层，例如SiCN层，这些处理是不够的或不合适的，需要改进的方法来提高结合强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过基材表面上的电介质结合层之间的直接结合来结合基材的方法，其中相比于现有技术结合强度得到改善。本发明涉及依据所附权利要求的方法。

本发明的方法是一种使第一基材与第二基材直接结合的方法，所述第一基材和第二基材包含电介质结合层，其中所述结合通过使电介质结合层互相接触形成基材组件并对该组件进行结合后退火来进行，其中两个结合层在结合之前都进行预处理，该预处理包括按照所述的顺序进行的以下步骤：

·在惰性气体等离子体中的第一等离子体活化步骤，

·在氧等离子体中的第二等离子体活化步骤，

·湿表面处理，包括水洗步骤或包括暴露于含水环境，

其中，两个基材上的电介质结合层是两个SiCO层或两个SiCN层或两个SiC层。