用于永久连接两个金属表面的方法技术

本发明专利技术涉及用于永久连接两个金属表面的方法。本发明专利技术涉及用于在第一衬底的第一金属表面和第二衬底的第二金属表面之间制造永久的导电连接的方法，具有如下方法步骤：处理第一和第二金属表面，使得在连接金属表面时制造至少主要由于在两个金属表面的同类的金属离子和/或金属原子之间金属离子的表面扩散和/或晶界扩散而产生的永久的导电连接，定向和键合第一和第二金属表面，其中在处理、定向和键合期间不超过最大300℃的过程温度。

【技术实现步骤摘要】

本申请是申请日为2011年2月23日、申请号为201180016870.2、专利技术名称为“用于永久连接两个金属表面的方法”的专利技术专利申请的分案申请。本专利技术涉及按照权利要求1的用于在两个金属表面之间制造永久连接的方法。
技术介绍
在两个金属表面之间制造永久的导电金属连接在半导体工业中越来越重要。特别是对于在所谓的“3D集成器件或IC（3DIC）”的领域中新式的封装技术，在两个功能层面之间的金属键合（Bond）连接起决定性作用。在此，首先在两个独立的衬底上制成有源或无源的电路，并且在键合步骤将它们永久地相互连接，以及建立电接触。该连接步骤可以或者借助两个晶片（晶片到晶片-W2W）的连接、一个或多个芯片与晶片（芯片到晶片-C2W）的连接、或者一个或多个芯片与芯片（芯片到芯片-C2C）的连接方法来进行。在这些连接方法中对在两个连接面之间的直接连接有大的兴趣，其中两个面很大程度上由相同的材料（金属）组成。在此如下方法是完全尤其有利的，所述方法在所述连接层面中很大程度上无附加的材料也行。通常在此情况下使用铜（Cu）或铝（Al）或金（Au）作为金属化结构。但是，应当澄清的是，本专利技术原则上也与其它金属相互作用地起作用，并且金属选择主要基于芯片结构的要求和预加工步骤。因此其他金属也应当是被认为是本专利技术的所需要的。此外，该方法也可以被应用到所谓的“混合键合界面（HybridBondInterface）”上。这些混合界面由被非金属区域包围的金属接触面的合适组合组成。这些非金属区域在此被设计为使得可以在单个结合步骤中不仅制造金属接触、而且制造在非金属区域之间的接触。当前这些没有异质材料、尤其是异质金属的连接是通过所谓的扩散键合方法来制造的。在此，接触面相对彼此定向并且接触。接触面借助合适的方法（例如“化学机械抛光（ChemicalMechanicalPolishing）”或者简写为“CMP”）这样被预处理，使得它们是非常平的，并且具有小的表面粗糙度。接触面于是在合适的设备（例如晶片键合机）中被压在一起并且同时被加热到可自由选择的过程温度。这里也可以证实为有利的是，这发生在优化的气氛中、例如真空（例如<1mbar,优选<1e-3mbar）或者在还原性气氛中、尤其是具有氢（H2）高含量（>1％，优选>3％，更好地>5％并且理想地>9％）的气氛。在这些过程条件下现在形成在两个金属表面之间的所谓的扩散键合。在此，金属原子或分子在低共熔金属复合物的情况下在两个表面之间来回扩散并且由此建立永久的、金属传导的并且机械上非常稳定的在表面之间的连接。通常，该连接在此具有使得在金属组织中对原始接触面的探测不可能的性质。更确切地说，该连接表现为均质的金属结构，其现在延伸超出原始的接触面。当今强烈限制该技术的使用的因素是大多相对高的温度，该温度是制造连接和实现尤其是扩散所必需的。在许多情况下，该温度高于300℃，在许多情况下高于350℃，典型地380至400℃并且在确定的情况下也直至450或500℃高于由部件可以容忍的温度（典型地<260℃，经常<230℃，对于确定的部件<200℃，并且在确定情况下<180或甚至150<℃）并且因此防止或者限制了该方法的使用。现在本专利技术回避了该问题，因为其能够实现如下方法，其中所需要的过程温度被显著地降低。这些金属连接在下面在该文献中现在应当被称为“真实的（sortenreine）键合连接”。在此，总是提到键合连接，在键合连接中在两个由金属A制成的金属接触面之间产生连接，而不借助永久地置入该连接中的异质材料、尤其是异质金属B，其具有不同的基本成分。如上面已经描述地，当前存在的方法通过实现扩散过程需要的过程温度限制。原则上，可以理解，扩散过程是与大量因素相关的过程。但是使得该过程在较低的温度情况下较缓慢地进行。但是这在实践中是有问题的，因为这会限制这种过程的经济性或者使得非常费时的（>1h）过程是不经济的。因此，扩散键合过程不应用在同类的接触面之间。代替地，在该情况下，使用焊接连接或者低共熔连接和所谓的金属间复合连接的最不同的表现。作为例子，这里列举了基于铅/锡焊接、铜-银-锡焊接的焊接连接、基于铟的焊接或者还有金-锡或金-硅或者铝-锗以及铜-锡（金属间复合Cu3Sn）。这些方法的缺点不仅存在于制造物流问题中而且也存在于技术问题中。经常应该在制造的仅仅建立并且合格化确定的金属化结构（例如铜）的范围中制造这些键合连接。在该情况下，除了该金属化结构外构建和也合格化用于另外的金属化结构的基础设施是巨大的额外耗费。从技术的角度，低共熔连接在长期稳定性方面被考虑为是关键性的。确定的连接是极其易碎并且因此可以尤其是出现机械的疲劳现象。此外，对于确定的金属化结构要遵循在混合比方面的非常窄的容差，以便保证低共熔连接的所希望的特性（例如融化温度，机械和电特性）。此外，可能引起与低共熔连接问题关联的扩散效应。这样，当来自两个铜接触面之间的界面的锡会扩散穿过整个铜接触并且到达位于其下的、在铜接触和位于其下的层之间的界限层时，这例如是严重的问题。由于变化的金属复合物，这会导致在该界面中的铜的机械分层，并且由此导致部件的机械故障，所述机械故障只有在现场中在多年之后才可能出现。这是以该形式仅仅在微结构情况下可能出现的效应，因为这里使用非常薄的层，其中这种效应才能够起作用。
技术实现思路
因此本专利技术的任务是，说明一种方法，利用所述方法能够实现在金属键合连接情况下的减小的过程温度和/或减少的过程时间。该任务借助权利要求1的特征来解决。本专利技术的有利的改进在从属权利要求中被说明。由至少两个在说明书、权利要求书和/或图中说明的特征的全部组合也落入本专利技术的范畴中。在所说明的值范围情况下，处于所提到的界限内部的值也作为界限值被公开并且可以以任意组合被要求保护。具体实施方式本专利技术现在呈现方法和过程，借助其可以使用于真实的键合连接的键合温度显著下降，并且其由此可以实现将无异质金属也行的连接使用于广泛的使用范围。本专利技术的附加利用也是过程的加速，该加速在理想选择的过程参数的情况下可以被实现，并且其提高过程的经济性。扩散一般可以被划分为置换式和填隙式扩散。在置换扩散情况下，沿着晶格中的其它原子可能所处的点进行各个原子的扩散跳跃。但是，为了根本上可以进行这种扩散跳跃，不允许在原子想跳跃到其上的位置处存在其它原子（存在例外：直接原子交换机制，其在科学上被讨论但是还没有被证实，如果所述直接原子交换机制存在，则其与其它原子交换机制相比稀少地出现，使得其可被忽视）。在其处不存在原子的位置被称为空穴。空穴在进一步的专利描述中将占据根本上重要的方面。在填隙式扩散情况下，较小的原子在晶体的晶格间隙内部扩散。因为我们在本专利中主要研究同原子扩散，因此不进一步考虑填隙式扩散。用于填隙式扩散的例子是氢，其扩散到Si晶体晶格的晶格间隙中。氢与Si相比是如此“小”，使得其在晶格间隙中有空间。按照本专利技术，对于相同金属种类的同原子扩散的情况仅仅置换扩散是合适的。此外，可以在表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于在第一衬底的第一金属表面和第二衬底的第二金属表面之间制造永久的导电连接的方法，具有如下方法步骤：－处理第一和第二金属表面，使得在连接金属表面时制造至少主要由于在两个金属表面的同类的金属离子和/或金属原子之间金属离子的表面扩散和/或晶界扩散而产生的永久的导电连接，－定向和键合第一和第二金属表面，其中在处理、定向和键合期间不超过最大300℃的过程温度。

【技术特征摘要】
2010.03.31 EP 10003568.21.用于在第一衬底的第一金属表面和第二衬底的第二金属表面之间制造永久的导电连接的方法，具有如下方法步骤：
－处理第一和第二金属表面，使得在连接金属表面时制造至少主要由于在两个金属表面的同类的金属离子和/或金属原子之间金属离子的表面扩散和/或晶界扩散而产生的永久的导电连接，
－定向和键合第一和第二金属表面，其中在处理、定向和键合期间不超过最大300℃的过程温度。
2.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：M温普林格，V德拉戈伊，
申请(专利权)人：EV集团E·索尔纳有限责任公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT