用于直接键合结构的尺寸补偿控制制造技术

公开了一种将具有差异厚度的第一半导体元件和第二半导体元件直接混合键合的方法。该方法可以包括：对第一半导体元件上的多个第一接触特征进行图案化。该方法可以包括：对第二半导体元件上的与第一接触特征相对应的多个第二接触特征以用于直接混合键合。该方法可以包括：将光刻倍率校正因子应用于第一图案化和第二图案化中的一者，而不将光刻倍率校正因子应用于第一图案化和第二图案化中的另一者。在各种实施例中，差异膨胀补偿结构可以被设置在第一半导体元件和第二半导体元件中的至少一者上。差异膨胀补偿结构可以被配置为补偿第一半导体元件与第二半导体元件之间的差异膨胀，以减少至少第二接触特征与第四接触特征之间的未对准。的未对准。的未对准。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于直接键合结构的尺寸补偿控制
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月19日提交的美国临时专利申请No.62/991,775的优先权，该临时专利申请的全部内容在此通过引用被整体并入并且用于所有目的。


[0003]本领域涉及用于直接键合结构的尺寸补偿控制。

技术介绍

[0004]半导体元件(诸如半导体晶片或集成器件管芯)可以被堆叠并且在没有粘合剂的情况下直接彼此键合。例如，在一些混合直接键合结构中，元件的非导电场区域可以彼此直接键合，并且对应的导电接触结构可以彼此直接键合。在一些应用中，在相对的接触焊盘之间创建可靠的电连接可能是有挑战性的，特别是对于微倾斜的接触焊盘。因此，仍然需要用于直接键合的改进的接触结构。
附图说明
[0005]现在将参考以下附图来描述具体实施方式，这些附图是以示例而非限制的方法来提供的。
[0006]图1A是根据各种实施例的在直接结合之前的第一元件和第二元件的示意性侧截面图。
[0007]图1B是直接键合结构的示意性侧截面图，其中图1A的第一元件和第二元件彼此直接键合而无需粘合剂。
[0008]图1C是晶片形式的第二元件的示意性侧视图，其示出了减薄之前(左手侧)和减薄之后(右手侧)的晶片翘曲。
[0009]图2A是键合结构的顶平面图，其中集成器件管芯的拉伸在键合结构的至少(多个)部分中产生接触焊盘的未对准。
[0010]图2B是图2A的键合结构的一部分的示意性侧截面图。
[0011]图2C是示出了在将光刻倍率校正因子应用于晶片形式的第一元件之后的键合结构的顶平面图。
[0012]图2D是图2C的键合结构的一部分的经放大的侧截面图。
[0013]图3A是示出了针对减薄之后的第二元件的不同厚度将应用于第二元件的示例光刻倍率校正因子的表。
[0014]图3B是示出了基于图3A中的数据的校正因子和管芯生长量的绘图。
[0015]图3C是示出了针对第一元件的不同厚度将应用于第一元件的示例光刻倍率校正因子的表。
[0016]图3D是图示了基于图3C中的数据的校正因子和管芯生长量的绘图。
[0017]图3E是示出了针对键合层中的不同应力值的、针对第二元件的不同芯片厚度的对
准偏差的绘图。
[0018]图3F是示出了当第二元件自由翘曲时针对键合层中的不同应力值的、针对第二元件的不同芯片厚度的对准偏差的绘图。
[0019]图3G是示出了当第二元件保持平坦时针对键合层中的不同应力值的、针对第二元件的不同芯片厚度的对准偏差的绘图。
[0020]图4A是具有差异膨胀补偿结构的第二元件的示意性侧视图，该差异膨胀补偿结构包括在第二半导体元件的背面上的一个或多个介电层。
[0021]图4B是将针对具有差异膨胀补偿结构和没有差异膨胀补偿结构的第二元件的对准偏差进行比较的绘图。
[0022]图5图示了减小经减薄的第二元件的翘曲和偏差的方法的另一示例。
[0023]图6A是包括差异膨胀补偿结构的第二元件在减薄之前的示意性侧视图，该差异膨胀补偿结构包括被设置在第二元件内的嵌入式介电层。
[0024]图6B是包括嵌入式介电层的第二元件在减薄和单片化之后的示意性侧视图。
[0025]图6C是包括差异膨胀补偿结构的第二元件的示意性侧视图，该差异膨胀补偿结构包括嵌入式介电层和化合物半导体层。
[0026]图6D是包括差异膨胀补偿结构的第二元件的示意性侧视图，该差异膨胀补偿结构包括嵌入式金属层和多个嵌入式介电层。
[0027]图7A图示了针对包括差异膨胀补偿结构的第二元件的应力建模结果，该差异膨胀补偿结构包括蚀刻道。
[0028]图7B图示了针对包括差异膨胀补偿结构的第二元件的应力建模结果，该差异膨胀补偿结构包括经图案化的金属层。
[0029]图8图示了当在直接键合期间执行温度控制时将针对第二元件的对准偏差进行比较的绘图。
[0030]图9是根据各种实施例的包含一个或多个微电子组装件的系统的示意图。
具体实施方式
[0031]本文公开的各种实施例涉及直接键合结构1，其中两个元件2、3可以直接彼此键合而无需中介粘合剂。两个或多个半导体元件(诸如集成器件管芯，晶片等)2、3可以被堆叠在彼此上或彼此键合以形成键合结构1。第一元件2的导电接触焊盘4a可以被电连接到第二元件3的对应的导电接触焊盘4b。任何合适数目的元件可以被堆叠在键合结构1中。例如，第三元件(未示出)可以被堆叠在第二元件3上，第四元件(未示出)可以被堆叠在第三元件上，等等。附加地或备选地，一个或多个附加元件(未示出)可以沿第一元件1彼此横向相邻地堆叠。
[0032]在一些实施例中，元件2、3彼此直接键合而无需粘合剂。在各种实施例中，非导电或介电材料可以用作第一元件2的第一键合层5a，该第一键合层5a可以被直接键合到用作第二元件3的第二键合层5b的对应非导电或介电场区域而无需粘合剂。非导电键合层5a、5b可以被设置在器件部分6a、6b(诸如元件2、3的半导体(例如，硅)部分)的相应正面14上。有源器件和/或电路装置可以被图案化和/或以其他方式被设置在器件部分6a、6b中或上。有源器件和/或电路装置可以被设置在器件部分6a、6b的正面14处或附近，和/或被设置在器
件部分6a、6b的相对背面15处或附近。非导电材料可以被称为第一元件2的非导电键合区域或键合层5a。在一些实施例中，第一元件2的非导电键合层5a可以使用介电
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介电键合技术被直接键合到第二元件3的对应非导电键合层5b。例如，可以使用至少在美国专利No.9,564,414；No.9,391,143；和No.10,434,749中所公开的直接键合技术在无需粘合剂的情况下形成非导电或介电
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介电键合，No.9,564,414；No.9,391,143；和No.10,434,749中的每个专利的全部内容通过引用被整体并入本文中并用于所有目的。应理解，在各种实施例中，键合层5a和/或5b可以包括非导电材料，诸如介电材料(诸如氧化硅)或未掺杂半导体材料(诸如未掺杂硅)。
[0033]在各种实施例中，可以在无需中介粘合剂的情况下形成直接杂化键。例如，介电键合表面8a、8b可以被抛光到高度平滑。键合表面8a、8b可以被清洁并暴露于等离子体和/或蚀刻剂以活化表面8a、8b。在一些实施例中，表面8a、8b可以在活化之后或在活化期间(例如，在等离子体和/或蚀刻过程期间)以某物质终止。在不受理论限制的情况下，在一些实施例中，可以执行活化过程以破坏在键合表面8a、8b处的化学键，并且终止过程可以在键合表面8a、8b处提供附加的化学物质，该附加的化学物质改进了直接键合期间的键合能。在一些实施例中，在同一步骤中提供活化和终止，例如，等离子体或湿法蚀刻剂以活化和终止表面8a、8b。在其他实施例中，键本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种将具有差异厚度的第一半导体元件和第二半导体元件直接混合键合的方法，所述方法包括：获得光刻倍率校正因子，所述光刻倍率校正因子由所述第一半导体元件和所述第二半导体元件因所述差异厚度而产生的差异膨胀导出；对所述第一半导体元件上的多个第一接触特征进行第一图案化；对所述第二半导体元件上的与所述第一接触特征相对应的多个第二接触特征进行第二图案化以用于直接混合键合；以及将所述光刻倍率校正因子应用于所述第一图案化和所述第二图案化中的一者，而不将所述光刻倍率校正因子应用于所述第一图案化和所述第二图案化中的另一者。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：减薄所述第二半导体元件以产生所述差异厚度；以及随后将所述第一半导体元件直接混合键合到所述第二半导体元件，该步骤包括：将所述第一半导体元件和所述第二半导体元件的非导电层直接键合以及将所述第一接触特征与对应的所述第二接触特征直接键合。3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在所述第二半导体元件上提供差异膨胀补偿结构，所述差异膨胀补偿结构被配置为补偿所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的差异膨胀以减小在相对的接触特征之间的未对准。4.根据权利要求3所述的方法，其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：在所述第二半导体元件的背面上提供一个或多个介电层，所述背面与所述第二键合表面相对。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个介电层包括压缩层，所述压缩层被配置为平衡所述第二半导体元件的所述非导电层上的应力。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个介电层包括多个介电层。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个介电层包括在所述第二半导体元件的所述背面上的第一介电层和在第三半导体元件上的第二介电层，并且其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：在无需粘合剂的情况下将所述第二介电层直接键合到所述第一介电层。8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个介电层包括第一介电层和第二介电层，并且其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：在所述第一介电层与所述第二介电层之间提供金属层。9.根据权利要求3所述的方法，其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：使氢离子在所述第二半导体元件中扩散。10.根据权利要求9所述的方法，还包括：对所键合的所述第一元件和所述第二元件加热并施加真空以去除所述氢离子。11.根据权利要求9所述的方法，其中扩散氢离子包括：将所述第二半导体元件暴露于含氢等离子体。12.根据权利要求3所述的方法，其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：对在所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的至少一者的所述非导电层中的金属层进行图案化。13.根据权利要求3所述的方法，其中提供所述差异膨胀补偿结构包括：在所述直接混合键合期间调整所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的温度差。14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一半导体元件比所述第二半导体元件厚，所述方法包括：将所述光刻倍率校正因子应用于所述第一图案化，其中所述光刻倍率校正
因子的应用使所述第一半导体元件的所述第一接触特征相对于所述第二半导体元件的对应的所述第二接触特征扩大。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述光刻倍率校正因子的应用使在相邻的第一接触特征之间的第一间隔相对于在相邻的第二接触特征之间的对应的第二间隔扩大。16.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一半导体元件比所述第二半导体元件厚，所述方法包括：将所述光刻倍率校正因子应用于所述第二图案化，其中所述光刻倍率校正因子的应用使所述第二半导体元件的所述第二接触特征相对于所述第一半导体元件的对应的所述第一接触特征缩小。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述光刻倍率校正因子的应用使在相邻的第二接触特征之间的第二间隔相对于在相邻的第一接触特征之间的对应的第一间隔缩小。18.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光刻倍率校正因子应用于所述第一图案化，以及将第二光刻倍率校正因子应用于所述第二图案化，所述第二光刻倍率校正因子不同于所述光刻倍率校正因子。19.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述光刻倍率校正因子应用于所述第一图案化，利用晶片形式的所述第一半导体元件执行所述第一图案化，减薄所述第一半导体元件，以及将所述第一半导体元件单片化成多个单片化半导体元件。20.根据权利要求2所述的方法，还包括：将第三半导体元件直接混合键合到所述第二半导体元件，所述第三半导体元件与所述第一半导体元件横向间隔开并且具有与所述第一半导体元件不同的厚度。21.根据权利要求20所述的方法，还包括：将第二光刻倍率校正因子应用于所述第二半导体元件和所述第三半导体元件中的一者，但不应用于所述第二半导体元件和所述第三半导体元件中的另一者。22.一种将第一半导体元件和第二半导体元件键合的方法，所述方法包括：提供第一半导体元件；提供第二半导体元件；获得光刻倍率校正因子，以补偿在以下情况下的所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的差异膨胀：当所述第一半导体元件具有第一厚度并且所述第二半导体元件具有比所述第一厚度小的第二厚度时，所述第一半导体元件和所述第二半导体元件被键合在一起；对在所述第一半导体元件的第一键合表面上的第一多个第一接触特征进行图案化；对在所述第二半导体元件的第二键合表面上的第二多个第二接触焊盘进行图案化；以及利用具有所述第一厚度的所述第一半导体元件和具有所述第二厚度的所述第二半导体元件，将所述第二多个第二接触焊盘键合到所述第一多个第一接触焊盘；其中所述光刻倍率校正因子被应用于对所述第一接触特征和所述第二接触特征的图案化中的一者而非另一者。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述光刻倍率校正被应用于对所述第一接触特征的图案化，使得所述第一接触特征大于对应的第二接触特征。24.根据权利要求22所述的方法，其中所述光刻倍率校正被应用于对所述第二接触特
征的图案化，使得所述第二接触特征小于对应的第一接触特征。25.根据权利要求22所述的方法，其中所述键合包括直接键合而无需中介粘合剂。26.根据权利要求22所述的方法，还包括：在所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的至少一者上提供差异膨胀补偿结构，所述差异膨胀补偿结构被配置为：补偿所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的差异膨胀，以减小在相对的接触特征之间的未对准。27.一种键合结构，包括：第一半导体元件，具有第一键合表面，所述第一键合表面包括在所述第一半导体元件的内部部分处的第一接触特征和在所述第一半导体元件的外围部分处与所述第一接触特征间隔开的第二接触特征，所述第一元件具有第一厚度；以及第二半导体元件，具有被键合到所述第一半导体元件的所述第一键合表面的第二键合表面，所述第二键合表面具有在所述第二半导体元件的内部部分处的第三接触特征和在所述第二半导体元件的外围部分处与所述第三接触特征间隔开的第四接触特征，所述第二半导体元件具有第二厚度，其中所述第一接触特征与所述第三接触特征对准并且被键合到所述第三接触特征，其中所述第二接触特征与所述第四接触特征对准并且被键合到所述第四接触特征，并且其中所述第一接触特征和所述第二接触特征大于所述第三接触特征和所述第四接触特征。28.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一接触特征的宽度比所述第三接触特征的宽度大不超过10％。29.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一接触特征的宽度比所述第三接触特征的宽度大不超过5％。30.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一接触特征的宽度比所述第三接触特征的宽度大不超过1％。31.根据权利要求27所述的键合结构，其中，在键合之前，所述第一厚度大于所述第二厚度。32.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一半导体元件和所述第二半导体元件彼此直接混合键合而无需粘合剂。33.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一半导体元件包括具有均匀特征尺寸的第一多个接触特征，并且其中所述第二半导体元件包括具有均匀特征尺寸的第二多个接触特征。34.根据权利要求33所述的键合结构，其中所述第一多个接触特征和所述第二多个接触特征具有各自均匀的间距。35.根据权利要求27所述的键合结构，其中所述第一半导体元件包括第一多个接触特征，并且其中所述第二半导体元件包括第二多个接触特征，所述第一多个接触特征和所述第二多个接触特征中的每一者具有不同尺寸和/或形状的至少两个接触特征。36.根据权利要求27所述的键合结构，还包括在所述第一半导体元件和所述第二半导体元件中的至少一者上的差异膨胀补偿结构，所述差异膨胀补偿结构被配置为：补偿所述第一半导体元件与所述第二半导体元件之间的差异膨胀，以减小所述第二接触特征与所述第四接触特征之间的未对准。
37.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：隔热半导体粘合技术公司，
类型：发明
国别省市：