直接接合方法和结构技术

一种接合方法可以包括抛光第一元件的第一接合层以进行直接接合，第一接合层包括第一导电焊盘和第一非导电接合区域。在抛光之后，可以对经抛光的第一接合层执行最后的化学处理。在执行最后的化学处理之后，可以在没有中间粘合剂的情况下将第一元件的第一接合层直接接合到第二元件的第二接合层，包括将第一导电焊盘直接接合到第二接合层的第二导电焊盘并且将第一非导电接合区域直接接合到第二接合层的第二非导电接合区域。在执行最后的化学处理与直接接合之间不对第一接合层执行处理或冲洗。或冲洗。或冲洗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】直接接合方法和结构
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年10月29日提交的美国临时专利申请第63/107,228号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文并且用于所有目的。


[0003]该领域涉及直接接合方法和结构。

技术介绍

[0004]随着便携式电子设备、物联网扩展、纳米级集成、亚波长光学集成等的快速发展，对诸如集成芯片和器件裸片等微电子元件的更紧凑的物理布置的需求变得更加强烈。仅举个示例，通常称为“智能手机”的设备将蜂窝电话的功能与强大的数据处理器、存储器和辅助设备(诸如全球定位系统接收器、电子相机和局域网连接)以及高分辨率显示器和相关联的图像处理芯片集成在一起。这样的设备可以提供各种能力，诸如全互联网连接、包括全分辨率视频在内的娱乐、导航、电子银行、传感器、存储器、微处理器、医疗保健电子器件、自动电子器件等，所有这些都在一个袖珍设备中。复杂的便携式设备需要将大量芯片和裸片封装到一个小空间中。
[0005]微电子元件通常包括半导体材料的薄板，诸如硅或砷化镓等。芯片和裸片通常作为个体预封装单元来提供。在一些单元设计中，裸片安装到衬底或芯片载体，而衬底或芯片载体又安装在诸如印刷电路板(PCB)等电路板上。裸片可以以封装来提供，该封装促进在制造期间以及在将裸片安装在外部衬底上期间对裸片的处理。例如，很多裸片以适合于表面安装的封装来提供。已经针对各种应用提出了很多这种通用类型的封装。最常见的是，这样的封装包括介电元件，通常称为“芯片载体”，其端子在介电上形成为电镀或蚀刻的金属结构。端子通常通过导电特征(诸如沿着裸片载体延伸的薄迹线)以及通过在裸片的触点与端子或迹线之间延伸的细引线或导线而连接到裸片的接触焊盘(例如，接合焊盘或金属柱)。在表面安装操作中，封装可以放置到电路板上，使得封装上的每个端子与电路板上的对应接触焊盘对准。通常，在端子与接触焊盘之间提供有焊料或其他接合材料。可以通过加热组件将封装永久接合到位，从而熔融或“回流”焊料或以其他方式活化接合材料。
[0006]很多封装包括焊球形式的焊料块，其直径通常在约0.025mm至约0.8mm(1至30密耳)之间，并且被附接到封装的端子。具有从其底表面(例如，与裸片的正面相对的表面)突出的焊球阵列的封装通常称为球栅阵列或“BGA”封装。其他封装(称为焊垫(land)栅格阵列或“LGA”封装)通过由焊料形成的薄层或焊垫固定到衬底。这种类型的封装可以非常紧凑。某些封装(通常称为“芯片级封装”)占据的电路板面积等于或仅略大于封装中并入的器件的面积。这种规模的优势在于，它减小了组件的总体尺寸，并且允许在衬底上的各种器件之间使用短的互连，这继而限制了器件之间的信号传播时间并且从而有利于组件的高速操作。
[0007]半导体裸片也可以以“堆叠”布置来提供，例如，其中一个裸片被提供在载体上，另
一裸片被安装在第一裸片之上。这些布置可以允许多个不同裸片安装在电路板上的单元件封装内，并且可以通过在裸片之间提供短的互连来进一步促进高速操作。通常，该互连距离只能略大于裸片本身的厚度。为了在裸片封装的堆叠内实现互连，可以在每个裸片封装(除了最顶部的封装)的两侧(例如，面)上提供用于机械和电连接的互连结构。例如，这是通过在安装有裸片的衬底的两侧提供接触焊盘或焊垫来实现的，焊盘通过导电过孔等通过衬底连接。
[0008]作为各种微电子封装方案的一部分，裸片或晶圆也可以以其他三维布置堆叠。这可以包括在较大的基础裸片或晶圆上堆叠一个或多个裸片或晶圆的层，以便以垂直或水平布置堆叠多个裸片或晶圆，或者堆叠类似或不同的衬底，其中一个或多个衬底可以包含电或非电元件、光学或机械元件、和/或这些元件的各种组合。裸片或晶圆可以使用各种接合技术以堆叠布置被接合，包括直接介电接合、非接合技术，诸如或混合接合技术(诸如)，这两种技术均可以从Invensas Bonding Technologies,Inc.(前身为Ziptronix,Inc.)、Xperi公司(参见例如美国专利第6,864,585和7,485,968号，其全部并入本文)获取。当使用直接接合技术接合堆叠裸片时，通常希望待接合的裸片的表面非常平坦和平滑。例如，通常，表面的拓扑结构的变化应当非常小，使得表面可以紧密配合，以形成持久的接合。例如，通常优选的是，接合表面的粗糙度的变化小于3nm，并且优选地小于1.0nm。
[0009]一些堆叠裸片布置对堆叠裸片的一个或两个表面上颗粒或污染物的存在很敏感。例如，处理步骤留下的颗粒或来自裸片处理或工具的污染物可能导致堆叠裸片之间的接合不良区域，等等。裸片处理期间的额外处理步骤可能会进一步加剧这个问题，从而留下不需要的残留物。
附图说明
[0010]图1是示出用于直接接合第一元件和第二元件的工艺的流程图。
[0011]图2A
‑
图2D示意性地示出了根据各种实施例的接合方法。
[0012]图3是示出根据各种实施例的用于形成接合结构的示例工艺的流程图。
[0013]图4是示出根据各种实施例的用于形成接合结构的另一示例工艺流程的流程图。
[0014]图5是示出根据各种实施例的用于形成接合结构的另一示例工艺流程的流程图。
[0015]图6是示出根据各种实施例的用于形成接合结构的另一示例工艺流程的流程图。
[0016]图7是示出根据各种实施例的用于形成接合结构的另一示例工艺流程的流程图。
具体实施方式
[0017]两个或更多个半导体元件(诸如集成器件裸片、晶圆等)可以被堆叠在一起或彼此接合以形成接合结构。一个元件的导电接触焊盘可以被电连接到另一元件的对应导电接触焊盘。任何合适数目的元件可以被堆叠在接合结构中。如本文中使用的，接触焊盘可以包括元件内的任何合适的导电特征，该元件被配置为接合(例如，在没有粘合剂的情况下直接接合)到另一元件的相对导电特征。例如，在一些实施例中，(多个)接触焊盘可以包括形成在元件的接合层中的离散金属接触表面。在一些实施例中，(多个)接触焊盘可以包括至少部分延伸穿过元件的贯穿衬底过孔(TSV)的(多个)暴露的端部。
[0018]在一些实施例中，元件在没有粘合剂的情况下被直接彼此接合。在各种实施例中，第一元件(例如，具有有源电路系统的第一半导体器件裸片)的介电场区域(也称为非导电接合区域)可以在没有粘合剂的情况下直接接合(例如，使用介电到介电接合技术)到第二元件(例如，具有有源电路系统的第二半导体器件裸片)的对应介电场区域。例如，介电到介电接合可以使用至少在美国专利第9,564,414号、第9,391,143号和第10,434,749号中公开的直接接合技术在没有粘合剂的情况下形成，其中每个专利的全部内容通过引用并入本文并且用于所有目的。
[0019]在各种实施例中，混合直接接合可以在没有中间粘合剂的情况下形成。例如，介电接合表面可以被抛光到高平滑度。接合表面可以被清洁并且暴露于等离子体和/或蚀刻剂以活化表面。在一些实施例中，表面可以在活本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种接合方法，包括：抛光第一元件的第一接合层以进行直接接合，所述第一接合层包括第一导电焊盘和第一非导电接合区域；在所述抛光之后，对经抛光的所述第一接合层执行最后的化学处理；以及在执行所述最后的化学处理之后，在没有中间粘合剂的情况下将所述第一元件的所述第一接合层直接接合到第二元件的第二接合层，包括将所述第一导电焊盘直接接合到所述第二接合层的第二导电焊盘并且将所述第一非导电接合区域直接接合到所述第二接合层的第二非导电接合区域，其中在执行所述最后的化学处理与直接接合之间不对所述第一接合层执行处理或冲洗。2.根据权利要求1所述的接合方法，还包括活化所述第一接合层以进行直接接合。3.根据权利要求2所述的接合方法，其中所述活化在执行所述最后的化学处理之前执行。4.根据权利要求2至3中任一项所述的接合方法，其中活化包括将所述第一接合层暴露于等离子体。5.根据权利要求4所述的接合方法，其中活化包括将所述第一接合层暴露于含氮等离子体。6.根据权利要求5所述的接合方法，其中所述第一接合层包括氧化硅或碳氮化硅。7.根据权利要求4所述的接合方法，其中活化包括将所述第一接合层暴露于含氧等离子体。8.根据权利要求7所述的接合方法，其中所述第一接合层包括氮化硅或碳氮化硅。9.根据权利要求1至8中任一项所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于包括硼、磷、锰、砷、过氧化物、硒、碳和氟或氟化物源中的至少一种的化学物质。10.根据权利要求9所述的接合方法，其中所述化学物质的浓度在1ppm至1,000ppm的范围内。11.根据权利要求9所述的接合方法，其中所述化学物质的浓度在1ppm至500ppm的范围内。12.根据权利要求9所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于硼源。13.根据权利要求10所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于非常稀的硼烷二甲胺(BDMA)。14.根据权利要求13所述的接合方法，其中所述BDMA的浓度在5ppm至10,000ppm的范围内。15.根据权利要求10所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于硼酸。16.根据权利要求9所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于非常稀的磷酸。17.根据权利要求16所述的接合方法，其中所述磷酸的浓度在5ppm至10,000ppm的范围内。
18.根据权利要求9所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于包括非常稀的缓冲氢氟酸(BHF)的化学处理。19.根据权利要求18所述的接合方法，其中所述BHF的pH在4至6.5的范围内。20.根据权利要求9至19中任一项所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有至少3.1的pH。21.根据权利要求9至18中任一项所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有至少3.3的pH。22.根据权利要求9至18中任一项所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有在3.3至9.5的范围内的pH。23.根据权利要求9至18中任一项所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有在3.3至4的范围内的pH。24.根据权利要求1至8中任一项所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于包括四甲基氢氧化铵的化学处理。25.根据权利要求24所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有在7至11的范围内的pH。26.根据权利要求24所述的接合方法，其中所述最后的化学处理具有在7至9.8的范围内的pH。27.根据权利要求24所述的接合方法，其中所述四甲基氢氧化铵的浓度小于55ppm。28.根据权利要求27所述的接合方法，其中所述四甲基氢氧化铵的浓度小于48ppm。29.根据权利要求28所述的接合方法，其中所述四甲基氢氧化铵的浓度在5ppm至45ppm的范围内。30.根据权利要求28所述的接合方法，其中所述四甲基氢氧化铵的浓度在5ppm至35ppm的范围内。31.根据权利要求1至8中任一项所述的接合方法，其中执行所述最后的化学处理包括将所述第一接合层暴露于包括以下中的一种或多种的化学处理：四甲基氢氧化铵(C4H
12
N)、叔丁基氢氧化铵、四乙基氢氧化铵、乙基三甲基氢氧化铵、硼酸酐、硼酸、硼烷氨(H6BN)、硼烷
‑
三甲胺络合物、硼烷
‑
二甲基胺络合物(C2H
10
BN)、四羟基二硼溶液、甘露醇(C6H
14
O6)和抗坏血酸(C6H8O6)。32.根据权利要求1至31中任一项所述的接合方法，其中所述第一接合层包括第一多个导电接触焊盘，所述第一多个导电接触焊盘包括所述第一导电接触焊盘，其中所述第二接合层包括第二多个导电接触焊盘，所述第二多个导电接触焊盘包括第二导电接触焊盘，并且其中直接接合包括在没有粘合剂的情况下将所述第一多个导电接触焊盘和所述第二多个导电接触焊盘彼此直接接合。33.根据权利要求32所述的接合方法，还包括在直接接合之前活化所述第二接合层。34.根据权利要求33所述的接合方法，还包括在所述活化所述第二接合层之后，对所述第二接合层执行最后的化学处理。35.根据权利要求32至34中任一项所述的接合方法，其中所述直接接合在不活化所述第二接合层的情况下执行。36.根据权利要求1至35中任一项所述的接合方法，其中所述第一元件包括晶圆，所述
方法还包括在所述第一接合层之上...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：美商艾德亚半导体接合科技有限公司，
类型：发明
国别省市：