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TW202236439A - 直接接合方法及結構 - Google Patents

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TW202236439A
TW202236439A TW110140141A TW110140141A TW202236439A TW 202236439 A TW202236439 A TW 202236439A TW 110140141 A TW110140141 A TW 110140141A TW 110140141 A TW110140141 A TW 110140141A TW 202236439 A TW202236439 A TW 202236439A
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TW
Taiwan
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bonding
layer
bonding layer
protective layer
plasma
Prior art date
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TW110140141A
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English (en)
Inventor
桂蓮 高
賽普里恩 艾米卡 烏佐
蘿拉 威爾 麥卡雷米
蓋烏斯 吉爾曼 方騰二世
Original Assignee
美商英帆薩斯邦德科技有限公司
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Abstract

接合方法可包括活化第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層。接合方法可包括，在活化之後，在第一元件之經活化之第一接合層上提供保護層。

Description

直接接合方法及結構
該領域關於直接接合方法及結構。 [相關申請案之交叉參考]
本申請案請求於2020年10月29日提申之美國臨時申請案第63/107,280號之優先權，其全部內容藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的。
隨著便攜式電子裝置之快速發展、物聯網之擴展、奈米級集成、亞波長光學集成等，對集成晶片及裝置晶粒等微電子元件更緻密的物理排列之需求變得更加強烈。僅作為實例，通常被稱為「智慧型手機」之裝置集成了行動電話之功能與強大的數據處理器、記憶體及輔助裝置（諸如全球定位系統接收器、電子相機及局部區域網路連接）以及高解析度顯示器及相關的圖像處理晶片。該等裝置可提供諸如完整的互聯網連接、包括全解析度視頻在內之娛樂、導航、電子銀行、感測器、記憶體、微處理器、醫療保健電子裝置、自動電子裝置等功能，所有這些功能都在一個袖珍型裝置中。複雜的便攜式裝置需要將大量晶片及晶粒封裝到一個狹小的空間中。
微電子元件通常包含半導體材料，諸如矽或砷化鎵或其他材料之薄板。晶片及晶粒通常作為單獨預封裝單元提供。在一些單元設計中，晶粒安裝在基板或晶片載體上，而後者又安裝在電路面板上，諸如印刷電路板（printed circuit board；PCB）。可在封裝中提供晶粒，這有助於在製造期間及在外部基板上安裝晶粒期間處理晶粒。例如，在適合表面安裝之封裝中提供許多晶粒。已為各種應用提出了許多此種通用類型之封裝。最常見的是，此類封裝包括介電元件，通常稱為「晶片載體」，其端子形成為介電質上之經電鍍或蝕刻之金屬結構。端子典型地藉由諸如沿著晶粒載體延伸之細跡線之導電特徵及藉由在晶粒之觸點與端子或跡線之間延伸之細引線或導線連接到晶粒之接觸墊（例如，接合墊或金屬柱）。在表面安裝操作中，可將封裝放置在電路板上，使得封裝上之每個端子與電路板上相應的接觸墊對準。通常在端子與接觸墊之間提供焊料或其他接合材料。藉由加熱組件以熔化或“回流”焊料或以其他方式活化接合材料，可將封裝永久地接合到位。
許多封裝包括呈焊球形式之焊料塊，其直徑典型地在約0.025 mm至約0.8 mm（1到30密耳）之間，並附接到封裝之端子上。具有從其底面（例如，與晶粒之正面相對之表面）突出之焊球陣列之封裝通常被稱為球柵陣列或“BGA”封裝。其他封裝，稱為地柵陣列或“LGA”封裝，藉由由焊料形成之薄層或焊盤固定到基板上。這種類型之封裝可為非常緻密的。某些封裝，通常稱為“晶片級封裝”，佔據之電路板面積等於或僅略大於封裝中包含之裝置面積。這種規模為有利的，因為其減小了組件之整體尺寸，並允許在基板上之各種裝置之間使用短互連，這又限制了裝置之間之信號傳播時間，從而促進了組件之高速操作。
半導體晶粒亦可以“堆疊”配置提供，其中一個晶粒例如設置在載體上，並且另一個晶粒安裝在第一晶粒之頂部。這些配置可允許將多個不同的晶粒安裝在電路板上之單個覆蓋區內，並且可藉由在晶粒之間提供短互連來進一步促進高速操作。通常，該互連距離可能僅略大於晶粒本身之厚度。為了在晶粒封裝之堆疊內實現互連，可在每個晶粒封裝（除了最頂部之封裝）之二側（例如，面）上提供用於機械及電連接之互連結構。例如，這已藉由在安裝有晶粒之基板之二側提供接觸墊或焊盤來完成，該墊藉由導電通孔等通過基板連接。
作為各種微電子封裝方案之一部分，晶粒或晶圓亦可以其他三維配置堆疊。這可包括將一或多個晶粒或晶圓之層堆疊在更大的基礎晶粒或晶圓上，以垂直或水平配置來堆疊多個晶粒或晶圓，或堆疊相似或不同的基板，其中一或多個基板可含有電或非電元件、光學或機械元件及/或這些之各種組合。可在堆疊配置中使用各種接合技術來接合晶粒或晶圓，包括直接介電質接合、非黏合性之技術，諸如ZiBond ®、或混合接合技術，諸DBI ®，二者皆可從Invensas Bonding Technologies, Inc.（前Ziptronix, Inc.），Xperi公司獲得（參見例如美國專利案第6,864,585號及第7,485,968號，其全部內容併入本文中）。當使用直接接合技術來接合經堆疊之晶粒時，通常希望被接合之晶粒表面非常平坦及光滑。例如，一般來說，表面之表面拓撲結構變化應非常小，以便表面可緊密配合以形成持久的接合。例如，通常較佳接合表面之粗糙度變化小於3 nm，較佳小於1.0 nm。
一些經堆疊之晶粒之配置對經堆疊之晶粒之一或二個表面上粒子或污染物之存在很敏感。例如，處理步驟中殘留之粒子或晶粒處理或工具造成之污染會導致經堆疊之晶粒之間之不良接合區域等。晶粒處理期間之額外處理步驟會進一步加劇問題，留下不需要的殘留物。
可將二或多個半導體元件（諸如集成裝置晶粒、晶圓等）彼此堆疊或接合以形成接合結構。可將一個元件之導電接觸墊電連接到另一元件之對應的導電接觸墊。可將任何合適數量之元件堆疊在接合結構中。如本文所用，接觸墊可包括元件內之任何合適的導電特徵，該元件經組態為接合（例如，在沒有黏合劑之情況下直接接合）到另一元件之相對導電特徵。例如，在一些具體實例中，接觸墊可包含在元件之接合層中所形成之離散金屬接觸表面。在一些具體實例中，接觸墊可包含至少部分地延伸穿過元件之穿基板通孔（through-substrate via；TSV）之暴露端。
在一些具體實例中，在沒有黏合劑之情況下將元件直接彼此接合。在各種具體實例中，可在沒有黏合劑之情況下將第一元件（例如，具有主動電路之第一半導體裝置晶粒）之介電區域（亦稱為非導電接合區域）直接接合（例如，使用介電質對介電質接合技術）到第二元件（例如，具有主動電路之第二半導體裝置晶粒）之相應的介電區域。例如，可使用至少在美國專利第9,564,414號；第9,391,143號；及第10,434,749號中揭示之直接接合技術在沒有黏合劑之情況下形成介電質對介電質接合，各者之全部內容藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的。
在各種具體實例中，可在沒有中間黏合劑之情況下形成混合直接接合。例如，可將介電質接合表面拋光到高度光滑。可清潔接合表面並將其暴露於電漿及/或蝕刻劑以活化表面。在一些具體實例中，可在活化之後或活化期間（例如，在電漿及/或蝕刻製程期間）用物質終止表面。不受理論之限制，在一些具體實例中，可進行活化製程以破壞接合表面處之化學鍵，並且終止製程可在接合表面處提供額外的化學物質，其在直接接合期間改善接合能。在一些具體實例中，在同一步驟中提供活化及終止，例如，電漿或濕蝕刻劑以活化及終止表面。在其他具體實例中，可在單獨的處理中終止接合表面以提供用於直接接合之額外的物質。在各種具體實例中，終止物質可包含氮。此外，在一些具體實例中，接合表面可暴露於氟。例如，在層及/或接合界面附近可能存在一或多個氟峰。因此，在直接接合結構中，二種介電材料之間之接合界面可包含非常光滑的界面，在接合界面處具有更高的氮含量及/或氟峰。在美國專利第9,564,414號；第9,391,143號；及第10,434,749號中，可找到其他活化及/或終止處理之實例，各者之全部內容藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的。
在各種具體實例中，第一元件之導電接觸墊可直接接合到第二元件之對應導電接觸墊。例如，混合接合技術可用於沿著接合界面提供導體對導體之直接接合，該接合界面包括如上所述製備之共價直接接合之介電質對介電質表面。在各種具體實例中，可使用至少在美國專利第9,716,033號及第9,852,988號中揭示之直接接合技術來形成導體對導體（例如，接觸墊對接觸墊）之直接接合及介電質對介電質之混合接合，各者之全部內容藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的。
例如，可製備介電質接合表面並將其直接接合到彼此之間，而不需要如上所述之中間黏合劑。亦可在沒有中間黏合劑之情況下將導電接觸墊（其可被非導電介電場區域包圍）直接彼此接合。在一些具體實例中，各接觸墊可在介電場或非導電接合區域之外（例如，上）表面下方凹陷，例如凹陷小於20 nm、小於15 nm或小於10 nm，例如凹陷2 nm至20 nm範圍內，或4 nm至10 nm範圍內。在一些具體實例中，非導電接合區域可在室溫下在沒有黏合劑之情況下直接彼此接合，並且隨後可對接合結構進行退火。退火後，接觸墊會膨脹並相互接觸以形成金屬對金屬之直接接合。有益的是，使用直接接合互連或DBI ®技術可實現跨直接接合界面連接之高密度墊（例如，規則陣列之小間距或細間距）。在一些具體實例中，接觸墊可排列成具有規則或不規則間距之陣列。在一些具體實例中，就觸點跨元件或跨元件內之群彼此規則地間隔開而言，接觸墊之間距可小於40微米、小於10微米或小於2微米。對於一些具體實例，接觸墊之間距與接觸墊之尺寸（例如，直徑）之比例可小於5、小於3或小於2。在各種具體實例中，接觸墊可包含銅，儘管其他金屬亦可能適用。
在各種具體實例中，接觸墊可形成在第一及第二元件上之各第一及第二墊陣列中。若在第一或第二元件之表面存在任何碎屑或表面污染物，則可能在接合界面處產生空隙，或者碎屑可能介入相對的接觸墊之間。此外，接合及退火期間產生之反應副產物，例如氫氣及水蒸氣，亦可能在接合界面處形成空隙。這些空隙可有效地抑制附近特定接觸墊之接合，從而在接合中產生開口或其他故障。例如，任何大於墊直徑（或間距）之空隙都可能造成開口及直接接合故障。在一些具體實例中，取決於空隙之位置，尺寸與墊直徑相當或小於墊直徑（至少部分位於墊上方）之空隙可能為接合結構之故障源。
因此，在直接接合製程中，可在沒有中間黏合劑之情況下將第一元件直接接合到第二元件。在一些配置中，第一元件可包含經單顆化之元件，諸如經單顆化之集成裝置晶粒。在其他配置中，第一元件可包含載體或基板（例如，晶圓），其包括多個（例如，數十個、數百個或更多）裝置區域，當被單顆化時，這些裝置區域形成多個集成裝置晶粒。同樣地，第二元件可包含經單顆化之元件，諸如經單顆化之集成裝置晶粒。在其他配置中，第二元件可包含載體或基板（例如，晶圓）。
圖1為顯示形成接合結構之實例方法10之流程圖。例如，如圖1之流程圖所示，接合之第一元件1可包含經單顆化之裝置晶粒，接合之第二元件可包含主體基板，諸如晶圓或載體。在其他配置中，第二元件2可包含第二經單顆化之裝置晶粒。可將第一元件1平面化或拋光以具有足以用於直接接合之光滑度。在所示之配置中，第一元件1最初可以晶圓形式或作為更大的基板來提供並且經單顆化以形成經單顆化之第一元件1。然而，單顆化製程及/或其他處理步驟可能會產生會污染平面的接合表面之碎屑，當二個元件1、2接合時會留下空隙及/或缺陷。因此，在單顆化之前，在方框11中，可在活化之前及直接接合之前在第一元件1（例如，晶圓形式）之接合表面上提供保護層，以防止碎屑污染第一元件1之接合表面。保護層可包含有機或無機層（例如，光阻劑），其沉積（例如，旋塗到）呈晶圓形式之第一元件1之拋光接合表面上。保護層之其他細節可在美國專利第10,714,449號中找到，其全部內容藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的。在方框12中，可使用任何合適的方法減薄及單顆化包含第一元件1之晶圓。在一些具體實例中，可在單顆化之前將第一元件1減薄。接合表面上之保護層可有益地保護第一元件1之接合表面免受在單顆化期間產生之碎屑之影響。
如圖1之方框13所示，可用清潔劑，例如用合適的溶劑，諸如鹼性溶液，或保護層供應商推薦之其他合適的清潔劑，從接合表面去除經單顆化之第一元件1上之保護層（諸如有機層）。可選擇保護層清潔劑，使得其實質上不會使介電質接合層之光滑接合表面變得粗糙並且實質上不會蝕刻接觸墊之金屬以增加墊金屬之凹陷。過多的墊凹陷可能形成過深的凹陷，這可能會在適當的退火條件（例如，退火溫度及時間）下防止（或降低）墊對墊之接合。例如，退火溫度可在150℃至350℃或更高之範圍內變化。退火時間可在5分鐘至120分鐘以上之範圍內。可藉由液體清潔劑之扇噴霧或其他已知方法來施加清潔劑。例如，可將第一元件1之經清潔之接合表面灰化（例如，使用氧電漿）並用去離子水（DIW）清潔。灰化步驟可從保護層去除任何殘留的有機材料。在一些具體實例中，可在直接接合之前活化經清潔及單顆化之第一元件。然而，在其他具體實例中，在直接接合之前可不活化經清潔及單顆化之第一元件。
在方框14中，亦可在平面化或拋光之後用DIW清潔第二元件2。在方框15中，亦可濕法及/或乾法清潔接合表面，例如，可灰化（例如，使用氧電漿）第二元件2之接合表面以去除任何有機材料並且用DIW清潔。此外，如圖1之方框16所示，可活化第二元件2之接合表面。在各種具體實例中，活化可包含將第二元件2之接合表面暴露於氮電漿。在其他具體實例中，活化可包含將第二元件2之接合表面暴露於氧電漿。如上所述，活化製程（亦可終止接合表面）可在接合表面處斷開鍵並用增強直接接合之接合能之化學物質取代斷開的鍵。如圖1之方框16所示，可用DIW清潔活化表面，DIW可用於在接合之前洗掉任何殘留物，而不會降解第二元件之接合表面。
在方框17中，第一及第二元件1、2可放在一起以在室溫下彼此直接接觸。例如，在所示之配置中，可將呈經單顆化之裝置晶粒形式之經單顆化之第一元件1直接接合到呈晶圓形式之第二元件2。在其他配置中，經單顆化之第一元件1可直接接合到經單顆化之第二元件2（例如，使得二個元件1、2皆呈裝置晶粒之形式）。在又其他配置中，第一及第二元件1、2可以晶圓形式直接接合並且隨後被單顆化。如本文所解釋，第一及第二元件1、2之非導電接合區域在不施加外部壓力及不施加電壓之情況下接觸時可在室溫下自發地接合。可對接合結構進行退火以使導電接觸墊膨脹及形成電連接並且增加第一及第二元件1、2之相應接合之非導電接合區域之間之接合能。在所示之配置中，第二元件2包含晶圓或其他更大的載體基板，然而在其他配置中，第二元件2可包含經單顆化之集成裝置晶粒。
在圖1所示之接合配置中，在一些具體實例中，在直接接合之前可僅活化第二元件2。如美國專利第10,727,219號中所解釋，其藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的，當二個元件1、2中之僅一個在接合之前被活化時，二個元件1、2之間之接合強度可足夠強。然而，在其他配置中，可在接合之前活化第一元件1及第二元件2，或者可在接合之前僅活化第一元件1。
在圖1之配置中，第一元件1之活化可在施加保護層之後及在單顆化及去除保護材料之後發生。然而，若在圖1之製程中活化第一晶粒或元件1而第一元件1由切割帶支撐，則切割帶會與氮電漿反應以在活化步驟期間在設置在切割帶上之第一元件1及/或第二元件2之部分上沉積非所欲的副產物。在一些情況下，第一元件1之接合表面之去離子水（DIW）後清潔可能不能有效地從第一元件之接合表面去除該等表面降解副產物。接合不正確清潔之接合表面典型地會在接合元件之間產生有缺陷的接合區域。
圖2A及3A-3E示意性地說明一種根據各種具體實例之接合方法。特別地，圖2A示意性地說明第一及第二元件1、2之實例製程流程。圖3A-3D說明在圖3E及圖2A之方框51中進行第一元件1在直接接合之前之製程流程。圖3A說明第一元件1之示意性側截面圖。第一或第二元件1、2可包含集成裝置晶粒或晶圓。在圖3A之步驟中，第一元件1以晶圓形式顯示。第一元件1可包含基部61，其可包含半導體材料，諸如矽。主動裝置（及/或被動裝置）可形成在基部61中或基部61上。接合層62可提供（例如，沉積）在基部61上。在各種具體實例中，接合層62可包含包括無機介電質之非導電接合區域60（例如，介電場區域）。例如，在一些具體實例中，非導電接合區域60可包含氧化矽、含矽介電層，諸如SiN、SiO xN y、碳化矽、碳氮化矽或碳硼化矽等中之一或多者。非導電接合區域60亦可包含非矽介電層，例如陶瓷層，諸如氧化鋁或藍寶石、氧化鋯、碳化硼、氧化硼、氮化鋁、壓電陶瓷、鐵陶瓷、氧化鋅、二氧化鋯、碳化鈦等。接合層60可進一步包括形成在非導電接合區域中之多個導電接觸墊63（在一些具體實例中，接觸墊可包含TSV之暴露表面，如上所述）。在各種具體實例中，接觸墊63可包含銅、銅合金或鎳及鎳合金，但亦可使用其他合適的金屬。在圖2之方框41中並且如圖3A所示，接合層62可包含接合表面64，該接合表面可被清潔及拋光或平坦化（例如，使用化學機械拋光（chemical mechanical polishing或CMP））至非常高的光滑度。接觸墊63之暴露表面（例如，上表面）可相對於非導電接合區域60之外部接合表面64凹陷（recessed）。例如，墊63之暴露表面可相對於非導電接合區域60之外部接合表面64凹陷小於20 nm、小於15 nm或小於10 nm，例如凹陷2 nm至20 nm範圍內，或4 nm至10 nm範圍內。
轉向圖2A及圖3B之方框42，在方框41之拋光以形成經活化之表面64'後，可將接合層62活化以用於直接接合。例如，接合層62可暴露於包含活化物質之電漿。在一些具體實例中，電漿可包含含氮物質。例如，在非導電接合區域60包含氧化矽或碳氮化矽之具體實例中，使用含氮電漿進行活化可提供強接合能。在其他具體實例中，電漿可包含含氧電漿。例如，在非導電接合區域60包含氮化矽或碳氮化矽之具體實例中，使用含氧電漿進行活化可提供強接合能。
在圖2A之方框43及圖3C中，保護層65，例如有機保護層（例如，光阻劑），可形成在接合層62之經活化之表面64'上。保護層65可用於在減薄（在各種具體實例中可在單顆化之前進行）及單顆化期間保護經活化之接合表面64'以防止在接合之後形成空隙。在提供保護層65之後，如圖2A之方框44及圖3D所示，晶圓中之第一元件1（例如，具有保護層65之經活化之基板）可沿著鋸道S減薄及單顆化以形成呈經單顆化之裝置晶粒形式之多個經單顆化之第一元件1。有利地，保護層65可在單顆化製程（及其他處理）期間保護經活化之接合表面64'免受碎屑或損壞之影響。如圖2A之方框45及圖3D所示，可用本文所述之清潔劑（例如，乾式及/或濕式清潔製程）去除保護層65。在一些具體實例中，可將經清潔之經單顆化之元件1灰化（例如，暴露於氧電漿）以去除任何不需要的殘留物。如圖2A之方框45及圖3D所示，可用去離子水（DIW）清潔經單顆化之第一元件1，使經活化之接合表面64'暴露並準備直接接合。在墊63之金屬表面暴露於氧電漿之一些應用中，可在墊63上方形成非常薄的金屬氧化物層（例如，在銅墊之情況下，氧化銅膜）。可藉由用非常稀的無機或有機酸溶液清潔基板表面來選擇性地去除墊表面上之金屬氧化物膜，以選擇性地去除薄氧化物層而不損壞非導電區域60之接合表面64'並且不在墊63中形成過度凹陷。
如圖2A所示，可以類似方式或以不同方式處理第二元件2。例如，在方框46中，可平坦化及清潔第二元件2（其可為晶圓或晶粒）之接合表面。在一些具體實例中，如圖2A之方框47所示，在方框48中將保護層65施加到經活化之表面64'之前，亦可如上文所解釋之那樣活化第二元件2。在其他具體實例中，可完全不活化第二元件2，或圖2B所示，例如可在施加保護層64之前不活化第二元件2。在一些具體實例中，不在第二元件2上施加保護層。在所示的具體實例中，保護層可保護接合表面免受碎屑及/或損壞之影響，例如，單顆化、其他處理步驟或不同設施之間之運輸（例如，晶圓鑄造廠及接合設施之間運輸）期間可能發生的碎屑及/或損壞。在方框49中可清潔第二元件2之接合表面。例如，在施加保護層之圖2A之具體實例中，可去除及/或灰化保護層。在方框49中，可在第二元件2上進行濕式及/或乾式清洗製程以去除碎屑（包括例如DIW清潔步驟）。
在一些具體實例中，可用合適的清潔劑清潔第一元件1及/或第二元件2，例如，可用多於一種類型之電漿（灰化電漿及含氮電漿）來處理經清潔之表面，並且可在用保護層65塗佈之前沖洗該經清潔之表面。在減薄及單顆化製程之後，保護層65可從接合表面剝離。在圖2A之方框50中，並且如圖3E所示，經單顆化之第一元件1之經清潔之經活化之接合表面64'可直接接合到第二元件2之經清潔之接合表面。在一些應用中，例如在呈裝置晶粒形式之第一元件1接合到呈晶圓或更大載體或中介層形式之第二元件2之具體實例中，經單顆化之第二元件2可大於經單顆化之第一元件1。
圖2B說明一種形成第二元件2之替代製程。除非另有說明，否則圖2B之步驟通常與圖2A之步驟相同。與圖2A之具體實例不同，在圖2B之具體實例中，可不活化第二元件2並且將其隨後用保護層塗佈。反之，在方框46中，可平坦化及清潔第二元件2。在方框49中，可乾式及/或濕式清潔（及/或亦用DIW清潔步驟清潔）接合表面。在方框51中，可在方框50中之接合之前用去離子水（DIW）活化及清潔第二元件2。因此，在圖2B中，第二元件2之活化步驟可不在施加保護塗層之前。在又其他具體實例中，如上所述，可完全不活化第二元件2。
如圖3E所示，可將第一及第二元件1、2彼此接觸以形成包括沿著第一及第二元件1、2之非導電接合區域60之間之接合界面72之直接接合之接合結構70。該結構70可經退火，並且接觸墊63可延伸以形成直接接觸及電連接。有利地，可在施加保護層及單顆化之前活化第一及第二元件1、2中之一或二者。在單顆化之前之活化可有利地使元件1、2能夠被活化（這可有益地改善接合能）而不會損壞切割帶，從而使活化與切割製程兼容。施加在經活化之表面64'上之保護層65亦可使呈晶圓形式之受保護之元件1能夠在接合之前被儲存及/或運輸到不同的設施。例如，圖3C中所示之呈晶圓形式之第一元件1在接合之前可儲存數天（例如，至少24小時）、數週、數月等。保護層65可保護經活化之表面64'，其可在之後保持適合直接接合，及/或可使經保護之晶圓能夠從一個位置（例如，活化晶圓及施加保護層65）到不同位置之另一個不同設施（例如，呈晶圓形式之第一元件1可被單顆化並直接接合到第二元件2）。
此外，在一些具體實例中，與未活化表面相比，保護層65可更好地黏附到經活化之表面64'。此外，在沉積保護層65之前活化接合表面64可用於保護接觸墊63（其可包含銅）。在圖1之配置中，保護層沉積及去除可從接觸墊63化學蝕刻或去除金屬材料之部分，這可加深墊63之凹陷。較深的凹陷可能在退火及/或使用較高溫度之後導致不完全的電接觸，這會是非所欲的。藉由活化接合表面64（包括接觸墊63），該活化可起到鈍化功能，其可在後續處理期間（例如，在保護層65之沉積及去除期間）保護下面的接觸墊63。
本文揭示之具體實例可用於晶粒對晶圓（D2W）及晶粒對晶粒（D2D）應用，其中一或多個經單顆化之元件1（例如，經單顆化之集成裝置晶粒）直接接合到大於或等於經單顆化之元件1之尺寸之元件2（例如，晶圓）。在其他具體實例中，本文揭示之具體實例可用於晶圓對晶圓（W2W）應用，其中呈晶圓形式之第一元件1直接接合到另一個晶圓。活化及保護層65可提供在元件1、2上，或在接合結構70之僅一個元件上。例如，在圖2A-2B之具體實例中，第一元件1在被單顆化並直接接合到第二元件2之前最初呈晶圓形式。在圖2A-2B中，第二元件2呈用於直接接合之晶圓形式（例如，作為半導體晶圓、基板、中介層或其他載體），然而在其他具體實例中，第二元件2亦可呈用於直接接合之經單顆化之晶粒之形式。在又其他具體實例中，第一及第二元件1、2都可呈用於直接接合之晶圓形式，並且在直接接合之後，被單顆化以形成多個接合結構。
如本文所解釋，可在沒有黏合劑之情況下將第一及第二元件1、2直接彼此接合，這與沉積製程不同。第一及第二元件1、2可相應地包含非沉積元件。此外，與沉積層不同，直接接合結構70可包括沿著接合界面72之缺陷區域，其中存在奈米空隙。由於接合表面64之活化（例如，暴露於電漿），可形成奈米空隙。如上所述，接合界面72可包括來自活化及/或最後化學處理製程之材料之濃度。例如，在利用氮電漿進行活化之具體實例中，可在接合界面72處形成氮峰。在利用氧電漿進行活化之具體實例中，可在接合界面處形成氧峰。在一些具體實例中，接合界面72可包含氧氮化矽、氧碳氮化矽或碳氮化矽。如本文所解釋，直接接合可包含比凡得瓦鍵更強之共價鍵。接合層62亦可包含被平面化到高度光滑度之拋光表面。
在各種具體實例中，接觸墊63之間之金屬對金屬之接合可被接合，使得銅顆粒穿過接合界面72彼此生長。在一些具體實例中，銅可具有沿著111晶面定向之顆粒以改善銅擴散穿過接合界面72。接合界面72可實質上完全延伸到經接合之接觸墊63之至少一部分，使得在經接合之接觸墊63處或附近之非導電接合區域60之間實質上沒有間隙。在一些具體實例中，可在接觸墊63下方提供阻擋層（例如，其可包括銅）。然而，在其他具體實例中，例如如US 2019/0096741中所述，其藉由引用方式全體併入本文中並用於所有目的，接觸墊63下方可不存在阻擋層。
圖4說明形成接合結構70之另一種方法。除非另有說明，否則圖4中引用之步驟及組件可與圖2A-3E之相同編號之組件相同或大致相似。例如，如同圖2A-2B之具體實例，在方框21中，可平坦化及清潔第一元件1之接合表面64。在方框22中，可活化第一元件1之接合表面64。然而，在圖4中，在單顆化之前可不提供保護層。反之，在方框44中，可單顆化呈晶圓形式之第一元件1。可藉由方框45中之乾式及/或濕式清潔製程（其可包括DIW清潔步驟）去除來自單顆化製程（或其他處理步驟）之碎屑。在圖4之具體實例中，可適當地選擇清潔劑以去除在單顆化期間產生之任何碎屑。可以類似於圖2A或2B中所示之方式來處理第二元件2。可在沒有黏合劑之情況下直接接合第一及第二元件1、2。
在一個具體實例中，接合方法可包括：活化第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及在活化之後，在第一元件之經活化之第一接合層上提供保護層。
在一些具體實例中，保護層包含有機層。在一些具體實例中，保護層包含光阻劑。在一些具體實例中，該方法可包括去除保護層。在一些具體實例中，第一元件在提供保護層之前呈晶圓形式，該方法進一步包含在去除保護層之前將呈晶圓形式之第一元件單顆化以形成多個經單顆化之第一元件。在一些具體實例中，該方法可包括在去除保護層之後，在沒有中間黏合劑之情況下將第一元件之第一接合層直接接合到第二元件之第二接合層。在一些具體實例中，該方法可包括在直接接合之前用去離子水（DIW）沖洗第一及第二接合層中之至少一者。在一些具體實例中，在直接接合之前，第一元件呈經單顆化之集成裝置晶粒之形式，而第二元件呈晶圓形式。在一些具體實例中，第一接合層包含第一多個導電接觸墊及第一非導電接合區域，其中第二接合層包含第二多個導電接觸墊及第二非導電接合區域，並且其中直接接合包含在沒有黏合劑之情況下將第一及第二多個導電接觸墊彼此直接接合，並且在沒有黏合劑之情況下將第一及第二非導電接合區域彼此直接接合。在一些具體實例中，導電接觸墊包含銅或銅合金。在一些具體實例中，非導電接合區域包含含矽介電層。在一些具體實例中，非導電接合區域包含不含矽之非矽介電層。在一些具體實例中，該方法可包括在直接接合之前活化第二接合層。在一些具體實例中，活化第一接合層及提供保護層是在第一設施中進行，並且其中直接接合是在與第一設施不同位置之第二設施中進行。在一些具體實例中，在活化第一接合層之後超過二十四（24）小時再進行直接接合。在一些具體實例中，活化第一接合層包含電漿活化第一接合層。在一些具體實例中，電漿活化第一接合層包含將第一接合層暴露於含氮電漿。在一些具體實例中，第一接合層包含氧化矽或碳氮化矽。在一些具體實例中，電漿活化第一接合層包含將第一接合層暴露於含氧電漿。在一些具體實例中，第一接合層包含氮化矽或碳氮化矽。在一些具體實例中，提供保護層包含在第一元件之經活化之接合層上方沉積保護層。
在另一個具體實例中，揭示了一種製備用於直接接合之結構。該結構可包括具有基部且具有在基部上之接合層之元件，該接合層包含用於直接接合之經活化之表面；及設置在接合層之經活化之表面上之保護層。
在一些具體實例中，元件包含晶圓。在一些具體實例中，元件包含經單顆化之集成裝置晶粒。在一些具體實例中，基部包含半導體並且接合層包含介電接合區域及多個導電接觸墊。在一些具體實例中，導電接觸墊之暴露表面凹陷低於介電接合區域之接合表面。在一些具體實例中，保護層包含聚合物。在一些具體實例中，經活化之表面包含經電漿活化之表面。在一些具體實例中，經活化之表面包含氧氮化矽。在一些具體實例中，經活化之表面包含氧碳氮化矽。
在另一個具體實例中，接合結構可包括：具有第一接合層之第一元件，該第一接合層包含用於直接接合之經活化之表面，該經活化之表面藉由在形成及去除保護層之前之活化而形成；及具有第二接合層之第二元件，該第二接合層在沒有中間黏合劑之情況下沿著接合界面直接接合到第一元件之第一接合層上。
在一些具體實例中，第一接合層包含第一多個導電接觸墊及第一非導電接合區域，其中第二接合層包含第二多個導電接觸墊及第二非導電接合區域，其中在沒有黏合劑之情況下第一及第二多個導電接觸墊彼此直接接合，並且其中在沒有黏合劑之情況下第一及第二非導電接合區域彼此直接接合。在一些具體實例中，接合界面包含氧氮化矽。在一些具體實例中，接合界面包括氧碳氮化矽。在一些具體實例中，第一接合層包含含矽介電材料。在一些具體實例中，第一接合層包含氧化矽、氮化矽及碳氮化矽中之一或多者。在一些具體實例中，第一接合層或第二接合層包含不含矽之非矽介電層。
在另一個具體實例中，接合方法可包括：電漿處理第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及在電漿處理之後，在第一元件之經處理之第一接合層上提供保護層。
在一些具體實例中，該方法可包括從經處理之第一接合層去除保護層，並且在去除之後，在沒有中間黏合劑之情況下將經處理之第一接合層直接接合到第二元件之第二接合層。
在另一個具體實例中，接合方法可包括：電漿處理第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；在電漿處理之後，在第一元件之經處理之第一接合層上提供保護層；將經電漿處理之第一元件及保護層單顆化成多個經單顆化之第一元件；從多個經單顆化之第一元件中之至少一個經單顆化之第一元件之第一接合層清潔保護層；及將至少一個經清潔之經單顆化之第一元件接合到第二元件之第二接合層。
在一些具體實例中，電漿處理包含含氮電漿。在一些具體實例中，電漿處理包含含氧電漿。在一些具體實例中，電漿處理包含用多於一種類型之電漿來處理第一接合層。在一些具體實例中，該方法可包括在接合之前用去離子水（DIW）沖洗經電漿處理之表面。在一些具體實例中，該方法可包括在單顆化之前減薄經電漿處理之第一元件。
在另一個具體實例中，接合方法可包括：活化第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及在活化之後，將第一元件單顆化成多個經單顆化之第一元件。
在一些具體實例中，該方法可包括，在單顆化之後，在沒有中間黏合劑之情況下，將多個經單顆化之第一元件中之至少一個經單顆化之第一元件直接接合到第二元件。在一些具體實例中，該方法可包括，在活化之後且在單顆化之前，在第一接合層上方提供保護層。在一些具體實例中，該方法可包括，在直接接合之前，從第一接合層去除保護層。在一些具體實例中，該方法可包括在直接接合之前活化第二接合層。在一些具體實例中，直接接合包含將至少一個經單顆化之第一元件直接接合到第二元件，該第二元件呈晶圓形式。在一些具體實例中，該方法可包括在活化之後及單顆化之前，減薄第一元件。
所有該等具體實例旨在在本發明之範圍內。藉由參考附圖對具體實例之以下詳細描述，這些及其他具體實例對於本領域技術人員將變得顯而易見，請求項不限於所揭示之任何特定具體實例。儘管本文已揭示了某些具體實例及實施例，然而本領域技術人員將理解，所揭示之實施方式延伸超出具體揭示之具體實例到其他替代具體實例及/或用途以及其明顯的修改及等同物。此外，雖然已詳細地顯示及描述若干變體，然而基於本發明，其他修改對於本領域技術人員來說將是顯而易見的。亦預期可進行具體實例之特定特徵及態樣之各種組合或子組合並且仍然落入範圍內。應當理解，所揭示之具體實例之各種特徵及態樣可相互組合或替代以形成所揭示之實施方式之不同模式。因此，本文揭示之標的之範圍不應受上述特定揭示之具體實例所限制，而應僅藉由對所附請求項之公平閱讀來確定。
[圖1]為說明形成接合結構之方法之流程圖。
[圖2A-2B]為說明根據各種具體實例之形成接合結構之實例方法之流程圖。
[圖3A-3E]示意性地說明根據圖2之接合方法。
[圖4]為說明根據各種具體實例之形成接合結構之方法之流程圖。
40:實例方法
41:方框
42:方框
43:方框
44:方框
45:方框
46:方框
47:方框
48:方框
49:方框
50:方框

Claims (52)

  1. 一種接合方法，其包含： 活化第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及 在活化之後，在該第一元件之經活化之第一接合層上提供保護層。
  2. 如請求項1之接合方法，其中該保護層包含有機層。
  3. 如請求項2之接合方法，其中該保護層包含光阻劑。
  4. 如請求項1之接合方法，其進一步包含去除該保護層。
  5. 如請求項4之接合方法，其中該第一元件在提供該保護層之前呈晶圓形式，該方法進一步包含在去除該保護層之前將呈晶圓形式之該第一元件單顆化以形成多個經單顆化之第一元件。
  6. 如請求項4之接合方法，其進一步包含在去除該保護層之後，在沒有中間黏合劑之情況下將該第一元件之該第一接合層直接接合到該第二元件之該第二接合層。
  7. 如請求項6之接合方法，其進一步包含在直接接合之前用去離子水（DIW）沖洗該第一及第二接合層中之至少一者。
  8. 如請求項6之接合方法，其中在直接接合之前，該第一元件呈經單顆化之集成裝置晶粒之形式，而該第二元件呈晶圓形式。
  9. 如請求項6之接合方法，其中該第一接合層包含第一多個導電接觸墊及第一非導電接合區域，其中該第二接合層包含第二多個導電接觸墊及第二非導電接合區域，並且其中直接接合包含在沒有黏合劑之情況下將該第一及第二多個導電接觸墊彼此直接接合，並且在沒有黏合劑之情況下將該第一及第二非導電接合區域彼此直接接合。
  10. 如請求項9之接合方法，其中該等導電接觸墊包含銅或銅合金。
  11. 如請求項9之接合方法，其中該等非導電接合區域包含含矽介電層。
  12. 如請求項9之接合方法，其中該非導電接合區域包含不含矽之非矽介電層。
  13. 如請求項9之接合方法，其進一步包含在直接接合之前活化該第二接合層。
  14. 如請求項6之接合方法，其中活化該第一接合層及提供該保護層是在第一設施中進行，並且其中直接接合是在與該第一設施不同位置之第二設施中進行。
  15. 如請求項6之接合方法，其中在活化該第一接合層之後超過二十四（24）小時再進行直接接合。
  16. 如請求項1之接合方法，其中活化該第一接合層包含電漿活化該第一接合層。
  17. 如請求項16之接合方法，其中電漿活化該第一接合層包含將該第一接合層暴露於含氮電漿。
  18. 如請求項17之接合方法，其中該第一接合層包含氧化矽或碳氮化矽。
  19. 如請求項16之接合方法，其中電漿活化該第一接合層包含將該第一接合層暴露於含氧電漿。
  20. 如請求項19之接合方法，其中該第一接合層包含氮化矽或碳氮化矽。
  21. 如請求項1之接合方法，其中提供該保護層包含在該第一元件之該經活化之接合層上方沉積該保護層。
  22. 一種製備用於直接接合之結構，該結構包含： 具有基部且具有在該基部上之接合層之元件，該接合層包含用於直接接合之經活化之表面；及 設置在該接合層之該經活化之表面上之保護層。
  23. 如請求項22之結構，其中該元件包含晶圓。
  24. 如請求項22之結構，其中該元件包含經單顆化之集成裝置晶粒。
  25. 如請求項22之結構，其中該基部包含半導體並且該接合層包含介電接合區域及多個導電接觸墊。
  26. 如請求項25之結構，其中該導電接觸墊之暴露表面凹陷低於該介電接合區域之接合表面。
  27. 如請求項22之結構，其中該保護層包含聚合物。
  28. 如請求項22之結構，其中該經活化之表面包含經電漿活化之表面。
  29. 如請求項22之結構，其中該經活化之表面包含氧氮化矽。
  30. 如請求項22之結構，其中該經活化之表面包含氧碳氮化矽。
  31. 一種接合結構，其包含： 具有第一接合層之第一元件，該第一接合層包含用於直接接合之經活化之表面，該經活化之表面藉由在形成及去除保護層之前之活化而形成；及 具有第二接合層之第二元件，該第二接合層在沒有中間黏合劑之情況下沿著接合界面直接接合到該第一元件之該第一接合層上。
  32. 如請求項31之接合結構，其中該第一接合層包含第一多個導電接觸墊及第一非導電接合區域，其中該第二接合層包含第二多個導電接觸墊及第二非導電接合區域，其中在沒有黏合劑之情況下該第一及第二多個導電接觸墊彼此直接接合，並且其中在沒有黏合劑之情況下該第一及第二非導電接合區域彼此直接接合。
  33. 如請求項32之接合結構，其中該接合界面包含氧氮化矽。
  34. 如請求項32之接合結構，其中該接合界面包含氧碳氮化矽。
  35. 如請求項31之接合結構，其中該第一接合層包含含矽介電材料。
  36. 如請求項35之接合結構，其中該第一接合層包含氧化矽、氮化矽及碳氮化矽中之一或多者。
  37. 如請求項31之接合結構，其中該第一接合層或該第二接合層包含不含矽之非矽介電層。
  38. 一種接合方法，其包含： 電漿處理第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及 在電漿處理之後，在該第一元件之經處理之第一接合層上提供保護層。
  39. 如請求項38之接合方法，其進一步包含從該經處理之第一接合層去除該保護層，並且在去除之後，在沒有中間黏合劑之情況下將該經處理之第一接合層直接接合到該第二元件之該第二接合層。
  40. 一種接合方法，其包含： 電漿處理第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層； 在電漿處理之後，在該第一元件之經處理之第一接合層上提供保護層； 將經電漿處理之第一元件及該保護層單顆化成多個經單顆化之第一元件； 從該多個經單顆化之第一元件中之至少一個經單顆化之該第一元件之該第一接合層清潔該保護層；及 將至少一個經清潔之經單顆化之第一元件接合到該第二元件之該第二接合層。
  41. 如請求項40之接合方法，其中該電漿處理包含含氮電漿。
  42. 如請求項40之接合方法，其中該電漿處理包含含氧電漿。
  43. 如請求項40之接合方法，其中該電漿處理包含用多於一種類型之電漿來處理該第一接合層。
  44. 如請求項40之接合方法，其進一步包含在接合之前用去離子水（DIW）沖洗經電漿處理之表面。
  45. 如請求項40之接合方法，其進一步包含在單顆化之前減薄該經電漿處理之第一元件。
  46. 一種接合方法，其包含： 活化第一元件之第一接合層以直接接合到第二元件之第二接合層；及 在活化之後，將該第一元件單顆化成多個經單顆化之第一元件。
  47. 如請求項46之接合方法，其進一步包含在單顆化之後，在沒有中間黏合劑之情況下，將該多個經單顆化之第一元件中之至少一個經單顆化之第一元件直接接合到該第二元件。
  48. 如請求項47之接合方法，其進一步包含在活化之後且在單顆化之前，在該第一接合層上方提供保護層。
  49. 如請求項48之接合方法，其進一步包含在直接接合之前，從該第一接合層去除該保護層。
  50. 如請求項47之接合方法，其進一步包含在直接接合之前活化該第二接合層。
  51. 如請求項47之接合方法，其中直接接合包含將該至少一個經單顆化之第一元件直接接合到該第二元件，該第二元件呈晶圓形式。
  52. 如請求項46之接合方法，其進一步包含在活化之後及單顆化之前，減薄該第一元件。
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