DE112006000647B4 - Verfahren zum Bilden selbst-passivierender Interconnects - Google Patents
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Abstract
Verfahren, welches umfaßt
Bilden einer Bond-Struktur auf einem ersten Substrat, wobei die Bond-Struktur des ersten Substrats ein leitendes Metall und ein Element umfaßt;
Bilden einer Bond-Struktur auf einem zweiten Substrat, wobei die Bond-Struktur des zweiten Substrats das leitende Metall und das Element umfaßt; und
Bonden der Bond-Struktur des ersten Substrats an die Bond-Struktur des zweiten Substrats, um einen Interconnect zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu bilden, wobei das Element zu freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um eine Passivierungsschicht auf dem Interconnect zu bilden, wobei Bilden wenigstens einer der Bond-Strukturen das Bilden eines ersten Teils der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element und das Bilden eines zweiten Teils der Bond-Struktur aus im wesentlichen dem leitenden Metall umfaßt.
Bilden einer Bond-Struktur auf einem ersten Substrat, wobei die Bond-Struktur des ersten Substrats ein leitendes Metall und ein Element umfaßt;
Bilden einer Bond-Struktur auf einem zweiten Substrat, wobei die Bond-Struktur des zweiten Substrats das leitende Metall und das Element umfaßt; und
Bonden der Bond-Struktur des ersten Substrats an die Bond-Struktur des zweiten Substrats, um einen Interconnect zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu bilden, wobei das Element zu freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um eine Passivierungsschicht auf dem Interconnect zu bilden, wobei Bilden wenigstens einer der Bond-Strukturen das Bilden eines ersten Teils der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element und das Bilden eines zweiten Teils der Bond-Struktur aus im wesentlichen dem leitenden Metall umfaßt.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die offenbarten Ausführungsformen beziehen sich allgemein auf das Bilden von Interconnects für integrierte Schaltungsvorrichtungen und, spezieller, auf das Bilden selbst-passivierender Interconnect-Strukturen.
- Hintergrund der Erfindung
- Dreidimensionales Wafer-Bonden, oder Wafer-Stapeln (wafer stacking) ist das Aneinander-Bonden zweier oder mehrerer Halbleiter-Wafer, worauf integrierte Schaltungen gebildet worden sind. Der Wafer-Stapel (wafer stack), der gebildet wird, wird nachfolgend in separate Stapel-Chips (stacked die) vereinzelt, wobei jeder Stapel-Chip mehrere Schichten integrierter Schaltungen aufweist. Das Wafer-Stapeln kann eine Anzahl potentieller Vorteile bieten. Beispielsweise können integrierte Schaltungs-(IC-)Vorrichtungen, welche durch Wafer-Stapeln gebildet worden sind, eine verbesserte Leistung und Funktionalität bei gleichzeitig möglicherweise geringeren Kosten und verbesserten Formfaktoren bereitstellen. System-on-Chip (SOC) Architekturen, welche durch Wafer-Stapeln gebildet worden sind, können Konnektivität mit hoher Bandbreite zwischen Stapel-Chips mit ungleichen Technologien ermöglichen – beispielsweise Logik-Schaltungen und Direktzugriffsspeicher (DRAM) – welche ansonsten inkompatible Prozeßabläufe aufweisen. Ebenfalls können durch Verwenden dreidimensionalen Wafer-Bondens geringere Chipabmessungen erzielt werden, was Interconnect-Verzögerungen verringern kann. Für die Wafer-Stacking-Technologie gibt es viele potentielle Anwendungen, einschließlich Hochleistungsverarbeitungsvorrichtungen, Video- und Graphik-Prozessoren, Speicherchips mit hoher Dichte und hoher Bandbreite, die zuvor genannten SOC-Lösungen und anderer.
-
US 2005/0003650 A1 23 die Wafer (210 ,220 ) mit Bond-Struktur aus Kupfer-Pillar (230' ,240' ) als leitendem Metall und dünnen Schichten (2325 ) aus Ta, Ti, Mg, Al auf beiden Wafern, wobei durchs Bonden diese dünnen Schichten (2325 ) sich über die Seitenwände des Kupfers verteilen und dort einen Schutz gegen Korrosion bilden, vergleiche Absätze [73–78], wobei zusätzlich eine dünne Schicht (2525 ) aus Cu, Al, Mg vorgesehen sein kann wie25 zeigt, und sich beim Bonden als Schutzschichten Oxide wie Al2O3 oder MgO bilden, vgl. Abs. [77]. Im Absatz [78] wird erläutert, dass dieselbe Schicht (2725 ) in27 ein Polymer ist. -
US 2004/0262772 A1 2F die Wafer (201 ,202 ) mit Bond-Strukturen (233u ,250 ) und (283u ,290 ) mit Metall (233 ,233u ) aus Kupfer bzw. Al, W. Au, Ag und den Korrosions-Schutz-Schichten (250 ,290 ) aus Ag, Au oder anderen geeigneten Metallen, vergleiche Absätze [17, 21]. Im Absatz [31] wird dazu angeregt den Schutz (250 ,290 ) entweder auf beiden Wafer oder nur auf einem der beiden Wafer vorzusehen. -
US 2003/0193076 A1 - Ein Verfahren für dreidimensionales Wafer-Bunden ist metallisches Bonden. Beim metallischen Wafer-Bonden werden zwei Wafer durch Bonden von Metall-Bond-Strukturen, die auf einem der Wafer gebildet sind, mit entsprechenden Metall-Bond-Strukturen, welche auf dem anderen Wafer gebildet sind, aneinandergefügt. Beispielsweise können eine Anzahl an Kupfer-Bond-Pads auf einem ersten Wafer und eine entsprechende Anzahl an Kupfer-Bond-Pads auf einem zweiten Wafer gebildet werden. Der erste und zweite Wafer werden ausgerichtet und zusammengebracht, so daß jedes der Kupfer-Pads auf dem ersten Wafer mit einem entsprechenden Kupfer-Pad auf dem zweiten Wafer zusammenpaßt. Dann wird ein Bonding-Prozeß durchgeführt (beispielsweise durch Ausübung von Druck und/oder Anwendung erhöhter Temperatur), um die zusammenpassenden Bond-Flächen aneinander zu fügen, wodurch eine Anzahl an Interconnects zwischen dem ersten und zweiten Wafer, die nun einen Wafer-Stapel bilden, gebildet wird. Der erste und der zweite Wafer umfassen jeweils integrierte Schaltungen für mehrere Chips, und der Wafer-Stapel wird in eine Anzahl an Stapel-Chips aufgetrennt. Jeder Stapel-Chip umfaßt einen Chip (die) von dem ersten Wafer und einen weiteren Chip von dem zweiten Wafer, wobei diese Chips mechanisch und elektrisch durch einige der zuvor gebildeten Interconnects gekoppelt sind.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Verfahren zum Bilden selbst-passivierender Interconnects darstellt. -
2A bis2D sind schematische Diagramme, welche das Verfahren nach1 darstellen. -
3A bis3C sind schematische Diagramme, welche verschiedene Ausführungsformen von Bond-Strukturen darstellen, die zum Bilden selbst-passivierender Interconnects verwendet werden können. -
4 ist ein schematisches Diagramm, welches eine Ausführungsform des Ausrichtens und Bondens zweier Bond-Strukturen, wie in2C gezeigt, darstellt. -
5A ist ein schematisches Diagramm, welches eine Ausführungsform eines Wafer-Stapels darstellt, welcher selbst-passivierende Interconnects umfassen kann. -
5B ist ein schematisches Diagramm, welches eine Querschnittsansicht des Wafer-Stapels nach5A entlang der Linie B-B aus5A darstellt. -
6 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Computersystem darstellt, welches eine Komponente umfassen kann, die gemäß der offenbarten Ausführungsformen gebildet ist. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- In
1 ist ein Verfahren zum Bilden selbst-passivierender Interconnects dargestellt. Varianten des Verfahrens nach1 sind ferner in den2A bis2D dargestellt, und diese Figuren sollten jeweils, wie im nachfolgenden Text angesprochen, herangezogen werden. - Unter Bezugnahme auf Block
110 in1 wird/werden eine oder mehrere Bond-Strukturen auf einem ersten Substrat gebildet, wobei jede dieser Bond-Strukturen wenigstens zum Teil ein erstes Metall und ein zweites Metall (oder anderes Element) umfaßt. Dies ist in2A dargestellt, welche ein erstes Substrat210 mit einer Oberfläche211 zeigt, worauf eine Anzahl an Bond-Strukturen213 gebildet worden sind. Jede der Bond-Strukturen213 kann mit einem in dem Substrat210 gebildeten Leiter elektrisch gekoppelt sein. In einer Variante umfaßt das Substrat210 einen Halbleiter-Wafer, auf welchem integrierte Schaltungen für eine Anzahl an Chips gebildet worden sind. Eine Schicht aus dielektrischem Material217 kann ebenfalls auf der Oberfläche211 des ersten Substrats210 angeordnet sein. Die dielektrische Schicht217 kann jedes geeignete dielektrische Material umfassen, beispielsweise SiO2, Si3N4, Kohlenstoff-dotiertes Oxid (CDO), SiOF, oder ein aufgeschleudertes Material (beispielsweise ein aufgeschleudertes Glas oder Polymer). In einer Variante erstrecken sich die Bond-Strukturen213 über eine äußere Oberfläche der dielektrischen Schicht217 hinaus (wie es beispielsweise durch Polieren oder Zurückätzen der dielektrischen Schicht erzielt werden kann). - Wie zuvor angemerkt worden ist, umfassen die Bond-Strukturen
213 zumindest zum Teil eine Legierung aus einem ersten Metall und einem zweiten Metall (oder anderen Elements). Das erste Metall umfaßt ein elektrisch leitendes Metall, welches letztendlich Teil eines elektrisch leitenden Interconnects bilden wird. In einer Variante umfaßt das erste Metall Kupfer. Jedoch kann das erste Metall jedes geeignete elektrisch leitfähige Metall (beispielsweise Aluminium, Gold, Silber, etc.) oder jede leitfähige Metall-Legierung umfassen. Erfindungsgemäß kann nur ein Teil jeder Bond-Struktur213 eine Legierung aus dem ersten Metall und zweiten Metall umfassen, wohingegen andere Teile der Bond-Strukturen im wesentlichen das erste Metall umfassen können, wie es nachfolgend in größerem Detail bezüglich der3A bis3C erklärt werden wird. - Das zweite Metall oder Element umfaßt jedes Metall (oder andere Material) mit der Fähigkeit, eine Passivierungsschicht über dem zu bildenden Interconnect zu bilden. In einer Ausführungsform umfaßt das zweite Metall eine Substanz, die durch das erste Metall derart diffundieren kann, daß das zweite Metall zu freien Oberflächen der Interconnect-Struktur wandern kann, um die Passivierungsschicht zu bilden. Metalle, die als für das zweite Metall geeignet angesehen werden, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium, Kobalt, Zinn, Magnesium und Titan. In einer Ausführungsform umfaßt das zweite Element ein Nicht-Metall. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Menge des in der Legierung (aus dem ersten und zweiten Metall) vorhandenen zweiten Metalls (oder Elements) bei oder unterhalb der Löslichkeitsgrenze des zweiten Metalls in dem ersten Metall. In einer Ausführungsform liegt der Gehalt des zweiten Metalls an der Metall-Legierung zwischen 0,1 und 10 Atomprozent. Sollte beispielsweise das erste Metall Kupfer und das zweite Metall Aluminium umfassen, beträgt die Menge an Aluminium, die in der Cu(Al) Legierung vorhanden ist, bis zu etwa 3 Atomprozent.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Diffusionsmechanismus, welcher die Migration des zweiten Metalls (oder Elements) innerhalb des ersten Metalls ermöglicht, langsam oder im wesentlichen nicht vorhanden, so daß das zweite Metall in der Gitterstruktur des ersten Metalls „gefangen” ist, was eine frühzeitige Bildung der Passivierungsschicht verhindern kann. Ein vorzeitiges Bilden der Passivierungsschicht (beispielsweise vor dem Bonden der Bond-Strukturen
213 mit den Bond-Strukturen eines zweiten Substrats, wie es nachfolgend beschrieben werden wird) kann möglicherweise metallisches Bonden verhindern. Bei erhöhten Temperaturen ist das zweite Metall (oder Element) jedoch in der Lage, durch das erste Metall zu diffundieren, so daß das zweite Metall an die freien Oberflächen der Interconnect-Struktur zum Bilden einer Passivierungsschicht segregieren kann. Die Tendenz einiger Metalle, wenn sie mit anderen Metallen legiert werden, zu freien Oberflächen zu wandern, ist ein wohlbekanntes Phänomen und wird nicht weiter diskutiert. - In einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Bond-Struktur
213 das erste Metall und zwei oder mehr zusätzliche Metalle (oder andere Elemente). Jedes dieser zusätzlichen Metalle (oder Elemente) umfaßt eine Substanz, welche durch das erste Metall zum Bilden der Passivierungsschicht diffundieren kann. Somit kann die Passivierungsschicht eine Kombination der zwei (oder mehr) zusätzlichen Metalle oder Elemente umfassen. - In einer Ausführungsform wird die Passivierungsschicht in der Gegenwart einer Sauerstoffumfassenden Umgebung gebildet, und die Passivierungsschicht umfaßt ein Oxid des zweiten Metalls (beispielsweise Al2O3). Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Passivierungsschicht in der Gegenwart einer Stickstoff-umfassenden Umgebung gebildet, und die Passivierungsschicht umfaßt ein Nitrid des zweiten Metalls (beispielsweise AlN). In einer noch weiteren Ausführungsform umfaßt die Passivierungsschicht im wesentlichen das zweite Metall (oder andere Material).
- Unter Bezugnahme auf Block
120 in1 wird/werden eine oder mehrere Bond-Strukturen auf einem zweiten Substrat gebildet, wobei jede dieser Bond-Strukturen das erste Metall umfaßt. Die Bond-Strukturen auf dem zweiten Substrat können optional das zweite Metall (oder andere Element oder Elemente) umfassen, so daß wenigstens ein Teil jeder Bond-Struktur eine Legierung des ersten und zweiten Metalls umfaßt. Dies ist in2B dargestellt, welche ein zweites Substrat220 mit einer Oberfläche221 zeigt, worauf eine Anzahl an Bond-Strukturen223 gebildet worden sind. Jede der Bond-Strukturen223 kann mit einem in dem Substrat220 gebildeten Leiter elektrisch gekoppelt sein. In einer Ausführungsform umfaßt das Substrat220 einen weiteren Halbleiter-Wafer, auf dem integrierte Schaltungen für eine entsprechende Anzahl an Chips gebildet worden sind. Eine Schicht dielektrischen Materials227 kann ebenfalls auf der Oberfläche221 des zweiten Substrats220 angeordnet sein. Die dielektrische Schicht227 kann jedes geeignete dielektrische Material umfassen, wie etwa SiO2, Si3N4, CDO, SiOF, oder ein aufgeschleudertes Material (beispielsweise ein aufgeschleudertes (spun-on) Glas oder Polymer). In einer Ausführungsform erstrecken sich die Bond-Strukturen223 über eine äußere Oberfläche der dielektrischen Schicht227 hinaus (wie es beispielsweise durch Polieren oder Zurückätzen der dielektrischen Schicht erzielt werden kann). - Die Bond-Strukturen
223 auf dem zweiten Substrat220 werden mit den Bond-Strukturen213 auf dem ersten Substrat210 ausgerichtet und aneinandergepaßt (mated), und ein Bonding- Prozeß wird zum Bilden von Interconnects zwischen dem ersten und zweiten Substrat durchgeführt. Jeder dieser Interconnects wird aus einer Bond-Struktur213 auf dem ersten Substrat210 und einer passenden Bond-Struktur223 auf dem zweiten Substrat220 gebildet werden, und eine Passivierungsschicht wird über jedem Interconnect aus dem zweiten Metall (oder Element oder Kombination weiterer Metalle und/oder Elemente) gebildet werden. Wie vorstehend angemerkt worden ist, können die Bond-Strukturen223 auf dem zweiten Substrat im wesentlichen das erste Metall (ohne das zweite Metall) umfassen. Gemäß dieser Ausführungsform umfaßt nur eine der zueinander passenden Bond-Strukturen (beispielsweise Bond-Struktur213 oder vielleicht Bond-Struktur223 ) das zweite Metall, und die Passivierungsschicht wird aus dem in dieser einen Bond-Struktur vorhandenen zweiten Metall gebildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen jedoch die Bond-Strukturen223 auf dem zweiten Substrat220 wenigstens teilweise eine Legierung aus einem ersten Metall und einem zweiten Metall. Somit wird die Passivierungsschicht, die letztendlich auf jedem Interconnect erzeugt wird, aus dem zweiten Metall gebildet, welches in jeder der zueinander passenden Bond-Strukturen213 ,223 des ersten bzw. des zweiten Substrats210 ,220 vorhanden ist. Die Eigenschaften der ersten und zweiten Metalle (oder Elemente) wurden vorstehend beschrieben. - Die Bond-Strukturen
213 ,223 auf den ersten und zweiten Substraten210 ,220 können jede geeignete Form aufweisen, solange eine Bond-Struktur213 auf dem ersten Substrat210 an eine Bond-Struktur223 auf dem zweiten Substrat220 angepaßt und gebondet werden kann, um einen sich zwischen diesen beiden Substraten erstreckenden Interconnect zu bilden. In einer Ausführungsform umfaßt jede der Bond-Strukturen213 ,223 ein kreisförmig oder rechteckig ausgebildetes Bond-Pad. Jedoch ist ersichtlich, daß die offenbarten Ausführungsformen nicht auf das Bilden solcher Bond-Pads beschränkt sind und ferner, daß die Bond-Strukturen213 ,223 jede geeignete Form (beispielsweise kugelförmige Höcker) umfassen können. In einer Ausführungsform weisen die Bond-Strukturen213 ,223 eine Dicke T (siehe3A ) von zwischen 0,1 μm und 10 μm auf. Die Bond-Strukturen213 ,223 können auch durch jeden geeigneten Prozeß oder geeignete Prozesse gebildet werden. Verschiedene Ausführungsformen der Bond-Strukturen213 ,223 werden nachfolgend in größerem Detail bezüglich der3A bis3C beschrieben werden. - Wieder zurückkehrend zu
1 und speziell Block130 , werden die Bond-Strukturen des ersten und zweiten Substrats derart ausgerichtet und zum Bonden in Kontakt gebracht, daß die Bond-Strukturen auf dem ersten Substrat mit den Bond-Strukturen auf dem zweiten Substrat zum Bilden von Interconnects zwischen dem ersten und zweiten Substrat gebondet werden können. Dies ist weiter in2C dargestellt, worin die ersten und zweiten Substrate210 ,220 zum Bonden ausgerichtet und zusammengebracht worden sind. Jede der Bond-Strukturen213 auf dem ersten Substrat210 ist mit einer entsprechenden Bond-Struktur223 auf dem zweiten Substrat220 ausgerichtet und aneinandergepaßt worden. - Verschiedene Ausführungsformen der Bond-Strukturen
213 ,223 sind in den3A bis3C nach dem Ausrichten und Kontaktieren dargestellt. Zunächst sind in3A Bond-Strukturen213a ,223a gezeigt. Die gesamten Bond-Strukturen213a ,223a (oder ein substantieller Teil dieser Strukturen) umfassen eine Legierung aus dem ersten und zweiten Metall (beispielsweise eine Legierung aus Kupfer und Aluminium). Die Bond-Strukturen213a können dadurch gebildet werden, daß zunächst die Schicht aus dielektrischem Material217 über dem Substrat210 aufgebracht wird und dann Vias oder andere Öffnungen (wie etwa durch einen Masken- und Ätzprozeß) in der dielektrischen Schicht an Orten der Bond-Strukturen gebildet werden. Die Legierung aus dem ersten und zweiten Metall wird dann in die Vias abgeschieden (beispielsweise durch einen alles überdeckenden Depositionsschritt (blanket deposition step) gefolgt von einem Planarisierungsschritt, wie etwa einem chemisch-mechanischen Polieren), um die Bond-Strukturen213a zu bilden. Die dielektrische Schicht217 kann ebenfalls poliert oder zurückgeätzt werden, um den oberen Teil der Bond-Struktur, wie in3A gezeigt ist, freizulegen. Die Bond-Strukturen223a auf dem Substrat220 können in ähnlicher Weise gebildet werden. - Bezugnehmend auf
3B sind erfindungsgemäße Ausführungsformen der Bond-Strukturen213b und223b dargestellt. Die Bond-Struktur213b umfaßt einen oberen Abschnitt301 , welcher im wesentlichen das erste Metall (beispielsweise Kupfer) umfaßt, und einen unteren Abschnitt303 , welcher eine Legierung aus dem ersten und zweiten Metall (beispielsweise Kupfer und Aluminium) umfaßt. Gleichermaßen umfaßt die Bond-Struktur223 einen oberen Abschnitt302 , welcher im wesentlichen das erste Metall umfaßt, und einen unteren Abschnitt304 , welcher die Legierung aus dem ersten und zweiten Metall umfaßt. Bond-Struktur213b kann dadurch gebildet werden, daß zunächst die Schicht aus dielektrischem Material217 über dem Substrat210 abgeschieden und dann Vias oder andere Öffnungen (wie beispielsweise durch einen Masken- und Ätzprozeß) in die dielektrische Schicht217 an Stellen der Bond-Strukturen gebildet werden. Eine Schicht der Legierung aus dem ersten und zweiten Metall wird dann in die Vias abgeschieden (beispielsweise durch selektive Deposition auf Leitern in dem Substrat210 , welche unter Stellen der Bond-Strukturen liegen), um den unteren Abschnitt303 der Bond-Struktur zu bilden. Eine Schicht des ersten Metalls wird dann über der Legierungsschicht abgeschieden (wie beispielsweise durch selektive Deposition auf der Legierungsschicht, die zuvor in jedem Via abgeschieden worden ist, und möglicherweise einem nachfolgenden Planarisierungsschritt), um den oberen Abschnitt301 der Bond-Strukturen213a zu bilden. Die dielektrische Schicht217 kann ebenfalls zum Freilegen des oberen Abschnitts der Bond-Struktur poliert oder zurückgeätzt werden, wie es in3B gezeigt ist. Die Bond-Strukturen223b auf dem Substrat220 können in einer ähnlichen Weise gebildet werden. - Als nächstes bezugnehmend auf
3C sind zusätzliche erfindungsgemäße Ausfürungsformen von Bond-Strukturen213c ,223c gezeigt. Die Bond-Struktur213c umfaßt einen inneren Abschnitt305 , welcher im wesentlichen das erste Metall umfaßt (beispielsweise Kupfer). Der innere Abschnitt305 der Bond-Struktur213c wird von einem äußeren Abschnitt307 umgeben, welcher eine Legierung aus dem ersten und zweiten Metall umfaßt (beispielsweise Kupfer und Aluminium). Gleichermaßen umfaßt die Bond-Struktur223c einen inneren Abschnitt306 , welcher im wesentlichen das erste Metall umfaßt, wobei der innere Abschnitt306 von einem äußeren Abschnitt308 umgeben ist, welcher die Legierung aus dem ersten und zweiten Metall umfaßt. Die Bond-Struktur213c kann dadurch gebildet werden, daß zunächst die Schicht aus dielektrischen Material217 über dem Substrat210 abgeschieden und dann Vias oder andere Öffnungen (wie beispielsweise durch einen Masken- und Ätzprozeß) in die dielektrische Schicht217 an Stellen der Bond-Strukturen gebildet werden. Eine Keimschicht der Legierung aus dem ersten und zweiten Metall kann dann in die Vias, wie beispielsweise durch einen alles überdeckenden Depositionsprozeß (blanket deposition process), abgeschieden werden, um den äußeren Abschnitt307 der Bond-Struktur zu bilden. Eine Schicht des ersten Metalls wird dann über der Legierungsschicht (wie beispielsweise durch einen nachfolgenden alles überdeckenden Depositionsschritt, dem ein Planarisierungsschritt folgen kann) abgeschieden, um den inneren Abschnitt305 der Bond-Struktur213c zu bilden. Die dielektrische Schicht217 kann ebenfalls zum Freilegen des oberen Abschnitts der Bond-Struktur poliert oder zurückgeätzt werden, wie es in3C gezeigt ist. Die Bond-Strukturen223c auf dem Substrat220 können in einer ähnlichen Weise gebildet werden. - In jeder der
3A bis3C sind die Bond-Strukturen213 ,223 die gleichen. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Bond-Strukturen auf dem ersten und zweiten Substrat210 ,220 ungleich sein können. Beispielsweise kann das erste Substrat210 Bond-Strukturen ähnlich zu jenen, die in3A gezeigt sind, aufweisen, wohingegen das zweite Substrat220 Bond-Strukturen ähnlich zu jenen, die in3B gezeigt sind, aufweisen kann. Als weiteres Beispiel kann das erste Substrat210 Bond-Strukturen ähnlich zu jenen, die in einer der3A bis3C gezeigt sind, aufweisen, wohingegen das zweite Substrat220 Bond-Strukturen aufweisen kann, die im wesentlichen aus dem ersten Metall (beispielsweise Kupfer) bestehen. Dem Leser wird ersichtlich sein, daß jede Kombination zueinander passender Bond-Strukturen verwendet werden kann, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften und der Einsatzumgebung der zu bildenden Interconnects. - Beim Bonden sind die Bond-Strukturen
213 auf dem ersten Substrat210 mit den Bond-Strukturen223 auf dem zweiten Substrat220 zu bonden, um sich zwischen diesen zwei Substraten erstreckende Interconnects zu bilden. Für optimales Bonden kann es in einigen Ausführungsformen wünschenswert sein, das Bilden einer Passivierungsschicht an den Grenzflächen zwischen den Bond-Strukturen213 ,223 (siehe Bezugsziffer290 in den2C ,3A bis3C und4 ) zu hindern. Somit kann es gemäß einer Ausführungsform wünschenswert sein, die Migration des zweiten Metalls zu der Grenzflächenoberfläche der Bond-Strukturen213 ,223 zu verzögern, bis ein Bonden zwischen den Bond-Strukturen erzielt worden ist. Dies kann in einer Ausführungsform durch Plazieren von Material, welches im wesentlichen das erste Metall (beispielsweise Kupfer) umfaßt, an der Grenzfläche290 erreicht werden. Die3B und3C sind jeweils Beispiele von Bond-Strukturen (213b ,223b und213c ,223c ), welche eine Schicht (oder Menge) des ersten Metalls an der Grenzfläche290 zwischen den Bond-Strukturen bereitstellen. Diese Schicht (oder Menge) des ersten Metalls an der Grenzfläche290 dient im wesentlichen einer Verzögerungsfunktion, welche die Migration des zweiten Metalls zu der Grenzfläche vor dem Bonden verlangsamt. In einer noch weiteren Ausführungsform kann/können eine oder mehrere zusätzliche Schichten von Metall (oder eines anderen Elements) zwischen den Metallschichten angeordnet sein, um die Migration des zweiten Metalls zu der Grenzfläche vor dem Bonden weiter zu verzögern (beispielsweise kann eine zusätzliche Schicht an Material in jeweils3B und3C zwischen den Cu(Al) und Cu-Schichten angeordnet sein). - Die Ausrichtung zweier Bond-Strukturen
213 ,223 ist weiter dargestellt in4 . Unter Bezugnahme auf diese Figur wird es, wenn zwei der Bond-Strukturen213 ,223 ausgerichtet und in Kontakt gesetzt werden, eine Anzahl an freien Oberflächen geben (beispielsweise eine äußere Oberfläche einer Bond-Struktur), welche zu der umliegenden Umgebung freiliegen. Diese freiliegenden freien Oberflächen umfassen die Oberflächen418 ,428 der Bond-Strukturen213 ,223 , welche sich oberhalb der jeweiligen dielektrischen Schicht217 ,227 erstrecken. Ferner können aufgrund von Fehlausrichtung zwischen den Bond-Strukturen213 ,223 freiliegende freie Oberflächen419 ,429 ebenfalls an der Grenzfläche290 existieren. Nach dem Bonden der Bond-Strukturen213 ,223 zum Bilden eines Interconnects, können diese freien Oberflächen418 ,428 ,419 ,429 zu der äußeren Umgebung freiliegend bleiben, wodurch diese anfällig für Oxidation und Korrosion werden. Jedoch kann die Passivierungsschicht, die während oder nach dem Bonden gebildet werden soll (durch Migration des zweiten Metalls zu diesen freien Oberflächen) eine solche Oxidation und Korrosion hemmen (obwohl die Passivierungsschicht selbst zum Teil durch einen Oxidationsprozeß gebildet werden kann). - Das Bonden kann unter jeglichen geeigneten Prozeßbedingungen stattfinden. In einer Ausführungsform werden die Bond-Strukturen
213 ,223 auf dem ersten und zweiten Substrat210 ,220 unter Druck in Kontakt gebracht und einer erhöhten Temperatur unterworfen. Gemäß einer Ausführungsform liegt der Kontaktdruck zwischen den Bond-Strukturen213 ,223 in einem Bereich von bis zu 5 MPa, und Bonden wird bei einer Temperatur von bis zu 450°C durchgeführt. Die umliegende Umgebung, in der das Bonden stattfindet, kann ebenfalls das Bonden wie auch das Bilden der Passivierungsschicht beeinflussen. In einer Ausführungsform wird das Bonden in einer Sauerstoff-umfassenden Atmosphäre durchgeführt, in welchem Fall die gebildete Passivierungsschicht ein Oxid des zweiten Metalls sein kann (beispielsweise Al2O3). In einer weiteren Ausführungsform wird das Bonden in einer Stickstoff-umfassenden Atmosphäre durchgeführt, und die gebildete Passivierungsschicht kann ein Nitrid des zweiten Metalls sein (beispielsweise AlN). In einer weiteren Ausführungsform wird das Bonden unter einem Vakuum durchgeführt, und die gebildete Passivierungsschicht kann im wesentlichen das zweite Metall umfassen (obwohl nachfolgende Oxidierung der Passivierungsschicht auftreten kann, wenn die gebondeten Substrate nicht hermetisch versiegelt sind). Dies sind nur einige Beispiele der Bedingungen, unter denen Bonden durchgeführt werden kann, und dem Leser wird ersichtlich sein, daß andere Prozeßbedingungen eingesetzt werden können, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der zu bildenden Interconnects. - Während des Bondens sollten zwei Prozesse auftreten: (1) die Bildung eines metallischen Bonds zwischen den zueinander passenden Bond-Strukturen
213 ,223 , um Interconnects zu bilden, die sich zwischen dem ersten und zweiten Substrat210 und220 erstrecken (siehe Block130 ); und (2) Migration des zweiten Metalls zu freien Oberflächen (siehe4 ) der Bond-Strukturen213 ,223 , um eine Passivierungsschicht über jedem der Interconnects zu bilden, wie es in Block140 der1 dargelegt ist. Dies ist weiter in2D dargestellt, welche Interconnects230 zeigt, die aus den zueinander passenden Bond-Strukturen213 ,223 , die nun aneinander gebondet sind, gebildet worden sind. Wie in2D gezeigt ist, ist eine Passivierungsschicht240 über jedem der Interconnects230 gebildet worden, wobei diese Passivierungsschicht240 aus dem zweiten Metall gebildet ist (beispielsweise entweder ein Oxid oder Nitrid des zweiten Metalls oder möglicherweise im wesentlichen aus dem zweiten Metall gebildet). In einer Ausführungsform umfaßt jeder der Interconnects230 im wesentlichen das erste Metall; jedoch kann in anderen Ausführungsformen ein Teil des zweiten Metalls in den Interconnects230 verbleiben (beispielsweise kann ein Teil des zweiten Metalls in der Struktur des ersten Metalls „gefangen” bleiben, da das Bonden vor der Segregation des gesamten zweiten Metalls an die freien Oberflächen gestoppt wurde). Die zwei zuvor genannten Prozesse – beispielsweise Bonden und Bilden einer Passivierungsschicht – können, in einer Ausführungsform, gleichzeitig (oder nahezu gleichzeitig) geschehen. In anderen Ausführungsformen können jedoch diese zwei Prozesse sequentiell geschehen (beispielsweise kann zuerst das Bonden gefolgt von der Migration des zweiten Metalls zu den freien Oberflächen und Bilden einer Passivierungsschicht geschehen). - Die Dicke der Passivierungsschicht
240 wird eine Funktionen der Wahl des ersten und zweiten Metalls und der Prozeßbedingungen sein, unter denen sich diese Schicht bildet (beispielsweise der Atmosphäre, Temperatur und Zeit, etc.). Diese Dicke kann spezifiziert werden, um gewünschte Eigenschaften für die Passivierungsschicht240 zu erzielen (beispielsweise Korrosionsbeständigkeit, Elektromigrationsbeständigkeit, elektrische Isolierung, etc.). Gemäß einer Ausführungsform weist die Passivierungsschicht240 auf den Interconnects230 eine Dicke von zwischen etwa 0,5 und 100 nm auf. Beispielsweise kann die Passivierungsschicht, wo die Passivierungsschicht240 Al2O3 (und der Interconnect im wesentlichen Kupfer) umfaßt, eine Dicke von etwa 3 nm aufweisen. Als weiteres Beispiel kann die Passivierungsschicht, wo die Passivierungsschicht240 AlN (und der Interconnect im wesentlichen Kupfer) umfaßt, eine Dicke von etwa 10 nm aufweisen. Dem Leser wird ersichtlich sein, daß andere Dicken wie gewünscht erzielt werden können. - Wie zuvor vorgeschlagen worden ist, können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zum Bilden selbst-passivierender Interconnects dazu verwendet werden, Halbleiter-Wafer zum Bilden eines Wafer-Stapels (wafer-stack) aneinander zu bonden. Eine Ausführungsform eines solchen Wafer-Stapels
500 ist in den5A und5B dargestellt, wobei5B eine Querschnittsansicht des Wafer-Stapels aus5A entlang der Linie B-B aus5A zeigt. Unter Bezugnahme auf diese Figur umfaßt ein Wafer-Stapel500 einen ersten Wafer501 und einen zweiten Wafer502 , wobei jeder der Wafer501 ,502 ein jeweiliges Substrat510 ,520 umfaßt. Das Substrat510 ,520 jedes Wafers501 ,502 umfaßt typischerweise ein Halbleitermaterial, wie etwa Silizium (Si), Silizium-auf-Isolator (Silicon-on-Insulator, SOI), Gallium Arsenid (GaAs), etc. Integrierte Schaltungen für eine Anzahl an Stapel-Chips505 (stacked die) sind auf jedem der Wafer501 ,502 gebildet worden, und der Wafer-Stapel500 wird letztendlich in diese separaten Stapel-Chips505 aufgetrennt. Die integrierten Schaltungen für jeden Stapel-Chip505 können eine Anzahl aktiver Bauelemente512 (beispielsweise Transistoren, Kapazitäten, etc.) umfassen, die auf dem Substrat510 des ersten Wafers501 gebildet sind, und eine Anzahl aktiver Bauelemente522 umfassen, die auf dem Substrat520 des zweiten Wafers502 gebildet sind. - Über einer Oberfläche des ersten Wafers
501 ist eine Interconnect-Struktur514 angeordnet, und über einer Oberfläche des zweiten Wafers502 ist eine Interconnect-Struktur524 angeordnet. Allgemein umfaßt jede der Interconnect-Strukturen514 ,524 eine Anzahl an Metallisierungsebenen, wobei jede Metallisierungsschicht von benachbarten Ebenen durch eine Schicht dielektrischen Materials (oder anderen isolierenden Materials) getrennt und mit den benachbarten Ebenen durch Vias verbunden ist. Die dielektrischen Schichten der Interconnects514 ,524 werden oft als ein „Zwischenschicht-Dielektrikum” (interlayer dielectric, ILD) bezeichnet, und die ILD-Schichten können jedes geeignete isolierende Material umfassen, wie etwa SiO2, Si3N4, CDO, SiOF oder ein aufgeschleudertes Material (beispielsweise ein aufgeschleudertes Glas oder Polymer). Die Metallisierung auf jeder Schicht umfaßt eine Anzahl an Leitern (beispielsweise Spuren (traces)), welche Signal-, Strom- und Erdungsleitungen zu und von den integrierten Schaltungen jedes Chips505 führen (route) können, und diese Metallisierung umfaßt ein leitfähiges Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Silber, Gold und Legierungen aus diesen (oder anderen) Materialien. - Zwischen dem ersten und zweiten Wafer
501 ,502 sind eine Anzahl an Interconnects530 angeordnet und koppeln diese beiden Wafer sowohl mechanisch als auch elektrisch miteinander. Über jedem Interconnect ist eine Passivierungsschicht540 gebildet. Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Interconnects530 im wesentlichen Kupfer und die Passivierungsschicht540 umfaßt Aluminium. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Passivierungsschicht Aluminiumoxid, und in einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Passivierungsschicht Aluminiumnitrid. In einer Ausführungsform sind die Interconnects selbst-passivierend und sind gemäß einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gebildet. - In einer Ausführungsform weisen der erste und zweite Wafer
501 ,502 die gleiche Abmessung und Form auf; jedoch weisen in einer anderen Ausführungsform diese Wafer unterschiedliche Formen und/oder Abmessungen auf. In einer Ausführungsform umfaßt der erste und zweite Wafer501 ,502 das gleiche Material, und in einer weiteren Ausführungsform umfaßt der erste und zweite Wafer501 ,502 jeweils unterschiedliches Material. Ferner sind die Wafer501 ,502 in einer weiteren Ausführungsform mit Hilfe unterschiedlicher Prozeßabläufe hergestellt, obwohl die Wafer501 ,502 mit Hilfe im wesentlichen des gleichen Prozeßablaufs hergestellt sein können. In einer Ausführungsform umfaßt einer der Wafer (beispielsweise Wafer501 ) Logikschaltungen, die mit Hilfe eines ersten Prozeßablaufs (process flow) gebildet worden sind, und der andere Wafer (beispielsweise Wafer502 ) umfaßt Speicherschaltungen (beispielsweise DRAM, SRAM, etc.), die mit Hilfe eines zweiten, unterschiedlichen Prozeßablaufs gebildet worden sind. Somit sind die offenbarten Ausführungsformen auf jede Art von Wafer oder Kombinationen von Wafer anwendbar, wie es dem Leser ersichtlich sein wird, unabhängig von Abmessung, Form, Material, Architektur und/oder Prozeßablauf, und der Begriff „Wafer”, wie er hierin verwendet wird, sollte seinem Umfang nach nicht auf eine spezielle Art von Wafer oder Wafer-Kombination beschränkt sein. - Letztendlich wird der Wafer-Stapel
500 in eine Anzahl von separaten Stapel-Chips505 getrennt, wie vorstehend angemerkt worden ist. Jeder Stapel-Chip wird einen Chip von dem ersten Wafer501 und einen Chip von dem zweiten Wafer502 umfassen. Diese zwei Stapel-Chips werden – sowohl elektrisch als auch mechanisch – durch einige der Interconnects530 verbunden werden. - Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zum Bilden selbst-passivierender Interconnects sind zumindest zum Teil im Zusammenhang des Bildens eines dreidimensionalen Wafer-Stapels erklärt worden. Jedoch ist es ersichtlich, daß die offenbarten Ausführungsformen in ihrer Anwendung nicht auf das Wafer-Stacking beschränkt sind und ferner, daß die offenbarten Ausführungsformen in weiteren Vorrichtungen oder Anwendungen verwendet werden können. Beispielsweise können die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dazu verwendet werden, selbst-passivierende Interconnects zwischen einem integrierten Schaltungschip und einem Gehäusesubstrat (package substrate) zu bilden und/oder selbst-passivierende Interconnects zwischen einem Gehäuse und einer Leiterplatte zu bilden. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können ebenso Anwendung finden bei Wafer-zu-Chip Bonden (wafer-to-die bonding) und Chip-zu-Chip Bonden (die-to-die bonding).
- Ferner ist zu beachten, daß in
2A bis2D zur Vereinfachung der Darstellung eine begrenzte Anzahl an Bond-Strukturen und Interconnects gezeigt ist. Gleichermaßen sind in den5A bis5B nur eine beschränkte Anzahl an Interconnects530 und aktiver Bauelemente512 ,522 zur Vereinfachung der Darstellung und aus Gründen der Klarheit gezeigt. Jedoch können, wie es dem Leser ersichtlich sein wird, die Substrate210 ,220 der2A bis2D und die Halbleiter-Wafer501 ,502 der5A bis5B Tausende oder möglicherweise Millionen solcher Interconnects (230 oder530 ) umfassen. Gleichermaßen können die auf den Wofern501 ,502 für jeden Stapel-Chip505 gebildeten integrierten Schaltungen in der Praxis mehrere zehn Millionen oder sogar Hunderte von Millionen aktiver Bauelemente512 ,522 umfassen (beispielsweise Transistoren). Somit sollte es ersichtlich sein, daß die2A bis2D und5A bis5B vereinfachte schematische Darstellungen sind, die lediglich als eine Hilfe zum Verständnis präsentiert werden.
Claims (18)
- Verfahren, welches umfaßt Bilden einer Bond-Struktur auf einem ersten Substrat, wobei die Bond-Struktur des ersten Substrats ein leitendes Metall und ein Element umfaßt; Bilden einer Bond-Struktur auf einem zweiten Substrat, wobei die Bond-Struktur des zweiten Substrats das leitende Metall und das Element umfaßt; und Bonden der Bond-Struktur des ersten Substrats an die Bond-Struktur des zweiten Substrats, um einen Interconnect zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu bilden, wobei das Element zu freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um eine Passivierungsschicht auf dem Interconnect zu bilden, wobei Bilden wenigstens einer der Bond-Strukturen das Bilden eines ersten Teils der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element und das Bilden eines zweiten Teils der Bond-Struktur aus im wesentlichen dem leitenden Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner Durchführen des Bondens in der Gegenwart von Sauerstoff umfaßt, wobei die Passivierungsschicht ein Oxid des Elements umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner Durchführen des Bondens in der Gegenwart von Stickstoff umfaßt, wobei die Passivierungsschicht ein Nitrid des Elements umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner Durchführen des Bondens in einem Vakuum umfaßt, wobei die Passivierungsschicht im wesentlichen das Element umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat einen ersten Halbleiter-Wafer mit integrierten Schaltungen für eine Anzahl von Chips umfaßt und das zweite Substrat einen zweiten Halbleiter-Wafer mit integrierten Schaltungen für eine entsprechende Anzahl von Chips umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden wenigstens einer der Bond-Strukturen das Bilden der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das leitende Metall Kupfer umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Element ein Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Element ein Nicht-Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Bond-Strukturen das Element und ferner ein zusätzliches Element umfaßt, wobei das zusätzliche Element zu den freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um in Kombination mit dem Element die Passivierungsschicht zu bilden.
- Verfahren, welches umfaßt Bilden einer Bond-Struktur auf einem ersten Substrat, wobei die Bond-Struktur des ersten Substrats ein leitendes Metall und ein Element umfaßt; Bilden einer Bond-Struktur auf einem zweiten Substrat, wobei die Bond-Struktur des zweiten Substrats das leitende Metall umfaßt; und Bonden der Bond-Struktur des ersten Substrats an die Bond-Struktur des zweiten Substrats, um einen Interconnect zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu bilden, wobei das Element zu freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um eine Passivierungsschicht auf dem Interconnect zu bilden, wobei Bilden der Bond-Struktur des ersten Substrats Bilden eines ersten Teils der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element und Bilden eines zweiten Teils der Bond-Struktur aus im wesentlichen dem leitenden Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner Durchführen des Bondens in der Gegenwart von Sauerstoff umfaßt, wobei die Passivierungsschicht ein Oxid des Elements umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner Durchführen des Bondens in der Gegenwart von Stickstoff umfaßt, wobei die Passivierungsschicht ein Nitrid des Elements umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, welches ferner Durchführen des Bondens in einem Vakuum umfaßt, wobei die Passivierungsschicht im wesentlichen das Element umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bilden der Bond-Struktur des ersten Substrats Bilden der Bond-Struktur aus einer Legierung aus dem leitenden Metall und dem Element umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Element ein Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Element ein Nicht-Metall umfaßt.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bond-Struktur des ersten Substrats ferner ein zusätzliches Element umfaßt, wobei das zusätzliche Element zu den freien Oberflächen der Bond-Strukturen wandert, um in Kombination mit dem Element die Passivierungsschicht zu bilden.
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