JP2012531312A - 単純化した銅−銅接着方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の銅素子を第２の銅素子に接着させる方法であって、その方法によってこれらの素子が接触されるであろう、第１および第２のそれぞれの素子の表面のそれぞれの上に、酸素に富む銅の結晶性層を形成させる段階であり、それら２層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階を含む方法であり、前記段階が、ａ）１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さおよび親水性表面が得られるように、これらの表面を研磨する少なくとも１つの段階； ｂ）研磨工程からの何らかの粒子および大部分の腐食抑制剤を除去するために、前記表面を洗浄する少なくとも１つの段階；およびｃ）その２つの、酸素に富む銅の結晶性層を接触させる段階を含む方法に関する。

Description

本発明は、金属−金属接合に関し、より具体的には、特にマイクロ電子デバイスの製造において使用することのできる、単純化した銅−銅接合（ｃｏｐｐｅｒ−ｃｏｐｐｅｒ ｂｏｎｄｉｎｇ）に関する。

マイクロ電子デバイスにおいて３次元集積（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）により、デバイスの小型化、電力消費の低減、伝送速度、性能、操作度数などの増強が可能になる。

３次元集積には、特に、スタックを通しての心合せ（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）、薄層化および垂直相互接続の接合段階が含まれる。

ＴＳＶ（シリコン貫通バイア）技術が用いられ、この技術は、シリコンを貫通して接続バイアを作製することからなる。しかし、高い接続密度を得るため、また技術を単純化するため、直接に金属−金属接合によりこれらのバイアを連結することが好ましい。

銅は、接続パッドを作製するのにとりわけ使用される金属の１つである。

アルゴンプラズマによって表面を活性化しておき、熱圧縮または超真空によって、直接銅−銅接合を達成するための種々の方法が存在する。これらの方法によって、良好な結果を得ることが可能であるが、表面を調整するため超真空を要するか、もしくは、接合を達成するため高温を要するか、または特定の雰囲気下での作業を要するかのいずれかである。圧力を加えると、ＭＥＭＳセンサーを破損する恐れがある。

Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＧＣ Ｓｃｈｗａｒｚによる 「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＣｕＯ ａｎｄ Ｃｕ２Ｏ ｗｉｔｈ Ｈ２ ： Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｂｏｘｉｄｅｓ」、Ｊａｅ Ｙ．Ｋｉｍら、ＪＡＣＳ ２００３、１０６８４〜１０６９２頁

したがって、本発明の目的は、新規な直接銅−銅接合方法を提供することである。

前述の目的は、接触させようとする面のそれぞれの上に厚さ数ナノメートルの、酸素に富む結晶性銅層を生成させ、両方のこれらの面を接触させる段階を含む銅−銅接合方法であって、この酸素に富む結晶性銅層を生成させる段階が、銅表面を研磨する段階、および洗浄する段階を含む方法によって達成される。

本発明者らは、驚くべきことに、銅表面上での酸素に富む結晶性銅層の存在により、両表面が接合され、かつ導電性の組立体が得られることが可能になる点に気がついた。

本発明による接合は、大気圧下の室温で、開放空気中で、何ら接着剤なしで、特定の圧力なしで、かつ焼なまし（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）がなくて行うことができるのが有利である。室温で作業することによって、ウェーハ間の曲率差の発生が避けられるので、接合されるウェーハの、またはウェーハに載せられる構成部分の心合せを改良することが可能である。

接合を開始するため、スタックの一端に微圧（ｓｌｉｇｈｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を作用させるよう対応することができる。

本発明の方法によれば、接合の際に圧力が掛らないため、ウェーハ間の適正な心合せが得られる。

したがって、本発明の主題は、第１の銅素子を第２の銅素子上に接合する方法であって、少なくとも
Ａ）第１および第２の素子のそれぞれの、それらによりこれらの素子が接触されるであろう、表面のそれぞれの上に、酸素に富む結晶性銅層を形成させる段階であり、両層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階、
Ｂ）酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに接触させる段階
を含み、
前記段階Ａ）が、
ａ）１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さ、および親水性表面が得られるように、それらの表面を研磨する少なくとも１つの段階、
ｂ）研磨による粒子および大部分の腐食抑制剤の存在を阻むために、前記表面を洗浄する少なくとも１つの段階
を含む方法である。

粗さは、０．５ｎｍ ＲＭＳ未満であることが有利である。

段階Ｂ）は、室温で、大気圧下で、また空気中で有利に行われる。

段階Ｂ）は、段階ｂ）に引き続いて２時間以内に行われるのが好ましい。

本発明による接合方法は、これらの素子の一方に力を掛ける段階であり、それが、接合を開始するように、酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに近付けようとする段階を含むことができる。力を掛けるのは、一方の素子の一方の端部上だけに行われるのが有利である。

銅素子の緻密な平面を、接合する表面と実質的に平行に配向させることができる。

これらの銅素子は、基板、その基板上に堆積させたエッチング部を備えた誘電体層、その誘電体層の誘電体を被覆しかつエッチング部を充填する銅層を含むことができ、前記銅層が、そのエッチング部に段差（ｓｔｅｐｓ）を含んでおり、この場合、段階ａ）は、例えば、下記の副段階を含む：
ａ１）段差が消失し、実質的に平面の銅表面が得られるまで、平準化（ｌｅｖｅｌｉｎｇ）化学溶液で、それぞれの素子の銅層を化学機械研磨する副段階、
ａ２）エッチング部の外側の誘電体層上の銅が完全に除去され、誘電体と同レベルで、もしくは誘電体の表面から引っ込んで、銅が残るまで、誘電体に対し、選択的非平準化化学溶液で、残った銅層を化学機械研磨する副段階、
ａ３）誘電体の表面が、実質的にパッドの表面となるまで、平準化化学溶液で、誘電体を化学機械研磨する副段階。

素子は、誘電体と銅層の間に拡散障壁（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂａｒｒｉｅｒ）を含むことができる； 段階ａ２）の間、エッチング部の外側の拡散障壁上で銅層が消失するまで、銅層が研磨され、また段階ａ３）の間、拡散障壁が、誘電体の前まで、または誘電体に代わって研磨される。

本発明による方法は、段階Ｂ）の後に、焼なましのためのさらなる段階Ｃ）を含むことができる。

第１の素子は、例えば銅プレートもしくはパッドの形態で誘電体材料の表面と同一平面をなしており、また第２の素子は、例えば銅プレートもしくはパッドの形態で誘電体材料の表面と同一平面をなしている。

本発明の主題はまた、気密封止（ｈｅｒｍｅｔｉｃａｌｌｙ ｓｅａｌｅｄ）キャビティ内に電気機械微小システム（ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ）構造体を有するマイクロ電子デバイスの製造方法であって、
−閉じた輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）を形成する第１の銅壁によって囲まれた、電気機械微小システム構造体を備えている第１の素子を作製する段階であり、前記第１の壁の頂部が平坦な表面によって構成される段階、
−第１の素子の第１の壁の形状および寸法と類似した形状および寸法を有し、その上部が平坦面によって構成される第２の壁を備えている第２の素子を作製する段階であり、第１および第２の壁の高さの合計が、電気機械微小システム構造体の高さを超えている段階、
−第１および第２の素子のそれぞれの、それらによりこれらの素子が接触されるであろう壁の平坦面を、１ｎｍ ＲＭＳ未満、有利な場合０．５ｎｍ ＲＭＳ以下の粗さが得られるように研磨する段階、
−研磨による粒子および腐食抑制剤の存在を阻むために、前記表面を清浄にする段階、
−酸素と接触させ、平坦面のそれぞれの上に、酸素に富む結晶性銅層を形成させる段階であり、両層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階、
−第１および第２の素子と第１および第２の壁とによって画定された、封止したキャビティ内に電気機械微小システム構造体を封止するように、酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに接触させる段階
を含む方法でもある。

この方法は、それによって形成されるキャビティ内の雰囲気を制御する段階を含むことができる。接触の段階は、真空下で有利に行われる。

本発明は、これに続く記述および添付される図面によって、より良好に理解されるであろう。

構成素子（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）の接合に適用される本発明による方法の、種々の段階の概略図である。 構成素子の接合に適用される本発明による方法の、種々の段階の概略図である。 構成素子の接合に適用される本発明による方法の、種々の段階の概略図である。 構成素子の接合に適用される本発明による方法の、種々の段階の概略図である。 構成素子の接合に適用される本発明による方法の、種々の段階の概略図である。 本発明による方法によって得られる、焼きなまし前の接合界面の写真である。 焼なまし温度（℃における）に対する、本発明による銅プレート−銅プレート接合の結合エネルギー（Ｊ／ｍ^２における）、および本発明によるＳｉＯ_２プレートとの銅プレートの接合の結合エネルギーの変化を示すグラフである。 焼なまし３０分後の本発明による銅−銅接合の結合エネルギー、および焼なまし２時間後のＳｉＯ_２−ＳｉＯ_２接合の結合エネルギー（Ｊ／ｍ^２における）の温度依存性変化を示すグラフである。 本発明による接合方法によって得られた銅−銅接続部内の電流（ｍＡにおける）に対する電圧（ｍＶにおける）の変化を示す、またこの接続部の電気抵抗（ｍΩにおける）を測定するためのグラフである。 図５Ａに示した測定向けの関連接続部の上面図である。 本発明により得られる接合界面の変化を示す概略図である。 焼なまし後、本発明により得られる接合界面の変化を示す概略図である。 本発明の方法によってカプセル封入されたＭＥＭＳを示す概略図である。

本発明による方法は、銅素子間の分子接合（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｏｎｄｉｎｇ）を達成することからなる。

これらの素子は両方とも、それぞれ銅プレート、銅層または接続パッドもしくは接続ラインとすることができ、その１つの面は絶縁材料の基板と同一平面をなしている。またはさらに、素子の一方を銅プレートとすることができ、また他方の素子は、その１つの面が絶縁基板と同一平面をなす１組のパッドであるとすることができる。

分子接合は、分子の接着による接合であって、その接合の間に、２つの平坦な表面が、どんな接着剤も塗布せずに互いに接着する接合として理解される。

図１Ａにおいて、接合される２つの素子２、４の一方の概略図を見ることができる。例示した例において、図１Ｅ中に見ることができるように、両素子は対称であり； 一方だけが詳細に記述されるであろう。素子２には、例えばＳｉＯ_２の誘電体材料８の層で被覆された例えばシリコンの基板６が含まれ、銅パッド１０が、誘電体層８内に作製されている。

研磨前の素子に対応する図１Ａにおいて、銅層１２が、誘電体層８上に堆積され、パッドのために意図される、くぼんだ領域を充填している。例示した例において、例えばＴｉＮの拡散障壁を形成する、さらなる層９が、銅層１２を堆積させる前に、誘電体層８上に堆積される。

素子４には、パッド１４が含まれる（図１Ｅ）。

本発明による方法の目的は、これらの素子２、４の両者を組み立てることであり、より具体的には、パッド１４を、パッド１０上に接合させることである。

本発明による方法は、
−第１および第２の素子のそれぞれの、それらを通してこれらの素子が接触されるであろう表面のそれぞれの上に、酸素に富む結晶性銅層を形成する段階Ａ）であり、両層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階と、
−これらの表面を接触させる段階Ｂ）であり、室温および大気圧下で、前記表面を通して両素子の親水性分子接合を誘発する段階と
を含む。

段階Ａ）は、下記の段階を含む：
ａ）パッド１０、１４を備えた表面が解放されるように、素子２、４を研磨する段階であり、その自由表面１０．１、１４．１が、１ｎｍ ＲＭＳ未満、有利な場合０．５ｎｍ ＲＭＳ以下の粗さを有する段階、
ｂ）研磨による粒子の存在を阻むために、前記表面１０．１、１４．１を清浄にする段階。この段階の終わりには、これらの自由表面１０．１、１４．１は親水性を有する。

例えば、それぞれのパッド１０、１４上の酸素に富む結晶性銅層の厚さは、単分子層すなわち１Åのオーダーから約３ｎｍまでの厚さの間を含む。酸素に富んだ結晶性銅層とは、吸着された層から化学量論的酸化銅までの範囲とすることができる酸素を含む結晶性銅層を意味する。

本出願において表面は、接触角が０°と２０°の間を含み、好ましくは可能な限り小さい場合、親水性であると見なされる。

以下の記述において、種々の段階が、詳細に記述されるであろう。

銅パッド間の接合を行うために、それらのパッドを接触させている間、それらの面間の接触が実質的に完全であるように、面１０．１、１４．１の非常に際立った平坦さの提供が得られるよう追求している。この目的のため、１ｎｍ ＲＭＳ（二乗平均平方根値）未満、有利な場合０．５ｎｍ ＲＭＳ以下の粗さを得ることが追求される。

以下に研磨例が示されるが、後者は決して限定的なものではなく、１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さに到達できる任意の他の方法を使用することができる。

研磨段階ａ）により、図１Ａの構造体から図１Ｄの構造体に進むことが可能となる。

本発明者らは、素子２の研磨を記述するだけとするものとし、素子４の研磨は同じ方法で行われる。基板６上に銅層１２を堆積させた後、得られたパターンを平坦にするため、化学機械研磨もしくはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われる。

図１Ａ〜１Ｄは、異なった研磨段階の間の素子２の異なった状態を例示する。

図１Ａは、銅層１２が堆積した後の、研磨を開始する前の素子２を例示する。誘電体８がエッチングされたもので、エッチング部１１が含まれる。例示例において、誘電体８は、拡散障壁９例えばＴｉＮで被覆されている。銅層１２には、エッチング部１１に、くぼんだ領域１３を形成する段階が含まれる。

第１の研磨段階ａ１）の間に、図１Ｂの形状を得るため、銅層を平坦とし、くぼんだ領域１３を消失させる。このため、平坦化する化学製品により、化学機械研磨が行われる。化学製品もしくはスラリーは、それによって、構造体上に材料を堆積させた後に存在する段差を縮小することが可能である場合、「平坦化する（ｆｌａｔｔｅｎｉｎｇ）」と言われる。残った銅の厚さは、５０ｎｍと２００ｎｍの間を含む。

図１Ｂにおいて、層１２は、実質的に平面である。

次に、段階ａ２）の間に、素子２の表面からエッチング部内の銅が後退するまで、エッチング部の外側の拡散障壁上の銅層を除去するため研磨が行われる。このため、拡散障壁または誘電体上で、非平坦性および選択性スラリーによる化学機械研磨が行われる。すなわち、このスラリーは、銅をエッチングするが、障壁も、または誘電体もエッチングしない。このスラリーを選択することにより、エッチング部内の銅が実質的に平面となり、均一な形で素子２の表面から後退する。すなわち、拡散障壁からくぼんでいる。皿形プロフィルが生じることはない。エッチング部の寸法に拘らず、このプロフィルが得られる。図１Ｃの構造体が得られる。この後退は、組織上にプレートによって作用させる圧力または研磨時間などの研磨パラメーターによって、調節することができる。この後退は、研磨用化学的溶液に応じて、特に錯化剤により、かつ／または腐食抑制剤により調節することもできる。しかし、障壁の研磨を行い、誘電体上で選択的に停止させることも可能である。

次の段階ａ３）の間、拡散障壁または誘電体の表面を、パッドの表面と障壁もしくは誘電体の表面との間にほぼ５ｎｍの隙間が存在する、実質的に銅パッド１０の表面にあるものとするために、拡散障壁およびできれば誘電体を後退させる。このため、平坦化スラリーによる化学機械研磨が行われる。この段階では、銅と、誘電体および障壁との両方が、異なる速度で研磨される。これらの速度は、スラリーの組成によって、研磨される材料、ウェーハのキャビティの幅および密度、ならびに意図される最終トポグラフィを考慮に入れ、調節される。

銅パッドの表面が、障壁の表面もしくは誘電体表面からくぼんでいる場合、本発明者らは、銅の膨張率のおかげで銅パッドの表面間の接触を改善するように、これらの表面を接触させた上で、有利な形で熱処理に掛けることができる。

本発明者らは、ここに、本発明を達成するため、化学機械研磨を行う上で適用できる手段をより詳細に記述するものとする。

研磨される素子２の表面は、粘弾性多孔質ポリウレタンからなる「パッド」と呼ばれる組織上で摩擦され（ｒｕｂｂｅｄ）、その組織の性状（硬さ、圧縮性、気孔ならびにパターンの形状および寸法など）は、研磨される材料の性質に応じて決まる。素子２の表面上の１種もしくは複数の材料は、組織および／または「スラリー」と呼ばれる粒子含有溶液（酸性もしくは塩基性化学溶液中に懸濁した粒子）との化学反応および機械的作用によって除去される。これらのスラリーは、液体溶液中のナノメートルサイズの粒子からなるものとすることができる（コロイド溶液、ミセル、ラングミュア−ブロジェット膜など）。

研磨は、いくつかの作用の組合せによって得られる：
−組織および／またはスラリーの粒子を、表面上で摩擦することによって得られる機械作用。材料の除去速度は、Ｐｒｅｓｔｏｎにより、下記の式によってモデル化された：
ＲＲ ＝ Ｋ_ｐ × Ｐ × Ｖ ［１］
但し、
ＲＲ（除去速度）： 所与の点における除去速度（ｎｍ／分として）、
Ｋ_ｐ ＝ 材料、組織の特性、研磨剤の型、温度などを考慮したＰｒｅｓｔｏｎ定数、
Ｐ ＝ 適用される圧力（ニュートンとして）、
Ｖ ＝ 組織に対するウェーハの１点の線状速度（ｍ／秒として）、
−化学作用； 研磨の間、銅および誘電体材料の両方を研磨することが所望される。したがって、スラリーは、銅および誘電体材料に化学作用を有するように適応される。銅に関して、化学作用は、一般に、研磨される表面との反応を可能にする、酸および／または酸化剤によるエッチングに由来する。

一般に、スラリーは、化学的金属エッチング剤、酸化剤（一般にＨ_２Ｏ_２）、スラリーの酸もしくは塩基溶液に添加されるｐＨ安定剤、および腐食抑制剤の存在によって構成される。化学的溶液は、材料表面に金属酸化物を形成させることによって、その材料を不動態化し（Ｋ１）、この金属酸化物は、組織によって、またスラリーの可能な粒子によって機械的に除去される（Ｋ２）であろう。この場合、化学溶液は、ＣｕＯ_Ｘを生成させるであろう。

この化学反応は、研磨機構を助長および促進する。可溶性金属カチオン、銅／銅または銅／Ｃｕ^２＋の生成によって、他の化学反応が起こる可能性があり、研磨される表面から、組織および／またはスラリーの粒子によって除去できる。

誘電体材料について、一般に使用されるスラリーは、水溶液である。誘電体研磨について、例えば酸化ケイ素の研磨について、水は大きな意味を有する。２つの化学反応が包含される。

先ず最初に、圧力の効果のもとに水が浸透し、水和した表面を形成するために、酸化ケイ素のいくつかのＳｉ−Ｏ結合を破壊する。結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）の分離は、シリカ中への水の拡散によって制御される。下記の可逆的水和反応（重合）：
（ＳｉＯ_２）_Ｘ ＋ ２Ｈ_２Ｏ ⇔ （ＳｉＯ_２）_Ｘ−１ ＋ Ｓｉ（ＯＨ）_４
が逆方向、すなわち、水和（脱−重合）の方向に起こり得る場合に、研磨が達成され、このことは特に、ＧＣ Ｓｃｈｗａｒｚによる書籍「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」中に記載されている。

次いで、シリコンウェーハに対する組織の動きが、表面からスラリー粒子が除去されること、それにより表面材料から原子を運び去ることを可能にする。

銅および誘電体材料の両方の化学的エッチングを行うため、水溶液であって、脱イオン水中への、
−金属および可能な金属化合物の化学的エッチングのための１種もしくは２種の錯化剤（グリシン、ＮＨ_３、ＥＤＴＡなど）であり、それにより銅の研磨速度を増加させることが可能である錯化剤の、
−銅腐食抑制剤（ベンゾトリアゾールＢＴＡ、トリアゾールＴＡなど）であり、銅膜を不動態化させる薬剤、具体的には平坦化される下部領域において研磨速度が低下する薬剤である（しばしば２種類の抑制剤が使用される）腐食抑制剤の、
−ｐＨを安定化させ、使用される他の材料などに対する銅研磨の選択性を向上させる界面活性剤の、
−酸化剤（Ｈ_２Ｏ_２、ＫＩＯ_３、ヒドロキシルアミンなど）であり、ｐＨおよび／またはその濃度により、不溶性酸化銅もしくは水酸化銅による銅の不動態を形成できるか、または水溶液中に可溶である金属カチオンにより腐食をもたらす恐れがあるかいずれかである酸化剤の、
−１および１２の間を含むｐＨを有し、安定な粒子の懸濁物を得るために有利に添加されるアニオン性もしくはカチオン性コロイド粒子（これらの粒子は、シリカ、炭素、酸化セリウム、アルミナもしくはポリマーなど純粋なものとすることができる。基本的粒子の大きさは、選択された溶解方法によって測定できる。それらは、３ｎｍ〜３００ｎｍに変動できる。水溶液中の粒子の質量百分率は、数ｐｐｍおよび５０％の間で含むことができる。）の可溶化によって得られる水溶液を使用することができる。

１例として、下記の水溶液を使用することができる：
− 段階ａ１）について、ＣＭＣ（Ｃａｂｏｔ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって販売されるスラリーＥＰＬ２３６１、またはＤＡＮＭ（Ｄｕｐｏｎｔ Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌ．Ｌ．Ｃ）のＣｏｐｐｅｒＲｅａｄｙ（登録商標）ＣＵ３９００が使用でき、
− 段階ａ２）について、ＤＡＮＭのＤＰ５１０スラリーもしくはＲｏｈｍ ＆ ＨａａｓのＲＬ３０００、またはＨｉｔａｃｈｉのＨＳ−Ｃ９３０−３もしくはＣＭＣのＣ７０９２が使用でき、
− 段階ａ３）について、Ｒｏｈｍ ＆ ＨａａｓのＣｕＳ−１３５１スラリー、もしくはＣＭＣのＢ８５００、もしくは、ＤＡＮＭのＤＰ６５４５、もしくはＨｉｔａｃｈｉのＴ８１５またはＦｕｊｉｍｉ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＦＣＢ−８３７が使用できる。

使用される研磨組織の特性は、特に、絶縁材料中にエッチングされ、銅が充填されているキャビティであって、拡散障壁もしくは接着層を有するもしくは有しないキャビティの寸法によって決まる。

１例として、１０μｍを超える幅を有するキャビティについて、「ショアＤ」と分類される硬度５０〜７０を有し、密度６０〜９０ｍｇ／ｃｍ^３を有し、また４％未満の圧縮性を有するポリウレタンのいわゆる平坦化組織、例えば、Ｒｏｈｍ ＆ ＨａａｓのＩＣ１０００、またはＣＭＣのＤ１００が選択される。

１０μｍ未満のキャビティについて、「ショアＡ」と分類される硬度５０〜７０を有し、密度２０〜４０ｍｇ／ｃｍ^３を有し、また１０および２５％の間の圧縮性を有するいわゆる中間組織が、例えば選択でき、この用途向けには、例えばＲｏｈｍ ＆ ＨａａｓのＳｕｂａ ＩＶがある。

１マイクロメートルのオーダーのキャビティについて、粒子により引っ掻かれる、ある種の延性材料リスクが存在するので、「ショアＡ」と分類される硬度５０〜８０を有し、密度＜２０ｍｇ／ｃｍ^３、および圧縮性＞３０％を有するいわゆる仕上げ研磨組織、例えば、Ｒｏｈｍ ＆ ＨａａｓのＰＯＬＹＴＥＸ（登録商標）、またはＦｕｊｉｂｏ（登録商標）ブランドの組織が好ましい。

素子は、例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（米国）からのＭｉｒｒａもしくはＲｅｆｌｅｘｉｏｎ型、Ａｌｐｓｉｔｅｃ（フランス）からのＭｅｇａｐｏｌ Ｍ５５０型、またはＥｂａｒａ（日本）からのＦＲＥＸ型の標準的研磨機で、例えば処理される。

研磨パラメーターは、０．０２ｄａＮ／ｃｍ^２〜１ｄａＮ／ｃｍ^２の間を含む、基板上に作用させる圧力、０．１ｍ／秒〜３ｍ／秒の間を含む、組織の１点に対する基板の１点の速度、１〜４５０ｍｍの基板について５および３００ｍｌの間の水溶液流量速度、２および７０℃の間を含む温度である。上述の用途についての条件は、温度５２℃において、速度１ｍ／秒、２００ｍｍの基板についての水溶液流量速度１５０ｍｌで、０．１ ｄａＮ／ｃｍ^２であることが好ましい。

段階ｂ）の間、両素子、より具体的には、接触させようとする２つの素子の表面を、研磨の後残っている恐れのある残留粒子ならびに銅腐食抑制剤を抑え込むため、すすぐ。すすぎは、例えば、アルカリ性溶液によって行われる。

それによって形成される表面は、強親水性を有する。

段階ｂ）の後、互いに接触させようとする素子の表面のそれぞれは、酸素に富む結晶性銅層を含む。酸素に富む結晶性銅層は、パッドの自由表面１４．１、１６．１上に存在する。この層は、自由表面を、酸化性雰囲気に接触させることによって、形成される。

この段階において、この接触までに経過する時間を制御下におき、それによって、両表面を接触させる間に、素子のそれぞれが有する２つの層によって形成される酸素に富む結晶性銅層の合計厚さを６ｎｍ未満とする。例えば、パッドのそれぞれの上に、１Å（すなわち、単分子層のオーダー）と３ｎｍの厚さの間を含む酸化物層が得られることを追求する。

洗浄が終わるのと、この接触との間の最長時間は、約２時間であることが有利である。この時間を超えると、自由表面はもはや親水性を有しない恐れがある。

表面を接合に適したものとするために、再び表面を調製することが可能である。

このために、プラズマによって１つまたは複数の酸素に富む銅層が除去され、他方で１つまたは複数の表面の粗さが増加していないことを確認する。そうすると、これらの表面は、いつでも酸素に富む結晶性銅を形成させる新たな段階とすることができる。

これはＨｅ／Ｈ_２プラズマであることが好ましく、Ｈｅ／Ｈ_２プラズマは、酸素に富む結晶性銅層だけをエッチングし、銅層の粗さを調整しない利点を有する。このようなプラズマの作用は、例えば、資料ＪＡＣＳ ２００３、１０６８４〜１０６９２頁の「Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＣｕＯ ａｎｄ Ｃｕ_２Ｏ ｗｉｔｈ Ｈ_２ ： Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ａｎｄ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｂｏｘｉｄｅｓ」、Ｊａｅ Ｙ．Ｋｉｍら、において記述されている。

この段階が終わると、両素子、より具体的には、パッドの自由表面１０．１、１４．１は、分子接合を達成するため、いつでもお互いに接触させることができる。

面１０．１、１４．１は、接触され、それぞれ、一方の素子のパッドのそれぞれの１４．１面が、他方の素子のパッドの１０．１面と心合せされる。

この接触は、室温で、また室温の大気圧下で、また大気圧の空気のもとで有利に行われる。

単にそれらを接触させることにより、両面の接合を得ることが可能である。次いで、第１および第２の素子間での非常に良好な導電性、および非常に良好な機械的強度を有する組立体が得られる。

組立体の一方の端に微圧を掛けることにより、接合が開始されるよう対応することができる。この力は、最初に作用させ、全体が接合される間保持される必要はない。この微圧が、両表面をより接近させ、接合を促進する。例えば、８インチの表面の接合を、１分未満で有効とすることができる。

この圧力は、ウェーハ上部の端部の１点に有利に作用し、それにより、２か所の伝播が発生し、両伝播が互いに遭遇する場合に、非接合の領域が生じるリスクを回避している。

これにより形成された組立体の焼なましを行うことができる。酸素に富む結晶性銅層は「溶解し」、酸素は、例えば、空孔の移動により発生されるキャビティに向かって、または例えば１００ｎｍ毎の粗さの残留物（ｒｅｍｎａｎｔｓ）に向かって、優先的に界面欠陥において「小島（ｉｓｌｅｔ）」として集合される。これらのキャビティは、導電性または機械的強度の妨げとはならない。キャビティとは別に、銅−銅接点が得られる。

素子について、銅の結晶学的配向が決定されるよう対応することができる。例えば、緻密な平面が界面に平行となる、すなわち接合界面に平行に（１１１）面が配向されるように選択することが可能である。その際、酸化銅の酸素は、界面に閉じ込められ、銅素子中に拡散しないことが観察される。

本発明によって、２つの銅素子の接合が、非常に単純かつ非常に効果的な形で達成される。

図２において、焼なまし前の、本発明による銅−銅接合界面の写真を見ることができ、右側のスケールは、酸素に富む結晶性銅層の合計厚さを示している。

図３において、焼なまし時間が３０分である焼なまし温度（℃における）に対する、２つの素子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍ^２における）の変化が例示されおり、細い実線の曲線は、本発明による（銅ウェーハ）−（銅ウェーハ）接合についての結合エネルギーの温度依存性変化を例示し、太い実線の曲線は、ＳｉＯ_２ウェーハとの銅ウェーハの接合の結合エネルギーの温度依存性変化を例示する。測定は、ＤＣＢ（ダブルカンチレバービーム）および音響イメージングにより行っている。本発明による接合は、焼なまし温度に拘らず、また焼なましがなくても（２５℃）、より大きな結合エネルギーをもたらすことが注目される。

図４は、ＤＣＢ方法および音響イメージングにより測定した、焼なまし温度（℃における）に対する、２つの固体ウェーハ素子間の結合エネルギー（Ｊ／ｍ^２における）の変化を例示しており、細い線の曲線は、焼なまし３０分後の本発明による銅−銅接合についての結合エネルギーの温度依存性変化を例示し、太い線の曲線は、焼なまし２時間後のＳｉＯ_２−ＳｉＯ_２接合の結合エネルギーの温度依存性変化を例示する。本発明による接合は、焼なまし温度に拘らず、より大きな結合エネルギーをもたらすことが注目される。点線の曲線は、いわゆる「４点曲げ」方法により測定した、本発明による銅−銅接合による結合エネルギーの温度依存性変化を例示する。焼なまし１００℃を超えると、結合エネルギーは強すぎて測定されない。

図５Ａは、図５Ｂにおいて示した、本発明による接合によって得られる銅−銅接続部２０を通って流れる電流（ｍＡにおける）に対する電圧変化（ｍＶにおける）を例示する。この銅−銅接点の表面積は、１００μｍ^２である。この接続部を、２００℃で３０分の焼なましに掛けた。三角形は、この接続部の電気抵抗（ｍΩにおける）を示す。この接続部の抵抗は９．８ ｍΩであり、これは、この接点特有の導電率０．９８ ｍΩ．μｍ^２に対応する。したがって、本発明による銅−銅接続部は、非常に良好な導電率を提供する。

本発明による方法は、ウェーハ−ウェーハまたはチップ−ウェーハ接合に適用可能である利点を提供する。

本発明による方法は室温で行われるので、インプラントしたウェーハ上への接合を達成することが可能である。

前述したように、それにより形成された組立体は、焼なまし段階に掛けることができ； ２つの素子Ｉ、ＩＩ間の接合界面への、このような焼なましの効果を、図６Ａおよび６Ｂにおいて見ることができる。

素子Ｉ、ＩＩは共に、小粒子（ｓｍａｌｌ ｇｒａｉｎｓ）２８を有する

本発明による接合の後で、接合した両素子Ｉ、ＩＩに焼なましが適用されて、素子ＩＩＩが形成される。修復（ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ）が生じ、接合した両素子Ｉ、ＩＩ中の大粒子（ｌａｒｇｅ ｇｒａｉｎｓ）３０の形成、および接合界面の「消失（ｄｉｓａｐｐｅａｒａｎｃｅ）」をもたらす。

この均質な大粒子への修復は、接合界面が消失するため、組立体の機械的強度および両素子Ｉ、ＩＩ間の導電率を向上させる。

例えば、ラインは、少なくとも幅１０ｎｍの寸法となる。

修復焼なまし温度は、銅ラインがその上に作られる加工基板に応じて決まり、この焼なまし温度は２００℃および４００℃の間を含む。焼なまし継続時間は、焼なまし温度によって決まり、温度が高いほど、焼なまし継続時間はより短縮される。

本発明による接合方法は、有利に、例えば、その老化を抑えもしくは測定の信頼性を向上させるように、ガスおよび湿気から気密封止されるキャビティ内への、電気機械微小システムもしくはＭＥＭＳ（微小電気機械システム）（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）、アクチュエータまたはセンサーのカプセル封入を可能にする。

本発明により、また図７においてこのことが例示されるように、第１の素子Ｉ’が作製されて、その上にＭＥＭＳ １８が構成され、また第２の素子ＩＩ’は、第１の素子と共に、ＭＥＭＳ １８がその中にカプセル封入される気密封止キャビティ２０を画定するために製作される。

このため、第１の素子Ｉ’は、ＭＥＭＳ １８の周囲に閉じた輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）を形成するように、ＭＥＭＳ １８を囲む第１の壁２２を含む。第１の壁は、例えば、王冠（ｃｒｏｗｎ）の形状を有する。第１の壁２２には、内側の面２２．１、外側の面２２．２、第１の素子Ｉ’と接触している底部２２．３、および頂部２２．４が含まれ、頂部２２．４は平坦面を形成する。

第２の素子ＩＩ’は、第１の壁２２の形状および寸法と相似した形状および寸法を有する第２の銅壁２４を含み、平坦面を形成する頂部２６を含んでいる。

第１の壁および第２の壁の高さの合計は、ＭＥＭＳ １８の高さ以上であり、ＭＥＭＳ １８とキャビティの壁との間の機械的相互作用を避けている。

平坦面２２．４および２６は、段階ａ）、ｂ）およびｃ）により調製され、次いで段階ｄ）により、互いに接触される。

次いで、単一の封止した壁２８が得られ、素子Ｉ’、ＩＩ’の両方と共に、封止したキャビティを画定している。

次いで、前述したように、室温および大気圧において直接銅−銅接合が得られる。したがって、ＭＥＭＳを損傷させるリスクは、全く存在しない。

例えば、何らかの化学反応を避けることができる中性ガスにより、キャビティ内部の雰囲気を制御することが望ましく、キャビティを、ある程度高真空として封止することができる。その場合、本発明による封止によって、この雰囲気を制御することは容易なことである。

キャビティ内の真空は、接合後に施すことができ、または、有利に真空下接触段階ｄ）を行うことができ、これにより封止方法が単純化される。

得られた封止は、機械的観点からも、また封止の観点からも非常に良好な品質のものである。

さらに、壁２８は導電性であり、これにより、図６中に図式化されているように、接続部３０を通してＭＥＭＳに電力供給することが可能になる。

壁２２、２４は、標準的なマイクロ電子技術の方法で作製される。

このカプセル封入方法は、現時点の最新技術の他の方法を見ても特に有利なものである。実際に、「薄層パッケージング」の名前のもとに知られている適正な表面技術は、キャビティ内で非常に良好な真空もしくは制御された雰囲気が得られる可能性をもたらすものではない。

微小システムの周囲に気密封止によって被覆物を移すことからなるこの技術（「ウェーハレベル−パッケージング」）は、ポリマー接着剤を必要とし、ポリマー接着剤は気密性に関して性能が悪い。

本発明による方法によって、大気圧および室温において２つの銅素子間の接合が達成される。この接合は、大きな機械的強度および非常に良好な導電性を有する。

ＭＥＭＳ 電気機械微小システム、微小電気機械システム
ＲＭＳ 二乗平均平方根
ＣＭＰ 化学機械研磨
ＤＣＢ ダブルカンチレバービーム
２ 素子
４ 素子
６ 基板
８ 誘電体材料
９ 拡散障壁
１０ 銅パッド
１１ エッチング部
１２ 銅層
１３ くぼんだ領域
１４ 銅パッド
１８ ＭＥＭＳ
２０ 銅−銅接続部、キャビティ
２２ 第１の銅壁
２２．１ 第１の銅壁の内側の面
２２．２ 第１の銅壁の外側の面
２２．３ 第１の銅壁の底部
２２．４ 第１の銅壁の頂部、平坦面
２４ 第２の銅壁
２６ 第２の銅壁の頂部、平坦面
２８ 小粒子
３０ 大粒子、接続部

Claims (14)

1. 第１の銅素子を第２の銅素子上に接合する方法であって、少なくとも
   Ａ）前記第１および第２のそれぞれの素子の、それらにより前記素子が接触されるであろう、前記表面のそれぞれの上に、酸素に富む結晶性銅層を形成させる段階であり、両層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階、
   Ｂ）酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに接触させる段階
   を含む方法であり、
   前記段階Ａ）が、
   ａ）１ｎｍ ＲＭＳ未満の粗さおよび親水性表面が得られるように、前記表面を研磨する少なくとも１つの段階、
   ｂ）前記研磨による粒子および大部分の腐食抑制剤の存在を阻むために、前記表面を洗浄する少なくとも１つの段階
   を含む方法。
2. 前記粗さが、０．５ｎｍ ＲＭＳ未満である、請求項１に記載の接合方法。
3. 段階Ｂ）が、室温で、大気圧で、また空気中で行われる、請求項１または２に記載の接合方法。
4. 段階Ｂ）が、段階ｂ）に引き続いて２時間以内に行われる、請求項１から３のいずれかに記載の接合方法。
5. 前記素子の一方の上に力を掛ける段階であり、接合を開始するように、酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに近付けようとする段階を含む、請求項１から４のいずれかに記載の接合方法。
6. 前記力を掛けることが、前記素子の一方の、一方の端部上だけに行われる、請求項４に記載の接合方法。
7. 前記銅素子の緻密な平面が、前記接合表面と実質的に平行に配向される、請求項１から６のいずれかに記載の接合方法。
8. 前記銅素子が、基板（６）、前記基板（６）上に堆積させた、エッチング部（１１）を備えた誘電体層（８）、前記誘電体（８）を被覆し、また前記誘電体層（８）のエッチング部１１を充填する銅層（１２）を含み、前記銅層（１２）が、前記エッチング部（１１）において段差（１３）を含み、この場合、段階ａ）が、下記の副段階：
   ａ１）前記段差（１３）が消失し、実質的に平面の銅表面が得られるまで、平準化化学溶液で、それぞれの素子の前記銅層（１２）を化学機械研磨する副段階、
   ａ２）前記エッチング部（１１）を除く前記誘電体層（８）上の前記銅が完全に除去され、前記誘電体と同レベルでもしくは前記誘電体の表面から引っ込んで、前記銅が残るまで、前記誘電体に対し、選択的非平準化化学溶液で、前記残った銅層を化学機械研磨する副段階、
   ａ３）前記誘電体の表面が、実質的にパッドの表面になるまで、平準化化学溶液で、前記誘電体を化学機械研磨する副段階
   を含む、請求項１から７のいずれかに記載の接合方法。
9. 前記素子が、前記誘電体（８）と前記銅層（１２）の間に拡散障壁を含み、段階ａ２）の間、エッチング部を除く前記拡散障壁上で銅層が消失するまで、銅層が研磨され、また段階ａ３）の間、前記拡散障壁が、前記誘電体の前まで、または前記誘電体に代わって研磨される、請求項８に記載の研磨方法。
10. 段階Ｂ）の後に、さらなる焼なまし段階Ｃ）を含む、請求項１から９のいずれかに記載の接合方法。
11. 前記第１の素子が、銅プレートまたはパッドの形態で、誘電体材料の表面と同一平面をなし、また前記第２の素子が、プレートまたはパッドの形態で、誘電体材料表面と同一平面をなしている、請求項１から１０のいずれかに記載の接合方法。
12. 気密封止キャビティ内に電気機械微小システム構造体を有するマイクロ電子デバイスの作製方法であって、
    閉じた輪郭を形成する第１の銅壁によって囲まれ、電気機械微小システム構造体を備えている第１の素子を作製する段階であり、前記第１の壁の頂部が、平坦な表面によって構成されている段階、
    前記第１の素子の前記第１の壁の形状および寸法と類似した形状および寸法を有し、その頂部が平坦面によって構成されている第２の壁を備えている第２の素子を作製する段階であり、前記第１および第２の壁の高さの合計が、前記電気機械微小システム構造体の高さを超えている段階、
    前記第１および第２の素子のそれぞれの、それらにより前記素子が接触されるであろう前記壁の前記平坦面を、１ｎｍ ＲＭＳ未満、有利な場合０．５ｎｍ ＲＭＳ以下の粗さが得られるように研磨する段階、
    前記研磨による粒子および腐食抑制剤の存在を阻むために、前記表面を清浄にする段階、
    酸素と接触させ、前記平坦面のそれぞれの上に、酸素に富む結晶性銅層を形成させる段階であり、両層の合計厚さが６ｎｍ未満である段階、
    前記第１および第２の素子と前記第１および第２の壁とによって画定された、封止したキャビティ内に前記電気機械微小システム構造体を封止するように、酸素に富む両方の結晶性銅層を互いに接触させる段階
    を含む方法。
13. それによって形成された前記キャビティ内の雰囲気を制御する段階を含む、請求項１２に記載の作製方法。
14. 前記接触させる段階が、真空下で行われる、請求項１３に記載の作製方法。

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