KR101252292B1 - 상온에서의 금속의 직접 결합 - Google Patents

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    • H01L2224/838—Bonding techniques
    • H01L2224/8385—Bonding techniques using a polymer adhesive, e.g. an adhesive based on silicone, epoxy, polyimide, polyester
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    • H01L2224/83895—Direct bonding, i.e. joining surfaces by means of intermolecular attracting interactions at their interfaces, e.g. covalent bonds, van der Waals forces between electrically conductive surfaces, e.g. copper-copper direct bonding, surface activated bonding
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Abstract

디바이스 결합구조는, 제 1기판으로서, 바람직하게는 디바이스 또는 회로에 연결된 제 1세트의 금속 결합 패드와, 상기 제 1기판 상의 상기 금속 결합 패드에 인접한 제 1비금속 영역을 구비하는 제 1기판과, 제 2기판으로서, 바람직하게는 디바이스 또는 회로에 연결된, 상기 제 1세트의 금속 결합 패드와 정렬된 제 2세트의 금속 결합 패드와, 상기 제 2기판 위의 상기 금속 결합 패드에 인접한 제 2비금속 영역을 구비하는 제 2기판과, 상기 제 2비금속 영역에 대한 상기 제 1비금속 영역의 접촉 결합에 의해 형성된 제 1 및 제 2세트의 금속 결합 패드 간의 접촉-결합된 경계면을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2기판 중 적어도 하나는 탄성 변형될 수 있다.

Description

상온에서의 금속의 직접 결합{ROOM TEMPERATURE METAL DIRECT BONDING}
본 발명은, 바람직하게 상온에서 직접 웨이퍼 결합 분야에 관한 것이고, 보다 상세하게는 반도체 디바이스 및 집적회로 조립에 사용될 기판의 결합에 관한 것이다.
종래의 CMOS 디바이스의 물리적인 한계에 근접하고 있고, 고성능 전자 시스템에 대한 요구가 절박해짐에 따라서, 시스템 온칩(system-on-a chip : SOC)은 반도체 산업의 자연스러운 해결책이 되고 있다. 시스템 온칩의 제조를 위해 하나의 칩 상에서 다양한 기능이 요구된다. 실리콘 기술은 다수의 디바이스를 처리하기 위한 가장 중요한 기술이지만, 현재 요구되는 다수의 회로 및 광전자 기능은 실리콘이 아닌 다른 물질로 제조된 개별 디바이스 및/또는 회로로부터 최적으로 얻어질 수 있다. 따라서, 실리콘을 기반으로 한 디바이스와 함께 비실리콘을 기반으로 한 디바이스를 집적시키는 하이브리드 시스템은 순수한 실리콘 또는 순수한 비실리콘 디바이스만으로 가능하지 않은 고유한 SOC 기능을 제공하기 위한 가능성을 제시한다.
이종(異種)의 디바이스 집적을 위한 하나의 방법으로 실리콘 상에서 다른 물질의 헤테로-에피텍셜(hetero-epitaxial)을 성장시키는 방법이 있다. 지금까지, 이러한 헤테로-에피텍셜 성장법은 주로 비실리콘 막과 기판 간의 격자 상수의 부정합으로 인해서 헤테로-에피텍셜 성장 막에서의 높은 밀도의 결함을 보여왔다.
이종의 디바이스 집적에 대한 다른 접근법으로 웨이퍼 결합 기술이 있다. 그러나 고온에서 다른 열팽창 계수를 갖는 다른 물질의 웨이퍼 결합은 단층 생성, 박리, 또는 크랙 생성을 초래하는 열응력을 야기한다. 따라서, 저온에서의 결합이 요구된다. 다른 물질이 낮은 분해 온도를 갖는 물질을 포함하거나 또는 초박막 소스 및 드레인 프로파일을 갖는 InP 이종접합 바이폴라 트랜지스터 또는 처리된 Si 디바이스와 같은 온도 민감성 디바이스를 포함하는 경우에도, 다른 물질의 결합을 위해 저온 결합은 매우 중요하다.
다른 물질을 포함하는 동일한 칩 상에서 다른 기능을 생성하기 위하여 필요한 공정 설계는 최적화하기에 어렵고 힘들다. 실제로, 다수의 최종 SOC 칩(특히, 더 큰 집적 규모에서)은 낮은 수율을 보인다. 하나의 접근법으로 웨이퍼 접착성 결합과 층 전사를 통해 완전히 처리된 IC를 상호 연결하는 것이 있다. 예컨대, 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 병합된, Y. Hayashi, S. Wada, K. Kajiyana, K. Oyama, R. Koh, S Takahashi 및 T. Kunio의 논문(Symp. VLSI Tech, Dig. 95(1990))과 미국 특허제5,563,084호를 참조한다. 그러나 웨이퍼 접착성 결합은 주로 고온에서 작용하고, 열응력, 가스 발생, 기포 형성 및 접착의 불안정을 겪어, 공정 중의 감소된 수율과 시간의 경과에 따라 열악한 신뢰도를 초래한다. 또한, 접착성 결합은 주로 밀폐성이 아니다.
웨이퍼 직접 결합은 어떠한 접착제 없이도 웨이퍼를 상온에서 결합시키는 기술이다. 상온에서의 직접 웨이퍼 결합은 전형적으로 밀폐성이다. 이는 접착제 결합에서와 같이 응력과 이질성을 쉽게 초래하지 않는다. 또한, 저온에서 결합된 웨이퍼 쌍이 박막화 공정을 견딜 수 있다면, 결합된 쌍 중 하나의 웨이퍼가 특정 물질의 조합을 위하여 각 임계값 이하의 두께로 박막화될 때, 층 내에서 단층의 오정합의 발생 및 이어지는 열 공정 중에 결합된 쌍의 미끄럼짐 또는 크랙의 발생이 회피된다. 예컨대 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 병합된 Q.-Y. Tong와 U. Gosele의 논문(반도체 웨이퍼 결합 : 과학과 기술, John Wiley & Sons, New York, 1999)을 참조한다.
또한, 웨이퍼 직접 결합과 층 전사는 VLSI(Very Large Scale Intergration)에 적합하고, 상당히 유연하며 제조 가능한 기술이다. 적층 3차원 시스템 온칩(3D SOC)을 형성하기 위하여 이 기술을 사용하는 것이 상당히 바람직하다. 3-D SOC 접근법은 시스템 온칩을 형성하기 위한 기존 집적 회로의 집적으로 볼 수 있다.
또한, 집적의 복잡도가 증가함에 따라, 다양한 회로를 저온에서 바람직하게는 상온에서 강력하게 통합하여 부가적인 응력을 낮추거나 제거하고 더 높은 신뢰도의 회로를 만들기 위한 집적 공정에 대한 요구 또한 증가한다.
결합되는 웨이퍼 또는 다이 간에 저온 또는 상온에서의 금속의 직접 웨이퍼 결합은 3D-SOC 제조를 위해 바람직하다. 왜냐하면, 이러한 결합은 웨이퍼와 다이 간에 비금속의 직접 웨이퍼 결합과 연관해서 사용할 수 있기 때문이다. 웨이퍼와 다이가 기계적으로 결합되면, 결합되는 웨이퍼 또는 다이 간의 전기적인 상호연결을 가져옴으로써, 후-결합 공정, 에칭을 통한 유사 기판 박막화, 및 상호연결 경화에 대한 필요성을 없애고, 결합되는 웨이퍼 또는 다이 간의 전기적 상호연결을 가져온다. 매우 낮은 기생 전력과 그로 인한 감소된 전력 및 증대된 대역폭 성능을 가져오는 초소형 결합 금속 패드를 사용할 수 있다.
깨끗한 표면과 금속의 결합은 잘 알려진 현상이다. 예컨대, 열-압축 와이어 결합은 웨이퍼 레벨의 결합에 적용되어 왔다. 온도, 압력 및 낮은 경도의 금속이 전형적으로 사용되고, 대개 잔류 응력을 초래한다. 예컨대, M.A. Schmidt의 논문(IEEE 회보 Vol 86, No.8, 1575(1998)과, Y. Li, R.W. Bower, I. Bencuya의 논문(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37, L1068(1988))을 참조한다. 250-350℃ 에서 Pd 금속 층이 덮인 실리콘 또는 III, V족 화합물 웨이퍼의 집적 결합은, B. Aspar, E. Jalaguier, A. Mas, C. Locatelli, O. Rayssac, H. Moricean, S. Pocas, A. Papon, J. Michasud 및 M. Bruel에 의해 Electron, Lett., 35, 12(1999)에서 보고되었다. 그러나, 실제, Pd2Si 규소화합물 또는 Pd- III, V족 합금, 비금속 Pd가 형성되어 결합된다. 상온에서 Au와 Al의 결합은 플립 칩 결합(flip chip bonding)에서 초음파와 압축 부하를 사용하여 달성되어왔다. 예컨대, M. Hizukuri, N. Watanabe 및 T. Asano의 논문 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40, 3044(2001)를 참조한다. 웨이퍼 레벨에서의 상온의 금속 결합은 기본 압력이 3x10-8 mbar보다 낮은 초고진공(UHV: ultrahigh vacuum) 시스템에서 구현되어 왔다. 주로 아르곤 이온 스퍼터링 또는 고속 원자 빔이 사용되어 결합표면을 세척하고, 이후 결합 기판에 대한 외부 압력이 가해진다. 예컨대, T. Suga의 논문 "반도체 웨이퍼 결합에 대한 2차 국제 심포지움의 회보"(Electrochemical Soc. Proc. Vol. 93-29, p.71(1993))를 참조한다. 얇게 스퍼터링된 Ti, Pt 및 Au 막을 갖는 두 개의 Si 기판 간의 상온 결합은, 기본 압력이 3x10-8 mbar보다 낮은 UHV 시스템 내에서 4-40 μbar의 Ar 압력에서 박막 스퍼터링 이후 인가된 힘을 이용하여 달성되어 왔다. 예컨대, T. Shimatsu, R.H. Mollema, D. Monsma, E.G. Keim 및 J.C. Lodder, J. Vac. Sci. Technol. A 16(4), 2125(1998)를 참조한다.
따라서, 본 발명의 목적은 단일 결합 단계를 통해 웨이퍼와 다이 간의 기계적 및 전기적 접촉을 획득하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 회로의 웨이퍼 또는 다이 간의 금속 결합이 외부 압력 없이도 대기 상태에서 형성될 수 있는 저온 또는 상온의 결합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 반도체 회로의 웨이퍼 또는 다이 간에 임의의 금속 층의 금속 결합이, 금, 구리 또는 팔라듐의 박막으로 금속층을 덮음으로써 외부 압력을 인가하지 않고도 대기 상태 내의 상온에서 웨이퍼 레벨로 형성될 수 있는 저온 또는 상온의 결합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속 및 다른 비금속 층이 공존하는 반도체 회로로 이루어진 웨이퍼 또는 다이의 결합 표면에, 상온에서 금속 결합 및 공유 결합이 동시에 형성되는, 외부 압력을 사용하지 않는 대기 상태 내에서의 웨이퍼 레벨의 상온 결합 방법을 제공하는 것이다.
다른 목적은, 다른 열팽창 계수를 갖는 다른 기판 또는 다른 기판 상의 다른 물질이 다른 기판 또는 다른 기판 상의 다른 물질 간에 파극적인 응력의 생성 없이 함께 결합될 수 있는 상온 결합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 기판 간의 결합력이 기판의 기계적인 분열 강도에 근접하는 상온 결합 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 별도의 기판 상에 개별적으로 제조되어 공통 기판 상에 결합된 디바이스를 포함하는 결합된 디바이스 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 신뢰성 있는 기계적인 결합이 상온에서 또는 이 상온 근방의 온도에서 형성될 수 있고, 신뢰성 있는 전기 접촉이 간단한 저온 어닐링을 통해 후속적으로 형성될 수 있는 방법 및 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 목적은 결합 방법에 의해 달성되고, 디바이스 구조는, 제 1기판으로서, 바람직하게는 디바이스 또는 회로에 연결된 제 1복수의 금속 결합 패드와 상기 제 1기판 상에서 상기 금속 결합 패드에 인접한 제 1비금속 영역을 구비하는 제 1기판과, 제 2기판으로서, 바람직하게는 제 2디바이스 또는 회로에 연결되고, 상기 제 1복수의 금속 결합 패드와 정렬되거나 정렬될 수 있는 제 2복수의 금속 결합 패드와, 상기 제 2기판 상에서 상기 금속 결합 패드에 인접한 제 2비금속 영역을 구비하는 제 2기판과, 상기 제 1 및 제 2세트의 금속 결합 패드 간에, 상기 제 1비금속 영역의 상기 제 2비금속 영역에 대한 직접 웨이퍼 결합에 의해 생성된 힘의 직접적인 결과인 상기 제 1기판과 상기 제 2기판 내의 원소의 탄성 변형을 통해, 또는 상기 제 1비금속 영역의 상기 제 2비금속 영역에 대한 직접 웨이퍼 결합 이후 상기 제 1 및 제 2세트의 금속 결합 패드 주위에서 금속의 리플로우(reflow)를 통해 형성되는 접촉-결합된 인터페이스를 포함한다.
본 발명의 보다 완전한 이해 및 수반하는 본 발명의 많은 장점은, 첨부도면과 관련하여 이루어지는 다음의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 단일 결합 단계를 통해 웨이퍼와 다이 간의 기계적 및 전기적 접촉을 획득할 수 있다.
본 발명은 반도체 회로의 웨이퍼 또는 다이 간의 금속 결합이 외부 압력 없이도 대기 상태에서 형성될 수 있는 저온 또는 상온의 결합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 반도체 회로의 웨이퍼 또는 다이 간에 임의의 금속 층의 금속 결합이, 금, 구리 또는 팔라듐의 박막으로 금속층을 덮음으로써 외부 압력을 인가하지 않고도 대기 상태 내의 상온에서 웨이퍼 레벨로 형성될 수 있는 저온 또는 상온의 결합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 금속 및 다른 비금속 층이 공존하는 반도체 회로로 이루어진 웨이퍼 또는 다이의 결합 표면에, 상온에서 금속 결합 및 공유 결합이 동시에 형성되는, 외부 압력을 사용하지 않는 대기 상태 내에서의 웨이퍼 레벨의 상온 결합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 다른 열팽창 계수를 갖는 다른 기판 또는 다른 기판 상의 다른 물질이 다른 기판 또는 다른 기판 상의 다른 물질 간에 파극적인 응력의 생성 없이 함께 결합될 수 있는 상온 결합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 기판 간의 결합력이 기판의 기계적인 분열 강도에 근접하는 상온 결합 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 별도의 기판 상에 개별적으로 제조되어 공통 기판 상에 결합된 디바이스를 포함하는 결합된 디바이스 구조를 제공할 수 있다.
본 발명은 신뢰성 있는 기계적인 결합이 상온에서 또는 이 상온 근방의 온도에서 형성될 수 있고, 신뢰성 있는 전기 접촉이 간단한 저온 어닐링을 통해 후속적으로 형성될 수 있는 방법 및 디바이스를 제공할 수 있다.
도 1a는 정렬된 금속 결합 패드를 갖는 미결합 기판 쌍의 개략도.
도 1b는 접촉 정렬된 금속 결합 패드를 갖는 미결합 기판 쌍의 개략도.
도 1c는 금속 결합 패드로부터 떨어진 비금속 영역에서 결합된, 본 발명에 따른 접촉된 기판 쌍의 개략도.
도 1d는 금속 결합 패드 근처의 작은 미결합 고리 영역을 제외하고 비금속 영역을 가로질러 결합된, 본 발명에 따른 접촉된 기판 쌍의 개략도.
도 2a 내지 도 2c는 다수의 결합 패드를 갖는 결합 기판을 도시하는 개략도.
도 2d는 본 발명에 따라 미결합된 고리 영역(W)의 폭을, 삽입으로 도시한 바와 같이 반도체 다이를 분리시키는 금속 패드 두께(2h)의 함수로서 도시하는 그래프.
도 3a는 표면 평탄화 이후 반도체 다이 또는 웨이퍼의 개략도.
도 3b는 제 2금속층이 형성되어 금속 패드 상에서 개방된 접촉 윈도우와 함께 평탄화되는 반도체 다이 또는 웨이퍼의 개략도.
도 3c는 제 2금속층을 갖는 제 2반도체 다이 또는 웨이퍼의 개략도.
도 3d는 본 발명에 따른 두 개의 다이 또는 웨이퍼의 정렬된 금속 결합의 개략도.
도 4a는 산화물 코팅 내에 삽입된 금속 패드를 도시하는 기판의 일부의 개략도.
도 4b는 본 발명에 따라 상대 금속 결합 패드를 갖는 미결합된 기판 쌍의 개략도.
도 4c는 본 발명에 따라, 비금속 영역이 접촉하여 결합될 때 생성된 힘에 의해 접촉된 상대 금속 결합 패드를 도시하는, 결합된 기판 쌍의 개략도.
도 4d는 대형 기판에 결합된 소형 기판의 부분 개략도.
도 5a는 변형 가능한 물질 또는 금속 패드의 하부에 공간을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 5b는 금속 패드 하부에 변형 가능한 물질을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 5c는 함께 결합된 도 5a에 도시한 두 개의 디바이스의 개략도.
도 6a는 비금속 표면의 직접 웨이퍼 결합에 앞서서 두 개의 디바이스 상의 표면에 노출된 리플로우 가능한 금속 물질을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 6b는 비금속 표면의 직접 웨이퍼 결합 이후 밀봉된 리플로 가능한 금속 물질을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 6c는 비금속 표면 밀봉 리플로 가능한 금속의 직접 웨이퍼 결합 이후 리플로우된 리플로 가능한 금속을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 7a는 비금속 표면의 직접 웨이퍼 결합에 앞서서 두 개의 디바이스 상의 표면에 노출된 리플로 가능한 금속 물질을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 7b는 비금속 표면의 직접 웨이퍼 결합 이후 밀봉된 리플로 가능한 금속 물질을 갖는 본 발명에 따른 일 실시예의 개략도.
도 7c는 리플로 가능한 금속을 밀봉시킨 비금속 표면의 직접 웨이퍼 결합 이후 리플로우된 리플로 가능한 금속을 갖는 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 8 및 도 9는 상온 결합 에너지 대 저장 시간의 그래프.
(실시예)
몇 개의 도면을 통해 유사한 참조 기호가 유사하거나 대응하는 부분을 나타내는 도면, 특히 본 발명의 결합 처리의 제 1실시예를 도시하는 1a 내지 도 1d, 및 도 2를 이제 참조한다. 본 발명의 제 1실시예에 있어서, 정렬되어 있는 별도의 웨이퍼 상의 금속 접촉 영역이, 금속 영역 주위의 비금속 영역이 상온 화학 결합을 수행할 때 생성된 고유 힘에 의해 가압 접촉되어 결합될 때, 직접 금속-금속 결합이 생성된다. 본 명세서를 통해 사용된 화학 결합은 하나의 웨이퍼 상의 표면 상의 표면 결합이 대향 웨이퍼의 표면 상에서의 표면 결합과 반응하여 공유 결합과 같은 표면 원소를 가로질러 직접 결합을 형성할 때 전개되는 결합 강도로서 정의된다. 화학 결합은 예컨대 웨이퍼 물질의 분열 강도에 접근하는 높은 결합 강도에 의해 명백하고, 따라서 단순한 반 데르 발스 결합과는 구별된다. 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 화학 결합 강도의 예는 아래에서 논의한다. 화학 결합 과정에 있어서, 실질적인 힘이 조성된다. 이들 힘은 충분히 커서, 화학 결합이 대향 비금속 영역 사이로 전파될 때 금속 영역을 탄성 변형시킨다.
도 1a는 각각의 대향하는 웨이퍼 표면(11,14)을 갖는 두 장의 웨이퍼(10,13)를 도시한다. 웨이퍼 표면은 순수한 원소의 반도체 표면일 수 있거나, 상대적으로 적은 양의 자연 산화물을 포함하는 순수한 원소의 반도체 표면일 수 있거나, 또는 산화물 코팅된 표면과 같은 절연체일 수 있다. 표면은 평탄한 활성 표면을 생성하기 위하여 제조될 수 있다. 연마 및 연마와 약간의 에칭(VSE : very slightly etching)과 같은 기술이 사용될 수 있다. 결합층은 증착될 수 있고, 연마 또는 연마와 약간의 에칭이 행해질 수 있다. 최종 표면은 상보적이고, 평탄하고 평활한 화학 결합 표면을 갖는다. 이들 표면의 조도는 5-15Å 정도이고, 바람직하게는 10Å 이하, 보다 바람직하게는 5Å 이하이다.
보다 상세하게, 결합층의 예로서, 결합층은 상온에서 증착되어 형성될 수 있는 고체 상태 물질 또는 혼합 물질일 수 있고, 충분히 평탄한 표면으로 연마될 수 있다. 결합층은 화학 증기 증착(CVD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 스퍼터링을 사용하여 또는 증착을 통해 형성된 SiO2, 실리콘 질화물, 비결정 실리콘과 같은, 절연체일 수 있다. 중합체, 반도체 또는 소결 물질과 같은 다른 물질이 사용될 수 있다. 결합층은 층상에 형성된 표면 지형보다 더 두꺼운 두께를 가져야 한다. 바람직하게, 결합층은 증착된 실리콘 산화물이다.
결합층의 표면은 평탄화되고 평활해진다. 이러한 단계는 화학-기계 연마를 사용하여 달성된다. 표면은 바람직하게 상술한 조도로 연마되고, 실질적으로 평탄해진다. 연마 후, 표면은 세척 및 건조되어 연마 단계에서의 임의의 잔류물을 제거한다. 연마된 표면은 그 후 용액으로 헹굼을 하는 것이 바람직하다.
결합 표면은 평탄도 및/또는 표면 조도를 개선하기 위하여 연마 이전에 에칭될 수도 있다. 에칭은 예컨대 표준 포토리소그래피 기술을 사용하여 높은 점의 선택적인 에칭을 통해 결합 표면상의 높은 지점을 제거하는데 효과적일 수 있다. 예컨대, HF를 포함하는 용액을 사용할 때 에칭 정지로서 작용할 수 있는 실리콘 질화물 층이 이산화 실리콘 결합층 내에 삽입될 수 있다. 에칭 정지 물질은 균일성, 재현성, 및 제조가능성을 개선하기 위하여 사용될 수 있다.
그 후 표면은 활성화 공정을 거친다. 이러한 활성화 공정은 에칭 공정이고, 바람직하게는 매우 약한 에칭(VSE) 공정이다. VSE라는 용어는 매우 약하게 에칭된 표면의 제곱 평균 미소-조도(RMS)가 상술한 범위 내의 대략 에칭되지 않은 값으로 남아 있는 것을 의미한다. 제거된 물질의 최적의 양은 제거에 사용된 물질 및 방법에 따라 다르다. 제거되는 전형적인 양은 Å으로부터 수 nm까지 변한다. 더 많은 물질을 제거하는 것도 가능하다. VSE는 또한 처리된 표면상의 결합 파괴를 포함하고, 물질의 상당한 제거 없이도 발생할 수 있다. VSE는 예컨대 표면을 전자 전하로 대전시키므로 또는 표면 층을 손상시키므로 표면의 단순한 변형과는 다르다. 본 발명에 따른 방법의 제 1실시예에 있어서, VSE 공정은 특정 시간 동안 특정 전력 레벨에서의 (산소, 아르곤, 질소, CF4, NH3와 같은)기체 또는 혼합 기체의 플라즈마 공정으로 이루어진다. 플라즈마 공정의 전력 또는 지속 기간은 원하는 결합 에너지를 얻기 위하여 사용된 물질에 따라 달라진다. 예가 아래에 주어졌지만, 일반적으로 전력 및 지속기간은 경험적으로 결정될 것이다.
플라즈마 공정은 다른 모드로 행해질 수 있다. 반응성 이온 에칭(RIE) 및 플라즈마 모드 모두, 유도-접속 플라즈마 모드(ICP)와 함께 사용될 수 있다. 스퍼터링 또한 사용될 수 있다. 데이터와 예가 RIE와 플라즈마 모드 모두에 대해 이하에 주어졌다.
VSE 공정은 물리적인 스퍼터링 및/또는 화학 반응을 통해 표면을 매우 약하게 에칭하고, 바람직하게는 결합 표면의 표면 조도를 열화시키지 않도록 제어된다. 표면 조도는 VSE 및 에칭된 물질에 따라 추가로 개선될 수 있다. 표면을 과도하게 에칭하지 않는 대부분의 임의의 기체 또는 기체 혼합물은 본 발명에 따른 상온 결합 방법을 위해 사용될 수 있다.
VSE는 표면을 세척하고, 웨이퍼 표면상의 산화물의 결합을 파괴시키는 역할을 한다. VSE 공정은 따라서 표면 활성화를 상당히 강화시킨다. 원하는 결합 종은 VSE의 적절한 설계에 의해 VSE 중에 표면상에서 종단(termination)되도록 사용될 수 있다. 선택적으로, 후-VSE 처리 중에 표면을 활성화시키고 원하는 종단 종으로 종단시키는 후-VSE 처리가 사용될 수 있다.
원하는 종은, 표면이 동일하거나 다른 결합 종에 의해 종단되는 표면과 결합될 수 있는 후속 시간까지, 표면 원자 층에 대한 일시적인 결합을 추가로 형성하여, 원자 층을 효과적으로 종단시키는 것이 바람직하다. 표면상의 원하는 종은, 이들이 서로 충분히 밀집하여 근접해 있어, 반응한 원하는 종의 결합 경계면으로부터 멀어지는 확산 또는 해리와 확산에 의해 강화되는 저온 또는 상온에서의 표면 간의 화학 결합을 허용할 때, 서로 추가로 반응하는 것이 바람직하다.
후-VSE 공정은 결합 표면을 원하는 종으로 종단시키는 표면 반응을 생성하기 위하여, 선택된 화학물을 포함하는 용액 내에 담그는 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 담금은 VSE 공정 직후에 이루어지는 것이 바람직하다. 후-VSE 공정은 VSE 공정이 실행되는 동일한 장치 내에서 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 공정은 VSE 및 후-VSE 공정이 모두 건식, 즉 RIE, ICP, 스퍼터링 등이거나 습식, 즉 용액 담금일 경우 가장 쉽게 이루어진다. 원하는 종은 원자 또는 분자의 단층 또는 수 개의 단층으로 이루어지는 것이 바람직하다.
후-VSE 공정은 플라즈마, RIE, 또는 다른 건식 공정으로 이루어질 수도 있어서, 적절한 기체 화학물이 삽입되어 원하는 종으로 표면의 종단을 초래한다. 후-VSE 공정은 제 2VSE 공정이 될 수도 있다. 종단 공정은 표면의 오염물이 VSE 없이도 제거되는 세척 공정을 포함할 수 있다. 이 경우, 상술한 후-VSE 공정과 유사한 후-세척 공정은 그 후 원하는 표면 종단을 가져온다.
세척 또는 VSE 공정에 의해 활성화된 표면 결합이 후속적으로 충분히 약하게 표면 재구성되고, 결합 이전에 충분히 깨끗하게 남아 있을 수 있어, 유사한 표면과의 후속 결합이 화학 결합을 형성할 수 있다면, 후-VSE 또는 후-세척 공정은 표면을 원하는 종으로 종단시키는 것이 요구되거나 요구되지 않을 수 있다.
웨이퍼는 선택적으로 헹구어진 후 건조된다. 두 장의 웨이퍼는 이들을 (필요하다면) 정렬시켜, 이들이 결합 경계면을 형성하도록 함으로써 결합된다. 따라서 자발적인 결합은 전형적으로 결합 경계면의 일부 위치에서 발생하여 웨이퍼를 가로질러 전파된다. 초기 결합이 시작하여 전파될 때, 화학 결합을 초래하는 중합화와 같은 화학 반응은 표면이 충분히 근접할 때 표면을 종단시키기 위하여 사용된 종 간에 발생한다. 결합 에너지는 쐐기를 삽입하여 부분적으로 결합 해제되는 결합 경계면에서 분리된 표면 중 하나의 특정 표면 에너지로 정의된다. 따라서 반응의 부산물은 결합 경계면으로부터 웨이퍼 에지로 확산되거나, 또는 주위 물질 내에서 웨이퍼에 의해 흡수된다. 부산물은 웨이퍼에 의해 확산되거나 흡수되는 다른 부산물로 변환될 수도 있다. 공유 결합 및/또는 이온 결합의 양은 변환된 종의 제거를 통해 증가되어, 결합 강도의 추가적인 증가를 초래한다.
결합층의 물질은 개방 구조를 가져 중합화 반응의 부산물이 쉽게 제거될 수 있는 것이 바람직하다. 대향하는 결합 표면상의 결합 종은 강한 또는 화학 결합을 형성하기 위하여 상온에서 반응할 수 있어야 한다. 웨이퍼가 다른 열팽창 계수를 가질 때, 후속하는 처리 또는 동작과 관련된 후속 열 처리 이후, 웨이퍼 간의 미끄러짐을 실질적으로 제거하기 위하여 결합 에너지는 충분히 커야 한다. 미끄럼짐의 부족은 후속 처리 또는 동작 이후 검사시 웨이퍼 보우잉(bowing)의 부족으로 나타난다.
결합된 웨이퍼는, 사용된 물질 및 종에 따라 특정 기간의 시간 동안 종 또는 변환된 종을 제거할 수 있도록 결합 이후 대기 상태에서 저온 또는 상온에서 보관하는 것이 바람직하다. 주로 24시간이 바람직하다.
보관 시간은 사용된 플라즈마 처리의 유형에 따라 다르다. 화학 결합은, Ar 플라즈마와 같은 특정 플라즈마 공정이 사용될 때, 분 단위로 보다 신속하게 얻을 수 있다. 예컨대, 585 mJ/m2 결합은 결합 이후 곧바로 얻어졌고, 800 mJ/m2 이상은 NH4OH에 담그는 것을 수반하는 Ar 플라즈마에 의한 증착된 산화물의 8시간 에칭이후 관찰되었다.
결합 도중의 결합된 웨이퍼의 어닐링은 결합 강도를 증가시킨다. 어닐링 온도는 200℃ 이하이어야 하고, 전형적으로 75-100℃ 범위가 될 수 있다. 결합된 웨이퍼를 진공하에서 보관하는 것은 결합 표면으로부터 잔류 기체를 제거하는 것을 용이하게 하지만, 항상 필요한 것은 아니다.
상기의 모든 공정이 상온에서 또는 그 근처 온도에서 수행될 수 있다. 웨이퍼는 충분한 강도로 결합되어 후속 처리 동작(랩핑, 연마, 기판 제거, 화학 에칭, 리소그래피, 마스킹, 등)을 가능케 한다. 대략 500 내지 2000 mJ/m2 이상의 결합 에너지를 얻을 수 있다(도 8 참조).
일 예에 있어서, SiO2는 디바이스를 포함하는 Si 웨이퍼 상에 증착된다. 플라즈마(아르곤, 산소 또는 CF4와 같은) 처리 이후, 플라즈마 시스템 및 공기 내의 습기의 이용가능성으로 인해, 표면은 주로 Si-OH 기에 의해 종단된다. 플라즈마 처리 이후, 웨이퍼는 곧 바로 수산화 암모늄(NH4OH), NH4F, 또는 HF와 같은 용액에 10 내지 120 초 정도의 기간 동안 담근다. 웨이퍼를 NH4OH 용액에 담근 후, 많은 Si-OH 기는 다음의 치환 반응에 따라 Si-NH2 기로 치환된다.
2Si-OH + 2NH4OH 2Si-NH2 +4HOH (1)
선택적으로, 많은 Si-F기는 NH4OH 또는 HF에 담근 후 PECVD SiO2 표면상에서 종단된다.
결합 표면을 가로질러 수소 결합된 Si-NH2:Si-OH기 또는 SiNH2:Si-NH2기는 상온에서 중합화될 수 있어서, Si-O-Si 또는 Si-N-N-Si(또는 Si-N-Si) 공유 결합을 형성한다.
Si-NH2 + Si-OH Si-O-Si + NH3 (2)
Si-NH2 + Si-NH2 Si-N-N-Si + 2H2 (3)
선택적으로, HF 또는 NH4F에 담근 산화물 표면은 Si-OH기에 부가하여 Si-F기에 의해 종단된다. HF 또는 NH4F 용액이 실리콘 산화물을 강하게 에칭시키므로, 이들의 농도는 적절히 낮은 레벨로 제어되어야 하고, 담겨지는 시간은 충분 짧아야 한다. 이것은 제 2VSE 공정이 되는 후-VSE 공정의 일 예이다. 결합 경계면을 가로지르는 공유 결합은 수소 결합된 Si-HF 또는 Si-OH기 간의 중합화 반응에 기인하여 형성된다.
Si-HF + Si-HF Si-F-F-Si + H2 (4)
Si-F + Si-OH Si-O-Si + HF (5)
도 9는 상온 결합 이전에 0.05% HF에 담근 결합된 열적 산화물로 덮인 실리콘의 플루오르 농도 프로파일을 도시한다. 플루오르 농도 피크는 결합 경계면에서 명확히 볼 수 있다. 이것은 원하는 종이 결합 경계면에 위치하는 상술한 화학 공정의 증거를 제공한다.
반응(2)이 ~500℃의 비교적 높은 온도에서만 가역적이기 때문에, 형성된 실록산 결합은 저온에서 NH3에 의해 부식되지 않는다. 산화물 내에서 H2 분자가 작고 물분자보다 약 50배 빨리 확산되는 것이 알려져 있다. 적절한 두께, 즉 수 nm의 표면 근처에 손상된 층이 존재하면, 이러한 층에서 반응 (2), (3), (4) 및/또는 (5)에서 NH3, 및 HF 및 수소의 확산 또는 분해를 쉽게 하고, 화학 결합의 향상을 쉽게 한다. 세 가지 반응은 보관 시간의 기간 이후 상온에서 SiO2/SiO2 결합 쌍의 더 높은 결합 에너지를 가져와서, NH3 또는 H2가 확산되도록 허용한다.
이 예에서, 플라즈마 처리는 결합 표면 근처의 산화물 층 내에서 손상 또는 결함 있는 영역을 생성한다. 이러한 구역은 수 개의 단일층에 대해 확장된다. 손상 또는 결함 있는 영역은 결합 부산물의 제거를 돕는다. 결합 부산물의 효과적인 제거는 결합 강도를 개선시키는데, 왜냐하면 부산물이 높은 강도의 결합이 생성되는 것을 방해함으로써 결합 공정을 방해할 수 있기 때문이다.
많은 다른 물질 표면이 세척 공정을 수반하는 평활화 및/또는 평탄화될 수 있어, 본 발명에 따른 결합을 만든다. 이들 물질은 표면을 충분한 평탄도, 표면 평활도 및 세척, 및/또는 VSE, 활성화 및 종단을 포함하는 패시베이션으로 합치시킴으로써 상온 결합될 수 있다. 비결정 및 소결된 물질, 비평탄한 집적 회로, 및 실리콘 웨이퍼는 이러한 물질의 예이다. SiO2 또는 Si 표면과 같은 단일 결정의 반도체 또는 절연 표면에는 원하는 표면 조도, 평탄도 및 청결이 제공될 수 있다. 표면을 고진공 또는 초고진공 하에서 유지시키는 것은 본 발명에 따른 강한 결합을 얻기 위하여 충분히 오염이 없는 표면 및 원자 재구성을 얻는 것을 단순화시킨다. InP, GaAs, SiC, 사파이어 등과 같은 다른 반도체 또는 절연체 물질이 또한 사용될 수 있다. 또한, PECVD SiO2가 저온에서 많은 종류의 물질 상에 증착될 수 있으므로, 많은 다른 조합의 물질이 상온에서 본 발명에 따라 결합될 수 있다. 적절한 공정과 화학 반응이 VSE, 표면 활성화 및 종단을 위해 사용될 수 있는 한, 다른 물질이 또한 증착될 수 있다.
상대적으로 두꺼운(~5 nm) 산화물 층이 형성된다면, 물분자가 이러한 두꺼운 층을 통해 확산되는데 긴 기간의 시간이 소요된다. 다른 한편으로, 플라즈마 처리 이후 얇은 산화물 층이 남겨지거나 또는 너무 좁은 결함 영역이 형성된다면, 실리콘 표면에 도달할 수 있는 물은 실리콘과 충분히 반응하지 않을 것이고, 수소로 변환되지 않을 것이다. 두 경우에, 결합 에너지 강화는 제한될 것이다. 바람직한 산소 플라즈마 처리는 따라서 실리콘 표면상에 최소 플라즈마 산화물 두께(예, 대략 0.1 ~ 1.0 nm)와 합리적으로 두꺼운 결함 구역(예, 대략 0.1 ~ 0.3 nm)을 남긴다.
제 2실시예에 있어서, VSE 공정은 습식 화학물을 사용한다. 예컨대, 제 1실시예에서와 같이 증착된 실리콘 산화물 층을 갖는 InP 웨이퍼와 디바이스 층은, 증착된 산화물 층을 갖는 AIN 기판에 결합된다. InP 웨이퍼 결합 표면과 AIN 웨이퍼 결합 표면을 평활화 및 평탄화한 이후, 두 웨이퍼는 표준 RCA 세척 용액 내에서 세척된다. 웨이퍼는 HF 농도가 바람직하게는 0.01 내지 0.2%의 범위인 묽은 HF 수용액을 사용하여 매우 약하게 에칭된다. 대략 십분의 수 nm가 제거되고, 표면 평활도는 AFM(atomic force microscope) 측정을 통해 측정할 때 악화되지 않는다. 탈이온화 물로 헹구지 않고, 웨이퍼는 스핀 건조되고, 대기상태의 상온에서 결합된다. 최종 결합 에너지가 공기 중에 보관 이후 ~700 mJ/m2에 도달하는 것으로 측정되었다. 이러한 결합 쌍을 75℃에서 어닐링한 후, 1500 mJ/m2의 결합 에너지가 얻어졌다. 결합 에너지는 100℃에서의 어닐링 이후 실리콘 벌크 분열 에너지(대략 2500 mJ/m2)에 도달하는 것으로 측정되었다. 웨이퍼를 HF에 담근 후 탈이온화 물로 헹구면, 100℃에서의 결합 에너지는 헹굼 없이 얻어진 에너지의 대략 1/10인 200 mJ/m2로 감소한다. 이것은 종단 종으로서 OH에 대한 F의 선호도를 나타낸다.
결합의 제 1예에 있어서, 3인치<100>, 1-10 Ω-cm, 붕소 도핑된 실리콘 웨이퍼가 사용되었다. PECVD 산화물은 실리콘 웨이퍼 일부에 증착되었다. 비교를 위하여, 열 산화된 실리콘 웨이퍼가 또한 조사되었다. PECVD 산화물 두께는 웨이퍼의 전면 측과 후면 측에서 각각 0.5 ㎛ 및 0.3 ㎛이었다. 산화물은 웨이퍼 양 측에 증착되어, 연마 도중에 웨이퍼 보우(bow)를 최소화시키고, 평탄화를 개선시킨다. 소프트 연마가 수행되어, 대략 30 nm의 산화물을 제거하고, 원래 ~ 0.56 nm의 미소-조도의 평균제곱(RMS)을 갖는 전면 산화물 표면을 최종 ~ 0.18 nm로 평탄화시킨다. 스핀 건조가 수반되는 웨이퍼 표면을 세척하기 위하여 변형된 RCA1 용액이 사용되었다.
두 웨이퍼는 플라즈마 시스템에 적재되었고, 두 웨이퍼는 RF 전극에 위치하여 RIE 모드의 플라즈마에서 처리되었다. 비교를 위하여, 일부 웨이퍼는 웨이퍼가 접지 전극에 놓이는 플라즈마 모드에서 처리되었다. 16 scc/m의 공칭 흐름율로 산소 플라즈마가 사용되었다. RF 전력은 13.56 MHz에서 20-400W(전형적으로 80W)이었고, 진공도는 100 mTorr이었다. 산화물이 덮인 웨이퍼는 15초 내지 5분 간의 시간 동안 플라즈마 내에서 처리되었다. 플라즈마 처리된 실리콘 웨이퍼는 그 후 적절한 용액에 담기거나 또는 탈이온 물로 헹구어졌고, 공기 중에서 스핀 건조와 상온 결합이 뒤따랐다. 플라즈마 처리된 웨이퍼의 일부는 또한 헹굼 또는 담금이 없이 직접 공기 중에서 결합되었다.
다음 수식에 따라 크랙 길이를 측정하기 위하여 쐐기를 경계면에 삽입함으로써 결합 에너지가 측정되었다.
Figure 112012010892669-pat00001
E와 tw는 웨이퍼 1과 2에 대한 영 계수(Young's modulus)와 두께이고, tb는 웨이퍼 에지로부터 길이 L의 웨이퍼 분리를 초래하는 두 웨이퍼 간에 삽입된 쐐기의 두께이다.
결합된 플라즈마 처리된 산화물이 덮인 실리콘 웨이퍼의 보관 시간의 함수로서 상온 결합 에너지가 도 8에 도시되었다. 이 수치는 도시된 4가지 다른 경우에 대해 측정된 상온 결합 에너지 대 보관 시간을 도시한다. 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다: (1) 담겨지고 결합된 RIE 플라즈마 처리된 산화물 웨이퍼에 대해, 상온 결합 에너지는 보관 시간에 따라 증가하고, 공기 중에서 또는 낮은 진공 하에서 ~ 20 h 이후 안정된 값에 도달한다; (2) RIE 모드는 플라즈마 모드보다 더 높은 결합 에너지를 초래한다; (3) 너무 짧은 플라즈마 노출 시간 또는 너무 낮은 플라즈마 전력은 결합 에너지의 작거나 무시 가능한 증가를 제공한다; (4) 플라즈마 처리 이후 NH4OH에 담그는 것은 물로 헹구는 것보다 결합 에너지의 훨씬 더 높은 증가를 보인다; (5) 담금 또는 헹굼 없이 플라즈마 처리 이후 공기 중에서 집적 결합은 시간에 따른 거의 일정한 결합 에너지를 도시한다. 상온 결합 직후 집적 결합된 웨이퍼 쌍의 결합 에너지는 탈이온 물에 헹구거나 또는 NH4OH에 담근 웨이퍼 쌍보다 약간 높다.
도 9는 PECVD 산화물 증착된 층을 갖는 Si 및 AIN 웨이퍼의 상온 결합을 도시한다. 100h의 보관 시간 이후, 2000 mJ/m2 이상의 결합 에너지가 관찰되었다.
다른 결합 물질을 비교하면, O2의 플라즈마 처리된 열적으로 산화된 실리콘 웨이퍼 쌍의 보관 시간의 함수로서 결합 에너지는, 상온 결합 에너지의 값이 약간 낮다 할지라도, PECVD 산화물을 갖는 웨이퍼와 비슷하다.
공기 중의 상온에서 ~ 24h의 보관 이후, ~ 1000 mJ/m2만큼 높은 결합 에너지가 RIE 모드 플라즈마 처리되고 NH4OH에 담근 PECVD 산화물로 덮인 웨이퍼 쌍에서 도달되었다. 반 데르 발스 결합된 실리콘 산화물로 덮인 웨이퍼 쌍의 최대 결합 에너지가 대략 200 mJ/m2 이므로, 많은 부분의 결합 에너지는 상기 수식에 따른 상온의 결합 경계면에서의 공유 결합의 형성에 기여한다.
표면은 플라즈마 또는 RIE 모드에서 기(radical), 이온, 광자 및 전자와 같은 에너지를 갖는 입자에 의해 스퍼터링 에칭된다. 예컨대, 원하는 VSE를 초래하는 조건 하의 O2 플라즈마는, 반사 분광계로 측정할 때, PECVD 산화물의 2Å/min 정도의 스퍼터링 에칭이다. 열적 산화물에 대해 스퍼터링 에칭율은 대략 0.5Å/min 정도이다. 플라즈마 처리 전후의 산화물의 두께는 반사 분광계로 측정되었고, 각 웨이퍼 상의 98 측정 점으로부터 평균되었다. O2 플라즈마에 의한 에칭은 산화와 스퍼터링에 의해 표면을 세척할 뿐만 아니라 웨이퍼 표면상의 산화물의 결합을 파괴하기도 한다.
그러나, 플라즈마 처리된 산화물 표면의 표면 조도는 에칭 공정에 의해 열화되지 않아야 한다. AFM 측정은, 초기 표면 조도와 비교할 때, O2 플라즈마 처리된 산화물 웨이퍼의 RMS가 ~ 2Å이고, 현저하게 변화하지 않음을 보여준다. 다른 한편으로, 에칭이 충분히 강하다면, 결합 에너지 증대 효과 또한 작아진다. RIE 모드가 아니라 플라즈마 모드로 O2 플라즈마 처리가 수행될 때 다른 조건은 변하지 않게 유지하면, 산화물 표면의 에칭은 무시할 수 있고, 산화물 두께는 변하지 않는다. 최종 상온 결합 에너지는 RIE 처리된 웨이퍼의 1000 mJ/m2과 비교하여 단지 385 mJ/m2 이다(도 8 참조).
다른 기체 플라즈마는 유사한 효과를 보여주었다. CF4/O2 RIE는 ~ 4 nm의 PECVD 산화물을 결합 이전에 웨이퍼 표면으로부터 제거하기 위하여 사용되었다. 상온 결합된 PECVD 산화물로 덮인 실리콘 웨이퍼의 결합 에너지는 이러한 방법으로 상당히 강화되었고, 충분한 보관 시간 이후 1000 mJ/m2을 초과한다(도 8 참조).
아르곤 플라즈마는 16 scc/m의 공칭 흐름율을 갖는 VSE를 위하여 사용되어 왔다. RF 전력은 전형적으로 13.56 MHz에서 60W이고, 진공도는 100 mTorr이었다. 산화물로 덮인 실리콘 웨이퍼는 30초 내지 2분 간의 시간 동안 RIE 모드의 플라즈마 내에서 처리되었다. 플라즈마 처리된 실리콘 웨이퍼는 그 후 NH4OH 용액에 담기고, 공기 중에서 스핀 건조와 상온 결합이 뒤따른다. 결합 에너지는 공기 중에서 오직 8h의 보관 이후 상온에서 ~ 800 mJ/m2에 도달한다.
각 웨이퍼는 한 세트의 금속 패드(12,15)와 표면(11,14) 내의 금속 결합 패드에 인접한 비금속 영역을 포함한다. 금속 결합 패드의 비-평면 및 표면 조도는 화학 결합 표면의 것보다 클 수 있다. 패드(12,15)는 전기 연결부를 웨이퍼 상에 사전-제조한 각 디바이스 및/또는 회로로 향하게 하는데 사용된다. 패드는 바람직하게 표면 처리 이전에 형성되고, VSE는 바람직하게 패드가 형성된 후 수행된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 각 웨이퍼 상의 패드(12,15)가 정렬된다. 도 1b는 각 패드를 접촉하기 위하여 웨이퍼를 함께 위치시킬 때의 웨이퍼를 도시한다. 이 단계에서, 패드(12,15)는 분리 가능하다. 도 1c에서, 하나 또는 두 반도체 웨이퍼를 탄성 변형시키기 위하여 약간의 부가적인 압력이 웨이퍼에 가해져, 웨이퍼 상의 비금속 영역의 일부 간의 접촉을 야기한다. 접촉하는 도시된 위치는 일 예이고, 접촉은 다른 위치에서도 일어날 수 있다. 또한, 접촉은 한 점 이상에서도 일어날 수 있다. 이러한 접촉은 화학적인 웨이퍼-웨이퍼 결합을 개시시키고, 결합구조가 도 1d에 도시되었다. 결합 이음매(16)는 초기 화학 결합 이후 확장되어 도 1d에 도시된 결합 이음매(17)를 생성한다. 결합 강도는 초기에는 약하고, 상술한 바와 같이 결합이 전파됨에 따라 증가한다. 대향하는 비금속 영역은 상온 또는 저온에서 화학적으로 결합된다.
보다 상세하게, 금속 결합 패드를 포함하는 웨이퍼 표면은 상온에서 접촉하고, 대향하는 웨이퍼 표면의 접촉하는 비금속 부분은 접촉 점(들)에서 결합을 형성하고, 웨이퍼 간의 끌어당기는 결합력은 접촉 화학 결합이 증가함에 따라 증가한다. 금속 패드가 없다면, 웨이퍼는 전체 웨이퍼 표면을 가로질러 결합할 것이다. 본 발명에 따라, 금속 패드의 존재는, 대향 웨이퍼 간의 결합 이음매를 중단시키면서, 화학 웨이퍼의 웨이퍼 결합을 금하지 않는다. 금속 결합 패드의 가단성과 연성 때문에, 비금속 영역에서의 화학 웨이퍼-웨이퍼 결합에 의해 생성된 압력은 힘을 초래하고, 이 힘에 의해 금속 패드 상의 비평면 및/또는 거친 영역은 변형되어 금속 패드의 개선된 평면 및/또는 조도를 초래하고, 금속 패드 간의 밀접한 접촉을 초래한다. 화학 결합에 의해 생성된 압력은 이들 금속 패드가 서로 밀접하게 접촉하도록 가해질 외부 압력에 대한 필요성을 제거한다. 강한 금속 결합은, 맞물리는 경계면에서 금속 원자의 내부 확산 또는 자체 확산에 기인하여 심지어 상온에서도 밀접하게 접촉된 금속 패드 간에 형성될 수 있다. 이러한 확산은 표면의 자유 에너지를 감소시키기 위하여 열역학적으로 구동되고, 전형적으로 높은 내부 확산 및/또는 자체 확산 계수를 갖는 금속에 대해 강화된다. 이들 높은 확산 계수는, 확산 도중에 금속 이온의 움직임에 의해 방해받지 않는, 전형적으로 대부분이 이동 자유 전자 가스에 의해 결정된 밀착 에너지의 결과이다. 비금속 영역에서의 웨이퍼-웨이퍼 화학 결합은 이와 같이 두 개의 다른 웨이퍼 상의 금속 패드 간의 전기 연결에 영향을 미친다. 이러한 영향을 지배하는 지형 및 기계적인 제한은 이하에서 설명된다.
두 개 웨이퍼의 비금속 표면이 접촉으로부터 배제되는, 폭(W)을 갖는 결합 패드 주위의 미결합 영역이 생성된다(도 1d). 금속 막의 두께가 너무 크지 않는 한, 두 개 결합 웨이퍼 또는 다이 간의 간극이 감소될 수 있어, 각 금속 패드 주위에 작은 미결합 영역을 남겨놓는다. 이것은 도 2a 내지 도 2c에 도시되었고, 여기에서 금속 패드(21)를 갖는 웨이퍼(20)는 패드(23)를 갖는 웨이퍼(22)에 쉽게 결합된다. 간극(24)은 인접한 패드 간의 간극이다. 금속 패드는 접촉하고(도 2b), 웨이퍼는 탄성적으로 변형되어 간극(24)에서 결합하여 결합(25)을 형성한다(도 2c). 도 2a 내지 도 2c에서 크기는 축적에 맞춰 도시된 것은 아니다.
금속 막의 두께, 웨이퍼 또는 다이의 기계적인 특성, 웨이퍼 또는 다이의 두께, 결합 에너지의 함수로서 미결합 영역의 폭을 계산하기 위한 식은 아래에 도시된다. 도 2d는 간극 높이(2h)와 미결합 영역의 두께(W) 간의 관계를 도시하는 그래프이다. 웨이퍼의 변형이 영 계수(E)에 의해 주어진 탄성 상수를 따르고, 웨이퍼 각각이 tw의 두께를 가질 때, 얇은 플레이트의 작은 천이의 단순한 이론에 따라, 미결합 영역의 폭(W)은 W > 2tw 에 대해 다음의 수식에 의해 대략적으로 평가되는데, 여기에서 쌍으로서 금속 결합 패드는 웨이퍼 표면 위에 2h의 두께를 갖는다:
W = [(2E'tw 2)/(3γ)]1/4h1 /2 (1)
여기에서 E'는 υ가 포이슨 비율(poisson's ratio)일 때 E/(1-υ2)로 주어진다.
감소하는 h에 대해 상황이 격렬하게 변하는 것이 제안되었다. 예컨대, U. Goesele와 Q.-Y. Tong의 논문(반도체 웨이퍼 결합에 대한 2차 국제 심포지움, 전기화학 협회 회보, Vol. 93-29, p.395(1993))을 참조한다. 수식(1)에 의해 계산된 W가 hcrit = 5( tw /E')1/2인 h < hcrit 에 대응하는 Wcrit = 2 tw이하의 값을 초래한다면, 탄성화학 불안정성이 발생하는 것으로 간주되어, 웨이퍼 두께(tw)에 독립적이고 다음 식에 의해 주어지는 훨씬 더 적은 W를 갖는 미결합 영역을 초래한다:
Figure 112012010892669-pat00002
(2)
여기에서 k는 차원이 없는 1 정도의 상수이다. 경험적으로, 도 2d에 도시된 바와 같이 h < 300 Å이면, W는 수식(1)에 의해 예측된 것보다 훨씬 적다. 본 출원의 발명자에 의한 추가 작업은, 금속 결합 패드 쌍(2R) 간의 공간이 2W보다 작다면, 웨이퍼 쌍은 서로 결합하지 않을 것임을 보여주었다. 그러나, 2R > 2W 일 때, 금속 기둥 주위의 두 개의 결합된 영역 간의 표면은 결합할 것이고, 금속 기둥은 결합하여 탄성적으로 연결될 것이다.
주위 영역의 결합에 의해 생성된 금속 결합 쌍 위의 압력(P)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
P = (16E'tw 3h)/(3W4) (3)
수식(1) 또는 (2)와 수식(3)을 결합하면, W > 2tw일 때, 다음이 얻어진다:
P = 8γ/ 3h, (4)
W < 2 tw일 때, 다음이 얻어진다:
P = (16E'tw 3)/(3k4h3) (5)
금속 패드가 500Å의 높이(h)를 갖고, 결합 에너지가 300 mJ/m2인, 결합된 실리콘 웨이퍼에 대해, 금속 결합 패드 상의 압축 압력은 1.6x108 dyne/cm2, 즉 160 대기압이다. 이러한 압력은 금속 결합에 대해 충분히 높기 때문에, 결합 도중에 임의의 외부 압력을 가할 필요성이 없다. 금속 높이(h)가 300Å이하일 때, W < 2tw가 충족되고, 금속 쌍에 대한 압력은 K = 1이 가정되면, 5000 대기압 정도이다.
본 발명의 제 1실시예의 한 예에서, 300Å이하의 두께와 1 mm의 분리 간격을 갖는 5 mm 직경의 Au 결합 패드가 산화물이 덮인 100 mm 실리콘 웨이퍼 상에 증착된다. Au 결합 패드가 산화물 표면상에 형성되었기 때문에, 이들은 산화물의 표면 위의 300Å의 높이를 갖는다. 그러나, 금속은 산화물 또는 다른 절연체 내에 부분적으로 묻힐 수 있고, h는 금속이 다이 표면 위로 확장되는 높이이기 때문에, h는 실제 금속 두께보다는 훨씬 작다. 금속과 산화물 표면을 상응하게 또한 동시에 세척하고 활성화시키는 상온 결합 기술이 개발되었다. Au 기둥은, 금속 두께 및 결합 에너지에 따라 일정 기간의 시간 예컨대 60 hr 동안 공기 중에서 보관 이후 외부 압력을 사용하지 않고 대기 상태에서 웨이퍼 레벨에서 상온 결합에 의한 금속 결합을 형성하였다. 결합된 경계면 간에 쐐기를 삽입함으로써 웨이퍼 쌍이 강제로 분리될 때, Au 또는 Au/산화물 층이 실리콘 기판으로부터 벗겨져, 형성된 금속-금속 결합이 산화물 표면상의 Au 패드 또는 실리콘 표면상의 산화물의 접착보다 강함을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 강한 금속 결합은, 맞물리는 경계면 상의 금속 원자의 내부 확산 또는 자체 확산에 기인하여, 상온에서 밀접하게 접촉하는 금속 패드 간에 형성될 수 있어서, 표면의 자유 에너지를 감소시킨다. 금속 원자 간의 내부 확산 또는 자체 확산 계수는 온도에 따라 지수 함수적으로 증가하고, 완전한 금속 결합을 얻기 위한 보관 시간을 단축시키기 위하여, 어닐링은 상온 결합 이후 수행될 수 있다. Au 기둥 간의 금속 결합을 위한 바람직한 어닐링 시간은 온도가 증가함에 따라 짧아진다. 이 경우, 100℃에 대해 5h가 바람직했고, 150℃에 대해서는 1h가, 그리고 250℃에 대해서는 5분이 바람직하였다. 더 얇은 금속은 비금속 주변 영역의 결합에 의해 생성된 더 높은 압력에 기인한 더 두꺼운 금속보다 결합을 위해 보다 낮은 온도를 필요로 한다. 상온 및 고온에서의 금속 결합의 형성을 위한 시간은 Au 두께(즉, 높이)가 증가함에 따라 더 길어진다. 예컨대, Au 패드의 두께(h)가 600Å일 때, 금속 결합을 형성하기 위하여 250℃에서 5분이 필요하고, h=500Å일 때는 15분이 필요하다.
최신 기술의 집적 회로의 플립-칩 결합에 있어서, 땜납 볼 피치는 약 1000㎛이다. 그러므로, 1000㎛에 비교될 수 있거나 이보다 적은, 결합된 금속 기둥 주위의 미결합 영역의 폭은 실제적인 응용을 위해 충분히 작다. 이러한 양보다 실제적으로 적은 미결합 영역의 폭은 이러한 방법으로 얻어질 수 있다. 예컨대, 실험 결과는 h=200Å일 때 W는 20㎛이고, h=300Å일 때 W는 30㎛인 것을 보여준다. h가 금속이 다이 표면 위로 확장되는 높이이므로, h는 실제 금속 두께보다 훨씬 작은데, 왜냐하면 금속이 산화물 또는 다른 산화물에 부분적으로 묻힐 수 있기 때문이며, 200Å보다 적은 h는 쉽게 얻어질 수 있다. 이 경우, 금속 기둥 주위의 미결합 고리 폭은 0에 근접할 수 있다. 상술한 금속 패드는, 스퍼터링, 증착, 레이저 연마, 화학 증기 증착 및 100Å 보다 적은 두께 조정 범위가 일반적이고, 당업자에게 알려진 다른 기술과 같은 공정에 의해 형성될 수 있지만, 이러한 공정에만 국한되는 것은 아니다.
도 3a 내지 도 3c는 완전히 처리된 두 개의 다른 다이가 결합되는 본 발명의 제 2실시예에 따른 공정의 개략도이다. 본 발명이 일정하고 평탄한 층 두께가 아닌 다른 경우에도 사용될 수 있음을 나타내기 위하여, 다이는 평면이지만 일정하지 않은 층 두께를 갖는 것으로 도시되었다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이 공정에 있어서, 개별적인 다이(30)(편리한 설명을 위하여 다이(30)의 산화물 층만이 도시되었다)는 금속 패드(31)를 갖는다. 다이는 SiO2의 대향 표면을 갖는 반도체 디바이스 및 회로를 포함하는 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 표면(32)은 CMP 동작 이후 얻어진다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 금속 패드(31)와 연결되기 위해 비어(via)(36)가 형성되어 금속으로 채워지고, 비어(36) 내의 금속과 연결되기 위해 금속 상호연결부(33)가 웨이퍼(30) 위에 형성되며, SiO2 또는 다른 절연 물질의 두께(t2)의 층(34)이 웨이퍼(30)위에 형성된다. 폭(W2)을 가진 SiO2 층의 부분(35)이 제거되어 금속 패드(35)를 노출시킨다. 층(34)의 표면은, 공동 계류중이고 연마 또는 연마와 약한 에칭을 포함하는 특허출원 제09/410,054호, 제09/505,283호 및 제09/532,886호에 기술된 바와 같이 처리된다.
도 3c에 있어서, 제 2웨이퍼(37)는 도시된 바와 같이 패드(38), 금속으로 채워진 비어(39), 및 상호연결부(40)를 포함한다. 상호연결부(40)는 폭(W1)과 높이(h1)를 갖는다. 웨이퍼(37)의 표면(41)은 상술한 바와 같이 표면(32)처럼 처리되었다. 도 3d에 도시된 결합 구조를 생성하기 위하여, 별도의 다이(30과 37)는 정렬되어 서로 접촉한다. 다음의 관계에 대해:
t1 = t2 + δ1 및 w1 = w2 + δ2
여기에서 t1과 δ1은 사용된 증착 기술에 대해 가능한 최소 두께가 되는 것이 선호되고, δ2는 2h=t1의 경우에 해당하는 2W가 되어야 한다. 결합될 두 다이 위에서 h=t1과 비교하여, 미결합 영역의 폭(W)은 상당히 줄어든다. 따라서, 웨이퍼(30과 37) 상의 패드 간의 상호 연결이 이루어진다. 만약 두 다이 위의 t1이 임계 두께(hcrit)보다 작다면, 어떠한 층(34)도 필요하지 않다.
상온에서 두 웨이퍼의 초기 접촉 도중에, 금속 패드는 정렬되고, 웨이퍼의 표면은 본 발명에 따라, 결합 웨이퍼의 표면 지형에 기인한 간극이 충분히 적고, 결합 에너지(γ)가 충분히 높다면, 탄성 변형에 의해 서로 같은 모양이 된다. 본 발명에 따라, 인접한 다이 상의 디바이스 또는 회로 간의 금속 상호 연결을 형성하는 접촉 물질 간에, 및 웨이퍼 표면 간에 직접 결합이 발생한다. 상온에서, 결합이 시작하여 온 접촉을 형성하고, 결합 강도가 증가하여, 금속 결합을 형성한다.
제 1실시예에서와 같이, 웨이퍼 표면(32 및 41)은 금속 패드(33과 40)를 포함하고, 대향 웨이퍼 표면(32 및 41)의 접촉 비금속 부분은 접촉점에서 결합을 형성하기 시작하고, 결합력은 접촉 결합 영역이 증가함에 따라 증가한다. 금속 패드(33과 40)가 없다면, 웨이퍼는 전체 웨이퍼 표면을 가로질러 결합할 것이다. 본 발명에 따라, 금속 패드(33과 40)의 존재는 대향 웨이퍼 간의 결합 이음매를 중지시키면서, 웨이퍼가 웨이퍼 결합하는 것을 금하지 않는다. 오히려, 비금속 영역에서의 웨이퍼-웨이퍼 접촉에 의해 생성된 압력은 힘으로 전환되고, 이 힘에 의해 금속 패드(33과 40)가 접촉하게 된다. 어떠한 외부 압력도 필요하지 않다.
본 발명의 방법은 고진공 또는 초고진공(UHV) 조건으로 제한되는 것이 아니라 대기 상태에서 수행될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 방법은 낮은 경비의 대량 생산 제조 기술이다. 결합될 금속 막의 크기는 본 발명에 따라, 직접 금속 결합이 내부 분자 인력에만 의존하기 때문에, 유연하고 매우 작은 지형으로 크기 조정 가능하다.
집적 금속 결합은 반도체 디바이스의 양호한 열 관리 및 전력 성능을 위해 선호된다. 집적 금속 결합은 본 발명이 따라, 플립-칩 결합을 크기 조정 가능한 훨씬 더 작은 결합 패드로 대체할 수 있다. 또한, 새로운 금속 기저 디바이스(반도체-금속-반도체 디바이스)를 실현하기 위하여 이러한 금속 결합이 사용될 수 있다. 예컨대, T. Shimatsu, R.H. Mollema, D. Monsma, E.G. Keim 및 J.C. Lodder의 논문(IEEE Tras, Mgnet. 33, 3495(1997))을 참조한다.
또한, 이러한 공정은 VLSI 기술에 적합하다. 직접 금속-금속 결합은 웨이퍼가 완전히 처리될 때 수행될 수 있다. 본 발명의 직접 금속-금속 결합은 또한, 대부분의 모든 금속이 실리콘 또는 이산화 실리콘보다 상당히 더 높은 열팽창 계수를 갖기 때문에, 열팽창의 차이로 인한 영향을 최소화하기 위하여 상온 결합을 사용한다.
본 발명은 또한 국부적으로 또는 전체 웨이퍼 표면 영역을 가로질러 결합될 수 있다. 본 발명은 다음의 예에 국한되는 것은 아니지만 금속/금속, 산화물/산화물, 반도체/반도체, 반도체/산화물과 같은 이종 표면을 결합하거나, 및/또는 금속/산화물 영역이 상온에서 두 개의 웨이퍼 간에 결합될 수 있다.
본 발명에 의해 다양한 장점이 제공된다. 예컨대, 웨이퍼 결합 및 전기적으로 상호 연결된 구성요소의 전기 접촉의 다른 방법은 웨이퍼 결합 이후 에칭 및 금속 증착을 통해 결합된 기판의 박막화를 필요로 한다. 본 발명은 전기적인 상호 연결부를 형성하기 위하여 이들 후 결합 공정 단계의 필요성을 제거한다. 이러한 제거의 장점은 다이 박막화에 의해 야기되는 기계적인 손상의 제거를 포함한다. 또한 깊은 비어 에칭의 제거는 단계의 범위 문제를 회피하고, 전기적인 연결부가 적은 크기로 크기 조정 가능하게 하여, 결합된 웨이퍼 간에 더 적은 접촉면적(footprint) 및 감소된 전기 기생 전력을 갖는 전기적인 상호연결부를 초래한다. 이러한 방법은 다른 표준 반도체 공정에 적합하고, VLSI에 적합하다.
이와 같이, 본 발명은 3-D SOC(3차원 시스템 온칩) 제조에 적합하다. 결합된 다이 간에 플러그를 사용하여 금속 패드 또는 상호연결부의 이러한 수직 금속 결합은 SOC 제조 공정을 상당히 단순화시키고, SOC의 속도와 전력 성능을 개선시킨다. 본 발명의 직접 금속-금속 결합은 크기 조정 가능하고 다중-다이 적층 SOC에 적용할 수 있다.
금속-금속 연결을 형성하기 위하여 필요한 필수적인 힘의 생성 외에도, 본 발명은 하나의 디바이스에서 다른 디바이스로 전기적인 상호연결을 위해 낮은 저항이 바람직하다는 것을 인식한다. 본 발명에 따라, 금속 결합 금속 패드의 산화물이 없거나 거의 산화물 없는 표면에 의해 낮은 저항의 금속 결합이 촉진된다. 예컨대, Au 표면은 표면에 산소가 전혀 남겨지지 않은 상태로 자외선/오존 및 질소 플라즈마에 의해 세척될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, (예컨대, Al 또는 Cu와 같은 금속으로부터 제조된)결합 금속 패드의 표면은 예컨대 금(Au) 또는 백금(Pt) 층과 같은 산화 내성 금속으로 코팅된다. Au 및 Pt 모두 불활성 금속이므로, 어떠한 산화물도 표면 위에 형성되지 않는다. Au 또는 Pt와 호스트 금속 간에 산화물이 최소량이 되는 것을 보장하기 위하여, 바람직하게는 결합 공정에 바로 앞서 스퍼터링 세척 및 증기 증착이 사용된다.
본 발명의 제 1실시예의 변형에 있어서, 박막 금속의 과코팅 층이 금속 패드 위에 형성될 수 있고, 상술한 바와 같이 결합될 수 있다. 예컨대, Al 패드 상의 50Å의 박막 Au 층이 상온에서 성공적인 금속 패드를 생성하였다. 그러므로, Au와 같은 금속은 결합층으로 사용될 수 있어, 본 발명의 절차를 통해, 거의 모든 금속이 상온에서 직접 결합을 위하여 사용될 수 있도록 보장한다. 절연체 층이 완전히 처리된 웨이퍼 상에 배치되고, 접촉 윈도우의 깊이 보다 100Å 이상의 두께를 갖는 금속 증착을 수반하는 금속 패드 상에 접촉 개방부가 형성될 때, 금속 패드는 이제 산화물 층위로 단지 100Å만 확장되고, 패드는 매우 작은 거리 예컨대 20 ㎛만큼 서로 분리될 수 있다.
Au 또는 Pt 외에도 팔라듐(Pd)이 본 발명에서는 과코팅 층으로 사용되었다. Pd는 양호한 산화 내성을 갖는다. Pd 위에서 Pd의 표면 확산도는 매우 높아, 특히 비금속 웨이퍼 표면 영역의 결합에 의해 금속 결합 패드 상에 가해지는 접촉 압력을 가정하면, 심지어 상온에서 Pd의 상당한 질량 전달을 초래한다. 두 Pd 결합층 간의 자연적인 산화물이 만약 있다면, 기계적으로 분포되어, 두 접촉 금속 결합 패드 간의 물리적인 경계면을 Pd로 완전히 덮는 것을 허용한다.
본 발명의 제 1실시예의 다른 변형에 있어서, UV/오존 세척은 금속 결합 패드의 표면을 UV광 아래에서 높은 오존 농도에 노출시켜, 탄화수소 오염물을 제거한다. 금속 결합의 표면상의 잔류 탄화수소는 금속 결합을 열화시키고, 결합 경계면 간에서 기포 형성을 위한 핵형성 위치가 되어, 접촉 표면 사이에서 기체 방출을 초래한다.
실험은 UV/오존 처리가 경계면의 기포 형성을 방지할 수 있음을 보여주었다. 실리콘 웨이퍼를 HF에 담그는 것은 대부분 H로 종단되는 소수성 표면을 초래한다. 소수성 실리콘 웨이퍼는 15분 동안 상온에서 두 개의 235W UV 램프로부터의 1850Å 및 2540Å UV 방사와 결합된 농도 4.77 g/m3의 오존으로 처리되고, 2차 HF 담금과 결합이 뒤따른다. HF에 담근 소수성 실리콘 웨이퍼의 결합된 쌍은, 웨이퍼 표면으로부터 탄화수소의 효과적인 제거를 명확히 나타내는 각 온도에서 15시간 동안 300℃로부터 700℃에 이르는 어닐링시 경계면 기포를 전혀 생성하는 않았다.
Au 및 Pt에 대해, 금속 표면상에 금속 산화물의 생성 없이 결합 이전에 UV/오존 세척을 사용하는 것이 적절하다. 오존에 의해 산화될 수 있는 다른 금속에 대해, 금속 상의 Au의 박막층은 산화를 방지할 수 있거나, 또는 산화물은 결합 이전에 NH4OH에 담금으로써 제거될 수 있다. 덧붙여, 불활성 기체를 통해 플라즈마 처리, 예컨대 플라즈마 챔버 내에 질소와 아르곤과 같은 불활성 기체만이 존재하는 상태에서 반응성 이온 에칭 모드(RIE)에서의 플라즈마 처리는 본 발명에 따라, 금속 표면을 세척할 수 있고, 금속/금속 및 산화물/산화물 결합에 대해 상온에서 결합 에너지를 증대시킬 수 있다. 또한 본 발명은 Au 및 Pt와 같은 금속 표면으로부터 오염물을 제거하기 위하여 산소 플라즈마가 사용될 수 있음을 발견하였다.
다양한 표면 제작 처리 및 금속/금속 및 산화물/산화물 및 반도체/반도체 예가 기술되었지만, 본 발명에 따라 다른 표면 및 제작 절차가 사용될 수 있고, 대응하는 금속, 절연체, 및 반도체 표면은 접촉 이전에 충분히 세척되어, 상온 결합의 형성이 금지되지 않게 한다. Au 보호 또는 Au 결합의 경우, 본 발명에 의해 개발된 공정은 금속 및 이산화 실리콘에 적합하다. CMP와, 산화물 표면의 표면 평탄화 및 평활화 이후, 금속 결합 패드가 상술한 바와 같이 결합 웨이퍼 상에 형성되고, 변형된 RCA 1(H2O:H2O:NH4OH = 5:1:0.25), UV/오존, 및 플라즈마 처리가 결합 표면을 거칠게 하지 않고 금속 및 산화물 모두의 표면을 세척한다. 상온에서 표준 29%의 NH4OH에 담그는 것은 이산화실리콘 표면을 열화시키지 않고 만약 존재한다면 금속 표면상의 입자와 산화물을 제거한다. 스핀-건조와 상온 결합 및 보관 이후, 강한 공유 결합 및 금속 결합이 산화물 층과 금속 표면 간의 결합 내부 표면에서 자발적으로 각각 형성된다. 도 1a 내지 도 1d에 도시된 거의 평탄한 결합 구조 외에, 다른 구조도 본 발명의 원리를 사용할 수 있다. 예컨대, 금속 비어 상호연결부를 포함하는 웨이퍼가 작은 다이에 결합된 제 2실시예는 도 4a 내지 도 4c에 도시된다. 도 4a는 금속 상호연결부(51)를 포함하는 기판(50)의 확대도를 도시한다. 도 4a에 있어서, 금속 상호연결부가 PECVD 산화물, 열적 산화물, 스핀-온 글래스와 같은 이산화 실리콘 층(52)에 삽입된다. 상호연결부(51)는 층(52) 위의 이전에 설명한 높이로 확장한다. 도 4a는 또한 금속 접촉(54)과 이산화 실리콘 층(55)을 갖는 더 작은 다이(53)를 도시한다.
이산화 실리콘과 같은 물질의 두 다이 위에 절연층(58)을 형성하는 것에 뒤이어, 화학 기계적인 연마와 표면 처리를 수반하는 표준 비어 에칭 및 금속 채움이 결합을 위한 층(58)을 제작하기 위하여 사용된다. 도 4b는 상호 금속 결합 패드(56과 57)를 갖는 한 쌍의 대향 웨이퍼를 도시한다. 도 4c는 결합(59)을 형성하는 이들 두 개의 대향 기판의 접촉 및 후속 결합을 도시한다.
여기에서, 이전과 같이, 비금속 영역의 결합은 다이를 가로질러 금속-금속 상호연결부를 형성하기 위한 필수적인 힘을 생성한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 산화물 층의 결합은 금속 결합 패드(56 및 57)의 직접 금속-금속 접촉을 위한 필수적인 결합력을 생성한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 복수의 다이(53)가 제작되어 다이(60)에 결합될 수 있다.
본 발명의 제 1 및 제 2실시예의 금속-금속 직접 결합에 있어서, 다이 표면 위로 확장하는 결합 금속 막의 두께는 금속 기둥 주위의 미결합 고리 영역을 최소화시키기 위하여 얇은 것이 바람직하다. 또한, 결합 금속의 두께는 크기 조정 가능하고, VLSI에 적합한 크기의 금속 기둥 또는 패드가 만들어져 결합될 수 있다. 금속 막의 두께가 특정 값 이하일 때, 미결합 고리 영역의 폭은 상당히 감소되어, 금속 기둥 간의 공간은 사용될 금속 결합 패드 간에 적은 공간(예, < 10㎛)을 허용한다.
본 발명의 제 3실시예는 개별적인 웨이퍼 상에 형성된 금속 부분 간에 허용 가능한 전기적인 연결을 유지하면서, 비금속 표면 위에서 금속 높이의 상당한 증가 및/또는 금속 근처의 비결합 영역의 상당한 감소를 허용한다. 이러한 실시예에 있어서, 전기적인 접촉을 형성하는 금속 물질의 주위에서 물질의 변형은, 비금속 부분의 웨이퍼-웨이퍼 화학 결합으로 인한 금속 표면에서의 압력으로부터 초래되도록 설계된다. 이러한 변형은 결합 공정이 종료된 후 금속에 가해지는 적은 압력을 초래하지만, 이 압력은 금속 부분 간의 허용 가능한 전기적인 연결을 형성하기 위한 적절한 압력이다. 이러한 변형은 금속 표면 근처의 간극이 상당히 감소되거나 제거될 수 있게 한다.
전기적인 접촉을 형성하는 금속 물질 근처의 변형 가능한 물질의 목적은, 비금속 표면의 화학 결합에 의해 생성된 압력이 금속 물질을 충분히 각각의 표면으로 들어가게 하는데 충분하도록 허용하여, 금속 표면 근처의 간극이 상당히 감소되거나 제거되게 하는 것이다. 일반적으로, 웨이퍼-웨이퍼 화학 결합에 의해 생성된 압력이 전형적으로 10,000 중의 1 부 즉, 전형적인 금속을 변형하기 위하여 필요한 것 중의 1%의 1%이기 때문에, 변형 가능한 물질은 비금속 부분으로 이루어진다. 금속의 각 표면으로 들어간 오목부는 비금속 표면 위로 금속 표면의 시작하는 높이가 오목부 이후 실질적으로 더 높도록 허용한다. 이것은 결합을 위한 웨이퍼를 제조하기 위하여 필요한 금속 표면의 공차를 상당히 증가시키고, 후속적으로 본 실시예의 제조 가능성을 증가시킨다. 변형은 또한 금속 주위의 비결합 영역을 실제적으로 감소시키거나 제거하여, 주어진 영역에서 만들어질 수 있는 연결의 수의 실질적인 증가를 허용하고, 결합되고 상호 연결된 부분의 결합 강도를 증가시킨다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 금속 표면 아래의 비금속 영역을 포함함으로써 변형이 가능해진다. 기판(55)을 갖는 다이는 다른 디바이스 위의 대응하는 층에 결합될 층(51)위에 형성된 금속 패드(50)를 구비한다. 낮은 K의 유전 물질과 같은 변형 가능한 비금속 물질로 채워진 영역(53)은 표준 포토리소그래피, 에칭 및 증착 기술을 통해 층(52)에 형성된다. 층(52)과 영역(53)은 층(54) 위에 형성된다. 다수의 임의의 층이 기판(54) 위에 형성된다. 또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 영역(53)이 훨씬 더 클 수 있거나, 층(52)이 낮은 K의 물질로 형성될 수 있다.
영역(53)은 진공 또는 공기와 같이 압축 가능한 기체를 포함하는 빈 공간일 수 있고, 충분히 낮은 압축률을 가진 압축 가능한 기체가 아닌 고체 물질일 수 있어, 결합에 의해 생성된 압력은 금속을 영역 안으로 변형시킬 것이다. 빈 공간은 화합물 반도체 집적 회로 제조에 공통적인 금속 공기 브리지를 제조하는데 사용되는 것과 유사한 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 제조의 한 예는 다음과 같다: 1) 평탄한 비금속 표면에 오목부를 에칭한다, 2) 오목부에 포토레지스터와 같은 제거 가능한 물질을 채워, 제거 가능한 물질이 오목부 내에 존재하지만, 오목부 밖에는 존재하지 않게 된다. 이것은, 예컨대 종래의 포토레지스터 스핀 코팅을 통해 이루어질 수 있어, 오목부 밖보다 오목부 내부에 더 두꺼운 포토레지스트를 초래하고, 오목부 밖의 물질을 제거하기에는 충분하지만 오목부 내부의 물질을 제거하기에는 불충분한 포토레지스트 양의 블랭킷(비 패턴) 에칭이 뒤따른다, 3) 오목부를 가로지르지만 오목부 전체를 포함하지는 않는 금속 형상부를 패터닝하여, 오목부의 노출 부위를 남기고, 4) 오목부의 노출 부위에 접근함으로써 오목부 내의 제거 물질을 제거한다. 압축 가능한 기체가 아닌 고체 물질의 예는 반도체 제조에 사용된 낮은 K의 유전체이다. 이러한 영역의 깊이는 전형적으로 비금속 표면 위의 원하는 금속 높이에 비교될 수 있거나 이보다 크다. 도 5a의 다이가 결합되는 다른 다이는 패드(50)에 결합될 금속 패드 아래의 대응하는 위치의 영역(53)과 같은 영역을 가질 수 있다. 이것은 도 5c에 도시되었는데, 여기에서 도 5c가 개략도이고 축적에 맞춰 도시되지 않았음을 주목해야 한다. 여기에서, 패드(50 및 56)는 층(51 및 57)의 결합에 의해 생성된 압축력에 의해 결합된다. 도 5c에서 상부 다이는 층(58) 내의 빈 공간 또는 낮은 K 물질의 영역(59) 위에 형성된 패드(56)를 갖는 기판을 포함한다. 층(58)은 층(59) 위에 형성된다. 다시, 상부 다이는 많은 층을 가질 수 있다.
이 예에 있어서, 웨이퍼가 결합될 때, 금속 표면은 접촉하고, 화학 결합 공정 도중에 각각에 대한 변형이 발생한다. 변형은 결합 공정에 의해 가해진 압력의 일부를 경감시키지만, 접촉할 때 금속 표면을 유지시키고, 두 개의 개별 웨이퍼상의 두 금속 간에 허용 가능한 최소 접촉 저항을 유지시키는데 충분한 압력이 남게 된다. 금속이 금속 아래의 영역으로 변형됨에 따라, 결합 표면은 금속에 매우 밀접하거나 바로 인접한 수평 환형과 접촉하는 것을 허용하여, 비금속 표면 간의 최대 결합 영역을 초래한다. 금속 접촉에 인접한, 1-10 ㎛ 이하의 최소의 화학적인 비결합 영역은 본 발명에 의해 형성될 수 있다.
*변형 가능한 영역은 가능한 전기적인 상호 연결부의 수를 최대화하기 위하여 최소 폭을 갖도록 설계된다. 변형 가능한 영역의 폭은 비금속 표면 위의 금속 두께 및 금속 높이에 주로 의존한다. 이들 파라미터는 다음의 관계에 의해 대략적으로 결정된다.
응력 = (2/3)*(금속의 영 계수)(1/1 - 금속의 포이슨 비율)*(표면 위의 금속 높이/영역의 절반의 폭)2
및
압력 = 응력 * 4 * 금속 두께 * 표면 위의 금속 높이/(영역의 절반 폭)2
여기에서 압력은 결합 공정에 의해 생성된 것이다. 이들 관계에 대한 참조는 "박막 기술의 핸드북"(Maissel 과 Glang, 1983 Reissue, pp 12-24)에서 찾아볼 수 있다.
예컨대, 약 0.1㎛의 금속 두께, 표면 위에서 약 0.1㎛의 영역 위의 금속 두께, 약 1㎛의 영역 폭에 대해, 결합 도중에 생성된 압력은 금속을 영역 안으로 변형시키기에 충분하다(영역의 압축률이 무시될 수 있다고 간주한다). 이러한 0.1㎛의 금속 높이는 만약 금속이 변형 가능하지 않다면, 약 1mm의 금속 주위에 미결합 환형, 즉 고리 폭을 초래할 것임을 주목해야 한다. 제조 가능성은 이와 같이 비금속 표면 위로 금속 높이의 적은 제어를 필요로 함으로써 실질적으로 증가한다. 또한, 비결합 영역은 실질적으로 감소되어, 만들어질 수 있는 금속-금속 접촉 수의 상당한 증가를 허용하고, 화학 결합 에너지의 증가를 초래한다. 영역의 압축률이 무시될 수 있다면, 금속의 두께는 적절히 감소될 필요가 있거나/있고, 비금속 표면 위의 금속 높이는 적절히 감소될 필요가 있거나/있고, 영역의 폭은 적절히 증가될 필요가 있다. 증가될 필요가 있는 영역 폭의 백분율 양은 감소될 필요가 있는 비금속 표면 위의 금속 높이 또는 금속 두께의 백분율 양보다 적다는 것이 주지된다.
본 발명의 제 4실시예는 화학적으로 결합된 웨이퍼 간에 신뢰할만한 전기적인 상호 연결부를 형성하기 위하여 저온, 기둥-결합 리플로우 어닐링에 의존함으로써 제 1, 제 2, 제 3실시예에서 기술된 금속 접속의 주위에서의 기계적인 설계 제약을 추가로 완화시킨다. 이러한 실시예의 설명은 도 6a 내지 도 6c 및 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명된다.
도 6a는 평탄한 표면을 갖는 기판(60 및 61)을 도시한다. 오목부(62 및 63)는 기판(60 및 61)에 각각 형성되고, 금속 패드(64 및 65)는 오목부(62 및 63)에 각각 형성된다. 평탄한 표면은 이전에 기술된 바와 같이 화학 결합에 적합하다. 패드(64 및 65)를 구성하는 금속 또는 금속의 조합은 저온에서 리플로우될 수 있다. 이러한 금속의 예는 160℃의 용융 온도에서 리플로우하는 인듐을 들 수 있고, 220℃의 공융점에서 리플로우하는 이러한 금속의 조합은 96.5% 주석과 3.5% 은이다.
도 6a의 표면이 직접 화학 결합을 위해 준비되어 함께 위치한 이후, 평탄한 표면 사이에 화학 결합이 형성된다. 실시예 1 및 2와 비교하면, 접촉에 오목부가 형성되기 때문에 신뢰할만한 전기적인 상호 연결이 아직 만들어지지 않았다 할지라도, 금속 접촉 근처에 간극이 전혀 존재하지 않는다.
도 6b의 화학 결합이 형성된 후, 두 웨이퍼로부터 오목부를 부분적으로 금속으로 채움으로써 빈 공간(66)이 형성된다. 이러한 빈 공간은 웨이퍼 표면이 함께 모여, 제 1 및 제 2실시예에서와 같은 금속 접촉과 같은 화학 결합을 형성하는 것을 방해하지 않는다. 결합 에너지를 최대화하는 최대 결합 영역은 이와 같이 실현된다. 이러한 높은 결합 에너지의 화학 결합이 형성된 후, 저온의 리플로우 어닐링은 오목부 내의 금속을 리플로우시켜, 대향 웨이퍼 모두로부터의 금속의 습식을 초래하고, 높은 신뢰도를 갖는 상호 연결된 금속 구조를 초래한다. 부분(67)이 리플로우에 의해 형성되어, 패드(64 및 65)를 연결한다. 예컨대 마치 어닐링 도중에 물이 회전하는 것처럼 높은 종횡비를 갖는 오목부에 대해 모세관 작용과 중력의 조합이 이러한 리플로우를 돕는다.
제 4실시예와 유사한 제 5실시예에 있어서, 도 6a의 표면 중 하나는, 한 웨이퍼 위에서 평탄한 표면 위의 금속 고원부의 높이가 도 7a에 도시된 바와 같이 다른 웨이퍼 위의 평탄한 표면 아래의 금속 오목부의 깊이보다 적게 되도록, 금속 오목부를 금속 고원부로 대체하였다. 기판(70 및 71)은 각 금속 패드(72 및 73)를 구비한다. 패드(72)는 오목부(74) 내에 형성된다. 이 경우에 있어서, 금속 표면은 일반적으로 화학 결합을 형성하는 평탄한 표면이 도 7b에 도시된 바와 같이 접촉하도록 위치한 후에는 접촉하지 않는다. 기판(70 및 71)의 표면은 직접 화학 결합을 위해 준비되고, 이전의 예에서와 같이 표면은 함께 놓이고, 화학 결합은 평탄한 표면 사이에 형성된다(도 7b). 리플로우 이후, 두 개의 다른 웨이퍼 상의 금속은 함께 습식으로 되어, 도 6c와 유사한 방식으로 부분(75)을 형성하여, 도 7c를 초래한다.
따라서, 본 발명은 다양한 장점 및 이전의 저온 웨이퍼 결합 기술과의 차이점을 제공한다. 본 발명의 금속-금속 직접 결합은 자발적이어서, 상온에서 외부의 힘을 전혀 필요로 하지 않는다. 금속-금속 결합을 위해 필요한 금속 기둥 위에 가해지는 압력은 외부의 힘이 아니라 결합 과정 자체에 의해 생성된다. 본 발명의 금속-금속 직접 결합은 대기 상태 하에서 수행되고, 다음 사항이 실현된다: 웨이퍼 레벨 또는 다이 크기의 결합, 상온에서 형성된 강한 금속 Au-Au, Cu-Cu 또는 금속-금속 결합, 및 Au 및 Cu가 아닌 금속의 강한 금속 결합이, 금속을 ~50Å의 Au 층으로 덮음으로써 상온에서 형성될 수 있다. 따라서, 금속/금속, 산화물/산화물 및 금속/산화물의 동시 결합이 달성될 수 있다. 본 발명의 금속-금속 직접 결합은 표준 VLSI 공정에 적합하고, 따라서 제조 가능한 기술이다. 본 발명의 금속-금속 직접 결합은 이산화 실리콘, 실리콘 또는 실리콘 질화물로 덮인 물질의 결합에 적합하다.
본 발명의 금속-금속 직접 결합을 용이하게 하는 것은 금속 결합 패드에 근접한 비금속 영역의 직접 결합이다. 이전에 논의한 바와 같이, 대향 금속 결합 패드 상에 최종 힘을 생성하는 것은 이들 영역에서 직접 결합이다. 본 발명에 따라 비금속 영역의 직접 결합은 공기 중에서 이산화 실리콘 또는 다른 절연체로 덮인 웨이퍼를 공유 결합시킨다. 다른 물질, 예컨대 결합 이전에 암모니아 용액에 담길 수 있는 플루오르화 산화물 표면 층이 사용될 수 있다. 보다 일반적으로, OH, NH 또는 FH 기로 종단될 수 있는 개방 구조 표면을 갖는 임의의 물질, 및 다공성의 낮은 K의 물질이 상온에서 접촉할 때 공유 결합을 형성할 수 있다.
본 발명에 따라, 증착, 열적으로 또는 화학적으로 산화, 및 스핀-온 글라스와 같은 임의의 방법에 의해 형성된 이산화 실리콘은 순수하게 또는 도핑된 상태로 사용될 수 있다.
본 발명의 응용은 3-D SOC를 위한 처리된 집적 회로의 수직 집적, 마이크로-패드 패키징, 플립 칩 결합의 낮은 경비 및 높은 성능의 대체, 웨이퍼 규모의 패키징, 열적 관리 및 금속 베이스 디바이스와 같은 고유한 디바이스 구조를 포함하지만 이에 국한되지는 않는다.
본 발명의 다양한 변형 및 변경은 상술한 교시의 견지에서 가능하다. 그러므로 첨부된 청구범위의 범주 내에서 본 발명은 본 명세서에서 특별하게 기술된 것과는 다르게 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 웨이퍼 결합방법으로서,
    제 1복수의 금속 패드를 제 1기판 상에 형성하는 단계로서, 상기 제 1기판은 상기 제 1복수의 금속 패드에 인접한 각각의 복수의 제 1비금속 결합(bonding) 영역을 구비하고, 상기 제 1복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 1비금속 결합(bonding) 영역의 각 표면 아래에 형성되는, 제 1복수의 금속 패드를 형성하는 단계와,
    제 2복수의 금속 패드를 제 2기판 상에 형성하는 단계로서, 상기 제 2기판은 상기 제 2복수의 금속 패드에 인접한 각각의 복수의 제 2비금속 결합(bonding) 영역을 구비하는, 제 2복수의 금속 패드를 형성하는 단계와,
    상기 제 1비금속 결합(bonding) 영역을 상기 각각의 제 2비금속 결합(bonding) 영역에 직접 접촉(contacting)시키는 단계와,
    상기 제 1비금속 결합(bonding) 영역을 각각의 상기 제 2비금속 결합(bonding) 영역 중 하나에 화학 결합하는 단계와,
    상기 제 1 및 제 2복수의 금속 패드를 가열하여 제 1복수의 금속 패드를 상기 제 2복수의 금속 패드의 각각 중 하나에 연결(connect)함으로써 연결된(connected) 패드 쌍을 형성하는 단계를
    포함하는 웨이퍼 결합방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 연결된(connected) 쌍을 형성하는 상기 제 1 및 제 2복수의 금속 패드의 각각의 쌍 중 적어도 하나를 리플로시키는(reflowing) 단계를 포함하는 웨이퍼 결합방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 2비금속 결합(bonding) 영역의 각 표면 아래에 형성되는 웨이퍼 결합방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 연결된(connected) 쌍을 형성하는 상기 제 1 및 제 2복수의 금속 패드의 각각의 쌍 중 적어도 하나를 리플로우시키는 단계를 포함하는 웨이퍼 결합방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 2복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 2비금속 결합(bonding) 영역의 각 표면 위에 형성되는 웨이퍼 결합방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 연결된(connected) 쌍을 형성하는 상기 제 1 및 제 2복수의 금속 패드의 각각의 쌍 중 적어도 하나를 리플로우시키는 단계를 포함하는 웨이퍼 결합방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제 2복수의 금속 패드의 상기 상부 표면은 상기 제 2비금속 결합(bonding) 표면의 상기 각 표면 위로 제 1 거리만큼 확장되고,
    상기 제 1복수의 금속 패드의 상기 상부 표면은 상기 제 1비금속 결합(bonding) 영역의 각 표면 아래로 제 2 거리만큼 확장(extending)되고,
    상기 제 1거리는 상기 제 2거리보다 작은 웨이퍼 결합방법.
  8. 결합구조(bonded structure)로서,
    제 1기판 위에 배치된 제 1복수의 금속 패드와,
    상기 제 1복수의 금속 패드에 인접한 상기 제 1기판의 제 1표면 내에 위치한 제 1비금속 영역으로서, 상기 제 1복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 1표면 아래에 있는, 제 1비금속 영역과,
    제 2기판 위에 배치된 제 2복수의 금속 패드와,
    상기 제 2복수의 금속 패드에 인접한 제 2표면 내에 위치한 제 2비금속 영역과,
    상기 제 2복수의 금속 패드 중 각각의 하나를 직접 접촉(contacting)시키는 상기 제 1복수의 금속 패드의 일부를 포함하고,
    상기 제 1비금속 영역은 화학 결합에 의하여 상기 제 1복수의 금속패드와 상기 제 2복수의 금속패드가 직접 접촉한 후에 외부 압력없이 상기 제 2의 비금속 영역에 접촉(contact)하여 직접 결합되는,
    결합구조(bonded structure).
  9. 제 8항에 있어서, 상기 일부는 리플로우 부분을 포함하는 결합구조.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 제 2복수의 금속 패드는 상기 제 2기판의 표면 위로 확장(extending)하는 상부 표면을 구비하는 결합구조.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1복수의 금속 패드의 상기 상부 표면은 상기 제 1표면의 제 1거리 아래에 있고,
    상기 제 2복수의 금속 패드의 상기 상부 표면은 상기 제 2기판의 표면 위로 제 2거리만큼 확장(extending)하고,
    상기 제 1거리는 상기 제 2거리보다 큰 결합구조.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 제 2복수의 금속 패드는 상기 제 2기판의 표면 아래로 확장(extending)하는 상부 표면을 구비하는 결합구조.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 제 1기판은 상기 제 1복수의 금속 패드가 배치된 오목한 부분을 구비하는 결합구조.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 제 2기판은 상기 제 2복수의 금속 패드가 배치되는 오목한 부분을 구비하고, 상기 제 2복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 2기판의 표면 아래에 있는 결합구조.
  15. 제 8항에 있어서, 상기 제 2기판은 상기 제 2복수의 금속 패드가 배치되는 오목한 부분을 구비하고, 상기 제 2복수의 금속 패드의 상부 표면은 상기 제 2기판의 표면 아래에 있는 결합구조.
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