專利名稱：用包含氮和氫的等離子體在接合銅-氧化物混合的表面之前的處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將第一表面接合到第二表面的方法，所述第一表面提供有由氧化硅區(qū)域圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域。
背景技術(shù)：
分子鍵合或者直接接合是將兩個(gè)表面設(shè)置為直接接觸，而不采用諸如膠水、蠟、低熔化溫度的金屬等的特定材料。要設(shè)置成接觸的表面可為親水的或疏水的。疏水表面例如可為硅晶片(或基板)的沒(méi)有氧化硅的暴露表面，而親水表面例如可為硅晶片的包括薄氧化硅層的暴露表面。分子鍵合方法還要求要鍵合的表面足夠光滑、沒(méi)有粒子或污染物，以使它們具有適配的表面化學(xué)性質(zhì)，并且足以接近以發(fā)生接觸。在此情況下，兩個(gè)表面之間的吸引力足夠強(qiáng)以導(dǎo)致分子鍵合。通常在表面的化學(xué)清洗后在室溫和室壓下進(jìn)行接合。然而，隨后的熱處理例如一般在1000°C的量級(jí)上執(zhí)行以加強(qiáng)接合能量?，F(xiàn)在，在非常大量的應(yīng)用中，不允許在這個(gè)溫度下進(jìn)行熱處理。已經(jīng)提出在將要接合的表面設(shè)置為接觸后不需要在這樣的高溫下進(jìn)行熱處理的接合方法。這些方法通常包括在設(shè)置為接觸之前的表面活化步驟，這能將熱接合固結(jié)(consolidation)處理限制在200和40CTC之間。該接合方法可特別用于形成三維基板互連，以最小化電子部件。在此情況下，要接合的表面通常包括旨在彼此設(shè)置為接觸的銅區(qū)域以提供電接觸。這樣的銅區(qū)域還通常由氧化硅區(qū)域圍繞，以保證同一基板的數(shù)個(gè)區(qū)域之間的電絕緣和表面之間的接合。這樣的表面更具體地稱為Cu-氧化物的異質(zhì)(或混合的)表面。在設(shè)置接觸的位置，可能有微小的位移不可避免地發(fā)生在要接合的表面的各銅區(qū)域之間。于是對(duì)于該位移，在接合時(shí)涉及三種類型的界面:-一個(gè)銅表面和另一個(gè)氧化硅表面之間的界面(Cu-SiO2界面)-一個(gè)銅表面和另一個(gè)銅表面之間的界面(Cu-Cu界面)-以及一個(gè)氧化硅表面和另一個(gè)氧化硅表面之間的界面(SiO2-SiO2界面)。為了獲得良好的接合和良好的電性能，必須為每個(gè)類型的界面執(zhí)行具體的處理:-需要在Cu/Si02W面的位置形成阻擋物，以阻擋銅從第二表面的銅區(qū)域擴(kuò)散到第一表面的氧化娃區(qū)域，-在SiO2-SiO2界面的位置，為了良好的接合必須活化氧化硅，-在Cu-Cu界面，需要去除要接合的每個(gè)表面的銅區(qū)域的位置自然形成的氧化銅，以改善部件的電性能。目前，對(duì)應(yīng)于這些不同界面的問(wèn)題仍是彼此獨(dú)立地解決。此外，考慮到Cu-氧化物混合表面的異質(zhì)性，當(dāng)這樣的混合表面直接接合至另一表面時(shí)，例如與連續(xù)的氧化硅或金屬或半導(dǎo)體材料層的暴露表面直接接合時(shí)，也因遇到的界面類型不同而會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供易于實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)可行的獨(dú)特的解決方案，以在設(shè)置有由氧化硅區(qū)域圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域的第一表面和第二表面之間實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量接合。根據(jù)本發(fā)明，該目標(biāo)通過(guò)將設(shè)置有由氧化硅區(qū)域圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域的第一表面接合到第二表面的方法實(shí)現(xiàn)，其特征在于，在第一和第二表面設(shè)置為接觸前，第一表面經(jīng)歷等離子體處理操作，所述等離子體由包含氧化硅氮化劑和包含氫的氧化銅還原劑的氣源形成。根據(jù)本發(fā)明的第一進(jìn)展，氮化劑是二氮，并且還原劑選自氨水和二氫。根據(jù)本發(fā)明的第二進(jìn)展，氮化劑是氧化亞氮，并且還原劑是二氫。根據(jù)本發(fā)明的第三進(jìn)展，還原劑是氨，氮化劑同樣由氨形成。根據(jù)一具體實(shí)施例，第二表面設(shè)置有由氧化硅區(qū)域圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域，在設(shè)置為接觸前，第二表面也經(jīng)歷等離子體處理操作，所述等離子體由包含氧化硅滲透劑和基于氫的氧化銅還原劑的氣源形成。


通過(guò)下面對(duì)本發(fā)明特定實(shí)施例的描述，其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更明顯，本發(fā)明的特定實(shí)施例僅出于非限定性示例的目的給出，并且表示在附圖中，其中:圖1至4以截面圖的方式示意性地示出了直接接合兩個(gè)異質(zhì)表面的特定實(shí)施例的不同步驟。
具體實(shí)施例方式圖1至4示出了一具體實(shí)施例用于接合分別屬于基板2和2’的兩個(gè)異質(zhì)的Cu-氧化物表面I和I’。每個(gè)基板2 (或2’)優(yōu)選是由諸如硅晶片的半導(dǎo)體材料制造的基板。如圖1所示，它包括優(yōu)選為平面的表面I或I’，且該表面I或I’具有至少一個(gè)銅區(qū)域3或3’，由基板中形成的硅區(qū)域4或4’圍繞?；?和2’的銅區(qū)域3和3’更具體地在設(shè)置成接觸的位置有意設(shè)成面對(duì)面，從而獲得電接觸。兩個(gè)基板優(yōu)選均具有至少一個(gè)低粗糙度的平整表面。平整表面I和I’有意設(shè)置成面對(duì)面，然后接合。然而，也可具有兩個(gè)互補(bǔ)形狀的表面I和1’，即能配合在一起而沒(méi)有變形或者僅在設(shè)置成接觸的位置具有略微的變形。特別是，在圖1至4所示的實(shí)施例中，銅區(qū)域3和3’具有基本上相同的形狀(矩形截面)和相同的尺寸，并且當(dāng)表面I和I’設(shè)置成接觸時(shí)，將它們有意設(shè)置成面對(duì)面。因此，如圖4所示，銅區(qū)域3的主要部分與銅區(qū)域3’的主要部分接觸。然而，當(dāng)兩個(gè)表面設(shè)置成接觸時(shí)，不可能獲得銅區(qū)域3和3’的完美對(duì)齊:微小位移5必然形成。它通常由用于形成區(qū)域3和3’的蝕刻圖案引起，而該蝕刻圖案不會(huì)獲得完美一致和/或完美定位的銅區(qū)域3和3’。在設(shè)置成接觸的位置上，除了 Cu-Cu界面和氧化物-氧化物界面外，位移5還形成Cu-氧化物類型的界面，這些界面能分別形成電接觸并能實(shí)現(xiàn)基板2和2’之間的接合。此外，如圖1所示，在表面I和I’設(shè)置成接觸前，每個(gè)銅區(qū)域固有地包括氧化銅(CuO)表層薄膜6，其可負(fù)面影響到希望要獲得的在兩個(gè)表面接合后的部件的電性能。在表面I和I’設(shè)置成接觸前，優(yōu)選在相同的處理操作期間，對(duì)每個(gè)表面I和I’(圖1中的箭頭F)執(zhí)行等離子體處理操作，這樣不僅能獲得良好的表面間接合，而且能獲得良好的電性能。由包含氧化硅氮化劑和包含氫的氧化銅還原劑的氣源形成的等離子體可實(shí)現(xiàn)上述等離子體處理操作。能形成等離子體的氣源可特別包括:- 二氮N2作為氮化劑以及氨NH3和/或二氫H2作為氧化銅還原劑，或者-氧化亞氮N2O作為氮化劑以及二氫H2作為氧化銅還原劑，或者-同時(shí)作為氮化劑和氧化銅還原劑的氨。在具體的實(shí)施例中，氣源由形成氮化劑和基于氫的還原劑的氣體或氣體混合物形成。然而，在其它實(shí)施例中，也可包括中性氣體或幾種中性氣體，例如，氦和/或氬，作為稀釋氣體。因此，由該氣源獲得的等離子體需要包括氮和氫。如圖2所示，等離子體中存在的氮尤其能在氧化硅區(qū)域的位置形成由氮氧化硅(SixOyNz或者氮化的氧化硅)制成的表面薄膜7。然后，表面薄膜7形成防止銅沿圖4的豎直以及水平方向上在氧化硅區(qū)域中擴(kuò)散的阻擋物，同時(shí)留下能接合的表面I和I’。此外，等離子體中存在的氮不會(huì)改變銅區(qū)域3和3’的電性能。等離子體中存在的氫還能去除銅區(qū)域3或3’中存在的氧化銅表面薄膜6或6’，因此，一旦已經(jīng)進(jìn)行接合，就可改善組件的電性能。此外，等離子體中存在的氫對(duì)于氧化硅是非活性的。圖3和4示出了能獲得銅區(qū)域3和3’之間電接觸的表面I和I’接觸設(shè)置。因此，該接觸設(shè)置提供表面I和I’之間的異質(zhì)界面(圖4中的虛線所示)。該異質(zhì)界面由至少三個(gè)不同部分形成:-由氧化物-氧化物界面形成的部分，通過(guò)將氮化的氧化硅表面薄膜7和7’設(shè)置成接觸獲得，-由銅-銅界面形成的部分，通過(guò)將銅區(qū)域3和3’設(shè)置成接觸獲得，-以及由銅-氧化物界面形成的部分，通過(guò)將表面I或I’的銅區(qū)域3或3’與表面I或I’的氮化的氧化硅表面薄膜7或7’設(shè)置成接觸獲得。如果表面I和I’經(jīng)歷在先的通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)實(shí)現(xiàn)的表面活化操作，由等離子體進(jìn)行的表面處理不會(huì)負(fù)面影響該表面活化操作。如果該表面不先由化學(xué)機(jī)械拋光活化，則等離子體中存在的氮能活化氧化硅表面。粗糙度小的兩個(gè)互補(bǔ)表面的接合，例如，兩個(gè)平整表面的接合，能實(shí)現(xiàn)有效的直接接合。利用互補(bǔ)表面能限制與從表面I’突出的區(qū)域相互補(bǔ)的表面I的氧化硅表面的表面薄膜7的惡化，這能增加直接接合的有效接觸表面積。設(shè)置成接觸優(yōu)選避免了在將一個(gè)基板的凸起圖案推進(jìn)另一個(gè)基板時(shí)的變形，以限制設(shè)置成接觸時(shí)所需的壓力且能執(zhí)行直接接
口 ο
在表面I和I’設(shè)置成接觸后，還可執(zhí)行隨后的退火步驟，以在銅-銅界面獲得再結(jié)晶并穩(wěn)定銅。這樣的步驟優(yōu)選在環(huán)境溫度和450°C之間的溫度范圍執(zhí)行。作為示例，等離子體處理操作可在用于執(zhí)行等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的具有帶等離子體放電的平行板的單晶片反應(yīng)器(200_晶片)中執(zhí)行。執(zhí)行等離子體處理操作的條件優(yōu)選如下:-反應(yīng)器中的溫度在150°C和450°C之間，-反應(yīng)器中的壓力在133.3Pa (ITorr)和 2000Pa (I5Torrs)之間，-能產(chǎn)生等離子體的RF功率在50W和1000W之間，-操作的持續(xù)時(shí)間在10秒和300秒之間，-具有可變流速的氣源，并且對(duì)于氣體ΝΗ3、Η2、Ν2、Ν20和He從O變化到5000sccm，以獲得包含N和H的等離子體。等離子體表面處理操作也可在反應(yīng)離子蝕刻(RIE)室中進(jìn)行。在此情況下，除了溫度和壓力外的條件與上面所述相同，溫度通常的范圍為在環(huán)境溫度和150°C之間，壓力通常小于 133.3Pa (ITorr)0同樣，也可在大氣等離子體反應(yīng)器中形成。在此情況下，在大氣壓力下執(zhí)行表面等離子體處理操作，其溫度范圍可為在環(huán)境溫度和450°C之間；功率、持續(xù)時(shí)間和氣體流速類似于上面所述。最后，本發(fā)明不限于將兩個(gè)Cu-氧化物混合的表面接合在一起的方法。實(shí)際上，此上描述的等離子體表面處理 操作也可應(yīng)用于在將Cu-氧化物混合的表面與另一個(gè)表面直接接合的情況中的單個(gè)Cu-氧化物混合的表面中，其中所述另一個(gè)表面例如為由氧化物(例如，氧化硅)、金屬(例如，銅)或者半導(dǎo)體材料(例如，硅)制造的連續(xù)層的自由表面。所述接合發(fā)生在銅區(qū)域中和氧化硅區(qū)域中。在此情況下，在將兩個(gè)表面設(shè)置成接觸時(shí)，Cu-氧化物混合的表面經(jīng)歷上面描述的表面等離子體處理操作，而另一表面可經(jīng)歷直接接合領(lǐng)域中常規(guī)的準(zhǔn)備操作(平整化，活化…)。
權(quán)利要求
1.一種用于將設(shè)置有由氧化硅區(qū)域(4)圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域(3)的第一表面(I)接合到第二表面(I’)的方法， 其特征在于，該方法包括如下步驟: 提供該第一和第二表面(1、I’)，該第一和第二表面(1、I’)在它們?cè)O(shè)置成接觸前具有互補(bǔ)的形狀， 使該第一表面(I)經(jīng)歷等離子體處理操作，所述等離子體由包含氧化硅氮化劑和包含氫的氧化銅還原劑的氣源形成， 將該第一和第二表面設(shè)置成接觸以在該銅區(qū)域和該第二表面之間的界面、以及該氧化硅區(qū)域和該第二表面之間的界面實(shí)現(xiàn)該第一表面到該第二表面的直接接合。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，氮化劑是二氮，并且該還原劑選自氨、二氫及其混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該氮化劑是氧化亞氮，并且該還原劑是二氫。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該還原劑是氨，該氮化劑也由氨形成。
5.如權(quán)利要求1至4任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該氣源包括至少一個(gè)中性氣體。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該中性氣體選自氦和氬。
7.如權(quán)利要求1至6任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在第一表面(I)的該等離子體處理操作之前是化學(xué)機(jī)械拋光操作。
8.如權(quán)利要求1至7任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在該第一和第二表面(1、I’)設(shè)置成接觸之后是銅再結(jié)晶退火的操作。
9.如權(quán)利要求1至8任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該第二表面(Γ)設(shè)置有由氧化硅區(qū)域(4’)圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)域(3’)，且其也在設(shè)置為接觸前經(jīng)歷等離子體處理操作，所述等離子體由包含氧化硅氮化劑和包含氫的氧化銅還原劑的氣源形成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，將該第一和第二表面(1、I’)設(shè)置成接觸以形成異質(zhì)界面，該異質(zhì)界面包括銅-銅部分、氮化的氧化硅-氮化的氧化硅部分和銅-氮化的氧化硅界面。
11.如權(quán)利要求1至10任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，該第一和第二表面(1、I’)是平面。
全文摘要
一種在設(shè)置有由氧化硅區(qū)(4)圍繞的至少一個(gè)銅區(qū)(3)的第一表面(1)和第二表面(1’)之間接合的方法，包括在第一表面(1)與第二表面(V)形成接觸前用等離子體處理第一表面(1)的操作。等離子體由氣源產(chǎn)生，所述氣源包含用于氧化硅的氮化劑和基于氫的用于氧化銅的還原劑。氣源可包括N2/NH3和/或N2/H2氣體混合物，亦或N2O/H2氣體混合物，還或者是氨氣，該氨氣然后用作氮化劑和還原劑二者。于是，從該氣源獲得的等離子體必然包含氮和氫，由此能在單一操作中提供第一和第二表面(1、1’)之間的強(qiáng)接合。
文檔編號(hào)H01L21/98GK103189960SQ201180051602
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者L.范德羅克斯, L.迪西奧西奧, P.格古恩 申請(qǐng)人:原子能和代替能源委員會(huì)