晶片到晶片的熔接結(jié)合卡盤的制作方法
【專利摘要】本申請涉及晶片到晶片的熔接結(jié)合卡盤。晶片結(jié)合卡盤的卡盤面，包括扁平的中央?yún)^(qū)和與中央?yún)^(qū)鄰接的外部環(huán)形區(qū)，所述外部環(huán)形區(qū)比扁平的中央?yún)^(qū)低，使得安裝到所述卡盤面的晶片的環(huán)形邊緣部分相對于所述結(jié)合卡盤的卡盤面具有凸起的輪廓。所述外部環(huán)形區(qū)可以沿著與所述中央?yún)^(qū)垂直的軸移動?？ūP面可以包括多個鄰接的區(qū)，這些區(qū)中至少一個相對于這些區(qū)中另一個可移動。
【專利說明】晶片到晶片的熔接結(jié)合卡盤

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及工件卡盤領(lǐng)域，并且更具體地說，涉及具有可移動卡盤面區(qū)的晶片結(jié)合卡盤。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請涉及于2013年3月14日提交的、標(biāo)題為“Wafer-to-Wafer Oxide Fus1nBonding (晶片到晶片的氧化物熔接結(jié)合)”的美國專利申請序列號13/826,229。

【背景技術(shù)】
[0004]半導(dǎo)體器件一般是在直徑從I至18英寸變化的晶片襯底上按陣列生產(chǎn)的。然后，器件被分離成個別的器件或管芯，這些器件或管芯被打包，以便在更大電路的背景下允許器件的實際宏觀層面的連接。隨著對芯片密度和更小打包形式因子的需求增加，在電路的三維集成中已經(jīng)取得了進展。在這種技術(shù)中，器件被堆疊，并且在垂直或z方向結(jié)合。一般來說，堆疊的器件通過器件上的電觸點焊盤電耦合。
[0005]用于垂直地集成器件的一種流行工藝是晶片到晶片的集成方案，其中一個晶片上的器件與另一個晶片上的器件對準(zhǔn)，并且晶片利用氧化物-氧化物熔接結(jié)合而被結(jié)合到一起。然后，其中一個晶片被薄化，以暴露連接到另一個晶片的硅通孔，或者在薄化之后構(gòu)造連接到另一個晶片的硅通孔。對于氧化物-氧化物熔接結(jié)合來說，其中一個挑戰(zhàn)是在晶片堆薄化工藝中在晶片邊緣區(qū)由于結(jié)合空穴和缺陷所造成的剝落、開裂和脫層。這一般是通過在結(jié)合之后或者在初步薄化之后執(zhí)行切邊步驟以除去有缺陷的邊緣區(qū)來處理的，這導(dǎo)致減小晶片上的可用空間并減小產(chǎn)出。如果最終器件包括多層，則每次晶片到晶片結(jié)合和/或薄化之后的額外切邊會進一步減小產(chǎn)出。
[0006]期望有一種減少或消除邊緣區(qū)中由于結(jié)合空穴和缺陷所造成的缺陷的結(jié)合工藝，由此增加制造產(chǎn)出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的實施例公開了一種晶片結(jié)合卡盤的卡盤面，包括扁平的中央?yún)^(qū)和與該中央?yún)^(qū)鄰接的外部環(huán)形區(qū)，外部環(huán)形區(qū)比扁平的中央?yún)^(qū)低，使得安裝到該卡盤面的晶片的環(huán)形邊緣部分相對于結(jié)合卡盤的卡盤面具有凸起的輪廓。在另一種實施例中，外部環(huán)形區(qū)沿著與中央?yún)^(qū)垂直的軸移動。在另一種實施例中，卡盤面包括多個鄰接的區(qū)，這些區(qū)中的至少一個相對于這些區(qū)中的另一個可移動。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、說明氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝的步驟的流程圖。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、說明圖1氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝的熱壓結(jié)合步驟的工藝配方圖。
[0010]圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出裝載到初始結(jié)合卡盤的一對晶片的橫截面視圖。
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出處于初始范德華力結(jié)合狀態(tài)的圖3晶片對的橫截面視圖。
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出從初始結(jié)合卡盤釋放并且處于初始范德華力結(jié)合狀態(tài)的圖4晶片對的橫截面視圖。
[0013]圖6是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出裝載到扁平結(jié)合卡盤準(zhǔn)備進行熱壓結(jié)合工藝的圖5晶片對的橫截面視圖。
[0014]圖7是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出在熱壓結(jié)合工藝之后圖6晶片對的橫截面視圖。
[0015]圖8、9和10是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出可以代替圖3邊緣傾斜的結(jié)合卡盤的可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤的橫截面視圖。
[0016]圖11是根據(jù)本發(fā)明一種實施例的圖8可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤的平面圖。
[0017]圖12是根據(jù)本發(fā)明一種實施例的圖8可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤的透視圖。
[0018]圖13和14是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出可以代替圖3邊緣傾斜的結(jié)合卡盤以及圖8可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤的可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤的橫截面視圖。

【具體實施方式】
[0019]這里詳細描述的本發(fā)明的實施例針對通過增強晶片邊緣的邊緣區(qū)結(jié)合而改進氧化物-氧化物熔接結(jié)合，以減少或消除邊緣剝落和開裂的工藝。在所公開的實施例中，低溫?zé)釅翰襟E在對準(zhǔn)與初始結(jié)合步驟之后并且在永久性結(jié)合退火步驟之前執(zhí)行。如進一步公開的，熱壓步驟可以借助結(jié)合卡盤來執(zhí)行，除了其它可能的優(yōu)點，結(jié)合卡盤操作成通過增強邊緣區(qū)結(jié)合而改進氧化物-氧化物熔接結(jié)合，以減少或消除邊緣剝落和開裂。
[0020]應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，雖然這里描述了具體的晶片襯底結(jié)合工藝流程，但是這種描述僅僅是示例性的，并且所公開的原理也適用于各種類型的導(dǎo)電材料、介電和粘合性界面材料，以及多種類型的半導(dǎo)體晶片與襯底。這種結(jié)合可以包括諸如面對面和面對背結(jié)合的布置，并且這樣結(jié)合的結(jié)構(gòu)也還可以包括微機電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)。
[0021]為了以下描述，諸如“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“頂部”、“底部”等位置術(shù)語涉及所公開的結(jié)構(gòu)與方法，如在附圖中所定向的，并且不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是對實施例的限制。
[0022]典型氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝的一個已知缺點是，在已結(jié)合的晶片對的現(xiàn)有徑向尺寸上，在邊緣區(qū)中的缺陷。掃描聲學(xué)顯微技術(shù)，例如超聲波C-模掃描聲學(xué)顯微技術(shù)，已經(jīng)顯示邊緣缺陷可以至少部分地以晶片-晶片結(jié)合界面的微空穴的聚集為特征。這些微空穴是晶片之間還沒有發(fā)生結(jié)合的區(qū)域，這些微空穴可以具有大約0.5微米至大約100微米或更大的直徑。在機械薄化的過程中，未結(jié)合的區(qū)域很容易斷裂和撕裂。處理這些邊緣缺陷的典型方法是把它們作為結(jié)合工藝的一個副產(chǎn)品來接受，并且通過執(zhí)行例如大約0.5mm至大約1mm的切邊來減小它們超過其附近的影響。在制造涉及多次結(jié)合的垂直集成器件期間，所需切邊的累積效應(yīng)會導(dǎo)致否則本來可用的晶片區(qū)域的顯著損失。
[0023]微空穴邊緣缺陷會由于在初始范德華結(jié)合工藝過程中、在初始結(jié)合與永久性結(jié)合退火工藝之間的期間、以及在永久性結(jié)合退火工藝過程中在結(jié)合界面出現(xiàn)的人工產(chǎn)物而產(chǎn)生，然后會在永久性結(jié)合退火工藝過程中被密封在原位。微空穴缺陷的一種可能成因可能涉及在初始室溫晶片-晶片結(jié)合中所涉及的相對弱的范德華力，尤其是在晶片邊緣。不同于由于分子與原子之間化學(xué)或原子結(jié)合造成的那些力，范德華力通常定義為分子與原子之間的吸引力與排斥力之和。范德華力是相對弱的力，并且在呈現(xiàn)偶極矩的分子之間，范德華力一般導(dǎo)致弱吸引力。在芯片制造領(lǐng)域，一對適當(dāng)制備好的晶片面將在室溫下晶片面放得彼此足夠靠近時呈現(xiàn)范德華力吸引。在本發(fā)明的實施例中，初始結(jié)合工藝的結(jié)合是晶片面之間的范德華力結(jié)合。
[0024]初始范德華力結(jié)合一般足以允許晶片對準(zhǔn)測試并且傳送到下游工序。但是，范德華力仍然相當(dāng)弱，并且必須觀察特殊的處理需求。例如，小的開啟力，諸如由鋒利的刀片強加到結(jié)合界面的力，通?？赡茏阋栽斐删木植棵搶?。由于弱的范德華暫時結(jié)合力，有可能在晶片運輸、晶片存儲和退火工藝過程中造成最初已結(jié)合的晶片邊緣之間的空隙，這種空隙足以讓空氣分子和濕氣擴散到該空隙中。位于晶片邊緣的空隙還會被固有的晶片彎曲和翹曲，以及被由于例如在典型初始結(jié)合工藝過程中因中央固定和邊緣釋放所導(dǎo)致的殘留彎曲力惡化。
[0025]此外，在永久性結(jié)合熱退火步驟過程中，硅烷醇基團的縮合生成水。在這個步驟過程中，氧化物結(jié)合材料的脫氣也會發(fā)生。照此，氣壓會在晶片空隙中堆積，壓力梯度從晶片的中央指向晶片的邊緣。因為邊緣區(qū)可能是弱結(jié)合區(qū)，所以這種脫氣會導(dǎo)致邊緣區(qū)中氣泡聚集。隨著永久性結(jié)合熱退火步驟的進行，這些氣泡以及擴散的空氣和濕氣分子會變得存留在邊緣區(qū)中。
[0026]為什么微空穴邊緣缺陷在典型氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝過程中發(fā)生的其它可能原因包括:晶片表面清洗工藝中在邊緣除去殘留物時的潛在不足，或/和會導(dǎo)致晶片邊緣比晶片中央效率更低效等離子體處理的等離子體活化室設(shè)計的不足。而且，結(jié)合卡盤設(shè)計會有助于在氣泡與擴散的空氣和濕氣分子完全從晶片之間脫氣之前俘獲它們。
[0027]關(guān)于范德華力初始結(jié)合，晶片表面之間吸引力的強度至少隨著表面之間距離的平方的逆減小。因此，并且尤其是靠近晶片表面軸向邊緣，大約Inm的局部晶片分離可能足以顯著地減小被分離的表面之間的范德華力，并且可能破壞或抑制初始結(jié)合工藝的范德華力結(jié)合波，如以下更具體描述的。關(guān)于已活化和清洗的硅晶片表面，也在以下更具體地討論，范德華力主要由S1H偶極-偶極交互產(chǎn)生。初始范德華力結(jié)合狀態(tài)下的晶片表面可以通過大約3-4 λ分離。因為空氣中0、N、CH4和水蒸汽的范德華半徑分別是大約1.5、1.5、1.2
和2.8蓋，所以這些物質(zhì)有可能擴散到晶片-晶片空隙中，如以上所提到的。
[0028]圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、說明氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝的步驟的流程圖。在結(jié)合準(zhǔn)備過程中，要被結(jié)合的晶片表面利用氧化硅層沉積，然后利用例如化學(xué)-機械拋光技術(shù)平坦化(步驟100)。在某些實施例中，要結(jié)合的晶片表面不限于具有外在沉積的氧化硅層的那些表面，而是還可以包括具有內(nèi)在氧化硅表面的表面，諸如玻璃襯底。然后，晶片表面經(jīng)受活化處理，例如在部分真空的條件下在氮中的等離子體活化，然后利用例如水超聲波清洗技術(shù)清洗(步驟102)。
[0029]在活化和清洗之后，晶片裝載到初始結(jié)合卡盤并且對準(zhǔn)(步驟104)。圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出裝載到初始結(jié)合卡盤304和306的一對清洗且活化之后的晶片300和302的橫截面視圖。如所說明的，頂部晶片300可以在頂部卡盤304上裝載并對準(zhǔn)，并且可以通過施加到真空通道(諸如真空通道308)的真空保持在頂部卡盤304的卡盤面上的對準(zhǔn)位置。在優(yōu)選實施例中，頂部卡盤304可以是典型的扁平結(jié)合卡盤。類似地，底部晶片302可以在底部卡盤306的卡盤面上裝載并對準(zhǔn)，并且可以通過施加到真空通道(諸如真空通道310)的真空保持在底部卡盤306的卡盤面上的對準(zhǔn)位置。在優(yōu)選實施例中，底部卡盤306不是典型的扁平結(jié)合卡盤。相反，底部卡盤306的卡盤面可以主要是平的，但在環(huán)形邊緣區(qū)區(qū)域312中具有從頂部結(jié)合卡盤304傾斜的環(huán)形邊緣區(qū)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，底部晶片302可以通過真空通道310靠著邊緣傾斜的底部卡盤306的卡盤面保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫沟玫撞烤?02的環(huán)形邊緣區(qū)從頂部晶片300的結(jié)合面偏離。在某些實施例中，底部晶片302可以通過真空通道、靜電力、其它可釋放的吸引或鉗制裝置或者這些的組合，靠著邊緣傾斜的底部卡盤306保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> [0030]根據(jù)如圖3中所說明的本發(fā)明的實施例，在晶片300和302裝載到初始結(jié)合卡盤304和306并且對準(zhǔn)之后(步驟104)，初始室溫結(jié)合工藝可以利用典型扁平結(jié)合卡盤304和邊緣傾斜結(jié)合卡盤306的組合執(zhí)行(步驟106)。在初始室溫結(jié)合工藝中，頂部和底部結(jié)合卡盤304和306分別被帶到彼此附近。頂部晶片300的中心可以通過例如可以向下延伸通過頂部卡盤304的中心銷(未示出)向下偏置，使得頂部晶片300的結(jié)合面接觸到底部晶片302的結(jié)合面。然后，頂部卡盤304中所有真空通道308上的真空都可以釋放，并且頂部晶片300向下吸到底部晶片302上。徑向范德華力結(jié)合波分別從頂部晶片300和底部晶片302的初始中心接觸點向外傳播，并且在晶片結(jié)合面之間形成初始范德華力結(jié)合。
[0031]圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出處于初始范德華力結(jié)合狀態(tài)的一對晶片300和302的橫截面視圖。如所說明的，底部晶片302可以通過施加到真空通道310的真空靠著邊緣傾斜的底部卡盤306固定到位。除了在底部晶片302從頂部晶片300的結(jié)合面偏離的環(huán)形邊緣區(qū)312中之外，已經(jīng)從頂部卡盤304釋放的頂部晶片300與底部晶片302已經(jīng)在其相對的結(jié)合面之上形成了范德華力初始結(jié)合。底部晶片302從頂部晶片300的結(jié)合面偏離的環(huán)形邊緣區(qū)312定義了特征為環(huán)形區(qū)的邊緣間隙400，在這個間隙400中頂部晶片300和底部晶片302彼此不結(jié)合，并且晶片彼此不接觸。
[0032]圖5是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出從初始結(jié)合卡盤304和306釋放并且處于初始范德華力結(jié)合狀態(tài)的晶片300和302的橫截面視圖。如以下關(guān)于圖1的步驟108更具體解釋的，已結(jié)合的晶片對準(zhǔn)備進行熱壓與永久性退火結(jié)合工藝，這個工藝可以利用扁平結(jié)合卡盤執(zhí)行。如圖5中所說明的，沒有偏置力分別作用在頂部晶片300和底部晶片302上。這允許底部晶片302的環(huán)形邊緣區(qū)312放松到更靠近頂部晶片300的環(huán)形邊緣區(qū)312的位置，但是，邊緣間隙400留在底部晶片302與頂部晶片300之間。除了環(huán)形邊緣區(qū)312中之夕卜，晶片300和302相對的結(jié)合表面處于初始結(jié)合狀態(tài)。在邊緣區(qū)312中，晶片300和302的結(jié)合面可能沒有完全彼此結(jié)合，或者可能只弱結(jié)合，其特征在于與已經(jīng)經(jīng)受范德華結(jié)合波的晶片對的內(nèi)部徑向部分相比而言顯著更小的范德華結(jié)合位置，并且至少在邊緣區(qū)312的外部，被邊緣間隙400分離。
[0033]在本發(fā)明的實施例中，底部卡盤306的卡盤面的環(huán)形邊緣區(qū)312具有足以破壞范德華結(jié)合波，并且當(dāng)已結(jié)合的晶片對已經(jīng)從底部卡盤306釋放時允許晶片300和302的邊緣區(qū)312的至少外部徑向部分保持不結(jié)合或弱結(jié)合，并且允許初始結(jié)合晶片之間的邊緣間隙400具有結(jié)合面之間在邊緣間隙400的外部至少幾納米分離的徑向尺寸和邊緣傾斜輪廓。如以下將更具體解釋的，讓未結(jié)合的環(huán)形邊緣區(qū)具有晶片結(jié)合面之間至少幾納米的分離，可以方便當(dāng)真空在工具室中施加時可能已經(jīng)擴散到空隙中、或者在初始結(jié)合時存在的、或者可能作為熱壓工藝的反應(yīng)副產(chǎn)品產(chǎn)生的空氣和水蒸汽分子，從晶片-晶片空隙尤其是在邊緣區(qū)脫氣，以下關(guān)于圖1的步驟108描述。
[0034]在本發(fā)明的各種實施例中，底部卡盤306的卡盤面的邊緣區(qū)312具有在大約0.5mm和大約1mm之間的徑向環(huán)形寬度范圍，如從晶片結(jié)合面的現(xiàn)有徑向尺寸測出的。更優(yōu)選地，徑向環(huán)形寬度在大約3mm和大約5mm之間變動。關(guān)于邊緣斜坡的輪廓，斜率的變化與足夠大的曲率半徑一起發(fā)生，從而當(dāng)晶片邊緣真空偏置到卡盤面時不讓晶片遭受可能對晶片造成損壞的急彎。邊緣斜坡輪廓可以包括恒定的或者變化半徑的弧，諸如減小半徑的弧，或者具有從平的內(nèi)部卡盤區(qū)域彎曲過渡的線性部分。一般來說，邊緣斜坡輪廓可以是具有從平的內(nèi)部卡盤區(qū)域彎曲過渡的線性部分，足以在結(jié)合面的現(xiàn)有徑向范圍在晶片結(jié)合面之間產(chǎn)生I納米和幾百微米之間的間隙，更優(yōu)選地是5納米和10微米之間，并且最優(yōu)選地是10納米和I微米之間。
[0035]在初始范德華力結(jié)合(步驟106)之后，晶片對經(jīng)受熱壓結(jié)合工藝(步驟108)。這個工藝可以對扁平卡盤之間已初始結(jié)合的晶片對執(zhí)行。圖6是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出在準(zhǔn)備熱壓結(jié)合工藝中裝載到扁平結(jié)合卡盤600和602的已初始結(jié)合的晶片對300和302的橫截面視圖，其中卡盤600和602可以分別包括真空通道604和606。如所說明的，晶片300和302處于初始范德華力結(jié)合狀態(tài)，邊緣間隙400在邊緣區(qū)312中分離晶片。
[0036]熱壓結(jié)合步驟在最終的永久性退火結(jié)合步驟之前增強初始范德華晶片-晶片結(jié)合。在本發(fā)明的實施例中，熱壓結(jié)合步驟操作成:強化晶片之間的范德華結(jié)合；啟動氧化物表面上硅烷醇基團的低溫縮合；通過室真空與熱能量促進空氣、由于初始硅烷醇縮合造成的水蒸汽以及可能在已初始結(jié)合的晶片之間存在的污染物分子的脫氣；并且操作成在邊緣區(qū)312中在晶片之間形成高質(zhì)量的范德華結(jié)合，這種結(jié)合具有比典型的初始結(jié)合工藝之后所存在的顯著更少的結(jié)合缺陷。
[0037]圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、說明圖1步驟108的熱壓結(jié)合工藝的工藝配方圖。該工藝配方包括三個工藝變量:工具室空氣壓力、工具室溫度以及結(jié)合卡盤壓縮力。如所說明的，在時刻T0，室壓力處于環(huán)境大氣壓，不施加結(jié)合卡盤壓縮力，并且工具室從環(huán)境室溫的加熱開始。在時刻T1，工具室已經(jīng)達到大約120°C和大約150°C之間的溫度。在一種示例性實施例中，Tc^PT1之間的時間間隔可以是大約10分鐘至大約15分鐘。在本發(fā)明的實施例中，熱壓工藝溫度足以至少啟動晶片氧化物表面上硅烷醇基團的初始縮合，這導(dǎo)致晶片表面之間(-0-)35卜0^(-0-)3鍵的形成，以及縮合反應(yīng)所生成的H2O分子的形成。在1\和T2的室溫度沒有高到足以顯著地造成活化的晶片表面失活，例如不大于大約250°C，使得晶片表面不能在施加壓縮力的時候通過縮合反應(yīng)彼此結(jié)合。依賴于晶片表面的成分、清洗和活化工藝、工具室大氣的成分以及其它工藝變量，啟動氧化物表面上硅烷醇基團的縮合所需的室溫度可以變化。雖然室溫度是由單個輪廓線表示的，但是在某些實施例中，工藝配方可以包括多個溫度變量，例如，頂部和底部室溫度。
[0038]并且，在時刻T1，工具室大氣的排空開始，排空在時刻T2完成。通過分子經(jīng)邊緣間隙400的擴散，對室大氣施加真空導(dǎo)致從晶片-晶片空隙基本上去除空氣和污染物分子。類似地，由于已初始結(jié)合的區(qū)域中晶片氧化物表面之間硅烷醇縮合反應(yīng)導(dǎo)致的水分子也可以被去除，根據(jù)Le Chatelier原理,這具有把縮合反應(yīng)平衡向前推的效果。在一種示例性實施例中，室大氣壓力可以減小到大約10_2至大約10_5mbar (毫巴)或者更小，并且T1和T2之間的時間間隔可以是大約5分鐘至大約15分鐘。
[0039]并且，在T2，壓縮力施加到結(jié)合卡盤600和602。壓縮力用于方便晶片氧化物表面之間的硅烷醇縮合反應(yīng)，通過把晶片表面帶到更近(大約在幾埃之內(nèi))，具有附帶的水蒸汽反應(yīng)副產(chǎn)品。壓縮力還用來基本上消除邊緣間隙400，使得在壓縮間隔結(jié)束時，邊緣區(qū)312中的晶片表面分離基本上與結(jié)合的晶片對的內(nèi)部區(qū)域中的晶片分離相同。在一種優(yōu)選實施例中，當(dāng)邊緣間隙400已基本被消除時，在壓縮間隔期間被促進的硅烷醇縮合反應(yīng)所產(chǎn)生的水蒸汽，可以基本上通過壓縮間隔結(jié)束時的真空擴散，經(jīng)由邊緣間隙400從晶片-晶片空隙基本上去除。在一種示例性實施例中，大約IkN至大于75kN的壓縮力施加大約I至大約15分鐘?；诰?00和302的特殊特征，諸如成分、晶片中或其上建立的結(jié)構(gòu)、晶片厚度等，施加較小的壓縮力更長的間隔可能更優(yōu)。在某些實施例中，壓縮力可以在壓縮間隔上變化。例如，壓縮力可以在初始值開始并且隨壓縮間隔增加至最終的值。在時刻T3，工具室中的真空被釋放，結(jié)合卡盤壓縮力被去除，并且室溫度可以返回環(huán)境室溫。
[0040]在優(yōu)選實施例中，熱壓結(jié)合工藝配方變量相互操作，以便從晶片-晶片界面除去空氣、污染物及硅烷醇縮合反應(yīng)副產(chǎn)品分子并且“密封”邊緣間隙400，使得這種分子不可能在永久性退火步驟期間在邊緣區(qū)中生成和積累并且生成邊緣缺陷。圖7是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出在熱壓結(jié)合工藝之后已結(jié)合的晶片對300和302的橫截面視圖。如所說明的，晶片對300和302的邊緣區(qū)312被“密封”，并且邊緣間隙不存在。
[0041]在熱壓結(jié)合工藝(步驟108)之后，晶片對經(jīng)受最終的永久性退火結(jié)合工藝(步驟110)。在本發(fā)明的實施例中，永久性退火結(jié)合工藝可以在比典型永久性退火結(jié)合工藝小的溫度和持續(xù)時間發(fā)生。根據(jù)本發(fā)明的實施例，因為熱壓工藝已經(jīng)導(dǎo)致比典型初始范德華結(jié)合工藝更低的晶片氧化物表面分離和更高的硅烷醇縮合水平，因此永久性退火結(jié)合工藝的溫度和持續(xù)時間可以都比如果沒有中間熱壓工藝的話更低。熱壓步驟期間所施加的壓縮力使晶片表面比如果不施加壓縮力的話更緊密。因此，由于縮合反應(yīng)期間相鄰硅烷醇基團之間增加的沖突可能性，結(jié)合動力可以被促進。因此，熱壓步驟可以實現(xiàn)某種程度的界面化學(xué)鍵合并且減小永久性退火步驟所需的持續(xù)時間與溫度。此外，熱壓步驟之后減小的晶片空隙可以促進永久性退火期間的結(jié)合動力。相對于300°c或更大的典型最終退火結(jié)合工藝溫度，在一種示例性實施例中，永久性退火結(jié)合工藝可以具有大約250°C的最高溫度值，并且相對于2小時或更多的典型最終退火工藝持續(xù)時間，該工藝持續(xù)時間可以是大約60分鐘。更低工藝溫度和更短持續(xù)時間的優(yōu)點可以包括更低的熱預(yù)算、更快的工藝周期時間或者晶片的更小損壞或熱變形。對于晶片的多堆疊集成方案，優(yōu)點還可以包括晶片堆減小的累積熱暴露，這可能改善對這種多層結(jié)構(gòu)的可靠性降級風(fēng)險。
[0042]圖8、9和10是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出可代替圖3邊緣傾斜的結(jié)合卡盤306的可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤的橫截面視圖。可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808具有被外部區(qū)812包圍的中央?yún)^(qū)810。結(jié)合卡盤區(qū)810和812相對于彼此沿著一個軸在剪切方向移動，這個軸可以與卡盤區(qū)810和812的卡盤面的平面表面垂直。在本發(fā)明的實施例中，中央卡盤區(qū)810可以相對于外部卡盤區(qū)812的卡盤面處于突起的位置或者降低的位置。在某些實施例中，卡盤區(qū)810和812的卡盤面邊緣可以是倒角或圓角，從而減小晶片302中跨卡盤區(qū)810和812之間邊界的應(yīng)力。在優(yōu)選實施例中，卡盤區(qū)810和812的移動可以被例如精度液壓活塞布置控制，從而允許大約0.1微米至大約I微米范圍的移動，卡盤區(qū)810和812之間的相對移動在大約0.1微米至大約100微米范圍。
[0043]如圖8中所說明的，晶片300和302已經(jīng)準(zhǔn)備好結(jié)合(見步驟100，圖1)，已經(jīng)被活化和清洗(見步驟102)，已經(jīng)在結(jié)合卡盤804和808中對準(zhǔn)并且通過例如諸如真空通道806和814的真空通道靠著卡盤面固定在位(見步驟104)，并且準(zhǔn)備好進行初始室溫結(jié)合工藝(見步驟106)。如所說明的，可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的中央?yún)^(qū)810和外部區(qū)812處于使得中央?yún)^(qū)810的卡盤面部分相對于外部區(qū)812的卡盤面部分處于突起位置的相對位置。根據(jù)以上關(guān)于圖3和邊緣傾斜的結(jié)合卡盤306的描述，在這種位置關(guān)系，至少底部晶片302的邊緣區(qū)312從上部晶片300的邊緣區(qū)312偏離。在某些實施例中，底部晶片302可以通過真空通道、靜電力、其它可釋放的吸引或鉗制裝置或者這些的組合，靠著可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的卡盤面固定在位。
[0044]圖9是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出處于初始范德華結(jié)合狀態(tài)的晶片300和302的橫截面視圖。如所說明的，底部晶片302可以通過施加到真空通道(諸如真空通道814)的真空靠著可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的卡盤面固定在位。除了在晶片300和302的環(huán)形邊緣區(qū)312中之外，已經(jīng)從頂部卡盤804釋放的頂部晶片300與底部晶片302已經(jīng)在其相對的結(jié)合面上形成范德華力初始結(jié)合。根據(jù)以上關(guān)于圖4和邊緣間隙400的描述，在邊緣區(qū)312中，底部晶片302從頂部晶片300的結(jié)合面偏離并且限定可以特征化為環(huán)形區(qū)的邊緣間隙400，在這個間隙400中頂部晶片300和底部晶片302彼此不結(jié)合并且晶片彼此不接觸。
[0045]圖10是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出在熱壓結(jié)合工藝之后已結(jié)合的一對晶片300和302的橫截面視圖。如所說明的，晶片對300和302的邊緣區(qū)312被“密封”并且晶片之間的邊緣間隙不存在?？烧{(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的中央?yún)^(qū)810和外部區(qū)812現(xiàn)在處于使得卡盤區(qū)810和812的卡盤面部分共面的相對位置。
[0046]在本發(fā)明的示例性實施例中，中央?yún)^(qū)810和外部區(qū)812可以調(diào)整成處于使得在關(guān)于圖1步驟106所述的初始室溫結(jié)合工藝之后卡盤區(qū)810和812的卡盤面共面的相對位置。利用處于共面關(guān)系的中央?yún)^(qū)810和外部區(qū)812，晶片300和302經(jīng)受熱壓結(jié)合工藝和永久性退火結(jié)合工藝，如關(guān)于圖1的步驟108和110所描述的。在某些實施例中，中央?yún)^(qū)810和外部區(qū)812可以在熱壓結(jié)合工藝期間，例如在工具室的加熱和排空之后，并且在結(jié)合卡盤壓縮力的施加之前，調(diào)整成處于共面關(guān)系。見例如圖2的時刻T2。在某些情形下，這可以增強晶片對之間空隙內(nèi)分子的脫氣。
[0047]圖11和12分別是根據(jù)本發(fā)明一種實施例的可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的平面與透視圖。如所說明的，中央?yún)^(qū)810相對于外部卡盤區(qū)812的卡盤面處于突起的位置。邊緣區(qū)312在圖上被虛線限定。
[0048]在優(yōu)選實施例中，至少中央卡盤區(qū)810可以是圓形的，以允許環(huán)形的邊緣區(qū)312。在其它實施例中，中央卡盤區(qū)810以及外部卡盤區(qū)812中中央卡盤區(qū)810在其中移動的對應(yīng)空穴，形狀可以不是圓形的，以容許某些晶片的特殊設(shè)計與工藝需求。在某些實施例中，頂部卡盤804和底部卡盤808可以是可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤。
[0049]可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808，結(jié)合例如另一個這種卡盤、如下所述的可調(diào)節(jié)多區(qū)卡盤或者典型的扁平卡盤，可以允許其中一致或不一致的壓縮力可以施加到晶片對的結(jié)合工藝。對于每個卡盤區(qū)來說，還可以定義力隨時間的曲線圖。也可以進行晶片對某些區(qū)域的遞增結(jié)合。
[0050]除了滿足邊緣傾斜卡盤306 —元化設(shè)計的功能性需求和優(yōu)點，如以上關(guān)于圖3和4所描述的，可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808還有其它優(yōu)點。例如，利用可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤，諸如卡盤808，作為氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝中的底部卡盤，諸如關(guān)于圖1所描述的，可以消除從邊緣傾斜結(jié)合卡盤306除去最初結(jié)合的晶片對300和302、對于扁平結(jié)合卡盤換出卡盤306(諸如圖6中的卡盤602)、把晶片對裝載到扁平卡盤并且執(zhí)行熱壓和永久性退火工藝的需求，如關(guān)于圖1的步驟108和110所描述的。這可以減少需要駐留在晶片結(jié)合工具中的卡盤的個數(shù)。此外，在氧化物-氧化物熔接結(jié)合工藝的各種工藝步驟期間和之間，對于中央卡盤區(qū)810和外部卡盤區(qū)812，結(jié)合卡盤壓縮力可以用不同的量級和不同的力隨時間的曲線圖來施加。
[0051]圖13和14是根據(jù)本發(fā)明一種實施例、示出可代替圖3邊緣傾斜的結(jié)合卡盤306以及圖8可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808的可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300的橫截面視圖。如所說明的，可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300具有被多個環(huán)形外部區(qū)1304至1314包圍的中央?yún)^(qū)1302。結(jié)合卡盤區(qū)1302至1314可以沿著一個軸在剪切方向相對于彼此移動，這個軸可以與卡盤區(qū)的卡盤面的平面表面垂直。在本發(fā)明的各種實施例中，每個卡盤區(qū)可以相對于其它卡盤區(qū)是突起的或者降低的。在某些實施例中，卡盤區(qū)1302至1314的卡盤面邊緣可以是倒角或圓角，從而減小晶片302中跨卡盤區(qū)之間邊界的應(yīng)力。在優(yōu)選實施例中，卡盤區(qū)1302至1314的移動可以通過例如精度液壓活塞布置控制，從而允許大約0.1微米至大約I微米范圍內(nèi)的移動，卡盤區(qū)1302至1314的移動在大約0.1微米至大約100微米范圍內(nèi)。在某些實施例中，一個或多個卡盤區(qū)1302至1314可以具有用于靠著卡盤的卡盤面把晶片固定到位的真空通道(未示出)、靜電力、或者其它可釋放裝置。
[0052]圖13是示出關(guān)于接觸晶片302的每個卡盤區(qū)的表面處于平面關(guān)系的可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300的卡盤區(qū)1302至1314的橫截面視圖。圖14是示出相對于由下部晶片302提供的參考平面處于中央拱形位置布置的可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300的卡盤區(qū)1302至1314的橫截面視圖，其中每個卡盤區(qū)相對于離中央卡盤區(qū)1302更近的下一個卡盤區(qū)處于降低的位置。
[0053]在不同的位置布置中，除外部卡盤區(qū)1314之外的所有卡盤區(qū)都可以處于平面位置關(guān)系，并且最外面的卡盤區(qū)1314可以與其它卡盤區(qū)處于降低的關(guān)系。當(dāng)中央卡盤區(qū)810相對于外部卡盤區(qū)812處于突起的位置關(guān)系時，這種位置布置將導(dǎo)致與圖3邊緣傾斜卡盤306以及圖8可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808相似的橫截面輪廓。
[0054]因為每個卡盤區(qū)可以調(diào)整成與其它卡盤區(qū)處于突起的、降低的或者平面位置關(guān)系，所以多種對稱的橫截面輪廓是可能的。在其它實施例中，卡盤區(qū)1304至1314可以分成環(huán)形的段，以允許額外的卡盤面表面輪廓。在本發(fā)明的其它實施例中，卡盤區(qū)可以處于使卡盤面的平面傾斜(tile)的規(guī)則、不規(guī)則或者任意形狀的布置，使得一個或多個卡盤區(qū)能夠沿著可以與卡盤面的整體平面垂直的軸相對于另一個卡盤區(qū)精確突起或降低、相對于卡盤面的整體平面傾斜、或者這些運動的組合。在某些實施例中，卡盤區(qū)可以是圓形的，并且卡盤區(qū)的移動可以是卡盤面平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動?？ūP區(qū)的這種布置可以允許任何期望的卡盤面表面輪廓，以及卡盤面表面輪廓之間的精度運動，如在結(jié)合、平坦化或者其它芯片制造工藝期間可能需要的。
[0055]可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300，結(jié)合例如另一個這種卡盤、如上所述的可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤或者典型的扁平卡盤，也允許其中一致或不一致的壓縮力可以施加到晶片對的結(jié)合工藝。對于每個卡盤區(qū)來說，也可以定義力隨時間的曲線圖。也可以進行晶片對的某些區(qū)域的遞增結(jié)合。
[0056]與上述可調(diào)節(jié)雙區(qū)結(jié)合卡盤808相似，可調(diào)節(jié)多區(qū)結(jié)合卡盤1300的優(yōu)點也可以包括在先前可能需要不同卡盤的若干芯片制造工藝中利用該卡盤。這可以減少需要駐留在晶片結(jié)合工具中的卡盤的數(shù)量。
[0057]這里公開了要求保護的方法與結(jié)構(gòu)的具體實施例。但是，應(yīng)當(dāng)理解，所公開的實施例僅僅是說明可以體現(xiàn)為各種形式的要求保護的結(jié)構(gòu)與方法。此外，各種所公開實施例中每一種都是說明性的，而不是約束性的。另外，附圖不一定是按比例的，并且為了示出特定組件的細節(jié)，有些特征可能夸大了。這里所公開的具體結(jié)構(gòu)與功能性細節(jié)不應(yīng)當(dāng)解釋為限定，而僅僅是用于向本領(lǐng)域技術(shù)人員講述以各種方式采用本公開內(nèi)容的方法與結(jié)構(gòu)的代表性基礎(chǔ)。在不背離本發(fā)明范圍的情況下，可以進行多種修改與替換。因此，本發(fā)明是通過例子而不是限制公開的。
【權(quán)利要求】
1.一種晶片結(jié)合卡盤的卡盤面，包括: 扁平的中央?yún)^(qū)；以及 與中央?yún)^(qū)鄰接的外部環(huán)形區(qū)，所述外部環(huán)形區(qū)比扁平的中央?yún)^(qū)低，使得安裝到所述卡盤面的晶片的環(huán)形邊緣部分相對于所述結(jié)合卡盤的卡盤面具有凸起的輪廓。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)合卡盤，其中外部環(huán)形區(qū)的輪廓包括以下中的一個或多個:恒定半徑的弧、可變半徑的弧以及線性部分。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)合卡盤，其中外部環(huán)形區(qū)的輪廓成形為足以，在所述結(jié)合卡盤和另一個結(jié)合卡盤在范德華結(jié)合工藝中用于在第一晶片的結(jié)合表面和另一個晶片的結(jié)合表面之間形成范德華結(jié)合時，破壞安裝在所述結(jié)合卡盤中的所述第一晶片的結(jié)合表面與安裝在所述另一個卡盤中的所述另一個晶片的結(jié)合表面之間的范德華結(jié)合波。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)合卡盤，其中半徑對應(yīng)于所安裝晶片的現(xiàn)有徑向尺寸的外部環(huán)形區(qū)的輪廓比扁平的中央?yún)^(qū)低大約Inm和大約100微米之間。
5.一種晶片結(jié)合卡盤的卡盤面，包括: 扁平的中央?yún)^(qū)；以及 與中央?yún)^(qū)鄰接的外部環(huán)形區(qū)，沿著與所述中央?yún)^(qū)垂直的軸移動。
6.如權(quán)利要求5所述的結(jié)合卡盤，其中外部環(huán)形區(qū)相對于中央?yún)^(qū)的運動可控制在大約0.1微米至大約I微米。
7.如權(quán)利要求5所述的結(jié)合卡盤，其中外部環(huán)形區(qū)相對于中央?yún)^(qū)的運動范圍是大約0.1微米至大約100微米。
8.如權(quán)利要求5所述的結(jié)合卡盤，其中外部環(huán)形區(qū)具有包括以下一個或多個的橫截面輪廓:恒定半徑的弧、可變半徑的弧以及線性部分。
9.一種晶片結(jié)合卡盤的卡盤面，包括: 多個鄰接的區(qū)；以及 這些區(qū)中可相對于這些區(qū)中的另一個移動的至少一個區(qū)。
10.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中可移動的區(qū)的運動是以下中的一個或多個:沿著與所述另一個區(qū)的卡盤面垂直的軸；沿著不與所述另一個區(qū)的卡盤面垂直的軸；相對于所述另一個區(qū)的卡盤面的傾斜運動；相對于另一個區(qū)的卡盤面的旋轉(zhuǎn)運動。
11.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中區(qū)之間的相對運動可控制在大約0.1微米至大約I微米。
12.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中區(qū)之間的相對運動范圍是大約0.1微米至大約100微米。
13.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中區(qū)的橫截面輪廓包括以下中的一個或多個:恒定半徑的弧、可變半徑的弧以及線性部分。
14.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中所述多個鄰接的區(qū)包括以下中的一個或多個:規(guī)則形狀的區(qū)、不規(guī)則形狀的區(qū)以及任意形狀的區(qū)。
15.如權(quán)利要求9所述的結(jié)合卡盤，其中所述多個鄰接的區(qū)包括一個中央?yún)^(qū)和一個或多個鄰接的環(huán)形區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的結(jié)合卡盤，其中所述多個鄰接的環(huán)形區(qū)中的一個或多個分段成環(huán)形弧段。
【文檔編號】H01L21/687GK104051317SQ201410094056
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】林瑋, S·斯科爾達斯, T·A·沃 申請人:國際商業(yè)機器公司