[发明专利]利用金属/金属结合制造复合结构的方法

说明书

技术领域和现有技术

本发明涉及结构制造，该制造包括将至少一个第一晶片与第二晶片直接结合(direct bonding)(或分子粘附结合)，其中即使在500℃下进行结合加强烘焙之后所得到的结合界面也具有小于或等于0.7J/m²的有限结合能量。

在一定数量的直接结合的情况中，在结合界面处得到的结合能量相对有限。例如，当在由自扩散系数D较低(即D<10^-50m²/s)的金属材料(例如钨、铝、钽、铁、钼、铬、钌、镍、铂等)制成或覆盖有该金属材料的两个晶片之间进行直接结合时，就是这种情况。还有其他类型的直接结合，诸如疏水Si/Si结合(即，没有结合氧化层)、SiN/SiN结合或结合能量仍有限的其他材料组合。所有这些结合的特征都是，即使在500℃下进行结合增强烘焙之后，结合能量一般也小于0.7J/m²，而在例如氧化物与氧化物结合情况下的结合能量一般大于1J/m²。

由于这种较低的结合能量，在随后处理的过程中存在两个晶片之间发生部分甚至全部分离的风险，特别是在涉及温度增加的处理过程中。

这种部分或完全分离是由于结合界面处的抵抗结合力的应力增加引起的。在温度增加过程中出现的结合界面处的应力特别是由于两个晶片之间的热膨胀系数之差引起的或者是由于结合面处存在的热膨胀系数之差引起的或者是由于结合面处存在的金属材料的膨胀引起的。由于这种主要应力来源与结合面上存在的材料直接相关，因此不容易将它们降低。

然而，申请人还发现，结合界面处存在的应力还起源于结合步骤本身。为了发起结合波(bonding wave)的传播而在两个晶片之间发起机械压力引起积累一定量的能量，该能量抵抗结合能量并因此可能是晶片分离的原因。

结合界面处的应力超过一定水平时，在组件的随后处理(热处理、化学处理或化学机械处理)过程中发生分离的风险非常高。

因此，既存在减少在结合时存储的应力的需要，也存在评价结合界面处的应力水平(该应力水平可以用作避免分离风险的基础)的需要。

发明内容

为此，本发明提供了一种用于制造复合结构的方法，所述方法包括将至少一个第一晶片与第二晶片直接结合，所述方法包括发起结合波的传播的步骤，其中在所述结合波传播之后所述第一晶片和所述第二晶片之间的结合界面具有小于或等于0.7J/m²的结合能量，

其特征在于，发起结合波的传播的步骤在如下条件中的一个或多个条件下进行：

-将所述晶片放置在压力小于20毫巴的环境中；

-向这两个晶片中的一个晶片施加0.1MPa至33.3MPa之间的机械压力；

并且，在发起结合波的传播的步骤之后，所述方法进一步包括：

-确定在这两个晶片的结合过程中引起的应力水平的步骤，所述应力水平是基于使用如下公式计算的应力参数Ct确定的：

Ct＝Rc/Ep，

其中：

Rc对应于这两个晶片的组件的曲率半径，单位为km；

Ep对应于这两个晶片的组件的厚度，单位为μm；以及

当所确定的应力水平Ct大于或等于0.07时确认结合有效的步骤。

本发明的方法因而不仅提出了通过减少引起的变形来降低可能在所述方法过程中积累在结合界面处的应力，而且还提出了评价残余应力水平并根据该评价来确认结合有效与否的步骤。

通过本发明的方法，可以使通过直接金属-金属结合获得的晶片组件合格，从而只有在结合质量足以防止在随后处理过程中发生分离时才继续该组件的处理，换言之，才继续结构的制造。这样，在结构制造过程中实现坏品率显著降低，由此提高生产率。

根据本发明的方法的第一方面，在进行发起结合波的传播的步骤的过程中，这两个晶片中的至少一个晶片被平整地保持在支撑件上，该支撑件具有小于或等于2μm的平面度偏差。

根据本发明的方法的第二方面，每个晶片的结合面上都包括选自至少如下材料的材料：钨、铝、钽、铁、钼、铬、钌、镍、铂、氮化硅和硅。所述晶片由这些材料中的材料制成或在其结合面上覆盖有这些材料中的材料。

根据本发明的方法的第三方面，这两个晶片中的至少一个晶片由硅基板构成，该硅基板覆盖有一层选自至少如下材料的材料：钨、铝、钽、铁、钼、铬、钌、镍、铂、氮化硅和硅，并且所述硅基板形成所述晶片的结合面。