[发明专利]通过在直接键合工艺期间捕获污染物并阻止裂纹来增强微电子结构中的键合

说明书

结构和技术可以通过在键合工艺期间捕获污染物和副产物并阻止裂纹来提供微电子结构中的键合增强。示例键合表面被提供有凹部、凹陷、阱或腔，以捕获键合的小颗粒和气态副产物并阻止裂纹，小颗粒和气态副产物将在被接合的微米级表面之间创建有害的空隙。这样的随机空隙将损害键合的完整性以及被键合互连件的电导率。在示例系统中，键合界面中放置的经预先设计的凹部空间或经预先设计的凹部图案捕获颗粒和气体，从而减少了随机空隙的形成，从而在键合形成时改进并保护键合。可以通过用于确定移动的颗粒在键合波传播期间移动的位置的示例方法，来将凹部空间或凹部图案放置在颗粒在键合表面上聚集的位置。例如，凹部可以以晶片级阶梯状的刻线图案来重复，或者通过对准器或对准工艺来放置。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2019年8月28日提交的美国非临时专利No.16/553,879和于2019年8月28日提交的美国非临时专利No.16/553,535以及Gao等人于2018年8月29日提交的美国临时专利No.62/724,270的优先权，这些申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

图1示出了在被用于微电子制造和封装中的直接键合工艺期间当形成键合时发生的常规缺陷。被接合的两个表面之间的键合界面中可能会出现被称为键合空隙或仅被称为“空隙”的非键合区域，并且这些空隙会削弱所形成的直接键合。

直接键合工艺发生在两个非金属的无机电介质表面之间，或者可以发生在还具有待被键合在一起的金属焊盘，例如用于进行电互连的两个表面之间。当金属特征也存在于键合界面中时，键合工艺可以被称为直接混合键合。

由于在界面中缺少用于为杂散颗粒和直接键合工艺的其他不期望副产物让出空间的缓冲区域，可能在键合界面中产生有害的空隙。杂散颗粒无处可去便停留在被连接的表面之间，从而在键合中导致随机空隙。一些杂散颗粒、异物和其他缺陷会在被键合的表面之间创建相对较大的空隙。在直接键合互连混合键合工艺(从加利福尼亚州圣何塞的Invensas Bonding Technologies，Inc.(以前是Ziptronix，Inc.，XperiCorporation公司)可获得)中，这些担忧被放大，因为在电引线上可能会出现宽度为仅几百纳米甚至几十纳米的不期望的空隙。这样的超细电引线常常需要高性能。例如，诸如HBM2存储器的高带宽存储器可能需要每个引脚高达2.4Gbps的信号速度，甚至更高的速度，并且SerDes信令可能需要例如以112Gbps的速率通过键合界面。

在图1中，当不期望的空隙10在常规的直接键合界面20中产生时，给定空隙10可能会介入正在被键合的电互连件的覆盖区(截面键合区域)30内，并且颗粒本身40也可能介入。空隙10有效地使得互连件的截面覆盖区30的一部分绝缘，使得在被键合的情况下，该部分不会承载其将要承载的电流。空隙10从而导致受损的输入-输出(IO)连接，并且总体组装良率和/或所生成器件的可靠性显著降低。

在仅具有天然氧化物薄层的硅晶片的直接键合中已观察到这样的空隙10。因为晶体硅没有足够的缺陷位点来捕获退火步骤期间的气体污染，所以气态副产物会形成空隙。类似地，当待键合的表面之一是氮化硅时，氮化物层对于通过扩散而逸出的水蒸气、氢气和其他反应副产物是不可渗透的，从而导致在退火步骤期间形成空隙10。包含来自氧化物沉积工艺的残留成分的低质量氧化物表面也可能导致脱气，并且随后在键合界面处形成空隙10。除了在退火步骤期间释放的气体之外，在键合之前在表面上的颗粒和其他污染物(在清洁工艺中未被去除或甚至在清洁工艺之后被沉积)也导致形成空隙10。

附加地，被键合的表面20的边缘可能具有剥落50、微裂缝60和沿边缘切成小块或锯切而出现的残留物。这些同样地形成了键合空隙10，即使它们不干扰互连件的电传导，它们也可能削弱被键合的表面之间的键合。

在微电子制造工艺中，通常在诸如化学机械平面化(CMP)的平坦化工艺之后，通过使键合表面超平坦，而加重了在键合期间小颗粒40形成空隙10的趋势。因为键合表面如此平坦，所以小颗粒40(例如，直径为1微米)可能会导致直径为10微米或更大的键合空隙。