简化铜-铜键结制造技术

本发明专利技术涉及一种用以键结第一铜元素于第二铜元素上的方法，包含一步骤，其透过元素的接触形成富含氧的一结晶铜层在每一第一元素与一第二元素的每一表面上，所有层的总厚度小于6nm，所述步骤包含：a)至少一步骤，用以抛光表面以得到均方根粗糙度小于1nm及亲水性表面，b)至少一步骤，为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面，c)至少一步骤，用以放置所有富含氧的结晶铜层以彼此接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术相关于金属-金属键结，更特别是简化铜-铜键结，其可特别地使用在微电子装置的制造。
技术介绍
微电子装置中三维一体化允许装置的尺寸減少，其耗电量減少，増加传输速率、性能、以及操作频率等等。三维一体化特别包含透过堆栈对齐、薄化及垂直互连的键结步骤。使用直通娃晶穿孔(Through Silicon Via, TSV)技术,其是由制造透过娃晶的连接洞组成。然而，为了得到高互连密度与简化技木，最好是由金属-金属直接键结。铜是特别制造连接垫的金属的其中ー种。存在着不同方法以达成铜-铜直接键结藉由热压缩或在超真空下，该表面通过氩等离子体而激活。以这些方法，其可能得到好的结果，然而其需要在超真空下准备所述表面，或是在高温下进行键结，或在ー特别的大气下作业。施加压カ可能伤害微电子机械系统传感器。因此本专利技术的目的提供一种新颖的方法以直接铜-铜键结。
技术实现思路
前述的目的是通过铜-铜键结方法而达成，其包含在欲接触的每ー表面上产生ー仅几纳米厚的富含氧的结晶铜层，并使这些表面放置以接触的步骤，用以产生富含氧的结晶铜层的步骤包含抛光及清洁铜表面的步骤。专利技术人已出人意外地注意到存在铜表面上的富含氧的结晶铜层允许两面被键结并可获得导电部件。优选地，根据本专利技术的键结可在常温常压、露天、不需任何粘合剂、没有任何特定压カ及没有退火下执行。通过在室温作业，因为可避免晶圆间的曲率差，所以其可能改善欲键结的晶圆或由晶圆输送的组件的校准。为了着手键结，预备作业可通过施加轻微压カ在堆栈的边缘而达成。根据本专利技术的方法，因为在键结中无压カ存在所以可得到晶圆间的正确校准。本专利技术的标的是ー种用以键结第一铜元素在第二铜元素上的方法，包含至少A) ー步骤，透过元素的接触将富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素的每ー表面上，所有层的总厚度不超过6nm，B) ー步骤，放置富含氧的结晶铜层以彼此接触，所述步骤A)包含a)至少ー步骤，用以抛光表面以得到均方根粗糙度小于lnm、以及亲水性表面，b)至少ー步骤，用以为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面。优选地，均方根粗糙度小于0. 5nm。步骤B)优选的是在室温、常压下并在空气中发生。最好地,步骤B)在步骤b)后的两小时内发生。根据本专利技术的键结方法可包含用以施加一力在元素的其中之一，使富含氧的结晶铜层倾向彼此靠近以开始键结的步骤。施加的力优选地发生在元素的其中之一的ー边。铜元素的密集平面实质上面向平行于键结表面。铜元素可包含基板、提供沉积在基板上的蚀刻剂的介质层、覆盖电介质且填充介质层的蚀刻剂的铜层，所述铜层包含蚀刻剂的步骤，其中步骤a)包含下列次步骤al)以一整平化学溶液将每一元素的铜层化学机械抛光，直到步骤(13)消失并实质上得到平坦铜表面，a2)以ー相对于电介质的ー选择性非整平化学溶液将残余铜层化学机械抛光，直到由蚀刻剂外的介质层上的铜被完全移除，铜残留在与电介质相同的水平上或设置回到电介质的表面；a3)以一整平化学溶液将电介质化学机械抛光直到介电值的表面实质上在垫的表面。该元素可包含位于电介质与铜层间的扩散阻绝层；在步骤a2)期间，铜层被抛光直到其消失在蚀刻剂外的扩散阻绝层，而在步骤a3)期间，扩散阻绝层在电介层前被抛光或取代电介层。根据本专利技术的键结方法在步骤B)后可包含一额外退火步骤C)。第一元素以例如铜板或垫的形式与介电材料的表面齐平，且第ニ元素以铜板或垫的形式与介电材料表面齐平。本专利技术的标的亦为ー种制造微电子装置的方法，微电子装置包含在气密封腔中的机电微系统结构，其包含ー步骤，用以制造提供有通过形成封闭轮廓的第一铜墙所围绕的机电微系统结构的第一元素，所述第一墙的顶部是通过一平坦表面所形成，ー步骤，用以制造提供有第二墙的第二元素，其顶部是通过与第一元素的第一墙相似的形状与尺寸的平坦表面所形成，第一墙与第二墙的高度总和大于机电微系统结构的高度，一步骤，将透过元素的接触抛光每第一元素与第二元素的墙的平坦表面，以得到均方根(RMS)粗糙度小于lnm,优选地小于或等于均方根粗糙度0. 5nm,ー步骤，用以为了抑制因抛光存在的粒子与腐蚀抑制剂而清洁所述表面。ー步骤，用以接触氧气及用以形成富含氧的结晶铜层在每ー平坦表面上，所有层的总厚度小于6nm,—步骤，用以放置所有富含氧的结晶铜层彼此接触以密封机电微系统结构在由第一元素与第二元素和第一墙与第二墙界定的ー密闭腔。所述方法可包含用以控制藉此所形成的腔室中的大气的步骤。接触步骤优选地在真空下执行。附图说明本专利技术将通过以下描述及附图而更好的理解，其中图1A-1E为根据应用于结构元素键结的本专利技术的方法的不同步骤的示意图。图2为在退火前通过根据本专利技术的方法所获得的键结界面的照片， 图3是根据本专利技术相对于退火温度。C，本专利技术铜板-铜板键结与本专利技术以ニ氧化硅(SiO2)板和铜板的键结的键结能量J/m2的变化的图例，图4是在退火30分钟后本专利技术的铜-铜键结、以及在退火两小时后ニ氧化硅-ニ氧化硅键结中随温度变化的键结能量J/m2的图例，图5A是通过根据本专利技术的键结方法所得到铜-铜连接中的电压(以毫伏为单位)对强度(以毫安为单位)的变化且用以检测此连接的电阻(以毫欧姆为单位)，图5B是用以测量图5A所示的相关连接的上视图，图6A及图6B是在退火后根据本专利技术所得的键结界面的变化的示意图，图7是通过本专利技术的方法所封装的微电子机械系统的示意图。具体实施例方式根据本专利技术的方法包含实现铜元素间的分子键结。这些元素可为铜板、铜层或连接垫，其中一表面是与为绝缘材料的基板齐平。或进一歩的，其一元素可为铜板及ー组垫的其它元素，其一表面与绝缘基板齐平。分子键结被理解为通过分子附着于两彼此粘紧未使用任何粘着剂的平坦表面中间。在图IA中，可看到欲键结的两元素2、4其中一个的示意图。在所示实施例中，所有元素是对称的，如同在图IE看到的；只有ー个将被详细描述。元素2包含基板6，例如在娃中覆盖着ー层电介质材料8,例如在ニ氧化娃以及铜垫10中被作为介电层8。在图IA中，其对应至抛光前的元素，铜层12沉积在介电层8上且用于填充垫上的凹陷区。在所示实施例中，形成例如氮化钛(TiN)扩散阻绝层的附加层9在沉积铜层12前沉积在介电层8上。元素4包含垫14 (图1E)。根据本专利技术的方法的目的是为了组合元素2与元素4，更具体地键结垫14于垫10上方。根据本专利技术的方法包含步骤A)，透过元素的接触将富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素中的每ー表面上，所有层的总厚度不超过6nm，以及步骤B)，在常温常压下透过所述平面放置以接触包含亲水分子表面键结两元素。步骤A)包含a) ー步骤，用以抛光元素2、4以释放提供有垫10、14的表面，其10. I、14. I的自由面具有均方根粗糙度小于lnm,优选地均方根粗糙度小于或等于0. 5nm,b) ー步骤，为了用抑制因抛光的粒子存在以清洁所述表面10. 1,14. I。在此步骤的终止吋，自由面10. I、14. I有亲水的特性。举例来说，在每ー垫10、14上方的富含氧的结晶铜层的厚度是在ー单层的厚度间，也就是说在I埃以上至约3nm的等级中。通过富含氧的结晶铜层意谓着包含氧气的结晶铜层，氧气的范围可从吸附层至化学当量的铜氧化物(stoichiome本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.07.03 FR 09546081.ー种用以键结第一铜元素于第二铜元素上的方法，其特征在于，至少包含 A)—步骤，透过元素的接触将一富含氧的结晶铜层形成在每ー第一元素与第二元素的每ー表面上，所有层的总厚度小于6nm， B)ー步骤，放置所述富含氧的结晶铜层以彼此接触， 所述步骤A)包含 a)至少ー步骤，用以抛光所述表面以得到均方根粗糙度小于Inm及亲水性表面， b)至少ー步骤，用以为了抑制因抛光的存在粒子与腐蚀抑制剂的主要部分而清洁所述表面。2.根据权利要求I所述的键结方法，其特征在于，所述均方根粗糙度小于0.5nm。3.根据权利要求I或2所述的键结方法，其特征在于，步骤B)在室温、大气压力与在空气中发生。4.根据权利要求I至3任一项所述的键结方法，其特征在于，步骤B)在步骤b)后的两小时内发生。5.根据权利要求I至4任一项所述的键结方法，其特征在于，包含施加一力于所述元素的其中之一，使所述富含氧的结晶铜层倾向于彼此靠近以开始键结的步骤。6.根据权利要求4所述的键结方法，其特征在于，施加的力只发生在所述元素其中之一的一边。7.根据权利要求I至6任一项所述的键结方法，其特征在于，所述铜元素中的密集平面实质上面向平行于键结表面。8.根据权利要求I至7任一项所述的键结方法，其特征在于，所述铜元素包含一基板(6)、提供沉积在基板(6)上的蚀刻剂(11)的介质层(8)、覆盖电介质(8)且填充介质层(8)的蚀刻剂(11)的ー铜层(12)，所述铜层(12)包含蚀刻剂(11)的步骤(13)，其中步骤a)包含下列次步骤 al)以一整平化学溶液将每一元素的所述铜层(12)化学机械抛光，直到步骤(13)消失并实质上得到平坦铜表面， a2)以ー相对于电介质的ー选择性非整平化学溶液将残余铜层化学机械抛光，直到自蚀刻剂(11)分离的介质层(8)上的铜完全移除，所述铜残留在与所述电介质相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李·迪乔吉欧，皮艾瑞克·葛广，莫瑞斯·利佛依，
申请(专利权)人：法国原子能与替代能委员会，
类型：发明
国别省市：