用包含氮和氢的等离子体在接合铜-氧化物混合的表面之前的处理

摘要

一种在设置有由氧化硅区（4）围绕的至少一个铜区（3）的第一表面（1）和第二表面（1’）之间接合的方法，包括在第一表面（1）与第二表面（V）形成接触前用等离子体处理第一表面（1）的操作。等离子体由气源产生，所述气源包含用于氧化硅的氮化剂和基于氢的用于氧化铜的还原剂。气源可包括N2/NH3和/或N2/H2气体混合物，亦或N2O/H2气体混合物，还或者是氨气，该氨气然后用作氮化剂和还原剂二者。于是，从该气源获得的等离子体必然包含氮和氢，由此能在单一操作中提供第一和第二表面（1、1’）之间的强接合。

说明书

技术领域

本发明涉及将第一表面接合到第二表面的方法，所述第一表面提供有由 氧化硅区域围绕的至少一个铜区域。

背景技术

分子键合或者直接接合是将两个表面设置为直接接触，而不采用诸如胶 水、蜡、低熔化温度的金属等的特定材料。要设置成接触的表面可为亲水的 或疏水的。

疏水表面例如可为硅晶片（或基板）的没有氧化硅的暴露表面，而亲水 表面例如可为硅晶片的包括薄氧化硅层的暴露表面。

分子键合方法还要求要键合的表面足够光滑、没有粒子或污染物，以使 它们具有适配的表面化学性质，并且足以接近以发生接触。在此情况下，两 个表面之间的吸引力足够强以导致分子键合。

通常在表面的化学清洗后在室温和室压下进行接合。然而，随后的热处 理例如一般在1000℃的量级上执行以加强接合能量。现在，在非常大量的 应用中，不允许在这个温度下进行热处理。

已经提出在将要接合的表面设置为接触后不需要在这样的高温下进行 热处理的接合方法。这些方法通常包括在设置为接触之前的表面活化步骤， 这能将热接合固结（consolidation）处理限制在200和400℃之间。

该接合方法可特别用于形成三维基板互连，以最小化电子部件。在此情 况下，要接合的表面通常包括旨在彼此设置为接触的铜区域以提供电接触。 这样的铜区域还通常由氧化硅区域围绕，以保证同一基板的数个区域之间的 电绝缘和表面之间的接合。这样的表面更具体地称为Cu-氧化物的异质（或 混合的）表面。

在设置接触的位置，可能有微小的位移不可避免地发生在要接合的表面 的各铜区域之间。于是对于该位移，在接合时涉及三种类型的界面：

-一个铜表面和另一个氧化硅表面之间的界面（Cu-SiO₂界面）

-一个铜表面和另一个铜表面之间的界面（Cu-Cu界面）

-以及一个氧化硅表面和另一个氧化硅表面之间的界面（SiO₂-SiO₂界 面）。

为了获得良好的接合和良好的电性能，必须为每个类型的界面执行具体 的处理：

-需要在Cu/SiO₂界面的位置形成阻挡物，以阻挡铜从第二表面的铜区域 扩散到第一表面的氧化硅区域，

-在SiO₂-SiO₂界面的位置，为了良好的接合必须活化氧化硅，

-在Cu-Cu界面，需要去除要接合的每个表面的铜区域的位置自然形成 的氧化铜，以改善部件的电性能。

目前，对应于这些不同界面的问题仍是彼此独立地解决。

此外，考虑到Cu-氧化物混合表面的异质性，当这样的混合表面直接接 合至另一表面时，例如与连续的氧化硅或金属或半导体材料层的暴露表面直 接接合时，也因遇到的界面类型不同而会出现问题。

发明内容

本发明的目标是提供易于实现且经济可行的独特的解决方案，以在设置 有由氧化硅区域围绕的至少一个铜区域的第一表面和第二表面之间实现高 质量接合。

根据本发明，该目标通过将设置有由氧化硅区域围绕的至少一个铜区域 的第一表面接合到第二表面的方法实现，

其特征在于，在第一和第二表面设置为接触前，第一表面经历等离子体 处理操作，所述等离子体由包含氧化硅氮化剂和包含氢的氧化铜还原剂的气 源形成。

根据本发明的第一进展，氮化剂是二氮，并且还原剂选自氨水和二氢。

根据本发明的第二进展，氮化剂是氧化亚氮，并且还原剂是二氢。

根据本发明的第三进展，还原剂是氨，氮化剂同样由氨形成。

根据一具体实施例，第二表面设置有由氧化硅区域围绕的至少一个铜区 域，在设置为接触前，第二表面也经历等离子体处理操作，所述等离子体由 包含氧化硅渗透剂和基于氢的氧化铜还原剂的气源形成。

附图说明

通过下面对本发明特定实施例的描述，其它的优点和特征将变得更明 显，本发明的特定实施例仅出于非限定性示例的目的给出，并且表示在附图 中，其中：

图1至4以截面图的方式示意性地示出了直接接合两个异质表面的特 定实施例的不同步骤。

具体实施方式

图1至4示出了一具体实施例用于接合分别属于基板2和2’的两个异质 的Cu-氧化物表面1和1’。

每个基板2（或2’）优选是由诸如硅晶片的半导体材料制造的基板。如 图1所示，它包括优选为平面的表面1或1’，且该表面1或1’具有至少一个 铜区域3或3’，由基板中形成的硅区域4或4’围绕。

基板2和2’的铜区域3和3’更具体地在设置成接触的位置有意设成面对 面，从而获得电接触。

两个基板优选均具有至少一个低粗糙度的平整表面。平整表面1和1’ 有意设置成面对面，然后接合。然而，也可具有两个互补形状的表面1和1’， 即能配合在一起而没有变形或者仅在设置成接触的位置具有略微的变形。

特别是，在图1至4所示的实施例中，铜区域3和3’具有基本上相同的 形状（矩形截面）和相同的尺寸，并且当表面1和1’设置成接触时，将它们 有意设置成面对面。因此，如图4所示，铜区域3的主要部分与铜区域3’ 的主要部分接触。然而，当两个表面设置成接触时，不可能获得铜区域3和 3’的完美对齐：微小位移5必然形成。它通常由用于形成区域3和3’的蚀刻 图案引起，而该蚀刻图案不会获得完美一致和/或完美定位的铜区域3和3’。 在设置成接触的位置上，除了Cu-Cu界面和氧化物-氧化物界面外，位移5 还形成Cu-氧化物类型的界面，这些界面能分别形成电接触并能实现基板2 和2’之间的接合。

此外，如图1所示，在表面1和1’设置成接触前，每个铜区域固有地包 括氧化铜（CuO）表层薄膜6，其可负面影响到希望要获得的在两个表面接 合后的部件的电性能。

在表面1和1’设置成接触前，优选在相同的处理操作期间，对每个表面 1和1’（图1中的箭头F）执行等离子体处理操作，这样不仅能获得良好的 表面间接合，而且能获得良好的电性能。由包含氧化硅氮化剂和包含氢的氧 化铜还原剂的气源形成的等离子体可实现上述等离子体处理操作。

能形成等离子体的气源可特别包括：

-二氮N₂作为氮化剂以及氨NH₃和/或二氢H₂作为氧化铜还原剂，或者

-氧化亚氮N₂O作为氮化剂以及二氢H₂作为氧化铜还原剂，或者

-同时作为氮化剂和氧化铜还原剂的氨。

在具体的实施例中，气源由形成氮化剂和基于氢的还原剂的气体或气体 混合物形成。然而，在其它实施例中，也可包括中性气体或几种中性气体， 例如，氦和/或氩，作为稀释气体。

因此，由该气源获得的等离子体需要包括氮和氢。

如图2所示，等离子体中存在的氮尤其能在氧化硅区域的位置形成由氮 氧化硅（Si_xO_yN_z或者氮化的氧化硅）制成的表面薄膜7。然后，表面薄膜7 形成防止铜沿图4的竖直以及水平方向上在氧化硅区域中扩散的阻挡物，同 时留下能接合的表面1和1’。此外，等离子体中存在的氮不会改变铜区域3 和3’的电性能。

等离子体中存在的氢还能去除铜区域3或3’中存在的氧化铜表面薄膜6 或6’，因此，一旦已经进行接合，就可改善组件的电性能。此外，等离子体 中存在的氢对于氧化硅是非活性的。

图3和4示出了能获得铜区域3和3’之间电接触的表面1和1’接触设置。 因此，该接触设置提供表面1和1’之间的异质界面（图4中的虚线所示）。 该异质界面由至少三个不同部分形成：

-由氧化物-氧化物界面形成的部分，通过将氮化的氧化硅表面薄膜7和 7’设置成接触获得，

-由铜-铜界面形成的部分，通过将铜区域3和3’设置成接触获得，

-以及由铜-氧化物界面形成的部分，通过将表面1或1’的铜区域3或3’ 与表面1或1’的氮化的氧化硅表面薄膜7或7’设置成接触获得。

如果表面1和1’经历在先的通过化学机械抛光（CMP）实现的表面活化 操作，由等离子体进行的表面处理不会负面影响该表面活化操作。如果该表 面不先由化学机械抛光活化，则等离子体中存在的氮能活化氧化硅表面。

粗糙度小的两个互补表面的接合，例如，两个平整表面的接合，能实现 有效的直接接合。利用互补表面能限制与从表面1’突出的区域相互补的表面 1的氧化硅表面的表面薄膜7的恶化，这能增加直接接合的有效接触表面积。 设置成接触优选避免了在将一个基板的凸起图案推进另一个基板时的变形， 以限制设置成接触时所需的压力且能执行直接接合。

在表面1和1’设置成接触后，还可执行随后的退火步骤，以在铜-铜界 面获得再结晶并稳定铜。这样的步骤优选在环境温度和450℃之间的温度范 围执行。

作为示例，等离子体处理操作可在用于执行等离子体增强化学气相沉积 （PECVD）的具有带等离子体放电的平行板的单晶片反应器（200mm晶片） 中执行。执行等离子体处理操作的条件优选如下：

-反应器中的温度在150℃和450℃之间，

-反应器中的压力在133.3Pa（1Torr）和2000Pa（15Torrs）之间，

-能产生等离子体的RF功率在50W和1000W之间，

-操作的持续时间在10秒和300秒之间，

-具有可变流速的气源，并且对于气体NH₃、H₂、N₂、N₂O和He从0变 化到5000sccm，以获得包含N和H的等离子体。

等离子体表面处理操作也可在反应离子蚀刻（RIE）室中进行。在此情 况下，除了温度和压力外的条件与上面所述相同，温度通常的范围为在环境 温度和150℃之间，压力通常小于133.3Pa（1Torr）。

同样，也可在大气等离子体反应器中形成。在此情况下，在大气压力下 执行表面等离子体处理操作，其温度范围可为在环境温度和450℃之间；功 率、持续时间和气体流速类似于上面所述。

最后，本发明不限于将两个Cu-氧化物混合的表面接合在一起的方法。 实际上，此上描述的等离子体表面处理操作也可应用于在将Cu-氧化物混合 的表面与另一个表面直接接合的情况中的单个Cu-氧化物混合的表面中，其 中所述另一个表面例如为由氧化物（例如，氧化硅）、金属（例如，铜）或 者半导体材料（例如，硅）制造的连续层的自由表面。所述接合发生在铜区 域中和氧化硅区域中。在此情况下，在将两个表面设置成接触时，Cu-氧化 物混合的表面经历上面描述的表面等离子体处理操作，而另一表面可经历直 接接合领域中常规的准备操作（平整化，活化…）。