用于永久連接兩個金屬表面的方法技術

本發明專利技術涉及用于永久連接兩個金屬表面的方法。本發明專利技術涉及用于在第一襯底的第一金屬表面和第二襯底的第二金屬表面之間制造永久的導電連接的方法，具有如下方法步驟：處理第一和第二金屬表面，使得在連接金屬表面時制造至少主要由于在兩個金屬表面的同類的金屬離子和/或金屬原子之間金屬離子的表面擴散和/或晶界擴散而產生的永久的導電連接，定向和鍵合第一和第二金屬表面，其中在處理、定向和鍵合期間不超過最大300℃的過程溫度。

【技術實現步驟摘要】

本申請是申請日為2011年2月23日、申請號為201180016870.2、專利技術名稱為“用于永久連接兩個金屬表面的方法”的專利技術專利申請的分案申請。本專利技術涉及按照權利要求1的用于在兩個金屬表面之間制造永久連接的方法。
技術介紹
在兩個金屬表面之間制造永久的導電金屬連接在半導體工業中越來越重要。特別是對于在所謂的“3D集成器件或IC（3DIC）”的領域中新式的封裝技術，在兩個功能層面之間的金屬鍵合（Bond）連接起決定性作用。在此，首先在兩個獨立的襯底上制成有源或無源的電路，并且在鍵合步驟將它們永久地相互連接，以及建立電接觸。該連接步驟可以或者借助兩個晶片（晶片到晶片-W2W）的連接、一個或多個芯片與晶片（芯片到晶片-C2W）的連接、或者一個或多個芯片與芯片（芯片到芯片-C2C）的連接方法來進行。在這些連接方法中對在兩個連接面之間的直接連接有大的興趣，其中兩個面很大程度上由相同的材料（金屬）組成。在此如下方法是完全尤其有利的，所述方法在所述連接層面中很大程度上無附加的材料也行。通常在此情況下使用銅（Cu）或鋁（Al）或金（Au）作為金屬化結構。但是，應當澄清的是，本專利技術原則上也與其它金屬相互作用地起作用，并且金屬選擇主要基于芯片結構的要求和預加工步驟。因此其他金屬也應當是被認為是本專利技術的所需要的。此外，該方法也可以被應用到所謂的“混合鍵合界面（HybridBondInterface）”上。這些混合界面由被非金屬區域包圍的金屬接觸面的合適組合組成。這些非金屬區域在此被設計為使得可以在單個結合步驟中不僅制造金屬接觸、而且制造在非金屬區域之間的接觸。當前這些沒有異質材料、尤其是異質金屬的連接是通過所謂的擴散鍵合方法來制造的。在此，接觸面相對彼此定向并且接觸。接觸面借助合適的方法（例如“化學機械拋光（ChemicalMechanicalPolishing）”或者簡寫為“CMP”）這樣被預處理，使得它們是非常平的，并且具有小的表面粗糙度。接觸面于是在合適的設備（例如晶片鍵合機）中被壓在一起并且同時被加熱到可自由選擇的過程溫度。這里也可以證實為有利的是，這發生在優化的氣氛中、例如真空（例如<1mbar,優選<1e-3mbar）或者在還原性氣氛中、尤其是具有氫（H2）高含量（>1％，優選>3％，更好地>5％并且理想地>9％）的氣氛。在這些過程條件下現在形成在兩個金屬表面之間的所謂的擴散鍵合。在此，金屬原子或分子在低共熔金屬復合物的情況下在兩個表面之間來回擴散并且由此建立永久的、金屬傳導的并且機械上非常穩定的在表面之間的連接。通常，該連接在此具有使得在金屬組織中對原始接觸面的探測不可能的性質。更確切地說，該連接表現為均質的金屬結構，其現在延伸超出原始的接觸面。當今強烈限制該技術的使用的因素是大多相對高的溫度，該溫度是制造連接和實現尤其是擴散所必需的。在許多情況下，該溫度高于300℃，在許多情況下高于350℃，典型地380至400℃并且在確定的情況下也直至450或500℃高于由部件可以容忍的溫度（典型地<260℃，經常<230℃，對于確定的部件<200℃，并且在確定情況下<180或甚至150<℃）并且因此防止或者限制了該方法的使用。現在本專利技術回避了該問題，因為其能夠實現如下方法，其中所需要的過程溫度被顯著地降低。這些金屬連接在下面在該文獻中現在應當被稱為“真實的（sortenreine）鍵合連接”。在此，總是提到鍵合連接，在鍵合連接中在兩個由金屬A制成的金屬接觸面之間產生連接，而不借助永久地置入該連接中的異質材料、尤其是異質金屬B，其具有不同的基本成分。如上面已經描述地，當前存在的方法通過實現擴散過程需要的過程溫度限制。原則上，可以理解，擴散過程是與大量因素相關的過程。但是使得該過程在較低的溫度情況下較緩慢地進行。但是這在實踐中是有問題的，因為這會限制這種過程的經濟性或者使得非常費時的（>1h）過程是不經濟的。因此，擴散鍵合過程不應用在同類的接觸面之間。代替地，在該情況下，使用焊接連接或者低共熔連接和所謂的金屬間復合連接的最不同的表現。作為例子，這里列舉了基于鉛/錫焊接、銅-銀-錫焊接的焊接連接、基于銦的焊接或者還有金-錫或金-硅或者鋁-鍺以及銅-錫（金屬間復合Cu3Sn）。這些方法的缺點不僅存在于制造物流問題中而且也存在于技術問題中。經常應該在制造的僅僅建立并且合格化確定的金屬化結構（例如銅）的范圍中制造這些鍵合連接。在該情況下，除了該金屬化結構外構建和也合格化用于另外的金屬化結構的基礎設施是巨大的額外耗費。從技術的角度，低共熔連接在長期穩定性方面被考慮為是關鍵性的。確定的連接是極其易碎并且因此可以尤其是出現機械的疲勞現象。此外，對于確定的金屬化結構要遵循在混合比方面的非常窄的容差，以便保證低共熔連接的所希望的特性（例如融化溫度，機械和電特性）。此外，可能引起與低共熔連接問題關聯的擴散效應。這樣，當來自兩個銅接觸面之間的界面的錫會擴散穿過整個銅接觸并且到達位于其下的、在銅接觸和位于其下的層之間的界限層時，這例如是嚴重的問題。由于變化的金屬復合物，這會導致在該界面中的銅的機械分層，并且由此導致部件的機械故障，所述機械故障只有在現場中在多年之后才可能出現。這是以該形式僅僅在微結構情況下可能出現的效應，因為這里使用非常薄的層，其中這種效應才能夠起作用。
技術實現思路
因此本專利技術的任務是，說明一種方法，利用所述方法能夠實現在金屬鍵合連接情況下的減小的過程溫度和/或減少的過程時間。該任務借助權利要求1的特征來解決。本專利技術的有利的改進在從屬權利要求中被說明。由至少兩個在說明書、權利要求書和/或圖中說明的特征的全部組合也落入本專利技術的范疇中。在所說明的值范圍情況下，處于所提到的界限內部的值也作為界限值被公開并且可以以任意組合被要求保護。具體實施方式本專利技術現在呈現方法和過程，借助其可以使用于真實的鍵合連接的鍵合溫度顯著下降，并且其由此可以實現將無異質金屬也行的連接使用于廣泛的使用范圍。本專利技術的附加利用也是過程的加速，該加速在理想選擇的過程參數的情況下可以被實現，并且其提高過程的經濟性。擴散一般可以被劃分為置換式和填隙式擴散。在置換擴散情況下，沿著晶格中的其它原子可能所處的點進行各個原子的擴散跳躍。但是，為了根本上可以進行這種擴散跳躍，不允許在原子想跳躍到其上的位置處存在其它原子（存在例外：直接原子交換機制，其在科學上被討論但是還沒有被證實，如果所述直接原子交換機制存在，則其與其它原子交換機制相比稀少地出現，使得其可被忽視）。在其處不存在原子的位置被稱為空穴?？昭ㄔ谶M一步的專利描述中將占據根本上重要的方面。在填隙式擴散情況下，較小的原子在晶體的晶格間隙內部擴散。因為我們在本專利中主要研究同原子擴散，因此不進一步考慮填隙式擴散。用于填隙式擴散的例子是氫，其擴散到Si晶體晶格的晶格間隙中。氫與Si相比是如此“小”，使得其在晶格間隙中有空間。按照本專利技術，對于相同金屬種類的同原子擴散的情況僅僅置換擴散是合適的。此外，可以在表面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于在第一襯底的第一金屬表面和第二襯底的第二金屬表面之間制造永久的導電連接的方法，具有如下方法步驟：－處理第一和第二金屬表面，使得在連接金屬表面時制造至少主要由于在兩個金屬表面的同類的金屬離子和/或金屬原子之間金屬離子的表面擴散和/或晶界擴散而產生的永久的導電連接，－定向和鍵合第一和第二金屬表面，其中在處理、定向和鍵合期間不超過最大300℃的過程溫度。

【技術特征摘要】
2010.03.31 EP 10003568.21.用于在第一襯底的第一金屬表面和第二襯底的第二金屬表面之間制造永久的導電連接的方法，具有如下方法步驟：
－處理第一和第二金屬表面，使得在連接金屬表面時制造至少主要由于在兩個金屬表面的同類的金屬離子和/或金屬原子之間金屬離子的表面擴散和/或晶界擴散而產生的永久的導電連接，
－定向和鍵合第一和第二金屬表面，其中在處理、定向和鍵合期間不超過最大300℃的過程溫度。
2.根據權利要求1所述的方法...

【專利技術屬性】
技術研發人員：M溫普林格，V德拉戈伊，
申請(專利權)人：EV集團E·索爾納有限責任公司，
類型：發明
國別省市：奧地利;AT