一種金屬突刺混合鍵合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鍵合方法，特別涉及一種金屬突刺混合鍵合方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對電子產(chǎn)品的要求向小型化、多功能、環(huán)保型等方向的發(fā)展，人們努力尋求將電子系統(tǒng)越做越小，集成度越來越高，功能越做越多，越來越強。由此產(chǎn)生了許多新技術(shù)、新材料和新設(shè)計，例如三維堆疊封裝等技術(shù)就是這些技術(shù)的典型代表。在超大規(guī)模集成電路發(fā)展日益接近物理極限的情況下，于物理尺寸和成本方面都具有優(yōu)勢的三維集成電路是延長摩爾定律并解決先進封裝問題的有效途徑。三維堆疊封裝結(jié)構(gòu)可直接將多個裸芯片或者襯底通過鍵合的方式堆疊起來，實現(xiàn)在三維方向上的金屬互連結(jié)構(gòu)，大大減小互連距離，提高傳輸速度，從而實現(xiàn)一個系統(tǒng)或者某個功能在三維結(jié)構(gòu)上的集成。而晶圓鍵合技術(shù)正是三維電路集成的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]現(xiàn)有的鍵合技術(shù)主要包括直接氧化物鍵合、金屬鍵合、介電材料粘結(jié)鍵合等，直接氧化物鍵合對鍵合界面的平整度和粗糙度要求較高，而且退火溫度較高容易造成熱應(yīng)力和應(yīng)變，在鍵合表面形成凸起，且通常只能實現(xiàn)晶圓鍵合，難以同時實現(xiàn)芯片的內(nèi)部金屬互連；而金屬鍵合難以對準(zhǔn)，多層的堆疊需要一層層鍵合，對鍵合精度和結(jié)合強度等都有影響。同時也有不同材料之間的混合鍵合，比如在待鍵合的襯底上下表面采用金屬材料和介電粘附層同時混合來鍵合，在鍵合以后，金屬采用熱壓鍵合或者共熔合金，粘附層則通過熱壓后固化粘結(jié)在一起，從而提高鍵合的結(jié)合力，但是存在工藝較復(fù)雜，難以大規(guī)模量產(chǎn)，難以實現(xiàn)金屬的內(nèi)部互連并維持這種互連的高良率等問題，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種金屬突刺混合鍵合方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中難以實現(xiàn)金屬的內(nèi)部互連、產(chǎn)品可靠性差且生產(chǎn)效率低的問題。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種金屬突刺混合鍵合方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一，提供第一晶圓和第二晶圓，所述第一晶圓具有待混合鍵合的上襯底，所述第二晶圓具有待混合鍵合的下襯底，所述第一晶圓的上襯底底部和所述第二晶圓的下襯底頂部均形成有絕緣層。
[0007]步驟二，在所述第一晶圓上襯底的絕緣層上形成第一金屬導(dǎo)體，所述第一金屬導(dǎo)體與所述絕緣層底端齊平；
[0008]步驟三，在所述第二晶圓下襯底的絕緣層上形成第二金屬突刺，所述第二金屬突刺為高于所述絕緣層頂端的錐形凸起；
[0009]步驟四，對所述第一晶圓和第二晶圓進行清洗，去除所述上襯底和所述下襯底上附著的沾污物；
[0010]步驟五，將表面處理好的兩個晶圓的上下襯底對準(zhǔn)，通過鍵合裝置施加壓力，使下襯底上的第二金屬突刺扎入所述上襯底上對應(yīng)的第一金屬導(dǎo)體中，同時所述上襯底的絕緣層和所述下襯底的絕緣層也鍵合在一起，形成穩(wěn)固的預(yù)鍵合結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟六，將預(yù)鍵合后的晶圓進行退火。
[0012]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0013]進一步，所述步驟四還包括:在清洗后的上襯底的絕緣層和清洗后的下襯底的絕緣層上形成親水性活性表面。
[0014]進一步，所述步驟六中，退火溫度為200°C?450°C。
[0015]進一步，形成第一金屬導(dǎo)體包括以下步驟:
[0016]在所述上襯底的絕緣層上刻蝕形成金屬互連線溝槽；
[0017]電鍍填充金屬充滿所述金屬互連線溝槽，并覆蓋所述絕緣層形成金屬層；
[0018]對所述金屬層進行化學(xué)機械平坦化處理至露出絕緣層，所述金屬互連線溝槽內(nèi)形成第一金屬導(dǎo)體。
[0019]進一步，形成第二金屬突刺包括以下步驟:
[0020]在所述下襯底的絕緣層上刻蝕形成金屬互連線溝槽；
[0021]電鍍填充金屬充滿所述金屬互連線溝槽，并覆蓋所述絕緣層形成金屬層；
[0022]對所述金屬層進行化學(xué)機械平坦化處理至露出絕緣層；
[0023]對所述絕緣層進行刻蝕至所述金屬互連線溝槽內(nèi)填充的金屬高于所述絕緣層形成第二金屬突刺。
[0024]進一步，所述絕緣層為二氧化硅絕緣層、氮化硅絕緣層、氮氧化硅絕緣層、碳化硅絕緣層或碳攙雜氧化硅低介質(zhì)層。
[0025]進一步，所述第一金屬導(dǎo)體的硬度小于所述第二金屬突刺的硬度，所述第一金屬導(dǎo)體的材料為 Al、Cu、Sn、In、Snln、SnAg> SnCu 或 SnAgCu。
[0026]進一步，:所述第二金屬突刺由鎳、銅、鎢或鐵電鍍填充形成。
[0027]進一步，所述步驟四中，采用化學(xué)溶液或等離子體法對所述晶圓進行清洗。
[0028]進一步，所述步驟五中，所施加的壓力為I千牛頓?90千牛頓。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用混合鍵合方法，即通過S12、氮化硅等絕緣層鍵合和機械鍵合兩者相結(jié)合，不僅減小了鍵合時需要的溫度要求，而且在形成金屬化合物鍵合的同時，絕緣層間也形成了鍵合，增加了鍵合的結(jié)合強度和可靠性；同時，在預(yù)鍵合過程中采用硬金屬突刺扎入軟金屬中的方法，可以形成穩(wěn)固的預(yù)鍵合結(jié)構(gòu)，保證整個結(jié)構(gòu)的三維同步鍵合的精度要求，實現(xiàn)晶圓內(nèi)數(shù)千個芯片的內(nèi)部金屬互連，可以極大改善芯片性能并節(jié)約成本。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一種金屬突刺混合鍵合方法的流程圖；
[0031]圖2為本發(fā)明形成第一金屬導(dǎo)體的流程圖；
[0032]圖3為本發(fā)明形成第二金屬突刺的流程圖；
[0033]圖4a至圖4c為本發(fā)明實施例兩襯底完成混合鍵合的工藝過程對應(yīng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0035]如圖1所示，為本實施例中金屬突刺混合鍵合方法的流程圖，包括以下步驟:
[0036]步驟101，提供兩晶圓，所述晶圓的互連界面上包括待混合鍵合的上襯底I和待混合鍵合的下襯底4，所述上襯底I底部和所述下襯底4頂部均形成有二氧化硅絕緣層。在其他實施例中，形成的絕緣層還可以為氮化硅絕緣層、氮氧化硅絕緣層、碳化硅絕緣層或碳攙雜氧化娃低介質(zhì)層等。
[0037]步驟102，在所述上襯底I的二氧化硅絕緣層2上形成第一金屬導(dǎo)體3，所述第一金屬導(dǎo)體3與所述絕緣層2底端齊平，如圖4a所示；本實施例中，所述第一金屬導(dǎo)體由錫填充形成，而在其他實施例中，填充金屬可為Al、Cu、In、Snln、SnAg、SnCu或SnAgCu等材料的任意一種，對于材料的選擇，只需要保證第二金屬突刺6的硬度大于第一金屬導(dǎo)體3的硬度即可。
[0038]步驟103，在所述下襯底4的二氧化硅絕緣層5上形成第二金屬突刺6，所述第二金屬突刺6為高于所述二氧化硅絕緣層5頂端的錐形凸起，如圖4b所示；本實施例中，所述第二金屬突刺由銅填充形