一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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(shì)的三維集成電路是延長(zhǎng)摩爾定律并解決先進(jìn)封裝問(wèn)題的有效途徑。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，尤其是混合鍵合技術(shù)可以在兩片晶圓鍵合的同時(shí)實(shí) 現(xiàn)數(shù)千個(gè)芯片的內(nèi)部互聯(lián)，可以極大改善芯片性能并節(jié)約成本。混合鍵合技術(shù)是指晶圓鍵 合界面上同時(shí)存在金屬和絕緣物質(zhì)的鍵合方式。
[0003] 混合鍵合在界面上同時(shí)存在金屬和絕緣物質(zhì)，在鍵合技術(shù)中，要通過(guò)高溫退火才 能讓金屬與金屬，絕緣物質(zhì)與絕緣物質(zhì)之間形成穩(wěn)定的鍵合。表1 :半導(dǎo)體行業(yè)常見(jiàn)物質(zhì)的 熱膨脹系數(shù)表，如表1所示金屬和絕緣物質(zhì)之間的熱膨脹系數(shù)存在很大的差異。由于金屬 和絕緣物質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差異，在進(jìn)行高溫退火后的晶圓上的金屬部分比絕緣物質(zhì)部 分要膨脹的高，從而導(dǎo)致混合鍵合失敗。圖1至圖3為混合鍵合在高溫?zé)嵬嘶鹬杏捎诮饘?和絕緣物質(zhì)熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo)致鍵合失敗的實(shí)施例剖面示意圖；如圖1至圖3所示，晶圓 1的鍵合界面上同時(shí)存在金屬3和絕緣物質(zhì)2 ;在高溫情況下，金屬3部分比絕緣物質(zhì)2部 分要膨脹的高，從而導(dǎo)致高溫退火后晶圓混合鍵合失敗。
[0004] 表1 :半導(dǎo)體行業(yè)常見(jiàn)物質(zhì)的熱膨脹系數(shù)表
[0005]
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種混合鍵合技術(shù)以解決混合鍵合技術(shù)中由于熱膨脹系數(shù) 的差異而在熱退火過(guò)程中鍵合失敗的問(wèn)題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法，包括 如下步驟：
[0009] 步驟1，提供兩個(gè)待混合鍵合的晶圓；
[0010] 步驟2,在晶圓表面沉積介質(zhì)層，并進(jìn)行圖形化處理，獲得圖形化結(jié)構(gòu)；
[0011] 利用金屬沉積方法沉積金屬填充所述圖形化結(jié)構(gòu)；
[0012] 步驟3,采用化學(xué)機(jī)械研磨方法對(duì)晶圓表面進(jìn)行平坦化處理，使晶圓表面金屬和介 質(zhì)層表面在一個(gè)平面上；
[0013] 步驟4,使采用以上方法制作的兩晶圓相對(duì)，使兩晶圓表面金屬和介質(zhì)層對(duì)準(zhǔn)，并 在真空環(huán)境下完成預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵合晶圓，在預(yù)鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區(qū)域會(huì)形成 微觀真空腔體；
[0014] 步驟5,預(yù)鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環(huán)境進(jìn)行熱退火，外部大氣壓與微觀真 空腔體內(nèi)的真空存在壓力差，利用所述壓力差條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱膨脹 力，實(shí)現(xiàn)兩晶圓穩(wěn)定的鍵合。
[0015] 優(yōu)選的，所述在真空環(huán)境下完成預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵合晶圓，在預(yù)鍵合晶圓鍵合界 面的不平坦區(qū)域會(huì)形成微觀真空腔體的步驟中，真空環(huán)境的真空度大于7. 6T〇rr。
[0016] 優(yōu)選的，所述預(yù)鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環(huán)境進(jìn)行熱退火，外部大氣壓與微 觀真空腔體內(nèi)的真空存在壓力差，利用所述壓力差條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱膨 脹力，實(shí)現(xiàn)兩晶圓穩(wěn)定的鍵合的步驟中，外部大氣壓的壓強(qiáng)大于〇.5*10~5Pa。
[0017] 優(yōu)選的，所述預(yù)鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環(huán)境進(jìn)行熱退火，外部大氣壓與微 觀真空腔體內(nèi)的真空存在壓力差，利用所述壓力差條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱 膨脹力，實(shí)現(xiàn)兩晶圓穩(wěn)定的鍵合的步驟中，熱退火的工藝參數(shù)為：退火溫度范圍在200~ 450°C，退火時(shí)間大于0. 15小時(shí)。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：可以削弱混合鍵合界面上金屬和絕緣物質(zhì)之間熱膨脹系數(shù) 的差異的影響，從而提高鍵合的成功率，同時(shí)提高混合鍵合技術(shù)在設(shè)計(jì)上的限制（不需要 考慮不同熱膨脹系數(shù)材料在界面上的面積比）。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1至圖3為混合鍵合在高溫?zé)嵬嘶鹬杏捎诮饘俸徒^緣物質(zhì)熱膨脹系數(shù)差異而導(dǎo) 致鍵合失敗的實(shí)施例剖面示意圖；
[0020] 圖4~圖8為本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例對(duì)應(yīng)的工藝流程剖面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0022] 本發(fā)明一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法基于晶圓表面并不是理想的鏡面，而 總是有一定的起伏和表面粗糙度，兩晶圓在真空環(huán)境下進(jìn)行混合鍵合，在兩晶圓界面上的 不平坦區(qū)域會(huì)形成真空腔體，完成混合鍵合后的晶圓在常壓環(huán)境下進(jìn)行高溫退火，外部大 氣壓與微觀真空腔體內(nèi)的真空存在壓力差，該壓力差與晶圓鍵合界面上的熱膨脹的力相互 抵消，可有效削弱熱膨脹系數(shù)差異的影響。
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0024] 圖4~圖8為本發(fā)明提供的一個(gè)實(shí)施例對(duì)應(yīng)的工藝流程剖面示意圖，為更好說(shuō)明 本發(fā)明，下面分步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0025] (1)步驟1 :如圖4和圖5所示，在待鍵合的晶圓101表面沉積介質(zhì)層201，并進(jìn)行 圖形化處理，獲得圖形化結(jié)構(gòu)；在本實(shí)施例中介質(zhì)層201的材質(zhì)為氧化硅，沉淀方式CVD方 式，圖形化處理采用反應(yīng)離子刻蝕的方式；
[0026] (2)步驟2 :如圖6所示，在步驟1完成的晶圓101表面實(shí)施金屬沉積方法沉積金 屬填充所述圖形化結(jié)構(gòu)；
[0027] (3)步驟3 :如圖7所示，采用化學(xué)機(jī)械研磨方式處理晶圓101表面，使金屬301與 介質(zhì)層201表面在平坦化處理后在一個(gè)平面上；
[0028] (4)步驟4 :采用上述方法制作晶圓102,使晶圓102具有和晶圓101相似的結(jié)構(gòu)， 晶圓102包括：晶圓102表面的介質(zhì)層202和金屬302 ;將晶圓101和晶圓102相對(duì)，使兩 晶圓表面金屬材料30U302和介質(zhì)層20U202對(duì)準(zhǔn)，并在真空環(huán)境下完成預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵 合晶圓，在預(yù)鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區(qū)域會(huì)形成微觀真空腔體4 ;具體地，真空環(huán)境的 真空度大于7. 6Torr;在實(shí)施預(yù)鍵合工藝之前，對(duì)待鍵合晶圓進(jìn)行表面處理，如超聲清洗， 等離子清洗等，去除表面顆粒和氧化層，保證鍵合界面性能。
[0029] (5)步驟5 :如圖8所示，預(yù)鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環(huán)境進(jìn)行熱退火，外 部大氣壓與微觀真空腔體4內(nèi)的真空存在壓力差，利用所述壓力差條件抵消熱退火中晶 圓鍵合界面的熱膨脹力，實(shí)現(xiàn)兩晶圓穩(wěn)定的鍵合；具體地，所述外部大氣壓的壓強(qiáng)大于 0. 5*10~5Pa;所述熱退火的操作條件為：退火溫度范圍在200~450°C，退火時(shí)間大于0. 15 小時(shí)。，例如在300°C的退火溫度下，退火0. 3小時(shí)。
[0030] 本發(fā)明所述方法可以削弱金屬和絕緣物質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差異的影響，從而提 高鍵合的成功率，同時(shí)提高混合鍵合技術(shù)在設(shè)計(jì)上的限制，例如：不需要考慮不同熱膨脹系 數(shù)材料在界面上的面積比。
[0031] 以上所述實(shí)施步驟和方法僅僅表達(dá)了本發(fā)明的一種實(shí)施方式，描述較為具體和詳 細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。在不脫離本發(fā)明專利構(gòu)思的前提下， 所作的變形和改進(jìn)應(yīng)當(dāng)都屬于本發(fā)明專利的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，提供兩個(gè)待混合鍵合的晶圓； 步驟2,在晶圓表面沉積介質(zhì)層，并進(jìn)行圖形化處理，獲得圖形化結(jié)構(gòu)；利用金屬沉積 方法沉積金屬填充所述圖形化結(jié)構(gòu)； 步驟3,采用化學(xué)機(jī)械研磨方法對(duì)晶圓表面進(jìn)行平坦化處理，使晶圓表面金屬和介質(zhì)層 表面在一個(gè)平面上； 步驟4,使采用以上方法制作的兩晶圓相對(duì)，使兩晶圓表面金屬和介質(zhì)層對(duì)準(zhǔn)，并在真 空環(huán)境下完成預(yù)鍵合，得到預(yù)鍵合晶圓，在預(yù)鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區(qū)域會(huì)形成微觀 真空腔體； 步驟5,預(yù)鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環(huán)境進(jìn)行熱退火，外部大氣壓與微觀真空腔 體內(nèi)的真空存在壓力差，利用所述壓力差條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱膨脹力，實(shí) 現(xiàn)兩晶圓穩(wěn)定的鍵合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法，其特征在于，所述步驟4 中，真空環(huán)境的真空度大于7. 6Torr。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法，其特征在于，所述步 驟5中，外部大氣壓的壓強(qiáng)大于0. 5*10~5Pa。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法，其特征在于，所述步 驟5中，熱退火的工藝參數(shù)為：退火溫度范圍在200~450°C，退火時(shí)間大于0. 15小時(shí)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法。首先在真空環(huán)境下實(shí)施晶圓的混合鍵合，兩片晶圓界面上的不平坦區(qū)域會(huì)形成真空腔體；鍵合完成后，離開真空環(huán)境；外部大氣壓與微觀上的真空腔體相互作用，會(huì)將大氣壓力作用到混合鍵合的界面上；此時(shí)再進(jìn)行高溫退火，熱膨脹的力與大氣壓力相互抵消，可有效削弱熱膨脹系數(shù)差異的影響。本發(fā)明可以削弱混合鍵合界面上金屬和絕緣物質(zhì)之間熱膨脹系數(shù)的差異的影響，從而提高鍵合的成功率，同時(shí)提高混合鍵合技術(shù)在設(shè)計(jì)上的限制，例如：不需要考慮不同熱膨脹系數(shù)材料在界面上的面積比。
【IPC分類】H01L21/60
【公開號(hào)】CN105006440
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510355715
【發(fā)明人】梅紹寧, 程衛(wèi)華, 陳俊, 朱繼鋒
【申請(qǐng)人】武漢新芯集成電路制造有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年6月24日