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1. (WO2018076700) METHOD FOR HYBRID BONDING BETWEEN SILICON WAFERS
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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

附图

0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007  

说明书

发明名称 : 一种硅片间的混合键合方法

技术领域

[0001]
本发明涉及集成电路制造工艺技术领域,更具体地,涉及一种采用混合键合方式的硅片间键合方法。

技术背景

[0002]
随着集成电路制造技术进入45nm及以下技术代,为了克服特征尺寸缩小所带来的技术问题,业界普遍采用了一些新技术,如应变硅工程、高介电常数介质/金属栅极、多重曝光技术等,而且进入16nm技术节点,传统的二维CMOS器件也转向了三维的FinFET器件。这些前沿技术的高投入和高风险将众多中小型集成电路制造商拒之门外,为了寻求生机,那些被淘汰出局的制造商们只能另寻出路,一场技术革命正在酝酿。三维集成电路已被公认为下一代半导体技术,其优势在于高性能、低功耗、小的物理尺寸、高的集成密度。如何实现垂直互连是三维集成的关键,其核心技术就是堆叠键合(Stacked Bonding)和硅通孔(TSV)。
[0003]
堆叠键合的制造方法一般有三种,即芯片间键合、芯片与硅片键合、硅片间键合。其中,芯片-芯片键合是目前采用最多的方法,并已被封装厂商用于大生产。虽然芯片-芯片键合的良率高,但划片和测试需要花费很多时间和资源,因此该方法的制造成本非常高。芯片-硅片键合技术,会先对良率偏低产品的硅片进行划片、检测,挑选出好的芯片,再键合到良率较高产品的硅片上,以此减少一部分工艺步骤,相对节约成本,这是封装厂的未来技术趋势。硅片-硅片键合则适用于高良率的同类产品间的集成,硅片-硅片 键合可最大化生产效率、简化工艺流程、最小化成本,但如果硅片的良率不高或者不稳定,KGD(已知合格芯片)数量将受到限制,进而影响硅片-硅片键合的合格率,这是芯片制造商的主攻方向,能充分发挥出技术代落后的产能。从未来的大生产应用来考虑,硅片-硅片键合和芯片-硅片键合技术将成为三维集成的主流解决方案。
[0004]
硅片-硅片键合需要采用硅片级键合技术来实现硅片间的物理粘结,甚至直接获得硅片间的电连接。三维集成中的硅片级键合技术包括粘合键合、金属扩散键合、共熔键合、硅基直接键合和混合键合等。其中,混合键合是新兴技术,也是最具潜力的高良率、高可靠性的键合技术。混合键合(Hybrid bonding)结合了金属-金属键合和介质-介质键合,在获得垂直金属互连的同时,采用介质粘合的辅助作用来增强3D堆叠芯片之间的物理机械性能。由于电互连和微孔隙介质填充同时进行,因此混合键合技术有效简化了3D工艺流程,并避免了特征尺寸减小带来的微孔隙填充技术挑战,可应用于高密度的硅片间键合工艺。
[0005]
对于集成密度要求高的硅片间键合工艺而言,混合键合需采用工艺集成难度较大的低温介质激活键合工艺来实现,且需采用SiO2、Si3N4等无机介质作为键合材料。其通过在铜后道工艺中完成常规的金属互连层工艺,最终停在最上一层铜互连层的Cu CMP工艺,暴露出铜和SiO2介质,然后通过等离子体表面激活技术将表面介质激活;当两枚硅片相互接触时,表面介质在常温下就发生较强的物理键合;接着通过一步350-400℃和2小时的退火工艺将Cu-Cu键合在一起并形成电连接,以此获得金属和介质的共同键合。但因其最后一步退火工艺时间太长,严重影响了生产效率,且由于铜的热膨 胀系数远大于SiO2介质,在铜结晶化的退火温度下,铜的体积会增大并有可能将周边已经键合的介质挤开而形成缺陷,甚至导致键合工艺失败。
[0006]
上述混合键合技术对Cu CMP工艺有非常高的工艺控制要求,要求铜层的高度须低于介质层,且铜的凹陷量须在10nm以内,这给量产工艺控制带来了严峻挑战。
[0007]
发明概要
[0008]
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷,提供一种硅片间的混合键合方法,通过降低金属退火温度,来减少出现介质分层的风险,进而降低工艺集成难度。
[0009]
为达成上述目的,本发明提供一种硅片间的混合键合方法,包括以下步骤:
[0010]
步骤S01,提供两枚硅片衬底,在所述硅片衬底上采用常规铜后道工艺获得铜和介质的平坦化表面;
[0011]
步骤S02,采用刻蚀工艺去除铜图形结构表面的一部分铜,以形成一定量的铜凹陷;
[0012]
步骤S03,采用选择性沉积工艺在铜表面沉积一层键合金属;
[0013]
步骤S04,采用表面激活工艺对键合金属和介质进行表面激活;
[0014]
步骤S05,将两枚硅片相互对准并压在一起,获得介质键合;
[0015]
步骤S06,通过退火工艺获得金属键合。
[0016]
进一步地,步骤S01包括在硅片衬底表面沉积一层介质,采用光刻、刻蚀工艺获得Pad的沟槽图形,采用PVD工艺沉积阻挡层和籽晶层,采用ECP工艺填充铜,并采用CMP工艺获得铜和介质的平坦化表面。
[0017]
进一步地,步骤S02包括采用湿法刻蚀工艺去除一部分铜。
[0018]
进一步地,步骤S02包括先采用氧化工艺将铜的表面氧化,再采用湿法刻蚀工艺将氧化的铜去除。
[0019]
进一步地,步骤S03采用化学镀工艺在铜表面沉积键合金属。
[0020]
进一步地,所述键合金属为Sn或Au。
[0021]
进一步地,步骤S03沉积键合金属后,其高度不高于介质的高度。
[0022]
进一步地,步骤S04包括先采用等离子体轰击对键合金属和介质进行激活,再采用湿法清洗工艺进行表面清洗。
[0023]
进一步地,步骤S05包括在常温常压下进行介质键合。
[0024]
进一步地,步骤S06的退火工艺温度在200℃以内。
[0025]
本发明提供的硅片间的混合键合方法,通过采用刻蚀工艺去除铜图形结构表面一部分的铜,再选择性沉积一层键合金属,利用键合金属拥有的更低结晶温度和更短退火工艺时间,在低温退火温度下就能获得充分的金属键合,进而降低了热膨胀失配导致的介质分层风险,有利于降低工艺集成难度,节约工艺时间,提高产品良率。

附图说明

[0026]
图1是本发明的一种硅片间的混合键合方法流程图;
[0027]
图2-图7是本发明一较佳实施例中根据图1的方法进行两枚硅片间混合键合的工艺步骤示意图。
[0028]
发明内容
[0029]
以下将结合说明书附图对本发明的内容作进一步的详细描述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化,其皆不脱离本发明的范围,且其中的说明及图示在本质上当作说明之用,而非用以限制本发明。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率,仅用以方便、明 晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0030]
在以下本发明的具体实施方式中,请参阅图1,图1是本发明的一种硅片间的混合键合方法流程图;同时,请参阅图2-图7,图2-图7是本发明一较佳实施例中根据图1的方法进行两枚硅片间混合键合的工艺步骤示意图。如图1所示,本发明的一种硅片间的混合键合方法,包括以下步骤:
[0031]
步骤S01,提供两枚硅片衬底,在所述硅片衬底上采用常规铜后道工艺获得铜和介质的平坦化表面。
[0032]
请参阅图2。先分别在两枚硅片衬底(图略)表面沉积一层金属间介质(PMD)10,可采用纯二氧化硅、掺杂二氧化硅或Low-k介质材料。可根据不同技术要求来选择合适k值的介质,并可采用PECVD等技术来沉积介质。然后,可采用光刻工艺在介质表面定义出Pad(焊盘)图形区域。可根据不同集成密度要求来选择合适的光刻工艺,如65nm及以下技术代可采用193nm光刻技术。接着,采用刻蚀工艺获得Pad沟槽图形,可先采用干法刻蚀工艺把所需图形区域的介质刻蚀掉,再采用湿法清洗工艺去除残留物和光刻胶。接下来,可采用PVD工艺在沟槽内壁先后沉积阻挡层和籽晶层,这里一般先沉积一层极薄的Ta(N)阻挡层,再沉积一层连续的铜籽晶层。然后再采用ECP(电镀)工艺向沟槽图形中填充铜11,这里要将Pad结构填满铜,并提供足够厚的铜来保证后续的CMP工艺窗口,铜的厚度一般为0.8-1.6微米。最后,可采用标准的Cu CMP工艺将表面的金属Cu全部磨掉,获得平坦化的铜和介质的相间表面。这里对铜的凹陷量并没有严格要求。
[0033]
步骤S02,采用刻蚀工艺去除铜图形结构表面的一部分铜,以形成一定量的铜凹陷。
[0034]
请参阅图3。针对上述两枚硅片,采用刻蚀工艺去除Pad图形结构内的一部分铜11时,对介质10的刻蚀量要非常少。一方面,可以选择常用的湿法刻蚀工艺来实现高选择比的金属刻蚀,如采用H 2SO 4/H 2O 2/H 2O混合液(SPM)作为刻蚀剂。为了降低刻蚀速度,便于控制铜的刻蚀量,可以对SPM 溶液采用例如1:1:98的低浓度配比,其对铜的刻蚀速率可控制在每秒钟几十埃的水平。将此低浓度的SPM药液喷洒在硅片中心,在硅片旋转的离心力作用下均匀地浸没整个硅片,获得较为均匀的刻蚀效果。
[0035]
另一方面,也可以采用干法和湿法相结合的刻蚀工艺,来获得更加可控的刻蚀工艺效果。先采用干法氧化工艺,使用含氧的等离子体对铜进行可控的氧化处理,通过反应时间、温度和功率等工艺参数能准确控制铜的氧化程度和氧化铜厚度;再采用湿法刻蚀工艺,使用稀释的非氧化性酸将氧化铜去除,如稀盐酸只会与氧化铜发生反应,但不会腐蚀铜,这样就能有效地控制铜的刻蚀量,获得更好的刻蚀工艺控制效果。
[0036]
上述对铜的刻蚀量没有严格的要求,只需在Pad图形结构内形成明显的凹陷12即可。
[0037]
步骤S03,采用选择性沉积工艺在铜表面沉积一层键合金属。
[0038]
请参阅图4。针对上述两枚硅片,采用选择性沉积工艺只在铜上沉积一层键合金属13。为了降低金属键合时的工艺温度,可采用Sn、Au等作为键合金属。锡(Sn)是封装工艺中常见的键合材料,锡的硬度低,熔点仅为232℃,在200℃以下温度就能发生再结晶,是理想的低温键合材料;金(Au)也是封装工艺中常见的键合材料,其电阻率略大于铜,熔点接近铜,热膨胀系数比铜低,抗腐熟性强,是理想的键合材料。此外,虽然金的热压键合工艺温度一般在300℃以上,也存在类似的金属/介质的热膨胀失配问题,但是在Ar或N 2等离子体的表面激活下,Au的键合温度可以降低至150-200℃,从而可满足本发明的技术要求。
[0039]
对于上述键合金属而言,采用选择性化学镀工艺只在铜表面沉积锡或金。化学镀锡和化学镀金属于成熟的化工技术,这里不作详细展开。由于应用在半导体领域,化学镀的化学药剂中不能含有钠、钾等金属离子,可选用氨离子代替金属离子,并使用氨水来调节PH值。此外,为了获得选择性化学镀效果,可先对硅片表面进行清洗,采用稀释的盐酸将铜表面的自然 氧化层去除,并采用碱性的氨水来去除表面的有机残留物;然后采用氯化钯碱性药液只在铜表面镀上一层籽晶层;最后进行Sn或Au的化学镀工艺只在Pd(钯)籽晶层上沉积金属。也可采用DMAB(二甲基胺硼烷)强还原剂来实现不用Pd预镀层的直接选择性化学镀,仅在铜表面镀上键合金属Sn或Au。除此之外,所述步骤S03的选择性沉积键合金属后,Pad图形结构内的金属高度不得超出介质的高度,以免对准键合工艺中的介质无法相互接触而不能形成介质键合,因此,可使得键合金属的最终高度低于介质2-6纳米。
[0040]
步骤S04,采用表面激活工艺对键合金属和介质进行表面激活。
[0041]
请参阅图5。常规的例如SiO 2介质键合温度高达900℃以上,无法应用于存在金属的混合键合工艺。而采用等离子体激活技术可以打破Si-O键,形成亲水性介质表面,便于获得OH 悬挂键。当两枚硅片相互接触时,硅片表面会受到氢键作用而相互吸引,并在常温常压下键合在一起。
[0042]
由于混合键合是在金属和介质的表面同时进行,表面激活工艺应选择恰当的反应气体。为了防止金属严重氧化,不能选择氧气等强氧化气体,可选择惰性气体或抗氧化气体,如Ar和N 2等。这里以氮气为例,氮气流量可为50-200sccm,工艺腔真空度控制在0.1-0.5托,交流功率为50-100瓦,激活工艺时间为1-2分钟。在采用等离子体轰击对键合金属和介质进行激活完成后,还需要进行湿法清洗工艺,可采用DI水(去离子水)喷在上述两枚硅片中心,并在旋转硅片的离心力作用下均匀地清洗硅片表面,被激活的表面介质会与水发生反应,形成OH 悬挂键,并在硅片表面形成一层极薄的水膜。
[0043]
步骤S05,将两枚硅片相互对准并压在一起,获得介质键合。
[0044]
请参阅图6。与常见的热压键合不同,经过等离子体激活工艺后,通过精确的光学标记对准工艺,就能在常温常压下实现本发明两枚硅片之间的介 质键合。可在键合装置中将其中一枚硅片正面朝上,另一枚硅片正面朝下,先后通过安置在上下方的检测镜对两枚硅片进行光刻标记的识别和对位,确认好上下硅片的对准位置,然后将上硅片缓慢地下降至下硅片表面,并紧贴在一起,在氢键作用下两枚硅片自然发生介质10之间的键合。
[0045]
步骤S06,通过退火工艺获得金属键合。
[0046]
请参阅图7。退火工艺有两个主要作用,一方面是让金属略微膨胀,使两枚硅片上的键合金属13相互接触,并通过再结晶现象形成具有良好欧姆接触的金属键合;另一方面是让介质键合面的OH 键变成水分子挥发掉,并形成更强的Si-O-Si共价键,以此提高键合强度。
[0047]
常规的Cu-Cu键合工艺温度要在350-400℃,且退火时间长达2小时。为了降低热膨胀失配导致介质分层的风险,本发明通过采用等离子体激活技术对键合金属进行表面激活,将退火温度控制在200℃以内。在N 2等离子体激活处理后,在180℃温度下退火20分钟,即可实现金属Sn或Au的金属键合,这不仅降低了退火温度,也缩短了退火时间,有利于降低工艺集成难度和缩短工艺周期。
[0048]
综上所述,本发明通过采用刻蚀工艺去除铜图形结构表面一部分的铜,再选择性沉积一层键合金属,利用键合金属拥有的更低结晶温度和更短退火工艺时间,在低温退火温度下就能获得充分的金属键合,进而降低了热膨胀失配导致的介质分层风险,有利于降低工艺集成难度,节约工艺时间,提高产品良率。
[0049]
以上所述的仅为本发明的实施例,所述实施例并非用以限制本发明专利保护范围,因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化, 同理均应包含在本发明的保护范围内。

权利要求书

[权利要求 1]
一种硅片间的混合键合方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤S01,提供两枚硅片衬底,在所述硅片衬底上采用常规铜后道工艺获得铜和介质的平坦化表面; 步骤S02,采用刻蚀工艺去除铜图形结构表面的一部分铜,以形成一定量的铜凹陷; 步骤S03,采用选择性沉积工艺在铜表面沉积一层键合金属; 步骤S04,采用表面激活工艺对键合金属和介质进行表面激活; 步骤S05,将两枚硅片相互对准并压在一起,获得介质键合; 步骤S06,通过退火工艺获得金属键合。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S01包括在硅片衬底表面沉积一层介质,采用光刻、刻蚀工艺获得Pad的沟槽图形,采用PVD工艺沉积阻挡层和籽晶层,采用ECP工艺填充铜,并采用CMP工艺获得铜和介质的平坦化表面。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S02包括采用湿法刻蚀工艺去除一部分铜。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S02包括先采用氧化工艺将铜的表面氧化,再采用湿法刻蚀工艺将氧化的铜去除。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S03采用化学镀工艺在铜表面沉积键合金属。
[权利要求 6]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,所述键合金属为Sn或Au。
[权利要求 7]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S03沉积键合金属后,其高度不高于介质的高度。
[权利要求 8]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S04包括先采用等离子体轰击对键合金属和介质进行激活,再采用湿法清洗工艺进行表面清洗。
[权利要求 9]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S05包括在常温常压下进行介质键合。
[权利要求 10]
根据权利要求1所述的硅片间的混合键合方法,其特征在于,步骤S06的退火工艺温度在200℃以内。

附图

[ 图 0001]  
[ 图 0002]  
[ 图 0003]  
[ 图 0004]  
[ 图 0005]  
[ 图 0006]  
[ 图 0007]