一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體制造領域，具體涉及一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法。
【背景技術】
[0002] 在超大規模集成電路發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。而晶圓鍵合技 術正是三維電路集成的關鍵技術之一，尤其是混合鍵合技術可以在兩片晶圓鍵合的同時實 現數千個芯片的內部互聯，可以極大改善芯片性能并節約成本。混合鍵合技術是指晶圓鍵 合界面上同時存在金屬和絕緣物質的鍵合方式。
[0003] 混合鍵合在界面上同時存在金屬和絕緣物質，在鍵合技術中，要通過高溫退火才 能讓金屬與金屬，絕緣物質與絕緣物質之間形成穩定的鍵合。表1 :半導體行業常見物質的 熱膨脹系數表，如表1所示金屬和絕緣物質之間的熱膨脹系數存在很大的差異。由于金屬 和絕緣物質之間熱膨脹系數的差異，在進行高溫退火后的晶圓上的金屬部分比絕緣物質部 分要膨脹的高，從而導致混合鍵合失敗。圖1至圖3為混合鍵合在高溫熱退火中由于金屬 和絕緣物質熱膨脹系數差異而導致鍵合失敗的實施例剖面示意圖；如圖1至圖3所示，晶圓 1的鍵合界面上同時存在金屬3和絕緣物質2 ;在高溫情況下，金屬3部分比絕緣物質2部 分要膨脹的高，從而導致高溫退火后晶圓混合鍵合失敗。
[0004] 表1 :半導體行業常見物質的熱膨脹系數表
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【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種混合鍵合技術以解決混合鍵合技術中由于熱膨脹系數 的差異而在熱退火過程中鍵合失敗的問題。
[0008] 為解決上述技術問題，本發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，提供兩個待混合鍵合的晶圓；
[0010] 步驟2,在晶圓表面沉積介質層，并進行圖形化處理，獲得圖形化結構；
[0011] 利用金屬沉積方法沉積金屬填充所述圖形化結構；
[0012] 步驟3,采用化學機械研磨方法對晶圓表面進行平坦化處理，使晶圓表面金屬和介 質層表面在一個平面上；
[0013] 步驟4,使采用以上方法制作的兩晶圓相對，使兩晶圓表面金屬和介質層對準，并 在真空環境下完成預鍵合，得到預鍵合晶圓，在預鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區域會形成 微觀真空腔體；
[0014] 步驟5,預鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環境進行熱退火，外部大氣壓與微觀真 空腔體內的真空存在壓力差，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，實現兩晶圓穩定的鍵合。
[0015] 優選的，所述在真空環境下完成預鍵合，得到預鍵合晶圓，在預鍵合晶圓鍵合界 面的不平坦區域會形成微觀真空腔體的步驟中，真空環境的真空度大于7. 6T〇rr。
[0016] 優選的，所述預鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環境進行熱退火，外部大氣壓與微 觀真空腔體內的真空存在壓力差，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，實現兩晶圓穩定的鍵合的步驟中，外部大氣壓的壓強大于〇.5*10~5Pa。
[0017] 優選的，所述預鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環境進行熱退火，外部大氣壓與微 觀真空腔體內的真空存在壓力差，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，實現兩晶圓穩定的鍵合的步驟中，熱退火的工藝參數為：退火溫度范圍在200~ 450°C，退火時間大于0. 15小時。
[0018] 本發明的有益效果是：可以削弱混合鍵合界面上金屬和絕緣物質之間熱膨脹系數 的差異的影響，從而提高鍵合的成功率，同時提高混合鍵合技術在設計上的限制（不需要 考慮不同熱膨脹系數材料在界面上的面積比）。
【附圖說明】
[0019] 圖1至圖3為混合鍵合在高溫熱退火中由于金屬和絕緣物質熱膨脹系數差異而導 致鍵合失敗的實施例剖面示意圖；
[0020] 圖4~圖8為本發明提供的一個實施例對應的工藝流程剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并 非用于限定本發明的范圍。
[0022] 本發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，兩晶圓在真空環境下進行混合鍵合，在兩晶圓界面上的 不平坦區域會形成真空腔體，完成混合鍵合后的晶圓在常壓環境下進行高溫退火，外部大 氣壓與微觀真空腔體內的真空存在壓力差，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差異的影響。
[0023] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0024] 圖4~圖8為本發明提供的一個實施例對應的工藝流程剖面示意圖，為更好說明 本發明，下面分步驟進行詳細介紹。
[0025] (1)步驟1 :如圖4和圖5所示，在待鍵合的晶圓101表面沉積介質層201，并進行 圖形化處理，獲得圖形化結構；在本實施例中介質層201的材質為氧化硅，沉淀方式CVD方 式，圖形化處理采用反應離子刻蝕的方式；
[0026] (2)步驟2 :如圖6所示，在步驟1完成的晶圓101表面實施金屬沉積方法沉積金 屬填充所述圖形化結構；
[0027] (3)步驟3 :如圖7所示，采用化學機械研磨方式處理晶圓101表面，使金屬301與 介質層201表面在平坦化處理后在一個平面上；
[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相似的結構， 晶圓102包括：晶圓102表面的介質層202和金屬302 ;將晶圓101和晶圓102相對，使兩 晶圓表面金屬材料30U302和介質層20U202對準，并在真空環境下完成預鍵合，得到預鍵 合晶圓，在預鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區域會形成微觀真空腔體4 ;具體地，真空環境的 真空度大于7. 6Torr;在實施預鍵合工藝之前，對待鍵合晶圓進行表面處理，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，預鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環境進行熱退火，外 部大氣壓與微觀真空腔體4內的真空存在壓力差，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，實現兩晶圓穩定的鍵合；具體地，所述外部大氣壓的壓強大于 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，退火時間大于0. 15 小時。，例如在300°C的退火溫度下，退火0. 3小時。
[0030] 本發明所述方法可以削弱金屬和絕緣物質之間熱膨脹系數的差異的影響，從而提 高鍵合的成功率，同時提高混合鍵合技術在設計上的限制，例如：不需要考慮不同熱膨脹系 數材料在界面上的面積比。
[0031] 以上所述實施步驟和方法僅僅表達了本發明的一種實施方式，描述較為具體和詳 細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。在不脫離本發明專利構思的前提下， 所作的變形和改進應當都屬于本發明專利的保護范圍。
【主權項】
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，提供兩個待混合鍵合的晶圓； 步驟2,在晶圓表面沉積介質層，并進行圖形化處理，獲得圖形化結構；利用金屬沉積 方法沉積金屬填充所述圖形化結構； 步驟3,采用化學機械研磨方法對晶圓表面進行平坦化處理，使晶圓表面金屬和介質層 表面在一個平面上； 步驟4,使采用以上方法制作的兩晶圓相對，使兩晶圓表面金屬和介質層對準，并在真 空環境下完成預鍵合，得到預鍵合晶圓，在預鍵合晶圓鍵合界面的不平坦區域會形成微觀 真空腔體； 步驟5,預鍵合完成后，鍵合晶圓離開真空環境進行熱退火，外部大氣壓與微觀真空腔 體內的真空存在壓力差，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 現兩晶圓穩定的鍵合。2. 根據權利要求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，真空環境的真空度大于7. 6Torr。3. 根據權利要求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，外部大氣壓的壓強大于0. 5*10~5Pa。4. 根據權利要求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，熱退火的工藝參數為：退火溫度范圍在200~450°C，退火時間大于0. 15小時。
【專利摘要】本發明涉及一種真空鍵合大氣加壓混合鍵合方法。首先在真空環境下實施晶圓的混合鍵合，兩片晶圓界面上的不平坦區域會形成真空腔體；鍵合完成后，離開真空環境；外部大氣壓與微觀上的真空腔體相互作用，會將大氣壓力作用到混合鍵合的界面上；此時再進行高溫退火，熱膨脹的力與大氣壓力相互抵消，可有效削弱熱膨脹系數差異的影響。本發明可以削弱混合鍵合界面上金屬和絕緣物質之間熱膨脹系數的差異的影響，從而提高鍵合的成功率，同時提高混合鍵合技術在設計上的限制，例如：不需要考慮不同熱膨脹系數材料在界面上的面積比。
【IPC分類】H01L21/60
【公開號】CN105006440
【申請號】CN201510355715
【發明人】梅紹寧, 程衛華, 陳俊, 朱繼鋒
【申請人】武漢新芯集成電路制造有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年6月24日