一種介質加壓熱退火混合鍵合方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及半導體制造領域，具體設及一種介質加壓熱退火混合鍵合方法。
【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=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=維電路集成的關鍵技術之一，尤其是混合鍵合技術可W在兩片晶圓鍵合的同時實 現數千個忍片的內部互聯，可W極大改善忍片性能并節約成本。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W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，本發明提供了一種介質加壓熱退火混合鍵合方法，包括如 下步驟：
[0009] 步驟1，提供兩個待纔合鍵合的晶圓；
[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] 步驟3，利用金屬沉積方法沉積金屬填充所述圖形化結構；
[0012] 步驟4,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5,使采用W上方法制作的兩晶圓相對放置，使兩晶圓表面金屬和介質層對 準，并在常溫常壓環境下完成預鍵合，得到預鍵合晶圓；
[0014] 步驟6,將預鍵合晶圓置于導熱介質中進行熱退火，利用通過導熱介質向鍵合晶圓 施加壓力的條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱膨脹力，使兩晶圓穩定的鍵合。
[0015] 優選的，所述將鍵合晶圓置于導熱介質中進行熱退火，利用通過導熱介質向鍵合 晶圓施加壓力的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，導熱介質的材質為金屬鐵、侶、銅、鐵、銀、鶴及其合金、化合物，非金屬碳及其化合物， 施加壓力為10~100KN。
[0016] 優選的，所述使兩晶圓表面金屬和介質層對準，并在常溫常壓環境下完成預鍵 合，得到預鍵合晶圓的步驟中，常溫常壓環境的溫度范圍在0~40°c，壓強范圍在0.9~ 1.3*10~5Pa。
[0017] 優選的，所述將鍵合晶圓置于導熱介質中進行熱退火，利用通過導熱介質向鍵合 晶圓施加壓力的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W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] W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] 本發明一種介質加壓混合鍵合方法，在常溫常壓下完成混合鍵合之后，進行特殊 的介質加壓熱退火：在熱退火環境中，使用良熱導率的介質向鍵合后的晶圓施加壓力，在完 成熱退火的同時，用壓力抵消晶圓界面上的熱膨脹所產生的內部壓力；從而削弱晶圓表面 不同介質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的材質為氧化娃，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I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] 做步驟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301、302和介質層201、202對準，并在常溫常壓環境下完成預鍵合，得到預 鍵合晶圓；具體地，常溫常壓環境的操作條件為：溫度范圍在0~40°C，壓強范圍在0. 9~ 1. 3*10~5Pa。優選的實施例中，選擇預鍵合溫度為20°C，壓強為1. 0*10~5化，或者預鍵合溫 度為30°C，壓強為1. 2*10、化。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。
[002引 妨步驟5 :如圖8所示，再將鍵合晶圓置于導熱介質4中進行熱退火；利用通過導 熱介質4向鍵合晶圓施加壓力的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，所述導熱介質4的材質為金屬鐵、侶、銅、鐵、銀、鶴及其合金、化合物， 非金屬碳及其化合物，根據選擇材料的不同，所施加壓力為10~IOOKN;所述熱退火的工藝 參數為：退火溫度范圍在200~450°C，退火時間大于0. 15小時。例如侶合金導熱介質壓 力設為10KN，退火溫度設為300攝氏度，退火時間為45分鐘；如果采用石英作為導熱介質， 壓力可設置為50KN~100KN，退火溫度為350攝氏度，退火時間為60min。
[0030] 本發明所述方法可W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]W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. 一種介質加壓熱退火混合鍵合方法，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； 步驟3,利用金屬沉積方法沉積金屬填充所述圖形化結構； 步驟4,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5,使采用以上方法制作的兩晶圓相對放置，使兩晶圓表面金屬和介質層對準，并 在常溫常壓環境下完成預鍵合，得到預鍵合晶圓； 步驟6,將預鍵合晶圓置于導熱介質中進行熱退火，利用通過導熱介質向鍵合晶圓施加 壓力的條件抵消熱退火中晶圓鍵合界面的熱膨脹力，使兩晶圓穩定的鍵合。2. 根據權利要求1所述一種介質加壓熱退火混合鍵合方法，其特征在于，所述步驟6 中，導熱介質的材質為金屬鐵、鋁、銅、鈦、銀、鎢及其合金、化合物，非金屬碳及其化合物，施 加壓力為10~100KN。3. 根據權利要求1或2所述一種介質加壓熱退火混合鍵合方法，其特征在于，所述步驟 5中，常溫常壓環境的溫度范圍在0~40°C，壓強范圍在0. 9~1.3*l(T5Pa。4. 根據權利要求1或2所述一種介質加壓熱退火混合鍵合方法，其特征在于，所述步驟 6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】本發明涉及一種介質加壓熱退火混合鍵合方法。在常溫常壓下完成混合鍵合之后，進行特殊的介質加壓熱退火：在熱退火環境中，使用良熱導率的介質向鍵合后的晶圓施加壓力，在完成熱退火的同時，用壓力抵消晶圓界面上的熱膨脹所產生的內部壓力，從而削弱晶圓表面不同介質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】H01L21/324, H01L21/603
【公開號】CN105140144
【申請號】CN201510557539
【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12月9日
【申請日】2015年9月2日