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CN104167372A - 一种混合键合方法 - Google Patents

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梅绍宁
程卫华
陈俊
朱继锋
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Abstract

本发明提供一种混合键合方法，所述方法包括：提供两片需要进行键合的硅片，每片所述硅片的键合界面上既包含金属又包含绝缘物；将所述两片硅片的键合界面对准后对该两片硅片进行键合工艺和热退火工艺；其中，在进行所述键合工艺和热退火工艺的过程中，将环境温度控制在200℃以上，同时在两片硅片上各施加一大小相等方向相反并均指向所述键合界面的压力，所述压力为1000牛以上。通过本发明方法可以减小键合界面的变形程度，使晶圆在键合界面上的平整度得以提高，有效避免了界面错位情况的发生，提高了混合键合的成功率。

Description

一种混合键合方法
技术领域
本发明涉及半导体生产线领域，尤其涉及一种混合键合方法。
背景技术
三维集成电路需要在两片晶圆键合的同时实现数千个芯片的内部互连，而这些需要对两片晶圆进行导电性键合，一般导电性连接可通过单纯的金属键合工艺和键合强度更高的混合键合工艺来实现，由于单纯的金属键合工艺所能达到的强度并不理想，所以混合键合工艺是目前三维集成电路中键合工艺的首选。
混合键合技术是通过在晶圆的键合界面上的同时设置有金属和绝缘物的键合工艺，并在键合过程中需要将两片晶圆的键合界面上的金属与金属对齐、绝缘物与绝缘物对齐，并在一定的温度条件下进行键合。由于在键合界面上至少同时存在着两种不同膨胀系数的材质，使得晶圆在键合的过程中，其键合界面上的金属和绝缘物在一定的温度作用下，产生不同程度的形变，即不均匀形变，从而在键合界面上出现界面错位，并最终导致键合失败。
通常的键合界面上的绝缘物的材质为二氧化硅或氮化硅，而金属的材质为铜，这些材料的热膨胀系数差别十分明显，具体可以参见下表一：
半导体行业常见物质 热膨胀系数(百万分之一/每摄氏度)
二氧化硅 0.55
氮化硅 3.2
铜 16.7
表一
通过表一，可见绝缘材料的热膨胀系数普遍较小，而金属材质的热膨胀系数普遍较大，所以在进行混合键合的过程中，当温度上升后，位于键合面上的绝缘材料和金属的膨胀程度不同，金属会膨胀得更剧烈，如图1所示，从而使得位于键合界面上的金属11和绝缘物12的顶部高度不相同，所以在键合过程中会导致键合失败。
中国专利(CN 102169845A)公开了一种用于三维封装的多层混合同步键合结构及方法。该方法包括：在一个待混合键合衬底的金属焊盘表面上形成硬金属锥形阵列；在另一个待混合衬底的金属焊盘表面上形成软金属层；在两个待混合键合衬底的非金属焊盘表面形成介电粘附层；将硬金属锥形阵列和软金属层对准，进行加热和加压后，使得锥形金属阵列插入到软金属层中，同时介电粘附层互相结合，形成一种混合预键合结构；在进行加热，使插入到软金属层中的锥形金属阵列形成金属间化合物，介电粘附层固化结合。
上述专利中对混合键合中的机械强度进行了提高，但是并未考虑混合键合工艺过程中的温度升高而导致的键合界面材料膨胀程度的不同而可能引起的键合失败。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种混合键合方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
一种混合键合方法，其中，所述方法包括：
提供两片需要进行键合的硅片，每片所述硅片的键合界面上既包含金属又包含绝缘物；
将所述两片硅片的键合界面对准后，对该两片硅片进行键合工艺和热退火工艺；
其中，在进行所述键合工艺和热退火工艺的过程中，将环境温度控制在200℃以上，同时在两片硅片上各施加一大小相等方向相反并指向所述键合界面的压力，所述压力为1000牛以上。
所述的混合键合方法，其中，将所述两片硅片的键合界面对准的具体方法为：
将两片硅片的键合界面上需要键合在一起的金属与金属对准、绝缘物与绝缘物对准。
所述的混合键合方法，其中，所述绝缘物包括二氧化硅和氮化硅。
所述的混合键合方法，其中，所述金属包括铜、钨、锡中的任意一种或多种的组合。
所述的混合键合方法，其中，所述键合界面上的金属和绝缘物的顶部处于同一高度。
所述的混合键合方法，其中，所述环境温度为200℃～450℃。
所述的混合键合方法，其中，所述压力的大小为1000～50000牛。
所述的混合键合方法，其中，所述键合界面的制备包括以下步骤：
在所述晶圆中的顶部金属器件层上制备金属块；
制备绝缘物层覆盖所述金属块和所述顶部金属器件层；
研磨所述绝缘物层至所述金属块的顶部，使所述研磨后的绝缘物层和所述金属块的顶部处于同一高度。
所述的混合键合方法，其中，通过化学机械研磨工艺研磨所述绝缘物层。
所述的混合键合方法，其中，通过电镀工艺制备所述金属块。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明提供的混合键合方法通过在对晶圆进行键合的过程中，对晶圆施加高温和高压，从而使得位于晶圆键合界面上的绝缘物和金属能够在高压力的作用下，抑制部分的热膨胀效应，从而减小形变的程度，进而使得晶圆在键合界面上的平整度得以提高，有效避免了界面错位情况的发生，提高了混合键合的成功率。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1是现有技术的混合键合工艺中键合界面的结构示意图；
图2是本发明混合键合方法中的待键合的硅片的结构示意图；
图3是本发明混合键合方法中进行键合工艺时的硅片结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种混合键合方法。
本发明方法主要包括：
提供两片需要进行键合的硅片，其中，每片硅片的键合界面上既包含金属又包含绝缘物；将两片硅片的键合界面对准后，对该两片硅片进行键合工艺和退火工艺。在进行键合工艺和热退火工艺的过程中，需要对两片硅片进行加温和加压操作，其中，将环境温度控制在200℃(包括200℃)以上，并在两片硅片上施加一对大小相等方向相反并指向键合界面的压力，对于该压力的大小，需控制1000牛以上(包括1000牛)为宜。
下面结合附图和实施例对本发明方法进行详细说明。
如图2所述，首先提供两片需要进行键合的硅片，分别为第一硅片a和第二硅片b，每片硅片内均包含有位于衬底20上的金属器件层21，在金属器件层21的顶部(即晶圆的键合界面)上设置有金属23和绝缘物22，由于图中的第二硅片是倒置，第二硅片中金属23和绝缘物22设置于金属器件层21的下方，金属23与绝缘物22的顶部均位于同一高度，在本实施例中，金属可以是铜、钨、锡中的任意一种或多种的组合。
如图3所示，然后，将上述的两片硅片中金属与金属对齐，绝缘物与绝缘物对齐后，进行混合键合工艺以及热退火工艺，在上述两个工艺过程中，分别在两片硅片的背面施加一对大小相等方向相反并指向键合界面的压力，即压力F1与压力F2分别作用于第一硅片a和第二硅片b的背面，且F1与F2的大小相等，F1的方向为竖直向上，F2的方向为竖直向下，F1与F2的大小需控制在1000牛以上且50000牛以下(如1000牛、1500牛、50000牛等)，在这样一对压力的作用下，可以将第一硅片a和第二硅片b的键合界面对准并保持相对的固定，避免产生较大的滑动。此处，需要指出的是，图3中的压力F1与压力F2仅作为本发明的一个示意，对于所施加的压力，并不局限于这种情况，压力也可以是对整个键合面施加的，即在每个硅的上施加压力，使得作用于其中一片硅片上的压力的合力与作用于另一片硅片上的压力的合力大小相等方向相反，且作用于同一直线上。在对两片硅片施加上述压力的同时，还必须控制环境温度，使得环境温度至少大于200℃且450℃以下(如200℃、300℃、450℃等)。在键合和退火的过程中，采用上述的高温、高压作用于需键合硅片上，可以减小硅片的键合界面中发生相对滑动而导致的错位。
基于上述实施例，下面对待键合硅片的键合界面的制备过程进行必要说明，由于第一硅片与第二硅片在键合界面处的结构类似，因此，以第一硅片为例，对键合界面的制备过程进行说明。
首先，在第一硅片中的金属器件层的顶部，制备若干金属块，该若干金属块之间均间隔一定空隙。
然后，制备绝缘物层覆盖上述的金属块和暴露的金属器件层的顶部，在该步骤中，对制备工艺进行控制，使得所制备的绝缘物层中，位于暴露的金属器件层的顶部的部分的表面高于上述的金属块的顶部。
对上述制备的绝缘物层进行研磨，并使研磨停止于金属块的顶部，从而使得研磨后的绝缘物层的顶部与若干金属块的顶部位于同一高度。
至此，完成对待键合硅片的键合界面的制备。
上述的金属块，优选采用电镀工艺制备；上述的对绝缘物层进行研磨的过程优选采用化学机械研磨制备。
综上所述，由于本发明所提供的混合键合方法中通过在键合工艺和退火工艺中，对待键合的硅片施加高温、高压，从而使得待键合晶圆的键合界面在键合的过程中，不易产生较大的形变和位移，提高了键合的成功率。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (10)

1.一种混合键合方法，其特征在于，所述方法包括：
提供两片需要进行键合的硅片，每片所述硅片的键合界面上既包含金属又包含绝缘物；
将所述两片硅片的键合界面对准后对该两片硅片进行键合工艺和热退火工艺；
其中，在进行所述键合工艺和热退火工艺的过程中，将环境温度控制在200℃以上，同时在两片硅片上各施加一大小相等方向相反并均指向所述键合界面的压力，所述压力为1000牛以上。
2.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，将所述两片硅片的键合界面对准的具体方法为：
将两片硅片的键合界面上需要键合在一起的金属与金属对准、绝缘物与绝缘物对准。
3.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述绝缘物包括二氧化硅和氮化硅。
4.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述金属包括铜、钨、锡中的任意一种或多种的组合。
5.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述键合界面上的金属和绝缘物的顶部处于同一高度。
6.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述环境温度为200℃～450℃。
7.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述压力的大小为1000～50000牛。
8.如权利要求1所述的混合键合方法，其特征在于，所述键合界面的制备包括以下步骤：
在所述晶圆中的顶部金属器件层上制备金属块；
制备绝缘物层覆盖所述金属块和所述顶部金属器件层；
研磨所述绝缘物层至所述金属块的顶部，使所述研磨后的绝缘物层和所述金属块的顶部处于同一高度。
9.如权利要求8所述的混合键合方法，其特征在于，通过化学机械研磨工艺研磨所述绝缘物层。
10.如权利要求8所述的混合键合方法，其特征在于，通过电镀工艺制备所述金属块。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20141126

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