[發(fā)明專利]改進(jìn)排布方式的金屬鍵合點(diǎn)陣列和具該陣列的半導(dǎo)體器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710470556.0
• 申請(qǐng)日: 2017-06-20
• 公開（公告）號(hào): CN107256852B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號(hào): H01L23/488
• 分類號(hào): H01L23/488;H01L21/603
• 代理公司: 上海天辰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;陳慧弘

本發(fā)明公開一種改進(jìn)排布方式的金屬鍵合點(diǎn)陣列的半導(dǎo)體器件,由頂層為介質(zhì)層和金屬鍵合點(diǎn)的兩片硅片混合鍵合組成，所述金屬鍵合點(diǎn)形成節(jié)距相同的陣列均勻分布于所述硅片表面；混合鍵合時(shí)，兩片硅片面面相對(duì)，上下堆疊，各硅片陣列內(nèi)的金屬鍵合點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，彼此接觸，其特征在于，所述每個(gè)硅片的陣列內(nèi)金屬鍵合點(diǎn)大小不一，在介質(zhì)層表面交錯(cuò)地間隔排布，鍵合的兩硅片之間的陣列排布彼此對(duì)應(yīng)兩硅片之間鍵合點(diǎn)大小對(duì)應(yīng)排布。本發(fā)明充分利用現(xiàn)有鍵合設(shè)備，避免小節(jié)距情況下，因套準(zhǔn)偏差造成硅片間互連電阻的不均勻分布，提高鍵合工藝可控性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路制造領(lǐng)域，特別涉及一種用于硅片混合鍵合的金屬鍵合點(diǎn)陣列和具有該金屬鍵合點(diǎn)陣列的半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)芯片功能、集成度、速度和功耗等各方面的要求越來越高，業(yè)界為此不斷開發(fā)三維互連技術(shù)，通過將兩個(gè)及多個(gè)芯片集成在一起的方式來滿足需求。其中，在芯片間直接實(shí)現(xiàn)互連的芯片堆疊技術(shù)，與三維封裝技術(shù)相比：可以顯著縮小產(chǎn)品尺寸、擴(kuò)展產(chǎn)品功能(容量)、提升產(chǎn)品性能，是一種更先進(jìn)的芯片集成方式。目前該技術(shù)已在背照式CMOS 圖像傳感器、高端DRAM存儲(chǔ)器等產(chǎn)品中使用。

混合鍵合是一種新興的芯片堆疊技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)2片硅片的物理粘連并通過同時(shí)實(shí)現(xiàn)電連接，與其它技術(shù)相比具有一些明顯優(yōu)勢(shì)，包括：

可以直接實(shí)現(xiàn)硅片-硅片鍵合，與芯片-芯片以及芯片-硅片鍵合相比較，生產(chǎn)效率最高；

可以實(shí)現(xiàn)更小的鍵合點(diǎn)節(jié)距(相鄰的鍵合點(diǎn)中心的間距)，目前已達(dá)到最小6微米，并具備進(jìn)一步微縮的能力，而其它堆疊互連技術(shù)比如微型焊料凸點(diǎn)(Micro SolderBumping)，其最小節(jié)距則在10微米以上。

鑒于上述優(yōu)勢(shì)，混合鍵合已成為現(xiàn)有技術(shù)中最具實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用潛力的高集成度硅片鍵合技術(shù)，目前其主要實(shí)現(xiàn)方法如下：

如圖1所示，A和B為待鍵合的2片硅片，其頂層均包括介質(zhì)層1和開口于介質(zhì)層表面的金屬鍵合點(diǎn)陣列2，2片硅片上的金屬鍵合點(diǎn)大小、排布相同：鍵合點(diǎn)邊長(zhǎng)為a，鍵合點(diǎn)間距為b、鍵合點(diǎn)節(jié)距為c，且排列位置一一對(duì)應(yīng)。

如圖2所示，理想狀態(tài)的混合鍵合為，硅片A面朝下，硅片B面朝上，上下堆疊，在鍵合設(shè)備內(nèi)通過表面處理、對(duì)準(zhǔn)、物理接觸等步驟實(shí)現(xiàn)硅片A/B 頂層表面介質(zhì)層的鍵合，使2片硅片物理粘連；再通過退火等工藝，實(shí)現(xiàn)頂層金屬鍵合點(diǎn)的金屬鍵合，2片硅片實(shí)現(xiàn)電連接。

由此可見，硅片表面平整度是實(shí)現(xiàn)理想混合鍵合的關(guān)鍵因素。為此，在鍵合前，工藝上對(duì)頂層金屬一般進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光CMP工藝，同時(shí)設(shè)計(jì)上采用金屬鍵合點(diǎn)均勻排布的方式。然后，再根據(jù)電路連接的實(shí)際需要，部分金屬鍵合點(diǎn)與上/下層金屬連接d；部分不連接，如e，僅僅作為CMP的dummy pad 起到均勻排布提高CMP均勻性，優(yōu)化硅片表面平整度的作用。

對(duì)于混合鍵合技術(shù)，制約其進(jìn)一步微縮的關(guān)鍵因素是鍵合設(shè)備的套準(zhǔn)精度。以現(xiàn)有技術(shù)能達(dá)到的最好套準(zhǔn)精度3sigma≤0.2微米為例。

如圖3所示，左邊為鍵合存在套準(zhǔn)偏差時(shí)，上下堆疊的硅片A和B中金屬鍵合點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)透視圖，右邊為鍵合存在套準(zhǔn)偏差時(shí)金屬鍵合點(diǎn)連接的截面圖。

當(dāng)金屬鍵合點(diǎn)的邊長(zhǎng)a為1.5微米,金屬鍵合點(diǎn)節(jié)距b為3微米，金屬鍵合點(diǎn)間距c為1.5微米時(shí),理想的鍵合接觸面積a²為1.5*1.5＝2.25微米^2。在套準(zhǔn)偏差為0.2微米的極端情況下，實(shí)際的鍵合接觸面積為(a-套準(zhǔn)偏差)²為1.3*1.3＝1.69微米^2，約為理想值的75％，減少了25％；