[發明專利]一種基于嵌套結構和退火的快速常溫微凸點鍵合方法

在審

• 申請號: 201910177846.5
• 申請日: 2019-03-10
• 公開（公告）號: CN109979833A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 張衛;劉子玉;陳琳;孫清清
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于半導體技術領域，具體為一種基于嵌套結構和退火的快速常溫微凸點鍵合方法。本發明方法包括：形成嵌套結構：在晶圓的正面和背面均形成嵌套結構，嵌套結構包括第一凸起和凹陷部，凹陷部包括凹陷結構和環繞所述凹陷結構的第二凸起；鍵合：在鍵合機上將兩片晶圓的嵌套結構對準，使其中一片晶圓的第一凸起與另一片晶圓的凹陷結構相互對準并鍵合，重復多次完成多層晶圓的鍵合；第一凸起和凹陷結構構成固液擴散金屬對；退火：對完成鍵合的多層晶圓進行退火，使固液擴散金屬對中的高熔點金屬和低熔點金屬融化擴散形成金屬間化合物實現電連接。本方法簡單有效，能夠節約生產時間，提高生產效率；并能有效避免對器件的損害。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種芯片與芯片之間的微凸點鍵合方法。

背景技術

隨著集成電路集成度提高，半導體器件特征尺寸將達到物理極限。為進一步提高性能和集成度，研究人員開始將芯片在三維方向上進行集成。其中芯片與芯片之間的微凸點鍵合技術是實現三維集成的關鍵。目前多采用基于焊料回流、CuSn/AuSn等固液擴散原理的微凸點鍵合，其鍵合曲線包含降溫/升溫時間，需要較高的峰值溫度及一定的壓力，且鍵合期間焊料/Sn外溢不可控制，因此微凸點鍵合技術溫度較高、鍵合時間較長，凸點節距和可靠性都受到限制。并且，多層芯片的鍵合所需的時間與芯片的個數成正比，這使得多次鍵合中峰值溫度對芯片上器件影響較大，多層芯片鍵合時間很長、效率很低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種快速、常溫微凸點鍵合方法。

本發明提供的快速常溫微凸點鍵合方法，是基于基于嵌套結構和退火技術的，具體步驟為：

（1）形成嵌套結構：在晶圓的正面和背面均形成嵌套結構，所述嵌套結構，其兩端分別形成有第一凸起和凹陷部，所述凹陷部包括凹陷結構和環繞所述凹陷結構的第二凸起，所述第二凸起的高度大于所述凹陷結構的高度，所述嵌套結構中第一凸起和第二凸起采用高熔點金屬材料，所述凹陷部的凹陷結構采用低熔點金屬；

（2）鍵合：在鍵合機上將兩片晶圓的所述嵌套結構對準，使其中一片晶圓的嵌套結構的所述第一凸起與另一片晶圓的嵌套結構的所述凹陷結構相互對準并鍵合，重復多次完成多層晶圓的鍵合；其中，所述第一凸起和所述凹陷結構構成固液擴散金屬對；

（3）退火：對完成鍵合的所述多層晶圓進行退火處理，使所述固液擴散金屬對中的高熔點金屬和低熔點金屬融化擴散形成金屬間化合物實現電連接。

本發明中，優選退火溫度根據所述低熔點金屬材料的熔點在150℃-250℃間設定。

本發明中，優選所述退火時間為5min~25min。

本發明中，優選所述高熔點金屬為Cu、Au、Ni中的一種或其任意組合。

本發明中，優選所述低熔點金屬為Sn、In、Ga中的一種或其任意組合。

本發明中，優選所述嵌套結構形成步驟具體包括以下子步驟：在晶圓上形成對準標記圖形；形成粘附層和種子層；采用標準光刻工藝，曝光出布線圖形和嵌套結構的基礎層圖形，用電鍍或化學鍍鍍出高熔點金屬材料，形成基礎層；采用標準光刻工藝，在所述基礎層曝光出嵌套結構的第一凸起位置和凹陷部的第二凸起位置，電鍍高熔點金屬，形成第一凸起和凹陷部的第二凸起；在所述第二凸起中電鍍低熔點金屬形成所述凹陷結構，然后干法刻蝕粘附層和種子層；對晶圓的正面進行臨時鍵合保護已有圖形，反轉晶圓在其背面重復上述步驟，完成背面的嵌套結構的制作，然后去除臨時鍵合。