[發(fā)明專利]一種多步協(xié)同表面活化低溫混合鍵合方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010113428.2
• 申請日: 2020-02-24
• 公開（公告）號: CN111243972B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王晨曦;康秋實;周詩承;魯添;何洪文;李珩;戚曉蕓;胡天麒
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué);華為技術(shù)有限公司
• 主分類號: H01L21/603
• 分類號: H01L21/603
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種多步協(xié)同表面活化低溫混合鍵合方法，屬于晶圓鍵合及三維封裝領(lǐng)域，該方法能夠同時鍵合Cu?Cu、SiO₂?SiO₂以及Cu?SiO₂，所述方法具體步驟如下：一、將含有Cu電極和SiO₂絕緣層圖案的混合鍵合樣品在室溫下浸泡于甲酸溶液中，取出后在去離子水中進行超聲清洗；二、采用等離子體對清洗后的樣品進行表面活化；三、將等離子體活化后的樣品對準(zhǔn)后進行熱壓鍵合；四、對鍵合后樣品進行保溫，最終獲得Cu/SiO₂混合鍵合樣品對。本發(fā)明操作便捷，成本低廉，低溫200°C條件下實現(xiàn)了牢固的鍵合界面。大幅減小因熱膨脹、熱失配和熱擴散而帶來的一系列問題，避免損壞溫度敏感器件，相比目前已知的其他混合鍵合方法具有明顯優(yōu)勢，適用于下一代高性能芯片三維高密度異質(zhì)集成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于晶圓鍵合技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含有Cu電極和SiO₂絕緣層的混合圖形樣品的直接鍵合方法，具體涉及一種多步協(xié)同表面活化低溫混合鍵合方法。

背景技術(shù)

三維集成技術(shù)通過將半導(dǎo)體單元在垂直方向上進行堆疊，極大地縮短了互連長度，從而降低信號延遲與寄生電容，減小噪聲，并有效提高芯片功能密度。發(fā)展先進的三維集成技術(shù)是滿足便攜式電子設(shè)備的超薄，超輕，高性能和低功耗需求的行業(yè)趨勢。

在三維集成技術(shù)中，晶圓鍵合技術(shù)是實現(xiàn)多個芯片堆疊的關(guān)鍵。目前晶圓（或芯片）上電極之間的鍵合往往需要釬料凸點(Solder bump)的介入，但由于目前凸點尺寸減小已趨于極限，無法進一步提高芯片電極的集成密度。若能夠省略釬料凸點，將晶圓(或芯片)上的Cu電極和SiO₂絕緣層同時鍵合的混合鍵合技術(shù)(Hybrid bonding)是目前制造小型化多功能電子設(shè)備，實現(xiàn)高密度互連的最具潛力、最優(yōu)解決方案。區(qū)別于傳統(tǒng)鍵合技術(shù)中只采用一種鍵合材料的同質(zhì)鍵合，混合鍵合樣品具有平面化的介電材料和隔離的金屬。對于介電材料，二氧化硅(SiO₂)是最佳選擇。由于金屬銅具有高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，可以改善電學(xué)性能和熱傳導(dǎo)，已經(jīng)成為了先進電子應(yīng)用中標(biāo)準(zhǔn)互連金屬材料，因此選擇Cu作為混合鍵合中的互連金屬。Cu/SiO₂混合鍵合技術(shù)能夠同時實現(xiàn)電學(xué)互連的Cu-Cu鍵合和提高機械強度的SiO₂-SiO₂鍵合，可將互連節(jié)距縮小至1~10 um，并且對前端、后端工藝兼容性好、無需底部填充，并且結(jié)合晶圓減薄技術(shù)未來能夠?qū)崿F(xiàn)4層、8層、12層甚至16層的堆疊存儲器，同時滿足下一代高性能計算的封裝高度和性能要求，是用于三維集成的最理想解決方案。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)混合鍵合的機構(gòu)寥寥無幾，對其使用的具體工藝也很少詳細公開，即使公開發(fā)表操作流程也較為復(fù)雜，成本較高，而且為了保證界面電學(xué)可靠性鍵合溫度通常需400°C以上，容易對芯片中溫度敏感器件造成損壞，未來商業(yè)化難度較大。因此開發(fā)操作簡單、成本低廉的可行混合鍵合方法刻不容緩。研發(fā)新一代Cu/SiO₂混合鍵合工藝有望使我國在未來半導(dǎo)體芯片制造的競爭中實現(xiàn)“彎道超車”。

發(fā)明內(nèi)容

由于亟待開發(fā)適用于混合鍵合的低溫直接鍵合方法，本發(fā)明的目的在于提供一種多步協(xié)同表面活化低溫混合鍵合方法，該方法操作便捷，并為保證混合樣品電學(xué)性能設(shè)定鍵合溫度為200°C，有效實現(xiàn)Cu/SiO₂混合鍵合。

實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的一種多步協(xié)同表面活化低溫混合鍵合方法，所述方法的具體步驟如下：

步驟一：將含有Cu電極和SiO₂絕緣層圖案（以下簡稱Cu/SiO₂）的混合鍵合樣品室溫下浸泡于甲酸溶液中，而后在去離子水中超聲清洗；

步驟二：采用等離子體對清洗后的Cu/SiO₂混合鍵合樣品進行活化；