一种铜-铜金属热压键合的方法技术

本发明专利技术提供一种铜-铜金属热压键合的方法，所述方法至少包括步骤：先提供待键合的第一圆片和第二圆片，所述第一圆片包括第一衬底、第一钝化层及第一Ti-Cu合金薄膜，所述第二圆片包括第二衬底、第二钝化层及第二Ti-Cu合金薄膜；再将所述第一圆片的第一Ti-Cu合金薄膜表面和第二圆片的第二Ti-Cu合金薄膜表面进行热压键合；最后在保护性气体中进行退火处理，使第一Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第一钝化层表面扩散，第二Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第二钝化层表面扩散，并最终在第一、第二钝化层表面形成Ti粘附/阻挡层，而Cu原子向键合面扩散，实现键合。本发明专利技术的方法在键合前仅需要对两个衬底分别进行一次共溅射，溅射次数减少了一半，工艺相对简单，可靠性好，且工艺成本较低，最后经过退火处理扩散形成Ti粘附/阻挡层，并使铜的键合效果更佳。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，所述方法至少包括步骤：先提供待键合的第一圆片和第二圆片，所述第一圆片包括第一衬底、第一钝化层及第一Ti-Cu合金薄膜，所述第二圆片包括第二衬底、第二钝化层及第二Ti-Cu合金薄膜；再将所述第一圆片的第一Ti-Cu合金薄膜表面和第二圆片的第二Ti-Cu合金薄膜表面进行热压键合；最后在保护性气体中进行退火处理，使第一Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第一钝化层表面扩散，第二Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第二钝化层表面扩散，并最终在第一、第二钝化层表面形成Ti粘附/阻挡层，而Cu原子向键合面扩散，实现键合。本专利技术的方法在键合前仅需要对两个衬底分别进行一次共溅射，溅射次数减少了一半，工艺相对简单，可靠性好，且工艺成本较低，最后经过退火处理扩散形成Ti粘附/阻挡层，并使铜的键合效果更佳。【专利说明】—种铜-铜金属热压键合的方法
本专利技术属于半导体器件领域，涉及三维封装领域中圆片的键合，特别是涉及。
技术介绍
随着芯片尺寸减小以及集成度的提高，传统的二维集成技术遇到难以克服的发展瓶颈。与二维集成技术相比，三维集成技术可实现芯片多功能化，提高芯片集成度、减小信号延时、降低功耗。三维集成技术一般可分为晶体管堆叠、管芯级键合、管芯-晶圆键合、晶圆级键合，其中晶圆级键合是最理想的实现形式，可用于异质结集成，成本低产量高，各层芯片之间的互连是通过硅通孔(TSV)实现的。 圆片键合是指在外界能量的帮助下使圆片键合界面的原子反应形成共价键而结合成一体，并达到一定键合强度的微加工技术。常用的键合技术有氧化物直接键合、金属-金属键合和粘胶键合。 如图1所示，传统的铜-铜金属直接键合工艺步骤为: 首先，提供待处理的第一衬底101’和第二衬底201’，在所述第一衬底101’上形成第一钝化层102’，在第二衬底201’上形成第二钝化层202’ ； 然后，在所述第一钝化层102’上依次溅射第一 Ti粘附/阻挡层104’和第一 Cu金属层105’，在所述第二钝化层202’上依次溅射第二 Ti粘附/阻挡层204’和第二 Cu金属层205，； 最后，将第一衬底101’含有第一 Cu金属层105’的表面与第二衬底201’含有第二 Cu金属层205’的表面进行接触键合。如图2所示为键合前的结构示意图。 由上述步骤可知，传统的铜-铜金属直接键合工艺需要分别对待键合的两个衬底溅射粘附/阻挡层和铜，之后进行键合，溅射次数较多，工艺较为复杂。 为此，本专利技术提出一种新的铜-铜金属热压键合的方法，在衬底表面共溅射T1-Cu金属薄膜，键合后进行一次额外的退火，退火过程中，Ti会向衬底方向积聚并最终形成粘附/阻挡层。本专利技术的方法键合效果良好，工艺简单，可靠性良好。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供，用于解决现有技术中键合前的溅射次数多、工艺复杂的问题。 为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供，所述铜-铜金属热压键合的方法至少包括以下步骤: 1)提供待键合的第一圆片和第二圆片，所述第一圆片包括第一衬底、制作在所述第一衬底表面的第一钝化层及制作在所述第一钝化层表面的第一 T1-Cu合金薄膜；所述第二圆片包括第二衬底、制作在所述第二衬底表面的第二钝化层及制作在所述第二钝化层表面的第二 T1-Cu合金薄膜； 2)将所述第一圆片和第二圆片进行热压键合，第一圆片含有第一 T1-Cu合金薄膜的表面和第二圆片含有第二 T1-Cu合金薄膜的表面接触形成键合面； 3)在保护性气体中进行退火处理，使第一 T1-Cu合金薄膜中的Ti原子向第一钝化层表面扩散形成第一 Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第二 T1-Cu合金薄膜中的Ti原子向第二钝化层表面扩散形成第二 Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第一 T1-Cu合金薄膜中的Cu原子和第二 T1-Cu合金-薄膜中Cu原子扩散后形成共同的Cu金属层，最终实现键合。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述第一 T1-Cu合金薄膜和第二 T1-Cu合金薄膜均采用共溅射工艺来制作。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述共溅射工艺在多靶腔体内进行，靶材为Ti和Cu，溅射时的工作压强小于10_2托，Cu的溅射速率为Ti的溅射速率的5?8倍。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，制作形成的所述第一T1-Cu合金薄膜的厚度为0.2?10 μ m，所述第二 T1-Cu合金薄膜的厚度为0.2?10 μ m。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，步骤2)中进行热压键合前还包括对所述第一 T1-Cu合金薄膜和第二 T1-Cu合金薄膜表面进行乙酸清洗并甩干的步骤。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，进行热压键合的温度为350?450°C，时间为30?40分钟，压力为2000?4000N。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，在N2气氛中进行退火处理，退火处理的温度范围为350?450°C，退火的时间范围为60?100分钟。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述步骤1)中在制作第一钝化层和第二钝化层之前分别对第一衬底和第二衬底表面进行清洗。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述第一钝化层为二氧化硅、氮化硅、PI或BCB，所述第一钝化层的厚度为0.2?5μ-- ;所述第二钝化层为二氧化硅、氮化硅、ΡΙ或BCB，所述第二钝化层的厚度为0.2?5 μ m。 作为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述第一钝化层和第二钝化层采用热氧化、化学气相沉积或旋涂工艺来制作。 如上所述，本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法，具有以下有益效果:先在两个衬底上分别制备第一 T1-Cu合金薄膜和第二 T1-Cu合金薄膜，再将第一 T1-Cu合金薄膜和第二T1-Cu合金薄膜进行键合，之后经历一次退火过程便可将Ti和Cu分离，其中，Ti向衬底端移动并形成稳定的粘附/阻挡层，而铜向键合接触面扩散，最终得到良好的键合效果。本专利技术的方法在键合前仅需要对两个衬底分别进行一次共溅射，溅射次数减少了一半，工艺相对较为简单，可靠性好，且工艺成本较低，由退火处理扩散形成的铜键合效果也更佳。 【专利附图】【附图说明】 图1为现有技术的铜-铜金属键合的方法流程示意图。 图2为现有技术采用铜-铜金属键合的方法进行键合的圆片结构示意图。 图3为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法流程示意图。 图4?图5为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法步骤1)中呈现的结构示意图。 图6为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法进行步骤2)键合前的结构示意图。 图7为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法进行步骤2)键合中的结构示意图。 图8为本专利技术的铜-铜金属热压键合的方法进行步骤3)退火后的结构示意图。 元件标号说明 S1 ?S3步骤 1第一圆片 101,101’第一衬底 102, 102’第一钝化层 103第一 T1-Cu合金薄膜 104, 104’第一 Ti粘附/阻挡层 105Cu 金属层 105’第一 Cu 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜‑铜金属热压键合的方法，其特征在于，所述铜‑铜金属热压键合的方法至少包括步骤：1）提供待键合的第一圆片和第二圆片，所述第一圆片包括第一衬底、制作在所述第一衬底表面的第一钝化层及制作在所述第一钝化层表面的第一Ti‑Cu合金薄膜；所述第二圆片包括第二衬底、制作在所述第二衬底表面的第二钝化层及制作在所述第二钝化层表面的第二Ti‑Cu合金薄膜；2）将所述第一圆片和第二圆片进行热压键合，第一圆片含有第一Ti‑Cu合金薄膜的表面和第二圆片含有第二Ti‑Cu合金薄膜的表面接触形成键合面；3）在保护性气体中进行退火处理，使第一Ti‑Cu合金薄膜中的Ti原子向第一钝化层表面扩散形成第一Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第二Ti‑Cu合金薄膜中的Ti原子向第二钝化层表面扩散形成第二Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第一Ti‑Cu合金薄膜中的Cu原子和第二Ti‑Cu合金‑薄膜中Cu原子扩散后形成共同的Cu金属层，最终实现键合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春生，罗乐，徐高卫，宁文果，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31