一种多步协同表面活化低温混合键合方法技术

一种多步协同表面活化低温混合键合方法，属于晶圆键合及三维封装领域，该方法能够同时键合Cu‑Cu、SiO

A multi-step cooperative surface activation low temperature hybrid bonding method

【技术实现步骤摘要】
一种多步协同表面活化低温混合键合方法
本专利技术属于晶圆键合
，涉及一种含有Cu电极和SiO2绝缘层的混合图形样品的直接键合方法，具体涉及一种多步协同表面活化低温混合键合方法。
技术介绍
三维集成技术通过将半导体单元在垂直方向上进行堆叠，极大地缩短了互连长度，从而降低信号延迟与寄生电容，减小噪声，并有效提高芯片功能密度。发展先进的三维集成技术是满足便携式电子设备的超薄，超轻，高性能和低功耗需求的行业趋势。在三维集成技术中，晶圆键合技术是实现多个芯片堆叠的关键。目前晶圆（或芯片）上电极之间的键合往往需要钎料凸点(Solderbump)的介入，但由于目前凸点尺寸减小已趋于极限，无法进一步提高芯片电极的集成密度。若能够省略钎料凸点，将晶圆(或芯片)上的Cu电极和SiO2绝缘层同时键合的混合键合技术(Hybridbonding)是目前制造小型化多功能电子设备，实现高密度互连的最具潜力、最优解决方案。区别于传统键合技术中只采用一种键合材料的同质键合，混合键合样品具有平面化的介电材料和隔离的金属。对于介电材料，二氧化硅(SiO2)是最佳选择。由于金属铜具有高电导率和热导率，可以改善电学性能和热传导，已经成为了先进电子应用中标准互连金属材料，因此选择Cu作为混合键合中的互连金属。Cu/SiO2混合键合技术能够同时实现电学互连的Cu-Cu键合和提高机械强度的SiO2-SiO2键合，可将互连节距缩小至1~10um，并且对前端、后端工艺兼容性好、无需底部填充，并且结合晶圆减薄技术未来能够实现4层、8层、12层甚至16层的堆叠存储器，同时满足下一代高性能计算的封装高度和性能要求，是用于三维集成的最理想解决方案。目前能够实现混合键合的机构寥寥无几，对其使用的具体工艺也很少详细公开，即使公开发表操作流程也较为复杂，成本较高，而且为了保证界面电学可靠性键合温度通常需400°C以上，容易对芯片中温度敏感器件造成损坏，未来商业化难度较大。因此开发操作简单、成本低廉的可行混合键合方法刻不容缓。研发新一代Cu/SiO2混合键合工艺有望使我国在未来半导体芯片制造的竞争中实现“弯道超车”。
技术实现思路
由于亟待开发适用于混合键合的低温直接键合方法，本专利技术的目的在于提供一种多步协同表面活化低温混合键合方法，该方法操作便捷，并为保证混合样品电学性能设定键合温度为200°C，有效实现Cu/SiO2混合键合。实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：本专利技术的一种多步协同表面活化低温混合键合方法，所述方法的具体步骤如下：步骤一：将含有Cu电极和SiO2绝缘层图案（以下简称Cu/SiO2）的混合键合样品室温下浸泡于甲酸溶液中，而后在去离子水中超声清洗；步骤二：采用等离子体对清洗后的Cu/SiO2混合键合样品进行活化；步骤三：将经等离子体活化后的Cu/SiO2混合键合样品对准贴合后进行热压键合；步骤四：对热压键合后的Cu/SiO2混合键合样品进行保温，最终得到混合键合样品对。进一步的是，步骤一中，所述甲酸溶液体积浓度为50%，浸泡时间为5~30min。进一步的是，步骤一中，所述超声清洗使用去离子水清洗30~60s，并利用氮气吹干所述样品表面。进一步的是，步骤一中，超声清洗频率为40KHz，超声清洗功率为80~120W，清洗温度为25±3°C。进一步的是，步骤二中，所述等离子体种类为Ar，活化功率为100~300W，活化时间为30~150s。进一步的是，步骤三中，所述热压键合过程中，对每对样品施加键合压力为1~4Mpa。进一步的是，步骤三中，所述热压键合过程中，热压键合设备采用仅上加热板加热的方法，升温速率为4°C/min，所述上加热板的加热温度为200~240°C，保温时间20~40min，下加热板通过与上加热板接触被动升温，使下加热板温度稳定在130~160°C。进一步的是，步骤四中，所述保温温度为200°C，时间为2~8h。本专利技术的具体原理如下：本专利技术的一种多步协同表面活化低温混合键合方法关键在于兼容Cu-Cu键合和SiO2-SiO2键合，首先利用甲酸溶液浸泡混合键合样品以去除Cu表面阻碍键合的铜氧化物(CuO、Cu2O)获得洁净Cu表面，此外易与溶液中水分子作用形成Cu-OH，同时部分溶解SiO2表面粘附的有机污染物，之后利用Ar等离子体活化混合键合样品，一方面活化SiO2表面，形成大量Si-OH悬挂键改善其亲水性，同时能够使吸附在Cu表面的残余甲酸解吸，混合键合样品完成多步协同表面活化后得到满足键合要求的Cu表面与SiO2表面。对经多步协同表面活化后的混合键合样品需进行加热加压实现键合，为保证键合过程适用于大气环境，对热压设备采用仅上加热板加热的方法，下加热板保持室温，活化好的混合键合样品在室温下对准后置于下加热板上，再与已达键合温度的上加热板贴合加热加压，一方面有效避免样品在放置过程中因下加热板温度高而导致混合键合样品上Cu表面在大气环境下迅速氧化，另一方面防止先加压后上、下加热板均从室温开始缓慢升温引起的板间热膨胀较大，导致单片样品承载压力过大而碎裂。热压键合过程中，洁净Cu表面间发生原子扩散，同时其表面Cu-OH发生聚合反应：Cu-OH+HO-Cu→Cu-O-Cu+H2O。SiO2表面悬挂的大量Si-OH发生脱水聚合反应：Si-OH+HO-Si→Si-O-Si+H2O。此外，由于错配导致的Cu-SiO2界面可同样发生聚合反应形成Cu-O-Si共价互连。对热压键合后的混合键合样品对进行保温处理，对于Cu-Cu键合可以促进晶粒进一步生长，并且Cu-O-Cu中O原子向体内扩散，得到致密的Cu-Cu界面；对于SiO2-SiO2键合可以进一步优化界面水分子向环境的扩散，最终实现混合键合。与目前已知的混合键合方法相比，本专利技术具有以下优点：（1）该方法兼容了Cu-Cu键合和SiO2-SiO2键合原理，可同时实现Cu-Cu、SiO2-SiO2及Cu-SiO2键合，并将键合温度降低至200°C，保护混合键合界面电性能；（2）本专利技术对热压键合过程进行优化，无需真空环境或还原性气氛，使得混合键合能够在大气环境下有效进行；（3）该方法操作流程简单便捷，相比需要昂贵的表面活化键合设备实现混合键合大幅度降低成本。（4）本专利技术能够大幅减小因热膨胀、热失配和热扩散而带来的一系列问题，避免损坏温度敏感器件，相比目前已知的其他混合键合方法具有明显优势，适用于下一代高性能芯片三维高密度异质集成。附图说明图1为本专利技术的键合工艺流程图；其中，1为含有Cu电极和SiO2绝缘层图案（以下简称Cu/SiO2）的混合键合样品，1-1为混合键合样品中SiO2绝缘层，1-2为混合键合样品Cu电极，1-3为混合键合样品的Si基板，2为甲酸溶液，3为培养皿，4为氮气流，5-1为电感耦合型等离子体设备气体进气口，5-2为电感耦合型等离子体设备气体排气口，5-3为电感耦合型等离子体设备电感耦合线圈，5-4为电感耦合型等离子体设备耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多步协同表面活化低温混合键合方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：/n步骤一：将含有Cu电极和SiO

【技术特征摘要】
1.一种多步协同表面活化低温混合键合方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
步骤一：将含有Cu电极和SiO2绝缘层图案的混合键合样品室温下浸泡于甲酸溶液中，而后在去离子水中超声清洗；
步骤二：采用等离子体对清洗后的Cu/SiO2混合键合样品进行活化；
步骤三：将经等离子体活化后的Cu/SiO2混合键合样品对准贴合后进行热压键合；
步骤四：对热压键合后的Cu/SiO2混合键合样品进行保温，最终得到混合键合样品对。


2.根据权利要求1所述的一种多步协同表面活化低温混合键合方法，其特征在于：步骤一中，所述甲酸溶液体积浓度为50%，浸泡时间为5~30min。


3.根据权利要求1所述的一种多步协同表面活化低温混合键合方法，其特征在于：步骤一中，所述超声清洗使用去离子水清洗30~60s，并利用氮气吹干所述样品表面。


4.根据权利要求1所述的一种多步协同表面活化低温混合键合方法，其特征在于：步骤一中，超声清洗频率为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨曦，康秋实，周诗承，鲁添，何洪文，李珩，戚晓芸，胡天麒，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙;23