一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法技术

本发明专利技术涉及芯片制造技术领域，具体而言，涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。该方法包括：制备硅基Cu/SiO2混合键合样品和金刚石基Cu/SiO2混合键合样品后进行等离子体活化处理；将经等离子体活化处理后Cu/SiO2混合键合样品浸泡于有机酸溶液中，清洗后吹干；在吹干后的硅基和/或金刚石基Cu/SiO2混合键合样品的待键合表面上滴加氢氟酸溶液，将硅基和金刚石基Cu/SiO2混合键合样品对准贴合进行预键合，得到预键合芯片；将预键合芯片进行热压键合，退火处理，得到混合键合样品对。本发明专利技术实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。础的硅/金刚石三维异质集成。础的硅/金刚石三维异质集成。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法


[0001]本专利技术涉及芯片制造
，具体而言，涉及一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法。

技术介绍

[0002]三维集成技术通过在垂直芯片方向上采用硅通孔(TSV)互连方式实现上下层之间的通信，能实现多芯片、异质芯片集成等多层堆叠的三维(3D)集成，具备功能化程度高、工艺兼容性好、成本较低等优势逐渐成为了半导体产业发展的主流方向。然而，随着集成密度不断升高及特征尺寸不断缩小，电子芯片的热管理面临极大的挑战。芯片内部热积累难以向封装表层散热片传递，导致内部节温突升，严重威胁芯片性能、稳定性和使用寿命。金刚石是已知天然物质中热导率最高的材料，室温下金刚石的热导率高达2000Wm
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‑1。同时金刚石是宽禁带半导体，具备击穿场强高、载流子迁移率高、抗辐照等优点，在热沉、大功率、高频器件、光学窗口、量子信息等领域具有极大应用潜力。通过Cu/SiO2混合键合技术将硅基与金刚石基衬底材料进行三维集成能够融合硅基半导体器件成熟的工艺及产线、生产效率高、成本较低的优势及金刚石极高的发展潜力，为三维集成的硅基器件提供散热通道以提高器件的可靠性。然而，现有的Cu/SiO2混合键合技术多以硅为衬底进行集成，其集成工艺不完全适用于金刚石，存在以下问题：
[0003](1)现有的Cu/SiO2混合键合样品的制备多采用标准大马士革工艺，即通过光刻
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显影
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刻蚀
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清洗
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种子层沉积
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电镀
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化学机械抛光(CMP)来完成样品制备，在此过程中CMP步骤必不可少，且是样品制备的关键。该步骤受抛光设备、抛光剂等硬件条件影响较大，且抛光完成后需专业设备进行后清洗，以防止因抛光剂残留导致键合强度下降。同时CMP过程中由于Cu与SiO2硬度差异较大，材料去除率不同导致Cu与SiO2间存在一定的高度差。过大的高度差会降低键合质量，影响上下芯片间电信号传播。而严格控制Cu与SiO2间高度差面临很大困难。标准大马士革工艺不适用于金刚石晶片表面Cu/SiO2混合键合样品的制备，同时CMP设备多针对4英寸以上晶圆级样品抛光，而大面积金刚石生产困难、成本极高。
[0004](2)相比于硅基底，金刚石基底硬度大，金刚石晶片的表面抛光非常困难，将金刚石表面粗糙度抛光降低至1nm以内耗时极长且成本高，故而金刚石表面Cu/SiO2分布的表面粗糙度将随之上升，现有Cu/SiO2混合键合工艺，难以实现粗糙表面的金刚石三维集成，对于具备粗糙表面的硅/金刚石三维集成适用性较差。
[0005](3)由于硅、金刚石材质差异大，高温键合工艺容易增大芯片间热失配，致使热应力增加，从而影响键合强度，不适用于硅/金刚石的三维异质集成。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决的技术问题是现有的Cu/SiO2混合键合样品的制备不适用于金刚石晶片表面Cu/SiO2混合键合样品的制备；现有Cu/SiO2混合键合工艺对于具备粗糙表面的硅/金刚石三维集成适用性较差；高温键合工艺容易增大芯片间热失配，致使热应力增加，从而影
响键合强度，不适用于硅/金刚石的三维异质集成等问题中的至少一种。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，包括：
[0009]步骤S1、制备硅基Cu/SiO2混合键合样品和金刚石基Cu/SiO2混合键合样品；
[0010]步骤S2、分别对所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品进行等离子体活化处理；
[0011]步骤S3、将经等离子体活化处理后的所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品浸泡于有机酸溶液中，进行有机酸湿法活化，清洗后吹干；
[0012]步骤S4、在吹干后的所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和/或所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品的待键合表面上滴加氢氟酸溶液，将所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品对准贴合进行预键合，得到预键合芯片；
[0013]步骤S5、将所述预键合芯片进行热压键合，退火处理，得到混合键合样品对。
[0014]优选地，所述步骤S2中，所述等离子活化处理使用的等离子气体包括Ar和H2。
[0015]优选地，所述等离子气体中H2的体积分数为1
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10％，所述等离子活化处理的活化功率为50
‑
400W，活化时间为10
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300s。
[0016]优选地，所述步骤S3中，所述有机酸溶液为柠檬酸溶液。
[0017]优选地，所述柠檬酸溶液的质量分数为0.2
‑
2％，所述有机酸湿法活化的时间为1
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30min。
[0018]优选地，所述步骤S4中，所述氢氟酸溶液的质量分数为0.1
‑
1.5％。
[0019]优选地，所述步骤S5中，所述热压键合的温度为200
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300℃，压力为0.1
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20Mpa，时间为10
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480min。
[0020]优选地，所述步骤S5中，所述退火处理的温度为200
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300℃，时间为2
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24h。
[0021]优选地，所述步骤S1中，制备所述硅基Cu/SiO2混合键合样品的方法包括：在硅基片的表面生长SiO2薄膜；在所述SiO2薄膜上旋涂光刻胶，对所述光刻胶进行光刻和显影，从而去除部分光刻胶，以使光刻胶以间隔分布的方式覆盖在所述SiO2薄膜上；对没有覆盖光刻胶的SiO2薄膜进行干法刻蚀，然后沉积金属层，所述金属层包括金属过渡层和金属铜层；清洗去除光刻胶及光刻胶表面覆盖的金属，得到所述硅基Cu/SiO2混合键合样品；
[0022]制备所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品的方法包括：在金刚石基片的表面生长SiO2薄膜；在所述SiO2薄膜上旋涂光刻胶，对所述光刻胶进行光刻和显影，从而去除部分光刻胶，以使光刻胶以间隔分布的方式覆盖在所述SiO2薄膜上；对没有覆盖光刻胶的SiO2薄膜进行干法刻蚀，然后沉积金属层，所述金属层包括金属过渡层和金属铜层；清洗去除光刻胶及光刻胶表面覆盖的金属，得到所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品。
[0023]优选地，制备所述硅基Cu/SiO2混合键合样品的方法和制备所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品的方法中，所述金属层的厚度小于所述干法刻蚀的深度，二者之差为1
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10nm。
[0024]与现有技术相比，本专利技术首先对Cu/SiO2混合键合样品进行等离子体活化处理，能够有效分解样品表面有机污染物，提高晶片的表面能，改善其润湿性，提高表面原子活性；等离子体活化后Cu/SiO2混合键合样品表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，包括：步骤S1、制备硅基Cu/SiO2混合键合样品和金刚石基Cu/SiO2混合键合样品；步骤S2、分别对所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品进行等离子体活化处理；步骤S3、将经等离子体活化处理后的所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品浸泡于有机酸溶液中，进行有机酸湿法活化，清洗后吹干；步骤S4、在吹干后的所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和/或所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品的待键合表面上滴加氢氟酸溶液，将所述硅基Cu/SiO2混合键合样品和所述金刚石基Cu/SiO2混合键合样品对准贴合进行预键合，得到预键合芯片；步骤S5、将所述预键合芯片进行热压键合，退火处理，得到混合键合样品对。2.根据权利要求1所述的基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述等离子活化处理使用的等离子气体包括Ar和H2。3.根据权利要求2所述的基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，所述等离子气体中H2的体积分数为1
‑
10％，所述等离子活化处理的活化功率为50
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400W，活化时间为10
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300s。4.根据权利要求1所述的基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述有机酸溶液为柠檬酸溶液。5.根据权利要求4所述的基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，所述柠檬酸溶液的质量分数为0.2
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2％，所述有机酸湿法活化的时间为1
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30min。6.根据权利要求1所述的基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述氢氟酸溶液的质量分数为0.1
‑
1.5％。7.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨曦，牛帆帆，魏潇赟，王敏才，邓抄军，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：