專(zhuān)利名稱(chēng)：一種形成微電子芯片間互連的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子封裝和三維集成技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種形成微電子芯片間互連的方法。
背景技術(shù)：
三維集成技術(shù)可以有效縮短芯片間互連線長(zhǎng)度并提供異質(zhì)集成能力，是微電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。實(shí)現(xiàn)三維集成，主要涉及三方面的技術(shù)，它們分別是穿透硅通孔互連的制造、芯片的減薄與轉(zhuǎn)移以及芯片間導(dǎo)電連接的制造。芯片間的導(dǎo)電連接直接促成芯片間的通訊，在三維集成技術(shù)中至關(guān)重要。芯片間的導(dǎo)電連接主要通過(guò)金屬鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前使用的技術(shù)主要是銅-銅鍵合以及微凸點(diǎn)鍵合。銅-銅鍵合可以獲得窄節(jié)距，實(shí)現(xiàn)芯片間高密度互連，是這類(lèi)技術(shù)的主流，如美國(guó)專(zhuān)利US6887769B2就給出了一種此類(lèi)制造方式。但銅_銅鍵合往往需要較高的溫度(高于300°C)以及較大的壓力才能實(shí)現(xiàn)。而且要獲得較好的鍵合性能，還需要銅的表面非常平坦且無(wú)氧化。這些條件的限制，使得銅-銅鍵合工藝的成品率較低，并且也存在很大的可靠性問(wèn)題，不能滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的需求。為了提高工藝的可實(shí)施性，可以采用微凸點(diǎn)鍵合的方式，在銅互連頂端制作焊料， 降低鍵合工藝對(duì)溫度、壓力以及表面平坦度的要求。但擁有焊料的凸點(diǎn)一般節(jié)距較大，不能滿(mǎn)足高密度互連的要求。另一種方式是在拋光的銅表面，濺射制作一層軟性金屬，如日本 NEC 公司在文獻(xiàn)H. Saito，et al. IEEE J Solid-State Circuits. 45(2010) :15-22.中報(bào)道的方法，其在拋光的銅互連頂端制作一層厚度為200nm的金層，實(shí)現(xiàn)低溫鍵合連接。這種方式需要使用掩模實(shí)現(xiàn)金層的圖形化，成本比較高，并且為了克服光刻套準(zhǔn)誤差實(shí)現(xiàn)與銅互連的有效連通，需要較大的互連尺寸，限制了互連密度的提高。另一種解決方式，如美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利應(yīng)用文案US 2004/0262772A所述，在刻蝕介質(zhì)層之后，以化學(xué)鍍等方式在金屬互連表面沉積一層軟性金屬，提高鍵合的可行性。這種方式由于需要使用化學(xué)鍍等方式，需要優(yōu)化鍍液配比，并且在材料選擇方面也有很多限制，不能對(duì)材料和工藝進(jìn)行很好的優(yōu)化。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人意識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷使用純銅鍵合時(shí)， 工藝要求高，成品率較低；添加軟性金屬時(shí)，工藝成本較高，且材料選擇有很多限制。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種形成微電子芯片間互連的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中在使用純銅鍵合時(shí)，工藝要求高、成品率較低以及添加軟性金屬時(shí)，工藝成本較高、材料選擇受限等問(wèn)題。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種形成微電子芯片間互連的方法，所述微電子芯片表面具有主金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，該方法包括第一次化學(xué)機(jī)械拋光，使所述主金屬結(jié)構(gòu)表面低于介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面；在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層，在所述主金屬結(jié)構(gòu)位置該輔助金屬層與所述主金屬結(jié)構(gòu)形成金屬疊層結(jié)構(gòu)；第二次化學(xué)機(jī)械拋光，去除所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面的輔助金屬層；刻蝕所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，使所述金屬疊層結(jié)構(gòu)接近或凸出于所述微電子芯片表面， 形成待鍵合基片；將兩塊所述待鍵合基片表面對(duì)準(zhǔn)，實(shí)施鍵合工藝，形成微電子芯片間互連。上述方案中，所述第一次化學(xué)機(jī)械拋光之后還包括腐蝕或刻蝕主金屬結(jié)構(gòu)的表上述方案中，所述主金屬結(jié)構(gòu)采用的材料為銅或鎢。上述方案中，所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)采用氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯樹(shù)脂中任一種材料或多種材料的組合。上述方案中，所述輔助金屬層采用金、銀、錫、銦、鎳、鈦、鈦鎢或鉻中任一種材料或多種材料的組合。上述方案中，在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層的方式為濺射或蒸發(fā)。上述方案中，在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層之前，還包括對(duì)微電子芯片表面進(jìn)行離子轟擊或者濕法腐蝕處理，確保芯片表面的清潔度。上述方案中，所述鍵合工藝為下列形式的一種芯片與芯片、芯片與晶圓、或者晶圓與晶圓。上述方案中，所述鍵合工藝采用的類(lèi)型為熱壓。上述方案中，所述第二次化學(xué)機(jī)械拋光使用無(wú)化學(xué)腐蝕成份或低化學(xué)腐蝕成份的拋光液。上述方案中，所述第一次化學(xué)機(jī)械拋光使用標(biāo)準(zhǔn)的拋光液，或者使用化學(xué)腐蝕成份較標(biāo)準(zhǔn)的拋光液高的拋光液。(三)有益效果利用本發(fā)明，可以在不使用掩模的情況下，直接在主金屬結(jié)構(gòu)頂端疊加輔助金屬層，從而降低鍵合工藝對(duì)溫度、壓力、芯片表面平坦度的要求，提高芯片間互連制造的可實(shí)施性和成品率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中在使用純銅鍵合時(shí)，工藝要求高、成品率較低以及添加軟性金屬時(shí)，工藝成本較高、材料選擇受限等問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明提供的形成微電子芯片間互連的方法流程圖；圖2是依照本發(fā)明實(shí)施例在第一次化學(xué)機(jī)械拋光之后微電子芯片表面剖面結(jié)構(gòu)示意圖，11為主金屬結(jié)構(gòu)，12為介質(zhì)層結(jié)構(gòu)；圖3是依照本發(fā)明實(shí)施例在芯片表面沉積輔助金屬層13之后微電子芯片表面剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例在第二次化學(xué)機(jī)械拋光后將介質(zhì)層結(jié)構(gòu)12頂部的輔助金屬層13去除之后的微電子芯片表面剖面結(jié)構(gòu)示意圖5是依照本發(fā)明實(shí)施例刻蝕介質(zhì)層結(jié)構(gòu)12使芯片表面的金屬疊層結(jié)構(gòu)凸出于芯片表面的微電子芯片表面剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是依照本發(fā)明實(shí)施例將經(jīng)歷前述工藝過(guò)程的兩個(gè)微電子芯片鍵合之后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明通過(guò)利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝的凹陷效應(yīng)，在第一次化學(xué)機(jī)械拋光之后，在芯片表面沉積輔助金屬層，經(jīng)再次化學(xué)機(jī)械拋光去除介質(zhì)層結(jié)構(gòu)頂端的輔助金屬層，并刻蝕介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，獲得接近或稍高于芯片表面的金屬疊層結(jié)構(gòu)，最終利用鍵合工藝獲得芯片間互連。如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的形成微電子芯片間互連的方法流程圖，該方法包括步驟S101，第一次化學(xué)機(jī)械拋光，使微電子芯片表面的主金屬結(jié)構(gòu)表面低于介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面；步驟S102，在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層，沉積方法為濺射或蒸發(fā)，在所述主金屬結(jié)構(gòu)位置該輔助金屬層與所述主金屬結(jié)構(gòu)形成金屬疊層結(jié)構(gòu)；步驟S103，第二次化學(xué)機(jī)械拋光，去除介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面的輔助金屬層；步驟S104，刻蝕介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，使所述金屬疊層結(jié)構(gòu)接近或凸出于所述微電子芯片表面，形成待鍵合基片；步驟S105，將兩塊所述待鍵合基片表面對(duì)準(zhǔn)，實(shí)施鍵合工藝，形成微電子芯片間互連。在上述方案中，微電子芯片的表面應(yīng)包含主金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的這種形成微電子芯片間互連的方法，以免掩模的方式，在主金屬結(jié)構(gòu)頂端疊加輔助金屬層，降低鍵合工藝對(duì)溫度、壓力和表面平坦度的要求，以較小的成本增加，提高鍵合工藝的可實(shí)施性和成品率。實(shí)施例本實(shí)施例將以微電子芯片間互連的完整制造過(guò)程為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施例中，所用微電子芯片表面已經(jīng)包含主金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層結(jié)構(gòu)。主金屬結(jié)構(gòu)是但不限于是銅或鎢；介質(zhì)層結(jié)構(gòu)是以下材料的一種或多種組合氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯樹(shù)脂，介質(zhì)層結(jié)構(gòu)制備方式是以下方法的一種或多種組合熱氧化、等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積、旋涂并高溫烘烤固化。后續(xù)與本發(fā)明相關(guān)的形成微電子芯片間互連的方法包括以下步驟步驟1 第一次化學(xué)機(jī)械拋光，使微電子芯片表面的主金屬結(jié)構(gòu)11的頂端低于介質(zhì)層結(jié)構(gòu)12表面，如圖2所示。在第一次化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，使用腐蝕性能偏強(qiáng)的拋光液，在拋光完成之后，由于過(guò)腐蝕效應(yīng)，使得主金屬結(jié)構(gòu)，如銅結(jié)構(gòu)，比周?chē)橘|(zhì)層偏低。另一種實(shí)現(xiàn)方式是使用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)機(jī)械拋光溶液，在完成化學(xué)機(jī)械拋光之后，腐蝕或刻蝕主金屬層，使主金屬結(jié)構(gòu)頂端低于周?chē)橘|(zhì)層表面。步驟2 在微電子芯片表面沉積輔助金屬層13，如圖3所示。沉積方式為濺射或蒸發(fā)，優(yōu)選的沉積方式為濺射，為提高金屬界面性能，在沉積輔助金屬層之前，對(duì)芯片表面進(jìn)行離子轟擊或者濕法腐蝕處理，保證主金屬表面在濺射輔助金屬層時(shí)的清潔度和純度。輔助金屬層是以下金屬的一種或者多種組合金、銀、錫、銦、鎳、 鈦、鈦鎢、鉻。輔助金屬層厚度不超過(guò)步驟1之后主金屬結(jié)構(gòu)頂端與介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面的臺(tái)階尚度。步驟3 第二次化學(xué)機(jī)械拋光，去除介質(zhì)層結(jié)構(gòu)12頂部的輔助金屬層13，如圖4所
7J\ ο在第二次化學(xué)機(jī)械拋光中，使用無(wú)化學(xué)腐蝕成份或者低化學(xué)腐蝕成份的拋光液， 在去除介質(zhì)層結(jié)構(gòu)頂部的輔助金屬層的過(guò)程中，不損傷主金屬結(jié)構(gòu)頂端的輔助金屬層。步驟4 刻蝕介質(zhì)層結(jié)構(gòu)12，使主金屬結(jié)構(gòu)11與輔助金屬層13構(gòu)成的金屬疊層結(jié)構(gòu)凸出于微電子芯片表面，如圖5所示?？涛g采用反應(yīng)離子刻蝕或者濕法腐蝕的方式，根據(jù)介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的具體材料組成， 選擇刻蝕氣氛或者腐蝕溶液配方。步驟5 實(shí)施鍵合工藝，獲得微電子芯片間互連，如圖6所示。鍵合工藝采用熱壓的方式，并使用以下形式的一種芯片與芯片、芯片與晶圓、晶圓與晶圓。由于輔助金屬的存在，可以降低鍵合工藝對(duì)溫度、壓力和芯片表面平坦度的要求，提高鍵合工藝的可實(shí)施性及成品率。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述微電子芯片表面具有主金屬結(jié)構(gòu)和介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，該方法包括第一次化學(xué)機(jī)械拋光，使所述主金屬結(jié)構(gòu)表面低于介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面；在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層，在所述主金屬結(jié)構(gòu)位置該輔助金屬層與所述主金屬結(jié)構(gòu)形成金屬疊層結(jié)構(gòu)；第二次化學(xué)機(jī)械拋光，去除所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面的輔助金屬層；刻蝕所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，使所述金屬疊層結(jié)構(gòu)接近或凸出于所述微電子芯片表面，形成待鍵合基片；將兩塊所述待鍵合基片表面對(duì)準(zhǔn)，實(shí)施鍵合工藝，形成微電子芯片間互連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述第一次化學(xué)機(jī)械拋光之后還包括腐蝕或刻蝕主金屬結(jié)構(gòu)的表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述主金屬結(jié)構(gòu)采用的材料為銅或鎢。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)采用氧化硅、氮化硅、聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯樹(shù)脂中任一種材料或多種材料的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述輔助金屬層采用金、銀、錫、銦、鎳、鈦、鈦鎢或鉻中任一種材料或多種材料的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層的方式為濺射或蒸發(fā)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層之前，還包括對(duì)微電子芯片表面進(jìn)行離子轟擊或者濕法腐蝕處理，確保芯片表面的清潔度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述鍵合工藝為下列形式的一種芯片與芯片、芯片與晶圓、或者晶圓與晶圓。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述鍵合工藝采用的類(lèi)型為熱壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述第二次化學(xué)機(jī)械拋光使用無(wú)化學(xué)腐蝕成份或低化學(xué)腐蝕成份的拋光液。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的形成微電子芯片間互連的方法，其特征在于，所述第一次化學(xué)機(jī)械拋光使用標(biāo)準(zhǔn)的拋光液，或者使用化學(xué)腐蝕成份較標(biāo)準(zhǔn)的拋光液高的拋光液。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種形成微電子芯片間互連的方法，包括第一次化學(xué)機(jī)械拋光，使所述主金屬結(jié)構(gòu)表面低于介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面；在所述微電子芯片表面沉積輔助金屬層，在所述主金屬結(jié)構(gòu)位置該輔助金屬層與所述主金屬結(jié)構(gòu)形成金屬疊層結(jié)構(gòu)；第二次化學(xué)機(jī)械拋光，去除所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)表面的輔助金屬層；刻蝕所述介質(zhì)層結(jié)構(gòu)，使所述金屬疊層結(jié)構(gòu)接近或凸出于所述微電子芯片表面，形成待鍵合基片；將兩塊所述待鍵合基片表面對(duì)準(zhǔn)，實(shí)施鍵合工藝，形成微電子芯片間互連。本發(fā)明利用化學(xué)機(jī)械拋光工藝的凹陷效應(yīng)，以免掩模的方式，在主金屬結(jié)構(gòu)頂端疊加輔助金屬層，降低鍵合工藝對(duì)溫度、壓力和表面平坦度的要求，提高了芯片間互連制造的可實(shí)施性和成品率。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102157442SQ20111005524
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者于大全, 宋崇申 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所