[发明专利]通过制备超细间距微凸点实现金属互连的方法及相应器件

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及一种半导体或固体器件的金属互连工艺，尤其涉及一种通过制备超细间距微凸点来实现半导体或固体器件金属互连的方法以及通过该方法所制得的相应器件。

背景技术

随着微电子技术的不断进步，集成电路的特征尺寸不断缩小，互连密度不断提高。同时用户对高性能低耗电的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小互连线的线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容（RC）延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。硅穿孔（Through Silicon Via，简称TSV）工艺通过在晶圆中形成金属立柱，并配以金属凸点，可以实现晶圆（芯片）之间或芯片与基板间直接的三维互连，这样可以弥补传统半导体芯片二维布线的局限性。这种互连方式与传统的堆叠技术（如键合技术）相比具有三维方向堆叠密度大、封装后外形尺寸小等优点，从而大大提高芯片的速度并降低功耗。因此，TSV技术已经被广泛认为是继键合、载带焊和倒装芯片之后的第四代封装技术，将逐渐成为高密度封装领域的主流技术。

TSV是通过在芯片和芯片、晶圆和晶圆之间制作垂直导通孔，然后在导通孔内通过电镀等方式沉积导电物质而实现互连的技术。具体来讲，通过晶圆的背面减薄工艺，TSV从基板露头，然后在TSV露出的金属上形成凸点，此凸点与预先制备好的相邻基板或芯片上对应的凸点（即焊球）进行电气兼机械方式的连接。高密度封装要求通过细间距微凸点来实现，特别是未来的图像传感器和2.5D/3D芯片集成，细间距微凸点必不可少。例如高端的图像传感器，要求大像素、高清和小尺寸，由于像素之间的间距很小，所以微凸点也要非常致密。现有的微凸点制备技术包括沉积金属种子层，涂胶和曝光，电镀和金属种子层刻蚀，其中涂胶和曝光，电镀和金属种子层刻蚀都影响凸点间距的缩小。特别是种子层刻蚀，当凸点间距变小后钻蚀（undercut）很严重，造成凸点脱落，进一步缩小凸点之间的距离受到制约。

公开号为US6962835B2和US7602070B2的美国发明专利申请采用SiO2/Cu混合键合工艺，这要求晶圆表面化学机械平坦化（Chemical Mechanical Planarization，全文简称CMP）后非常平，否则会出现有的地方接触而有的没接触。但CMP后Cu表面会有凹坑（dishing），键合时即使施加非常大的力，由于SiO₂之间先接触，难以让Cu产生大的塑性变形进而产生良好接触。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种新的通过制备超细间距微凸点来实现半导体或固体器件金属互连的方法，能够克服现有的细间距微凸点制备工艺过程中出现的钻蚀、间距进一步缩小受限制等问题。

为了实现上述目的，本发明提供了下述的技术方案：

本发明是基于传统的大马士革工艺流程而提出的改进，通过制备超细间距微凸点来实现半导体或固体器件金属互连的方法，具体包括下述步骤：

1、先在第一晶圆上沉积一层厚1～3μm的电解质层，涂胶，然后进行掩膜光刻，刻蚀出贯穿所述电解质层的孔；

2、在第一晶圆表面和所述孔内沉积一层金属种子层；

3、在第一晶圆表面和所述孔内填充金属；

4、对第一晶圆表面的金属进行CMP，将孔之外的金属去除，直至相邻孔内填充的金属之间被电解质材料隔离；

5、对孔内金属的头部周围的电解质材料进行刻蚀，使得金属的头部端面高于周围的电解质面，形成金属露头结构；

6、在第二晶圆上对与第一晶圆上的上述孔内填充的金属相对应的互连区域重复上述步骤1至步骤4形成金属镶嵌在电解质材料内的平面结构或重复上述步骤1至步骤5形成金属露头结构；

7、在第一晶圆或第二晶圆的金属露头结构端面镀上一层兼有防止金属氧化的金属层或T_m<250℃的低熔点金属；

8、对第一晶圆和第二晶圆进行面对面的键合。

优选的，所述的电解质层为氧化硅（SiO₂）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）或氮氧化硅（Si₂N₂O）。

进一步的，所述的电解质层为氧化硅，且所述的阻挡层为Ta、TaN时，在步骤5中，用HF对孔内金属头部周围的氧化硅进行刻蚀。

优选的，在步骤1中，所述的孔通过干法刻蚀而成。