[发明专利]一种混合键合实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种混合键合实现方法，属于半导体制造技术领域。

背景技术

导电性键合是三维集成技术中的关键方面，其直接实现两层待键合衬底的机械连接和电学连接，一般通过金属键合，如Cu-Cu键合，或包含金属结构的混合键合，如铜和氧化硅的混合键合，或铜与聚合物的混合键合等，来实现，单纯的Cu-Cu键合难以获得足够高的键合强度，而结合氧化硅或聚合物的混合键合可以有效保证键合强度，越来越受到业界关注。现有的混合键合方法一般采用CMP的方式处理表面，需要优化CMP过程，包括设备控制参数和抛光液成分优化等，一方面成本高，另一方面凹陷效应难以控制，难以获得金属结构与其他键合辅助材料表面的高度一致，影响键合质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种低成本且容易控制的混合键合实现方法，保证混合键合的有效进行。

按照本发明提供的技术方案，所述混合键合实现方法包括如下步骤：（1）在衬底表面制作金属凸块；（2）在衬底表面涂覆介质层，覆盖所述金属凸块；（3）采用机械刮平的方式，处理衬底表面，使衬底表面金属凸块和介质层表面在一个平面上；（4）使采用以上方法制作的两层衬底相对，使两层衬底表面金属凸块和介质层对准，并通过施加压力和温度条件实现两层衬底的键合。

所述介质层是聚合物材料。所述聚合物材料在键合之前未完全固化，固化比例不超过60%。

所述制作金属凸块的方法是电镀。

所述金属凸块对应材料是铜、镍、锡、锡银合金、锡银铜合金中一种或多种的组合。

本发明的优点是：采用机械刮平的方式处理衬底表面，获得混合键合结构，整个工艺流程不需要CMP工艺，降低混合键合工艺的难度和成本。

附图说明

图1所示是本发明实施例对应的工艺流程图。

图2是本发明实施例步骤一处理后剖面示意图。

图3是本发明实施例步骤二处理后剖面示意图。

图4是本发明实施例步骤三处理后剖面示意图。

图5是本发明实施例步骤四两层衬底键合后剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示是本发明提供的一个实施例对应的工艺流程图，为更详细的说明本发明，下面分步骤进行介绍。

（1）步骤1：即图1所示的S1。如图2所示，在衬底101表面已经制作有电路层102，如晶体管、二极管、电阻、电容、金属布线等，半导体衬底101厚度在50~800微米范围，电路层102厚度在0.5~5微米范围。在此基础上，在衬底101表面制作金属凸块104，优选电镀的方式加工，金属凸块104所用材料优选铜材料，也可以是镍、锡、锡银合金、锡银铜合金，或者多种金属或合金的组合。

更具体的来说，制作金属铜凸块采用半加成的方式：即首先在衬底表面沉积粘附层和种子层；然后进行光刻，使用光刻胶定义出需要加工金属铜凸块的位置；接着进行电镀，获得金属凸块；最后去除光刻胶和金属铜凸块之外区域衬底表面的粘附层和种子层，完成金属铜凸块加工。

（2）步骤2：即图1所示的S2。如图3所示，在衬底101表面旋涂聚合物层103，覆盖所述金属凸块104，所述聚合物优选苯丙环丁烯（BCB）材料，也可以采用聚酰亚胺、SU8等，且在涂覆后仅作部分固化，固化比例不超过60%。

（3）步骤3：即图1所示的S3。采用机械刮平的方式处理衬底101表面，刮平后，衬底101表面的聚合物层103还具有一定厚度，剩余厚度超过1微米，以保证电绝缘的需要。金属凸块104与聚合物层103表面在刮平处理后在同一个平面上，表面平均粗糙度小于20纳米，如图4所示。

表面刮平可以采用日本Disco公司提供的表面整平机（Surface Planer）实现，其刮平后表面粗糙度可以控制在20nm以下。

（4）步骤4：即图1所示的S4。将两个采用以上方法制作的衬底相对，使两层衬底101，201表面金属材料和聚合物层相互对准，并施加合适的温度和压力，实现两层衬底的键合。更加具体地，使用200~400摄氏度的温度，施加0.05~0.5MPa的键合压力进行键合，在实施键合工艺之前，对待键合衬底进行表面处理，如超声清洗，等离子清洗等，去除表面颗粒和氧化层，保证键合界面性能。

如图5所示，第二层衬底201具有和衬底101相似的结构，包括第二层衬底表面电路层202、第二层衬底表面聚合物层203、第二层衬底表面金属材料204。两层衬底表面金属材料104、204对准，表面聚合物层103、203对准。