[发明专利]一种晶圆级混合键合的方法

说明书

本发明公开了一种晶圆级混合键合的方法，包括以下步骤：提供两片待混合键合的半导体衬底晶圆，在晶圆的表面沉积一层第一介质层，并进行图形化处理，形成图形结构；在图形结构中填充金属，形成金属层图形；对晶圆表面进行平坦化处理，使第一介质层与金属层表面齐平；在整个晶圆表面沉积一层保护层；在保护层表面沉积一层第二介质层；去除位于金属层图形上方位置上的第二介质层，露出下方的保护层；继续去除下方露出的保护层，露出金属层；执行对两片晶圆的混合键合。本发明完全避开了传统CMP方法对介质层粗糙度高要求的不利影响，有效克服了以往CMP方法引入的刮伤，以及研磨液残留导致缺陷及良率低的问题，且工艺成熟，简单可控。

技术领域

本发明涉及集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种晶圆级混合键合的实现方法。

背景技术

随着集成电路日益迅猛发展，其物理尺寸越来越小，集成度要求越来越高，这对封装提出了巨大的挑战。三维集成电路因其尺寸及成本优势成为延长摩尔定律并解决先进封装问题的有效途径。晶圆键合技术是实现三维集成电路的关键技术之一，其中，混合键合技术可以实现数千个芯片的内部连接，极大改善芯片性能，节省面积，降低成本。混合键合是指晶圆键合界面既有金属又有绝缘物质的一种键合方式。

金属的膨胀系数比介质层的膨胀系数高数倍，所以在进行高温退火后，金属部分要比介质层高。

请参考图1，图1是现有的一种混合键合状态示意图。如图1所示，其显示2片待键合的晶圆10、10’。在键合时的高温退火过程中，由于金属和介质层的热膨胀系数不同，导致金属层30、30’膨胀高于介质层20、20’，进而导致混合键合失败。

为了能完成混合键合，就需要对键合表面进行处理，实现金属层低于介质层。现有的实现混合键合的方法主要是通过CMP的方式处理键合表面，使金属层凹陷，达到介质层与金属层产生高度差的目的。但是，CMP方法存在很多问题：对键合表面质量要求非常高，金属层的凹陷要控制在5-10nm以内，介质层的粗糙度要控制在0.5nm以内。此外，CMP过程中容易出现刮伤，研磨液残留的问题导致缺陷增加，进而降低产品良率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种晶圆级混合键合的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种晶圆级混合键合的方法，包括以下步骤：

步骤S01：提供两片待混合键合的半导体衬底晶圆，在所述晶圆的表面沉积一层第一介质层，并进行图形化处理，形成图形结构；

步骤S02：在所述图形结构中填充金属，形成金属层图形；

步骤S03：对所述晶圆表面进行平坦化处理，使第一介质层与金属层表面齐平；

步骤S04：在整个所述晶圆表面沉积一层保护层；

步骤S05：在所述保护层表面沉积一层第二介质层；

步骤S06：去除位于所述金属层图形上方位置上的第二介质层，露出下方的所述保护层；

步骤S07：继续去除下方露出的所述保护层，露出所述金属层；

步骤S08：执行对两片所述晶圆的混合键合。

进一步地，所述半导体衬底为硅衬底，或者是具有外延层的衬底，或者是绝缘体上硅衬底。

进一步地，所述第一介质层为采用热氧化法或沉积法形成的氧化硅、氮化硅或氮氧化硅介质层。

进一步地，步骤S01中，所述图形化处理方式为：在第一介质层表面涂布光刻胶，经光刻工艺的曝光、显影，形成图案化的光刻胶；以图案化的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法刻蚀蚀刻第一介质层，得到图案化的第一介质层的图形结构。