[发明专利]一种多步协同表面活化低温混合键合方法

说明书

一种多步协同表面活化低温混合键合方法，属于晶圆键合及三维封装领域，该方法能够同时键合Cu‑Cu、SiO₂‑SiO₂以及Cu‑SiO₂，所述方法具体步骤如下：一、将含有Cu电极和SiO₂绝缘层图案的混合键合样品在室温下浸泡于甲酸溶液中，取出后在去离子水中进行超声清洗；二、采用等离子体对清洗后的样品进行表面活化；三、将等离子体活化后的样品对准后进行热压键合；四、对键合后样品进行保温，最终获得Cu/SiO₂混合键合样品对。本发明操作便捷，成本低廉，低温200°C条件下实现了牢固的键合界面。大幅减小因热膨胀、热失配和热扩散而带来的一系列问题，避免损坏温度敏感器件，相比目前已知的其他混合键合方法具有明显优势，适用于下一代高性能芯片三维高密度异质集成。

技术领域

本发明属于晶圆键合技术领域，涉及一种含有Cu电极和SiO₂绝缘层的混合图形样品的直接键合方法，具体涉及一种多步协同表面活化低温混合键合方法。

背景技术

三维集成技术通过将半导体单元在垂直方向上进行堆叠，极大地缩短了互连长度，从而降低信号延迟与寄生电容，减小噪声，并有效提高芯片功能密度。发展先进的三维集成技术是满足便携式电子设备的超薄，超轻，高性能和低功耗需求的行业趋势。

在三维集成技术中，晶圆键合技术是实现多个芯片堆叠的关键。目前晶圆（或芯片）上电极之间的键合往往需要钎料凸点(Solder bump)的介入，但由于目前凸点尺寸减小已趋于极限，无法进一步提高芯片电极的集成密度。若能够省略钎料凸点，将晶圆(或芯片)上的Cu电极和SiO₂绝缘层同时键合的混合键合技术(Hybrid bonding)是目前制造小型化多功能电子设备，实现高密度互连的最具潜力、最优解决方案。区别于传统键合技术中只采用一种键合材料的同质键合，混合键合样品具有平面化的介电材料和隔离的金属。对于介电材料，二氧化硅(SiO₂)是最佳选择。由于金属铜具有高电导率和热导率，可以改善电学性能和热传导，已经成为了先进电子应用中标准互连金属材料，因此选择Cu作为混合键合中的互连金属。Cu/SiO₂混合键合技术能够同时实现电学互连的Cu-Cu键合和提高机械强度的SiO₂-SiO₂键合，可将互连节距缩小至1~10 um，并且对前端、后端工艺兼容性好、无需底部填充，并且结合晶圆减薄技术未来能够实现4层、8层、12层甚至16层的堆叠存储器，同时满足下一代高性能计算的封装高度和性能要求，是用于三维集成的最理想解决方案。

目前能够实现混合键合的机构寥寥无几，对其使用的具体工艺也很少详细公开，即使公开发表操作流程也较为复杂，成本较高，而且为了保证界面电学可靠性键合温度通常需400°C以上，容易对芯片中温度敏感器件造成损坏，未来商业化难度较大。因此开发操作简单、成本低廉的可行混合键合方法刻不容缓。研发新一代Cu/SiO₂混合键合工艺有望使我国在未来半导体芯片制造的竞争中实现“弯道超车”。

发明内容

由于亟待开发适用于混合键合的低温直接键合方法，本发明的目的在于提供一种多步协同表面活化低温混合键合方法，该方法操作便捷，并为保证混合样品电学性能设定键合温度为200°C，有效实现Cu/SiO₂混合键合。

实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

本发明的一种多步协同表面活化低温混合键合方法，所述方法的具体步骤如下：

步骤一：将含有Cu电极和SiO₂绝缘层图案（以下简称Cu/SiO₂）的混合键合样品室温下浸泡于甲酸溶液中，而后在去离子水中超声清洗；

步骤二：采用等离子体对清洗后的Cu/SiO₂混合键合样品进行活化；