[发明专利]芯片键合对准结构与键合芯片结构及其制作方法

说明书

本发明公开一种芯片键合对准结构与键合芯片结构及其制作方法，其中该芯片键合对准结构包括:半导体芯片、金属层、蚀刻停止层、至少一个金属凸丘、介电阻障层、硅氧化物层以及碳氮化硅层。金属层位于半导体芯片的键合表面，具有一个金属对准图案。蚀刻停止层覆盖于键合表面和该金属层上。金属凸丘由金属层向上延伸穿过蚀刻停止层，介电阻障层覆盖于蚀刻停止层和金属凸丘上。硅氧化物层覆盖于介电阻障层上。碳氮化硅层覆盖于硅氧化物层上。

技术领域

本发明涉及一种半导体元件及其制作方法，特别是涉及一种半导体芯片键合技术的键合对准结构以及应用此键合对准结构所制作而成的键合芯片结构及其制作方法。

背景技术

芯片键合技术是指将两片半导体芯片(例如，晶片)经清洗后贴合在一起，再经过高温退火处理，在二者的介面形成化学键的连接。目前已成为制备复合材料及实现微机械加工的重要手段，且广泛应用于半导体制作工艺应用，包括基板工程、集成电路制造、微机电系统(MEMS)和封装等技术之中。

典型的芯片键合技术，会在两片半导体芯片的键合表面上分别形成包含有介电缓冲层和键合材料层(通常为碳氮化硅层)的键合中间层(inter-bonding layer，IBL)。再通过热和压力使两片半导体芯片的键合材料层表面原子产生共价键合，当键合能(bondingenergy)达到一定强度，即可在不使用黏接媒介物的状况下结成为一体。为了使这两片半导体芯片精准对位，一般会在其中一个半导体芯片中，最靠近其键合表面的金属层上形成对准标记；再采用图像辨识的方式来识别对此一对准标记，将两片半导体芯片面对面精准贴合。

然而，由于对准标记受到介电缓冲层和键合材料层的覆盖，可能导致对准标记清晰度欠佳，识别不易，进而降低两片半导体芯片键合的对位精度。再加上，对准标记通常为铜质金属图案，在芯片键合之前，容易受到其他热制作工艺(例如热退火制作工艺)的影响而形成铜凸起缺陷(Cu hillock)，并突穿覆盖于其上的介电缓冲层和/或键合材料层，导致铜离子扩散到介电缓冲层和/或键合材料层或其他后续行程的材料层中，可能影响键合后半导体芯片的效能和可靠度。

因此，有需要提供一种先进的芯片键合对准结构与键合芯片结构及其制作方法，来解决现有技术所面临的问题。

发明内容

本说明书的一实施例揭露一种芯片键合对准结构，此芯片键合对准结构包括:半导体芯片、金属层、蚀刻停止层、至少一个金属凸丘、介电阻障(dielectric barrier)层、硅氧化物层以及碳氮化硅层。金属层位于半导体芯片的键合表面上，具有一个金属对准图案。蚀刻停止层覆盖于键合表面和该金属层上。金属凸丘由金属层向上延伸穿过蚀刻停止层，介电阻障层覆盖于蚀刻停止层和金属凸丘上。硅氧化物层覆盖于介电阻障层。碳氮化硅层覆盖于硅氧化物层上。

本说明书的另一实施例揭露一种芯片键合对准结构的制作方法，此方法包括下述步骤:首先，于半导体芯片的键合表面形成一个金属层，使其具有一个金属对准图案。然后，形成蚀刻停止层，覆盖键合表面和金属层；再进行高压退火(high pressure anneal，HPA)制作工艺，以形成至少一个金属凸丘，由金属层向上延伸穿过蚀刻停止层。接着，形成一个介电阻障层，覆盖于蚀刻停止层和金属凸丘；形成一个硅氧化物层覆盖介电阻障层；以及形成一个碳氮化硅层覆盖硅氧化物层。

本说明书的又一实施例揭露一种键合芯片结构，此键合芯片结构包括:第一半导体芯片、第二半导体芯片以及介层插塞。第一半导体芯片，具有第一键合表面，并包括:金属层、至少一个金属凸丘、蚀刻停止层、硅氧化物层以及碳氮化硅层。金属层位于第一键合表面上，且具有一个金属对准图案。蚀刻停止层覆盖于键合表面和该金属层上。金属凸丘由金属层向上延伸穿过蚀刻停止层。介电阻障层覆盖于蚀刻停止层和金属凸丘上。硅氧化物层覆盖于介电阻障层上。碳氮化硅层覆盖于硅氧化物层上。第二半导体芯片具有第二金属导线层以及面对第一键合表面的第二键合表面。介层插塞电连接第一半导体芯片中的第一金属导线层和第二半导体芯片中的第二金属导线层。