[发明专利]晶粒与晶片间三维互连的接合结构与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶粒与晶片间三维互连的接合结构与方法，特别是涉及一种以穿硅导孔中的金属插塞与铜金属层接合的结构与方法。

背景技术

半导体元件的制造为在半导体晶片上，以连续步骤形成多个有源区，沉积各种绝缘层、导电层与半导体层，以及图案化上述各层。半导体元件最上层或最后形成的薄膜典型为金属化的薄膜。金属化薄膜典型具有一层或多层的金属内连线(metal interconnect)，金属内连线具有位于绝缘层内的导线，且可与位于其下的有源区以及晶片内或晶片上的导线互相连接。

由于收缩半导体元件尺寸的成本持续增加，因此不断研发替代方法以降低成本，如延伸集成电路至第三维空间或堆叠半导体晶片。例如，可接合两片或多片晶片以形成三维结构。

图1是先前技术中，晶片与晶粒的接合结构。顶端的晶粒102利用焊料凸块110接合至底端的晶片104。底端的晶片104具有穿硅导孔(throughsilicon vias，TSVs)112，孔中填有铜金属114，以及顶端的晶粒102具有铜镍垫片108。焊料凸块110为易溶焊料的微凸块，可与铜金属114接合。晶片与晶粒间以焊料凸块互连时，决定互连制造工艺产率与焊料接合可信度的关键因素为焊料湿润接合垫片的程度。焊料的各种物理属性会影响焊料湿润接合垫片的程度，如表面张力的不平衡、粘性的消散、分子动力运动、化学反应、以及扩散作用。接合垫片湿润的程度可用液体与固体的接触面夹角角度表示。然而，铜金属与一般易溶的焊料间的湿润程度还未被最佳化。如果湿润的效果不好，焊料可能仅在铜金属表面形成小水滴状，而使得铜金属与易溶的焊料间的接合不完全。

此外，铜金属易被氧化或于焊接过程中可被氧化的问题，使得焊料接合的可靠性成为问题。再者，数十微米或更大尺寸的焊料凸块110不利于用来导通日渐缩小的元件。

由此可见，上述现有的晶粒与晶片间的接合结构与方法在产品结构、制造方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品及方法又没有适切的结构及方法能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如 何能创设一种新的晶粒与晶片间三维互连的接合结构与方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的晶粒与晶片间的接合结构与方法存在的缺陷，而提供一种新的晶粒与晶片间三维互连的接合结构与方法，所要解决的技术问题是使其形成氮化钽/铜铝合金层于晶粒的金属垫片上，以使晶粒与其他晶片形成三维结构互连，不仅可解决或克服上述或其他问题，且具有技术上的优势，非常适于实用。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种晶粒与晶片间的接合方法，该方法包含：提供一晶粒，具有一导电垫片；沉积一铜金属层于该导电垫片上；沉积一氮化钽层于该铜金属层上；沉积一铜铝合金层于该氮化钽层上；形成一导电堆叠在该导电垫片上，该导电堆叠包含该铜金属层、该氮化钽层与该铜铝合金层；以及接合该导电堆叠的该铜铝合金层至一晶片的一穿硅导孔中的一金属插塞上，以形成一导电路径于该晶粒的该导电垫片与该晶片的该金属插塞间，其中不需要焊料凸块，该铜铝合金层直接接合至该金属插塞上。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的接合方法，其更包含：在沉积该铜金属层前，沉积一钛金属层于该导电垫片上。

前述的接合方法，其更包含：在沉积该钛金属层于该导电垫片上前，覆盖一聚酰亚胺于该晶粒上并裸露该导电垫片。

前述的接合方法，其更包含：在沉积该氮化钽层前，清洗该铜金属层，其中该清洗步骤的方法为去离子水刷洗、氩气等离子体去沫或去离子水刷洗与氩气等离子体去沫。

前述的接合方法，其更包含：在形成该导电堆叠前，沉积一抗反射薄层于该铜铝合金层上。

前述的接合方法，其中所述的抗反射薄层为一个氮氧化硅层。

前述的接合方法，其中所述的沉积该氮氧化硅层的方法为化学气相沉积法。

前述的接合方法，其更包含：在接合前，移除该抗反射薄层。

前述的接合方法，其中所述的沉积该氮化钽层的方法为溅镀法。

前述的接合方法，其中所述的沉积该铜铝合金层的方法为溅镀法。