[发明专利]一种铜‑铜金属热压键合的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及三维封装领域中圆片的键合，特别是涉及一种铜-铜金属热压键合的方法。

背景技术

随着芯片尺寸减小以及集成度的提高，传统的二维集成技术遇到难以克服的发展瓶颈。与二维集成技术相比，三维集成技术可实现芯片多功能化，提高芯片集成度、减小信号延时、降低功耗。三维集成技术一般可分为晶体管堆叠、管芯级键合、管芯-晶圆键合、晶圆级键合，其中晶圆级键合是最理想的实现形式，可用于异质结集成，成本低产量高，各层芯片之间的互连是通过硅通孔（TSV）实现的。

圆片键合是指在外界能量的帮助下使圆片键合界面的原子反应形成共价键而结合成一体，并达到一定键合强度的微加工技术。常用的键合技术有氧化物直接键合、金属-金属键合和粘胶键合。

如图1所示，传统的铜-铜金属直接键合工艺步骤为：

首先，提供待处理的第一衬底101’和第二衬底201’，在所述第一衬底101’上形成第一钝化层102’，在第二衬底201’上形成第二钝化层202’；

然后，在所述第一钝化层102’上依次溅射第一Ti粘附/阻挡层104’和第一Cu金属层105’，在所述第二钝化层202’上依次溅射第二Ti粘附/阻挡层204’和第二Cu金属层205’；

最后，将第一衬底101’含有第一Cu金属层105’的表面与第二衬底201’含有第二Cu金属层205’的表面进行接触键合。如图2所示为键合前的结构示意图。

由上述步骤可知，传统的铜-铜金属直接键合工艺需要分别对待键合的两个衬底溅射粘附/阻挡层和铜，之后进行键合，溅射次数较多，工艺较为复杂。

为此，本发明提出一种新的铜-铜金属热压键合的方法，在衬底表面共溅射Ti-Cu金属薄膜，键合后进行一次额外的退火，退火过程中，Ti会向衬底方向积聚并最终形成粘附/阻挡层。本发明的方法键合效果良好，工艺简单，可靠性良好。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铜-铜金属热压键合的方法，用于解决现有技术中键合前的溅射次数多、工艺复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种铜-铜金属热压键合的方法，所述铜-铜金属热压键合的方法至少包括以下步骤：

1）提供待键合的第一圆片和第二圆片，所述第一圆片包括第一衬底、制作在所述第一衬底表面的第一钝化层及制作在所述第一钝化层表面的第一Ti-Cu合金薄膜；所述第二圆片包括第二衬底、制作在所述第二衬底表面的第二钝化层及制作在所述第二钝化层表面的第二Ti-Cu合金薄膜；

2）将所述第一圆片和第二圆片进行热压键合，第一圆片含有第一Ti-Cu合金薄膜的表面和第二圆片含有第二Ti-Cu合金薄膜的表面接触形成键合面；

3）在保护性气体中进行退火处理，使第一Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第一钝化层表面扩散形成第一Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第二Ti-Cu合金薄膜中的Ti原子向第二钝化层表面扩散形成第二Ti粘附/阻挡层、Cu原子向键合面扩散；第一Ti-Cu合金薄膜中的Cu原子和第二Ti-Cu合金-薄膜中Cu原子扩散后形成共同的Cu金属层，最终实现键合。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述第一Ti-Cu合金薄膜和第二Ti-Cu合金薄膜均采用共溅射工艺来制作。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，所述共溅射工艺在多靶腔体内进行，靶材为Ti和Cu，溅射时的工作压强小于10^-2托，Cu的溅射速率为Ti的溅射速率的5～8倍。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，制作形成的所述第一Ti-Cu合金薄膜的厚度为0.2～10μm，所述第二Ti-Cu合金薄膜的厚度为0.2～10μm。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，步骤2）中进行热压键合前还包括对所述第一Ti-Cu合金薄膜和第二Ti-Cu合金薄膜表面进行乙酸清洗并甩干的步骤。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，进行热压键合的温度为350～450℃，时间为30～40分钟，压力为2000～4000N。

作为本发明的铜-铜金属热压键合的方法的一种优选方案，在N₂气氛中进行退火处理，退火处理的温度范围为350～450℃，退火的时间范围为60～100分钟。