[发明专利]芯片接合结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种芯片接合技术，且特别是涉及一种芯片接合结构及其制作方法。

背景技术

在芯片级直接结合(wafer level direct bonding)的制作工艺中，其前制作工艺通常是化学机械平坦化(chemical-mechanical planarization，CMP)，如铜和铜对接(Cu-Cu bond)、氧化层和氧化层对接(fusion bond)以及铜和氧化层的混合式对接(hybrid bond)。当芯片表面对接时，表面形貌(surface topography，或是表面平坦度)、表面粗糙度(surface roughness)和表面洁净度(surface cleanness)为目前三大考虑。

举例来说，当对接形式为铜和氧化层的混合式对接时，铜垫(bond pad)在CMP后盘形化(dishing)的问题一直无法有效解决。铜垫盘形化的问题会随着铜垫尺寸愈大而愈加严重，铜垫因盘形化问题会导致无法顺利接合。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种芯片接合结构至少包括一第一基板、相对第一基板配置的一第二基板以及位在第一与第二基板之间的铜对接结构。在铜对接结构内具有一Cu-Cu接合界面，此Cu-Cu接合界面具有不同的凹凸组合特征，且Cu-Cu接合界面的两边的铜结晶方向不同。

本发明又提出一种芯片混合式接合的方法，用以接合一第一基板与一第二基板，第一基板的表面形成有一第一氧化层以及位于第一氧化层内的一第一铜层，第二基板的表面形成有一第二氧化层以及位于第二氧化层内的一第二铜层。这种方法包括在铜大马士革(Damascene)制作流程对第一铜层进行第一铜化学机械研磨制作工艺，并对第二铜层进行第二铜化学机械研磨制作工艺，移除第一铜层和第二铜层的顶面多余的铜变成凹面。再移除部分第一氧化层，使第一铜层的顶部突出于第一氧化层之后，对突出于第一氧化层的第一铜层进行非金属或阻障层的化学机械研磨制作工艺，使第一铜层的顶面变成凸面，其中非金属或阻障层的化学机械研磨制作工艺是对铜钝化的化学机械研磨制作工艺。然后，接合第二铜层的凹面与第一铜层的凸面，同时使第一与第二氧化层接触。接着，进行回火，使第一与第二氧化层产生共价键结，同时第一铜层和第二铜层也互相接合。

本发明再提出一种芯片热压接合的方法，用以接合一第一基板与一第二基板，第一基板的表面形成有一第一氧化层以及位于第一氧化层内的一第一铜层，第二基板的表面形成有一第二氧化层以及位于第二氧化层内的一第二铜层。这种方法包括在铜大马士革(Damascene)制作流程对第一铜层与第二铜层分别进行铜化学机械研磨制作工艺，移除第一铜层与第二铜层的顶面多余的铜变成凹面。再移除部分第一氧化层，使第一铜层的顶部突出于第一氧化层；并再移除部分第二氧化层，使第二铜层的顶部突出于第二氧化层。接着，对突出于第一氧化层的第一铜层与突出于第二氧化层的第二铜层分别进行非金属或阻障层的化学机械研磨制作工艺，使第一与第二铜层的凹面变成凸面，其中非金属或阻障层的化学机械研磨制作工艺是对铜钝化的化学机械研磨制作工艺。然后，对接第一与第二铜层的所述凸面。

为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的一种芯片接合结构的剖面示意图；

图2是本发明的第二实施例的一种芯片接合结构的剖面示意图；

图3A至图3E是本发明的第三实施例的一种芯片混合式接合的制造流程剖面示意图；

图4A至图4D是本发明的第四实施例的一种芯片热压接合的制造流程剖面示意图；

图5是实验例一的研磨压力与凹面深度的关系曲线图；

图6A至图6C是实验例二的铜垫在各步骤后的形貌图；

图7是实验例三的铜垫在12吋芯片不同区域的形貌图；

图8A是本发明的第五实施例的一种铜垫-铜垫对接的示意图；

图8B是本发明的第六实施例的一种铜硅穿孔-铜硅穿孔(through-silicon via，TSV)对接的示意图；

图8C是本发明的第七实施例的一种铜垫-铜硅穿孔对接的示意图。

主要元件符号说明

100、200：芯片接合结构

102、202：第一基板

102a、104a、300a、310a、400a、410a：表面

104、204：第二基板

106、206：铜对接结构

106a、106b：铜垫