一种混合键合结构以及混合键合方法技术

一种混合键合结构及混合键合方法，该混合键合结构包括：第一芯片(10)和第二芯片(20)，第一芯片(10)的表面包括第一绝缘介质(11)和第一金属(12)，第一金属(12)和第一绝缘介质(11)之间具有第一空隙区域(13)；第二芯片(20)的表面包括第二绝缘介质(21)和第二金属(22)；第一金属(12)的表面高于第一绝缘介质(11)的表面；第一金属(22)和第二金属(22)接触后形成金属键合，在第一空隙区域(13)内，第一金属(12)发生纵向和横向的形变；第一绝缘介质(11)和第二绝缘介质(21)接触后形成绝缘介质键合。通过设置第一空隙区域(13)，保证第一金属(12)可以同时发生纵向和横向的形变，可以避免出现金属键合缺陷和介质键合缺陷，提高量产良率和器件的长期可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种混合键合结构以及混合键合方法
本申请涉及集成电路制作领域，尤其涉及一种混合键合结构以及混合键合方法。
技术介绍
随着集成度的不断提高，每片上的器件单元数量急剧增加，芯片面积增大，单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积，严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度，三维堆叠技术成为当前主流突破方案。在三维堆叠技术中，键合是其制造技术的核心工艺技术，经历了从微凸点(micro-bump)、铜柱凸点(Cupillar)到晶圆键合的技术迭代过程，现在已经从介质晶圆键合发展到了最先进的混合键合。目前，在混合键合工艺中，由于晶圆表面抛光工艺引起了金属表面凹陷，所以需要提供足够高的温度(例如300-400℃)以使金属膨胀发生接触并产生内应力形成金属键合，否则会导致金属之间间隙或空洞的存在，但是高温会造成存储器等温度敏感器件的热损坏和早期失效。而在低温条件下(例如小于200℃)，金属膨胀量不足导致金属之间空隙的存在，进而导致键合缺陷。此外，即使通过工艺调整使金属凸出于介质层表面，由于结构特征限制，周边介质层对金属的强束缚使金属在纵向(晶圆表面的法线方向)方向上压缩受限，会造成介质层键合间隙或分层。如何降低工艺温度和避免键合缺陷，实现在低温条件下混合键合是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本申请提供了一种混合键合结构及混合键合方法，通过在芯片表面的金属和绝缘介质之间设置空隙区域，在金属表面高于绝缘介质时，使金属在设置的空隙区域内发生纵向和横向的形变，避免介质层键合间隙或分层，实现低温条件下的混合键合。第一方面，本申请实施例提供了一种混合键合结构，该混合键合结构包括：第一芯片和第二芯片；其中，第一芯片的表面包括第一介质层和第一金属层，所述第一介质层包括第一绝缘介质，所述第一金属层包括第一金属，所述第一金属的边缘与所述第一绝缘介质之间具有第一空隙区域；第二芯片的表面包括第二介质层和第二金属层，所述第二介质层包括第二绝缘介质，所述第二金属层包括第二金属；所述第一金属和所述第二金属接触后形成金属键合，在所述第一空隙区域内，所述第一金属发生纵向和横向的形变；所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质接触后形成绝缘介质键合。在第一方面提供的混合键合结构中，通过使第一金属的表面高于第一绝缘介质的表面，且在第一绝缘介质和第一金属之间设置第一空隙区域，使第一金属和第二金属接触形成金属键合后，第一金属可以在该第一空隙区域内发生纵向和横向的形变，即第一金属在混合键合的过程中，可以不再受到第一绝缘介质对第一金属的强束缚，能够在第一空隙区域发生纵向的塌陷和横向的延展，保证第一绝缘介质和第二绝缘介质能够完全接触形成绝缘介质键合，从而可以实现降低工艺温度，避免键合缺陷，实现低温条件下的金属和绝缘介质的混合键合。在第一方面一种可能的实现中，第二金属的表面高于所述第二绝缘介质的表面。在第一金属的表面高于第一绝缘介质的表面且第二金属的表面高于第二绝缘介质的表面的情况下，第一金属和第二金属可以同时在第一空隙区域内发生纵向和横向的形变，保证第一绝缘介质和第二绝缘介质能够完全接触形成绝缘介质键合，实现低温条件下的金属和绝缘介质混合键合，避免键合缺陷，提高量产良率。在第一方面一种可能的实现中，第一金属的表面和/或所述第二金属的表面具有碟形凹陷。该碟形凹陷是由于化学机械抛光(chemicalmechanicalpolishing，CMP)工艺造成的，第一金属的表面或第二金属的表面越大，该碟形凹陷深度越大。在第一方面一种可能的实现中，第一金属的表面与第一绝缘介质的表面的高度差大于第一金属的表面和第二金属的表面的碟形凹陷深度之和。这样，可以保证第一金属与第二金属能够完全接触，而且在形成金属键合时可以避免第一金属和第二金属之间出现间隙或空洞，进一步的提高量产良率。在第一方面一种可能的实现中，所述高度差确保在键合过程中，所述金属键合形成优先于所述绝缘介质键合形成。由于第一金属的表面高于第一绝缘介质的表面，且高度差大于第一金属和第二金属的表面碟形凹陷深度之和，所以可以保证第一金属与第二金属优先发生接触，然后形成金属键合，可以避免绝缘介质优先接触形成绝缘介质键合之后，需要通过高温使第一金属或第二金属发生膨胀接触形成金属键合，可以降低工艺温度，实现低温条件下的混合键合。在第一方面一种可能的实现中，第二金属的边缘与第二绝缘介质之间具有第二空隙区域。第一芯片的表面具有第一空隙区域，第二芯片的表面也可以具有第二空隙区域，第二空隙区域与第一空隙区域可以相同，也可以不同。在第一芯片和第二芯片的表面同时具有空隙区域，可以保证有足够的空间容纳第一金属发生的纵向和横向的形变，可以进一步避免出现键合缺陷。在第一方面一种可能的实现中，所述第一空隙区域和/或所述第二空隙区域的宽度范围位于10纳米与1000纳米之间。当第一空隙区域或第二空隙区域的宽度过窄，可能会使得第一金属的形变受到限制，即没有足够的空间容纳第一金属发生的纵向和横向的形变，导致出现键合缺陷，当第一空隙区域或第二空隙区域的宽度过宽时，将导致第一芯片或第二芯片表面绝缘介质键合区域面积的浪费。在第一方面一种可能的实现中，第一介质层还包括第三绝缘介质，第一金属的边缘与所述第三绝缘介质之间具有所述第一空隙区域。在第一芯片的表面第一介质层包括多种绝缘介质的情况下，第一空隙区域可以贯穿多种绝缘介质中一种绝缘介质，例如第一介质层包括第一绝缘介质和第三绝缘介质，第三绝缘介质和第一金属之间具有第一空隙区域，第一绝缘介质和第一金属之间紧密结合在一起；第一空隙区域也可以贯穿多种绝缘介质至少两种或全部绝缘介质，例如第一介质层包括第一绝缘介质和第三绝缘介质，第一绝缘介质和第一金属之间具有第一空隙区域，同时第三绝缘介质和第一金属之间也具有第一空隙区域。这样，可以灵活改变第一空隙区域的形状和范围大小，更好的满足实际需求。在第一方面一种可能的实现中，所述第一空隙区域内填充有机聚合物。例如在第一空隙区域内填充合成橡胶、合成纤维、聚乙烯或聚氯乙烯等。由于有机聚合物具有良好的伸缩性和延展性，所以有机聚合物对第一金属的束缚要远远小于第一绝缘介质对第一金属的束缚，因此，第一金属可以在填充了有机聚合物的第一空隙区域内发生纵向和横向的形变，可以避免出现键合缺陷，提高量产良率。在第一方面一种可能的实现中，所述第一绝缘介质或所述第二绝缘介质包括氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳氮化硅、氧化铝、非晶硅、碳化硅或氮化铝中的一种，例如第一绝缘介质为氧化硅，第二绝缘介质为氮化硅；所述第一金属或所述第二金属包括铜、金、银、铝、镍、钨、钛、锡、导电性石墨烯或碳纳米管中的一种，例如第一金属为铜，第二金属为锡；所述第三绝缘介质包括氮化硅、碳氮化硅、氧化铝、非晶硅、碳化硅或氮化铝中的一种，例如第三绝缘介质为氧化铝。在第一方面一种可能的实现中，所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质相同，所述第一金属和所述第二金属相同。当第一绝缘介质和第二绝缘介质相同时，在混合键合过程中，可以更好控制第一芯片和第二芯片以实现第一绝缘介质和第二绝缘介质之间的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合键合结构，其特征在于，包括：第一芯片和第二芯片：/n其中，所述第一芯片的表面包括第一介质层和第一金属层，所述第一介质层包括第一绝缘介质，所述第一金属层包括第一金属，所述第一金属的边缘与所述第一绝缘介质之间具有第一空隙区域；/n所述第二芯片的表面包括第二介质层和第二金属层，所述第二介质层包括第二绝缘介质，所述第二金属层包括第二金属；/n所述第一金属的表面高于所述第一绝缘介质的表面；/n所述第一金属和所述第二金属接触后形成金属键合，在所述第一空隙区域内，所述第一金属发生纵向和横向的形变；/n所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质接触后形成绝缘介质键合。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】一种混合键合结构，其特征在于，包括：第一芯片和第二芯片：
其中，所述第一芯片的表面包括第一介质层和第一金属层，所述第一介质层包括第一绝缘介质，所述第一金属层包括第一金属，所述第一金属的边缘与所述第一绝缘介质之间具有第一空隙区域；
所述第二芯片的表面包括第二介质层和第二金属层，所述第二介质层包括第二绝缘介质，所述第二金属层包括第二金属；
所述第一金属的表面高于所述第一绝缘介质的表面；
所述第一金属和所述第二金属接触后形成金属键合，在所述第一空隙区域内，所述第一金属发生纵向和横向的形变；
所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质接触后形成绝缘介质键合。


如权利要求1所述的混合键合结构，其特征在于，所述第二金属的表面高于所述第二绝缘介质的表面。


如权利要求1或2所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一金属的表面和/或所述第二金属的表面具有碟形凹陷。


如权利要求3所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一金属的表面与所述第一绝缘介质的表面的高度差大于所述第一金属的表面和所述第二金属的表面的碟形凹陷深度之和。


如权利要求4所述的混合键合结构，其特征在于，所述高度差用于在键合过程中，所述金属键合的形成优先于所述绝缘介质键合的形成。


如权利要求1或2所述的混合键合结构，其特征在于，所述第二金属的边缘与所述第二绝缘介质之间具有第二空隙区域。


如权利要求6所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一空隙区域和/或所述第二空隙区域的宽度范围位于10纳米与1000纳米之间。


如权利要求1或2所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一介质层还包括第三绝缘介质，所述第一金属的边缘与所述第三绝缘介质之间具有所述第一空隙区域。


如权利要求1或2所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一空隙区域内填充有机聚合物。


如权利要求8所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一绝缘介质包括氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳氮化硅、氧化铝、非晶硅、碳化硅或氮化铝中的一种，所述第二绝缘介质包括氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、碳氮化硅、氧化铝、非晶硅、碳化硅或氮化铝中的一种；所述第一金属包括铜、金、银、铝、镍、钨、钛、锡、导电性石墨烯或碳纳米管中的一种，所述第二金属包括铜、金、银、铝、镍、钨、钛、锡、导电性石墨烯或碳纳米管中的一种；所述第三绝缘介质包括氮化硅、碳氮化硅、氧化铝、非晶硅、碳化硅或氮化铝中的一种。


如权利要求10所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质相同，所述第一金属和所述第二金属相同。


如权利要求1或2所述的混合键合结构，其特征在于，所述第一金属和/或所述第二金属的截面的形状包括长方形、正方形、正梯形、倒梯形、圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：赫然，焦慧芳，代郁峰，杨广林，何志宏，谢荣华，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44