基于ＳＯＩ圆片的三维集成电路的实现方法技术

本发明专利技术公开一种基于ＳＯＩ圆片的三维集成电路的实现方法。所述方法包括：刻蚀去除制造好集成电路的绝缘体上硅（ＳＯＩ）圆片对应垂直互连的ＳＯＩ器件层；利用有机聚合物将ＳＯＩ圆片与辅助圆片临时键合，去除ＳＯＩ圆片衬底将ＳＯＩ层向辅助圆片转移；利用有机聚合物实现临时转移的ＳＯＩ圆片和另一个制造好集成电路的底层圆片的背面对正面永久键合，形成叠加圆片；从叠加圆片正面刻蚀二氧化硅层和永久键合层形成垂直通孔，填充金属实现ＳＯＩ层圆片与底层圆片的垂直互连。本发明专利技术在绝缘位置制造垂直互连解决深孔侧壁绝缘，降低了三维集成的制造难度。本方法可用于集成电路和微型传感器领域，实现多层芯片的背面对正面键合的三维集成。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造技术、三维集成技术，以及传感器制造
，特别涉及一种基于SOI圆片的三维集成电路的实现方法。
技术介绍
集成电路特征尺寸的不断降低、集成度的不断提高，不仅使集成 电路的特征尺寸逐渐逼近物理极限，而且使集成电路在设计、制造和 成本等方面都遇到了难以逾越的发展瓶颈。目前互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路的特征尺寸已经进入65nm，器件本身的速度不断 提高，每平方厘米的芯片面积上能够集成10亿个CMOS器件。这使 高端集成电路芯片上的金属互连线的总长度达到了几十公里，布线变 得异常复杂，更重要的是，金属互连的延迟、功耗、噪声等都随着特 征尺寸的降低而不断增加，特别是全局互连的RC延迟和动态功耗迅 速增加，严重影响了集成电路的性能。目前解决互连延迟的方法是在 全局互连线上增加一系列缓冲器，但电路的功耗大幅度增加，即利用 功耗换取速度。铜互连及低K介质的使用使串连电阻和寄生电容有所 降低，但随着特征尺寸的减小该方法仍旧不能彻底解决延迟等问题。 因此，金属互连已经取代晶体管成为决定集成电路性能的主要因素和 集成电路发展的真正瓶颈。三维集成是在平面电路基础上，利用第三维来实现单个芯片内多 层器件的集成，即把一个大的平面电路分为若干逻辑上相关联的功能 模块分布在多层芯片上，然后通过穿透衬底的三维互连将多层芯片集 成。三维互连能够实现多芯片的垂直集成，大幅度降低全局互连的长 度，从而大幅度降低互连延迟、提高集成电路速度、减小芯片功耗。 三维集成可以实现多层不同工艺甚至不同衬底材料的电路集成，为异 质芯片的SOC以及传感器与处理电路的集成提供了良好的解决方案。 三维互连是物理互连，在平面集成电路所面临的多芯片异质集成、高带宽通信和互连造成的延迟和噪声等问题上，是最可行的解决手段。目前三维集成技术主要包括用于体硅圆片的三维集成技术和用 于绝缘体上硅(SOI)圆片两大类。用于体硅圆片的三维集成技术一般采 用电镀方法在圆片上制备高深宽比的垂直铜互连，通过金属凸点键合 实现多层圆片的叠加，可在垂直互连制造以前或者以后减薄体硅的衬 底至几十微米。用于SOI圆片的三维集成技术一般采用标准大马士革工艺制备高密度的垂直铜互连，采用二氧化硅(Si02-Si02)直接键合 实现多层圆片的叠加，禾IJ用SOI圆片的Si02埋层作为去除SOI衬底 层的停止层，最终SOI圆片的厚度为几微米。二氧化硅直接键合的方法首先要对圆片表面进行平整化处理和 活化处理，随后在室温直接接触两表面实现弱的键合强度，最后通过 高温后退火处理提高键合强度到所需程度。这种键合方法的优点是在 键合过程中不会发生上下圆片之间的相对滑移，能够保证最初的对准 精度。但是由于对键合的两个圆片表面的平整度要求非常高， 一般要 达到原子级，即亚纳米量级，因此在键合之前要进行严格的表面平整化处理，成为制造的难点并增加了成本；另外，二氧化硅直接键合对 退火温度的要求很高，通常60(TC以下的退火难以满足二氧化硅直接 键合的要求，影响键合质量；而制造好集成电路的圆片通常只能承受 45(TC以下的后退火，否则金属化将受到损害。为了解决SOI圆片三维集成电路制造过程中，二氧化硅直接键合 所需的高温过程对集成电路的损害问题，本专利技术提出了利用有机聚合 物热压键合实现多层圆片集成的方法。首先在圆片表面涂覆有机高分 子聚合物，随后施加一定的温度和压力使聚合物固化实现两层圆片间 的键合。 一般有机聚合物的键合温度在45(TC以下，与集成电路工艺 兼容性好，不会对金属化产生影响；另外这种方法对圆片表面平整度 的要求不高，降低了制造难度和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服高温过程的二氧化硅直接键合，实现多层芯 片的三维集成，特别涉及一种基于SOI圆片的三维集成电路的实现方法，其特征在于将一个制造好集成电路(或微结构)的圆片作为第一层圆片，将另一个制造好集成电路(或微结构)的SOI圆片作为第二层圆片；利用有机聚合物作为键合层实现SOI圆片与辅助圆片的临时键合，将SOI器件层向辅助圆片转移；利用有机聚合物实现相邻圆 片间的背面对正面的永久键合；通过穿透圆片的垂直互连实现导电连 接，实现基于SOI圆片的三维集成电路，本专利技术的技术方案包括以下 工艺过程步骤A:利用干法刻蚀技术刻蚀去除第二层圆片SOI层上对应垂直互连位置的硅，使SOI层的集成电路(或微结构)在埋层二氧化硅 层上形成类似硅岛的结构；步骤B:利用临时键合有机聚合物作为键合层，把所述第二层圆 片的正面与一个辅助圆片临时键合；步骤C:采用减薄的方法从背面去除所述第二层圆片的衬底层， 实现第二层圆片的SOI层向辅助圆片的转移，其中第二层圆片的埋层 二氧化硅层作为去除衬底的停止层；步骤D:利用另一种永久键合有机聚合物，把所述的第二层圆片 的埋层二氧化硅层与所述的第一层圆片的正面永久键合；去除所述第 二层圆片上用于临时键合的有机聚合物，使辅助圆片分离；步骤E:利用干法刻蚀技术刻蚀永久键合后两层圆片的介质层和 永久键合有机聚合物层，实现连接两层圆片的垂直互连通孔；步骤F:在垂直互连孔内填充导电金属，制造高密度三维垂直导 电互连，实现电路的三维集成。所述第一层圆片可使用硅、锗硅、砷化镓或者绝缘体上硅SOI圆片。所述临时键合有机聚合物包括但不限于低温固化耐高温聚合物 聚酰亚胺(polymide)或者光敏变性聚合物光刻胶。所述的永久键合有机聚合物包括但不限于苯并环丁烯(BCB)， 聚酰亚胺(polymide)或二甲苯聚合物(parylene)。所述填充导电金属的方法可以是大马士革电镀、自底向上电镀、 溅射或化学气相沉积。所述的导电金属可以是铜、锡、钨、金、铝或铂。所述方法还包括将所述键合后的三维集成电路作为新的第一层 电路圆片，重复执行所述步骤A至所述步骤F，实现多层电路圆片构 成的三维集成电路。本专利技术在制造好集成电路(或微结构)的基础上，通过有机聚合 物的低温键合实现多层芯片的集成，利用刻蚀和金属互连实现垂直互 连。本专利技术提供的技术方案的有益效果是采用有机聚合物临时键合， 容易实现SOI圆片向辅助圆片的临时转移；采用有机聚合物永久键 合，实现多层圆片的集成，避免了二氧化硅直接键合对SOI圆片表面 极高的平整化要求和键合所需的高温退火；将垂直互连区域的SOI层 单晶硅刻蚀去除，可以使垂直互连直接被二氧化硅绝缘层包围，不需 要在通孔内制造绝缘层；采用电镀或溅射制造垂直金属导电互连，占 用面积小、密度高。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于SOI圆片的三维集成电路的实现方法过程图。图2是本专利技术实施例提供的制造好集成电路(或微结构)的半导 体SOI圆片的示意图。图3是本专利技术实施例提供的对图2中的半导体SOI圆片与辅助圆 片临时键合后的示意图。图中201—金属互连、202—表面钝化层、203—绝缘体上硅层(SOI层)、204~埋层二氧化硅层(BOX层)、205—半导体衬底(Si)、 206—临时健合有机聚合物、207—辅助圆片。图4是本专利技术实施例提供的对图3中的半导体SOI圆片从背面去 除衬底层后的示意图。图5是本专利技术实施例提供的图4中的去除衬底的SOI圆片作为第 二层圆片与另一个制造好集成电路(或微结构)的圆片作为第一层圆 片永久本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ＳＯＩ圆片的三维集成电路的实现方法，其特征在于，将一个制造好集成电路（或微结构）的圆片作为第一层圆片，将另一个制造好集成电路（或微结构）的ＳＯＩ圆片作为第二层圆片；利用有机聚合物作为键合层实现ＳＯＩ圆片与辅助圆片的临时键合，将ＳＯＩ器件层向辅助圆片转移；利用有机聚合物实现相邻圆片间的背面对正面的永久键合；通过穿透圆片的垂直互连实现导电连接，实现基于ＳＯＩ圆片的三维集成电路，过程如下：步骤Ａ：利用干法刻蚀技术刻蚀去除第二层圆片ＳＯＩ层上对应垂直互连位置的硅，使ＳＯＩ层集成电路（或微结构）在埋层二氧化硅层上形成类似硅岛的结构；步骤Ｂ：利用临时键合有机聚合物作为键合层，把所述第二层圆片的正面与一个辅助圆片临时键合；步骤Ｃ：采用减薄的方法从背面去除所述第二层圆片的衬底层，实现第二层圆片的ＳＯＩ层向辅助圆片的转移，其中第二层圆片的埋层二氧化硅层作为去除衬底的停止层；步骤Ｄ：利用另一种永久键合有机聚合物，把所述的第二层圆片的埋层二氧化硅层与所述的第一层圆片的正面永久键合，去除所述第二层圆片上用于临时键合的有机聚合物，使辅助圆片分离；步骤Ｅ：利用干法刻蚀技术刻蚀永久键合后两层圆片的介质层和永久键合有机聚合物层，实现连接两层圆片的垂直互连通孔；步骤Ｆ：在垂直互连孔内填充导电金属，制造高密度三维垂直导电互连，实现电路的三维集成。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SOI圆片的三维集成电路的实现方法，其特征在于，将一个制造好集成电路(或微结构)的圆片作为第一层圆片，将另一个制造好集成电路(或微结构)的SOI圆片作为第二层圆片；利用有机聚合物作为键合层实现SOI圆片与辅助圆片的临时键合，将SOI器件层向辅助圆片转移；利用有机聚合物实现相邻圆片间的背面对正面的永久键合；通过穿透圆片的垂直互连实现导电连接，实现基于SOI圆片的三维集成电路，过程如下步骤A利用干法刻蚀技术刻蚀去除第二层圆片SOI层上对应垂直互连位置的硅，使SOI层集成电路(或微结构)在埋层二氧化硅层上形成类似硅岛的结构；步骤B利用临时键合有机聚合物作为键合层，把所述第二层圆片的正面与一个辅助圆片临时键合；步骤C采用减薄的方法从背面去除所述第二层圆片的衬底层，实现第二层圆片的SOI层向辅助圆片的转移，其中第二层圆片的埋层二氧化硅层作为去除衬底的停止层；步骤D利用另一种永久键合有机聚合物，把所述的第二层圆片的埋层二氧化硅层与所述的第一层圆片的正面永久键合，去除所述第二层圆片上用于临时键合的有机聚合物，使辅助圆片分离；步骤E利用干法刻蚀技术刻蚀永久键合后两层圆片的介质层和永久键合有机聚合物层，实现连接两层圆片的垂直互连通孔；步骤F在垂直互连孔内填充导电金属，制造高密度三维垂直导电互连，实现电路的三维集成。2. 根据权利要求1所述的基于SOI圆片的三维集成电路的实现 方法，其特征在于，所述的第一层圆片是硅、锗硅、砷化镓或SOI 圆片。3. 根据权利要求1所述的基于SOI圆片的三维集成电路的实现 方法，其特征在于，所述临时键合有机聚合物为低温固化耐高温聚合物聚酰亚胺或者光敏变性聚合物光刻胶。4. 根据权利要求1所述的基于SOI圆片的三维集成电路的实现 方法，其特征在于，所述的辅助圆片是玻璃或高分子聚合物(如聚四 氟乙烯)制成的透明圆片，或者是硅、陶瓷、金属或砷化镓制成的非 透明圆片。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王喆垚，陈倩文，宋崇申，蔡坚，刘理天，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]