一种基于二维材料界面的混合键合结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二维材料界面的混合键合结构及方法，对待键合的芯粒下表面的绝缘层进行凹陷化处理；对待键合的半导体晶圆上表面键合区域的绝缘层进行凹陷化处理，凹陷处设置二维材料层，再将芯粒下表面与半导体晶圆上表面键合，利用二维材料薄层覆盖绝缘层，有效消除绝缘层表面的悬挂键，使键合界面达到原子级平整，有效降低键合的压力和温度，提升键合良率；此外，二维材料键界面可以降低键合界面缺陷密度，减少电迁移的发生，并通过热导率较高的二维材料界面，可以均匀化芯粒向晶圆的散热，从而提高键合的可靠性。从而提高键合的可靠性。从而提高键合的可靠性。

A hybrid bonding structure and method based on two-dimensional material interface

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维材料界面的混合键合结构及方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其是涉及一种基于二维材料界面的混合键合结构及方法。

技术介绍

[0002]随着集成电路产业的发展，芯片的关键节距以及尺寸都在不断地缩小，相应地，芯片的集成封装也涌现出各式各样新的模式，如SoC、SiP、EMIC、CoWoS、InFO_SoW等2.5D/3D封装。
[0003]混合键合（Hybrid bonding）是一种将晶圆/芯片上的Cu电极和SiO2绝缘层同时键合的技术。省去了钎料微凸点（Solder μbump），因此混合键合可以进一步缩小键合的互连节距至10 μm以下。混合键合技术在一些3D封装中起到不可替代的作用。而混合键合的难点在于如何获得原子级平整的键合界面，才可以获得高可靠性的键合强度以及优秀Cu互连的电学性能。鉴于此，目前大多采用如CN105679654这样的半导体常见工艺对键合晶圆的表面进行化学机械抛光（CMP，Chemical Mechanical Polishing）预处理，以获得足够平坦的表面进行键合。但是CMP后的SiO2在表面处必然存在悬挂键（SiO2晶体的表面是体内原子规则排布的终止面，处在表面的原子向晶体内部的原子形成共价键，而向外没有可以成键的原子，其断开价键被称为悬挂键），为了使SiO2键合，通常需要较高的键合温度，且化学机械抛光也容易对晶圆近表面处造成额外的应力或缺陷。
[0004]由于悬挂键的存在，如果有电子经过其表面就容易被捕获，其类似于一个受主能级，由于这些缺陷能级是由晶体结构的表面的不连续性缺陷引起的，此外，这些悬挂键还极易与环境中的基团相结合，例如在空气中容易形成硅
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氢氧基团和硅
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氧基团，氢氧根基团通常被Si原子吸附在表面，氧基团则倾向于与Si原子构成四面体。而硅
‑
氢氧基团是亲水性基团，硅
‑
氧基团是疏水性基团，这两者常常同时出现在SiO2表面，这对键合时SiO2‑
SiO2键合界面会造成较大的差异性，从而导致造成键合失效，因此通常需要复杂的表面预处理，Cu形成金属势垒层。
[0005]此外，键合后，（具有阻挡层）Cu互连结构的时间相关电介质击穿（TDDB）通常发生在键合界面处，由于键合界面处存在大量的界面态，因此极易造成铜离子的扩散以及电迁移的形成，这对键合的电学可靠性也会造成极大的困扰。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术的不足，通过本专利技术能够有效地平整化键合界面，实现降低键和压力和温度，提高键合良率，并且抑制铜互连之间的电迁移，提高键合的可靠性的目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于二维材料界面的混合键合结构，包括待键合的半导体晶圆和待键合的芯粒，待键合的半导体晶圆上表面和待键合的芯粒下表面，均设有绝缘层以及电极，且芯粒下表面的电极与半导体晶圆上表面的电极配合设置，所述芯粒下表面的绝缘层设有凹面，所
述半导体晶圆上表面键合区域的绝缘层设有凹槽，凹面和凹槽中设有二维材料层，具有二维材料层的芯粒下表面与具有二维材料层的半导体晶圆上表面键合。
[0007]进一步地，所述二维材料层采用宽禁带二维材料，包括h
‑
BN、BCN、TMDs。
[0008]进一步地，所述芯粒下表面的电极，在半导体晶圆上表面均有对应的电极。
[0009]进一步地，所述绝缘层为SiO2，所述电极为图形化的Cu电极。
[0010]进一步地，所述凹面、凹槽比周围的电极低0.3~10nm。以便填充不同层数的二维材料。
[0011]进一步地，所述二维材料层数为1~20层。不同层数的二维材料具有不同晶体质量和表面性质：如层数比较少时<3层，晶体质量会比较差，表面仍然存在一些缺陷态，会影响键合界面质量；当层数比较多接近15
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20层以上时，材料性质会跟加接近块体材料的性质，从而失去二维材料的特性；进一步地，所述二维材料层数为5~10层。通常5
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10层左右时会具有比较良好的层状结构以及层间范德华力，相互键合时更容易通过范德华力连接。
[0012]一种基于二维材料界面的混合键合方法，包括以下步骤：步骤一，获取待键合的半导体晶圆和待键合的芯粒，待键合的半导体晶圆上表面和待键合的芯粒下表面，均设有绝缘层以及电极，且芯粒下表面的电极与半导体晶圆上表面的电极配合设置；步骤二，对芯粒下表面的绝缘层进行凹陷化处理；对半导体晶圆上表面键合区域的绝缘层进行凹陷化处理；步骤三，在芯粒下表面的凹陷处，以及半导体晶圆上表面形成的凹陷处，设置二维材料层；步骤四，将具有二维材料层的芯粒下表面与具有二维材料层的半导体晶圆上表面，对准贴合后，进行热压预键合，得到预键合晶圆组；步骤五，将预键合晶圆组进行退火热处理，实现晶圆与芯粒的稳定键合。
[0013]进一步地，所述步骤四中，预键合的温度范围为：100~200℃。通过该键合方法形成的键合结构具有较好的散热能力，增强了芯粒向半导体晶圆的散热，使热量更均匀分布于键合界面，从而降低了预键合的温度，使得预键合能够在100~200℃的低温下实现，从而降低高温对芯粒的的影响，提高芯粒的可靠性。
[0014]进一步地，所述步骤五中，预键合晶圆组进行退火热处理的温度范围为：100~300℃，时间为5~60min。通过该键合方法选用适当的二维材料界面形成的键合结构可以具有较好的散热能力，增强了芯粒向半导体晶圆的散热，使热量更均匀分布于键合界面，从而降低了键合的温度，使得键合能够在100~300℃的低温下实现，而通常混合键合需要在450℃左右。
[0015]本专利技术的优势和有益效果在于：本专利技术的一种基于二维材料界面的混合键合结构及方法，利用二维材料薄层覆盖SiO2，有效消除SiO2表面的悬挂键，减少表面的沾污，使键合界面达到原子级平整，键合时二维材料之间通过范德华力键合，可以降低键合的压力和温度，提升键合良率以及芯粒可靠性；此外，由于铜离子扩散电迁移造成的铜互连TDDB失效，通常发生在电介质层的界面，通过覆盖二维材料薄层，可以降低键合界面的缺陷密度，减少电迁移的发生，从而提高键合的
可靠性；而选用热导率较高的二维材料，可以增强芯粒向晶圆的散热，使热量更均匀分布于键合界面，避免热量集中于铜互连处，提高器件运行可靠性。
附图说明
[0016]图1是SiO2表面态示意图。
[0017]图2是铜互连电迁移示意图。
[0018]图3是SiO2表面吸附基团示意图。
[0019]图4是二维h
‑
BN晶体结构示意图。
[0020]图5是本专利技术的方法流程图。
[0021]图6a是待键合半导体晶圆和待键合芯粒结构示意图。
[0022]图6b是本专利技术中对待键合半导体晶圆和待键合芯粒进行凹陷化处理后的结构示意图。
[0023]图6c是本专利技术中待键合半导体晶圆和待键合芯粒凹陷处生长二维材料后的结构示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维材料界面的混合键合结构，包括待键合的半导体晶圆（102）和待键合的芯粒（101），待键合的半导体晶圆上表面和待键合的芯粒下表面，均设有绝缘层以及电极，且芯粒下表面的电极与半导体晶圆上表面的电极配合设置，其特征在于：所述芯粒下表面的绝缘层设有凹面（201），所述半导体晶圆上表面键合区域的绝缘层设有凹槽（301），凹面（201）和凹槽（301）中设有二维材料层（401），具有二维材料层（401）的芯粒下表面与具有二维材料层（401）的半导体晶圆上表面键合。2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料界面的混合键合结构，其特征在于：所述二维材料层（401）采用宽禁带二维材料。3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料界面的混合键合结构，其特征在于：所述芯粒下表面的电极，在半导体晶圆上表面均有对应的电极。4.根据权利要求1所述的一种基于二维材料界面的混合键合结构，其特征在于：所述绝缘层为SiO2，所述电极为图形化的Cu电极。5.根据权利要求1所述的一种基于二维材料界面的混合键合结构，其特征在于：所述凹面（201）、凹槽（301）比周围的电极低0.3~10nm。6.根据权利要求1所述的一种基于二维材料界面的混合键合结构，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟豪，李顺斌，刘冠东，张汝云，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：