CN110071051A - 晶片接合方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及晶片接合方法。提供了一种晶片接合方法，其包括：提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片在第一表面具有第一金属层和第一绝缘层，所述第二晶片在第一表面具有第二金属层和第二绝缘层，所述第一金属层和所述第二金属层包括相同的金属材料；对所述第一晶片和所述第二晶片中的一者或两者进行电化学处理，以使得在所述第一金属层和所述第二金属层中对应的一者或两者的表面处形成所述金属材料的纳米结构；以及将第一金属层和第二金属层以彼此面对的方式接合所述第一金属层和第二金属层，以接合所述第一晶片和第二晶片。

Description

晶片接合方法
技术领域
本公开涉及晶片接合方法。
背景技术
在现有技术的利用金属-金属接合(bonding)晶片的技术中，在化学机械抛光(CMP)对晶片表面进行平坦化之后，金属表面可能会出现凹陷(对于铜(Cu)尤其如此。如果后续接合的过程中，压力不够或凹陷过大，会导致晶片接合后接触面出现孔洞(void)，影响键合强度。
因此，需要改进的晶片接合技术。
发明内容
至少针对上述问题，提出了本申请，以提供改进的晶片接合技术。
根据本公开的一个方面，提供了一种晶片接合方法，包括：提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片在第一表面具有第一金属层和第一绝缘层，所述第二晶片在第一表面具有第二金属层和第二绝缘层，所述第一金属层和所述第二金属层包括相同的金属材料；对所述第一晶片和所述第二晶片中的一者或两者进行电化学处理，以使得在所述第一金属层和所述第二金属层中对应的一者或两者的表面处形成所述金属材料的纳米结构；以及将第一金属层和第二金属层以彼此面对的方式接合所述第一金属层和第二金属层，以接合所述第一晶片和第二晶片。
在一些实施例中，所述金属材料包括铜，所述电化学处理包括：利用第一溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第一处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的化合物；利用第二溶液对所述铜的化合物进行第二处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的纳米结构。
在一些实施例中：所述第一溶液包括包含具有正化合价的硒(Se)的盐的溶液，所述铜的化合物是铜的硒化物，在所述第一处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以负电压。
在一些实施例中：所述第二溶液为碱性溶液，在所述第二处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以循环电压。
在一些实施例中：将第一金属层和第二金属层以彼此面对的方式接合以接合所述第一晶片和第二晶片包括：以压接的方式接合所述第一金属层和第二金属层以接合所述第一晶片和第二晶片。
在一些实施例中，还包括：对接合的所述第一晶片和第二晶片进行退火处理。
在一些实施例中，所述退火处理在300℃至400℃的温度范围以及在几分钟至几小时的时间范围内进行。
在一些实施例中：在所述第一晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平；以及在所述第二晶片的第一表面处，所述第二金属层的边缘部分和第二绝缘层基本齐平。
在一些实施例中，所述提供第一晶片和第二晶片包括：对所述第一晶片进行平坦化处理，以使得在所述第一晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平；以及对所述第二晶片进行平坦化处理，以使得在所述第二晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平。
在一些实施例中，所述平坦化处理包括化学机械抛光。
在一些实施例中，所述金属材料包括铜，所述电化学处理包括：利用第三溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第三处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的纳米结构。
在一些实施例中：所述第三溶液包括包含铜的盐的溶液，在所述第三处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以循环电压。
在一些实施例中，所述循环电压被配置为在一预定电压范围内以一定的步长进行扫描。
在一些实施例中，所述循环电压被配置为使得其所对应的处理总体是还原性的。
在一些实施例中，所述纳米结构包括纳米线或纳米簇，所述纳米结构具有下列之一的形状：须状、枝状、海胆状、花状。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1A和1B是示出了一种晶片接合技术的示意性截面图。
图2是根据本公开一个实施例的晶片接合方法的流程图。
图3A-3D分别是示出根据本公开一个实施例的晶片接合方法接合的晶片在各处理步骤的示意截面图。
图4是根据本公开另一个实施例的晶片接合方法的流程图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。另外，对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
在本说明书中，“半导体装置”是指其部分或整体能够通过利用半导体元件的半导体特性而工作的所有装置，因此，电光装置、光电装置、半导体电路及电子设备等都是半导体装置。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
以下对至少一个示例性实施例的描述仅仅是说明性的，并非是对本公开及其应用或使用的任何限制。
在利用金属-金属接合(bonding)晶片的技术中，在化学机械抛光(CMP)对晶片表面进行平坦化之后，金属表面可能会出现凹陷，对于铜(Cu)由此如此。
图1A和1B是示出一种晶片接合技术的示意性截面图。如图1A所示，晶片100在第一表面具有第一绝缘层103和第一金属层105。第二晶片110在第一表面具有第二绝缘层113和第二金属层115。在对晶片100和110进行平坦化处理(例如，化学机械抛光(CMP))之后，在金属层105和115的表面会形成凹陷107和117。这里，应理解，为了图示清楚起见，图中各部件的尺寸并不必然按照比例绘制，某些部件的尺寸可能相对于其他部件被放大。
如果在后续接合的过程中压力不够或凹陷过大，会导致晶片接合后接触面出现孔洞(void)121，如图1B所示。从而，影响晶片接合强度，降低了成品率和可靠性。
基于此，本申请的发明人提出了在此公开的发明，提供了新颖的晶片接合技术，以减轻或消除上述的一个或多个问题。
图2是根据本公开一个实施例的晶片接合方法的流程图。图3A-3D分别是示出根据本公开该实施例的晶片接合方法接合的晶片在各处理步骤的示意截面图。下面结合图2和图3A-3D来进行说明。
根据本公开的实施例，提供了一种晶片接合方法。如图2所示，所述晶片接合方法可以包括以下步骤。
在步骤S201，提供第一晶片和第二晶片。如图3A所示，第一晶片100在第一表面具有第一绝缘层103和第一金属层105。第二晶片110在第一表面具有第二绝缘层113和第二金属层115。第一金属层105和第二金属层115可以包括相同的金属材料，例如金属铜(Cu)。
第一晶片100还可以具有衬底101。类似地，第二晶片110还可以具有衬底111。本领域技术人员将容易理解，衬底101和111每一个可以包括(但不限于)下列中的一个或多个：半导体层、绝缘层、导体层等等。
在一些实现方式中，在第一晶片100的第一表面处，第一金属层105的边缘部分和第一绝缘层基本齐平。在第二晶片110的第一表面处，第二金属层115的边缘部分和第二绝缘层基本齐平。
在一些实现方式中，提供第一晶片和第二晶片可以包括：对晶片进行平坦化处理。例如，对第一晶片100进行平坦化处理，以使得在第一晶片100的第一表面处，第一金属层105的边缘部分和第一绝缘层103基本齐平。对第二晶片110进行平坦化处理，以使得在第二晶片110的第一表面处，第二金属层115的边缘部分和第二绝缘层113基本齐平。这里，本领域技术人员容易理解，虽然平坦化处理的目的是使得金属层和绝缘层基本齐平，但如前所述的，该平坦化处理(诸如，CMP)可能会导致第一金属层105和第二金属层115表面产生不期望的凹陷。另外，还应理解，在形成基本齐平的金属层的过程中，金属层的表面也可能由于各种原因而存在非有意引入的不期望的凹陷，从而会影响接合的质量。
在图3A中，第一金属层105和第二金属层115被示出为分别具有凹陷。然而，应理解，本公开并不限于此。例如，第一金属层105和第二金属层115中的一者或两者也可以不具有凹陷。对于这种情况，本公开的实施例的教导依然可以同样或者适应性地适用。
接着，在步骤S203，对第一晶片和第二晶片中的一者或两者进行电化学处理。如图3B所示，对第一晶片100和第二晶片110中的一者或两者进行电化学处理，以使得在第一金属层105和第二金属层115中的对应的一者或两者的表面处形成金属材料的纳米结构301。所述纳米结构301包括纳米线或纳米簇301。
在一些实施例中，所述金属材料可以包括铜。例如，第一金属层105和第二金属层115可以都由铜形成。但应理解，本申请并不限于此。
在一些实施例中，所述电化学处理可以包括以下步骤。
首先，利用第一溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第一处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成所述金属材料的化合物。
在一些实施例中，所述金属材料可以包括铜。可以利用包含具有正化合价的硒(Se)的盐的溶液作为第一溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第一处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的的硒化物。另外，在一些实施例中，在所述第一处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以负电压。
例如，所述第一溶液可以包含Na2SeSO3和水。所述第一溶液还可以包含Na2SO4、Na2SeSO3和水。
之后，利用第二溶液对所述金属的化合物进行第二处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成所述金属的纳米结构。例如，在所述金属包括铜的情况下，可以利用第二溶液对铜的化合物进行第二处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的纳米结构。这里，所述第二溶液可以为碱性溶液。所述第二溶液可以包括NaOH溶液、氨水等。在一些实施例中，所述第二溶液还可以额外包含含有铜的盐，例如氯化铜或硫酸铜等。
应理解，这里所列举的电化学溶液(包括前述的第一溶液、第二溶液以及可能说明的其他溶液等)可以具有所列举的成分之外的其他成分。因此，这里公开的实施例或示例是非限制性的。
在一些实施例中，在所述第二处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以循环电压。可以对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者(以下也称作目标金属层)施加反复循环的电压。在一些实例中，可以对目标金属层施加极性改变的电压，例如施加具有正负脉冲的电压。在另一些实施例中，可以对目标金属层施加以在0伏至一负值电压之间以一定步长进行扫描的电压，例如，在0V至-1V之间扫描的电压。
应理解，所形成的纳米结构的长度(以及，对应的工艺条件等)可以根据金属层中的凹陷的尺寸来设定。例如，在采用CMP对晶片的金属层进行平坦化的情况下，生长大约十纳米至数百纳米长度的纳米结构即可。
之后，在步骤205，接合第一金属层和第二金属层，以接合第一晶片和第二晶片。在一具体实现方式中，如图3C所示，可以将第一金属层105和第二金属层115以彼此面对的方式接合第一金属层105和第二金属层115，以接合第一晶片100和第二晶片110。从金属层表面生长出的诸如纳米线或纳米簇等的纳米结构，可以形成钩粘结构彼此连接，从而增强了铜表面的接合强度，并可以降低了孔洞。
另外，根据本公开的实施例，可以选择性地在金属(例如铜)表面生长纳米结构，而在非该金属(例如非铜)表面(例如，绝缘层(例如，TEOS/SiN)的表面)不会生长出纳米结构。因此，不会影响其他界面的接合(如果需要的话)及其接合强度。
在一些实施例中，可以通过压接的方式来接合第一金属层105和第二金属层115以接合第一晶片100和第二晶片110。
在一些实施例中，所述方法还包括：在步骤S207，对接合的第一晶片和第二晶片进行退火处理。如图3D所示，对接合的第一晶片100和第二晶片110进行退火处理，从而进一步填充(或者消除)了孔洞，从而改善了界面305，增强了接合强度。
在一些实施例中，退火处理可以在300℃至400℃的温度范围以及在几分钟至几小时的时间范围内进行。例如，可以在350℃的温度在几分钟至1小时的时间范围内(例如，30分钟)进行退火处理。
根据本公开的一些实施例，所述方法还可以包括另外的步骤。如图2所示，在一些实施例中，所述方法还可以包括：在步骤S211，在形成纳米线或纳米簇(步骤S203)之后，利用电化学沉积，在所述在第一金属层105和第二金属层115中的对应的一者或两者的其上形成了金属材料(例如，铜)的纳米结构的表面上，形成所述金属材料的纳米微粒。之后，进行步骤S205，接合第一金属层和第二金属层，以接合第一晶片和第二晶片。
在一些实现方式中，可以利用含铜的溶液(例如，硫酸铜溶液等)通过电化学沉积法，来形成铜的纳米颗粒。
如此，可以在其上形成了金属材料(例如，铜)的纳米结构的表面以及纳米结构上形成所述金属材料的纳米微粒，从而进一步改善表面以及所形成的纳米结构的形貌结构。如此，可以更充分填充金属层表面上的凹陷，从而可以进一步降低孔洞，提高接合强度。
图4是根据本公开另一个实施例的晶片接合方法的流程图。图4所示的晶片接合方法与图2所示的接合方法的区别在于电化学处理步骤(S403和S203)的不同。因此上面就图2所示的其他步骤所描述的内容可以同样地或适应性地应用于图4所示的实施例的方法；因此这里不再重复说明。
如图4所示，所述晶片接合方法可以包括以下步骤。
在步骤S401，提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片在第一表面具有第一金属层，所述第二晶片在第一表面具有第二金属层。
在步骤S403，对第一晶片和第二晶片中的一者或两者进行电化学处理。对第一晶片100和第二晶片110中的一者或两者进行电化学处理，以在所述第一金属层105和所述第二金属层115中的对应的一者或两者的表面处形成所述金属材料的化合物。在一些实施例中，所述金属材料可以包括铜(Cu)，例如，第一金属层105和第二金属层115可以都由铜形成；所述金属材料的化合物包括铜的化合物。但应理解，本申请并不限于此。
在一些实施例中，所述电化学处理可以包括：利用第三溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第三处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成所述金属材料的纳米结构。例如，在所述金属材料为铜的情况下，可以利用包含铜盐的溶液作为第三溶液对第一金属层105和第二金属层115中的一者或两者的金属材料(铜)进行处理(第三处理)，以在第一金属层105和第二金属层115中的所述一者或两者的表面处形成铜的纳米结构，例如纳米线或纳米簇。
在一些具体实现方式中，所述第三溶液可以包括硫酸铜(CuSO4)。例如，所述第三溶液可以包括硫酸铜(CuSO4)、硫酸(H2SO4)和水。应理解，本公开不限于此。另外，在该处理(第三处理)中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者(也即，目标金属层)可以被提供以循环电压。在一些实例中，可以对目标金属层施加极性改变的电压，例如施加具有正负脉冲的电压。在另一些实施例中，可以对目标金属层施加以在0伏至一负值电压之间以一定步长进行扫描的电压，例如，在0V至-1V之间扫描的电压。
之后，在步骤S405，将第一晶片和第二晶片以第一金属层和第二金属层彼此面对的方式接合。
在步骤S407，对接合的第一晶片和第二晶片进行退火处理。
类似地，应理解，所形成的纳米结构的长度(以及，对应的工艺条件等)可以根据金属层中的凹陷的尺寸来设定。
可选地，在一些实施例中，可以在所述退火处理的同时，对接合的所述第一晶片和第二晶片进行压合处理。
需要说明的是，在本说明书中，使用同样的附图标记来指示相同的部件，因此，当在之前的附图或说明中已经就一部件进行了说明的情况下，所描述或图示的内容可以同样地或者适应性地适用于后面出现的相同部件。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作或步骤之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的示例性实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种示例性实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定示例性实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各示例性实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对示例性实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种晶片接合方法，其特征在于，包括：
提供第一晶片和第二晶片，所述第一晶片在第一表面具有第一金属层和第一绝缘层，所述第二晶片在第一表面具有第二金属层和第二绝缘层，所述第一金属层和所述第二金属层包括相同的金属材料；
对所述第一晶片和所述第二晶片中的一者或两者进行电化学处理，以使得在所述第一金属层和所述第二金属层中对应的一者或两者的表面处形成所述金属材料的纳米结构；以及
将第一金属层和第二金属层以彼此面对的方式接合所述第一金属层和第二金属层，以接合所述第一晶片和第二晶片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述金属材料包括铜，
所述电化学处理包括：
利用第一溶液对所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者进行第一处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的化合物；
利用第二溶液对所述铜的化合物进行第二处理，以在所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者的表面处形成铜的纳米结构。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述第一溶液包括包含具有正化合价的硒(Se)的盐的溶液，所述铜的化合物是铜的硒化物，
在所述第一处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以负电压。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述第二溶液为碱性溶液，
在所述第二处理中，所述第一金属层和所述第二金属层中的所述一者或两者被提供以循环电压。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
将第一金属层和第二金属层以彼此面对的方式接合以接合所述第一晶片和第二晶片包括：
以压接的方式接合所述第一金属层和第二金属层以接合所述第一晶片和第二晶片。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对接合的所述第一晶片和第二晶片进行退火处理。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述退火处理在300℃至400℃的温度范围以及在几分钟至几小时的时间范围内进行。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
在所述第一晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平；以及
在所述第二晶片的第一表面处，所述第二金属层的边缘部分和第二绝缘层基本齐平。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供第一晶片和第二晶片包括：
对所述第一晶片进行平坦化处理，以使得在所述第一晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平；以及
对所述第二晶片进行平坦化处理，以使得在所述第二晶片的第一表面处，所述第一金属层的边缘部分和第一绝缘层基本齐平。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述平坦化处理包括化学机械抛光。
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