晶圆键合方法以及晶圆键合结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种晶圆键合方法以及晶圆键合结构，所述晶圆键合方法包括：提供第一晶圆和第二晶圆；在第一晶圆、第二晶圆的第一金属垫、第二金属垫中的一个或两个上，形成共晶连接结构；对第一晶圆、第二晶圆进行键合工艺，使第一金属垫、第二金属垫分别与共晶连接结构发生共晶反应。采用共晶反应的键合工艺，第一金属垫和第二金属垫相互连接的效果更好。在键合工艺对第一金属垫和第二金属垫表面平整度要求不高，无需进行平坦化工艺，降低了晶圆边缘位置处的第一金属垫和第二金属垫产生接触不良的风险。共晶反应无需高温退火，对晶圆中半导体器件的影响较小。
【专利说明】
晶圆键合方法以及晶圆键合结构
技术领域
[0001]本发明涉半导体领域，具体涉及一种晶圆键合方法以及晶圆键合结构。
【背景技术】
[0002]在3D IC封装技术中，晶圆面对面堆叠(F2F Stacking)、2.硅中介层(Interposer)等技术，都会涉及到晶圆与晶圆通过键合而达到互连的工艺。现有技术通常采用晶圆级铜-铜键合(Wafer level Cu-Cu bonding)实现晶圆键合。
[0003]参考图1，示出了现有技术一种晶圆级铜-铜键合方法的侧视图。第一晶圆01表面上设有多个第一金属垫03，第二晶圆02表面上设有多个第二金属垫04。在晶圆键合的过程中，将第一晶圆01与第二晶圆02相对设置，使第一金属垫03和第二金属垫04对准贴合，加热第一晶圆01与第二晶圆02，使第一金属垫03和第二金属垫04熔融，第一金属垫03和第二金属垫04中的铜原子相互扩散使得第一金属垫03和第二金属垫04连接在一起，从而使第一晶圆01与第二晶圆02键合。
[0004]但是，晶圆级铜-铜键合工艺对的第一金属垫03和第二金属垫04表面平整度要求较高，需要在形成第一金属垫03和第二金属垫04后，对第一金属垫03和第二金属垫04的表面进行化学机械研磨工艺，从而使第一金属垫03和第二金属垫04表面具有较高的平整度。
[0005]但是现有技术的化学机械研磨工艺在晶圆中心和边缘区域的强度不同，容易使晶圆中心和边缘区域的第一金属垫03和第二金属垫04高度不同，这样在进行晶圆键合时容易产生第一金属垫03和第二金属垫04连接不良的缺陷。
[0006]此外，在晶圆级铜_铜键合工艺后，还需要对第一晶圆01与第二晶圆02进彳丁退火。第一金属垫03和第二金属垫04的键合质量和退火温度正相关，因此通常退火温度在较高温度范围内进行。退火工艺中的高温容易对晶圆内的半导体器件造成损伤。
【发明内容】
[0007]本发明解决的问题是提供一种晶圆键合方法以及晶圆键合结构，改善晶圆键合时金属垫之间连接不良的缺陷。
[0008]为解决上述问题，本发明提供一种晶圆键合方法，包括:
[0009]提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆上形成有第一金属垫，所述第二晶圆上形成有第二金属垫；
[0010]在所述第一金属垫、第二金属垫中的任意一个或两个上形成共晶连接结构；
[0011]将第一晶圆、第二晶圆相对设置，使所述第一金属垫和第二金属垫相互对准；
[0012]所述第一金属垫、第二金属垫分别与共晶连接结构发生共晶反应，以实现第一晶圆和第二晶圆的键合。
[0013]可选的，所述第一金属垫、第二金属垫的材料为铝，所述共晶连接结构的材料为锗。
[0014]可选的，第一晶圆和第二晶圆键合的步骤中:键合工艺的温度在430?460摄氏度的范围内，键合工艺的时间在30?75分钟的范围内，键合工艺的压力在15?50千牛顿的范围内。
[0015]可选的，所述共晶连接结构的厚度，与所述第一金属垫、第二金属垫厚度之和的比值小于或等于0.59。
[0016]可选的，所述第一金属垫、第二金属垫的厚度在8000到10000埃的范围内。
[0017]可选的，所述共晶连接结构的厚度在4000到6000埃的范围内。
[0018]可选的，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆上形成有第一金属垫，所述第二晶圆上形成有第二金属垫的步骤包括:
[0019]分别在所述第一晶圆上形成第一介质层、在第二晶圆上形成第二介质层，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中形成第二金属垫，所述第一金属垫凸出于第一介质层表面，所述第二金属垫凸出于第二介质层表面。
[0020]可选的，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中第二金属垫的步骤包括:
[0021]分别在所述第一介质层形成第一通孔、在第二介质层中形成第二通孔；
[0022]在所述第一通孔中填充第一金属材料层，且所述第一金属材料层覆盖所述第一介质层表面，在所述第二通孔中填充第二金属材料层，且所述第二金属材料层覆盖所述第二介质层表面；
[0023]分别刻蚀所述第一金属材料层和第二金属材料层，去除第一介质层表面的第一金属材料层和第二介质层表面的第二金属材料层，位于第一通孔内以及第一通孔上方的第一金属材料层形成第一金属垫，位于第二通孔内以及第二通孔上方的第二金属材料层形成第二金属垫。
[0024]可选的，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中第二金属垫的步骤包括:
[0025]使第一金属垫凸出于第一介质层表面的高度占第一金属垫厚度的50%到90%，使第二金属垫凸出于第二介质层表面的高度占第二金属垫厚度的50%到90%。
[0026]可选的，在所述第一金属垫表面形成共晶连接结构的步骤包括:
[0027]在所述第一金属垫和第一介质层表面覆盖共晶材料层；
[0028]刻蚀共晶材料层以去除第一介质层表面的共晶材料层，剩余位于第一金属垫表面的共晶材料层形成共晶连接结构。
[0029]可选的，采用物理气相沉积的方法在所述第一金属垫和第一介质层表面覆盖共晶材料层。
[0030]可选的，所述共晶材料层的材料为锗，采用含氟气体的干法刻蚀工艺刻蚀所述共晶材料层。
[0031]可选的，在形成共晶连接结构的步骤之后，在第一晶圆、第二晶圆相对设置之前，所述晶圆键合方法还包括:采用稀释的氢氟酸对第一晶圆和第二晶圆进行清洗。
[0032]本发明还提供一种晶圆键合结构，包括:
[0033]相对设置的第一晶圆和第二晶圆；
[0034]分别位于所述第一晶圆上的第一金属垫、位于第二晶圆上的第二金属垫，所述第一金属垫和第二金属垫通过与共晶材料发生共晶反应结合在一起；
[0035]位于所述第一金属垫和第二金属垫接触面处的共晶体。
[0036]可选的，所述第一金属垫和第二金属垫的材料为铝。
[0037]可选的，所述共晶体中含有共晶材料锗。
[0038]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点:
[0039]在第一金属垫、第二金属垫中的任意一个或两个上形成共晶连接结构；对第一晶圆、第二晶圆进行键合工艺时，第一金属垫、第二金属垫分别与共晶连接结构发生共晶反应。在共晶反应中，部分第一金属垫、第二金属垫中的原子与共晶连接结构中的原子形成共晶体，并且共晶连接结构中的金属原子扩散到第一金属垫和第二金属垫中，在第一金属垫和第二金属垫中形成枝杈状结构，同时共晶连接结构的厚度逐渐减小，直到第一金属垫和第二金属垫的金属材料直接接触，从而将第一金属垫和第二金属垫连接在一起，进而把第一晶圆和第二晶圆键合在一起。采用共晶反应的键合工艺，第一金属垫和第二金属垫相互连接的效果更好。共晶连接结构在键合工艺中逐渐扩散到第一金属垫和第二金属垫中，因此键合工艺对第一金属垫和第二金属垫表面平整度要求不高，无需进行平坦化工艺，降低了晶圆边缘位置处的第一金属垫和第二金属垫产生接触不良的风险。
[0040]此外，共晶反应的温度低于第一金属垫、第二金属垫和共晶连接结构的熔点，无需高温退火，因此，本发明晶圆键合方法对晶圆中半导体器件的影响较小。
【附图说明】
[0041]图1是现有技术一种晶圆键合方法的侧视图；
[0042]图2至图8是本发明晶圆键合方法一实施例中各个步骤的侧视图；
[0043]图9、图10是图8中A部的电镜图；
[0044]图11是本发明晶圆键合结构一实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0045]如【背景技术】所述，在3D集成电路的制作工艺行程金属垫的过程中，由于化学机械研磨工艺在晶圆中心和边缘区域的强度不同，容易使晶圆中心和边缘的区域的金属垫高度不同，容易在晶圆键合时产生金属垫之间连接不良的缺陷；此外，在晶圆级铜-铜键合工艺后，还需要对第一晶圆与第二晶圆进行退火。金属垫的键合质量和退火温度正相关，因此现有技术在晶圆件和后通常在超过1000摄氏度的温度下进行退火，这样的高温容易对晶圆内的半导体器件造成损伤。
[0046]为了解决上述技术问题，本发明提出一种晶圆键合方法，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆上形成有第一金属垫，所述第二晶圆上形成有第二金属垫；在所述第一金属垫、第二金属垫中的任意一个或两个上形成共晶连接结构；将第一晶圆、第二晶圆相对设置，使所述第一金属垫和第二金属垫相互对准；所述第一金属垫、第二金属垫分别与共晶连接结构发生共晶反应，以实现第一晶圆和第二晶圆的键合。
[0047]本发明对多个晶圆进行键合工艺的过程中，在共晶反应中，部分第一金属垫、第二金属垫中的原子与共晶连接结构中的原子形成共晶体，并且共晶连接结构中的金属原子扩散到第一金属垫和第二金属垫中，在第一金属垫和第二金属垫中形成枝杈状结构，同时共晶连接结构的厚度逐渐减小，直到第一金属垫和第二金属垫的金属材料直接接触，从而将第一金属垫和第二金属垫连接在一起，即把第一晶圆和第二晶圆键合在一起。共晶连接结构在键合工艺中逐渐扩散到第一金属垫和第二金属垫中，因此键合工艺对第一金属垫和第二金属垫表面平整度要求不高，无需进行平坦化工艺，降低了晶圆边缘位置处的第一金属垫和第二金属垫产生接触不良的风险。此外，共晶键合的加热温度低于第一金属垫、第二金属垫和共晶连接结构的熔点，无需高温退火，对晶圆中半导体器件的影响较小。
[0048]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0049]参考图2至图8，示出了本发明晶圆键合方法一实施例各个步骤的侧视图。需要说明的是，在对第一晶圆和第二晶圆进行键合之前，第一晶圆和第二晶圆的制作步骤基本相同，因此图2至图7只示出了第一晶圆，第二晶圆的制作步骤可以参考第一晶圆的示意图。
[0050]参考图2至图5，提供第一晶圆100和第二晶圆，所述第一晶圆100上形成有第一金属垫104，所述第二晶圆上形成有第二金属垫。
[0051]在本实施例中，所述第一晶圆100和第二晶圆包括衬底，所述衬底为硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为锗硅衬底或绝缘体上硅衬底等其它半导体衬底，对此本发明不做任何限制。
[0052]衬底中可以形成有多层具有半导体器件，如晶体管、存储器、MEMS器件的复杂结构，本发明对此不作限制。
[0053]参考图2，具体地，在本实施例中，提供第一晶圆100和第二晶圆，所述第一晶圆100上形成第一金属垫的步骤包括:在第一晶圆100上形成第一介质层101。
[0054]需要说明的是，本实施例中的第一介质层101和将要在第一介质层101中形成的第一金属垫位于晶圆金属互连区域的顶部，用于进行封装或键合工艺，在本实施例中衬底100中还可能形成有多层金属互连，所述第一金属垫与衬底100中的多层金属互连电连接，本发明对此不作限制。
[0055]在本实施例中，所述第一介质层101的材料为氮化娃，但是本发明对第一介质层101的材料均不做限制，在其他实施例中，所述第一介质层101的材料还可以为低K介质材料或超低K介质材料。
[0056]同样的，在所述第二晶圆上也形成第二介质层，所述第二介质层的材料也为氧化娃。
[0057]参考图3至图5，在本实施例中，在所述第一介质层101中形成第一金属垫104，所述第一金属垫104凸出于第一介质层101表面。
[0058]具体地，先参考图3，在所述第一介质层101中形成第一通孔102。具体地，在本实施例中，采用等离子体刻蚀工艺，刻蚀所述第一介质层101，形成第一通孔102。但是本发明对形成第一通孔102的具体方式不做限制。
[0059]参考图4，在所述第一通孔102中填充第一金属材料层103并覆盖所述第一介质层101表面。
[0060]具体地，在本实施例中，所述第一金属材料层103的材料为铝，形成第一金属材料层103的方法为磁控溅射，但是本发明对形成第一金属材料层103的具体方法不做限制，在其他实施例中，还可以采用物理气相沉积工艺形成所述第一金属材料层103。
[0061]所述第一金属材料层103用于形成第一金属垫，如果所述第一金属材料层103的厚度过薄，则在晶圆键合中，第一金属垫的厚度过薄，容易造成晶圆键合的机械强度不足，如果所述第一金属材料层103的厚度过厚，则晶圆键合工艺的时间可能过长，本实施例中，所述第一金属材料层103的厚度为9000埃，可选的，所述第一金属材料层103的厚度可以在8000到10000埃的范围内。
[0062]参考图5，刻蚀所述第一金属材料层103，去除第一介质层101表面的第一金属材料层103，位于第一通孔102内以及第一通孔102上方的第一金属材料层103形成第一金属垫104。在本实施例中，所述第一金属垫104凸出于第一介质层101表面。
[0063]由于所述第一金属材料层103的厚度为9000埃，所述第一金属材料层103形成的第一金属垫104的厚度为9000埃。可选的，所述第一金属垫104的厚度可以在8000到10000埃的范围内。
[0064]具体地，在本实施例中，所述第一金属垫104凸出于第一介质层101表面的好处在于，在后续的晶圆键合工艺中，后续第一金属垫104和第二金属垫与共晶连接结构通过发生共晶反应相互连接时，凸出的第一金属垫102和共晶连接结构之间相互接触的部分更大，使得第一晶圆和第二晶圆能够牢固地结合在一起，保证晶圆之间的连接强度，所述第一金属垫104凸出第一介质层101的高度不易太小。可选的，第一金属垫104凸出于第一介质层101表面的高度Hl占第一金属垫104厚度的50%到90%。但是本发明对所述第一金属垫104凸出第一介质层101表面的高度不做限制。
[0065]同样的，在本实施例中，对于第二晶圆，在所述第二介质层中也形成第二金属垫，所述第二金属垫凸出于第二介质层表面。所述第二金属垫的材料也为铝，所述第二金属垫的厚度为9000埃。形成第二金属垫的方法与在所述第一介质层101中形成第一金属垫104的方法相同，大致包括:在第二介质层中形成第二通孔；在所述第二通孔中填充第二金属材料层并覆盖所述第二介质层表面；刻蚀所述第二金属材料层，去除第二介质层表面的第二金属材料层，位于第二通孔内以及第二通孔上方的第二金属材料层形成第二金属垫。所述第二金属垫凸出于第二介质层表面的高度占第二金属垫厚度的50%到90%，可选的，所述第二金属垫的厚度可以在8000到10000埃的范围内。
[0066]参考图6，在所述第一金属垫104和第一介质层101表面覆盖共晶材料层105。
[0067]具体地，在本实施例中，所述共晶材料层105的材料为锗，可以采用物理气相沉积法覆盖共晶材料层105。锗材料能够与铝材料的第一金属垫104和第二金属垫发生共晶反应。但是本发明对此不作限制，在其他实施例中，所述共晶材料层105的材料还可以为能够和第一金属垫104和第二金属垫发生共晶反应的其他材料。
[0068]参考图7，刻蚀共晶材料层105，去除第一介质层101表面的共晶材料层105，剩余位于第一金属垫104表面的共晶材料层105形成共晶连接结构106。所述共晶连接结构106用于在晶圆键合中，与第一金属垫104和第二金属垫发生共晶反应，使得第一晶圆和第二晶圆键合在一起。
[0069]具体地，在本实施例中，所述共晶材料层105的材料为锗，采用含氟气体的干法刻蚀工艺刻蚀所述共晶材料层105，这样能够较好的去除第一介质层101表面的共晶材料层105，对第一介质层101的伤害较小。
[0070]需要说明的是，在本实施例中，所述第一金属垫104和第二金属垫的材料为铝，所述共晶连接结构106的材料为锗，在所述共晶连接结构106的厚度与第一金属垫104、第二金属垫厚度之和的比值小于或等于0.59时，第一金属垫104或第二金属垫与共晶连接结构106中铝和锗具有适当的原子个数比，使第一金属垫104或第二金属垫与共晶连接结构106能够充分的发生共晶反应，使第一金属垫104与第二金属垫的结合力更强。
[0071]当所述共晶连接结构106的厚度与第一金属垫104、第二金属垫之和的比值大于
0.59时，锗原子与铝原子的原子个数比的比值较大，使得所述共晶连接结构106与第一金属垫104、第二金属垫之间共晶反应的难度增大，第一金属垫104、第二金属垫之间可能在共晶反应后相互接触不充分。因此，可选的，本实施例中，所述共晶连接结构106的厚度与第一金属垫104、第二金属垫厚度之和的比值小于或等于0.59。
[0072]具体地，所述本实施例中，所述共晶连接结构106的厚度为5000 ±矣，但是本发明对所述共晶连接结构106的厚度不做限制，在其他实施例中，所述共晶连接结构106的厚度还可以在4000到6000埃的范围内。需要说明的是，所述共晶连接结构106的厚度还可以小于4000埃，所述共晶连接结构106的厚度越小，晶圆键合中共晶反应的时间越短，但是如果所述共晶连接结构106的厚度过小，则可能不能为共晶反应提供足够的材料，使第一金属垫104和第二金属垫难以牢固的连接在一起。
[0073]需要说明的是，通常所述第一金属垫104、第二金属垫的材料为与所述共晶连接结构106不同的材料。
[0074]需要说明的是，本实施例中，仅在第一金属垫104上形成共晶连接结构106，但是本发明对此不作限制，还可以在第二晶圆的第二金属垫上也形成共晶连接结构，或者仅在第二金属垫上形成共晶连接结构，第二金属垫上形成的共晶连接结构与第一金属垫104上形成共晶连接结构106的材料相同。在第二金属垫上形成的共晶连接结构的方法可以包括:在所述第二金属垫和第二介质层表面覆盖第二共晶材料层；刻蚀第二共晶材料层，去除第二介质层表面的第二共晶材料层，剩余位于第二金属垫表面的第二共晶材料层形成共晶连接结构。
[0075]需要说明的是，当第一金属垫104、第二金属垫以及共晶连接结构106表面较为洁净时，第一金属垫104、第二金属垫以及共晶连接结构106之间的共晶反应更为充分，共晶反应后第一金属垫104和第二金属垫之间的连接力更强。因此，在本实施例中，在形成所述共晶连接结构106之后，分别对所述第一晶圆100和第二晶圆进行清洗，以清洁第一金属垫104、第二金属垫以及共晶连接结构106的表面。清洗所选用的溶液为稀释的氢氟酸溶液，稀释的氢氟酸溶液对第一金属垫104、第二金属垫以及共晶连接结构106上的氧化层去除效果加好，但是本发明对清洗所选用的溶液不做限制。
[0076]参考图8，使第一晶圆100和第二晶圆200相对设置，使所述第一金属垫104和第二金属垫204相互对准，所述第一金属垫104、第二金属垫204分别与共晶连接结构106发生共晶反应，以将第一金属垫104和第二金属垫204通过共晶连接结构106连接在一起，从而实现第一晶圆100和第二晶圆的键合。
[0077]需要说明的是，此处共晶反应指的是在多种材料在低于熔点的温度下，相互扩散而实现相互连接的过程。
[0078]在本实施例中，键合工艺的温度低于铝和锗的熔点，具体地，在430?460摄氏度的范围内。键合工艺的时间在30?75分钟的范围内，压力在15?50千牛顿范围内。
[0079]请参考图9、图10，示出了图8中A部(发生共晶反应的区域)的电镜图，其中图9为A部沿平行于衬底平面的横截面电镜图，图10为A部的剖面电镜图。铝材料与锗材料在上述条件下发生共晶反应，部分锗原子和铝原子相互结合形成共晶体(未示出)，并且，锗原子扩散到第一金属垫104和第二金属垫204中，在第一金属垫104和第二金属垫204中形成枝杈状结构300。在此过程中，共晶连接结构106厚度逐渐变薄，第一金属垫104和第二金属垫204中的铝原子也扩散穿过共晶连接结构106而相互连接在一起，第一金属垫104和第二金属垫204的材料直接接触。
[0080]在共晶反应后，第一金属垫104和第二金属垫204中相互连接，从而使第一晶圆100和第二晶圆200键合在一起。采用共晶反应的键合工艺，第一金属垫104和第二金属垫204相互连接的效果更好。共晶连接结构106中的原子在键合工艺中逐渐扩散到第一金属垫104和第二金属垫204中，因此键合工艺对第一金属垫104和第二金属垫204表面平整度要求不高，无需进行平坦化工艺，降低了晶圆边缘位置处的第一金属垫104和第二金属垫204产生接触不良的风险。共晶键合的加热温度低于第一金属垫104、第二金属垫204和共晶连接结构106的熔点，无需高温退火，对晶圆中半导体器件的影响较小。
[0081]需要说明的是，在本实施例中，所述第一晶圆100中可以包含MEMS器件，所述第二晶圆200中可以包含TSV互连结构，采用本发明半导体结构的形成方法，可以较好的实现MEMS器件与TSV互连结构的堆垛和互连，并且对MEMS器件的损伤较小。
[0082]本发明还提供一种晶圆键合结构，所述晶圆键合结构可以但不限于采用本发明晶圆键合方法形成。
[0083]参考图11，示出了本发明晶圆键合结构一实施例的示意图。本实施例晶圆键合结构包括:
[0084]相对设置的第一晶圆100'和第二晶圆200'。
[0085]在本实施例中，所述第一晶圆100'和第二晶圆200'包括衬底，所述衬底为硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为锗硅衬底或绝缘体上硅衬底等其它半导体衬底，对此本发明不做任何限制。
[0086]衬底中可以形成有多层具有半导体器件，如晶体管、存储器、MEMS器件的复杂结构，本发明对此不作限制。
[0087]继续参考图11，本实施例晶圆键合结构还包括:分别位于所述第一晶圆100'上的第一金属垫104'、第二晶圆200'上第二金属垫204'，所述第一金属垫104'和第二金属垫204'通过与共晶材料106'发生共晶反应结合在一起；位于所述第一金属垫104'和第二金属垫204'接触面处的共晶体120'。
[0088]在本实施例中，所述第一金属垫104'、第二金属垫204'的材料为铝，但是本发明对所述第一金属垫104'、第二金属垫204'的材料不做限制。
[0089]在本实施例中，所述共晶材料为锗，锗能够和铝发生共晶反应。具体地，参考图11中的B部，示出了第一金属垫104'、第二金属垫204'通过与共晶材料发生共晶反应结合在一起的区域。共晶反应是在多种材料的在低于熔点的温度下，相互扩散至相互连接的过程。
[0090]在图11中B部，部分锗原子和铝原子在所述第一金属垫104'和第二金属垫204'接触面处形成共晶体120'，所述共晶体120'中含有共晶材料锗。此外，锗原子扩散到第一金属垫104'和第二金属垫204'中，在第一金属垫104'和第二金属垫204'中形成枝杈状结构。第一金属垫104'和第二金属垫204'中的铝原子也扩散穿过共晶材料而相互连接在一起。所述第一金属垫104'和第二金属垫204'通过与共晶材料106'发生共晶反应结合在一起。通过共晶反应连接的第一金属垫104'和第二金属垫204'相互连接的效果更好。需要说明的是，图11中的共晶体120'仅表示共晶体120'位于所述第一金属垫104'和第二金属垫204'接触面附近，并不表示共晶体120'的形貌，所述共晶体120'可能分布于第一金属垫104'和第二金属垫204'接触面的表面以及第一金属垫104'和第二金属垫204'内部的部分区域。
[0091]需要说明的是，本发明对所述第一金属垫104'、第二金属垫204'的材料不做限制，对所述共晶材料也不做限制，在其他实施例中，所述第一金属垫104'、第二金属垫204'的材料以及共晶材料的类型还可以为任何能够相互发生共晶反应的材料。通常所述第一金属垫104'、第二金属垫204'的材料为与所述共晶材料不同的材料。
[0092]需要说明的是，本实施例中的第一介质层101'和第一金属垫104'位于晶圆金属互连区域的顶部，用于进行封装或键合工艺，在本实施例中的第一介质层101'、第一金属垫104'与衬底100'之间还可能形成有多层金属互连，本发明对此不作限制。
[0093]在本实施例中，所述第一介质层101'的材料为氮化硅，但是本发明对第一介质层101'的材料均不做限制，在其他实施例中，所述第一介质层101'的材料还可以为低K介质材料或超低K介质材料。
[0094]继续参考图11，本实施例晶圆键合结构还包括:位于第一晶圆100'上的第一介质层101'、位于第二晶圆200'上的第二介质层201'。所述第一金属垫104'位于述第一介质层101'中、第二金属垫204'位于第二介质层201'中，所述第一介质层101'、第二介质层201'分别用于保护所述第一金属垫104'、第二金属垫204'，并使第一金属垫104'、第二金属垫204'与其他半导体器件绝缘。所述第一金属垫104'凸出于第一介质层101'表面、所述第二金属垫204'分别凸出于第二介质层201'表面。
[0095]所述第一金属垫104'凸出于第一介质层101'表面的好处在于，在晶圆键合工艺中，第一金属垫104'和第二金属垫204'通过共晶材料相互连接时，凸出的第一金属垫104'和第二金属垫204'与共晶材料接触的部分更大，使得第一晶圆100'、第二晶圆200'能够牢固地结合在一起，保证晶圆之间的连接强度，所述第一金属垫104'凸出第一介质层101'的高度不易太小。可选的，第一金属垫104'凸出于第一介质层101'表面的高度占第一金属垫厚度的50%到90%。但是本发明对所述第一金属垫104'凸出第一介质层101'表面的高度不做限制。
[0096]同理，本实施例中，所述第二金属垫204'凸出于第二介质层201'表面的高度占第二金属垫204'厚度的50%到90%。
[0097]如果第一金属垫104'的厚度过薄，容易造成晶圆键合的机械强度不足，如果所述第一金属垫104'的厚度过厚，则晶圆键合工艺的时间可能过长，本实施例中，所述第一金属垫104'的厚度为9000埃，但是本发明对第一金属垫04'的厚度不作限制，所述第一金属垫104'的厚度还可以在8000到10000埃的范围内。同理，本实施例中，所述第二金属垫204'的厚度为9000埃。在其他实施例中，所述第二金属垫204'的厚度还可以在8000到10000埃的范围内。
[0098]虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
【主权项】
1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括: 提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆上形成有第一金属垫，所述第二晶圆上形成有第二金属垫； 在所述第一金属垫、第二金属垫中的任意一个或两个上形成共晶连接结构； 将第一晶圆、第二晶圆相对设置，使所述第一金属垫和第二金属垫相互对准； 所述第一金属垫、第二金属垫分别与共晶连接结构发生共晶反应，以实现第一晶圆和第二晶圆的键合。2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一金属垫、第二金属垫的材料为铝，所述共晶连接结构的材料为锗。3.如权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于，第一晶圆和第二晶圆键合的步骤中:键合工艺的温度在430?460摄氏度的范围内，键合工艺的时间在30?75分钟的范围内，键合工艺的压力在15?50千牛顿的范围内。4.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述共晶连接结构的厚度，与所述第一金属垫、第二金属垫厚度之和的比值小于或等于0.59。5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一金属垫、第二金属垫的厚度在8000到10000埃的范围内。6.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述共晶连接结构的厚度在4000到6000埃的范围内。7.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆上形成有第一金属垫，所述第二晶圆上形成有第二金属垫的步骤包括: 分别在所述第一晶圆上形成第一介质层、在第二晶圆上形成第二介质层，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中形成第二金属垫，所述第一金属垫凸出于第一介质层表面，所述第二金属垫凸出于第二介质层表面。8.如权利要求7所述的晶圆键合方法，其特征在于，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中第二金属垫的步骤包括: 分别在所述第一介质层形成第一通孔、在第二介质层中形成第二通孔； 在所述第一通孔中填充第一金属材料层，且所述第一金属材料层覆盖所述第一介质层表面，在所述第二通孔中填充第二金属材料层，且所述第二金属材料层覆盖所述第二介质层表面； 分别刻蚀所述第一金属材料层和第二金属材料层，去除第一介质层表面的第一金属材料层和第二介质层表面的第二金属材料层，位于第一通孔内以及第一通孔上方的第一金属材料层形成第一金属垫，位于第二通孔内以及第二通孔上方的第二金属材料层形成第二金属垫。9.如权利要求7所述的晶圆键合方法，其特征在于，分别在所述第一介质层中形成第一金属垫、第二介质层中第二金属垫的步骤包括: 使第一金属垫凸出于第一介质层表面的高度占第一金属垫厚度的50%到90%，使第二金属垫凸出于第二介质层表面的高度占第二金属垫厚度的50%到90%。10.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在所述第一金属垫表面形成共晶连接结构的步骤包括: 在所述第一金属垫和第一介质层表面覆盖共晶材料层； 刻蚀共晶材料层以去除第一介质层表面的共晶材料层，剩余位于第一金属垫表面的共晶材料层形成共晶连接结构。11.如权利要求10所述的晶圆键合方法，其特征在于，采用物理气相沉积的方法在所述第一金属垫和第一介质层表面覆盖共晶材料层。12.如权利要求10所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述共晶材料层的材料为锗，采用含氟气体的干法刻蚀工艺刻蚀所述共晶材料层。13.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在形成共晶连接结构的步骤之后，在第一晶圆、第二晶圆相对设置之前，所述晶圆键合方法还包括:采用稀释的氢氟酸对第一晶圆和第二晶圆进行清洗。14.一种晶圆键合结构，其特征在于，包括: 相对设置的第一晶圆和第二晶圆； 分别位于所述第一晶圆上的第一金属垫、位于第二晶圆上的第二金属垫，所述第一金属垫和第二金属垫通过与共晶材料发生共晶反应结合在一起； 位于所述第一金属垫和第二金属垫接触面处的共晶体。15.如权利要求14所述的晶圆键合结构，其特征在于，所述第一金属垫和第二金属垫的材料为铝。16.如权利要求14所述的晶圆键合结构，其特征在于，所述共晶体中含有共晶材料锗。
【文档编号】H01L23/52GK105826243SQ201510011875
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】施林波, 陈福成, 刘尧, 徐伟
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司