专利名称：实现空气桥互联的方法及具有空气桥互联结构的芯片的制作方法
实现空气桥互联的方法及具有空气桥互联结构的芯片方法
技术领域：
本发明涉及集成电路制造工艺，尤其涉及可以降低寄生电容的芯片的空气 桥互联方法，以及采用上述方法得到的具有空气桥互联结构的芯片。
背景技术：
在集成电路制造领域，随着集成电路的特征尺寸不断降低，芯片集成度不 断提高，传统的生产模式、工艺材料以及器件模型等均面临诸多挑战。
在现有的集成电路制造过程中，阻容迟滞(7 CDelay)而引起的信号传播 延迟、线间干扰以及功率耗散等，是集成电路工艺技术发展面临的重要问题之 一。引起这一现象的主要源头之一是芯片的金属互联的部分。在金属互联部分， 阻容迟滞现象可以用以下公式来描述
t = RC = (pL/Wtmetal) X (fe0LW/tILD)
其中t为信号延迟，R为金属引线的电阻，C为金属间介电层的电容，p
为互联金属的电阻率，L为金属引线长度，W为金属引线长度，tmeta!与tiD分 别为金属引线以及金属间介电层的厚度，A为金属间介电层的介电常数，So为 真空介电常数。由公式可见，选用电阻率比较小的金属材料作为引线材料，和 选用介电常数比较小的材料作为介电材料，有利于降低信号延时，从而提高时
钟频率。铜的电阻率为1.7p^cm，铝的电阻率为2.8p&cm，所以铜更为优越。 同时由于采用铜线可以降低互联层的厚度，所以同时也降低了上述公式中的电 容C。降低阻容迟滞的另一条有效途径，是选用低介电常数的材料作为介电材 料。
目前，单纯采用铜来代替铝作为互联材料可以降低阻容迟滞大约40%，而 选用低介电常数的材料能够降低阻容迟滞的程度则决定于选择材料的介电常 数值大小。现有技术中，普遍采用的介电材料包括氟化硅玻璃(FSG)，其介 电常数为3.8，经改进后的金属间介质层的介电常数可以降低至2.5左右。众所
周知，空气的介电常数值接近l，因此空气作为金属互连线之间填充介质，实 现业内所谓的"空气桥互联"结构，可以更加有效地降低芯片的阻容迟滞现象。 但是，由于采用空气代替现有的介电材料作为金属间的介质层，导致金属 引线完全暴露出来，极易受到环境因素的影响，导致芯片性能的不稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现芯片空气桥互联方法，将空 气作为金属间介质层材料，更加有效地降低芯片的阻容迟滞现象，并且可以保 护金属引线免受外界环境因素的影响，提高已封装的芯片性能的稳定性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种实现芯片空气桥互联方法，包括如 下步骤提供第一半导体衬底，所述第一半导体衬底表面具有金属布线结构， 金属布线结构以第一介质材料作为金属间介质；采用选择性腐蚀工艺去除第一 介质材料，将金属布线结构暴露出来；提供第二半导体衬底，、所述第二半导体 衬底表面具有介质层，所述介质层由第二介质材料构成；将起泡离子注入第二 半导体衬底中；以介质层的表面与金属布线结构的表面作为键合表面，对第二 半导体衬底与第一半导体衬底进行键合；将键合在一起的第一与第二半导体衬 底退火，退火在起泡离子的注入位置引起起泡剥离现象，将第二半导体衬底的 一部分剥离；除去介质层背面第二半导体衬底的残余部分；在介质层中制作引 线孔；制作上层金属连线。
作为较佳技术方案，还包括如下步骤在金属布线结构表面沉积绝缘支撑
层
作为较佳技术方案，所述起泡离子选自于氢离子、氦离子中的一种或两种， 所述起泡离子的注入位置与第二半导体衬底与介质层之间界面的距离范围为 lnm 100nm。
作为较佳技术方案，所述键合工艺在密闭的环境中进行，环境中的气体选 自于H2、 02、 N2、 Ar中的一种或多种，所述键合工艺所采用的环境气压小于 1300Pa，等离子体活化的射频功率范围为500W 5000W。
作为较佳技术方案，所述退火在密闭的环境中进行，环境中的气体选自于
H2、 N2、 Ar中的一种或多种，所'述退火的温度范围是30(TC 50(rC，持续时 间10min 50min。
作为较佳技术方案，所述第一和第二半导体衬底为单晶硅衬底。 作为较佳技术方案，所述第一介质材料选自于氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃
中的一种或多种，所述第二介质材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或多种，
所述介质层的厚度范围为0.2pm 1.0nm。
作为较佳技术方案，所述选择性腐蚀工艺为采用含有HF的腐蚀液的湿法 腐蚀工艺。
作为较佳技术方案，所述金属布线结构之金属为铜。
作为较佳技术方案，所述沉积绝缘支撑层的工艺为化学气相沉积或者原子 层沉积，所述绝缘支撑层的材料为氧化硅，所述绝缘支撑层的厚度范围为 lnm 100nm。
作为较佳技术方案，所述除去介质层背面第二半导体衬底的残余部分采用 选择性腐蚀或者研磨的方法。
作为较佳技术方案，所述上层金属连线的材料为铝。
本发明还提供了一种由上述方法制作的具有空气桥互联结构的芯片，包括 半导体衬底、置于半导体衬底表面的金属布线结构，还包括覆盖于金属布线结 构上方的保护层；所述金属布线结构采用空气作为金属间隔离介质。
作为较佳技术方案，还包括置于金属布线结构表面的绝缘支撑层。
作为较佳技术方案，所述半导体衬底为单晶硅衬底。
作为较佳技术方案，所述金属布线结构之金属为铜。
作为较佳技术方案，所述保护层包括介质层和上层金属连线，所述介质层 的材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或多种，所述介质层包括若干用于上层 金属连线的引线孔，所述上层金属连线的材料为铝。
本发明的优点在于，在采用空气作为金属间介质层，导致金属引线完全暴 露出来的情况下，采用键合的方法制作保护层，将金属引线完全覆盖，可以起 到保护金属引线的作用，降低环境因素对金属引线的影响，提高封装后的芯片 工作稳定性，由于空气的介电常数值接近l，因而可以极大地降低寄生电容，
降低器件互联的/ C延迟，同时避免使用沉积价格昂贵的低介电常数介质薄膜 材料的工艺流程。
附图1所示为本发明提供的实现芯片空气桥互联的方法的具体实施方式
的 工艺流程附图2至附图10所示为本发明所提供的实现芯片空气桥互联的方法的具 体实施方式的工艺示意附图11所示为本发明所提供的具有空气桥互联结构的芯片的具体实施方 式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的实现芯片空气桥互联的方法及具有空气桥 互联结构的芯片的具体实施方式
做详细说明。
附图1所示为本发明提供的实现芯片空气桥互联方法的具体实施方式
的工 艺流程图。步骤SIO，提供第一半导体衬底，所述第一半导体衬底表面具有金 属布线结构，金属布线结构以第一介质材料作为金属间介质；步骤Sll，采用 选择性腐蚀工艺去除第一介质材料，将金属布线结构暴露出来；步骤S12，在 金属布线结构表面沉积绝缘支撑层；步骤S13，提供第二半导体衬底，所述第 二半导体衬底表面具有介质层，所述介质层由第二介质材料构成；步骤S14， 将起泡离子注入第二半导体衬底中；步骤S15，以介质层的表面与金属布线结 构的表面作为键合表面，对第二半导体衬底与第一半导体衬底进行键合；步骤 S16，将键合在一起的第一与第二半导体衬底退火，退火在起泡离子的注入位 置引起起泡剥离现象，将第二半导体衬底的一部分剥离；步骤S17，除去介质 层背面第二半导体衬底的残余部分；步骤S18，在介质层中制作引线孔；步骤 S19，制作上层金属连线。
附图2至附图10所示为本发明所提供的实现芯片空气桥互联的方法的具 体实施方式的工艺示意图。
附图2所示，参考步骤SIO，提供第一半导体衬底100，所述第一半导体 衬底100表面具有金属布线结构101，金属布线结构101以第一介质材料作为 金属间介质。所述金属布线结构101可以是各种集成电路后道工艺中形成的布 线结构，例如可以是单层或者多层的大马士革结构。
所述第一半导体衬底100为单晶硅衬底，可以是P型单晶硅衬底或者N 型单晶硅衬底。在实际应用中，所述第一半导体衬底100可以是半导体领域技 术人员熟知的各种半导体材料，包括多晶结构的硅、绝缘体上硅(SOI)等。
所述金属布线结构101之金属为铜。铜是目前半导体工艺中最常见的金属 布线所采用的材料。在其他的工艺中，也可以采用铝、钨、钛或者上述金属的 硅化物等物质作为金属布线结构101的材料。
第一介质材料选自于氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃(FSG)中的一种至三种。 上述均为半导体工艺中常见的用于金属层间介质的材料。在实际应用中，也可 以根据需要选择其他介质材料，用于金属布线之间的电学隔离。
附图3所示，参考步骤Sll，采用选择性腐蚀工艺去除第一介质材料，将 金属布线结构101暴露出来；
所述选择性腐蚀工艺为采用含有HF的腐蚀液的湿法腐蚀工艺。对于附图 3所示的结构，最优的腐蚀方式是湿法选择性腐蚀工艺。将金属布线结构101 置于氢氟酸溶液或者含有氟化铵的氢氟酸缓冲溶液，HF与二氧化硅反应远快 于同金属的反应速率，即此溶液可以做到对二氧化硅的选择性腐蚀。也可以选 择其他的腐蚀方法，只要所采用的腐蚀液对二氧化硅的腐蚀速度大于腐蚀金属 和半导体衬底等其他结构速率的十倍，即可以做到对二氧化硅的选择性腐蚀。 采用选择性腐蚀工艺将第一介质材料除去之后，金属布线结构101即暴露出来。
附图4所示，参考步骤S12，在金属布线结构101表面沉积绝缘支撑层102。
所述沉积绝缘支撑层102的工艺为半导体工艺中常见的化学气相沉积或者 原子层沉积，也可以是物理气相沉积、等离子体辅助沉积等其他方法。所述绝 缘支撑层102的材料为氧化硅。氧化硅材料制备工艺简单，不引起额外污染， 是制作绝缘支撑层102的一种优选材料。绝缘支撑层102也可以采用氮化硅等
其他具有一定机械强度的绝缘材料。所述绝缘支撑层102的厚度范围为lnm 画nm。
为了获得更好的技术效果，可以选择实施此步骤。制作绝缘支撑层102的 目的在于增加金属引线结构的机械强度，并将金属表面覆盖后，可以防止由于 环境因素，例如水气或者灰尘等，引起的金属引线间产生放电现象。
附图5所示，参考步骤S13，提供第二半导体衬底200，所述第二半导体 衬底200表面具有介质层201，所述介质层201由第二介质材料构成。
所述第二半导体衬底200为单晶硅衬底，可以是P型单晶硅衬底或者N 型单晶硅衬底。在实际应用中，所述第二半导体衬底200可以是半导体领域技 术人员熟知的各种半导体材料，包括多晶结构的硅、绝缘体上硅(SOI)等。
第二介质材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或两种。在实际应用中，也 可以根据需要选择其他介质材料。所述介质层的厚度范围为0.2pm l.(^m。
在本具体实施方式
中，如附图5所示，采用氮化硅和氧化硅的双层复合结 构，包括置于第二半导体衬底200表面的氮化硅层，和置于氮化硅表面的氧化 硅层。此结构有利于提高介质层的质量，并且可以更好地释放后续工艺中产生 的应力。
附图6示，参考步骤S14，将起泡离子注入第二半导体衬底200中。所 述起泡离子选自于氢离子、氦离子中的一种或两种，亦即可以采用氢离子注入， 也可以采用氦离子注入，也可以采用氢、氦离子共注入。实际应用中，也可以 采用氮离子等其他可以在第二半导体衬底200中产生气泡的离子进行注入。所 述起泡离子的注入位置与第二半导体衬底200与介质层201之间界面的距离d 的取值范围为lnm 100nm。在工艺实施过程中，在注入离子和注入能量以及 第二半导体衬底200和介质层201的材料均已确定的情况下，可以计算出注入 离子的深度，调节注入能量，可以离子注入到第二半导体衬底200中，并保证 第二半导体衬底200与介质层201之间的界面与注入离子的位置之间的距离为 lnm 100nm。
附图7所示，参考步骤S15，以介质层201的表面与金属布线结构101的 表面作为键合表面，对第二半导体衬底200与第一半导体衬底100进行键合。 在实施步骤S12的情况下，所述金属布线结构101的表面为绝缘支撑层
102。
为了获得更好的键合质量，所述键合工艺可以选择在密闭的环境中进行， 环境中的气体选自于H2、 02、 N2、 Ar中的一种至四种，所述键合工艺所采用 的环境气压小于1300Pa，键合的表面采用等离子体活化，活化等离子所采用的 射频功率范围为500W 5000W。
通过键合操作，可以将介质层201的表面与金属布线结构101的绝缘支撑 层102表面贴合在一起，介质层201将金属引线结构101覆盖起来，对金属引 线结构101起到了进一步的保护作用。
附图8所示，参考步骤S16，将键合在一起的第一与第二半导体衬底100 与200退火，退火在起泡离子的注入位置引起起泡剥离现象，将第二半导体衬 底200的一部分剥离。剥离之后残余第二半导体衬底200的一部分200'。
为了获得更好的技术效果，所述退火可以选择在密闭的环境中进行，环境 中的气体选自于H2、 N2、 Ar中的一种至三种，所述退火的温度范围是300°C 500°C。在受热的情况下，注入的离子容易聚集形成气泡，气泡不断的聚集， 形成连续的气泡层，在此位置将引起起泡层的剥离现象。在退火引起起泡剥离 现象的工艺中，退火温度过高容易对金属引线结构造成破坏，退火温度过低不 利于气泡剥离现象的发生，300。C 50(TC是较佳的取值范围，退火的较佳时间 长度为10min 50min。
附图9所示，参考步骤S17，除去介质层201背面第二半导体衬底200的 残余部分200'。
所述除去介质层201背面第二半导体衬底的残余部分200'采用选择性腐蚀 或者研磨的方法。例如可以采用含氯的气体进行干法腐蚀除去残余部分200'， 而将介质层201保留。也可以采用化学机械抛光的方法将残余部分200'除去。 上述方法均为本领域内技术人员常见的方法，此处不予敷述。
线结构101中需要引出金属引线的对应位置制作引线孔。引线孔可以采用常规 的光刻工艺进行。在制作引线空位置的介质层以及下方的绝缘支撑结构被除 去，露出下方金属引线结构的金属部分，为下一步制作上层金属连接线做准备。
参考步骤S19，制作上层金属连线202。所述上层金属连线202的材料为 铝，铝金属易于制备、电导率高、容易焊接，因此采用铝制作上层金属连线202 是一种较佳的技术方案。制作工艺可以采用热蒸发、电子束蒸发或者磁控溅射 等工艺，得到连续的金属层之后，采用光刻手段定义出需要的图形。此步骤实 施完毕后得到的结构请参照下一具体实施方式
中的附图11。
下面给出本发明所述之具有空气桥互联结构的芯片的具体实施方式
。 附图11所示为采用包括上述步骤在内的方法得到的具有空气桥互联结构 的芯片的具体实施方式
示意图。包括半导体衬底300、置于半导体衬底表面的 金属布线结构301、覆盖于金属布线结构301上方的保护层，所述金属布线结 构301采用空气作为金属间隔离介质。所述保护层包括介质层302和上层金属 连线303。
为了获得更好的技术效果，本具体实施方式
中所述之具有空气桥互联结构 的芯片还包括置于金属布线结构301表面的绝缘支撑层304。绝缘支撑层304 的目的在于增加金属引线结构的机械强度，并将金属表面覆盖后，可以防止由 于环境因素，例如水气或者灰尘等，引起的金属引线间产生放电现象。
在本具体实施方式
中，所述金属布线结构301之金属为铜，铜是目前半导 体工艺中最常见的金属布线所采用的材料。在其他的工艺中，也可以采用铝、 钨、钛或者上述金属的硅化物等物质。所述金属布线结构301可以是各种集成 电路后道工艺中形成的布线结构，例如可以是单层或者多层的大马士革结构。
介质层302的材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或两种。在实际应用中， 也可以根据需要选择其他介质材料。所述介质层的厚度范围为0.2pm l.(^m。
在本具体实施方式
中，介质层302采用氮化硅和氧化硅的双层复合结构， 包括氮化硅层和氧化硅层。此结构有利于提高介质层的质量，并且可以更好地
释放后续工艺中产生的应力。
在本具体实施方式
中，所述介质层302包括若干用于上层金属连线303的 引线孔，所述上层金属连线303的材料为铝。铝金属易于制备、电导率高、容 易焊接，因此采用铝制作上层金属连线303是一种较佳的技术方案。
在本具体实施方式
中，所述半导体衬底300为单晶硅衬底，可以是P型单 晶硅衬底或者N型单晶硅衬底。在实际应用中，所述半导体衬底300可以是半 导体领域技术人员熟知的各种半导体材料，包括多晶结构的硅、绝缘体上硅 (SOO等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，包括如下步骤提供第一半导体衬底，所述第一半导体衬底表面具有金属布线结构，金属布线结构以第一介质材料作为金属间介质；采用选择性腐蚀工艺去除第一介质材料，将金属布线结构暴露出来；提供第二半导体衬底，所述第二半导体衬底表面具有介质层，所述介质层由第二介质材料构成；将起泡离子注入第二半导体衬底中；以介质层的表面与金属布线结构的表面作为键合表面，对第二半导体衬底与第一半导体衬底进行键合；将键合在一起的第一与第二半导体衬底退火，退火在起泡离子的注入位置引起起泡剥离现象，将第二半导体衬底的一部分剥离；除去介质层背面第二半导体衬底的残余部分；在介质层中制作引线孔；制作上层金属连线。
2. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，还包括 如下步骤在金属布线结构表面沉积绝缘支撑层。
3. 根据权利要求2所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述沉 积绝缘支撑层的工艺为化学气相沉积或者原子层沉积。
4. 根据权利要求2所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述绝 缘支撑层的材料为氧化硅。
5. 根据权利要求2所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述绝 缘支撑层的厚度范围为lnm至100nm。
6. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述起 泡离子选自于氢离子、氦离子中的一种或两种。
7. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述起 泡离子的注入位置与第二半导体衬底与介质层之间界面的距离范围为lnm 至廳nrn。
8. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述键 合工艺在密闭的环境中进行，环境中的气体选自于H2、 02、 N2、 Ar中的一 种或多种。
9. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述键 合工艺所采用的环境气压小于1300Pa,等离子体活化的射频功率范围为 500W至5000W。
10. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述退 火在密闭的环境中进行，环境中的气体选自于H2、 N2、 Ar中的一种或多种。
11. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述退 火的温度范围是30(TC至500°C，持续时间10min至50min。
12. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述第 一和第二半导体衬底为单晶硅衬底。
13. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述第 一介质材料选自于氧化硅、氮化硅、氟硅玻璃中的一种或多种。
14. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述第 二介质材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或多种。
15. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述介 质层的厚度范围为0.2|im至l.O(im。
16. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述选 择性腐蚀工艺为采用含有HF的腐蚀液的湿法腐蚀工艺。
17. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述金 属布线结构之金属为铜。
18. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述除 去介质层背面第二半导体衬底的残余部分采用选择性腐蚀或者研磨的方 法。
19. 根据权利要求1所述之实现芯片空气桥互联的方法，其特征在于，所述上 层金属连线的材料为铝。
20. —种由权利要求1中所述方法形成的具有空气桥互联结构的芯片，包括半导体衬底、置于半导体衬底表面的金属布线结构，其特征在于 还包括覆盖于金属布线结构上方的保护层； 所述金属布线结构采用空气作为金属间隔离介质。
21. 根据权利要求20所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，还包括 置于金属布线结构表面的绝缘支撑层。
22. 根据权利要求20所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述半 导体衬底为单晶硅衬底。
23. 根据权利要求20所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述金 属布线结构之金属为铜。
24. 根据权利要求20所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述保 护层包括介质层和上层金属连线。
25. 根据权利要求24所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述介 质层的材料选自于氧化硅、氮化硅中的一种或两种。
26. 根据权利要求24所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述介 质层包括若干用于上层金属连线的引线孔。
27. 根据权利要求24所述之具有空气桥互联结构的芯片，其特征在于，所述上 层金属连线的材料为铝。
全文摘要
本发明提供了一种实现芯片空气桥互联的方法，包括如下步骤提供第一半导体衬底；采用选择性腐蚀工艺去除第一介质材料；提供第二半导体衬底；将起泡离子注入第二半导体衬底中；对第二半导体衬底与第一半导体衬底进行键合；退火；除去介质层背面的残余部分；制作引线孔；制作上层金属连线。本发明还提供了一种具有空气桥互联结构的芯片。本发明的优点在于，在采用空气作为金属间介质层，导致金属引线完全暴露出来的情况下，采用键合的方法制作保护层，将金属引线完全覆盖，由于空气的介电常数值接近1，因而可以极大地降低寄生电容，降低器件互联的RC延迟，同时避免使用沉积价格昂贵的低介电常数介质薄膜材料的工艺流程。
文档编号H01L23/522GK101355049SQ20081003795
公开日2009年1月28日 申请日期2008年5月23日 优先权日2008年5月23日
发明者曦 王, 肖德元, 星 魏 申请人:上海新傲科技有限公司;中芯国际集成电路制造(上海)有限公司