改进排布方式的金属键合点阵列和具该阵列的半导体器件的制作方法

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种用于硅片混合键合的金属键合点阵列和具有该金属键合点阵列的半导体器件。

背景技术：

随着集成电路产业的发展，对芯片功能、集成度、速度和功耗等各方面的要求越来越高，业界为此不断开发三维互连技术，通过将两个及多个芯片集成在一起的方式来满足需求。其中，在芯片间直接实现互连的芯片堆叠技术，与三维封装技术相比：可以显著缩小产品尺寸、扩展产品功能(容量)、提升产品性能，是一种更先进的芯片集成方式。目前该技术已在背照式cmos图像传感器、高端dram存储器等产品中使用。

混合键合是一种新兴的芯片堆叠技术，可以实现2片硅片的物理粘连并通过同时实现电连接，与其它技术相比具有一些明显优势，包括：

可以直接实现硅片-硅片键合，与芯片-芯片以及芯片-硅片键合相比较，生产效率最高；

可以实现更小的键合点节距(相邻的键合点中心的间距)，目前已达到最小6微米，并具备进一步微缩的能力，而其它堆叠互连技术比如微型焊料凸点(microsolderbumping)，其最小节距则在10微米以上。

鉴于上述优势，混合键合已成为现有技术中最具实用价值和应用潜力的高集成度硅片键合技术，目前其主要实现方法如下：

如图1所示，a和b为待键合的2片硅片，其顶层均包括介质层1和开口于介质层表面的金属键合点阵列2，2片硅片上的金属键合点大小、排布相同：键合点边长为a，键合点间距为b、键合点节距为c，且排列位置一一对应。

如图2所示，理想状态的混合键合为，硅片a面朝下，硅片b面朝上，上下堆叠，在键合设备内通过表面处理、对准、物理接触等步骤实现硅片a/b顶层表面介质层的键合，使2片硅片物理粘连；再通过退火等工艺，实现顶层金属键合点的金属键合，2片硅片实现电连接。

由此可见，硅片表面平整度是实现理想混合键合的关键因素。为此，在键合前，工艺上对顶层金属一般进行化学机械抛光cmp工艺，同时设计上采用金属键合点均匀排布的方式。然后，再根据电路连接的实际需要，部分金属键合点与上/下层金属连接d；部分不连接，如e，仅仅作为cmp的dummypad起到均匀排布提高cmp均匀性，优化硅片表面平整度的作用。

对于混合键合技术，制约其进一步微缩的关键因素是键合设备的套准精度。以现有技术能达到的最好套准精度3sigma≤0.2微米为例。

如图3所示，左边为键合存在套准偏差时，上下堆叠的硅片a和b中金属键合点的对准透视图，右边为键合存在套准偏差时金属键合点连接的截面图。

当金属键合点的边长a为1.5微米,金属键合点节距b为3微米，金属键合点间距c为1.5微米时,理想的键合接触面积a²为1.5*1.5＝2.25微米^2。在套准偏差为0.2微米的极端情况下，实际的键合接触面积为(a-套准偏差)²为1.3*1.3＝1.69微米^2，约为理想值的75％，减少了25％；

当金属键合点节距进一步缩小至1.5微米，金属键合点边长为0.75微米，理想接触面积是0.5625微米^2；在套准偏差为0.2微米的极端情况下，实际键合接触面积为0.55*0.55＝0.3025微米^2，仅为理想值的54％，减少近一半。这种情况下，两片硅片通过金属键合点实现的互连电阻因为接触面积变动的影响,也会在理想值的54％到100％区间波动，出现各键合点电阻阻值不均匀。

可见，现有技术中，由上述硬件设备的性能局限引入的套准偏差所造成的硅片间互连电阻波动可能存在于同一硅片内的不同键合点间，也可能存在于不同硅片间，这将对设计仿真产生影响。随着键合点尺寸的缩小，其与设备套准偏差值越发接近，其键合电阻分布范围的大小落差会更加严重。当波动范围过大时，可能导致设计仿真未能将最恶化情况考虑在内，造成仿真失真,或导致为了兼顾最恶化情况而牺牲键合形成的半导体器件的整体性能。同样，由于每次键合结果因设备对准精度变化而波动，直接影响键合工艺的可控性。

众所周知,提高设备的对准性能,其投入和研发周期是巨大而冗长的，因此，需要提出一种改进排布方式的金属键合点阵列和具该阵列的半导体器件，能够充分利用现有的混合键合设备，避免小节距情况下，因混合键合设备的套准偏差造成硅片或半导体器件之间互连电阻分布不均匀，提高键合工艺可控性，实现降低制造成本，提高产量的最终目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是充分利用现有混合键合设备，避免小节距情况下，因混合键合设备的套准偏差造成硅片间互连电阻的不均匀分布，提高键合工艺可控性，实现降低制造成本，提高产量的最终目的。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种改进排布方式的金属键合点阵列的半导体器件,由顶层为介质层和金属键合点的两片硅片混合键合组成，所述金属键合点形成节距相同的阵列均匀分布于所述硅片表面；混合键合时，两片硅片面面相对，上下堆叠，各硅片阵列内的金属键合点一一对应，彼此接触，其特征在于，所述每个硅片的阵列内金属键合点大小不一，在介质层表面交错地间隔排布，键合的两硅片之间的阵列排布彼此对应；

可选的，所述两片硅片大小相同；

可选的，上下堆叠的两片硅片键合时位置可以上下互换；

可选的，所述金属键合点节距范围为：500nm-5000nm；

可选的，所述每个硅片的阵列内金属键合点分大键合点和小键合点两类，并按大、小交错地间隔排布；

优选的，所述交错地间隔排布的大、小金属键合点，其大键合点的边长为1/2的节距与混合键合设备套准精度之和，所述小键合点的边长为1/2的节距与混合键合设备套准精度之差；

优选的，所述混合键合设备的套准精度为其套准误差3sigma统计值，范围为：50nm-500nm；

优选的，所述交错地间隔排布是指每个大键合点的周围均为小键合点，反之亦然；

可选的，所述键合的两硅片之间的阵列排布彼此对应是指，上一片的大键合点在阵列中的位置对应下一片的小键合点在阵列中的位置，上一片的小键合点则对应下一片的大键合点；

可选的，所述半导体器件的顶层介质层由厚度范围为400nm到4000nm的二氧化硅膜，或二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等组合膜构成。

本发明提出了一种改进排布方式的金属键合点阵列和具该阵列的半导体器件。作为一种新兴的芯片堆叠技术，混合键合可以实现2片硅片的物理粘连并同时完成电连接。本发明中两片硅片顶层均为介质层和开口于介质层表面的金属键合点，所述金属键合点形成节距相同的阵列均匀分布于所述硅片表面，阵列内的金属键合点大小交错，在介质层表面交错地间隔排布，且金属键合点节距相同。混合键合时，两片硅片上下堆叠，上硅片的大键合点接触下硅片的小键合点；上硅片的小键合点接触下硅片的大键合点。所述大键合点的边长为1/2的节距与混合键合设备套准精度之和，小键合点的边长为1/2的节距与混合键合设备套准精度之差。

因为将现有的混合键合设备的固有套准偏差作为确定键合点大小的因素之一，本发明可以显著减小由于套准偏差的引入对键合点接触面积波动造成的硅片间互连电阻阻值变化的不均匀性，能够提高实际生产中键合工艺的可控性。以常规的金属键合点节距为1.5微米，键合设备套准精度0.2微米为例。金属键合点大点边长为0.75+0.1＝0.85微米，小点边长为0.75-0.1＝0.65微米。可见，最少接触面积为0.65*0.65，约为理想值(0.75*075)的75％。由于大点边长-小点边长＝套准精度，因此可以确保采用本发明排布方式，键合后，小键合点能够完全落在大键合点范围内，与之完全接触，从而保证接触面积，进而保持接触电阻恒定。

本发明涉及的半导体器件，对于待键合的硅片的前道制造工艺没有限制。两片硅片通过标准工艺分别完成至第n或m(n或m可以从1到20层，取决于产品设计要求和工艺能力)层金属；然后淀积介质层。介质层可以是厚度可以在400nm到4000nm，由二氧化硅膜，或者是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等组合膜构成；接着，采用常规的双大马士革工艺，通过光刻、刻蚀、金属填充、化学机械研磨等工艺，形成金属键合点。根据设计需要，金属键合点可以通过下方通孔与下层的第n或m层金属连接；或者下方没有通孔，仅作为一个没有连接的金属键合点，用于保证化学机械研磨的均匀性。最后采用现有的混合键合设备完成键合。

综上所述，本发明提出的这种改进排布方式的金属键合点阵列和具该阵列的半导体器件，能够充分利用现有的混合键合设备，避免小节距情况下，因混合键合设备的套准偏差造成硅片或半导体器件之间互连电阻分布不均匀，提高键合工艺可控性，实现降低制造成本，提高产量的最终目的。

附图说明

图1是现有技术混合键合的金属键合点的排布示意图。

图2是理想状态现有技术中混合键合后金属键合点截面图。

图3是现有技术混合键合出现套准偏差后金属键合点的状态示意图。

图4是本发明中待键合的上、下硅片上金属键合点的排布示意图。

图5是本发明混合键合后金属键合点截面图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

参考附图对本发明提出的混合键合的金属键合点排布的制造过程进行逐一解释。本实施例中，混合键合设备的套准精度为300nm。

1.衬底a为待键合的硅片，硅片已通过标准工艺完成至第7层金属；

2.在第7层金属上淀积一层介质层，介质层为厚度是4000nm二氧化硅膜；

3.在已淀积的介质层上，采用常规的双大马士革工艺，通过光刻、刻蚀、金属填充、化学机械研磨等工艺，形成金属键合点；根据设计需要，部分金属键合点通过下方通孔与下层金属连接；部分下方没有通孔，仅作为一个没有连接的金属键合点，用于保证化学机械研磨的均匀性；

4.金属键合点的材料是铜；

5.衬底a上金属键合点按一定节距均匀排布，如图4所示，本实施例的节距b为1500nm；

6.衬底a上金属键合点按大小交错排布，其中大键合点a1的边长为1/2(节距+套准精度)900nm，小键合点a2的边长为1/2(节距-套准精度)600nm；两者的差值就是键合设备的套准精度值。

7.衬底b为另一片待键合的硅片，硅片尺寸与衬底a一致，已通过标准工艺完成至第5层金属；

8.重复上述步骤2～4，在衬底b上形成顶层介质和大、小金属键合点

9.衬底b金属键合点按与衬底a同样节距均匀排布，节距为1500nm。

10.衬底b金属键合点按大小交错排布，其中小键合点a11的边长为1/2(节距-套准精度)600nm，大键合点a21的边长为1/2(节距+套准精度)900nm。

11.衬底b金属键合点与衬底a金属键合点一一对应排布，其中衬底a的大键合点对应衬底b的小键合点，衬底a的小键合点对应衬底b的大键合点。所以，无论键合设备套准状态下如何，键合结果都能保证小键合点完全落在对方硅片大键合点的范围内，从而保证键合后的接触面积恒定。

12.进行混合键合，衬底a面朝下，衬底b面朝上，在键合设备内通过表面处理、对准、物理接触等步骤实现表面介质层的键合，达到2片硅片物理粘连的效果；再通过退火等工艺，实现金属键合点的金属键合，达到2片硅片电连接的效果，如图5所示。

上述描述仅是对本发明实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。