一种抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法与流程

本发明涉及一种晶圆混合键合的方法，特别涉及一种抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法。

背景技术：

用于晶圆接合的新改进在3dic结构中日益重要。在晶圆接合时，在不需要中介衬底或器件的情况下，两个半导体晶圆被接合到一起以形成三维堆叠件。在需要两种不同晶圆类型的应用中，该方法可以提供在一个封装中具有两个功能器件的单个器件。在一个特定应用中，cmos图像传感器、包括图像传感器阵列的衬底可以被接合到电路晶圆上，以提供包括在与传感器阵列相同的电路板区域中实现图像传感器所需的所有电路的3dic系统，在单个封装的集成电路器件中提供完整图像传感方案。

先前已知的晶圆接合方法包括氧化物-氧化物或者熔融接合、以及使用热压接合的金属到金属接合，在高压下并且使用高温执行该热压接合。这些现有方法在器件上引入高机械应力和热应力，或者不能提供所需的金属到金属连接。

如cn104051288这样的现有技术使用如下方法实现键合：在至少两个半导体衬底之上的介电层中形成金属焊盘层；对所述半导体衬底执行化学机械抛光，以暴露所述金属焊盘层的表面，并且平坦化所述介电层，以在每个所述半导体衬底上形成接合表面；对所述至少两个半导体衬底执行氧化工艺，以氧化所述金属焊盘层，从而形成金属氧化物；执行蚀刻，以去除所述金属氧化物，从所述至少两个半导体衬底的每一个的所述介电层的所述接合表面中暴露出所述金属焊盘层的表面；将所述至少两个半导体衬底的所述接合表面物理接触；以及执行热退火，以在所述半导体衬底的所述金属焊盘层之间形成接合。使用上述方法存在如下缺陷：在退火之前，金属层中存在化学机械抛光过程中产生的凹陷，在键合过程中由于铜受热膨胀之后并不能完全填充上述凹陷，所以在铜层之间将出现数个孔洞，从而导致铜不能有效互联，降低成品的电连接稳定性。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法，从而克服现有救赎的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法，其特征在于：方法包括以下步骤：在至少两个半导体衬底之上形成金属层；对半导体衬底执行化学机械抛光，从而在金属层上形成多个凹陷；在具有多个凹陷的金属层上镀敷石墨烯；以及对至少两个半导体衬底进行热处理，使得金属层通过石墨烯进行键合。

优选地，上述技术方案中，金属层为铜层。

优选地，上述技术方案中，形成金属层的工艺为物理气相沉积。

优选地，上述技术方案中，镀敷石墨烯的具体方法是：使用石墨烯分散液将单层石墨烯镀敷到金属层的凹陷中。

优选地，上述技术方案中，石墨烯的厚度约为0.34nm。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：此发明是在现有的工艺基础上进行进一步的改进，将单层石墨烯的分散溶液通过镀敷的方法转移到凹陷中形成一层盖敷层，使得两片晶圆中的铜通过石墨烯以实现互联。单层石墨烯的功函数为4.65，cu的功函数为4.6，它们之间的势垒相对较小，另外单层石墨烯的电阻率为10^-6ω·cm，因此接触电阻只会小幅度的增加。石墨烯的热膨胀率在0～1200k范围内为负值，因此可以抑制cu的热膨胀，同时还可以降低凹陷高度。单层石墨烯是一种由碳原子组成的二维层状结构，其厚度为单个原子的直径，为0.34nm左右，因此不会对镀敷之后的凹陷高度有太大的影响。综上，首先控制形成特定高度的凹陷，随后将单层石墨烯精确地转移至凹陷中形成盖敷层，然后通过晶圆混合键合的方法进行晶圆键合，最后在一定温度下进行热处理，这样就可抑制铜的电迁移。

附图说明

图1a-1d是现有技术的晶圆混合键合的步骤示意图。

图2a-2b是现有技术的孔洞的示意图。

图3a、3b、3c是本发明的一个实施例的抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

以下首先介绍现有技术中的晶圆键合方法，晶圆键合方法在两个衬底之间的界面处提供牢固的连接。衬底是半导体衬底，衬底也可以是半导体晶圆。衬底可以包括提供金属连接和通孔连接的施体晶圆，该施体晶圆可以被接合到另一个器件晶圆上，并且然后可以使用机械磨削或cmp方法磨掉施体晶圆的衬底，留下接合到器件晶圆上的金属层。可以接合多个晶圆以形成具有多个层的3dic结构。使用化学机械工艺(cmp)暴露两个衬底的接合表面上的金属焊盘，并且平坦化这两个表面。然后，通过氧化暴露的金属焊盘形成金属氧化物层。在氧化工艺过程中，小心地控制工艺条件。在氧化工艺之后，使用良好控制的蚀刻工艺从金属焊盘中去除金属氧化物，暴露出表面。使用湿式蚀刻工艺。所使用的氧化工艺和湿式蚀刻工艺的控制给金属焊盘提供非常匹配的表面轮廓。然后，两个衬底以面对面关系对准，并且相应的金属焊盘相互接近，同时两个衬底的周围介电材料相互接触。熔融接合可能发生在接触的介电层之间。使用退火工艺使金属焊盘之间产生接合并且增强介电层之间的接合，执行混合接合工艺。因为金属焊盘具有在特定参数内的匹配的表面轮廓，所以金属焊盘甚至在相对低的工艺温度下并且在不需要高机械压力的情况下形成牢固的接合。介电材料选自诸如sio2的氧化物、诸如sin的氮化物、氮氧化物(sion)、以及在半导体器件中使用的高k电介质。使用镶嵌或双镶嵌金属化方案，形成由介电材料包围的铜金属焊盘。在化学机械抛光(cmp)和平坦化之后，衬底经历氧化工艺。使用o2等离子体形成氧化铜。也可以使用其他氧化工艺。可以使用诸如，原位水汽生成(issg)的蒸汽氧化工艺。然后，通过湿式蚀刻工艺执行铜氧化物去除。使用稀释hf蚀刻。湿式蚀刻选自包括浓度为2％的dhf、hcl、hcooh、柠檬酸的氧化物蚀刻剂。蚀刻工艺的温度小于250℃。在去除氧化铜之后，对于衬底的铜焊盘轮廓匹配进行检查。焊盘可以从介电材料的表面稍微凹陷。在良好控制的蚀刻工艺之后形成氧化铜减少或消除由cmp工艺得到的非均匀表面，诸如，凹陷。工艺的控制允许在铜焊盘的表面上产生稍微凸起或凹入并且非常均匀的表面。通过使用实施例方法，铜焊盘具有几乎均匀的表面。铜焊盘的凹陷深度在顶部衬底上的铜焊盘和底部衬底上的相应铜焊盘之间良好地匹配。通过良好匹配的铜焊盘轮廓选择的顶部和底部衬底开始对准，并且然后接触，介电层进行物理接触并且顶部和底部衬底的铜焊盘稍微间隔开。衬底的介电表面充分接触。介电层的熔融接合可以开始。一旦衬底开始进行物理接触，就执行相对低温度退火。在退火期间，各个铜焊盘形成无缝接合。介电层之间的接合将继续，或者接合强度在退火期间将继续增加。当铜焊盘的表面轮廓很好地匹配并且金属焊盘凹陷深度在特定预定范围内时，形成牢固的接合。这被称为“无缝”接合，其中，横跨接合界面的铜材料看起来是均匀的。还在混合接合工艺(hybridbondingprocess)中接合介电表面。

如图1a-1d是现有技术的晶圆混合键合的步骤示意图，现有技术的晶圆混合键合的主要步骤包括：提供带有沟槽102的晶圆101(图1a)，在晶圆101的沟槽102中沉积金属铜层103(图1b)；对金属铜层103执行化学机械抛光，以产生凹陷104；将晶圆101的接合表面物理接触；以及执行热退火，以使晶圆101的金属铜层103之间形成接合。在键合过程中由于铜层103受热膨胀之后并不能完全填充上述凹陷104，所以在铜层103之间将出现数个孔洞105，如图2a-2b所示。

如图3a-3c是本申请的一个实施例的抑制晶圆混合键合中铜电迁移的方法的步骤示意图，方法包括以下步骤：在至少两个半导体衬底301之上形成金属层303；对半导体衬底301执行化学机械抛光，从而在金属层303上形成多个凹陷104；在具有多个凹陷104的金属层303上镀敷石墨烯302；以及对至少两个半导体衬底301进行热处理，使得金属层303通过石墨烯302进行键合。在一个实施例中，金属层303为铜层。在一个实施例中，形成金属层303的工艺为物理气相沉积。在一个实施例中，镀敷石墨烯302的具体方法是：使用石墨烯分散液将单层石墨烯镀敷到金属层的凹陷中。在一个实施例中，石墨烯的厚度约为0.34nm。由图3c可见，对本发明的晶片进行键合之后，孔洞全部消除，孔洞中填充了石墨烯，由于石墨烯导电，所以能够防止连接不良情况的发生。

本发明的优点在于：将单层石墨烯的分散溶液通过镀敷的方法转移到凹陷中形成一层盖敷层，使得两片晶圆中的铜通过石墨烯以实现互联。单层石墨烯的功函数为4.65，cu的功函数为4.6，它们之间的势垒相对较小，另外单层石墨烯的电阻率为10^-6ω·cm，因此接触电阻只会小幅度的增加。石墨烯的热膨胀率在0～1200k范围内为负值，因此可以抑制cu的热膨胀，同时还可以降低凹陷高度。单层石墨烯是一种由碳原子组成的二维层状结构，其厚度为单个原子的直径，为0.34nm左右，因此不会对镀敷之后的凹陷高度有太大的影响。综上，首先控制形成特定高度的凹陷，随后将单层石墨烯精确地转移至凹陷中形成盖敷层，然后通过晶圆混合键合的方法进行晶圆键合，最后在一定温度下进行热处理，这样就可抑制铜的电迁移。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。