圆片级气密键合结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造，特别涉及一种圆片级气密键合结构及其制造方法。

背景技术：

1、基于金属的键合工艺是半导体制造领域中应用广泛的一种晶圆级键合技术。通过在键合晶圆间制作用于粘接的金属，在芯片及晶圆允许的工艺温度下完成键合工艺，实现晶圆间高可靠性、高强度、具有气密特性的粘接，为三维集成微系统提供高效可靠的晶圆级堆叠方案。目前主要使用的金属键合为auau键合、ausn键合、cusn键合等工艺，相比较高分子键合、阳极键合等键合方式，金属键合具有工艺兼容性高、高温可靠性高、气密性能优秀等特点。

2、然而芯片的气密性能是金属键合中难以实现的关键点，需要进行气密键合的芯片往往具有复杂的表面形貌以及较大的台阶起伏，伴随着芯片集成度的提高，气密封装芯片尺寸也与日俱增，这对气密键合带来了极大挑战。不仅如此，晶圆级气密键合还面临片上键合良率极低、芯片筛选困难等难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于晶圆级气密封装的键合结构及其制造方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种圆片级气密键合结构，气密键合结构包括键合在一起的第一和第二衬底，在第一衬底上设置倒梯形沟槽，沟槽结构密排成梳齿阵列或蜂窝状阵列，在所述倒梯形沟槽上沉积复合膜介质层，随后沉积用作键合的第一金属层；第二衬底上制作长方形凸块结构，凸块结构正面布局与倒梯形沟槽结构一致，凸块结构上沉积复合膜介质层，随后沉积用作键合的第二金属层。

3、进一步的，所述气密键合结构为梳齿状倒梯形沟槽阵列，其中沟槽宽度为10-20um，沟槽侧壁倾角为60-80°，相邻沟槽间隔为50-100um，沟槽深度为5-10um，相邻梳齿列间距为50-100um。

4、另一种实施方式中，气密键合结构为蜂窝状倒梯形沟槽阵列，其中沟槽宽度为10-20um，沟槽侧壁倾角为60-80°，沟槽深度为5-10um，单条沟槽长度为20-50um。

5、进一步的，所述第一层金属、第二层金属由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

6、另一种实施方式中，所述第一层金属为金属1/金属2所组成的复合金属层，其中金属1由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成，金属2包含ausn合金/agsn合金的一种，且将沟槽内部填充；第二层金属为tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

7、进一步的，所述复合膜介质层通过等离子增强化学气相沉积的生长方式形成，所述氮化硅膜厚为50-200nm，氧化硅膜厚为200-800nm。

8、本发明还提供一种圆片级气密键合结构的制造方法，包括以下步骤：

9、提供一硅衬底，并在该衬底上光刻图形化并采用干法刻蚀制作出倒梯形沟槽结构，沟槽正面布局为梳齿状或蜂窝状阵列；

10、在所述沟槽结构上沉积氮化硅与氧化硅的复合膜介质层，随后沉积用作键合的第一金属层；

11、提供另一硅衬底材料，并在该衬底上光刻图形化并采用干法刻蚀制作出长方形凸块结构，凸块结构正面布局与倒梯形沟槽结构一致；

12、在所述凸块结构上沉积氮化硅与氧化硅的复合膜介质层，随后沉积用作键合的第二金属层；

13、将所述两片硅衬底进行键合，使其在键合区域完成金属间键合，得到键合体。

14、进一步的，所述第一层金属、第二层金属由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

15、另一种实施方式中，所述第一层金属为金属1/金属2所组成的复合金属层，其中金属1由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成，金属2包含ausn合金/agsn合金的一种，且将沟槽内部绝大部分填充；第二层金属为tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

16、进一步的，若沟槽内有合金填充，则键合温度为280-320℃，键合时间为5-20min，键合氛围为真空；若沟槽内无合金填充，则键合温度为350-400℃，键合时间为30-90min，键合氛围为真空。

17、与现有技术相比，本发明的显著优点为：

18、本发明的气密键合结构，采用多重密封与键合加强沟槽相结合的方式，通过金属和金属间的键合，形成具有气密性能的键合区域，该区域具有较高的键合强度及高温可靠性。相比于现有技术中平行封焊的气密键合工艺，大幅降低了气密键合体的体积，同时晶圆级的键合方式大大提高了封装效率。

技术特征：

1.一种圆片级气密键合结构，其特征在于，气密键合结构包括键合在一起的第一和第二衬底，在第一衬底上设置倒梯形沟槽，沟槽结构密排成梳齿阵列或蜂窝状阵列，在所述倒梯形沟槽上沉积复合膜介质层，随后沉积用作键合的第一金属层；第二衬底上制作长方形凸块结构，凸块结构正面布局与倒梯形沟槽结构一致，凸块结构上沉积复合膜介质层，随后沉积用作键合的第二金属层。

2.根据权利要求1所述的圆片级气密键合结构，其特征在于，所述气密键合结构为梳齿状倒梯形沟槽阵列，其中沟槽宽度为10-20um，沟槽侧壁倾角为60-80°，相邻沟槽间隔为50-100um，沟槽深度为5-10um，相邻梳齿列间距为50-100um。

3.根据权利要求1所述的圆片级气密键合结构，其特征在于，气密键合结构为蜂窝状倒梯形沟槽阵列，其中沟槽宽度为10-20um，沟槽侧壁倾角为60-80°，沟槽深度为5-10um，单条沟槽长度为20-50um。

4.根据权利要求1、2或3所述的圆片级气密键合结构，其特征在于，所述第一层金属、第二层金属由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

5.根据权利要求1、2或3所述的圆片级气密键合结构，其特征在于，所述第一层金属为金属1/金属2所组成的复合金属层，其中金属1由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成，金属2包含ausn合金/agsn合金的一种，且将沟槽内部填充；第二层金属为tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

6.根据权利要求1所述的圆片级气密键合结构，其特征在于，所述复合膜介质层通过等离子增强化学气相沉积的生长方式形成，所述氮化硅膜厚为50-200nm，氧化硅膜厚为200-800nm。

7.一种如权利要求1-3任一所述圆片级气密键合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一层金属、第二层金属由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一层金属为金属1/金属2所组成的复合金属层，其中金属1由tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成，金属2包含ausn合金/agsn合金的一种，且将沟槽内部填充；第二层金属为tiw/au/cu/ni中的一种或多种金属组成。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，若沟槽内有合金填充，则键合温度为280-320℃，键合时间为5-20min，键合氛围为真空；若沟槽内无合金填充，则键合温度为350-400℃，键合时间为30-90min，键合氛围为真空。

技术总结
本发明公开了一种圆片级气密键合结构及其制造方法，气密键合结构基本单元为倒梯形沟槽，正面布局为梳齿状或蜂窝状阵列，其中倒梯形沟槽宽度为10‑20um，深度为5‑10um；该方法通过采用干法刻蚀技术在硅基衬底上制作特殊布局的槽型键合结构；随后在槽内填充键合层金属，并与另一片硅基衬底上柱状键合结构进行晶圆级键合，从而形成晶圆与晶圆间的气密粘接，并以此为基础实现3层以上晶圆级气密堆叠。本发明避免了芯片集成过程中气密封装失效风险，为三维集成微系统提供多层气密封装解决方案。

技术研发人员：吴焱,史芝纲,焦宗磊,郁元卫,朱健
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14