一种晶圆键合方法及制造的键合晶圆、芯片和半导体器件与流程

本申请涉及半导体，具体涉及一种晶圆键合方法及制造的键合晶圆、芯片和半导体器件。

背景技术：

1、随着半导体工艺发展逐步达到物理极限，使用先进封装工艺提高芯片封装密度将成为芯片技术发展的方向，混合键合技术作为实现高密度3d-ic技术的重要技术，常用的工艺为铜铜混合键合工艺。铜铜键合工艺需要对铜、介质混合键合层进行化学机械抛光处理，以使其表面质量达到键合工艺要求。目前成熟的键合工艺要求键合界面上的铜焊盘低于介质层几个纳米，介质层粗糙度需要达到很高的标准，混合键合界面表面质量抛光后达到键合工艺要求是需要解决的难点。铜铜键合界面容易出现键合缺陷，在亚微米级互联中影响电学性能，在铜界面上增加改性层可以有效解决这一问题，但是当互联焊点达到亚微米级时，电流作用引起的互联焊点失效将成为晶圆键合时必须解决的难题。

技术实现思路

1、本申请针对相关技术的缺点，提出一种晶圆键合方法及制造的键合晶圆、芯片和半导体器件，用以解决相关技术中晶圆键合结构的键合界面存在键合缺陷的问题，可以降低晶圆表面键合处理质量难度，提高混合键合互连性能。

2、本申请提供一种晶圆键合方法，包括以下步骤：

3、提供第一晶圆，所述第一晶圆上具有第一介质层，所述第一介质层具有第一凹槽；

4、提供第二晶圆，所述第二晶圆上具有第二介质层，所述第二介质层具有第二凹槽；

5、在所述第一凹槽内形成第一导电层和第一界面改性层，在所述第二凹槽内形成第二导电层和第二界面改性层；

6、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，使所述第一凹槽和所述第二凹槽之间相对应，所述第一介质层和所述第二介质层之间相对固定，所述第一界面改性层和所述第二界面改性层之间通过在预设条件下发生冶金反应使所述第一晶圆和所述第二晶圆之间相互固定。

7、根据上述实施例可知，本实施例中通过分别在第一晶圆上形成第一凹槽，第二晶圆上形成第二凹槽，然后在两个相对设置的凹槽内分别形成可进行冶金反应的第一界面改性层和第二界面改性层，第一界面改性层和第二界面改性层之间在预设条件下发生冶金反应之后生成冶金界面改性层。可实现对第一晶圆和第二晶圆之间的有效固定，提高键合力学性能和电学性能，改善相关技术中在晶圆键合之后容易出现缺陷导致键合强度降低、电学性能较差的问题。同时本实施例中的第一界面改性层和第二界面改性层之间进行冶金反应之后结合为一体，因此本实施例对第一界面改性层和第二界面改性层表面的形貌无要求，降低了混合键合工艺对金属表面形貌的工艺要求，简化工艺制程，节约工艺成本。另外，本实施例中的第一界面改性层和第二界面改性层分别设于第一凹槽和第二凹槽内，因此两者之间的冶金反应不影响第一介质层和第二介质层之间相贴附以进行初步键合。

8、在一个实施例中，所述在所述第一凹槽内形成第一导电层和第一界面改性层包括：依次在所述第一凹槽内形成所述第一导电层和第一界面改性层，所述第一界面改性层的键合面与所述第一晶圆之间的距离小于所述第一介质层的键合面与所述第一晶圆之间的距离。

9、在一个实施例中，在所述第二凹槽内形成第二导电层和第二界面改性层包括：依次在所述第二凹槽内形成所述第二导电层和第二界面改性层，所述第二界面改性层的键合面与所述第二晶圆之间的距离小于所述第二介质层的键合面与所述第二晶圆之间的距离。

10、在一个实施例中，在预设条件下，

11、所述第一界面改性层与所述第一导电层之间冶金连接；

12、和/或，所述第二界面改性层与所述第二导电层之间冶金连接。

13、在一个实施例中，所述第一介质层具有多个第一凹槽，相邻的第一凹槽之间的中心间距小于或等于10μm；所述第二介质层具有多个第二凹槽，相邻的第二凹槽之间的中心间距小于或等于10μm。

14、在一个实施例中，所述预设条件包括：在预设时间和预设温度下，对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行退火处理。

15、在一个实施例中，所述对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合之前还包括：分别对所述第一介质层远离所述第一晶圆的一侧、所述第二介质层远离所述第二晶圆的一侧进行预处理，以使所述第一介质层和所述第二介质层之间进行预键合。

16、在一个实施例中，所述预处理包括将第一介质层远离所述第一晶圆的一侧以及所述第二介质层远离所述第二晶圆的一侧处理为亲水性表面。

17、在一个实施例中，所述第一界面改性层的材质、所述第二界面改性层的材质均为金属中的一种或几种。

18、本申请还提供另一种晶圆键合方法，包括：

19、提供第一晶圆，所述第一晶圆上具有第一介质层，所述第一介质层具有第一凹槽

20、提供第二晶圆，所述第二晶圆上具有第二介质层，所述第二介质层具有第二凹槽

21、在所述第一凹槽内形成第一导电层和第三界面改性层，在所述第二凹槽内形成第二导电层和第三界面改性层，所述第三界面改性层与所述第一导电层、第二导电层之间均发生冶金反应；

22、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，使所述第一凹槽和所述第二凹槽之间相对应，所述第一介质层和所述第二介质层之间相对固定，所述第三界面改性层、所述第一导电层和所述第二导电层之间通过在预设条件下发生冶金反应使所述第一晶圆和所述第二晶圆之间相互固定。

23、根据上述实施例可知，本实施例中的第三界面改性层分别可与第一导电层、第二导电层之间进行冶金反应，则可实现仅通过一种类型的界面改性层即可实现对第一晶圆和第二晶圆的有效固定，键合力学性能和电学性能。节约材料成本，简化工艺。

24、本申请还提供一种键合晶圆，包括：

25、相对设置的第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆和所述第二晶圆之间相互固定；

26、所述第一晶圆上具有第一介质层，所述第一介质层具有第一凹槽；所述第一凹槽内设有第一导电层；

27、所述第二晶圆上具有第二介质层，所述第二介质层具有第二凹槽；所述第二凹槽内设有第二导电层；

28、所述第一凹槽和所述第二凹槽之间相对应并围合形成容纳空间，所述容纳空间内填充有互连结构，所述互连结构通过界面改性层之间进行冶金反应或者界面改性层与第一导电层、第二导电层进行冶金反应得到。

29、本申请还提供一种芯片，所述芯片通过对前述键合晶圆进行加工后得到。

30、本申请还提供一种半导体器件，所述半导体器件通过对前述键合晶圆加工后得到。

31、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述在所述第一凹槽内形成第一导电层和第一界面改性层包括：

3.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在所述第二凹槽内形成第二导电层和第二界面改性层包括：

4.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在预设条件下，

5.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述预设条件包括：在预设时间和预设温度下，对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行退火处理。

7.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合之前还包括：

8.根据权利要求7所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述预处理包括将第一介质层远离所述第一晶圆的一侧以及所述第二介质层远离所述第二晶圆的一侧处理为亲水性表面。

9.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一界面改性层的材质、所述第二界面改性层的材质均为金属中的一种或几种。

10.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：

11.一种键合晶圆，其特征在于，包括：

12.一种芯片，其特征在于，所述芯片通过对权利要求11所述的键合晶圆进行加工后得到。

13.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件通过对权利要求11所述的键合晶圆加工后得到。

技术总结
本申请提供一种晶圆键合方法及制造的键合晶圆、芯片和半导体器件，该晶圆键合方法包括：提供第一晶圆，第一晶圆上具有第一介质层，第一介质层具有第一凹槽；提供第二晶圆，第二晶圆上具有第二介质层，第二介质层具有第二凹槽；在第一凹槽内形成第一导电层和第一界面改性层，在第二凹槽内形成第二导电层和第二界面改性层；对第一晶圆和第二晶圆进行键合，使第一凹槽和第二凹槽之间相对应，第一介质层和第二介质层之间相对固定，第一界面改性层和第二界面改性层之间通过在预设条件下发生冶金反应使第一晶圆和第二晶圆之间相互固定。可实现，提高晶圆间键合力学性能和电学性能，同时降低键合工艺要求。

技术研发人员：徐鸿博,张帅,毛海荣,蔡志翔,戴雨洋,曾令仿,陈光
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15