键合表面的金属氧化物的清洁方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种键合表面的金属氧化物的清洁方法。


背景技术：

2.随着半导体技术进入后摩尔时代，为满足高集成度和高性能的需求，芯片结构向着三维方向发展。其中，通过键合技术实现“异质混合”是“超摩尔定律”的重要技术之一，混合键合工艺能够将不同工艺节点制程的芯片进行高密度的互连，实现更小尺寸、更高性能和更低功耗的系统级集成。现有的混合键合方式通常有晶圆与晶圆的键合(w2w)、芯片与芯片的键合(c2c)和芯片与晶圆的键合(c2w)，这些键合通常均采用cu
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cu混合键合。而无凸点(bumpless)键合工艺的主要特点是利用混合键合技术实现cu
‑
cu之间的之间键合，这样可以使得连接单元的尺寸大大缩小，且最小尺寸可以小于10μm，从而实现了更高的i/o连接密度，同时，没有了下填料使得其散热性好。
3.晶圆和芯片的键合表面上的cu很容易被氧化，产生的cuo化合物会影响晶圆和芯片之间的电性连接以及键合强度，从而影响了键合良率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种混合键合表面的金属氧化物的清洁方法，可以对常规等离子体活化工艺调整，使得混合键合界面的等离子体活化和cuo的等离子体清洗同步进行，等离子体活化保障了足够的键合强度，等离子体清洗提供了足够的电性连接，从而提高键合良率。
5.为了解决上述问题，本发明提供一种键合表面金属氧化物的清洁方法，包括以下步骤：
6.提供待键合结构，所述待键合结构包括衬底和形成于所述衬底上的混合键合结构，所述混合键合结构包括键合铜垫和含硅氧绝缘层，且所述含硅氧绝缘层暴露出所述键合铜垫，所述键合铜垫的表面上形成有氧化铜薄层；
7.将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化；以及
8.将所述待键合结构移出所述等离子体活化腔室，所述含硅氧绝缘层表面经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
‑
sioh基团，以对所述含硅氧绝缘层表面完成活化。
9.可选的，所述氢气占所述混合气体的比例小于5％。
10.进一步的，将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化包括：
11.将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，氢气经过所述等离子体活化腔室的激发成为氢气的等离子体，氮气经过所述等离子体活化腔室的激发成为氮气的等离子体，通过氢气的等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并通过氮气的等离子体将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化。
12.进一步的，所述混合键合结构为晶圆，所述清洁方法包括以下步骤：
13.提供一待键合晶圆，所述待键合晶圆包括第一衬底和形成于所述第一衬底上的第一混合键合结构，所述第一混合键合结构包括第一键合铜垫和第一含硅氧绝缘层，且所述第一含硅氧绝缘层暴露出所述第一键合铜垫，所述第一键合铜垫的表面上形成有氧化铜薄层；
14.将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第一含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合晶圆的混合键合界面的初步活化；
15.将所述待键合晶圆移出所述等离子体活化腔室，所述第一含硅氧绝缘层表面经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
‑
sioh基团，以对所述第一含硅氧绝缘层表面完成活化。
16.进一步的，将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第一含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合晶圆的混合键合界面的初步活化包括：
17.将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并将等离子体活化腔室内的气体抽出；
18.通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体；以及
19.通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第一含硅氧绝缘层表面的硅氧断键。
20.进一步的，所述第一衬底为晶圆级衬底。
21.进一步的，所述混合键合结构为芯片，所述清洁方法包括以下步骤：
22.提供多个待键合芯片，所述待键合芯片包括第二衬底和形成于所述第二衬底上的第二混合键合结构，所述第二混合键合结构包括第二键合铜垫和包围所述第二键合铜垫的第二含硅氧绝缘层，且所述第二含硅氧绝缘层暴露出所述第二键合铜垫，所述第二键合铜垫的表面形成有氧化铜薄层；
23.将多个所述待键合芯片均匀放置在芯片载盘后置于等离子体活化腔室中，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第二含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合芯片的混合键合界面的初步活化；
24.将多个所述待键合芯片移出所述等离子体活化腔室，所述第二含硅氧绝缘层表面上经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
‑
sioh基团，以对所述第二含硅氧绝缘层表
面完成活化。
25.进一步的，将多个所述待键合芯片均匀放置在芯片载盘后置于等离子体活化腔室中，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第二含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合芯片的混合键合界面的初步活化包括：
26.将多个所述待键合芯片均匀放置在芯片载盘后置于等离子体活化腔室中，并将等离子体活化腔室内的气体抽出；
27.通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体；以及
28.通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第二含硅氧绝缘层表面的硅氧断键。
29.进一步的，所述第二衬底为芯片级衬底。
30.可选的，所述含硅氧绝缘层为二氧化硅绝缘层。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
32.本发明提供一种键合表面金属氧化物的清洁方法，包括以下步骤：提供待键合结构，所述待键合结构包括衬底和形成于所述衬底上的混合键合结构，所述混合键合结构包括键合铜垫和含硅氧绝缘层，且所述含硅氧绝缘层暴露出所述键合铜垫，所述键合铜垫的表面上形成有氧化铜薄层；将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，通入氢气和氮气的混合气体的等离子体，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化；以及将所述待键合结构移出所述等离子体活化腔室，所述含硅氧绝缘层表面经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
‑
sioh基团，以对所述含硅氧绝缘层表面完成活化。本发明通过在等离子体活化腔室中进行还原工艺，使得活化混合键合界面的同时还进行了金属氧化物的还原工艺，没有增加工序，节省了成本；通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，使得键合铜垫表面上的氧化铜薄层得以还原为铜薄层，从而提高了键合铜垫的平整度，降低了键合时气泡的产生，降低了氧化铜薄层对混合键合后的电性连接影响，提高了键合铜垫的键合强度，从而提高了产品的良率；通过将键合结构从等离子体活化腔室中拿出与空气中的水实现含硅氧绝缘层表面活化，从而使得含硅氧绝缘层在混合键合时更容易键合，增加了含硅氧绝缘层的键合强度。
33.另外，通过所述氢气占所述混合气体的比例小于5％，使得本发明没有用纯氢气做还原，而是使用了氮气和氢气的混合气体，防止爆炸，更安全。
附图说明
34.图1为本发明实施例的键合表面在还原性离子轰击过程中的结构示意图；
35.图2为本发明实施例的键合表面在含硅氧绝缘层表面活化过程的结构示意图。
36.附图标记说明：
37.11
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第一含硅氧绝缘层；12
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第一键合铜垫；13
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氧化铜薄层。
具体实施方式
38.以下将对本发明的一种键合表面的金属氧化物的清洁方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
39.为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
40.为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
41.本发明的核心在于提供一种键合表面的金属氧化物的清洁方法，包括以下步骤：
42.提供待键合结构，所述待键合结构包括衬底和形成于所述衬底上的混合键合结构，所述混合键合结构包括键合铜垫和含硅氧绝缘层，且所述含硅氧绝缘层暴露出所述键合铜垫，所述键合铜垫的表面上形成有氧化铜薄层；
43.将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化；以及
44.将所述待键合结构移出所述等离子体活化腔室，所述含硅氧绝缘层表面经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
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sioh基团，以对所述含硅氧绝缘层表面完成活化。
45.实施例一
46.本实施例提供一种晶圆的键合表面的金属氧化物的清洁方法，包括以下步骤：
47.步骤s11：提供一待键合晶圆，所述待键合晶圆包括第一衬底和形成于所述第一衬底上的第一混合键合结构，所述第一混合键合结构包括第一键合铜垫和第一含硅氧绝缘层，且所述第一含硅氧绝缘层暴露出所述第一键合铜垫，所述第一键合铜垫的表面上形成有氧化铜薄层；
48.步骤s12：将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第一含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合晶圆的混合键合界面的初步活化；
49.步骤s13：将所述待键合结构置于等离子体活化腔室的载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，氢气经过所述等离子体活化腔室的激发成为氢气的等离子体，氮气经过所述等离子体活化腔室的激发成为氮气的等离子体，通过氢气的等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并通过氮气的等离子体将所述含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合结构的混合键合界面的初步活化。
50.以下对本实施例的一种晶圆的键合表面的金属氧化物的清洁方法进行详细的描
述。
51.首先执行步骤s11：提供一待键合晶圆，所述待键合晶圆包括第一衬底和形成于所述第一衬底上的第一混合键合结构，所述第一混合键合结构包括第一键合铜垫12和第一含硅氧绝缘层11，且所述第一含硅氧绝缘层11暴露出所述第一键合铜垫12，所述第一键合铜垫12的表面上形成有氧化铜薄层13。
52.所述第一衬底为晶圆级衬底，所述混合键合结构包括第一互连结构层、第一含硅氧绝缘层11和第一键合铜垫12，所述第一互连结构层可以为一层或多层金属层，不同金属层之间可以通过接触插塞、连线层和/或过孔等电连接件实现互连。所述第一互连结构层包括第一介质层和第一金属互连结构，所述第一金属互连结构嵌设在所述第一介质层中，所述第一金属互连结构与第一键合铜垫12电连接，所述第一键合铜垫12嵌设在第一含硅氧绝缘层11的表面，使第一含硅氧绝缘层11暴露出所述第一键合铜垫12。
53.在本实施例中，所述第一含硅氧绝缘层11例如是二氧化硅绝缘层。
54.待键合晶圆的第一键合铜垫12在键合前很容易被氧化，以生成氧化铜薄层，该氧化铜薄层13对混合键合工艺的平整度影响较大，还对混合键合后的电性连接影响较大。
55.为了解决上述问题，接着执行步骤s12，将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层13以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第一含硅氧绝缘层11表面的硅氧断键，以完成所述待键合晶圆的混合键合界面的初步活化。本步骤在等离子体活化腔室中进行，没有增加额外的等离子体反应腔室，以及专门的氧化铜还原工艺，没有增加工序，从而没有增加工艺成本。
56.详细的，首先，将所述待键合晶圆置于等离子体活化腔室的晶圆载台上，并将等离子体活化腔室内的气体抽出。
57.接着，如图1所示，通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体，即氢原子(h)、氢离子(h )、氮原子(n)和氮离子(n )。其中，还原性等离子体包括氢原子(h)和氢离子(h )，且氢气占混合气体的比例小于5％。还原性等离子体与氧化铜中的氧发生反应，以生成水(h2o)并将氧化铜还原为铜。该工艺步骤使得第一键合铜垫12表面上的氧化铜薄层13得以还原为铜薄层，从而提高了第一键合铜垫12的平整度，降低了氧化铜薄层13对混合键合后的电性连接影响，消除了氧化铜薄层13在混合键合工艺中对cu
‑
cu键合时的扩散作用的影响，提高了第一键合铜垫12的键合强度，从而提高了产品的良率。在还原反应的过程中，所述第一含硅氧绝缘层11表面的硅氧键发生断裂，使得含硅氧的化合物失去一个电子，即含硅氧带正电，实现了第一含硅氧绝缘层的硅氧断键，从而有利于实现第一含硅氧绝缘层的活化。
58.在本实施例中，由于h与h2o以及h 与h2o的埃林厄姆线比h2与h2o的埃林厄姆线更低，其还远低于大部分的金属及金属氧化物的埃林厄姆线，h和h 吸收氧合成水的反应吉布斯自由能都极低，即在较低的温度下容易发生反应，容易还原氧化铜。因此，等离子体活化腔室中无需提供高温环境，在常温环境下即可以进行，使得该还原反应无需苛刻的反应环境。
59.如图2所示，接着执行步骤s13，将所述待键合晶圆移出所述等离子体活化腔室，所述第一含硅氧绝缘层11表面上经硅氧断键的硅与空气中的水分子之间结合产生
‑
sioh基
团，以对所述第一含硅氧绝缘层11表面进行初步活化。
60.在本步骤中，将所述待键合晶圆移出所述等离子体活化腔室，所述待键合晶圆接触到外界的空气，第一含硅氧绝缘层表面上经过硅氧断键的硅与空气中的水生产sioh，即硅与水分子之间产生
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sioh基团，以对所述第一含硅氧绝缘层表面完成活化，使得混合键合结构中的第一含硅氧绝缘层更容易键合，增加了第一含硅氧绝缘层11的键合强度。
61.实施例二
62.与实施例一相比，具有以下区别：本实施例提供了一种芯片的键合表面的金属氧化物的清洁方法，以芯片替代实施例一中的晶圆。
63.本实施例的芯片的键合表面的金属氧化物的清洁方法包括以下步骤：
64.步骤s21：提供多个待键合芯片，所述待键合芯片包括第二衬底和形成于所述第二衬底上的第二混合键合结构，所述第二混合键合结构包括第二键合铜垫和包围所述第二键合铜垫的第二含硅氧绝缘层，且所述第二含硅氧绝缘层暴露出所述第二键合铜垫，所述第二键合铜垫的表面形成有氧化铜薄层，其中，所述第二衬底为芯片级衬底；
65.步骤s22：将多个所述待键合芯片均匀放置在芯片载盘后置于等离子体活化腔室中，并通入氢气和氮气的混合气体，所述混合气体经过所述等离子体活化腔室的激发成为等离子体后，通过等离子体轰击还原所述氧化铜薄层以将所述氧化铜还原为铜，并将所述第二含硅氧绝缘层表面的硅氧断键，以完成所述待键合芯片的混合键合界面的初步活化；
66.步骤s23：将多个所述待键合芯片移出所述等离子体活化腔室，所述第二含硅氧绝缘层表面上经硅氧断键的硅与空气中的水分子结合产生
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sioh基团，以对所述第二含硅氧绝缘层表面完成活化。
67.综上所述，本发明提供的一种键合表面的金属氧化物的清洁方法中，无需增加额外的等离子反应腔室，同时还优化了待键合晶圆和待键合芯片的表面，可以达到芯片和晶圆的混合键合要求。
68.此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
69.可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。