CN104925740B - 一种利用激光退火改善热键合质量的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用激光退火改善热键合质量的方法，包括：步骤一、提供器件晶圆；步骤二、在所述器件晶圆表面形成低温氧化物层；步骤三、激光照射所述低温氧化物层；步骤四、重复所述步骤三，直到全部低温氧化物层经过所述激光处理。根据本发明的利用激光处理器件晶圆表面低温氧化物层的方法，能有效避免器件热损伤缺陷的产生，处理后氧化物的致密度高，表面粗糙度低，可显著改善热键合质量。

Description

一种利用激光退火改善热键合质量的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，尤其涉及一种利用激光退火改善热键合质量的方法。

背景技术

热键合（Fusion Bonding）技术被普遍应用于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的3D封装制程中，其基本原理是通过Si-O键实现两片晶圆的互连。

图1示出了现有技术MEMS热键合步骤的工艺流程图。在步骤101中，提供器件晶圆，在器件晶圆表面形成低温氧化物层。所述器件晶圆由半导体衬底和器件组成。采用低工艺温度氧化方法（Low process temperature oxide，LTO）制备所述氧化硅层，工艺温度小于200℃。制备氧化硅层的表面粗糙度(Ra)可达0.35nm。在步骤102中，执行化学机械抛光平坦化（CMP）步骤，以满足热键合工艺对表面平整度的严格要求。在步骤103中，执行热键合工艺，以将所述器件晶圆与其它晶圆接合。

热键合工艺往往要求在晶圆表面制备一层二氧化硅，而对于MEMS器件来说，由于MEMS器件中压力敏感器件等对制程温度的特殊要求。二氧化硅的制备常采用低工艺温度氧化方法（Low process temperature oxide，LTO），温度一般小于200℃。然而，采用LTO方法制备的二氧化硅薄膜，存在致密度差、表面粗糙度高、吸水性高、渗气（out gasing）严重等问题。而这些正是影响键合质量，最终导致键合失败的关键原因。因此，上述问题是改善键合和后续背部研磨工艺过程中出现键合空穴及晶圆剥离的主要努力方向。

目前，LTO方法采用PECVD机台，工艺温度低于200℃。通常有两种方法可用于改善热键合质量，一种方法是采用热氧化生长二氧化硅的方法，但部分MEMS器件在工艺过程中无法承受高于200℃的温度条件。因此，该方法很难实现。另一种方法是改善膜层表面粗糙度，可采用多次沉积加化学机械抛光平坦化（CMP）的方法。虽然上述方法可以降低膜层表面粗糙度，但却增加了成本和循环时间，因此不实用。

因此，急需一种新的制造方法，以克服现有技术中的不足。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用激光退火改善热键合质量的方法，包括下列步骤：步骤一、提供器件晶圆；步骤二、在所述器件晶圆表面形成低温氧化物层；步骤三、激光照射所述低温氧化物层；步骤四、重复所述步骤三，直到全部低温氧化物层经过所述激光处理。

优选地，所述激光为高频脉冲激光。

优选地，在执行所述步骤三过程中，特定厚度的所述低温氧化物由固态转变为熔融状态。

优选地，通过改变所述激光的脉冲宽度、脉冲频率和激光强度，实现深度可控，温度可控和熔融范围可控的加热。

优选地，所述激光处理气氛为氧气气氛或者空气气氛。

优选地，在执行所述步骤三之前还包括化学机械抛光平坦化的步骤。

优选地，在执行所述步骤四之后还包括进行热键合工艺的步骤。

综上所示，根据本发明的制造工艺利用激光处理器件晶圆表面低温氧化物层的方法，能有效避免器件热损伤缺陷的产生，处理后氧化物的致密度高，表面粗糙度低，可显著改善热键合质量。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术热键合的工艺流程图；

图2为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的工艺流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的制造工艺。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

[示例性实施例]

下面将结合工艺流程图对本发明进行更详细的描述，其中标示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以进行修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。

首先，执行步骤201，提供器件晶圆，在器件晶圆表面形成低温氧化物层。

所述器件晶圆是由半导体衬底和器件组成，半导体衬底的材料是单晶硅，也可以是绝缘体上的硅或者应力硅等其他衬底。所述器件是由若干个金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）以及电容、电阻等其他器件通过合金互联形成的集成电路，也可以是其他集成电路领域内常见的半导体器件，例如双极器件或者功率器件等。

所述低温氧化物的材料为氧化硅是在较低的温度下沉积而成的低温氧化物（LowTemperature Oxide，LTO）。作为一个实例，所述氧化硅层是通过硅烷（SiH₄）与一氧化二氮（N₂O）在一定的等离子环境下进行反应而成，反应温度通常小于200℃。

接着，执行步骤202，执行化学机械抛光平坦化步骤，以满足热键合工艺对表面平整度的严格要求。

可以使用半导体制造领域中常规的平坦化方法来实现表面的平坦化。该平坦化方法的非限制性实例包括机械平坦化方法和化学机械抛光平坦化方法。化学机械抛光平坦化方法更常用。

接着，执行步骤203，使用激光照射所述低温氧化物层。

将器件晶圆置于氧气气氛或者空气气氛中进行激光照射，优选为氧气气氛。通过改变激光器工艺参数，使晶圆表层一定厚度的氧化硅由固态转变为熔融状态。熔融态氧化硅的厚度可通过调节激光脉冲宽度，脉冲频率和激光强度等实现。利用激光退火机台可在特定深度实现熔融的特性，将其用于改善低温氧化物（LTO）膜层的表面特性，实现了降低表面粗糙度、提高致密度的目的。同时，由于氧化硅在熔融过程中会重排，这也提高了膜层表面可用于键合的Si-O键数量，为实现高质量键合提供了先决条件。

激光退火机台利用高频脉冲激光热效应实现局部快速升降温。通过改变脉冲宽度，脉冲频率和激光强度，实现深度可控，温度可控和熔融范围可控的加热。当激光退火用于MEMS器件时，由于其加热是瞬时的、局部的，非加热范围内的温度不会发生变化，这样也就避免了对MEMS器件的损伤。

接着，执行步骤204，重复步骤203，直到全部低温氧化物层经过激光处理。

在进行步骤203时，由于不能使全部的低温氧化物层熔融，需要重复进行步骤203，直到全部低温氧化物层经过激光处理过程。经过激光退火后，低温氧化物层的表面粗糙度（Ra）降低，可降低到0.15nm，致密度提高。

接着，执行步骤205，进行热键合工艺，以将器件晶圆和其他晶圆互连。

执行热键合工艺，以将所述器件晶圆和其他晶圆互连。作为一个实例，所述热键合过程中，施加的键合压力为1～10N，键合时间为10～60s。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (6)

1.一种利用激光退火改善热键合质量的方法，包括：

步骤一、提供器件晶圆；

步骤二、在所述器件晶圆表面形成低温氧化物层；

步骤三、激光照射所述低温氧化物层；

步骤四、重复所述步骤三，直到全部低温氧化物层经过所述激光处理，以降低所述低温氧化物层的表面粗糙度并提高其致密度；

之后，进行热键合工艺，以将所述器件晶圆和其他晶圆互连。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光为高频脉冲激光。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤三过程中，特定厚度的所述低温氧化物由固态转变为熔融状态。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过改变所述激光的脉冲宽度、脉冲频率和激光强度，实现深度可控，温度可控和熔融范围可控的加热。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光处理气氛为氧气气氛或者空气气氛。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行所述步骤三之前还包括化学机械抛光平坦化的步骤。