CN105470153B - 晶圆键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆键合方法，包括：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一表面，所述第二晶圆具有第二表面，所述第一表面与第二表面具有若干对应的键合区；固定第一晶圆和第二晶圆，使第一表面和第二表面面对面平行且间隔预定距离；加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，并使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度；将第一晶圆和第二晶圆降温至第二温度；在所述第二温度下移动第一晶圆和第二晶圆直至第一表面和第二表面贴合，第一表面和第二表面上对应的键合区对准；在所述第二温度下，键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区。先过载加热晶圆以排除表面挥发气体，再降低温度进行晶圆键合连接，避免连接表面键合区相互剥离，产品失效。

Description

晶圆键合方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种晶圆键合方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，3D封装技术得到了越来越多的重视。3D封装技术，是指在不改变封装体平面尺寸的前提下，在同一个封装体内于垂直方向叠放并连接两个以上芯片的封装技术，它起源于快闪存储器(NOR/NAND)及SDRAM的叠层封装。3D封装技术的主要特点包括：多功能、高效能；大容量高密度，单位体积上的功能及应用成倍提升以及低成本。

由于3D封装技术需要将两个以上的晶圆垂直叠放并连接，因此需要对两个以上的晶圆进行对准并连接。连接晶圆采用的键合技术，是利用两片表面平坦、互为相同或相异材质的晶圆表面原子间键合力，作初步面对面接合，再经过特殊处理，使此两片晶圆表面原子反应产生共价键合，让两平面彼此间的键合能达到一定强度，在不使用黏结媒介物的情况下仅靠原子键连接为一体。这种特性能使连接界面保持纯净，避免杂质污染，以符合现代微电子材料、光电材料及奈米等级微机电系统器件严格制作要求，常用的键合技术有阳极键合、共晶键合、熔融键合以及金属扩散键合等。目前随着半导体制造技术的发展，键合技术也面临着越来越多的挑战，其中就包括了键合失效以及晶圆破裂的问题。

发明内容

本发明解决的问题是通过先过载加热晶圆且在待连接晶圆表面之间预留间隔距离，以挥发晶圆表面上的残留化学物质及吸附水分并加以排除，再降低至预定温度，贴合并键合连接晶圆的方法，避免了晶圆表面的残留化学物质及吸附水分挥发为气体后，被封闭在连接面中，形成空洞，造成键合区剥离而导致器件失效的现象。

为解决上述问题，本发明提供了一种晶圆键合方法，包括：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一表面，所述第二晶圆具有第二表面，所述第一表面与第二表面具有若干对应的键合区；固定第一晶圆和第二晶圆，使第一表面和第二表面面对面平行且间隔预定距离；加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，并使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度；将第一晶圆和第二晶圆降温至第二温度；在所述第二温度下移动第一晶圆和第二晶圆直至第一表面和第二表面贴合，第一表面和第二表面上对应的键合区对准；在所述第二温度下，键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区，使第一晶圆和第二晶圆相互连接。

可选的，所述第一表面和第二表面间隔的预定距离为50微米～1000微米。

可选的，所述第一表面和第二表面的间隔，适于在后续加热时排除第一表面和第二表面上挥发出的气体。

可选的，所述固定第一晶圆和第二晶圆使第一表面和第二表面面对面平行且间隔预定距离时，还包括对准第一表面和第二表面上对应的键合区。

可选的，所述第一温度为420℃～500℃。

可选的，所述加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度的加热速率为2℃/分钟～60℃/分钟。

可选的，所述使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度的保温时间为15分钟～100分钟。

可选的，所述在第一温度下持续加热的方法，适于使第一表面和第二表面上的残留化学物质及吸附水分挥发为气体。

可选的，所述加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度的过程在真空环境下进行，所述使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度的过程在真空环境下进行。

可选的，所述第二温度为300℃～400℃。

可选的，所述将第一晶圆和第二晶圆降温的过程，降温速率为2℃/分钟～60℃/分钟，降温过程在真空环境下进行。

可选的，所述在第二温度下键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺为金属扩散键合、热压键合或者金属熔融键合。

可选的，所述在第二温度下键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺，还包括对第一晶圆和第二晶圆施加压力。

可选的，所述对第一晶圆和第二晶圆施加压力的压力大小为5千牛～100千牛。

可选的，所述在第二温度下键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺时间为5分钟～180分钟。

可选的，所述键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺过程在真空环境下进行。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提供一种晶圆键合方法的实施例，通过先过载加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，且在第一表面和第二表面之间预留间隔距离，使第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分得以挥发和排除，再降低至第二温度，贴合并键合连接第一表面和第二表面的方法，避免了第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分受热挥发，形成的气体被封闭在第一表面和第二表面之间形成空洞，导致第一键合区和第二键合区受力相互剥离，产品失效。

进一步地，过载加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度可以使第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分得以挥发和排除，且在第一温度下不会造成器件电学性能退化；降低温度至第二温度进行键合工艺，也能够保证第一键合区和第二键合区牢固连接的情况下，不造成器件电学性能退化。

附图说明

图1至图6为本发明一实施例的晶圆键合方法过程示意图；

图7至图11为本发明另一实施例的晶圆键合方法过程示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，在现有技术中，键合技术面临了一系列挑战，其中包括，由于晶圆表面存在未清除的残留化学物质及吸附水分，容易在受热之后封存在连接表面形成空洞，最终造成键合区的失效，甚至导致晶圆破裂的问题。

为了进一步说明，本发明提供了一个晶圆键合方法的实施例。

请参考图1，提供第一晶圆11和第二晶圆12，所述第一晶圆11具有第一表面13，所述第二晶圆12具有第二表面14，所述第一表面13与第二表面14具有若干对应的键合区15；

所述键合区15包括位于第一晶圆11第一表面13上的第一键合区15a和位于第二晶圆12第二表面14上的第二键合区15b。

请参考图2和图3，固定第一晶圆11和第二晶圆12，使第一表面13和第二表面14相贴合，所述第一表面13和第二表面14上对应的键合区15对准，图3为所述相贴合的第一晶圆11和第二晶圆12的俯视图，图2为图3沿切割线AA’方向的剖面结构示意图；

第一晶圆11与第二晶圆12边缘重合且第一晶圆11被第二晶圆12覆盖，因此第一晶圆11在图3中未示出，第一表面13与第二表面14与第二晶圆12边缘重合且第一表面13与第二表面14被第二晶圆12覆盖，因此第一表面13与第二表面14在图3中未示出，键合区15被第二晶圆12覆盖，因此键合区15在图3中以虚线表示。

需要说明的是，在本实施例中，参考图3，仅示意性的画出了键合区15，实际情况会与图3有所不同，实际情况的键合区数目、剖面形状及分布位置必须满足第一晶圆11和第二晶圆12的版图设计要求。

请参考图4，键合连接第一表面13和第二表面14上的对应键合区15，使第一晶圆11和第二晶圆12相互连接。

在本实施例中，所述键合连接第一表面13和第二表面14上对应键合区15的工艺为金属扩散键合。作为一个实施例，所述金属扩散键合的工艺包括：对第一晶圆11和第二晶圆12施加压力P，所述压力垂直于第一晶圆11和第二晶圆12表面，方向沿第一晶圆11的第一表面13相对面指向第一表面13、沿第二晶圆12的第二表面14相对面指向第二表面14，压力的范围为5千牛～100千牛，所述压力适于金属扩散反应以键合第一键合区15a和第二键合区15b；加热第一晶圆11和第二晶圆12至温度T，所述温度T的范围为300℃～400℃；保持所述温度及压力，保持时间为5分钟～180分钟。

对上述实施例进行研究发现，键合后的第一晶圆11和第二晶圆12在第一表面13和第二表面14的连接面上会出现空洞16，请参考图5和图6，图6为所述第一晶圆11和第二晶圆12间出现空洞16的俯视图，图5为图6沿切割线BB’方向的剖面结构示意图。所述空洞的数量至少为1个且在第一表面13和第二表面14的连接面上随机排布。在本实施例中，以出现1个空洞且空洞位置位于第一晶圆11中心的情况，做示范性说明。所述空洞16造成了第一键合区15a和第二键合区15b部分剥离，使得产品失效，甚至会造成第一晶圆11以及第二晶圆12断裂。对上述实施例的进一步研究发现，产生所述空洞16的原因是，在键合过程中，第一表面13和第二表面14在高温下释放出了挥发气体，所述挥发气体来自前层工艺步骤残留在晶圆表面的化学物质，以及晶圆表面吸附大气中的水分，而所述键合过程是在第一表面13和第二表面14贴合之后对第一晶圆11和第二晶圆12加热以及加压力，这就造成了挥发出的气体无法顺利排出，被强行留在了贴合的第一表面13和第二表面14之间，形成了空洞16。空洞16附近或被空洞16覆盖的第一键合区15a与第二键合区15b在外部压力的作用下能够暂时键合连接，当第一表面13和第二表面14键合完成后，随着温度的降低和外部压力的消失，被留在第一表面13和第二表面14之间的空洞16会向外膨胀，所述膨胀现象同时作用于第一晶圆11和第二晶圆22产生膨胀力，当所述膨胀力超过了第一键合区15a与第二键合区15b的键合力时，空洞16附近或被空洞16覆盖的已键合连接的第一键合区15a与第二键合区15b就会部分剥离完或者全剥离，造成了产品失效。进一步地，在键合连接的第一晶圆11与第二晶圆12之间封存有空洞16，会导致第一晶圆11与第二晶圆12受力不均，容易在后续的工艺步骤中发生断裂，使晶圆报废。

为解决上述问题，本发明提供了一种晶圆键合方法实施例，通过先过载加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，且在第一表面和第二表面之间预留间隔距离，使第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分得以挥发和排除，再降低至第二温度，贴合并键合连接第一表面和第二表面的方法，避免了第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分受热挥发，形成的气体被封闭在第一表面和第二表面之间形成空洞，导致第一键合区和第二键合区受力相互剥离，产品失效。

为使本方法的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本方法的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参考图7，提供第一晶圆101和第二晶圆102，所述第一晶圆101具有第一表面103，所述第二晶圆102具有第二表面104，所述第一表面103与第二表面104具有若干对应的键合区105。

所述第一晶圆101和第二晶圆102的衬底类型为硅衬底、锗衬底或者绝缘体上硅衬底。

所述第一晶圆101和第二晶圆102内都形成有MOS晶体管、有源器件或者无源器件等。第一晶圆101和第二晶圆102内对应的MOS晶体管、有源器件或者无源器件等能够通过键合区105电连接，以此构成复合功能的半导体器件。

所述键合区105包括位于第一晶圆101第一表面103上的第一键合区105a和位于第二晶圆102第二表面104上的第二键合区105b。在本实施例中，图7仅示意性地画出了键合区105，在实际的晶圆上所述键合区的剖面形貌、数目及分布位置需要满足芯片的设计及版图要求。

参考图8，固定第一晶圆101和第二晶圆102，使第一表面103和第二表面104面对面平行且间隔预定距离。

所述第一表面103和第二表面104间隔的预定距离为d，d的范围为50微米～1000微米。

所述间隔适于在后续加热时排除第一表面103和第二表面104上挥发出的气体。第一晶圆101和第二晶圆102在进行键合前都经过了若干步骤的工艺处理，这些工艺会在第一表面103和第二表面104上残留化学物质，同时第一晶圆101和第二晶圆102暴露在无尘室的大气环境下会使第一表面103和第二表面104吸附大气中的水分。所述残留化学物质和吸附水分在后续的加热过程中会挥发为气体，应予以排除。

需要说明的是，在本实施例中，在固定第一晶圆101和第二晶圆102使第一表面103和第二表面104面对面平行且间隔预定距离d的同时，还可以对准第一表面103和第二表面104上对应的第一键合区105a及第二键合区105b，所述对准过程作为后续贴合第一表面103和第二表面104的预对准步骤，能够简化后续工艺，提高对准精确度。

在本实施例中，采用50微米～1000微米作为第一表面103和第二表面104的间隔距离，在该间隔距离下，后续加热过程中第一表面103和第二表面104挥发出的气体能够有效且顺利的排出。如果距离太小，挥发气体仍会团聚在第一表面103及第二表面104上，无法顺利排出；如果距离太大，会提高后续工艺的复杂程度，因为后续移动第一晶圆101和第二晶圆102使第一表面103与第二表面104贴合这一过程是晶圆的机械位移，位移距离越大，对晶圆对准的精确度带来的干扰也越大，会需要额外的矫正步骤，来使得第一键合区105a和第二键合区105b在长距离的位移中始终保持对准状态。

参考图9，加热第一晶圆101和第二晶圆102至第一温度，并使第一晶圆101和第二晶圆102保持第一温度。

所述第一温度为T1，T1的范围为420℃～500℃，在本实施例中，从室温加热至第一温度的加热速率为2℃/分钟～60℃/分钟，使第一晶圆101和第二晶圆102保持第一温度的时间为15分钟～100分钟。

在本实施例中，采用了2℃/分钟～60℃/分钟的加热速率加热第一晶圆101和第二晶圆102。加热速率太慢会延长工艺时间，增加生产成本；加热速率太快会使晶圆受热不均匀，从而使得晶圆不同位置受热膨胀变形不均匀，可能造成晶圆整体扭曲、变形甚至断裂。本实施例中采用2℃/分钟～60℃/分钟的加热速率，可以有效节省成本，同时避免晶圆破损。

采用420℃～500℃作为第一温度，是因为在所述温度下能够使第一表面103和第二表面104的残留化学物质及吸附水分完全挥发，在后续的键合连接后观察不到空洞的存在。温度太低则某些挥发温度高的残留化学物质无法挥发，温度太高则会使晶圆上的MOS晶体管及其他器件电学性能退化。

在本实施例中，使第一晶圆101和第二晶圆102保持第一温度15分钟～100分钟的目的也是为了完全挥发第一表面103及第二表面104的残留化学物质和吸附水分，时间太短无法完全挥发残留化学物质及吸附水分，时间太长会造成晶圆上的MOS晶体管及其他器件电学性能退化。

所述加热第一晶圆101和第二晶圆102至第一温度的过程，以及使第一晶圆101和第二晶圆102保持第一温度的过程都在真空环境下进行。所述真空环境杜绝了第一表面103和第二表面104与环境气体发生化学反应的可能性，同时有利于第一表面103和第二表面104的残留化学物质及吸附水分的挥发和排除，不留残余气体。

参考图10，将第一晶圆101和第二晶圆102降温至第二温度；在所述第二温度下移动第一晶圆101和第二晶圆102直至第一表面103和第二表面104贴合，第一表面103和第二表面104上对应的键合区105对准。

需要说明的是，在本实施例中，第一键合区105a表面与第一表面103齐平，第二键合区105b表面与第二表面104齐平，第一表面103和第二表面104能够平整贴合，不留缝隙。

所述第二温度为T2，T2的范围为300℃～400℃。

从第一温度降温至第一温度的降温速率为2℃/分钟～60℃/分钟，降温速率太慢会延长工艺时间，增加生产成本；降温速率太快会使晶圆温度分布不均匀，从而使得晶圆不同位置受热膨胀变形不均匀，可能造成晶圆整体扭曲、变形甚至断裂。

第一表面103和第二表面104上对应的键合区105对准是为后续的键合连接做准备。

在本实施例中，第一表面103和第二表面104贴合后，不会再有气体挥发出来，在后续键合工艺中连接的第一键合区105a和第二键合区105b不易相互剥离，产品失效几率大大降低。

参考图11，在所述第二温度下，键合连接第一表面103和第二表面104上的对应键合区105，使第一晶圆101和第二晶圆102相互连接。

所述在第二温度下键合连接第一表面103和第二表面104上对应键合区105的工艺为金属扩散键合、热压键合或者金属熔融键合。在本实施例中，以金属扩散键合工艺做示范性说明。

所述金属扩散键合的工艺，除了维持第二温度以外，还包括对第一晶圆101和第二晶圆102施加压力，所述压力为P1，P1的大小为5千牛～100千牛，压力方向沿第一晶圆101第一表面103相对面指向第一表面103，沿第二晶圆102第二表面104相对面指向第二表面104。

所述在第二温度下键合连接第一表面103和第二表面104上对应键合区105的工艺时间为5分钟～180分钟。

在所述第二温度300℃～400℃下键合连接第一表面103和第二表面104上的对应键合区105，温度太高会使晶圆上的MOS晶体管及其他器件的电学性能迅速退化，温度太低则会减小键合的工艺窗口，容易产生键合失败，同时也延长了工艺时间，增加了生产成本。

在所述压力5千牛～100千牛下键合连接第一表面103和第二表面104上的对应键合区105，压力太高可能会使第一晶圆101和第二晶圆102上的器件受损，晶圆也有可能发生破裂，压力太低也会减小键合的工艺窗口，容易产生键合失败，同时也延长了工艺时间，增加了生产成本。

所述金属扩散键合的过程是在真空环境下进行，真空环境是为了防止第一表面103和第一表面104与环境气体发生化学反应，同时避免在贴合的第一表面103和第一表面104之间封存环境气体，形成空洞，造成第一键合区105a和第二键合区105b相互剥离，使产品失效。

在本实施例中，由于第一表面103和第二表面104的化学残留物质及吸附水分已经挥发并得以排除，因此在键合过程中不会在第一表面103和第二表面104之间产生空洞。当键合完成后，第一键合区105a和第二键合区105b就会牢固连接，不会产生剥离现象，从而降低了产品失效几率。

综上，本发明实施例提供的晶圆键合方法，通过先过载加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，且在第一表面和第二表面之间预留间隔距离，使第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分得以挥发和排除，再降低至第二温度，贴合并键合连接第一表面和第二表面的方法，避免了第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分受热挥发，形成的气体被封闭在第一表面和第二表面之间形成空洞，导致第一键合区和第二键合区受力相互剥离，产品失效。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (16)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：

提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆具有第一表面，所述第二晶圆具有第二表面，所述第一表面与第二表面具有若干对应的键合区；

固定第一晶圆和第二晶圆，使第一表面和第二表面面对面平行且间隔预定距离；

加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度，并使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度；

将第一晶圆和第二晶圆降温至第二温度；

在所述第二温度下移动第一晶圆和第二晶圆直至第一表面和第二表面贴合，第一表面和第二表面上对应的键合区对准；

在所述第二温度下，键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区，使第一晶圆和第二晶圆相互连接。

2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一表面和第二表面间隔的预定距离为50微米～1000微米。

3.如权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一表面和第二表面的间隔，适于在后续加热时排除第一表面和第二表面上挥发出的气体。

4.如权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述固定第一晶圆和第二晶圆使第一表面和第二表面面对面平行且间隔预定距离时，还包括对准第一表面和第二表面上对应的键合区。

5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一温度为420℃～500℃。

6.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度的加热速率为2℃/分钟～60℃/分钟。

7.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度的保温时间为15分钟～100分钟。

8.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一晶圆和第二晶圆保持第一温度，适于使第一表面和第二表面上的残留化学物质及吸附水分挥发为气体。

9.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述加热第一晶圆和第二晶圆至第一温度的过程在真空环境下进行，所述使第一晶圆和第二晶圆保持第一温度的过程在真空环境下进行。

10.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第二温度为300℃～400℃。

11.如权利要求10所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述将第一晶圆和第二晶圆降温的过程，降温速率为2℃/分钟～60℃/分钟，降温过程在真空环境下进行。

12.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述在所述第二温度下，键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区的工艺为金属扩散键合、热压键合或者金属熔融键合。

13.如权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述在第二温度下键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺，还包括对第一晶圆和第二晶圆施加压力。

14.如权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述对第一晶圆和第二晶圆施加压力的大小为5千牛～100千牛。

15.如权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述在第二温度下键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺时间为5分钟～180分钟。

16.如权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述键合连接第一表面和第二表面上对应键合区的工艺过程在真空环境下进行。