CN106558503A - 晶圆键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆键合方法，包括：提供多个晶圆，所述晶圆用于键合的面为键合面，所述键合面包括中央区域和位于中央区域周围的边缘区域；在所述晶圆的键合面上形成氧化层；对所述氧化层进行化学机械抛光；对所述氧化层进行平坦化处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量；在平坦化处理之后，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合。其中，通过所述平坦化处理使键合面边缘区域氧化层的去除量大于键合面中央区域氧化层的去除量，从而实现对键合面边缘区域的单独处理以平坦化键合面边缘区域，进而缩小键合面中央区域和边缘区域氧化层的厚度差，降低晶圆键合后形成的器件的空洞率和缺陷率。

Description

晶圆键合方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆键合方法。
背景技术
晶圆键合是在一定条件下使两片晶圆直接贴合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶圆键合成为一体的技术。晶圆表面的平整度对键合质量有重要影响，表面平坦化技术是提高晶圆表面平整度的重要工艺。
为了提高键合质量，现有技术的晶圆键合方法通过对晶圆表面进行多次化学机械抛光实现晶圆表面的平坦化。
图1至图4是现有技术一种晶圆键合方法的各步骤结构示意图。
请参考图1，提供多个晶圆100(图中仅示出一个晶圆100)，所述晶圆100用于键合的面为键合面110，所述键合面110包括中央区域和位于中央区域周围的边缘区域。
请参考图2，在所述键合面110上形成氧化层120，所述氧化层120用于在晶圆100之间形成电绝缘，防止金属与晶圆100的衬底导通。
请参考图3，通过化学机械抛光机130对晶圆100上的氧化层120进行平坦化。所述平坦化用于增加氧化层120的平整度。
重复三次上述形成氧化层和平坦化的步骤，使晶圆100键合面110(请参考图2)上的氧化层120的平整度进一步增加。
请参考图4，使所述晶圆100的键合面110贴合，进行键合。
然而，现有的晶圆键合技术容易在晶圆之间产生空洞，存在晶圆剥离的风险。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种晶圆键合方法，能够降低键合后所形成的半导体器件内的空洞率。
为解决上述问题，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：提供多个晶圆，所述晶圆用于键合的面为键合面，所述键合面包括中央区域和位于中央区域周围的边缘区域；在所述晶圆的键合面上形成氧化层；对所述氧化层进行化学机械抛光；对所述氧化层进行平坦化处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量；在平坦化处理之后，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合。
可选的，对所述晶圆的氧化层进行平坦化处理的步骤包括：通过平整机对所述晶圆键合面边缘区域的氧化层进行平坦化。
可选的，所述平整机包括圆盘，固定于圆盘中心的转轴和设置于圆盘底部边缘处的金刚石钻头；
对所述晶圆键合面边缘区域的氧化层进行平坦化的步骤包括：转轴转动带动圆盘旋转或平移，使所述金刚石钻头设置于晶圆上方与晶圆键合面边缘区域相对应的位置处；使晶圆转动；在晶圆转动过程中所述金刚石钻头去除晶圆键合面边缘区域部分厚度的氧化层。
可选的，金刚石钻头对晶圆的进给速度为0.1～0.5mm/s；金刚石钻头的转速为3000～5000RPM。
可选的，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之前对所述氧化层进行第一化学机械抛光处理。
可选的，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之后对所述氧化层进行第二化学机械抛光处理。
可选的，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之前对所述氧化层进行第一化学机械抛光处理，且在平坦化处理之后对所述氧化层进行第二化学机械抛光处理。
可选的，所述平坦化处理的步骤中仅去除键合面边缘区域部分厚度的氧化层，对键合面中央区域氧化层的去除量为0。
可选的，所述平坦化处理的步骤包括：对晶圆中央区域和边缘区域的氧化层均进行处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量。
可选的，在对所述晶圆键合面进行平坦化处理的步骤中，使所述晶圆键合面边缘区域的氧化层厚度与晶圆键合面中央区域的氧化层厚度差为0～500埃。
可选的，形成氧化层的步骤包括：通过化学气相沉积形成所述氧化层。
可选的，所述第一化学机械抛光处理的次数为一次或多次。
可选的，所述第二化学机械抛光处理的次数为一次或多次。
可选的，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合的步骤包括：通过中间层键合、阳极键合或晶圆直接键合的工艺进行键合
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的晶圆键合方法中，通过所述平坦化处理使键合面边缘区域氧化层的去除量大于键合面中央区域氧化层的去除量，从而实现对键合面边缘区域的单独处理以平坦化键合面边缘区域，进而缩小键合面中央区域和边缘区域氧化层的厚度差，降低晶圆键合后形成的器件的空洞率和缺陷率。
附图说明
图1至图4是现有技术一种晶圆键合方法各步骤的结构示意图；
图5是现有技术一种晶圆键合方法中，对晶圆表面处理后的氧化层厚度的变化曲线图；
图6至图10是本发明的晶圆键合方法一实施例中的各步骤结构示意图；
图11是本发明的晶圆键合方法一实施例中，对晶圆表面处理后的氧化层厚度的变化曲线图。
具体实施方式
现有技术的晶圆键合方法所形成的晶圆结构存在空洞率大，晶圆容易剥离的缺点。结合图2、图3和图5示出的晶圆表面处理后的氧化层厚度的变化曲线图分析原因。
图5是进行键合之前，晶圆上的某一直径上不同点的氧化层厚度与该点到晶圆圆心距离的关系曲线图。横坐标为点到晶圆圆心的位移，纵坐标为氧化层的厚度。如所述曲线所示现有技术的晶圆在键合之前晶圆边缘区域与中央区域的氧化层存在较大的厚度差。靠近圆心半径为95mm的区域厚度在7000埃左右，而超出半径95mm的晶圆区域中氧化层的厚度超过8000埃，也就是说现有技术中，所述厚度差为1200～1700埃。所述厚度差导致晶圆键合之后，晶圆边缘区域相接触而晶圆中央区域不接触，从而在晶圆中央区域产生空洞，因此存在较大的空洞率。
下面结合图2和图3分析所述厚度差产生的原因。
请参考图2，在所述键合面110上形成氧化层120，受现有的薄膜形成工艺的限制，形成于键合面110边缘区域的氧化层120厚度大于形成于键合面110中央区域的氧化层120厚度。
请参考图3，现有技术通过化学机械抛光机130对氧化层120进行平坦化。所述化学机械抛光机130包括：工作台132，位于工作台132上的研磨头131和抛光液133。在对氧化层120进行平坦化的过程中，抛光液133和氧化层120发生化学反应，研磨头131以一定压力压在工作台132上，化学机械抛光机130通过化学反应和机械研磨平坦化所述氧化层120。也就是说，在对氧化层120进行平坦化的过程中，键合面110(请参考图2)的边缘和中央区域被同时处理，晶圆中央区域氧化层120和边缘区域氧化层120仍然存在厚度差，从而在晶圆键合后出现空洞率高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：提供多个晶圆，所述晶圆用于键合的面为键合面，所述键合面包括中央区域和位于中央区域周围的边缘区域；在所述晶圆的键合面上形成氧化层；对所述氧化层进行化学机械抛光；对所述氧化层进行平坦化处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量；在平坦化处理之后，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合。
本发明的晶圆键合方法中，通过所述平坦化处理使键合面边缘区域氧化层的去除量大于键合面中央区域氧化层的去除量，从而实现对键合面的边缘区域的单独处理以平坦化键合面边缘区域，进而缩小键合面中央区域和边缘区域氧化层的厚度差，降低晶圆键合后形成的器件的空洞率和缺陷率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图6至图10为本发明晶圆键合方法一实施例中各步骤的结构示意图。
请参考图6，提供多个晶圆200(图中仅示出一个晶圆200)，所述晶圆200用于键合的面为键合面210，所述键合面210包括中央区域i和位于中央区域i周围的边缘区域ii。
本发明中，所述晶圆200包括衬底，所述衬底为硅衬底，但是本发明对所述衬底的材料不做限定，所述衬底还可以为锗衬底、硅锗衬底或绝缘体上硅衬底等半导体衬底。所述晶圆200还可以包括晶体管等半导体器件，但是本发明对此不做限定。
请参考图7，在所述晶圆200的键合面210上形成氧化层220。所述氧化层220用于在晶圆200之间形成电绝缘，防止金属与晶圆200的衬底导通。
需要说明的是，由于氧化层220形成工艺的限制，形成于晶圆200键合面210边缘区域ii的氧化层220厚度大于键合面210中央区域i氧化层220的厚度(厚度差为微米量级，图7未示意所述厚度差)。
本实施例中，所述氧化层220的材料为氧化硅，氧化硅具有很好的电绝缘性，且能与晶圆200很好地贴合。但是，本发明对所述氧化层200的材料不做限定。
本实施例中，所述氧化层220的形成方法为化学气相沉积工艺，化学气相沉积工艺形成的氧化层220内的针孔少。但是，本发明对所述氧化层220的形成方法不做限定，所述氧化层220的形成方法还可以为原子层沉积或热氧化法。
请参考图8，对所述氧化层220进行第一化学机械抛光。
本实施例中，对所述氧化层220进行第一化学机械抛光的步骤包括，通过化学机械抛光机230对所述氧化层220进行第一化学机械抛光。所述化学机械抛光机230包括：工作台232；放置于工作台232上的抛光垫234，所述抛光垫234上具有抛光液233，所述抛光液233用于与晶圆200上的氧化层220发生化学反应，生成容易被研磨去除的物质；位于抛光垫上方的研磨头231，所述研磨头231上具有夹持头(图未示)，所述夹持头用于将晶圆200固定于研磨头231上；固定于研磨头231中心处的连杆235；用于提供抛光液233的抛光液输送装置236。
本实施例中，对所述氧化层220进行第一化学机械抛光的步骤包括：通过夹持头将晶圆200固定于研磨头231上，晶圆200上的氧化层220与抛光垫234相对并相互接触，氧化层220和抛光液233发生化学反应，生成容易被研磨去除的物质。
所述化学机械抛光机230通过连杆235对所述研磨头231施加压力，使所述研磨头231以一定压力压在工作台232上方的抛光垫234上；研磨头231带动晶圆200绕自身轴线3转动，所述工作台232绕自身轴线4转动。化学机械抛光机230通过氧化层220与抛光垫234的机械研磨去除所述容易被研磨去除的物质，对氧化层220进行平坦化。化学机械抛光是原子分子量级的去除方式，能够实现晶圆200中央区域i氧化层220大部分面积的高精度、高效率和高表面平整度的平坦化。
具体的，本实施例中，所述工作台的转速为90～110转每分钟(RevolutionsPer Minute，RPM)，晶圆转速为80～100RPM，抛光温度为研磨头压力为4.5～5.5b磅每平方英尺(Pounds per square inch,PSI)。
需要说明的是，在对所述氧化层220进行第一化学机械抛光的步骤中，晶圆200的边缘区域ii(请参考图6)与中央区域i(请参考图6)被同时处理，且由于化学机械抛光机230夹持头形状及晶圆200边缘区域ii压力分布不均匀的限制，导致化学机械抛光机230无法实现对晶圆200边缘区域ii氧化层220去除量的单独控制。
请参考图9，对所述晶圆200上的氧化层220进行平坦化处理，所述平坦化处理对晶圆200边缘区域ii(请参考图6)氧化层220的去除量大于对晶圆200中央区域i(请参考图6)氧化层220的去除量。
本实施例中，在所述第一化学机械抛光之后，进行所述平坦化处理，能够考虑到所述第一化学机械抛光对氧化层220进行处理时，由于化学机械抛光机230(如图9所示)夹持头的形状限制及晶圆200边缘区域ii受到压力不均匀引起的晶圆200边缘区域ii与中央区域i氧化层220厚度差的改变，从而使氧化层220的平整度增加。
本实施例中，所述平坦化处理的步骤包括：通过平整机240对所述晶圆200上的氧化层220进行平坦化。所述平整机240包括圆盘242，固定于圆盘242中心的转轴241和设置于圆盘242底部边缘处的金刚石钻头244，以及用于放置晶圆200的平台243。
本实施例中，所述平坦化处理为机械方法，不存在不定形态的气体和液体，且所述平整机240的金刚石钻头244较小，因此可以很好实现区域控制，使平整机240能够单独处理晶圆200的边缘区域ii，从而可通过控制平整机240在晶圆200边缘区域ii进行平坦化处理时的工作参数，相对增大晶圆200边缘区域ii氧化层220的去除量，进而缩小晶圆200边缘区域ii和中央区域i的氧化层220厚度差，降低晶圆200键合后所形成器件内的空洞率。
对所述晶圆200上的氧化层220进行平坦化处理的步骤包括：将晶圆200放置于平台243上，使所述晶圆200上的氧化层220背向平台243；转轴241转动或平移带动圆盘242旋转或平移，使所述金刚石钻头244设置于晶圆200的上方与晶圆200边缘区域ii相对应的位置处；使平台243绕自身转轴5转动并带动晶圆200转动，在晶圆200转动过程中所述金刚石钻头244去除晶圆200边缘区域ii部分厚度的氧化层220，实现对晶圆200边缘区域ii的平坦化。
本实施例中，所述进行平坦化处理的步骤还包括：在对所述晶圆200进行平坦化处理之前，对晶圆200上的氧化层220厚度进行测量，通过控制所述平台243的转速和旋转的圈数实现对晶圆200边缘区域ii氧化层220去除量的控制，使平整机240对晶圆200边缘区域ii氧化层220的厚度小于晶圆200中央区域i氧化层220的厚度，从而减小晶圆200边缘区域ii和中央区域i氧化层220厚度差。
具体的，本实施例中，为了使平坦化工艺之后所述晶圆200中央区域i与边缘区域ii的氧化层220厚度差为0～500埃；金刚石钻头244对晶圆200的进给速度为0.1～0.5mm/s；金刚石钻头244的转速为3000～5000RPM。
需要说明的是，本实施例中，所述平坦化处理的步骤中仅包括对通过平整机240对晶圆200边缘区域ii进行所述平坦化处理，不对晶圆200中央区域i进行处理。但是本发明对此不做限定，所述平坦化处理还可以包括：利用平整机240对晶圆200边缘区域ii进行平坦化，并且对晶圆200中央区域i氧化层220进行少量去除。
具体地，所述利用平整机240对晶圆200边缘区域ii进行平坦化，并且对晶圆200中央区域i氧化层220进行少量去除的步骤包括：通过设置金刚石钻头244和晶圆200的相对位置关系，转速和旋转圈数，使处理晶圆200边缘区域ii时与处理中央区域i时相比，晶圆200的转速相同，旋转圈数较大，从而使所述平整机240对晶圆200边缘区域ii氧化层220的去除量大于对晶圆200中央区域i氧化层220的去除量。
请参考图10，使晶圆200的键合面210贴合在一起，进行键合。
所述键合的质量直接影响晶圆键合器件内的空洞率。本实施例中，所述键合方法为晶圆直接键合工艺。晶圆直接键合不存在热膨胀系数不匹配的问题，键合面210之间的空洞少。晶圆直接键合的步骤包括依次进行的：晶圆清洗，表面处理，预键合和退火。
具体的，所述晶圆清洗用于去除晶圆200表面的颗粒。所述晶圆清洗的步骤包括：用超纯(DI)水清洗后，放入浓度为7％的氢氟酸溶液中，利用超声波清洗3～5min。再将晶圆200放入硫酸和双氧水的混合溶液中浸泡18～22分钟，并保持温度为120～200摄氏度。可以根据晶圆200表面情况，重复上述操作以彻底去除晶圆200表面的颗粒。
所述表面处理用于实现晶圆200表面活化。所述表面处理的步骤包括：将所述晶圆200在含有氢氧根离子的溶液中进行浸泡处理，使晶圆200键合面210吸附足够的氢氧根离子。
所述预键合的步骤包括：在室温下，将晶圆200的键合面210相互贴合，使晶圆200键合面210依靠短程的分子间作用力吸合在一起，由于这时晶圆200间的作用力很弱，晶圆200键合面210之间存在很多微小的间隙。
所述退火用于消除晶圆200内的微间隙，产生共价键使键合完成。所述退火的步骤包括：将所述贴合好的晶圆200在氧气或氮气环境下进行数小时的高温退火处理，使键合面210发生物理化学反应，键合强度激剧增加。在晶圆200的塑性变形和氧化层220的粘性流动作用下，晶圆200键合面210之间的微小间隙消失或被填充。晶圆200键合强度增加而形成整体，键合完成。
本实施例中，晶圆直接键合工艺简单，且为同质键合，不存在热膨胀系数不匹配引起键合应力的问题。但是，本发明对所述键合的方法不做限定，所述键合方法还可以是阳极键合或中间层键合。
图11示出对晶圆200键合面210进行平坦化之后，键合之前，键合面210上某直径上一点处氧化层220厚度随该点到晶圆200圆心距离的变化曲线。横坐标为点到晶圆200圆心的位移，纵坐标为氧化层220的厚度。如所述变化曲线所示，到晶圆200圆心距离在0～100nm的范围内，氧化层220的厚度在7100～7400埃的范围内。
与现有技术(图5)相比，本发明通过平整机240对晶圆200边缘区域ii的单独处理，有效地减小了晶圆200键合面210边缘区域ii氧化层220的厚度，使键合面210中央区域i与边缘区域ii的氧化层220厚度差缩小，键合面210氧化层220的平整度增加。从而使晶圆200键合后形成的半导体器件内的空洞率减小。并且简化了晶圆键合工艺流程。
需要说明的是，在进行所述平坦化处理之前，进行所述第一平坦化处理的晶圆键合方法仅为一种实施例。本发明对此不作限定，在另一实施例中还可以，在所述平坦化处理之后，对氧化层进行所述第一化学机械抛光处理。
或者，在其他实施例中，所述晶圆键合的方法还可以包括：在所述平坦化处理之前通过化学机械抛光机对氧化层进行第一化学机械抛光；且在所述平坦化处理之后，通过化学机械抛光对氧化层进行第二化学机械抛光。所述第二化学机械抛光用于消除通过平整机对氧化层进行平坦化时产生的表面毛糙，增加氧化层的光洁度。
需要说明的是，本发明对所述第一化学机械抛光处理和第二化学机械抛光处理的次数不作限定，所述第一化学机械抛光处理和第二化学机械抛光处理的次数可以为一次或多次。
还需要说明的是，上述实施例是以平整机为例进行所述平坦化处理的，但是本发明对此不作限制，只要是能够对边缘区域和中央区域实现单独控制，并且能在平坦化过程中对晶圆键合面边缘区域氧化层的去除量大于键合面中央区域氧化层去除量的设备即可。
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 (14)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：
提供多个晶圆，所述晶圆用于键合的面为键合面，所述键合面包括中央区域和位于中央区域周围的边缘区域；
在所述晶圆的键合面上形成氧化层；
对所述氧化层进行化学机械抛光；
对所述氧化层进行平坦化处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量；
在平坦化处理之后，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合。
2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，对所述晶圆的氧化层进行平坦化处理的步骤包括：通过平整机对所述晶圆键合面边缘区域的氧化层进行平坦化。
3.如权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述平整机包括圆盘，固定于圆盘中心的转轴和设置于圆盘底部边缘处的金刚石钻头；
对所述晶圆键合面边缘区域的氧化层进行平坦化的步骤包括：转轴转动带动圆盘旋转或平移，使所述金刚石钻头设置于晶圆上方与晶圆键合面边缘区域相对应的位置处；
使晶圆转动；
在晶圆转动过程中所述金刚石钻头去除晶圆键合面边缘区域部分厚度的氧化层。
4.如权利要求3所述的晶圆键合方法，其特征在于，金刚石钻头对晶圆的进给速度为0.1～0.5mm/s；金刚石钻头的转速为3000～5000RPM。
5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之前对所述氧化层进行第一化学机械抛光处理。
6.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之后对所述氧化层进行第二化学机械抛光处理。
7.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述化学机械抛光的步骤包括：在所述平坦化处理之前对所述氧化层进行第一化学机械抛光处理，且在平坦化处理之后对所述氧化层进行第二化学机械抛光处理。
8.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述平坦化处理的步骤中仅去除键合面边缘区域部分厚度的氧化层，对键合面中央区域氧化层的去除量为0。
9.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述平坦化处理的步骤包括：对晶圆中央区域和边缘区域的氧化层均进行处理，所述平坦化处理对键合面边缘区域氧化层的去除量大于对键合面中央区域氧化层的去除量。
10.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在对所述晶圆键合面进行平坦化处理的步骤中，使所述晶圆键合面边缘区域的氧化层厚度与晶圆键合面中央区域的氧化层厚度差为0～500埃。
11.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，形成氧化层的步骤包括：通过化学气相沉积形成所述氧化层。
12.如权利要求5或7所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一化学机械抛光处理的次数为一次或多次。
13.如权利要求6或7所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第二化学机械抛光处理的次数为一次或多次。
14.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，使晶圆的键合面贴合在一起，进行键合的步骤包括：通过中间层键合、阳极键合或晶圆直接键合的工艺进行键合。
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