CN107946185A - 晶圆键合方法 - Google Patents

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黄仁德
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Abstract

本公开涉及一种晶圆键合方法，包括：对第一晶圆的待键合表面进行活化处理，和/或对第二晶圆的待键合表面进行活化处理；在第一气压的环境中，使所述第一和第二晶圆的待键合表面接触，并施加压力以挤压所述第一和第二晶圆；以及在第二气压的环境中，对所述第一和第二晶圆进行退火处理，其中，所述第二气压大于所述第一气压。本公开的晶圆键合方法，在不对晶圆造成不良影响的情况下提高了晶圆之间的键合强度。

Description

晶圆键合方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种晶圆键合方法。
背景技术
在半导体制造过程中，有时需要将器件晶圆和承载晶圆进行键合。高温键合技术的键合强度高，但存在一些问题，例如，破坏晶圆内部的金属结构、引起晶圆内部的杂质扩散、以及因热膨胀系数不同引起的晶圆变形等。
因此，存在对新技术的需求。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种新的晶圆键合方法，在不对晶圆造成不良影响的情况下，提高晶圆之间的键合强度。
根据本公开的第一方面，提供了一种晶圆键合方法，包括：对第一晶圆的待键合表面进行活化处理，和/或对第二晶圆的待键合表面进行活化处理；在第一气压的环境中，使所述第一和第二晶圆的待键合表面接触，并施加压力以挤压所述第一和第二晶圆；以及在第二气压的环境中，对所述第一和第二晶圆进行退火处理，其中，所述第二气压大于所述第一气压。
在一些实施例中，所述第二气压比所述第一气压大1.5个大气压或更多。
在一些实施例中，所述第一气压为等于或小于0.1个大气压。
在一些实施例中，所述第二气压为等于或大于2个大气压。
在一些实施例中，所述压力的大小为小于100kgf，以及所述压力的施加时间为1～5min。
在一些实施例中，所述第二气压的环境由非氧化性气体形成。
在一些实施例中，所述非氧化性气体包括氢气、氮气、和氦族气体中的一种或多种的混合。
在一些实施例中，所述退火处理的温度为200～300℃以及时间为80～140min。
在一些实施例中，所述第一晶圆包括第一介质层，所述第一晶圆的待键合表面为所述第一介质层的靠近所述第二晶圆的表面；以及所述第二晶圆包括第二介质层，所述第二晶圆的待键合表面为所述第二介质层的靠近所述第一晶圆的表面。
在一些实施例中，所述第一介质层和所述第二介质层的厚度范围为
在一些实施例中，所述第一介质层和所述第二介质层均为氧化硅。
在一些实施例中，所述第一介质层和所述第二介质层中一个为氧化硅另一个为氮化硅。
在一些实施例中，在所述活化处理之前还包括：清洗所述第一晶圆的待键合表面；以及清洗所述第二晶圆的待键合表面。
在一些实施例中，所述活化处理为等离子体活化处理。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1是示出了根据本公开的一个实施例的晶圆键合方法的示意性流程图。
图2A至2C是分别示出了在根据本公开的一个实施例的晶圆键合方法来键合晶圆时，在各个步骤处的晶圆的截面的示意图。
注意，在以下说明的实施方式中，有时在不同的附图之间共同使用同一附图标记来表示相同部分或具有相同功能的部分，而省略其重复说明。在本说明书中，使用相似的标号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了便于理解，在附图等中所示的各结构的位置、尺寸及范围等有时不表示实际的位置、尺寸及范围等。因此，所公开的发明并不限于附图等所公开的位置、尺寸及范围等。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
在本公开中，对“一个实施例”的提及意味着结合该实施例描述的特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”在本公开的各处的出现未必是指同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以任何合适的组合和/或子组合来组合特征、结构或特性。
图1是示出了根据本公开的一个实施例的晶圆键合方法的示意性流程图。如图1所示，在一些实施例中，本公开的晶圆键合方法包括：
步骤S10：对第一晶圆的待键合表面进行活化处理，和/或对第二晶圆的待键合表面进行活化处理。对晶圆的待键合表面进行活化处理，能够提升待键合表面上的键的活性，从而改善键合效果。可以仅对一个晶圆的待键合表面进行活化处理，例如，对第一晶圆的待键合表面或第二晶圆的待键合表面进行活化处理；也可以对两个晶圆的待键合表面均进行活化处理，即，对第一晶圆的待键合表面和第二晶圆的待键合表面进行活化处理。相比于仅对一个晶圆的待键合表面进行活化处理，对两个晶圆的待键合表面均进行活化处理的键合效果较好，但成本也较高。优选地，活化处理为等离子体活化处理。
步骤S20：在第一气压的环境中，使第一和第二晶圆的待键合表面接触，并施加压力以挤压第一和第二晶圆。在一些实施例中，施加的压力的大小为小于100kgf(千克力)，施加的压力的持续时间为1～5min。
步骤S30：在第二气压的环境中，对第一和第二晶圆进行退火处理。在一些实施例中，第二气压的环境由非氧化性气体形成。非氧化性气体包括氢气、氮气、和氦族气体中的一种或多种的混合。在一些实施例中，退火处理的温度为200～300℃，以及时间为80～140min(优选地，为120min)。
在上述步骤中，步骤S30中的第二气压大于步骤S20中的第一气压，即进行退火处理时外部空间的气体压力大于施加压力挤压时外部空间的气体压力，这种压力差的存在使得两个晶圆在退火处理时被进一步地挤压，从而比现有技术增强了键合效果。
此外，现有技术中，为了达到特定的键合效果，施加的挤压第一和第二晶圆的压力通常为500～1000kgf。这种大小的压力容易造成晶圆的损坏。而在本公开的晶圆键合方法中，由于第二气压比第一气压大的这种压力差的存在，使得在挤压第一和第二晶圆时施加的压力可以较小，例如小于100kgf，从而避免了因施加的压力过大而造成的对晶圆的损坏。
其次，现有技术中，为了达到特定的键合效果，退火处理的温度通常为高于400℃。这样的温度会对晶圆造成不良影响，例如破坏晶圆内部的金属结构，引起晶圆内部的杂质的扩散，引起晶圆的形变等。而在本公开的晶圆键合方法中，由于第二气压比第一气压大的这种压力差的存在，使得在退火处理中能够使用较低的温度，例如200～300℃，从而避免了因高温而造成的对晶圆的损坏。
在一些实施例中，进行退火处理时环境的气体压力(即第二气压)比施加压力挤压时环境的气体压力(即第一气压)大1.5个大气压或更多。例如，第一气压为等于或小于0.5个大气压，以及第二气压为等于或大于2个大气压。在完成步骤S20之后，第一晶圆和第二晶圆的状态可参考图2B。可见在第一晶圆10的键合表面与第二晶圆20的键合表面之间会产生空隙30(例如，可能是由键合表面的不平坦引起)。显然，空隙30的存在会影响键合效果。在进行步骤S30时，由于环境具有较高的气压(即第二气压)，使得第一晶圆10和第二晶圆20在环境的气压的作用下进一步贴合，空隙30的体积被压缩，如图2C所示，使得有效的贴合面积增大，从而提高了键合效果。
在一些实施例中，第一气压为等于或小于0.1个大气压。即，施加压力挤压时的环境为真空环境或接近真空的环境。在真空环境或接近真空的环境中施加压力挤压第一晶圆10和第二晶圆20，能够使得空隙30中没有气体或仅存在少量的气体，从而在进行退火处理时，在第二气压的作用下进一步贴合第一晶圆10和第二晶圆20时，空隙30的体积能够被更容易地压缩，有效贴合面积能够更容易地增大，从而进一步提高了键合效果。
此外，在真空环境或接近真空的环境中施加压力挤压第一晶圆10和第二晶圆20，由于在键合表面之间产生的空隙30中没有气体或仅存在少量的气体，使得在进行后续的热处理(例如步骤S30的退火处理)时，空隙30的内部空间中的压力不会变化或仅产生少量的变化，从而可以避免因空隙30内部的气体在热处理时热膨胀而导致空隙30体积增大，以及因此减少了键合缺陷，提高了键合效果。
在一些实施例中，如图2A所示，第一晶圆10包括第一介质层11，第二晶圆20包括第二介质层21。第一晶圆10的待键合表面为第一介质层11的靠近第二晶圆20的表面，第二晶圆20的待键合表面为第二介质层21的靠近第一晶圆10的表面。在如图2A至2C所示的例子中，步骤S10中是对第一介质层11的下表面和/或第二介质层21的上表面进行活化处理，步骤S20中是使得第一介质层11的下表面与第二介质层21的上表面接触再施加压力挤压第一晶圆10和第二晶圆20。介质层具有较好的结合力，因此，介质层的存在能够有效地提升键合效果。
由于氧化硅和氧化硅、以及氧化硅和氮化硅之间的结合力都较好，因此，在一个实施例中，第一介质层11和第二介质层21的材料均为氧化硅。在另一个实施例中，第一介质层11的材料为氧化硅，第二介质层21的材料为氮化硅。在又一个实施例中，第一介质层11的材料为氮化硅，第二介质层21的材料为氧化硅。
在一个实施例中，第一介质层11和第二介质层21的厚度范围均为若介质层的厚度过小，例如小于则难以保证键合效果；若介质层的厚度过大，例如大于则会使得成本较高。
第一介质层11和第二介质层21的形成方式并不限制，例如，可通过沉积处理、外延生长处理、热氧化处理等方式来形成。
在一些实施例中，在步骤S10之前还包括抛光第一晶圆的待键合表面；以及抛光第二晶圆的待键合表面。由于晶圆的表面并不是理想的镜面，使用抛光处理能够提高待键合表面的平整度，有利于提升键合效果，减少键合缺陷。
在一些实施例中，在步骤S10之前还包括清洗第一晶圆的待键合表面；以及清洗第二晶圆的待键合表面。清洗还可以在抛光之后进行。清洗后的待键合表面的外物(例如尘埃颗粒)减少，有利于提升键合效果，减少键合缺陷。
下面结合图2A至2C以图像传感器为例详细说明本公开的一个实施例的晶圆键合方法。在图像传感器的制造过程中，常需要对第一晶圆10(例如可以是器件晶圆)和第二晶圆20(例如可以是载体晶圆)进行键合。
在该实施例中，第一晶圆10包括形成在其下表面上的第一介质层11(例如可以是氧化硅层)，其厚度为第二晶圆20包括形成在其上表面的第二介质层21(例如可以是氮化硅层)，其厚度为介质层具有较好的结合力，因此能有效地提升键合效果。
在键合开始之前，可先对第一晶圆10和第二晶圆20的待键合表面进行抛光和清洗，即对第一介质层11的下表面进行抛光和清洗，以及对第二介质层21的上表面进行抛光和清洗，有利于提升键合效果。
对第一晶圆10的待键合表面和第二晶圆20的待键合表面进行等离子体活化处理，即对第一介质层11的下表面进行等离子体活化处理，以及对第二介质层21的上表面进行等离子体活化处理。等离子体活化处理能够提升待键合表面上的键的活性，从而改善键合效果。将等离子体活化处理后的第一晶圆10的待键合表面和第二晶圆20的待键合表面相对放置，如图2A所示。
在真空环境或接近真空的环境(例如，等于或小于0.1个大气压的环境)中，使第一晶圆10和第二晶圆20的待键合表面接触，并施压力以挤压第一晶圆10和第二晶圆20，例如，对第一晶圆10的上表面施加向下的压力，同时对第二晶圆20的下表面施加向上的压力。压力可以施加在晶圆的中央部分或边缘部分，或者同时对中央部分和边缘部分施加压力。在该步骤中，施加的压力不需要很大，例如，施加的压力的大小可以为小于100kgf，持续时间为1～5min。施加压力挤压后，第一介质层11的下表面和第二介质层21的上表面互相贴合，如图2B所示，但在第一介质层11的下表面和第二介质层21的上表面之间还可能存在一些空隙30。但由于该步骤是在真空环境或接近真空的环境中进行的，因此空隙30中没有气体或仅存在少量的气体。
然后，在由非氧化性气体(例如可以是氢气、氮气、和氦族气体中的一种气体或多种的混合气体)形成的较高气压的环境(例如，等于或大于2个大气压的环境)中，对所述第一和第二晶圆进行退火处理，退火处理的温度为200～300℃，时间为120min。进行退火处理时，第一晶圆10和第二晶圆20在环境的气压的作用下进一步贴合。由于空隙30中没有气体或仅存在少量的气体，当环境的压力作用在第一晶圆10与第二晶圆20上时，使得空隙30的体积被压缩，有效的贴合面积增大。此外，由于空隙30的内部空间中的压力不会变化或仅产生少量的变化，因而可以避免因空隙30内部的气体因热膨胀而导致空隙30体积增大，从而提升了键合效果。
本公开的晶圆键合方法，避免了大的挤压力和高温对晶圆的损坏，同时还提高了键合的效果。
在说明书及权利要求中的词语“A或B”包括“A和B”以及“A或B”，而不是排他地仅包括“A”或者仅包括“B”，除非另有特别说明。
在说明书及权利要求中的词语“前”、“后”、“顶”、“底”、“之上”、“之下”等，如果存在的话，用于描述性的目的而并不一定用于描述不变的相对位置。应当理解，这样使用的词语在适当的情况下是可互换的，使得在此所描述的本公开的实施例，例如，能够在与在此所示出的或另外描述的那些取向不同的其他取向上操作。
如在此所使用的，词语“示例性的”意指“用作示例、实例或说明”，而不是作为将被精确复制的“模型”。在此示例性描述的任意实现方式并不一定要被解释为比其它实现方式优选的或有利的。而且，本公开不受在上述技术领域、背景技术、发明内容或具体实施方式中所给出的任何所表述的或所暗示的理论所限定。
如在此所使用的，词语“基本上”意指包含由设计或制造的缺陷、器件或元件的容差、环境影响和/或其它因素所致的任意微小的变化。词语“基本上”还允许由寄生效应、噪音以及可能存在于实际的实现方式中的其它实际考虑因素所致的与完美的或理想的情形之间的差异。
上述描述可以指示被“连接”或“耦合”在一起的元件或节点或特征。如在此所使用的，除非另外明确说明，“连接”意指一个元件/节点/特征与另一种元件/节点/特征在电学上、机械上、逻辑上或以其它方式直接地连接(或者直接通信)。类似地，除非另外明确说明，“耦合”意指一个元件/节点/特征可以与另一元件/节点/特征以直接的或间接的方式在机械上、电学上、逻辑上或以其它方式连结以允许相互作用，即使这两个特征可能并没有直接连接也是如此。也就是说，“耦合”意图包含元件或其它特征的直接连结和间接连结，包括利用一个或多个中间元件的连接。
另外，仅仅为了参考的目的，还可以在下面描述中使用某种术语，并且因而并非意图限定。例如，除非上下文明确指出，否则涉及结构或元件的词语“第一”、“第二”和其它此类数字词语并没有暗示顺序或次序。
还应理解，“包括/包含”一词在本文中使用时，说明存在所指出的特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、单元和/或组件以及/或者它们的组合。
在本公开中，术语“提供”从广义上用于涵盖获得对象的所有方式，因此“提供某对象”包括但不限于“购买”、“制备/制造”、“布置/设置”、“安装/装配”、和/或“订购”对象等。
本领域技术人员应当意识到，在上述操作之间的边界仅仅是说明性的。多个操作可以结合成单个操作，单个操作可以分布于附加的操作中，并且操作可以在时间上至少部分重叠地执行。而且，另选的实施例可以包括特定操作的多个实例，并且在其他各种实施例中可以改变操作顺序。但是，其它的修改、变化和替换同样是可能的。因此，本说明书和附图应当被看作是说明性的，而非限制性的。
另外，本公开的实施方式还可以包括以下示例：
1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：
对第一晶圆的待键合表面进行活化处理，和/或对第二晶圆的待键合表面进行活化处理；
在第一气压的环境中，使所述第一和第二晶圆的待键合表面接触，并施加压力以挤压所述第一和第二晶圆；以及
在第二气压的环境中，对所述第一和第二晶圆进行退火处理，
其中，所述第二气压大于所述第一气压。
2.根据1所述的方法，其特征在于，所述第二气压比所述第一气压大1.5个大气压或更多。
3.根据1所述的方法，其特征在于，所述第一气压为等于或小于0.1个大气压。
4.根据1所述的方法，其特征在于，所述第二气压为等于或大于2个大气压。
5.根据1所述的方法，其特征在于，所述压力的大小为小于100kgf，以及所述压力的施加时间为1～5min。
6.根据1所述的方法，其特征在于，所述第二气压的环境由非氧化性气体形成。
7.根据6所述的方法，其特征在于，所述非氧化性气体包括氢气、氮气、和氦族气体中的一种或多种的混合。
8.根据1所述的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为200～300℃以及时间为80～140min。
9.根据1所述的方法，其特征在于，
所述第一晶圆包括第一介质层，所述第一晶圆的待键合表面为所述第一介质层的靠近所述第二晶圆的表面；以及
所述第二晶圆包括第二介质层，所述第二晶圆的待键合表面为所述第二介质层的靠近所述第一晶圆的表面。
10.根据9所述的方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层的厚度范围为
11.根据9所述的方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层均为氧化硅。
12.根据9所述的方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层中一个为氧化硅另一个为氮化硅。
13.根据1所述的方法，其特征在于，在所述活化处理之前还包括：
清洗所述第一晶圆的待键合表面；以及
清洗所述第二晶圆的待键合表面。
14.根据1所述的方法，其特征在于，所述活化处理为等离子体活化处理。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。在此公开的各实施例可以任意组合，而不脱离本公开的精神和范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本公开的范围和精神。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：
对第一晶圆的待键合表面进行活化处理，和/或对第二晶圆的待键合表面进行活化处理；
在第一气压的环境中，使所述第一和第二晶圆的待键合表面接触，并施加压力以挤压所述第一和第二晶圆；以及
在第二气压的环境中，对所述第一和第二晶圆进行退火处理，
其中，所述第二气压大于所述第一气压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二气压比所述第一气压大1.5个大气压或更多。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一气压为等于或小于0.1个大气压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二气压为等于或大于2个大气压。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力的大小为小于100kgf，以及所述压力的施加时间为1～5min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二气压的环境由非氧化性气体形成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述非氧化性气体包括氢气、氮气、和氦族气体中的一种或多种的混合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火处理的温度为200～300℃以及时间为80～140min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一晶圆包括第一介质层，所述第一晶圆的待键合表面为所述第一介质层的靠近所述第二晶圆的表面；以及
所述第二晶圆包括第二介质层，所述第二晶圆的待键合表面为所述第二介质层的靠近所述第一晶圆的表面。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一介质层和所述第二介质层的厚度范围为
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