CN108054087B - 晶圆键合中的退火装置及退火方法 - Google Patents

晶圆键合中的退火装置及退火方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆键合中的退火装置及退火方法。所述晶圆键合中的退火装置，包括加热盘；所述加热盘包括同轴设置的多个区域；多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，用以实现对晶圆键合界面从中心到边缘的逐步加热。本发明减少了晶圆键合界面中空洞的产生，提高了晶圆的键合强度。

Description

晶圆键合中的退火装置及退火方法
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中的退火装置及退火方法。
背景技术
经过半个世纪的高速发展，微电子技术和依托于微电子技术的信息技术已经对人类社会的发展产生了革命性的影响。然而，当今必须面对的问题是：传统晶体管的物理极限不断逼近，更小尺寸的制造技术越来越困难，集成电路的功耗不断增大，晶圆厂的投资迅速攀升等。在这种情况下，如何继续保持微电子技术以摩尔定律所描述的速度持续发展，已经成为今天整个行业都在努力解决的问题。
三维集成电路的出现，为半导体和微电子技术的持续发展提供了一个新的技术解决方案。所谓三维集成电路，广义上是将具有集成电路的晶圆经过键合工艺形成键合晶圆，通过穿透晶圆的三维结构互连实现多层之间的信号连接。三维集成电路能够实现更小的芯片面积、更短的芯片间互连、更高的数据传输带宽以及不同工艺技术的异质集成，从而大幅度降低芯片功耗，减小延时，提高性能，扩展功能，并为实现复杂功能的片上系统(SOC)提供可能。
在半导体制造过程中，晶圆间的键合非常关键。目前，低温晶圆键合技术已广泛应用于先进半导体领域。所谓晶圆键合，是指将两片平整的晶圆面对面贴合起来，并施加以一定的压力、温度、电压等外部条件，在原有的两片晶圆间的界面产生原子或分子间的结合力，如共价键、金属键、分子键等。然而，在晶圆键合过程中，如何减少键合界面空洞的产生是一个长期研究的问题。
在刚完成晶圆键合后，键合界面由单层水分子之间的共价键连接在一起，为了加强键合强度，需要后面的退火工艺形成硅氧烷和硅硅原子的结合形成更牢固的键合界面。在退火过程中水汽会沿键合界面逸出，如水汽被困在界面内，在该区域形成空洞。当前退火工艺在炉管机台内完成，退火过程中晶圆加热方式为从外至内，存在水汽被困在键合界面产生空洞的问题，严重影响晶圆之间的键合强度。
发明内容
本发明提供一种晶圆键合中的退火方法及退火装置，用以解决现有技术中晶圆键合后在退火过程中易产生空洞的问题，以提高晶圆间的键合强度。
为了解决上述问题，本发明提供了一种晶圆键合中的退火装置，包括加热盘；所述加热盘包括同轴设置的多个区域；多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，用以实现对晶圆键合界面从中心到边缘的逐步加热。
优选的，多个区域包括一个圆形区域以及多个环形区域；所述圆形区域位于所述盘的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域同心设置且围绕所述圆形区域的外周分布。
优选的，还包括控制器，每一区域包括加热器和处理器；所述加热器，用于对所述区域进行加热；所述处理器，连接所述加热器，用于检测并控制所述区域的温度；所述控制器，连接所述加热器、所述处理器，用于根据当前加热区域的温度确定与其相邻区域的加热开始时间。
优选的，所述加热器为灯管。
优选的，所述处理器通过热电偶采用积分微分比例调节的方式检测并控制所述区域的温度。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种晶圆键合中的退火方法，包括如下步骤：
提供一加热盘，所述加热盘包括同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布；
多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步开始加热；
控制所有区域均加热到一预设温度后保持一预定时间。
优选的，多个区域包括一个圆形区域以及多个环形区域；所述圆形区域位于所述加热盘的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域同心设置且围绕所述圆形区域的外周分布。
优选的，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的具体步骤包括：
所述圆形区域对所述晶圆键合界面进行加热；
检测所述圆形区域加热的时间是否到达第一预设时间，若是，则与所述圆形区域相邻的环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热；
检测当前环形区域加热的时间是否到达第二预设时间，若是，则与当前环形区域相邻的下一环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热。
优选的，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的过程中，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃。
优选的，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃的具体步骤包括：
根据积分微分比例调节控制每一区域的温度，并绘制每一区域的升温曲线；
根据所述升温曲线计算保持相邻区域之间的温度差不超过10℃时，相邻区域开始加热的时间间隔。
本发明提供的晶圆键合中的退火装置及退火方法，将加热盘划分为同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，在对键合晶圆界面进行退火处理的过程中，多个区域按照从内到外的方式逐步对键合晶圆界面进行加热，使得晶圆键合界面中产生的水汽从中心向边缘移动，并最终从键合界面逸出，减少了晶圆键合界面中空洞的产生，提高了晶圆的键合强度。
附图说明
附图1是本发明第一具体实施方式中晶圆键合中的退火装置的结构示意图；
附图2是本发明第一具体实施方式中晶圆键合中的退火装置的控制电路结构示意图；
附图3是本发明第一具体实施方式中一区域的升温曲线；
附图4是本发明第二具体实施方式中晶圆键合中的退火方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的晶圆键合中的退火装置及退火方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
本具体实施方式提供了一种晶圆键合中的退火装置，附图1是本发明第一具体实施方式中晶圆键合中的退火装置的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的晶圆键合中的退火装置，包括加热盘10；所述加热盘10包括同轴设置的多个区域；多个区域相互独立加热且沿所述加热盘10的中心向边缘分布，用以实现对晶圆键合界面从中心到边缘的逐步加热。具体来说，所述加热盘10被划分为多个独立加热的区域，在对键合晶圆进行退火处理的过程中，多个区域按照从加热盘10的中心到边缘的方式逐步开始加热，则晶圆键合界面的中心部分在所述加热盘10的作用下首先进行退火处理并产生水汽；随着加热区域按照从内到外的顺序不断扩展，晶圆键合界面的退火处理区域也从中心向边缘蔓延，因此，晶圆键合界面在退火处理过程中产生的水汽按照从晶圆键合界面的中心到边缘的方向移动，并最终从晶圆键合界面逸出。本具体实施方式中，通过温度的逐步升高来推动水汽的逐步移动，避免了在退火过程中水汽不能逸出晶圆键合界面而产生的空洞，提高了晶圆的键合强度。
为了与键合晶圆的形状相匹配，以进一步提高退火效果，优选的，多个区域包括一个圆形区域11以及多个环形区域；所述圆形区域11位于所述加热盘10的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域11同心设置且围绕所述圆形区域11的外周分布。具体来说，如图1所示，第一环形区域12围绕所述圆形区域11的外周设置，第二环形区域13围绕所述第一环形区域12的外周设置，第三环形区域14围绕所述第二环形区域13的外周设置，以此类推，本领域技术人员可以根据实际需要设置多个环形区域。在对晶圆键合界面进行退火处理的过程中，所述圆形区域11首先开始加热；所述圆形区域11加热一段时间后，所述第一环形区域12才开始加热，同时所述圆形区域11保持继续加热状态；所述第一环形区域12加热一段时间会后，所述第二环形区域13才开始加热，同时所述圆形区域11、所述第一环形区域12保持继续加热状态，以此类推，直至所述加热盘10上的所有区域都进行加热。为了避免在两个相邻的区域之间出现较为明显的温度过渡区，以进一步减少空洞的产生，更优选的，所述圆形区域11的半径和与其相邻的环形区域的内径相等；位于外侧的环形区域的内径和与其相邻的位于内侧的环形区域的外径相等。例如，所述第一环形区域12的内径与所述圆形区域11的半径相等，所述第一环形区域12的外径与所述第二环形区域13的内径相等，所述第二环形区域13的外径和与所述第三环形区域14的内径相等，以此类推。
附图2是本发明第一具体实施方式中晶圆键合中的退火装置的控制电路结构示意图。优选的，如图2所示，本具体实施方式提供的晶圆键合中的退火装置还包括控制器21，每一区域包括加热器22和处理器23；所述加热器22，用于对所述区域进行加热。为了降低成本同时确保退火效果，优选的，所述加热器为灯管。所述处理器23，连接所述加热器22，用于检测并控制所述区域的温度；所述控制器21，连接所述加热器22、所述处理器23，用于根据当前加热区域的温度确定与其相邻区域的加热开始时间。为了避免在退火处理过程中，晶圆发生形变，相邻区域之间的温差不宜过大。本具体实施方式通过设置一控制器21根据当前加热区域的温度来控制与其相邻的下一区域的加热开始时间，避免了由于相邻区域之间温差过大而导致晶圆发生形变的问题。更优选的，为了提高每一区域独立温控的效果，所述处理器通过热电偶采用积分微分比例调节(Proportional-Integral-Derivative，PID)的方式检测并控制所述区域的温度。附图3是本发明第一具体实施方式中一区域的加热时间-温度关系图。具体来说，由于每个区域通过PID独立进行温度控制，因此可以获得每个区域的升温曲线(即加热时间-温度关系曲线)，如图3所示；而根据所述升温曲线，就可以计算出使得相邻区域在加热过程中保持一预设温度差的相邻区域开始加热的时间间隔，即位于所述加热盘10内侧的区域加热多长时间后，与其相邻的外侧区域开始加热。根据晶圆键合的性质，优选的，相邻区域在加热过程中的温度差不超过10℃，以避免晶圆出现形变。
本具体实施方式提供的晶圆键合中的退火装置，将加热盘划分为同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，在对键合晶圆界面进行退火处理的过程中，多个区域按照从内到外的方式逐步对键合晶圆界面进行加热，使得晶圆键合界面中产生的水汽从中心向边缘移动，并最终从键合界面逸出，减少了晶圆键合界面中空洞的产生，提高了晶圆的键合强度。
第二具体实施方式
为了解决上述问题，本发明还提供了一种晶圆键合中的退火方法，附图4是本发明第二具体实施方式中晶圆键合中的退火方法的流程图。如图4所示，本具体实施方式提供的晶圆键合中的退火方法，包括如下步骤：
S41，提供一加热盘，所述加热盘包括同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布；
S42，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步开始加热；
S43，控制所有区域均加热到一预设温度后保持一预定时间。
具体来说，所述加热盘被划分为多个独立加热的区域，在对键合晶圆进行退火处理的过程中，多个区域按照从加热盘的中心到边缘的方式逐步开始加热，则晶圆键合界面的中心部分在所述加热盘的作用下首先进行退火处理并产生水汽；随着加热区域按照从内到外的顺序不断扩展，晶圆键合界面的退火处理区域也从中心向边缘蔓延，因此，晶圆键合界面在退火处理过程中产生的水汽按照从晶圆键合界面的中心到边缘的方向移动，并最终从晶圆键合界面逸出。本具体实施方式中，通过温度的逐步升高来推动水汽的逐步移动，避免了在退火过程中水汽不能逸出晶圆键合界面而产生的空洞，提高了晶圆的键合强度。
为了与键合晶圆的形状相匹配，以进一步提高退火效果，优选的，多个区域包括一个圆形区域以及多个环形区域；所述圆形区域位于所述加热盘的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域同心设置且围绕所述圆形区域的外周分布。本具体实施方式中加热盘的形状与第一具体实施方式相同，请参见图1。具体来说，如图1所示，第一环形区域12围绕所述圆形区域11的外周设置，第二环形区域13围绕所述第一环形区域12的外周设置，第三环形区域14围绕所述第二环形区域13的外周设置，以此类推，本领域技术人员可以根据实际需要设置多个环形区域。在对晶圆键合界面进行退火处理的过程中，所述圆形区域11首先开始加热；所述圆形区域11加热一段时间后，所述第一环形区域12才开始加热，同时所述圆形区域11保持继续加热状态；所述第一环形区域12加热一段时间会后，所述第二环形区域13才开始加热，同时所述圆形区域11、所述第一环形区域12保持继续加热状态，以此类推，直至所述加热盘10上的所有区域都进行加热。为了避免在两个相邻的区域之间出现较为明显的温度过渡区，以进一步减少空洞的产生，更优选的，所述圆形区域11的半径和与其相邻的环形区域的内径相等；位于外侧的环形区域的内径和与其相邻的位于内侧的环形区域的外径相等。例如，所述第一环形区域12的内径与所述圆形区域11的半径相等，所述第一环形区域12的外径与所述第二环形区域13的内径相等，所述第二环形区域13的外径和与所述第三环形区域14的内径相等，以此类推。
优选的，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的具体步骤包括：
(S42-1)所述圆形区域对所述晶圆键合界面进行加热；
(S42-2)检测所述圆形区域加热的时间是否到达第一预设时间，若是，则与所述圆形区域相邻的环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热；
(S42-3)检测当前环形区域加热的时间是否到达第二预设时间，若是，则与当前环形区域相邻的下一环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热。这样，通过控制相邻区域之间开始加热的时间间隔，既能够充分去除晶圆键合界面中的水汽，又可以避免因在相邻区域之间产生较大的温差而导致的晶圆形变问题，进一步确保了晶圆键合的质量。
优选的，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的过程中，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃。更优选的，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃的具体步骤包括：
1)根据积分微分比例调节(PID)控制每一区域的温度，并绘制每一区域的升温曲线；
2)根据所述升温曲线计算保持相邻区域之间的温度差不超过10℃时，相邻区域开始加热的时间间隔。具体来说，由于每个区域通过PID独立进行温度控制，因此可以获得每个区域的升温曲线(即加热时间-温度关系曲线)，如图3所示；而根据所述升温曲线，就可以计算出使得相邻区域在加热过程中保持一预设温度差的相邻区域开始加热的时间间隔，即位于所述加热盘内侧的区域加热多长时间后，与其相邻的外侧区域开始加热。
本具体实施方式提供的晶圆键合中的退火方法，将加热盘划分为同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，在对键合晶圆界面进行退火处理的过程中，多个区域按照从内到外的方式逐步对键合晶圆界面进行加热，使得晶圆键合界面中产生的水汽从中心向边缘移动，并最终从键合界面逸出，减少了晶圆键合界面中空洞的产生，提高了晶圆的键合强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶圆键合中的退火装置，其特征在于，包括加热盘；所述加热盘包括同轴设置的多个区域；多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布，在对晶圆进行退火处理的过程中，多个所述区域按照从内到外的方式逐步对所述晶圆键合界面进行加热，所述晶圆键合界面的中心在所述加热盘的作用下首先进行退火处理，随着加热区域按照从内到外的顺序不断扩展，晶圆键合界面的退火处理区域也从中心向边缘蔓延，以实现对晶圆键合界面从中心到边缘的逐步加热。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合中的退火装置，其特征在于，多个区域包括一个圆形区域以及多个环形区域；所述圆形区域位于所述加热盘的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域同心设置且围绕所述圆形区域的外周分布。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合中的退火装置，其特征在于，还包括控制器，每一区域包括加热器和处理器；所述加热器，用于对所述区域进行加热；所述处理器，连接所述加热器，用于检测并控制所述区域的温度；所述控制器，连接所述加热器、所述处理器，用于根据当前加热区域的温度确定与其相邻区域的加热开始时间。
4.根据权利要求3所述的晶圆键合中的退火装置，其特征在于，所述加热器为灯管。
5.根据权利要求3所述的晶圆键合中的退火装置，其特征在于，所述处理器通过热电偶采用积分微分比例调节的方式检测并控制所述区域的温度。
6.一种晶圆键合中的退火方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一加热盘，所述加热盘包括同轴设置的多个区域，多个区域相互独立加热且沿所述加热盘的中心向边缘分布；
多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步开始加热，所述晶圆键合界面的中心在所述加热盘的作用下首先进行退火处理，随着加热区域按照从内到外的顺序不断扩展，晶圆键合界面的退火处理区域也从中心向边缘蔓延，以实现对晶圆键合界面从中心到边缘的逐步加热；
控制所有区域均加热到一预设温度后保持一预定时间。
7.根据权利要求6所述的晶圆键合中的退火方法，其特征在于，多个区域包括一个圆形区域以及多个环形区域；所述圆形区域位于所述加热盘的中心，用于与所述晶圆键合界面的中心接触；多个环形区域与所述圆形区域同心设置且围绕所述圆形区域的外周分布。
8.根据权利要求7所述的晶圆键合中的退火方法，其特征在于，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的具体步骤包括：
所述圆形区域对所述晶圆键合界面进行加热；
检测所述圆形区域加热的时间是否到达第一预设时间，若是，则与所述圆形区域相邻的环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热；
检测当前环形区域加热的时间是否到达第二预设时间，若是，则与当前环形区域相邻的下一环形区域开始对所述晶圆键合界面进行加热。
9.根据权利要求8所述的晶圆键合中的退火方法，其特征在于，多个区域沿所述加热盘的中心到边缘的方式逐步加热的过程中，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃。
10.根据权利要求9所述的晶圆键合中的退火方法，其特征在于，保持相邻区域之间的温度差不超过10℃的具体步骤包括：
根据积分微分比例调节控制每一区域的温度，并绘制每一区域的升温曲线；
根据所述升温曲线计算保持相邻区域之间的温度差不超过10℃时，相邻区域开始加热的时间间隔。
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