CN108447779B - 一种晶圆键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆键合方法，所述晶圆键合方法通过在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤之前，增加一预处理工艺的步骤，所述预处理工艺可以减少(甚至去除)所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面的残留物，可以改善所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面不平整的缺陷状况，从而，在将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤中，能够提升键合机台卡盘对晶圆(第一晶圆和/或第二晶圆)背面的真空吸附能力，便可有效改善(降低)晶圆键合扭曲度，较低的晶圆键合扭曲度有利于提高键合晶圆的均一性，从而最终提升产品性能。

Description

一种晶圆键合方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种晶圆键合方法。
背景技术
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，通过将两个或多个功能相同或不同的芯片进行三维集成可提高芯片的性能，同时也可以大幅度缩短功能芯片之间的金属互联，减小发热、功耗和延迟，并为实现复杂功能的片上系统提供可能。
在三维集成电路中，晶圆键合方法是核心重点，其中晶圆键合扭曲度是衡量晶圆键合方法的一个核心参数，晶圆键合扭曲度会影响键合晶圆的均一性。在现有技术的晶圆键合方法中，晶圆键合扭曲度偏高，导致三维集成电路中键合晶圆的均一性较差的问题成为本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种晶圆键合方法，可以有效改善晶圆键合扭曲度，从而提高产品性能。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种晶圆键合方法，包括：
提供第一晶圆和第二晶圆；
对所述第一晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第一晶圆的背面的残留物，和/或，对所述第二晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第二晶圆的背面的残留物；
完成所述预处理工艺后，将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合。
进一步的，在所述晶圆键合方法中，所述预处理工艺包括第一次清洗工艺。
可选的，在所述晶圆键合方法中，所述第一次清洗工艺的酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种，或者，所述酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种与去离子水形成的混合溶液。
优选的，在所述晶圆键合方法中，在进行所述第一次清洗工艺的步骤中还包括：通入保护气体对所述第一晶圆的正面或所述第二晶圆的正面进行保护。
较佳的，在所述晶圆键合方法中，所述保护气体的流量为100sccm～500sccm。
较佳的，在所述晶圆键合方法中，所述第一次清洗工艺的时间为1s～480s，所述第一次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟。
进一步的，在所述晶圆键合方法中，所述预处理工艺还包括在完成所述第一次清洗工艺后进行第二次清洗工艺。
较佳的，在所述晶圆键合方法中，所述第二次清洗工艺的溶液包括氢氟酸、硝酸、盐酸、双氧水、氨水和去离子水中的至少一种。
较佳的，在所述晶圆键合方法中，所述第二次清洗工艺时间为1s～360s，所述第二次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟。
进一步的，在所述晶圆键合方法中，在进行所述第二次清洗工艺的步骤中还包括：通入保护气体对所述第一晶圆的正面或所述第二晶圆的正面进行保护。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的晶圆键合方法通过在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤之前，增加一预处理工艺的步骤，所述预处理工艺可以减少(甚至去除)所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面的残留物，可以改善所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面不平整的缺陷状况，从而，在将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤中，能够提升键合机台卡盘对晶圆(第一晶圆和/或第二晶圆)的背面的真空吸附能力，便可有效改善(降低)晶圆键合扭曲度，较低的晶圆键合扭曲度有利于提高键合晶圆的均一性，从而最终提升产品性能。
附图说明
图1为本发明实施例中所述晶圆键合方法的流程示意图；
图2至图5为本发明实施例中所述晶圆键合方法中各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
在三维集成电路中，如背照式CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体)影像传感器，其制程需要穿透硅基底进行器件晶圆微镜头、金属网格与基底光电二极管的对准，而晶圆键合扭曲度是穿透晶圆对准的主要影响因素，因此，改善晶圆键合扭曲度可以有效提高穿透晶圆的对准精度，从而提高键合晶圆的均一性。
发明人通过光刻机测量得到一种晶圆键合方法的晶圆键合扭曲度约70nm，该晶圆键合方法在第一晶圆和第二晶圆的前制程完成之后，直接将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合。该晶圆键合方法得到的晶圆键合扭曲度偏高，使得后续光刻制程穿透晶圆对准的精确度较低，键合晶圆的均一性较差，甚至产生良率损失。发明人通过研究发现在上述晶圆键合方法中，在将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合之前，所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面会有前制程(制造晶圆的过程)的残留物，如多晶硅、氧化物或氮化物等，所述残留物造成晶圆(第一晶圆和/或第二晶圆)的背面存在不平整缺陷，而这种不平整缺陷会减弱后续键合机台卡盘对晶圆的背面的真空吸附能力，从而形成较差的晶圆键合扭曲度。
于是，发明人在上述研究的基础上提出一种新的晶圆键合方法，如图1所示，包括：
步骤S1、提供第一晶圆和第二晶圆；
步骤S2、对所述第一晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第一晶圆的背面思微残留物，和/或，对所述第二晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第二晶圆的背面的残留物；
步骤S3、完成所述预处理工艺后，将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合。
所述晶圆键合方法在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤之前，增加一预处理工艺的步骤，所述预处理工艺可以减少(甚至去除)所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面的残留物，可以改善所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面不平整的缺陷状况，从而，在将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤中，能够提升键合机台卡盘对晶圆(第一晶圆和/或第二晶圆)的背面的真空吸附能力，便可有效改善(降低)晶圆键合扭曲度，较低的晶圆键合扭曲度有利于提高键合晶圆的均一性，从而最终提升产品性能。
下面将结合流程图和示意图对本发明的一种晶圆键合方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
以下例举晶圆键合方法的实施例，详细介绍本发明的一种晶圆键合方法的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图1至图5，其中图1示出了本实施例中所述晶圆键合方法的流程示意图，图2至图5示出了本实施例中所述晶圆键合方法中各个步骤对应的结构示意图。
首先，执行步骤S1，提供第一晶圆10和第二晶圆20，如图2所示。较佳的，本实施例中，所述第一晶圆10为器件晶圆，所述器件晶圆上设置有器件结构，所述器件结构包括微机电系统(MEMS)、存储器(Memory)或感应器(Sensor)等，所述器件结构具有微系统、存储或传感器等功能；所述第一晶圆10还包括第一衬底，优选的，所述第一衬底为硅衬底、氧化物衬底或氮化物衬底，所述器件结构位于所述第一衬底上；所述第二晶圆20为载体晶圆，所述载体晶圆上设置有与所述器件结构相对应的电路结构，所述电路结构包括组合逻辑电路、时序逻辑电路，通过所述电路结构为晶圆键合提供连接载体；所述第二晶圆20还包括与所述第一衬底对应的第二衬底，优选的，所述第二衬底也可以为硅衬底、氧化物衬底或氮化物衬底等，所述电路结构位于所述第二衬底上。此外，在本实施中，将所述第一晶圆10中所述器件结构远离所述第一衬底的表面定义为所述第一晶圆的正面100，则与所述第一晶圆的正面100相对应的另一表面定义为所述第一晶圆的背面101；同理，将所述第二晶圆20中所述电路结构远离所述第二衬底的表面定义为所述第二晶圆的正面200，则与所述第二晶圆的正面200相对应的另一表面定义为所述第二晶圆的背面201。在制造所述第一晶圆10和所述第二晶圆20的过程中，所述第一晶圆的背面101和/或所述第二晶圆的背面201会存在一些残留物(残留的薄膜层)，如多晶硅、氧化物或氮化物等。
接着，执行步骤S2，对所述第一晶圆的背面101进行预处理工艺以减少所述第一晶圆的背面101的残留物，和/或，对所述第二晶圆的背面201进行预处理工艺以减少所述第二晶圆的背面201的残留物。较佳的，在本实施例中，仅以对所述第一晶圆的背面101进行预处理工艺为例。显然，本领域普通技术人员容易理解的，在实际生产过程中，可以根据实际情况，有选择性的对所述第一晶圆的背面101和所述第二晶圆的背面201进行预处理工艺，在此不做赘述。
较佳的，所述预处理工艺包括第一次清洗工艺，为了保护所述第一晶圆的正面100，在进行所述第一次清洗工艺的步骤中，还会通入保护气体对所述第一晶圆的正面100进行保护，所述保护气体可以但不限于为氮气，所述保护气体的流量可以为100sccm～500sccm；进一步的，所述第一次清洗工艺的酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种，或者，所述酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种与去离子水形成的混合溶液，在实际工艺中，可以依据残留物的不同而选择不同的酸液(酸液的种类、酸液的浓度等)，如可以采用氢氟酸和硝酸清洗多晶硅残留物；可以采用氢氟酸和磷酸清洗氮化物残留物等等；所述第一次清洗工艺的时间为1s～480s，如可以为60s、120s、240s或360s；所述第一次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟，如可以为600转/分钟或1200转/分钟，如图3所示。
进一步的，本实施例中，为了进一步改善所述第一晶圆的背面101的不平整缺陷，优选的，在完成所述第一次清洗工艺后，对所述第一晶圆的背面101进行第二次清洗工艺，所述第二次清洗工艺可以减少(甚至去除)所述第一次清洗工艺中产生的附产物或者减少(甚至去除)所述第一晶圆的背面101存在的不需要的金属离子。在进行所述第二次清洗工艺的步骤中，同样对所述第一晶圆的正面100通入保护气体进行保护，所述保护气体可以但不限于为氮气；所述第二次清洗工艺的溶液可以包括氢氟酸、硝酸、盐酸、双氧水、氨水和去离子水中的至少一种，如可以采用氢氟酸和双氧水的混合溶液去除所述第一次清洗工艺中产生的附产物；可以采用氨水和双氧水的混合溶液去除不需要的金属离子等等；所述第二次清洗工艺的时间为1s～360s，如可以为60s、120s或240s；所述第二次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟，如可以为600转/分钟或1200转/分钟，如图4所示。
接下来，执行步骤S3，完成上述预处理工艺后，将所述第一晶圆的正面100和所述第二晶圆的正面200相键合。本实施例中，所述第一晶圆的正面100可以但不限于为氧化物层、氮化物层或金属层，则键合工艺可以但不限于为硅基底与氧化物键合、氧化物与氧化物键合、氧化物与氮化物键合、以及金属与金属键合，所述键合工艺可以为共晶键合、金属热压键合、硅熔融键合以及聚合物粘合键合中的一种。所述键合工艺采用键合机台完成，具体的，键合机台的上卡盘30吸附所述第二晶圆的背面201，键合机台的下卡盘31吸附所述第一晶圆的背面101，得到键合晶圆，如图5所示。键合晶圆能够提高芯片的功能且不受单个芯片制造工艺的限制，还能缩短功能芯片之间的金属互连，以有效地减小发热、功耗、延迟等性能。
本实施例中，因所述第一晶圆的背面101已进行了第一次清洗工艺和第二次清洗工艺，则很大程度上改善了所述第一晶圆的背面101的不平整缺陷(即减少甚至去除了所述第一晶圆的背面101的残留物)，于是，能够增加键合机台的下卡盘对所述第一晶圆的背面101的吸附能力。通过光刻机可以测量得出所述键合晶圆的晶圆键合扭曲度，所述晶圆键合扭曲度在现有基础上可以至少降低5nm～10nm，从而可以提高后续光刻制程中晶圆对准的精确度，使键合晶圆的均一性得到提升，最终提升产品性能。
综上，本发明的晶圆键合方法通过在提供第一晶圆和第二晶圆之后，在所述第一晶圆的正面和第二晶圆的正面相键合的步骤之前，增加了一预处理工艺的步骤，所述预处理工艺可以减少(甚至去除)所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面的残留物，可以改善所述第一晶圆的背面和/或所述第二晶圆的背面不平整的缺陷状况，从而，在将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合的步骤中，能够提升键合机台卡盘对晶圆(第一晶圆和/或第二晶圆)背面的真空吸附能力，便可有效改善(降低)晶圆键合扭曲度，较低的晶圆键合扭曲度有利于提高键合晶圆的均一性，从而最终提升产品性能。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

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；
对所述第一晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第一晶圆的背面的残留物，和/或，对所述第二晶圆的背面进行预处理工艺以减少所述第二晶圆的背面的残留物；
完成所述预处理工艺后，将所述第一晶圆的正面和所述第二晶圆的正面相键合；
其中，所述预处理工艺包括依次进行的第一次清洗工艺和第二次清洗工艺，所述第一次清洗用于去除制造所述第一晶圆和/或所述第二晶圆残留的薄膜层，所述第二次清洗工艺用于去除所述第一次清洗工艺中产生的附产物，所述第一次清洗工艺的酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种，或者，所述酸液包括氢氟酸、硝酸、磷酸和硫酸中的至少一种与去离子水形成的混合溶液；所述第二次清洗工艺的溶液包括氢氟酸、硝酸、盐酸、双氧水、氨水和去离子水中的至少一种。
2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在进行所述第一次清洗工艺的步骤中还包括：通入保护气体对所述第一晶圆的正面或所述第二晶圆的正面进行保护。
3.如权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述保护气体的流量为100sccm～500sccm。
4.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一次清洗工艺的时间为1s～480s，所述第一次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟。
5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第二次清洗工艺时间为1s～360s，所述第二次清洗工艺的转速为100转/分钟～1800转/分钟。
6.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在进行所述第二次清洗工艺的步骤中还包括：通入保护气体对所述第一晶圆的正面或所述第二晶圆的正面进行保护。
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