CN109346495A - 晶圆键合方法 - Google Patents
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Abstract
一种晶圆键合方法，包括：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si‑O键断裂；对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。本发明方案有助于减少对氧化硅层、半导体衬底以及器件的物理损伤，有效地对图像传感器的品质提供保护，且有助于降低生产成本。
Description
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
图像传感器是摄像设备的核心部件，通过将光信号转换成电信号实现图像拍摄功能。以互补金属氧化物半导体图像传感器(CMOS Image Sensors，CIS)器件为例，由于其具有低功耗和高信噪比的优点，因此在各个领域得到广泛应用。
以后照式(Back-side Illumination，BSI)CIS为例，在现有的制造工艺中，先形成器件晶圆，所述器件晶圆内形成逻辑器件、像素器件以及金属互连结构，然后对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合，进而对器件晶圆的背部进行减薄，进而在器件晶圆的背面形成CIS的后续工艺，例如在所述像素器件的半导体衬底背面形成网格状的格栅(Grid)，在所述格栅之间的网格内形成滤光镜(Filter)矩阵等。
在现有的对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合的工艺中，在器件晶圆正面和承载晶圆的正面均沉积一层氧化硅层，然后通过对氧化硅层进行激活，在界面处生成硅羟基键(Si-O-H)的结构，在后续进行退火的过程中，两片晶圆之间形成Si-O-Si键，并通过Si-O-Si键固定在一起。
然而，在现有技术中，对氧化硅层进行激活容易对氧化硅层形成物理损伤，进而容易损伤所述氧化硅层覆盖的半导体衬底以及器件，严重时影响图像传感器的品质。此外，由于需要额外增加设备以产生等离子体，例如采用射频(RF)系统，致使成本增加，且等离子体反应腔室内需要真空环境，导致反应装置较为复杂，生产成本较高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种晶圆键合方法，有助于减少对氧化硅层、半导体衬底以及器件的物理损伤，有效地对图像传感器的品质提供保护，且有助于降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种晶圆键合方法，包括：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂；对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。
可选的，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理包括：采用微波发生器形成所述微波，并将所述微波施加至所述第一氧化硅层和第二氧化硅层。
可选的，在O3气氛中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理。
可选的，对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合包括：在所述第一氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第一硅羟基键，在所述第二氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第二硅羟基键；将所述第一晶圆和第二晶圆堆叠放置且所述第一氧化硅层朝向所述第二氧化硅层；对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，以使所述第一硅羟基键与所述第二硅羟基键结合并脱水缩合以形成Si-O-Si键。
可选的，对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理，以形成所述第一硅羟基键和第二硅羟基键。
可选的，在O3气氛中对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理。
可选的，在N2气氛中进行所述退火处理。
可选的，对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理的工艺参数选自以下一项或多项：退火温度为280℃至400℃；退火时长为90分钟至3小时。
可选的，所述第一晶圆是器件晶圆，所述第二晶圆是承载晶圆。
可选的，所述第一晶圆是器件晶圆，所述第二晶圆是像素晶圆。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂；对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。采用上述方案，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂，相比于现有技术中，通过等离子体轰击氧化硅层的方式打断氧化硅层内的Si-O键，容易对氧化硅层形成物理损伤，进而容易损伤所述氧化硅层覆盖的半导体衬底以及器件，采用本发明实施例的方案，可以利用微波处理(例如加热)的能量大于Si-O共价键的键能的特性，使Si-O共价键在微波的作用下断裂，有助于减少对氧化硅层、半导体衬底以及器件的物理损伤，有效地对图像传感器的品质提供保护。而且，第一氧化硅层和第二氧化硅层中断裂的Si键在键合时可以直接或间接地耦接在一起，有利于改善键合效果。
进一步，采用微波发生器形成所述微波，并将所述微波施加至所述第一氧化硅层和第二氧化硅层。在本发明实施中，相比于现有技术中需要额外增加设备以产生等离子体，且等离子体反应腔室内需要真空环境，导致反应装置较为复杂，采用本发明实施例的方案，由于微波发生器较为简单，有助于降低生产成本。
进一步，在O3气氛中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，在本发明实施例中，O3通过分解产生氧自由基，由于氧自由基的氧化性强，可以与氧化硅层表面的杂质，例如碳和碳氢化合物发生反应，从而对氧化硅层表面进行清洁。
进一步，在O3气氛中对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理，在本发明实施例中，O3通过分解产生氧自由基，由于氧自由基与氢原子结合可以生成更多的-OH，有助于促进形成硅羟基键，从而在键合处理中，提高第一晶圆和第二晶圆之间形成的Si-O-Si键的数量，使得所述第一晶圆和第二晶圆更为固定。
附图说明
图1是本发明实施例中一种晶圆键合方法的流程图；
图2是本发明实施例中一种晶圆键合方法的中间结构的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中一种晶圆的氧化硅层内的Si-O键断裂的示意图；
图4是本发明实施例中在晶圆的氧化硅层内形成硅羟基键的示意图；
图5是本发明实施例中第一晶圆和第二晶圆堆叠放置时的化学键示意图；
图6是本发明实施例中对第一晶圆和第二晶圆进行退火处理时的化学键变化原理示意图。
具体实施方式
在现有技术中，对承载晶圆的正面与所述器件晶圆的正面进行键合时，在器件晶圆正面和承载晶圆的正面均沉积一层氧化硅层，然后通过对氧化硅层进行激活，在界面处生成硅羟基键(Si-O-H)的结构，在后续进行退火的过程中，两片晶圆之间形成Si-O-Si键，并通过Si-O-Si键固定在一起。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，对氧化硅层进行激活的步骤是通过等离子体轰击氧化硅层打断氧化硅层内的Si-O键，容易对氧化硅层形成物理损伤，进而容易损伤所述氧化硅层覆盖的半导体衬底以及器件，严重时影响图像传感器的品质。
在本发明实施例中，提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂；对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。采用上述方案，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂，相比于现有技术中，通过等离子体轰击氧化硅层的方式打断氧化硅层内的Si-O键，容易对氧化硅层形成物理损伤，进而容易损伤所述氧化硅层覆盖的半导体衬底以及器件，采用本发明实施例的方案，可以利用微波处理(例如加热)的能量大于Si-O共价键的键能的特性，使Si-O共价键在微波的作用下断裂，有助于减少对氧化硅层、半导体衬底以及器件的物理损伤，有效地对图像传感器的品质提供保护。而且，第一氧化硅层和第二氧化硅层中断裂的Si键在键合时可以直接或间接地耦接在一起，有利于改善键合效果。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种晶圆键合方法的流程图。所述晶圆键合方法可以包括步骤S11至步骤S13：
步骤S11：提供第一晶圆和第二晶圆，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；
步骤S12：采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂；
步骤S13：对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。
下面结合图2至图6对上述各个步骤进行说明。
参照图2，图2是本发明实施例中一种晶圆键合方法的中间结构的剖面结构示意图。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述第一晶圆100可以为器件晶圆(Device Wafer)，所述第一晶圆100内可以具有多个图像传感器器件；所述第二晶圆110可以为承载晶圆(Carrier Wafer)。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，所述第一晶圆100可以为器件晶圆(Device Wafer)，所述第一晶圆100内可以具有多个图像传感器器件；所述第二晶圆110可以为像素晶圆(Pixel Wafer)，所述第二晶圆110内可以具有多个像素器件，例如可以包括光电二极管。
其中，所述第一晶圆100的表面可以具有第一氧化硅层101，所述第二晶圆110的表面可以具有第二氧化硅层111，对所述第一晶圆100和第二晶圆110进行键合时，可以将所述第一晶圆100和第二晶圆110堆叠放置且所述第一氧化硅层101朝向所述第二氧化硅层111。
参照图3，图3是本发明实施例中一种晶圆的氧化硅层内的Si-O键断裂的示意图。
具体地，可以采用微波发生器形成所述微波，并将所述微波施加至所述第一氧化硅层和第二氧化硅层。
所述微波处理可以包括加热处理。具体地，当微波遇到极性分子时，由于分子内电荷分布不均匀，在微波场中能迅速吸收电磁波能量，通过分子偶极矩作用，以数10亿次/s的高速旋转产生热效应，此种加热是由分子自身运动引起的，因此受热体系温度均匀，分子偶极矩越大，加热越快，反应越快。由于是内部加热，作为反应主导趋势的主反应官能团能迅速达到活化能量而完成反应。
进一步地，微波发生器可以包括微波管和微波管电源。
具体地，所述微波管电源(简称电源或微波源)用于将交流电能变为直流电能，为微波管提供能量，所述微波发生器用于产生微波。
更具体而言，微波管可以视为微波发生器的核心器件，例如能够将直流电能转变成微波能。所述微波管包括微波晶体管和微波电子管，其中，微波晶体管输出功率较小，可以用于测量和通讯等领域。微波电子管可以包括磁控管、速调管以及行波管，可以用雷达、导航、通讯、电子对抗和加热，科学研究等方面。
在本发明实施例中，通过采用微波发生器形成所述微波，并将所述微波施加至所述第一氧化硅层和第二氧化硅层，相比于现有技术中需要额外增加设备以产生等离子体，且等离子体反应腔室内需要真空环境，导致反应装置较为复杂，采用本发明实施例的方案，由于微波发生器较为简单，有助于降低生产成本。
进一步地，所述微波的频率范围可以为0.3-300GHz。
优选地，所述微波的频率可以采用2.455GHz。
具体地，在基于微波的电器(例如微波炉)中，采用的微波频率为2.455GHz，也即产生的微波每秒钟振动频率为24.55亿次。
更具体而言，根据国际电工委员会规定，分配给微波炉用磁控管的微波主频率是2455MHz。其主要原因在于：
1)磁控管的谐振腔结构决定了所发射的微波频率在2455MHz。
2)为防止各电子、电器产品间的电磁干扰，国际规定了磁控管的振荡频带和限值。
3)频率2455MHz的电磁波，用于微波加热时，效率很高。而且磁控管的能量转换效率也高，约73％。这个频率的微波其半个波长大约为水分子的直径，这是为了使水分子产生共振，从而更能让水分子吸收能量。
需要指出的是，所述微波的频率可以具有预设误差范围内的频率偏差。
在本发明实施例中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂，相比于现有技术中，通过等离子体轰击氧化硅层的方式打断氧化硅层内的Si-O键，容易对氧化硅层形成物理损伤，进而容易损伤所述氧化硅层覆盖的半导体衬底以及器件，采用本发明实施例的方案，可以利用微波处理(例如加热)的能量大于Si-O共价键的键能的特性，使Si-O共价键在微波的作用下断裂，有助于减少对氧化硅层、半导体衬底以及器件的物理损伤，有效地对图像传感器的品质提供保护。而且，第一氧化硅层和第二氧化硅层中断裂的Si键在键合时可以直接或间接地耦接在一起，有利于改善键合效果。
进一步地，可以在O3气氛中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理。
在具体实施中，可以在采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理的过程中，向所述第一氧化硅层和第二氧化硅层的表面输入O3。
在本发明实施例中，通过在O3气氛中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，可以使O3通过分解产生氧自由基，由于氧自由基的氧化性强，可以与氧化硅层表面的杂质，例如碳和碳氢化合物发生反应，从而对氧化硅层表面进行清洁。
在具体实施中，对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合的步骤可以包括：在所述第一氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第一硅羟基键，在所述第二氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第二硅羟基键；将所述第一晶圆和第二晶圆堆叠放置且所述第一氧化硅层朝向所述第二氧化硅层；对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，以使所述第一硅羟基键与所述第二硅羟基键结合并脱水缩合以形成Si-O-Si键。
参照图4，图4是本发明实施例中在晶圆的氧化硅层内形成硅羟基键的示意图。
具体地，对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行水处理，以形成所述第一硅羟基键和第二硅羟基键。
优选地，可以对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理，以提高在形成第一硅羟基键和第二硅羟基键过程中的洁净度。
进一步地，可以在O3气氛中对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理。
在具体实施中，可以在进行去离子水处理的过程中，向所述第一氧化硅层和第二氧化硅层的表面输入O3。
在本发明实施例中，在O3气氛中对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理，可以使O3通过分解产生氧自由基，由于氧自由基与氢原子结合可以生成更多的-OH，有助于促进形成硅羟基键，从而在键合处理中，提高第一晶圆和第二晶圆之间形成的Si-O-Si键的数量，使得所述第一晶圆和第二晶圆的键合更为固定。
参照图5，图5是本发明实施例中第一晶圆和第二晶圆堆叠放置时的化学键示意图。
具体地，将所述第一晶圆和第二晶圆堆叠放置且所述第一氧化硅层朝向所述第二氧化硅层。
更具体地，在堆叠放置后，所述第一氧化硅层朝向所述第二氧化硅层，且第一硅羟基键和第二硅羟基键可以实现初步结合，例如可以基于范德华力实现硅羟基键之间的结合。
参照图6，图6是本发明实施例中对第一晶圆和第二晶圆进行退火处理时的化学键变化原理示意图。
具体地，对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，以使所述第一硅羟基键与所述第二硅羟基键结合并脱水缩合以形成Si-O-Si键。
更具体地，在退火过程中，在第一晶圆和第二晶圆界面处的Si-O-H键的基础上会生成H2O并形成Si-O-Si键，进而由于退火的温度较高，会导致H2O呈气态逸出。
进一步地，可以在N2气氛中进行所述退火处理，以减少环境气体中的杂质对晶圆键合的影响。
对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理的工艺参数可以选自以下一项或多项：
退火温度为280℃至400℃；
退火时长为90分钟至3小时。
在本发明实施例中，通过设置较高的退火温度以及较长的退火时长，可以在第一晶圆和第二晶圆的界面处的Si-O-H键的基础上形成更多的Si-O-Si键，有助于使得所述第一晶圆和第二晶圆的键合更为固定。
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 (10)
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，所述第一晶圆的表面具有第一氧化硅层，所述第二晶圆的表面具有第二氧化硅层；
采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理，以使所述第一氧化硅层和第二氧化硅层内的至少一部分Si-O键断裂；
对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理包括：
采用微波发生器形成所述微波，并将所述微波施加至所述第一氧化硅层和第二氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，在O3气氛中，采用微波对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行处理。
4.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，对所述第一晶圆和第二晶圆进行键合包括：
在所述第一氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第一硅羟基键，在所述第二氧化硅层内断裂的Si键基础上形成第二硅羟基键；
将所述第一晶圆和第二晶圆堆叠放置且所述第一氧化硅层朝向所述第二氧化硅层；
对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，以使所述第一硅羟基键与所述第二硅羟基键结合并脱水缩合以形成Si-O-Si键。
5.根据权利要求4所述的晶圆键合方法，其特征在于，对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理，以形成所述第一硅羟基键和第二硅羟基键。
6.根据权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，在O3气氛中对所述第一氧化硅层和第二氧化硅层进行去离子水处理。
7.根据权利要求4所述的晶圆键合方法，其特征在于，在N2气氛中进行所述退火处理。
8.根据权利要求4所述的晶圆键合方法，其特征在于，对所述第一晶圆和第二晶圆进行退火处理的工艺参数选自以下一项或多项：
退火温度为280℃至400℃；
退火时长为90分钟至3小时。
9.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一晶圆是器件晶圆，所述第二晶圆是承载晶圆。
10.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述第一晶圆是器件晶圆，所述第二晶圆是像素晶圆。
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