CN109437096A - 晶圆键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶圆键合方法，其包括：至少对晶圆表面的键合区进行清洗处理；至少以活化液体对所述晶圆表面的键合区进行表面活化处理，之后进行干燥处理；以及在真空环境中将两个晶圆表面的相应键合区彼此贴合，并进行热压键合处理；其中热压处理的温度为200‑250℃、时间为2‑10h，所述热压处理的压力为200‑250KN。本发明提供的晶圆键合方法，可以在非超净实验环境下实现晶圆之间的键合，键合工艺成本较低，键合成功率在95％以上，平均键合强度超过4MPa。

Description

晶圆键合方法

技术领域

本发明特别涉及一种晶圆键合方法，属于晶圆键合技术领域。

背景技术

硅片这一材料在微电子行业中有着及其重要而广泛的应用，硅片键合是使硅片键合界面处的原子在外界能量的作用下发生物理化学反应，从而形成共价键而连接到一起，并实现一定的连接强度。晶圆键合技术因为可以令晶圆间实现微观的机械电子层面的连接，所以成为了微电子行业中一项不可或缺的技术，得到了普遍地使用。硅片直接键合技术，指的就是在不添加任何中间粘合层的情况下，对两片晶圆首先进行化学清洗以及活化处理，接着，在室温下预键合到一起，然后，经历一段时间和温度的退火，两个键合表面主要依靠范德华力、库仑力和毛细管作用力这些吸引力的作用连接到一起，经过一些物理化学反应形成一个统一的整体。硅片的直接键合技术有着其他键合技术所不具备的诸多优势。首先，阳极键合方法必须在高压静电场中进行，而直接键合方法则无需电场环境，便可以达到硅片的键合。第二，相比于其他键合技术，直接键合适用于各种不同晶向的键合材料。不需要保证键合的材料有相同的晶格和晶向。第三，直接键合接头对温度有很大的适应范围，普遍都能保证一定的强度，因此其应用范围广泛。

现有技术中的晶圆键合方法普遍都是在高温环境中才得以实现，较高的温度会供应给键合过程中的分子扩散和分子键的断裂重组以充分的能量，从而使得键合能够顺利进行而且所得到的键合后硅片的键合强度达到一定值。高温环境所引起的热应力又常常会使得器件可靠性的降低和工作的不稳定，引发一些问题。首先，键合过程的温度过高会破坏MEMS和IC结构，降低其工作稳定性；尤其是温敏器件，过高的温度会破坏温敏器件，导致它们失效。这些电路和微结构往往不可以经受过高的温度，对温度的范围有着明确的要求，一旦超出适合的温度范围，就容易损坏器件，减少它们使用寿命，降低其可靠性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种晶圆键合方法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种晶圆键合方法，其包括：

至少对晶圆表面的键合区进行清洗处理；

至少以活化液体对所述晶圆表面的键合区进行表面活化处理，之后进行干燥处理；以及

在真空环境中将两个晶圆表面的相应键合区彼此贴合，并进行热压键合处理。

进一步的，所述的清洗处理包括依次进行的甲醇溶液浸泡以及超声清洗、丙酮溶液浸泡及超声清洗、标准RCA溶液浸泡以及超声清洗。

进一步的，所述甲醇溶液的质量浓度为99％-99.9％。

进一步的，所述丙酮溶液的质量浓度为99％-99.9％。

进一步的，所述标准RCA溶液包括体积比为1∶1∶5～1∶2∶7的盐酸、双氧水和去离子水。

进一步的，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％。

进一步的，所述盐酸的质量浓度33％-40％。

进一步的，所述超声清洗的频率为60-150khz。

进一步的，所述活化液体包括体积比为1∶1∶6～1∶2∶9的氨水、双氧水和去离子水。

进一步的，所述氨水溶液的质量浓度为25％-30％。

进一步的，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％。

进一步的，所述表面活化处理的温度为80-120℃，时间为30-60min。

进一步的，所述干燥处理的温度为100℃-120℃，时间为20min-60min。

在一些较为具体的实施方案中，所述的干燥处理具体包括：将经活化处理后的所述晶圆置于真空环境中，并以5-10℃/min的升温速率将所述的晶圆从室温加热至100℃-120℃，再保温20min-60min。

优选的，所述干燥处理是在真空环境下进行的。

进一步的，所述热压键合处理的压力为200-250KN、温度为200-250℃、时间为2-10h。

进一步的，在所述的热压键合处理中，压力的方向垂直于所述两个晶圆的键合界面。

进一步的，所述的晶圆为硅晶圆。

与现有技术相比，本发明提供的晶圆键合方法包括首先对晶圆进行清洗以充分去除晶圆表面各种残留有机物、颗粒、金属杂质及氧化层，之后对晶圆进行表面活化处理，使得晶圆表面形成大量的Si-OH键；最后对晶圆进行干燥处理，并于真空环境下加压、加热实现晶圆键合；本发明提供的晶圆键合方法，可以在非超净实验环境下实现晶圆之间的键合，键合工艺成本较低，键合成功率在95％以上，平均键合强度超过4MPa。

附图说明

图1是本发明一典型实施例中第一晶圆和第二晶圆的结构示意图；

图2是本发明对照例1中第一晶圆和第二晶圆贴合后的结构示意图；

图3是本发明对照例1中第一晶圆和第二晶圆的结构示意图；

图4是本发明对照例1中对第一晶圆和第二晶圆进行热压键合的结构示意图；

图5是本发明对照例1中第一晶圆和第二晶圆热压键合后的结构示意图；

图6是本发明对照例1中第一晶圆和第二晶圆热压键合后的截面结构示意图；

图7是本发明实施例1中第一晶圆和第二晶圆经预处理后的结构示意图；

图8是本发明实施例1中对第一晶圆和第二晶圆进行热压键合的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例提供了一种晶圆键合方法，其包括：

至少对晶圆表面的键合区进行清洗处理；

至少以活化液体对所述晶圆表面的键合区进行表面活化处理，之后进行干燥处理；以及

在真空环境中将两个晶圆表面的相应键合区彼此贴合，并进行热压键合处理。

进一步的，所述的清洗处理包括依次进行的甲醇溶液浸泡以及超声清洗、丙酮溶液浸泡及超声清洗、标准RCA溶液浸泡以及超声清洗。

进一步的，所述标准RCA溶液浸泡的过程是在100-150℃的油浴环境下进行的，浸泡的时间为15-30min。

进一步的，所述甲醇溶液的质量浓度为99％-99.9％。

进一步的，所述丙酮溶液的质量浓度为99％-99.9％。

进一步的，所述标准RCA溶液包括体积比为1∶1∶5～1∶2∶7的盐酸、双氧水和去离子水。

进一步的，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％。

进一步的，所述盐酸的质量浓度为33％-40％。

进一步的，所述超声清洗的频率为60-150khz。

进一步的，所述活化液体包括体积比为1∶1∶6～1∶2∶9的氨水、双氧水和去离子水。

进一步的，所述氨水溶液的质量浓度为25％-30％。

进一步的，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％。

进一步的，所述表面活化处理的温度为80-120℃，时间为30-60min。

进一步的，所述干燥处理的温度为100℃-120℃，时间为20min-60min。

在一些较为具体的实施方案中，所述的干燥处理具体包括：将经活化处理后的所述晶圆置于真空环境中，并以5-10℃/min的升温速率将所述的晶圆从室温加热至100℃-120℃，再保温20min-60min。

优选的，所述干燥处理是在真空环境下进行的。

进一步的，所述热压键合处理的压力为200-250KN、温度为200-250℃、时间为2-10h。

进一步的，在所述的热压键合处理中，压力的方向垂直于所述两个晶圆的键合界面。

进一步的，所述的晶圆为硅晶圆。

为使本方法的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本方法的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

对照例1 一种晶圆键合方法，包括如下步骤：

1)提供如图1中所示的第一晶圆1和第二晶圆2(第一晶圆1和第二晶圆2的都为硅晶圆)，第一晶圆1具有第一表面3，第二晶圆2具有第二表面4，第一表面3具有若干键合区5，第二表面4具有若干键合区6；键合区5包括杂质区域7，键合区6包括杂质区域8；

2)固定第一晶圆1和第二晶圆2，使第一表面3和第二表面4相贴合，第一表面3上的键合区5和第二表面4上的键合区6对准，图2为相贴合的第一晶圆1和第二晶圆2的结构示意图，图3为第一晶圆的俯视图；第一晶圆1与第二晶圆2边缘重合且第一晶圆1被第二晶圆2覆盖，因此第一晶圆1在图3中未示出，第一表面3与第二表面4与第二晶圆2边缘重合且第一表面3与第二表面4被第二晶圆2覆盖，因此第一表面3与第二表面4在图3中未示出；

3)请参考图4，采用热压键合工艺键合连接第一表面3和第二表面4上的对应键合区5，使第一晶圆1和第二晶圆2相互连接；热压键合的工艺具体包括：于200-250℃温度下对第一晶圆1和第二晶圆2施加200-250KN，并保持8-10h，压力的方向垂直于第一晶圆1和第二晶圆2的表面，压力方向沿第一晶圆1的第一表面3的相对面指向第一表面3、沿第二晶圆2的第二表面4相对面指向第二表面4。

需要说明的是，在本实施例中，图3中仅示意性的画出了键合区5、6及杂质区域7、8，实际情况会与图3有所不同，实际情况的键合区数目、剖面形状及分布位置必须满足第一晶圆1和第二晶圆2的版图设计要求。

请参阅图5和图6，基由本实施例键合后的第一晶圆1和第二晶圆2在第一表面3和第二表面4的连接面上会出现空洞(孔洞出现在杂质区域7、8内)9，图6为所述第一晶圆1和第二晶圆2间出现空洞的截面结构示意图，图5为侧视结构示意图；所述空洞的数量至少为1个且在第一表面3和第二表面4的连接面上随机排布。

在本实施例中，以出现1个空洞9且空洞位置位于第一晶圆1中心的情况，做示范性说明，空洞9造成了键合区5、6部分剥离，使得产品失效，甚至会造成第一晶圆1以及第二晶圆2断裂。对上述实施例的进一步研究发现，产生所述空洞9的原因是在键合过程中，第一表面3和第二表面4残留的颗粒、金属、有机物等杂质会在键合过程中形成空洞9)；空洞9附近或被空洞9覆盖的键合区5、6在外部压力的作用下能够暂时键合连接，当第一表面3和第二表面4键合完成后，随着温度的降低和外部压力的消失，被留在第一表面3和第二表面4之间的空洞9会向外膨胀，所述膨胀现象同时作用于第一晶圆1和第二晶圆2产生膨胀力，当所述膨胀力超过了键合区5、6之间的键合力时，空洞9附近或被空洞9覆盖的已键合连接的键合区5、6就会部分剥离完或者全剥离，造成了产品失效；进一步地，在键合连接的第一晶圆1与第二晶圆2之间封存有空洞9，会导致第一晶圆1与第二晶圆2受力不均，容易在后续的工艺步骤中发生断裂，使晶圆报废。

实施例1 一种晶圆键合方法，包括如下步骤：

1)提供如图1中所示的第一晶圆1和第二晶圆2(第一晶圆1和第二晶圆2的都为硅晶圆)，第一晶圆1具有第一表面3，第二晶圆2具有第二表面4，第一表面3具有若干键合区5，第二表面4具有若干键合区6；键合区5包括杂质区域7，键合区6包括杂质区域8；

2)对第一晶圆1和第二晶圆2按顺序进行清洗、活化、干燥工艺处理，以充分的去除第一晶圆和第二晶圆表面的杂质及水分，处理后的第一晶圆和第二晶圆的结构如图7所示；

01)其中的清洗工艺具体包括：采用无水乙醇溶液对所有实验所需用到的试管、烧杯、量筒、培养皿和镊子进行清洗，清洗后的玻璃器皿全部放到真空干燥箱中进行干燥备用；然后取出两片晶圆(即第一晶圆和第二晶圆)，用镊子将第一晶圆、第二晶圆放到容量为100mL的烧杯中，然后向烧杯中倒入30mL左右的甲醇溶液浸泡第一晶圆、第二晶圆，将烧杯放到超声清洗机中超声清洗5min后将甲醇溶液倒掉，使第一晶圆、第二晶圆留在烧杯之中；之后用去离子水冲洗烧杯内残留的甲醇液体；冲洗大约2min后，倒入约30mL的丙酮溶液浸泡，盖上保鲜膜后进行超声清洗5min；用铁氟龙镊子小心夹住第一晶圆、第二晶圆侧面的边缘，用装有去离子水的洗瓶冲洗第一晶圆、第二晶圆的上下表面，冲洗约5min后，把第一晶圆、第二晶圆放到之前准备的装有去离子水的烧杯中，向烧杯中倒入双氧水溶液和盐酸溶液，配制成标准RCA溶液，将烧杯放入油浴锅中，在100℃油浴中加热15min；准备一只装有去离子水的烧杯，用保鲜膜封住杯口，防止杂质落入杯中；把油浴锅中的烧杯取出，然后将烧杯中的RCA溶液缓慢地倒入碱性废液桶中，使第一晶圆、第二晶圆留在烧杯中；

02)其中活化工艺具体包括：采用去离子水冲洗清洗工艺处理后的第一晶圆、第二晶圆上下表面，冲洗5min后，把第一晶圆、第二晶圆放到装有去离子水的烧杯中，向烧杯中倒入一定量的双氧水溶液和氨水溶液，配制成活化液，把烧杯放到油浴锅中，于80℃油浴条件下加热30min；

03)干燥工艺包括：在活化工艺结束后，把第一晶圆、第二晶圆放入干燥箱中，温度设置成100-120℃，干燥时间为20-60min；具体所述的干燥工艺还包括，将第一晶圆、第二晶圆以5-10℃/min的加热速率从室温加热至100-120℃；

3)在真空环境下对第一晶圆1和第二晶圆2进行热压键合，具体包括：将第一晶圆1和第二晶圆2的第一表面3和第二表面4于200-250℃下对应贴合，并使键合区5、6相对应；之后对第一晶圆1和/或第二晶圆2施加压力，压力大小为200-250KN，时间为2-10h，压力方向垂直于第一表面3和/或第二表面4；键合连接后的第一晶圆和第二晶圆的结构示意图如图8所示，其中P为压力，t为时间。

在本实施例中，采用了5-10℃/min的加热速率加热第一晶圆1和第二晶圆2；加热速率太慢会延长工艺时间，增加生产成本；加热速率太快会使晶圆受热不均匀，从而使得晶圆不同位置受热膨胀变形不均匀，可能造成晶圆整体扭曲、变形甚至断裂；本实施例中采用5-10℃/min的加热速率，可以有效节省成本，同时避免晶圆破损；采用100-120℃作为干燥温度，是因为在所述温度下能够使第一表面3和第二表面4吸附的水分完全挥发，在后续的键合连接后不会形成孔洞；若温度太低则某些挥发温度高的杂质无法挥发，温度太高则会使晶圆上的MOS晶体管及其他器件电学性能退化；干燥处理的时间选择20-60min的目的也是为了完全挥发第一表面3及第二表面4吸附的水分，时间太短无法完全挥发吸附水分，时间太长会造成晶圆上的MOS晶体管及其他器件电学性能退化；干燥处理中加热第一晶圆1和第二晶圆2至100-120℃的过程，以及使第一晶圆1和第二晶圆2保持100-120℃的过程都在真空环境下进行，所述真空环境杜绝了第一表面3和第二表面4与环境气体发生化学反应的可能性，同时有利于第一表面3和第二表面4的杂质及吸附水分的挥发和排除，不留残余气体。

在本实施例中，第一表面和第二表面贴合后，不会再有气体挥发出来，在后续键合工艺中连接的键合区不易相互剥离，产品失效几率大大降低。

在200-250℃下键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区，温度太高会使晶圆上的MOS晶体管及其他器件的电学性能迅速退化，温度太低则会减小键合的工艺窗口，容易产生键合失败，同时也延长了工艺时间，增加了生产成本；在200-250KN的压力下键合连接第一表面和第二表面上的对应键合区，压力太大可能会使第一晶圆和第二晶圆上的器件受损，晶圆也有可能发生破裂，压力太低也会减小键合的工艺窗口，容易产生键合失败，同时也延长了工艺时间，增加了生产成本；以及，热压键合的过程是在真空环境下进行，真空环境是为了防止第一表面和第一表面与环境气体发生化学反应，同时避免在第一表面和第一表面之间封存环境气体，导致早第一表面或第二表面上形成空洞，造成键合区相互剥离，使产品失效的情况。

现有的晶圆键合技术是在相对高温环境下实现的，温度范围一般在400-1000摄氏度之间。考虑到晶圆表面存在电路的情况，在如此高的温度范围内势必会对晶圆表面电路造成难以估计的影响，因此如果能在低温下能实现晶圆键合就变得很重要。

本发明人参照实施例1中提供的晶圆键合方法进行晶圆键合，并采用100-250℃的键合温度进行键合，并统计测量其键合率；当键合温度为100℃时，键合率仅有52.08％(孔洞面积与晶圆面积之比)，未能实现良好的键合，只有少部分硅片表面实现了键合。在100-200℃温度区间，随着温度升高，键合率有着显著的提高；在150℃键合的硅片，键合率达到88.37％，比100℃时提高了36.29％；当温度提升到200℃时，键合率达到99.80％，比150℃时提高了11.43％；当温度达到200℃时，硅片的键合率已经超过90％，稳定在99％以上，上升空间较小，250℃下键合的硅片比200℃时的键合率提高0.12％。综上所述，晶圆键合效果与温度有很大关系，在经过本发明提供的晶圆表面处理与活化过程后，可以降低晶圆键合所需温度，在保证晶圆键合效果的前提下，很大程度上保护晶圆表面电路不受高温的影响；其中，所述晶圆键合率是孔洞面积与晶圆面积的比值。

综上，本发明实施例提供的晶圆键合方法，通过清洗、活化、干燥等工艺处理第一晶圆和第二晶圆，使第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分得以挥发和排除，再键合连接第一表面和第二表面，基由上述方法避免了第一表面和第二表面上的化学残留物质及吸附水分受热挥发，避免在第一表面和第二表面之间形成空洞，基由此方法避免了由于第一键合区和第二键合区受力剥离二导致的产品失效问题。

与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明提供的晶圆键合方法首先对晶圆进行清洗以充分去除晶圆表面各种残留有机物、颗粒、金属杂质及氧化层，之后对晶圆进行表面活化处理，使得晶圆表面形成大量的Si-OH键；最后对晶圆进行干燥处理，并于真空环境下加压、加热实现晶圆键合；本发明提供的晶圆键合方法，可以在非超净实验环境下实现晶圆之间的键合，键合工艺成本较低，键合成功率在95％以上，平均键合强度超过4MPa。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于包括：

至少对晶圆表面的键合区进行清洗处理；

至少以活化液体对所述晶圆表面的键合区进行表面活化处理，之后进行干燥处理；以及

在真空环境中将两个晶圆表面的相应键合区彼此贴合，并进行热压键合处理。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述的清洗处理包括依次进行的甲醇溶液浸泡以及超声清洗、丙酮溶液浸泡及超声清洗、标准RCA溶液浸泡以及超声清洗。

3.根据权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述甲醇溶液的质量浓度为99％-99.9％；和/或，所述丙酮溶液的质量浓度为99％-99.9％；和/或，所述标准RCA溶液包括体积比为1∶1∶5～1∶2∶7的盐酸、双氧水和去离子水；和/或，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％；和/或，所述盐酸的质量浓度33％-40％；和/或，所述超声清洗的频率为60-150khz。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述活化液体包括体积比为1∶1∶6～1∶2∶9的氨水、双氧水和去离子水；和/或，所述氨水溶液的质量浓度为25％-30％；和/或，所述双氧水溶液的质量浓度为30％-35％。

5.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述表面活化处理的温度为80-120℃，时间为30-60min。

6.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为100℃-120℃，时间为20min-60min。

7.根据权利要求1或6所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述的干燥处理具体包括：将经活化处理后的所述晶圆置于真空环境中，并以5-10℃/min的升温速率将所述的晶圆从室温加热至100℃-120℃，再保温20min-60min；优选的，所述干燥处理是在真空环境下进行的。

8.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述热压键合处理的压力为200-250KN、温度为200-250℃、时间为2-10h。

9.根据权利要求1或8所述的晶圆键合方法，其特征在于：在所述的热压键合处理中，压力的方向垂直于所述两个晶圆的键合界面。

10.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：所述的晶圆为硅晶圆。