CN109585346A - 晶圆键合装置及晶圆键合方法 - Google Patents

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装置及晶圆键合方法。所述晶圆键合装置，包括：量测模块，用于分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；键合模块，连接所述量测模块，用于键合两片所述晶圆，并根据两片所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。本发明增加两片待键合的晶圆之间的对准精度，改善键合效果，提高半导体产品的性能。

Description

晶圆键合装置及晶圆键合方法

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装置及晶圆键合方法。

背景技术

随着平面型闪存存储器的发展，半导体的生产工艺取得了巨大的进步。但是最近几年，平面型闪存的发展遇到了各种挑战：物理极限、现有显影技术极限以及存储电子密度极限等。在此背景下，为解决平面闪存遇到的困难以及追求更低的单位存储单元的生产成本，各种不同的三维(3D)闪存存储器结构应运而生，例如3D NOR(3D或非)闪存和3D NAND(3D与非)闪存。

其中，3D NAND存储器以其小体积、大容量为出发点，将储存单元采用三维模式层层堆叠的高度集成为设计理念，生产出高单位面积存储密度，高效存储单元性能的存储器，已经成为新兴存储器设计和生产的主流工艺。

晶圆键合是半导体制造过程中的一个重要步骤。随着电子元器件向着高密度、小型化的方向发展，晶圆键合工艺由于可以实现不同晶圆间的电性连接、快速实现工艺层的堆叠，因而受到了越来越多的关注。

但是，现有的晶圆键合工艺由于晶圆键合装置或者键合方法的限制，对准精度较差，严重影响了晶圆键合的质量。

因此，如何改善晶圆键合质量，提高半导体产品的性能，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种晶圆键合装置及晶圆键合方法，用于解决现有的晶圆键合质量较差的问题，以提高半导体产品的性能。

为了解决上述问题，本发明提供了一种晶圆键合装置，包括：

量测模块，用于分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

键合模块，连接所述量测模块，用于键合两片所述晶圆，并根据两个所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

优选的，所述量测模块位于一量测腔室内；

所述键合模块位于与所述量测腔室相互独立的键合腔室内。

优选的，所述键合模块包括：

两个相对设置的施压单元，所述施压单元用于承载所述晶圆，并向所述晶圆施加键合压力；

控制单元，连接所述量测模块和两个所述施压单元，用于根据所述量测模块的量测结果调整两个所述施压单元施加的压力大小。

优选的，所述施压单元包括：吸盘，用于吸附所述晶圆，所述吸盘中具有一沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

气源，与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧，且与所述气孔连通，用于向所述气孔内传输气体。

优选的，所述施压单元还包括：

阀门，位于所述气源与所述气孔之间，且与所述控制单元连接，用于调整所述气源传输至所述气孔内的气体量。

优选的，所述气孔位于所述吸盘的中心。

优选的，还包括

清洗模块，与所述量测模块位于晶圆键合装置的同侧，用于清洗待键合的所述晶圆；

等离子体模块，与所述清洗模块位于所述晶圆键合装置的相对两侧，用于采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

优选的，所述尺寸包括晶圆的直径或半径。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种晶圆键合方法，包括如下步骤：

分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

键合两片所述晶圆，键合过程中根据两个所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

优选的，所述尺寸包括晶圆的直径或者半径。

优选的，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸之前还包括如下步骤：

采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

优选的，键合两片所述晶圆的具体步骤包括：

分别固定两片所述晶圆于两个相对设置的吸盘表面，所述吸盘中具有沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

分别通过两个所述气孔向两片所述晶圆施加键合压力，键合两片所述晶圆。

优选的，所述气孔位于所述吸盘的中心。

优选的，键合两片所述晶圆的具体步骤还包括：

提供与两个所述吸盘一一对应的两个气源，所述气源与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧、且与所述气孔连通，所述气源与所述气孔之间还具有一阀门；

调整所述阀门的开合角度，控制所述气源传输至所述气孔的气体量。

本发明提供的晶圆键合装置及晶圆键合方法，在进行晶圆键合工艺之前，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸，并根据两片晶圆的尺寸调整施加于两片晶圆上的压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力，从而增加两片待键合的晶圆的对准精度，改善键合效果，提高半导体产品的性能。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中提供的晶圆键合装置的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中键合模块的结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中两片晶圆键合前的结构示意图；

附图4是本发明具体实施方式中两片晶圆键合后的结构示意图；

附图5是本发明具体实施方式中晶圆键合方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的晶圆键合装置及晶圆键合方法的具体实施方式做详细说明。

晶圆键合过程中，两片待键合晶圆之间的对准精度，对最终的键合质量有着至关重要的影响。由于两片晶圆在键合前所经历的制程不同，使得两片晶圆会发生不同程度的立体膨胀(Expansion)，因而在实际的键合过程中，两片晶圆的尺寸存在差异。一般来说，两片晶圆的横向尺寸差异越大，两片晶圆之间的对准精度越低。然而，目前的晶圆键合工艺，在键合过程中并未考虑到两片待键合的晶圆在前段制程中的立体膨胀对晶圆尺寸的影响，使得键合过程中两片晶圆因尺寸上的差异导致对准精度较差，严重影响了晶圆键合的质量。

为了解决上述问题，本具体实施方式提供了一种晶圆键合装置，附图1是本发明具体实施方式中提供的晶圆键合装置的结构示意图。如图1所示，本具体实施方式提供的晶圆键合装置，包括：

量测模块10，用于分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

键合模块11，连接所述量测模块10，用于键合两片所述晶圆，并根据两个所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

具体来说，所述尺寸是指晶圆径向方向的尺寸。为了简化量测操作，优选的，所述尺寸包括晶圆的直径或半径。

附图3是本发明具体实施方式中两片晶圆键合前的结构示意图，附图4是本发明具体实施方式中两片晶圆键合后的结构示意图。举例来说，两片待键合的晶圆分别为第一晶圆231和第二晶圆232，在经历不同的前段制程之后，所述量测模块10测得所述第一晶圆231的半径为R1，所述第二晶圆232的半径为R2，且R2>R1，即所述第一晶圆231与所述第二晶圆232之间的半径差为△R，如图3所示。当采用所述键合模块11键合所述第一晶圆231与所述第二晶圆232时，向所述第一晶圆231施加第一键合压力、并向所述第二晶圆232施加第二键合压力，且第一键合压力大于所述第二键合压力。这样，如图4所示，所述第一晶圆231在相对较大的所述第一键合压力的作用下发生的径向形变较大，所述第二晶圆232在相对较小所述第二键合压力的作用下发生的径向形变较小，从而减小所述第一晶圆231与所述第二晶圆232之间的径向方向上的尺寸差异，提高所述第一晶圆231与所述第二晶圆232之间的对准精度，最终增强所述第一晶圆231与所述第二晶圆232之间的键合强度，改善键合质量，提高半导体产品的性能。

优选的，所述量测模块10位于一量测腔室12内；

所述键合模块11位于与所述量测腔室12相互独立的键合腔室13内。

具体来说，将所述量测模块10与所述键合模块11设置于两个相对独立的腔室内，可以避免对键合工艺造成影响。

附图2是本发明具体实施方式中键合模块的结构示意图。优选的，所述键合模块11包括：

两个相对设置的施压单元，所述施压单元用于承载所述晶圆，并向所述晶圆施加键合压力；

控制单元，连接所述量测模块10和两个所述施压单元，用于根据所述量测模块10的量测结果调整两个所述施压单元施加的压力大小。

更优选的，所述施压单元包括：吸盘，用于吸附所述晶圆，所述吸盘中具有一沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

气源，与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧，且与所述气孔连通，用于向所述气孔内传输气体。

具体来说，所述键合模块包括第一吸盘201和第二吸盘202，所述第一吸盘201用于通过真空吸附孔吸附所述第一晶圆231，所述第二吸盘202用于通过真空吸附孔吸附所述第二晶圆232。所述第一吸盘201中具有贯穿所述第一吸盘231的第一气孔221，所述第二吸盘202中具有贯穿所述第二吸盘232的第二气孔222。第一气源211用于向所述第一气孔221内传输气体，以向所述第一晶圆231施加竖直向下的压力；第二气源212用于向所述第二气孔222内传输气体，以向所述第二晶圆232施加竖直向上的压力，从而将所述第一晶圆231与所述第二晶圆232键合在一起。

为了进一步简化晶圆键合操作，优选的，所述施压单元还包括：

阀门，位于所述气源与所述气孔之间，且与所述控制单元连接，用于调整所述气源传输至所述气孔内的气体量。

通过在所述气源与所述气孔之间设置所述阀门，可以简单、便捷的调整所述气源传输至所述气孔内的气体量，进而实现对施加于所述晶圆上的气体压力(即键合压力)的调整。当然，本领域技术人员可以采用其他方式控制施加于两片待键合的晶圆上的压力的大小。

优选的，所述气孔位于所述吸盘的中心。

具体来说，将所述气孔设置与所述吸盘的中心，在键合所述晶圆的过程中，两片所述晶圆沿自中心向边缘的方向逐渐键合，一方面可以有效排除键合界面的气泡，提高键合强度；另一方面，所述晶圆在键合压力的作用下，整体均匀形变，从而更有助于提高对准精度。

优选的，所述晶圆键合装置还包括

清洗模块14，与所述量测模块10位于晶圆键合装置的同侧，用于清洗待键合的所述晶圆；

等离子体模块16，与所述清洗模块14位于所述晶圆键合装置的相对两侧，用于采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

具体来说，在采用如图1所示的晶圆键合装置键合两片晶圆的过程中，先通过机械手臂18自载入端口19获取待键合的晶圆；然后，将两片待键合的晶圆转移至清洗腔室15，采用清洗模块14分别对两片待键合的晶圆进行清洗；接着，通过所述机械手臂18将两片所述晶圆转移至活化腔室17，采用等离子体模块16分别对两片所述晶圆的键合表面进行等离子体激活；再接着，通过所述机械手臂18将两片所述晶圆转移至所述量测腔室12，通过量测模块10分别获取两片所述晶圆的尺寸，并将两片所述晶圆的尺寸传输至所述键合模块11；最后，通过所述机械手臂18将两片所述晶圆转移至所述键合腔室13，通过所述键合模块11键合两片所述晶圆。

本具体实施方式在完成所述晶圆的清洗、键合表面活化之后再进行晶圆尺寸的量测，即晶圆尺寸的量测是晶圆键合前的最后一步，从而可以进一步避免所述晶圆键合装置内部的工艺制程对晶圆尺寸的影响，进一步提高晶圆键合时的对准精度。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种晶圆键合方法，附图5是本发明具体实施方式中晶圆键合方法的流程图。本具体实施方式在键合晶圆的过程中，可以采用如图1、图2所示的晶圆键合装置实施。如图1、图2及图5所示，本具体实施方式提供的晶圆键合方法，包括如下步骤：

步骤S51，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

步骤S52，键合两片所述晶圆，键合过程中根据两片所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

优选的，所述尺寸包括晶圆的直径或者半径。

优选的，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸之前还包括如下步骤：

采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

具体来说，在完成所述晶圆的清洗、键合表面活化之后再进行晶圆尺寸的量测，可以进一步避免键合前的准备过程对晶圆尺寸的影响，从而进一步提高晶圆键合时的对准精度。

优选的，键合两片所述晶圆的具体步骤包括：

分别固定两片所述晶圆于两个相对设置的吸盘表面，所述吸盘中具有沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

分别通过两个所述气孔向两片所述晶圆施加键合压力，键合两片所述晶圆。

优选的，所述气孔位于所述吸盘的中心。

优选的，键合两片所述晶圆的具体步骤还包括：

提供与两个所述吸盘一一对应的两个气源，所述气源与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧、且与所述气孔连通，所述气源与所述气孔之间还具有一阀门；

调整所述阀门的开合角度，控制所述气源传输至所述气孔的气体量。

本具体实施方式提供的晶圆键合装置及晶圆键合方法，在进行晶圆键合工艺之前，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸，并根据两片晶圆的尺寸调整施加于两片晶圆上的压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力，从而增加两片待键合的晶圆的对准精度，改善键合效果，提高半导体产品的性能。

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 (14)

1.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括：

量测模块，用于分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

键合模块，连接所述量测模块，用于键合两片所述晶圆，并根据两片所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述量测模块位于一量测腔室内；

所述键合模块位于与所述量测腔室相互独立的键合腔室内。

3.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述键合模块包括：两个相对设置的施压单元，所述施压单元用于承载所述晶圆，并向所述晶圆施加键合压力；

控制单元，连接所述量测模块和两个所述施压单元，用于根据所述量测模块的量测结果调整两个所述施压单元施加的压力大小。

4.根据权利要求3所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述施压单元包括：吸盘，用于吸附所述晶圆，所述吸盘中具有一沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

气源，与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧，且与所述气孔连通，用于向所述气孔内传输气体。

5.根据权利要求4所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述施压单元还包括：阀门，位于所述气源与所述气孔之间，且与所述控制单元连接，用于调整所述气源传输至所述气孔内的气体量。

6.根据权利要求4所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述气孔位于所述吸盘的中心。

7.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，还包括

清洗模块，与所述量测模块位于晶圆键合装置的同侧，用于清洗待键合的所述晶圆；

等离子体模块，与所述清洗模块位于所述晶圆键合装置的相对两侧，用于采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

8.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述尺寸包括晶圆的直径或半径。

9.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别获取两片待键合的晶圆的尺寸；

键合两片所述晶圆，键合过程中根据两片所述晶圆的相对尺寸调整施加于两片晶圆上的键合压力，使得施加于尺寸较小的晶圆上的键合压力大于施加于尺寸较大的晶圆上的键合压力。

10.根据权利要求9所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述尺寸包括晶圆的直径或者半径。

11.根据权利要求9所述的晶圆键合方法，其特征在于，分别获取两片待键合的晶圆的尺寸之前还包括如下步骤：

采用等离子体激活所述晶圆的键合面。

12.根据权利要求9所述的晶圆键合方法，其特征在于，键合两片所述晶圆的具体步骤包括：

分别固定两片所述晶圆于两个相对设置的吸盘表面，所述吸盘中具有沿垂直于所述吸盘的方向贯穿所述吸盘的气孔；

分别通过两个所述气孔向两片所述晶圆施加键合压力，键合两片所述晶圆。

13.根据权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述气孔位于所述吸盘的中心。

14.根据权利要求12所述的晶圆键合方法，其特征在于，键合两片所述晶圆的具体步骤还包括：

提供与两个所述吸盘一一对应的两个气源，所述气源与所述晶圆位于所述吸盘的相对两侧、且与所述气孔连通，所述气源与所述气孔之间还具有一阀门；

调整所述阀门的开合角度，控制所述气源传输至所述气孔的气体量。