CN109786229A - 一种晶圆键合方法以及相应的异质衬底制备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能在常温下实现不同晶圆材料实现良好键合的晶圆键合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提供第一晶圆以及第二晶圆，第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，第二晶圆具有满足预定条件的第二键合面；步骤2，对第一晶圆以及第二晶圆在常温下进行键合前预处理；步骤3，将经步骤2处理后的第一晶圆的第一键合面与第二晶圆的第二键合面进行键合，其中，步骤2中，键合前预处理包括等离子活化和预定清洗；步骤3中，是在常温条件下，并在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体，再将该预键合体，在压力范围为1000N‑12000N以及真空度为9.8×10^‑3‑1.1×10^‑8Pa的条件下，保持0.5‑20h，完成最终键合。

Description

一种晶圆键合方法以及相应的异质衬底制备的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种晶圆键合方法以及相应的异质衬底制备的方法。

背景技术

随着半导体制造领域的技术革新，晶圆键合在半导体异质集成制造领域的作用日渐突出。例如，铌酸锂等铁电单晶作为一种性能优异的铁电单晶半导体，因其具有良好的光电、声光、压电、双折射、非线性等物理特性及耐高温、抗腐蚀、机械性能稳定等特性，被广泛应用于滤波器、光电调制器、光波导、倍频转换器、全息存储等方面。随着近年来，稀土掺杂工程、畴工程、近化学计量比生长和加工技术的完善，有关铌酸锂光电子器件如全光信号处理、光学数据存储、光学传感等领域更是迅猛发展。

然而，而诸如铌酸锂铁电单晶材料，在高温退火300℃以上会出现相变甚至出现部分分解形成LiNb₃O₈相或者以氧化锂(Li₂O)，另外键合体在高温退火下出现热失配结构碎裂与解键合等诸多问题，局限了铌酸锂器件的应用。

因而，设计一种改进以不同晶圆直接键合的新方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能在常温下实现不同晶圆材料实现良好键合的晶圆键合方法以及相应的异质衬底制备的方法。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供了一种晶圆键合方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提供第一晶圆以及第二晶圆，第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，第二晶圆具有满足预定条件的第二键合面；步骤2，对第一晶圆以及第二晶圆在常温下进行键合前预处理；步骤3，将经步骤2处理后的第一晶圆的第一键合面与第二晶圆的第二键合面进行键合，其中，步骤2中，键合前预处理包括等离子活化和预定清洗；步骤3中，是在常温条件下，并在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体，再将该预键合体，在压力范围为1000N-12000N以及真空度为9.8×10^-3-1.1×10^-8Pa的条件下，保持0.5-20h，完成最终键合。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，第一键合面的材料为Si、SiO₂、Ge、GaN、AlN、SiC、铁电单晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、蓝宝石以及金刚石中的任意一种，第二键合面的材料为Si、SiO₂、Ge、GaN、AlN、SiC、铁电单晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、蓝宝石以及金刚石中的任意一种。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，第一键合面的材料为Si、SiO₂中的任意一种，第二键合面的材料为铁电单晶。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，铁电单晶为铌酸锂、钽酸锂、铌镁酸铅-钛酸铅、磷酸钛氧钾以锆钛酸铅中的任意一种或多种。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，施加范围为500N-3000N的初始压力进行预键合。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，第一晶圆的厚度范围为100-1000μm，第一晶圆的直径范围为2-4英寸。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，所第二晶圆的厚度范围为100-1000μm，第二晶圆的直径范围为2-4英寸。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，预定条件为：第一键合面以及第二键合面的粗糙度均低于1um，洁净度均为存在1-5个纳米级颗粒。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，步骤2中，键合前预处理具体为：对第一晶圆与第二晶圆进行等离子体活化；对第一晶圆和第二晶圆进行预定清洗。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，使用Ar/O₂束进行等离子活化。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，预定清洗具体包括：采用RCA1清洗液清洗10min后，采用RCA2清洗液清洗10min，然后用去离子水清洗后N₂吹干，并且，RCA1清洗液的组成为：H₂SO₄∶H₂O₂＝3∶1，RCA2清洗液的组成为NH₃·H₂O∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6。

本发明提供的晶圆键合方法，还具有这样的特征：其中，预定清洗还包括：在采用RCA1进行清洗前，顺序采用丙酮、异丙醇，乙醇以及去离子水分别超声清洗20min。

本发明还提供一种异质衬底制备的方法，其特征在于：采用如上述的晶圆键合方法进行晶圆键合。

发明作用与效果

本发明提供的晶圆键合方法，由于提供的第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，提供的第二晶圆具有满足预定条件的第二键合面，同时还在进行键合前对第一晶圆以及第二晶圆在常温下进行包括包括等离子活化和预定清洗的键合前预处理，然后又在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体，再将该预键合体在压力范围为1000N-12000N以及真空度为9.8×10^-3-1.1×10^-8Pa的条件下，保持0.5-20h，完成最终键合，所以能实现常温下就能达到键合强度能满足工艺需要的异质之间的晶圆键合，从而避免了高温晶圆键合会发生的热失配的问题，而且满足要求的晶圆的尺寸能达到4英寸，突破了进行晶圆键合对晶圆的一般尺寸要求。

附图说明

图1为实施例中涉及的晶圆键合方法的步骤流程图；

图2为实施例中涉及的晶圆键合方法的预定清洗流程图1；

图3为实施例中涉及的晶圆键合方法的预定清洗流程图2；

图4为实施例中所涉及的晶圆键合方法得到的键合体的键合强度测试原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。对于实施例中所用到的具体方法或材料，本领域技术人员可以在本发明技术思路的基础上，根据已有的技术进行常规的替换选择，而不仅限于本发明实施例的具体记载。

实施例

图1为实施例中涉及的晶圆键合方法的步骤流程图。

如图1所示，本实施例中，提供的晶圆键合方法具体包括以下步骤：

步骤1(S1)，提供第一晶圆以及第二晶圆，第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，第二晶圆具有满足预定条件的第二键合面。

这里的第一键合面指第一晶圆的用来键合的一个表面，同样地，第二键合面也指第二晶圆的用来键合的一个表面。

因为键合的两晶圆之间的表面的洁净度决定了键合能否成功与键合强度，如果键合片之间存在微尘颗粒，那键合很难成功，即使键合成功，键合体中间的微尘也会形成键合空洞(局部翘起，即颗粒四周键合上而有颗粒的部分未贴合)，直接影响其应用。表面粗糙度高(类似于存在颗粒，即表面不平整)，也会使键合面的贴合面积减小，从而使键合的关键作用力-范得瓦尔斯力减小，键合强度减弱，影响其应用，而如果两晶圆表面粗糙度低于1nm，那么晶圆可以通过氢键、范得瓦尔斯力等自发键合，即预键合。所以，为了满足后续的键合，第一键合面和第二键合面需要满足的预定条件是指：第一键合面以及第二键合面的粗糙度均低于1nm，洁净度均为存在1-5个纳米级颗粒。

作为用来进行键合的第一键合面和第二键合面，它们的材料分别都可以为Si、SiO₂、Ge、GaN、AlN、SiC、铁电单晶、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、蓝宝石以及金刚石中的任意一种，。当为铁电单晶时，优先为铌酸锂、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)、磷酸钛氧钾以及锆钛酸铅(PZT)等中的任意一种。

另外，第一晶圆和第二晶圆的厚度均为100-1000nm，之所以这样设定，是由于：晶圆越薄的话，柔性越好，也就是越薄超真空会引起吸附形变大一些，吸附也越好，越容易键合成功，所以厚度不能太厚，但是如果太薄，制造成本又过高，且太容易碎。所以，第一晶圆和第二晶圆的厚度范围在100-1000um之间既能保证后续的键合效果，又不至于成本过高，更优选地，当厚度为200-600um时，能在更好的成本下保证更好地键合效果。

另外，而本实施例中，第一晶圆和第二晶圆的直径范围均为2-4英寸。

另外，第一键合面或第二键合面为在硅衬底上生长的一层SiO₂薄膜，也即当第一键合面或第二键合面的材料为SiO₂时，SiO₂薄膜的厚度范围可以根据后面的工艺加工热适配决定，一般范围为100-3000nm。

步骤2(S2)，对第一晶圆以及第二晶圆在常温下进行键合前预处理。

键合前预处理具体地为：

S2-1，对第一晶圆与第二晶圆进行等离子体活化，相当于第一次活化：优选地，使用Ar/O₂束进行等离子活化。

S2-2，对第一晶圆和第二晶圆进行预定清洗，相当于第二次活化。

图2为实施例中涉及的晶圆键合方法的预定清洗流程图1。

如图2所示，预定清洗具体为：采用RCA1清洗液清洗10min后，采用RCA2清洗液清洗10min，然后用去离子水清洗后N₂吹干。

并且，RCA1清洗液的组成为：H₂SO₄∶H₂O₂＝3∶1，

RCA2清洗液的组成为NH₃·H₂O∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6。

图3为实施例中涉及的晶圆键合方法的预定清洗流程图2。

另外，如图3所示，必要时，还可以在进行RCA1清洗前，顺序采用丙酮、异丙醇，乙醇以及去离子水分别超声清洗20min，这样能去除第一晶圆和第二晶圆表面的有机物，使得它们的表面具有更高的其清洁度。

该预定清洗，事实上就是进行了浸润处理，由此进一步提高了晶圆表面活化程度，以获得能更好进行键合的第一键合面或第二键合面，从而使得能完成最终键合。

步骤3，将经步骤2处理后的第一晶圆的第一键合面与第二晶圆的第二键合面进行键合。

步骤3中，具体是：

S3-1，在常温条件下，并在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体；

S3-2，再在压力范围为1000N-12000N以及真空度为9.8×10^-3-1.1×10^-8Pa的条件下，保持0.5-20h，完成最终键,。

这里的预键合，是将活化后的晶圆贴在一起，施加一定的初始压力，以排除界面的空气，这有助于两块晶圆表面不平整的地方通过形变相互容纳，从而使所有能键合的点都充分接触。预键合在真空或者氮气氛围中进行。优选地，初始压力的范围为500N-3000N，这样的压力范围有助于两晶圆贴合更紧密，从而使键合面充分接触，增强范德瓦尔斯力。

根据本实施例提供的晶圆键合方法进行键合，能达到下述技术效果：

1.解决热失配的问题：由于键合工艺是在室温条件下进行的，所以不存在热失配的问题；

2.键合成功率高重复性好：由于晶圆表面进行的键合前预处理，使得晶圆具有超高洁净度(仅存在1-5个纳米级颗粒)和高活化的表面(二次活化)，再配合上本实施例步骤3提供的键合条件，从而保证了键合成功率，成功率在60％-95％之间，并且重复性较好。

3.提高了键合面积：本实施例提供的晶圆键合方法，基于我们所使用的晶圆面积，除可能会产生的微米级空洞外，键合面积占高于95％。

4.具有较强的键合强度：

图4为实施例中所涉及的晶圆键合方法得到的键合体的键合强度测试原理示意图。

首先，单位面积的界面能定义为机械地将键合在一起的第一晶圆和第二晶圆从原始距离d₀分开至无穷远处所作的功，用公式(1)表示:

式(1)中，γ₁、γ₂为键合分开瞬间产生的表面1、表面2的表面能,F(x)是分开的过程中单位面积的吸引力。我们就用这里得到的界面能(也称为键合能)来表示键合强度。

如果两键合晶圆，也即键合片，属于不相同材料，γ₁、γ₂可能不相等，键合强度为γ₁+γ₂；若键合片属于同种材料，就有γ₁＝γ₂＝γ，键合强度为2γ。习惯上,我们就用键合片被部分分开时的两键合片表面能的平均值作为键合强度。

本实施例提供的晶圆键合方法键合后，检测的键合强度5-50MPa之间，满足加工工艺应用。

5、提高了晶圆键合的晶圆尺寸：为了既能节省成本，又能达到一定的键合效果，目前晶圆的直径范围一般为2-3英寸，而本发明的也即最高能做到4英寸，在晶圆尺寸上得到了突破。

实施例作用与效果

本发明提供的晶圆键合方法，由于提供的第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，提供的第二晶圆具有满足预定条件的第二键合面，同时还在进行键合前对第一晶圆以及第二晶圆在常温下进行包括包括等离子活化和预定清洗的键合前预处理，然后又在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体，再将该预键合体在压力范围为1000N-12000N以及真空度为9.8×10^-3-1.1×10^-8Pa的条件下，保持0.5-20h，完成最终键合，所以能实现两个晶圆之间在常温下就能达到键合强度能满足工艺需要，特别是能让两个异质晶圆之间的键合强度能满足工艺需要，从而避免了高温晶圆键合会发生的热失配的问题，而且满足要求的晶圆的尺寸能达到4英寸，突破了进行晶圆键合对晶圆的一般尺寸要求。

另外，本发明还提供一种异质衬底制备的方法，采用如本实施例所述的晶圆键合方法进行晶圆键合，从而如本实施例一样能在常温下就得到晶圆键合符合工艺要求的异质衬底。

Claims (12)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，提供第一晶圆以及第二晶圆，所述第一晶圆具有满足预定条件的第一键合面，所述第二晶圆具有满足所述预定条件的第二键合面；

步骤2，对所述第一晶圆以及所述第二晶圆在常温下进行键合前预处理；

步骤3，将经步骤2处理后的所述第一晶圆的所述第一键合面与所述第二晶圆的所述第二键合面进行键合，

其中，

步骤2中，所述键合前预处理包括等离子活化和预定清洗；

步骤3中，是在常温条件下，并在真空或保护气氛条件下进行预键合得到预键合体，再将该预键合体在压力范围为1000N-12000N以及真空度为9.8×10^-3-1.1×10^-8Pa的条件下，保持0.5-20h，完成最终键合。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述第一键合面的材料为Si、SiO2、Ge、GaN、AlN、SiC、铁电单晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、蓝宝石以及金刚石中的任意一种，

所述第二键合面的材料为Si、SiO2、Ge、GaN、AlN、SiC、铁电单晶体、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体、蓝宝石以及金刚石中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，第一键合面的材料为Si、SiO₂中的任意一种，

所述第二键合面的材料为铁电单晶。

4.根据权利要求2或3所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述铁电单晶为铌酸锂、钽酸锂、铌镁酸铅-钛酸铅、磷酸钛氧钾以及锆钛酸铅中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，施加范围为500N-3000N的初始压力进行所述预键合。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述第一晶圆的厚度范围为100-1000μm，所述第一晶圆的直径范围为2-4英寸。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所第二晶圆的厚度范围为100-1000μm，所述第二晶圆的直径范围为2-4英寸。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述预定条件为：所述第一键合面以及所述第二键合面的粗糙度均低于1nm，洁净度均为存在1-5个纳米级颗粒。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，使用Ar/O₂束进行所述等离子活化。

10.根据权利要求1-3任意一项所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述预定清洗具体包括：

采用RCA1清洗液清洗10min后，采用RCA2清洗液清洗10min，然后用去离子水清洗后N₂吹干，

并且，RCA1清洗液的组成为：H₂SO₄∶H₂O₂＝3∶1，

RCA2清洗液的组成为NH₃·H₂O∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6。

11.根据权利要求10所述的晶圆键合方法，其特征在于：

其中，所述预定清洗还包括：在采用所述RCA1进行清洗前，顺序采用丙酮、异丙醇，乙醇以及去离子水分别超声清洗20min。

12.一种异质衬底制备的方法，其特征在于：

采用如权利要求1-11任意一项所述的晶圆键合方法进行晶圆键合。