CN112053938A - 一种晶圆键合方法 - Google Patents
一种晶圆键合方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112053938A CN112053938A CN202010955616.XA CN202010955616A CN112053938A CN 112053938 A CN112053938 A CN 112053938A CN 202010955616 A CN202010955616 A CN 202010955616A CN 112053938 A CN112053938 A CN 112053938A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wafer
- nitrogen
- gradient
- bonding
- bonding method
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/185—Joining of semiconductor bodies for junction formation
- H01L21/187—Joining of semiconductor bodies for junction formation by direct bonding
Abstract
本发明提供了一种晶圆键合方法，包括以下步骤：对待键合的晶圆进行等离子体活化处理；对经过等离子体活化处理后的晶圆进行清洗；以梯度升温模式对清洗后的晶圆进行氮气干燥；对干燥后的晶圆进行预键合和键合。该方法通过采用热氮气梯度加热，对整片晶圆进行氮气干燥处理，以消除或减少键合后两片晶圆之间的空洞形成。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶圆键合方法，属于半导体制造技术领域。
背景技术
随着半导体技术的发展，硅片在半导体行业中有着广泛并重要的应用。晶圆之间的连接通常采用键合技术，利用两片晶圆键合表面的原子键合力，经过处理使键合表面的原子反应产生共价键合，并实现一定的键合强度。
晶圆键合技术指的是在不添加粘合剂的情况下先对晶圆进行清洗，之后进行晶圆表面活化处理，再进行两片晶圆的预键合，然后经过一些物理化学反应使键合晶圆对形成一个整体。常用的键合技术有阳极键合、共晶键合等。
随着半导体制造技术的发展，键合技术也面临着挑战，迫切需要克服键合失效以及晶圆破裂等问题。
常用的等离子体活化键合法可以将两片晶圆在室温下预键合到一起，经过200～400℃的低温退火后达到一定的键合强度。该方法操作方便且成本相对较低，受到了研究者和工业界的重视，但存在的问题是在低温退火过程中，晶圆的键合界面中往往出现大量的孔洞(Void)，这些孔洞严重降低了器件的成品率和可靠性。
此外，如果晶圆表面被颗粒物污染，也会造成孔洞缺陷。因此，在进行键合前通常需要对晶圆表面进行化清洗。当前采用的氮气干燥方法通常在常温下进行，但是清洗之后残留在晶圆表面的化学清洗剂或水分在后续的退火过程中受热挥发，也会在晶圆表面形成孔洞。
中国专利申请CN2018100965559公开了一种氮气清洗方法，通过对晶圆背面和正面的倒角处在氮气保护下进行清洗，以解决晶圆键合时边缘产生缺陷的问题。该方法仅对晶圆进行局部清洗，且氮气保护的清洗也在常温下进行，不能解决晶圆表面清洗剂和水分残留产生空洞的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种晶圆键合方法，通过采用热氮气梯度加热，对整片晶圆进行氮气干燥处理，以消除或减少整个晶圆表面的孔洞形成。
根据本发明的一个方面，提供一种晶圆键合方法，包括以下步骤：
对待键合的晶圆进行等离子体活化处理；
对经过等离子体活化处理后的晶圆进行清洗；
以梯度升温模式对清洗后的晶圆进行氮气干燥；
对干燥后的晶圆进行预键合和键合。
优选地，氮气干燥步骤中，氮气温度为23～150℃。
氮气干燥步骤中，所述梯度升温模式包括第一梯度和第二梯度，其中，所述第一梯度氮气温度为23～70℃，第二梯度氮气温度为70～150℃。
优选地，所述第一梯度氮气流速为10～20L/min。所述第二梯度氮气流速为10～20L/min。
优选地，所述晶圆键合方法在清洗步骤之后、氮气干燥步骤之前还依次包括二相流喷射步骤和超纯水喷射步骤。其中，所述二相流包括水相和水相中夹带的微纳米气泡。
优选地，氮气干燥步骤中，氮气流在晶圆表面从晶圆中心向外吹扫并进行往复运动。并且，氮气流吹扫距离为距离晶圆表面20～50mm。
根据本发明的方法通过氮气梯度加热，使清洗后残留在晶圆表面的清洗剂和水分干燥充分，从而消除或减少键合过程中整个晶圆表面的空洞形成，降低键合晶圆的空洞率，从而提高制程的空洞良率。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了根据本发明的晶圆键合方法的工艺流程图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的晶圆键合方法，包括以下步骤：
对待键合的晶圆进行等离子体活化处理；
对经过等离子体活化处理后的晶圆进行清洗；
以梯度升温模式对清洗后的晶圆进行氮气干燥；
对干燥后的晶圆进行预键合和键合。
上述等离子体活化处理步骤通过利用等离子体对晶圆的待键合表面进行轰击，使其产生物理化学双重反应，使待键合表面的污染物变成粒子或气体状态，经过真空抽离而排出，从而达到对键合表面的清洗和活化目的。
上述等离子体活化处理步骤的等离子体的气体可为氮气、氧气或氩气中的一种或多种，例如可为氮气。
经过上述等离子体活化处理步骤后，需要对活化处理的晶圆进行清洗。该清洗步骤可以使用清洗剂进行，以去除等离子体活化处理步骤产生的污染物。
该清洗剂可为氢氟酸溶液、硝酸溶液和硫酸溶液中的任意一种或多种。
经过上述清洗步骤之后，对活化的晶圆进行氮气干燥步骤。该氮气干燥步骤中的氮气温度为23～150℃。
现有技术中通常采用常温的氮气流吹扫清洗后的晶圆表面，以对晶圆进行干燥。但该干燥过程会造成清洗之后残留的化学物质及水分挥发为气体后，被封在连接面中，从而形成空洞，在后续工艺中会造成键合区剥离而导致器件失效现象。
并且，通常认为采用氮气加热干燥容易造成晶圆翘曲，导致晶圆应力增大，从而增加损伤晶圆的概率，降低良率。
在本发明的上述氮气干燥步骤中，氮气流，例如通过清洗装置的氮气摆臂，在晶圆表面从晶圆中心向外吹扫并进行往复运动。氮气流吹扫距离可为距离晶圆表面20～50mm。
具体地，上述氮气干燥步骤采用梯度升温模式来有效降低加热过程中晶圆的翘曲现象，并且消除应力的影响。具体地，上述梯度升温模式包括第一梯度和第二梯度。
其中，第一梯度氮气温度为23～70℃(优选30～60℃，例如45℃)，氮气流速为10～20L/min，优选15L/min，氮气吹扫时间为20～40s，优选30s。
第二梯度氮气温度为70～150℃(优选80～140℃，例如110℃)，氮气流速为10～20L/min，优选15L/min，氮气吹扫时间为20～40s，优选30s。
优选地，上述氮气干燥步骤中，晶圆旋转速度可为1800～2200rpm，优选2000rpm。
通过本发明的上述氮气梯度干燥步骤，能使晶圆整个表面残留的清洗剂和水分快速、彻底地挥发，使得空洞良率(bonding void yield)达到99％以上，同时缩短了干燥时间，提高了生产效率。
根据一个具体实施方式，上述晶圆键合方法在清洗步骤之后、氮气干燥步骤之前还可依次包括二相流喷射步骤和超纯水喷射步骤。
其中，二相流包括水相和分散在水相中的微纳米气泡。这种二元相构成中，气体相可在清洗过程中使得液体相雾化，形成小颗粒，从而实现精细清洗，提高清洗效果。
具体地，在二相流喷射步骤中，二相流的流速可为0.5～1.5L/min，优选1L/min，清洗时间可为100～140s，优选120s。
上述二相流通过气体流(优选为氮气流)和液体流(优选为去离子水流)，以一定流速比混合通过喷嘴喷出，形成具有微纳米气泡的二相液体流。其中，气体流的流速通常为10～100L/min，液体流的流速通常为50～150mL/min。
在超纯水喷射步骤中，超纯水的流速可为0.5～1.5L/min，优选1L/min，清洗时间可为10～30s，优选20s。超纯水清洗步骤可更彻底地清除晶圆表面残留的污染物和清洗剂。
优选地，二相流喷射步骤和超纯水喷射步骤中，晶圆旋转速度可为550～650rpm，优选600rpm。
经过上述氮气梯度干燥步骤之后，干燥后的晶圆传送至晶圆预键合装置，进行对准，贴合，完成预键合。
将预键合后的晶圆对传送至键合装置，在300～400℃下加热，完成键合。
根据本发明的晶圆键合方法，利用梯度升温模式的氮气干燥步骤，使得晶圆表面的残余化学物质和水分迅速挥发，干燥充分，分阶梯的加热过程也避免晶圆受热产生应力，由此在不损伤晶圆的前提下，降低了键合前晶圆表面的化学物质和水分残留量，从而消除或大幅减少键合过程中空洞的产生，使空洞良率达到99％以上；同时对晶圆实现预加热，提高了键合工艺效率，防止加热过快导致晶圆应力增加而损伤晶圆。
实施例
实施例1
第一步：选用两个硅晶圆，且两个晶圆上分别存在若干个键合区。
第二步：对两个晶圆表面分别进行等离子体活化处理。将氮气压力维持5～10×10-2Pa之间，再开始放电施加交流电压220V，放电功率为200W。
第三步：进行清洗处理。将等离子体活化处理后的两片晶圆分别进行清洗工艺，使用清洗剂为RCA溶液(氨水与双氧水和水的混合液，比例为1:1:5)，试剂温度为23℃，流量为0.5L/min。晶圆旋转速度为600rpm。
第四步：对清洗后的晶圆进行二相流喷射处理。氮气流流速10L/min，去离子水流流速50mL/min，混合后经喷嘴喷出，形成夹带微纳米气泡的二相去离子水流。二相去离子水流的流速为0.5L/min，喷射时间为120s。晶圆旋转速度为600rpm。
第五步：对二相流喷射处理后的晶圆进行超纯水喷射处理。超纯水的流速为1L/min，清洗时间可为20s。晶圆旋转速度为600rpm。
第六步：对超纯水喷射处理后的晶圆进行氮气梯度干燥处理。第一梯度氮气温度为23℃，氮气流速为15L/min，氮气吹扫时间为30s。第二梯度氮气温度为80℃，氮气流速为15L/min，氮气吹扫时间为30s。氮气流吹扫距离为距离晶圆表面20mm。晶圆旋转速度均为2000rpm。
第七步：进行晶圆预键合。将一片晶圆装载至上卡盘，另一片装载至下卡盘，通过视觉系统及对位系统将两片晶圆的待键合区对准，对准后将两片晶圆贴合，进行预键合。
第八步：进行退火处理。将预键合后的晶圆对传入退火炉，退火温度为300℃，常压退火2h，获得最终的键合晶圆。
检测键合晶圆的空洞良率为99.4％。
实施例2
第一步：选用两个硅晶圆，且两个晶圆上分别存在若干个键合区。
第二步：对两个晶圆表面分别进行等离子体活化处理。将氮气压力维持5～10×10-2Pa之间，再开始放电施加交流电压220V，放电功率为200W。
第三步：进行清洗处理。将等离子体活化处理后的两片晶圆分别进行清洗工艺，使用清洗剂为RCA溶液(氨水与双氧水和水的混合液，比例为1:1:5)，试剂温度为23℃，流量为0.5L/min。晶圆旋转速度为600rpm。
第四步：对清洗后的晶圆进行二相流喷射处理。氮气流流速100L/min，去离子水流流速150mL/min，混合后经喷嘴喷出，形成夹带微纳米气泡的二相去离子水流。二相去离子水流的流速为1.5L/min，喷射时间为100s。晶圆旋转速度为600rpm。
第五步：对二相流喷射处理后的晶圆进行超纯水喷射处理。超纯水的流速为1.5L/min，清洗时间可为10s。晶圆旋转速度为600rpm。
第六步：对超纯水喷射处理后的晶圆进行氮气梯度干燥处理。第一梯度氮气温度为60℃，氮气流速为20L/min，氮气吹扫时间为20s。第二梯度氮气温度为150℃，氮气流速为20L/min，氮气吹扫时间为20s。氮气流吹扫距离为距离晶圆表面50mm。晶圆旋转速度均为2000rpm。
第七步：进行晶圆预键合。将一片晶圆装载至上卡盘，另一片装载至下卡盘，通过视觉系统及对位系统将两片晶圆的待键合区对准，对准后将两片晶圆贴合，进行预键合。
第八步：进行退火处理。将预键合后的晶圆对传入退火炉，退火温度为400℃，常压退火1h，获得最终的键合晶圆。
检测键合晶圆的空洞良率为99.7％。
对比例1
以与实施例1相同的方法进行晶圆键合，不同之处在于步骤四、五、六替换为常温氮气吹扫干燥。氮气流速为15L/min，氮气吹扫时间为60s。
检测键合晶圆的空洞良率为92.5％。
对比例2
以与实施例1相同的方法进行晶圆键合，不同之处在于步骤四、五、六替换为70℃氮气吹扫干燥。氮气流速为15L/min，氮气吹扫时间为60s。
检测键合晶圆的空洞良率为88.2％。
由以上实施例1和2以及对比例1和2可看出，根据本发明的方法，通过氮气梯度干燥处理后，键合晶圆的空洞良率显著增大，从而提高了生产效率。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
对待键合的晶圆进行等离子体活化处理；
对经过等离子体活化处理后的晶圆进行清洗；
以梯度升温模式对清洗后的晶圆进行氮气干燥；
对干燥后的晶圆进行预键合和键合。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，氮气干燥步骤中，氮气温度为23～150℃。
3.根据权利要求1或2所述的晶圆键合方法，氮气干燥步骤中，所述梯度升温模式包括第一梯度和第二梯度，其中，所述第一梯度氮气温度为23～70℃，第二梯度氮气温度为70～150℃。
4.根据权利要求3所述的晶圆键合方法，所述第一梯度氮气流速为10～20L/min。
5.根据权利要求3所述的晶圆键合方法，所述第二梯度氮气流速为10～20L/min。
6.根据权利要求1或2所述的晶圆键合方法，在清洗步骤之后、氮气干燥步骤之前还依次包括二相流喷射步骤和超纯水喷射步骤。
7.根据权利要6所述的晶圆键合方法，所述二相流包括水相和水相中夹带的微纳米气泡。
8.根据权利要求1或2所述的晶圆键合方法，氮气干燥步骤中，氮气流在晶圆表面从晶圆中心向外吹扫并进行往复运动。
9.根据权利要求8所述的晶圆键合方法，氮气流吹扫距离为距离晶圆表面20～50mm。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010646182 | 2020-07-07 | ||
| CN2020106461825 | 2020-07-07 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112053938A true CN112053938A (zh) | 2020-12-08 |
Family
ID=73610121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010955616.XA Pending CN112053938A (zh) | 2020-07-07 | 2020-09-11 | 一种晶圆键合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112053938A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112701058A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-23 | 长春长光圆辰微电子技术有限公司 | 晶圆键合力的测试方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040132304A1 (en) * | 1997-08-29 | 2004-07-08 | Silicon Genesis Corporation | In situ plasma wafer bonding method |
| CN104634087A (zh) * | 2013-11-07 | 2015-05-20 | 沈阳芯源微电子设备有限公司 | 一种快速干燥晶圆表面的吹扫装置 |
| CN109437096A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院 | 晶圆键合方法 |
| CN110473773A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-19 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 晶圆清洗方法及晶圆清洗设备 |
-
2020
- 2020-09-11 CN CN202010955616.XA patent/CN112053938A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040132304A1 (en) * | 1997-08-29 | 2004-07-08 | Silicon Genesis Corporation | In situ plasma wafer bonding method |
| CN104634087A (zh) * | 2013-11-07 | 2015-05-20 | 沈阳芯源微电子设备有限公司 | 一种快速干燥晶圆表面的吹扫装置 |
| CN109437096A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-08 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所南昌研究院 | 晶圆键合方法 |
| CN110473773A (zh) * | 2019-08-22 | 2019-11-19 | 北京北方华创微电子装备有限公司 | 晶圆清洗方法及晶圆清洗设备 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112701058A (zh) * | 2020-12-30 | 2021-04-23 | 长春长光圆辰微电子技术有限公司 | 晶圆键合力的测试方法 |
| CN112701058B (zh) * | 2020-12-30 | 2022-09-02 | 长春长光圆辰微电子技术有限公司 | 晶圆键合力的测试方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109671614B (zh) | 一种晶圆键合方法 | |
| CN106920743B (zh) | 基板处理方法及基板处理系统 | |
| CN111940394B (zh) | 半导体高阶制程apc装置的石英部件再生清洗方法 | |
| US20080015132A1 (en) | Cleaning methods for silicon electrode assembly surface contamination removal | |
| CN112053939B (zh) | 一种晶圆键合方法 | |
| CN102387872A (zh) | 使用粘弹性清洁材料去除衬底上的颗粒的设备和方法 | |
| JP5181085B2 (ja) | 処理装置及び処理方法 | |
| JP2011192885A (ja) | 半導体基板の洗浄方法 | |
| CN112053938A (zh) | 一种晶圆键合方法 | |
| CN111446188A (zh) | 一种半导体硅片表面清洗机构及其清洗工艺 | |
| CN110416066A (zh) | 清洗方法和清洗设备 | |
| CN111900071A (zh) | 半导体设备蚀刻装置硅电极部件的再生方法 | |
| CN115744813A (zh) | 一种mems级晶圆的低温熔融键合方法 | |
| CN109437096A (zh) | 晶圆键合方法 | |
| CN110508537A (zh) | 一种改善大尺寸晶片腐蚀清洗中喷液效率装置与方法 | |
| US9355836B2 (en) | Method and apparatus for liquid treatment of wafer shaped articles | |
| CN109727844B (zh) | 晶片的清洗方法 | |
| WO2022242539A1 (zh) | 陶瓷件清洗方法 | |
| CN114078692B (zh) | 一种晶圆清洗方法和晶圆清洗设备 | |
| CN109216180A (zh) | 基板处理方法和基板处理装置 | |
| CN112768376B (zh) | 一种晶圆清洗装置和晶圆清洗方法 | |
| CN101770931B (zh) | 晶圆表面有机粒子杂质去除方法 | |
| CN103021904A (zh) | 晶片洗涤器和晶片洗涤方法 | |
| JP2002164316A (ja) | 基板洗浄方法および基板洗浄装置 | |
| CN112871853B (zh) | 多孔吸盘的清洗方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100176 floor 2, building 2, yard 19, Kechuang 10th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing (Yizhuang group, high-end industrial area of Beijing Pilot Free Trade Zone) Applicant after: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. Address before: 100176 4th floor, building 10, No.156 courtyard, Jinghai 4th Road, economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Applicant before: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201208 |