CN114334622A - 一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微电子器件封装技术领域，具体公开了一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法，包括：获取第一晶圆的第一初始翘曲度和第二晶圆的第二初始翘曲度，分别对第一晶圆和第二晶圆施加应力，使得第一晶圆发生形变调整以补偿第一初始翘曲度，第二晶圆发生形变调整以补偿第二初始翘曲度；对发生形变调整后的第一晶圆和第二晶圆进行表面活化，在室温及1000mbar～6000mbar压强下进行键合，得到键合结构；施加应力的方法为沉积二氧化硅薄膜，通过调整二氧化硅薄膜的致密性及厚度，能控制应力方向和大小。本发明通过沉积二氧化硅薄膜的方式对待键合的晶圆进行形变补偿，并进行表面活化处理，可实现在室温常压下的晶圆直接键合。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造及微电子器件封装技术领域，更具体地，涉及一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法。
背景技术
随着高集成度、高性能、微型化的需求越来越大，10kV及以上高压碳化硅器件制备过程中需要采用去除衬底的薄片工艺，现有工艺无法支撑薄片，键合工艺采用将减薄后的外延片与支撑碳化硅片键合的技术，可以应用传统工艺实现高压碳化硅器件的薄片加工，提高器件制备率。
晶圆键合技术是指将两片经过抛光的表面洁净、平整、光滑的晶圆基于分子间作用力或化学键直接结合在一起，不使用粘结剂的无胶键合技术，下层SiC材料作为支撑层，上层SiC材料为器件层，不需要引入中间层即可实现材料间的直接连接，不存在杂质引入问题，并且SiC晶圆键合技术能克服厚膜外延沉积不均匀和外延晶格失配问题，减小器件制造工艺过程中碎片的风险，可极大降低芯片制造成本。
中国专利文献CN109904064A公开了一种提高碳化硅直接键合强度的方法，需用氢氟酸处理，并且加热至1100℃～1300℃。中国专利文献CN106449379A公开了一种用于直接键合硅与硅或碳化硅与碳化硅的方法，该方法中可以不使用氢氟酸，但需要在高于或等于1335℃且低于1414℃的温度范围内进行键合。这些键合工艺都需要高温和/或酸性的键合环境，很难在常温常压条件下不需要中间层对SiC晶圆进行直接键合。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法，旨在解决现有不需要中间层的晶圆直接键合工艺需要在高温高压或酸性等苛刻条件下进行的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法，包括如下步骤：
获取第一晶圆的第一初始翘曲度，对所述第一晶圆施加应力，使得所述第一晶圆发生形变调整以补偿所述第一初始翘曲度；
获取第二晶圆的第二初始翘曲度，对所述第二晶圆施加应力，使得所述第二晶圆发生形变调整以补偿所述第二初始翘曲度；
对发生形变调整后的第一晶圆和发生形变调整后的第二晶圆进行表面活化，在室温及1000mbar～6000mbar压强下进行键合，得到键合结构；
其中，所述施加应力的方法为沉积二氧化硅薄膜，通过调整二氧化硅薄膜的致密性及厚度，能够控制施加的应力的方向和大小。
优选地，所述第一晶圆和所述第二晶圆为碳化硅衬底、碳化硅外延或硅。
优选地，本发明方法还包括根据薄膜厚度-形变模型，通过调整二氧化硅薄膜的厚度，以控制施加的应力的大小，从而调控发生形变调整后的待键合晶圆的翘曲度，其中所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆，所述薄膜厚度-形变模型如公式I所示：
其中，A1为所述待键合晶圆的初始翘曲度，B1为所述待键合晶圆的厚度，E1为所述待键合晶圆的杨氏模量，α1为所述待键合晶圆的热膨胀系数，A2为沉积后结构的翘曲度，B2为所述二氧化硅薄膜的厚度，E2为所述二氧化硅薄膜的杨氏模量，α2为所述二氧化硅薄膜的热膨胀系数，ΔT为沉积温度和室温的差值，c为均匀应变分量，C2为中性面位置，所述中性面位置的计算公式如公式II所示：
进一步优选地，获得二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2的方法如下：
在同一厚度的硅片上分别沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
分别在不同厚度的硅片上沉积相同厚度的二氧化硅薄膜，利用椭偏仪对沉积的二氧化硅薄膜进行厚度测试以保证所述二氧化硅薄膜厚度的一致性，并对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
将得到的多组应变信息代入公式I，计算得到沉积的二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2；
其中，所述应变信息包括所述硅片的厚度B1、初始翘曲度A1以及二氧化硅薄膜的厚度B2、沉积后的硅片的翘曲度A2。
优选地，所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆的翘曲度均小于10μm。
优选地，当待键合晶圆的初始翘曲方向由键合面指向非键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加压应力；当待键合晶圆的初始翘曲方向由非键合面指向键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加拉应力；其中，所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆。
进一步优选地，所述施加压应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积致密二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为80sccm～120sccm，一氧化二氮的流量为700sccm～720sccm。
进一步优选地，所述施加拉应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积普通二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为440sccm～460sccm，一氧化二氮的流量为730sccm～760sccm。
优选地，所述表面活化过程如下：对所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆进行氧离子和氩粒子流活化，氧气流量为40sccm～150sccm，氩气流量为0～120sccm，活化功率为30W～300W，活化时间为10s～600s。
优选地，在进行键合之后，还包括对所述键合结构进行退火处理，所述退火处理具体如下：退火温度为200℃～300℃，退火时间为60min～300min。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明通过在待键合晶圆器件背面沉积薄膜的方式对晶圆施予与初始形变相反方向的应力进行形变补偿，并对晶圆表面进行活化处理，可实现在室温低压下的晶圆直接键合，有效避免了对晶圆上的器件性能产生影响；同时，通过调整沉积的二氧化硅薄膜的致密性及厚度，实现施加应力方向和大小的可调可控。
(2)本发明在针对碳化硅晶圆进行键合时，不需要直接在昂贵的碳化硅片上进行实验来获取沉积材料的厚度与形变的关系，而是基于在硅基底上沉积所产生的形变变化，得到沉积材料厚度与形变的关系，进而计算得到碳化硅基底上沉积所发生的形变，这样在保证直接键合的可靠性的同时，降低了成本。
(3)本发明提供的晶圆直接键合方法，操作简单易行，无需苛刻的反应条件，且可实现键合的精准调控，实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例提供的待键合的碳化硅衬底和碳化硅外延的初始形变示意图；
图2为本发明实施例提供的待键合的碳化硅衬底在沉积下二氧化硅薄膜前后的形变变化示意图；
图3为本发明实施例提供的待键合的碳化硅外延在沉积上二氧化硅薄膜前后的形变变化示意图；
图4为本发明实施例提供的碳化硅衬底和碳化硅外延在进行形变补偿后的键合示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法，包括如下步骤：
获取第一晶圆的第一初始翘曲度，对所述第一晶圆施加应力，使得所述第一晶圆发生形变调整以补偿所述第一初始翘曲度；
获取第二晶圆的第二初始翘曲度，对所述第二晶圆施加应力，使得所述第二晶圆发生形变调整以补偿所述第二初始翘曲度；
对发生形变调整后的第一晶圆和发生形变调整后的第二晶圆进行表面活化，在室温及1000mbar～6000mbar压强下进行键合，得到键合结构；
其中，所述施加应力的方法为沉积二氧化硅薄膜，通过调整二氧化硅薄膜的致密性及厚度，能够控制施加的应力的方向和大小。
本发明通过沉积薄膜的方式对待键合的晶圆施予与初始形变相反方向的应力进行形变补偿，并且对晶圆表面进行活化处理，可实现在室温低压下的晶圆直接键合，有效避免了对晶圆上的器件性能产生影响。同时，通过调整沉积的二氧化硅薄膜的致密性及厚度，实现施加应力方向和大小的可调可控。
一些实施例中，所述第一晶圆和所述第二晶圆为高纯碳化硅或硅，应当理解的是，这里的待键合第一晶圆和第二晶圆既可以是衬底，也可以是外延。
薄膜的应力由热应力和本征应力两部分组成。热应力起源于薄膜与衬底之间热膨胀系数的不同，并且衬底与二氧化硅层结构的翘曲必须满足力平衡状态的边界条件，基于此理论，本发明推导出薄膜厚度-形变模型，如公式I所示。本发明实施例中晶圆直接键合的方法还包括根据薄膜厚度-形变模型，通过调整二氧化硅薄膜的厚度，以控制施加的应力的大小，从而调控发生形变调整后的待键合晶圆的翘曲度，其中所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆，所述薄膜厚度-形变模型：
其中，A1为所述待键合晶圆的初始翘曲度，B1为所述待键合晶圆的厚度，E1为所述待键合晶圆的杨氏模量，α1为所述待键合晶圆的热膨胀系数，A2为沉积后结构的翘曲度，B2为所述二氧化硅薄膜的厚度，E2为所述二氧化硅薄膜的杨氏模量，α2为所述二氧化硅薄膜的热膨胀系数，ΔT为沉积温度和室温的差值，c为均匀应变分量，C2为中性面(弯曲应变为零的平面)位置，所述中性面位置的计算公式如公式II所示：
进一步地，获得二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2的方法如下：
在同一厚度的硅片上分别沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
分别在不同厚度的硅片上沉积相同厚度的二氧化硅薄膜，利用椭偏仪对沉积的二氧化硅薄膜进行厚度测试以保证所述二氧化硅薄膜厚度的一致性，并对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
将得到的多组应变信息代入公式I，计算得到沉积的二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2；
其中，所述应变信息包括所述硅片的厚度B1、初始翘曲度A1以及二氧化硅薄膜的厚度B2、沉积后的硅片的翘曲度A2。
本发明提出可基于硅基底的沉积及其形变来计算碳化硅基底沉积及其形变，实现了在较低成本实验条件下对价值昂贵的晶圆进行键合的计算。
一些实施例中，为了保证亲水键合的效果，所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆的翘曲度均小于10μm。
一些实施例中，当待键合晶圆的初始翘曲方向由键合面指向非键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加压应力；当待键合晶圆的初始翘曲方向由非键合面指向键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加拉应力；其中，所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆。本领域技术人员应当理解的是，所述键合面为待键合晶圆上做了器件的一面，所述非键合面为背离键合面的一面。
本发明通过大量应力测试，得到产生应力的方向与沉积的二氧化硅薄膜的致密性的关系，其中应力测试方法可采用悬臂梁法、牛顿环法等。具体地，所述施加压应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积(PEVCD)工艺沉积致密二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为80sccm～120sccm，一氧化二氮的流量为700sccm～720sccm。
具体地，所述施加拉应力的方法为采用PEVCD工艺沉积普通二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为440sccm～460sccm，一氧化二氮的流量为730sccm～760sccm。
一些实施例中，所述表面活化过程如下：对所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆进行氧离子和氩粒子流活化，氧气流量为40sccm～150sccm，氩气流量为0～120sccm，活化功率为30W～300W，活化时间为10s～600s。对待键合晶圆进行活化处理，使得晶圆表面形成氢氧根离子，这样既可以将晶圆表面变为亲水性，又可以避免由于范德华力作用将环境中的杂质颗粒吸附表面带来的影响。
需要说明的是，本发明提供的表面活化处理的优化条件是通过多次活化后的接触角测试验证得到的，具体方法如下：利用接触角测试仪，对同一批硅片进行测试，得到初始接触角，在RIE设备中，对硅片进行氧离子和氩粒子流活化；在同一处理功率、不同处理时长的氧离子流下活化硅片，活化后进行测试，得到活化后的接触角以及接触角最大时对应的处理时长；在同一处理时长、不同处理功率的氧离子流下活化硅片，活化后进行测试，得到活化后的接触角以及接触角最大时对应的处理功率。
一些实施例中，为使得晶圆键合更牢固，在进行键合之后，还包括对所述键合结构进行退火处理，所述退火处理具体如下：退火温度为200℃～300℃，退火时间为60min～300min。
以下结合具体实施例，对上述技术方案详细说明。
下面以一对碳化硅衬底10和碳化硅外延20的直接键合为例来说明本发明技术方案。
通过薄膜应力测试仪，测量出待键合的碳化硅衬底10的初始翘曲度A11、厚度B11和碳化硅外延20的初始翘曲度A12、厚度B12，如图1所示，即本实施例中需对碳化硅衬底10和碳化硅外延20施加拉应力以进行形变补偿。
施加拉应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积(PEVCD)工艺沉积普通二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为20W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为450sccm，一氧化二氮的流量为750sccm。以下均采用该工艺进行二氧化硅薄膜的沉积。
基于薄膜厚度-形变模型：
其中，A1为待键合晶圆的初始翘曲度，B1为待键合晶圆的厚度，E1为待键合晶圆的杨氏模量，α1为待键合晶圆的热膨胀系数，A2为沉积后结构的翘曲度，B2为沉积的二氧化硅薄膜的厚度，E2为二氧化硅薄膜的杨氏模量，α2为二氧化硅薄膜的热膨胀系数，ΔT为沉积温度和室温的差值，c为均匀应变分量，C2为中性面位置。
利用不同的处理时间在同一厚度的硅片上分别沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，对沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到几组所需的应变信息(硅片的厚度B1、初始翘曲度A1以及二氧化硅薄膜的厚度B2、沉积后的硅片的翘曲度A2)；在不同厚度的硅片上沉积厚度相同的二氧化硅薄膜，对沉积后的二氧化硅薄膜进行椭偏仪测试以保证厚度的一致性，对沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到另几组所需的应变信息(硅片的厚度B1、初始翘曲度A1以及二氧化硅薄膜的厚度B2、沉积后的硅片的翘曲度A2)。将上述应变信息以及沉积温度和室温的差值ΔT分别代入上述模型的多元方程，得到所沉积的二氧化硅薄膜的材料属性(杨氏模量E2和热膨胀系数α2)，并求得c和C2的对应值。
通过上述方式得到沉积的二氧化硅薄膜的参数(杨氏模量E2和热膨胀系数α2)以及所选用的碳化硅衬底10的参数(初始翘曲度A11和厚度B11)，将其代入到模型中，将沉积后的碳化硅衬底10的翘曲度A21控制在10μm以内，即可计算出补偿所选用的碳化硅衬底10的初始形变所需要沉积的下二氧化硅薄膜30的厚度B21，如图2所示。通过上述方式得到沉积的二氧化硅薄膜的参数(杨氏模量E2和热膨胀系数α2)以及所选用的碳化硅外延20的参数(初始翘曲度A12和厚度B12)，将其代入到模型中，将沉积后的碳化硅外延20的翘曲度A22控制在10μm以内，即可计算出补偿所选用的碳化硅外延20的初始形变所需要沉积的上二氧化硅薄膜40的厚度B22，如图3所示。
进行PECVD镀膜后，将两块SiC片先用alpha进行氧清洗流程，接着在RIE设备中进行氧离子和氩粒子流活化工作，活化条件：氧气流量为100sccm，氩气流量为60sccm，活化功率为100W，活化时间为180s。活化后，在黄光室里进行水冲击，再将表面水吹干，然后将两块SiC片在室温4000mbar压强下进行直接键合，最后在温箱中进行3h的300℃退火处理，完成键合，如图4所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用薄膜沉积补偿形变进行晶圆直接键合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取第一晶圆的第一初始翘曲度，对所述第一晶圆施加应力，使得所述第一晶圆发生形变调整以补偿所述第一初始翘曲度；
获取第二晶圆的第二初始翘曲度，对所述第二晶圆施加应力，使得所述第二晶圆发生形变调整以补偿所述第二初始翘曲度；
对发生形变调整后的第一晶圆和发生形变调整后的第二晶圆进行表面活化，在室温及1000mbar～6000mbar压强下进行键合，得到键合结构；
其中，所述施加应力的方法为沉积二氧化硅薄膜，通过调整二氧化硅薄膜的致密性及厚度，能够控制施加的应力的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一晶圆和所述第二晶圆为碳化硅衬底、碳化硅外延或硅。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括根据薄膜厚度-形变模型，通过调整二氧化硅薄膜的厚度，以控制施加的应力的大小，从而调控发生形变调整后的待键合晶圆的翘曲度，其中所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆，所述薄膜厚度-形变模型如公式I所示：
其中，A1为所述待键合晶圆的初始翘曲度，B1为所述待键合晶圆的厚度，E1为所述待键合晶圆的杨氏模量，α1为所述待键合晶圆的热膨胀系数，A2为沉积后结构的翘曲度，B2为所述二氧化硅薄膜的厚度，E2为所述二氧化硅薄膜的杨氏模量，α2为所述二氧化硅薄膜的热膨胀系数，ΔT为沉积温度和室温的差值，c为均匀应变分量，C2为中性面位置，所述中性面位置的计算公式如公式II所示：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获得二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2的方法如下：
在同一厚度的硅片上分别沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
分别在不同厚度的硅片上沉积相同厚度的二氧化硅薄膜，利用椭偏仪对沉积的二氧化硅薄膜进行厚度测试以保证所述二氧化硅薄膜厚度的一致性，并对初始硅片和沉积后的硅片的翘曲度进行测试，得到相应的应变信息；
将得到的多组应变信息代入公式I，计算得到沉积的二氧化硅薄膜的杨氏模量E2和热膨胀系数α2；
其中，所述应变信息包括所述硅片的厚度B1、初始翘曲度A1以及二氧化硅薄膜的厚度B2、沉积后的硅片的翘曲度A2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆的翘曲度均小于10μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当待键合晶圆的初始翘曲方向由键合面指向非键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加压应力；当待键合晶圆的初始翘曲方向由非键合面指向键合面时，向待键合晶圆的非键合面施加拉应力；其中，所述待键合晶圆为所述第一晶圆或所述第二晶圆。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加压应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积致密二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为80sccm～120sccm，一氧化二氮的流量为700sccm～720sccm。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述施加拉应力的方法为采用等离子体增强化学气相沉积工艺沉积普通二氧化硅薄膜，沉积过程中的工艺参数为：沉积功率为10W～30W，以硅烷和一氧化二氮为反应气体，硅烷的流量为440sccm～460sccm，一氧化二氮的流量为730sccm～760sccm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面活化过程如下：对所述发生形变调整后的第一晶圆和所述发生形变调整后的第二晶圆进行氧离子和氩粒子流活化，氧气流量为40sccm～150sccm，氩气流量为0～120sccm，活化功率为30W～300W，活化时间为10s～600s。
10.根据权利要求1-9任一所述的方法，其特征在于，在进行键合之后，还包括对所述键合结构进行退火处理，所述退火处理具体如下：退火温度为200℃～300℃，退火时间为60min～300min。
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