CN116206956A - 一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件和方法，属于半导体技术领域，解决了现有技术中通过水前驱体辅助生长氧化铝键合晶圆中界面气泡多的问题。所述器件包括第一晶圆、第二晶圆，以及位于所述第一晶圆和第二晶圆之间且从所述第一晶圆至所述第二晶圆依次叠加排列的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层和前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，两个所述前驱体水辅助生长氧化铝层之间键合连接。该器件可以有效抑制界面处H2O气泡的产生。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件和方法。
背景技术
随着人们对移动终端、可穿戴电子器件和数据通信等电子设备的需求越来越多，对其性能的要求也越来越高，关于半导体技术的研究也变得越来越重要。
晶圆是整个半导体技术的基础材料，且晶圆键合可以有效实现新结构，高效低成本制造材料/器件的异质异构集成，因此，晶圆键合在半导体领域成为了不可或缺的关键技术。传统的硅熔键合和等离子体键合方法均是基于亲水性材料表面的羟基聚合，一般需要200-1000℃的高温退火才能够获得较高的键合强度，但羟基聚合和高温退火会引起热应力、热损伤和界面孔洞等问题，特别是对于新型化合物半导体材料或其他特殊应用场合。
当键合的晶圆在后续需满足临时键合或者自截止工艺的需求时，通常在两个晶圆片之间插入键合辅助层，以达到物理隔离或自截止的效果。键合辅助层可以选择氧化硅或氧化铝等材料。因为氧化铝材料键能更强，导热性适中，具备一定吸附界面处的水分子的能力，透光性强，在光、电领域都有着广阔的发展前景，在某些高温兼容工艺需求下，会优先考虑氧化铝介质。
传统的晶圆键合是分别在两个晶圆表面采用前驱体水辅助生长氧化铝，然后将两个晶圆键合，该方法键合后的键合界面气泡较多。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件和方法，用以解决现有的通过水前驱体辅助生长氧化铝键合晶圆中气泡多的问题。
一方面，本发明提供了一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件，所述器件包括第一晶圆、第二晶圆，以及位于所述第一晶圆和第二晶圆之间且从所述第一晶圆至所述第二晶圆依次叠加排列的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层和前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，两个所述前驱体水辅助生长氧化铝层之间键合连接。
优选地，步骤A中，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层的厚度大于2nm。
优选地，步骤A中，所述前驱体水辅助生长氧化铝层的厚度不超过2nm。
另一方面，本发明提供了一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合方法，前驱体水辅助生长氧化铝层为晶圆键合层，在前驱体水辅助生长氧化铝层的键合侧的相对侧设置前驱体臭氧辅助生长氧化铝层。
优选地，所述方法包括如下步骤：
步骤A：分别在第一晶圆和第二晶圆的表面形成复合氧化铝层，所述复合氧化铝层包括由第一晶圆表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层和前驱体水辅助生长氧化铝层；
步骤B：对含有复合氧化铝层的第一晶圆和第二晶圆进行表面活化处理；
步骤C：将第一晶圆和第二晶圆的复合氧化铝层相对接触放置，进行键合处理。
优选地，步骤A中，所述形成复合氧化铝层的方法为ALD沉积法。
优选地，步骤A中，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层和所述前驱体水辅助生长氧化铝层的生长温度均小于350℃。
优选地，步骤B中，所述表面活化处理为等离子体活化处理法，所述表面活化处理的温度为16-26℃。
优选地，步骤C中，所述键合处理在真空腔室中进行，所述真空腔体的压强在10-7-10-10Pa。
优选地，步骤C中，所述键合处理的键合压力为100-1000kg，键合温度为16-26℃。
第三方面，本发明还提供了一种器件，包括根据上述方法制得的晶圆。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明的晶圆键合器件和方法中，采用前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，该层中主要为O离子，仅存在极少的O-H键，为前驱体水辅助生长氧化铝层键合时界面形成的H2O基团以及后续高温工艺(例如在后续对键合后的晶圆器件实施合金工艺、高温材料生长工艺、界面加固工艺等，这些工艺温度一般在600℃-1700℃)中界面残留的O-H键、H键和H2O基团提供有效的扩散通道，避免上述基团在界面局部位置和邻近界面的氧化铝区域高浓度聚集结合形成H2O，从而有效抑制界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生。
2、采用前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，有效抑制了界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生，使得晶圆键合器件中的气泡少，键合率更高，键合有效面积可达到98％。
3、本发明的器件和方法能够使晶圆之间的键合强度达到甚至超过硅体强度(2.5J/m2)，能够承受绝大多数的后续工艺加工。
4、由于本发明的键合方法借助中间层氧化铝，所以该方法可以键合任意两个衬底和器件。
5、在一种实施方式中，本发明的键合温度为16-26℃，为室温键合技术，避免了任何由热影响产生的损伤和破坏，对已经过结构处理的晶圆同样适用。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的基于复合氧化铝中间层的晶圆键合方法流程图；
图2为第一晶圆上复合氧化铝层的结构示意图；
图3为本发明的键合步骤前的工艺流程图，其中，图(a)为步骤流程图，图(b)为图(a)所示步骤对应的结构效果示意图；
图4为本发明的晶圆键合后的结构示意图；
图5为实施例2得到的晶圆键合器件的超声扫描图；
图6为对比例1得到的晶圆键合器件的超声扫描图。
附图标记：
1-第一晶圆；2-第二晶圆；3-复合氧化铝层；301-前驱体臭氧辅助生长氧化铝层；302-前驱体水辅助生长氧化铝层。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
传统的晶圆键合是分别在两个晶圆表面采用水前驱体辅助生长氧化铝，然后将两个晶圆键合，该方法中，一方面，两个晶圆表面的水前驱体辅助生长氧化铝层键合时，界面OH基团相互结合后会在界面产生H2O基团。由于水前驱体辅助生长氧化铝层中OH浓度较高，使得界面的H2O基团无法快速扩散，从而产生聚集，最终在界面形成H2O气泡；另一方面，水前驱体辅助生长氧化铝中存在大量的OH基团，在后续高温下容易结合形成H2O且不易在较厚的氧化铝中排出，从而在氧化铝本体中形成H2O气泡。
基于此，本发明提供了一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件，所述器件包括第一晶圆、第二晶圆，以及位于所述第一晶圆和第二晶圆之间且从所述第一晶圆至所述第二晶圆依次叠加排列的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层和前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，两个所述前驱体水辅助生长氧化铝层之间键合连接。
与现有技术相比，本发明的晶圆键合器件中，利用前驱体水辅助生长氧化铝层中较高浓度的O-H键为键合表面提供高密度羟基基团，有利于键合强度的提升；采用前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，该层中主要为O离子，仅存在极少的O-H键，为前驱体水辅助生长氧化铝层键合时界面形成的H2O基团以及后续高温工艺中界面残留的O-H键、H键和H2O基团提供有效的扩散通道，O-H键、H键和H2O基团向前驱体臭氧辅助生长氧化铝层内扩散，降低了上述基团相互聚集结合的概率，避免上述基团在界面局部位置和邻近界面的氧化铝区域高浓度聚集结合形成H2O，从而有效抑制界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生。采用前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，有效抑制了界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生，使得晶圆键合器件中的气泡少，键合率更高，键合有效面积可达到98％。本发明的器件能够使晶圆之间的键合强度达到甚至超过硅体强度(2.5J/m2)，能够承受绝大多数的后续工艺加工。
为了为O-H键、H键和H2O基团提供足够的扩散空间，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层的厚度大于2nm，进一步优选为3-20nm，例如，5nm、7nm、9nm、11nm、13nm、15nm、17nm、19nm等。
综合考虑前驱体水辅助生长氧化铝层的键合强度和气泡抑制效果，所述前驱体水辅助生长氧化铝层的厚度不超过2nm，例如0.5nm、0.7nm、1nm、1.3nm、1.5nm、1.7nm等。所述前驱体水辅助生长氧化铝层厚度太小，影响键合强度；厚度太大，不利于前驱体水辅助生长氧化铝层界面和本体中的O-H键、H键和H2O基团向前驱体臭氧辅助生长氧化铝层内扩散。
示例性地，所述第一晶圆和第二晶圆分别为硅晶圆或非硅晶圆。
第二方面，本发明还提供了一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合方法，前驱体水辅助生长氧化铝层为晶圆键合层，在前驱体水辅助生长氧化铝层的键合侧的相对侧设置前驱体臭氧辅助生长氧化铝层。
具体来说，如图1-图4所示，所述方法包括如下步骤：
步骤A：分别在第一晶圆1和第二晶圆2的表面形成复合氧化铝层3，所述复合氧化铝层3包括由晶圆表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301和前驱体水辅助生长氧化铝层302；
步骤B：对含有复合氧化铝层3的第一晶圆1和第二晶圆2进行表面活化处理；
步骤C：将第一晶圆1和第二晶圆2的复合氧化铝层3相对接触放置，进行键合处理。
可以理解的是，步骤A中，所述分别在第一晶圆1和第二晶圆2的表面形成复合氧化铝层3，包括：在第一晶圆1的表面形成由第一晶圆1的表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301和前驱体水辅助生长氧化铝层302，得到如图2所示的结构；相似的，在第二晶圆2的表面形成由第二晶圆2的表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301和前驱体水辅助生长氧化铝层302。即，与所述第一晶圆1和第二晶圆2的表面接触的氧化铝层均为前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301。
与现有技术相比，本发明的晶圆键合方法中，利用前驱体水辅助生长氧化铝层中较高浓度的O-H键为键合表面提供高密度羟基基团，有利于键合强度的提升；前驱体臭氧辅助生长氧化铝层中主要为O离子，仅存在极少的O-H键，为键合时界面形成的H2O基团以及后续高温工艺中界面残留的O-H键、H键和H2O基团提供有效的扩散通道，O-H键、H键和H2O基团向前驱体臭氧辅助生长氧化铝层内扩散，并与该层中高浓度的O离子结合形成新的基团，从而有效抑制界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生。采用前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，有效抑制了界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生，使得晶圆键合器件中的气泡少，键合率更高，键合有效面积可达到98％。本发明的方法能够使晶圆之间的键合强度达到甚至超过硅体强度(2.5J/m2)，能够承受绝大多数的后续工艺加工。
示例性地，所述方法还包括：在第一晶圆1和第二晶圆2的表面形成复合氧化铝层3之前，先对第一晶圆1和第二晶圆2分别进行清洗处理。
具体地，采用化学清洗方法对两个晶圆进行清洗，包括：先利用有机溶剂超声清洗表面油污，并除去表面的吸附颗粒，然后采用酸洗去掉金属离子玷污。
示例性地，步骤A中，所述形成复合氧化铝层3的方法为ALD沉积法。
可以理解的是，先采用ALD沉积法在晶圆表面沉积一层前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301，再采用ALD沉积法在所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301上沉积前驱体水辅助生长氧化铝层302。
具体来说，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝301的方法为向腔体依次通入三甲基铝(TMA)、氮气、臭氧、氮气为一个循环，一个循环大概生长0.1nm的氧化铝薄膜；所述前驱体水辅助生长氧化铝302的方法为向腔体依次通入三甲基铝(TMA)、氮气、去离子水、氮气为一个循环，一个循环大概生长0.1nm的氧化铝薄膜。
示例性地，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层301中的Al-O-H键比例为0.3-0.6％，如Al-O键比例为99.4％-99.7％，而前驱体水辅助生长氧化铝层302中的Al-O-H键比例为48-49％，Al-O键比例为50-51％。可见，前驱体臭氧辅助生长氧化铝层中O-H基团相比驱体水辅助生长氧化铝层大大减少。
示例性地，步骤A中，所述复合氧化铝层3的生长温度小于350℃，例如200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃等。生长温度过高会影响氧化铝体内和表面的羟基含量，从而导致键合时成键难度增大。
本发明中，步骤B的表面活化处理的目的是去除样品表面可能含有的颗粒与沾污，轰击表面原子使其生成高能悬挂键，有利于键合。
示例性地，步骤B中，所述表面活化处理为等离子体活化处理法。
具体地，所述表面活化处理采用O2或Ar等单一等离子体对两个晶圆表面的复合氧化铝层进行活化处理，或者采用O2、Ar等多种等离子体对晶圆表面的复合氧化铝层进行活化处理。
示例性地，所述表面活化处理的温度为16-26℃。温度过高会让晶圆表面易与环境原子反应产生副产物，不利于键合。
示例性地，步骤B的表面活化处理和步骤C的键合处理在活化-键合一体机中进行，表面活化处理后，将两个晶圆的复合氧化铝层相对接触贴在一起，由设备对其施加压力，在超高真空下实现两个晶圆的键合。
具体地，步骤C中，所述键合处理在真空腔室中进行，所述真空腔体的压强在10-7-10-10Pa。表面活化后样品表面有大量悬挂键，样品非常活跃，易与其他物质反应，所以应在超高真空下减少环境分子与样品表面碰撞产生反应。
示例性地，步骤C中，所述键合处理的键合压力为100-1000kg，如果键合压力过小不易键合，键合压力过高晶圆容易损坏。键合温度为16-26℃，表面活化后样品表面有大量高活性态的悬挂键，非常活跃，在室温下就容易与另一个高能活化的表面原子级成键。
本发明的键合温度为室温键合技术，避免了任何由热影响产生的损伤和破坏，对已经过结构处理的晶圆同样适用。
第三方面，本发明还提供了一种器件，包括根据上述方法制得的晶圆。
下面，通过具体实施例进一步说明本发明的基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件和方法。
实施例1
本实施例提供一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件，所述器件包括第一晶圆、第二晶圆，以及位于所述第一晶圆和第二晶圆之间且从所述第一晶圆至所述第二晶圆依次叠加排列的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层和前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，两个所述前驱体水辅助生长氧化铝层之间键合连接。所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层的厚度为10nm，前驱体水辅助生长氧化铝层的厚度为1.5nm。
实施例2
本实施例提供一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合方法，用于制备实施例1的晶圆键合器件，包括：
步骤A：采用化学清洗方法对第一晶圆和第二晶圆进行清洗，利用有机溶剂超声清洗表面油污，并除去表面的吸附颗粒，然后采用酸洗去掉金属离子玷污。
步骤B：采用ALD沉积法，温度为320℃下，在第一晶圆的表面形成由第一晶圆的表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层和前驱体水辅助生长氧化铝层，在第二晶圆的表面形成由第二晶圆的表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层和前驱体水辅助生长氧化铝层。所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层的厚度为10nm，前驱体水辅助生长氧化铝层的厚度为1.5nm。
步骤C：在20℃下，采用多种等离子体分别对含有复合氧化铝层的第一晶圆和第二晶圆进行表面活化处理。
步骤D：将表面活化处理后的第一晶圆和第二晶圆复合氧化铝层表面相对彼此接触并置于真空腔体内，施加外力使其键合；真空腔体的压强为10-5Pa，采用的键合压力为600kg，键合温度为22℃。
对实施例2得到的晶圆键合器件进行键合强度测试和超声扫描，键合强度为3J/m2，超声扫描结果如图5所示。
对比例1
本对比例提供了一种与实施例2相似的晶圆键合方法，不同的是，分别在第一晶圆和第二晶圆的表面直接形成前驱体水辅助生长氧化铝层，然后将第一晶圆和第二晶圆表面前驱体水辅助生长氧化铝层相对接触并进行键合。
对对比例1得到的晶圆键合器件进行超声扫描，超声扫描结果如图6所示。
从图5和图6的超声扫描结果可以看出，实施例2的晶圆键合器件中的气泡明显少于对比例1的晶圆键合器件中的气泡，这是因为实施例2采用的是复合氧化铝中间层，其中，前驱体臭氧辅助生长氧化铝层中主要为O离子，仅存在极少的O-H键，为键合时界面形成的H2O基团以及后续高温工艺中界面残留的O-H键、H键和H2O基团提供有效的扩散通道，O-H键、H键和H2O基团向前驱体臭氧辅助生长氧化铝层内扩散，降低了上述基团相互聚集结合的概率，避免上述基团在界面局部位置和邻近界面的氧化铝区域高浓度聚集结合形成H2O，从而有效抑制界面处H2O气泡的产生和氧化铝材料中H2O气泡的产生。因此，实施例2的晶圆键合器件中的气泡少，键合率更高，键合有效面积达到98％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合器件，其特征在于，所述器件包括第一晶圆、第二晶圆，以及位于所述第一晶圆和第二晶圆之间且从所述第一晶圆至所述第二晶圆依次叠加排列的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层、前驱体水辅助生长氧化铝层和前驱体臭氧辅助生长氧化铝层，两个所述前驱体水辅助生长氧化铝层之间键合连接。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合器件，其特征在于，所述前驱体臭氧辅助生长氧化铝层的厚度大于2nm。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合器件，其特征在于，所述前驱体水辅助生长氧化铝层的厚度不超过2nm。
4.一种基于复合氧化铝中间层的晶圆键合方法，其特征在于，前驱体水辅助生长氧化铝层为晶圆键合层，在前驱体水辅助生长氧化铝层的键合侧的相对侧设置前驱体臭氧辅助生长氧化铝层。
5.根据权利要求4所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤A：分别在第一晶圆和第二晶圆的表面形成复合氧化铝层，所述复合氧化铝层包括由晶圆表面开始依次向上叠加的前驱体臭氧辅助生长氧化铝层和前驱体水辅助生长氧化铝层；
步骤B：对含有复合氧化铝层的第一晶圆和第二晶圆进行表面活化处理；
步骤C：将第一晶圆和第二晶圆的复合氧化铝层相对接触放置，进行键合处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤A中，所述形成复合氧化铝层的方法为ALD沉积法或所述复合氧化铝层的生长温度小于350℃。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤B中，所述表面活化处理为等离子体活化处理法，所述表面活化处理的温度为16-26℃。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C中，所述键合处理在真空腔室中进行，所述真空腔体的压强在10-7-10-10Pa。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤C中，所述键合处理的键合压力为100-1000kg，键合温度为16-26℃。
10.一种器件，包括根据权利要求4-9所述的方法制得的晶圆。
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