晶圆键合方法与流程

本发明涉及半导体工艺技术领域，具体涉及一种晶圆键合方法。

背景技术：

经过半个世纪的高速发展，微电子技术和依托于微电子技术的信息技术已经对人类社会的发展产生了革命性的影响。然而，当今必须面对的问题是：传统晶体管的物理极限不断逼近，更小尺寸的制造技术越来越困难，集成电路的功耗不断增大晶圆厂的投资迅速攀升。在这种情况下，如何继续保持微电子技术以摩尔定律所描述的速度持续发展，已经成为今天整个行业都在努力解决的问题。

三维集成电路的出现，为半导体和微电子技术的持续发展提供了一个新的技术解决方案。所谓三维集成电路，广义上是将具有集成电路的晶圆经过键合工艺形成键合晶圆，通过穿透晶圆的三维结构互连实现多层之间的信号连接。三维集成电路能够实现更小的芯片面积、更短的芯片间互连、更高的数据传输带宽以及不同工艺技术的异质集成，从而大幅度降低芯片功耗，减小延时，提高性能，扩展功能，并为实现复杂功能的片上系统(SOC)提供可能。

在三维集成电路中，晶圆与晶圆的键合非常关键。传统的键合工艺包括以下步骤：

如图1所示，提供第一晶圆101和第二晶圆102；

如图2所示，在所述第一晶圆101的第一面上形成平坦化层103，在第二晶圆102的第一面上形成平坦化层104，并对平坦化层103、104进行平坦化处理；

如图3所示，将所述第一晶圆101的第一面和所述第二晶圆102的第一面相对放置，再对第一晶圆101和/或第二晶圆102施加一压力，即可完成键合工艺。

实践发现，键合后的晶圆经常出现边缘脱落或者晶圆上的器件结构损伤的问题，导致器件良率下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种晶圆键合方法，以避免晶圆键合后形成缝隙或者减小晶圆键合后缝隙的尺寸。

本发明提供了一种晶圆键合方法，其包括以下步骤：

提供第一晶圆和第二晶圆；

在第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域和/或第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层；

在所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面形成一平坦化层，第一晶圆上的平坦化层和/或第二晶圆上的平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层，所述连续膜层的边缘区域的高度不低于其中心区域的高度；

将所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面相对放置，并对所述第一晶圆和/或所述第二晶圆施加压力，以实现所述第一晶圆和第二晶圆的键合。

可选的，在形成所述平坦化层之后，将所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面相对放置之前，还包括：对所述平坦化层进行平坦化工艺。

可选的，所述平坦化工艺为化学机械抛光工艺。

可选的，所述第一晶圆上的环状膜层形成于离第一晶圆第一面边缘3mm～5mm区域，所述第二晶圆上的环状膜层形成于离第二晶圆第一面边缘3mm～5mm区域。

可选的，所述平坦化层与所述环状膜层的材质相同。

可选的，所述平坦化层的材质为绝缘材料。

可选的，所述环状膜层的材质为绝缘材料。

可选的，在第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层，所述环状膜层的形成方法为：

遮挡所述第一晶圆的第一面的中心区域和边缘不需形成环装膜层的环状区域，通过化学气相沉积工艺在所述第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层。

可选的，在第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层，所述环状膜层的形成方法为：

通过化学气相沉积工艺在所述第一晶圆的第一面的所有区域沉积薄膜；

通过光刻和刻蚀工艺去除所述第一晶圆的第一面的中心区域和边缘不需形成环装膜层区域的薄膜，保留所述第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域的薄膜，以形成所述环状膜层。

可选的，在第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层，所述环状膜层的形成方法为：

遮挡所述第二晶圆的第一面的中心区域和边缘不需形成环装膜层的环状区域，通过化学气相沉积工艺在所述第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层。

可选的，在第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层，所述环状膜层的形成方法为：

通过化学气相沉积工艺在所述第二晶圆的第一面的所有区域沉积薄膜；

通过光刻和刻蚀工艺去除所述第二晶圆的第一面的中心区域和边缘不需形成环装膜层区域的薄膜，保留所述第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域的薄膜，以形成所述环状膜层。

可选的，所述第一晶圆和所述第二晶圆均为器件晶圆。

可选的，所述压力施加在所述第一晶圆和/或所述第二晶圆的中心。

本发明提供一种晶圆键合方法，先在第一晶圆的第一面和/或第二晶圆的第一面的边缘形成一环状膜层，再在第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面形成一平坦化层，所述平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层，所述连续膜层边缘区域的高度不低于其中心区域的高度，如此，可避免晶圆键合后边缘形成缝隙或者减小晶圆键合后边缘缝隙的尺寸，降低晶圆边缘上的薄膜掉落的机率，也可防止后续工艺中酸液沿缝隙进入晶圆之间对器件结构形成污染，增强了第一晶圆和第二晶圆边缘处的键合强度。

附图说明

图1～图3是传统晶圆键合过程中第一晶圆与第二晶圆的剖面示意图；

图4是本发明一实施例提供的晶圆键合方法的流程图；

图5～图9是本发明一实施例提供的晶圆键合过程中第一晶圆和第二晶圆的剖面示意图；

图10是本发明一实施例提供的晶圆键合方法中，形成环装膜层后的第一晶圆的俯视示意图；

附图的标记说明如下：

101、201-第一晶圆；102、202-第二晶圆；103、104-平坦化层；105-缝隙；109、110、209、210-弧面；207、208-环状膜层；211、212-连续膜层；α-弧面切线与垂直方向的夹角。

具体实施方式

在背景技术中已经提及，键合后的晶圆经常出现边缘脱落或者晶圆上的器件结构损伤的问题。申请人研究发现，这是因为在传统的键合工艺中，在第一晶圆101的第一面和第二晶圆202的第一面上形成平坦化层103、104时，由于边缘沉积速率较低和晶圆边缘为弧形轮廓双重因素的影响，越靠近晶圆的边缘平坦化层103、104的厚度也越薄，最终形成一个弧面109、110，且此弧面109、110的切线与垂直方向的夹角α较大(如图2所示)。经过平坦化工艺后，此弧面109、110仍然存在，导致键合工艺完成后，第一晶圆101与所述第二晶圆102结合处会产生缝隙105。由于此缝隙105的存在，导致第一晶圆101和第二晶圆102边缘上形成的薄膜很容易掉落。并且，后续湿法刻蚀工艺中酸液容易沿缝隙105进入第一晶圆101和第二晶圆102之间腐蚀晶圆上的器件结构。此外，如果此缝隙105导致第一晶圆101与第二晶圆102连接区域破裂(没有接触上)，还会导致金属暴露出来造成金属污染。

基于此，本发明提供一种晶圆键合方法，先在第一晶圆的第一面和/或第二晶圆的第一面的边缘形成一环状膜层，再在第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面形成一平坦化层，所述平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层，所述连续膜层边缘区域的高度不低于其中心区域的高度，如此，可避免晶圆键合后边缘形成缝隙或者减小晶圆键合后边缘缝隙的尺寸。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的晶圆键合方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图4所示，本发明实施例提供的晶圆键合方法包括以下步骤：

S1、提供第一晶圆和第二晶圆；

S2、在第一晶圆的第一面离边缘指定距离区域和/或第二晶圆的第一面离边缘指定距离区域形成一环状膜层；

S3、在所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面形成一平坦化层，第一晶圆上的平坦化层和/或第二晶圆上的平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层，所述连续膜层的边缘区域的高度不低于其中心区域的高度；

S4、将所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面相对放置，并对所述第一晶圆和/或所述第二晶圆施加压力，以实现所述第一晶圆和第二晶圆的键合。

如图5所示，其是第一晶圆201和第二晶圆202的示意图。步骤S1中，第一晶圆201和第二晶圆202例如均为器件晶圆，所述器件晶圆的器件结构可以包括公知的电容、电阻、电感、MOS晶体管、放大器或逻辑电路中的一个或者多个。当然在实际应用中，第一晶圆201和第二晶圆202也可以为设置有电路结构的载体晶圆，载体晶圆的电路结构例如包括电容、电阻和逻辑电路组成的部分电路。为简便，图中并未表示出第第一晶圆201和第二晶圆202上的器件结构，但是本领域技术人员应是知晓的。

如图6所示，其是形成有环状膜层207的第一晶圆201和形成有环状膜层208的第二晶圆202的示意图。步骤S2中，第一晶圆201上形成的环状膜层207和第二晶圆202上形成的环状膜层208例如是绝缘材料，更具体的，例如是二氧化硅。可选的，环状膜层207、208形成于离晶圆边缘3mm～5mm区域内，经验证，采用上述尺寸的环状膜层效果较佳。所述环状膜层207、208的厚度可依据平坦化层的厚度进行调整，在此不再限定，只要保证后续形成的连续膜层的边缘区域的高度不低于(高于或等于)其中心区域的高度即可。当然在实际应用中，环状膜层的材料不限于绝缘材料。另外，环状膜层的尺寸(包括宽度、外边缘距离晶圆边缘的距离等)也可以进行相应的调整，此处的“边缘区域”是相对于“中心区域”而言更靠近晶圆侧边，晶圆上除了“边缘区域”之外的区域均可称之为“中心区域”，该“边缘区域”并非是为了限定该区域的具体尺寸和具体位置。

在本发明一实施例中，通过化学气相沉积的方式形成所述环状膜层207和环状膜层208，具体的，在进行化学气相沉积时，通过装置遮挡第一晶圆201的中心区域和边缘不需形成环状膜层的环状区域；通过装置遮挡第二晶圆202的中心区域和边缘不需形成环状膜层的环状区域(如图10所示)，这样，仅在第一晶圆201第一面离边缘指定距离内形成环状膜层207，第二晶圆202第一面离边缘指定距离内形成环状膜层208。

在本发明另一实施例中，可先通过化学气相沉积工艺在所述第一晶圆201和第二晶圆202的第一面的所有区域上形成薄膜，再通过光刻和刻蚀工艺去除所述第一晶圆201和第二晶圆202的第一面的中心区域和边缘不需形成环状膜层区域的薄膜，保留第一晶圆201第一面离边缘指定距离内的薄膜，形成环状膜层207；保留第二晶圆202第一面离边缘指定距离内的薄膜，形成环状膜层208。优选采用干法刻蚀工艺去除所述第一晶圆201和第二晶圆202的第一面的中心区域和边缘不需形成环状膜层区域的薄膜，可通过干法刻蚀工艺的参数调整，使刻蚀出的环状膜层的外侧弧面接近垂直。

如图7所示，在步骤S3中，在第一晶圆201的第一面和第二晶圆202的第一面各自形成一平坦化层，第一晶圆201上的平坦化层和第二晶圆202上的平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层211、212，所述连续膜层211、212的边缘区域的高度不低于其中心区域的高度。所述平坦化层可与环状膜层207、208在同一腔体形成。优选的，平坦化层211、212的材质与环状膜层207、208相同，均为二氧化硅。连续膜层211、212的边缘区域高度高于中心区域高度，优选的，连续膜层211、212的边缘弧面209、211仍保持前一步骤中接近垂直的形貌。当然，在实际应用中，所述平坦化层203、204的形成方式和材质也可与环状膜层207、208不相同，可以在不同的腔室内形成。另外，本实施例中，第一晶圆201的第一面的边缘和第二晶圆202的第一面的边缘各自形成有环状膜层，第一晶圆201上的平坦化层和第二晶圆202上的平坦化层各自连接环状膜层构成连续膜层。但在其它实施例中，也可以仅在第一晶圆201的第一面的边缘上形成有环状膜层，或者，仅在第一晶圆202的第一面的边缘上形成有环状膜层，均可改善晶圆键合后边缘的形貌。

优选方案中，如图8所示在步骤S3之后，进行一平坦化工艺，所述平坦化工艺例如是化学机械抛光工艺，通过化学机械抛光工艺对第一晶圆201的连续膜层211和第二晶圆202的连续膜层212进行平坦化处理，可使得第一晶圆201和第二晶圆202表面更加光滑平整，确保第一晶圆与第二晶圆在后续键合时，结合的更加紧密。连续膜层211、212边缘的弧面仍保持前一步骤中接近垂直的形貌。可以理解的是，该平坦化工艺并非是必须执行的，如果第一晶圆201和第二晶圆202表面的光滑程度在工艺允许范围内，也可省略该平坦化步骤。

如图9所示，最后，将所述第一晶圆201的第一面和所述第二晶圆202的第一面相对放置，再施加一压力在第一晶圆201和/或第二晶圆202，即可完成键合工艺。可以是固定第一晶圆201并施加压力于第二晶圆202，或者，固定第二晶圆202并施加压力于第一晶圆201，再或者，同时施力于第一晶圆201和第二晶圆202。施力的位置优选为第一晶圆201和第二晶圆202的中心，这样键合效果更佳。最终，第一晶圆201和第二晶圆202，会因分子间作用力而紧密结合。当然在实际应用中，施力的位置也可根据情况进行调整。完成上述步骤后，第一晶圆201与第二晶圆202即完成键合。

综上所述，本发明先在第一晶圆的第一面和/或第二晶圆的第一面的边缘形成一环状膜层，再在第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面形成一平坦化层，所述平坦化层连接环状膜层构成一连续膜层，所述连续膜层边缘区域的高度不低于其中心区域的高度，如此，可避免晶圆键合后边缘形成缝隙或者减小晶圆键合后边缘缝隙的尺寸，降低晶圆边缘上的薄膜掉落的机率，也可防止后续工艺中酸液沿缝隙进入晶圆之间对器件结构形成污染，增强第一晶圆和第二晶圆边缘处的键合强度。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。