一种晶圆键合方法与流程

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：

晶圆直接键合是半导体制造领域的一项新兴技术，可以使得经过抛光的半导体晶圆在不使用粘结剂的情况下结合在一起。晶圆与晶圆之间的直接键合，是利用两片晶圆表面的原子键合力，经过处理使两片晶圆表面原子反应产生共价键合，并实现一定的连接强度。

通常使用等离子体对晶圆表面进行轰击，使其表面产生物理化学双重反应，使晶圆表面污染物变成粒子或气体状态，经过真空抽离而排出，从而达到对表面的清洗和活化目的；同时会引起表面产生高度不规则的多孔结构，提高键合界面水分子的扩散，使表面形成羟基，羟基键数量越多，在后续的退火工艺完成后晶圆的键合力越高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种晶圆键合方法，通过脉冲偏压等离子体对晶圆进行激活处理，提高晶圆表面活化程度，从而提高键合晶圆的键合力越高。

根据本发明的一个方面，提供一种晶圆键合方法，包括：

提供第一晶圆和第二晶圆；

采用脉冲偏压等离子体对所述第一晶圆的第一表面和第二晶圆的第二表面进行激活处理，使所述第一表面与所述第二表面形成si悬挂键；

对激活处理后的所述第一晶圆和第二晶圆进行亲水处理，以在所述第一表面和第二表面形成硅羟基键；

对亲水处理后的所述第一晶圆和第二晶圆进行贴合，完成所述第一晶圆和第二晶圆的预键合；

对预键合后的第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，完成键合。

优选地，形成所述脉冲偏压等离子体时的脉冲偏压为300～12000v。

形成所述脉冲偏压等离子体时的放电功率为10～450w。

形成所述脉冲偏压等离子体的气体为氮气、氧气和氩气中的一种或多种。

所述亲水处理的试剂为质量比为(1:1:5)～(1:1:50)的氨水、双氧水和水的混合液，或去离子水。

所述亲水处理的试剂流量为0.5～2l/min。

所述亲水处理的温度为23℃～65℃。

所述退火处理的退火温度为100～200℃，退火时间为1～2小时。

优选地，所述退火处理在常压下进行。

根据本发明的方法通过施加脉冲偏压等离子体活化步骤与亲水处理步骤相结合，提高晶圆表面的反应活性，从而提高键合质量。

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；

图2示意性示出了根据本发明实施例1的晶圆键合方法的工艺流程图；

图3示意性示出了根据本发明实施例2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：

步骤s1：提供第一晶圆和第二晶圆；

步骤s2：采用脉冲偏压等离子体对所述第一晶圆的第一表面和第二晶圆的第二表面进行激活处理，使所述第一表面与所述第二表面形成si悬挂键；

步骤s3：对激活处理后的所述第一晶圆和第二晶圆进行亲水处理，以在所述第一表面和第二表面形成硅羟基键；

步骤s4：对亲水处理后的所述第一晶圆和第二晶圆进行贴合，完成所述第一晶圆和第二晶圆的预键合；

步骤s5：对预键合后的第一晶圆和第二晶圆进行退火处理，完成键合。

本发明中使用的第一晶圆和第二晶圆通常可预先经过抛光或清洗处理，以提高晶圆待键合表面的平整度和清洁度，有利于提升键合效果，减少键合缺陷。

在上述方法的s2步骤中，采用脉冲偏压等离子体对两个晶圆的待键合表面进行活化处理。施加脉冲偏压的等离子体对晶圆表面的氧化硅层进行轰击，打断氧化硅层内的si-o键，形成si-悬挂键。

与常规的等离子体活化方法相比，本发明的方法在使用等离子体对两片晶圆分别进行表面活化处理的同时对等离子体施加射频脉冲偏压，射频偏压在等离子体与偏压之间建立射频鞘层，偏压电极的电位以某个平均电位为中心高频振荡，使得鞘层电场也随之剧烈变化，偏压电极的电位低于等离子体空间电位，因此离子在经过射频鞘层时被加速而产生更强的离子轰击效应。与此同时，在时间上对偏压电极的电位进行调制，在一个脉冲周期内只有部分时间电极处于偏压状态，在平均功率相同的条件下，激励电源开启时入射基底的离子能量更大，可用来调节离子轰击的强度与时间。因此，在晶圆表面活化过程中，可以获得更多的si-悬挂键，之后形成硅羟基键，经退火处理后提高si-o-si键的数量，从而增强键合能。

在一个具体实施方式中，形成脉冲偏压等离子体时的脉冲偏压为300～12000v，优选800～10000v，更优选1500～8000v，例如2000～6000v；放电功率为10～450w，优选50～380w，更优选100～300w，例如150～250w。

在本发明的方法中，形成脉冲偏压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。

步骤s2中，工艺过程的气压可为1～10×10^-2pa，优选3～7×10^-2pa，例如5×10^-2pa。此外，该等离子体处理时间可为20-40s。

在步骤s3的亲水处理过程中，经过脉冲偏压等离子体处理过的晶圆表面的硅悬挂键吸附亲水处理试剂的羟基基团，形成硅羟基键，从而使得晶圆表面的亲水性显著增强。

具体地，本发明中可用的亲水处理试剂可为质量比为(1:1:5)～(1:1:50)的氨水、双氧水和水的混合液(rca溶液)，或去离子水。

其中，rca溶液是由25～28％(质量百分比)的氨水溶液、25～30％(质量百分比)的双氧水溶液与水以(1:1:5)～(1:1:50)的质量比混合构成，优选(1:1:10)～(1:1:50)，例如可为1:1:20～1:1:40，具体可为1:1:30。其作用还包括将附着在晶圆上的微颗粒和一部分金属离子去除，同时利用氨水的弱碱性来活化硅的表面层。经过该混合溶液处理后的晶圆表面硅羟基键含量高，得到有效活化，亲水性提高。

在本发明的方法中，由于脉冲偏压等离子体处理过的晶圆表面活化程度高，即硅悬挂键含量高，因此采用羟基含量低的去离子水也能进行有效的亲水处理，也能在晶圆表面形成大量的硅羟基键，提供充分的亲水性。同时，去离子水也能有效去除晶圆表面的微颗粒。

在步骤s4中，在退火过程之前，经过亲水处理的晶圆在键合设备中进行对准、贴合，进行预键合。由于经过脉冲偏压等离子体处理和亲水处理之后，晶圆表面具有丰富的硅羟基键，两片晶圆靠近时会相互吸引、形成氢键，从而具有一定的结合力。

在步骤s5中，退火温度控制可为100～200℃，时间为1～2小时，在大气氛围、常压下进行。

在根据本发明的方法中，键合后的两片晶圆之间的键合强度大于2.5j/m²。

进一步地，经过预键合的晶圆在退火设备中进行退火，使得硅羟基键之间进行脱水缩合，形成si-o-si键，进而形成最终的键合晶圆：

si-oh+si-oh→si-o-si+h2o。

根据本发明的晶圆键合方法，利用脉冲偏压获得高能等离子体粒子，增加离子动能，形成对晶圆表面的轰击效应，使晶圆表面悬挂键的数量显著增大，进而能提高晶圆表面的反应性，提高键合质量。

实施例

实施例1

参见图2，该晶圆键合方法的步骤如下：

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脉冲偏压等离子体活化处理。将系统抽气至1×10^-4pa之后打开氮气进气系统，气压回升至60pa，循环两次抽气放气，保证腔室环境，之后将氮气压力维持1～10×10^-2pa之间，再开始放电，放电功率为50w，同时调整脉冲偏压，脉冲的偏压电压为1000v。该脉冲偏压等离子体活化处理的时间为20s。由于偏压的辅助作用，离子在经过射频鞘层时被加速而产生离子轰击效应，增强处理效果。

第三步：进行亲水处理。将等离子体激活后的两片晶圆分别进行清洗工艺，使用去离子水在晶圆表面进行清洗，亲水处理试剂为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。之后，对晶圆进行氮气吹干。

第四步：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。

第五步：对预键合晶圆对进行退火处理。将预键合后的晶圆对传入退火炉，退火温度为200℃，常压退火1小时，获得最终的键合晶圆。

测得键合晶圆的键合强度为3j/m²。

实施例2

参见图3，该晶圆键合方法的步骤如下：

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脉冲偏压等离子体活化处理。将系统抽气至1×10^-4pa之后打开氮气进气系统，气压回升至60pa，循环两次抽气放气，保证腔室环境，之后将氮气压力维持5～10×10^-2pa之间，再开始放电，放电功率为450w，同时调整脉冲偏压，脉冲的偏压电压为12000v。该脉冲偏压等离子体活化处理的时间为40s。由于偏压的辅助作用，离子在经过射频鞘层时被加速而产生离子轰击效应，增强处理效果。

第三步：进行亲水处理。将等离子体激活后的两片晶圆分别进行清洗工艺，使用去离子水在晶圆表面进行清洗，亲水处理试剂为去离子水，试剂温度为65℃，流量为2l/min。之后，对晶圆进行氮气吹干。

第四步：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。

第五步：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100℃，常压退火2小时，获得最终的键合晶圆。

检测键合晶圆的键合强度为大于2.5j/m²。

对比例1

以与实施例1相同的方法进行晶圆键合，不同之处在于等离子体活化处理条件为，不施加脉冲偏压电压，施加交流电压220v，放电功率为200w。测得键合晶圆的键合强度为2j/m²。

对比例2

以与实施例2相同的方法进行晶圆键合，不同之处在于等离子体活化处理条件为，不施加脉冲偏压电压，施加交流电压220v，放电功率为200w。测得键合晶圆的键合强度为1.5j/m²。

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，通过脉冲偏压等离子体处理后，晶圆之间的键合强度提高，键合效果显著增强，尤其是采用羟基含量较少的去离子水进行亲水处理时，这种键合效果的改善更为显著。

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。