晶圆键合结构及其形成方法以及半导体器件的制备方法与流程

1.本发明涉及半导体工艺领域，特别是涉及一种晶圆键合结构及其形成方法以及半导体器件的制备方法。


背景技术：

2.晶圆键合是一种新兴的微电子制造技术，是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。因此在材料制备、三维微结构集成和集成电路(ic)、微机电系统(mems)器件制造及封装中应用日趋广泛。此外晶圆键合技术还在许多微机电系统(mems)元件工艺流程中用于制作电极和空腔。晶圆键合的技术还可应用于许多极具潜力的产业，从微机电领域的安全气囊加速计、生物医学领域的微流体元件以及微电子领域的晶圆级封装、绝缘衬底上的硅(soi)材料制作、到光电通信元件的薄膜转移技术等。晶圆键合技术正逐渐形成制作这些元件的基础技术。晶圆键合的工艺探索一直是整个晶圆键合技术及应用的最关键部分。在过去几十年中，晶圆键合的工艺呈现出百花齐放的态势。不同的技术对工艺过程提出了不同的要求，也促进了多种多样的晶圆键合工艺流程的产生。而工艺流程的进步，进一步使得其应用范围得到极大扩展。晶圆键合总体的态势呈现为材料的多样化和工艺的实用化。
3.以待键合晶圆的材料碳化硅为例，传统键合载片可以选自碳化硅、蓝宝石、玻璃或硅，其中键合载片使用蓝宝石或是玻璃作为载片时，由于待键合晶圆和键合载片材料间的膨胀系数差别过大，在键合完成后进行一些如高温真空等离子体轰击或是高温退火等严苛的高温工艺条件下会出现键合气泡或是键合胶变质的问题，也会影响后续的后端工艺。因此为了避免上述因为待键合晶圆和键合载片材料膨胀系数而导致的键合问题，往往选择与待键合晶圆选择相同的材料碳化硅作为键合载片，但是由于键合胶、待键合晶圆以及键合载片材料碳化硅均是透明的，完成键合后又会使后续操作人员分不清晶圆以及键合载片，对于后续对晶圆厚度的测量存在干扰。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种既能容易区分同材质的待键合晶圆以及键合载片又能实现良好键合效果的晶圆键合结构及其键合方法、半导体器件的制备方法。
5.本发明提供一种晶圆键合结构，包括依次层叠的键合载片、介质层、键合胶层以及待键合晶圆；
6.其中，所述键合载片的材质与所述待键合晶圆的材质相同，所述介质层的材料与所述键合载片以及所述待键合晶圆的材料的折射率不同。
7.在其中一个实施例中，所述键合载片的材料与所述待键合晶圆的材料选自碳化硅、硅以及氮化镓中的至少一种。
8.在其中一个实施例中，所述键合载片的材料和所述待键合晶圆的材料均为碳化
硅。
9.在其中一个实施例中，所述介质层的材料为二氧化硅或金属。
10.在其中一个实施例中，所述金属为钨、铝或铜，或为钨、铝与铜中至少两种金属形成的合金。
11.在其中一个实施例中，所述介质层的厚度为0.1μm～10μm。
12.在其中一个实施例中，所述介质层的厚度为0.5μm～5μm。
13.在其中一个实施例中，所述键合胶层的厚度为1μm～80μm。
14.本发明还提供一种如上述的晶圆键合结构的形成方法，包括以下步骤：
15.步骤s10：在所述键合载片上形成所述介质层；
16.步骤s20：在所述介质层上形成所述键合胶层；
17.步骤s30：将所述待键合晶圆置于所述键合胶层上。
18.在其中一个实施例中，在步骤s10中，形成所述介质层的方法为热氧化法、高压氧化法、热分解沉积法、阳极氧化法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或溅射法。
19.进一步地，本发明还提供一种半导体器件的制备方法，包括对上述的晶圆键合结构进行加工。
20.上述的晶圆键合结构通过在键合载片上依次层叠的介质层和键合胶层，通过与待键合晶圆和键合载片的材料与介质层材料不同的折射率可以分辨出待键合晶圆和键合载片。利用上述晶圆键合结构既可以满足良好的键合效果，在后续进行一些如高温真空等离子体轰击或是高温退火等严苛的高温工艺条件下仍保持紧密且完整的键合，还可以有助于后续操作人员对于待键合晶圆厚度的测量。
附图说明
21.图1为本发明的晶圆键合结构；
22.图2为本发明的晶圆键合结构的形成方法流程图；
23.图3为实施例1具体晶圆键合结构的形成方法的具体步骤；
24.附图说明：
25.10：晶圆键合结构；110：键合载片；120：介质层；130：键合胶层，140：待键合晶圆。
具体实施方式
26.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
28.本发明中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
29.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
30.在描述位置关系时，除非另有规定，否则当一元件例如层、膜或基板被指为在另一膜层“上”时，其能直接在其他膜层上或亦可存在中间膜层。进一步说，当层被指为在另一层“下”时，其可直接在下方，亦可存在一或多个中间层。亦可以理解的是，当层被指为在两层“之间”时，其可为两层之间的唯一层，或亦可存在一或多个中间层。
31.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
32.空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
33.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本技术的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
34.在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，意图在于覆盖不排他的包含，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由
……
组成”等，否则还可以添加另一部件。
35.除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
36.此外，附图并不是以1:1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地
绘制，以便于理解本发明，但不一定按照真实比例绘制，附图中的比例不构成对本发明的限制。需要说明的是，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
38.如图1所示，本发明提供一种晶圆键合结构10，包括依次层叠的键合载片110、介质层120、键合胶层130以及待键合晶圆140；其中，键合载片110的材质与待键合晶圆140的材质相同，介质层120的材料与键合载片110以及待键合晶圆140的材料的折射率不同。
39.可以理解的，上述对于键合载片110和待键合晶圆140的材质相同表述具体指的是二者材料相同且质感相同，二者完全外观上一模一样，完全无法从外观上或是其他手段进行区分。
40.上述的晶圆键合结构10通过在键合载片110上依次层叠的介质层120和键合胶层130，通过与待键合晶圆140和键合载片110的材料与介质层120材料不同的折射率可以分辨出待键合晶圆140和键合载片110。利用上述晶圆键合结构既可以满足良好的键合效果，在后续进行一些如高温真空等离子体轰击或是高温退火等严苛的高温工艺条件下仍保持紧密且完整的键合，还可以有助于后续操作人员对于待键合晶圆140厚度的测量。
41.在一个具体示例中，键合载片110的材料与待键合晶圆140的材料选自碳化硅、硅以及氮化镓中的至少一种。
42.碳化硅材料有更高的击穿电场强度(2～4)
×
106v/cm，其最高结温可达600℃。碳化硅材料具有远比硅材料优良的综合特性。高压硅器件只能用于结温200℃以下的工况，阻断电压限制在几千伏。由于能带隙较宽，碳化硅拥有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下工作。另外由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数，碳化硅器件具有好的高频特性。碳化硅的禁带宽度是硅的2.8倍，饱和电子速率是硅的2倍，因此更适用于制备大功率器件以及高频微波器件，此外碳化硅的临界击穿电场为硅的10倍可以大幅度降低碳化硅半导体器件工作时的能量损耗，碳化硅由于具有高导热率也可以适用于热沉或是散热材料，由其制备的器件也可以承受较大的功率密度，提高集成密度以及较好的稳定性，适用于苛刻的工作环境中。
43.氮化镓是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，氮化镓具有高的电离度，在ⅲ—
ⅴ
族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下，氮化镓晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子，原子体积大约为砷化镓的一半，适用于制备光电子、高温大功率器件和高频微波器件。
44.优选的，上述键合载片的材料与待键合晶圆的材料均为碳化硅。
45.在一个具体示例中，介质层的材料为二氧化硅或金属。
46.在一个具体示例中，介质层的材料的热膨胀系数小于载片的热膨胀系数以及待键合晶圆的热膨胀系数，避免因为高温发生形变导致应力弯曲，严重了会导致碎片的现象出现。
47.可以理解地，金属包括金属单质，也可以是金属合金。具体地，金属为钨、铝或铜，或为钨、铝与铜中至少两种金属形成的合金。
48.进一步地，上述金属为钨、铝、铜、钨铝合金、铝铜合金或是钨铜合金。
49.优选的，上述金属为铝。
50.在一个具体示例中，介质层的厚度为0.1μm～10μm。
51.进一步地，介质层的厚度为0.5μm～5μm。优选地，上述介质层的厚度可以但不限于是0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。
52.在一个具体示例中，键合胶层的厚度为1μm～80μm。
53.优选地，键合胶层的厚度为5μm～80μm。
54.具体地，上述键合胶的厚度可以但不限于是5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm或80μm。
55.进一步地，如图2所示，本发明还提供上述晶圆键合结构的形成方法，包括以下步骤：
56.步骤s10：在键合载片上形成介质层；
57.步骤s20：在介质层上形成键合胶层；
58.步骤s30：将待键合晶圆置于键合胶层上。
59.应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
60.可以理解地，上述针对待键合载片置于上述键合胶层的表述仅为其中一种键合方式，针对上述键合过程也可以先在待键合晶圆上形成键合胶层，与具有介质层的键合载片进一步复合，形成依次层叠的键合载片、介质层、键合胶层以及待键合晶圆。
61.在一个具体示例中，在步骤s10中，形成介质层的方法为热氧化法、高压氧化法、热分解沉积法、阳极氧化法、电子束蒸发法、化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或溅射法。
62.可以理解地，上述介质层为二氧化硅层时，形成的方法可以但不限于是热氧化法、高压氧化法、热分解沉积法、阳极氧化法、电子束蒸发法或化学气相沉积法。
63.进一步地，上述为介质层为金属层时，形成的方法可以但不限于是化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法或溅射法。
64.更进一步地，上述溅射法可以但不限于是直流溅射、交流溅射、反应溅射和磁控溅射。
65.利用键合胶的晶圆键合是一种重要的键合技术，即将有机键合胶置于两晶圆表面
之间，后经固化处理形成具有一定键合强度的中间层，从而使两晶圆紧密贴合。该方法具有工艺简单、成本低、引入应力小、键合温度(tb)低、对表面形貌要求低及键合强度高等优点，被广泛应用于先进微电子制造领域。传统键合胶一般是由有机介质、溶剂、助剂及填充剂物组成，固化温度大多为150℃左右。常用的有机介质有环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂及聚酰亚胺等，其中环氧树脂能提供更强的黏附力，而硅树脂能提供更高的热稳定性。溶剂的沸点应高于键合胶的固化温度，避免在固化过程中产生气泡。助剂的作用是提升键合胶的性能，如黏附力和黏性等。填充物能改善键合胶的导热和导电性能，常用的填充物有石墨、陶瓷及金属微粒等。
66.利用键合胶的晶圆键合的一般步骤为：
①
清洗和干燥待键合晶圆的表面；
②
在晶圆对的一个或两个表面均匀旋涂键合胶，键合胶厚度应能够补偿晶圆表面的颗粒或缺陷；
③
预固化键合胶；
④
将晶圆对对正贴合并置于真空腔室，在一定压强和特定温度下固化键合胶；
⑤
吹扫腔室，冷却以及释放键合压强。
67.可以理解地，上述键合胶层的形成方法可以但不限于是涂布。
68.进一步地，本发明还提供一种半导体器件的制备方法，包括对上述的晶圆键合结构进行加工。
69.可以理解地，在上述完成键合后对于待键合晶圆未被键合的一侧进行后续工艺，进一步地，后续工艺可以但不限于是减薄工艺、溅射金属工艺或蒸发镀膜工艺。
70.进一步地，上述针对半导体器件的制备方法可以但不限于包括半导体器件的封装方法。
71.以下提供具体的实施例对本发明的晶圆键合的方法作进一步详细地说明。若无特殊说明，所有原料均可来源于市售。
72.实施例1
73.如图3所示，本实施例提供一种晶圆键合结构及其形成方法，待键合碳化硅晶圆键合结构的形成方法，具体步骤如下：
74.步骤s10：在碳化硅键合载片110上以热氧化的方式形成500nm～10μm厚的二氧化硅层作为介质层120；
75.步骤s20：在二氧化硅层上涂布上5μm～80μm厚的键合胶层130；
76.步骤s30：在上述键合胶层130形成待键合的碳化硅晶圆140，得到本实施例的晶圆键合结构。
77.实施例2
78.本实施例提供一种晶圆键合结构及其形成方法，待键合碳化硅晶圆键合结构的形成方法，具体步骤如下：
79.步骤s10：在碳化硅键合载片110上以磁控溅射的方式形成100nm～5μm厚的金属铝层作为介质层120；
80.步骤s20：在二氧化硅层上涂布上5μm～80μm厚的键合胶层130；
81.步骤s30：在上述键合胶层130形成待键合的碳化硅晶圆140，得到本实施例的晶圆键合结构。
82.上述的晶圆键合结构通过在键合载片上依次层叠的介质层和键合胶层，通过与待键合晶圆和键合载片的材料与介质层材料不同的折射率可以分辨出待键合晶圆和键合载
片。利用上述晶圆键合结构既可以满足良好的键合效果，在后续进行一些如高温真空等离子体轰击或是高温退火等严苛的高温工艺条件下仍保持紧密且完整的键合，还可以有助于后续操作人员对于待键合晶圆厚度的测量。
83.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
84.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，便于具体和详细地理解本发明的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本发明提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑地分析、推理或者有限的实验得到的技术方案，均在本发明所附权利要求的保护范围内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书以及附图可以用于解释权利要求的内容。