申请/专利权人：上海华力微电子有限公司

申请日：2018-12-29

公开（公告）日：2020-11-20

公开（公告）号：CN109712875B

主分类号：H01L21/18(20060101)

分类号：H01L21/18(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.20#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.05.03#公开

摘要：本发明公开了一种晶圆直接键合方法，包括步骤：步骤一、提供用于键合的第一和第二晶圆，在第一晶圆的边沿具有切割道；步骤二、进行预切割将第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度；步骤三、对第一和第二晶圆进行预处理；步骤四、对第一和第二晶圆进行预键合；步骤五、对第一和第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，通过步骤二中增加键合面间距减少第一晶圆的边沿处的键合波前的压差并防止过大的压差在第一晶圆的边沿处产生气泡。本发明能减少或消除键合后在晶圆边沿产生的气泡，且工艺简单，成本低。

主权项：1.一种晶圆直接键合方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面；步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距；步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理；步骤四、应用范德华力对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合，所述预键合形成的键包括氢键或羟基键，在所述预切割处也具有实现所述预键合的所述氢键或羟基键；步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，所述键合为采用热退火的直接键合，所述键合将所述氢键或羟基键转换为更强的共价键并形成由氢气或水组成的气体且气体会在键合过程中排出键合面，在所述预切割处也具有实现所述键合的所述共价键，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。

全文数据：晶圆直接键合方法技术领域本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种晶圆直接键合方法。背景技术在半导体制造中，通过将晶圆键合在一起能实现3维3D结构的器件，如在CMOS图像传感器CIS、MEMS运动传感器等工艺中会采用到晶圆键合。在现有技术中，晶圆通常为硅衬底的晶圆，晶圆键合则包括直接键合DirectBonding即硅和硅的直接键合以及通过中间层的键合Bondingwithinter-layers。其中直接键合包括：热键合或称为熔融键合FusionBonding，阳极键合AnodicBonding。通过中间层的键合则包括：金属键合MetalBonding，玻璃溶液键合GlassFritBonding，粘性键合AdhesiveBonding。金属键合又包括共晶键合EutecticBonding，焊锡键合SolderBonding和金属热压缩键合MetalThermo-CompressionBonding。粘性键合包括紫外线固化键合UVCuredpolymerBonding,热固化键合ThermoCuredpolymerBonding。本发明主要涉及直接键合中的FusionBonding，在现有热键合的步骤包括：将经过预处理的晶圆，通过晶圆键合机，应用范德华力，先将晶圆预键合，之后，再通过一道后处理退火工艺，将晶圆键合起来。退火为热退火，热退火过程中，能将预键合工艺形成在晶圆之间的键如氢键-H或羟基键-OH等转换为较强的共价键如硅-硅键，硅-氧-硅键，在退火过程中，会形成相应的氢气或水。共价键的键合力大，在键合过程中，键合力会以键合波的形式传播并最后实现对整个接触面的晶圆之间的键合。现有方法中，在晶圆的边沿区域容易形成气泡Bubble，这会影响键合效果。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种晶圆直接键合方法，能减少或消除键合后在晶圆边沿产生的气泡，且工艺简单，成本低。为解决上述技术问题，本发明提供的晶圆直接键合方法包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面。步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距。步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理。步骤四、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合。步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。进一步的改进是，所述预处理包括在所述第一晶圆的第一面或所述第二晶圆的第一面进行表面薄膜的生长和平坦化。进一步的改进是，所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的翘曲度进行调整。进一步的改进是，所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的第一面的表面薄膜的总厚度增加值ProcessaddedTotalvariation，PATV或称为TTVTotalThicknessVariation进行调整。进一步的改进是，所述预处理还包括对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。进一步的改进是，采用1号液SC1或2号液SC2对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。进一步的改进是，步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，之后采用去离子水DIW或稀释氨水对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗，以形成含有羟基的亲水性表面，在室温下将具有亲水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。进一步的改进是，步骤五的所述键合包括：进行热退火将羟基转换为共价键并形成水排除。所述键合的热退火温度150℃～650℃。进一步的改进是，步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，再用DIW或制程冷却水PCW对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗并形成亲水性表面，在室温下将具有水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。进一步的改进是，步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合并形成H2O排出或进入键合晶圆内部。所述键合的退火温度150℃～650℃。进一步的改进是，步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺和表面极性处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行处理。进一步的改进是，所述等离子体处理工艺的工艺气体包括N2、O2、Ar或He，工艺时间为1秒～100秒，射频功率包括10W～5000W；所述表面极性处理工艺的工艺液体包括H2O，DIW，PCW或NH3，工艺时间为1秒～100秒。进一步的改进是，步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合。所述键合的热退火温度为150℃～1100℃，工艺气体为N2、Ar或He，时间是0.5小时～4小时。进一步的改进是，所述第一晶圆和所述第二晶圆的衬底材料都为硅衬底。进一步的改进是，所述第二晶圆用作载体晶圆。本发明通过在预键合之前，在具有切割道的第一晶圆的边沿的切割道中进行了预切割，经过预切割的第一晶圆在和对应的第二晶圆贴合后能增加两个晶圆的边沿区域的键合面的间距，从而能减少在键合过程中晶圆边沿的键合波的波前的压差，从而能防止过大的压差在第一晶圆的边沿处产生气泡，能减少或消除键合后在晶圆边沿产生的气泡，且工艺简单，成本低。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：图1是本发明第一实施例晶圆直接键合方法的流程图。具体实施方式本发明第一实施例方法：如图1所示，是本发明第一实施例晶圆直接键合方法的流程图，本发明第一实施例晶圆直接键合方法包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面。所述第一晶圆和所述第二晶圆的衬底材料都为硅衬底。所述第二晶圆用作载体晶圆。步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距。步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理。本发明第一实施例中，所述预处理包括在所述第一晶圆的第一面或所述第二晶圆的第一面进行表面薄膜的生长和平坦化。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的翘曲度进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的第一面的表面薄膜的总厚度增加值进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。采用SC1或SC2对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。步骤四、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合。本发明第一实施例中，步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺和表面极性处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行处理。所述等离子体处理工艺的工艺气体包括N2、O2、Ar或He，工艺时间为1秒～100秒，射频功率包括10W～5000W；所述表面极性处理工艺的工艺液体包括H2O，DIW，PCW或NH3，工艺时间为1秒～100秒。步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合；所述键合的热退火温度为150℃～1100℃，工艺气体为N2、Ar或He，时间是0.5小时～4小时。本发明第一实施例通过在预键合之前，在具有切割道的第一晶圆的边沿的切割道中进行了预切割，经过预切割的第一晶圆在和对应的第二晶圆贴合后能增加两个晶圆的边沿区域的键合面的间距，从而能减少在键合过程中晶圆边沿的键合波的波前的压差，从而能防止过大的压差在第一晶圆的边沿处产生气泡，能减少或消除键合后在晶圆边沿产生的气泡，且工艺简单，成本低。其中，键合波的波前的压差的公式为：P-P0∝d-73。P0为键合波外的压力，P为键合波内的压力，d为键合面的间距，可以看出压差和d-73成正比。本发明第二实施例方法：本发明第二实施例晶圆直接键合方法包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面。所述第一晶圆和所述第二晶圆的衬底材料都为硅衬底。所述第二晶圆用作载体晶圆。步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距。步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理。本发明第一实施例中，所述预处理包括在所述第一晶圆的第一面或所述第二晶圆的第一面进行表面薄膜的生长和平坦化。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的翘曲度进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的第一面的表面薄膜的总厚度增加值进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。采用SC1或SC2对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。步骤四、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合。步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，之后采用DIW或稀释氨水对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗，以形成含有羟基的亲水性表面，在室温下将具有亲水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。步骤五的所述键合包括：进行热退火将羟基转换为共价键并形成水排除。所述键合的热退火温度150℃～650℃。本发明第一实施例方法和本发明第二实施例方法相比，本发明第一实施例方法在所述键合中能实现较低温度的退火。本发明第三实施例方法：本发明第三实施例晶圆直接键合方法包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面。所述第一晶圆和所述第二晶圆的衬底材料都为硅衬底。所述第二晶圆用作载体晶圆。步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距。步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理。本发明第一实施例中，所述预处理包括在所述第一晶圆的第一面或所述第二晶圆的第一面进行表面薄膜的生长和平坦化。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的翘曲度进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的第一面的表面薄膜的总厚度增加值进行调整。所述预处理还包括对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。采用SC1或SC2对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。步骤四、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合。步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，再用DIW或PCW对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗并形成亲水性表面，在室温下将具有水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合并形成H2O排出或进入键合晶圆内部。所述键合的退火温度150℃～650℃。本发明第一实施例方法和本发明第三实施例方法相比，本发明第一实施例方法在所述键合中能实现较低温度的退火。以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种晶圆直接键合方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、提供用于键合的第一晶圆和第二晶圆，在所述第一晶圆上形成有多个芯片且在所述芯片之间具有切割道，在所述第一晶圆的边沿也具有切割道；所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面为对应的键合面；步骤二、对所述第一晶圆进行预切割，所述预切割将所述第一晶圆的第一面边沿的切割道切除一定深度，用于增加后续键合过程中所述第一晶圆和所述第二晶圆的边沿区域的键合面间距；步骤三、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预处理；步骤四、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行预键合；步骤五、对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行键合，在键合过程中会产生气体并排出键合面，键合力沿键合波由内向外传播；利用键合波前的压差会随着键合面间距增加而减少特征，通过步骤二中增加所述键合面间距减少所述第一晶圆的边沿处的所述键合波前的压差并防止过大的压差在所述第一晶圆的边沿处产生气泡。2.如权利要求1晶圆直接键合方法，其特征在于：所述预处理包括在所述第一晶圆的第一面或所述第二晶圆的第一面进行表面薄膜的生长和平坦化。3.如权利要求2晶圆直接键合方法，其特征在于：所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的翘曲度进行调整。4.如权利要求2晶圆直接键合方法，其特征在于：所述预处理还包括对所述第一晶圆或所述第二晶圆的第一面的表面薄膜的总厚度增加值进行调整。5.如权利要求4晶圆直接键合方法，其特征在于：所述预处理还包括对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。6.如权利要求5晶圆直接键合方法，其特征在于：采用SC1或SC2对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行表面颗粒清洗去除。7.如权利要求1晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，之后采用DIW或稀释氨水对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗，以形成含有羟基的亲水性表面，在室温下将具有亲水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。8.如权利要求7晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤五的所述键合包括：进行热退火将羟基转换为共价键并形成水排除；所述键合的热退火温度150℃～650℃。9.如权利要求1晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行激活处理，再用DIW或PCW对所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面进行清洗并形成亲水性表面，在室温下将具有水性表面的所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第二面贴合在一起，实现对所述预键合。10.如权利要求9晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合并形成H2O排出或进入键合晶圆内部；所述键合的退火温度150℃～650℃。11.如权利要求1晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤四的所述预键合包括：采用等离子体处理工艺和表面极性处理工艺对所述第一晶圆的第一面和所述第二晶圆的第一面进行处理。12.如权利要求7或9或11晶圆直接键合方法，其特征在于：所述等离子体处理工艺的工艺气体包括N2、O2、Ar或He，工艺时间为1秒～100秒，射频功率包括10W～5000W；所述表面极性处理工艺的工艺液体包括H2O，DIW，PCW或NH3，工艺时间为1秒～100秒。13.如权利要求10晶圆直接键合方法，其特征在于：步骤五的所述键合包括：进行热退火形成所述第一晶圆和所述第二晶圆材料的直接键合；所述键合的热退火温度为150℃～1100℃，工艺气体为N2、Ar或He，时间是0.5小时～4小时。14.如权利要求1晶圆直接键合方法，其特征在于：所述第一晶圆和所述第二晶圆的衬底材料都为硅衬底。15.如权利要求14晶圆直接键合方法，其特征在于：所述第二晶圆用作载体晶圆。

百度查询： 上海华力微电子有限公司 晶圆直接键合方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD