一種低溫晶圓鍵合方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低溫晶圓鍵合方法，包括：對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗；在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物；對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理；將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合；以及對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理。
【專利說明】—種低溫晶圓鍵合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及晶圓鍵合【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種低溫晶圓鍵合方法，在該方法中兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)可以具有處理過的或者至少部分可以處理過的器件。這種制備的方法用于娃與非娃基CMOS器件、IC器件、光電器件集成的晶圓鍵合技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路的發(fā)展，絕緣體硅(SOI)技術(shù)被業(yè)界公認(rèn)為納米技術(shù)時(shí)代取代現(xiàn)有單晶硅材料的解決方案之一，是維持摩爾定律走勢的一大利器。
[0003]SOI材料是SOI技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的SOI材料一直是制約SOI技術(shù)進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的首要因素。近年來，隨著SOI材料制備技術(shù)的不斷成熟，制約SOI技術(shù)發(fā)展的材料問題正逐步被解決。SOI材料的制備技術(shù)歸根結(jié)底包括兩種，即以離子注入為代表的注氧隔離技術(shù)(Sepration-by-oxygen implantation,即 SIM0X)和晶圓鍵合技術(shù)。
[0004]SIMOX技術(shù)需要高溫離子注入和后續(xù)超高溫退火，這種技術(shù)會(huì)對(duì)SMOX材料有損壞。由于材料質(zhì)量的穩(wěn)定性沒有保證從而使得成本在增加。晶圓鍵合技術(shù)是同SIMOX同步發(fā)展起來的技術(shù)，兩者各自側(cè)重于不同應(yīng)用需求。晶圓鍵合技術(shù)(Wafer Bonding)是利用兩片鏡面拋光的、干凈的晶圓表面結(jié)合在一起。采用晶圓鍵合與減薄技術(shù)形成SOI結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅具有工藝簡單、成本低廉、對(duì)器件無損傷等優(yōu)點(diǎn)，且制備出的SOI材料仍然具有優(yōu)良特性。目前晶圓鍵合技術(shù)主要包括陽極鍵合、硅片直接鍵合、共晶鍵合、熱壓鍵合、金屬鍵合、玻璃焊料鍵合等，上述的晶圓鍵合技術(shù)都涉及到高溫退火處理，工藝時(shí)間長，鍵合過程中產(chǎn)生的高溫對(duì)MEMS器件性能造成不利影響，比如高溫對(duì)晶圓上的溫度敏感電路和微結(jié)構(gòu)造成熱損壞(如超過400°C的高溫就會(huì)對(duì)CMOS鋁電路造成破壞)；高溫易引入雜質(zhì)，造成襯底摻雜的重新分布；對(duì)于熱膨脹系數(shù)差異較大的兩個(gè)晶圓，經(jīng)過高溫處理后會(huì)導(dǎo)致很大的變形和殘余熱應(yīng)力，直接影響到器件性能和封裝成品率。
[0005]近年來提出了低溫晶圓鍵合的思想，低溫晶圓鍵合主要有低溫焊料鍵合、黏膠鍵合、表面活化鍵合等。但是由于黏膠鍵合和低溫焊料鍵合的鍵合強(qiáng)度較低，器件使用溫度有限，應(yīng)用受到很大限制。而低溫表面活化鍵合雖然鍵合工藝時(shí)間比較長，但是由于表面活化處理和低溫退火，從而使得鍵合強(qiáng)度能夠滿足后續(xù)的器件制作。
[0006]MEMS和光電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)三維集成和系統(tǒng)封裝提出了新的要求，研究能夠滿足熱膨脹系數(shù)差較大同質(zhì)或者異質(zhì)的兩個(gè)襯底材料鍵合要求且鍵合后對(duì)器件無損壞的新的低溫晶圓鍵合技術(shù)成為技術(shù)發(fā)展的必然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種低溫晶圓鍵合的方法，以滿足任意兩個(gè)平滑的襯底材料之間的鍵合，使得鍵合技術(shù)不受襯底材料性質(zhì)的影響。[0009]( 二)技術(shù)方案
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種低溫晶圓鍵合方法，包括:對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗；在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物；對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理；將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合；以及對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理。
[0011]上述方案中，所述對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗的步驟中，采用化學(xué)清洗方法。
[0012]上述方案中，所述對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗之后還包括:對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行擦洗和/或拋光。
[0013]上述方案中，所述在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物的步驟中，所述沉積采用MOCVD、PECVD、ALD、濺射、電子束沉積法或激光脈沖沉積法，所述氧化物為氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或氧化鑭中的一種。
[0014]上述方案中，所述對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理的步驟中，所述表面活化處理是采用02、N2, SF6等離子體活化處理的中一種對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理，或者是采用02、N2、SF6等離子體活化處理的中多種依次對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理。
[0015]上述方案中，所述對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理的步驟中，所述表面活化處理是在16°C -26 °C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
[0016]上述方案中，所述將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合的步驟中，非真空環(huán)境是指空氣環(huán)境或者千級(jí)超凈間的環(huán)境。
[0017]上述方案中，所述將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合的步驟中，采用的鍵合壓力為100Kg-1000kg，優(yōu)選地，所述鍵合壓力為 200kg-500kg。
[0018]上述方案中，所述對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理的步驟中，采用的退火溫度為 100。。-400。。。
[0019](三)有益效果
[0020]與現(xiàn)有晶圓鍵合技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]1、由于鍵合區(qū)是氧化物，所以本發(fā)明提供的低溫晶圓鍵合方法可以鍵合任何兩個(gè)襯底或者器件。
[0022]2、本發(fā)明提供的低溫晶圓鍵合方法，采用低溫晶圓鍵合技術(shù)，避免了對(duì)溫度敏感電路和微結(jié)構(gòu)的破壞，且效率高。
[0023]3、本發(fā)明提供的低溫晶圓鍵合方法，不需要在真空或低真空環(huán)境下完成，且在鍵合時(shí)需要的擠壓力比較小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的低溫晶圓鍵合的方法流程圖；
[0025]圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的在鍵合前的晶圓的示意圖；
[0026]圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例的在鍵合前的工藝流程圖，其中圖3(a)為步驟流程圖，圖3(b)為與圖3(a)所示步驟對(duì)應(yīng)的效果示意圖。
[0027]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的晶圓鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖。[0028]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的晶圓鍵合后的超聲掃描圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明提供的這種低溫晶圓鍵合方法，首先對(duì)兩晶圓進(jìn)行清洗，然后分別在兩晶片的鍵合區(qū)沉積一層薄的氧化層，并對(duì)其中至少一晶圓上沉積的氧化層進(jìn)行表面活化處理，將處理好的兩個(gè)晶圓的氧化層相對(duì)貼在一起，最后送入鍵合機(jī)施加擠壓力，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)晶圓的鍵合。
[0031]如圖1所示，圖1示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的低溫晶圓鍵合的方法流程圖，該方法包括以下步驟:[0032]步驟1:對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗；在本步驟中，采用化學(xué)清洗方法對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗，具體包括:利用有機(jī)溶劑(異丙醇、無水乙醇、甲醇或丙酮)清洗掉表面油污，利用超聲清洗的方法去掉表面的吸附顆粒，然后利用酸洗的方法去除掉金屬離子玷污。
[0033]另外，在對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗之后還包括:對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行擦洗和/或拋光，具體包括:當(dāng)晶圓表面的粗糙度較大時(shí)(通常大于2nm)，一般需要進(jìn)行表面化學(xué)機(jī)械研磨拋光處理，使其表面粗糙度達(dá)到適合晶片鍵合的需求(通常小于Inm)。
[0034]步驟2:在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物；對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理；在本步驟中，所述沉積采用MOCVD、PECVD, ALD、濺射、電子束沉積法或激光脈沖沉積法，所述氧化物為氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或氧化鑭中的一種；所述表面活化處理是采用02、N2, SF6等離子體活化處理的中一種對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理，或者是采用02、隊(duì)、5^等離子體活化處理的中多種依次對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理；所述表面活化處理是在室溫下進(jìn)行，優(yōu)選地是在16°C -26°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
[0035]步驟3:將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合；在本步驟中，非真空環(huán)境是指空氣環(huán)境或者千級(jí)超凈間的環(huán)境，采用的鍵合壓力為100Kg-1000kg，優(yōu)選地，所述鍵合壓力為200kg-500kg。
[0036]步驟4:對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理；在本步驟中，采用的退火溫度為IOO0C -400。。。
[0037]圖2至圖4示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的低溫晶圓鍵合的工藝流程圖。
[0038]如圖2所示，用來鍵合的原襯底I是硅晶圓，原襯底2是砷化鎵晶圓。
[0039]如圖3所示，襯底I和襯底2在鍵合前經(jīng)過一系列的處理，包括:清洗、沉積氧化物、表面活化處理。對(duì)于襯底I用改進(jìn)的RCA清洗方法，襯底2則用簡單的清洗方法。在清洗后的干凈的襯底I和襯底2上用ALD的方法沉積一層氧化物3，氧化物3為氧化鋁。接著用O2等離子體，接著用N2等離子體在氧化物3表面進(jìn)行活化處理。
[0040]如圖4所示在千級(jí)超凈間的環(huán)境下用手動(dòng)的方式將圖3所處理好的兩個(gè)晶圓表面相對(duì)貼在一起，然后放入鍵合機(jī)施加一定的擠壓力。經(jīng)過擠壓后的晶圓對(duì)需要放在退火爐里用合適的溫度(例如100°c -4000C )進(jìn)行退火。
[0041]如圖5所示，鍵合后的超聲掃描圖表明:當(dāng)氧氣等離子體活化的功率為100W，氮?dú)獾入x子體活化的功率為IOOW時(shí)，有效鍵合面積占整個(gè)面積的98%。
[0042]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，包括: 對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗； 在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物； 對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理； 將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合；以及 對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗的步驟中，采用化學(xué)清洗方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行清洗之后還包括: 對(duì)兩個(gè)晶圓進(jìn)行擦洗和/或拋光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述在清洗后的兩個(gè)晶圓表面沉積一層氧化物的步驟中，所述沉積采用MOCVD、PECVD, ALD、濺射、電子束沉積法或激光脈沖沉積法，所述氧化物為氧化硅、氧化鋁、氧化鉿或氧化鑭中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理的步驟中，所述表面活化處理是采用o2、n2、sf6等離子體活化處理的中一種對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理，或者是采用02、隊(duì)、5^等離子體活化處理的中多種依次對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述對(duì)兩個(gè)晶圓中的至少一個(gè)進(jìn)行表面活化處理的步驟中，所述表面活化處理是在16°C _26°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合的步驟中，非真空環(huán)境是指空氣環(huán)境或者千級(jí)超凈間的環(huán)境。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述將表面活化處理后的兩個(gè)晶圓在非真空環(huán)境下表面相對(duì)彼此接觸并施加外力使其鍵合的步驟中，采用的鍵合壓力為 lOOKg-lOOOkg。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述鍵合壓力為200kg_500kgo
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫晶圓鍵合方法，其特征在于，所述對(duì)鍵合后的晶圓進(jìn)行低溫退火處理的步驟中，采用的退火溫度為100°c -400°c。
【文檔編號(hào)】B81C3/00GK103832970SQ201210491190
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】劉洪剛, 李運(yùn), 王盛凱, 張 雄, 郭浩, 孫兵, ?；|, 趙威 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所