一種利用激光退火改善熱鍵合質(zhì)量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造工藝，尤其涉及一種利用激光退火改善熱鍵合質(zhì)量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱鍵合(Fus1n Bonding)技術(shù)被普遍應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的3D封裝制程中，其基本原理是通過S1-O鍵實(shí)現(xiàn)兩片晶圓的互連。
[0003]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)MEMS熱鍵合步驟的工藝流程圖。在步驟101中，提供器件晶圓，在器件晶圓表面形成低溫氧化物層。所述器件晶圓由半導(dǎo)體襯底和器件組成。采用低工藝溫度氧化方法(Low process temperature oxide, LT0)制備所述氧化娃層,工藝溫度小于200°C。制備氧化硅層的表面粗糙度(Ra)可達(dá)0.35nm。在步驟102中，執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光平坦化(CMP)步驟，以滿足熱鍵合工藝對(duì)表面平整度的嚴(yán)格要求。在步驟103中，執(zhí)行熱鍵合工藝，以將所述器件晶圓與其它晶圓接合。
[0004]熱鍵合工藝往往要求在晶圓表面制備一層二氧化硅，而對(duì)于MEMS器件來說，由于MEMS器件中壓力敏感器件等對(duì)制程溫度的特殊要求。二氧化硅的制備常采用低工藝溫度氧化方法(Low process temperature oxide, LT0),溫度一般小于 200°C。然而，采用 LTO 方法制備的二氧化硅薄膜，存在致密度差、表面粗糙度高、吸水性高、滲氣(out gasing)嚴(yán)重等問題。而這些正是影響鍵合質(zhì)量，最終導(dǎo)致鍵合失敗的關(guān)鍵原因。因此，上述問題是改善鍵合和后續(xù)背部研磨工藝過程中出現(xiàn)鍵合空穴及晶圓剝離的主要努力方向。
[0005]目前，LTO方法采用PECVD機(jī)臺(tái)，工藝溫度低于200°C。通常有兩種方法可用于改善熱鍵合質(zhì)量，一種方法是采用熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅的方法，但部分MEMS器件在工藝過程中無法承受高于200°C的溫度條件。因此，該方法很難實(shí)現(xiàn)。另一種方法是改善膜層表面粗糙度，可采用多次沉積加化學(xué)機(jī)械拋光平坦化(CMP)的方法。雖然上述方法可以降低膜層表面粗糙度，但卻增加了成本和循環(huán)時(shí)間，因此不實(shí)用。
[0006]因此，急需一種新的制造方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在
【發(fā)明內(nèi)容】
部分中引入了一系列簡(jiǎn)化形式的概念，這將在【具體實(shí)施方式】部分中進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護(hù)的技術(shù)方案的關(guān)鍵特征和必要技術(shù)特征，更不意味著試圖確定所要求保護(hù)的技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種利用激光退火改善熱鍵合質(zhì)量的方法，包括下列步驟:步驟一、提供器件晶圓；步驟二、在所述器件晶圓表面形成低溫氧化物層；步驟三、激光照射所述低溫氧化物層；步驟四、重復(fù)所述步驟三，直到全部低溫氧化物層經(jīng)過所述激光處理。
[0009]優(yōu)選地，所述激光為高頻脈沖激光。
[0010]優(yōu)選地，在執(zhí)行所述步驟三過程中，特定厚度的所述低溫氧化物由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。
[0011]優(yōu)選地，通過改變所述激光的脈沖寬度、脈沖頻率和激光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)深度可控，溫度可控和熔融范圍可控的加熱。
[0012]優(yōu)選地,所述激光處理氣氛為氧氣氣氛或者空氣氣氛。
[0013]優(yōu)選地，在執(zhí)行所述步驟三之前還包括化學(xué)機(jī)械拋光平坦化的步驟。
[0014]優(yōu)選地，在執(zhí)行所述步驟四之后還包括進(jìn)行熱鍵合工藝的步驟。
[0015]綜上所示，根據(jù)本發(fā)明的制造工藝?yán)眉す馓幚砥骷A表面低溫氧化物層的方法，能有效避免器件熱損傷缺陷的產(chǎn)生，處理后氧化物的致密度高，表面粗糙度低，可顯著改善熱鍵合質(zhì)量。
【附圖說明】
[0016]本發(fā)明的下列附圖在此作為本發(fā)明的一部分用于理解本發(fā)明。附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例及其描述，用來解釋本發(fā)明的原理。
[0017]附圖中:
[0018]圖1為現(xiàn)有技術(shù)熱鍵合的工藝流程圖；
[0019]圖2為根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的方法依次實(shí)施的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]在下文的描述中，給出了大量具體的細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個(gè)或多個(gè)這些細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對(duì)于本領(lǐng)域公知的一些技術(shù)特征未進(jìn)行描述。
[0021]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細(xì)的步驟，以便闡釋本發(fā)明提出的制造工藝。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟習(xí)的特殊細(xì)節(jié)。本發(fā)明的較佳實(shí)施例詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以具有其他實(shí)施方式。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或組件，但不排除存在或附加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合。
[0023][示例性實(shí)施例]
[0024]下面將結(jié)合工藝流程圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中標(biāo)示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。
[0025]首先，執(zhí)行步驟201，提供器件晶圓，在器件晶圓表面形成低溫氧化物層。
[0026]所述器件晶圓是由半導(dǎo)體襯底和器件組成，半導(dǎo)體襯底的材料是單晶硅，也可以是絕緣體上的硅或者應(yīng)力硅等其他襯底。所述器件是由若干個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFETs)以及電容、電阻等其他器件通過合金互聯(lián)形成的集成電路，也可以是其他集成電路領(lǐng)域內(nèi)常見的半導(dǎo)體器件，例如雙極器件或者功率器件等。
[0027]所述低溫氧化物的材料為氧化硅是在較低的溫度下沉積而成的低溫氧化物(LowTemperature Oxide, LT0)。作為一個(gè)實(shí)例,所述氧化娃層是通過娃燒(SiH4)與一氧化二氮(N2O)在一定的等離子環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)而成，反應(yīng)溫度通常小于200°C。
[0028]接著，執(zhí)行步驟202，執(zhí)行化學(xué)機(jī)械拋光平坦化步驟，以滿足熱鍵合工藝對(duì)表面平整度的嚴(yán)格要求。
[0029]可以使用半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中常規(guī)的平坦化方法來實(shí)現(xiàn)表面的平坦化。該平坦化方法的非限制性實(shí)例包括機(jī)械平坦化方法和化學(xué)機(jī)械拋光平坦化方法。化學(xué)機(jī)械拋光平坦化方法更常用。
[0030]接著，執(zhí)行步驟203，使用激光照射所述低溫氧化物層。
[0031]將器件晶圓置于氧氣氣氛或者空氣氣氛中進(jìn)行激光照射，優(yōu)選為氧氣氣氛。通過改變激光器工藝參數(shù)，使晶圓表層一定厚度的氧化硅由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。熔融態(tài)氧化硅的厚度可通過調(diào)節(jié)激光脈沖寬度，脈沖頻率和激光強(qiáng)度等實(shí)現(xiàn)。利用激光退火機(jī)臺(tái)可在特定深度實(shí)現(xiàn)熔融的特性，將其用于改善低溫氧化物(LTO)膜層的表面特性，實(shí)現(xiàn)了降低表面粗糙度、提高致密度的目的。同時(shí)，由于氧化硅在熔融過程中會(huì)重排，這也提高了膜層表面可用于鍵合的S1-O鍵數(shù)量，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量鍵合提供了先決條件。
[0032]激光退火機(jī)臺(tái)利用高頻脈沖激光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)局部快速升降溫。通過改變脈沖寬度，脈沖頻率和激光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)深度可控，溫度可控和熔融范圍可控的加熱。當(dāng)激光退火用于MEMS器件時(shí)，由于其加熱是瞬時(shí)的、局部的，非加熱范圍內(nèi)的溫度不會(huì)發(fā)生變化，這樣也就避免了對(duì)MEMS器件的損傷。
[0033]接著，執(zhí)行步驟204，重復(fù)步驟203，直到全部低溫氧化物層經(jīng)過激光處理。
[0034]在進(jìn)行步驟203時(shí)，由于不能使全部的低溫氧化物層熔融，需要重復(fù)進(jìn)行步驟203，直到全部低溫氧化物層經(jīng)過激光處理過程。經(jīng)過激光退火后，低溫氧化物層的表面粗糙度(Ra)降低，可降低到0.15nm，致密度提高。
[0035]接著，執(zhí)行步驟205，進(jìn)行熱鍵合工藝，以將器件晶圓和其他晶圓互連。
[0036]執(zhí)行熱鍵合工藝，以將所述器件晶圓和其他晶圓互連。作為一個(gè)實(shí)例，所述熱鍵合過程中，施加的鍵合壓力為I?10N，鍵合時(shí)間為10?60s。
[0037]本發(fā)明已經(jīng)通過上述實(shí)施例進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實(shí)施例范圍內(nèi)。此外本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍以內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由附屬的權(quán)利要求書及其等效范圍所界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用激光退火改善熱鍵合質(zhì)量的方法，包括: 步驟一、提供器件晶圓； 步驟二、在所述器件晶圓表面形成低溫氧化物層； 步驟三、激光照射所述低溫氧化物層； 步驟四、重復(fù)所述步驟三，直到全部低溫氧化物層經(jīng)過所述激光處理。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光為高頻脈沖激光。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述步驟三過程中，特定厚度的所述低溫氧化物由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過改變所述激光的脈沖寬度、脈沖頻率和激光強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)深度可控，溫度可控和熔融范圍可控的加熱。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光處理氣氛為氧氣氣氛或者空氣氣氛。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述步驟三之前還包括化學(xué)機(jī)械拋光平坦化的步驟。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行所述步驟四之后還包括進(jìn)行熱鍵合工藝的步驟。
【專利摘要】一種利用激光退火改善熱鍵合質(zhì)量的方法，包括：步驟一、提供器件晶圓；步驟二、在所述器件晶圓表面形成低溫氧化物層；步驟三、激光照射所述低溫氧化物層；步驟四、重復(fù)所述步驟三，直到全部低溫氧化物層經(jīng)過所述激光處理。根據(jù)本發(fā)明的利用激光處理器件晶圓表面低溫氧化物層的方法，能有效避免器件熱損傷缺陷的產(chǎn)生，處理后氧化物的致密度高，表面粗糙度低，可顯著改善熱鍵合質(zhì)量。
【IPC分類】H01L21/02, B81C1/00
【公開號(hào)】CN104925740
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410103443
【發(fā)明人】劉堯, 陳福成, 施林波, 何作鵬
【申請(qǐng)人】中芯國際集成電路制造(上海)有限公司
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2014年3月19日