CN103832970B - 一种低温晶圆键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温晶圆键合方法，包括：对两个晶圆进行清洗；在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物；对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理；将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合；以及对键合后的晶圆进行低温退火处理。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆键合技术领域，尤其是一种低温晶圆键合方法，在该方法中两个晶圆中的至少一个可以具有处理过的或者至少部分可以处理过的器件。这种制备的方法用于硅与非硅基CMOS器件、IC器件、光电器件集成的晶圆键合技术。
背景技术
随着集成电路的发展，绝缘体硅(SOI)技术被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一，是维持摩尔定律走势的一大利器。
SOI材料是SOI技术发展的基础，高质量的SOI材料一直是制约SOI技术进入大规模工业生产的首要因素。近年来，随着SOI材料制备技术的不断成熟，制约SOI技术发展的材料问题正逐步被解决。SOI材料的制备技术归根结底包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术(Sepration-by-oxygenimplantation，即SIMOX)和晶圆键合技术。
SIMOX技术需要高温离子注入和后续超高温退火，这种技术会对SIMOX材料有损坏。由于材料质量的稳定性没有保证从而使得成本在增加。晶圆键合技术是同SIMOX同步发展起来的技术，两者各自侧重于不同应用需求。晶圆键合技术(WaferBonding)是利用两片镜面抛光的、干净的晶圆表面结合在一起。采用晶圆键合与减薄技术形成SOI结构时，不仅具有工艺简单、成本低廉、对器件无损伤等优点，且制备出的SOI材料仍然具有优良特性。目前晶圆键合技术主要包括阳极键合、硅片直接键合、共晶键合、热压键合、金属键合、玻璃焊料键合等，上述的晶圆键合技术都涉及到高温退火处理，工艺时间长，键合过程中产生的高温对MEMS器件性能造成不利影响，比如高温对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如超过400℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏)；高温易引入杂质，造成衬底掺杂的重新分布；对于热膨胀系数差异较大的两个晶圆，经过高温处理后会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率。
近年来提出了低温晶圆键合的思想，低温晶圆键合主要有低温焊料键合、黏胶键合、表面活化键合等。但是由于黏胶键合和低温焊料键合的键合强度较低，器件使用温度有限，应用受到很大限制。而低温表面活化键合虽然键合工艺时间比较长，但是由于表面活化处理和低温退火，从而使得键合强度能够满足后续的器件制作。
MEMS和光电技术的发展，对三维集成和系统封装提出了新的要求，研究能够满足热膨胀系数差较大同质或者异质的两个衬底材料键合要求且键合后对器件无损坏的新的低温晶圆键合技术成为技术发展的必然。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种低温晶圆键合的方法，以满足任意两个平滑的衬底材料之间的键合，使得键合技术不受衬底材料性质的影响。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种低温晶圆键合方法，包括：对两个晶圆进行清洗；在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物；对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理；将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合；以及对键合后的晶圆进行低温退火处理。
上述方案中，所述对两个晶圆进行清洗的步骤中，采用化学清洗方法。
上述方案中，所述对两个晶圆进行清洗之后还包括：对两个晶圆进行擦洗和/或抛光。
上述方案中，所述在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物的步骤中，所述沉积采用MOCVD、PECVD、ALD、溅射、电子束沉积法或激光脉冲沉积法，所述氧化物为氧化硅、氧化铝、氧化铪或氧化镧中的一种。
上述方案中，所述对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理的步骤中，所述表面活化处理是采用O2、N2、SF6等离子体活化处理的中一种对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理，或者是采用O2、N2、SF6等离子体活化处理的中多种依次对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理。
上述方案中，所述对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理的步骤中，所述表面活化处理是在16℃-26℃的温度范围内进行。
上述方案中，所述将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合的步骤中，非真空环境是指空气环境或者千级超净间的环境。
上述方案中，所述将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合的步骤中，采用的键合压力为100Kg-1000kg，优选地，所述键合压力为200kg-500kg。
上述方案中，所述对键合后的晶圆进行低温退火处理的步骤中，采用的退火温度为100℃-400℃。
(三)有益效果
与现有晶圆键合技术相比，本发明具有如下优点：
1、由于键合区是氧化物，所以本发明提供的低温晶圆键合方法可以键合任何两个衬底或者器件。
2、本发明提供的低温晶圆键合方法，采用低温晶圆键合技术，避免了对温度敏感电路和微结构的破坏，且效率高。
3、本发明提供的低温晶圆键合方法，不需要在真空或低真空环境下完成，且在键合时需要的挤压力比较小。
附图说明
图1为依照本发明实施例的低温晶圆键合的方法流程图；
图2为依照本发明实施例的在键合前的晶圆的示意图；
图3为依照本发明实施例的在键合前的工艺流程图，其中图3(a)为步骤流程图，图3(b)为与图3(a)所示步骤对应的效果示意图。
图4为依照本发明实施例的晶圆键合后的结构示意图。
图5为依照本发明实施例的晶圆键合后的超声扫描图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种低温晶圆键合方法，首先对两晶圆进行清洗，然后分别在两晶片的键合区沉积一层薄的氧化层，并对其中至少一晶圆上沉积的氧化层进行表面活化处理，将处理好的两个晶圆的氧化层相对贴在一起，最后送入键合机施加挤压力，从而实现两个晶圆的键合。
如图1所示，图1示出了依照本发明实施例的低温晶圆键合的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：对两个晶圆进行清洗；在本步骤中，采用化学清洗方法对两个晶圆进行清洗，具体包括：利用有机溶剂(异丙醇、无水乙醇、甲醇或丙酮)清洗掉表面油污，利用超声清洗的方法去掉表面的吸附颗粒，然后利用酸洗的方法去除掉金属离子玷污。
另外，在对两个晶圆进行清洗之后还包括：对两个晶圆进行擦洗和/或抛光，具体包括：当晶圆表面的粗糙度较大时(通常大于2nm)，一般需要进行表面化学机械研磨抛光处理，使其表面粗糙度达到适合晶片键合的需求(通常小于1nm)。
步骤2：在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物；对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理；在本步骤中，所述沉积采用MOCVD、PECVD、ALD、溅射、电子束沉积法或激光脉冲沉积法，所述氧化物为氧化硅、氧化铝、氧化铪或氧化镧中的一种；所述表面活化处理是采用O2、N2、SF6等离子体活化处理的中一种对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理，或者是采用O2、N2、SF6等离子体活化处理的中多种依次对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理；所述表面活化处理是在室温下进行，优选地是在16℃-26℃的温度范围内进行。
步骤3：将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合；在本步骤中，非真空环境是指空气环境或者千级超净间的环境，采用的键合压力为100Kg-1000kg，优选地，所述键合压力为200kg-500kg。
步骤4：对键合后的晶圆进行低温退火处理；在本步骤中，采用的退火温度为100℃-400℃。
图2至图4示出了依照本发明实施例的低温晶圆键合的工艺流程图。
如图2所示，用来键合的原衬底1是硅晶圆，原衬底2是砷化镓晶圆。
如图3所示，衬底1和衬底2在键合前经过一系列的处理，包括：清洗、沉积氧化物、表面活化处理。对于衬底1用改进的RCA清洗方法，衬底2则用简单的清洗方法。在清洗后的干净的衬底1和衬底2上用ALD的方法沉积一层氧化物3，氧化物3为氧化铝。接着用O2等离子体，接着用N2等离子体在氧化物3表面进行活化处理。
如图4所示在千级超净间的环境下用手动的方式将图3所处理好的两个晶圆表面相对贴在一起，然后放入键合机施加一定的挤压力。经过挤压后的晶圆对需要放在退火炉里用合适的温度(例如100℃-400℃)进行退火。
如图5所示，键合后的超声扫描图表明：当氧气等离子体活化的功率为100W，氮气等离子体活化的功率为100W时，有效键合面积占整个面积的98％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种低温晶圆键合方法，其特征在于，包括：
对两个晶圆进行清洗；
在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物，所述氧化物为氧化铝、氧化铪或氧化镧中的一种；
对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理，所述表面活化处理是采用O2、N2、SF6等离子体活化处理中的多种依次对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理；
将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合；以及
对键合后的晶圆进行低温退火处理。
2.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述对两个晶圆进行清洗的步骤中，采用化学清洗方法。
3.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述对两个晶圆进行清洗之后还包括：
对两个晶圆进行擦洗和/或抛光。
4.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述在清洗后的两个晶圆表面沉积一层氧化物的步骤中，所述沉积采用MOCVD、PECVD、ALD、溅射、电子束沉积法或激光脉冲沉积法。
5.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述对两个晶圆中的至少一个进行表面活化处理的步骤中，所述表面活化处理是在16℃-26℃的温度范围内进行。
6.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合的步骤中，非真空环境是指空气环境或者千级超净间的环境。
7.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述将表面活化处理后的两个晶圆在非真空环境下表面相对彼此接触并施加外力使其键合的步骤中，采用的键合压力为100Kg-1000kg。
8.根据权利要求7所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述键合压力为200kg-500kg。
9.根据权利要求1所述的低温晶圆键合方法，其特征在于，所述对键合后的晶圆进行低温退火处理的步骤中，采用的退火温度为100℃-400℃。
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