晶圓鍵合方法與流程
2024-03-28 00:54:05
本發明涉及半導體工藝技術領域，具體涉及一種晶圓鍵合方法。
背景技術：
經過半個世紀的高速發展，微電子技術和依託於微電子技術的信息技術已經對人類社會的發展產生了革命性的影響。然而，當今必須面對的問題是：傳統電晶體的物理極限不斷逼近，更小尺寸的製造技術越來越困難，集成電路的功耗不斷增大晶圓廠的投資迅速攀升。在這種情況下，如何繼續保持微電子技術以摩爾定律所描述的速度持續發展，已經成為今天整個行業都在努力解決的問題。
三維集成電路的出現，為半導體和微電子技術的持續發展提供了一個新的技術解決方案。所謂三維集成電路，廣義上是將具有集成電路的晶圓經過鍵合工藝形成鍵合晶圓，通過穿透晶圓的三維結構互連實現多層之間的信號連接。三維集成電路能夠實現更小的晶片面積、更短的晶片間互連、更高的數據傳輸帶寬以及不同工藝技術的異質集成，從而大幅度降低晶片功耗，減小延時，提高性能，擴展功能，並為實現複雜功能的片上系統(SOC)提供可能。
在三維集成電路中，晶圓與晶圓的鍵合非常關鍵。傳統的鍵合工藝包括以下步驟：
如圖1所示，提供第一晶圓101和第二晶圓102；
如圖2所示，在所述第一晶圓101的第一面上形成平坦化層103，在第二晶圓102的第一面上形成平坦化層104，並對平坦化層103、104進行平坦化處理；
如圖3所示，將所述第一晶圓101的第一面和所述第二晶圓102的第一面相對放置，再對第一晶圓101和/或第二晶圓102施加一壓力，即可完成鍵合工藝。
實踐發現，鍵合後的晶圓經常出現邊緣脫落或者晶圓上的器件結構損傷的問題，導致器件良率下降。
技術實現要素：
本發明的目的在於，提供一種晶圓鍵合方法，以避免晶圓鍵合後形成縫隙或者減小晶圓鍵合後縫隙的尺寸。
本發明提供了一種晶圓鍵合方法，其包括以下步驟：
提供第一晶圓和第二晶圓；
在第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域和/或第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層；
在所述第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面形成一平坦化層，第一晶圓上的平坦化層和/或第二晶圓上的平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層，所述連續膜層的邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度；
將所述第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面相對放置，並對所述第一晶圓和/或所述第二晶圓施加壓力，以實現所述第一晶圓和第二晶圓的鍵合。
可選的，在形成所述平坦化層之後，將所述第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面相對放置之前，還包括：對所述平坦化層進行平坦化工藝。
可選的，所述平坦化工藝為化學機械拋光工藝。
可選的，所述第一晶圓上的環狀膜層形成於離第一晶圓第一面邊緣3mm～5mm區域，所述第二晶圓上的環狀膜層形成於離第二晶圓第一面邊緣3mm～5mm區域。
可選的，所述平坦化層與所述環狀膜層的材質相同。
可選的，所述平坦化層的材質為絕緣材料。
可選的，所述環狀膜層的材質為絕緣材料。
可選的，在第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層，所述環狀膜層的形成方法為：
遮擋所述第一晶圓的第一面的中心區域和邊緣不需形成環裝膜層的環狀區域，通過化學氣相沉積工藝在所述第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層。
可選的，在第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層，所述環狀膜層的形成方法為：
通過化學氣相沉積工藝在所述第一晶圓的第一面的所有區域沉積薄膜；
通過光刻和刻蝕工藝去除所述第一晶圓的第一面的中心區域和邊緣不需形成環裝膜層區域的薄膜，保留所述第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域的薄膜，以形成所述環狀膜層。
可選的，在第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層，所述環狀膜層的形成方法為：
遮擋所述第二晶圓的第一面的中心區域和邊緣不需形成環裝膜層的環狀區域，通過化學氣相沉積工藝在所述第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層。
可選的，在第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層，所述環狀膜層的形成方法為：
通過化學氣相沉積工藝在所述第二晶圓的第一面的所有區域沉積薄膜；
通過光刻和刻蝕工藝去除所述第二晶圓的第一面的中心區域和邊緣不需形成環裝膜層區域的薄膜，保留所述第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域的薄膜，以形成所述環狀膜層。
可選的，所述第一晶圓和所述第二晶圓均為器件晶圓。
可選的，所述壓力施加在所述第一晶圓和/或所述第二晶圓的中心。
本發明提供一種晶圓鍵合方法，先在第一晶圓的第一面和/或第二晶圓的第一面的邊緣形成一環狀膜層，再在第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面形成一平坦化層，所述平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層，所述連續膜層邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度，如此，可避免晶圓鍵合後邊緣形成縫隙或者減小晶圓鍵合後邊緣縫隙的尺寸，降低晶圓邊緣上的薄膜掉落的機率，也可防止後續工藝中酸液沿縫隙進入晶圓之間對器件結構形成汙染，增強了第一晶圓和第二晶圓邊緣處的鍵合強度。
附圖說明
圖1～圖3是傳統晶圓鍵合過程中第一晶圓與第二晶圓的剖面示意圖；
圖4是本發明一實施例提供的晶圓鍵合方法的流程圖；
圖5～圖9是本發明一實施例提供的晶圓鍵合過程中第一晶圓和第二晶圓的剖面示意圖；
圖10是本發明一實施例提供的晶圓鍵合方法中，形成環裝膜層後的第一晶圓的俯視示意圖；
附圖的標記說明如下：
101、201-第一晶圓；102、202-第二晶圓；103、104-平坦化層；105-縫隙；109、110、209、210-弧面；207、208-環狀膜層；211、212-連續膜層；α-弧面切線與垂直方向的夾角。
具體實施方式
在背景技術中已經提及，鍵合後的晶圓經常出現邊緣脫落或者晶圓上的器件結構損傷的問題。申請人研究發現，這是因為在傳統的鍵合工藝中，在第一晶圓101的第一面和第二晶圓202的第一面上形成平坦化層103、104時，由於邊緣沉積速率較低和晶圓邊緣為弧形輪廓雙重因素的影響，越靠近晶圓的邊緣平坦化層103、104的厚度也越薄，最終形成一個弧面109、110，且此弧面109、110的切線與垂直方向的夾角α較大(如圖2所示)。經過平坦化工藝後，此弧面109、110仍然存在，導致鍵合工藝完成後，第一晶圓101與所述第二晶圓102結合處會產生縫隙105。由於此縫隙105的存在，導致第一晶圓101和第二晶圓102邊緣上形成的薄膜很容易掉落。並且，後續溼法刻蝕工藝中酸液容易沿縫隙105進入第一晶圓101和第二晶圓102之間腐蝕晶圓上的器件結構。此外，如果此縫隙105導致第一晶圓101與第二晶圓102連接區域破裂(沒有接觸上)，還會導致金屬暴露出來造成金屬汙染。
基於此，本發明提供一種晶圓鍵合方法，先在第一晶圓的第一面和/或第二晶圓的第一面的邊緣形成一環狀膜層，再在第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面形成一平坦化層，所述平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層，所述連續膜層邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度，如此，可避免晶圓鍵合後邊緣形成縫隙或者減小晶圓鍵合後邊緣縫隙的尺寸。
以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的晶圓鍵合方法作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
如圖4所示，本發明實施例提供的晶圓鍵合方法包括以下步驟：
S1、提供第一晶圓和第二晶圓；
S2、在第一晶圓的第一面離邊緣指定距離區域和/或第二晶圓的第一面離邊緣指定距離區域形成一環狀膜層；
S3、在所述第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面形成一平坦化層，第一晶圓上的平坦化層和/或第二晶圓上的平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層，所述連續膜層的邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度；
S4、將所述第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面相對放置，並對所述第一晶圓和/或所述第二晶圓施加壓力，以實現所述第一晶圓和第二晶圓的鍵合。
如圖5所示，其是第一晶圓201和第二晶圓202的示意圖。步驟S1中，第一晶圓201和第二晶圓202例如均為器件晶圓，所述器件晶圓的器件結構可以包括公知的電容、電阻、電感、MOS電晶體、放大器或邏輯電路中的一個或者多個。當然在實際應用中，第一晶圓201和第二晶圓202也可以為設置有電路結構的載體晶圓，載體晶圓的電路結構例如包括電容、電阻和邏輯電路組成的部分電路。為簡便，圖中並未表示出第第一晶圓201和第二晶圓202上的器件結構，但是本領域技術人員應是知曉的。
如圖6所示，其是形成有環狀膜層207的第一晶圓201和形成有環狀膜層208的第二晶圓202的示意圖。步驟S2中，第一晶圓201上形成的環狀膜層207和第二晶圓202上形成的環狀膜層208例如是絕緣材料，更具體的，例如是二氧化矽。可選的，環狀膜層207、208形成於離晶圓邊緣3mm～5mm區域內，經驗證，採用上述尺寸的環狀膜層效果較佳。所述環狀膜層207、208的厚度可依據平坦化層的厚度進行調整，在此不再限定，只要保證後續形成的連續膜層的邊緣區域的高度不低於(高於或等於)其中心區域的高度即可。當然在實際應用中，環狀膜層的材料不限於絕緣材料。另外，環狀膜層的尺寸(包括寬度、外邊緣距離晶圓邊緣的距離等)也可以進行相應的調整，此處的「邊緣區域」是相對於「中心區域」而言更靠近晶圓側邊，晶圓上除了「邊緣區域」之外的區域均可稱之為「中心區域」，該「邊緣區域」並非是為了限定該區域的具體尺寸和具體位置。
在本發明一實施例中，通過化學氣相沉積的方式形成所述環狀膜層207和環狀膜層208，具體的，在進行化學氣相沉積時，通過裝置遮擋第一晶圓201的中心區域和邊緣不需形成環狀膜層的環狀區域；通過裝置遮擋第二晶圓202的中心區域和邊緣不需形成環狀膜層的環狀區域(如圖10所示)，這樣，僅在第一晶圓201第一面離邊緣指定距離內形成環狀膜層207，第二晶圓202第一面離邊緣指定距離內形成環狀膜層208。
在本發明另一實施例中，可先通過化學氣相沉積工藝在所述第一晶圓201和第二晶圓202的第一面的所有區域上形成薄膜，再通過光刻和刻蝕工藝去除所述第一晶圓201和第二晶圓202的第一面的中心區域和邊緣不需形成環狀膜層區域的薄膜，保留第一晶圓201第一面離邊緣指定距離內的薄膜，形成環狀膜層207；保留第二晶圓202第一面離邊緣指定距離內的薄膜，形成環狀膜層208。優選採用幹法刻蝕工藝去除所述第一晶圓201和第二晶圓202的第一面的中心區域和邊緣不需形成環狀膜層區域的薄膜，可通過幹法刻蝕工藝的參數調整，使刻蝕出的環狀膜層的外側弧面接近垂直。
如圖7所示，在步驟S3中，在第一晶圓201的第一面和第二晶圓202的第一面各自形成一平坦化層，第一晶圓201上的平坦化層和第二晶圓202上的平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層211、212，所述連續膜層211、212的邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度。所述平坦化層可與環狀膜層207、208在同一腔體形成。優選的，平坦化層211、212的材質與環狀膜層207、208相同，均為二氧化矽。連續膜層211、212的邊緣區域高度高於中心區域高度，優選的，連續膜層211、212的邊緣弧面209、211仍保持前一步驟中接近垂直的形貌。當然，在實際應用中，所述平坦化層203、204的形成方式和材質也可與環狀膜層207、208不相同，可以在不同的腔室內形成。另外，本實施例中，第一晶圓201的第一面的邊緣和第二晶圓202的第一面的邊緣各自形成有環狀膜層，第一晶圓201上的平坦化層和第二晶圓202上的平坦化層各自連接環狀膜層構成連續膜層。但在其它實施例中，也可以僅在第一晶圓201的第一面的邊緣上形成有環狀膜層，或者，僅在第一晶圓202的第一面的邊緣上形成有環狀膜層，均可改善晶圓鍵合後邊緣的形貌。
優選方案中，如圖8所示在步驟S3之後，進行一平坦化工藝，所述平坦化工藝例如是化學機械拋光工藝，通過化學機械拋光工藝對第一晶圓201的連續膜層211和第二晶圓202的連續膜層212進行平坦化處理，可使得第一晶圓201和第二晶圓202表面更加光滑平整，確保第一晶圓與第二晶圓在後續鍵合時，結合的更加緊密。連續膜層211、212邊緣的弧面仍保持前一步驟中接近垂直的形貌。可以理解的是，該平坦化工藝並非是必須執行的，如果第一晶圓201和第二晶圓202表面的光滑程度在工藝允許範圍內，也可省略該平坦化步驟。
如圖9所示，最後，將所述第一晶圓201的第一面和所述第二晶圓202的第一面相對放置，再施加一壓力在第一晶圓201和/或第二晶圓202，即可完成鍵合工藝。可以是固定第一晶圓201並施加壓力於第二晶圓202，或者，固定第二晶圓202並施加壓力於第一晶圓201，再或者，同時施力於第一晶圓201和第二晶圓202。施力的位置優選為第一晶圓201和第二晶圓202的中心，這樣鍵合效果更佳。最終，第一晶圓201和第二晶圓202，會因分子間作用力而緊密結合。當然在實際應用中，施力的位置也可根據情況進行調整。完成上述步驟後，第一晶圓201與第二晶圓202即完成鍵合。
綜上所述，本發明先在第一晶圓的第一面和/或第二晶圓的第一面的邊緣形成一環狀膜層，再在第一晶圓的第一面和所述第二晶圓的第一面形成一平坦化層，所述平坦化層連接環狀膜層構成一連續膜層，所述連續膜層邊緣區域的高度不低於其中心區域的高度，如此，可避免晶圓鍵合後邊緣形成縫隙或者減小晶圓鍵合後邊緣縫隙的尺寸，降低晶圓邊緣上的薄膜掉落的機率，也可防止後續工藝中酸液沿縫隙進入晶圓之間對器件結構形成汙染，增強第一晶圓和第二晶圓邊緣處的鍵合強度。
上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，並非對本發明範圍的任何限定，本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬於權利要求書的保護範圍。