[發(fā)明專利]一種帶空腔晶片的鍵合方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410286773.0
• 申請(qǐng)日: 2014-06-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105197880B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉堯;陳福成
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司
• 主分類號(hào): B81C3/00
• 分類號(hào): B81C3/00
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司31100
• 代理人: 張東梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及帶空腔晶片的鍵合方法依照該方法制造的產(chǎn)品。

背景技術(shù)

鍵合(bonding)是指借助各種化學(xué)和物理作用連接兩個(gè)或多個(gè)襯底或晶片(例如玻璃晶片或硅晶片)的過(guò)程，主要包括膠粘鍵合、陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合、熔融鍵合、玻璃漿料鍵合、金屬擴(kuò)散鍵合等。隨著硅通孔(TSV)、MEMS等3D制造技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)鍵合技術(shù)及鍵合質(zhì)量的要求也愈加詳細(xì)和嚴(yán)格起來(lái)。

晶片鍵合(wafer bonding)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件制造中非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。真空鍵合(vacuum bonding)是鍵合技術(shù)中的一類重要分支。以近年來(lái)發(fā)展迅速的壓力傳感器、振蕩器等器件為例，它們共同的特點(diǎn)是都需要在鍵合后形成一個(gè)真空腔體，并且腔體內(nèi)的真空度對(duì)保證器件性能指標(biāo)有十分重要的作用。

隨著微機(jī)械加工技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型鍵合技術(shù)——硅硅直接鍵合技術(shù)，它是指通過(guò)化學(xué)和物理的作用將硅片與硅片、氧化層等材料緊密連接在一起形成一個(gè)整體的方法。它可將表面加工和體加工有機(jī)地結(jié)合在一起，在微機(jī)械加工中占有重要的地位。它往往與其它手段結(jié)合使用，既可形成微結(jié)構(gòu)，對(duì)微結(jié)構(gòu)形成支撐和保護(hù)，又可實(shí)現(xiàn)微機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或微機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路之間的電學(xué)連接。

例如，在基于熔融鍵合原理的腔體器件硅硅鍵合過(guò)程中，首先，進(jìn)行預(yù)先清洗過(guò)程。其目的是在經(jīng)等離子體處理的硅晶片表面形成利于鍵合的親水基。預(yù)先清洗的最后一步通常為利用卡盤高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力(旋轉(zhuǎn)干燥或甩干)，將晶片表面殘余的去離子水甩干。

圖1示出通過(guò)硅硅鍵合工藝形成的腔體結(jié)構(gòu)的橫截面圖。從圖1可以看出，在鍵合的兩片晶片101和104之間存在大面積的空腔102和具有一定深度的劃線槽(scribe lane)103。因此，在預(yù)先清洗階段，僅使用旋轉(zhuǎn)干燥無(wú)法完全去除殘余在大面積空腔和深溝槽中的去離子水。這不僅影響鍵合完成后，腔體器件的真空度及鍵合質(zhì)量，也因空腔內(nèi)液體殘留，給器件安全留下隱患。

目前，對(duì)于腔體器件的鍵合工藝，一般采用傳統(tǒng)的熔融鍵合工藝方法，尚未出現(xiàn)有針對(duì)性的腔體器件鍵合專用工藝。

同樣，殘余液體去除方法主要依靠旋轉(zhuǎn)干燥來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于深寬比高、面積大的腔體器件，由于在晶片的不同半徑上空腔內(nèi)的殘液線速度不同，無(wú)法依靠延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)間或提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等手段解決。例如，在旋轉(zhuǎn)晶片的中心區(qū)域，殘留液體的線速度相對(duì)較慢，因此在中心區(qū)域空腔殘留液體相對(duì)較多，在對(duì)該晶片進(jìn)行熔融鍵合時(shí)，該區(qū)域中的殘留液體會(huì)產(chǎn)生大片空隙，造成鍵合失敗。

此外，受晶片鍵合工藝條件的限制，一般也無(wú)法應(yīng)用異丙醇(IPA)干燥等方法。

圖2示出傳統(tǒng)的硅硅鍵合工藝流程圖。

首先，在步驟201，對(duì)要進(jìn)行鍵合的兩個(gè)晶片表面進(jìn)行預(yù)先清洗，其中這兩個(gè)晶片中的至少一個(gè)之上形成有腔體、溝槽等結(jié)構(gòu)。在預(yù)先清洗階段晶片的鍵合表面上引入去離子水，從而形成有利于鍵合的親水基。然后，利用晶片卡盤的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，將晶片表面的殘余水平甩干。

在步驟202，將兩個(gè)待鍵合的晶片對(duì)準(zhǔn)。

在步驟203，將對(duì)準(zhǔn)的兩個(gè)晶片表面重合在一起。利用晶片表面的氫鍵進(jìn)行鍵合。

在步驟204，對(duì)經(jīng)鍵合的兩個(gè)晶片進(jìn)行檢查。

在步驟205，對(duì)經(jīng)鍵合的兩個(gè)晶片進(jìn)行高溫退火以形成鍵能更強(qiáng)的硅氧烷鍵(Si-O-Si)。

利用傳統(tǒng)的硅硅腔體鍵合工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)：在傳統(tǒng)硅硅鍵合工藝條件下，改變鍵合力、鍵合時(shí)間和表面處理?xiàng)l件，對(duì)鍵合質(zhì)量的改善效果非常有限。在晶片中的殘留液體產(chǎn)生大片空隙。

因此，去除預(yù)先清洗階段殘留的液體變得愈加重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種帶空腔晶片鍵合的方法，該方法有效去除殘留在晶片器件結(jié)構(gòu)中的殘留液體，提高了腔體器件鍵合后的真空度及鍵合質(zhì)量，同時(shí)也減少了腔體器件的安全隱患。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種晶片的鍵合方法，包括：

a)對(duì)兩個(gè)待鍵合的晶片進(jìn)行預(yù)先清洗以形成有利于鍵合的親水基；

b)將兩個(gè)待鍵合的晶片對(duì)準(zhǔn)；

c)將對(duì)準(zhǔn)后的晶片放入鍵合室，將鍵合室抽真空并加熱以去除晶片表面殘留的液體。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，前述方法還包括在步驟a)之前，對(duì)待鍵合的晶片表面進(jìn)行活化處理。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟a)通過(guò)將去離子水引入鍵合表面進(jìn)行預(yù)先清洗。