一种键合晶圆的结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种键合晶圆的结构及其制备方法，主要解决现有技术键合强度低以及键合的空隙率高的技术问题。该键合晶圆的结构及其制备方法通过将需要键合的两块晶圆进行清洗、蒸发沉积金属Al，在任一晶圆表面旋涂光刻胶、软烘烤、UV曝光、光刻胶显影，刻蚀形成等间距通道、在氧环境下低温键合以及低温退火键合得到晶圆键合结构，该晶圆键合结构包括上下两层晶圆层，以及在该两层晶圆层之间氧化与键合同时进行，使得键合后的表面具有三氧化二铝和气体混合的气体通道的技术方案，该键合晶圆的结构及其制备方法，实现了晶圆之间空隙小、键合强度高，以及基于SOI结构制造的器件散热性好；能够用于晶圆的低温键合。

A structure of bonded wafer and its preparation method

The invention discloses a bonding wafer structure and its preparation method, which mainly solves the technical problems of low bonding strength and high void ratio of the existing technology. The wafer bonding structure and a preparation method thereof for cleaning, with two pieces of wafer bonding will require evaporation deposition of metal Al on the surface of the wafer, either spin photoresist, soft baking, UV exposure, photoresist developing, etching to form the space channel, in the low temperature environment and low oxygen bond bond annealing get the wafer bonding structure, the wafer bonding structure comprises two layers of wafer layer, and between the two layers of wafer layer oxidation and bond contract, the key technical scheme of the surface after having a gas passage and a gas mixture of two aluminum oxide three, the bonding wafer structure and its preparation method, realized the gap between the wafer and the bonding strength is high, and the heat dissipation device based on SOI structure of manufacturing; can be used for the low temperature bonding wafer.

【技术实现步骤摘要】
一种键合晶圆的结构及其制备方法
本专利技术涉及晶圆键合
，特别涉及到一种键合晶圆的结构及其制备方法。
技术介绍
随着集成电路的发展，晶圆键合被证明是一种直接有效的组装、加工、制造基底材料的方法，并且在半导体领域、微电子领域、MEMS以及光电器件的制造领域得到了广泛的应用，特别是低温直接键合的方式在绝缘硅(SOI)制造工艺中得到了更加深入的体现。晶圆键合是指两个表面平整洁净的晶圆在一定条件下可以通过表面的化学键互相连接起来。晶圆键合具有半导体工艺的兼容性和灵活性，在键合过程中一般采用BCB(苯并环丁烯)为键合介质材料，这种键合材料的存在散热性差的缺点，因此键合界面处会产生较多气泡，导致键合强度低的键合键合质量问题；这些键合质量问题容易产生引起光耦合散射或损失的界面空隙。因此现有的晶圆键合技术中仍然存在空隙率高以及键合强度低的问题。研究中表明Al2O3的散热性质和扩散阻挡层性质是优异的。因此，对于粘合以及3D集成电路应用而言，Al2O3的众多优点正在越来越受欢迎。已经在硅上的III-V绝缘体上绝缘体(SOI)结构中证明了使用原子层沉积(AlD)Al2O3，以在In0.53Ga0.47As-OI和Al2O3掩埋氧化物的底界面处获得优异的性能。然而，键合质量仍然受到可能引起光耦合散射或损失的界面空隙的限制。这些空隙是由界面聚合反应产生的气体副产物(主要由H2和H2O分子组成)在残余键合界面已经研究了几种方法来抑制界面空隙密度。有研究表明InP-on-SOI在结合中使用垂直排气通道(VOC)，以将气体副产物吸收并扩散到多孔埋入的SiO2层中。虽然已经实现了无空隙的粘合，但是发现这些吸收的气体在高温后粘合过程中会导致严重的膜分层。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是现有技术中存在的空隙率高以及键合强度低的技术问题，提供一种新的键合晶圆的结构及其制备方法，该技术方法具有降低空隙率以及提高键合强度的技术特点。为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：一种键合晶圆的结构，包括第一晶圆和第二晶圆，所述第二晶圆位于第一晶圆的上方，所述第一晶圆与第二晶圆之间设置有中间层，所述中间层包括气体通道和三氧化二铝层，所述气体通道设置在三氧化二铝层内，且气体通道横向贯穿三氧化二铝层。进一步的：所述气体通道为三氧化二铝层经过混合气体刻蚀形成的等间距气体通道。进一步的：所述等间距气体通道为凹槽状通道。上述键合晶圆的结构的制备方法，包括以下步骤：A.将第一晶圆和第二晶圆均进行清洗，吹干；B.将所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面均沉积金属铝；C.将所述第一晶圆或所述第二晶圆的表面采用旋涂法均匀涂抹光刻胶；D.将涂抹光刻胶的第一晶圆或第二晶圆依次进行软烘烤、添加掩模版、紫外光曝光以及光刻胶显影工艺；所述软烘烤的条件为置于真空热板内，烘烤温度为80℃-120℃，烘烤时间为30s-60s；E.对有光刻胶的第一晶圆或第二晶圆进行刻蚀形成气体通道，将所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面相互接触，进行预键合，所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面均为步骤B形成的金属铝层；F.通过湿法腐蚀去除残留的光刻胶；G.将所述第一晶圆和所述第二晶圆放入键合机在氧气环境下进行低温键合，氧气分子通过所述气体通道进入所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面将所述金属铝层自然氧化成三氧化二铝；键合温度为100℃-400℃，键合压力为100Kg-1000Kg；H.低温退火处理；退火温度为100℃-400℃。进一步的：步骤A中的清洗为采用RCA湿式化学清洗法，所述RCA湿式化学清洗法所采用的清洗液包括有机溶剂、硫酸和双氧水的混合溶液以及氨水、双氧水和去离子水的混合溶液；在硫酸和双氧水的混合溶液中，所述硫酸浓度为96％，所述双氧水的浓度为30％，所述硫酸和所述双氧水的体积比为4:1；在所述氨水、双氧水和去离子水的混合溶液中，所述氨水的浓度为29％，所述双氧水的浓度为30％，三种液体的体积比为：氨水:双氧水:去离子水为1:1:5；清洗的方法包括以下步骤：采用所述有机溶剂清除所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面油污；采用超声清洗所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面吸附的颗粒；将所述硫酸和双氧水的混合溶液加热至95℃，将所述第一晶圆和所述第二晶圆浸泡20分钟，用去离子水快速冲洗浸泡后的第一晶圆和第二晶圆去除金属离子；将所述氨水、双氧水和去离子水的混合溶液加热至80℃，将所述第一晶圆和所述第二晶圆浸泡15分钟，在浸泡过程中保持所述氨水、双氧水和去离子水的混合溶液的温度不变，再用去离子水快速冲洗浸泡后的第一晶圆和第二晶圆。进一步的：步骤A中的吹干为采用氮气进行吹干。进一步的：步骤A清洗后将所述第一晶圆和所述第二晶圆进行擦洗和/或抛光。进一步的：步骤B中的沉积金属铝的方法采用化学气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法、原子层沉积法、溅射、电子束沉积法以及激光脉冲沉积法中的一种，所述金属铝沉积的厚度为20nm。进一步的：步骤E中的气体通道为凹槽状等间距的气体通道。进一步的：步骤E中的刻蚀采用三氯化硼和氯气的混合气体进行刻蚀；所述刻蚀为在温度为60℃下的腔体下进行，所述刻蚀时间为60s-80s。本专利技术的有益效果：效果一，三氧化二铝具有较好的散热性质和扩散阻挡层性质，在键合晶圆平面内刻蚀形成气体通道以及金属铝自然氧化成为三氧化二铝同时进行，达到较高的键合强度以及使得键合晶圆具有较好的散热性；另一方面，键合晶圆平面内气体通道可以有效的排除气体，使得键合晶圆内的气泡减少，空隙率降低。效果二，凹槽状等间距的气体通道，有利于氧气的进入促进氧化，使键合与氧化同时进行，且可以保障氧气进入的均匀性。效果三，将晶圆进行清洗可以将晶圆表面的油污、吸附的颗粒以及金属离子的赃污，使得键合时晶圆干净避免产生气泡。效果四，采用氮气使得晶圆表面保持洁净，避免带来新的污染物。效果五，在晶圆的表面沉积金属铝，使得金属铝暴露在空气中自然氧化形成三氧化二铝保护层，且氧化与键合同时进行，形成的Al-O键为自然氧化的方式，较大程度提高键合的强度。效果六，软烘烤可以去除清洗用的溶剂，增强键合过程的粘附性，释放光刻胶内应力，同时防止光刻胶污染设备。效果七，采用三氯化硼和氯气混合气体完成刻蚀，三氯化硼对氧气和水而言是良好的清洁剂，可防止腐蚀过程中在金属铝表面形成氧化物三氧化二铝。效果八，采用低温键合以及低温退火技术避免了对温度敏感的器件或者结构的破坏，有利于键合任意两种衬底或者器件。效果九，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)，使其表面粗糙度达到适合晶片键合的需求(通常小于1nm)。效果10，金属铝沉积的厚度为20nm，使得键合的空隙数量较少，尺寸较小。综上所述，本专利技术所述的键合晶圆的结构及其制备方法，在第一晶圆与第二晶圆之间氧化与键合同时进行，形成的Al-O键为自然氧化的方式，键能大键合的强度；并且在第一晶圆与第二晶圆之间的中间层形成凹槽气体通道，即气体通道有利于氧气的进入促进氧化，同时减少晶片键合的产生的空隙；采用Al2O3作为键合介质有利于所形成器件的散热性；采用低温键合技术避免了对温度敏感的器件或者结构的破坏，有利于键合任意两种衬底或者器件。因此本专利技术所述的键合晶圆的结构及其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种键合晶圆的结构，包括第一晶圆和第二晶圆，其特征在于：所述第二晶圆位于第一晶圆的上方，所述第一晶圆与第二晶圆之间设置有中间层，所述中间层包括气体通道和三氧化二铝层，所述气体通道设置在三氧化二铝层内，且气体通道横向贯穿三氧化二铝层。

【技术特征摘要】
1.一种键合晶圆的结构，包括第一晶圆和第二晶圆，其特征在于：所述第二晶圆位于第一晶圆的上方，所述第一晶圆与第二晶圆之间设置有中间层，所述中间层包括气体通道和三氧化二铝层，所述气体通道设置在三氧化二铝层内，且气体通道横向贯穿三氧化二铝层。2.根据权利要求1所述的键合晶圆的结构，其特征在于：所述气体通道为三氧化二铝层经过混合气体刻蚀形成的等间距气体通道。3.根据权利要求2所述的键合晶圆的结构，其特征在于：所述等间距气体通道为凹槽状通道。4.如权利要求1至3中任意一项权利要求所述的键合晶圆的结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：A.将第一晶圆和第二晶圆均进行清洗，吹干；B.将所述第一晶圆和所述第二晶圆的表面均沉积金属铝；C.将所述第一晶圆或所述第二晶圆的表面采用旋涂法均匀涂抹光刻胶；D.将涂抹光刻胶的第一晶圆或第二晶圆依次进行软烘烤、添加掩模版、紫外光曝光以及光刻胶显影工艺；所述软烘烤的条件为置于真空热板内，烘烤温度为80℃-120℃，烘烤时间为30s-60s；E.对有光刻胶的第一晶圆或第二晶圆进行刻蚀形成气体通道，将所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面相互接触，进行预键合，所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面均为步骤B形成的金属铝层；F.通过湿法腐蚀去除残留的光刻胶；G.将所述第一晶圆和所述第二晶圆放入键合机在氧气环境下进行低温键合，氧气分子通过所述气体通道进入所述第一晶圆的键合面和所述第二晶圆的键合面将所述金属铝层自然氧化成三氧化二铝；键合温度为100℃-400℃，键合压力为100Kg-1000Kg；H.低温退火处理；退火温度为100℃-400℃。5.根据权利要求4所述的低温键合晶圆的方法，其特征在于：步骤A中的清洗为采用RCA湿式化学清洗法，所述RCA湿式化学清洗法所采用的清洗液包括有机溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海鸥，吴磊，刘洪刚，李琦，陈永和，张法碧，高喜，肖功利，首照宇，傅涛，翟江辉，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45